JP2010213764A - 医療用プローブ、及び医療用観察システム - Google Patents

Abstract

【課題】安定した走査を行うことが可能な医療用プローブおよび医療用観察システムを提供することを目的とする。
【解決手段】光源から入射される照明光を導光して対象物に射出する導光手段と、導光手段から射出される照明光を対象物上に集束させるための光学系と、導光手段から射出される照明光が、対象物上で円を描いて走査するように導光手段を駆動する駆動手段と、光学系を移動する光学系移動手段と、を有し、光学系移動手段によって光学系を移動させることにより、導光手段によって対象物上に描かれる円の大きさを変化させることを特徴とする医療用プローブが提供される。
【選択図】図１

Description

この発明は、対象物を走査して画像情報を取得する走査型医療用プローブ、および該医療用プローブを用いた医療用観察システムに関する。

医師が患者の体腔内を観察するときに使用する装置として、電子スコープが一般的に知られている。電子スコープを使用する医師は、電子スコープの挿入部を体腔内に挿入し、挿入部の先端に備えられた先端部を観察対象近傍に導く。そして、先端部に内蔵されたＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の固体撮像素子により体腔内の画像が撮影される。体腔内で撮影された画像は、電子スコープからビデオプロセッサへ送信される。ビデオプロセッサでは、受信した画像に所定の処理を行ってモニタに体腔内の映像を表示させる。医師はこのようにモニタに表示される体腔内の映像を観察して検査や施術等を行う。

また、近年、電子スコープの挿入部を咽喉部に差し込まれることに因る患者の苦痛を軽減するために、固体撮像素子等を構成要素から排除することにより、電子スコープに比べて外径を細く構成した医療用プローブ、および該医療用プローブを用いた観察システムが提案されている。

かかる医療用プローブの一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の医療用プローブでは、圧電アクチュエータにおける振動の振幅を変調および増幅させながら、光ファイバの先端部を共振させる。その結果、光ファイバの先端部が螺旋状に駆動され、光源からの照明光が対象物へ向けて螺旋状の走査パターンを描くように放射される。そして、対象物からの反射光を検出して光電変換し、ビデオプロセッサに順次出力する。ビデオプロセッサは、螺旋状に駆動される光ファイバの、所定の時間における基準となる位置に基づいて、光電変換された画像情報の位置を特定する。そして、該画像情報から映像信号を生成し、モニタに出力する。医師は、このようにして得られた体腔内の映像を、電子スコープを使用した場合と同様にモニタ上で観察して検査や施術等を行う。このような特許文献１の医療用プローブでは、プローブの細径化に加え、高解像度の画像が取得できるなど、電子スコープに比べより多くの利点を備えている。

米国特許第６，５６３，１０５号明細書

しかしながら、上述のように光ファイバの先端部を螺旋状に駆動する場合、螺旋の外周側における光ファイバの動きは安定するものの、振動の初期段階である中心部では、光ファイバの動きが不安定となる傾向がある。また、細径の光ファイバの位置を正確に中心位置へと収束させるのは困難であるため、走査開始時に、光ファイバの位置が中心からずれてしまう場合もある。そして、このような初期振動時の不安定な動きや中心位置のずれなどの影響で、光ファイバによる走査パターンが基準とする走査パターンとずれてしまうと、取得された画像の位置が適切に特定されなくなってしまう。その結果、特に中心部分において、画像に乱れや歪が発生してしまい、体腔内の状態を適切に観察できないといった問題があった。また、螺旋状の走査は再現性も低く、温度変化などの影響により、安定した画像を得ることが困難であるといった問題もあった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、安定した走査を行うことが可能な医療用プローブおよび医療用観察システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するめ、本発明により、光源から入射される照明光を導光して対象物に射出する導光手段と、導光手段から射出される照明光を対象物上に集束させるための光学系と、導光手段から射出される照明光が、対象物上で円を描いて走査するように導光手段を駆動する駆動手段と、光学系を移動する光学系移動手段と、を有する医療用プローブが提供される。また、本発明の医療用プローブは、光学系移動手段によって光学系を移動させることにより、導光手段によって対象物上に描かれる円の大きさを変化させることを特徴とする。このように、光学系移動手段によって光学系を移動させることで、対象物上における走査パターンを容易に制御することが可能となり、再現性の高い安定した走査を行うことができる。

