JP2012130504A

JP2012130504A - 内視鏡システム、内視鏡システムのプロセッサ装置、及び画像生成方法

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Publication number: JP2012130504A
Application number: JP2010284596A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Saito; 孝明齋藤
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: US8738108B2; US20120157803A1; EP2468187B1; JP5222934B2; EP2468187A1

Abstract

【課題】血液量に関する情報と酸素飽和度に関する情報の両方を同時に把握する。
【解決手段】血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する波長範囲を有する第１の照明光を被検体内に照射し、その反射光等を撮像することにより第１の画像信号（フレーム１）を取得する。波長範囲が広帯域に及ぶ第２の照明光を体腔内に照射し、その反射光等を撮像することにより第２の画像信号（フレーム２）を取得する。第１の画像信号及び第２の画像信号から血液量及び酸素飽和度を求める。血液量の情報を疑似カラー画像化した血液量画像を生成するとともに、酸素飽和度の情報を疑似カラー画像化した酸素飽和度画像を生成する。生成した血液量画像及び酸素飽和度画像は、表示装置１４に同時に表示される。
【選択図】図１３

Description

本発明は、血中ヘモグロビンの酸素飽和度に関する情報を酸素飽和度画像として画像化するとともに、血液量に関する情報を血液量画像として画像化する内視鏡システム、内視鏡システムのプロセッサ装置、及び画像生成方法に関する。

近年の医療においては、内視鏡装置を用いた診断等が広く行われている。内視鏡装置による被検体内の観察としては、照明光として広帯域光の白色光を用いる通常光観察の他、波長を狭帯域化した狭帯域光を用いて、被検体内の血管を強調表示等させる特殊光観察も行われるようになってきている。

また、特殊光観察の他に、血管の吸光特性や生体組織の散乱特性を利用して、内視鏡装置で得られた画像信号から血中ヘモグロビンの酸素飽和度や血管深さなどの血管に関する機能情報を取り出し、それを画像化することも行われている。例えば、特許文献１では、酸素飽和度の大小に応じて異なる色を割り当て、その割り当てた色に基づいて疑似カラーの酸素飽和度画像を生成している。このような酸素飽和度画像を用いることで、例えば、酸素飽和度が特異的に低くなる癌の発見が容易になるため、診断能が向上する。

特許２６４８４９４号公報

低酸素状態となる癌の中でも、未分化型早期胃癌は高分化型の癌と比べて腫瘍領域の血液密度（血液量ともいう）が低くなる特徴を有している。したがって、このような未分化型早期胃癌の発見を確実に行うために、酸素飽和度と合わせて、血液量に関する情報も画像信号から取り出すことが求められている。これに関して、特許文献１においては、酸素飽和度のみしか求めていないため、未分化型早期胃癌など酸素飽和度と血液量の両方に特徴を有する病変部の発見が困難である。

本発明は、血液量に関する情報と酸素飽和度に関する情報の両方を同時に把握することができる内視鏡システム、内視鏡システムのプロセッサ装置、及び画像生成方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の内視鏡システムは、被検体に照明光を照射する照射手段と、被検体からの反射光を撮像素子で撮像して、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する波長範囲の反射光に対応する画像信号を含む、４６０〜７００ｎｍ内で波長範囲が異なる３つ以上の反射光に対応する画像信号を取得する画像信号取得手段と、取得した画像信号に基づいて、被検体の血液量及び血中ヘモグロビンの酸素飽和度の情報を求める血液量及び酸素飽和度算出手段と、前記血液量の情報を画像化した血液量画像を生成するとともに、前記酸素飽和度の情報を画像化した酸素飽和度画像を生成する血液量及び酸素飽和度画像生成手段と、前記血液量画像または酸素飽和度画像の少なくとも一方を表示する表示手段とを備えることを特徴とする。

前記表示手段は、前記血液量画像と前記酸素飽和度画像とを同時に表示してもよい。前記血液量画像と前記酸素飽和度画像のうちのいずれか一方を選択し、選択した画像を前記表示手段に表示させる画像選択手段を備えてもよい。

前記血液量及び酸素飽和度画像生成手段は、血液量に応じて変化する疑似カラー情報を記憶する血液量用のカラーテーブルを用いて、前記血液量の情報を疑似カラー画像化するとともに、酸素飽和度に応じて変化する疑似カラー情報を記憶する酸素飽和度用のカラーテーブルを用いて、前記酸素飽和度の情報を疑似カラー画像化する。

前記血液量及び酸素飽和度算出手段は、前記３つ以上の画像信号を用いて、血液量に依存性を有する第１信号比と、血液量及び酸素飽和度の両方に依存性を有する第２信号比を求める信号比算出部と、前記血液量と前記第１信号比との第１の相関関係と、前記酸素飽和度と前記第１及び第２信号比との第２の相関関係を記憶する相関関係記憶部と、前記相関関係記憶部に記憶された前記第１相関関係から前記第１信号比に対応する血液量の情報を求めるとともに、前記第２相関関係から前記第２信号比に対応する酸素飽和度の情報を求める血液量及び酸素飽和度算出部とを備えている。

前記画像信号取得手段は、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する波長範囲の光で照明された被検体を、撮像面にＲＧＢのカラーフィルタが設けられたカラーの撮像素子で撮像するとともに、広帯域光の白色光で照明された被検体を前記カラーの撮像素子で撮像することにより、画像信号を取得してもよい。

前記画像信号取得手段は、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する波長範囲を含む広帯域光の白色光で照明された被検体を、撮像面にＲＧＢのカラーフィルタが設けられたカラーの撮像素子で撮像することにより、画像信号を取得してもよい。

前記白色光は、特定波長の励起光を蛍光体に当てることで励起発光する疑似白色光であることが好ましい。

前記画像信号取得手段は、４６０〜４８０ｎｍの波長範囲の光で照明された被検体を、撮像面にＲＧＢのカラーフィルタが設けられたカラーの撮像素子で撮像し、５４０〜５８０ｎｍの波長範囲の光で照明された被検体を、前記カラーの撮像素子で撮像し、５９０〜７００ｎｍの波長範囲の光で照明された被検体を、前記カラーの撮像素子で撮像することによって、画像信号を取得してもよい。

