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JP6684005B1 - Endoscopic device capable of high-definition imaging and spectrum analysis - Google Patents

Endoscopic device capable of high-definition imaging and spectrum analysis Download PDF

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JP6684005B1 JP2019087128A JP2019087128A JP6684005B1 JP 6684005 B1 JP6684005 B1 JP 6684005B1 JP 2019087128 A JP2019087128 A JP 2019087128A JP 2019087128 A JP2019087128 A JP 2019087128A JP 6684005 B1 JP6684005 B1 JP 6684005B1
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Abstract

【課題】高精細に被写体を観察でき、反射スペクトルの解析により被写体の質的な情報を取得でき、かつ、小型化を実現できる小型の内視鏡装置を提供すること。
【解決手段】光源209から供給される照明光を出射し、被写体3から戻る反射光を受光する光ファイバー1と、光ファイバー1から出射される照明光を一次元方向の走査線4に生成し、被写体3を照射する光学系2と、一次元方向と交差する方向Yに走査線4を走査する走査機構8と、を備える内視鏡装置。
【選択図】図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small endoscope device capable of observing a subject with high definition, obtaining qualitative information of the subject by analyzing a reflection spectrum, and realizing miniaturization.
An optical fiber (1) that emits illumination light supplied from a light source (209) and receives reflected light that returns from a subject (3), and illumination light emitted from the optical fiber (1) is generated on a scanning line (4) in a one-dimensional direction, An endoscope apparatus comprising an optical system 2 for irradiating 3 and a scanning mechanism 8 for scanning a scanning line 4 in a direction Y intersecting a one-dimensional direction.
[Selection diagram] Figure 1

Description

本発明は、小型・細径にも拘らず、高精細な撮像と反射スペクトルの解析が可能な内視鏡装置に関するものである。   The present invention relates to an endoscope apparatus capable of high-definition imaging and analysis of a reflection spectrum regardless of its small size and small diameter.

・ イメージファイバー束を使用した2mmφの細径内視鏡が存在するが、イメージファイバー径の波動光学的な限界から、画素数は7万画素程度に留まっている。
・ また、最先端のデザインルールによって製造されたイメージセンサーを内装した2mmφの細径内視鏡が存在するが、画素数は14万画素程度に留まっている。
・ そして、上記の内視鏡装置は、いずれも反射スペクトルを解析する機能を持ち合わせていない。
-There is a 2mmφ small-diameter endoscope that uses an image fiber bundle, but due to the wave-optic limit of the image fiber diameter, the number of pixels remains at about 70,000.
・ Although there is a 2mmφ small-diameter endoscope that incorporates an image sensor manufactured according to the most advanced design rules, the number of pixels is only about 140,000.
-Neither of the above endoscope devices has a function of analyzing a reflection spectrum.

・ 3mm以下の癌などの疾患を、HDや4Kや8Kなどの高精細画像によって拡大観察したいというニーズが強い。加えて、そのような高精細な観察と同時に、反射スペクトルの解析によって被写体の質的な情報を画素レベルで取得したいというニーズが強い。ところが、これらの機能を提供できる細径内視鏡装置は存在しない。 -There is a strong need for magnifying observation of diseases such as cancers of 3 mm or less with high-definition images such as HD, 4K, and 8K. In addition, there is a strong need to obtain qualitative information of the subject at the pixel level by analyzing the reflection spectrum at the same time as such high-definition observation. However, there is no small-diameter endoscope apparatus that can provide these functions.

・ その理由は、2mmφの細径内視鏡の先端にHDのイメージセンサーを内装しようとすると、イメージセンサーの撮像面の対角寸法を1.5mm以下に抑えなければならず、その際の画素ピッチは0.65μm以下が必要になるため、現状の半導体のデザインルール、イメージセンサーの感度、光学系の分解能において限界を超えてしまう。4K、8Kになれば更にその難しさが増す。 ・ The reason is that if an HD image sensor is installed inside the tip of a 2mmφ small-diameter endoscope, the diagonal dimension of the image pickup surface of the image sensor must be kept below 1.5mm. Since the pitch is required to be 0.65 μm or less, the current semiconductor design rules, image sensor sensitivity, and optical system resolution will be exceeded. The difficulty increases even further when it becomes 4K or 8K.

・ また、スペクトルを検出する機能をイメージセンサーに搭載しようとすると、RGB以外に、スペクトル検出用の光フィルタを搭載した画素を別途用意しなければならず、イメージセンサーの小型化がはるかに難しくなる。 ・ In addition, if an image sensor is to be equipped with a function to detect a spectrum, it is necessary to separately prepare pixels equipped with an optical filter for spectrum detection in addition to RGB, which makes it much more difficult to downsize the image sensor. .

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、従来の内視鏡のライトガイドおよびイメージセンサーの構成を、光ファイバー1本と1次元の走査機構に置き換え、光ファイバーで受光した反射光を、撮像部外にて解像およびスペクトル解析に必要な光処理を行なうことで、イメージセンサーに関わる課題を解決し、人体に挿入される部分の小型・細径化できる内視鏡装置を実現する。   The present invention has been made in view of such circumstances. That is, the present invention replaces the configuration of the light guide and the image sensor of the conventional endoscope with one optical fiber and a one-dimensional scanning mechanism, and the reflected light received by the optical fiber is resolved and spectrum outside the imaging unit. By performing the optical processing required for analysis, we will solve the problems related to image sensors and realize an endoscopic device that can be made smaller and thinner in the part inserted into the human body.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の内視鏡装置の第1の態様は、光源から供給される照明光を出射し、被写体から戻る反射光を受光する光ファイバーと、前記光ファイバーから出射される照明光を一次元方向の走査線に生成し、被写体を照射する光学系と、前記一次元方向と交差する方向に前記走査線を走査する走査機構と、を備える。   In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, a first aspect of an endoscope apparatus of the present invention is an optical fiber that emits illumination light supplied from a light source and receives reflected light returning from a subject, An optical system that generates illumination light emitted from the optical fiber on a scanning line in a one-dimensional direction and illuminates a subject, and a scanning mechanism that scans the scanning line in a direction intersecting the one-dimensional direction.

本発明の内視鏡装置の第2の態様は、第1の態様に係る内視鏡装置であって、前記光ファイバーから出射される照明光は、前記被写体の表面に対し斜め方向から照射される。   A second aspect of the endoscope apparatus of the present invention is the endoscope apparatus according to the first aspect, wherein the illumination light emitted from the optical fiber is applied obliquely to the surface of the subject. .

本発明の内視鏡装置の第3の態様は、第1又は第2の態様に係る内視鏡装置であって、前記交差する方向は、前記一次元方向に直交する。
本発明の内視鏡装置の第4の態様は、第1乃至第3の態様の一に係る内視鏡装置であって、前記光源は、広帯域光又は広帯域の波長掃引光を生成する。
A third aspect of the endoscope apparatus of the present invention is the endoscope apparatus according to the first or second aspect, wherein the intersecting directions are orthogonal to the one-dimensional direction.
A fourth aspect of the endoscope apparatus of the present invention is the endoscope apparatus according to any one of the first to third aspects, wherein the light source generates broadband light or broadband wavelength swept light.

本発明の内視鏡装置の第5の態様は、第4の態様に係る内視鏡装置であって、前記光源が、前記被写体を蛍光させるための励起光を生成する。   A fifth aspect of the endoscope device of the present invention is the endoscope device according to the fourth aspect, wherein the light source generates excitation light for causing the subject to fluoresce.

本発明の内視鏡装置の第6の態様は、第1〜5の態様の何れかに係る内視鏡装置であって、前記光学系は、前記被写体を合焦又はズームする機構を有することを特徴とする   A sixth aspect of the endoscope apparatus of the present invention is the endoscope apparatus according to any one of the first to fifth aspects, wherein the optical system has a mechanism for focusing or zooming the subject. Characterized by

本発明の内視鏡装置の第7の態様は、第1〜6の態様の何れかに係る内視鏡装置であって、前記光源が、前記被写体からラマン散乱光を発生させるための励起光を生成する。   A seventh aspect of the endoscope apparatus of the present invention is the endoscope apparatus according to any one of the first to sixth aspects, wherein the light source is excitation light for generating Raman scattered light from the subject. To generate.

本発明の内視鏡装置の第8の態様は、第1〜7の態様の何れかに係る内視鏡装置であって、前記光源が、前記被写体を蛍光させるための誘導放出光を生成する。   An eighth aspect of the endoscope apparatus of the present invention is the endoscope apparatus according to any one of the first to seventh aspects, wherein the light source generates stimulated emission light for causing the subject to fluoresce. .

本発明の内視鏡装置の第9の態様は、第1〜8の態様の何れかに係る内視鏡装置であって、前記光ファイバーにより受光される前記反射光に対し参照光を干渉させる干渉カプラと、前記参照光を生成するための反射板と、を備える。   A ninth aspect of the endoscope apparatus of the present invention is the endoscope apparatus according to any one of the first to eighth aspects, wherein interference for interfering reference light with the reflected light received by the optical fiber is provided. A coupler and a reflector for generating the reference light are provided.

本発明の内視鏡装置の第10の態様は、第1〜9の態様の何れかに係る内視鏡装置であって、前記反射板は、ラマン散乱光による参照光を生成する。   A tenth aspect of the endoscope apparatus of the present invention is the endoscope apparatus according to any one of the first to ninth aspects, wherein the reflection plate generates reference light by Raman scattered light.

本発明の内視鏡装置の第11の態様は、第1〜10の態様の何れかに係る内視鏡装置であって、前記光ファイバーにより受光される前記反射光に関し、前記参照光を干渉させて、所定の波長帯域成分を取り出し、フーリエ変換を行い、所定の波長帯域成分における画像を生成する。   An eleventh aspect of the endoscope apparatus of the present invention is the endoscope apparatus according to any one of the first to tenth aspects, wherein the reference light is made to interfere with the reflected light received by the optical fiber. Then, a predetermined wavelength band component is taken out, Fourier transform is performed, and an image in the predetermined wavelength band component is generated.

本発明の内視鏡装置の第12の態様は、第11の態様に係る内視鏡装置であって、前記光ファイバーにより受光される前記反射光に関し、前記参照光を干渉させて、3原色に対応した波長帯域成分を取り出し、フーリエ変換を行い、3原色の画像信号を生成し、前記3原色の画像信号に基づき、RGB画像信号を生成する手段と、を備える。   A twelfth aspect of the endoscopic device of the present invention is the endoscopic device according to the eleventh aspect, wherein the reference light is interfered to form three primary colors with respect to the reflected light received by the optical fiber. Means for taking out corresponding wavelength band components, performing Fourier transform, generating image signals of three primary colors, and generating an RGB image signal based on the image signals of the three primary colors.

本発明の内視鏡装置の第13の態様は、第12の態様に係る内視鏡装置であって、前記3原色の画像信号の輝度信号成分は、近赤外領域の信号をフーリエ変換し得られる信号を含む。   A thirteenth aspect of the endoscope apparatus of the present invention is the endoscope apparatus according to the twelfth aspect, wherein the luminance signal components of the image signals of the three primary colors are Fourier-transformed in the near infrared region. Contains the signal obtained.

本発明の内視鏡装置の第14の態様は、第1〜13の態様の何れかに係る内視鏡装置であって、クラスタが既知の被写体の反射スペクトルからフィッシャー・レシオが大きい順に複数のスペクトル成分を算出し、前記スペクトル成分を用い、クラスタが未知の被写体の反射スペクトルから識別を行う識別手段を備える。   A fourteenth aspect of the endoscope apparatus of the present invention is the endoscope apparatus according to any one of the first to thirteenth aspects, wherein a plurality of clusters are arranged in descending order of Fisher ratio from a reflection spectrum of a known subject. An identification unit is provided that calculates a spectral component and uses the spectral component to identify from a reflection spectrum of an object whose cluster is unknown.

本発明の内視鏡装置の第15の態様は、第14に係る内視鏡装置であって、前記識別手段は、ディープラーニングを実行するAIを用いる。   A fifteenth aspect of the endoscopic device of the present invention is the endoscopic device according to the fourteenth aspect, wherein the identifying means uses an AI that executes deep learning.

本発明の内視鏡装置の第16の態様は、第1〜15の態様の何れかに係る内視鏡装置であって、前フレームの画像と現フレームの画像との相関を取ることにより、前記現フレームの画像のブレ量が検出され、前記現フレームの画像が補正される。   A sixteenth aspect of the endoscopic device of the present invention is the endoscopic device according to any one of the first to fifteenth aspects, in which the correlation between the image of the previous frame and the image of the current frame The blur amount of the image of the current frame is detected, and the image of the current frame is corrected.

本発明の内視鏡装置の第17の態様は、第1〜16の態様の何れかに係る内視鏡装置であって、互いに隣り合う複数の前記一次元方向の走査線の信号の差分を取得し累積することにより、前記被写体の動きのある画像が描出される。   A seventeenth aspect of the endoscope apparatus of the present invention is the endoscope apparatus according to any one of the first to sixteenth aspects, wherein a difference between signals of a plurality of scanning lines in the one-dimensional direction adjacent to each other is calculated. By acquiring and accumulating, the moving image of the subject is rendered.

・ 本発明の内視鏡装置は、撮像部が光学系と光ファイバーと1次元方向の走査機構とを備える簡素な構成となるため、小型・細径化が可能である。 The endoscope device of the present invention has a simple structure in which the image pickup unit includes an optical system, an optical fiber, and a one-dimensional scanning mechanism, and thus can be downsized and reduced in diameter.

・ 本発明の内視鏡装置は、小型・細径でありながら、HD、4K、8Kの高精細撮像が可能で、そのような画素数による顕微鏡的な拡大観察が可能である。 The endoscopic device of the present invention is capable of high-definition imaging in HD, 4K, and 8K even though it is small and has a small diameter, and enables microscopic magnifying observation with such a pixel number.

・ 本発明の内視鏡装置は、高速繰返し走査が可能なため、動きの速い被写体を抽出することが可能で、造影剤なしで表層粘膜の血管を描出することが可能である。 Since the endoscope apparatus of the present invention is capable of high-speed repetitive scanning, it is possible to extract a fast-moving subject, and it is possible to depict blood vessels of the superficial mucosa without a contrast agent.

・ 本発明の内視鏡装置は、小型・細径でありながら、スペクトル解析による物質の特定が画素レベルで可能である。 The endoscopic device of the present invention has a small size and a small diameter, but can specify a substance by spectral analysis at the pixel level.

本発明の内視鏡装置は、熱に弱いイメージセンサーを使用しないため、オートクレーブ滅菌が可能である。     Since the endoscopic device of the present invention does not use an image sensor which is weak against heat, autoclave sterilization is possible.

本発明の内視鏡装置の撮像方式の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the imaging system of the endoscope apparatus of this invention. 観察画像を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an observation image. 撮像部の構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of an imaging part. MEMSミラー駆動の撮像部の構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the imaging part of a MEMS mirror drive. 内視鏡に撮像部を内装した構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure which incorporated the imaging part in the endoscope. 走査方向の解像度を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the resolution of a scanning direction. 走査方向の解像度および焦点深度を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the resolution and depth of focus in a scanning direction. 広帯域光源のOCI処理を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the OCI process of a broadband light source. 波長掃引光源のOCI処理を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the OCI process of a wavelength swept light source. 内視鏡の使用例−1を示す構成図である。It is a block diagram which shows the usage example-1 of an endoscope. 内視鏡の使用例−2を示す構成図である。It is a block diagram which shows the usage example-2 of an endoscope. 内視鏡の使用例−3を示す構成図である。It is a block diagram which shows the usage example-3 of an endoscope. 内視鏡の使用例−4を示す構成図である。It is a block diagram which shows the usage example-4 of an endoscope. ブレ補正を示すブロック図である。It is a block diagram which shows blurring correction. 接触型細径内視鏡の撮像部の構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the imaging part of a contact-type small diameter endoscope. 接触型細径内視鏡の撮像部の構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the imaging part of a contact-type small diameter endoscope. 接触型細径内視鏡の使用例の構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the usage example of a contact-type small diameter endoscope. 接触型細径内視鏡の使用方法を説明する図である。It is a figure explaining the usage method of a contact type small diameter endoscope. RGBとスペクトル画像の検出を示すブロック図である。It is a block diagram which shows detection of RGB and a spectrum image. 広帯域受光ラインディテクタを示すブロック図である。It is a block diagram which shows a broadband light receiving line detector. フーリエ変換の範囲を説明する図である。It is a figure explaining the range of Fourier transformation. FS(Foley Sammon)変換を説明する図である。It is a figure explaining FS (Foley Sammon) conversion. クラスタ識別フローを説明する図である。It is a figure explaining a cluster identification flow. ラマンスペクトルのストークスシフトを説明する図である。It is a figure explaining the Stokes shift of a Raman spectrum. ラマンスペクトル用OCI処理−1を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the OCI process-1 for Raman spectra. RGBとラマンスペクトル画像の検出を示すブロック図である。It is a block diagram which shows detection of RGB and a Raman spectrum image. 可変フィルタによるラマンスペクトル検出を示すブロック図である。It is a block diagram which shows Raman spectrum detection by a variable filter. 蛍光誘導放出用OCI処理を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram showing an OCI process for stimulated emission of fluorescence. 血管内スコープの構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the intravascular scope. 血管内スコープの構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the intravascular scope. 血管内スコープの構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the intravascular scope. 穿刺針用スコープの構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the scope for puncture needles.

以下に、本発明の実施例に係る内視鏡装置について図面を参照しつつ説明する。尚、図面において同一部分は同一符号で示されている。
以下に本発明の撮像方式の原理を説明する。
1-1. 撮像方式の原理
・ 本発明の内視鏡装置の撮像方式の原理は、図1に示すように、光ファイバー1からの照明光を、光学系2を通じて、斜め方向から被写体の表面3上にライン4状に収束させて照明を行ない、ライン4から反射してきた光を同じ光ファイバー1で受け、撮像部外に設置したOCI(Optical Coherence Imaging:以下、本明細書においてOCIと称す。)処理部にて、マイケルソン干渉法の原理を応用した処理を行って、ライン4方向の解像を行ない1次元画像データを取得する。そして、走査機構8によって、図1のライン4と直角な方向(矢印Y)へライン4を走査させながらOCI処理を繰り返すことで、2次元画像データを取得する撮像方式である。なお、図1中において、参照符号201は、先端撮像部、203は光サーキュレータ、205は表示部、207はOCI処理部、209は光源を示す。
Hereinafter, an endoscope apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same parts are designated by the same reference numerals.
The principle of the image pickup method of the present invention will be described below.
1-1. Principle of Imaging Method The principle of the imaging method of the endoscope apparatus of the present invention is as shown in FIG. 1, in which the illumination light from the optical fiber 1 is passed through the optical system 2 from an oblique direction to the surface 3 of the subject. OCI (Optical Coherence Imaging: hereinafter, referred to as OCI in the present specification) installed outside the imaging unit by receiving light reflected from the line 4 by converging it in the shape of a line 4 and illuminating it. In the processing unit, processing that applies the principle of Michelson interferometry is performed, and resolution in four line directions is performed to obtain one-dimensional image data. Then, the scanning mechanism 8 repeats the OCI process while scanning the line 4 in a direction (arrow Y) perpendicular to the line 4 in FIG. 1 to obtain two-dimensional image data. In FIG. 1, reference numeral 201 is a tip imaging unit, 203 is an optical circulator, 205 is a display unit, 207 is an OCI processing unit, and 209 is a light source.

・ OCI処理は、2.項の実施例で述べるように、OCT(Optical Coherence Tomography)の処理をベースとしている。マイケルソン干渉法とフーリエ変換処理によって、あたかもレーダーのように、ミクロンオーダーの短い光パルスを斜めから照射して、被写体表面から順次反射してくる光パルスを受光して1次元の画像を得るのと同等の効果を生み出す処理である。 -The OCI processing is based on the processing of OCT (Optical Coherence Tomography) as described in the embodiment in Section 2. With Michelson interferometry and Fourier transform processing, a micron-order short light pulse is emitted obliquely, as if it were a radar, and the light pulses that are sequentially reflected from the subject surface are received to obtain a one-dimensional image. It is a process that produces the same effect as.

