1.はじめに

 古来より、疾患を理解し、診断・治療を行うために病変の可視化が試みられてきたが、体表面に病変がある場合を除いて、侵襲性の高い外科的処置なしに病変を体表から視認するのは困難であった。1970年代にComputed Tomography（CT）や超音波診断装置、消化管内視鏡などの革新的な画像診断装置が次々と実用化されると非侵襲・低侵襲で病変が可視化され、疾患の診断精度が格段に向上すると共に、疾患の病態メカニズムの理解が進んだ。本稿では、日本発の光学医療機器である消化管内視鏡に焦点を当て、画像センサがどのように内視鏡技術を支えているか概説する。

2.消化管内視鏡と画像強調内視鏡

 消化管内視鏡の原型は1950年に東京大学とOlympus社の協同研究で開発された胃カメラにある¹⁾。当初は先端部のカメラと光源で胃内部の写真を撮影するもので、目視によるリアルタイム観察ができなかった。光ファイバの開発によって胃カメラはファイバスコープへと変容し、接眼部から胃内部を直接視認できるようになった。さらにCCD画像センサの小型化が進むと先端部にCCDカメラを内蔵したビデオスコープが開発され、消化管内腔の画像をリアルタイムに複数人で共有できるようになった。ビデオスコープ開発から約50年、消化管内視鏡は消化器癌の早期発見に必須の検査となり、現在では胃・十二指腸で年間50万件、大腸で20万件を超える検査が国内で行われている（図1）²⁾。

 消化管内腔が見えるようになると、粘膜表面の癌が肉眼で判別しにくいなど、通常の光学観察で病変特定が困難なケースが多く存在する事が分かってきた。そこで近年は早期癌や炎症を検出する新たな画像解析技術の研究開発が行われている。Olympus社のNarrow Band Imaging（NBI）や富士フイルム社のFlexible spectral Imaging Color Enhancement（FICE）など画像強調技術は臨床応用も順次進んでおり、この分野でも日本が世界をリードしている³⁾。

 ここで言う画像強調とは、ヘモグロビンの吸収波長が周辺組織と異なることを利用し、血管の輪郭を強調して可視化する画像処理技術である⁴⁾。生体に光を照射すると、血液中の赤血球に多く含まれる色素ヘモグロビンが400 nm付近と520 nm付近の波長帯の光を強く吸収する（図2a）。一方、同じ波長でも血管の周辺組織を進む光は吸収されずに散乱して体表面に戻るため（図2b）、血管に当たった光とそうでない光とでヘモグロビンの吸収波長帯の明暗コントラストが大きくなる。NBIは青色と緑色の狭帯域光を照射し、血管で両者の光が吸収されることから血管の輪郭を強調する。FICEは白色光を照射し、粘膜からの散乱光スペクトル分析から、青色光や緑色光の吸収が強い血管の輪郭を描出する。照射光や画像取得法に違いはあるが、癌で早期から増成する血管を捉えて癌の早期発見を実現する画期的な画像技術である。さらに、光の特性として波長の短い青色光は表皮付近で散乱・吸収が生じ、波長の長い緑色光は青色光より深部まで到達する。このため青色光は浅い部分、緑色光は深い部分の血管の可視化に適する。今後は画像分析によって、血管の広がりだけでなく深さ方向まで、より詳細な走行を可視化できるようになると期待される。