前記画像信号取得手段は、５３０〜５５０ｎｍの波長範囲の光で照明された被検体を、モノクロの撮像素子で撮像し、５５５〜５６５ｎｍの波長範囲の光で照明された被検体を、前記モノクロの撮像素子で撮像し、５９０〜７００ｎｍの波長範囲の光で照明された被検体を、前記モノクロの撮像素子で撮像することによって、画像信号を取得してもよい。

前記照射手段は、４６０〜４８０ｎｍの波長範囲の光と５４０〜７００ｎｍの波長範囲の光を被検体に同時照射し、前記画像信号取得手段は、被検体からの反射光を、撮像面にＲＧＢのカラーフィルタが設けられたカラーの撮像素子で撮像することにより、画像信号を取得してもよい。

各波長範囲の光は、広帯域の白色光を狭帯域フィルタでフィルタリングすることによって生成することが好ましい。

本発明の内視鏡システムのプロセッサ装置は、被検体に照明光を照射する照射手段、及び被検体からの反射光を撮像素子で撮像して、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する波長範囲の反射光に対応する画像信号を含む、４６０〜７００ｎｍ内で波長範囲が異なる３つ以上の反射光に対応する画像信号を取得する画像信号取得手段を備える内視鏡装置から、前記画像信号を受信する受信手段と、取得した画像信号に基づいて、被検体の血液量及び血中ヘモグロビンの酸素飽和度の情報を求める血液量及び酸素飽和度算出手段と、前記血液量の情報を画像化した血液量画像を生成するとともに、前記酸素飽和度の情報を画像化した酸素飽和度画像を生成する血液量及び酸素飽和度画像生成手段とを備えることを特徴とする。

本発明の画像生成方法は、被検体に照明光を照射し、被検体からの反射光を撮像素子で撮像して、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する波長範囲の反射光に対応する画像信号を含む、４６０〜７００ｎｍ内で波長範囲が異なる３つ以上の反射光に対応する画像信号を取得し、取得した画像信号に基づいて、被検体の血液量及び血中ヘモグロビンの酸素飽和度の情報を求め、前記血液量の情報を画像化した血液量画像を生成するとともに、前記酸素飽和度の情報を画像化した酸素飽和度画像を生成することを特徴とする。

本発明によれば、血液量に関する情報が画像化された血液量画像と、酸素飽和度に関する情報が画像化された酸素飽和度画像との少なくとも一方を、モニタ等の表示手段に表示することから、血液量に関する情報と酸素飽和度に関する情報の両方を同時に把握することができる。

第１実施形態の内視鏡システムの外観図である。内視鏡システムの内部構成を表すブロック図である。スコープ先端部の正面図である。酸素飽和度測定光及び白色光の発光スペクトルを表すグラフである。ＲＧＢのカラーフィルタの分光透過率を示すグラフである。通常光観察モードにおける撮像素子の撮像制御を説明するための説明図である。機能情報観察モードにおける撮像素子の撮像制御を説明するための説明図である。血液量と信号比Ｒ２／Ｇ２との相関関係を示すグラフである。酸素飽和度と信号比Ｂ１／Ｇ２、Ｒ２／Ｇ２との相関関係を示すグラフである。ヘモグロビンの吸光係数を示すグラフである。図８のグラフにおいて信号比から酸素飽和度を求める方法を説明するための説明図である。血液量と色差信号との関係を示すグラフである。酸素飽和度と色差信号との関係を示すグラフである。血液量画像と酸素飽和度画像を並列表示する表示装置の画像図である。血液量画像と酸素飽和度画像のいずれか一方を表示する表示装置の画像図である。本発明の作用を示すフローチャートである。血液量画像及び酸素飽和度画像の作成手順を示すブロック図である。第１実施形態における別実施形態の内視鏡システムの内部構成を表すブロック図である。第２実施形態における内視鏡システムの内部構成を表すブロック図である。白色光の発光スペクトルを表すグラフである。回転フィルタの正面図である。図２０の回転フィルタとは別の透過特性を有する回転フィルタの正面図である。図２０，２１の回転フィルタとは別の透過特性を有する回転フィルタの正面図である。第３実施形態における内視鏡システムの内部構成を表すブロック図である。

図１及び２に示すように、第１実施形態の内視鏡システム１０は、所定の波長範囲の光を発生する光源装置１１と、光源装置１１から発せられる光を導光して被検体の被観察領域に照明光を照射し、その反射光等を撮像する内視鏡装置１２と、内視鏡装置１２で得られた画像信号を画像処理するプロセッサ装置１３と、画像処理によって得られた内視鏡画像等を表示する表示装置１４と、キーボード等で構成される入力装置１５とを備えている。

内視鏡システム１０は、波長範囲が青色から赤色に及ぶ可視光の被検体像からなる通常光画像を表示装置１４に表示する通常光観察モードと、被検体における血中ヘモグロビンの酸素飽和度と血液量の情報が疑似カラーで表された酸素飽和度画像及び血液量画像を表示装置１４に表示する機能情報観察モードを備えている。観察モードは、内視鏡装置の切り替えスイッチ１７や入力装置１５から入力される指示に基づき、適宜切り替えられる。

光源装置１１は、２種のレーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２と、光源制御部２０と、コンバイナ２１と、カプラ２２とを備えている。レーザ光源ＬＤ１は、酸素飽和度の測定に用いられる狭帯域光（酸素飽和度測定光）を発生させる。レーザ光源ＬＤ２は、内視鏡装置の先端部に配置された蛍光体５０から白色光（疑似白色光）を発生させるための励起光を発生させる。各レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２から発せられる光は、集光レンズ（図示省略）を介してそれぞれ対応する光ファイバ２４，２５に入射する。なお、レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２は、ブロードエリア型のＩｎＧａＮ系レーザダイオードが使用でき、また、ＩｎＧａＮＡｓ系レーザダイオードやＧａＮＡｓ系レーザダイオード等を用いることもできる。

