JP2010131110A - 内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照明光を走査させる場合においても、画質劣化を生じさせずに高画質の観察画像を得る
【解決手段】スコープを備えた内視鏡装置において、走査型光ファイバをスコープに設け、ファイバ先端部を二次元的に振動（共振）させることにより、観察対象に対して照明光を螺旋状に走査させる。そして、１フレーム分の観察画像を得る走査期間中において、螺旋状走査と円状走査を中心エリアＭ（二重走査範囲）内で１周ずつ交互に行う。中心エリアＭを走査位置が過ぎると、螺旋状走査を連続的に行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、光を走査させて観察画像を取得する内視鏡装置に関し、特に、観察対象に対する走査方法に関する。

内視鏡装置として、ＣＣＤなどのイメージセンサの代わりに走査型光ファイバを備えた内視鏡装置が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。そこでは、シングルモード光ファイバなどの走査型光ファイバが設けられ、先端部分は、圧電アクチュエータによって保持される。

圧電アクチュエータは、振動振幅を変調および増幅させながら、ファイバ先端部を中心から外側へ螺旋状に振動させる（共振させる）。これにより、光ファイバを通った照明光は、観察部位に向けて螺旋状に放射される。光走査は所定のフレームレートで実行され、螺旋状走査が周期的に行われる。

観察部位で反射した光は、プロセッサもしくはスコープ先端部に設けられたフォトセンサによって検出され、画素信号が生成される。時系列的に検出される１フレーム分の画素信号は走査位置と対応づけられ、螺旋状の画素データをラスタ配列することによって画素位置が特定される。これによって映像信号が生成され、観察画像がモニタに表示される。
米国特許第６，２９４，７７５号明細書 米国特許第７，１５９，７８２号明細書

螺旋状走査において径方向の走査半径は拡大し、１周分走査させたときの照明光のトレースは真円にならない。特に、一定角速度で径を広げながら螺旋走査する場合、走査開始の中心位置付近ほどトレースは真円からほど遠い。そのため、観察画像の中心付近においてひずみが生じ、例えば直線状の被写体が直線となって表示されない。また、スコープの径の太さなどに起因して、径方向に沿った走査線数を数多く設定できない場合、観察画像の解像度が低下する。

本発明の内視鏡装置は、走査によっても高画質の観察画像を得ることが可能な内視鏡装置であり、内視鏡装置は、光源からの照明光をスコープ先端部へ伝達する光ファイバと、光ファイバ先端部を振動させることによって、観察対象に対し照明光を走査させる走査手段と、観察対象からの反射光から得られる画素データに基づき、観察画像データを生成する画像処理手段とを備える。そして本発明の走査手段は、照明光を螺旋状に走査させるとともに、螺旋状走査の間に、走査半径を維持するように円状走査させることが可能であることを特徴とする。

円状走査を行う場合、径方向に関して走査ラインの間隔にバラツキが生じず、特に中心付近の走査においても走査線が円状となり、径方向の走査線の間隔、密接度が全体的に均質化する。そのため、時系列的に検出される画素データを観察画像データとして構築するとき、画素間隔にバラツキが生じない。その結果、部分的な画質劣化がなく全体的に高画質な観察画像が生成される。また、径方向の走査線密度を上げて部分的に解像度を上げることも可能となる。

例えば、画像のひずみ、画質低下を部分的に生じさせないため、走査手段が、一周（螺旋状走査の場合、１スパイラル）分の螺旋状走査と円状走査を交互に実行させながら観察対象を走査するのが望ましい。画像処理手段は、前記所定範囲内を走査している間、円状走査において得られる画素データから観察画像データを生成すればよい。観察対象の中心から走査を開始して走査位置が所定範囲を過ぎた場合、螺旋状走査を連続的に続けて行えばよい。

螺旋状走査と円状走査を円滑に行うため、例えば、螺旋状走査を実行する第１タイミングコントローラと、螺旋状走査と円状走査を交互に実行させる第２のタイミングコントローラとを設け、走査が前記所定範囲を過ぎると、前記第１タイミングコントローラから前記第２タイミングコントローラへ切り替えるように構成してもよい。

特に、観察対象の中心付近における螺旋状走査のトレースが周辺部に比べて真円から離れることを考慮し、走査開始から中心部（中心から所定範囲）内を走査している間、螺旋状走査と円状走査を交互に実行させるのが望ましい。

ファイバの太さなどによって径方向の全走査線数、すなわち走査線密度が異なる。したがって、螺旋状走査と円状走査を交互に実行する範囲は、径方向の走査線密度に応じて定めるのがよい。例えば、スコープの種類を検出する検出手段を設け、スコープの種類に応じて定めればよい。