3.画像センサとカラー画像

 内視鏡や画像強調観察には、光を検出する画像センサが必要不可欠である。画像センサでは受光素子の数が画素数として表現されるが、各受光素子のフォトダイオードが受光すると、光の強弱に応じた電荷を生じる（光電変換）。受光素子で変換・蓄積された電荷は、増幅器で電荷に応じた電圧値に変換されて信号出力される。固体撮像素子には電荷の伝送形式が異なるCCD（Charge Coupled Device：電荷結合素子）とCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体）がある。CCDセンサではフォトダイオードの電荷は伝送路をバケツリレーのように伝送・統合され、増幅器で電圧に変換される。一般にCCDセンサは高感度・低ノイズだが、常に全ての素子を稼働させるため電力消費が大きく、また高度な製造技術を要するため高価になる傾向がある。一方CMOSセンサは個々の画素がフォトダイオードとトランジスタを備え、画素ごとに信号を増幅して読み出すことで高速伝送を可能にする。CCDより安価で消費電力が小さく、高集積化によるオンチップデバイスなど小型化も進んでいる。以前はCCDに比べて高ノイズ・低感度とされてきたが、最近では低ノイズ・高感度化されている。初期には内視鏡先端部は主にCCDセンサが用いられたが、最近では高感度CMOSセンサを搭載した内視鏡も多く開発されている。

 画像センサはさらにモノクローム（モノクロ）センサとカラーセンサに分けられる。モノクロセンサは被写体からの光量に応じて白から黒までの濃淡を2ⁿ階調（n: ビット数）で表すが、色情報は欠落する。一方カラーセンサは、受光素子にR、G、B三色のフィルタを搭載し、各受光素子がフィルタに対応する色を検出してカラー画像を取得する。光沢などのために明暗だけで表面情報を検出できない観察対象でも色に基づいた検出ができるが、フィルタ越しの検出で感度が低下し、受光素子を3色に割り振るため単色ごとの受光素子数が減少して解像度も低下する。モノクロセンサでもカラー画像取得は可能である。対象に青・緑・赤色の単色光を照射してモノクロ画像で撮像し、光量に対応する階調で各照射光に該当する擬似カラーを割り当てて合成すると、白色光で撮像したようにカラー画像を再構築できる。光源の切り替えや画像処理のため時間分解能は低下するが、高解像度のカラー画像を取得できる。

 ここまで医療における画像技術の応用例として消化管内視鏡を紹介し、それを支える画像センサについて概説した。後半では画像センサで得られた画像の評価について、当研究室の研究成果の一部を紹介しつつ概説する。

次回に続く－

【著者紹介】

納谷　友希（なや　ゆうき）
徳島大学大学院医学研究科医科学専攻　生体防御医学分野
徳島大学ポストLEDフォトニクス研究所　医光融合研究部門

■略歴
2017〜2021年　徳島大学理工学部　理工学科　情報光システムコース（光系）
2021年〜　徳島大学大学院医科学教育部　医学研究科　医科学専攻

理工学部から「医学と光技術を融合させた研究」に興味を持ち、徳島大学ポストLEDフォトニクス研究所医光融合研究部門の髙成研究室で卒業研究を行う。現在も同研究室にて修論研究に従事している。

髙成　広起（たかなり　ひろき）
徳島大学ポストLEDフォトニクス研究所　医光融合研究部門　准教授

■略歴
2000年　名古屋大学医学部医学科　卒業
2011年　名古屋大学大学院医学系研究科　学位（医学）取得
2011〜2013年　University Medical Center Utrecht（オランダ）　博士研究員
2013〜2016年　大分大学医学部　病態生理学講座　助教
2016〜2019年　徳島大学病院　糖尿病対策センター　特任講師
2019〜2022年　徳島大学ポストLEDフォトニクス研究所　医光融合研究部門　特任講師
2022年〜　現職

6年間の臨床医としての経験を経て基礎研究へ転身。主に細胞や生体の生理機能を視覚的に捉えるバイオイメージングの研究を行う。2019年から徳島大学ポストLEDフォトニクス研究所医光融合研究部門に所属し、「医学と光技術を融合させた研究」を目指して、従来のバイオイメージングに加えて新しいイメージング法の開発などに従事している。

