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特許7102432蛍光イメージングのための医用イメージングヘッドを用いた方法および装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-07-08
(45)【発行日】2022-07-19
(54)【発明の名称】蛍光イメージングのための医用イメージングヘッドを用いた方法および装置
(51)【国際特許分類】
A61B 1/00 20060101AFI20220711BHJP
A61B 1/313 20060101ALI20220711BHJP
A61B 1/07 20060101ALI20220711BHJP
A61B 1/04 20060101ALI20220711BHJP
G02B 23/24 20060101ALI20220711BHJP
G02B 23/26 20060101ALI20220711BHJP
G02B 5/04 20060101ALI20220711BHJP
G02B 5/20 20060101ALI20220711BHJP
G02B 5/22 20060101ALI20220711BHJP
【ＦＩ】
A61B1/00 511
A61B1/313
A61B1/00 733
A61B1/07 730
A61B1/04 531
G02B23/24 B
G02B23/26 B
G02B5/04 B
G02B5/20 101
G02B5/22
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2019548909
(86)(22)【出願日】2018-03-09
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-04-23
(86)【国際出願番号】 NL2018050147
(87)【国際公開番号】W WO2018164579
(87)【国際公開日】2018-09-13
【審査請求日】2021-03-02
(31)【優先権主張番号】2018494
(32)【優先日】2017-03-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】NL
(73)【特許権者】
【識別番号】519207011
【氏名又は名称】クエスト・フォトニック・デバイシーズ・ビー．ブイ．
【氏名又は名称原語表記】ＱＵＥＳＴ ＰＨＯＴＯＮＩＣ ＤＥＶＩＣＥＳ Ｂ．Ｖ．
【住所又は居所原語表記】Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｗｅｇ ４１， １７７５ ＰＷ Ｍｉｄｄｅｎｍｅｅｒ， Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ
(74)【代理人】
【識別番号】100209048
【弁理士】
【氏名又は名称】森川 元嗣
(72)【発明者】
【氏名】ミースター、リヒャルト・ヨハネス・コルネリス
【審査官】高松 大
(56)【参考文献】
【文献】特開２００２－０１６９３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１７８９９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－２０１７０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１６７３３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１２／００２１１５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１０－１３６２２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１０／１１６５５２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開昭６２－１７４７１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－２５０７５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－０７０２２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００７－５２８５０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１１－５１７１９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２８６１８７（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ａ６１Ｂ １／００
Ａ６１Ｂ １／３１３
Ａ６１Ｂ １／０７
Ａ６１Ｂ １／０４
Ｇ０２Ｂ ２３／２４
Ｇ０２Ｂ ２３／２６
Ｇ０２Ｂ ５／０４
Ｇ０２Ｂ ５／２０
Ｇ０２Ｂ ５／２２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
対象画像から可視光および赤外光を受光するように構成されたカメラモジュールを備えた医用イメージングシステムを使用して、可視光および赤外光を検出するための方法であって、前記方法は、－励起光で生体外組織サンプル中の蛍光剤を励起することと、
－可視光で前記生体外組織サンプルを照らすことと、
－可視光と、前記蛍光剤から生じる１つまたは複数の赤外蛍光光を含む、前記対象画像からの光を受光することと、
－前記受光した光を第１、第２、および第３の光路に分割することと、
－前記第１、第２、および第３の光路で受光した光を、それぞれ第１、第２、および第３の光学フィルターを介してフィルター処理することと、
－第１、第２、および第３のセンサーをそれぞれ使用して、前記第１、第２、および第３の光路で前記フィルター処理された光を検出することと、を備え、
ここにおいて、少なくとも前記第１、第２、および第３のセンサーの各々は、それぞれ前記第１、第２、および第３の光学フィルターを備え、前記第１、第２、および第３の光学フィルターは、任意の順序で、緑色フィルター、赤外線フィルター、および交互パターンの赤色および青色フィルターを備えた赤／青パターン化されたフィルターであり、これにより前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は青色フィルターを通過し、前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は赤色フィルターを通過する、方法。
【請求項2】
前記赤／青パターン化されたフィルターが複数のピクセルのグループを備え、各グループが赤色または青色のいずれかの光に対するフィルターを有し、異なるフィルターを有する前記グループが市松模様に配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記赤外線フィルターは、１つ以上のピクセルのグループを備え、各グループは、第１または第２の赤外線波長範囲のいずれかのフィルターを有し、ここにおいて、前記第１または第２の赤外線波長範囲を有するグループが、市松模様のような交互パターンで配置される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項4】
前記第１の赤外線波長範囲は７００ｎｍより高く８００ｎｍより低く、前記第２の赤外線波長範囲は８００ｎｍより高く９００ｎｍより低い、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
前記受光した光を第１、第２、および第３の光路に分割することに加えて、前記受光した光を第４の光路に分割することと、前記第４の光路で受光した光を第４の光学フィルターを介してフィルター処理することと、をさらに備え、ここにおいて前記第４の光学フィルターは第２の赤外線フィルターである、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項6】
可視光および赤外光を検出するための医用イメージングシステムであって、前記医用イメージングシステムは、－組織を照らすための可視光の入力と、
－前記組織内の蛍光剤を励起するための励起光の入力と、
－前記組織内の対象画像から可視光と赤外光を受光するように構成されたカメラモジュールとを備え、前記カメラモジュールは、前記対象画像からの光をそれぞれ第１、第２、および第３のセンサーに導くための少なくとも第１、第２、および第３の光路を備え、ここにおいて
－前記第１の光路は第１のフィルターを備え、
－前記第２の光路は第２のフィルターを備え、
－前記第３の光路は第３のフィルターを備え、
ここにおいて、少なくとも前記第１、第２、および第３のセンサーの各々は、それぞれ前記第１、第２、および第３の光学フィルターを備え、前記第１、第２、および第３の光学フィルターは、任意の順序で、緑色フィルター、赤外線フィルター、および交互パターンの赤色および青色フィルターを含む赤／青パターン化されたフィルターであり、これにより前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は青色フィルターを通過し、前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は赤色フィルターを通過する、医用イメージングシステム。
【請求項7】
前記赤／青パターン化されたフィルターが複数のピクセルのグループを備え、各グループが赤色または青色のいずれかの光に対するフィルターを有し、異なるフィルターを有する前記グループが市松模様に配置される、請求項６に記載の医用イメージングシステム。
