JP6738465B2 - 内視鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、内視鏡システムに係り、特にレーザ光を用いて被検体を計測する内視鏡システムに関する。

内視鏡等の計測装置の分野では、レーザ光を用いて被検体までの距離を計測したり、被検体の形状情報を算出したりすることが行われている。例えば特許文献１では、レーザ光をスポット状の計測光として被観察物体に照射し、被観察物体上でそのスポット光がどの点に位置するかを測定し、この測定結果と予め測定しておいた基準値とを比較することで、被観察物体の２次元情報あるいは３次元情報を算出する計測用内視鏡装置が記載されている。

また特許文献２には、格子状のマスクパターンを用いてステレオ計測を行う内視鏡システムが記載されている。この技術では、レーザ光をガイドするレーザガイドの先端に、レーザで格子パターンを照射する投影手段としてのマスク手段を設け、計測対象に格子パターンをレーザで照射する。そしてこの格子パターンを左右画像のマッチングに使用してステレオ計測を行う。

さらに、特許文献３には、被検物に明暗パターンが投影された縞画像を用いて被検物の計測を行う内視鏡装置が記載されている。

特許３８５３９５４号公報 特許４３５８４９４号公報 特開２０１２−２３９８３４号公報

特許文献１に記載の技術で被観察物体の形状情報を算出するには、被観察物体上でのスポット光の大きさを正確に知る必要がある。しかしながら、被観察物体までの距離が変化したり、被観察物体の表面状態や撮像系の露出条件が変化したりするとスポット光の大きさが異なって観測されてしまうため、このような条件の変化によらずに正確な測定を行うことは困難であった。

また特許文献２に記載の技術では、マスクとレーザガイドとの間にコリメータレンズが存在しないため、マスクを透過し発散したレーザ光でマスクパターンが投影される。したがって被検体までの距離が遠くなるほどマスクパターンが暗く投影されることになり、距離によってマスクパターンの輝度が大きく変化してしまうため、距離によらずに正確な測定を行うことは困難であった。また特許文献３に記載の技術では、マスクパターンをレンズで投影するためレンズの被写界深度内にしかマスクが結像しない。被写界深度を深くするにはレンズのＦ値を大きくする必要があり、このため高輝度な照明光源が必要となる。

このように、従来の技術では被検体までの距離や露光条件によらずに正確な計測を行うことが困難であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、被検体までの距離や露光条件が変化しても正確な計測を行うことができる計測装置、内視鏡システム、及び計測方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る計測装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、出射されたレーザ光を平行な光束にして出射するコリメータと、コリメータが出射した光束から複数のスポット光を生成する回折格子と、複数のスポット光により被検体に形成される複数の回折スポットの画像を撮像素子を介して取得する撮像部と、取得した画像に基づいて、撮像素子の結像面における複数の回折スポットの間隔を測定する測定部と、測定した複数の回折スポットの間隔に基づいて被検体までの距離を算出する算出部と、を備える。

第１の態様によれば、コリメータから出射された平行な光束から、回折格子により複数のスポット光が形成されるので、被検体までの距離によってスポット光の大きさが変わることがない。また複数の回折スポットの間隔を測定するので、露光条件の変化に起因してスポット光の大きさが変化しても、回折スポット同士の間隔を測定することで測定精度を維持できる。このように第１の態様に係る計測装置では、被検体までの距離や露光条件が変化しても正確な計測を行うことができる。

第２の態様に係る計測装置は第１の態様において、算出部は、あらかじめ記憶された、結像面における複数の回折スポットの間隔と被検体までの距離との関係に基づいて被検体までの距離を算出する。第２の態様は、複数の回折スポットの間隔から被検体までの距離を算出する手法の一態様を規定するものである。

第３の態様に係る計測装置は第２の態様において、あらかじめ記憶された関係は結像面における複数の回折スポットの像高に応じて異なる。複数の回折スポットの画像を取得する場合、撮像レンズの画角等によっては結像面における回折スポットの像高（撮像面の中心からの距離）によって回折スポットの間隔が変化するが、第３の態様では、このような場合でも正確な計測を行うことができる。

第４の態様に係る計測装置は第３の態様において、あらかじめ記憶された関係においては、複数の回折スポットの像高が高いほど、結像面における複数の回折スポットの同一の間隔に対応する被検体までの距離が長い。第４の態様は、結像面における回折スポットの間隔（撮像素子の画素数に対応）と被検体までの距離との関係が回折スポットの像高に応じてどのように異なるのか、についての一態様を規定するものである。

第５の態様に係る計測装置は第１から第４の態様のいずれか１つにおいて、回折格子は、複数のスポット光として２次元方向に周期を持った複数のスポット光を生成する回折格子である。第５の態様によれば、２次元方向に周期を持った複数のスポット光が生成されるので、異なる方向について計測を行うためにスポット光の方向を変化させる必要がなく、迅速かつ容易に計測を行うことができる。なお第５の態様では、２次元方向に周期を持った複数のスポット光を生成するのに単一の回折格子を用いるようにしてもよいし、複数の回折格子を組み合わせるようにしてもよい。