・ 本発明の撮像方式で得られる画像は、図2に示すように、被写体を斜めに照明しておいて、被写体上のライン4と照明光の波面5が交わる反射点6を波面5の接線方向7から観察した画像と同じになる。また、被写体が半透明の場合、図2の左下の拡大図2Aに示すように、被写体内部の同一波面からの反射信号が重畳され、接線方向7から透過像を観察したのと同じ画像が得られる。生体の透過性が高い近赤外光(0.68μm〜1.5μm)を照明に用いれば、生体表面から数mmの深さについて透過像を得ることができる。また、斜めから照明を行うため、粘膜表面の正反射が前方に逃げ、血管などの組織Tの影が出やすくなり、立体感のある良質な画像が得られる。例えば、内視鏡に応用して臓器の表層粘膜の浅い部分にある血管を観察するとき、正反射に邪魔されること無く、影によって血管が強調され、血管の構造を把握しやすくなる。ちなみに、血管構造の観察から癌の悪性度や進行状況が診断されている。 As shown in FIG. 2, the image obtained by the imaging method of the present invention is such that the subject is illuminated obliquely, and the reflection point 6 at which the line 4 on the subject intersects the wavefront 5 of the illumination light is tangential to the wavefront 5. It is the same as the image observed from the direction 7. In addition, when the subject is semi-transparent, as shown in the enlarged view 2A in the lower left of FIG. 2, the reflection signals from the same wavefront inside the subject are superimposed, and the same image as when the transmission image is observed from the tangential direction 7 is obtained. To be If near-infrared light (0.68 μm to 1.5 μm), which is highly transparent to the living body, is used for illumination, a transmitted image can be obtained at a depth of several mm from the surface of the living body. Further, since the illumination is performed obliquely, the specular reflection of the mucous membrane surface escapes to the front, and the shadow of the tissue T such as a blood vessel is likely to appear, so that a high-quality image having a stereoscopic effect can be obtained. For example, when observing a blood vessel in a shallow portion of the surface mucosa of an organ by applying it to an endoscope, the blood vessel is emphasized by a shadow without being disturbed by specular reflection, and the structure of the blood vessel can be easily grasped. Incidentally, the malignancy and progress of cancer have been diagnosed by observing the vascular structure.

・ OCIは、OCTのように生体内部からの大きく減衰した反射光を検出する処理ではなく、被写体表面の反射光を検出して RGB画像の取得や反射スペクトルの解析を行う処理であるため、OCTに比べると感度の余裕が十分にあり、光ファイバー1の開口をスリットやピンホールで調整することで、光学系2の焦点深度を浅く設定することができ、走査方向の解像度(NA)を顕微鏡並みに高く設定することができる。 -OCI is not a process that detects reflected light that is greatly attenuated from inside the living body like OCT, but is a process that detects reflected light on the surface of the subject and acquires an RGB image and analyzes the reflection spectrum. Compared with, there is a sufficient margin of sensitivity, and by adjusting the aperture of the optical fiber 1 with a slit or pinhole, the depth of focus of the optical system 2 can be set shallow, and the resolution (NA) in the scanning direction is similar to that of a microscope. Can be set high.

また、ライン4方向の解像度も、照明の波長帯域幅を広く設定し、光ファイバー1の開口をスリットやピンホールで調整することで、解像度を波動光学的な限界に設定することができる。そのため、HD、4K、8Kなどの高精細画像による拡大観察が可能になる。その数値的な検証について3.項で述べる。   Also, with respect to the resolution in the direction of the line 4, the resolution can be set to the wave-optical limit by setting the wavelength bandwidth of the illumination wide and adjusting the aperture of the optical fiber 1 with the slit or the pinhole. Therefore, it becomes possible to perform magnified observation with high-definition images such as HD, 4K, and 8K. The numerical verification is described in Section 3.

・ 背景技術で述べたように、従来の内視鏡の小型・細径化を制限するクリティカルな要素は、イメージセンサーとライトガイドファイバーの大きさであるが、本発明の内視鏡装置は、照明と受光を兼ねる光ファイバー1本と1次元の簡素な走査機構によって、それらを代替するため、撮像部の小型・細径化が可能になる。1次元の走査機構は、微細加工技術の進歩により、0.9mmφのOCT用マイクロモーターや、ガルバノモーター、ボイスコイル、MEMSミラーなどの小型走査機構が市販されており、走査機構の大きさ関する懸念はない。むしろ、クリティカルな要素は、解像度とワークディスタンスから決まるレンズの開口寸法となる。その数値的な検証について3.項で述べる。 -As described in the background art, the critical element that limits the miniaturization and diameter reduction of the conventional endoscope is the size of the image sensor and the light guide fiber, but the endoscope apparatus of the present invention is A single optical fiber that serves both as illumination and light reception and a simple one-dimensional scanning mechanism replaces them, so the imaging unit can be made smaller and smaller in diameter. One-dimensional scanning mechanism, advances in microfabrication technology, and micro motor for OCT of 0.9Mmfai, galvano motor, a voice coil, a small scanning mechanism, such as MEMS mirrors are commercially available, concerns about the size of a scanning mechanism There is no. Rather, the critical factor is the lens aperture size, which is determined by the resolution and work distance. The numerical verification is described in Section 3.

1-2. 本発明の応用
・ 本発明の内視鏡装置の撮像方式は、高精細な拡大撮像が可能になるのと、ライン走査の繰返し時間が露光時間となるため、フレーム露光のイメージセンサーと比べて露光時間が短く、ライン間で画像のブレが起きない。これを利用して、ライン4方向のOCI処理を2回繰返して、画像同士の差分を取る(すなわち、互いに隣り合う複数の一次元方向の走査線の信号の差分を取得し累積する)と、動きのある血液のみの画像を抽出することができる。このようにして得た画像を、複数回に渡って重畳的に累積すれば、造影剤なしにコントラストの高い血管画像を細部にわたって描出することができる。前述したようにOCTに比べて感度の余裕が充分にあるため、ライン4方向の繰り返し処理の高速化が可能であって、累積を行なうために繰り返し処理の回数を増やしても、フレームレートを落とさずに高精細な血管画像を描出することが可能である。
1-2. Application of the present invention-The image pickup method of the endoscope apparatus of the present invention enables high-definition magnified image pickup, and the line scanning repetition time becomes the exposure time. Compared with, the exposure time is shorter and the image blur does not occur between lines. By utilizing this, the OCI processing in the line 4 direction is repeated twice, and the difference between the images is obtained (that is, the difference between the signals of the scanning lines in the plurality of one-dimensional directions adjacent to each other is acquired and accumulated), Images of only moving blood can be extracted. By superimposing the images thus obtained over a plurality of times in a superimposed manner, a blood vessel image with high contrast can be visualized in detail without using a contrast agent. As mentioned above, there is a sufficient margin of sensitivity compared to OCT, so it is possible to speed up the iterative processing in the line 4 direction, and even if the number of iterative processing is increased to perform accumulation, the frame rate is reduced. It is possible to draw a high-definition blood vessel image without having to do so.

この検出方法に血管と表層粘膜の反射率の差が大きくなるNBI(Narrow Band Imaging)処理を併用すれば、血管画像の描出効果を更に上げることができる。また、生体透過率の高い近赤外線を照明に使用すれば、1-1.項で述べたように深部の血管構造の透過象を描出することが可能になる。   If this detection method is used together with NBI (Narrow Band Imaging) processing that increases the difference in reflectance between the blood vessel and the superficial mucosa, the blood vessel image rendering effect can be further enhanced. Also, by using near-infrared rays, which has a high biological transmittance, for illumination, it becomes possible to visualize the transparent image of the deep vascular structure as described in Section 1-1.

・ 本発明の内視鏡装置は、受光信号を光ファイバーによって撮像部外に取り出して、干渉や分光などの光処理を行うことが可能なため、実施例の4-5.項で述べるように、高精細の撮像と同時に、物質を特定するスペクトル解析を画素レベルで行なうことができる。具体的にいうと、多変量解析のために大量のマルチスペクトルデータをin vivoにて取得することができる。そして、オフラインのコンピュータによって、その大量のマルチスペクトルデータの多変量解析を行って特定する物質ごとに最適なスペクトル成分軸を抽出しておいて、そのスペクトル成分軸へ射影するためのマトリクス変換係数を本発明の内視鏡装置に記憶させ、特定する物質ごとにその係数切り換えて使用することで、精度の良いリアルタイムな物質特定を画素レベルで行うことが可能である。 The endoscopic device of the present invention is capable of extracting the received light signal to the outside of the imaging unit by an optical fiber and performing optical processing such as interference and spectroscopy, so as described in Section 4-5. At the same time as high-definition imaging, spectral analysis for identifying a substance can be performed at the pixel level. Specifically, a large amount of multispectral data can be acquired in vivo for multivariate analysis. Then, an off-line computer performs multivariate analysis of the large amount of multispectral data to extract the optimum spectral component axis for each substance to be specified, and then the matrix conversion coefficient for projecting to the spectral component axis is calculated. By storing in the endoscope apparatus of the present invention and switching the coefficient for each specified substance to be used, it is possible to perform accurate real-time substance identification at the pixel level.

2.撮像部の実施例
・ 本発明の内視鏡装置の先端撮像部の実施例を図3-1に示す。
光ファイバー11の端面51から放出された照明光を、光学系12とミラー13によって被写体上にライン15状に収束させ、このライン15からの反射光を、同じミラー13と光学系12を経て光ファイバー11の端面に結像させ、撮像部外へ光信号として取り出す。その際に、図3-1の紙面と垂直方向(走査方向)の解像度を得るために、ライン15上のどの位置においても、紙面と垂直方向の解像度(NA)が一定になるように、光学系12の紙面と垂直方向の開口を、ライン15上の収束位置が光ファイバー11の端面51から遠くなるにつれて、漸次大きくなるようにしてある。そして、ライン15の方向については、ライン15上に、斜めに、かつ、均一に照明が当たるように、光学系12とミラー13によって適切な拡散度が設定されている。ゆえに、光学系12はシリンドリカル的な自由曲面レンズとなる。なお、図3−1において、参照符号18は回転走査軸、525は軸受、527は鏡枠、529は磁石、531は電動コイル、533はコイル状バネを示す。
2. Example of Imaging Unit • FIG. 3-1 shows an example of the tip imaging unit of the endoscope apparatus of the present invention.
The illumination light emitted from the end face 51 of the optical fiber 11 is converged into a line 15 on the subject by the optical system 12 and the mirror 13, and the reflected light from the line 15 is passed through the same mirror 13 and the optical system 12 to form the optical fiber 11. An image is formed on the end surface of the image pickup device and is taken out as an optical signal to the outside of the image pickup unit. At that time, in order to obtain the resolution in the vertical direction (scanning direction) with respect to the paper surface of FIG. 3A, the optical resolution is adjusted so that the resolution (NA) in the vertical direction with respect to the paper surface is constant at any position on the line 15. The aperture of the system 12 in the direction perpendicular to the plane of the paper is made to gradually increase as the convergent position on the line 15 becomes farther from the end face 51 of the optical fiber 11. With respect to the direction of the line 15, an appropriate diffusion degree is set by the optical system 12 and the mirror 13 so that the line 15 is illuminated obliquely and uniformly. Therefore, the optical system 12 is a cylindrical free-form surface lens. In FIG. 3A, reference numeral 18 is a rotary scanning axis, 525 is a bearing, 527 is a lens frame, 529 is a magnet, 531 is an electric coil, and 533 is a coiled spring.

図3-1においては、照明の原理を説明するために、ミラー13と光学系12を分けて説明してあるが、自由曲面プリズムとして一体成型することが望ましい。それにより先端構造を小型化し、製造工程の削減と光学的な精度を高めることができる。また、自由曲面プリズムとGRINレンズ(Graded-Index Lenses)を組み合わせてもよい。また、光学系12は、オートフォーカスやズーム機構を組み合わせてもよい。   In FIG. 3A, the mirror 13 and the optical system 12 are described separately in order to explain the principle of illumination, but it is preferable to integrally mold them as a free-form surface prism. Thereby, the tip structure can be downsized, the manufacturing process can be reduced, and the optical accuracy can be improved. Further, a free-form surface prism and a GRIN lens (Graded-Index Lenses) may be combined. Further, the optical system 12 may be combined with an auto focus or a zoom mechanism.

・ また、光学系12と光ファイバー11の端面51の距離を外部から可変することで、光学系2の焦点距離と開口角を変更することができるため、通常の撮像から顕微鏡観察までの可変を可能にすることができる。このときのライン15方向の解像度は、ファイバー端面の開口をピンホールで調整して光学的な限界(分解能の限界)に近づけておく。 Also, by changing the distance between the optical system 12 and the end face 51 of the optical fiber 11 from the outside, the focal length and aperture angle of the optical system 2 can be changed, so that it is possible to change from normal imaging to microscope observation. Can be At this time, the resolution in the direction of the line 15 is adjusted close to the optical limit (limit of resolution) by adjusting the opening of the fiber end face with a pinhole.

・ 図3-1の実施例における走査機構16は、ライン15を紙面と垂直な方向に30Hzで往復走査するマイクロガルバノモーター(マイクロガルバノスキャナまたは、60Hzで回転走査するマイクロモーター)と光学系12とミラー13で構成されている。ガルバノモーターの場合、30Hzという低周波で往復走査をさせるため、非共振型が使用される。前述した血管造影の際に、ライン画像の累積加算を行うために、走査速度を可変する必要があり、そのためにも非共振型のほうがよい。 The scanning mechanism 16 in the embodiment of FIG. 3-1 includes a microgalvano motor (a microgalvano scanner or a micromotor rotating and scanning at 60 Hz) that reciprocally scans the line 15 at 30 Hz in a direction perpendicular to the paper surface, and an optical system 12. It is composed of a mirror 13. In the case of a galvano motor, a non-resonant type is used because it makes a reciprocating scan at a low frequency of 30 Hz. At the time of the above-described angiography, it is necessary to change the scanning speed in order to perform cumulative addition of line images, and for that reason, the non-resonance type is better.

・ 図3-2(a)に、走査機構16にMEMSミラー131を使用して先端部を小型化した例を示す。この実施例の場合、回転走査軸18がライン15に対して傾くため、図3-2(b)に示すように走査エリアSAが扇状となる。複数ラインメモリと補間回路を使用して、TV走査に走査変換を行って表示を行う。なお、図3−2中の参照符号121は光学系、r1、r2は回転走査半径、Sは被写体を示し、図3−3中の参照符号124は光学系、18は回転走査軸、Fは焦点可変方向、Iは撮像範囲可変方向を示す。 FIG. 3-2 (a) shows an example in which the MEMS mirror 131 is used for the scanning mechanism 16 and the tip portion is miniaturized. In the case of this embodiment, since the rotary scanning axis 18 is inclined with respect to the line 15, the scanning area SA has a fan shape as shown in FIG. 3-2 (b). Using multiple line memory and interpolation circuit, TV scan is scan converted and displayed. Reference numeral 121 in FIG. 3-2 is an optical system, r1 and r2 are rotational scanning radii, S is an object, reference numeral 124 in FIG. 3-3 is an optical system, 18 is a rotational scanning axis, and F is F. The focus variable direction, I indicates the imaging range variable direction.

・ 図3-3に、内視鏡装置に本発明の撮像装置を組み込んだときの実施例を示す。光学系に合焦とズームの機構をもたせることで、撮像の位置と範囲を変更することが可能になる。扇上の画像は、複数ラインメモリと補間回路を使用して、TV走査に走査変換を行って表示を行う。
-FIG. 3-3 shows an embodiment in which the image pickup apparatus of the present invention is incorporated in the endoscope apparatus. By providing the optical system with a focusing and zooming mechanism, it is possible to change the imaging position and range. The image on the fan is displayed by performing scan conversion on TV scanning using a multi-line memory and an interpolation circuit.

・ ライン15の紙面と垂直な方向における解像度(図4の(3)参照。)は、光学系12のPSF(Point Spread Function)(図4の(1)参照。)とライン15上に投影された光ファイバー11の端面51(開口)のPSF(投影像の光強度分布:図4の(2)参照。)との畳み込み積分になるため、光ファイバー11の端面51にスリットやピンホールを設置して点光源性を高めることで、解像度を光学系12のPSFに近づけることが出来る。図4に示されるように、幅Wが広くなるので、総合の解像度が落ちる。ただし、感度やパーシャルコヒーレンス化とのトレードオフがあるため、目的に応じて、光学系12と光ファイバー11の端面51の開口形状を適宜設定する。 The resolution of the line 15 in the direction perpendicular to the paper surface (see (3) in FIG. 4) is projected on the PSF (Point Spread Function) of the optical system 12 (see (1) in FIG. 4) and the line 15. Since a convolution integral with the PSF of the end face 51 (aperture) of the optical fiber 11 (the light intensity distribution of the projected image: see (2) in FIG. 4) is performed, a slit or pinhole is installed on the end face 51 of the optical fiber 11. By increasing the point light source property, the resolution can be brought close to the PSF of the optical system 12. As shown in FIG. 4, since the width W becomes wider, the overall resolution is reduced. However, since there is a trade-off between sensitivity and partial coherence, the aperture shapes of the optical system 12 and the end face 51 of the optical fiber 11 are appropriately set according to the purpose.

・ また、照明と受光の総合的な解像度(もしくは焦点深度)は、紙面と垂直の方向においては、図5に示すように、照明のPSF(もしくは照明の焦点深度)(1)と受光のPSF(もしくは受光の焦点深度)(2)の掛け合わせとなる。ようするに、光学系12のPSF(もしくは焦点深度)の自乗となる。ゆえに、図5(3)の幅W5が1/1.4になり、カメラ撮像に比べて解像度は約1.4倍になり、焦点深度は1/1.4になる。このとき、周辺サイドローブ(SL)が大きく抑えられるため、解像感は向上する。そして、この解像度δは、矩形開口と円形開口の違いはあるが、δ=0.37×λ/NA(=sinα)という式で近似することができる。焦点深度γも同じく自乗となるため浅くなり、γ=0.565×λc/sin2(α/2)という式で近似することができる。 ・ In addition, the total resolution (or depth of focus) of illumination and light reception is, as shown in FIG. 5, PSF of illumination (or depth of focus of illumination) (1) and PSF of light reception in the direction perpendicular to the paper surface. (Or the depth of focus of light reception) (2). Thus, it is the square of the PSF (or depth of focus) of the optical system 12. Therefore, the width W5 in FIG. 5C is 1 / 1.4, the resolution is about 1.4 times that of the camera image, and the depth of focus is 1 / 1.4. At this time, since the peripheral side lobes (SL) are greatly suppressed, the sense of resolution is improved. The resolution δ can be approximated by the equation δ = 0.37 × λ / NA (= sin α), although there is a difference between the rectangular aperture and the circular aperture. The depth of focus γ also becomes a square because it also becomes a square, and can be approximated by the formula γ = 0.565 × λc / sin 2 (α / 2).

・ ライン15方向の解像度は、マイケルソン干渉法の原理を応用したOCI処理によって解像度を得る。図6-1に示すように、広帯域光源21の照明光が、光ファイバーの分岐カプラ22に入力される。分岐カプラ22によって2つに分けられ、照明光の1つは、光サーキュレータ23を通じて反射板24によって参照光25が得られる。もう一方の照明光は、光サーキュレータ26によって、図3で示した撮像部の光ファイバー11に導かれ、被写体表面を斜めから照明する。斜め方向から照明するため、図3-1に示したライン15からの反射光は、光ファイバー11の端面からライン15上の各反射点までの往復距離の違いに比例して(ライン15上の反射点が離れるに従い)位相がずれ、それらが重畳された信号として光ファイバー11で受光される。このように重畳された反射光が、サーキュレータ26を経て、干渉カプラ27によって参照光25と干渉させられる。干渉が行われると、位相ずれに比例した周波数で干渉縞が発生し、それらが重畳された信号へと変る。干渉縞の周波数は、反射板24より光路長が遠い反射点ほど高い周波数となる。 -The resolution in the direction of line 15 is obtained by OCI processing that applies the principle of Michelson interferometry. As shown in FIG. 6A, the illumination light of the broadband light source 21 is input to the branch coupler 22 of the optical fiber. The split coupler 22 divides the light into two, and one of the illumination lights is obtained as a reference light 25 by a reflector 24 through an optical circulator 23. The other illuminating light is guided by the optical circulator 26 to the optical fiber 11 of the imaging unit shown in FIG. 3, and illuminates the subject surface obliquely. Since the light is illuminated from an oblique direction, the reflected light from the line 15 shown in Fig. 3-1 is proportional to the difference in the round trip distance from the end face of the optical fiber 11 to each reflection point on the line 15 (the reflection on the line 15). The phases are shifted (as the points are separated), and they are received by the optical fiber 11 as a superimposed signal. The reflected light thus superimposed passes through the circulator 26 and is interfered with the reference light 25 by the interference coupler 27. When interference occurs, interference fringes are generated at a frequency proportional to the phase shift, and they are transformed into a superimposed signal. The frequency of the interference fringe becomes higher at a reflection point whose optical path length is farther from the reflection plate 24.

次に、干渉カプラ27の出力光は、グレーティング分光器28で波長成分に分光され、受光ラインディテクタ29によって時系列の電気信号へと変換される。電気信号に変換されることで、光の波長(周波数)のキャリアが消え、反射光の包絡線である干渉縞が重畳された電気信号へと変わる。次に、FFT 30によって、この電気信号についてフーリエ変換が行われる。上記したように、ライン上15の各反射点の位置に比例した周波数の干渉縞が重畳されているため、FFT30 によって周波数成分に変換すると、周波数成分軸がライン15上の各反射点の位置に対応することになり、各周波数成分の振幅軸がライン15上の各反射点における反射率に対応することになる。結果として、図6-1の右下の図に示すように、ライン15上の画像が検出されたことになる。   Next, the output light of the interference coupler 27 is separated into wavelength components by the grating spectroscope 28, and converted into a time-series electric signal by the light receiving line detector 29. By being converted into an electric signal, carriers of the wavelength (frequency) of the light disappear, and the electric signal is changed to an electric signal on which interference fringes which are the envelope of the reflected light are superimposed. The FFT 30 then performs a Fourier transform on this electrical signal. As described above, since the interference fringes of the frequency proportional to the position of each reflection point on line 15 are superimposed, when the frequency component is converted by FFT30, the frequency component axis becomes the position of each reflection point on line 15. Correspondingly, the amplitude axis of each frequency component corresponds to the reflectance at each reflection point on the line 15. As a result, the image on the line 15 is detected as shown in the lower right diagram of FIG. 6-1.