【請求項8】
各グループが２×２ピクセルを備える、請求項６または７に記載の医用イメージングシステム。
【請求項9】
前記赤外線フィルターは、１つ以上のピクセルのグループを備え、各グループは、第１または第２の赤外線波長範囲のいずれかのフィルターを有し、ここにおいて、前記第１または第２の赤外線波長範囲を有するグループが、市松模様のような交互パターンで配置される、請求項６～８のいずれか１項に記載の医用イメージングシステム。
【請求項10】
前記第１の赤外線波長範囲は７００ｎｍより高く８００ｎｍより低く、前記第２の赤外線波長範囲は８００ｎｍより高く９００ｎｍより低い、請求項９に記載の医用イメージングシステム。
【請求項11】
入射面を通して前記対象画像からの光を受光するように構成されたダイクロイックプリズムアセンブリを備えており、前記ダイクロイックプリズムアセンブリは、少なくとも第１、第２、および第３のプリズムを備え、各プリズムがそれぞれ第１、第２、および第３の出射面を有し、ここにおいて、－前記第１の出射面は第１のセンサーを備え、
－前記第２の出射面は第２のセンサーを備え、
－前記第３の出射面は第３のセンサーを備える、請求項６～１０のいずれか１項に記載の医用イメージングシステム。
【請求項12】
第４のプリズムを備え、前記第４のプリズムは、少なくとも５つの角を持つ断面を有し、各角は少なくとも９０度の内角を有し、前記第４のプリズムは、第４のフィルターを有する第４の光路を形成し、第４の光センサーを備えた第４の出射面を有し、ここにおいて、前記第４のフィルターは、第２の赤外線フィルターである、請求項１１に記載の医用イメージングシステム。
【請求項13】
第５のプリズムを備え、前記第５のプリズムは、少なくとも５つの角を持つ断面を有し、各角は少なくとも９０度の内角を有し、前記第５のプリズムは、第５のフィルターを有する第５の光路を形成し、第５の光センサーを備えた第５の出射面を有し、ここにおいて、前記第５のフィルターは、第３の赤外線フィルターである、請求項１２に記載の医用イメージングシステム。
【請求項14】
請求項６～１３のいずれか１項に記載の医用イメージングシステムを少なくとも１つ備えた、内視鏡、腹腔鏡（１０）、または開放レンズシステム。
【請求項15】
光エンジンからの光を手術野に提供して照明するための光ファイバーコア（５４）を備えた統合ケーブルを使用し、前記光ファイバーコアはセンサーデータを伝送するための複数の同軸ケーブル（５１）に囲まれている、請求項１４に記載の内視鏡、腹腔鏡、または開放レンズシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、医用イメージングシステムを使用して可視光および赤外光を検出する方法、および前記医用イメージングシステムに関する。医用イメージングシステムは、開放レンズ構成または内視鏡または腹腔鏡で使用されうる。
【背景技術】
【0002】
赤外線（ＩＲ）光または近赤外線（ＮＩＲ）光を使用したさまざまな臨床用途が文献に記載されている。そのような用途では、検査される生体組織に導入され、ＩＲ光を吸収または放出する造影剤が使用されることがある。用途によっては、対象となるＩＲ光に複数の波長範囲がある。
【0003】
内視鏡などのデバイスが、ＩＲ光を使用する臨床用途で使用されるとき、内視鏡を使用する専門家は、通常、内視鏡を使用するときに、目と手の協調のために可視光カメラ感知を使用することも望む。したがって、内視鏡カメラは、赤、緑、青の可視光と少なくとも１つの（Ｎ）ＩＲ波長範囲を感知する必要がある。また、カメラは、信頼性の高い目と手の協調を可能にするために、十分に高い画像周波数、またはフレームレートで画像を生成する必要がある。最小フレームレートは通常、毎秒６０フレームである。
【0004】
これは、カメラにある程度の制約を課す。現在の最先端のカラーカメラは３ＣＣＤイメージヘッドであり、これは単一の入射口を有し、その入射光をそれぞれ３つのフィルターセンサーの組み合わせで終わる３つの光路に分割する。各センサーは通常、赤、緑、青などの１つの原色を感知する。通常、３つの色は異なるＣＣＤのプリズムを通して投影されるが、物理的に同じ場所（入射光の原点）を向いている。このようにして、各場所で正確なＲ、Ｇ、Ｂピクセル値が感知される。ＩＲ光をも感知するためには、このようなカメラは、プリズムまたはビームスプリッターを追加することで提供できる第４の光路を必要とする。しかし、プリズムとビームスプリッターのこの増加する「積層」には、すべてのセンサーを焦点面に配置するために、最初のプリズムが物理的に最大であり、合計焦点距離を補正してすべてのセンサーを補正するために、先に進むにつれて小さくなるという問題がある。
【0005】
可視光を測定するために、たとえばＲーＧ／ＧーＢパターンの２ｘ２フィルターパターンを有するベイヤーフィルターと組み合わせた単一センサー（ＣＣＤ）を使用することも可能である。次に、各ピクセル位置について、ピクセル値Ｒ、Ｇ、およびＢの１つだけが感知される。欠落しているピクセルは補間する必要があり、これにより、特に細かいディテールの場合に補間エラーが発生する。さらに、赤と青は人の目に与える情報が比較的少ないという事実により、赤と青のピクセルは４つのピクセルのうちの１つであり、緑はこれらのベイヤーフィルターの４つのうちの２つである。事実上、センサーのピクセルグリッド内のピクセルの５０％は緑色の光を「認識」するが、ピクセルの２５％のみが赤色の光を受光し、ピクセルの別の２５％が青色の光を受光する。このことは、具体的には、隣接する赤色または青色のピクセルの量が少ないためにフィルターで除去できないピクセルノイズが原因で、赤色と青色の信号に高い補間エラーが発生する結果となる。これは、ホットピクセルまたはデッドピクセルを除去するのが難しく、画像のパフォーマンスを大幅に低下させ、目に見えるアーティファクトが生じることを意味する。ＩＲ光をも測定するには、第４のフィルターを追加する（したがって補間誤差を増やす）か、または第２の光路を形成する（ボリュームを増やす）必要がある。
【0006】
どちらのアプローチにも欠点があり、フィルターを使用するときの補間とピクセルノイズによる空間誤差と、ベイヤーフィルターを使用しないときの追加の光路に余分なプリズム（または他のタイプのビームスプリッター）を追加することによる体積増加とのつり合いがあることを示している。
【0007】
米国特許第８，６２０，４１０号は、可視光と蛍光画像の同時レンダリングを提供する医用イメージングシステムを開示している。これは、２つの光路を使用する。１つは（シングルセンサー）ビデオカメラによって記録される可視光用で、もう１つは赤外線カメラによって記録される赤外線用である。このようなシステムの欠点は、可視光カメラが、単一のＣＣＤセンサーを使用してカラー画像を生成するために、ベイヤーフィルターを使用して入射光を赤色、緑色、青色の成分に一度分割することである。これにより、可視光画像の解像度が低下し、これは、特に内視鏡または腹腔鏡イメージングシステムにおいて不都合である。
【0008】
米国特許第９，１７３，５５４号は、ダイクロイックプリズムアセンブリによって作成され、それぞれ赤色、緑色および青色の光感知に使用される３つの光路を使用することによりこの問題に対処している。赤外蛍光放射のための第４の成分を測定できるようにするために、赤色光センサーにつながる光路を使用して、赤色光と赤外光の両方を時間交互に検出する。また、その用途で使用される光源は、センサーと同期して、赤色光と赤外光を交互に放射する必要がある。このようにして、空間解像度が維持される（空間補間エラーなし）。ただし、赤色光と赤外光は緑色光と青色光の半分のフレームレートでサンプリングされるため、現在は時間補間効果がある。事実上低下したフレームレート、および、結果として増加したタイムラグにより、内視鏡を使用する人の目と手の協調が妨げられる。さらに、より低レベルの赤色光または赤外光を測定するときは、より長い露光時間が必要であり、これもカラー画像のリアルタイムの反応に影響を与える可能性がある。このアプローチでは、赤色の波長と赤外線の波長からの同時の複数の信号を必要とする計算もできない。別のＩＲチャネルを追加することは、フレームレートをさらに低下させる。これが、赤、ＩＲ１、ＩＲ２の検出に使用されなければならず、結果として、最大フレーム時間の１／３になり、したがって、顕著なアーティファクトが発生し、この技術の明確な限界になる。
【0009】
さらに、赤色光と赤外線の両方の画像に正確に焦点を合わせることはできない。赤色光と赤外線の波長差が大きいため、せいぜいのところ、ＩＲ画像が鮮明で焦点が合っているか、Ｒ画像が鮮明で焦点が合っているかのどちらかである。切り替えのため、センサーは同じ露出時間でのみ設定できる。その理由は、露出時間を切り替えることは、読み出しタイミングと露出時間に影響するセンサー設定を必要とするからであり、オーバーラップせずに、最終的にシステムのフレームレートおよび／または感度に影響を与えるだけでなく、システム処理の複雑さが大幅に増加する。最終的には、低信号強度のＩＲ信号と比較的高信号強度のＲ信号を区別するために、ゲインを大きく切り替える必要がある。これは、露光を開始する前にセンサー設定を適用するのにかかる時間のために、ＩＲチャネルおよび／または赤色光チャネルのいずれかの感度とフレーム時間に悪影響を及ぼす。
【0010】
本発明の目的は、受信信号の時間切り替えを必要としない、可視光とＩＲ光の両方を検出するための実用的な解決策を提供することである。
【発明の概要】
【0011】
本発明は、対象画像から可視光および赤外光を受光するように構成されたカメラモジュールを備えた医用イメージングシステムを使用して、可視光および赤外光を検出するための方法を提供し、前記方法は、