また、上記医療用プローブの光学系は、複数のレンズを備えた第１のレンズ群および第２のレンズ群からなり、光学系移動手段は、第１のレンズ群および第２のレンズ群を別々に移動するものであっても良い。このように、レンズ群を別々に移動させることで、より詳細に走査パターンの制御を行うことが可能となる。

また、上記医療用プローブの光学系移動手段は、光学系を保持する保持部と、保持部を移動するステッピングモータからなるものであっても良い。このようにステッピングモータを用いることにより、所定の移動量ごとに、段階的に光学系を移動させることができる。これにより、より安定した走査を行うことが可能となる。

また、上記医療用プローブは、光学系移動手段によって光学系が段階的に移動されることにより、導光手段から射出される照明光が、対象物上に同心円を描くように走査されることを特徴とするものであっても良い。また、上記医療用プローブは、光学系移動手段によって光学系を移動させ、導光手段によって対象物上に描かれる円の大きさを段階的に大きくしていきながら第１の画像を取得し、光学系移動手段によって光学系を移動させ、導光手段によって対象物上に描かれる円の大きさを段階的に小さくしていきながら第２の画像を取得することを特徴とするものであっても良い。このような構成によれば、中心から最外周へ向かって同心円を描くとき、および最外周から中心へ向かって同心円を描くときの、いずれにおいても画像を取得することができ、効率化を図ることができる。

また、上記医療用プローブの導光手段は、入射端が前記光源に光学的に接続されたシングルモードファイバであり、駆動手段は、導光手段の射出端近傍を振動させるものであっても良い。

または、上記医療用プローブの導光手段は、入射端が光源に光学的に接続された導波管であり、記駆動手段は、導波管を回転させるものであっても良い。また、上記導波管は、光源からの照明光を射出するための先端部を備えており、該先端部は、照明光の光軸をオフセットさせるためのプリズムユニットを備えていても良い。また、上記導波管と先端部は分離されており、駆動部は、先端部のみを回転させるものであっても良い。このように構成することで、導光手段において安定した円運動を行うことができ、走査全体の安定性をさらに向上させることができる。

また、上記光学系移動手段における、光学系の移動量または移動速度は可変であっても良い。このように構成することで、走査パターンの外周側および中心側それぞれに適した走査を行うことができる。

さらに、本発明により、上記いずれかの医療用プローブと、光源と、反射光を受光して信号を検出する光検出手段と、検出された信号に基づき画像情報を生成する画像情報生成手段と、生成された画像情報に基づき映像を生成し表示する映像表示手段と、光学系移動手段を制御する移動制御手段と、を有する医療用観察システムが提供される。本医療用観察システムにおいても、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記医療用観察システムは、複数の前記検出された信号を記憶する記憶手段を更に備え、画像情報生成手段は、複数の検出された信号に基づき、画像情報を生成するものであっても良い。これにより、画像の分解能の低下を補償することが可能となる。

本発明の医療用プローブ、および医療用観察システムによれば、常に安定した走査を行うことが可能となり、歪のない画像を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の走査型医療用プローブの先端部の内部構成を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態のプロセッサおよびモニタの構成を示すブロック図である。 レンズ群移動機構の構成を模式的に示す模式図である。 レンズ群移動機構に対する制御を示すタイミングチャートである。 レンズ群移動機構における磁極の切換えを説明するための図である。 レンズ群の移動による光路の変化を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態の走査型医療用プローブの先端部の内部構成を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態のプロセッサおよびモニタの構成を示すブロック図である。 外周側の走査におけるスポット位置を示す図である。