・ 次に、広帯域光源21の代わりに、広帯域の波長掃引光源31を使用したときのOCI処理を図6-2に示す。図6-2の右上の図に示すように、波長掃引光源31によって1ラインの繰り返し走査時間内に照明光の波長が直線的に変調され、分岐カプラ32に入力される。また、分岐カプラ33からの出力光は、受光ディテクタ34によって電気信号に変換される。その他の処理は、図6-1に示した広帯域光源方式のOCI処理と同じである。波長掃引光源を使用すると、図6-1に示したグレーティング分光器28や受光ラインディテクタ29が必要なくなり、波長帯域の受光に最適な受光ディテクタ34を使用することができる。ただし、可視光のような広帯域の波長掃引光源を用意するには複数の波長掃引光源を使用して合成するなど、波長掃引光源の構造が複雑化することが想定される。そのため、採択する方式におけるメリットとデメリットがあるため、後述するマルチスペクトル解析などの用途も含めて、目的に応じた光源方式とOCI処理の選択および組合せを適宜行う。 Next, FIG. 6-2 shows the OCI processing when the broadband wavelength swept light source 31 is used instead of the broadband light source 21. As shown in the upper right diagram of FIG. 6-2, the wavelength of the illumination light is linearly modulated by the wavelength swept light source 31 within the repetitive scanning time of one line, and is input to the branching coupler 32. Further, the output light from the branch coupler 33 is converted into an electric signal by the light receiving detector 34. Other processes are the same as the broadband light source system OCI process shown in FIG. 6-1. When the wavelength swept light source is used, the grating spectroscope 28 and the light receiving line detector 29 shown in FIG. 6-1 are not necessary, and the light receiving detector 34 that is most suitable for receiving light in the wavelength band can be used. However, in order to prepare a broadband wavelength swept light source such as visible light, it is assumed that the structure of the wavelength swept light source becomes complicated, such as combining using a plurality of wavelength swept light sources. Therefore, since the method to be adopted has advantages and disadvantages, the light source method and the OCI process are appropriately selected and combined according to the purpose, including applications such as multispectral analysis described later.

・ 上述した照明光源である広帯域光源21(図6−1参照。)および波長掃引光源31(図6−2参照。)の波長帯域幅を広くすると、それに比例して干渉縞の周数帯域が広くなり、FFT30によるフーリエ変換後の周波数成分の帯域が増えるので(ライン15方向の画素数に対応する周波数成分の数が増えるので)、ライン15方向の解像度が上がる。図3-1の反射点17におけるライン15方向の解像度σは、光ファイバー11の端面51を点光源とみなして、波長帯域の形状がガウス状の場合、σ=〔0.44・(λc)/Δλ〕/sinθで表される。Δλは、波長の帯域幅を示し、λcは、その中心波長を示す。θは、反射点17において照明光の波面の進行方向とライン15がなす角度である。実際の解像度は、σと光ファイバー11の端面51のPSFの畳み込み積分となる。 When the wavelength bandwidth of the broadband light source 21 (see FIG. 6-1) and the wavelength swept light source 31 (see FIG. 6-2), which are the above-mentioned illumination light sources, is widened, the frequency band of the interference fringes is proportionally increased. As the frequency component band after the Fourier transform by the FFT 30 increases (the number of frequency components corresponding to the number of pixels in the line 15 direction increases), the resolution in the line 15 direction increases. The resolution σ in the direction of the line 15 at the reflection point 17 in FIG. 3-1 is σ = [0.44 · (λc) 2 / Δλ when the end face 51 of the optical fiber 11 is regarded as a point light source and the wavelength band has a Gaussian shape. ] / Sin θ Δλ indicates the wavelength bandwidth, and λc indicates the center wavelength. θ is the angle formed by the line 15 and the traveling direction of the wavefront of the illumination light at the reflection point 17. The actual resolution is σ and the convolution integral of the PSF of the end face 51 of the optical fiber 11.

・ また、OCI処理の感度は、波長掃引時間(=走査の繰返し時間)が長くなるほど、波長成分の単位時間当たりの波数が増えるため(または、受光ディテクタの出力が大きくなるため)、FFTによるフーリエ変換後の周波数成分の振幅が大きくなり、感度が上がることになる。 ・ Furthermore, the sensitivity of OCI processing is increased by the FFT Fourier because the wavelength number of wavelength component per unit time increases as the wavelength sweep time (= scan repetition time) increases (or the output of the photodetector increases). The amplitude of the frequency component after conversion is increased, and the sensitivity is increased.

・ OCI処理は、OCTのように生体内の断層像を得るために指数関数的に大きく減衰した生体内部の反射光を検出する処理ではなく、減衰が無い被写体表面からの反射光を検出するため、OCTに比べると感度的な余裕がはるかに大きい。そのため、光ファイバー11の端面51(図3−1参照。)にスリットやピンホールを設置して図1の紙面と垂直の方向の解像度を上げたり、繰返し周波数を上げて走査方向のライン数を増やしたりすることがOCTに比べると容易である。 -The OCI process is not a process of detecting the reflected light inside the living body that is exponentially greatly attenuated to obtain a tomographic image inside the living body like OCT, but is for detecting the reflected light from the subject surface that is not attenuated. , The sensitivity margin is much larger than that of OCT. Therefore, slits or pinholes are installed on the end face 51 of the optical fiber 11 (see FIG. 3-1) to increase the resolution in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1, or the repetition frequency is increased to increase the number of lines in the scanning direction. It is easier to do than OCT.

3.撮像部の小型化と高精細化の数値的な検証
・ 撮像部の小型化と高精細化の可能性について、数値的な検証を以下に述べる。
細径内視鏡の径寸法を決定する要素の一つとして、走査機構の大きさが懸念されるが、近年の微細加工の進歩により、0.9mmφのマイクロモーター(OCT用)や、ガルバノモーター、ボイスコイル、MEMSミラーなどが概に存在し、更なる小型化が進んでいる状況をみると、細径化におけるクリティカルな要素は、細径内視鏡の用途に応じた解像度とワークディスタンス(焦点距離)から決まる光学系の開口寸法になる。用途に即した光学系の開口寸法を以下に説明する。
3. Numerical verification of miniaturization and high definition of the imaging unit ・ The numerical verification of the possibility of miniaturization and high definition of the imaging unit is described below.
As one of the factors that determine the diameter of a small-diameter endoscope, there is concern about the size of the scanning mechanism, but with advances in fine processing in recent years, 0.9 mmφ micromotors (for OCT), galvanomotors, Looking at the situation where voice coils, MEMS mirrors, etc. are generally present and further miniaturization is progressing, the critical factors in reducing the diameter are the resolution and work distance (focusing point) depending on the application of the thin endoscope. The aperture size of the optical system is determined by the distance). The aperture size of the optical system according to the application will be described below.

・ いま、本発明の実施形態における内視鏡装置1において、ライン15と直角方向における解像度20μmが得られ、OCI処理によるライン15方向において、解像度が、平均(θ=45度のライン中央の解像度)20μmが得られるとき、標本化定理に従うと、20×10mmの被写体領域において、画素数2000×1000のHD撮像が可能になる。また、40×20mmの被写体領域については、画素数4000×2000の4K撮像が可能になる。この20μmの解像度に必要とされる光学系の開口角を求め、細径内視鏡の径で制限される光学系の開口寸法から、その開口角における焦点距離(ワークディスタンス)と焦点深度の値が内視鏡装置に適用可能であるか否かの検証を行う。 -Now, in the endoscope device 1 according to the embodiment of the present invention, a resolution of 20 μm in the direction perpendicular to the line 15 is obtained, and the resolution in the direction of the line 15 by the OCI process is average (resolution of the line center at θ = 45 degrees). ) When 20 μm is obtained, according to the sampling theorem, HD imaging with 2000 × 1000 pixels is possible in a subject area of 20 × 10 mm. In addition, for a subject area of 40 × 20 mm, 4K imaging with 4000 × 2000 pixels becomes possible. Obtain the aperture angle of the optical system required for this 20 μm resolution, and calculate the focal length (work distance) and depth of focus at that aperture angle from the aperture size of the optical system limited by the diameter of the thin endoscope. Verifies whether or not it can be applied to an endoscopic device.

・ いま、図3−1の紙面と垂直な方向の光ファイバー11の開口を、スリットを使用して6μmに狭め、光学系12の解像度を14μmに設定すると、図3−1の紙面と垂直な方向の解像度は、それぞれのPSFの畳込み積分となるため、約20μmが得られる。そして、このときの照明(照明光)と受光における総合の解像度δは、δ=0.37×λ/NA(=sinα)という式で近似できる(円形と矩形の開口の違いを近似する)ため、光学系12の解像度14μmを実現するには、中心波長λを550nmとすると、開口角αは0.83度が必要になる。この開口角0.83度を踏まえて以下の検証を行う。 -Now, if the aperture of the optical fiber 11 in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 3A is narrowed to 6 μm using a slit and the resolution of the optical system 12 is set to 14 μm, the direction perpendicular to the paper surface of FIG. Since the resolution of is the convolution integral of each PSF, about 20 μm can be obtained. The total resolution δ of illumination (illumination light) and light reception at this time can be approximated by the equation δ = 0.37 × λ / NA (= sin α) (the difference between circular and rectangular apertures is approximated). In order to realize the resolution of the system 12 of 14 μm, when the center wavelength λ is 550 nm, the aperture angle α needs to be 0.83 degrees. The following verification will be performed based on this opening angle of 0.83 degrees.

3-1.1.5mmφのHD内視鏡の検証
・ いま、1.5mmφの細径を有する内視鏡301では、図3-1の自由曲面光学系12の開口が最も大きい部分の寸法は、1mmまでが許されるので、焦点距離が最も長い部分(図3−1のa+b)の値は、開口角が0.83度のとき35mmとなる。焦点深度γは、γ=0.565・λc/sin2(α/2)の式から5.9mmとなるが、画面の中央に焦点が合うように撮像の位置と方向を定めて回転走査を行なったとき、走査方向の画面の端が焦点位置からずれる量は0.35mmであるため、被写界深度の範囲に収まる。
3-1. Verification of 1.5 mmφ HD endoscope ・ Now, in the endoscope 301 having a small diameter of 1.5 mmφ, the size of the portion of the free curved surface optical system 12 having the largest aperture is 1 mm. Therefore, the value of the part with the longest focal length (a + b in Fig. 3-1) is 35 mm when the aperture angle is 0.83 degrees. The depth of focus γ is 5.9 mm from the formula of γ = 0.565 · λc / sin 2 (α / 2), but when the position and direction of the image are determined so that the focus will be on the center of the screen, and rotational scanning is performed. The amount by which the edge of the screen in the scanning direction shifts from the focus position is 0.35 mm, so it falls within the depth of field range.

・ この焦点距離35mmは、図7〜10に示すように、親内視鏡307の鉗子口303(2〜3mmφ)を通じて細径内視鏡301を使用する場合、ワークディスタンス(位置決めや、治療機器を使用するうえでの空間)上の問題はない。内視鏡301の通常観察でモニタリングしながら、鉗子口303を通じて本実施例の細径内視鏡301を拡大観察したい部分に、図7〜10に示すように、向けることで、20×10mmの領域についてHD画像による拡大観察が可能になる。なお、図中の符号305は、可撓部を示す。 As shown in FIGS. 7 to 10, the focal length of 35 mm is a work distance (positioning or treatment device when using the small-diameter endoscope 301 through the forceps port 303 (2 to 3 mmφ) of the parent endoscope 307. There is no problem in space when using. While monitoring the normal observation of the endoscope 301, the small-diameter endoscope 301 of the present embodiment is directed to a portion to be magnified and observed through the forceps opening 303, as shown in FIGS. It is possible to magnify an area with an HD image. Reference numeral 305 in the figure indicates a flexible portion.

・ ワークディスタンスを2倍の70mmにするときは、光学系の開口角を0.4度にして、被写体上の解像度を40μにすれば、40×20mmの領域についてHD画像による拡大観察が可能になる。 ・ When the work distance is doubled to 70 mm, if the aperture angle of the optical system is set to 0.4 degrees and the resolution on the subject is set to 40 μ, it is possible to magnify and observe a 40 × 20 mm area with an HD image.

3-2.2mmφの4K内視鏡の検証
・ 次に、2mmφの細径内視鏡に4K画像を適用する場合の例について説明する。光学系の開口を1.5mmとし、開口角を同じく0.83度としたとき、その焦点距離fは52mmとなり、40×20mmの被写体領域において4Kの撮像が可能になる。焦点深度は、開口角が同じなので5.9mmとなる。画像の中央に焦点を合わせて回転走査を行なうとき、走査方向の画面の端が焦点位置からずれる量は1.0mmとなるため、被写界深度5.9mmの範囲内に収まる。
3-2.2 Verification of 4 mm endoscope of 2 mmφ ・ Next, an example of applying a 4K image to a small diameter endoscope of 2 mmφ will be described. When the aperture of the optical system is 1.5 mm and the aperture angle is 0.83 degrees, the focal length f is 52 mm, and 4K imaging is possible in a subject area of 40 × 20 mm. The depth of focus is 5.9 mm because the aperture angle is the same. When rotating and scanning with the focus on the center of the image, the edge of the screen in the scanning direction deviates from the focus position by 1.0 mm, so the depth of field is within 5.9 mm.

3-3. 4mmφの8K内視鏡の検証
・ 次に、腹腔鏡のように径寸法に余裕がある内視鏡に適用する場合の実施例について説明する。いま、4mmφの腹腔鏡において、光学系の開口を3mmとし、開口角を同じく0.83度としたとき、その焦点距離fは104mmとなり、80×40mmの被写体領域において8Kの撮像が可能になる。焦点深度は、開口角が同じなので5.9mmとなる。画像の中央に焦点を合わせて回転走査を行なうとき、走査方向の画面の端が焦点位置からずれる量は2.0mmとなるため、被写界深度5.9mmの範囲内に収まる。
3-3. Verification of 4 mmφ 8K endoscope-Next, an example in the case of being applied to an endoscope having a margin in diameter such as a laparoscope will be described. Now, in a 4 mmφ laparoscope, when the aperture of the optical system is 3 mm and the aperture angle is also 0.83 degrees, the focal length f is 104 mm, and 8K imaging is possible in a subject area of 80 × 40 mm. The depth of focus is 5.9 mm because the aperture angle is the same. When rotating and scanning with the focus on the center of the image, the edge of the screen in the scanning direction deviates from the focus position by 2.0 mm, so it falls within the range of 5.9 mm depth of field.

この焦点距離104mmは、親内視鏡の鉗子口(2〜3mmφ)を通じて細径内視鏡を使用する場合、ワークディスタンス(位置決めや、治療機器を使用するうえでの空間)上での問題は起きない。   This focal length of 104 mm is not a problem in work distance (space for positioning and using treatment equipment) when using a small-diameter endoscope through the forceps port (2 to 3 mmφ) of the parent endoscope. Don't get up

以上に、内視鏡の撮像部の小型化と高精細化について適用例をいくつか挙げ、数値的な検証を示したが、他にも内視鏡の用途に応じた適用例が多数考えられることは言うまでもない。また、上記の3-1〜3-3、および、後述する3-7に示した適用例は、オートフォーカス、絞り、ズームなどの光学機構と組み合わせることで、一つの内視鏡で実現することが可能であり、用途に応じて解像度、焦点距離、撮像範囲を可変設定することが可能になる。   As mentioned above, numerical verification was shown by giving some application examples regarding miniaturization and high definition of the imaging unit of the endoscope, but there are many other application examples depending on the use of the endoscope. Needless to say. In addition, the application examples shown in 3-1 to 3-3 above and 3-7 described later can be realized with one endoscope by combining with an optical mechanism such as autofocus, diaphragm, and zoom. It is possible to variably set the resolution, the focal length, and the imaging range according to the application.

3-4. OCI処理の繰返し周波数
本実施例の撮像方式の走査方向における画素数は、光学系の解像度だけで決まらず、走査の際に行うOCI処理の繰返し周波数によって制限される。繰返し周波数は、感度とのトレードオフで決まる。現在のOCTの繰返し周波数は100kHz程度が上限となっているが、本発明をHD画像に適用する場合、HD画像の水平走査周波数は67.5kHzなので繰返し周波数による制限は起きない。4K画像の場合は、水平走査周波数が135kHzとなるが、前述したように、OCI処理は、OCTに比べて感度の余裕が十分にあるため、繰返し周波数を135kHzに上げることが十分可能である。
3-4. Repetition frequency of OCI process The number of pixels in the scanning direction of the imaging method of the present embodiment is not determined only by the resolution of the optical system, but is limited by the repetition frequency of the OCI process performed during scanning. The repetition frequency is determined by the trade-off with sensitivity. The current OCT repetition frequency has an upper limit of about 100 kHz, but when the present invention is applied to an HD image, the horizontal scanning frequency of the HD image is 67.5 kHz, and therefore the repetition frequency does not limit the frequency. In the case of a 4K image, the horizontal scanning frequency is 135 kHz, but as described above, since the OCI processing has a sufficient margin of sensitivity as compared with OCT, it is possible to raise the repetition frequency to 135 kHz.

3-5.細径内視鏡の合焦
以上に述べた実施例は高精細な拡大撮像ため、全画面に焦点を合わせようとすると、撮像部の3次元位置(x、y、z)と撮像方向(Xθ、Yθ)のアライメントが難しくなる。以下にアライメントの方法を述べる。
3-5. Focusing of small-diameter endoscope Since the embodiment described above is for high-definition magnified imaging, when trying to focus on the entire screen, the three-dimensional position (x, y, z) of the imaging unit and the imaging direction (Xθ). , Yθ) becomes difficult to align. The alignment method will be described below.

・ 図3−2の光ファイバー11の端面51を回転走査軸18の方向に往復走査させたり、撮像部と被写体Sまでの距離を往復走査で変えたりすることで焦点距離を可変させ、この焦点距離の可変を行ないながら、画面内3箇所以上における走査方向のラインブロックについてハイパスフィルターによる高周波成分のピーク値を検出する。そのピークの位置が3箇所の合焦位置となるため、その3箇所のピーク位置のデータから、被写体面に対する撮像部の最適な3次元位置(x、y、z)と撮像方向(xθ、yθ)を算出することが出来る。このx、y、z、xθ、yθのデータから、合焦を行なう操作のナビゲーション情報をモニタ上に表示することが出来る。または、細径内視鏡の可撓部をロボットマニュピュレータと同様な構造にすれば、被写体Sに対する撮像部のアライメントを自動で行うことが可能になり、また、被写体Sのゆるい動きに対して合焦のトラッキングが可能になる。 The focal length can be changed by reciprocally scanning the end face 51 of the optical fiber 11 in FIG. 3-2 in the direction of the rotary scanning axis 18 or changing the distance between the image pickup unit and the subject S by reciprocal scanning. The peak value of the high-frequency component is detected by the high-pass filter for the line blocks in the scanning direction at three or more places in the screen while changing the. Since the positions of the peaks are the in-focus positions at the three positions, the optimum three-dimensional position (x, y, z) of the imaging unit with respect to the object plane and the imaging direction (xθ, yθ) are obtained from the data of the peak positions at the three positions. ) Can be calculated. From this x, y, z, xθ, yθ data, it is possible to display the navigation information of the operation for focusing on the monitor. Alternatively, if the flexible part of the small-diameter endoscope has a structure similar to that of a robot manipulator, it becomes possible to automatically perform alignment of the imaging unit with respect to the subject S, and with respect to loose movement of the subject S. Focus tracking becomes possible.

3-6.細径内視鏡のブレ補正
高精細な拡大撮像を行うと、観察上、微小な振動による解像度の劣化(ボケ)が問題になる。本発明の内視鏡装置の撮像方式は、イメージセンサーのようにフレームの繰返し時間での露光ではなく、ラインの繰返し走査時間での露光であるため、振動のような微小で速い動きを検出して補正することが可能である。以下にブレを補正する手段を述べる。
3-6. Blurring correction of a small-diameter endoscope When high-resolution magnified imaging is performed, the deterioration of resolution (blur) due to minute vibrations becomes a problem in observation. Since the image pickup method of the endoscope apparatus of the present invention is not the exposure at the frame repeat time as in the image sensor, but the exposure at the line repeat scan time, a minute and fast motion such as vibration is detected. Can be corrected. The means for correcting blur will be described below.