第６の態様に係る計測装置は第１から第５の態様のいずれか１つにおいて、撮像素子は２次元配列された複数の受光素子からなる複数の画素と、複数の画素上に配設された複数のフィルタ色のカラーフィルタと、を備えるカラー撮像素子であり、測定部は、複数のフィルタ色のうちレーザ光の波長に対する感度が最も高いフィルタ色のカラーフィルタが配設された画素の画像信号により生成される画像に基づいて複数の回折スポットの間隔を測定する。第６の態様によれば、カラーフィルタの複数のフィルタ色のうちレーザ光の波長に対する感度が最も高いフィルタ色のカラーフィルタが配設された画素の画像信号により生成される画像に基づいて複数の回折スポットの間隔を測定するので、回折スポットが鮮明な画像を取得することができ、これにより正確な計測を行うことができる。

第７の態様に係る計測装置は第１から第６の態様のいずれか１つにおいて、算出部は、算出した被検体までの距離に基づいて被検体の２次元情報または３次元情報を算出する。第７の態様によれば、正確な計測の結果に基づき、被検体の２次元または３次元の形状や大きさ等の情報を正確に算出することができる。

第８の態様に係る計測装置は第１から第７の態様のいずれか１つにおいて、レーザ光をレーザ光源からコリメータまで導光する光ファイバーであって、レーザ光をシングル横モードで伝搬させる光ファイバーを備える。第８の態様によれば、光ファイバーがレーザ光をシングル横モードで伝搬させるので、径が小さく鮮明な回折スポットを形成することができ、これにより正確な計測を行うことができる。

第９の態様に係る計測装置は第１から第８の態様のいずれか１つにおいて、コリメータは、屈折率が光軸で最も高く半径方向外側に向かうにつれて減少するグレーデッドインデックス型レンズである。第９の態様によれば、コリメータがグレーデッドインデックス型レンズ（Graded Indexレンズ）なので、レーザ光を出射するモジュールを小型化（細径化）することができる。

上述した目的を達成するため、本発明の第１０の態様に係る内視鏡システムは、第１から第９の態様のいずれか１つに記載の計測装置を備える。第１０の態様に係る内視鏡システムでは、第１から第９の態様のいずれか１つに係る計測装置を備えるので、被検体までの距離や露光条件が変化しても正確な計測を行うことができる。

第１１の態様に係る内視鏡システムは第１０の態様において、被検体内に挿入される挿入部であって、先端硬質部と、先端硬質部の基端側に接続された湾曲部と、湾曲部の基端側に接続された軟性部とを有する挿入部と、挿入部の基端側に接続された操作部と、を有する内視鏡を備え、回折格子と、複数の回折スポットの光学像を撮像素子に結像させる撮像レンズと、が先端硬質部の先端側端面に設けられる。第１１の態様は、内視鏡の先端硬質部の構成の一態様を規定するものである。

第１２の態様に係る内視鏡システムは第１１の態様において、回折格子とコリメータとの接合体を備えるモジュールが先端硬質部に設けられる。第１２の態様は、回折格子とコリメータとの接合体を備えるモジュールの配置の一態様を規定するものである。

第１３の態様に係る内視鏡システムは第１２の態様において、先端硬質部で開口する鉗子口に連通する管路が挿入部に設けられており、モジュールは管路に挿抜可能に挿通される。第１３の態様によれば、鉗子口に連通する管路を利用してモジュールを挿通することができるので、装置を小型化することができる。

第１４の態様に係る内視鏡システムは第１０から第１３の態様のいずれか１つにおいて、照明光を照射する照明光源と、照明光の照度を制御する制御部と、を有し、制御部は、撮像部により複数の回折スポットの画像を取得する計測モードでは、照明光を被検体に照射して被検体を観察する通常観察モードよりも照明光の照度を下げる。回折スポットを撮像する際の照明光の照度が高すぎると、得られた画像において回折スポットが不鮮明になり計測精度に影響する場合があるが、第１３の態様では、制御部は、撮像部により複数の回折スポットを撮像する計測モードでは、照明光を被検体に照射して被検体を観察する通常観察モードよりも照明光の照度を下げるので、回折スポットが鮮明な画像を撮像することができ、これにより正確な計測を行うことができる。なお第１３の態様において、回折スポットを撮像する際に照明光の照度をどの程度下げるかは被検体の種類や大きさ、明るさ等に応じて設定してよく、必要に応じ照明光を消灯してもよい。

上述した目的を達成するため、本発明の第１５の態様に係る計測方法は、レーザ光を出射するレーザ光源と、出射されたレーザ光を平行な光束にして出射するコリメータと、コリメータが出射した光束から複数のスポット光を生成する回折格子と、を備える計測装置を用いた計測方法であって、複数のスポット光により被検体に形成される複数の回折スポットの画像を取得する撮像工程と、取得した画像に基づいて複数の回折スポットの間隔を測定する測定工程と、測定した複数の回折スポットの間隔に基づいて被検体までの距離を算出する算出工程と、を備える。第１５の態様によれば、第１の態様と同様に、被検体までの距離や露光条件が変化しても正確な計測を行うことができる。