本発明の内視鏡走査装置は、観察対象に対し照明光を走査させる走査手段と、走査方向を制御する走査制御手段とを備え、前記走査制御手段が、照明光を螺旋状に走査させる螺旋状走査と、走査半径を維持する円状走査とを実行可能であり、１画面分の観察画像を取得する期間では、走査位置に応じて、螺旋状走査の間に円状走査を実行させることを特徴とする。例えば、ファイバ先端部を走査させるように構成してもよく、あるいは、光学系などを使いながらそれ以外の構成によって螺旋状、円状走査させてもよい。

本発明の内視鏡走査方法は、観察対象に対し照明光を走査させるときの走査方向を制御する内視鏡走査方法であって、走査位置に応じて、照明光を螺旋状に走査させる螺旋状走査の間に、走査半径を維持する円状走査を実行させることを特徴とする。

本発明によれば、照明光を走査させる場合においても、画質劣化を生じさせずに高画質の観察画像を得ることができる。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態である内視鏡装置のブロック図である。図２は、走査型光ファイバを模式的に示した図である。

内視鏡装置は、スコープ１０とプロセッサ３０とを備え、スコープ１０には、照明用の光ファイバ（以下、走査型光ファイバという）１７と観察対象からの反射光を伝送する光ファイバ（以下、イメージファイバという）１４が設けられている。イメージファイバ１４の先端部は分岐しており、光学レンズ１９の周囲に配置されている。スコープ１０はプロセッサ３０に着脱自在に接続され、また、プロセッサ３０にはモニタ６０が接続される。

プロセッサ３０には、Ｒ，Ｇ，Ｂの光をそれぞれ発光するレーザー光源２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂが設けられ、レーザードライバ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂによって駆動される。Ｒ，Ｇ，Ｂの光を同時発光させることにより、白色光を観察対象に向けて照射する。

レーザー光源２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂから放射されたＲ，Ｇ，Ｂからの光は、ハーフミラー群２４、集光レンズ２５によって集光され、走査型光ファイバ１７に入射する。入射した光は、走査型光ファイバ１７を通ってスコープ先端部１０Ｔへ送られる。

図２に示すように、スコープ先端部１０Ｔから射出する照明光を走査させるスキャナデバイス（以下、ＳＦＥスキャナという）１６が、スコープ先端部１０Ｔに設けられている。ＳＦＥスキャナ１６はアクチュエータ１８備え、スコープ１０内に設けられたシングルモード型の走査型光ファイバ１７は、円筒状アクチュエータ１８の軸に挿通されて保持される。

スコープ先端部１０Ｔに固定されたアクチュエータ１８は、ピエゾ素子によるチューブ型アクチュエータであり、走査型光ファイバ１７の先端部１７Ａを二次元的に共振させる。アクチュエータ１８には、水平方向（Ｘ軸方向）、垂直方向（Ｙ軸方向）にそれぞれ相対する２対の圧電素子（図示せず）が設けられ、水平方向の共振、垂直方向の共振をそれぞれ行う。

アクチュエータ１８は、直交する２方向に沿って所定の共振モードでファイバ先端部１７Ａを共振させる。カンチレバー状に支持されるファイバ先端部１７Ａは、水平方向の共振、垂直方向の共振を受けることにより先端面１７Ｓの向きを変え、軸中心から外側へ向けて螺旋状に動く。

その結果、先端面１７Ｓから射出し、光学レンズ１９を通って観察部位Ｓに到達する光の軌跡ＰＴは、中心から外側へ向かう螺旋状の走査線になる。螺旋状走査線ＰＴの径方向間隔をできる限り密にすることによって、観察対象Ｑ全体が順に照射されていく。

観察対象で反射した光は、イメージファイバ１４に入射し、プロセッサ３０へ導かれる。イメージファイバ１４からの反射光は、光学レンズ２６、ハーフミラー群２７によってＲ，Ｇ，Ｂの光に分離され、それぞれフォトセンサ２８Ｒ、２８Ｇ、２８Ｂに入射する。フォトセンサ２８Ｒ、２８Ｇ、２８Ｂは、それぞれＲ，Ｇ，Ｂの光をＲ，Ｇ，Ｂに応じた画素信号に変換する。