－励起光で組織サンプル中の蛍光剤を励起することと、
－可視光で前記組織サンプルを照らすことと、
－可視光と、前記蛍光剤から生じる１つまたは複数の赤外蛍光光を含む、前記対象画像からの光を受光することと、
－前記受光した光を第１、第２、および第３の光路に分割することと、
－前記第１、第２、および第３の光路で受信した光を、それぞれ第１、第２、および第３の光学フィルターでフィルター処理することと、
－第１、第２、および第３のセンサーをそれぞれ使用して、前記第１、第２、および第３の光路でフィルター処理された光を検出することと、を備え
ここにおいて、前記第１、第２、および第３フィルターは、任意の順序で、緑色フィルター、赤外線フィルター、および交互パターンの赤色および青色フィルターを含む赤／青パターン化されたフィルターであり、これにより前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は青色フィルターを通過し、前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は赤色フィルターを通過する。
－励起光で組織サンプル中の蛍光剤を励起することと、
－可視光で前記組織サンプルを照らすことと、
－可視光と、前記蛍光剤から生じる１つまたは複数の赤外蛍光光を含む、前記対象画像からの光を受光することと、
－前記受光した光を第１、第２、および第３の光路に分割することと、
－前記第１、第２、および第３の光路で受信した光を、それぞれ第１、第２、および第３の光学フィルターでフィルター処理することと、
－第１、第２、および第３のセンサーをそれぞれ使用して、前記第１、第２、および第３の光路でフィルター処理された光を検出することと、を備え
ここにおいて、前記第１、第２、および第３フィルターは、任意の順序で、緑色フィルター、赤外線フィルター、および交互パターンの赤色および青色フィルターを含む赤／青パターン化されたフィルターであり、これにより前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は青色フィルターを通過し、前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は赤色フィルターを通過する。
【0012】
本発明は、可視光および赤外光を検出するための医用イメージングシステムをさらに提供し、前記医用イメージングシステムは、
－組織を照らすための可視光の入力と、
－前記組織内の蛍光剤を励起するための励起光の入力と、
－前記組織内の対象画像から可視光と赤外光を受け取るように構成されたカメラモジュールとを備え、前記カメラモジュールは、前記対象画像からの光をそれぞれ第１、第２、および第３のセンサーに導くための少なくとも第１、第２、および第３の光路を備え、ここにおいて
－前記第１の光路は第１のフィルターを備え、
－前記第２の光路は第２のフィルターを備え、
－前記第３の光路は第３のフィルターを備え、
ここにおいて、前記第１、第２、および第３フィルターは、任意の順序で、緑色フィルター、赤外線フィルター、および交互パターンの赤色および青色フィルターを含む赤／青パターン化されたフィルターであり、これにより前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は青色フィルターを通過し、前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は赤色フィルターを通過する。
－組織を照らすための可視光の入力と、
－前記組織内の蛍光剤を励起するための励起光の入力と、
－前記組織内の対象画像から可視光と赤外光を受け取るように構成されたカメラモジュールとを備え、前記カメラモジュールは、前記対象画像からの光をそれぞれ第１、第２、および第３のセンサーに導くための少なくとも第１、第２、および第３の光路を備え、ここにおいて
－前記第１の光路は第１のフィルターを備え、
－前記第２の光路は第２のフィルターを備え、
－前記第３の光路は第３のフィルターを備え、
ここにおいて、前記第１、第２、および第３フィルターは、任意の順序で、緑色フィルター、赤外線フィルター、および交互パターンの赤色および青色フィルターを含む赤／青パターン化されたフィルターであり、これにより前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は青色フィルターを通過し、前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は赤色フィルターを通過する。
【0013】
本発明によれば、組織サンプルは、生体内組織サンプルでもよいし、または生体外組織サンプルでもよい。
【0014】
前述のように、この方法およびシステムでは、赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は青色のフィルターを通過し、赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は赤色のフィルターを通過する。実際には、１００％の緑色光を受光する１つのセンサー、１００％の赤外光を受光する１つのセンサー、および赤色と青色の欠落ピクセルを正確に補間することを可能とするやり方で５０％の赤色光と５０％の青色光を受光する１つのセンサーがある。すべてのセンサーは同じフレームレートで動作することができ、引用された従来技術のように一時的なサブサンプリングの必要はない。
【0015】
一実施形態では、医用イメージングシステムは、入射面を通して対象画像からの光を受光するように構成されたダイクロイックプリズムアセンブリを備えており、ダイクロイックプリズムアセンブリは、少なくとも第１、第２、および第３のプリズムを備え、各プリズムがそれぞれ第１、第２、および第３の出射面を有し、ここにおいて、
－前記第１の出射面は第１のセンサーを備え、
－前記第２の出射面は第２のセンサーを備え、
－前記第３の出射面は第３のセンサーを備える。
－前記第１の出射面は第１のセンサーを備え、
－前記第２の出射面は第２のセンサーを備え、
－前記第３の出射面は第３のセンサーを備える。
【0016】
本発明はさらに、上述のように、医用イメージングシステム、より具体的にはダイクロイックプリズムアセンブリを備える、開放レンズシステム、内視鏡、および腹腔鏡を提供する。
【0017】
本発明は、上記の少なくとも１つのダイクロイックプリズムアセンブリを含む医用イメージングシステムを提供し、ここにおいて、少なくとも２つの赤外線イメージング波長（たとえば６４０～１０００ｎｍ）センサーと３つの可視波長（たとえば赤、緑、青）センサーが使用され、各センサーは、ピクセルの１／３よりも高い精度で光学的にピクセル間で位置合わせされている。
【0018】
イメージングシステムは、手術中のリアルタイム用途に使用することができる。一実施形態では、フレームレートは少なくとも毎秒５０フレーム（ｆｐｓ）であり、ピクセルは少なくとも８ビットでサンプリングされる。目と手の協調を改善するには、少なくとも毎秒６０フレーム、または少なくとも毎秒９０または１００フレームのフレームレートが望ましい。ピクセルのビット深度は、上記の８ビット以上、たとえば１０、１２または１６ビットであり得る。
【0019】
本発明は、添付の図面を参照して、以下により詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1a】本発明の一実施形態による医用イメージングシステムを概略的に示している。
【図1b】本発明の一実施形態による方法を概略的に示す。
【図2】本発明の一実施形態によるダイクロイックプリズムアセンブリを概略的に示す。
【図3a】本発明の一実施形態によるダイクロイックプリズムアセンブリのセンサーで使用するためのフィルターを概略的に示す。
【図3b】本発明の一実施形態によるダイクロイックプリズムアセンブリのセンサーで使用するためのフィルターを概略的に示す。
【図3c】本発明の一実施形態によるダイクロイックプリズムアセンブリのセンサーで使用するためのフィルターを概略的に示す。
【図3d】本発明の一実施形態によるダイクロイックプリズムアセンブリのセンサーで使用するためのフィルターを概略的に示す。
【図4】本発明の一実施形態によるさらなるダイクロイックプリズムアセンブリを概略的に示す。
【図5】本発明の一実施形態によるダイクロイックプリズムアセンブリを概略的に示す。
【図6a】本発明の一実施形態による内視鏡および／または腹腔鏡ならびにケーブルを概略的に示す。
【図6b】本発明の一実施形態による内視鏡および／または腹腔鏡ならびにケーブルを概略的に示す。
【図6c】本発明の一実施形態による内視鏡および／または腹腔鏡ならびにケーブルを概略的に示す。
【図7a】本発明の一実施形態によるダイクロイックプリズムアセンブリで使用される例示的な五角形プリズムを示す。
【図7b】本発明の一実施形態によるダイクロイックプリズムアセンブリで使用される例示的な五角形プリズムを示す。
【発明を実施するための形態】
【0021】
図１ａは、本発明の一実施形態による医用イメージングシステムを概略的に示している。この図は４つの光路を示す。可視光および励起光源１３から組織１９に可視光および励起光を伝送するための１つの光路、および組織１９からの光（可視光および蛍光）をそれぞれ光センサーＤ３、Ｄ４、およびＤ５に伝送するための３つの光路である。各光センサーＤ３、Ｄ４、Ｄ５には、それぞれフィルターＦ３、Ｆ４、およびＦ５が設けられている。光路は、ダイクロイックミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３を用いて形成することができる。わかりやすくするために、図１ａではレンズやその他の光学機器が省略されている。
