CN110248588B - 内窥镜 - Google Patents

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Abstract

以将观察对象的表面上的正反射光引起的光斑抑制得较小，提高光的利用效率为目的，本发明的内窥镜(1)具有：细长的插入部(2)；前方观察窗和前方照明系统，它们配置于插入部(2)的前端面；侧方观察窗和侧方照明系统，它们配置于比前端面靠基端侧的位置；以及摄像元件，其对经由前方观察窗和侧方观察窗入射的光进行拍摄，前方照明系统具有：环状的扩散元件，其配置在包围前方观察窗的周围的位置；以及多个导光纤维，它们使从光源引导来的照明光朝向前端侧入射到在扩散元件的基端侧的周向上隔开间隔的多个入射部位，扩散元件是使1种以上的微粒分散到由与该微粒不同的材质构成的均匀介质中而成的，并满足条件式0.06＜μs≤100和0.7≤g＜1。这里，μs是扩散元件的散射系数(1/mm)，g是微粒的各向异性参数。

Description

内窥镜
技术领域
本发明涉及内窥镜。
背景技术
以往，公知有为了进行大肠内观察等而能够观察到插入方向前方和包含斜后方的侧方的内窥镜(例如，参照专利文献1)。
该内窥镜分别设置前方用的观察窗和侧方用的观察窗，照明系统也分为前方用和侧方用。而且，前方用的照明系统以包围前方用观察窗的方式配置圆环状的扩散元件，将一根光纤束的射出端配置在扩散元件的侧面，利用扩散元件的强扩散作用使从射出端入射到扩散元件的侧面的光均匀化并进行照射，所述前方用观察窗配置在内窥镜的插入部的前端面。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5596889号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在专利文献1的照明系统中，由于圆环状的扩散元件整体均匀地发光，因此实质上构成环状的二次光源，存在因作为内窥镜观察对象的润湿的生物体组织的表面上的反射光而在图像内形成的环状的光斑妨碍观察这样的不良情况。另外，由于用于使整体均匀地发光的强扩散作用，所以还存在如下不良情况：存在许多因扩散元件的表面上的内表面反射而未向外部射出的光或因后方散射而返回的光，光的利用效率低。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够将由观察对象的表面上的正反射光引起的光斑抑制得较小，并且提高光的利用效率，从而进行明亮且鲜明的图像的观察的内窥镜。
用于解决课题的手段
本发明的一个方式是内窥镜，该内窥镜具有：细长的插入部；前方观察窗和前方照明系统，它们配置于该插入部的前端面；侧方观察窗和侧方照明系统，它们配置在比所述前端面靠基端侧的位置；以及摄像元件，其对经由所述前方观察窗和所述侧方观察窗入射的光进行拍摄，所述前方照明系统具有：环状的扩散元件，其配置在包围所述前方观察窗的周围的位置；以及多个导光纤维，它们使从光源引导来的照明光朝向前端侧入射到在该扩散元件的基端侧的周向上隔开间隔的多个入射部位，所述扩散元件是使一种以上的微粒分散到均匀介质中而成的，该均匀介质由与该微粒不同的材质构成，所述扩散元件满足以下的条件式
0.06＜μs≤100
0.7≤g＜1
这里，μs是所述扩散元件的散射系数(1/mm)，g是所述微粒的各向异性参数。
根据本方式，从前方照明系统和侧方照明系统射出并在被摄体上反射的光经由前方观察窗和侧方观察窗入射到插入部内，通过摄像元件进行拍摄，从而能够观察配置在插入部的前方和侧方的被摄体。
在前方照明系统中，从光源由导光纤维引导来的照明光通过入射到扩散元件的基端侧而在扩散元件中扩散而射出，主要对配置在插入部的前方的被摄体进行照明。由于散射系数和微粒的各向异性参数满足条件式，扩散元件的扩散性比较低，不会被均匀地扩散而射出。