以下、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、本発明の第１の実施形態の走査型医療用プローブ１０における先端部の内部構成を模式的に示す図である。また、図２は、走査型医療用プローブ１０に接続されるプロセッサ２０およびモニタ３０の構成を示すブロック図である。なお、図２においては、走査型医療用プローブ１０とプロセッサ２０との接続関係等を明確にするため、走査型医療用プローブ１０の一部の構成も模式的に示している。また、モニタ３０は周知の構成を有した受像装置であるため、図２においてモニタ３０の詳細な構成は図示省略している。これらの走査型医療用プローブ１０、プロセッサ２０、およびモニタ３０によって、本実施形態の医療用観察システムが構成される。

まず、図１を参照して、本実施形態の走査型医療用プローブ１０の構成について説明する。走査型医療用プローブ１０は、患者の体内に挿入される長尺の可撓管からなる挿入部と、プロセッサ２０と電気的および光学的に接続される接続部とを備える。図１は、走査型医療用プローブ１０の挿入部先端を示すものであり、該挿入部先端には、シングルモードファイバ１１０（以下、「ＳＭＦ１１０」という）、アクチュエータ１１２、支持体１１４、筒体１１６、固定レンズ１１７、カバーガラス１１８、第１レンズ群１３０、第２レンズ群１４０、第１レンズ群移動機構１３２、および第２レンズ群移動機構１４２が配置されている。また、これらの部材は可撓性を有する保護チューブであるシースに収容されており、シースの内部には、さらに複数の受光ファイバ１２０が円環上に埋設されている。

ＳＭＦ１１０は、プロセッサ２０から供給される照明光を体腔内まで伝搬するためのファイバであり、走査型医療用プローブ１０の接続部から、挿入部先まで延在している。また、ＳＭＦ１１０の先端付近は、円筒型のアクチュエータ１１２の長軸方向に設けられた貫通孔に通され、アクチュエータ１１２に接着材などで固定されている。

アクチュエータ１１２は、圧電素子などで形成され、図示しない複数の電極を有している。そして、アクチュエータ１１２は、後述するプロセッサ２０のＸ軸ドライバ２２０ＸおよびＹ軸ドライバ２２０Ｙから、各電極に接続された電線を通じて所定の駆動電圧が供給されることにより、所定の振動を開始する。また、アクチュエータ１１２は、支持体１１４に設けられた貫通孔に通されて支持される。これにより、ＳＭＦ１１０の先端部が、支持体１１４に片持ち梁の状態で支持される。尚、以降の説明について、便宜上、走査型医療用プローブ１０の長手方向をＺ方向、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。

筒体１１６は、ステンレスなどの金属で形成される円筒上の部品であり、固定レンズ１１７、第１レンズ群移動機構１３２、第２レンズ群移動機構１４２、および支持体１１４の固定に用いられる他、走査型医療用プローブ１０の先端部近傍に配置される部品を保護する役割を備えている。また、筒体１１６の先端は、カバーガラス１１８により封止されている。

第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０は、それぞれ複数のレンズから構成される。そして、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０は、固定レンズ１１７と共に、ＳＭＦ１１０の射出端から射出される走査光を観察対象上に集光するための対物光学系として機能する。また、第１レンズ群１３０はおよび第２レンズ群１４０は、それぞれ第１レンズ群移動機構１３２および第２レンズ群移動機構１４２に移動可能に支持されている。第１レンズ群移動機構１３２および第２レンズ群移動機構１４２は、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０をそれぞれＺ方向、すなわち光軸方向に移動するものであり、後述するプロセッサ２０のレンズ駆動機構２８０により駆動される。