光源制御部２０は、レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２を制御することによって、各レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２の発光タイミングや各レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２間の光量比を調節する。本実施形態では、通常光観察モードのときには、レーザ光源ＬＤ１をオフにし、レーザ光源ＬＤ２をオンにする。一方、機能情報観察モードのときには、レーザ光源ＬＤ１をオンにしたときはレーザ光源ＬＤ２をオフにし、反対にレーザ光源ＬＤ１をオフにしたときはレーザ光源ＬＤ２をオンにする。この切替は一定時間毎に繰り返し行われる。

コンバイナ２１は、各光ファイバ２４，２５からの光を合波させる。合波した光は、分波器であるカプラ２２によって４系統の光に分波される。分波された４系統の光のうち、レーザ光源ＬＤ１からの光はライトガイド２６，２７で伝送され、レーザ光源ＬＤ２からの光はライトガイド２８、２９で伝送される。ライトガイド２６〜２９は多数の光ファイバを束ねたバンドルファイバなどから構成される。なお、コンバイナ２１及びカプラ２２を用いずに、各レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２からの光を直接ライトガイド２６〜２９に入れる構成としてもよい。

内視鏡装置１２は電子内視鏡から構成され、内視鏡スコープ３２と、ライトガイド２６〜２９で伝送される４系統（４灯）の光を照射する照明部３３と、被観察領域を撮像する１系統の撮像部３４と、内視鏡スコープ３２の先端部の湾曲操作や観察のための操作を行う操作部３５と、内視鏡スコープ３２と光源装置１１及びプロセッサ装置１３とを着脱自在に接続するコネクタ部３６を備えている。

内視鏡スコープ３２には、操作部３５側から順に、軟性部３８、湾曲部３９、スコープ先端部４０が設けられている。軟性部３８は、可撓性を有しているため、内視鏡スコープ挿入時には被検体内で屈曲自在とすることができる。湾曲部３９は、操作部３５に配置されたアングルノブ３５ａの回動操作により湾曲自在に構成されている。この湾曲部３９は、被検体の部位等に応じて、任意の方向、任意の角度に湾曲させることができるため、スコープ先端部４０を所望の観察部位に向けることができる。

スコープ先端部４０には照明部３３と撮像部３４が設けられている。撮像部３４は、スコープ先端部４０の略中心位置に、被写体領域からの反射光等を撮像する１つの観察窓４２を備えている。照明部３３は、撮像部３４の両脇に設けられた２つの照明窓４３，４４を備えており、各照明窓４３，４４は、酸素飽和度測定光と白色光の２種類の光を被観察領域に向けて照射する。

一方の照明窓４３の奥には２つの投光ユニット４６，４７が収納されている。一方の投光ユニット４６では、ライトガイド２６からの酸素飽和度測定光を、レンズ４８を介して被観察領域に向けて照射する。もう一方の投光ユニット４７では、ライトガイド２８からの励起光を蛍光体５０に当てて白色光を励起発光させ、その白色光をレンズ５１を介して被観察領域に向けて照射する。なお、他方の照明窓４４の奥にも、上記投光ユニット４６と同様の投光ユニット５３と、上記投光ユニット４７と同様の投光ユニット５４の２つが収納されている。

照明窓４３，４４は、スコープ先端部４０において、観察窓４２を挟んでその両側に配置されている。また、４つの投光ユニット４６，４７，５３，５４は、蛍光体５０を備える投光ユニット４７，５４の出射面間を結ぶ直線Ｌ１と、蛍光体５０を備えていない投光ユニット４６，５３の出射面間を結ぶ直線Ｌ２とが、観察窓４２の中心部で交差するように、互い違いに配置されている。このような配置にすることによって、照明ムラの発生を防止することができる。

蛍光体５０は、レーザ光源ＬＤ２からの励起光の一部を吸収して緑色〜黄色に励起発光する複数種の蛍光物質（例えばＹＡＧ系蛍光物質、或いはＢＡＭ（ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７）等の蛍光物質）を含んで構成される。励起光が蛍光体５０に照射されると、蛍光体５０から発せられる緑色〜黄色の励起発光光（蛍光）と、蛍光体５０により吸収されず透過した励起光とが合わされて、白色光（疑似白色光）が生成される。なお、蛍光体は、商品名としてマイクロホワイト（登録商標）（Micro White（ＭＷ））とも呼ばれている。

したがって、蛍光体５０を備える投光ユニット４７，５４から発せられる白色光は、図４に示すように、中心波長４４５ｎｍの励起光の波長範囲と、その励起光によって励起発光する蛍光において発光強度が増大する概ね４５０ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲とを有する発光スペクトルとなる。一方、蛍光体５０を備えていない投光ユニット４６，５３から発せられる酸素飽和度測定光は、中心波長４７３ｎｍの近傍に波長範囲を有する発光スペクトルとなる。

なお、ここで、本発明でいう白色光とは、厳密に可視光の全ての波長成分を含むものに限らず、例えば、上述した疑似白色光を始めとして、基準色であるＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）等、特定の波長帯の光を含むものであればよい。つまり、本発明のいう白色光には、例えば、緑色から赤色にかけての波長成分を含む光や、青色から緑色にかけての波長成分を含む光等も広義に含まれるものとする。

観察窓４２の奥には、被検体の被観察領域の像光を取り込むための対物レンズユニット（図示省略）等の光学系が設けられており、さらにその対物レンズユニットの奥には、被観察領域の像光を受光して被観察領域を撮像するＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）などの撮像素子６０が設けられている。

撮像素子６０は、対物レンズユニットからの光を受光面（撮像面）で受光し、受光した光を光電変換して撮像信号（アナログ信号）を出力する。撮像素子６０はカラーＣＣＤであり、その受光面には、Ｒ色のカラーフィルタが設けられたＲ画素、Ｇ色のカラーフィルタが設けられたＧ画素、Ｂ色のカラーフィルタが設けられたＢ画素を１組とする画素群が、多数マトリックス状に配列されている。