・ 図11に示すように、画像が8×8程度の画素のブロック41に分割され、ブロックごとに、フレームメモリ551に蓄積した前フレームとの2次元相関が2次元相関器43で行われる。前フレームの2次元相関を行なう範囲のブロック42は、ブレの範囲を想定して予め設定されている。現フレームの8×8画素のブロック41は、画面351内におけるブレが一様でない状況(被写体の部分的な動きや撮像部の動きによる一様でないブレ)を考慮して、その画素数や必要数がフレーム内に設定されている。 As shown in FIG. 11, the image is divided into blocks 41 of about 8 × 8 pixels, and the two-dimensional correlator 43 performs the two-dimensional correlation with the previous frame stored in the frame memory 551 for each block. The block 42 in the range where the two-dimensional correlation of the previous frame is performed is set in advance assuming the range of blur. The block 41 of 8 × 8 pixels in the current frame has the number of pixels and the number of pixels required in consideration of the situation where the blurring in the screen 351 is not uniform (uneven blurring due to partial movement of the subject or movement of the imaging unit). The number is set in the frame.

この2次元相関器43により、ブロック41のブレの動ベクトルが検出され、画面351内における縦のブロック数だけ用意された複数ラインメモリ44に記憶される。次に、前フレームの画素ごとに動ベクトルを算出するために、注目画素周辺の動ベクトルが複数ラインメモリ44から読み出され、補間回路45によって補間が行われ、画素ごとの動ベクトルが算出され、所定の読み出しアドレスが付与され(49)複数ラインメモリ44内に保存される。この動ベクトルから、ブレによって画素が移動した位置に対応した輝度値が、現フレームの周辺画素から補間回路46によって算出され、前フレームの画素の位置に戻して表示がなされることで、ブレの無い画像が生成される。これにより、被写体の追尾(トラッキング)も可能になる。   The motion vector of the blur of the block 41 is detected by the two-dimensional correlator 43 and stored in the plural line memory 44 prepared for the number of vertical blocks in the screen 351. Next, in order to calculate the motion vector for each pixel of the previous frame, the motion vector around the pixel of interest is read from the multi-line memory 44, interpolation is performed by the interpolation circuit 45, and the motion vector for each pixel is calculated. , A predetermined read address is given (49) and stored in the multi-line memory 44. From this motion vector, the luminance value corresponding to the position where the pixel has moved due to blurring is calculated by the interpolation circuit 46 from the peripheral pixels of the current frame, and the pixel is returned to the position of the pixel of the previous frame to be displayed. A missing image is generated. This also enables tracking of the subject.

3-7.細径内視鏡による顕微鏡観察
次に、本発明の内視鏡装置による顕微鏡的な拡大観察について実施例を説明する。
3-7. Microscopic Observation Using a Small-Diameter Endoscope Next, an example of microscopic magnifying observation using the endoscope apparatus of the present invention will be described.

・ 3×2mmの小領域をHD画像で撮像する実施例について、図12-1、12-2、13、14を用いて説明する。図12は、顕微鏡的な拡大観察が可能な2mmφ細径内視鏡の構成を示している。自由曲面光学系52とミラー53を使用して、照明および受光の光路を撮像部56内で折り返すことで、収束ライン55が細径内視鏡の外周径に近くなるように設定されている。図12-1では、照明の原理を示すために、ミラー53と光学系52を分けて説明しているが、自由曲面プリズムとして一体成型加工が可能である。それにより先端構造を更に小型化できる。また、図12-2に示すように、自由曲面プリズム521とGRINレンズ523を組み合わせても良い。 An example of capturing a 3 × 2 mm small area with an HD image will be described with reference to FIGS. 12-1, 12-2, 13, and 14. FIG. 12 shows the configuration of a 2 mmφ small-diameter endoscope capable of microscopic observation. By using the free-form surface optical system 52 and the mirror 53, the optical paths of illumination and light reception are folded back in the imaging unit 56, and the convergence line 55 is set to be close to the outer diameter of the thin endoscope. In FIG. 12-1, the mirror 53 and the optical system 52 are described separately to show the principle of illumination, but they can be integrally molded as a free-form surface prism. Thereby, the tip structure can be further downsized. Further, as shown in FIG. 12-2, a free-form surface prism 521 and a GRIN lens 523 may be combined.

・ この構造により、図13、14に示すように、被写体に接触させて撮像することが可能になり、全画面に渡って焦点を合わせることが可能になる。また、顕微鏡的な拡大撮像でもブレの無い観察が可能になる。ブレが生じたとしても、3-6.項に示したブレ補正で取り除くことができる。被写体に押し付けたときの走査角が120度のとき、被写体に接触している円周長が2mmになるので、3×2mmの撮像領域を検出することが可能になる。図13中の参照符号301は2mmφ細径内視鏡であり、305aはばね状の可撓部であり、305bはワイヤー制御の可撓部を示す。図14中の参照符号301は2mmφ細径内視鏡であり、341は表層粘膜であり、343は2mmの接触部分、βは120度の走査角を示す。 With this structure, as shown in FIGS. 13 and 14, it is possible to bring the subject into contact with the subject for imaging, and it is possible to focus on the entire screen. In addition, it becomes possible to perform observation without blur even by microscopic magnifying imaging. Even if blurring occurs, it can be removed by the blurring correction shown in Section 3-6. When the scanning angle when pressed against the subject is 120 degrees, the circumferential length in contact with the subject is 2 mm, so that it is possible to detect an imaging area of 3 × 2 mm. Reference numeral 301 in FIG. 13 is a 2 mmφ small-diameter endoscope, 305 a is a spring-shaped flexible portion, and 305 b is a wire-controlled flexible portion. Reference numeral 301 in FIG. 14 is a 2 mmφ small-diameter endoscope, 341 is a superficial mucosa, 343 is a contact portion of 2 mm, and β is a scanning angle of 120 degrees.

前述したように、OCI処理は感度に余裕があるため、光ファイバーの端面に2μmのスリットを設置し、光学系52(図12-1参照。)の紙面と垂直な方向の平均解像度を2μmにすると、図14の紙面と垂直方向の解像度は、畳み込み積分により約2μmとなる。ライン55(図12-1参照。)方向の解像度は、照明光が可視光帯域(λc=550nm、Δλ=250nm)の場合、光学系の解像度が2μmになるが、光学系の解像度とピンホールの開口との畳み込み積分によって総合的な解像度が4μmとなるので、3×2mmの小領域を1500×1000の画素数を以って撮像することが可能になる。このときの光学系52の解像度を2μmにするには、光学系52の紙面(図12-1参照。)と垂直方向の開口角を5.8度に設定する必要がある。図12-1の光学系52の紙面と垂直方向の開口が一番大きい部分の寸法を1.5mmにすると、焦点距離は7.4mmとなり、図12-1に示される構成における焦点距離a+b(7.4mm)と一致させることができる。   As mentioned above, since the OCI process has a margin of sensitivity, if a 2 μm slit is installed on the end face of the optical fiber and the average resolution in the direction perpendicular to the paper surface of the optical system 52 (see Figure 12-1) is set to 2 μm. The resolution in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 14 is about 2 μm by convolution integration. When the illumination light is in the visible light band (λc = 550 nm, Δλ = 250 nm), the resolution of the optical system is 2 μm, but the resolution in the direction of line 55 (see Figure 12-1) is the same as the resolution of the optical system and the pinhole. Since the total resolution is 4 μm by convolution integration with the aperture of, it is possible to image a small area of 3 × 2 mm with the number of pixels of 1500 × 1000. In order to set the resolution of the optical system 52 at this time to 2 μm, it is necessary to set the aperture angle of the optical system 52 in the direction perpendicular to the paper surface (see FIG. 12-1) to 5.8 degrees. If the size of the part of the optical system 52 in Fig. 12-1 that has the largest opening in the direction perpendicular to the paper surface is 1.5 mm, then the focal length will be 7.4 mm, and the focal length a + b (7.4 mm in the configuration shown in Fig. 12-1. ) Can be matched.

4.本発明の内視鏡装置によるスペクトル解析
次に、本発明の内視鏡装置を活用したスペクトル解析について説明する。先ず、(4-1.)光のスペクトルに対する人の目の認識能力からマルチスペクトル解析の有意性を述べ、次に、(4-2.)生体の反射スペクトルの性質と応用の可能性を述べ、次に(4-3.)マルチスペクトル解析を診断に応用するときの課題を述べ、最後に、(4-4.)本発明の内視鏡装置によるマルチスペクトル解析の実施例を述べる。
4. Spectral Analysis by the Endoscope Device of the Present Invention Next, a spectrum analysis utilizing the endoscopic device of the present invention will be described. First, (4-1.) Describes the significance of multispectral analysis based on the ability of the human eye to recognize the spectrum of light, and then (4-2.) Describes the nature of the reflection spectrum of living organisms and the possibility of application. Then, (4-3.) Issues in applying the multispectral analysis to diagnosis will be described, and finally (4-4.) Examples of the multispectral analysis by the endoscope apparatus of the present invention will be described.

4-1. マルチスペクトル解析の有意性
・ 大脳皮質の70%が視覚機能に関わっており、目と脳が一体となって動くことで人の視覚機能は高い能力を発揮する。例えば、人の目の高精細視野(中心窩)は、わずか2度の範囲しかなく、それ以外の視野は外側にいくに従い急速に解像度が落ちる。眼球が注視する部分を高速に走査し、得た像を脳内で合成することで、あたかも、視野全体を高精細に観察しているように捉えている。その際、2度の高精細視野の平均輝度に応じて瞳孔を高速に調整することで、視野全体にわたって高ダイナミックレンジの画像を得ている。人の視覚機能は既存の撮像装置に比べると、解像度とダイナミックレンジがはるかに高く、また、被写体の形態やテクスチャー、被写体の動きを認識するうえで、高い能力を持っている。まさに、人の視覚機能は視ると覚るが一体となった機能である。
4-1. Significance of multispectral analysis-70% of the cerebral cortex is involved in visual function, and the human visual function exerts a high ability by moving the eyes and the brain together. For example, the high-definition visual field (fovea centralis) of the human eye has a range of only 2 degrees, and the resolution of the other visual fields decreases rapidly toward the outside. By swiftly scanning the part where the eye gazes and synthesizing the obtained images in the brain, it is possible to capture the entire visual field as if observing it in high definition. At that time, the pupil is adjusted at high speed according to the average brightness of the high-definition visual field of 2 degrees to obtain an image with a high dynamic range over the entire visual field. The human visual function has a much higher resolution and dynamic range than existing imaging devices, and has a high ability to recognize the shape and texture of a subject and the movement of the subject. Indeed, the visual function of human beings is a function that can be seen when viewed.

・ ところが、光のスペクトルについて、人の視覚は、X、Y、Zの3原色の分解能しか持たず、光のスペクトル成分を認識して物質を特定するというような能力は決して高くない。被写体の分光特性を主成分分析してみると、XYZ軸の累積寄与率が高く、ウィナー推定で分光特性をある程度再現ができるが、様々な組成や物質を特定するには、急激に変化するスペクトル成分(例えば、赤外分光やラマン分光の輝線スペクトル)を検知しなくてはならない。人の目の進化の過程はXYZ軸の分解能でよかったのであろうが、現代では、撮像と同時に被写体の組成を特定するリモートセンシングのニーズが、医療などを筆頭に高く、その手段の一つとして人の色覚を超えるマルチスペクトル解析が期待される。 ・ However, regarding the spectrum of light, human vision has only the resolution of the three primary colors of X, Y, and Z, and its ability to identify a substance by recognizing the spectrum component of light is by no means high. When the principal component analysis of the spectral characteristics of the subject is performed, the cumulative contribution rate of the XYZ axes is high, and the spectral characteristics can be reproduced to some extent by Wiener estimation, but to identify various compositions and substances, the spectrum that changes rapidly A component (for example, a bright line spectrum of infrared spectroscopy or Raman spectroscopy) must be detected. The evolution process of the human eye may have been good with the resolution of the XYZ axes, but in modern times, the need for remote sensing to identify the composition of the subject at the same time as imaging is high, especially in medical treatment, and as one of the means therefor. Multispectral analysis that exceeds human color perception is expected.

マルチスペクトル解析によって、特定する物質ごとに最適なスペクトル成分軸を抽出し、それで検出した情報を、人の視覚が認識できる色やテクスチャーの情報に変換して提供することで、診断などを支援することができる。その際のマルチスペクトル解析は可視光帯に留まらず、人の目に見えない赤外やテラヘルツ領域を含めた解析が必要になる。   By using multi-spectral analysis to extract the optimal spectral component axis for each specified substance, the detected information is converted into color and texture information that can be visually recognized by the human eye and provided to assist diagnosis. be able to. Multispectral analysis at that time is not limited to the visible light band, and analysis that includes infrared and terahertz regions invisible to the human eye is required.

・ 上述したように、人の視覚機能は、脳と目が一体となって高い能力が発揮されるわけであるが、AI(人工知能)が人の脳に比べて得意とする部分があり、それをマルチスペクトル解析に有効活用することで、物質の識別力を高めることができる。AIは、多種・大量のデータを短時間で学習し、多種・大量のデータを用いて短時間で判断することが人より得意である。その主な理由は、AIは疲れが無く電気のスピードで昼夜を問わず短時間で学習することが可能であって、また、学習した結果を忘れることが無いため(もっとも、忘却は人の脳をデバックする重要な手段といわれているが)、適用する場と範囲を狭めれば、多種・大量のデータを使用した学習や解析や判断において人に優るケースが多くなる。 ・ As mentioned above, the human visual function is that the brain and eyes are integrated and high performance is demonstrated, but there are parts where AI (artificial intelligence) is better than human brain, By effectively utilizing it for multispectral analysis, it is possible to enhance the discrimination power of substances. AI is better at learning a large amount of data in a short time and making judgments in a short time using a large amount of data. The main reason for this is that AI is able to learn in a short time at any time of day or night at the speed of electricity without fatigue, and because it does not forget the learning results (although forgetting is a human brain). It is said to be an important means for debugging, but if the field and scope of application are narrowed, there are many cases in which learning, analysis, and judgment using a large amount of various data are superior to humans.

4-5.項のマルチスペクトル解析の実施例で述べるように、大量データの学習と識別が必要になるマルチスペクトル解析において、AIを有効活用することで、物質の識別能力を向上させることができる。撮像装置は、人の目に近い高精細・高ダイナミックレンジを目指すのと同時に、人の目を超えるスペクトル解析をAIと一体となって実現することで、新たな有用性が開かれる。   As described in the example of multispectral analysis in Section 4-5., In multispectral analysis that requires learning and identification of a large amount of data, effective use of AI can improve the ability to identify substances. . The imaging device aims for high definition and high dynamic range close to human eyes, and at the same time realizes spectrum analysis that exceeds human eyes in combination with AI, opening new usefulness.

4-2.生体の反射スペクトルの特性と応用の可能性
次に、生体の反射スペクトルの特性と応用の可能性について述べる。
・ 反射光のスペクトル成分は、反射と吸収によって形成される。生体組織は、粒状や層状や繊維状の組織によって屈折率が不均一に分布しているため、生体内に入った光は、反射と回折が重畳的に繰返され、その際の後方散乱が反射光となる。レイリー散乱が、それの主なものである。
4-2. Characteristics of Reflection Spectrum of Living Body and Possibility of Application Next, characteristics of reflection spectrum of living body and possibility of application will be described.
-Spectral components of reflected light are formed by reflection and absorption. Since the refractive index of living tissue is unevenly distributed due to granular, layered, or fibrous tissue, light entering the living body is repeatedly reflected and diffracted, and backscattering at that time is reflected. Become light. Rayleigh scattering is the main one.

波長に対して粒状径が十分小さい場合、波長の4乗に反比例してレイリー散乱が強くなる。これらの要因でレイリー散乱のスペクトル成分は変化するが、生体組織の屈折率分布は、組織の種類(例えば、癌や正常組織)と相関性が高いとはいえず、照明の方向が変ってもスペクトル成分が変化するため、レイリー散乱のスペクトル成分は、被写体物質を特定するうえで安定性がよくない(定量性がよくない)。レイリー散乱は、その後方散乱を検出することで、被写体の形状やテクスチャーの撮像に活用される。人の視覚脳が、長年培ったの学習知識によって、この不安定な情報をカバーし、意識することなく被写体の形状やテクスチャーの高度な認識を行なっている。   When the particle size is sufficiently small with respect to the wavelength, Rayleigh scattering becomes strong in inverse proportion to the fourth power of the wavelength. Although the spectral components of Rayleigh scattering change due to these factors, the refractive index distribution of biological tissue is not highly correlated with the type of tissue (for example, cancer or normal tissue), and even if the direction of illumination changes. Since the spectral component changes, the spectral component of Rayleigh scattering has poor stability (poor quantification) in identifying the subject substance. Rayleigh scattering is utilized for imaging the shape and texture of a subject by detecting the backscattering. The human visual brain covers this unstable information with the learning knowledge cultivated over many years, and is capable of highly recognizing the shape and texture of the subject without being aware of it.

・ ところが、可視光帯の光は、生体内で散乱を繰り返す中で、光の電場の振動によって生体有機分子中の電子分布を共鳴振動させてエネルギーを励起するため、一部のスペクトルが吸収される。また、そのエネルギーの一部が分子振動に変わり、残りのエネルギーが、波長シフトが起きた蛍光(自発蛍光)として放出される。これにより反射スペクトルの成分比が変わる。これらの変化は、有機分子の構造を強く反映していて、物質を特定するうえで安定性とSNが高い。ただし、生体からの反射光は、吸収スペクトルに不安定なレイリー散乱が背景光として加わるため、結果的に物質を特定するうえで安定性とSNが高くならず、過去、積極的に利用されて来ていない。 ・ However, as visible light band light is repeatedly scattered in the living body, the electron distribution in living organic molecules is resonantly oscillated by the vibration of the electric field of the light to excite energy, so that a part of the spectrum is absorbed. It In addition, a part of the energy is changed to molecular vibration, and the remaining energy is emitted as wavelength-shifted fluorescence (spontaneous fluorescence). This changes the component ratio of the reflection spectrum. These changes strongly reflect the structure of organic molecules and have high stability and SN in identifying substances. However, the reflected light from a living body adds unstable Rayleigh scattering as background light to the absorption spectrum, and as a result, stability and SN do not increase in identifying a substance, and it has been actively used in the past. I haven't come.

・ 人の目のXYZ特性のように帯域幅が広いと、照明や観察条件によって変化するレイリー散乱の不安定なスペクトルがある程度均一化され、色としての安定度とSN比が向上する。人の目のスペクトル分解能が低い理由の一つにもなっていると考えられる。
後述するように、多変量解析によって特定する物質ごとに検出帯域の最適化を行い、それにAIによる識別を組み合わせると、レイリー散乱の背景光が抑えられ、物質を特定するうえで安定度と精度の向上が図れる。
・ When the bandwidth is wide like the XYZ characteristics of the human eye, the unstable spectrum of Rayleigh scattering that changes depending on the illumination and observation conditions is made uniform to some extent, and the stability as a color and the SN ratio are improved. It is considered that this is one of the reasons why the spectral resolution of the human eye is low.
As will be described later, if the detection band is optimized for each substance specified by multivariate analysis, and if it is combined with AI identification, the background light of Rayleigh scattering is suppressed, and stability and accuracy in specifying the substance can be reduced. Can be improved.

・ 可視光を吸収してスペクトル成分を変化させる生体物質は、コラーゲン(吸収して自家蛍光を発する)、酸素飽和濃度が異なる血液ヘモグロビンや、メラニン色素、血液中に含まれる成分、例えばグルコースなどと多数あるが、これらの吸収スペクトル成分をマルチスペクトル解析することによって組織の性状を特定できる可能性がある。 -Biological substances that absorb visible light and change spectral components include collagen (absorbs and emits autofluorescence), blood hemoglobin with different oxygen saturation concentrations, melanin pigments, and components contained in blood, such as glucose. Although there are many, there is a possibility that the properties of the tissue can be specified by performing multispectral analysis of these absorption spectrum components.

癌は組織が乱れていてコラーゲンよる吸収や蛍光が少ない、増殖の旺盛さから酸素飽和濃度が異なるといわれている。また、癌などの組織に取り付いて可視光帯の吸収や蛍光を強く示す色素(プローブ)が数多く開発されており、その色素によるスペクトル変化をマルチスペクトル解析によって効率よく表現することで、精度の高い組織の識別を行なうことができる。   It is said that cancer has a different oxygen saturation concentration due to vigorous growth, because the tissue is disordered and there is little absorption and fluorescence due to collagen. In addition, a number of dyes (probes) that attach to tissues such as cancer and strongly show absorption and fluorescence in the visible light band have been developed, and the spectral changes due to the dyes are efficiently expressed by multispectral analysis, resulting in high accuracy. Tissue identification can be performed.

例えば、組織を染色するICG(インドシアニングリーン)色素は、可視光よりも近赤外の帯域のほうが、吸収が強く起きるため、多変量解析による最適な帯域を検出してカラー表示することで、弱毒性のあるICGの使用量を抑えて、精度の高い物質の特定や染色を可能にすることができる。   For example, ICG (Indocyanine Green) dye that stains tissue has stronger absorption in the near infrared region than in visible light, so by detecting the optimal band by multivariate analysis and displaying in color, The amount of weakly toxic ICG used can be reduced to enable highly accurate substance identification and staining.

