JP6401382B2 - 光ファイバスキャナおよび走査型観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバスキャナおよび走査型観察装置に関するものである。

圧電素子に交番電圧を印加して発生させた振動により、光ファイバの先端を振動的に変位させ、光ファイバの先端から射出される照明光を被写体において渦巻き状に走査させる走査型内視鏡が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１の走査型内視鏡は、光ファイバを駆動する駆動電圧を線形に変化させており、照明光の渦巻き状の走査軌跡は、全ての位置において一定の間隔となっている。

特許第５２２５０３８号公報

さらに高解像度の画像を取得することが望まれる場合には、単位時間当たりの光ファイバの先端の周回数を増大させるか、１画像を取得するために必要な時間を増大させるかしかないという不都合がある。すなわち、前者の場合には、例えば、圧電素子を共振周波数のように特定の周波数付近で振動させている場合には、安易に単位時間当たりの周回数を変更することは困難である。また、後者の場合には、フレームレートの低下により、動画がぎこちなくなり、あるいは、被写体の早い動きを観察できないという不都合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、光ファイバの先端の単位時間当たりの周回数を変化させることなく、かつ、フレームレートを低下させることなく、拡大しても鮮明な画像を取得することを可能にする光ファイバスキャナおよび走査型観察装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、照明光を導光して先端から射出させる光ファイバと、交番電圧を印加することにより振動させられ、前記光ファイバの先端を、一定の周波数で振動的に変位させる圧電素子と、前記交番電圧の振幅を単調増加または単調減少させる各期間に、該振幅の変化率を変化させる制御部とを備える光ファイバスキャナである。

本態様によれば、光ファイバの前方に被写体を配置し、圧電素子に交番電圧を印加して光ファイバの先端を振動的に変位させることにより、光ファイバによって導光され先端から射出された照明光が、被写体において走査される。そして、圧電素子に印加する交番電圧の振幅を単調増加または単調減少させることにより、光ファイバの先端を渦巻き状に変位させることができる。

すなわち、交番電圧の振幅を単調増加させると、光ファイバによる照明光の走査軌跡は、中心から周辺に向かって渦巻き状に形成され、交番電圧の振幅を単調減少させると、光ファイバによる照明光の走査軌跡は、周辺から中心に向かって渦巻き状に形成される。

このとき、交番電圧の振幅の変化率を変化させることにより、照明光の走査軌跡に粗密を生じさせることができ、走査軌跡が密になっている領域においては、被写体に対し高密度に照明光を照射することができる。
すなわち、交番電圧の振幅の変化率を変化させることにより、特定の領域における照明光の走査軌跡を密にして、その領域については、高解像の画像の取得が可能となる。この場合に、圧電素子の振動周期を変更したり、フレームレートを長くしたりしなくても、必要な領域に高密度に照明光を照射することができる。

上記態様においては、前記制御部が、前記交番電圧の振幅を、各前記期間の中央よりも両端において小さな変化率で変化させてもよい。
このようにすることで、交番電圧の振幅を単調増加または単調減少させる各期間の両端において、被写体に対して高密度に照明光を照射させることができる。交番電圧の振幅の変化率が小さいほど走査軌跡を密にすることができる。

例えば、血管等の管腔内に挿入される内視鏡に適用する場合、進行方向前方正面および周囲の管腔壁面を拡大して観察できるように高解像の画像を取得しておく必要がある。渦巻き状の走査軌跡の中央と周辺部分を密にして、必要な領域に高密度の照明光を照射することができる。

また、上記態様においては、前記制御部が、前記交番電圧の振幅を正弦波状に変化させてもよい。
このようにすることで、走査軌跡の粗密を滑らかに変化させることができる。その結果、光ファイバに過度の加速度が加わることが防止され、光ファイバにかかる負荷を軽減することができる。

また、本発明の他の態様は、上記いずれかの光ファイバスキャナと、該光ファイバスキャナによって被写体において照明光が走査されることにより、被写体から戻る戻り光を検出する光検出部とを備える走査型観察装置である。
本態様によれば、圧電素子に加える交番電圧の周期やフレームレートを変化させることなく、高解像の領域を部分的に有する画像を取得することができる。より高解像の領域を必要な領域に一致させ、より低解像の領域を不要な領域に一致させることで、必要な領域については拡大しても鮮明な画像により観察を行うことができる。