Ｂ色、Ｇ色、Ｒ色のカラーフィルタは、それぞれ図５に示すような分光透過率６３，６４，６５を有している。したがって、被観察領域からの反射光等のうち白色光はＲ色、Ｇ色、Ｂ色のカラーフィルタの全てを透過するため、撮像素子６０のＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素の全てから撮像信号が出力される。一方、酸素飽和度測定光は、中心波長が４７３ｎｍであるため、主としてＢ画素から撮像信号が出力される。

撮像素子６０から出力される撮像信号（アナログ信号）は、スコープケーブル６７を通じてＡ／Ｄ変換器６８に入力される。Ａ／Ｄ変換器６８は、撮像信号（アナログ信号）をその電圧レベルに対応する画像信号（デジタル信号）に変換する。変換後の画像信号は、コネクタ部３６を介して、プロセッサ装置１３の画像処理部７３に入力される。

撮像制御部７０は撮像素子６０の撮像制御を行う。図６Ａに示すように、通常光観察モード時には、１フレーム期間内で、白色光（４４５ｎｍ＋蛍光体（本実施形態では４４５ｎｍの励起光を蛍光体５０に当てて白色光を発生させるため、このように表記する））を光電変換して得られる電荷を蓄積するステップと、蓄積した電荷を読み出すステップの合計２ステップが行われる。これは通常光観察モードに設定されている間、繰り返し行われる。

一方、機能情報観察モード時には、図６Ｂに示すように、１フレーム期間内で、酸素飽和度測定光（４７３ｎｍの狭帯域光）を光電変換して得られる電荷を蓄積するステップと、蓄積した電荷を読み出すステップの合計２ステップが行われる（１フレーム目）。そして、その次に、１フレーム期間内で、白色光（４４５ｎｍ＋ＭＷ）を光電変換して得られる電荷を蓄積するステップと、蓄積した電荷を読み出すステップの合計２ステップが行われる（２フレーム目）。これら合計２フレームの撮像制御は、機能情報観察モードに設定されている間、繰り返し行われる。

なお、１フレーム目の画像信号は、撮像素子６０のＢ画素からの青色信号Ｂ１と、Ｇ画素からの緑色信号Ｇ１と、Ｒ画素からの赤色信号Ｒ１とから構成される。また、２フレーム目の画像信号は通常光画像信号と同じであり、Ｂ画素からの青色信号Ｂ２と、Ｇ画素からの緑色信号Ｇ２と、Ｒ画素からの赤色信号Ｒ２とから構成される。

なお、図示はしていないが、内視鏡装置１２における操作部３５及び内視鏡スコープ３２の内部には、組織採取用処置具等を挿入する鉗子チャンネルや、送気・送水用のチャンネル等、各種のチャンネルが設けられている。

プロセッサ装置１３は、制御部７２と、画像処理部７３と、記憶部７４とを備えており、制御部７２には表示装置１４及び入力装置１５が接続されている。制御部７２は、内視鏡装置１２の切り替えスイッチ１７や入力装置１５から入力される観察モード等の指示に基づいて、画像処理部７３、光源装置１１の光源制御部２０、内視鏡装置１２の撮像制御部７０、及び表示装置１４の動作を制御する。

画像処理部７３は通常光画像処理部８０と機能画像処理部８２とを備えており、内視鏡装置１２からの画像信号に対して、所定の画像処理を施す。通常光画像処理部８０は、画像信号に対して所定の画像処理を施すことによって、通常光画像を生成する。

機能画像処理部８２は、内視鏡装置から入力される画像信号に基づき被検体の血液量及び血中ヘモグロビンの酸素飽和度の情報を算出するとともに、算出した血液量を疑似カラー画像化した血液量画像と酸素飽和度を疑似カラー画像化した酸素飽和度画像を生成する。機能画像処理部８２は、信号比算出部８４と、相関関係記憶部８５と、血液量及び酸素飽和度算出部８６と、血液量画像生成部８７と、酸素飽和度画像生成部８８とを備えている。

信号比算出部８４は、機能情報観察モード時に取得する１フレーム目の画像信号と２フレーム目の画像信号において、同じ位置にある画素間の信号比を算出する。信号比は画像信号の全ての画素に対して算出される。本実施形態では、信号比算出部８４は、１フレーム目の青色信号Ｂ１と２フレーム目の緑色信号Ｇ２との信号比Ｂ１／Ｇ２と、２フレーム目の緑色信号Ｇ２と赤色信号Ｒ２との信号比Ｒ２／Ｇ２とを求める。なお、信号比は画像信号のうち血管部分の画素のみ求めてもよい。この場合、血管部分は、血管部分の画像信号とそれ以外の部分の画像信号との差に基づいて特定される。

相関関係記憶部８５は、信号比Ｂ１／Ｇ２及びＲ２／Ｇ２と血液量及び酸素飽和度との相関関係を記憶している。信号比と血液量との相関関係は、図７に示すように、信号比Ｒ２／Ｇ２が大きくなればなるほど血液量も大きくなるように定義されている１次元テーブルで記憶されている。なお、信号比Ｒ２／Ｇ２はlogスケールで記憶されている。

一方、信号比と酸素飽和度との相関関係は、図８に示す二次元空間上に酸素飽和度の等高線を定義した２次元テーブルで記憶されている。この等高線の位置、形は光散乱の物理的なシミュレーションで得られ、血液量に応じて変わるように定義されている。例えば、血液量の変化があると、各等高線間の間隔が広くなったり、狭くなったりする。なお、信号比Ｂ１／Ｇ２，Ｒ２／Ｇ２はlogスケールで記憶されている。

なお、上記相関関係は、図９に示すような酸化ヘモグロビンや還元ヘモグロビンの吸光特性や光散乱特性と密接に関連性し合っている。図９において、グラフ９０は酸化ヘモグロビンの吸光係数を、グラフ９１は還元ヘモグロビンの吸光係数を示している。この図９が示すように、例えば、４７３ｎｍのように吸光係数の差が大きい波長では、酸素飽和度の情報を取り易い。しかしながら、４７３ｎｍの光に対応する信号を含む青色信号は、酸素飽和度だけでなく血液量にも依存度が高い。そこで、青色信号Ｂ１に加え、主として血液量に依存して変化する光に対応する赤色信号Ｒ２と、青色信号Ｂ１と赤色信号Ｒ２のリファレンス信号となる緑色信号Ｇ２から得られる信号比Ｂ１／Ｇ２及びＲ２／Ｇ２を用いることで、血液量に依存することなく、酸素飽和度を正確に求めることができる。

