共焦点内視鏡装置、及び共焦点内視鏡システム
【課題】小型化設計に適した構成の共焦点内視鏡装置を提供すること。
【解決手段】共焦点内視鏡装置を、所定の点光源を二次元方向に移動自在に支持する点光源支持手段と、点光源から放射された光の集光点と共役の位置に配置された共焦点ピンホールと、点光源支持手段を共焦点ピンホールと共に二次元方向と直交する直交方向に移動自在に保持する保持手段と、点光源支持手段に支持された、所定の計測光の一部を反射する第一の反射面と、保持手段に支持された、第一の反射面を透過した計測光の少なくとも一部を反射する第二の反射面と、第一、第二の各反射面で反射された反射光を所定の光検出器に伝送する反射光伝送手段と、から構成した。
【解決手段】共焦点内視鏡装置を、所定の点光源を二次元方向に移動自在に支持する点光源支持手段と、点光源から放射された光の集光点と共役の位置に配置された共焦点ピンホールと、点光源支持手段を共焦点ピンホールと共に二次元方向と直交する直交方向に移動自在に保持する保持手段と、点光源支持手段に支持された、所定の計測光の一部を反射する第一の反射面と、保持手段に支持された、第一の反射面を透過した計測光の少なくとも一部を反射する第二の反射面と、第一、第二の各反射面で反射された反射光を所定の光検出器に伝送する反射光伝送手段と、から構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、照射された被写体からの戻り光のうち共焦点光学系の焦点位置と共役の位置に配置されたピンホールを介した光のみを検出して画像化する共焦点内視鏡システム、及び該共焦点内視鏡システムが有する共焦点内視鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、体腔内の生体組織を観察するための共焦点内視鏡システムとして、共焦点光学系を備えた、いわゆる共焦点内視鏡システムが知られている。共焦点内視鏡システムは、被写体に対して照射光を照射する。共焦点内視鏡システムは、照射された被写体からの戻り光のうち共焦点光学系の焦点位置と共役の位置に配置されたピンホールを介した光のみを光検出器によって検出する。共焦点内視鏡システムは、光検出器において検出光の強度に応じて発生した信号を基に、通常の電子スコープやファイバスコープで観察される像よりも高倍率かつ高解像度の画像を生成する。この種の共焦点内視鏡システムの具体的構成例は、特許文献１に記載されている。
【０００３】
特許文献１に記載の共焦点内視鏡システムは、被写体への照明光とその戻り光を伝送する光ファイバの先端近傍を二次元方向に振動させるＸ−Ｙ走査機構を備えている。Ｘ−Ｙ走査機構は、Ｚ軸アクチュエータによって、点光源として機能する光ファイバごとＺ軸方向に進退自在に構成されている。すなわち、特許文献１に記載の共焦点内視鏡システムは、光ファイバを二次元方向に振動させつつＺ軸方向に進退させることによって、被写体を三次元走査するように構成されている。
【０００４】
Ｚ軸アクチュエータは、通電による加熱によってＺ軸方向に収縮する形状記憶合金を有している。Ｘ−Ｙ走査機構は、形状記憶合金への通電を行って形状記憶合金をＺ軸方向に収縮させると、形状記憶合金に引っ張られてＺ軸方向に後退する。Ｘ−Ｙ走査機構は、形状記憶合金が通電の停止によって常温に戻り、形状記憶効果による形状の復元が無くなると、スプリングの付勢力によってＺ軸方向に押し出されて前進する。Ｘ−Ｙ走査機構のＺ軸方向の移動量は、二本の電線を接着剤で寄り合わせてコイル状に巻いた二重線コイル容量性センサの静電容量の変化量から検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３２１７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この種の共焦点内視鏡システムには、患者に対する低侵襲性を実現するため、挿入先端部を小型に設計することが恒常的に求められている。しかし、二重線コイル容量性センサ等の移動量を検出するためのセンサは、構造上小型化に限界があり、挿入先端部の小型化を妨げる要因となっている。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型化設計に適した構成の共焦点内視鏡装置、及び該共焦点内視鏡装置を有する共焦点内視鏡システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決する本発明の一形態に係る共焦点内視鏡装置は、所定の点光源を二次元方向に移動自在に支持する点光源支持手段と、点光源から放射された光の集光点と共役の位置に配置された共焦点ピンホールと、点光源支持手段を共焦点ピンホールと共に二次元方向と直交する直交方向に移動自在に保持する保持手段と、点光源支持手段に支持された、所定の計測光の一部を反射する第一の反射面と、保持手段に支持された、第一の反射面を透過した計測光の少なくとも一部を反射する第二の反射面と、第一、第二の各反射面で反射された反射光を所定の光検出器に伝送する反射光伝送手段とを有することを特徴とした装置である。
【０００９】
すなわち、本発明によれば、点光源支持手段、保持手段にそれぞれ第一、第二の反射面を追加するという簡素な構成によって、保持手段に対する点光源支持手段の直交方向の移動量に応じた出力（第一、第二の各反射面で反射された反射光）を外部の光検出器に提供することができる。
【００１０】
点光源支持手段は、先端が第一の反射面を有する第一のカバーガラスで封止され、点光源を内部に収容した第一の筒状部材を有する構成としてもよい。保持手段は、先端が第二の反射面を有する第二のカバーガラスで封止され、第一の筒状部材を内部に同軸で収容した第二の筒状部材を有する構成としてもよい。
【００１１】
光源支持手段は、所定の光源から供給された光を伝送する共焦点用光ファイバの射出端近傍を二次元方向に移動自在に支持する構成としてもよい。この射出端は、点光源かつ共焦点ピンホールとして機能するように、集光点と共役の位置に配置されていることが望ましい。
【００１２】
本発明に係る共焦点内視鏡装置は、所定の計測用光源から供給された計測光を第一及び第二の反射面に向けて伝送する計測用光ファイバを更に有する構成としてもよい。この場合、反射光伝送手段は、計測用光ファイバが兼ねることが望ましい。
【００１３】
共焦点用光ファイバと計測用光ファイバは、単一の光ファイバで共用してもよい。
【００１４】
上記の課題を解決する本発明の一形態に係る共焦点内視鏡システムは、上記の何れかに記載の共焦点内視鏡装置と、第一、第二の各反射面で反射された反射光を検出する反射光検出手段と、反射光検出手段の検知結果を基に、保持手段に対する点光源支持手段の直交方向の移動量を検出する移動量検出手段とを有することを特徴としたシステムである。
【００１５】
移動量検出手段は、第一、第二の各反射面で反射された反射光の分光干渉波形を解析する解析手段と、解析された分光干渉波形に基づいて移動量を算出する移動量算出手段とを有する構成としてもよい。
【００１６】
移動量検出手段は、第一、第二の各反射面で反射された反射光の反射光検出手段による検出タイミングの差を検知するタイミング差検知手段と、検知されたタイミングの差に基づいて移動量を算出する移動量算出手段とを有する構成としてもよい。
【００１７】
本発明に係る共焦点内視鏡システムは、以前の診断条件を簡単に再現できるようにするため、保持手段に対する点光源支持手段の直交方向の現在の位置情報を保存する位置情報保存手段と、保存された位置情報を指定する位置情報指定手段と、位置情報で指定された位置に点光源支持手段を移動させる指定位置移動手段とを更に有する構成としてもよい。
【００１８】
本発明に係る共焦点内視鏡システムは、共焦点ピンホールを介した光を受光して画像信号を検出する画像信号検出手段と、画像信号検出手段による画像信号の検出タイミングに応じて、各該画像信号に対する二次元平面の画素配置を決定すると共に、移動量検出手段によって検出された移動量に応じて、各該画像信号に対する該二次元平面と直交する深さ方向の画素配置を決定する画素配置決定手段と、決定された画素配置に従って各画像信号によって表現される画像情報を空間的に配列して被写体画像を作成する画像作成手段とを更に有する構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、小型化設計に適した構成の共焦点内視鏡装置、及び該共焦点内視鏡装置を有する共焦点内視鏡システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態の共焦点内視鏡システムの構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態の共焦点内視鏡システムが有する電子スコープの挿入先端部に組み込まれた共焦点光学ユニットの構成を概略的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態の共焦点光学ユニットの先端側の概略構成を拡大して示す図である。
【図４】本発明の実施形態の共焦点光学系を構成する点光源のＺ軸方向の移動量を検出する移動量検出処理を示すフローチャートである。