また、本発明の他の態様は、上記光ファイバスキャナと、該光ファイバスキャナによって被写体において照明光が走査されることにより、被写体から戻る戻り光を検出する光検出部とを備え、前記光ファイバの先端に対して前方に間隔をあけて配置され、前記交番電圧の振幅が所定の閾値より小さいときに前記光ファイバの先端から射出された照明光を透過させる中央開口を有し、前記交番電圧の振幅が前記閾値以上のときに前記光ファイバの先端から射出された照明光を径方向外方に偏向する円錐状ミラーを備える走査型観察装置である。

本態様によれば、渦巻き状に走査される照明光の内、渦巻き状の走査軌跡の中心付近の照明光は、円錐状ミラーの中央開口を貫通して前方の被写体に照射される。一方、渦巻き状の走査軌跡の周辺付近の照明光は、円錐状ミラーによって径方向外方に変更されて周辺の被写体に照射される。
血管等の管腔に挿入される走査型観察装置の場合、前方の被写体および周囲の管腔内壁に照明光が高密度の走査軌跡で走査されるので、高解像度の直視画像および高解像度の側視画像を取得することができる。

本発明によれば、光ファイバの先端の単位時間当たりの周回数を変化させることなく、かつ、フレームレートを低下させることなく、拡大しても鮮明な画像を取得することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る走査型観察装置を示す縦断面図である。 図１の走査型観察装置に備えられる本発明の一実施形態に係る光ファイバスキャナを示す斜視図である。 図２の光ファイバスキャナに印加される交番電圧の波形の一例を示す図である。 図３の交番電圧が印加された場合の光ファイバの先端の軌跡を示す図である。 図３の交番電圧が印加された場合の光ファイバスキャナの前方に走査される照明光の走査軌跡を示す図である。 図３の交番電圧が印加された場合の光ファイバスキャナの側方に走査される照明光の走査軌跡を示す図である。 図１の走査型観察装置に備えられる円錐状ミラーの変形例を示す縦断面図である。 図１の走査型観察装置の変形例を示す縦断面図である。 図１の走査型観察装置の他の変形例を示す縦断面図である。 図２の光ファイバスキャナに印加される交番電圧の波形の他の例を示す図である。 図２の光ファイバスキャナに印加される交番電圧の波形の他の例を示す図である。 図２の光ファイバスキャナに印加される交番電圧の波形の他の例を示す図である。

本発明の一実施形態に係る光ファイバスキャナ４および走査型観察装置１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る走査型観察装置１は、例えば内視鏡であって、図１に示されるように、体腔内に挿入される挿入部２の先端に、光源（光源部）３からの照明光を２次元的に走査する本実施形態に係る光ファイバスキャナ４と、該光ファイバスキャナ４を収容する円筒状の外筒部材５と、該外筒部材５の先端に配置され、光ファイバスキャナ４から射出される照明光を被写体に照射する照明用レンズ６と、外筒部材５の外面に周方向に複数配列され、外筒部材５の先端近傍に入射端を備えた検出用光ファイバ（光検出部）７と、照明用レンズ６よりもさらに前方に配置された円錐状ミラー８とを備えている。図中、符号５ａは外筒部材５の先端に設けられた光学的に透明な材質からなるカバーである。

光ファイバスキャナ４は、図２に示されるように、光源３からの照明光を導光し、先端から射出させる光ファイバ９と、該光ファイバ９の先端から所定距離を空けた位置において光ファイバ９を貫通させた状態に支持する筒状の振動伝達部材１０と、該振動伝達部材１０の外面に周方向に等間隔をおいて接着された４つの圧電素子１１と、該圧電素子１１に加える交番電圧を調節する制御部１２とを備えている。

振動伝達部材１０は、導電性の金属材料からなり、図２に示されるように、一端に円形のフランジ部１３を有する正四角柱の長手軸に沿って、光ファイバ９を貫通可能な貫通孔１４が形成された形状を有し、フランジ部１３によって外筒部材５に固定されている。

圧電素子１１は、厚さ方向の両端面に電極１５ａ，１５ｂが設けられた平板状に形成され、一方の電極１５ａを振動伝達部材１０の正四角柱部分の各側面に電気的に接触させた状態で固定されている。光ファイバ９を挟んで対向する位置に配置される２対の圧電素子１１は、それらの分極方向が、同一の方向に向かうように配置されている。

各圧電素子１１の他方の電極１５ｂには、該圧電素子１１を駆動する交番電圧を供給するためのリード線１６が接続されている。光ファイバ９を挟んで対向する位置に配置されている圧電素子１１には、同一位相の交番電圧を供給するリード線１６が接続されている。符号１７は、制御部１２とフランジ部１３とに接続されたＧＮＤ線である。