由于照明光不会被环状的扩散元件均匀地扩散而射出，因此扩散元件整体不是以均匀的强度呈环状地发光，在来自导光纤维的照明光的入射部位以最高的强度发光，其他部分以比其低的强度发光。其结果是，即使在扩散元件整体不成为二次光源而观察润湿的生物体组织那样的被摄体的情况下，也能够防止在图像内形成扩散部件的环状的光斑。另外，通过抑制扩散性，能够减少因扩散元件的表面的内表面反射而未向外部射出的光或因后方散射而返回的光，提高光的利用效率。
另外，在上述方式中，也可以是，多个所述导光纤维的基端面被集中配置在与所述光源的发光部对置的位置，该基端面供来自所述光源的所述照明光入射。
由此，由于多个导光纤维的入射端与射出来自光源的照明光的发光部对置，因此能够减少发光部的数量而降低成本，并且实现插入部的小径化。
另外，在上述方式中，也可以是，所述发光部是将来自所述光源的光沿着所述插入部的长度方向进行引导的光纤束的射出端。
由此，能够利用光纤束以节省空间的方式将来自光源的照明光引导至插入部的前端部附近。
另外，在上述方式中，也可以是，所述侧方观察窗被设置在周向上遍及200°以上且300°以下的范围，所述导光纤维被配置成在未设置所述侧方观察窗的周向位置沿长度方向经过所述侧方观察窗的位置。
由此，能够通过不遮挡侧方用观察窗的视野的位置而利用导光纤维对照明光进行引导。
另外，在上述方式中，也可以是，具有三根或四根所述导光纤维，这些导光纤维使所述照明光入射到在周向上隔开大致相等间隔的各所述入射部位。
由此，能够在防止图像内的环状的光斑的形成的同时，对被摄体均匀地照射用于经由前方观察窗进行观察的照明光。
另外，在上述方式中，也可以是，所述导光纤维是塑料制的多芯纤维。
由此，能够在插入部的前端附近的有限的狭窄空间中以较小的弯曲半径配置导光纤维。
另外，在上述方式中，也可以是，各所述导光纤维的前端的中心轴从基端侧朝向前端侧，相对于与所述前方观察窗垂直的轴线成0°以上且30°以下的角度地配置在所述扩散元件的径向外方。
由此，照明光从导光纤维的前端朝向前端侧向沿扩散元件的径向扩展的方向射出。在配置于插入部的前端面的环状的扩散元件的前端外周部形成有用于提高插入部的插入性的R面，但是，通过该结构，使得仅中央未被明亮地照明，即使从扩散元件射出的照明光被R面折射，也能够防止照明光只集中在中央，而实现照明的均匀化。
发明效果
根据本发明实现了如下效果：能够将由观察对象的表面上的正反射光引起的光斑抑制得较小，并且提高光的利用效率，从而进行明亮且鲜明的图像的观察。
附图说明
图1是示出本发明的一个实施方式的内窥镜的整体结构图。
图2是将图1的内窥镜的插入部的前端部的一部分放大示出的立体图。
图3是示出图1的内窥镜的插入部的前端部的主视图。
图4是示出图1的内窥镜的插入部的前端部的局部纵剖视图。
图5是示出图1的内窥镜的插入部的前端部的内部构造的立体图。
图6是示出图1的内窥镜的导光纤维的配置的主视图。
图7是示出图1的内窥镜的扩散元件与导光纤维的组装体的立体图。
图8是从基端侧观察图7的组装体的立体图。
图9是示出在图9的组装体的基端侧盖上盖的状态的立体图。
图10是示出导光纤维的前端相对于图1的内窥镜中的扩散元件的方向的局部纵剖视图。
图11是示出图1的内窥镜的变形例中的导光纤维的配置的主视图。
图12是示出图1的内窥镜的其他变形例中的导光纤维的配置的主视图。
图13是图1的内窥镜的其他变形例中的与图10相同的纵剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式的内窥镜1进行说明。
如图1所示，本实施方式的内窥镜1具有：细长的插入部2，其插入到体腔内等；操作部3，其设置在该插入部2的基端；通用线缆4，其从操作部3延伸；以及连接器部5，其设置在该通用线缆4的末端。