また、シース内部に埋設される複数の受光ファイバ１２０は、ＳＭＦ１１０から射出され、観察対象によって反射された光を受光するためのファイバであり、走査型医療用プローブ１０の接続部から挿入部先端まで延在している。複数の受光ファイバ１２０にて受光された反射光は、受光ファイバ１２０内を伝搬され、走査型医療用プローブ１０の接続部にて結合され、プロセッサ２０へ送られる。

なお、本実施形態においては、体腔内を観察するために走査型医療用プローブ１０単体が体腔内に直接挿入される。別の実施形態においては、例えば走査型医療用プローブ１０の挿入部先端を観察対象近傍にスムーズに導くために挿入部にガイドワイヤ等を添えて挿入するようにしてもよい。また、例えば電子スコープ等が有する鉗子チャンネルに挿入部を挿入し通して挿入部先端を観察対象近傍に近接させるようにしてもよい。

次に、本実施形態のプロセッサ２０の構成について説明する。プロセッサ２０は、走査型医療用プローブ１０に照明光を供給するための光源部、走査型医療用プローブ１０を駆動制御するための駆動部、走査型医療用プローブ１０により取得される反射光を検出し、モニタ３０での表示に適した画像信号を生成する信号処理部を備える。なお、本実施形態においては、プロセッサ２０は、光源部、駆動部、信号処理部を備えた一体型のプロセッサであるが、別の実施形態では各部を別体で構成してもよい。

プロセッサ２０の光源部は、観察対象を走査するための光源として、ＲＧＢの各波長に対応した光を供給するレーザ光源２３０Ｒ、２３０Ｇおよび２３０Ｂ、各レーザ光源２３０Ｒ、２３０Ｇおよび２３０Ｂを駆動するドライバ２３２Ｒ、２３２Ｇおよび２３２Ｂ、ならびにレーザ結合器２３４から構成される。ここで、ＲＧＢの各波長に対応する光源が備えられる理由は、カラー画像に対応するためである。したがって、光源は、例えば広帯域であるスーパーコンティニューム光等を発振する単一の白色ファイバレーザとしてもよい。また、光源は、レーザ光源に限らず例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の他の形態の光源としてもよい。

プロセッサ２０の駆動部は、走査型医療用プローブ１０のアクチュエータ１１２を駆動するためのＸ軸ドライバ２２０ＸおよびＹ軸ドライバ２２０Ｙ、タイミングコントローラ２４０から出力される駆動信号をＤ／Ａ変換するためのＤ/Ａコンバータ２２２Ｘおよび２２２Ｙ、ならびに走査型医療用プローブ１０の第１レンズ群移動機構１３２および第２レンズ群移動機構１４２を駆動するためのレンズ駆動回路２８０から構成される。

プロセッサ２０の信号処理部は、受光ファイバ１２０によって伝搬される反射光をＲＧＢの各波長を有する光へと分離するレーザ分離器２５４、分離されたＲＧＢ光を受光する検出器２５０Ｒ、２５０Ｇおよび２５０Ｂ、各検出器２５０Ｒ、２５０Ｇおよび２５０Ｂの出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ２５２Ｒ、２５２Ｇおよび２５２Ｂ、Ａ/Ｄ変換された信号に対して所定の処理を行う信号処理回路２６０、ならびに処理された信号を映像信号へと変換してモニタ３０に出力するエンコーダ２７０から構成される。

また、上記各部は、同じくプロセッサ２０が備えるシステムコントローラ２１０およびタイミングコントローラ２４０によって制御される。システムコントローラ２１０およびタイミングコントローラ２４０は、光源部、駆動部および信号処理部の各部における処理のタイミングを統括的にコントロールするものである。