制御部１２は、２対の圧電素子１１に、図３に示されるように、一定の周波数で振動する交番電圧の振幅を正弦波状に変化させながら、位相を９０°異ならせて印加するようになっている。すなわち、各対の圧電素子１１に交番電圧を印加することにより、各対の圧電素子１１の屈曲振動によって光ファイバ９を湾曲させ、それによって、光ファイバ９の先端を渦巻き状に変位させて、光ファイバ９の先端から射出させた照明光を渦巻き状に走査させるようになっている。

この場合において、本実施形態においては、制御部１２が、図３に示されるように、一定の周波数で振動する交番電圧の振幅を正弦波状に変化させることにより、形成される渦巻き状の軌跡を、図４に示されるように、渦巻きの中央部および周辺部において密に、中間位置において粗となるように形成するようになっている。図４には、一例として、図３の単調増加する期間Ｐ１における走査軌跡を示している。

検出用光ファイバ７は、入射端から入射した被写体からの戻り光を、例えば、光電子増倍管のような光検出器（図示略）に導光するようになっている。光検出器は、照明光の各走査位置において全ての検出用光ファイバ７により集めた戻り光の強度を検出するようになっている。検出された戻り光の強度は、走査位置に対応づけて記憶されるようになっている。

円錐状ミラー８は、図１に示されるように、中央開口１８を有し、中心軸に対して略４５°の角度をなして全周にわたって配置される円錐面からなる反射面１９を有している。そして、円錐状ミラー８は、照明用レンズ６の前方に間隔をあけて配置されているので、照明用レンズ６を介して前方に射出される照明光のうち、渦巻き状の軌跡の中央近傍の照明光ＬＡは、円錐状ミラー８の中央開口１８を通過して前方に照射され、渦巻き状の軌跡の周辺近傍の照明光ＬＢは、円錐状ミラー８の反射面１９によって偏向されて径方向外方に向けて照射されるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る光ファイバスキャナ４および走査型観察装置１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る走査型観察装置１を用いて患者の体腔内部の観察を行うには、挿入部２を体腔内に挿入し、光源３を作動させるとともに、制御部１２により交番電圧を制御して、圧電素子１１を駆動する。

光源３において発生した照明光は、光ファイバ９によって導光されて、先端から被写体に向けて射出される。圧電素子１１の作動により、光ファイバ９の先端が渦巻き状に変位させられ、照明光が被写体において２次元的に走査させられる。

渦巻き状の軌跡の中央部分の照明光ＬＡは、円錐状ミラー８の中央に設けられた中央開口１８を通過して挿入部２の長手方向に沿って前方に照射される。前方に被写体が存在する場合には、図５に示されるように、該被写体において、照明光が渦巻き状の軌跡に従って走査される。

一方、渦巻き状の軌跡の周辺部分の照明光ＬＢは、円錐状ミラー８の反射面１９によって偏向され、径方向外方に照射される。径方向外方に偏向された照明光ＬＢは、図６に示されるように、体腔の内壁面に螺旋コイル状の軌跡に従って走査される。

被写体においては照明光が照射されることにより、反射光や蛍光等の戻り光が発生し、検出用光ファイバ７の入射端において受光され、光検出器によってその強度が検出される。検出された戻り光の強度は、光ファイバスキャナ４による照明光の走査位置と対応づけて記憶される。これにより、被写体の２次元的な画像を取得することができる。

この場合において、本実施形態に係る光ファイバスキャナ４によれば、圧電素子１１にかける交番電圧の周波数を一定に維持しながら、振幅を正弦波状に変化させているので、図５に示されるように、円錐状ミラー８の中央開口１８を通して前方を照射する照明光ＬＡの渦巻き状の走査軌跡が中央に向かうほど密に形成され、高密度に照明光を照射することができる。

そして、本実施形態に係る走査型観察装置１によれば、高密度に照明する各走査位置からの戻り光を検出するので、高解像の前方の画像（直視画像）を取得することができる。直視画像は、走査型観察装置１を体腔に挿入していく際に、体腔内の病変部位を最初に発見するために有用であり、高解像の直視画像を取得することにより、病変の疑われる部位を拡大しても鮮明な画像によって詳細に観察することができるという利点がある。