また、血中ヘモグロビンの吸光係数の波長依存性から、以下の３つのことが言える。
・波長４７０ｎｍ近辺（例えば、中心波長４７０ｎｍ±１０ｎｍの青色の波長領域）では酸素飽和度の変化に応じて吸光係数が大きく変化する。
・５４０〜５８０ｎｍの緑色の波長範囲で平均すると、酸素飽和度の影響を受けにくい。
・５９０〜７００ｎｍの赤色の波長範囲では、酸素飽和度によって一見吸光係数が大きく変化するように見えるが、吸光係数の値自体が非常に小さいので、結果的に酸素飽和度の影響を受けにくい。

血液量及び酸素飽和度算出部８６は、相関関係記憶部８５に記憶された相関関係と信号比算出部８４で求めた信号比Ｂ１／Ｇ２、Ｒ２／Ｇ２とを用いて、各画素における血液量及び酸素飽和度の両方を求める。血液量については、相関関係記憶部８５の１次元テーブルにおいて信号比算出部で求めた信号比Ｒ２／Ｇ２に対応する値が、血液量となる。一方、酸素飽和度については、まず、図１０に示すように、二次元空間において信号比算出部８４で求めた信号比Ｂ１^＊／Ｇ２^＊、Ｒ２^＊／Ｇ２^＊に対応する対応点Ｐを特定する。

そして、図１０のように、対応点Ｐが酸素飽和度＝０％限界の下限ライン９３と酸素飽和度＝１００％限界の上限ライン９４との間にある場合、その対応点Ｐが位置する等高線が示すパーセント値が、酸素飽和度となる。例えば、図１０の場合であれば、対応点Ｐが位置する等高線は６０％を示しているため、この６０％が酸素飽和度となる。なお、対応点が下限ライン９３と上限ライン９４との間から外れている場合には、対応点が下限ライン９３よりも上方に位置するときには酸素飽和度を０％とし、対応点が上限ライン９４よりも下方に位置するときには酸素飽和度を１００％とする。なお、対応点が下限ライン９３と上限ライン９４との間から外れている場合には、その画素における酸素飽和度の信頼度を下げて表示しないようにしてもよい。

血液量画像生成部８７は、血液量及び酸素飽和度算出部８６で求めた血液量を疑似カラーで表す血液量画像を生成する。血液量画像は、輝度Ｙと色差信号Ｃｂ，Ｃｒからなる映像信号で構成される。輝度Ｙには、通常光画像信号の緑色信号Ｇ２が割り当てられる。この緑色信号Ｇ２は、ヘモグロビンによる吸収がやや強い波長帯域の反射光に対応しているので、これに基づく画像からは粘膜の凹凸や血管などを視認できる。したがって、緑色信号Ｇ２を輝度に割り当てることで、疑似カラー画像の全体的な明るさを定義することができる。

一方、色差信号Ｃｂ，Ｃｒは、カラーテーブル８７ａに従って、血液量に応じた信号値が割り当てられる。カラーテーブル８７ａは、図１１に示すように、色差信号Ｃｂについては血液量が大きくなるほど信号値が低下するように定義され、色差信号Ｃｒについては血液量が大きくなるほど信号値が増加するように定義されている。したがって、血液量画像は、血液量が多いところでは赤味が増加し、血液量が低くなるにつれて赤味の彩度が下がりモノクロに近づいていく。

酸素飽和度画像生成部８８は、血液量及び酸素飽和度算出部８７で求めた酸素飽和度を疑似カラーで表す酸素飽和度画像を生成する。酸素飽和度画像は、血液量画像と同様、輝度Ｙと色差信号Ｃｂ，Ｃｒからなる映像信号で構成される。輝度Ｙには、通常光画像信号の緑色信号Ｇ２が割り当てられる。色差信号Ｃｂ，Ｃｒは、カラーテーブル８８ａに従い、酸素飽和度に応じた信号値が割り当てられる。

カラーテーブル８８ａは、図１２に示すように、高酸素飽和度下では色差信号Ｃｒの信号値が正、色差信号Ｃｂの信号値が負となるように定義され、低酸素飽和度下では、反対に色差信号Ｃｒの信号値が負、色差信号Ｃｂの信号値が正となるように定義されている。そして、中酸素飽和度下において、色差信号Ｃｒの信号値と色差信号Ｃｂの信号値の大小関係が逆転するように定義されている。したがって、酸素飽和度が低い方から高い方に行くにつれて、酸素飽和度画像の色味は青→水色→緑→黄色→橙→赤と変化するようになっている。

以上のように生成された血液量画像及び酸素飽和度画像は表示装置１４に表示される。表示方法としては、図１３に示すように、酸素飽和度画像と血液量画像を縮小し、それら縮小した画像を並列して同時に表示してもよい。あるいは、入力装置１５に設けられた画像選択手段をユーザが操作することによって、図１４に示すように、酸素飽和度画像と血液量画像のいずれか一方を選択し、その選択した画像を表示装置１４を表示するようにしてもよい。このように血液量画像と酸素飽和度画像の両方を用いて内視鏡診断を行うことができるため、酸素飽和度と血液量の両方に特徴を有する未分化型早期胃癌などの病変部に対する診断能を向上させることができる。

次に、本発明の作用について図１５のフローチャート及び図１６のブロック図に沿って説明する。内視鏡装置の切り替えスイッチ１７によって、機能情報観察モードに切り替えられると、スコープ先端部４０から中心波長４７３ｎｍの狭帯域光である酸素飽和度測定光が被検体内に照射される。被検体からの反射光等は、Ｂ画素、Ｇ画素、Ｒ画素からなるカラーＣＣＤである撮像素子６０で撮像される。これにより、青色信号Ｂ１、緑色信号Ｇ１、赤色信号Ｒ１からなる１フレーム目の画像信号が得られる。