【0022】
フィルターＦ３、Ｆ４、およびＦ５は、本発明の一実施形態によるダイクロイックプリズムアセンブリのセンサーで使用するためのフィルターを概略的に示す図３ａ～３ｄを参照して説明される。可視光および励起光を伝送するための光路は、他の光路のいずれもと一致する必要がなく、可視光および励起光は、たとえばカメラヘッドの外側に設けられた別個の光チャネルおよび／またはレンズを介して組織に提供され得ると理解される。
【0023】
図１ｂは、図１ａに示す医用イメージングシステムを使用して可視光と赤外光を検出する方法を模式的に示す。ステップ２１では、組織サンプル中の蛍光剤が励起光で照射され、蛍光剤により蛍光が放射される。一方、ステップ２２では、組織サンプルは可視光でも照射される。対象画像（組織サンプル）からの光は、ステップ２３で受光され、この光は、可視光と、蛍光剤から発生する赤外蛍光光を含む。受光された光は、第１、第２、および第３の光路に分割され（ステップ２４）、それぞれ第１（緑）、第２（赤外線）、第３（赤／青）の光学フィルターでフィルター処理される。フィルター処理された光は、それぞれのセンサーによって検出される（ステップ２５、２６、２７）。ステップ２８では、検出された光から可視光画像と赤外線（蛍光）画像が生成される。可視光画像は、蛍光画像とは別に表示されてもよい。また、蛍光画像を可視光画像に重ね合わせて表示することも可能である。
【0024】
図２は、赤、緑、青の成分の光をそれぞれのセンサーＤ３、Ｄ４、Ｄ５に分割するプリズムＰ５、Ｐ６、Ｐ７を備えたプリズムアセンブリを示す。光は、図２に示す矢印からプリズムアセンブリに入射する。Ｐ５とＰ６の間には光学コーティングＣ１が配置され、プリズムＰ６とＰ７の間には光学コーティングＣ２が配置され、各光学コーティングＣ１とＣ２は異なる反射率と波長感度を有する。Ｃ１では、入射ビームＩが部分的に反射されて、光が入射したプリズムの同じ面に戻る（ビームＪ）。その同じ面で、Ｋと表示されているビームが、フィルターＦ３とセンサーＤ３に向かって再び反射される。ＪからＫへの反射は内部反射である。このように、フィルターＦ３とセンサーＤ３はコーティングＣ１で反射された光を受光し、アナログ方式でフィルターＦ４とセンサーＤ４はコーティングＳ２で反射したビームＬ（ビームＭおよびＮ）からの光を受光し、フィルターＦ５およびセンサーＤ５はプリズムを通過したビームＯからの干渉されない光を受光する。
【0025】
図３ａは、特に、交互パターンの赤色および青色フィルターのアレイを備えた、本発明によるパターン化されたフィルター２０を概略的に示す。パターン２０は、１つの特定の色に対してフィルター処理された２×２ピクセルのグループからなる。２１と２２と表示されたグループは、市松模様状に混在している。グループ２１のピクセルは赤色フィルターを有し、グループ２２のピクセルは青色フィルターを有する。たとえば、左上のグループ２１は２ｘ２グリッドの赤色ピクセルＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を有し、隣接するグループ２２は２ｘ２グリッドの青色フィルターピクセルＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４を有する。
【0026】
図３ｂは、緑色フィルターのみを備えたフィルター２３を概略的に示している。図３ａおよび３ｄと比較するために、ピクセルは２ｘ２グループに分割された状態で示されているが、実際には、各ピクセルで受光される光が緑色フィルターでフィルター処理される単一のピクセルグリッドがある。したがって、ピクセルは、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３などのように、左から右、上から下へ昇順で表示される。
【0027】
図３ｃは、ＩＲフィルターのみを備えたフィルター２５を概略的に示している。繰り返すが、わかりやすくするために、ここでもピクセルは２ｘ２グループに分けて示されている。各ピクセルはＩＲフィルターでフィルター処理されている。図３ｂと同様に、ピクセルは左から右、上から下へ昇順でＩ１、Ｉ２、Ｉ３などように表示される。
【0028】
図３ｄは、２つの異なるタイプのＩＲフィルターを備えたパターン化されたフィルター２７を概略的に示している。図３ａと同様に、ピクセルは２ｘ２ピクセルのグループに分割され、各グループは特定のフィルターを有する。グループ２８は第１のＩＲフィルターを有し、グループ２９は第２のＩＲフィルターを有する。第１のグループ２８のピクセルはＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４などと表示され、第２のグループ２９のピクセルはＪ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４と表示される。この種類のフィルターは、ＩＲの複数の波長範囲が対象となる用途に使用できる。
【0029】
フィルター２０（図３ａ、赤／青）およびフィルター２７（図３ｄ、２種類のＩＲ）は、各ピクセル位置で赤、青、第１のＩＲ、および第２のＩＲの値を計算するために空間補間が必要になるという共通点がある。フィルター２３（図３ｂ、緑）およびフィルター２５（図３ｃ、ＩＲ）にはこの要件はない。各ピクセルは同じフィルターを使用してフィルター処理されるからである。
【0030】
本発明は、図３ａ～３ｄの例示的なパターン化されたフィルターに限定されない。重要なのは、パターンフィルター２０が単一のパターン化されたフィルター内の赤色および青色フィルター（他の色なし）の組み合わせで構成されており、ここにおいて、赤色フィルターが配置されているピクセル位置での青色値の補間および青色フィルターが配置されているピクセル位置での赤色値の補間を可能にする構造に、赤色および青色フィルターが配置されていることである。図３ａに示す赤色および青色フィルターの２ｘ２のグループ化には、同じフィルターのグループ内でノイズ消去を実行して、補間前の単一ピクセルノイズを減らし、画質を向上できるというさらなる利点がある。すなわち、２ｘ２グリッド内のピクセルはほぼ同じ光強度を受けると想定できるため、誤動作しているピクセルからの値を識別して除去することができる。
【0031】
図３ａに示すグリッドは、赤色と青色フィルター処理されたピクセルの２ｘ２の島を使用しているが、単なる例にすぎない。たとえば、Ｒ－Ｂ－Ｒ－Ｂ－Ｒ－Ｂ－…のように、ピクセルごとに市松模様状に赤色および青色フィルターを交互に配置することも可能である。また、たとえば、１ｘ２ピクセルまたは２ｘ１ピクセルのグループ、または他のグループサイズを用いることも可能である。これらの事項は、図３ａの赤／青パターンフィルター２０だけでなく、必要な変更を加えて、図３ｄの第１および第２のＩＲフィルターパターンフィルター２７にも当てはまる。
【0032】
ここで、フィルターの波長範囲の例について説明する。青色フィルターは、４００～４９０ナノメートル（ｎｍ）の範囲の光をフィルター処理することができる。赤色フィルターは５９０～６６０ｎｍをフィルター処理することができる。緑色フィルターは４９０～５９０ｎｍの範囲で作用することができる。赤外線の場合、範囲は用途によって異なる。一般的に、７００～８００ｎｍおよび８００～９００ｎｍの範囲が対象である。
【0033】
図１および図２に戻ると、本発明の一実施形態では、フィルターＦ３はフィルター２０（赤／青）であり、Ｆ４はフィルター２３（緑）であり、Ｆ５はフィルター２５（ＩＲ）である。フィルターＦ３、Ｆ４、Ｆ５の正確な位置付けは重要ではないことに注意されたい。どの用途にとっても重要なのは、３つのフィルターを同時に使用することである。
【0034】
一般に、コーティングＣ１、Ｃ２、Ｃ３はフィルターＦ１、Ｆ２、Ｆ３に適合する必要がある。たとえば、第１のコーティングＣ１は、ＩＲ光を反射しつつ可視光を透過させることができ、その結果、ＩＲ光は、ＩＲフィルター２５または２７であるＩＲフィルターＦ３に向かって導かれる。第２のコーティングＣ２は、赤色光および青色光を反射しつつ、緑色光に対して透過性であることができるため、フィルターＦ４は赤／青パターン化フィルター２０であり、Ｆ５は緑色フィルター２３でなければならない。適切なコーティングを選択するためのこれらの原理は、明細書に開示されている実施形態に概ね適用することができる。簡潔にするために、以下の実施形態では、プリズム間に使用されるコーティングについてこれ以上言及しない。
【0035】
この場合、緑色光と赤外光の両方が補間を必要としないことは、本発明の有利な側面である。図３ａのパターン化されたフィルター２０の背後にある赤色および青色のピクセルは、空間補間を必要とする。ただし、人間の目は、スペクトルの赤色と青色の部分の詳細に対する感度が緑色に対するほど高くはない。これは、たとえば、以下のような計算された輝度（ｌｕｍａ、Ｌ）の式から理解することができる。
【0036】
【数1】
【0037】
輝度は、可視光のグレースケール表現として見ることができ、細部を区別するために最も重要である。この式から、緑色光の重みづけが圧倒的に高いことは明らかである。したがって、緑色光が補間されないことが本発明の有利な点である。同時に、上記の事項のため、スペクトルの赤色と青色の部分が空間的に補間されることは許容できる妥協と考えられる。ＩＲ信号もまた補間されない。
【0038】