・ 中赤外から遠赤外の光は、可視光に比べて波長が長いので散乱が少なく透過しやすいが、透過する途中で共振周波数の低い分子振動やスピンを励起することで強い吸収が起き、実際の透過率が落ちる。特に、生体に多く含まれる水やヘモグロビンの吸収が大きいため、透過率が落ちる。ただし、有機分子への吸収が強い分、有機物質を特定するうえでスペクトルの安定性が高い。指紋領域といわれる帯域があって、赤外分光法が確立されている。 ・ Mid-infrared to far-infrared light has a longer wavelength than visible light and is easily transmitted because of less scattering, but strong absorption occurs by exciting molecular vibrations and spins with a low resonance frequency during transmission. , The actual transmittance drops. In particular, the absorption of water and hemoglobin, which are abundant in the living body, is large, so the transmittance is reduced. However, since the absorption to the organic molecule is strong, the stability of the spectrum is high in specifying the organic substance. There is a band called the fingerprint area, and infrared spectroscopy has been established.

ただし、赤外分光は、薄い被検体を透過させる顕微鏡などの検出に向いており、in vivoの検出に用いられる反射方式になると、可視光帯と同じくレイリー散乱が混合され、物質を特定するうえで安定性とSNがさほど高くならない。   However, infrared spectroscopy is suitable for detection with microscopes that transmit thin analytes, and when the reflection method used for in vivo detection is used, Rayleigh scattering is mixed as in the visible light band to identify substances. Therefore, stability and SN are not so high.

・ 近赤外領域も同じ状況であるが、散乱や電子や分子のエネルギー励起による吸収が、ヘモグロビンや水において、ともに少ない谷間の波長領域(生体透過の窓)があり、OCTによる断層像検出や血液の酸素飽和濃度の検出、ICG(インドシアニングリーン)の蛍光を使った血管検出などと、様々な応用がなされている。 ・ In the near-infrared region, the situation is the same, but in hemoglobin and water, there are few valley wavelength regions (biologically transparent windows) where absorption due to energy excitation by scattering or electrons or molecules occurs, and tomographic image detection by OCT or Various applications have been made, such as detection of oxygen saturation concentration in blood and blood vessel detection using ICG (indocyanine green) fluorescence.

・ また、前述したように、特定の生体分子に、特定の色素が強く結合する性質(プローブ)を利用した染色や蛍光、特定の酵素と反応して発色する基質を用いた染色や蛍光がある。染色は吸収スペクトルによるもので、反射光にはレイリー散乱光が混じるが、吸収が強いため安定性とSNが高い。蛍光は、励起光によって分子のエネルギーが励起され、励起光の一部が分子間振動として吸収され、残りのエネルギーが光として放出される。その吸収エネルギーの分の波長シフトが起き、これを利用して分光フィルタによって励起光のレイリー散乱を除去することができる。 -As described above, there are staining and fluorescence using a property (probe) that a specific dye strongly binds to a specific biomolecule, and staining and fluorescence using a substrate that develops color by reacting with a specific enzyme. . Staining is due to the absorption spectrum. Rayleigh scattered light is mixed in the reflected light, but because of strong absorption, stability and SN are high. In fluorescence, the energy of molecules is excited by excitation light, part of the excitation light is absorbed as intermolecular vibration, and the remaining energy is emitted as light. A wavelength shift corresponding to the absorbed energy occurs, and this can be used to remove the Rayleigh scattering of the excitation light by the spectral filter.

蛍光は、微弱であるが、後述するラマン散乱光に比べるとずっと大きく、物質を特定するための安定性とSNが高い。反射方式の検出に適した分光法である。前述したICG(インドシアニングリーン)や5-ALA、BBG、トリアムシノロンアセトニド、フルオレセインなど、染色や蛍光色素が数多くあり、また、癌に取り付く蛍光プローブや、近赤外線を当てると取り付いた癌が死滅する光線力学療法を蛍光プローブに加えたものや、光線力学療法で死滅した癌の残骸に対する免疫効果で転位した癌を死滅させる光免疫療法を加えたものなど、様々な新しい試薬の開発が進められている。   Although the fluorescence is weak, it is much larger than the Raman scattered light described later, and has high stability and SN for identifying a substance. This is a spectroscopic method suitable for reflection type detection. There are many stains and fluorescent dyes such as ICG (Indocyanine Green), 5-ALA, BBG, triamcinolone acetonide, and fluorescein mentioned above.In addition, the fluorescent probe that attaches to cancer and the attached cancer die when near infrared rays are applied. Various new reagents are being developed, including those that add photodynamic therapy to fluorescent probes and those that add photoimmunotherapy that kills cancer that has translocated due to the immune effect on the remains of cancer that has been killed by photodynamic therapy. There is.

・ その他にも、励起光に比べると信号エネルギーが極めて小さい(10−6)が、ラマン効果による光の吸収と放出が起きる。これは、光が分子によって散乱される際に、その光子のエネルギーの一部が分子の振動エネルギー(回転/電子エネルギーのこともある)に奪われたり、分子の振動エネルギーが光波のエネルギーに加算されたりすることで起きる。加減算される分のエネルギーの量は、エネルギー準位により一定となるため、励起光の波長に関係なく、励起光から一定の波数シフト(ストークスシフト)したラマンスペクトルが発生する。ラマンスペクトルは、分子構造などを特定するラマン分光法として顕微鏡などで活用されている。ラマンスペクトルは、励起光からシフトした分、波長が異なるため、分光フィルタによって励起光のレイリー散乱を除去することができ、反射方式の検出に適した分光法である。ただし、信号エネルギーが極めて小さいため、完像時間などが犠牲になる。 ・ In addition, although the signal energy is extremely small compared to the excitation light (10 −6 ), absorption and emission of light by the Raman effect occur. This is because when light is scattered by a molecule, part of the energy of that photon is lost to the vibration energy of the molecule (may be rotation / electron energy), or the vibration energy of the molecule is added to the energy of the light wave. It is caused by being done. Since the amount of energy to be added and subtracted is constant depending on the energy level, a Raman spectrum that is a constant wave number shift (Stokes shift) is generated from the pump light regardless of the wavelength of the pump light. Raman spectra are used in microscopes and the like as Raman spectroscopy for identifying molecular structures and the like. Since the Raman spectrum has different wavelengths by the amount shifted from the excitation light, Rayleigh scattering of the excitation light can be removed by a spectral filter, and this is a spectroscopic method suitable for reflection type detection. However, since the signal energy is extremely small, the complete image time is sacrificed.

4-3. マルチスペクトルから生体物質を特定する手段
・ 4-2.項で述べたように、可視光から赤外に渡って、生体からの反射スペクトルは、レイリー散乱を除去できる蛍光やラマン光を除いて、電子や分子の吸収によるスペクトル成分の変化にレイリー散乱が背景光(雑音)として混じるため、物質を特定するうえで、安定性とSNが総じて高くない。ゆえに、スペクトル解析には統計的な手法や曖昧判定の手法が必要になる。
4-3. Means to identify biological material from multi-spectrum ・ As described in Section 4-2., The spectrum reflected from living body is visible fluorescence or Raman light that can remove Rayleigh scattering. Except for, Rayleigh scattering is mixed as background light (noise) in the change of spectral components due to absorption of electrons and molecules, so that stability and SN are not generally high in identifying substances. Therefore, statistical analysis and ambiguity determination methods are required for spectrum analysis.

スペクトル成分の大量データを取得して、スペクトル成分を多次元直交軸とした空間で多変量解析を行ってみると、例えば、正常細胞と癌細胞のクラスタを切り分けて認識できるケースが多いことが分かっている。そこで、スペクトル成分を独立変量とした多変量解析によって、識別に最適なスペクトル成分軸を抽出し、そのスペクトル成分軸上に形成されるクラスタの識別を、更に、非線形な切り分けと曖昧判定が得意なAI(Deep Learning)によって識別することで、物質特定の精度を向上させることが可能である。   Obtaining a large amount of spectral component data and performing multivariate analysis in a space with the spectral components as multidimensional orthogonal axes shows that, for example, there are many cases in which clusters of normal cells and cancer cells can be separated and recognized. ing. Therefore, by using multivariate analysis with spectral components as independent variables, the optimal spectrum component axis for identification is extracted, and the cluster formed on the spectrum component axis is identified, and further non-linear carving and ambiguity determination are good. By identifying with AI (Deep Learning), it is possible to improve the accuracy of substance identification.

4-4.マルチスペクトル解析を行なう手順と必要な機能
以上の背景を踏まえ、本発明の内視鏡装置によって、マルチスペクトル解析を行う際の手順を以下に説明する。
4-4. Procedure for Performing Multispectral Analysis and Required Functions Based on the above background, the procedure for performing multispectral analysis by the endoscope apparatus of the present invention will be described below.

・ 先ず、多変量解析を行うために、目的物質の特定に必要なマルチスペクトルデータを、本発明の内視鏡装置によって出来るだけ数多く取得し、確定診断(病理検査など)と整合したタグや正規化のための(クラスタの分散を小さくするための)前処理に必要な情報を付加して蓄積を行う。 First of all, in order to perform multivariate analysis, multi-spectral data necessary for specifying the target substance is acquired as much as possible by the endoscopic device of the present invention, and a tag or regularity that is consistent with definitive diagnosis (pathological examination etc.) is acquired. Information necessary for pre-processing (to reduce cluster variance) for optimization is added and accumulated.

・ 次に、オフラインのコンピュータによって、蓄積した大量のマルチスペクトルデータの前処理を行った後に、多変量解析を行い、目的物質の特定に最適なスペクトル成分軸を算出し、絞り込む。寄与率の高い順に軸が算出されるので、データ圧縮と同様、寄与率の高い軸を絞り込む。 -Next, a large amount of accumulated multi-spectral data is pre-processed by an off-line computer, and then multivariate analysis is performed to calculate and narrow down the spectrum component axis that is most suitable for specifying the target substance. Since the axes are calculated in descending order of contribution rate, the axis with high contribution rate is narrowed down as in data compression.

・ 次に、絞り込んだスペクトル成分軸へマルチスペクトルデータの射影変換を行い、そのデータを使用して、二つのクラスタの識別をコンピュータ上でAIに学習(教師あり)させる。AIは、本発明の内視鏡装置に内装してあるのと同じ構成である。 -Next, projective transformation of multispectral data is performed on the narrowed spectrum component axis, and using that data, AI is trained (supervised) on the computer to identify two clusters. The AI has the same structure as that incorporated in the endoscope apparatus of the present invention.

・ 次に、コンピュータによって絞り込んだスペクトル成分軸の成分値(基底ベクトルの成分値)と、AIが学習した知識データ(AIを構成する階層型ニューラルネットワークのニューロンの係数)を、本発明の内視鏡装置に送って記憶させる。 Next, the component values of the spectrum component axis (component values of the basis vector) narrowed down by the computer and the knowledge data learned by the AI (coefficients of the neurons of the hierarchical neural network forming the AI) are used as an internal view of the present invention. Send it to a mirror device for storage.

多変量解析によって絞り込んだスペクトル成分軸の数は、多くても5〜6になるので、本発明の内視鏡装置の回路規模が簡素化され、また、AIの規模を小さくすることができる。AIの判定スピードが向上し、物質特定をin vivoにてリアルタイムに行なうことが可能になる。   Since the number of spectral component axes narrowed down by the multivariate analysis is at most 5 to 6, the circuit scale of the endoscope apparatus of the present invention can be simplified and the scale of AI can be reduced. The speed of AI judgment will be improved, and it will be possible to identify substances in vivo in real time.

・ 以上から、本発明の内視鏡装置は、マルチスペクトルデータをin vivoで多数取得して蓄積できる機能と、多変量解析によって決定したスペクトル成分をin vivoにて検出し、リアルタイムに物質特定を行なえる2つの機能を併せ持つことが必要になる。この2つの機能の実施例を4-5.項で説明する。 From the above, the endoscopic device of the present invention has a function capable of acquiring and accumulating a large number of multispectral data in vivo, and a spectral component determined by multivariate analysis in vivo to identify a substance in real time. It is necessary to have two functions that can be performed together. An example of these two functions will be described in Section 4-5.

4-5.RGB画像の生成とマルチスペクトル解析の実施例
本発明の内視鏡装置によって、RGB画像を生成する実施例と、上述のマルチスペクトル解析の手順についての実施例を、図15-1、15-2、16、17を用いて説明する。
4-5. Examples of RGB image generation and multispectral analysis An example of generating an RGB image by the endoscope apparatus of the present invention and an example of the procedure of the above-described multispectral analysis are shown in FIGS. 15-1 and 15-2. , 16, 17 will be described.

・ 最初に、RGB画像を生成する実施例について説明する。図15-1に示す受光ラインディテクタ67の出力はFFT61に入力され、図16に示す可視光帯域80についてのフーリエ変換が行われ、図16に示すW信号81が生成される。生体表面からある程度深い部分を描出する場合は、図16に示した生体透過性のよい近赤外領域85を含めた範囲についてフーリエ変換を行い、W信号81として生成する。 First, an example of generating an RGB image will be described. The output of the light receiving line detector 67 shown in FIG. 15-1 is input to the FFT 61, and the Fourier transform is performed for the visible light band 80 shown in FIG. 16, and the W signal 81 shown in FIG. 16 is generated. When a part of the surface of the living body is drawn to some extent, Fourier transform is performed on the range including the near-infrared region 85 with good biological permeability shown in FIG. 16, and a W signal 81 is generated.

・ 並行して、FFT62によって、図16に示すR帯域のフーリエ変換が先ず行われ、R信号82が生成される。R信号82は、図15-1に示す補間メモリ部63によって画素の補間が行われ、W信号81と時間軸(画素位置)の同期がなされる。続いて、図15-1に示すFFT62によって、図16に示すB帯域のフーリエ変換が行なわれ、B信号83が生成される。B信号83も同じく図15-1に示す補間メモリ部64によって画素の補間が行われ、W信号81と画素位置の同期がなされる。 In parallel, the FFT 62 first performs the Fourier transform of the R band shown in FIG. 16 to generate the R signal 82. The R signal 82 is subjected to pixel interpolation by the interpolation memory unit 63 shown in FIG. 15A, and the W signal 81 and the time axis (pixel position) are synchronized. Then, the FFT 62 shown in FIG. 15-1 performs the Fourier transform of the B band shown in FIG. 16 to generate the B signal 83. Similarly, the B signal 83 is also subjected to pixel interpolation by the interpolation memory unit 64 shown in FIG. 15-1, and the W signal 81 and the pixel position are synchronized.

・ 次に、これらのW、R、Bの信号をマトリクス変換器65でマトリクス変換を行い、RGBの映像信号が生成される。 Next, these W, R and B signals are matrix-converted by the matrix converter 65 to generate RGB video signals.

・ R信号82とB信号83の解像度は、波長帯域幅と中心波長が変わるのとサンプル数が変るため、W信号81に比べてB信号83とR信号82は約1/3となるが、人の目の解像度が同じく1/3であるため、問題は生じない。 The resolution of the R signal 82 and the B signal 83 is about 1/3 of that of the B signal 83 and the R signal 82 as compared with the W signal 81 because the wavelength bandwidth and the center wavelength change and the number of samples changes. Since the resolution of human eyes is also 1/3, there is no problem.

・ このように、波長帯域が図16に示されるように、3分の1に分割され、分割されたR 帯域とB帯域に対応した範囲のフーリエ変換を行うことで、R信号82とB信号83を生成することができる。その原理は、広帯域光源は、R、G、Bと赤外を含めて、波長帯域を分割した複数の光源の線形和から成り立っていると考えることができ、照明、反射、参照光との干渉、分光、フーリエ変換の各信号処理のすべてが、線形処理であるため、線形な系における重ね合わせの原理から、受光ラインディテクタ67の出力のRやBの帯域に相当する部分の時系列信号を抜き出して、フーリエ変換を行うことで、RやBの単独光源を用いてOCI処理を行ったのと同じ画像が得られることになる。同様な考え方で、図16の参照符号84に示したマルチスペクトルMS1〜MSnや固有スペクトルEU1〜EUnについても、それぞれの帯域の範囲を抜き出してフーリエ変換を行うことで、それぞれのスペクトル軸における画像を得ることができる。 In this way, as shown in FIG. 16, the wavelength band is divided into ⅓, and the Fourier transform of the range corresponding to the divided R band and B band is performed to obtain the R signal 82 and the B signal. 83 can be generated. The principle can be considered that a broadband light source is composed of a linear sum of multiple light sources that divide the wavelength band, including R, G, B, and infrared light, and interferes with illumination, reflection, and reference light. , All of the signal processing of the spectrum and Fourier transform are linear processing, the time series signal of the part corresponding to the R or B band of the output of the light receiving line detector 67 is calculated from the principle of superposition in the linear system. By extracting and performing the Fourier transform, the same image as that obtained by performing the OCI process using the R and B independent light sources can be obtained. With the same idea, the multi-spectrum MS1 to MSn and the eigen spectra EU1 to EUn shown by reference numeral 84 in FIG. 16 are extracted by performing the Fourier transform by extracting the range of each band, and thereby the image on each spectrum axis is obtained. Obtainable.

次に、マルチスペクトル解析の手順と実施例について説明する。癌と正常組織とか、血管と表層粘膜のように2つの組織を識別する例を用いて説明する。   Next, a procedure and an example of multispectral analysis will be described. An example of identifying two tissues such as cancer and normal tissue or blood vessels and superficial mucosa will be described.

・ 最初に、2つの組織の識別に最適なスペクトル成分軸を、可視光帯から遠赤外領域までの広い帯域の中から多変量解析によって見つけるために、図6-1、6-2の広帯域光源21および波長掃引光源31は、可視光帯から遠赤外領域までをカバーできる広帯域光源が用意される。広い帯域を分割し、それに対応した複数の光源、または、複数の波長掃引光源を用意して、それらの出力を光カップラーなどによって合成して広帯域光源を実現してもよい。または、ライン走査ごとに上記の光源を切り換えて照明を行ってもよい。 ・ First, in order to find the optimum spectral component axis for distinguishing two tissues from the wide band from the visible light band to the far infrared region by multivariate analysis, the widebands in Figs. 6-1 and 6-2 are used. As the light source 21 and the wavelength swept light source 31, a broadband light source capable of covering the visible light band to the far infrared region is prepared. A wide band may be realized by dividing a wide band, preparing a plurality of light sources corresponding to it, or preparing a plurality of wavelength swept light sources, and combining their outputs by an optical coupler or the like. Alternatively, illumination may be performed by switching the above light source for each line scanning.

・ このとき、図3−1〜3−3の光ファイバー11は、可視光から遠赤外までの広い帯域の光を通すために、多結晶型ファイバーなどの広帯域の光ファイバーが使用される。または、波長帯域を分割してそれぞれの帯域に対応した複数のファイバーを俵積みにして使用してもよい。その際は、回転走査によって起きる画像の位置ずれを、複数のラインメモリと画素補間によって補正する。 At this time, as the optical fiber 11 in FIGS. 3-1 to 3-3, a broadband optical fiber such as a polycrystalline fiber is used in order to pass light in a wide band from visible light to far infrared. Alternatively, the wavelength band may be divided and a plurality of fibers corresponding to the respective bands may be stacked and used. In that case, the positional deviation of the image caused by the rotational scanning is corrected by a plurality of line memories and pixel interpolation.

・ また、図15-1の受光ラインディテクタ67を可視光から遠赤外までの広い波長帯域に対応させるために、図15-2(a)に示すように、その波長帯域を多板分光プリズム91で分割し、その分割した帯域を分光器92、93、94で分光した後に、それぞれの帯域に最適な感度を持つ受光ラインディテクタ95、96、97の出力に適切な係数k1、k2、k3を乗じて合成してもよい。分割した帯域に対応した波長掃引光源を用意できれば、図15-2(a)の分光器92、93、94とラインディテクタ95、96、97は不要になり、分割したそれぞれの波長帯域に感度を持つ受光ディテクタを複数用意して、その出力に適切な係数k1、k2、k3を乗じて合成してもよい。 Also, in order to make the light-receiving line detector 67 of FIG. 15-1 correspond to a wide wavelength band from visible light to far infrared, as shown in FIG. 15-2 (a), the wavelength band is a multi-plate spectral prism. Divide by 91 and split the divided band by spectroscopes 92, 93, 94, and then use the appropriate coefficients k1, k2, k3 for the output of the photo detectors 95, 96, 97 that have the optimum sensitivity for each band. You may multiply by and synthesize | combine. If a wavelength swept light source corresponding to the divided bands can be prepared, the spectroscopes 92, 93, 94 and line detectors 95, 96, 97 shown in Fig. 15-2 (a) are unnecessary, and sensitivity is set for each divided wavelength band. It is also possible to prepare a plurality of light receiving detectors that have the same and multiply their outputs by appropriate coefficients k1, k2 and k3 to synthesize them.