１フレーム目の画像信号が得られると、中心波長４４５ｎｍの励起光で励起発光される白色光が、スコープ先端部４０から被検体内に照射される。被検体からの反射光等を撮像素子６０で撮像することにより、青色信号Ｂ２、緑色信号Ｇ２、赤色信号Ｒ２からなる２フレーム目の画像信号（通常光画像信号）が得られる。

２フレーム目の画像信号が得られると、信号比算出部８４は、１フレーム目の画像信号と２フレーム目の画像信号間で同じ位置にある画素について、信号比Ｂ１／Ｇ２、Ｒ２／Ｇ２を求める。信号比は全ての画素について求める。信号比が求まると、血液量及び酸素飽和度算出部８６は、相関関係記憶部８５に記憶している相関関係から、信号比算出部８４で求めた信号比Ｒ２／Ｇ２に対応する血液量を求めるとともに、信号比算出部８４で求めた信号比Ｂ１／Ｇ２、Ｒ２／Ｇ２に対応する酸素飽和度を求める。血液量及び酸素飽和度は、全ての画素について求める。

全ての画素について血液量及び酸素飽和度が求まると、血液量画像生成部８７内のカラーテーブル８７ａを参照し、血液量に対応する色差信号Ｃｂ，Ｃｒを求める。そして、この求めた色差信号Ｃｂ，Ｃｒと、通常光画像信号の緑色信号Ｇ２が割り当てられた輝度Ｙとから、血液量が疑似カラーで表された血液量画像が生成される。また、同様に、カラーテーブル８８ａを用いて、酸素飽和度が疑似カラーで表された酸素飽和度画像を生成する。生成された血液量画像及び酸素飽和度画像は、表示装置１４に表示される。

なお、第１実施形態においては、中心波長４７３ｎｍの狭帯域光を照射したときのフレーム１の画像信号と中心波長４４５ｎｍの励起光で蛍光体から励起発光させた白色光を照射したときのフレーム２の画像信号の合計２フレームを使って、血液量及び酸素飽和度の算出を行ったが、これに代えて、図１７に示すように、レーザ光源ＬＤ１の中心波長４７３ｎｍの励起光を用いて蛍光体５０から白色光を励起発光させ、その白色光を被検体内に照射及び撮像したときに得られる１フレーム分の画像信号から、血液量及び酸素飽和度を求めてもよい。なお、図１７に示す内視鏡システム１００は、４つの投光ユニット４６，４７，５３，５４から４系統の光を照射する内視鏡システム１０と異なり、蛍光体５０を有する２つの投光ユニット４７，５４から２系統の光を照射する。

このとき画像信号の青色信号Ｂには、中心波長４７３ｎｍの励起光に対応する信号と、蛍光体から励起発光光のうち少量の光に対応する信号とを含む。また、緑色信号Ｇには、蛍光体からの励起発光光のうち主として５４０〜５８０ｎｍの波長範囲の分光照明に対応する信号が含まれている。また、赤色信号Ｒには、少量の励起光に対応する信号と、励起発光光のうち５９０〜７００ｎｍの波長範囲の分光照明に対応する信号とが含まれている。

したがって、血液量の算出に用いられる信号比はＲ／Ｇとなり、酸素飽和度の算出に用いられる信号比はＢ／Ｇ、Ｒ／Ｇとなる。Ｒ／Ｇは上記信号比Ｒ２／Ｇ２に対応し、Ｂ／Ｇは上記信号比Ｂ１／Ｇ２に対応する。血液量及び酸素飽和度の算出方法は、上記と同様であるため、説明を省略する。なお、疑似カラー画像の血液量画像及び酸素飽和度画像を生成する際には、緑色信号Ｇを輝度に割り当てる。

図１８に示すように、第２実施形態の内視鏡システム１２０は、光源装置１１に回転フィルタ方式を採用する。したがって、内視鏡システム１２０には、第１実施形態におけるレーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２、光源制御部２０、及びコンバイナ２１に代えて、図１９に示すような分光強度を有する白色光を発するキセノン光源等の広帯域光源１２１と、白色光のうち酸素飽和度測定光の波長成分または白色光をそのまま透過させる回転フィルタ１２２と、回転フィルタを透過した光が入射する光ファイバ１２３と、回転フィルタ１２２の回転を制御する回転制御部１２４が設けられている。光ファイバ１２３に入射した光は、カプラ２２で２系統の光に分波され、分波された光はそれぞれライトガイド２６及び２７を介して、投光ユニット４６及び５３から被検体内に照射される。なお、これら以外については、内視鏡システム１２０は内視鏡システム１０と同様の構成を有しているので、説明を省略する。

図２０に示すように、回転フィルタ１２２は、白色光のうち波長範囲が４６０〜４８０ｎｍの酸素飽和度測定光（図４参照）を透過させるバンドフィルタ１２５と、白色光をそのまま透過させる開口部１２６とからなる。したがって、回転フィルタ１２２が回転することで、酸素飽和度測定光と白色光とが交互に被検体内に照射される。このとき、第１実施形態と同様に、酸素飽和度測定光が照射されたときに１フレーム目の画像信号を取得し、白色光が照射されたときに２フレーム目の画像信号を取得する。これら取得した２フレーム分の画像信号から、第１実施形態と同様に、酸素飽和度画像を生成する。

この第２実施形態においては、白色光が図１９のような分光強度特性を有するため、通常光画像信号の青色信号Ｂ２には４００ｎｍ〜５３０ｎｍの波長範囲の光に対応する信号が含まれ、緑色信号Ｇ２には５４０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長範囲の光に対応する信号が含まれ、赤色信号Ｒ２には５９０ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲の光に対応する信号が含まれる。なお、血液量及び酸素飽和度の算出方法は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