1. はじめに

 スマートファクトリー化の一環として、製品の形状検査は接触式測定から非接触式の光学測定へ置き換えが進められている。これにより、従来抜き取り検査で行われてきた製品の形状測定をインラインで、かつ全数検査とすることが可能となる。更に省人化や生産性の向上も期待できる。光学測定による非接触・非破壊検査の手法には、白色干渉法やOCT(Optical Coherence Tomography)など種々の干渉計測法があるが、これらの手法は数µm～数mmの測定レンジでnm～µmオーダーの高精度測定が実現できる特長を持つ。このため、小面積で浅い深度に対する近距離・高精度測定に適している。反面、対象物がcm～mオーダーの大面積である場合、一度に測定できる狭い範囲に分割して対象全体を少しずつ測定するため、時間や手間がかかる。大面積の測定対象物に対して、測定レンジ、測定精度共に最適な手法がOFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)である。本手法はFMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)法としても広く知られている技術である。波長掃引光源を用いた干渉計測法であるOFDRは、測定対象物からの反射光と参照光との間で生成される干渉信号から、測定対象物までの距離を高精度に測定する手法であり、数cm～数mまでの距離を数µmの精度で測定可能である。その特長からLiDAR(Light Detection And Ranging)向けなどへの応用が進められている。ここで利用される波長掃引光源は、測定に要求される分解能や速度によって、適切な仕様の光源を選択する必要がある。例えば、高い位置分解能を得るためには、波長掃引幅が広い光源を必要とし、高速に移動する対象物の位置に応答して測定するためには、波長掃引周波数の高い光源が必要である。また、測定可能範囲を広げるためには可干渉距離（コヒーレンス長）の長い光源を選択する必要がある。高コヒーレントな光源を用いることで、OFDRの干渉信号を高いSNR(Signal to Noise Ratio)で測定でき、位置分解能や測定精度を向上させることもできる。
 当社では高コヒーレントな波長掃引光源を開発し、販売を行っている(AQA5500P、AQB5500P、AQA5500D、AQB5500D)¹⁾。本波長掃引光源は、MEMS(Micro Electro-Mechanical System)スキャニングミラーとグレーティングを用いたリットマン型の外部共振器レーザーであり、下記の特長をもつ^2),3)。
   ① kHzオーダーの高速波長掃引（AQA5500P、AQA5500Dの場合）
   ② 単一縦モードの狭線幅レーザーによる高コヒーレンス性
   ③ モードホップ（波長跳び）がない連続的で、かつ広い波長掃引幅
 本稿では、当社が開発した波長掃引光源の製品仕様について説明した後で、本波長掃引光源を利用したOFDRによる形状計測について基本原理および実測例を示す。

2. 波長掃引光源の製品仕様

 当社製波長掃引光源の外観写真を図1に、主な製品仕様を表1にそれぞれ示す。卓上据置きでの使用を想定したBench topタイプ(図1(a))と、ユーザー機器への組み込み用途を想定したBuilt inタイプ(図1(b))の2機種を製品ラインナップとして準備した。また、市場からのさまざまな測定用途に対応するため、波長掃引速度1250 Hz品と150 Hz品の2機種を開発した。
 本器は主に、MEMSスキャニングミラーを用いた波長掃引光源モジュールと、同光源モジュールを駆動するための制御基板から構成される。Bench topタイプでは、光源モジュール、制御基板の他に、筐体内部に冷却用のファンを設け、使用環境温度範囲内における特性の安定化を図った。Built inタイプでは、ユーザー機器への組み込みを基本コンセプトとしているため、外装筐体と冷却用ファンをなくし、ユーザー機器の構成に整合できるような実装形態を提供した。

表1　波長掃引光源の主な製品仕様

項目	仕様				備考
形名	AQA5500P	AQB5500P	AQA5500D	AQB5500D
使用形態	Bench topタイプ （卓上据置き用途）		Built inタイプ （組み込み用途）
外観
寸法	137.4(W) ×131.4(H) ×219.4(D) mm		160(W) ×118.6(H) ×175(D)mm		突起部は除く
光学的特性
掃引中心波長	1550±5 nm				AQA5500P/AQA5500D:110nm掃引時 AQB5500P/AQB5500D:70nm掃引時
波長掃引幅	30～110 nm	15～70 nm	30～110 nm	15～70 nm	設定分解能：1 pm USB経由にてPC上のソフトウェアより設定可能
掃引周波数	1250±50 Hz	150±20 Hz	1250±50 Hz	150±20 Hz	固定値であり調整不可
平均光出力	≧10 mW				CW出力 Class1(IEC 60825-1:2014)