分割帯域を合成するための倍率調整と感度の補正は、受光ラインディテクタ95、96、97の出力に合わせて、図15-2(b)に示すように、時系列に変化する係数k1、k2、k3を図15-1のコントロール部71内のメモリから読み出し、乗算器98、99、100によって乗じ、加算器301によって加算することで合成および補正を行う。係数k1、k2、k3の値には、照明の分光特性やラインディテクタの受光特性についての補正値が含まれている。これらの値を常時測定、もしくは事前に測定し、k1、k2、k3の値に反映させる。図15-2(b)中において、参照符号601はCMOSラインディテクタ、603はInGaAsラインディテクタ、605はボロメータラインディテクタ、607は合成後の帯域、609は可視光から遠赤外線領域、611は中赤外線領域、613は遠赤外線領域を示す。   Magnification adjustment and sensitivity correction to combine the divided bands are performed in accordance with the outputs of the photodetection line detectors 95, 96, and 97, as shown in Fig. 15-2 (b). , K3 are read from the memory in the control unit 71 of FIG. 15-1, multiplied by multipliers 98, 99 and 100, and added by an adder 301 to perform synthesis and correction. The values of the coefficients k1, k2, and k3 include correction values for the spectral characteristic of illumination and the light receiving characteristic of the line detector. These values are constantly measured or measured in advance and reflected in the values of k1, k2, and k3. In FIG. 15-2 (b), reference numeral 601 is a CMOS line detector, 603 is an InGaAs line detector, 605 is a bolometer line detector, 607 is a synthesized band, 609 is a visible to far infrared region, and 611 is a mid infrared ray. A region 613 indicates a far infrared region.

・ 多変量解析用のマルチスペクトルデータMS1〜MSn(図16の参照符号84)を取得するには、先ず、モニタに表示されたRGB画像上で取得する部位をマウスなどの入力手段で指定する。指定領域に対応したラインごとのゲート信号76(図15-1参照。)をパーソナルコンピュータによって生成し、コントロール部71に送り、記憶させる。次に、受光ラインディテクタ67の出力であるマルチスペクトルMS1〜MSn84を、図15-1のFFT68 によって、ライン画像に変換してメモリ部69に記憶させる。そして、そのライン画像からコントロール部71 から送られてくるゲート信号76に従って、目的部位についてのマルチスペクトルMS1〜MSn84の画像を抜き出す。 In order to acquire the multispectral data MS1 to MSn (reference numeral 84 in FIG. 16) for multivariate analysis, first, the site to be acquired on the RGB image displayed on the monitor is designated by an input means such as a mouse. A gate signal 76 (see FIG. 15-1) for each line corresponding to the designated area is generated by a personal computer, sent to the control unit 71, and stored therein. Next, the multi-spectrum MS1 to MSn84 output from the light receiving line detector 67 is converted into a line image by the FFT 68 of FIG. 15-1 and stored in the memory unit 69. Then, according to the gate signal 76 sent from the control unit 71 from the line image, images of the multi-spectrum MS1 to MSn84 of the target portion are extracted.

・ 次に、データフォーマット作成部70において、確定診断(病理検査などによる)と整合した癌と正常組織を示すタグ、癌の種類、悪性度、進行度などを示すタグ、照明の分光特性のデータなど前処理に必要な情報を、マルチスペクトルMS1〜MSn84の画像に添付して蓄積する。正常組織についても同様な手順を行う。このように、癌と正常部のマルチスペクトルMS1〜MSn84のデータを、症例ごとに出来るだけ数多く取得して蓄積する。 Next, in the data format creation unit 70, a tag indicating cancer and normal tissue, which is consistent with a definitive diagnosis (by pathological examination, etc.), a tag indicating the type of cancer, malignancy, progression, etc., and data on the spectral characteristics of illumination. Information necessary for preprocessing is attached to the images of multispectral MS1 to MSn84 and stored. Follow the same procedure for normal tissue. In this way, as many data of multispectral MS1 to MSn84 of cancer and normal part as possible are acquired and accumulated for each case.

・ マルチスペクトル解析おいて、スペクトルの分解能とスペクトル画像の解像度は、トレードオフの関係になる。本発明の撮像方式に限らず、如何なる検出方法においても、完像時間を含めてトレードオフの関係が成り立つ。マルチスペクトルの解析を、テクスチャーの強調や輪郭の見極めに応用するのであれば、スペクトル画像の解像度に重きを置き、物質特定の精度に重きを置くのであれば、スペクトルの分解能、ようするに取得するマルチスペクトルの数を増やすことになる。このように、応用目的に応じてマルチスペクトルMS1〜MSnの数と中心波長と各帯域幅を適宜設定する。 -In multispectral analysis, there is a trade-off between the spectral resolution and the spectral image resolution. Not only the image pickup method of the present invention but also any detection method, a trade-off relationship including the complete image time is established. If you apply multispectral analysis to texture enhancement or contour identification, put emphasis on the resolution of the spectral image, and if you place emphasis on the accuracy of substance identification, the spectral resolution. Will increase the number of. In this way, the number of multispectrals MS1 to MSn, the center wavelength, and each bandwidth are appropriately set according to the application purpose.

多変量解析に使用するマルチスペクトルMS1〜MSnは、帯域幅がなるべく細かく分割されていたほうが良いので、スペクトルの分解能に重きを置くことになるが、画像から目的部位を指定して抜き出すためには、スペクトル画像の解像度がある程度必要になるので、応用目的に応じて設定のバランスをとる。   The multispectral MS1 to MSn used for the multivariate analysis should have the bandwidth divided into as many pieces as possible, so the resolution of the spectrum should be emphasized, but in order to specify and extract the target site from the image, Since some resolution of the spectrum image is required, balance the settings according to the application purpose.

・ 次に上記によって検出し、蓄積した癌と正常細胞のマルチスペクトルMS1〜MSn84の大量データを、図15-1に記載のないオフラインの外部コンピュータに送り、照明の分光特性や装置の感度、スペクトルの平均輝度などの必要な正規化を行なう。正規化の前処理は、クラスタの分散を抑えて識別精度を上げるために重要である。 ・ Next, send a large amount of multispectral data MS1 to MSn84 of cancer and normal cells detected and accumulated by the above to an off-line external computer (not shown in Fig. 15-1) to measure the spectral characteristics of the illumination, the sensitivity of the device, and the spectrum. Perform necessary normalization such as the average brightness of. The preprocessing of normalization is important to suppress the cluster variance and improve the identification accuracy.

・ 次に、正規化を行なったデータを使用して多変量解析を行なう。マルチスペクトル成分を多次元直交軸とした空間に、癌と正常細胞のスペクトルを表示すると、例えば、図17に示すように、癌と正常細胞のスペクトル成分の座標は、2つのクラスタで表される。照明の分光特性や装置の感度などが前処理によって正規化されていれば、クラスタの分散は、主に重畳されているレイリー散乱の不安定さによって生じることになる。その2つのクラスタを切り分けて識別できるように、それぞれのクラスタの分散が最も小さく、クラスタ間の距離が最も大きくなる(フィッシャー・レシオが最も大きくなる)射影空間を直交変換によって求める。図17中、参照符号361は癌のクラスタ、362は正常組織のクラスタと、363は癌のクラスタの射影、364は正常組織のクラスタ群の射影、ZはAIによる非線形な切り分けを示す。 -Next, multivariate analysis is performed using the normalized data. When the spectra of cancer and normal cells are displayed in a space having multispectral components as multidimensional orthogonal axes, for example, as shown in FIG. 17, the coordinates of the spectrum components of cancer and normal cells are represented by two clusters. . If the spectral characteristics of the illumination, the sensitivity of the device, etc. are normalized by the preprocessing, the cluster dispersion will be caused mainly by the instability of the superimposed Rayleigh scattering. In order to distinguish the two clusters from each other, the projection space having the smallest variance and the largest distance between the clusters (the largest Fisher ratio) is obtained by orthogonal transformation. In FIG. 17, reference numeral 361 denotes a cancer cluster, 362 denotes a normal tissue cluster, 363 denotes a cancer cluster projection, 364 denotes a normal tissue cluster group projection, and Z denotes a non-linear division by AI.

例えば、FS(Foley-Sammon)変換によって射影空間を求めると、フィッシャー・レシオの大きい順に射影軸(固有ベクトル)が算出される。その上位軸への射影や上位軸を組み合わせた平面への射影結果をみて、2つのクラスタを分離して認識できるかどうかの把握を行い、寄与率の大きい上位軸EU1〜EUnを選別する。経験上、EU1〜EUnの数は、応用目的によらず、多くても5〜6以下に絞ることができる。   For example, when the projective space is obtained by the FS (Foley-Sammon) transformation, the projective axes (eigenvectors) are calculated in descending order of Fisher ratio. By looking at the projection on the upper axis and the projection result on the plane combining the upper axes, it is grasped whether or not the two clusters can be separated and recognized, and the upper axes EU1 to EUn having a large contribution rate are selected. From experience, the number of EU1 to EUn can be limited to 5 to 6 or less at most, regardless of the application purpose.

・ 次に、2つのクラスタをEU1〜EUnの軸に射影し直した大量のデータを使用してコンピュータ上のAI(図15-1のAI75と同じ構成)に、クラスタを識別するための教師あり学習を行わせる。AIは、Deep Learning方式による学習が可能な多階層ニューラルネットワークで構成されている。そして、そこで得た知識データ(ニューロンの係数)を図15-1のAI75のメモリに送って記憶させる。そして、識別の精度向上(ローカルミニマムの排除)とAI75の規模(層数)削減のために、識別目的ごとに学習が行われ、その知識データ(ニューロンの係数)は、コントロール部71からの切換信号77によって、識別目的ごとに切り替えられて使用される。 -Next, using a large amount of data that re-projects two clusters on the axes EU1 to EUn, the AI on the computer (same configuration as AI75 in Figure 15-1) has a teacher to identify the clusters. Let them learn. AI is composed of a multi-layered neural network capable of learning by the Deep Learning method. Then, the knowledge data (neuron coefficient) obtained there is sent to the memory of the AI75 in FIG. 15-1 and stored therein. Then, to improve the accuracy of identification (elimination of local minimum) and reduce the scale (number of layers) of AI75, learning is performed for each identification purpose, and the knowledge data (neuron coefficient) is switched from the control unit 71. The signal 77 is used by being switched for each identification purpose.

・ 併せて、EU1〜EUnの基底ベクトル成分を、外部コンピュータからコントロール部71に送り、乗算器73-1〜73-nの係数72-1〜72-nとして、コントロール部71内のメモリに記憶させる。そして、同様の手順を経て、識別目的に対応した係数72-1〜72-nをコントロール部71内のメモリに記憶させる。係数72-1〜72-nの値には、照明光の分光特性のモニタリングなどが常時行われていて、その補正値が含まれている。 At the same time, the base vector components of EU1 to EUn are sent from the external computer to the control unit 71 and stored in the memory of the control unit 71 as the coefficients 72-1 to 72-n of the multipliers 73-1 to 73-n. Let Then, through the same procedure, the coefficients 72-1 to 72-n corresponding to the identification purpose are stored in the memory in the control unit 71. The values of the coefficients 72-1 to 72-n are constantly monitored for the spectral characteristics of the illumination light and the correction values thereof are included.

・ そして、受光ラインディテクタ67の出力である時系列になったスペクトル成分に合わせて、係数72-1〜72-nをコントロール部71のメモリから読み出し、乗算器73-1〜73-nによって乗じることで、反射スペクトルをEU1〜EUnの軸に射影したスペクトル成分を時系列に発生することができる。その時系列信号をFFT 74-1〜74-nによってフーリエ変換を行うことで、EU1〜EUnについての画像信号をそれぞれ得ることができる。このEU1〜EUnの画像に、癌と正常細胞を識別しやすい疑似カラーを割りあて、表示することで、診断の支援を行ってもよい。 Then, the coefficients 72-1 to 72-n are read from the memory of the control unit 71 in accordance with the time-series spectral components that are the output of the light receiving line detector 67, and are multiplied by the multipliers 73-1 to 73-n. As a result, it is possible to generate a spectrum component in which the reflection spectrum is projected on the axes EU1 to EUn in time series. Image signals for EU1 to EUn can be obtained by performing Fourier transform on the time-series signals using FFTs 74-1 to 74-n. Diagnosis support may be provided by assigning a pseudo color that is easy to distinguish between cancer and normal cells to the image of EU1 to EUn and displaying the image.

・ または、以上に述べた手順を経て、EU1〜EUnの画像信号を学習済みのAI75に入力し、癌と正常細胞の識別を、画素レベルにて、リアルタイムに実施することが可能になる。そして、AI75で識別した出力信号の発火度に応じて、癌の部分のRGB画像の色相を変えて識別結果を表現したり、癌の輪郭を表示したりするなど、視覚的に識別能力が高い表現へ変換することで効率の良い診断支援を行ってもよい。識別に最適なスペクトル空間に射影したにも拘らず、2つのクラスタが一部重なってしまう場合でも、例えば、AI75の発火度に応じて色相を変えて表現したりすると、色相変化の密度の濃い部分が癌の中心部位の可能性が高いことを観察者は一目で判断することができる。 -Or, through the procedure described above, it becomes possible to input the image signals of EU1 to EUn to the learned AI75 and perform the discrimination between cancer and normal cells in real time at the pixel level. Depending on the degree of firing of the output signal identified by AI75, the hue of the RGB image of the cancer part is changed to express the identification result, the contour of the cancer is displayed, and the like, and the visual identification ability is high. Efficient diagnosis support may be provided by converting the expression. Even if the two clusters partially overlap with each other even though they are projected in the optimal spectral space for discrimination, for example, if the hue is changed according to the firing degree of AI75, the hue change density is high. The observer can judge at a glance that the part is likely to be the central part of the cancer.

・ 以上に、癌と正常組織のように2つのクラスタの識別について、スペクトル解析を述べたが、複数のクラスタをAIで一括して識別(等級判別)することも可能である。ただし、多変量解析による特徴軸の絞り込みが複雑化するのと、AIを含めたハードウエアの規模が大きくなる。 -As described above, the spectrum analysis is described for the identification of two clusters such as cancer and normal tissue, but it is also possible to collectively identify (classify) a plurality of clusters by AI. However, narrowing down the feature axis by multivariate analysis becomes complicated, and the scale of hardware including AI becomes large.

そこで、図18の1.に示すように、先ず、検出したスペクトル成分を使用して、画像の領域ごとに正常か癌かの2つのクラスタの識別を行い(スクリーニングを行い)、次に、癌の判定が出た部位について、図18の2.に示すように、2つのクラスタの識別の組合せから癌の種類や悪性度の判定を行い、次に、図18の3.に示すように、2つのクラスタの識別の組合せから進行度合いを判定するというように、2つのクラスタを組み合わせによる識別を順次行なうことで、複数のクラスタの識別が可能にすることができる。識別を順次行なう際に、概に記憶してあるEU1〜EUnに対応する係数66-1〜66-nをコントロール部71から読みだして使用することで、図15-1、15-2の実施例に示した簡素なシステムによって、複数のクラスタの識別が時間の犠牲が少ないまま可能になる。   Therefore, as shown in 1 of Fig. 18, first, using the detected spectral components, two clusters of normal and cancer are discriminated (screening) for each region of the image, and then the cancer is detected. For the region where the determination is made, as shown in 2. of FIG. 18, the type of cancer and the grade of malignancy are determined from the combination of identification of two clusters, and then, as shown in 3. of FIG. It is possible to identify a plurality of clusters by sequentially performing the identification by the combination of the two clusters, such as determining the progress degree from the combination of the identifications of the two clusters. When the identifications are sequentially performed, the coefficients 66-1 to 66-n corresponding to EU1 to EUn, which are roughly stored, are read from the control unit 71 and used. The simple system shown in the example allows multiple clusters to be identified with little time penalty.

次に、実際に医療に活用されているスペクトル診断の例に、本発明の撮像方式を適用したときのスペクトル画像の解像度について、数値的な検証を述べる。   Next, numerical verification of the resolution of a spectral image when the imaging method of the present invention is applied to an example of spectral diagnosis that is actually used in medical care will be described.

・ 例えば、内視鏡のNBI(Narrow Band Imaging)診断の場合、表層粘膜と血管のクラスタを切り分ける有効なスペクトルとして、415nmと540nmの狭帯域のスペクトルが使用されている。FS変換によって、この2つの狭帯域のスペクトルが識別に最適な固有軸を表す帯域として抽出されたとして、本発明の撮像方式によってこのスペクトル画像を検出した場合の解像度を、中心波長λcを415nmと520nmとし、波長帯域幅Δλをそれぞれ40nmとして、フーリエ変換を行って求めると、2.4μmとなり、前述した実施例の検証の際に設定した10μmと比べて解像度的に十分であることが分かる。 -For example, in the case of NBI (Narrow Band Imaging) diagnosis of an endoscope, a narrow band spectrum of 415 nm and 540 nm is used as an effective spectrum for separating clusters of superficial mucosa and blood vessels. By the FS conversion, it is assumed that these two narrow band spectra are extracted as a band representing the proper eigen axis for discrimination, and the resolution when the spectrum image is detected by the imaging method of the present invention, the central wavelength λc is 415 nm. The wavelength band width Δλ is 520 nm, the wavelength bandwidth Δλ is 40 nm, and the Fourier transform is performed to obtain 2.4 μm, which is sufficient in resolution as compared with 10 μm set in the verification of the above-described embodiment.

・ また、正常粘膜に多く存在するコラーゲンなどの物質が450〜500nmの光を吸収して500〜550nmの自家蛍光を発するが、組織が乱れている癌組織はその吸収と蛍光が起きない。この吸収スペクトルの違いを検出して癌を診断する方法がある。いま、FS変換によると、中心波長λcを475nm、波長帯域幅Δλを50nmのスペクトル成分が識別に最適となり、本発明の撮像方式で、そのスペクトル画像を検出すると、ライン方向の解像度は2.8μmとなり、このスペクトル診断においても解像度的に問題がないことが分かる。 -Also, substances such as collagen, which are often present in normal mucous membranes, absorb light of 450 to 500 nm and emit autofluorescence of 500 to 550 nm, but absorption and fluorescence do not occur in cancer tissue with disordered tissues. There is a method of diagnosing cancer by detecting this difference in absorption spectrum. Now, according to the FS conversion, a spectral component having a central wavelength λc of 475 nm and a wavelength bandwidth Δλ of 50 nm is optimal for identification, and when the spectral image is detected by the imaging method of the present invention, the resolution in the line direction becomes 2.8 μm. It can be seen that there is no problem in resolution even in this spectrum diagnosis.

・ また、安定性とSNが高い染色のスペクトル成分について、多変量解析により、効果的なスペクトル成分を抽出して擬似カラー表示することで、より鮮明な染色効果を出すことができる。それにより、ICGのような弱毒性の試薬の使用量を削減することもできる。ICGの場合は、700〜780nmに吸収の大きい帯域があり、FS変換によると、中心波長λcを740nm、波長帯域幅Δλを80nmのスペクトル成分が識別に最適となるため、そのときのライン方向の解像度を計算すると4.3μmとなり、これについても解像度的に問題がないことが分かる。 -For a spectral component of dyeing with high stability and SN, a more vivid dyeing effect can be obtained by extracting the effective spectral component by multivariate analysis and displaying it in pseudo color. As a result, the amount of a weakly toxic reagent such as ICG used can be reduced. In the case of ICG, there is a large absorption band at 700 to 780 nm.According to FS conversion, the spectrum component with the center wavelength λc of 740 nm and the wavelength band width Δλ of 80 nm is optimal for identification, so the line direction at that time is When the resolution is calculated, it becomes 4.3 μm, which shows that there is no problem in resolution.

5.ラマンスペクトル解析の実施例
次に、本発明の内視鏡装置を応用したラマンスペクトル解析の実施例を説明する。
5. Example of Raman spectrum analysis Next, an example of Raman spectrum analysis to which the endoscope apparatus of the present invention is applied will be described.

・ ラマンスペクトルは、図19(a)に示すように、励起光の波長によらず励起光の波長から一定の波数だけシフト(ストークスシフト)したところに、被検体の分子構造に対応したスペクトルが出現する。5-2.項で述べたように、ラマン分光は、波数シフトを利用して背景光となる励起光の散乱を光学フィルタで除去できるため、赤外分光と並んで物質を特定するうえで安定した分光法であって、in vivoの反射方式に向いている。 ・ As shown in Fig. 19 (a), the Raman spectrum shows a spectrum corresponding to the molecular structure of the analyte when the wavelength of the excitation light is shifted by a certain wave number (Stokes shift) regardless of the wavelength of the excitation light. Appear. As described in Section 5-2., Raman spectroscopy is stable in identifying substances in parallel with infrared spectroscopy, because the scattering of the excitation light that becomes the background light can be removed by using the wave number shift with an optical filter. This spectroscopic method is suitable for in vivo reflection method.