以上説明したように、本発明の計測装置、内視鏡システム、及び計測方法によれば、被検体までの距離や露光条件が変化しても正確な計測を行うことができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る内視鏡システムの全体構成を示す図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る内視鏡システムの構成を示すブロック図である。 図３は、先端硬質部の先端側端面の構成を示す図である。 図４は、レーザモジュールの構成を示す図である。 図５は、２次元回折格子を示す図である。 図６は、レーザ光源モジュールを示す断面図である。 図７は、内視鏡の挿入部を被検体内に挿入した様子を示す図である。 図８は、２次元回折スポットを示す図である。 図９は、計測処理の流れを示すフローチャートである。 図１０は、被検体に２次元回折スポットが形成された様子を示す図である。 図１１は、波長とカラーフィルタの感度との関係を示す図である。 図１２は、回折スポットの方向及び距離を示す図である。 図１３は、本発明の第２の実施形態における１次元回折格子を示す図である。 図１４は、本発明の第２の実施形態におけるレーザモジュールを示す図である。 図１５は、本発明の第２の実施形態における１次元回折スポットを示す図である。 図１６は、本発明の第２の実施形態における被検体に１次元回折スポットが形成された様子を示す図である。 図１７は、本発明の第３の実施形態におけるレーザモジュールを示す図である。 図１８は、本発明の第３の実施形態における回折格子を示す図である。 図１９は、本発明の第３の実施形態における回折格子を示す他の図である。 図２０は、本発明の第４の実施形態におけるレーザモジュールを示す図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る計測装置、内視鏡システム、及び計測方法の実施形態について、詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る内視鏡システム１０（計測装置、内視鏡システム）を示す外観図であり、図２は内視鏡システム１０の要部構成を示すブロック図である。図１，２に示すように、内視鏡システム１０は、内視鏡本体１１０（内視鏡）、内視鏡プロセッサ２００、光源装置３００、及びモニタ４００から構成される内視鏡装置１００を含んでいる。

＜内視鏡本体の構成＞
内視鏡本体１１０は、手元操作部１０２と、この手元操作部１０２に連設される挿入部１０４とを備える。術者は手元操作部１０２を把持して操作し、挿入部１０４を被検体の体内に挿入して観察を行う。挿入部１０４は、手元操作部１０２側から順に、軟性部１１２、湾曲部１１４、先端硬質部１１６で構成されている。先端硬質部１１６には、撮像光学系１３０（撮像部）、照明部１２３、鉗子口１２６、レーザモジュール５００等が設けられる（図１〜３（ａ），４参照）。

観察や処置の際には、操作部２０８（図２参照）の操作により、照明部１２３の照明用レンズ１２３Ａ，１２３Ｂから可視光・赤外光のいずれか、または両方を照射することができる。また、操作部２０８の操作により図示せぬ送水ノズルから洗浄水が放出されて、撮像光学系１３０の撮像レンズ１３２や、照明用レンズ１２３Ａ，１２３Ｂを洗浄することができる。先端硬質部１１６で開口する鉗子口１２６には不図示の管路が連通しており、この管路に腫瘍摘出や切除のための図示せぬ処置具が挿通されて、適宜進退して被検体に必要な処置を施せるようになっている。

図１〜図３（ａ）に示すように、先端硬質部１１６の先端側端面１１６Ａには撮像レンズ１３２が配設されており、この撮像レンズ１３２の奥にＣＭＯＳ（Complementary MOS）型の撮像素子１３４（カラー撮像素子）、駆動回路１３６、ＡＦＥ（Analog Front End）１３８が配設されて、画像信号を出力するようになっている。撮像素子１３４はカラー撮像素子であり、所定のパターン配列（ベイヤー配列、ＧストライプＲ／Ｇ完全市松、Ｘ−Ｔｒａｎｓ（登録商標）配列、ハニカム配列等）でマトリクス状（２次元状）に配置された複数の受光素子により構成される複数の画素を備え、各画素はマイクロレンズ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、または青（Ｂ）のカラーフィルタ及び光電変換部（フォトダイオード等）を含んでいる。撮像光学系１３０は、赤，緑，青の３色の画素信号からカラー画像を生成することもできるし、赤，緑，青のうち任意の１色または２色の画素信号から画像を生成することもできる。

なお本実施形態では撮像素子１３４がＣＭＯＳ型の撮像素子である場合について説明するが、撮像素子１３４はＣＣＤ（Charge Coupled Device）型でもよい。

被検体の画像や回折スポット（後述）の光学像は撮像レンズ１３２により撮像素子１３４の受光面（結像面）に結像されて電気信号に変換され、不図示の信号ケーブルを介して内視鏡プロセッサ２００に出力されて映像信号に変換される。これにより、内視鏡プロセッサ２００に接続されたモニタ４００に観察画像や回折スポットの撮影画像（図１０参照）が表示される。

また、先端硬質部１１６の先端側端面１１６Ａには、撮像レンズ１３２に隣接して照明部１２３の照明用レンズ１２３Ａ（可視光用）、１２３Ｂ（赤外光用）が設けられている。照明用レンズ１２３Ａ、１２３Ｂの奥には、後述するライトガイド１７０の射出端が配設され、このライトガイド１７０が挿入部１０４、手元操作部１０２、及びユニバーサルケーブル１０６に挿通され、ライトガイド１７０の入射端がライトガイドコネクタ１０８内に配置される。

先端側端面１１６Ａには、さらにレーザモジュール５００のレーザヘッド５０６が設けられて、回折格子５１２を介して複数のスポット光が照射される。レーザモジュール５００の構成は後述する。なお本実施形態では、図３（ａ）に示すようにレーザヘッド５０６が鉗子口１２６とは別に設けられる場合について説明しているが、本発明に係る計測装置及び内視鏡システムにおいては、図３（ｂ）に示すように、先端硬質部１１６で開口する鉗子口１２６に連通する管路（不図示）にレーザヘッド５０６を挿抜可能に挿通するようにしてもよい。この場合、レーザヘッド５０６専用の管路を設ける必要がなく、鉗子口１２６に連通する管路を他の処置具と共用することができる。