すでに述べたように、２ｘ２フィルターアプローチを選択することのもう１つの利点は、画像ノイズ低減の可能性である。標準のベイヤーフィルターで生成された画像では、これらの可視画像のノイズは、赤色または青色を強調表示する単一ピクセルによってはっきり見える。これは、赤色と青色が緑色よりも高いゲインを必要とする（したがって、より多くのノイズがはっきり見える）という事実によるものであるが、これらのピクセル（補間時）には同じ色の直接隣接するピクセルがないため、ピクセルノイズの量は推定できず、補間前に低減されない。これは、補間がピクセル内のノイズに基づくということになり、その結果、ノイズも補間される。２ｘ２パターンを使用するとき、本発明の有利な部分は、同じ色の４つの隣接するピクセルのグループを使用して、補間前に標準の利用可能なアルゴリズムで単一ピクセルのイメージノイズを低減し、より高品質のイメージが得られることである。
【0039】
上記の変形例では、２つの異なるＩＲ波長範囲をサンプリングする用途では、パターンフィルター２０、２３、および２７（２つの異なるＩＲフィルターを持つ）を図１ａおよび２のフィルターＦ３、Ｆ４、Ｆ５に使用することができる。ここでも、緑色光は、最大限の詳細を得るためにフル解像度でサンプリングされる。その代わりとして、赤／青および両方のＩＲ波長範囲が半分の解像度でサンプリングされる。
【0040】
図４および図５は、本発明の一実施形態によるダイクロイックプリズムアセンブリを概略的に示している。図４では、図５と比較すると、第１の五角形プリズムＰ１と第１の補償プリズムＰ２がない。結果として得られる図３のダイクロイックプリズムアセンブリは４つのチャネルを有し、各チャネルはセンサーＤ２～Ｄ５のいずれかへの経路によって形成される。各チャネルについて次の経路長が定義される。
【0041】
－センサーＤ２（たとえば近赤外線）の経路：Ｅ＋Ｆ＋Ｇ
－センサーＤ３（たとえば赤）の経路：Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｊ＋Ｋ
－センサーＤ４（たとえば青）の経路：Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｏ
－センサーＤ５（たとえば緑）の経路：Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｍ＋Ｎ
Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＝Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｊ＋Ｋ＝Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｏ＝Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｍ＋Ｎとなるよう、経路長が適合される。
－センサーＤ３（たとえば赤）の経路：Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｊ＋Ｋ
－センサーＤ４（たとえば青）の経路：Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｏ
－センサーＤ５（たとえば緑）の経路：Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｍ＋Ｎ
Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＝Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｊ＋Ｋ＝Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｏ＝Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｍ＋Ｎとなるよう、経路長が適合される。
【0042】
【0043】
本発明の一実施形態では、五角形プリズムＰ１が使用される。一実施形態では、入射光ビームＡは、入射面Ｓ１に隣接しない２つの面のうちの１つである面Ｓ２で部分的に反射される。次に、反射されたビームＢは、入射面に隣接する面のうち第１の面で反射される。反射角は臨界角よりも小さくすることができるため、反射は内部的ではない（一実施形態では、この隣接する面は光の漏れを防ぎ、対象となる必要な波長を反射するようにコーティングされる）。反射されたビームＣは、それ自体（ビームＡ）に交差し、センサーＤ１に向かって、入射面に隣接する面のうち第２の面を介してプリズムから出射する。ビームＡの一部は面Ｓ２を通過し、補償プリズムＰ２に入射する。
【0044】
本発明の一実施形態では、プリズムＰ１は、入射ビームをセンサーＤ１に向けて反射するために内部反射を使用しない。一実施形態では、２つの非内部反射を使用して、ビームＢおよびＣを介して入射ビームＡをセンサーＤ１に向ける。一実施形態では、プリズムＰ１とＰ２の間にエアギャップはない。一実施形態では、プリズムＰ３とＰ４との間にエアギャップはない。一実施形態では、プリズムＰ２とＰ３との間にエアギャップはない。
【0045】
プリズムＰ２は、相対的なビーム距離を調整するために垂直に移動できる補償プリズムである。
【0046】
本発明の一実施形態では、Ｐ２から、ビームＤは第２の五角形プリズムＰ３に入射する。プリズムＰ１の場合と同様に、内向きの反射を使用して、ビーム自体を交差させる。簡潔にするために、ビームの説明は繰り返さないが、プリズムＰ３のビーム部分Ｅ、Ｆ、ＧがそれぞれプリズムＰ１のビーム部分Ａ、Ｂ、Ｃに対応することを述べておく。
【0047】
本発明の一実施形態では、プリズムＰ３はまた、入射ビームをセンサーＤ２に向けて反射するために内部反射を使用しない。一実施形態では、２つの非内部反射を使用して、ビームＦおよびＧを介して入射ビームＥをセンサーＤ２に向ける。一実施形態では、プリズムＰ１、Ｐ２、Ｐ３、およびＰ４の間にエアギャップはない。
【0048】
プリズムＰ３の後方に、別の補償プリズムＰ４がある。最終的に、ビームＨは、それぞれセンサーＤ３、Ｄ４、Ｄ５を備えたプリズムＰ５、Ｐ６、Ｐ７を含むダイクロイックプリズムアセンブリに入射する。Ｐ５、Ｐ６、およびＰ７のダイクロイックプリズムアセンブリは、図２を参照して既に説明されている。一実施形態では、プリズムＰ４とプリズムＰ５との間にエアギャップがある。
【0049】
図５では、各エンドポイントチャネルに対して次の合計経路長が定義される（チャネルの最後のセンサーに関して定義される）。
【0050】
－センサーＤ１（たとえば第１の近赤外線）の経路：Ａ＋Ｂ＋Ｃ
－センサーＤ２（たとえば第２の近赤外線）の経路：Ａ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ
－センサーＤ３（たとえば赤）の経路：Ａ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｊ＋Ｋ
－センサーＤ４（たとえば青）の経路：Ａ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｏ
－センサーＤ５（たとえば緑）の経路：Ａ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｍ＋Ｎ。
－センサーＤ２（たとえば第２の近赤外線）の経路：Ａ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ
－センサーＤ３（たとえば赤）の経路：Ａ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｊ＋Ｋ
－センサーＤ４（たとえば青）の経路：Ａ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｏ
－センサーＤ５（たとえば緑）の経路：Ａ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｍ＋Ｎ。
【0051】
一実施形態では、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝Ａ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＝Ａ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｊ＋Ｋ＝Ａ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｏ＝Ａ＋Ｄ＋Ｅ＋Ｈ＋Ｉ＋Ｍ＋Ｎとなるよう、経路長は適合される。経路長の適合には、センサーＤ１～Ｄ５で検出される波長の焦点面焦点位置差の調整が含まれうる。つまり、たとえば、青色（Ｂ）光のセンサーに向かう経路長は、赤色（Ｒ）光のセンサーに向かう経路長と正確に同じではない場合がある。というのは、鮮明で焦点の合った画像を作成するための理想的な距離は、光の波長にいくらか依存するからである。プリズムは、これらの依存関係を考慮して、構成することができる。
【0052】
Ｄ＋Ｈの長さは調整可能で、波長シフトにより焦点補償器として機能する。
【0053】
経路Ｉにおけるより大きなエアギャップは、追加のフィルターのために使用することができ、または、焦点のシフトと補正のためにガラスの補償器で埋めることができる。ビームＪからビームＫへの経路での内部反射の理由により、赤色プリズムの特定の底面にエアギャップが存在する必要がある。追加のフィルターを設けるためにプリズム出力面と各センサーＤ１－５の間にスペースを確保することができ、またはそれに応じたガラスの補償器で埋められる必要がある。
【0054】
Ｐ１とＰ３が本質的に同じ反射経路を使用するという事実の利点は、このように、光学アセンブリはほとんど一方の側にセンサーを有することができ（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３はすべて一方の側）、それでも均等な量の方向変更を使用し、すべてのセンサーが同じ画像を見て、ミラー効果を補正する必要はないということである。
