JP2005300665A - 生体観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で、観察対象部位に焦点位置を合わせた状態のままで観察角度を変更でき、生体の状態を精度よく観察する。
【解決手段】 生体Ａを載置するステージ１０と、光源５から発せられた光をステージ１０上の生体Ａに照射し、生体Ａからの戻り光を受光する測定ヘッド４と、ステージ１０上の定点を中心として測定ヘッド４を回転させる回転機構９とを備える生体観察装置１を提供する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、生体観察装置に関するものである。

従来、生体の状態を観察する観察装置としては、例えば、特許文献１に示されるものが知られている。
この観察装置は、手術用の顕微鏡であって、多関節アームの先端に備えられた顕微鏡装置を有しており、多関節アームの各関節の回転角度を変化させることにより、顕微鏡装置の位置および姿勢を自由に変更して、種々の観察方向から術部に近接配置して拡大観察を行うことができる。
特開２００３−３２２８０３号公報（図１等）

しかしながら、特許文献１に示された観察装置は、手術中に術部の状態を拡大観察できれば足りるので、観察対象部位に顕微鏡装置の焦点を合わせたまま別の観察角度から観察することが要求されるものではない。このため、一旦焦点を合わせた観察対象部位を異なる方向から観察するには、観察角度を変えた後に再度焦点合わせ作業を行わなければならないという不都合がある。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で、観察対象部位に焦点位置を合わせた状態のままで観察角度を変更でき、生体の状態を精度よく観察することができる生体観察装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、生体を載置するステージと、光源から発せられた光をステージ上の生体に照射し、生体からの戻り光を受光する測定ヘッドと、前記ステージ上の定点を中心として前記測定ヘッドを回転させる回転機構とを備える生体観察装置を提供する。
本発明によれば、ステージに載置した生体に対し、測定ヘッドの焦点位置を合わせ、光源から発せられた光を生体に照射し、生体からの戻り光を受光することで、生体を観察することができる。この場合に、回転機構による測定ヘッドの回転中心となる定点に、生体の観察対象部位を配置し、かつ、測定ヘッドの焦点位置を配置した状態で、回転機構を作動させ、測定ヘッドをステージに対して回転させることで、生体を種々の方向から観察することが可能となる。このようにすると、回転に際して、測定ヘッドが焦点位置を中心として回転させられるので、観察対象部位に焦点を合わせたまま、見る角度を変更することができる。

上記発明においては、前記回転機構が、ステージの上方および下方に測定ヘッドを配置可能な動作範囲を備えることが好ましい。回転機構の作動により測定ヘッドをステージの上方に配置することで生体を上方から観察し、測定ヘッドをステージの下方に配置することで同じ生体を下方から観察することが可能となる。

上記発明においては、前記ステージが透明な材質からなることが好ましい。
回転機構を作動させて測定ヘッドをステージの下方に配した場合に、透明な材質からなるステージにより測定ヘッドからの生体に対する光の照射および戻り光の検出を簡易に行うことができる。

上記発明においては、前記回転機構が、水平な軸線回りに回転可能な回転アームを備え、該回転アームに、半径方向に沿って前記測定ヘッドを移動させる直動機構が備えられていることが好ましい。
この発明によれば、直動機構を固定して回転アームを作動させることにより、生体に対する観察角度を１つの鉛直面内において変更することができる。また、回転アームを固定して直動機構を作動させることにより、測定ヘッドの生体に対する近接距離を変化させることができる。したがって、ステージ上の生体を操作するときには、直動機構の作動により、測定ヘッドをステージ近傍から待避させて作業スペースを確保し、観察を行うときには直動機構の作動により測定ヘッドを生体に近接させることができる。

上記発明においては、前記ステージを鉛直軸線回りに回転させるステージ回転機構を備えることが好ましい。
このようにすることで、ステージ回転機構の作動により、生体を水平面内において回転させることができる。したがって、特に、生体に対する観察角度を一鉛直面内において変更可能な回転アームと組み合わせることにより、生体を全方向から観察することが可能となる。

また、上記発明においては、前記ステージを鉛直方向に移動させるステージ昇降機構を備えることが好ましい。ステージ昇降機構の作動により、生体の観察したい部位を回転機構の回転中心に配置することが可能となる。

また、上記発明においては、前記回転機構が、焦点位置を中心に配置される円弧軌道と、該円弧軌道に沿って移動可能なスライダとを備え、該スライダに測定ヘッドが取り付けられていることとしてもよい。
円弧軌道に沿ってスライダを移動させることによっても測定ヘッドをステージ上の定点回りに回転させて、種々の方向から生体を観察することが可能となる。