＜レーザモジュールの構成＞
図２及び図４に示すように、レーザモジュール５００はレーザ光源モジュール５０２（レーザ光源）と、光ファイバー５０４と、レーザヘッド５０６（モジュール）とを備える。光ファイバー５０４はフェルール（ferrule）５０８に挿入されて接着剤で接着され、端面が研磨される。フェルール５０８の先端側にＧＲＩＮ（Graded Index）レンズ５１０（コリメータ）が装着され、ＧＲＩＮレンズ５１０の先端側に回折格子５１２が装着されて接合体を形成する。フェルール５０８は光ファイバー５０４を保持、接続するための部材であり、中心部には光ファイバー５０４を挿通するための穴が軸方向（図４の左右方向）に空けられている。フェルール５０８，ＧＲＩＮレンズ５１０，及び回折格子５１２はハウジング５０９に収納され、レーザヘッド５０６を構成する。

このように構成されたレーザモジュール５００は挿入部１０４に装着される。具体的には図２に示すように、レーザ光源モジュール５０２は手元操作部１０２部分に設けられ、レーザヘッド５０６が先端硬質部１１６に設けられて、光ファイバー５０４がレーザ光をレーザ光源モジュール５０２からレーザヘッド５０６まで導光する。なおレーザ光源モジュール５０２を光源装置３００内に設け、レーザ光を光ファイバー５０４により先端硬質部１１６まで導光するようにしてもよい。

レーザ光源モジュール５０２は、図示せぬ電源から電力が供給されて可視波長域のレーザ光を出射するＶＬＤ（Visible Laser Diode）と、ＶＬＤから出射されたレーザ光を集光する集光レンズ５０３とを備えるピグテール型モジュール（ＴＯＳＡ；Transmitter Optical Sub Assembly）である（図６参照）。レーザ光はＣＰＵ２１０の制御により必要に応じて出射することができ、スポット光の照射による距離計測や被検体の２次元、３次元情報取得を行う場合のみレーザ光を出射させることで、非出射時には通常の内視鏡と同様に使用することができる。

本実施形態において、ＶＬＤが出射するレーザ光は半導体レーザによる波長６７０ｎｍの赤色レーザ光とすることができる。ただし本発明におけるレーザ光の波長はこの態様に限定されるものではない。集光レンズ５０３で集光されたレーザ光は、光ファイバー５０４によりＧＲＩＮレンズ５１０まで導光される。この光ファイバー５０４はレーザ光をシングル横モードで伝搬させる光ファイバーであり、径が小さく鮮明な回折スポット（図８，１０参照）を形成することができるので、正確な計測を行うことができる。なお光ファイバー５０４の途中に中継コネクタを設けてもよい。

ＧＲＩＮレンズ５１０は、屈折率が光軸で最も高く半径方向外側に向かうにつれて減少する円筒型のグレーデッドインデックス型レンズ（ラジアル型）であり、光ファイバー５０４により導光されて入射したレーザ光を平行な光束にして出射するコリメータとして機
能する。ＧＲＩＮレンズ５１０から出射される光束の広がりはＧＲＩＮレンズ５１０の長さを調節することで調節でき、平行な光束のレーザ光を出射させるには（λ／４）ピッチ（λはレーザ光の波長）程度にすればよい。

ＧＲＩＮレンズ５１０の先端側には回折格子５１２が装着されている。回折格子５１２は、正面図である図５（ａ）及び側面図である図５（ｂ）に示すように突起５１２Ａが２次元方向に周期Ｐ１を持って形成されており、これにより２次元方向に周期を持った複数のスポット光が生成されて（図８，図１０参照）、図４の左側方向に照射される。スポット光の照射方向は、レーザ光の波長λと突起５１２Ａの周期Ｐ１とに依存して定まる。なお本実施形態では突起５１２Ａが水平・垂直方向に５個ずつ、計２５個が正方形の格子点に形成されており、回折スポットも水平・垂直方向に５個ずつ、計２５個が正方形の格子点に形成される場合（図８，１０参照）について説明するが、本発明において回折格子に形成される突起の数や配置はこのような態様に限定されるものではない。突起の数や配置は、想定される計測距離や被検体の大きさ、計測精度等を考慮して決めることができる。また突起の形状も、突起５１２Ａのような円形に限定されるものではなく、長方形等他の形状であってもよい。

＜光源装置の構成＞
図２に示すように、光源装置３００は、照明用の光源３１０（照明光源）、絞り３３０、集光レンズ３４０、及び光源制御部３５０（制御部）等から構成されており、照明光（可視光または赤外光）をライトガイド１７０に入射させる。光源３１０は、可視光源３１０Ａ（照明光源）及び赤外光源３１０Ｂ（照明光源）を備えており、可視光及び赤外線の一方または両方を照射可能である。可視光源３１０Ａ及び赤外光源３１０Ｂによる照明光の照度は、光源制御部３５０（制御部）により制御され、後述するように、回折スポットを撮像する際に必要に応じて照明光の照度を下げたり、照明を停止したりすることができるようになっている。