【0055】
通常、光学プリズムは青色、緑色、および赤色チャネルという３チャネルの場合と同様に設計されており、そのように経路長は非常に長く、特に幅の広いプリズムを必要とし、その結果、内視鏡、腹腔鏡、またはハンドヘルドイメージングシステムでの使用に適さない大きなモジュールになる。さらに、２つのチャネル（センサーＤ１とＤ２）は互いに反対である必要があり、２つのセンサー間の距離が大きいため、電子機器がより扱いにくくなる。図５の実施形態では、２つのセンサーＤ１およびＤ２は、プリズムＰ１およびＰ３と同じ側にあり得る。
【0056】
本発明の一実施形態によれば、最初の２つのプリズムＰ１、Ｐ３は、少なくとも５つの角が使用され、すべての角が９０度以上の内角を有する五角形の形状を有する。
【0057】
これらの各プリズムには、追加の補償プリズムＰ２、Ｐ４があり、平坦な光の出射面ペインを形成すると同時に、すべてのセンサーの経路長を一致させることができる経路長補償機能を備えている。
【0058】
本発明の一実施形態では、寸法は以下のようになっている。センサーを含む５チャンネル構成の場合、モジュールの全高は３０ｍｍ以下である。最大幅は、１５ｍｍ以下である。最大長は４５ｍｍ以下である。
【0059】
本発明の一実施形態では、ダイクロイックプリズムアセンブリを使用するシステムは、赤外線フレーム挿入を使用せずに、６０Ｆｐｓで各色当たり１２ビットにつき３８４０×２１６０のアーティファクトのないフルカラーの画像解像度を創出する能力を有する。赤外線フレームも、１２ビットにつきこれらと同じ解像度で利用可能である。
【0060】
本発明の別の利点は、経路をＤ１およびＤ２に接続するすべての表面が平坦であることによるものである。したがって、モジュール（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）を簡単に位置合わせできるため、自動組み立てが容易である。これらのモジュールは、個別に準備した後、簡単なロボットまたは手動ツールで結合することができる。
【0061】
経路長Ａはすでに補償されているため、第２のプリズムＰ３（Ｄ２経路用）はプリズムＰ１（Ｄ１経路用）より小さくすることができる。Ｄ１への経路の第１のプリズムをわずかに長い長さ（Ａ）に成形するために、Ｄ１への内部経路全体を完全に一致させ、Ｄ２への経路の全長を可能な限り補正することができる。
【0062】
五角柱は、通常、正五角柱ではない。たとえば、Ｐ１断面の長さａ（ビームＢおよびＣの長さに影響する）は、長さｂ（ビームＡおよびＢの長さに影響する）よりも小さい場合がある。
【0063】
前述の図４（４つのセンサーＦ２～Ｆ５を使用）および図５（５つのセンサーＦ１～Ｆ５を使用）のダイクロイックプリズムアセンブリは、以下に概略的に示すさらなる例示的な実施形態を可能にする。
－２つの異なるＩＲ波長範囲を使用する用途：それぞれのチャネルごとに、パターンフィルター２０（赤／青）、２３（緑）、２５（第１のＩＲ）、および２５（第２のＩＲ波長範囲）を備えた、図４の４チャネルダイクロイックプリズムアセンブリ；
－３つの異なるＩＲ波長範囲を使用する用途：それぞれのチャネルごとに、パターンフィルター２０（赤／青）、２３（緑）、２５（第１のＩＲ）、および２７（第２および第３のＩＲ波長範囲）を備えた、図４の４チャネルダイクロイックプリズムアセンブリ；
－４つの異なるＩＲ波長範囲を使用する用途：それぞれのチャネルごとに、パターンフィルター２０（赤／青）、２３（緑）、２７（第１および第２のＩＲ）、および２７（第３および第４のＩＲ波長範囲）を備えた、図４の４チャネルダイクロイックプリズムアセンブリ；
－３つの異なるＩＲ波長範囲を使用する用途：それぞれのチャネルごとに、パターンフィルター２０（赤／青）、２３（緑）、２５（第１のＩＲ）、および別の２５（第２のＩＲ波長範囲）、およびさらに別の２５（第３のＩＲ波長範囲）を備えた、図５の５チャネルダイクロイックプリズムアセンブリ。
－２つの異なるＩＲ波長範囲を使用する用途：それぞれのチャネルごとに、パターンフィルター２０（赤／青）、２３（緑）、２５（第１のＩＲ）、および２５（第２のＩＲ波長範囲）を備えた、図４の４チャネルダイクロイックプリズムアセンブリ；
－３つの異なるＩＲ波長範囲を使用する用途：それぞれのチャネルごとに、パターンフィルター２０（赤／青）、２３（緑）、２５（第１のＩＲ）、および２７（第２および第３のＩＲ波長範囲）を備えた、図４の４チャネルダイクロイックプリズムアセンブリ；
－４つの異なるＩＲ波長範囲を使用する用途：それぞれのチャネルごとに、パターンフィルター２０（赤／青）、２３（緑）、２７（第１および第２のＩＲ）、および２７（第３および第４のＩＲ波長範囲）を備えた、図４の４チャネルダイクロイックプリズムアセンブリ；
－３つの異なるＩＲ波長範囲を使用する用途：それぞれのチャネルごとに、パターンフィルター２０（赤／青）、２３（緑）、２５（第１のＩＲ）、および別の２５（第２のＩＲ波長範囲）、およびさらに別の２５（第３のＩＲ波長範囲）を備えた、図５の５チャネルダイクロイックプリズムアセンブリ。
【0064】
図２、４、および５のダイクロイックプリズムアセンブリとパターンフィルター２０、２３、２５、２７を使用して、さらに多くの組み合わせを作成することができる。
【0065】
すでに述べたように、本発明は、図３ａ～３ｄの例示的なパターンフィルターに限定されない。図３ａに示すグリッドは、赤色と青色のフィルター処理されたピクセルの２ｘ２の島を使用しているが、単なる例にすぎない。
【0066】
図６ａは、本発明の実施形態による内視鏡１０または腹腔鏡１０を概略的に示している。本発明の目的のために、腹腔鏡と内視鏡との差は比較的小さいので、説明が内視鏡に言及する場合、腹腔鏡の構成も通常可能である。内視鏡／腹腔鏡１０は、図２、４または５に示されるようなダイクロイックプリズムアセンブリ１５を含むカメラモジュール１１を備える。カメラモジュール１１は、ダイクロイックプリズムアセンブリ１５の入射面に入射光を集束させるための追加のレンズ１２を含むこともできる。この最後のレンズ１２は、内視鏡部分の最後の部分に組み込まれ、プリズムの背面焦点距離に一致するようにしてもよい。光源１３に接続された光ファイバー１４は、内視鏡１０に光を結合する。内視鏡の内部では、光ファイバー１４はいくつかのファイバー１４′に分かれている。
【0067】
腹腔鏡の内部では、レンズ要素および／またはリレーロッドレンズで構成されるレンズシステムが作成されるか（標準的な腹腔鏡と同様）、または内視鏡の構成では、標準的な可撓性の内視鏡のように繊維束を使用できる。さらに、高速画像処理および画像クリーンアップのためにカメラモジュール１１に処理ユニット（図示せず）を配置して、データを送信する必要がないように、オプションでデータを削減してもよい。
【0068】
本発明の別の実施形態では、処理ユニットは、イメージングシステムおよび光学要素からさらに離れて配置される。特に内視鏡システムの、しかし限定されない構成にも重要な点は、処理ユニットとプリズム要素に配置されたイメージセンサーとの間で転送されるシステムの電子信号を提供するケーブル配線と、撮像対象に照明を提供するケーブルである。ほとんどの構成は、低電圧差動信号（ＬＶＤＳ）に基づいた２つのケーブルシステムを有する。ただし、これらのケーブルのデータ転送速度は、ケーブルの長さにほとんど制限される。本発明で提案される光学構成は、内視鏡医用イメージングシステムにおいて、通常よりも高いビットレートでより多くのデータを転送する必要があることを意味する。使いやすさとサイズは、２本のケーブルが必要であるという事実によって大きく妨げられる（１本は光用、もう１本は画像信号と制御信号の電気用）。単にケーブル対を追加することが標準的解決法であるが、これの不都合な点は、ケーブルの最低限必要な太さがカメラヘッドの柔軟性と敏捷性を制限することである。さらに、ケーブルの径が太く重くなり、カメラヘッドの内部でより多くの電子機器が必要になり、カメラヘッドがより大きく重くなる。
【0069】
図６ｂは、ダイクロイックプリズムアセンブリ１５’（たとえば、図４または５に示されるアセンブリ）およびレンズ１２’が内視鏡１０の先端に配置される実施形態を示す。この実施形態では、光を先端からカメラモジュールに移送する必要はない。しかしながら、処理ユニットを収容するモジュール１８にセンサーＤ１～Ｄ５からの信号を移送する必要がある。腹腔鏡のチューブに通常配置されるロッドリレーレンズ、または内視鏡の場合のファイバーはもはや必要ではなく、単純なレンズシステム１２’のみがプリズムアセンブリの前に配置される必要があるだけである。
【0070】
これらの実施形態のいずれにおいても、４本の小さな径の同軸ケーブル５１を含み、これらを光ファイバケーブル５４の周りに配置／一体化することが可能である。次いで、ケーブルは、統合部と、カメラと光エンジンを備えた制御システムとの間で直接結合される単一ケーブルとして、安定性を向上させるためのオプションのフィラーケーブル５６と融合される。そのような配置は図６ｃに示されており、中心コアファイバ５４は光エンジンから内視鏡の先端まで光を運ぶことができ、直径同軸ケーブル５１は先端にある検出器Ｄ１～Ｄ５からの信号をハウジング５３の処理ユニットに運ぶことができる。転送されるデータの量と同軸ケーブル５１の必要な長さに応じて、適切な数の同軸ケーブル、たとえば１、２、３、４、またはそれ以上を選択できる。
【0071】
【0072】