上記発明においては、焦点位置を通る水平な軸線回りに前記円弧軌道を回転させる軌道回転機構を備えることが好ましい。
このようにすることで、生体に対して円弧軌道を種々の角度に設定することができ、生体の観察対象部位に対しあらゆる角度から観察を行うことが可能となる。

上記発明においては、外部に設置された光源と、該光源から発せられた光を測定ヘッドまで伝播する光ファイバとを備え、前記測定ヘッドが、光源からの光を走査させる光走査部と、該光走査部により走査された光をステージ上に結像させる対物光学系とを備えることが好ましい。
光源を外部に配置することで、測定ヘッドを小さく構成することができる。また、光源と測定ヘッドとを光ファイバにより接続することによって、光ファイバを湾曲させて測定ヘッドを生体の周囲において任意の姿勢および位置に配することができる。

また、上記発明においては、前記定点が、前記焦点位置と一致するように構成されていることが好ましい。また、前記ステージが水平方向に移動可能であることとしてもよい。

本発明によれば、ステージ上の生体に対して測定ヘッドを回転させて所望の方向から観察することができる。また、回転機構のみによって測定ヘッドによる観察角度を設定するので、観察対象部位を精度よくとらえたまま、観察方向を変更することができる。さらに、回転機構のみによって測定ヘッドによる観察角度を設定するので、一度設定した観察角度を高い精度で再現することができるという効果がある。

本発明の一実施形態に係る生体観察装置について、図１および図２を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る生体観察装置１は、図１に示されるように、生体Ａを載置するステージ２と、先端に対物光学系３を配置した測定ヘッド４と、光源５および光検出器６を備える光学ユニット７と、これら測定ヘッド４と光学ユニット７とを接続する光ファイバ８と、測定ヘッド４を回転させる回転機構９とを備えている。

前記ステージ２は、水平に配置され、生体Ａを載置する略中央部に、透明な材質からなる透明部１０が設けられている。透明部１０は、図２に示されるように、ステージ２を厚さ方向に貫通する貫通孔１１に配置されており、上方から照射される光を透過させるとともに、該透明部１０に載置される生体Ａを下方からも観察することができるようになっている。

また、前記ステージ２は、ベース１２に設けられた支柱１３に沿って該ステージ２を昇降させるステージ昇降機構１４によって支持されている。ステージ昇降機構１４は、ステージ２を支持し、任意の直動機構（図示略）によって昇降される昇降スライダ１５を備えている。ステージ２は、ステージ昇降機構１４の作動により、昇降スライダ１５を昇降させることによって、水平な状態を保持したまま載置した生体Ａを上下方向に移動させることができるようになっている。

前記測定ヘッド４は、先端に対物光学系３を有する筐体１６内に、コリメート光学系１７、光走査部１８、瞳投影光学系１９および結像光学系２０を備えている。コリメート光学系１７は、光ファイバ８により伝播されてきたレーザ光を平行光に変換するようになっている。光走査部１８は、図中には模式的に示しているが、例えば、２枚のガルバノミラーを直交する２軸回りにそれぞれ揺動させることで、コリメート光学系１７からの平行光を２次元的に走査することができるようになっている。

前記瞳投影光学系１９は、光走査部１８により走査されたレーザ光を集光させて中間像を結像させるようになっている。前記結像光学系２０は、中間像を結像したレーザ光を集光させて平行光に変換するようになっている。
前記対物光学系３は、ステージ２に載置された生体Ａに近接して配置され、結像光学系２０からの平行光を集光して生体Ａの表面あるいは生体の内部組織に設定した焦点位置に再結像させるようになっている。

前記光学ユニット７は、レーザ光源５から発せられたレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズ２１と、該レーザ光を反射するとともに、光学ユニット７に戻ってきた戻り光を透過させるダイクロイックミラー２２と、該ダイクロイックミラー２２によって反射されたレーザ光を光ファイバ８の端面８ａに集光させる集光レンズ２３と、ダイクロイックミラー２２を透過した戻り光を光検出器６に集光する集光レンズ２４とを備えている。光検出器６は、例えば、光電子増倍管である。光検出器６には、画像処理装置２５を介してモニタ２６が接続され、撮像された画像がモニタ２６に表示されるようになっている。

前記光ファイバ８は、前記光学ユニット７および測定ヘッド４に接続され、光学ユニット７から送られるレーザ光を伝播して測定ヘッド４内に入射させるとともに、測定ヘッド４から戻る戻り光を伝播して光学ユニット７内に入射させるようになっている。光ファイバ８は、図２に示されるように、後述する回転アーム内を長手方向内側に向かって導かれて回転アームの回転中心近傍から引き出され、外部の光学ユニット７に接続されている。