3. OFDRの基本原理

 本章では、波長掃引光源を用いたOFDRの基本原理について説明する。図2に、OFDRの基本構成を示す。

 波長掃引光源から出力された光は、光カプラによりリニアライズ用基準干渉計と測定干渉計に分岐される。測定干渉計では、再び光カプラにより、参照光路LRと測定光路LMに分岐される。参照光路に分岐された光は、合波用の光カプラに入射される。測定光路に分岐された光は、コリメータレンズから空間中に放射される。空間中に放射された光は、測定対象物で反射され、再びコリメータレンズを通過後、合波用の光カプラに入射される。参照光路と測定光路からのそれぞれの光は合波用の光カプラで合波後、バランスドレシーバーで電気信号に変換される。参照光路と測定光路の両光路では光路長が異なるため、それぞれの光路を通過した光が受光器で合波されたとき、光路長差に応じた周波数の干渉信号が出力される。波長掃引光源から出力された光が、参照光路を通って受光器まで到達する光路長（図2中の青色実線）と、測定光路を通ってコリメータレンズに到達し、コリメータレンズから受光器まで到達する光路長（図2中の赤色実線）が一致するように光ファイバ長を調整することで、受光器から出力される干渉信号には、コリメータレンズから測定対象物までの距離の情報が含まれることになる。干渉信号をサンプリングした後、FFT(Fast Fourier Transformation)を施せば、測定対象物までの距離に応じた周波数の位置にピークが観測されることで、コリメータレンズから測定対象物までの距離が分かる^4),5)。
 一方、リニアライズ用基準干渉計に分岐された光は、ファラデーミラーで反射された後、光路長差ΔLAUXに応じた周波数の基準干渉信号として受光器から出力される。リニアライズ用基準干渉計は、波長掃引の非線形性を補正するために利用される。時間に対する掃引波長の変化率が線形である場合、測定干渉計から出力される干渉信号の周波数は一定であり、FFTの演算結果もその周波数に応じた位置にのみピークが得られる。しかし一般には波長掃引光源から出力される光の周波数は時間に対して非線形であるため、干渉信号の周波数は時間により変化する。そのため、FFT後のピークは幅広く観測される。結果として、ピーク位置を正確に判別することが困難となる。そこで実際の測定では、測定対象物を含んだ測定干渉計の他に、基準となる干渉計を用いてその非線形性の影響を補正することが重要となる^4),5)。基準干渉信号の立上がりに合わせて測定信号をサンプリングすることで、非線形性の影響を補正することができる。

次回に続く－

【著者紹介】

腰原　勝（こしはら　まさる）
アンリツ株式会社　センシング＆デバイスカンパニー　開発本部　第1開発部　主任

■略歴
2005年　法政大学大学院工学研究科情報電子工学専攻　修了。
同年、アンリツ㈱入社
その後、光計測器や波長掃引光源など、機器製品の設計開発業務に従事
現在に至る

斉藤　崇記（さいとう　たかのり）
アンリツ株式会社　センシング＆デバイスカンパニー　開発本部　第1開発部　主席研究員

■略歴
1988年　東京都立大学大学院理学研究課程物理学専攻修了。 同年アンリツ株式会社入社。 1993年　神奈川科学技術アカデミー大津「フォトン制御」プロジェクト派遣研究員。 光周波数コム発生器の研究に従事 1996年　アンリツ株式会社に復帰
1998年　東京工業大学より学位授与（工学博士）
現在、アンリツ株式会社センシング＆デバイスカンパニー主席研究員。
ファイバセンシング、OFDRによる３次元形状測定等の研究に従事