一実施形態では、プリズムＰ１又はＰ３は、前記入射面の法線に平行な方向で入射面に入射する入射ビームがプリズム内で２回反射され、前記出射面の法線に平行な出射面からプリズムから出射するように設計された角を有し、ここにおいて、入射面の法線と出射面の法線は互いに垂直である。
【0073】
当業者は、そのようなプリズムを設計することができる。図７ａの例では、５つの角度の１つは直角（面Ｆ１とＦ２の間）であり、２つの角度は第１の値であるα≧９０度（面Ｆ２とＦ３およびＦ３とＦ４の間）を有し、および２つの角度は第２の値である２２５－α度（面Ｆ１とＦ５およびＦ５とＦ４の間）を有し、五角形プリズムの内角の合計は５４０度である。簡単に確認できるように、図７ａに示すような五角形プリズムは、面Ｆ３およびＦ５に対する２つの反射を使用して、面Ｆ１の法線と平行に面Ｆ１から入射する水平方向の入射ビームを内側に反射し、面Ｆ２の法線と平行に、面Ｆ２を通って垂直方向にプリズムから出射させる。面Ｆ３での最初の反射では、ビームは反射面の法線とα－９０度の角度を成す。２回目の反射では、面Ｆ５で、反射面の法線との角度は１３５－αである。この例では、角度αの値は９０＜α＜１３５である。
【0074】
特定の実施形態では、αの値は１１２．５度であり、したがって五角形プリズムは１つの直角と４つの１１２．５度の角を有する。
【0075】
図７ｂは、図７ａのプリズムの縮小部分を示している。線の構成からわかるように、プリズムの１つの角度が９０度（Ｆ１とＦ２の間）、９０度の角に隣接する一方の角度がα、９０度の角に隣接する他方の角度（Ｆ１とＦ５の間）が２２５－αであればよい。Ｆ３とＦ４およびＦ４とＦ５の間の角度は、実際に自由に選択することができる。
【0076】
当業者は、入射ビームと出射ビームが互いに直角でないプリズムを設計することもできよう。しかしながら、レンズシステムから別の光の角度が来るので、入射主光線と出射主光線が互いに直角である、図７ｂの実施形態のような設計には実際的な利点がある。
【0077】
五角形のプリズム形状は、プリズムＰ１およびＰ３の理にかなった、かつ実用的な選択である。しかしながら、図７ｂから明らかなように、必要な反射の条件を創出するために、実際にはさまざまなタイプのプリズム形状が目的を果たす。したがって、本発明は五角形プリズムの使用に限定されない。
【0078】
図の前述の説明において、本発明はその特定の実施形態を参照して説明された。しかし、添付の特許請求の範囲に要約されている本発明の範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更をこれに加えることができることは明らかであろう。
【0079】
さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多くの修正を加えることができる。したがって、本発明は開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に入るすべての実施形態を含むものとする。
【0080】
特に、本発明の様々な態様の特定の特徴の組み合わせを作成することができる。本発明のある態様は、本発明の別の態様に関連して説明された特徴を追加することによりさらに有利に強化され得る。
【0081】
本発明は、添付の特許請求の範囲およびその技術的同等物によってのみ制限されることを理解されたい。この文書およびその請求項において、「備える」という動詞およびその活用形は、特に言及されない項目を除外することなく、その単語に続く項目が含まれることを意味する非限定的な意味で使用される。さらに、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による要素への言及は、文脈上、要素が１つだけであることを明確に要求しない限り、複数の要素が存在する可能性を排除しない。したがって、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は通常「少なくとも１つ」を意味する。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ 対象画像から可視光および赤外光を受光するように構成されたカメラモジュールを備えた医用イメージングシステムを使用して、可視光および赤外光を検出するための方法であって、前記方法は、
－励起光で組織サンプル中の蛍光剤を励起することと、
－可視光で前記組織サンプルを照らすことと、
－可視光と、前記蛍光剤から生じる１つまたは複数の赤外蛍光光を含む、前記対象画像からの光を受光することと、
－前記受光した光を第１、第２、および第３の光路に分割することと、
－前記第１、第２、および第３の光路で受光した光を、それぞれ第１、第２、および第３の光学フィルターを介してフィルター処理することと、
－第１、第２、および第３のセンサーをそれぞれ使用して、前記第１、第２、および第３の光路で前記フィルター処理された光を検出することと、を備え、
ここにおいて、前記第１、第２、および第３フィルターは、任意の順序で、緑色フィルター、赤外線フィルター、および交互パターンの赤色および青色フィルターを備えた赤／青パターン化されたフィルターであり、これにより前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は青色フィルターを通過し、前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は赤色フィルターを通過する、方法。
［２］ 前記赤／青パターン化されたフィルターが複数のピクセルのグループを備え、各グループが赤色または青色のいずれかの光に対するフィルターを有する、［１］に記載の方法。
［３］ 異なるフィルターを有する前記グループが市松模様に配置される、［２］に記載の方法。
［４］ 各グループが２×２ピクセルを備える、［２］または［３］に記載の方法。
［５］ 前記赤外線フィルターは、７００ｎｍより高く８００ｎｍより低いか、または８００ｎｍより高く９００ｎｍより低い赤外線波長範囲の光に対して透過性である、［１］～［４］のいずれか１項に記載の方法。
［６］ 前記赤外線フィルターは、１つ以上のピクセルのグループを備え、各グループは、第１または第２の赤外線波長範囲のいずれかのフィルターを有し、ここにおいて、前記第１または第２の赤外線波長範囲を有するグループが、市松模様のような交互パターンで配置される［１］～［５］のいずれか１項に記載の方法。
［７］ 前記第１の赤外線波長範囲は７００ｎｍより高く８００ｎｍより低く、前記第２の赤外線波長範囲は８００ｎｍより高く９００ｎｍより低い、［６］に記載の方法。
［８］ 前記受光した光を第１、第２、および第３の光路に分割することに加えて、前記受光した光を第４の光路に分割することと、前記第４の光路で受光した光を第４の光学フィルターを介してフィルター処理することと、をさらに備え、ここにおいて前記第４の光学フィルターは第２の赤外線フィルターである、［１］～［７］のいずれか１項に記載の方法。
［９］ 可視光および赤外光を検出するための医用イメージングシステムであって、前記医用イメージングシステムは、
－組織を照らすための可視光の入力と、
－前記組織内の蛍光剤を励起するための励起光の入力と、
－前記組織内の対象画像から可視光と赤外光を受光するように構成されたカメラモジュールとを備え、前記カメラモジュールは、前記対象画像からの光をそれぞれ第１、第２、および第３のセンサーに導くための少なくとも第１、第２、および第３の光路を備え、ここにおいて
－前記第１の光路は第１のフィルターを備え、
－前記第２の光路は第２のフィルターを備え、
－前記第３の光路は第３のフィルターを備え、
ここにおいて、前記第１、第２、および第３フィルターは、任意の順序で、緑色フィルター、赤外線フィルター、および交互パターンの赤色および青色フィルターを含む赤／青パターン化されたフィルターであり、前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は青色フィルターを通過し、前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は赤色フィルターを通過する医用イメージングシステム。
［１０］ 前記赤／青パターン化されたフィルターが複数のピクセルのグループを備え、各グループが赤色または青色のいずれかの光に対するフィルターを有する、［９］に記載の医用イメージングシステム。
［１１］ 異なるフィルターを有する前記グループが市松模様に配置される、［１０］に記載の医用イメージングシステム。
［１２］ 各グループが２×２ピクセルを備える、［９］または［１０］に記載の医用イメージングシステム。
［１３］ 前記赤外線フィルターは、７００ｎｍより高く８００ｎｍより低いか、または８００ｎｍより高く９００ｎｍより低い赤外線波長範囲の光に対して透過性である、［９］～［１２］のいずれか１項に記載の医用イメージングシステム。
［１４］ 前記赤外線フィルターは、１つ以上のピクセルのグループを備え、各グループは、第１または第２の赤外線波長範囲のいずれかのフィルターを有し、ここにおいて、前記第１または第２の赤外線波長範囲を有するグループが、市松模様のような交互パターンで配置される、［９］～［１３］のいずれか１項に記載の医用イメージングシステム。
［１５］ 前記第１の赤外線波長範囲は７００ｎｍより高く８００ｎｍより低く、前記第２の赤外線波長範囲は８００ｎｍより高く９００ｎｍより低い、［１４］に記載の医用イメージングシステム。
［１６］ 入射面を通して前記対象画像からの光を受光するように構成されたダイクロイックプリズムアセンブリを備えており、前記ダイクロイックプリズムアセンブリは、少なくとも第１、第２、および第３のプリズムを備え、各プリズムがそれぞれ第１、第２、および第３の出射面を有し、ここにおいて、