前記回転機構９は、ベース１２に固定された支柱部材２７と、該支柱部材２７に固定されたモータ２８および減速機２９と、該減速機２９に固定された回転アーム３０とを備えている。前記モータ２および減速機２９は、その回転軸線Ｃ１を水平にして支柱部材２７に固定されている。回転軸線Ｃ１は、ステージ２の透明部１０の中央近傍に、該透明部１０の上面から上方に間隔を空けた位置を通過するように配置されている。

前記回転アーム３０の一側面には、測定ヘッド４を取り付ける直動機構３１が設けられている。直動機構３１は、回転アーム３０に、その長手方向に沿って固定される直線ガイド３２と、該直線ガイド３２によって回転アーム３０の長手方向に直線移動可能に支持されるスライダ３３と、直線ガイド３２を駆動するモータ３４とを備えている。測定ヘッド４は、その対物光学系３が回転アーム３０の回転中心に向かうようにスライダ３３に固定されている。

このように構成された本実施形態に係る生体観察装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る生体観察装置１を用いて生体Ａを生きたまま観察するには、図１に示されるように、生体Ａをステージ２の透明部１０上に固定する。このとき、回転アーム３０に取り付けられている直動機構３１を作動させることにより、測定ヘッド４を回転アーム３０の長手方向に沿って半径方向外方に移動させる。これにより、ステージ２周りのスペースを広く確保することができるので、生体Ａのセッティングが容易になる。
そして、ステージ昇降機構１４を作動させることにより、生体Ａを載せたステージ２を昇降させ、回転機構９の回転軸線Ｃ１が生体Ａの観察対象部位を貫く位置に配されるように、生体Ａを移動させる。

次いで、回転機構９を作動させることにより、回転アーム３０および該回転アーム３０に取り付けられている測定ヘッド４を前記回転軸線Ｃ１回りに回転させる。これにより、鉛直平面内において測定ヘッド４の光軸Ｃ２の傾斜角度を変化させ、所望の観察角度に設定することができる。この状態で、回転アーム３０に取り付けられている直動機構３１を作動させることにより、測定ヘッド４を回転アーム３０の長手方向、すなわち、半径方向に移動させ、測定ヘッド４先端の対物光学系３と生体Ａとの近接距離を調節する。

対物光学系３と生体Ａとの近接距離の設定は、目視により大まかに行った後に、光学ユニット７を作動させることにより、モニタを見ながら行われる。
光学ユニット７を作動させ、レーザ光源５からレーザ光を出射すると、出射されたレーザ光は、コリメートレンズ２１、ダイクロイックミラー２２および集光レンズ２３を経て光ファイバ８の端面８ａに集光されて入射される。光ファイバ８内に入射されたレーザ光は、光ファイバ８内を伝播させられて測定ヘッド４に伝達され、測定ヘッド４内のコリメート光学系１７、光走査部１８、瞳投影光学系１９、結像光学系２０および対物光学系３を経て、生体Ａ内に設定された焦点位置に結像される。レーザ光が照射されることにより生体Ａの内部組織において発生した蛍光は、対物光学系３、結像光学系２０、瞳投影光学系１９、光走査部１８およびコリメート光学系１７を介して光ファイバ８内を伝播して戻り、光学ユニット７の集光レンズ２３によって平行光に変換された後に、ダイクロイックミラー２２を透過させられて集光レンズ２４により光検出器６に入射される。光検出器６に接続されたモニタ２６には、光検出器６により撮像された蛍光画像が表示される。
このようにして、作業者は、モニタ２６に表示された蛍光画像を見ながら、直動機構３１を作動させることにより、観察対象部位に焦点を合わせて鮮明な蛍光画像を得ることができる。

なお、生体Ａから発生した蛍光が光ファイバ８の入射面に集光する際に光ファイバ８のコアがピンホール効果を有し蛍光画像のボケ像をカットすることで光軸方向の分解能が向上する。すなわち、ピントが合った面しか画像を形成しないので、生体Ａが光軸に垂直な状態から僅かに傾斜しただけで光軸近傍の画像しか見えなくなってしまう。そこで、回転機構９を作動させて測定ヘッド４の光軸Ｃ２を生体Ａに対して垂直になるように補正することで、画面全体にピントの合った画像を得ることができる。