【図５】別の実施形態の共焦点内視鏡システムの構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の共焦点内視鏡システムについて説明する。
【００２２】
図１は、本実施形態の共焦点内視鏡システム１の構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、共焦点内視鏡システム１は、被写体を撮影するための電子スコープ１００を有している。電子スコープ１００は、可撓性を有するシース１１ａによって外装された挿入可撓管１１を備えている。挿入可撓管１１の先端には、硬質性を有する樹脂製筐体によって外装された挿入先端部１２が連結されている。挿入可撓管１１と挿入先端部１２との連結箇所にある湾曲部１４は、挿入可撓管１１の基端に連結された手元操作部１３からの遠隔操作（具体的には、湾曲操作ノブ１３ａの回転操作）によって屈曲自在に構成されている。この屈曲機構は、一般的な電子スコープに組み込まれている周知の機構であり、湾曲操作ノブ１３ａの回転操作に連動した操作ワイヤの牽引によって湾曲部１４を屈曲させるように構成されている。挿入先端部１２の方向が上記操作による屈曲動作に応じて変わることにより、電子スコープ１００による撮影領域が移動する。
【００２３】
共焦点内視鏡システム１には、二つの撮像システムが組み込まれている。一つは、被写体を標準的な倍率及び解像度で撮像する一般的な内視鏡撮像システムと同様の撮像システム（以下、「第一の撮像システム」と記す。）である。もう一つは、第一の撮像システムよりも高倍率かつ高解像度で被写体を撮像する撮像システム（以下、「第二の撮像システム」と記す。）である。まずは、第一の撮像システムについて説明する。
【００２４】
共焦点内視鏡システム１は、第一の撮像システムを構成する第一のプロセッサ２００を有している。第一のプロセッサ２００は、自然光の届かない体腔内を電子スコープ１００を介して照明する光源装置２０２と、電子スコープ１００からの撮像信号を処理する信号処理装置２０４とを一体に備えた装置である。別の実施形態では、光源装置２０２と信号処理装置２０４とを別体で構成してもよい。電子スコープ１００は、第一のユニバーサルケーブル１５を介して、第一のプロセッサ２００に電気的に及び光学的に接続されている。
【００２５】
光源装置２０２から放射された照明光は、図示省略された絞り機構を介して適正な光量に制限されて、電子スコープ１００が有するＬＣＢ（light carrying bundle）１０２の入射端に入射する。適正とされる映像の明るさの基準は、術者によるフロントパネル２０６の輝度調節操作に応じて設定変更される。
【００２６】
ＬＣＢ１０２は、入射端が光源装置２０２と結合する位置に配置され、射出端が挿入先端部１２に配置されている。ＬＣＢ１０２の入射端に入射した照明光は、ＬＣＢ１０２の内部を全反射を繰り返すことによって伝播して、射出端から射出する。挿入先端部１２には、第一の撮像システムを構成する配光レンズ１０４、対物レンズ１０６、固体撮像素子１０８が組み込まれている。射出端から射出した照明光は、配光レンズ１０４を介して被写体を照明する。被写体からの反射光は、対物レンズ１０６を介して固体撮像素子１０８の受光面上で光学像を結ぶ。
【００２７】
固体撮像素子１０８は、例えばベイヤ型画素配置を有する単板式カラーＣＣＤ（Charge Coupled Device）であり、第一のプロセッサ２００から供給されるクロックパルスに従って、映像のフレームレートに同期したタイミングで駆動する。固体撮像素子１０８は、受光面上の各画素で結像した光学像を光量に応じた電荷として蓄積して、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に応じた信号に変換する。変換された信号は、フォトカップラなどを使用した絶縁回路（不図示）を介して信号処理装置２０４に入力する。
【００２８】
信号処理装置２０４は、固体撮像素子１０８の出力信号に、クランプ、ニー、γ補正、補間処理、ＡＧＣ（Auto Gain Control）、ＡＤ変換等の所定の信号処理を施して、その処理信号を、図示省略されたフレームメモリにフレーム単位でバッファリングする。バッファリングされた信号は、所定のタイミングでフレームメモリから掃き出されて、ＮＴＳＣ（National Television System Committee）やＰＡＬ（Phase Alternating Line）等の所定の規格に準拠した映像信号に変換される。変換された映像信号がモニタ２００Ｍに順次入力することにより、モニタ２００Ｍに、標準的な倍率及び解像度の被写体のカラー画像が表示される。
【００２９】
次に、第二の撮像システムについて説明する。第二の撮像システムは、挿入先端部１２に組み込まれた共焦点光学ユニット１２０を有している。共焦点光学ユニット１２０は、共焦点顕微鏡の原理を応用して設計されたユニットであり、高倍率かつ高解像度の被写体を観察するのに好適に構成されている。第二の撮像システムを用いた共焦点観察は、共焦点光学ユニット１２０の前面に位置する挿入先端部１２の端面１２ａを被写体に当て付けた状態で行う。一方、第一の撮像システムを用いて通常観察を行う場合は、ボケのない鮮明な被写体像を得るため、対物レンズ１０６の配置面（図１中、挿入先端部１２の端面１２ｂ）を、例えば対物レンズ１０６の焦点距離相当分だけ被写体から離す必要がある。そこで、挿入先端部１２の先端面は、端面１２ａが端面１２ｂより所定量突出して位置するように形成されている。そのため、対物レンズ１０６は、端面１２ａを被写体に当て付けると、被写体を被写界深度に収める位置で安定する。
【００３０】
共焦点内視鏡システム１は、第二の撮像システムを構成する第二のプロセッサ３００を有している。電子スコープ１００は、第二のユニバーサルケーブル１６を介して、第二のプロセッサ３００に電気的に及び光学的に接続されている。
【００３１】
第二のプロセッサ３００は、被写体に対して励起光として作用する波長のレーザ光を放射するレーザ光源３０２を有している。レーザ光源３０２から放射されたレーザ光（例えば波長：４８８ｎｍ）は、光ファイバ３０４の内部を伝播して、フォトカップラ３０６を介して光ファイバ１２２の入射端に入射する。
【００３２】
図２は、挿入先端部１２に組み込まれた共焦点光学ユニット１２０の構成を概略的に示す図である。以降においては、共焦点光学ユニット１２０の構成を説明するにあたり、便宜上、共焦点光学ユニット１２０の長手方向をＺ方向と定義し、Ｚ方向に直交しかつ互いに直交する二方向をＸ方向、Ｙ方向と定義する。
【００３３】
図２に示されるように、共焦点光学ユニット１２０は、当該ユニットの各種構成部品を収容する金属製の外筒１２４を有している。外筒１２４は、外筒１２４の内壁面形状に対応する外壁面形状を持つ内筒１２６を、同軸でかつＺ軸方向にスライド自在に保持している。光ファイバ１２２の射出端１２２ａは、外筒１２４、内筒１２６の各基端面に形成された開口を通じて内筒１２６の内部に支持されており、第二の撮像システムの二次的な点光源として機能する。
【００３４】
外筒１２４は、対物光学系１２８を有している。対物光学系１２８は、図示省略されたレンズ枠に保持された複数枚構成の光学レンズを有している。レンズ枠は、外筒１２４の内部において、内筒１２６と相対的に固定され支持されている。そのため、レンズ枠に保持された光学レンズ群は、外筒１２４の内部を内筒１２６と一体となってＺ軸方向にスライドすることとなる。
【００３５】
光ファイバ１２２の射出端１２２ａの近傍は、図示省略された圧電アクチュエータによって振動する。この圧電アクチュエータは、第二のプロセッサ３００が有するコントローラ３０８によって駆動制御される。射出端１２２ａは、圧電アクチュエータによる振動によって、ＸＹ平面（厳密には、ＸＹ平面に近似する曲面）上を周期的に移動する。射出端１２２ａから射出するレーザ光は、対物光学系１２８を介して焦点を結びつつ射出端１２２ａのＸＹ平面上の移動に伴って、被写体を二次元走査する。なお、射出端１２２ａの移動曲面の曲率半径は極めて大きい。よって、射出端１２２ａの移動曲面をＸＹ平面とみなしても実質的に問題はない。
【００３６】
共焦点光学ユニット１２０は、内筒１２６の基端面と外筒１２４の内壁面との間に、圧縮コイルばね１３０を有している。圧縮コイルばね１３０は、内筒１２６の基端面と外筒１２４の内壁面とによって、自然長からＺ軸方向に初期的に圧縮した状態で狭持されている。
【００３７】
共焦点光学ユニット１２０は、Ｚ軸方向に長尺な棒状の形状記憶合金１３２を有している。形状記憶合金１３２は、一端が内筒１２６の基端面に、他端が外筒１２４の内壁面に、それぞれ固定されている。形状記憶合金１３２は、常温下で外力が加わると変形して、一定温度以上に加熱されると形状記憶効果によって所定の形状に復元する性質を有している。
【００３８】
形状記憶合金１３２は、常温下では、圧縮コイルばね１３０の復元力が加わることによってＺ軸方向に伸びている。形状記憶合金１３２は、形状記憶効果による復元力が圧縮コイルばね１３０の復元力より大きくなるように設計されている。
【００３９】