なお、第２実施形態では、図２０に示す回転フィルタ１２２に代えて、図２１に示すような回転フィルタ１３０を用いてもよい。この回転フィルタ１３０の第１透過部１３１は広帯域光源１２１からの白色光のうち４６０〜４８０ｎｍの波長範囲の第１透過光を透過させ、第２透過部１３２は白色光のうち５４０〜５８０ｎｍの波長範囲の第２透過光を透過させ、第３透過部１３３は白色光のうち５９０〜７００ｎｍの波長範囲の第３透過光を透過させる。この回転フィルタ１３０が回転すると、第１〜第３透過光が順次被検体に照射される。

回転フィルタ１３０を用いる場合には、モノクロの撮像素子６０によって、各透過光が照射される毎に撮像を行う。したがって、第１〜第３透過光の照射により、３フレーム分の画像信号が得られる。これら画像信号のうち、第１透過光を照射したときに得られる画像信号を青色信号Ｂとし、第２透過光を照射したときに得られる画像信号を緑色信号Ｇとし、第３透過光を照射したときに得られる画像信号を赤色信号Ｒとする。

したがって、血液量の算出に用いられる信号比はＲ／Ｇとなり、酸素飽和度の算出に用いられる信号比はＢ／Ｇ、Ｒ／Ｇとなる。Ｒ／Ｇは第１実施形態の信号比Ｒ２／Ｇ２に対応し、Ｂ／Ｇは第１実施形態の信号比Ｂ１／Ｇ２に対応する。血液量及び酸素飽和度の算出方法は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。なお、疑似カラー画像の血液量画像及び酸素飽和度画像を生成する際には、緑色信号Ｇを輝度に割り当てる。

なお、第２実施形態では、図２１に示す回転フィルタ１３０の代わりに、図２２に示すように、各透過部における透過率が回転フィルタ１３０と異なる回転フィルタ１５０を用いてもよい。回転フィルタ１５０の第１透過部は白色光のうち５３０〜５５０ｎｍの波長範囲の第１透過光を透過させ、第２透過部は白色光のうち５５５〜５６５ｎｍの波長範囲の第２透過光を透過させ、第３透過部は白色光のうち５９０〜７００ｎｍの第３透過光を透過させる。この回転フィルタ１５０が回転すると、第１〜第３透過光が順次被検体に照射される。

回転フィルタ１５０を用いる場合には、カラーの撮像素子６０によって各透過光が照射される毎に撮像を行う。第１及び第２透過光は撮像素子６０のＧ画素に主として感応するため、第１及び第２透過光を照射したときには、画像信号として緑色信号Ｇａ，Ｇｂが得れる。一方、第３透過光は撮像素子６０のＲ画素に主として感応するため、画像信号として赤色信号Ｒｃが得られる。ここで、Ｇａ及びＲｃは血中ヘモグロビンの酸素飽和度に応じて吸光係数が変化する２つの波長範囲の反射光に対応する画像信号であり、Ｇｂは吸光係数が変化しない１つの波長範囲の反射光に対応する画像信号である。したがって、Ｇａ／Ｇｂが酸素飽和度及び血液量に依存して変化し、Ｒｃ／Ｇｂが主に血液量に依存して変化する。

そのため、血液量の算出に用いられる信号比はＲｃ／Ｇｂとなり、酸素飽和度の算出に用いられる信号比はＧａ／Ｇｂ、Ｒｃ／Ｇｂとなる。Ｒｃ／Ｇｂは第１実施形態の信号比Ｒ２／Ｇ２に対応し、Ｇａ／Ｇｂは第１実施形態の信号比Ｂ１／Ｇ２に対応する。血液量及び酸素飽和度の算出方法は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。なお、疑似カラー画像の血液量画像及び酸素飽和度画像を生成する際には、緑色信号ＧａまたはＧｂを輝度に割り当てる。

図２３に示すように、第３実施形態の内視鏡システム２００は、第２実施形態で示した回転フィルタ１２２の代わりに、ハーフミラー２０１、反射ミラー２０２、狭帯域フィルタ２０３，２０４を用いて、血液量及び酸素飽和度の算出に用いられる光を生成する。それ以外については、内視鏡システム２００は、第２実施形態の内視鏡システム１２０と同様の構成を有している。

光源装置１１では、広帯域光源１２１で発せられる白色光は、ハーフミラー２０１において、２系統の白色光に分波される。分波された一方の白色光は狭帯域フィルタ２０３に入射し、もう一方の白色光は、反射ミラー２０２で反射して、狭帯域フィルタ２０４に入射する。狭帯域フィルタ２０３は白色光のうち４６０〜４８０ｎｍの波長範囲の光を透過させ、狭帯域フィルタ２０４は白色光のうち５４０〜７００ｎｍの波長範囲の光を透過させる。各狭帯域フィルタ２０３，２０４を透過した光は、レンズ２０３ａ，２０４ａ及びライトガイド２６，２７を介して、被検体内に同時に照射される。

被検体内の撮像には第１実施形態と同様にカラーの撮像素子６０を用いる。したがって、撮像により得られる画像信号の青色信号Ｂには４６０〜４８０ｎｍの光に対応する信号が、緑色信号Ｇには５４０〜５８０ｎｍの光に対応する信号が、赤色信号Ｒには５９０〜７００ｎｍの光に対応する信号が含まれる。

そのため、血液量の算出に用いられる信号比はＲ／Ｇとなり、酸素飽和度の算出に用いられる信号比はＢ／Ｇ、Ｒ／Ｇとなる。Ｒ／Ｇは第１実施形態の信号比Ｒ２／Ｇ２に対応し、Ｂ／Ｇは第１実施形態の信号比Ｂ１／Ｇ２に対応する。血液量及び酸素飽和度の算出方法は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。なお、疑似カラー画像の血液量画像及び酸素飽和度画像を生成する際には、緑色信号Ｇを輝度に割り当てる。

なお、上記実施形態では、血液量画像及び酸素飽和度画像を生成する際に、血液量及び酸素飽和度に関する情報を疑似カラー画像化したが、これに代えて、血液量及び酸素飽和度に関する情報をモノクロ画像化（白と黒のモノクロで濃淡の変化をさせる）してもよい。