次に、上述のような構成を備えた走査型医療用プローブ１０およびプロセッサ２０における体腔内観察の流れについて、各部の具体的な動作とともに説明する。まず、プロセッサ２０に電源が投入されると、システムコントローラ２１０の制御の下、タイミングコントローラ２４０からドライバ２３２Ｒ、２３２Ｇおよび２３２Ｂに駆動信号が出力される。ドライバ２３２Ｒ、２３２Ｇおよび２３２Ｂは、該駆動信号に従ってレーザ光源２３０Ｒ、２３０Ｇおよび２３０Ｂを駆動する。そして、各レーザ光源２３０Ｒ、２３０Ｇおよび２３０Ｂは、ＲＧＢそれぞれの連続光を照射する。

各レーザ光源２３０Ｒ、２３０Ｇおよび２３０Ｂから照射されたレーザ光は、レーザ結合器２３４に入射される。そして、レーザ結合器２３４が備えるダイクロイックミラー等によって、ＲＧＢの各レーザ光が結合される。なお、図２においてレーザ結合器２３４内を進行するＲＧＢ光の光路長が異なるように見えるが、実際には、各光の光路長は同一である。そして、結合されたレーザ光（以下、「走査光」という）は、カップリングレンズ２３４ａによって収束され、ＳＭＦ１１０へと射出される。なお、レーザ光結合器２３４は、ダイクロイックミラーを使用した光結合器でなく、光ファイバ結合された各レーザ光源を光コンバイナに接続した構成としてもよい。また、光源が単一の白色ファイバレーザである場合には、光源から射出される白色レーザをそのままカップリングレンズ２３４ａにて集束して射出すれば良い。ＳＭＦ１１０へと射出された光は、ＳＭＦ１１０内を伝搬され、走査型医療用プローブ１０の挿入部先端に位置するＳＭＦ１１０の射出端から射出される。

また、上述のように光源部が起動されるのと略同じタイミングで、タイミングコントローラ２４０から、アクチュエータ１１２を駆動するための駆動信号が、Ｄ／Ａコンバータ２２２Ｘおよび２２２Ｙに出力される。そして、Ｄ／Ａコンバータ２２２Ｘおよび２２２Ｙによって該駆動信号がＤ／Ａ変換され、Ｘ軸ドライバ２２０ＸおよびＹ軸ドライバ２２０Ｙにそれぞれ出力される。Ｘ軸ドライバ２２０ＸおよびＹ軸ドライバ２２０Ｙは、受信した駆動信号に従って、アクチュエータ１１２を駆動させる。具体的には、Ｘ軸ドライバ２２０Ｘは、駆動信号に基づいて、アクチュエータ１１２に第一の交流電圧を印加し、Ｙ軸ドライバ２２０Ｙは、駆動信号に基づいて、アクチュエータ１１２に第一の交流電圧と同一周波数であって位相が直交する第二の交流電圧を印加する。

アクチュエータ１１２は、Ｘ軸ドライバ２２０ＸおよびＹ軸ドライバ２２０Ｙから印加された第一および第二の交流電圧に応じて振動する。アクチュエータ１１２の振動はそれぞれ、ＳＭＦ１１０の先端部のＸ方向、Ｙ方向への共振運動を生じさせる。そして、ＳＭＦ１１０の射出端は、アクチュエータ１１２によるＸ方向およびＹ方向への運動エネルギーが合成されることにより、Ｘ−Ｙ平面に近似する面上において所定半径を有する円の軌跡を描く。ここで、本実施形態においては、アクチュエータ１１２を駆動するための駆動信号の振幅は一定である。そのため、ＳＭＦ１１０はアクチュエータ１１２が駆動されてから所定の時間が経過すると、安定して直径ｄを有する円の軌跡を描く。

そして、ＳＭＦ１１０が安定した円の軌跡を描くようになった時点で、タイミングコントローラ２４０から、レンズ駆動回路２８０に駆動信号が出力される。レンズ駆動回路２８０は、該駆動信号に基づいて、第１レンズ群移動機構１３２および第２レンズ群移動機構１４２を駆動する。ここで、図３〜図５を参照して、第１レンズ群移動機構１３２の構成および動作について説明する。なお、第２レンズ移動機構１４２は、第１レンズ群移動機構１３２と実質的に同様の構成を備えているため、ここでは、第１レンズ群移動機構１３２についてのみ説明を行う。