形状記憶合金１３２の形状は、コントローラ３０８から形状記憶合金１３２への通電による形状記憶合金１３２自体の加熱によってコントロールされる。具体的には、形状記憶合金１３２は、通電によって加熱されると、圧縮コイルばね１３０の復元力に抗してＺ軸方向に収縮する。形状記憶合金１３２の一端と固定されている内筒１２６は、形状記憶合金１３２の収縮に伴い、内筒１２６に支持された光ファイバ１２２と共に外筒１２４の内部をＺ軸方向に後退する。形状記憶合金１３２の収縮量は、形状記憶合金１３２への通電量によって精密にコントロールされる。この通電量（換言すると、光ファイバ１２２のＺ軸方向の移動量）は、術者による手元操作部１３のＺ軸移動量の調節操作に応じて変動する。
【００４０】
形状記憶合金１３２は、通電が停止して常温に戻る（又は通電量の減少によって温度が低下する）と、形状記憶効果による復元力が無くなり（又は弱くなり）、圧縮コイルばね１３０の復元力によってＺ軸方向に伸びる。内筒１２６は、圧縮コイルばね１３０の復元力によって基端面が押されて、光ファイバ１２２と共に外筒１２４の内部をＺ軸方向に前進する。
【００４１】
光ファイバ１２２の射出端１２２ａから射出するレーザ光は、対物光学系１２８を介して被写体の表面又は表層で焦点を結ぶ。この焦点位置は、点光源である射出端１２２ａの進退に応じてＺ軸方向に変位する。すなわち、共焦点光学ユニット１２０は、圧電アクチュエータによる射出端１２２ａの二軸方向の移動と、圧縮コイルばね１３０及び形状記憶合金１３２による射出端１２２ａの一軸方向の移動とを行うことによって、被写体を三次元走査する。
【００４２】
光ファイバ１２２の射出端１２２ａは、対物光学系１２８の前側焦点位置に配置されている。そのため、射出端１２２ａは、共焦点ピンホールとして機能する。すなわち、射出端１２２ａには、レーザ光によって照明された被写体の散乱成分（蛍光）のうち射出端１２２ａと光学的に共役な集光点からの蛍光のみが入射する。
【００４３】
光ファイバ１２２の射出端１２２ａに入射した蛍光は、光ファイバ１２２の内部を伝播する。光ファイバ１２２の内部を伝播した蛍光は、フォトカップラ３０６によってレーザ光源３０２からのレーザ光と分離された後、光ファイバ３１２を介して光検出器３１４によって検出される。この検出信号は、画像生成回路３１６に入力する。画像生成回路３１６は、順次入力する検出信号の検出タイミングに応じて、各検出信号によって表現される点像への画素アドレスの割当てを行う。画像生成回路３１６は、割り当てた画素アドレスに従って、各点像の空間的配列によって構成される画像の信号をフレームメモリにフレーム単位でバッファリングする。バッファリングされた信号は、所定のタイミングでフレームメモリから掃き出されて、ＮＴＳＣやＰＡＬ等の所定の規格に準拠した映像信号に変換される。変換された映像信号がモニタ３００Ｍに順次入力することにより、モニタ３００Ｍに、高倍率かつ高解像度の被写体の三次元共焦点画像が表示される。
【００４４】
ここで、三次元共焦点画像の倍率又は解像度を向上させるためには、共焦点光学系の構成要素である点光源をＺ軸方向に微細に移動させることが不可欠である。これは、形状記憶合金１３２への精細な通電量制御を行い、光ファイバ１２２の射出端１２２ａを微細に移動させることによって達成される。ところが、三次元共焦点画像の倍率又は解像度を向上させるためには、移動機構の分解能を高くするだけでは足りず、実際の移動量（又は位置）を検出して移動機構を高精度にフィードバック制御するため、移動量検出機構の分解能も向上させる必要がある。本出願人は、この点に着眼して、共焦点光学ユニット１２０に適した移動量検出機構を想起した。
【００４５】
以下は、本実施形態の共焦点内視鏡システム１に搭載された移動量検出機構の説明である。図１に示されるように、第二のプロセッサ３００は、光源３２０を有している。光源３２０は、例えば広波長帯域の光を射出するＳＬＤ（Super luminescent Diode）光源であり、光ファイバ１２２の射出端１２２ａのＺ軸方向の移動量を計測するための計測光を射出する。この計測光の波長帯域には、レーザ光源３０２の射出光又は被写体からの反射光（蛍光）の何れの波長帯域にも重複しない範囲が選択されている。計測光は、光源３２０から射出された後、ハーフミラー３２２、フォトカップラ３０６を介して光ファイバ１２２の入射端に入射する。計測光は、光ファイバ１２２の内部を全反射を繰り返すことによって伝播して、射出端１２２ａから射出する。
【００４６】
図３は、共焦点光学ユニット１２０の先端側の概略構成を拡大して示す図である。図３に示されるように、内筒１２６の先端は、カバーガラスＣＧ１によって封止されている。カバーガラスＣＧ１の光ファイバ１２２側の面には、所定の反射フィルタＲ１がコーティングされている。外筒１２４の先端は、カバーガラスＣＧ２によって封止されている。カバーガラスＣＧ２の対物光学系１２８側の面には、所定の反射フィルタＲ２がコーティングされている。反射フィルタＲ１、Ｒ２は、計測光を反射しつつ計測光以外の波長帯域の光を透過するという、同一の反射特性を有している。すなわち、反射フィルタＲ１、Ｒ２は、計測光を反射しつつも第二の撮像システムの光利用効率を低下させないため、レーザ光源３０２の射出光又は被写体からの反射光（蛍光）を実質的に１００％透過させるように構成されている。
【００４７】
光ファイバ１２２の射出端１２２ａから射出された計測光は、その一部が反射フィルタＲ１で反射し、反射フィルタＲ１を透過した残りが反射フィルタＲ２で全て反射する。各反射フィルタで反射された計測光は、互いに干渉しつつ光路を戻り、フォトカップラ３０６、ハーフミラー３２２を介して分光器３２４に入射する。
【００４８】
分光器３２４は、回折格子等の分光素子とＣＣＤ等の固体撮像素子を有している。分光器３２４に入射した干渉光は、分光素子によって波長毎に分光された後、固体撮像素子によって検出される。固体撮像素子によって検出された信号は、波長の干渉光強度分布を表しており、反射フィルタＲ１と反射フィルタＲ２とのＺ軸方向の間隔（図３中、距離Ｄ）に応じて変化する。波形解析回路３２６は、この波長の干渉光強度分布を解析してコントローラ３０８に出力する。コントローラ３０８は、入力した解析結果に基づいて距離Ｄを算出する。コントローラ３０８は、算出した距離Ｄと前回の距離Ｄとの比較から内筒１２６の移動量を検出する。若しくは、算出した距離Ｄから内筒１２６の現在位置を検出する。コントローラ３０８は、検出した移動量と目標とする移動量とを比較して形状記憶合金１３２への通電量制御を行い、内筒１２６をＺ軸方向に微細に移動させる。
【００４９】
図４は、共焦点光学系を構成する点光源（光ファイバ１２２の射出端１２２ａ）のＺ軸方向の移動量を検出する移動量検出処理を示すフローチャートである。図４の移動量検出処理は、共焦点内視鏡システム１の起動によって実行が開始されて、共焦点内視鏡システム１の電源が切断された時点で、又は共焦点内視鏡システム１が停止した時点で終了する。なお、以降の本明細書中の説明並びに図面において、処理ステップは「Ｓ」と省略して記す。
【００５０】
光源３２０は、計測光を例えば共焦点内視鏡システム１の起動と共に射出する。そのため、干渉光強度分布の解析は、共焦点内視鏡システム１の起動直後から行われる。コントローラ３０８は、波形解析回路３２６から解析結果を受け取って、内筒１２６のＺ軸方向の現在位置を検出する（Ｓ１）。
【００５１】
コントローラ３０８は、次いで、内筒１２６のホームポジションへの移動を行う（Ｓ２）。ホームポジションは、製品出荷時に、例えば内筒１２６が外筒１２４に対してハードウェア的に移動できる最大範囲の中心位置に設定されている。但し、ホームポジションは、術者によるフロントパネル３１０又は手元操作部１３の操作によって任意に設定変更することができる。ホームポジションの設定値は、第二のプロセッサ３００が有するメモリ３１８に保存される。このとき、ホームポジションの設定値は、電子スコープ１００のＩＤに関連付けられて保存され、電源切断後も保持される。なお、ここで参照されるＩＤは、システム起動時にコントローラ３０８によって電子スコープ１００が有するメモリ（不図示）から予め読み出された型番等の識別情報である。
【００５２】
Ｓ２の処理では、コントローラ３０８は、ホームポジションとして設定された位置が検出されるまで内筒１２６を移動させる。内筒１２６は、ホームポジションへの移動後、術者によるマニュアル操作に応じて、又はメモリ３１８に保存されている設定（後述のユーザ設定位置）に従って移動する。Ｓ３以降の処理における内筒１２６の移動は、第二の撮像システムによる三次元共焦点画像の撮像を想定した移動である。
【００５３】
内筒１２６は、術者による手元操作部１３の操作に応じて、所定の移動可能範囲内で微細に前進し又は後退する（Ｓ３：マニュアル操作、Ｓ４）。この所定の移動可能範囲は、各種部品の加工誤差や組立誤差を考慮して、ソフトウェア処理によってハードウェア的な移動可能範囲よりも制限されている範囲である。コントローラ３０８は、検出した移動量を画像生成回路３１６に逐次出力する。画像生成回路３１６は、各点像に対する被写体深さ方向の画素アドレスを該移動量に応じて決定する。これにより、内筒１２６（点光源）の微細な移動量に対応する高精細な共焦点画像が生成されて、モニタ３００Ｍに表示される。
【００５４】