また、同様に、円錐状ミラー８の反射面１９によって偏向されて、図６に示されるように、側方を照射する照明光ＬＢの螺旋コイル状の走査軌跡が前方に向かうほど密に形成され、高密度に照明光を照射することができる。これにより、前方に向かうほど高解像の側方の画像（側視画像）を取得することができる。側視画像は体腔の内壁を正面から撮影した画像となり、体腔内壁に存在する病変部分を拡大して、鮮明な画像によって詳細に観察することができるという利点がある。

すなわち、本実施形態によれば、圧電素子１１に印加する交番電圧の周波数を変化させることなく、かつ、フレームレートを低下させることなく、必要な領域において高解像の画像を取得することができる。したがって、圧電素子１１を共振周波数付近の周波数で効率的に振動させつつ、高いフレームレートで滑らかに変化する画像を取得することができる。
また、交番電圧の振幅を正弦波状に変化させるので、単調減少する期間Ｐ２と単調増加する期間Ｐ１の間で光ファイバ９にかかる加速度を滑らかに変化させることができる。

なお、本実施形態においては、円錐状ミラー８によって、交番電圧が所定の閾値より小さい振幅を有する場合の照明光については中央開口１８を通過させて直視画像の取得に使用し、閾値以上の振幅を有する場合の照明光については反射面によって偏向して側視画像の取得に使用することとした。これに代えて、図７に示されるように、中央開口１８に近接する円錐状ミラー８の反射面１９の一部に、照明光を吸収する材質からなる遮蔽部２０を設けることにしてもよい。これにより、渦巻き状の走査軌跡の密度の低い領域の照明光を遮蔽部２０によって吸収させ、走査軌跡の密度の高い領域の照明光のみを画像取得に使用することができる。

また、本実施形態においては、円錐状ミラー８によって直視画像用の照明光ＬＡと側視画像用の照明光ＬＢとを分岐することとしたが、これに代えて、図８に示されるように、円錐状ミラー８を配置することなく、全ての走査軌跡の照明光Ｌを直視画像用に使用することにしてもよい。また、図９に示されるように、全ての走査軌跡の照明光Ｌを略９０°偏向するミラー２１を配置して、側視画像用に使用することにしてもよい。

また、本実施形態においては、交番電圧の振幅を正弦波状に変化させることにしたので、単調増加する期間Ｐ１と単調減少する期間Ｐ２でそれぞれ１枚ずつ画像を取得することが可能であるが、これに限定されるものではなく、図１０に示されるように、単調増加する期間Ｐ１のみ、あるいは図１１に示されるように、単調減少する期間Ｐ２のみに画像を取得し、他の期間は、より早く減少または増加させてもよい。

また、交番電圧の振幅を正弦波状に変化させたが、これに代えて、図１２に示されるように、単調増加する期間Ｐ１および／または単調減少する期間Ｐ２において、交番電圧の振幅を異なる複数の変化率で線形に変化させるなど、正弦波以外の態様での変化率の変化によって交番電圧の振幅を変化させてもよい。これによっても変化率が小さい領域の照明光の走査軌跡を密にすることができる。

１ 走査型観察装置
４ 光ファイバスキャナ
７ 検出用光ファイバ（光検出部）
８ 円錐状ミラー
９ 光ファイバ
１１ 圧電素子
１２ 制御部
１８ 中央開口

Claims (4)

1. 照明光を導光して先端から射出させる光ファイバと、
   交番電圧を印加することにより振動させられ、前記光ファイバの先端を、一定の周波数で振動的に変位させる圧電素子と、
   前記交番電圧の振幅を単調増加または単調減少させる各期間に、該振幅の変化率を、各前記期間の中央よりも両端において小さな変化率で変化させる制御部とを備える光ファイバスキャナ。
2. 前記制御部が、前記交番電圧の振幅を正弦波状に変化させる請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
3. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の光ファイバスキャナと、
   該光ファイバスキャナによって被写体において照明光が走査されることにより、被写体から戻る戻り光を検出する光検出部とを備える走査型観察装置。
4. 請求項１または請求項３に記載の光ファイバスキャナと、
   該光ファイバスキャナによって被写体において照明光が走査されることにより、被写体から戻る戻り光を検出する光検出部とを備え、
   前記光ファイバの先端に対して前方に間隔をあけて配置され、前記交番電圧の振幅が所定の閾値より小さいときに前記光ファイバの先端から射出された照明光を透過させる中央開口を有し、前記交番電圧の振幅が前記閾値以上のときに前記光ファイバの先端から射出された照明光を径方向外方に偏向する円錐状ミラーを備える走査型観察装置。

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