如图2至图4所示，在插入部2的前端，在前端面10a上朝向前方配置有直视用的前方观察用物镜(前方观察窗)6，并且以包围前方观察用物镜6的周围的方式配置有对前方进行照明的环状的前方照明系统7。另外，在比前方照明系统7靠插入部2的基端侧的位置配置有侧视用的侧方观察用物镜(侧方观察窗)8和照明用透镜(侧方照明系统)9。由此，本实施方式的内窥镜1具有能够同时观察前方视野和侧方视野的宽的视野范围。
前方观察用物镜6使插入部2的前方的被摄体成像。另外，侧方观察用物镜8形成为朝向前方变细的圆锥台状，以使插入部2的侧方的被摄体成像。
如图1所示，插入部2具有：硬性的前端部10，其设置在最前端部；弯曲部11，其与该前端部10的基端侧连接；以及挠性管部12，其与该弯曲部11的基端侧连接，由具有挠性的长条的管状部件构成，前端部10的外径为14mm以下。
如图2和图3所示，在前端部10的前端配置有处置器具通道开口13、前方观察用物镜6、照明用透镜9以及送水喷嘴14等。
另外，如图4所示，在插入部2的前端部10内具有使由前方观察用物镜6和侧方观察用物镜8会聚的光成像的成像光学系统15以及对通过该成像光学系统15成像的被摄体的像进行拍摄的摄像元件16。
在插入部2内配置有处置器具通道17、光导(光纤束)18以及信号线缆(未图示)等。处置器具通道17从处置器具通道开口13沿长度方向贯穿于插入部2内而延伸至配置在插入部2与操作部3的连接部附近的处置器具插入口。另外，光导18和信号线缆从插入部2的前端部10沿长度方向贯穿于插入部2内，经由操作部3内而通过通用线缆4的内部，最终与通用线缆4的末端的连接器部5连接。
光导18由光纤束构成，该由光纤束是将用于引导照明光的多个光导纤维19捆扎而形成的。
通过经由连接器部5连接作为外部装置的控制处理器20、光源装置(光源)21以及显示装置22，构成内窥镜系统100。
操作部3是供使用者在使用内窥镜1时进行把持的部位，在该操作部3的外装表面上配置有弯曲操作旋钮23、与其他各种动作对应的多个操作部件。这里，例如，弯曲操作旋钮23是通过使用者使用手指等进行旋转操作而使插入部2的弯曲部11向上下左右的任意方向弯曲的操作部件。
光源装置21是产生照明光的装置。控制处理器20是对整个内窥镜系统100统一进行控制的信号处理装置。显示装置22是根据内窥镜1所获取的摄像信号来显示内窥镜图像的显示部，例如由LCD面板等构成。
控制处理器20经由贯穿插入到内窥镜1内的信号线缆进行控制信号、各种检测信号、获取的图像信号等的传送。然后，将处理完毕的图像信号向显示装置22传递，来显示内窥镜图像和各种信息等。另外，来自光源装置21的照明光通过连接器部5经由通用线缆4和操作部3被向配置于插入部2的照明用透镜9引导，朝向周边的观察对象物照射。
如图4和图5所示，前方照明系统7具有：导光纤维24，其被入射由光导18在插入部2内引导来的照明光；以及环板状的扩散元件25，其使由该导光纤维24引导的照明光扩散。
在本实施方式中，具有三根导光纤维24。各导光纤维24由塑料制的多芯纤维构成。
作为由塑料制的多芯纤维构成的导光纤维24，例如优选外径为0.2至1mm，NA为0.2至0.7，例如是捆扎多个例如200根以上由聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA)构成的芯而构成的。芯直径为100μm以下，优选为50μm以下，更优选为约30μm。多芯纤维的包层由氟树脂构成。
各导光纤维24的前端以使照明光从环板状的扩散元件25的基端面侧朝向前端面侧入射到扩散元件25内的方式与扩散元件25的基端面侧的入射部位对置地配置。如图6所示，供来自三根导光纤维24的照明光入射的三个入射部位在周向上隔开相等间隔地配置。
如图5和图10所示，各导光纤维24的前端面和基端面与前方观察用物镜6的前端面大致平行地配置。各导光纤维24的基端面配置在比侧方观察用物镜8靠基端侧的位置。