・ ラマン分光の課題は、励起光の強度に対して10−6とラマン分光の強度が小さいことである。ところが、被検体を金などの金属薄膜に接して励起光を当てると、SERS(Surface Enhanced Raman Scattering)効果によって、ラマンスペクトルの放出が大きく増幅される。SERS効果は、金属粒子をナノメーターレベルの大きさと粗さで分布させた金属薄膜に光を当てると、金属粒子間の最も近い先端部に光の電場が集中し、大変強力な電場の振動が起き、表面プラズモン(LSP:Localized Surface Plasmon)が局在的に発生する。その金属粒子に被検体が接すると、光の電場に共鳴して被検体との間で電子相互移動が起き、その際に、被検体からラマンスペクトルの強い増幅放出が起きる。薄膜の粒子の形状と励起光の波長にもよるが、自然放出に対して10〜10程度の増幅が可能になる。金属薄膜と粒子には、電気抵抗(エネルギーロス)の少ない金や銀が共鳴振動を起こしやすく使用される。 ・ The problem of Raman spectroscopy is that the intensity of Raman spectroscopy is as small as 10 -6 with respect to the intensity of excitation light. However, when the subject is brought into contact with a metal thin film such as gold and irradiated with excitation light, the emission of Raman spectrum is greatly amplified by the SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) effect. The SERS effect is that when light is applied to a metal thin film in which metal particles are distributed with a size and roughness of nanometer level, the electric field of light is concentrated at the closest tips between the metal particles, and a very strong vibration of the electric field occurs. Wake up and localized surface plasmons (LSP) occur locally. When the subject contacts the metal particles, the electrons resonate with the electric field of light to cause mutual electron transfer with the subject, and at that time, strong amplified emission of Raman spectrum occurs from the subject. Depending on the shape of the particles in the thin film and the wavelength of the excitation light, amplification of about 10 4 to 10 6 is possible for spontaneous emission. For the metal thin film and the particles, gold or silver, which has low electric resistance (energy loss), is used because it easily causes resonance vibration.

・ 3-7.項で説明した接触型の細径内視鏡にSERSを応用したときの実施例を、以下に説明する。図12-1に示すように、細径内視鏡の透明カバー57の外側に、金の薄膜がコーティングされている。この金薄膜の被写体に接する面には、SERS効果が強く出るように、適切な大きさと配列を以って金の微粒子がコーティングされている。金の薄膜が形成される透明カバーは、耐久性や感染防止のために交換できるようになっている。この金薄膜は可視光に対して透明になるような粒子配列がなされている。 • An example of applying SERS to the contact-type small-diameter endoscope described in Section 3-7 will be described below. As shown in FIG. 12-1, a gold thin film is coated on the outside of the transparent cover 57 of the small-diameter endoscope. The surface of the gold thin film in contact with the subject is coated with gold fine particles with an appropriate size and arrangement so that the SERS effect is strongly exerted. The transparent cover on which the gold thin film is formed can be replaced for durability and infection prevention. The gold thin film has a grain arrangement that makes it transparent to visible light.

・ 図20-1に示すように、照明光源は、RGB画像を得るための可視光帯のRGB光源101と、ラマン光励起のための狭帯域光源(ラマン励起光源)102が使用される。狭帯域光源102は、生体からの自発蛍光(背景光になる)が少なく、RGB画像と分離して処理できる近赤外光が使用される。 As shown in FIG. 20-1, as an illumination light source, an RGB light source 101 in the visible light band for obtaining an RGB image and a narrow band light source (Raman excitation light source) 102 for Raman light excitation are used. The narrow-band light source 102 uses near-infrared light which emits less spontaneous fluorescence (becomes background light) from a living body and can be processed separately from an RGB image.

・ ラマン光励起にレーザー光源でなく狭帯域光源を使用する理由を次に述べる。励起光がレーザーのように単色光に近くなるとラマンスペクトルは輝線スペクトルに近づき、物質特定の精度が上がる。励起光に帯域幅を持たせると、ラマンスペクトルの線幅は、励起光の波数帯域との畳み込みになるため線幅が広くなる。その結果、スペクトルの分解能、ようするに物質特定の精度が落ちるが、逆にラマンスペクトル自体の帯域が増えるので、スペクトル画像としての解像度が上がる。識別する2つの物質の輝線スペクトルの間が離れていれば、励起光の帯域幅を適宜増やすことでラマンスペクトルの画像の解像度を上げることができる。ラマンスペクトルの解析結果を、テクスチャーの強調や輪郭抽出のために使用する場合は、スペクトル画像の解像度に重きを置き、物質特定の精度を重視する場合は、スペクトルの分解能に重きを置くというように、目的に応じて励起光の帯域幅を適宜設定する。 ・ The reason for using a narrow band light source instead of a laser light source for Raman excitation is described below. When the excitation light is close to monochromatic light like a laser, the Raman spectrum approaches the emission line spectrum, and the accuracy of identifying the substance is improved. When the pumping light has a bandwidth, the Raman spectrum line width becomes wide because it is convolved with the wavenumber band of the pumping light. As a result, the resolution of the spectrum, that is, the accuracy of identifying the substance is reduced, but the band of the Raman spectrum itself is increased, so that the resolution of the spectrum image is increased. If the emission line spectra of the two substances to be distinguished are separated from each other, the resolution of the Raman spectrum image can be increased by appropriately increasing the bandwidth of the excitation light. When the Raman spectrum analysis results are used for texture enhancement or contour extraction, the resolution of the spectral image is emphasized, and when the accuracy of substance identification is important, the resolution of the spectrum is emphasized. The bandwidth of the excitation light is set appropriately according to the purpose.

・ いま、中心波長を780nmで帯域幅4nmの狭帯域光源を使用してラマンスペクトルの励起を行ったとき、スペクトルの分解能はレーザー光源を使用した場合の分解能に比べて1/4程度となるが、スペクトルの総合の帯域幅が平均16nm程度になり、ラマン光の画像の解像度は、平均17μm程度になる。3-7.項の実施例に当てはめてみると、HDのRGB画像に対し、ラマンスペクトル画像は、88万画素で、XGA(Extended Graphics Array)の解像度を上回る画像が得られる。 ・ Now, when Raman spectrum excitation is performed using a narrow-band light source with a central wavelength of 780 nm and a bandwidth of 4 nm, the resolution of the spectrum is about 1/4 of the resolution when using a laser light source. The average bandwidth of the spectrum is about 16 nm, and the image resolution of Raman light is about 17 μm on average. When applied to the example in the section 3-7., The Raman spectrum image has 880,000 pixels, which is higher than the resolution of XGA (Extended Graphics Array) for the RGB image of HD.

・ 次に、ラマン分光用のOCI処理について説明する。図20-1に示すように、RGB光源101の照明光は、分岐カプラ103によって分岐され、サーキュレータ104と合波カプラ105に入力される。合波カプラ105によって、RGB画像用の照明光とラマンスペクトル用の励起光が合成され、サーキュレータ106を経て、図3で示した光ファイバー11へ供給がなされる。 -Next, the OCI process for Raman spectroscopy will be described. As shown in FIG. 20-1, the illumination light of the RGB light source 101 is split by the split coupler 103 and input to the circulator 104 and the multiplexing coupler 105. The multiplexing coupler 105 combines the illumination light for the RGB image and the excitation light for the Raman spectrum, and supplies it to the optical fiber 11 shown in FIG. 3 via the circulator 106.

・ 被写体からの反射光は、光ファイバー11からサーキュレータ106を経て、分波カプラ107によって可視光とラマンスペクトルに分けられ、可視光の信号は干渉カプラ108に入力され、ラマン光の信号は干渉カプラ109に入力される。 The reflected light from the subject passes through the optical fiber 11 and the circulator 106, and is split into visible light and Raman spectrum by the demultiplexing coupler 107, the visible light signal is input to the interference coupler 108, and the Raman light signal is input to the interference coupler 109. Entered in.

・ 干渉カプラ108に入力された可視光は、RGB用参照光110との干渉がなされ、RGB通過フィルタ111によってラマン光の励起光が除去された後、図20-2のグレーティング分光器120に入力され、その後4-5.項で述べたのと同じ処理が施され、RGB画像が検出される。 The visible light input to the interference coupler 108 interferes with the RGB reference light 110, the Raman light excitation light is removed by the RGB pass filter 111, and then the visible light is input to the grating spectrometer 120 of FIG. 20-2. Then, the same processing as described in Section 4-5. Is performed and the RGB image is detected.

・ 一方、干渉カプラ109に入力されたラマン光は、反射板112からのラマン参照光113と干渉がなされ、ラマン光通過フィルタ114によって励起光が除去された後、図20-2に示すグレーティング分光器122に入力される。ここで、ラマンスペクトルは励起光から一定波数だけシフトしているため、ラマンスペクトル画像を得るOCI処理において励起光を参照光として使うことができない。そこで、反射板112には、透明カバーの金薄膜と同じ金薄膜115がコーティングされていて、更にその上に被検体と同じラマンスペクトルを発する物質116がコーティングされている。この物質116に励起光を当てることで、SERS(表面増強ラマン散乱)効果によってラマン参照光113を発生させる。反射板112は、特定する物質に応じて入れ替えて設定することができるようになっている。 On the other hand, the Raman light input to the interference coupler 109 interferes with the Raman reference light 113 from the reflection plate 112, the excitation light is removed by the Raman light passing filter 114, and then the grating spectrum shown in FIG. 20-2. Input to the container 122. Here, since the Raman spectrum is shifted from the excitation light by a constant wave number, the excitation light cannot be used as the reference light in the OCI process for obtaining the Raman spectrum image. Therefore, the reflector 112 is coated with the same gold thin film 115 as the gold thin film of the transparent cover, and is further coated with the substance 116 that emits the same Raman spectrum as the subject. By applying excitation light to this substance 116, Raman reference light 113 is generated by the SERS (surface enhanced Raman scattering) effect. The reflecting plate 112 can be set by exchanging it according to a specified substance.

・ 図20-2に示すように、受光ラインディテクタ123によって電気信号に変換された後、4-5.項で述べたマルチスペクトルの解析と同じく、時系列になったラマンスペクトルの信号に合わせて、ラマンスペクトル用の係数124-1〜124-nをコントロール部125内のメモリから時系列に読み出し、乗算器125-1〜125-nによって乗じることで、ラマンスペクトル用のEU1〜EUn軸に射影した時系列信号が生成される。その時系列信号をFFT 126-1〜126-nによってフーリエ変換することで、EU1〜EUnに射影したときのラマンスペクトルの画像がそれぞれ得られる。 ・ As shown in Fig. 20-2, after being converted into an electric signal by the photodetector line detector 123, it is adjusted to the time-series Raman spectrum signal as in the multispectral analysis described in Section 4-5. , Coefficients 124-1 to 124-n for the Raman spectrum are read out in time series from the memory in the control unit 125 and are multiplied by the multipliers 125-1 to 125-n to project on the EU1 to EUn axes for the Raman spectrum. The generated time series signal is generated. By Fourier transforming the time series signals by FFT 126-1 to 126-n, Raman spectrum images when projected onto EU1 to EUn can be obtained.

・ ちなみに、ラマンスペクトルは、分光のデータベースが揃っていて、2つの物質を識別するためのEU1〜EUnを、多変量解析にて算出することが比較的容易である。 -By the way, Raman spectra have a database of spectra, and it is relatively easy to calculate EU1 to EUn for distinguishing two substances by multivariate analysis.

・ 以上に述べた手順を経て、EU1〜EUnの画像信号を学習済みのAI 127に入力することで、二つの物質の識別を、画素レベルでリアルタイムに実施することが可能になる。
その他の処理は、4-5.項のマルチスペクトルの解析処理と同じなので説明を省略する。
By inputting the image signals of EU1 to EUn to the already learned AI 127 through the procedure described above, it becomes possible to identify two substances in real time at the pixel level.
Other processes are the same as the multispectral analysis process in section 4-5.

・ SERS効果の安定性を確保するには、金属薄膜上の粒子の大きさと配列を均一に揃えなくてはならない。ナノテクノロジーの進歩で向上してきているが、まだ万全とはいえない。このような製造上のゆらぎ(クラスタの分散が大きくなる)を、前述したマルチスペクトル解析と同様に、多変量解析とAIの識別を組合せることで抑えることができる。 -To ensure the stability of the SERS effect, the size and arrangement of the particles on the metal thin film must be uniform. Although improvements have been made due to advances in nanotechnology, they are not yet perfect. Such manufacturing fluctuations (larger cluster variance) can be suppressed by combining multivariate analysis and AI discrimination, as in the above-described multispectral analysis.

・ 次に、ラマンスペクトルの物質特定の精度と画像の解像度の両方が得られる実施例を説明する。図20-1のラマン励起光源102に波長掃引光源を使用する。いま、生体の透過率が高い780〜820nmの波長掃引69を行うと、波数シフトが最も小さい生体物質のラマンスペクトルは、図19(b)に示すように、863〜910nmの掃引68がなされて放出される。この波長帯域におけるラマンスペクトルの画像の解像度は平均11μとなる。他の生体物質のラマンスペクトルは、これよりも波数の多い長波長側にシフトするため、ラマン光通過フィルタ114で励起光を取り除くことができる。 Next, an example will be described in which both the substance identification accuracy of the Raman spectrum and the image resolution are obtained. A wavelength swept light source is used as the Raman pumping light source 102 in FIG. 20-1. Now, when the wavelength sweep 69 of 780 to 820 nm, which has a high biological transmittance, is performed, the Raman spectrum of the biological material having the smallest wavenumber shift is swept 68 of 863 to 910 nm as shown in FIG. 19 (b). Is released. The Raman spectrum image resolution in this wavelength band is 11 μm on average. Since the Raman spectra of other biological substances shift to the longer wavelength side where the wave number is larger than this, the excitation light can be removed by the Raman light passing filter 114.

・ ラマン参照光113と干渉がなされたラマン光は、ラマン光通過フィルタ114で励起光が除去された後、図20-3に示すように、音響光学チューナブルフィルタや液晶チューナブルフィルタなどで構成される帯域可変バンドパスフィルタ(可変BPF)131-1〜131-nによって、掃引されたラマンスペクトルが各々分別される。 The Raman light that has interfered with the Raman reference light 113 is composed of an acousto-optic tunable filter, a liquid crystal tunable filter, etc. after the excitation light is removed by the Raman light passing filter 114, as shown in Fig. 20-3. The swept Raman spectra are separated by the band variable band pass filters (variable BPF) 131-1 to 131-n.

その後、受光ディテクタ132-1〜132-nによって電気信号に変換され、FFT133-1〜133-nによって画像信号に変換された後、マトリクス変換部134によって、EU1〜EUnの軸に射影した画像信号に変換される。マトリクス変換用の係数(n×n個)136は、図20-2のコントロール部125内のメモリから特定する物質に対応したものが読み出され、マトリクス変換部134内のメモリに設定され使用される。そして、マトリクス変換がなされたEU1〜EUnの画像は、RGB画像との同期と画素の補間が、複数の補間メモリ135-1〜135-nによって行われる。以上に述べた手順を経て、EU1〜EUnの画像信号を学習済みのAI 137に入力することで、二つの物質の識別を、画素レベルでリアルタイムに実施することが可能になる。その他の処理は、4-5.項のマルチスペクトルの解析処理と同じなので説明を省略する。   After that, the photodetectors 132-1 to 132-n convert the signals into electric signals, the FFTs 133-1 to 133-n convert the signals into image signals, and then the matrix conversion unit 134 projects the image signals projected onto the axes EU1 to EUn. Is converted to. As the coefficient (n × n) 136 for matrix conversion, the one corresponding to the specified substance is read from the memory in the control unit 125 of FIG. 20-2 and set in the memory in the matrix conversion unit 134 to be used. It Then, the matrix-converted EU1 to EUn images are synchronized with the RGB image and the pixels are interpolated by a plurality of interpolation memories 135-1 to 135-n. By inputting the image signals of EU1 to EUn to the learned AI 137 through the procedure described above, it is possible to identify two substances in real time at the pixel level. Other processes are the same as the multispectral analysis process in section 4-5.

6. 蛍光誘導放出によるマルチスペクトル解析
・ 次に、誘導放出光を使用して蛍光色素の蛍光を誘導放出させ、そのときに起きる強い吸収スペクトルを活用して、物質特定を行なう実施例について説明する。生体に注入した蛍光色素やプローブに励起光を当てると蛍光の自然放出が起きるが、これに強い誘導光を加えると、誘導光に位相と波長が合った蛍光が強く放出され、その分、励起光において強い吸収が起きる。励起光にはレイリー散乱が含まれるが、吸収によるスペクトル成分が大きいため、物質を特定するうえで安定性とSNが高くなる。
6. Multispectral Analysis by Stimulated Fluorescence Emission ・ Next, we will explain an example in which stimulated emission of fluorescent dye is used by using stimulated emission light, and the strong absorption spectrum that occurs at that time is utilized to identify the substance. . When excitation light is applied to the fluorescent dye or probe injected into the living body, spontaneous emission of fluorescence occurs, but when strong induced light is added to this, fluorescence with a phase and wavelength that matches the induced light is strongly emitted, and that much excitation occurs. Strong absorption of light occurs. The excitation light includes Rayleigh scattering, but the spectral component due to absorption is large, and therefore stability and SN are high in identifying a substance.

・ 図21に示すように、RGB光源141と蛍光励起光源142の励起光は合波カプラ143によって合成された後、分岐カプラ144によって分岐され、一方はサーキュレータ145を経て、反射板146によって参照光147が得られる。もう一方は、合波カプラ148によって蛍光誘導放出光源157と合成され、サーキュレータ149を経て、図3の光ファイバー11に供給される。RGB光源141と蛍光励起光源142を分けてあるのは、RGB用の照明光とは別に、蛍光励起用と蛍光誘導放出用の光の強度と帯域を調整するためである。 As shown in FIG. 21, the excitation lights of the RGB light source 141 and the fluorescence excitation light source 142 are combined by the multiplexing coupler 143 and then branched by the branching coupler 144, one of which passes through the circulator 145 and the reference light by the reflecting plate 146. 147 is obtained. The other side is combined with the fluorescence stimulated emission light source 157 by the multiplexing coupler 148, and is supplied to the optical fiber 11 of FIG. 3 via the circulator 149. The RGB light source 141 and the fluorescence excitation light source 142 are separated for the purpose of adjusting the intensity and band of light for fluorescence excitation and fluorescence stimulated emission separately from the illumination light for RGB.

・ 光ファイバー11(図3-1参照。)で受光した生体からの反射光は、干渉カプラ150(図21参照。)によって参照光147と干渉がなされ、蛍光除去フィルタ151によって蛍光が除去され、図15-1のグレーティング分光器66に入力される。 The reflected light from the living body received by the optical fiber 11 (see FIG. 3-1) interferes with the reference light 147 by the interference coupler 150 (see FIG. 21), and the fluorescence is removed by the fluorescence removal filter 151. It is input to the grating spectroscope 66 of 15-1.

・ 蛍光の誘導放出によって増幅された吸収スペクトルを検出する処理は、4-5.項のマルチスペクトルの解析処理と同じなので説明を省略する。 -The process for detecting the absorption spectrum amplified by the stimulated emission of fluorescence is the same as the multispectral analysis process in section 4-5.

7. 本発明のその他の適用例
以上に、消化器系内視鏡と腹腔鏡への適用について述べたが、本発明の内視鏡装置は、1mm以下の高精細な細径内視鏡を実現することができるため、様々なスコープへの適用が可能である。以下にその例を示し、その一部について説明を行なう。
7. Other Application Examples of the Present Invention Above, the application to the digestive system endoscope and the laparoscope was described, but the endoscope apparatus of the present invention is a high-definition small-diameter endoscope of 1 mm or less. Since it can be realized, it can be applied to various scopes. An example will be shown below, and a part thereof will be described.

(ア) 血管内スコープ
図22-1と22-2に、血管内壁の観察と断層像の観察を同時に行なう例を示す。
・ OCIによる血管内壁の観察175は可視光帯を使用し、OCTによる断層像の観察177は近赤外帯を使用する。ミラー161は、使用する波長帯域を分離するダイクロイックミラーである。近赤外帯域を含めたマルチスペクトル解析を行う際は、ミラー161に液晶ミラーなどを使用して、照明光を切り換えて、マルチスペクトル解析を実施する。図22-1、図22-2、図22-3中、参照符号171は血管、173はプラークを示す。
(A) Intravascular scope Figures 22-1 and 22-2 show examples of simultaneously observing the inner wall of a blood vessel and observing a tomographic image.
The observation 175 of the inner wall of the blood vessel by OCI uses the visible light band, and the observation 177 of the tomographic image by OCT uses the near infrared band. The mirror 161 is a dichroic mirror that separates wavelength bands to be used. When performing multispectral analysis including the near infrared band, a liquid crystal mirror or the like is used as the mirror 161, and the illumination light is switched to perform multispectral analysis. 22-1, 22-2, and 22-3, reference numeral 171 indicates a blood vessel, and 173 indicates a plaque.

・ 前方視が必要な場合は、図22-3に示すように、光ファイバー211を2段にして、その受光信号の位相差を検出することにより、図22-3に示した照明光の波面162上の位置163を検出し、CG画像合成と同様の手法にて前方視の画像を生成することができる。OCI画像の3D表示も可能になる。位相差の検出は、2つのファイバーの出力光を干渉させて干渉縞の周波数から検出しても良いし、2つのファイバーの受光信号から生成した画像のブロック相関を行なうことで検出してもよい。相関を行なう場合、斜め照明で生じる影により精度を上げることができる。2つの光ファイバー211で受光した信号は、2つの光ロータリージョイントを介してスコープ外に取り出される。 When forward vision is required, the wavefront 162 of the illumination light shown in FIG. 22-3 is obtained by forming the optical fiber 211 in two stages and detecting the phase difference of the received light signal as shown in FIG. 22-3. By detecting the upper position 163, a front-view image can be generated by a method similar to CG image composition. 3D display of OCI images is also possible. The phase difference may be detected by causing the output light of the two fibers to interfere with each other and detecting it from the frequency of the interference fringes, or by performing block correlation of the image generated from the light reception signals of the two fibers. . When the correlation is performed, the accuracy can be improved by the shadow generated by the oblique illumination. The signals received by the two optical fibers 211 are taken out of the scope through the two optical rotary joints.