－前記第１の出射面は第１のセンサーを備え、
－前記第２の出射面は第２のセンサーを備え、
－前記第３の出射面は第３のセンサーを備える、［９］～［１５］のいずれか１項に記載の医用イメージングシステム。
［１７］ 第４のプリズムを備え、前記第４のプリズムは、少なくとも５つの角を持つ断面を有し、各角は少なくとも９０度の内角を有し、前記第４のプリズムは、第４のフィルターを有する第４の光路を形成し、第４の光センサーを備えた第４の出射面を有し、ここにおいて、前記第４のフィルターは、第２の赤外線フィルターである、［１６］に記載の医用イメージングシステム。
［１８］ 第５のプリズムを備え、前記第５のプリズムは、少なくとも５つの角を持つ断面を有し、各角は少なくとも９０度の内角を有し、前記第５のプリズムは、第５のフィルターを有する第５の光路を形成し、第５の光センサーを備えた第５の出射面を有し、ここにおいて、前記第５のフィルターは、第３の赤外線フィルターである、［１７］に記載の医用イメージングシステム。
［１９］ ［９］～［１８］のいずれか１項に記載の医用イメージングシステムを少なくとも１つ備えた、内視鏡、腹腔鏡（１０）、または開放レンズシステム。
［２０］ 前記カメラモジュールに光の焦点を合わせるためのレンズ（１２）をさらに備える、［１９］に記載の内視鏡、腹腔鏡（１０）、または開放レンズシステム。
［２１］ 光エンジンからの光を手術野に提供して照明するための光ファイバーコア（５４）を備えた統合ケーブルを使用し、前記光ファイバーコアはセンサーデータを伝送するための複数の同軸ケーブル（５１）に囲まれている、［１９］または［２０］に記載の内視鏡、腹腔鏡、または開放レンズシステム。
［２２］ フレーム取得頻度が少なくとも毎秒６０フレーム／秒であり、サンプリングレートが少なくとも８ビット／ピクセルである、［１９］～［２１］のいずれか１項に記載の内視鏡、腹腔鏡、または開放レンズシステム。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ 対象画像から可視光および赤外光を受光するように構成されたカメラモジュールを備えた医用イメージングシステムを使用して、可視光および赤外光を検出するための方法であって、前記方法は、
－励起光で組織サンプル中の蛍光剤を励起することと、
－可視光で前記組織サンプルを照らすことと、
－可視光と、前記蛍光剤から生じる１つまたは複数の赤外蛍光光を含む、前記対象画像からの光を受光することと、
－前記受光した光を第１、第２、および第３の光路に分割することと、
－前記第１、第２、および第３の光路で受光した光を、それぞれ第１、第２、および第３の光学フィルターを介してフィルター処理することと、
－第１、第２、および第３のセンサーをそれぞれ使用して、前記第１、第２、および第３の光路で前記フィルター処理された光を検出することと、を備え、
ここにおいて、前記第１、第２、および第３フィルターは、任意の順序で、緑色フィルター、赤外線フィルター、および交互パターンの赤色および青色フィルターを備えた赤／青パターン化されたフィルターであり、これにより前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は青色フィルターを通過し、前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は赤色フィルターを通過する、方法。
［２］ 前記赤／青パターン化されたフィルターが複数のピクセルのグループを備え、各グループが赤色または青色のいずれかの光に対するフィルターを有する、［１］に記載の方法。
［３］ 異なるフィルターを有する前記グループが市松模様に配置される、［２］に記載の方法。
［４］ 各グループが２×２ピクセルを備える、［２］または［３］に記載の方法。
［５］ 前記赤外線フィルターは、７００ｎｍより高く８００ｎｍより低いか、または８００ｎｍより高く９００ｎｍより低い赤外線波長範囲の光に対して透過性である、［１］～［４］のいずれか１項に記載の方法。
［６］ 前記赤外線フィルターは、１つ以上のピクセルのグループを備え、各グループは、第１または第２の赤外線波長範囲のいずれかのフィルターを有し、ここにおいて、前記第１または第２の赤外線波長範囲を有するグループが、市松模様のような交互パターンで配置される［１］～［５］のいずれか１項に記載の方法。
［７］ 前記第１の赤外線波長範囲は７００ｎｍより高く８００ｎｍより低く、前記第２の赤外線波長範囲は８００ｎｍより高く９００ｎｍより低い、［６］に記載の方法。
［８］ 前記受光した光を第１、第２、および第３の光路に分割することに加えて、前記受光した光を第４の光路に分割することと、前記第４の光路で受光した光を第４の光学フィルターを介してフィルター処理することと、をさらに備え、ここにおいて前記第４の光学フィルターは第２の赤外線フィルターである、［１］～［７］のいずれか１項に記載の方法。
［９］ 可視光および赤外光を検出するための医用イメージングシステムであって、前記医用イメージングシステムは、
－組織を照らすための可視光の入力と、
－前記組織内の蛍光剤を励起するための励起光の入力と、
－前記組織内の対象画像から可視光と赤外光を受光するように構成されたカメラモジュールとを備え、前記カメラモジュールは、前記対象画像からの光をそれぞれ第１、第２、および第３のセンサーに導くための少なくとも第１、第２、および第３の光路を備え、ここにおいて
－前記第１の光路は第１のフィルターを備え、
－前記第２の光路は第２のフィルターを備え、
－前記第３の光路は第３のフィルターを備え、
ここにおいて、前記第１、第２、および第３フィルターは、任意の順序で、緑色フィルター、赤外線フィルター、および交互パターンの赤色および青色フィルターを含む赤／青パターン化されたフィルターであり、前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は青色フィルターを通過し、前記赤／青パターン化されたフィルターが受ける光の半分は赤色フィルターを通過する医用イメージングシステム。
［１０］ 前記赤／青パターン化されたフィルターが複数のピクセルのグループを備え、各グループが赤色または青色のいずれかの光に対するフィルターを有する、［９］に記載の医用イメージングシステム。
［１１］ 異なるフィルターを有する前記グループが市松模様に配置される、［１０］に記載の医用イメージングシステム。
［１２］ 各グループが２×２ピクセルを備える、［９］または［１０］に記載の医用イメージングシステム。
［１３］ 前記赤外線フィルターは、７００ｎｍより高く８００ｎｍより低いか、または８００ｎｍより高く９００ｎｍより低い赤外線波長範囲の光に対して透過性である、［９］～［１２］のいずれか１項に記載の医用イメージングシステム。
［１４］ 前記赤外線フィルターは、１つ以上のピクセルのグループを備え、各グループは、第１または第２の赤外線波長範囲のいずれかのフィルターを有し、ここにおいて、前記第１または第２の赤外線波長範囲を有するグループが、市松模様のような交互パターンで配置される、［９］～［１３］のいずれか１項に記載の医用イメージングシステム。
［１５］ 前記第１の赤外線波長範囲は７００ｎｍより高く８００ｎｍより低く、前記第２の赤外線波長範囲は８００ｎｍより高く９００ｎｍより低い、［１４］に記載の医用イメージングシステム。
［１６］ 入射面を通して前記対象画像からの光を受光するように構成されたダイクロイックプリズムアセンブリを備えており、前記ダイクロイックプリズムアセンブリは、少なくとも第１、第２、および第３のプリズムを備え、各プリズムがそれぞれ第１、第２、および第３の出射面を有し、ここにおいて、
－前記第１の出射面は第１のセンサーを備え、
－前記第２の出射面は第２のセンサーを備え、
－前記第３の出射面は第３のセンサーを備える、［９］～［１５］のいずれか１項に記載の医用イメージングシステム。
［１７］ 第４のプリズムを備え、前記第４のプリズムは、少なくとも５つの角を持つ断面を有し、各角は少なくとも９０度の内角を有し、前記第４のプリズムは、第４のフィルターを有する第４の光路を形成し、第４の光センサーを備えた第４の出射面を有し、ここにおいて、前記第４のフィルターは、第２の赤外線フィルターである、［１６］に記載の医用イメージングシステム。
［１８］ 第５のプリズムを備え、前記第５のプリズムは、少なくとも５つの角を持つ断面を有し、各角は少なくとも９０度の内角を有し、前記第５のプリズムは、第５のフィルターを有する第５の光路を形成し、第５の光センサーを備えた第５の出射面を有し、ここにおいて、前記第５のフィルターは、第３の赤外線フィルターである、［１７］に記載の医用イメージングシステム。
［１９］ ［９］～［１８］のいずれか１項に記載の医用イメージングシステムを少なくとも１つ備えた、内視鏡、腹腔鏡（１０）、または開放レンズシステム。
［２０］ 前記カメラモジュールに光の焦点を合わせるためのレンズ（１２）をさらに備える、［１９］に記載の内視鏡、腹腔鏡（１０）、または開放レンズシステム。
［２１］ 光エンジンからの光を手術野に提供して照明するための光ファイバーコア（５４）を備えた統合ケーブルを使用し、前記光ファイバーコアはセンサーデータを伝送するための複数の同軸ケーブル（５１）に囲まれている、［１９］または［２０］に記載の内視鏡、腹腔鏡、または開放レンズシステム。
［２２］ フレーム取得頻度が少なくとも毎秒６０フレーム／秒であり、サンプリングレートが少なくとも８ビット／ピクセルである、［１９］～［２１］のいずれか１項に記載の内視鏡、腹腔鏡、または開放レンズシステム。
【図1a】
【図1b】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7A】
【図7B】