三根导光纤维24的基端集中在一个部位。而且，各导光纤维24的基端面与光导18的前端面(发光部)对置地配置。由此，通过使由光导18引导来的照明光入射到导光纤维24的基端面，并从导光纤维24的前端面射出，能够使该照明光入射到扩散元件25。另外，导光纤维24的基端面和光导18的前端面根据需要通过透明的粘接剂粘接。
即，各导光纤维24配置成：从比侧方观察用物镜8靠基端侧的位置起，在侧方观察用物镜8的周向的一部分沿插入部2的长度方向经过侧方观察用物镜8的位置，然后向反方向弯曲2次，使各自的前端面与扩散元件25的三个入射位置对置。而且，各导光纤维24的前端面在各入射部位通过透明的粘接剂粘接在扩散元件25上。
侧方观察用物镜8的视场角设定为200°以上且300°以下，导光纤维24在偏离侧方观察用物镜8的视野的位置(周向位置)沿前后方向(长度方向)通过侧方观察用物镜8。
扩散元件25配置在包围前方观察用物镜6的位置，通过使至少一种微粒分散在光学上透明的树脂材料(均匀介质，树脂)中而构成。微粒是通过Mie散射使照明光扩散的微粒。
在扩散元件25中，Mie散射理论中的散射系数μs(1/mm)和各向异性参数g满足以下的条件式。
0.06≤μs≤100 (1)
0.7≤g＜1 (2)
通过满足这些条件式，扩散元件25的扩散性足够低，能够通过散射使照明光逐渐扩展，并且后方散射少，能够充分地降低返回到光导18侧的照明光的成分。
作为微粒，可以采用二氧化硅、氧化铝、滑石、氧化锆、氧化锌或二氧化钛等无机类微粒和聚甲基丙烯酸甲酯树脂、聚苯乙烯树脂、聚氨酯树脂、苯并胍胺树脂或有机硅树脂等有机类微粒。另外，也可以采用气泡作为微粒。
另外，作为树脂材料，可以使用聚酯类树脂、丙烯酸类树脂、丙烯酸聚氨酯类树脂、聚酯丙烯酸酯类树脂、聚氨酯丙烯酸酯类树脂，环氧丙烯酸酯类树脂、聚氨酯类树脂、环氧类树脂、聚碳酸酯类树脂、纤维素类树脂、缩醛类树脂、乙烯基类树脂、聚乙烯类树脂、聚苯乙烯类树脂、聚丙烯类树脂、聚酰胺类树脂、三聚氰胺类树脂、酚醛类树脂、硅类树脂或氟类树脂等。在作为插入到人体内的内窥镜1的最外层来使用的情况下，从生物体适合性、耐药性等的观点出发，优选环烯烃类树脂或磺酸类树脂。
另外，在满足条件(1)、(2)情况下，在从前端(射出面)侧观察扩散元件25时，能够通过目视识别与入射部位对置配置的导光纤维24的存在。在扩散性弱的情况下能够直接目视，但即使在扩散性强的情况下，也能够通过导入照明光来进行识别。
如图7至图9所示，在扩散元件25设置有从环板状部分向径向外方延伸的支承部26。如图8所示，支承部26具有收纳三根导光纤维24的槽27，通过在各槽27中各收纳一根导光纤维24并进行粘接，将导光纤维24支承为固定在扩散元件25的状态。
在本实施方式中，由于扩散元件25配置在插入部2的前端面10a的周缘，因此如图4和图7所示，在整周范围内形成有R面，提高了插入部2向体腔内的插入容易性。另外，为了不使多个部件的接合部露出到插入部2的外周面，作为光学元件而发挥功能的部分和支承导光纤维24的部分作为没有接缝的一体的部件而成型。如图9所示，扩散元件25的基端面被盖28封闭，该扩散元件25在槽27内收纳有导光纤维24。
照明用透镜9在成像光学系统15的径向外方，遍及以成像光学系统15的光轴为中心的周向的规定范围，以包围成像光学系统15的方式配置。侧方观察用物镜8的外径设定得比扩散元件25的外径大，照明用透镜9的外径设定得比侧方观察用物镜8的外径大。
以下，对这样构成的本实施方式的内窥镜1的作用进行说明。
根据本实施方式的内窥镜1，由光导18引导来的照明光从光导18的前端面射出，分别入射到与该前端面对置地配置的三根导光纤维24的基端面。入射到导光纤维24的照明光由导光纤维24进行引导，而入射到环板状的扩散元件25中，该扩散元件25被配置为包围插入部2的前端的前方观察用物镜6的周围。
由于三根导光纤维24使射出面与在环板状的扩散元件25的周向上隔开相等间隔的入射部位对置地配置，因此照明光在扩散元件25的周向的三个部位入射到扩散元件25内，在扩散元件25内被引导的期间被微粒扩散，主要向前方射出。