本実施形態に係る生体観察装置１は、観察対象部位を貫通するように配置された水平な回転軸線Ｃ１回りに回転アーム３０を回転させるように構成されているので、回転アーム３０を回転させることにより、鉛直平面内において異なる複数の角度から同一の観察対象部位を観察することができる。この場合において、測定ヘッド４を固定した回転アーム３０を回転させるだけで済むので、測定ヘッド４の焦点位置を変動させることなく、種々の観察方向から観察することができる。

また、本実施形態に係る生体観察装置１は、ステージ２中央の生体Ａを搭載する部位を透明部１０により構成しているので、ステージ２に固定した状態の生体Ａを裏側からも観察することができる。生体Ａが十分に薄い場合には、回転アーム３０を回転させるだけで、測定ヘッド４を図２に鎖線で示す位置に配置し、生体Ａの上側および下側の両方から同一の観察対象部位を観察することも可能である。生体Ａが比較的厚い場合には、ステージ２上の生体Ａを移動させることなく生体Ａの上側および下側の別々の観察対象部位を切り替えて、別々の観察角度から観察することができる。

なお、本実施形態に係る生体観察装置１においては、図３に示されるように、回転アーム３０に、ＣＣＤカメラ３５のような他の撮像装置を設けることにしてもよい。例えば、ＣＣＤカメラ３５として低倍率のものを選択しておくことにより、ＣＣＤカメラ３５によって生体Ａの表面を撮影しながら、測定ヘッド４によって生体Ａ内部の蛍光画像を同時に観察することができる。この場合、例えば、図３に示されるように、測定ヘッド４によって取得した蛍光画像Ｇ１と、生体Ａ表面の画像Ｇ２とをモニタ２６に同時に表示することとすれば、生体Ａ内部の状態と生体Ａ表面の状態とを対応づけて観察することができる。

また、図４に示されるように、水平な同一の回転軸線Ｃ１回りに回転させられる回転アーム３０を複数（図４では２本）設け、各回転アーム３０に測定ヘッド４を備えることにしてもよい。回転アーム３０は、それぞれ独立して回転する場合の他、相互の角度を固定した状態で一体的に回転させられるものであってもよい。このように構成することで、同一の観察対象部位を同時に異なる２方向から撮像した蛍光画像を得ることができるので、観察対象部位の状態をより正確に観察することができる。

さらに、本実施形態に係る生体観察装置１においては、図５に示されるように、ステージ２を鉛直軸線回りに回転させるステージ回転機構３６を備えていてもよい。ステージ回転機構３６は、例えば、透明部１０を支持する環状の第１ギヤ３７と、モータ３８と、モータ３８に固定され前記第１ギヤ３７に噛み合う第２ギヤ３９とを備えている。このように構成することにより、回転アーム３０の回転によって鉛直面内の観察角度を変更し、ステージ２の回転によって観察角度を水平方向に変化させることができる。そして、これにより、ステージ２上に固定した生体Ａの観察対象部位を、あらゆる角度から観察することができる。

また、ステージ２が、該ステージ２上に載置した生体Ａを水平方向に移動させる水平移動機構（図示略）を備えていてもよい。これにより、生体Ａの異なる位置について観察角度を変更しながら観察することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る生体観察装置４０について、図６を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る生体観察装置１と構成を共通とする箇所に同一符号を付して説明を簡略化する。
本実施形態に係る生体観察装置４０は、図６に示されるように、回転アーム３０に代えて、ステージ４１の上方に配置される観察対象部位を中心とする円弧軌道部材４２を備えている点において、第１の実施形態に係る生体観察装置１と相違している。

円弧軌道部材４２は、該円弧軌道部材４２をその半径方向に延びる水平軸線Ｃ１回りに回転させる軌道回転機構４３を備えている。
また、円弧軌道部材４２には、該円弧軌道部材４２の円周方向に沿って移動可能なスライダ４４が備えられている。該スライダ４４は、図示しないモータのような駆動源によって円弧軌道部材４２上を自走するように構成されている。

測定ヘッド４は、その光軸Ｃ２が円弧軌道部材４２の中心を通過するようにスライダ４４に取り付けられている。これにより、測定ヘッド４の光軸Ｃ２は、スライダ４４の移動および円弧軌道部材４２の揺動にかかわらず、常に、測定対象部位の同一位置を通過させられるようになっている。また、円弧軌道部材４２上のスライダ４４の移動および円弧軌道部材４２の揺動は相互に直交する軸線Ｃ１，Ｃ３回りに行われるので、これらの組み合わせにより、生体Ａの観察対象部位に対し、あらゆる方向から観察することができるようになっている。