１０，１２０，２００内視鏡システム
１４表示装置
６０撮像素子
７３画像処理部
８４信号比算出部
８５相関関係記憶部
８６血液量及び酸素飽和度算出部
８７血液量画像生成部
８７ａ（血液量用の）カラーテーブル
８８酸素飽和度画像生成部
８８ａ（酸素飽和度用の）カラーテーブル

Claims

被検体に照明光を照射する照射手段と、
被検体からの反射光を撮像素子で撮像して、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する波長範囲の反射光に対応する画像信号を含む、４６０〜７００ｎｍ内で波長範囲が異なる３つ以上の反射光に対応する画像信号を取得する画像信号取得手段と、
取得した画像信号に基づいて、被検体の血液量及び血中ヘモグロビンの酸素飽和度の情報を求める血液量及び酸素飽和度算出手段と、
前記血液量の情報を画像化した血液量画像を生成するとともに、前記酸素飽和度の情報を画像化した酸素飽和度画像を生成する血液量及び酸素飽和度画像生成手段と、
前記血液量画像または酸素飽和度画像の少なくとも一方を表示する表示手段とを備えることを特徴とする内視鏡システム。
前記表示手段は、前記血液量画像と前記酸素飽和度画像とを同時に表示することを特徴とする請求項１記載の内視鏡システム。
前記血液量画像と前記酸素飽和度画像のうちのいずれか一方を選択し、選択した画像を前記表示手段に表示させる画像選択手段を備えることを特徴とする請求項１記載の内視鏡システム。
前記血液量及び酸素飽和度画像生成手段は、血液量に応じて変化する疑似カラー情報を記憶する血液量用のカラーテーブルを用いて、前記血液量の情報を疑似カラー画像化するとともに、酸素飽和度に応じて変化する疑似カラー情報を記憶する酸素飽和度用のカラーテーブルを用いて、前記酸素飽和度の情報を疑似カラー画像化することを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の内視鏡システム。
前記血液量及び酸素飽和度算出手段は、
前記３つ以上の画像信号を用いて、血液量に依存性を有する第１信号比と、血液量及び酸素飽和度の両方に依存性を有する第２信号比を求める信号比算出部と、
前記血液量と前記第１信号比との第１の相関関係と、前記酸素飽和度と前記第１及び第２信号比との第２の相関関係を記憶する相関関係記憶部と、
前記相関関係記憶部に記憶された前記第１相関関係から前記第１信号比に対応する血液量の情報を求めるとともに、前記第２相関関係から前記第２信号比に対応する酸素飽和度の情報を求める血液量及び酸素飽和度算出部とを備えることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の内視鏡システム。
前記画像信号取得手段は、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する波長範囲の光で照明された被検体を、撮像面にＲＧＢのカラーフィルタが設けられたカラーの撮像素子で撮像するとともに、広帯域光の白色光で照明された被検体を前記カラーの撮像素子で撮像することにより、画像信号を取得することを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の内視鏡システム。
前記画像信号取得手段は、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する波長範囲を含む広帯域光の白色光で照明された被検体を、撮像面にＲＧＢのカラーフィルタが設けられたカラーの撮像素子で撮像することにより、画像信号を取得することを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の内視鏡システム。
前記白色光は、特定波長の励起光を蛍光体に当てることで励起発光する疑似白色光であることを特徴とする請求項６または７記載の内視鏡システム。
前記画像信号取得手段は、４６０〜４８０ｎｍの波長範囲の光で照明された被検体を、撮像面にＲＧＢのカラーフィルタが設けられたカラーの撮像素子で撮像し、５４０〜５８０ｎｍの波長範囲の光で照明された被検体を、前記カラーの撮像素子で撮像し、５９０〜７００ｎｍの波長範囲の光で照明された被検体を、前記カラーの撮像素子で撮像することによって、画像信号を取得することを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の内視鏡システム。
前記画像信号取得手段は、５３０〜５５０ｎｍの波長範囲の光で照明された被検体を、モノクロの撮像素子で撮像し、５５５〜５６５ｎｍの波長範囲の光で照明された被検体を、前記モノクロの撮像素子で撮像し、５９０〜７００ｎｍの波長範囲の光で照明された被検体を、前記モノクロの撮像素子で撮像することによって、画像信号を取得することを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の内視鏡システム。
前記照射手段は、４６０〜４８０ｎｍの波長範囲の光と５４０〜７００ｎｍの波長範囲の光を被検体に同時照射し、
前記画像信号取得手段は、被検体からの反射光を、撮像面にＲＧＢのカラーフィルタが設けられたカラーの撮像素子で撮像することにより、画像信号を取得することを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の内視鏡システム。
各波長範囲の光は、広帯域の白色光を狭帯域フィルタでフィルタリングすることによって生成されることを特徴とする請求項９ないし１１いずれか１項記載の内視鏡システム。
被検体に照明光を照射する照射手段、及び被検体からの反射光を撮像素子で撮像して、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する波長範囲の反射光に対応する画像信号を含む、４６０〜７００ｎｍ内で波長範囲が異なる３つ以上の反射光に対応する画像信号を取得する画像信号取得手段を備える内視鏡装置から、前記画像信号を受信する受信手段と、
取得した画像信号に基づいて、被検体の血液量及び血中ヘモグロビンの酸素飽和度の情報を求める血液量及び酸素飽和度算出手段と、
前記血液量の情報を画像化した血液量画像を生成するとともに、前記酸素飽和度の情報を画像化した酸素飽和度画像を生成する血液量及び酸素飽和度画像生成手段とを備えることを特徴とする内視鏡システムのプロセッサ装置。
被検体に照明光を照射し、
被検体からの反射光を撮像素子で撮像して、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光係数が変化する波長範囲の反射光に対応する画像信号を含む、４６０〜７００ｎｍ内で波長範囲が異なる３つ以上の反射光に対応する画像信号を取得し、
取得した画像信号に基づいて、被検体の血液量及び血中ヘモグロビンの酸素飽和度の情報を求め、
前記血液量の情報を画像化した血液量画像を生成するとともに、前記酸素飽和度の情報を画像化した酸素飽和度画像を生成することを特徴とする画像生成方法。