在该情况下，由于扩散元件25满足条件式(1)、(2)，因此扩散性被抑制得较低，能够通过散射使照明光逐渐扩展，并且后方散射少，能够充分地降低返回到光导18侧的照明光的成分。
其结果是，环板状的扩散元件25不会均匀地发光，导光纤维24的照明光的入射部位以高强度发光，其他部位以比它低的强度发光。由此，防止了扩散元件25整体成为二次光源，即使在观察润湿的生物体组织那样的被摄体的情况下，也能够防止在由摄像元件16获取的被摄体的图像上形成环状的光斑。即，图像的光斑即使是最大的也仅限于照明光的入射部位，因此具有如下的优点：能够不被环状的光斑妨碍地进行被摄体的观察。
另外，根据本实施方式的内窥镜1，通过将扩散元件25的扩散性抑制得较低，充分地降低了后方散射和返回到光导18侧的照明光的成分，因此具有如下的优点：能够增大向前方射出的照明光的成分，从而增大照明光的利用效率。
另外，在本实施方式的内窥镜1中，由于使用了由塑料制的多芯纤维构成的导光纤维24，因此在设置空间极小且有限的内窥镜1的前端部10中，能够使导光纤维24以极小的弯曲半径弯曲地配置，能够将由光导18引导来的照明光分配到扩散元件25的多个入射部位。
另外，在本实施方式中，例示出通过三根导光纤维24使照明光入射到在扩散元件25的周向上隔开相等间隔的三个部位的情况，但并不限定于此，也可以采用两根或四根以上的导光纤维24，以使得照明光入射到两个部位或四个部位以上。在采用两根导光纤维24的情况下，只要像图11和图12所示那样配置成使照明光入射到相距180°的位置即可。
另外，在本实施方式中，例示出扩散元件25遍及整周呈环板状形成的情况，但也可以是周向的一部分被中断，也可以在周向上分割。
另外，在本实施方式中，对导光纤维24的前端面与前方观察用物镜6的前端面大致平行地配置的情况进行了例示，但也可以取而代之，如图13所示，导光纤维24的前端面的中心轴从基端朝向前端，以相对于前方观察用物镜6的光轴向径向外方倾斜的方式配置。
如上所述，由于构成插入部2的最前端面的周缘的扩散元件25的周缘由R面构成，因此当使照明光与前方观察用物镜6的光轴平行地入射时，因R面中的折射而在朝向光轴的方向上会聚，因而有时仅明亮地照明中央部。因此，通过使照明光向朝向前端向径向外方倾斜的方向入射，使得仅中央部不会被明亮地照明，即使在扩散元件25的周缘发生折射，也能够均匀地进行照明。
另外，在本实施方式的说明中使用的散射系数和各向异性参数是通常的散射系数和各向异性参数，但为了慎重起见，以下简单地进行说明。(参考文献：“Absorption andScattering of Light by Small Particles”，Craig F.Bohren，Donald R.Huffman著，Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA公司)
若设微粒的散射截面积为σs，设分散在扩散元件25中的微粒的数密度为ρs，则扩散元件25的散射系数μs可以通过下述的式(3)来表示。
μs＝ρsσs (3)
若设微粒的几何截面积为A，设微粒的散射效率为Qs，则式(3)中的σs可以通过下述的式(4)来表示。
σs＝QsA (4)
式(4)中的Qs由下述的式(5)来表示。
Figure BDA0002157004730000091
其中，
Figure BDA0002157004730000101
Figure BDA0002157004730000102
Figure BDA0002157004730000103
Figure BDA0002157004730000104
Figure BDA0002157004730000105
式(5)的Jk+0.5(z)，式(6)的Yk+0.5(z)分别是第一种贝塞尔函数和第二种贝塞尔函数。另外，i是虚数单位。