術者は、フロントパネル３１０又は手元操作部１３の操作を行い、内筒１２６のＺ軸方向の現在位置（以下、「ユーザ設定位置」と記す。）を登録することができる。具体的には、コントローラ３０８は、ユーザ設定位置の登録操作を受け付けると（Ｓ５：ＹＥＳ）、現在位置に対応する距離Ｄをユーザ設定位置としてメモリ３１８に保存する（Ｓ６）。このとき、ユーザ設定位置は、電子スコープ１００のＩＤに関連付けられて保存され、電源切断後も保持される。ユーザ設定位置は、一台の電子スコープ１００に対して複数ポイント登録することができる。
【００５５】
ユーザ設定位置の登録操作がない場合（Ｓ５：ＮＯ）や、Ｓ６のユーザ設定位置の登録処理後は、Ｓ３の処理に戻る。術者は、フロントパネル３１０又は手元操作部１３の操作を行い、内筒１２６をユーザ設定位置に移動させることができる。具体的には、コントローラ３０８は、ユーザ設定位置への移動操作を受け付けると（Ｓ３：ユーザ設定位置の指定操作）、Ｓ７の移動処理を行う。Ｓ７の移動処理では、指定されたユーザ設定位置に対応する距離Ｄがメモリ３１８から読み出される。読み出された距離Ｄと現在算出されている実際の距離Ｄとが比較され、その差分が算出される。コントローラ３０８は、この差分が無くなる方向及び量だけ内筒１２６を移動させる。術者は、このような簡易な操作によって、被写体を例えば前回の診断時と同じ深さで共焦点観察することができる。
【００５６】
ユーザ設定位置は、前述の通り、電子スコープ毎に登録され管理される。しかし、別機を使用する際に、被写体を他機の使用時と同じ深さで共焦点観察したいという場面も想定される。この場合は、他機のＩＤに関連付けられたユーザ設定位置を別機で利用して、被写体を他機の使用時と同じ深さで共焦点観察できるようにしてもよい。
【００５７】
本実施形態の共焦点内視鏡システム１によれば、各筒を封止するという不可欠な既存の構成要素であるカバーガラスを利用することによって、実質的な部品増加を伴うことなく、点光源のＺ軸方向の移動量を検出する構成を挿入先端部１２に組み込むことができる。すなわち、二重線コイル容量性センサ等の移動量を検出するための専用部品が不要であるため、挿入先端部１２の小型化設計が容易である。
【００５８】
以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば反射フィルタＲ１又はＲ２は、本実施形態の配置に限定されない。例えば反射フィルタＲ２は、対物光学系１２８とカバーガラスＣＧ１との間に配置してもよい。
【００５９】
内筒１２６の移動量の検出は、分光干渉法の原理を利用した本実施形態の検出方式に限定されない。図５に、内筒１２６の移動量を別の方式で検出する、別の実施形態の共焦点内視鏡システム１ｚの構成を概略的に示す。図５に示されるように、共焦点内視鏡システム１ｚは、ブロック構成として、分光器３２４と波形解析回路３２６の代わりに光検出器３２８を有している。
【００６０】
別の実施形態において、光源３２０は、例えば８００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長帯域の計測光（変調光）を１パルス射出する。反射フィルタＲ１は、例えば８５０ｎｍ〜９００ｎｍの波長帯域（以下、「第一の波長帯域」と記す。）だけを反射する特性を持つ。このため、計測光のうち第一の波長帯域の光だけが反射フィルタＲ１で反射される。残りの波長帯域の計測光は、反射フィルタＲ１を透過して反射フィルタＲ２に入射する。反射フィルタＲ２は、例えば９５０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長帯域（以下、「第二の波長帯域」と記す。）だけを反射する特性を持つ。よって、計測光のうち第二の波長帯域の光だけが反射フィルタＲ２で反射される。なお、第一又は第二の波長帯域以外の計測光は、被写体に到達して散乱する。しかし、計測光の波長帯域には、レーザ光源３０２の射出光の波長帯域、被写体からの反射光（蛍光）の波長帯域、可視域の何れにも重複しない範囲が選択されている。従って、被写体によって散乱された計測光が被写体のカラー画像や共焦点観察画像に実質的に影響を及ぼすことはない。
【００６１】
各反射フィルタで反射された第一、第二の波長帯域の反射光は、干渉することなく光路を戻り、フォトカップラ３０６、ハーフミラー３２２を介して光検出器３２８によって検出される。説明を加えると、第二の波長帯域の反射光は、反射フィルタＲ１と反射フィルタＲ２とを往復した光路長差分だけ第一の波長帯域の反射光よりも遅延する。すなわち、距離Ｄが長くなるほど、光検出器３２８における第一と第二の波長帯域の反射光の検出タイミングの差が大きくなる。コントローラ３０８は、この検出タイミング差に従って距離Ｄを算出して、内筒１２６の移動量又は現在位置を検出する。
【００６２】
別の実施形態においては、１パルスの計測光を各反射フィルタで反射させるだけで内筒１２６の移動量又は現在位置が直ぐさま検出できるというメリットがある。反射光のタイミング差の検出には構成が簡素な光検出器３２８を使用できるため、製造コスト面でメリットである。
【符号の説明】
【００６３】
１ 共焦点内視鏡システム
１２ 挿入先端部
１００ 電子スコープ
１２０ 共焦点光学ユニット
１２４ 外筒
１２６ 内筒
１３０ 圧縮コイルばね
１３２ 形状記憶合金
３０８ コントローラ
３２４ 分光器
３２６ 波長解析回路
Ｒ１、Ｒ２ 反射フィルタ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、照射された被写体からの戻り光のうち共焦点光学系の焦点位置と共役の位置に配置されたピンホールを介した光のみを検出して画像化する共焦点内視鏡システム、及び該共焦点内視鏡システムが有する共焦点内視鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、体腔内の生体組織を観察するための共焦点内視鏡システムとして、共焦点光学系を備えた、いわゆる共焦点内視鏡システムが知られている。共焦点内視鏡システムは、被写体に対して照射光を照射する。共焦点内視鏡システムは、照射された被写体からの戻り光のうち共焦点光学系の焦点位置と共役の位置に配置されたピンホールを介した光のみを光検出器によって検出する。共焦点内視鏡システムは、光検出器において検出光の強度に応じて発生した信号を基に、通常の電子スコープやファイバスコープで観察される像よりも高倍率かつ高解像度の画像を生成する。この種の共焦点内視鏡システムの具体的構成例は、特許文献１に記載されている。
【０００３】
特許文献１に記載の共焦点内視鏡システムは、被写体への照明光とその戻り光を伝送する光ファイバの先端近傍を二次元方向に振動させるＸ−Ｙ走査機構を備えている。Ｘ−Ｙ走査機構は、Ｚ軸アクチュエータによって、点光源として機能する光ファイバごとＺ軸方向に進退自在に構成されている。すなわち、特許文献１に記載の共焦点内視鏡システムは、光ファイバを二次元方向に振動させつつＺ軸方向に進退させることによって、被写体を三次元走査するように構成されている。
【０００４】
Ｚ軸アクチュエータは、通電による加熱によってＺ軸方向に収縮する形状記憶合金を有している。Ｘ−Ｙ走査機構は、形状記憶合金への通電を行って形状記憶合金をＺ軸方向に収縮させると、形状記憶合金に引っ張られてＺ軸方向に後退する。Ｘ−Ｙ走査機構は、形状記憶合金が通電の停止によって常温に戻り、形状記憶効果による形状の復元が無くなると、スプリングの付勢力によってＺ軸方向に押し出されて前進する。Ｘ−Ｙ走査機構のＺ軸方向の移動量は、二本の電線を接着剤で寄り合わせてコイル状に巻いた二重線コイル容量性センサの静電容量の変化量から検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３２１７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この種の共焦点内視鏡システムには、患者に対する低侵襲性を実現するため、挿入先端部を小型に設計することが恒常的に求められている。しかし、二重線コイル容量性センサ等の移動量を検出するためのセンサは、構造上小型化に限界があり、挿入先端部の小型化を妨げる要因となっている。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型化設計に適した構成の共焦点内視鏡装置、及び該共焦点内視鏡装置を有する共焦点内視鏡システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決する本発明の一形態に係る共焦点内視鏡装置は、所定の点光源を二次元方向に移動自在に支持する点光源支持手段と、点光源から放射された光の集光点と共役の位置に配置された共焦点ピンホールと、点光源支持手段を共焦点ピンホールと共に二次元方向と直交する直交方向に移動自在に保持する保持手段と、点光源支持手段に支持された、所定の計測光の一部を反射する第一の反射面と、保持手段に支持された、第一の反射面を透過した計測光の少なくとも一部を反射する第二の反射面と、第一、第二の各反射面で反射された反射光を所定の光検出器に伝送する反射光伝送手段とを有することを特徴とした装置である。
【０００９】
すなわち、本発明によれば、点光源支持手段、保持手段にそれぞれ第一、第二の反射面を追加するという簡素な構成によって、保持手段に対する点光源支持手段の直交方向の移動量に応じた出力（第一、第二の各反射面で反射された反射光）を外部の光検出器に提供することができる。