Ｒ，Ｇ，Ｂに応じた画素信号は、Ａ／Ｄ変換器２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂにおいてデジタル画素信号に変換され、信号処理回路３２へ送られる。信号処理回路３２では、順次送られるＲ，Ｇ，Ｂのデジタル画素信号と照明光の走査位置とのマッピングにより、画素位置が特定され、１フレーム分のデジタル画素信号がラスタ配列される。１フレーム分のデジタル画素信号は、一時的に第１画像用メモリ３３Ａ、第２画像用メモリ３３Ｂに格納される。

信号処理回路３２では、デジタル画素信号に対してホワイトバランス調整、色変換処理など様々な画像信号処理が施され、画像信号が生成される。１フレーム分の画像信号は、第１画像用メモリ３３Ａ、第２画像用メモリ３３Ｂへ交互に格納される。画像信号はエンコーダ３７を介してモニタ６０に送信され、フルカラーの観察画像がモニタ６０に表示される。

ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコントローラ４０は、プロセッサ３０の動作を制御し、ＲＯＭには動作制御に関するプログラムが格納されている。プロセッサ４０は、信号処理回路３２、第１、第２タイミングコントローラ３４Ａ、３４Ｂ、レーザードライバ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂなどへ制御信号を出力する。

第１、第２タイミングコントローラ３４Ａ、３４Ｂは、レーザードライバ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ、およびＳＦＥスキャナ１６に駆動信号を出力するファイバドライバ３６Ａ、３６Ｂに対して同期信号を出力し、ファイバ先端部１７Ａの振動と発光タイミングを同期させる。後述するように、第１タイミングコントローラ３４Ａは、ファイバドライバ３６Ａ、３６Ｂを制御して螺旋状走査を可能にし、第２タイミングコントローラ３４Ｂは、ファイバドライバ３６Ａ、３６Ｂを制御して螺旋状走査、円状走査の切り替えを可能にする。

レーザー光源２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂの出力はレーザードライバ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂからの駆動信号（電流量）に基づいて調整され、観察対象への照明光量（光強度）が調整される。信号処理回路３２では、デジタル画素信号に基づいて輝度信号が生成され、輝度信号がコントローラ４０へ送られる。コントローラ４０は、輝度信号に基づいてレーザードライバ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂに制御信号を出力し、観察画像が適切な明るさとなるように照明光量を調整する。

図３は、螺旋状走査の軌跡を示した図である。

図３には、１フレーム期間の走査開始から終了までをすべて螺旋状走査したときの光の軌跡が図示されている。ファイバ先端部１７Ａの光軸に沿った位置が走査開始地点であり、一定の角速度でファイバ先端部１７Ａを螺旋状に振動させる。径方向に沿った走査線密度は、概ね同じになる。

しかしながら、一定角速度によって走査線の径を広げる場合、観察対象の中心付近エリアでは、１周分走査する間に径（走査半径）が急激に拡大する。図３には、走査開始付近の周回前半部分の径Ｒ０、後半部分のＲ１が図示されている。走査開始地点に近い径Ｒ０と螺旋走査に伴って拡大した径Ｒ１との差が大きい。

一方、走査対象の周辺部では、走査半径が大きいため、１周分走査したときの径の拡大は緩やかになり、走査ラインは真円に近い。図３に示すように、最外周の走査ラインにおいて、径Ｒ３、Ｒ４との間に差がほとんどない。

したがって、１フレーム期間に螺旋状走査を続けて行い、フォトセンサ２８Ｒ，２８Ｇ，２８Ｂから時系列的に読み出される一連の画素信号をラスタ配列させると、観察画像の中心付近ではひずみが生じる。例えば、観察対象が直線状であっても直線的に表示されない。そこで本実施形態では、螺旋状走査の中に円状走査を含ませる。

図４は、螺旋状走査と円状走査を示した図である。図５は、走査時におけるアクチュエータの駆動電圧と、ファイバ先端部のＸ方向に沿った振幅を時系列に示した図である。

図４に示すように、１画面分の観察画像を取得する間（１フレーム期間中）、中心付近エリアＭでは、螺旋状走査と円状走査が１周ごとに交替する。１周分の光走査を1ラインと定めた場合、奇数ライン（２ｎ−１）では径を拡大する螺旋状走査を行い、偶数（２ｎ）ラインでは、径を拡大させずに一定の径で真円を描く円状走査を行う。すなわち、段階的に走査線の径が拡大していく。

図５では、中心付近エリアＭ内の走査期間Ａにおける駆動電圧レベルが拡大図示されている。径の広がる走査ライン（奇数ライン）では、駆動電圧が一定に定められる。光ファイバ先端部１７ＡのＸ軸方向に沿った振幅Ｗは、奇数ラインと偶数ラインとの間で等しい。Ｙ軸方向に沿った振幅も同様である。