(イ) 穿刺針用スコープ
・ 図23に、細胞診を行うスコープの例を示す。穿刺針(本実施例では透明穿刺針401)の内径は0.5〜1mm程度であるため、これに挿入するスコープの径は、製造上問題はない。細胞検査用スコープ403等の回転走査機構は穿刺針の手元のハブ内に設置される。穿刺針の一部を透明部材にして穿刺針の強度を保ってもよいが、プラスチック製の透明な穿刺針が市販されており、全周を撮像範囲にするときは、透明な穿刺針を使用する。穿刺針の被写体に接する撮像面には、SERS効果が出るように、適切な大きさと配列を以って金の微粒子がコーティングされていてもよい。また、図22に示すように、断層像を得るために、OCTを併用できるようにしてもよい。なお、図23中、参照符号405は検出ライン、407は患部を示す。
(A) Scope for puncture needle Fig. 23 shows an example of a scope for cytodiagnosis. Since the inner diameter of the puncture needle (the transparent puncture needle 401 in this embodiment) is about 0.5 to 1 mm, the diameter of the scope to be inserted therein has no problem in manufacturing. The rotary scanning mechanism such as the cytology scope 403 is installed in the hub near the puncture needle. The strength of the puncture needle may be maintained by using a part of the puncture needle as a transparent member, but a transparent puncture needle made of plastic is commercially available, and a transparent puncture needle is used when the entire circumference is set as the imaging range. To do. The imaging surface of the puncture needle, which is in contact with the subject, may be coated with fine gold particles having an appropriate size and arrangement so that the SERS effect can be obtained. Further, as shown in FIG. 22, OCT may be used together to obtain a tomographic image. In FIG. 23, reference numeral 405 indicates a detection line and 407 indicates an affected area.

・ 以上に説明した細径スコープや穿刺針用スコープは、以下に例示するように、経皮による血管スコープや関節スコープなど、複数の細径スコープに応用できるものである。 The thin scope and the puncture needle scope described above can be applied to a plurality of thin scopes such as a percutaneous blood vessel scope and a joint scope, as illustrated below.

(ウ)気管支スコープ、(エ)関節スコープ、(オ)顎間接スコープ、
(カ)脊髄スコープ、(キ)脳室スコープ、
(ク)嗅裂部・鼻咽腔・副鼻腔入口部スコープ、(ケ) 中耳スコープ、
(コ)耳道スコープ、(サ)眼内スコープ、(シ)涙道スコープ、
(ス)膀胱・尿道スコープ、(セ)腎盂スコープ(経皮的)、(ソ)乳管スコープ、
(タ)クルドスコープ、(チ)ヒステロスコープ、(ツ)胸腔スコープ、
(テ)縦隔スコープ、(ト)胆道・膵管用子スコープ(上部消化管スコープ経由)、
(ナ)手術ロボット用の小型・高精細先端カメラ
(C) Bronchial scope, (D) Joint scope, (E) Indirect jaw scope,
(F) Spinal cord scope, (K) Ventricle scope,
(H) olfactory cleft, nasopharynx, sinus entrance scope, (K) middle ear scope,
(Ko) ear canal scope, (sa) intraocular scope, (shi) lacrimal duct scope,
(Su) Bladder / urethra scope, (S) Renal pelvic scope (percutaneous), (So) Breast duct scope,
(T) Kurd scope, (H) hysteroscope, (T) chest cavity scope,
(TE) Mediastinal scope, (TO) Biliary / pancreatic duct child scope (via upper gastrointestinal scope),
(D) Compact, high-definition advanced camera for surgical robots

1 光ファイバー; 4 ライン; 8 走査機構;
11 光ファイバー; 12 光学系; 13 ミラー;
15 ライン; 16 走査機構; 17 反射点; 18 回転走査軸;
21 広帯域光源; 22 分岐カプラ; 23,26 サーキュレータ;
24 反射板; 27 干渉カプラ; 28 グレーティング分光器;
29 受光ラインディテクタ; 31 波長掃引光源; 32,33 分岐カプラ;
34 受光ディテクタ; 41,42 ブロック; 43 次元相関器;
44 ラインメモリ; 45,46 補間回路; 51 端面; 52 光学系;
53 ミラー; 55 ライン; 56 撮像部; 57 透明カバー;
63,64 補間メモリ部; 65 マトリクス変換器;
66 グレーティング分光器; 67 受光ラインディテクタ; 69 メモリ部;
70 データフォーマット作成部; 71 コントロール部 73 乗算器;
76 ゲート信号; 77 切換信号; 80 可視光帯域; 81 W信号;
82 R信号; 83 B信号; 85 近赤外領域; 91 多板分光プリズム;
92,93,94 分光器
100 乗算器; 101 光源; 301 加算器; 102 ラマン励起光源;
103 分岐カプラ; 104 サーキュレータ; 105 合波カプラ;
106 サーキュレー; 107 分波カプラ; 108,109 干渉カプラ;
111 通過フィルタ; 112 反射板; 113 ラマン参照光113;
114 ラマン光通過フィルタ; 115 金薄膜; 116 参照用サンプル
120,122 グレーティング分光器
123 受光ラインディテクタ; 125 コントロール部;
125-1〜125-n 乗算器; 131 ミラー; 132 受光ディテクタ;
134 マトリクス変換部; 135 補間メモリ; 141 光源;
142 蛍光励起光源; 143 合波カプラ; 144 分岐カプラ;
145,149 サーキュレータ; 146 反射板; 147 参照光;
148 合波カプラ; 150 干渉カプラ; 151 蛍光除去フィルタ;
157 蛍光誘導放出光源; 161 ミラー; 162 波面;
211 光ファイバー;
401 透明穿刺針; 403 細胞検査用スコープ;
551 フレームメモリ; 521 自由曲面プリズム; 523 レンズ
1 optical fiber; 4 lines; 8 scanning mechanism;
11 optical fiber; 12 optical system; 13 mirror;
15 lines; 16 scanning mechanism; 17 reflection points; 18 rotation scanning axis;
21 Broadband light source; 22 Branch coupler; 23, 26 Circulator;
24 Reflector; 27 Interference coupler; 28 Grating spectrometer;
29 Light receiving line detector; 31 Wavelength swept light source; 32, 33 Branch coupler;
34 Photodetector; 41, 42 block; 43-dimensional correlator;
44 line memory; 45,46 interpolation circuit; 51 end face; 52 optical system;
53 mirrors; 55 lines; 56 imaging unit; 57 transparent cover;
63,64 Interpolation memory block; 65 Matrix converter;
66 Grating spectrometer; 67 Light receiving line detector; 69 Memory section;
70 Data format creation unit; 71 Control unit 73 Multiplier;
76 gate signal; 77 switching signal; 80 visible light band; 81 W signal;
82 R signal; 83 B signal; 85 near infrared region; 91 multi-plate spectral prism;
92, 93, 94 spectrometer
100 Multiplier; 101 Light Source; 301 Adder; 102 Raman Excitation Light Source;
103 Branch coupler; 104 Circulator; 105 Multiplex coupler;
106 Circular; 107 Demultiplexing coupler; 108,109 Interfering coupler;
111 Pass filter; 112 Reflector; 113 Raman reference beam 113;
114 Raman light pass filter; 115 Gold thin film; 116 Reference sample
120,122 Grating spectrometer
123 Light receiving line detector; 125 Control section;
125-1 to 125-n Multiplier; 131 Mirror; 132 Photodetector;
134 matrix converter; 135 interpolation memory; 141 light source;
142 Fluorescence excitation light source; 143 Multiplexing coupler; 144 Branching coupler;
145,149 Circulator; 146 Reflector; 147 Reference light;
148 Multiplexing coupler; 150 Interference coupler; 151 Fluorescence elimination filter;
157 Fluorescence stimulated emission light source; 161 Mirror; 162 Wavefront;
211 optical fiber;
401 transparent puncture needle; 403 cell test scope;
551 Frame memory; 521 Free-form surface prism; 523 Lens

Claims (21)

光源から供給される光を出射し、被写体から戻る反射光を受光する光ファイバーと、
前記光ファイバーから出射される光から、前記被写体上で線状に集光される集光線を有する照明光を生成するシリンドリカル面を有する光学系であって、前記シリンドリカル面により生成される前記照明光は、前記集光線の長手方向におけるどの集光位置においても同一の波長帯域を有し、前記光ファイバーの一端面から前記集光位置までの光路長は、前記集光線の長手方向における一端部から遠くなるにつれ、漸次長くなる前記光学系と、
前記集光線に交差する走査方向に前記照明光を走査する走査機構と、を備えることを特徴とする内視鏡装置。
An optical fiber that emits the light supplied from the light source and receives the reflected light that returns from the subject,
An optical system having a cylindrical surface for generating, from the light emitted from the optical fiber, illumination light having a condensing line that is linearly condensed on the subject, and the illumination light generated by the cylindrical surface is , Has the same wavelength band at any condensing position in the longitudinal direction of the condensing line, and the optical path length from the one end face of the optical fiber to the condensing position is far from one end in the longitudinal direction of the condensing line. As described above, the optical system gradually becomes longer ,
An endoscope apparatus comprising: a scanning mechanism that scans the illumination light in a scanning direction that intersects the condensing line.
前記走査方向は、前記集光線に直交することを特徴とする請求項1に記載の内視鏡装置。 The endoscope apparatus according to claim 1, wherein the scanning direction is orthogonal to the condensing line . 前記光源は、広帯域光又は広帯域の波長掃引光を生成することを特徴とする請求項1又は2に記載の内視鏡装置。 The endoscope apparatus according to claim 1 or 2 , wherein the light source generates broadband light or broadband wavelength swept light. 前記光源が、前記被写体を蛍光させるための励起光を生成することを特徴とする請求項に記載の内視鏡装置。 The endoscopic device according to claim 3 , wherein the light source generates excitation light for causing the subject to fluoresce. 前記光学系は、前記光路長が漸次長くなるにつれ、焦点距離が長くなる前記シリンドリカル面であって、前記照明光が前記集光線上で一定に収束するように、前記焦点距離が長くなるにつれ、開口が大きくなる前記シリンドリカル面を有することを特徴とする請求項1〜の何れか一項に記載の内視鏡装置。 The optical system is the cylindrical surface where the focal length becomes longer as the optical path length gradually becomes longer, so that the illumination light converges constantly on the converging line, as the focal length becomes longer, opening endoscope apparatus according to any one of claims 1-4, characterized in that it has a larger said cylindrical surface. 前記光源が、前記被写体からラマン散乱光を発生させるための励起光を生成することを特徴とする請求項1〜の何れか一項に記載の内視鏡装置。 Said light source, the endoscope apparatus according to any one of claim 1 to 5, characterized in that to generate the excitation light for generating a Raman scattered light from the object. 前記光源が、前記被写体を蛍光させるための誘導放出光を生成することを特徴とする請求項1〜の何れか一項に記載の内視鏡装置。 It said light source, the endoscope apparatus according to any one of claim 1 to 6, characterized in that to produce a stimulated emission light for fluorescence the subject. 前記光ファイバーにより受光される前記反射光に対し参照光を干渉させる干渉カプラと、前記参照光を生成するための反射板と、を備えることを特徴とする請求項1〜の何れか一項に記載の内視鏡装置。 And interference coupler to interfere with reference light to said reflected light received by the optical fiber, to any one of claim 1 to 7, characterized in that it comprises a reflecting plate for generating the reference light The endoscopic device described. 前記反射板は、ラマン散乱光による参照光を生成することを特徴とする請求項に記載の内視鏡装置。 The endoscope apparatus according to claim 8 , wherein the reflector plate generates reference light by Raman scattered light. 前記光ファイバーにより受光される前記反射光に関し、前記参照光を干渉させて、所定の波長帯域成分を取り出し、フーリエ変換を行い、所定の波長帯域成分における画像を生成することを特徴とする請求項8又は9に記載の内視鏡装置。 Relates to the aforementioned reflected light received by the optical fiber, by interfering the reference light, taking out a predetermined wavelength band component, performs Fourier transform, claim 8, characterized in that to generate an image at a predetermined wavelength band component Or the endoscope apparatus according to 9 . 前記光ファイバーにより受光される前記反射光に関し、前記参照光を干渉させて、3原色に対応した波長帯域成分を取り出し、フーリエ変換を行い、3原色の画像信号を生成し、前記3原色の画像信号に基づき、RGB画像信号を生成する手段と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の内視鏡装置。 With respect to the reflected light received by the optical fiber, the reference light is interfered to extract a wavelength band component corresponding to the three primary colors, Fourier transform is performed, and an image signal of the three primary colors is generated. the endoscope apparatus according to basis, claim 1 0, characterized in that it comprises means for generating a RGB image signal, to the. 前記3原色の画像信号の輝度信号成分は、近赤外領域を含む波長帯域の信号をフーリエ変換し得られることを特徴とする請求項1に記載の内視鏡装置。 Luminance signal component of the image signal of the three primary colors, the endoscope apparatus according to claim 1 1, characterized in that it is obtained by Fourier transform of the signal in the wavelength band including the near-infrared region. クラスタが既知の被写体の反射スペクトルからフィッシャー・レシオが大きい順に複数のスペクトル成分を算出し、前記スペクトル成分を用い、クラスタが未知の被写体の反射スペクトルから識別を行う識別手段を備えることを特徴とする請求項1〜1の何れか一項に記載の内視鏡装置。 A plurality of spectral components are calculated from the reflection spectrum of a subject whose cluster is known in descending order of Fisher ratio, and the cluster is provided with a discriminating means for discriminating from the reflection spectrum of an unknown subject. The endoscope apparatus according to any one of claims 1 to 12 . 前記識別手段は、ディープラーニングを実行するAIを用いることを特徴とする請求項1に記載の内視鏡装置。 It said identification means, the endoscope apparatus according to claim 1, wherein the use of AI to perform a deep learning. 前フレームの画像と現フレームの画像との相関を取ることにより、前記現フレームの画像のブレ量が検出され、前記現フレームの画像が補正されることを特徴とする請求項1〜1の何れか一項に記載の内視鏡装置。 By correlating the image of the image and the current frame the previous frame, the detected blur amount of the image of the current frame, according to claim 1 to 1 4 in which the image of the current frame is characterized in that it is corrected The endoscope apparatus according to any one of claims. 前記照明光による前記被写体からの反射光から得られる画像信号に関し、前記走査方向に隣り合う前記画像信号の差分を取得し累積することにより、前記被写体の動きのある部分の画像が描出されることを特徴とする請求項1〜1の何れか一項に記載の内視鏡装置。 With respect to an image signal obtained from the reflected light from the subject due to the illumination light, a difference between the image signals adjacent in the scanning direction is acquired and accumulated, whereby an image of a moving part of the subject is drawn. The endoscope apparatus according to any one of claims 1 to 15 , characterized in that. 前記反射光は、前記光学系を介し前記光ファイバーに受光されることを特徴とする請求項1〜1の何れか一項に記載の内視鏡装置。 The endoscope apparatus according to any one of claims 1 to 16 , wherein the reflected light is received by the optical fiber via the optical system. 前記光学系により、前記照明光は直線状に集光されることを特徴とする請求項1〜1の何れか一項に記載の内視鏡装置。 Wherein the optical system, the illumination light endoscope apparatus according to any one of claims 1 to 1 7, characterized in that it is focused linearly. 前記光ファイバーから出射される光から、近赤外光を分光し前記被写体の断層像を生成するための第2の光学系を備えることを特徴とする請求項1〜18の何れか一項に記載の内視鏡装置。 From light emitted from the optical fiber, according to any one of claim 1 to 18, further comprising a second optical system for producing a tomographic image of the subject to spectroscopic near-infrared light Endoscopic device. 広帯域光を生成する光源から供給される光を出射し、被写体から戻る反射光を受光する光ファイバーと、
前記光ファイバーから出射される光から、前記被写体上で線状に集光される集光線を有する照明光を生成する自由曲面形状のシリンドリカル面を有する光学系であって、前記シリンドリカル面により生成される前記照明光は、前記集光線の長手方向におけるどの集光位置においても同一の波長帯域で収束し、前記光ファイバーの一端面から前記集光位置までの光路長は、前記集光線の長手方向における一端部から遠くなるにつれ、漸次長くなる前記光学系と、
前記集光線の前記反射光に参照光を干渉させる干渉カプラと、
前記干渉カプラの出力光を波長成分に分光し、分光した波長帯域に渡って、前記参照光と前記反射光の光路長の差に比例した周波数の干渉縞を発生させる分光器と、
前記干渉縞を電気信号へ変換する受光ラインディテクターと、
前記受光ラインディテクターにより変換される前記干渉縞の電気信号をフーリエ変換し、前記干渉縞の周波数成分ごとの振幅を算出し、前記被写体の一次元方向の画像を検出するフーリエ変換回路と、
前記フーリエ変換回路により前記一次元方向の画像の検出を繰り返しながら、前記集光線に交差する走査方向に前記照明光を走査し、二次元方向の画像を生成する走査機構と、を備えることを特徴とする内視鏡装置。
An optical fiber that emits light supplied from a light source that generates broadband light and receives reflected light that returns from the subject,
An optical system having a free-form curved cylindrical surface for generating illumination light having a condensing line linearly condensed on the object from the light emitted from the optical fiber, the optical system being generated by the cylindrical surface. The illumination light converges in the same wavelength band at any condensing position in the longitudinal direction of the condensing line, and the optical path length from one end face of the optical fiber to the condensing position is one end in the longitudinal direction of the condensing line. The optical system that gradually becomes longer as it gets farther from the section ,
An interference coupler for interfering a reference light with the reflected light of the condensing line,
A spectroscope that disperses the output light of the interference coupler into wavelength components, and generates an interference fringe having a frequency proportional to the difference in the optical path lengths of the reference light and the reflected light over the dispersed wavelength band.
A light receiving line detector for converting the interference fringes into an electric signal,
Fourier transforming the electric signal of the interference fringes converted by the light receiving line detector, calculating the amplitude of each frequency component of the interference fringes, and detecting the one-dimensional image of the subject Fourier transform circuit,
A scanning mechanism that scans the illumination light in a scanning direction intersecting the condensing line while repeatedly detecting the image in the one-dimensional direction by the Fourier transform circuit to generate a two-dimensional image. Endoscope device.
広帯域の波長掃引光を生成する光源から供給される光を出射し、被写体から戻る反射光を受光する光ファイバーと、
前記光ファイバーから出射される光から、前記被写体上で線状に集光される集光線を有する照明光を生成する自由曲面形状のシリンドリカル面を有する光学系であって、前記シリンドリカル面により生成される前記照明光は、前記集光線の長手方向におけるどの集光位置においても同一の波長帯域で収束し、前記光ファイバーの一端面から前記集光位置までの光路長は、前記集光線の長手方向における一端部から遠くなるにつれ、漸次長くなる前記光学系と、
前記集光線の前記反射光に参照光を干渉させることで、前記参照光と前記反射光との光路長の差に比例した周波数の干渉縞を発生させる干渉カプラと、
前記干渉縞を電気信号へ変換する受光ディテクターと、
前記受光ディテクターにより変換される前記干渉縞の電気信号をフーリエ変換し、前記干渉縞の周波数成分ごとの振幅を算出し、前記被写体の一次元方向の画像を検出するフーリエ変換回路と、
前記フーリエ変換回路により前記一次元方向の画像の検出を繰り返しながら、前記集光線に交差する走査方向に前記照明光を走査し、二次元方向の画像を生成する走査機構と、を備えることを特徴とする内視鏡装置。
An optical fiber that emits light supplied from a light source that generates a broadband wavelength swept light and receives reflected light that returns from the subject,
An optical system having a free-form curved cylindrical surface for generating illumination light having a condensing line linearly condensed on the object from the light emitted from the optical fiber, the optical system being generated by the cylindrical surface. The illumination light converges in the same wavelength band at any condensing position in the longitudinal direction of the condensing line, and the optical path length from one end face of the optical fiber to the condensing position is one end in the longitudinal direction of the condensing line. The optical system that gradually becomes longer as it gets farther from the section ,
By interfering reference light with the reflected light of the condensing line, an interference coupler that generates an interference fringe having a frequency proportional to the difference in optical path length between the reference light and the reflected light,
A photodetector for converting the interference fringes into an electric signal,
Fourier transforming the electric signal of the interference fringes converted by the light receiving detector, calculating the amplitude of each frequency component of the interference fringes, and detecting the one-dimensional image of the subject Fourier transform circuit,
A scanning mechanism that scans the illumination light in a scanning direction intersecting the condensing line while repeatedly detecting the image in the one-dimensional direction by the Fourier transform circuit to generate a two-dimensional image. Endoscope device.
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