【００１０】
点光源支持手段は、先端が第一の反射面を有する第一のカバーガラスで封止され、点光源を内部に収容した第一の筒状部材を有する構成としてもよい。保持手段は、先端が第二の反射面を有する第二のカバーガラスで封止され、第一の筒状部材を内部に同軸で収容した第二の筒状部材を有する構成としてもよい。
【００１１】
光源支持手段は、所定の光源から供給された光を伝送する共焦点用光ファイバの射出端近傍を二次元方向に移動自在に支持する構成としてもよい。この射出端は、点光源かつ共焦点ピンホールとして機能するように、集光点と共役の位置に配置されていることが望ましい。
【００１２】
本発明に係る共焦点内視鏡装置は、所定の計測用光源から供給された計測光を第一及び第二の反射面に向けて伝送する計測用光ファイバを更に有する構成としてもよい。この場合、反射光伝送手段は、計測用光ファイバが兼ねることが望ましい。
【００１３】
共焦点用光ファイバと計測用光ファイバは、単一の光ファイバで共用してもよい。
【００１４】
上記の課題を解決する本発明の一形態に係る共焦点内視鏡システムは、上記の何れかに記載の共焦点内視鏡装置と、第一、第二の各反射面で反射された反射光を検出する反射光検出手段と、反射光検出手段の検知結果を基に、保持手段に対する点光源支持手段の直交方向の移動量を検出する移動量検出手段とを有することを特徴としたシステムである。
【００１５】
移動量検出手段は、第一、第二の各反射面で反射された反射光の分光干渉波形を解析する解析手段と、解析された分光干渉波形に基づいて移動量を算出する移動量算出手段とを有する構成としてもよい。
【００１６】
移動量検出手段は、第一、第二の各反射面で反射された反射光の反射光検出手段による検出タイミングの差を検知するタイミング差検知手段と、検知されたタイミングの差に基づいて移動量を算出する移動量算出手段とを有する構成としてもよい。
【００１７】
本発明に係る共焦点内視鏡システムは、以前の診断条件を簡単に再現できるようにするため、保持手段に対する点光源支持手段の直交方向の現在の位置情報を保存する位置情報保存手段と、保存された位置情報を指定する位置情報指定手段と、位置情報で指定された位置に点光源支持手段を移動させる指定位置移動手段とを更に有する構成としてもよい。
【００１８】
本発明に係る共焦点内視鏡システムは、共焦点ピンホールを介した光を受光して画像信号を検出する画像信号検出手段と、画像信号検出手段による画像信号の検出タイミングに応じて、各該画像信号に対する二次元平面の画素配置を決定すると共に、移動量検出手段によって検出された移動量に応じて、各該画像信号に対する該二次元平面と直交する深さ方向の画素配置を決定する画素配置決定手段と、決定された画素配置に従って各画像信号によって表現される画像情報を空間的に配列して被写体画像を作成する画像作成手段とを更に有する構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、小型化設計に適した構成の共焦点内視鏡装置、及び該共焦点内視鏡装置を有する共焦点内視鏡システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態の共焦点内視鏡システムの構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態の共焦点内視鏡システムが有する電子スコープの挿入先端部に組み込まれた共焦点光学ユニットの構成を概略的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態の共焦点光学ユニットの先端側の概略構成を拡大して示す図である。
【図４】本発明の実施形態の共焦点光学系を構成する点光源のＺ軸方向の移動量を検出する移動量検出処理を示すフローチャートである。
【図５】別の実施形態の共焦点内視鏡システムの構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の共焦点内視鏡システムについて説明する。
【００２２】
図１は、本実施形態の共焦点内視鏡システム１の構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、共焦点内視鏡システム１は、被写体を撮影するための電子スコープ１００を有している。電子スコープ１００は、可撓性を有するシース１１ａによって外装された挿入可撓管１１を備えている。挿入可撓管１１の先端には、硬質性を有する樹脂製筐体によって外装された挿入先端部１２が連結されている。挿入可撓管１１と挿入先端部１２との連結箇所にある湾曲部１４は、挿入可撓管１１の基端に連結された手元操作部１３からの遠隔操作（具体的には、湾曲操作ノブ１３ａの回転操作）によって屈曲自在に構成されている。この屈曲機構は、一般的な電子スコープに組み込まれている周知の機構であり、湾曲操作ノブ１３ａの回転操作に連動した操作ワイヤの牽引によって湾曲部１４を屈曲させるように構成されている。挿入先端部１２の方向が上記操作による屈曲動作に応じて変わることにより、電子スコープ１００による撮影領域が移動する。
【００２３】
共焦点内視鏡システム１には、二つの撮像システムが組み込まれている。一つは、被写体を標準的な倍率及び解像度で撮像する一般的な内視鏡撮像システムと同様の撮像システム（以下、「第一の撮像システム」と記す。）である。もう一つは、第一の撮像システムよりも高倍率かつ高解像度で被写体を撮像する撮像システム（以下、「第二の撮像システム」と記す。）である。まずは、第一の撮像システムについて説明する。
【００２４】
共焦点内視鏡システム１は、第一の撮像システムを構成する第一のプロセッサ２００を有している。第一のプロセッサ２００は、自然光の届かない体腔内を電子スコープ１００を介して照明する光源装置２０２と、電子スコープ１００からの撮像信号を処理する信号処理装置２０４とを一体に備えた装置である。別の実施形態では、光源装置２０２と信号処理装置２０４とを別体で構成してもよい。電子スコープ１００は、第一のユニバーサルケーブル１５を介して、第一のプロセッサ２００に電気的に及び光学的に接続されている。
【００２５】
光源装置２０２から放射された照明光は、図示省略された絞り機構を介して適正な光量に制限されて、電子スコープ１００が有するＬＣＢ（light carrying bundle）１０２の入射端に入射する。適正とされる映像の明るさの基準は、術者によるフロントパネル２０６の輝度調節操作に応じて設定変更される。
【００２６】
ＬＣＢ１０２は、入射端が光源装置２０２と結合する位置に配置され、射出端が挿入先端部１２に配置されている。ＬＣＢ１０２の入射端に入射した照明光は、ＬＣＢ１０２の内部を全反射を繰り返すことによって伝播して、射出端から射出する。挿入先端部１２には、第一の撮像システムを構成する配光レンズ１０４、対物レンズ１０６、固体撮像素子１０８が組み込まれている。射出端から射出した照明光は、配光レンズ１０４を介して被写体を照明する。被写体からの反射光は、対物レンズ１０６を介して固体撮像素子１０８の受光面上で光学像を結ぶ。
【００２７】
固体撮像素子１０８は、例えばベイヤ型画素配置を有する単板式カラーＣＣＤ（Charge Coupled Device）であり、第一のプロセッサ２００から供給されるクロックパルスに従って、映像のフレームレートに同期したタイミングで駆動する。固体撮像素子１０８は、受光面上の各画素で結像した光学像を光量に応じた電荷として蓄積して、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に応じた信号に変換する。変換された信号は、フォトカップラなどを使用した絶縁回路（不図示）を介して信号処理装置２０４に入力する。
【００２８】
信号処理装置２０４は、固体撮像素子１０８の出力信号に、クランプ、ニー、γ補正、補間処理、ＡＧＣ（Auto Gain Control）、ＡＤ変換等の所定の信号処理を施して、その処理信号を、図示省略されたフレームメモリにフレーム単位でバッファリングする。バッファリングされた信号は、所定のタイミングでフレームメモリから掃き出されて、ＮＴＳＣ（National Television System Committee）やＰＡＬ（Phase Alternating Line）等の所定の規格に準拠した映像信号に変換される。変換された映像信号がモニタ２００Ｍに順次入力することにより、モニタ２００Ｍに、標準的な倍率及び解像度の被写体のカラー画像が表示される。
【００２９】
次に、第二の撮像システムについて説明する。第二の撮像システムは、挿入先端部１２に組み込まれた共焦点光学ユニット１２０を有している。共焦点光学ユニット１２０は、共焦点顕微鏡の原理を応用して設計されたユニットであり、高倍率かつ高解像度の被写体を観察するのに好適に構成されている。第二の撮像システムを用いた共焦点観察は、共焦点光学ユニット１２０の前面に位置する挿入先端部１２の端面１２ａを被写体に当て付けた状態で行う。一方、第一の撮像システムを用いて通常観察を行う場合は、ボケのない鮮明な被写体像を得るため、対物レンズ１０６の配置面（図１中、挿入先端部１２の端面１２ｂ）を、例えば対物レンズ１０６の焦点距離相当分だけ被写体から離す必要がある。そこで、挿入先端部１２の先端面は、端面１２ａが端面１２ｂより所定量突出して位置するように形成されている。そのため、対物レンズ１０６は、端面１２ａを被写体に当て付けると、被写体を被写界深度に収める位置で安定する。