したがって、本実施形態においては、生体Ａを載置するステージ４１は、鉛直軸線回りに回転しなくても済む。本実施形態においてはステージ４１には、図６に示されるように、測定ヘッド４の光軸Ｃ２、円弧軌道部材４２の中心軸Ｃ３および軌道回転機構４３の回転軸線Ｃ１の交差点に対し、生体Ａを水平方向および鉛直方向に移動させる移動機構４５が設けられている。また、スライダ４１には測定ヘッド４を半径方向に移動させる直動機構（図示略）が備えられている。

このように構成された本実施形態に係る生体観察装置４０の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る生体観察装置４０によれば、軌道回転機構４３を固定して円弧軌道部材４２に沿ってスライダ４４を作動させることで、生体Ａ内に設定した観察対象部位を通過する平面内において測定ヘッド４を移動させることができる。このとき、スライダ４４に設けた直動機構を作動させることにより、測定ヘッド４の焦点位置を観察対象部位に一致するように配置することができる。そして、測定ヘッド４の焦点位置を観察対象部位に一致させた状態で、軌道回転機構４３を作動させることにより、測定ヘッド４は、焦点位置を観察対象部位に一致させた状態のまま、観察対象部位に対する観察角度を変更していくことができる。

すなわち、円弧軌道部材４２を回転させる軌道回転機構４３を作動させることにより、測定ヘッド４を円弧軌道部材４２とともに水平軸線Ｃ１回りに回転させることができる。そして、これら円弧軌道部材４２に沿う回転と、円弧軌道部材４２自体の回転とを組み合わせることにより、測定ヘッド４を生体Ａに対して任意の姿勢に配置することが可能となり、生体Ａをあらゆる角度から観察することができる。
この場合において、生体Ａを載置するステージ４１を上下方向および水平方向に移動可能とすることにより、生体Ａの所望の観察対象部位を測定ヘッド４の回転中心に一致させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る生体観察装置を示す正面図である。 図１の生体観察装置を示す側面図である。 図１の生体観察装置の変形例を示す正面図である。 図１の生体観察装置の他の変形例を示す正面図である。 図１の生体観察装置のステージの変形例を示す縦断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る生体観察装置を示す正面図である。

符号の説明

Ａ 生体
１，４０ 生体観察装置
３ 対物光学系
４ 測定ヘッド
５ レーザ光源（光源）
８ 光ファイバ
９ 回転機構
１０，４１ ステージ
１４ ステージ昇降機構
１８ 光走査部
３０ 回転アーム
３１ 直動機構
３６ ステージ回転機構
４２ 円弧軌道部材（円弧軌道）
４３ 軌道回転機構
４４ スライダ

Claims (11)

1. 生体を載置するステージと、
   光源から発せられた光をステージ上の生体に照射し、生体からの戻り光を受光する測定ヘッドと、
   前記ステージ上の定点を中心として前記測定ヘッドを回転させる回転機構とを備える生体観察装置。
2. 前記回転機構が、ステージの上方および下方に測定ヘッドを配置可能な動作範囲を備える請求項１に記載の生体観察装置。
3. 前記ステージが透明な材質からなる請求項１または請求項２に記載の生体観察装置。
4. 前記回転機構が、水平な軸線回りに回転可能な回転アームを備え、
   該回転アームに、半径方向に沿って前記測定ヘッドを移動させる直動機構が備えられている請求項１から請求項３のいずれかに記載の生体観察装置。
5. 前記ステージを鉛直軸線回りに回転させるステージ回転機構を備える請求項１から請求項４のいずれかに記載の生体観察装置。
6. 前記ステージを鉛直方向に移動させるステージ昇降機構を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載の生体観察装置。
7. 前記回転機構が、前記定点を中心に配置される円弧軌道と、該円弧軌道に沿って移動可能なスライダとを備え、
   該スライダに測定ヘッドが取り付けられている請求項１から請求項３のいずれかに記載の生体観察装置。
8. 前記測定ヘッドの焦点位置を通る水平な軸線回りに前記円弧軌道を回転させる軌道回転機構を備える請求項７に記載の生体観察装置。
9. 外部に設置された光源と、該光源から発せられた光を測定ヘッドまで伝播する光ファイバとを備え、
   前記測定ヘッドが、光源からの光を走査させる光走査部と、該光走査部により走査された光をステージ上に結像させる対物光学系とを備える請求項１から請求項８のいずれかに記載の生体観察装置。
10. 前記定点が、前記焦点位置と一致するように構成されている請求項１から請求項９のいずれかに記載の生体観察装置。
11. 前記ステージを水平方向に移動させる水平移動機構を備える請求項１から請求項１０のいずれかに記載の生体観察装置。

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