ライトガイドコネクタ１０８（図１参照）を光源装置３００に連結することで、光源装置３００から照射された照明光がライトガイド１７０を介して照明用レンズ１２３Ａ、１２３Ｂに伝送され、照明用レンズ１２３Ａ、１２３Ｂから観察範囲に照射される。

＜内視鏡プロセッサの構成＞
次に、図２に基づき内視鏡プロセッサ２００の構成を説明する。内視鏡プロセッサ２００は、内視鏡装置１００から出力される画像信号を画像入力コントローラ２０２を介して入力し、画像処理部２０４（測定部、算出部）で必要な画像処理を行ってビデオ出力部２０６を介して出力する。これによりモニタ４００に観察画像が表示される。これらの処理はＣＰＵ（Central Processing Unit；中央処理装置）２１０（測定部、算出部、制御部）の制御下で行われる。画像処理部２０４では、ホワイトバランス調整等の画像処理の他、モニタ４００に表示する画像の切替や重畳表示、電子ズーム処理、操作モードに応じた画像の表示・切替、画像信号からの特定成分（例えば輝度信号）の抽出等を行う。また画像処理部２０４では、回折スポットの間隔の測定や、測定した間隔に基づく被検体までの距離の算出、及び算出した距離に基づく被検体の２次元情報または３次元情報の算出が行われる（後述）。メモリ２１２には、ＣＰＵ２１０や画像処理部２０４が行う処理に必要な情報、例えば撮像素子１３４の結像面における複数の回折スポットの間隔と被検体までの距離（先端硬質部１１６の先端側端面１１６Ａから被検体までの距離）との関係があらかじめ記憶されている。

また、内視鏡プロセッサ２００は操作部２０８を備えている。操作部２０８は図示せぬ操作モード設定・切替スイッチや送水指示ボタン等を備えており、また可視光・赤外光の照射を操作することができる。

＜内視鏡装置による観察＞
図７は内視鏡装置１００の挿入部１０４を被検体内に挿入した状態を示す図であり、撮像光学系１３０を介して観察画像を取得する様子を示している。図７中、参照符号ＩＡは撮影範囲を示し、参照符号ｔｍは腫瘍（図７中黒色で隆起している部分）を示す。

＜被検体までの距離と回折スポットの間隔＞
図８（ａ），（ｂ）は被検体までの距離と回折スポットとの関係を示す図である。図８（ａ）は被検体までの距離が遠い場合の回折スポットＤＳ１（間隔Ｄ１）を示しており、図８（ｂ）は図８（ａ）よりも被検体までの距離が近い場合の回折スポットＤＳ１（間隔Ｄ２（＜Ｄ１））を示している。レーザヘッド５０６から照射されるスポット光は一定の角度で出射されるので、回折スポットＤＳ１の間隔はレーザヘッド５０６の端面からの距離に応じて変化する。したがって間隔を測定しこれに基づいて距離を算出することができる。

本実施形態ではコリメータ（ＧＲＩＮレンズ５１０）から出射される平行光から回折格子（回折格子５１２）によりスポット光を生成するので、光回折の原理により回折格子の１つの突起に対応するスポット光は一定の角度で出射され、光の広がりが小さい。このため被検体までの距離が変化しても回折スポットＤＳ１の大きさはほとんど変わらず、また被検体までの距離が変化しても回折スポットＤＳ１の輝度はほとんど変化しない。このような回折スポットＤＳ１の間隔を測定するので、仮に露光条件の変化に起因して回折スポットＤＳ１の大きさが変化しても、回折スポットＤＳ１同士の間隔を測定することで測定精度を維持できる。このように、第１の実施形態に係る内視鏡システム１０では、被検体までの距離や露光条件が変化しても正確な計測を行うことができる。

＜計測処理の流れ＞
次に、内視鏡システム１０による被検体の計測処理について説明する。図９は計測処理の流れを示すフローチャートである。

＜回折スポットの撮像＞
まず、図７のように挿入部１０４を被検体内に挿入し、レーザモジュール５００から被検体（腫瘍ｔｍの部分）に複数のスポット光を照射して、図１０に示すように複数の回折スポットＤＳ１を形成する。そして撮像光学系１３０（撮像部）により、回折スポットＤＳ１の画像を取得する（ステップＳ１００；撮像工程）。撮像の際は、手元操作部１０２の操作により湾曲部１１４を上下左右に適宜湾曲させて先端硬質部１１６の向きを変え、回折スポットＤＳ１が観察対象部分（図１０では腫瘍ｔｍの部分）に形成されるようにする。なお内視鏡システム１０では可視光源３１０Ａまたは赤外光源３１０Ｂにより被検体を照明するが、可視光源３１０Ａ及び赤外光源３１０Ｂによる照明光の照度は光源制御部３５０（制御部）により制御され、撮像光学系１３０により回折スポットを撮像するモード（計測モード）では照明光を被検体に照射して被検体を観察するモード（通常観察モード）よりも照明光の照度を下げる（または照明光を消す）ことができるようになっている。これにより、本実施形態に係る内視鏡システム１０では回折スポットが鮮明な画像を撮像することができ、正確な計測を行うことができる。なお回折スポットを撮像する際に照明光の照度をどの程度を下げるかは被検体の種類や大きさ、明るさ等に応じて設定してよく、必要に応じ照明光を消灯してもよい。