【００３０】
共焦点内視鏡システム１は、第二の撮像システムを構成する第二のプロセッサ３００を有している。電子スコープ１００は、第二のユニバーサルケーブル１６を介して、第二のプロセッサ３００に電気的に及び光学的に接続されている。
【００３１】
第二のプロセッサ３００は、被写体に対して励起光として作用する波長のレーザ光を放射するレーザ光源３０２を有している。レーザ光源３０２から放射されたレーザ光（例えば波長：４８８ｎｍ）は、光ファイバ３０４の内部を伝播して、フォトカップラ３０６を介して光ファイバ１２２の入射端に入射する。
【００３２】
図２は、挿入先端部１２に組み込まれた共焦点光学ユニット１２０の構成を概略的に示す図である。以降においては、共焦点光学ユニット１２０の構成を説明するにあたり、便宜上、共焦点光学ユニット１２０の長手方向をＺ方向と定義し、Ｚ方向に直交しかつ互いに直交する二方向をＸ方向、Ｙ方向と定義する。
【００３３】
図２に示されるように、共焦点光学ユニット１２０は、当該ユニットの各種構成部品を収容する金属製の外筒１２４を有している。外筒１２４は、外筒１２４の内壁面形状に対応する外壁面形状を持つ内筒１２６を、同軸でかつＺ軸方向にスライド自在に保持している。光ファイバ１２２の射出端１２２ａは、外筒１２４、内筒１２６の各基端面に形成された開口を通じて内筒１２６の内部に支持されており、第二の撮像システムの二次的な点光源として機能する。
【００３４】
外筒１２４は、対物光学系１２８を有している。対物光学系１２８は、図示省略されたレンズ枠に保持された複数枚構成の光学レンズを有している。レンズ枠は、外筒１２４の内部において、内筒１２６と相対的に固定され支持されている。そのため、レンズ枠に保持された光学レンズ群は、外筒１２４の内部を内筒１２６と一体となってＺ軸方向にスライドすることとなる。
【００３５】
光ファイバ１２２の射出端１２２ａの近傍は、図示省略された圧電アクチュエータによって振動する。この圧電アクチュエータは、第二のプロセッサ３００が有するコントローラ３０８によって駆動制御される。射出端１２２ａは、圧電アクチュエータによる振動によって、ＸＹ平面（厳密には、ＸＹ平面に近似する曲面）上を周期的に移動する。射出端１２２ａから射出するレーザ光は、対物光学系１２８を介して焦点を結びつつ射出端１２２ａのＸＹ平面上の移動に伴って、被写体を二次元走査する。なお、射出端１２２ａの移動曲面の曲率半径は極めて大きい。よって、射出端１２２ａの移動曲面をＸＹ平面とみなしても実質的に問題はない。
【００３６】
共焦点光学ユニット１２０は、内筒１２６の基端面と外筒１２４の内壁面との間に、圧縮コイルばね１３０を有している。圧縮コイルばね１３０は、内筒１２６の基端面と外筒１２４の内壁面とによって、自然長からＺ軸方向に初期的に圧縮した状態で狭持されている。
【００３７】
共焦点光学ユニット１２０は、Ｚ軸方向に長尺な棒状の形状記憶合金１３２を有している。形状記憶合金１３２は、一端が内筒１２６の基端面に、他端が外筒１２４の内壁面に、それぞれ固定されている。形状記憶合金１３２は、常温下で外力が加わると変形して、一定温度以上に加熱されると形状記憶効果によって所定の形状に復元する性質を有している。
【００３８】
形状記憶合金１３２は、常温下では、圧縮コイルばね１３０の復元力が加わることによってＺ軸方向に伸びている。形状記憶合金１３２は、形状記憶効果による復元力が圧縮コイルばね１３０の復元力より大きくなるように設計されている。
【００３９】
形状記憶合金１３２の形状は、コントローラ３０８から形状記憶合金１３２への通電による形状記憶合金１３２自体の加熱によってコントロールされる。具体的には、形状記憶合金１３２は、通電によって加熱されると、圧縮コイルばね１３０の復元力に抗してＺ軸方向に収縮する。形状記憶合金１３２の一端と固定されている内筒１２６は、形状記憶合金１３２の収縮に伴い、内筒１２６に支持された光ファイバ１２２と共に外筒１２４の内部をＺ軸方向に後退する。形状記憶合金１３２の収縮量は、形状記憶合金１３２への通電量によって精密にコントロールされる。この通電量（換言すると、光ファイバ１２２のＺ軸方向の移動量）は、術者による手元操作部１３のＺ軸移動量の調節操作に応じて変動する。
【００４０】
形状記憶合金１３２は、通電が停止して常温に戻る（又は通電量の減少によって温度が低下する）と、形状記憶効果による復元力が無くなり（又は弱くなり）、圧縮コイルばね１３０の復元力によってＺ軸方向に伸びる。内筒１２６は、圧縮コイルばね１３０の復元力によって基端面が押されて、光ファイバ１２２と共に外筒１２４の内部をＺ軸方向に前進する。
【００４１】
光ファイバ１２２の射出端１２２ａから射出するレーザ光は、対物光学系１２８を介して被写体の表面又は表層で焦点を結ぶ。この焦点位置は、点光源である射出端１２２ａの進退に応じてＺ軸方向に変位する。すなわち、共焦点光学ユニット１２０は、圧電アクチュエータによる射出端１２２ａの二軸方向の移動と、圧縮コイルばね１３０及び形状記憶合金１３２による射出端１２２ａの一軸方向の移動とを行うことによって、被写体を三次元走査する。
【００４２】
光ファイバ１２２の射出端１２２ａは、対物光学系１２８の前側焦点位置に配置されている。そのため、射出端１２２ａは、共焦点ピンホールとして機能する。すなわち、射出端１２２ａには、レーザ光によって照明された被写体の散乱成分（蛍光）のうち射出端１２２ａと光学的に共役な集光点からの蛍光のみが入射する。
【００４３】
光ファイバ１２２の射出端１２２ａに入射した蛍光は、光ファイバ１２２の内部を伝播する。光ファイバ１２２の内部を伝播した蛍光は、フォトカップラ３０６によってレーザ光源３０２からのレーザ光と分離された後、光ファイバ３１２を介して光検出器３１４によって検出される。この検出信号は、画像生成回路３１６に入力する。画像生成回路３１６は、順次入力する検出信号の検出タイミングに応じて、各検出信号によって表現される点像への画素アドレスの割当てを行う。画像生成回路３１６は、割り当てた画素アドレスに従って、各点像の空間的配列によって構成される画像の信号をフレームメモリにフレーム単位でバッファリングする。バッファリングされた信号は、所定のタイミングでフレームメモリから掃き出されて、ＮＴＳＣやＰＡＬ等の所定の規格に準拠した映像信号に変換される。変換された映像信号がモニタ３００Ｍに順次入力することにより、モニタ３００Ｍに、高倍率かつ高解像度の被写体の三次元共焦点画像が表示される。
【００４４】
ここで、三次元共焦点画像の倍率又は解像度を向上させるためには、共焦点光学系の構成要素である点光源をＺ軸方向に微細に移動させることが不可欠である。これは、形状記憶合金１３２への精細な通電量制御を行い、光ファイバ１２２の射出端１２２ａを微細に移動させることによって達成される。ところが、三次元共焦点画像の倍率又は解像度を向上させるためには、移動機構の分解能を高くするだけでは足りず、実際の移動量（又は位置）を検出して移動機構を高精度にフィードバック制御するため、移動量検出機構の分解能も向上させる必要がある。本出願人は、この点に着眼して、共焦点光学ユニット１２０に適した移動量検出機構を想起した。
【００４５】
以下は、本実施形態の共焦点内視鏡システム１に搭載された移動量検出機構の説明である。図１に示されるように、第二のプロセッサ３００は、光源３２０を有している。光源３２０は、例えば広波長帯域の光を射出するＳＬＤ（Super luminescent Diode）光源であり、光ファイバ１２２の射出端１２２ａのＺ軸方向の移動量を計測するための計測光を射出する。この計測光の波長帯域には、レーザ光源３０２の射出光又は被写体からの反射光（蛍光）の何れの波長帯域にも重複しない範囲が選択されている。計測光は、光源３２０から射出された後、ハーフミラー３２２、フォトカップラ３０６を介して光ファイバ１２２の入射端に入射する。計測光は、光ファイバ１２２の内部を全反射を繰り返すことによって伝播して、射出端１２２ａから射出する。
【００４６】
図３は、共焦点光学ユニット１２０の先端側の概略構成を拡大して示す図である。図３に示されるように、内筒１２６の先端は、カバーガラスＣＧ１によって封止されている。カバーガラスＣＧ１の光ファイバ１２２側の面には、所定の反射フィルタＲ１がコーティングされている。外筒１２４の先端は、カバーガラスＣＧ２によって封止されている。カバーガラスＣＧ２の対物光学系１２８側の面には、所定の反射フィルタＲ２がコーティングされている。反射フィルタＲ１、Ｒ２は、計測光を反射しつつ計測光以外の波長帯域の光を透過するという、同一の反射特性を有している。すなわち、反射フィルタＲ１、Ｒ２は、計測光を反射しつつも第二の撮像システムの光利用効率を低下させないため、レーザ光源３０２の射出光又は被写体からの反射光（蛍光）を実質的に１００％透過させるように構成されている。
【００４７】
光ファイバ１２２の射出端１２２ａから射出された計測光は、その一部が反射フィルタＲ１で反射し、反射フィルタＲ１を透過した残りが反射フィルタＲ２で全て反射する。各反射フィルタで反射された計測光は、互いに干渉しつつ光路を戻り、フォトカップラ３０６、ハーフミラー３２２を介して分光器３２４に入射する。