另外，n表示微粒与透明树脂的折射率之比，用下述的式(7)来表示。
Figure BDA0002157004730000106
x表示微粒的半径a与照明光的波长λ之比，用下述的式(8)来表示。
Figure BDA0002157004730000107
微粒的各向异性参数g是指光被单个粒子散射时的散射角的余弦的平均，可以取-1≤g≤1的值。特别是g＝-1时，仅在与入射角相反的方向上散射，在g＝1时，仅在与入射角相同的方向上散射(即，不散射)。另外，g＝0时成为完全各向同性散射。g通过下述的式(9)来计算。
Figure BDA0002157004730000111
另外，式(9)中的*表示复共轭，Re表示{}内的实部。
标号说明
1：内窥镜；2：插入部；6：前方观察用物镜(前方观察窗)；7：前方照明系统；8：侧方观察用物镜(侧方观察窗)；9：照明用透镜(侧方照明系统)；10a：前端面；16：摄像元件；18：光导(光纤束)；21：光源装置(光源)；24：多芯纤维(导光纤维)；25：扩散元件。

Claims (11)

1.一种内窥镜，其具有：
细长的插入部；
前方观察窗和前方照明系统，它们配置于该插入部的前端面；
侧方观察窗和侧方照明系统，它们配置在比所述前端面靠基端侧的位置；以及
摄像元件，其对经由所述前方观察窗和所述侧方观察窗入射的光进行拍摄，
所述前方照明系统具有：环状的扩散元件，其配置在包围所述前方观察窗的周围的位置；以及多个导光纤维，它们使从光源引导来的照明光朝向前端侧入射到在该扩散元件的基端侧的周向上隔开间隔的多个入射部位，
所述扩散元件是使一种以上的微粒分散到均匀介质中而成的，该均匀介质由与该微粒不同的材质构成，所述扩散元件满足以下的条件式
0.06＜μs≤100
0.7≤g＜1
这里，μs是所述扩散元件的散射系数(1/mm)，g是所述微粒的各向异性参数。
2.根据权利要求1所述的内窥镜，其中，
多个所述导光纤维的基端面被集中配置在与所述光源的发光部对置的位置，该基端面供来自所述光源的所述照明光入射。
3.根据权利要求2所述的内窥镜，其中，
所述发光部是将来自所述光源的光沿着所述插入部的长度方向进行引导的光纤束的射出端。
4.根据权利要求2所述的内窥镜，其中，
所述侧方观察窗被设置在周向上遍及200°以上且300°以下的范围，
所述导光纤维被配置成在未设置所述侧方观察窗的周向位置沿长度方向经过所述侧方观察窗的位置。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的内窥镜，其中，
具有三根或四根所述导光纤维，这些导光纤维使所述照明光入射到在周向上隔开大致相等间隔的各所述入射部位。
6.根据权利要求1所述的内窥镜，其中，
所述导光纤维是塑料制的多芯纤维。
7.根据权利要求5所述的内窥镜，其中，
所述导光纤维是塑料制的多芯纤维。
8.根据权利要求1所述的内窥镜，其中，
各所述导光纤维的前端的中心轴从基端侧朝向前端侧，相对于与所述前方观察窗垂直的轴线成0°以上且30°以下的角度地配置在所述扩散元件的径向外方。
9.根据权利要求5所述的内窥镜，其中，
各所述导光纤维的前端的中心轴从基端侧朝向前端侧，相对于与所述前方观察窗垂直的轴线成0°以上且30°以下的角度地配置在所述扩散元件的径向外方。
10.根据权利要求6所述的内窥镜，其中，
各所述导光纤维的前端的中心轴从基端侧朝向前端侧，相对于与所述前方观察窗垂直的轴线成0°以上且30°以下的角度地配置在所述扩散元件的径向外方。
11.根据权利要求7所述的内窥镜，其中，
各所述导光纤维的前端的中心轴从基端侧朝向前端侧，相对于与所述前方观察窗垂直的轴线成0°以上且30°以下的角度地配置在所述扩散元件的径向外方。
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