＜回折スポットの間隔測定＞
次に、ステップＳ１００で取得した画像に基づいて、画像処理部２０４（測定部、算出部）が回折スポットＤＳ１の間隔Ｄ３を測定する（ステップＳ１１０；測定工程）。回折スポットＤＳ１の間隔Ｄ３は、撮像素子１３４の結像面での画素数に対応している。なお複数の回折スポットＤＳ１のうちの特定部分における間隔（例えば、結像面の中心付近における間隔）を測定するようにしてもよい。

内視鏡システムでは一般的に撮像レンズの撮影画角が広く、そのような撮像レンズにより回折スポットを撮影すると、撮影画像における回折スポットの間隔（撮像素子の結像面での画素数に対応）は、撮像素子の結像面における回折スポットの像高（結像面の中心からの距離）によって変化する。具体的には、撮像レンズの撮影画角が広いと、被検体までの距離が変わらなくても、像高が高くなるにつれて（即ち、撮像素子の周辺に近づくと）結像面上の回折スポットの間隔は狭くなる。このため、撮像素子の結像面における回折スポットの間隔と被検体までの距離との関係を回折スポットの像高によらないものとしていると、撮像素子の周辺部分では回折スポットの間隔（画素数）が実際よりも短く測定されてしまい、これにより被検体までの距離も実際より短く算出されてしまって、その結果被検体の２次元、３次元情報が正確に算出できなくなる。そこで本実施形態の内視鏡システム１０では、撮像素子１３４の結像面における回折スポットの間隔と被検体までの距離との関係として、結像面における回折スポットの像高に応じて異なる関係（例えば、回折スポットの像高が高いほど、回折スポットの同一の間隔（画素数）に対応する被検体までの距離が長い）があらかじめ測定され、メモリ２１２に記憶されている。

上述した関係の記憶の態様は、テーブル形式、関数形式等種々の態様を採用し得る。これにより本実施形態に係る内視鏡システム１０では、撮像レンズ１３２の撮影画角が広くても回折スポットの間隔を正確に測定することができ、その結果、被検体までの距離や被検体の２次元、３次元情報を正確に算出することができる（後述）。なおメモリ２１２に記憶されている関係は、撮像レンズ１３２の撮影画角に応じて異なる（例えば、撮像レンズ１３２の撮影画角が広いほど、同一の像高における同一の間隔（画素数）に対応する被検体までの距離が長い）ようにしてもよい。

なお、回折スポットの間隔と被検体までの距離との関係を結像面の一部の領域（例えば中心部）について測定及び記憶しておき、そのような一部の領域における回折スポットの間隔を測定して、これに基づいて被検体までの距離や被検体の２次元、３次元情報を算出するようにしてもよい。

ステップＳ１１０における回折スポットの間隔測定は、赤（Ｒ）色のフィルタ色のカラーフィルタが配設された画素の画素信号により生成される画像により行う。ここで、撮像素子１３４の各画素に配設されている各色（赤，緑，青）のカラーフィルタにおける波長と感度との関係は図１１の通りであり、また、レーザ光源モジュール５０２から出射されるレーザ光は波長６７０ｎｍの赤色レーザ光である。即ち、回折スポットの間隔の測定は、（赤，緑，青）のカラーフィルタのうちレーザ光の波長に対する感度が最も高い赤色のカラーフィルタが配設された画素の画像信号により生成される画像に基づいて行われる。これにより、本実施形態に係る内視鏡システム１０では回折スポットが鮮明な画像を取得することができ、正確な計測を行うことができる。

＜被検体までの距離の算出＞
ステップＳ１１０で回折スポットの間隔が測定されると、測定結果に基づき、被検体までの方向及び距離が算出される（ステップＳ１２０；算出工程）。この処理は、あらかじめ測定されメモリ２１２に記憶された、撮像素子１３４の撮像面における回折スポットの間隔（画素数）と被検体までの距離との関係に基づいて行われる。ステップＳ１２０では、具体的には図１２に示すように測定対象の回折スポットＤＳ１の方向（α，β）と距離（ｒ）が算出される。図１２中、撮像素子１３４の結像面の中心を座標系の原点Ｏとし、Ｚ軸を結像面に直交する方向、Ｘ軸及びＹ軸を結像面内で直交する方向とすることができる。

＜被検体の２次元情報及び３次元情報＞
ステップＳ１２０で被検体（測定対象の回折スポットＤＳ１）までの方向及び距離が算出されると、算出した方向及び距離に基づいて被検体の２次元情報または３次元情報を算出する（ステップＳ１３０；計測工程）。被検体の２次元情報、３次元情報としては、被検体（またはその計測対象部分）の２次元空間（図１２のＸＹ平面）内、あるいは３次元空間（図１２のＸＹＺ空間）内での形状や大きさ、面積等を算出することができる。なお、（α，β，ｒ）から（Ｘ，Ｙ，Ｚ）への変換は以下の式（１）〜（３）により行うことができ、被検体の各点の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標から形状や大きさ、面積等を算出することができる。

Ｘ＝ｒ×ｃｏｓα×ｃｏｓβ …（１）
Ｙ＝ｒ×ｃｏｓα×ｓｉｎβ …（２）
Ｚ＝ｒ×ｓｉｎα …（３）
これにより例えば、内視鏡システム１０の使用者がモニタ４００上で所望の領域（例えば図１０の腫瘍ｔｍ）を操作部２０８の操作等で指定すると、その指定した領域の大きさを算出してモニタに表示するようにすることができる。