【００４８】
分光器３２４は、回折格子等の分光素子とＣＣＤ等の固体撮像素子を有している。分光器３２４に入射した干渉光は、分光素子によって波長毎に分光された後、固体撮像素子によって検出される。固体撮像素子によって検出された信号は、波長の干渉光強度分布を表しており、反射フィルタＲ１と反射フィルタＲ２とのＺ軸方向の間隔（図３中、距離Ｄ）に応じて変化する。波形解析回路３２６は、この波長の干渉光強度分布を解析してコントローラ３０８に出力する。コントローラ３０８は、入力した解析結果に基づいて距離Ｄを算出する。コントローラ３０８は、算出した距離Ｄと前回の距離Ｄとの比較から内筒１２６の移動量を検出する。若しくは、算出した距離Ｄから内筒１２６の現在位置を検出する。コントローラ３０８は、検出した移動量と目標とする移動量とを比較して形状記憶合金１３２への通電量制御を行い、内筒１２６をＺ軸方向に微細に移動させる。
【００４９】
図４は、共焦点光学系を構成する点光源（光ファイバ１２２の射出端１２２ａ）のＺ軸方向の移動量を検出する移動量検出処理を示すフローチャートである。図４の移動量検出処理は、共焦点内視鏡システム１の起動によって実行が開始されて、共焦点内視鏡システム１の電源が切断された時点で、又は共焦点内視鏡システム１が停止した時点で終了する。なお、以降の本明細書中の説明並びに図面において、処理ステップは「Ｓ」と省略して記す。
【００５０】
光源３２０は、計測光を例えば共焦点内視鏡システム１の起動と共に射出する。そのため、干渉光強度分布の解析は、共焦点内視鏡システム１の起動直後から行われる。コントローラ３０８は、波形解析回路３２６から解析結果を受け取って、内筒１２６のＺ軸方向の現在位置を検出する（Ｓ１）。
【００５１】
コントローラ３０８は、次いで、内筒１２６のホームポジションへの移動を行う（Ｓ２）。ホームポジションは、製品出荷時に、例えば内筒１２６が外筒１２４に対してハードウェア的に移動できる最大範囲の中心位置に設定されている。但し、ホームポジションは、術者によるフロントパネル３１０又は手元操作部１３の操作によって任意に設定変更することができる。ホームポジションの設定値は、第二のプロセッサ３００が有するメモリ３１８に保存される。このとき、ホームポジションの設定値は、電子スコープ１００のＩＤに関連付けられて保存され、電源切断後も保持される。なお、ここで参照されるＩＤは、システム起動時にコントローラ３０８によって電子スコープ１００が有するメモリ（不図示）から予め読み出された型番等の識別情報である。
【００５２】
Ｓ２の処理では、コントローラ３０８は、ホームポジションとして設定された位置が検出されるまで内筒１２６を移動させる。内筒１２６は、ホームポジションへの移動後、術者によるマニュアル操作に応じて、又はメモリ３１８に保存されている設定（後述のユーザ設定位置）に従って移動する。Ｓ３以降の処理における内筒１２６の移動は、第二の撮像システムによる三次元共焦点画像の撮像を想定した移動である。
【００５３】
内筒１２６は、術者による手元操作部１３の操作に応じて、所定の移動可能範囲内で微細に前進し又は後退する（Ｓ３：マニュアル操作、Ｓ４）。この所定の移動可能範囲は、各種部品の加工誤差や組立誤差を考慮して、ソフトウェア処理によってハードウェア的な移動可能範囲よりも制限されている範囲である。コントローラ３０８は、検出した移動量を画像生成回路３１６に逐次出力する。画像生成回路３１６は、各点像に対する被写体深さ方向の画素アドレスを該移動量に応じて決定する。これにより、内筒１２６（点光源）の微細な移動量に対応する高精細な共焦点画像が生成されて、モニタ３００Ｍに表示される。
【００５４】
術者は、フロントパネル３１０又は手元操作部１３の操作を行い、内筒１２６のＺ軸方向の現在位置（以下、「ユーザ設定位置」と記す。）を登録することができる。具体的には、コントローラ３０８は、ユーザ設定位置の登録操作を受け付けると（Ｓ５：ＹＥＳ）、現在位置に対応する距離Ｄをユーザ設定位置としてメモリ３１８に保存する（Ｓ６）。このとき、ユーザ設定位置は、電子スコープ１００のＩＤに関連付けられて保存され、電源切断後も保持される。ユーザ設定位置は、一台の電子スコープ１００に対して複数ポイント登録することができる。
【００５５】
ユーザ設定位置の登録操作がない場合（Ｓ５：ＮＯ）や、Ｓ６のユーザ設定位置の登録処理後は、Ｓ３の処理に戻る。術者は、フロントパネル３１０又は手元操作部１３の操作を行い、内筒１２６をユーザ設定位置に移動させることができる。具体的には、コントローラ３０８は、ユーザ設定位置への移動操作を受け付けると（Ｓ３：ユーザ設定位置の指定操作）、Ｓ７の移動処理を行う。Ｓ７の移動処理では、指定されたユーザ設定位置に対応する距離Ｄがメモリ３１８から読み出される。読み出された距離Ｄと現在算出されている実際の距離Ｄとが比較され、その差分が算出される。コントローラ３０８は、この差分が無くなる方向及び量だけ内筒１２６を移動させる。術者は、このような簡易な操作によって、被写体を例えば前回の診断時と同じ深さで共焦点観察することができる。
【００５６】
ユーザ設定位置は、前述の通り、電子スコープ毎に登録され管理される。しかし、別機を使用する際に、被写体を他機の使用時と同じ深さで共焦点観察したいという場面も想定される。この場合は、他機のＩＤに関連付けられたユーザ設定位置を別機で利用して、被写体を他機の使用時と同じ深さで共焦点観察できるようにしてもよい。
【００５７】
本実施形態の共焦点内視鏡システム１によれば、各筒を封止するという不可欠な既存の構成要素であるカバーガラスを利用することによって、実質的な部品増加を伴うことなく、点光源のＺ軸方向の移動量を検出する構成を挿入先端部１２に組み込むことができる。すなわち、二重線コイル容量性センサ等の移動量を検出するための専用部品が不要であるため、挿入先端部１２の小型化設計が容易である。
【００５８】
以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば反射フィルタＲ１又はＲ２は、本実施形態の配置に限定されない。例えば反射フィルタＲ２は、対物光学系１２８とカバーガラスＣＧ１との間に配置してもよい。
【００５９】
内筒１２６の移動量の検出は、分光干渉法の原理を利用した本実施形態の検出方式に限定されない。図５に、内筒１２６の移動量を別の方式で検出する、別の実施形態の共焦点内視鏡システム１ｚの構成を概略的に示す。図５に示されるように、共焦点内視鏡システム１ｚは、ブロック構成として、分光器３２４と波形解析回路３２６の代わりに光検出器３２８を有している。
【００６０】
別の実施形態において、光源３２０は、例えば８００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長帯域の計測光（変調光）を１パルス射出する。反射フィルタＲ１は、例えば８５０ｎｍ〜９００ｎｍの波長帯域（以下、「第一の波長帯域」と記す。）だけを反射する特性を持つ。このため、計測光のうち第一の波長帯域の光だけが反射フィルタＲ１で反射される。残りの波長帯域の計測光は、反射フィルタＲ１を透過して反射フィルタＲ２に入射する。反射フィルタＲ２は、例えば９５０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長帯域（以下、「第二の波長帯域」と記す。）だけを反射する特性を持つ。よって、計測光のうち第二の波長帯域の光だけが反射フィルタＲ２で反射される。なお、第一又は第二の波長帯域以外の計測光は、被写体に到達して散乱する。しかし、計測光の波長帯域には、レーザ光源３０２の射出光の波長帯域、被写体からの反射光（蛍光）の波長帯域、可視域の何れにも重複しない範囲が選択されている。従って、被写体によって散乱された計測光が被写体のカラー画像や共焦点観察画像に実質的に影響を及ぼすことはない。
【００６１】
各反射フィルタで反射された第一、第二の波長帯域の反射光は、干渉することなく光路を戻り、フォトカップラ３０６、ハーフミラー３２２を介して光検出器３２８によって検出される。説明を加えると、第二の波長帯域の反射光は、反射フィルタＲ１と反射フィルタＲ２とを往復した光路長差分だけ第一の波長帯域の反射光よりも遅延する。すなわち、距離Ｄが長くなるほど、光検出器３２８における第一と第二の波長帯域の反射光の検出タイミングの差が大きくなる。コントローラ３０８は、この検出タイミング差に従って距離Ｄを算出して、内筒１２６の移動量又は現在位置を検出する。
【００６２】
別の実施形態においては、１パルスの計測光を各反射フィルタで反射させるだけで内筒１２６の移動量又は現在位置が直ぐさま検出できるというメリットがある。反射光のタイミング差の検出には構成が簡素な光検出器３２８を使用できるため、製造コスト面でメリットである。
【符号の説明】
【００６３】
１ 共焦点内視鏡システム
１２ 挿入先端部
１００ 電子スコープ
１２０ 共焦点光学ユニット
１２４ 外筒
１２６ 内筒
１３０ 圧縮コイルばね
１３２ 形状記憶合金
３０８ コントローラ
３２４ 分光器
３２６ 波長解析回路