期間Ａでは、偶数ラインにおいてほぼ真円の走査ラインが形成される。したがって、偶数ラインの走査から得られる画素信号に基づいて画像を形成することにより、中心付近エリアＭにおいても、ひずみのない観察画像を得ることができる。

一方、中心付近エリアＭの範囲外では、連続的に螺旋状走査が行われる。期間Ａの経過後の期間Ｂでは、駆動電圧の傾きは一定であり、駆動電圧の傾きが倍に設定される。中心付近エリアＭの範囲外では、螺旋状走査による１周分の走査ラインは円に近い。そのため、連続的な螺旋状走査を行っても、ひずみが実質的に生じない。

図６は、走査制御処理を示したフローチャートである。

ステップＳ１０１では、スコープ１０の種類が検出される。スコープ１０に設けられる走査型光ファイバ１７の径は、スコープの種類（観察対象器官）に応じて異なり、ファイバ先端部１７Ａを螺旋状に振動させたときの走査半径の拡大程度は、光ファイバの径の大きさに影響する。すなわち、径の太い光ファイバほど径の広がりが大きくなり、径方向に沿って走査線が密になりにくい。

ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で検出されたスコープの種類に基づき、螺旋状走査、円状走査を交互に行う範囲（以下、二重走査範囲という）が決定される。具体的には、径方向に沿ってカウントされる全走査線数に対する二重走査範囲の走査線数の割合Ｋが定められる。コントローラ４０のＲＯＭには、あらかじめスコープの種類と割合Ｋとを対応させたルックアップテーブルが記憶されており、検出されたスコープに対応する割合ＫがＲＯＭから読み出される。

ステップＳ１０３では、今現在の走査ラインが二重走査範囲以内であるか判断される。上述したように、走査ラインは１周分の螺旋状もしくは円状ラインいずれかであり、走査開始からの周回数がライン数に相当する。二重走査範囲は、最外周走査線のライン数Ｌｍａｘに割合Ｋを乗じることによって定められる。

ステップＳ１０３において、走査ラインが二重走査範囲以内であると判断されると、ステップＳ１０４へ進み、第２タイミングコントローラ３４Ｂの使用が決定される。第２タイミングコントローラ３４Ｂは、螺旋状走査および円状走査を交互に行うときに使用される。

ステップＳ１０５では、対象となった走査ラインが奇数ラインであるか否かが判断される。奇数ラインである場合、読み出された画像データは使用されず、破棄される（Ｓ１０６）。奇数ラインではなく偶数ラインである場合、画素データに基づく画像データが第１画像用メモリ３３Ａもしくは第２画像用メモリ３３Ｂに格納される（Ｓ１０８）。

一方、ステップＳ１０３において、走査ラインが二重走査範囲外であると判断されると、ステップＳ１０７へ進み、第１タイミングコントローラ３４Ａの使用が決定される。第１タイミングコントローラ３４Ａは、螺旋状走査を連続的に行う。そして、各走査ラインにより得られる画素データに基づく画像データ第１画像用メモリ３３Ａ、もしくは第２画像用メモリ３３Ｂに格納される。ただし、二重走査範囲内の走査で使用されていたメモリがそのまま継続して使用される。

ステップＳ１０９では、１フレーム分の画素データが格納されたか否かが判断される。１フレーム分の画素データが格納されていない場合、走査ラインに対して順次ステップＳ１０３〜Ｓ１０９が繰り返し実行される。１フレーム分の画素データが格納されたと判断されると、ステップＳ１１０へ進む。

ステップＳ１１０では、１フレーム分の画素データが第１画像用メモリ３３Ａに格納されたか否かが判断される。第１画像用メモリ３３Ａに格納されていた場合、次の１フレーム分の画素データは第２画像用メモリ３３Ｂに格納することが設定され、第１画像用メモリ３３Ａから画像データが読み出される（Ｓ１１２）。

一方、画素データが第２画像用メモリ３３Ｂに格納された場合、次の１フレーム分の画素データは第１画像用メモリ３３Ａへ格納することが設定され、第２画像用メモリ３３Ｂから画像データが読み出されるように設定される（Ｓ１１１）。そして、読み出しメモリが第１画像用メモリ３３Ａもしくは第２画像用メモリから出力される（Ｓ１１３〜Ｓ１１５）。観察が終了するため、Ｓ１０１〜Ｓ１１５が繰り返し実行される（Ｓ１１６）。