このように、第１の実施形態に係る内視鏡システム１０では、被検体までの距離や露出条件によらずに、被検体までの距離や被検体の２次元、３次元情報を正確に算出、計測することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上述した第１の実施形態では突起５１２Ａが２次元状に形成された回折格子５１２を用いて複数のスポット光を生成しているが、第２の実施形態では１次元回折格子を用いて複数のスポット光を生成する。なお第２の実施形態の構成は回折格子以外については第１の実施形態と同様の構成であるため、詳細な説明を省略する。

図１３（ａ）は第２の実施形態に係る回折格子５１４を示す正面図であり、図１３（ｂ）は回折格子５１４の側面図である。図１３（ａ），（ｂ）に示すように、回折格子５１４には１次元状（直線状）の突起５１４Ａが周期Ｐ２で形成されており、これら突起５１４Ａにより、複数のスポット光が生成される。第２の実施形態では、このような回折格子５１４を含んでレーザヘッド５１５が構成され、このレーザヘッド５１５を含んでレーザモジュール５２０が構成される（図１４参照）。

ここで突起５１４Ａの間隔とスポット光の広がりとの関係を例示する。第１の実施形態と同様にレーザ光の波長λを６７０ｎｍとし、突起５１４Ａの周期Ｐ２を２μｍ（１ｍｍに５００本）とすると、スポット光の照射方向は、θを突起５１４Ａが形成された面に垂直な方向からの角度とするとθ＝ｓｉｎ^−１（λ／Ｐ２）で表され、約１９．６（ｄｅｇ）となる。

図１５（ａ），（ｂ）は、回折格子５１４により１次元方向（直線方向）に形成される複数の回折スポットＤＳ２を示す図である。図１５（ａ）は被検体までの距離が遠い状態を示し、回折スポットＤＳ２の間隔が広くなっている。一方、図１５（ｂ）は図１５（ａ）よりも被検体までの距離が近い状態を示し、図１５（ａ）よりも回折スポットＤＳ２の間隔が狭くなっている。

図１６は、図１５（ａ），（ｂ）に示す回折スポットＤＳ２（間隔はＤ４）を被検体（腫瘍ｔｍの部分）上に形成した状態を示す図である。この回折スポットＤＳ２に基づき、第１の実施形態と同様にして被検体までの距離や被検体の２次元情報、３次元情報を正確に算出、計測することができる。なお、第２の実施形態では図１６に示すように回折スポットＤＳ２は１次元状（直線状）に形成されるが、手元操作部１０２の操作により湾曲部１１４を上下左右に湾曲させて先端硬質部１１６（回折格子５１４）の向きを変え、回折スポットＤＳ２が図１６と異なる方向（例えば図１６における方向と直交する方向）に形成されるようにすることで、そのような異なる方向についての情報を取得することができる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。上述した第１の実施形態では突起５１２Ａが２次元状に形成された回折格子５１２を用いて複数のスポット光を生成しているが、第３の実施形態では、第２の実施形態と同様の１次元回折格子を複数用いたレーザモジュールにより複数のスポット光を生成する。なお第３の実施形態の構成はレーザモジュール以外については第１の実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

図１７は、第３の実施形態に係るレーザモジュール５３０の構成を示す図である。レーザモジュール５３０は第１の実施形態と同様のレーザ光源モジュール５０２と光ファイバー５０４を備えており、また第１の実施形態と同様にフェルール５０８、ＧＲＩＮレンズ５１０を備える。第２の実施形態では、第１の実施形態に係る回折格子５１２（図４，５参照）に代えて、回折格子５１６，５１８が用いられている。

図１８（ａ），（ｂ）はレーザヘッド５３２の先端側に装着される回折格子５１６のそれぞれ正面図、側面図であり、図１９（ａ），（ｂ）はレーザヘッド５３２の基端側に装着される回折格子５１８のそれぞれ正面図、側面図である。回折格子５１６，５１８には複数の１次元状の突起５１６Ａ，５１８Ａがそれぞれ形成されており、レーザヘッド５３２では、これら突起５１６Ａ，５１８Ａの方向が直交するように回折格子５１６，５１８が配置される。フェルール５０８、ＧＲＩＮレンズ５１０、及び回折格子５１６，５１８はハウジング５０９に収納されて、レーザヘッド５３２（図１７）を構成する。

上述の構成の下、第３の実施形態においても第１，第２の実施形態と同様にして被検体までの距離や被検体の２次元情報、３次元情報を正確に算出、計測することができる。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。上述した第１〜第３の実施形態では、フェルール、ＧＲＩＮレンズ、回折格子をハウジングに収納していたが、第４の実施形態では、図２０に示すようにハウジングを用いずにフェルール５０８、ＧＲＩＮレンズ５１０、回折格子５１２を透明な接着剤で接着してレーザヘッド５４２を構成しており、レーザヘッド５４２を含んでレーザモジュール５４０が構成される。第４の実施形態では、ハウジングを用いないためレーザヘッド５４２を細径化できる。なお図２０中、第１の実施形態に係るレーザモジュール５００と同一の符号を付した部材は第１の実施形態と同様の構成である。