Ｒ１、Ｒ２ 反射フィルタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の点光源を二次元方向に移動自在に支持する点光源支持手段と、
前記点光源から放射された光の集光点と共役の位置に配置された共焦点ピンホールと、
前記点光源支持手段を前記共焦点ピンホールと共に前記二次元方向と直交する直交方向に移動自在に保持する保持手段と、
前記点光源支持手段に支持された、所定の計測光の一部を反射する第一の反射面と、
前記保持手段に支持された、前記第一の反射面を透過した前記計測光の少なくとも一部を反射する第二の反射面と、
前記第一、前記第二の各反射面で反射された反射光を所定の光検出器に伝送する反射光伝送手段と、
を有することを特徴とする共焦点内視鏡装置。
【請求項２】
前記点光源支持手段は、
先端が前記第一の反射面を有する第一のカバーガラスで封止され、前記点光源を内部に収容した第一の筒状部材、
を有し、
前記保持手段は、
先端が前記第二の反射面を有する第二のカバーガラスで封止され、前記第一の筒状部材を内部に同軸で収容した第二の筒状部材、
を有することを特徴とする、請求項１に記載の共焦点内視鏡装置。
【請求項３】
前記点光源支持手段は、所定の光源から供給された光を伝送する共焦点用光ファイバの射出端近傍を前記二次元方向に移動自在に支持し、
前記射出端は、前記点光源かつ前記共焦点ピンホールとして機能するように、前記集光点と共役の位置に配置されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の共焦点内視鏡装置。
【請求項４】
所定の計測用光源から供給された前記計測光を前記第一及び前記第二の反射面に向けて伝送する計測用光ファイバ、
を更に有し、
前記反射光伝送手段は、前記計測用光ファイバが兼ねることを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の共焦点内視鏡装置。
【請求項５】
前記共焦点用光ファイバと前記計測用光ファイバは、単一の光ファイバで共用することを特徴とする、請求項３を引用する請求項４に記載の共焦点内視鏡装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の共焦点内視鏡装置と、
前記第一、前記第二の各反射面で反射された反射光を検出する反射光検出手段と、
前記反射光検出手段の検知結果を基に、前記保持手段に対する前記点光源支持手段の前記直交方向の移動量を検出する移動量検出手段と、
を有することを特徴とする共焦点内視鏡システム。
【請求項７】
前記移動量検出手段は、
前記第一、前記第二の各反射面で反射された反射光の分光干渉波形を解析する解析手段と、
解析された前記分光干渉波形に基づいて前記移動量を算出する移動量算出手段と、
を有することを特徴とする、請求項６に記載の共焦点内視鏡システム。
【請求項８】
前記移動量検出手段は、
前記第一、前記第二の各反射面で反射された反射光の前記反射光検出手段による検出タイミングの差を検知するタイミング差検知手段と、
検知された前記タイミングの差に基づいて前記移動量を算出する移動量算出手段と、
を有することを特徴とする、請求項６に記載の共焦点内視鏡システム。
【請求項９】
前記保持手段に対する前記点光源支持手段の前記直交方向の現在の位置情報を保存する位置情報保存手段と、
保存された前記位置情報を指定する位置情報指定手段と、
前記位置情報で指定された位置に前記点光源支持手段を移動させる指定位置移動手段と、
を更に有することを特徴とする、請求項６から請求項８の何れか一項に記載の共焦点内視鏡システム。
【請求項１０】
前記共焦点ピンホールを介した光を受光して画像信号を検出する画像信号検出手段と、
前記画像信号検出手段による前記画像信号の検出タイミングに応じて、各該画像信号に対する二次元平面の画素配置を決定すると共に、前記移動量検出手段によって検出された前記移動量に応じて、各該画像信号に対する該二次元平面と直交する深さ方向の画素配置を決定する画素配置決定手段と、
前記決定された画素配置に従って各前記画像信号によって表現される画像情報を空間的に配列して被写体画像を作成する画像作成手段と、
を更に有することを特徴とする、請求項６から請求項９の何れか一項に記載の共焦点内視鏡システム。
【請求項１】
所定の点光源を二次元方向に移動自在に支持する点光源支持手段と、
前記点光源から放射された光の集光点と共役の位置に配置された共焦点ピンホールと、
前記点光源支持手段を前記共焦点ピンホールと共に前記二次元方向と直交する直交方向に移動自在に保持する保持手段と、
前記点光源支持手段に支持された、所定の計測光の一部を反射する第一の反射面と、
前記保持手段に支持された、前記第一の反射面を透過した前記計測光の少なくとも一部を反射する第二の反射面と、
前記第一、前記第二の各反射面で反射された反射光を所定の光検出器に伝送する反射光伝送手段と、
を有することを特徴とする共焦点内視鏡装置。
【請求項２】
前記点光源支持手段は、
先端が前記第一の反射面を有する第一のカバーガラスで封止され、前記点光源を内部に収容した第一の筒状部材、
を有し、
前記保持手段は、
先端が前記第二の反射面を有する第二のカバーガラスで封止され、前記第一の筒状部材を内部に同軸で収容した第二の筒状部材、
を有することを特徴とする、請求項１に記載の共焦点内視鏡装置。
【請求項３】
前記点光源支持手段は、所定の光源から供給された光を伝送する共焦点用光ファイバの射出端近傍を前記二次元方向に移動自在に支持し、
前記射出端は、前記点光源かつ前記共焦点ピンホールとして機能するように、前記集光点と共役の位置に配置されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の共焦点内視鏡装置。
【請求項４】
所定の計測用光源から供給された前記計測光を前記第一及び前記第二の反射面に向けて伝送する計測用光ファイバ、
を更に有し、
前記反射光伝送手段は、前記計測用光ファイバが兼ねることを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の共焦点内視鏡装置。
【請求項５】
前記共焦点用光ファイバと前記計測用光ファイバは、単一の光ファイバで共用することを特徴とする、請求項３を引用する請求項４に記載の共焦点内視鏡装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の共焦点内視鏡装置と、
前記第一、前記第二の各反射面で反射された反射光を検出する反射光検出手段と、
前記反射光検出手段の検知結果を基に、前記保持手段に対する前記点光源支持手段の前記直交方向の移動量を検出する移動量検出手段と、
を有することを特徴とする共焦点内視鏡システム。
【請求項７】
前記移動量検出手段は、
前記第一、前記第二の各反射面で反射された反射光の分光干渉波形を解析する解析手段と、
解析された前記分光干渉波形に基づいて前記移動量を算出する移動量算出手段と、
を有することを特徴とする、請求項６に記載の共焦点内視鏡システム。
【請求項８】
前記移動量検出手段は、
前記第一、前記第二の各反射面で反射された反射光の前記反射光検出手段による検出タイミングの差を検知するタイミング差検知手段と、
検知された前記タイミングの差に基づいて前記移動量を算出する移動量算出手段と、
を有することを特徴とする、請求項６に記載の共焦点内視鏡システム。
【請求項９】
前記保持手段に対する前記点光源支持手段の前記直交方向の現在の位置情報を保存する位置情報保存手段と、
保存された前記位置情報を指定する位置情報指定手段と、
前記位置情報で指定された位置に前記点光源支持手段を移動させる指定位置移動手段と、
を更に有することを特徴とする、請求項６から請求項８の何れか一項に記載の共焦点内視鏡システム。
【請求項１０】
前記共焦点ピンホールを介した光を受光して画像信号を検出する画像信号検出手段と、
前記画像信号検出手段による前記画像信号の検出タイミングに応じて、各該画像信号に対する二次元平面の画素配置を決定すると共に、前記移動量検出手段によって検出された前記移動量に応じて、各該画像信号に対する該二次元平面と直交する深さ方向の画素配置を決定する画素配置決定手段と、
前記決定された画素配置に従って各前記画像信号によって表現される画像情報を空間的に配列して被写体画像を作成する画像作成手段と、
を更に有することを特徴とする、請求項６から請求項９の何れか一項に記載の共焦点内視鏡システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−９８１６９（Ｐ２０１１−９８１６９Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５６４９７（Ｐ２００９−２５６４９７）
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【出願人】（０００１１３２６３）ＨＯＹＡ株式会社 (3,820)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【出願人】（０００１１３２６３）ＨＯＹＡ株式会社 (3,820)
【Ｆターム（参考）】
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