このように本実施形態によれば、走査型光ファイバ１７をスコープ１０に設け、ファイバ先端部１７Ａを二次元的に振動（共振）させることにより、観察対象に対して照明光を螺旋状に走査させる。そして、１フレーム分の観察画像を得る走査期間中において、螺旋状走査と円状走査を中心エリアＭ（二重走査範囲）内で１周ずつ交互に行う。中心エリアＭを走査位置が過ぎると、螺旋状走査を連続的に行う。

観察画像の中心付近では円状走査によって画素データが得られる。そのため、観察画像中央部分にひずみが生じない。また、径方向の走査線密度を考慮して二重走査範囲が定められるため、画面の中心付近と周辺付近の間で解像度の相違が生じることを防ぐことができ、全体的に高画質の観察画像をスコープ種類に関係なく獲得することができる。

本実施形態では、二重走査範囲内で奇数ラインの画素データを破棄しているが、偶数ラインをデータ補正に使用してもよい。また、スコープの種類に応じて二重走査範囲を決定する代わりに、オペレータが適宜設定してもよく、あるいは二重走査範囲を一定の範囲に定めてもよい。

また、径方向の走査線密度を考慮して二重走査を行っても良く、走査線密度に関して中心付近と周辺付近で差が生じないように適宜二重走査の範囲を定めればよい。例えば、画面全体を二重走査範囲に定めてもよい。

本実施形態では、観察画像の中心付近において二重走査を実行するが、画像周辺付近において二重走査を行ってもよい。例えば、観察画像周辺で解像度をアップさせたいときに適用される。

さらに、１周分の走査ラインごとに螺旋状走査、円状走査を切り替える代わりに、螺旋状走査の最中において一部円弧状の走査を部分的に実行するように構成してもよい。

本実施形態である内視鏡装置のブロック図である。 走査型光ファイバを模式的に示した図である。 螺旋状走査の軌跡を示した図である。 螺旋状走査と円状走査を示した図である。 走査時におけるアクチュエータの駆動電圧と、ファイバ先端部のＸ方向に沿った振幅を時系列に示した図である。 走査制御処理を示したフローチャートである。

符号の説明

１０ ビデオスコープ
１６ ＳＦＥスキャナ
１７ 走査型光ファイバ
２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ レーザー光源
３０ プロセッサ
３３Ａ 第１画像用メモリ
３３Ｂ 第２画像用メモリ
３４Ａ 第１タイミングコントローラ
３４Ｂ 第２タイミングコントローラ
４０ コントローラ

Claims (9)

1. 光源からの照明光をスコープ先端部へ伝達する光ファイバと、
   光ファイバ先端部を振動させることによって、観察対象に対し照明光を走査させる走査手段と、
   観察対象からの反射光から得られる画素データに基づき、観察画像データを生成する画像処理手段とを備え、
   前記走査手段が、照明光を螺旋状に走査させるとともに、螺旋状走査の間に、走査半径を維持するように円状走査させることが可能であることを特徴とする内視鏡装置。
2. 前記走査手段が、螺旋状走査と円状走査を１周ずつ交互に実行させることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
3. 前記走査手段が、走査開始から所定範囲内を走査している間、螺旋状走査と円状走査を交互に実行させることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
4. 前記所定の範囲が、径方向の走査線密度に応じて定められることを特徴とする請求項３に記載の内視鏡装置。
5. 前記所定の範囲が、スコープの種類に応じて定められることを特徴とする請求項４に記載の内視鏡装置。
6. 前記画像処理手段が、前記所定範囲内を走査している間、円状走査において得られる画素データから観察画像データを生成することを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の内視鏡装置。
7. 前記走査手段が、螺旋状走査を実行する第１タイミングコントローラと、螺旋状走査と円状走査を交互に実行させる第２のタイミングコントローラとを備え、走査が前記所定範囲を過ぎると、前記第１タイミングコントローラから前記第２タイミングコントローラへ切り替えることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の内視鏡装置。
8. 観察対象に対し照明光を走査させる走査手段と、
   走査方向を制御する走査制御手段とを備え、
   前記走査制御手段が、照明光を螺旋状に走査させる螺旋状走査と、走査半径を維持する円状走査とを実行可能であり、走査位置に応じて、螺旋状走査の間に円状走査を実行させることを特徴とする内視鏡走査装置。
9. 観察対象に対し照明光を走査させるときの走査方向を制御する内視鏡走査方法であって、
   走査位置に応じて、照明光を螺旋状に走査させる螺旋状走査の間に、走査半径を維持する円状走査を実行させることを特徴とする内視鏡走査方法。
   
   

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