上述した構成の第４の実施形態においても、第１〜第３の実施形態と同様にして、被検体までの距離や被検体の２次元情報、３次元情報を正確に算出、計測することができる。

＜変形例＞
上述した第１〜第４の実施形態では、回折スポットの間隔測定を赤色のカラーフィルタが配設された画素の画像信号により生成される画像に基づいて行う場合について説明しているが、本発明において、回折スポットの間隔測定は（赤，緑，青）のうち任意の１色または２色のカラーフィルタが配設された画素の画像信号により生成される画像により行ってもよいし、（赤，緑，青）の３色全ての画像信号により生成されるカラー画像により行ってもよい。

また、上述した第１〜第４の実施形態では赤色のレーザ光を用いる場合について説明したが、本発明の計測装置、内視鏡システム、及び計測方法においてレーザ光の波長は赤色に限定されるものではなく、被検体の種類や計測の目的に応じて異なる波長のレーザ光を用いることができる。

本発明の計測装置、内視鏡システム、及び計測方法は、生体である被検体を計測する以外に、配管その他の生体でない被検体を計測する場合にも適用できる。また本発明の計測装置、内視鏡システム、及び計測方法は、内視鏡に限らず、工業用部品や製品の寸法や形状を計測する場合にも適用できる。

以上で本発明の例に関して説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

１０…内視鏡システム、１００…内視鏡装置、１０２…手元操作部、１１６…先端硬質部、１２６…鉗子口、１３０…撮像光学系、１３２…撮像レンズ、１３４…撮像素子、２００…内視鏡プロセッサ、３００…光源装置、３５０…光源制御部、５００，５２０，５３０，５４０…レーザモジュール、５０２…レーザ光源モジュール、５０４…光ファイバー、５０６，５１５，５３２，５４２…レーザヘッド、５０８…フェルール、５０９…ハウジング、５１０…ＧＲＩＮレンズ、５１２，５１４，５１６，５１８…回折格子、５１２Ａ，５１４Ａ，５１６Ａ，５１８Ａ…突起、ＤＳ１，ＤＳ２…回折スポット

Claims (11)

1. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記出射されたレーザ光を平行な光束にして出射するコリメータと、
   前記コリメータが出射した光束から複数のスポット光を生成する１次回折格子であって、前記複数のスポット光として１次元方向に一定の周期を持った複数のスポット光を生成する回折格子と、
   前記複数のスポット光により被検体に形成される複数の回折スポットの画像を撮像素子を介して取得する撮像部と、
   前記取得した画像に基づいて、前記撮像素子の結像面における前記複数の回折スポットの間隔を測定する測定部と、
   前記測定した前記複数の回折スポットの間隔に基づいて前記被検体までの距離を算出する算出部と、を備える計測装置を備える内視鏡システムであって、
   前記被検体内に挿入される挿入部であって、先端硬質部と、前記先端硬質部の基端側に接続された湾曲部と、前記湾曲部の基端側に接続された軟性部とを有する挿入部と、前記挿入部の基端側に接続された操作部と、を有する内視鏡を備え、
   前記回折格子と、前記複数の回折スポットの光学像を前記撮像素子に結像させる撮像レンズと、が前記先端硬質部の先端側端面に設けられる、内視鏡システム。
2. 前記算出部は、あらかじめ記憶された、前記結像面における前記複数の回折スポットの間隔と前記被検体までの距離との関係に基づいて前記被検体までの距離を算出する請求項１に記載の内視鏡システム。
3. 前記あらかじめ記憶された関係は前記結像面における前記複数の回折スポットの像高に応じて異なる、請求項２に記載の内視鏡システム。
4. 前記あらかじめ記憶された関係においては、前記複数の回折スポットの像高が高いほど、前記結像面における前記複数の回折スポットの同一の間隔に対応する前記被検体までの距離が長い請求項３に記載の内視鏡システム。
5. 前記撮像素子は２次元配列された複数の受光素子からなる複数の画素と、前記複数の画素上に配設された複数のフィルタ色のカラーフィルタと、を備えるカラー撮像素子であり、
   前記測定部は、前記複数のフィルタ色のうち前記レーザ光の波長に対する感度が最も高いフィルタ色のカラーフィルタが配設された画素の画像信号により生成される画像に基づいて前記複数の回折スポットの間隔を測定する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の内視鏡システム。
6. 前記算出部は、前記算出した前記被検体までの距離に基づいて前記被検体の２次元情報または３次元情報を算出する請求項１から５のいずれか１項に記載の内視鏡システム。
7. 前記レーザ光を前記レーザ光源から前記コリメータまで導光する光ファイバーであって、前記レーザ光をシングル横モードで伝搬させる光ファイバーを備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の内視鏡システム。
8. 前記コリメータは、屈折率が光軸で最も高く半径方向外側に向かうにつれて減少するグレーデッドインデックス型レンズである請求項１から７のいずれか１項に記載の内視鏡システム。
9. 前記回折格子と前記コリメータとの接合体を備えるモジュールが前記先端硬質部に設けられる、請求項１から８のいずれか１項に記載の内視鏡システム。
10. 前記先端硬質部で開口する鉗子口に連通する管路が前記挿入部に設けられており、前記モジュールは前記管路に挿抜可能に挿通される、請求項９に記載の内視鏡システム。
11. 照明光を照射する照明光源と、前記照明光の照度を制御する制御部と、を有し、
    前記制御部は、前記撮像部により前記複数の回折スポットの画像を取得する計測モードでは、前記照明光を前記被検体に照射して前記被検体を観察する通常観察モードよりも前記照明光の照度を下げる請求項１から１０のいずれか１項に記載の内視鏡システム。

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