図３は、第１レンズ群移動機構１３２の構成を模式的に示す図である。第１レンズ群移動機構１３２は、第１レンズ群１３０を保持する保持部１３２ａと、保持部１３２ａが取り付けられた移動部１３２ｂと、移動部１３２ｂに対向して配置される固定部１３２ｃとから構成される。本実施形態においては、移動部１３２ｂと固定部１３２ｃは磁力を推進力として、第１レンズ群１３０を段階的に移動させるリニアステッピングモータである。

移動部１３２ｂは、Ｚ方向に移動可能なように筒体１１６に支持される。また、移動部１３２ｂは複数の永久磁石Ｍを備えており、複数の永久磁石Ｍは、固定部１３２ｃと対向する側にＮ極およびＳ極が交互に並ぶように配置される。

固定部１３２ｃは、筒体１１６に固定されており、複数のコイルＣを備えている。複数のコイルＣは、対向する位置にある永久磁石Ｍを両側から挟むようにそれぞれ配置される。また、複数のコイルＣは、プロセッサ２０のレンズ駆動回路２８０から電流が印加されることにより電磁石として機能する。そして、レンズ駆動回路２８０より、所定のタイミングで異なる方向に電流が流されることにより各コイルＣにおける磁極が制御される。本実施形態では、レンズ駆動回路２８０と各コイルＣが４相の端子２８０ａ、２８０ｂ、２８０ｃおよび２８０ｄにそれぞれ接続される。

図４は、レンズ駆動回路２８０による各コイルＣの磁極制御のタイミングチャートである。レンズ駆動回路２８０は、端子２８０ａ、２８０ｂ、２８０ｃおよび２８０ｄに対して、図４に示すようにそれぞれ異なる制御を行う。また、図５は、図４のタイミングチャートに基づいて制御される各コイルＣの磁極の切り換えについて説明するための図である。

図４に示すように、まず時間ｔ１においては、端子２８０ａおよび２８０ｂに接続されるコイルＣはＮ極に、また端子２８０ｃおよび２８０ｄに接続されるコイルＣはＳ極となるように電流が印加される。このときの移動部１３２ｂおよび固定部１３２ｃの状態を図５（ａ）に示す。図５（ａ）の状態では、移動部１３２ｂの永久磁石Ｍと、永久磁石Ｍを挟むように配置されるコイルＣは、異なる磁極を有している。そのため、永久磁石ＭとコイルＣとが引き合うことにより、移動部１３２ｂは、移動することなく同じ位置にとどまった状態となる。

続いて、時間ｔ２になると、端子２８０ａおよび２８０ｄに接続されるコイルＣはＳ極に、また端子２８０ｂおよび２８０ｃに接続されるコイルＣはＮ極となるように電流が印加される。このときの移動部１３２ｂおよび固定部１３２ｃの状態を図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）では、移動部１３２ｂの永久磁石Ｍを挟む位置にあるコイルＣの磁極の一方（図５では右側のコイルＣ）が、永久磁石Ｍと同磁極へと変更される。これにより、永久磁石Ｍと当該コイルＣとの間に反発力が発生する。そして、永久磁石Ｍは、もう一方の異なる磁極を有するコイルＣ（図５では左側のコイル）と引き合うことにより、移動部１３２ｂが一段階、左方向へと移動する。

また、時間ｔ３になると、端子２８０ａおよび２８０ｂに接続されるコイルＣはＳ極に、また端子２８０ｃおよび２８０ｄに接続されるコイルＣはＮ極となるように電流が印加される。このときの移動部１３２ｂおよび固定部１３２ｃの状態を図５（ｃ）に示す。図５（ｃ）においても、移動部１３２ｂの永久磁石Ｍを挟む位置にあるコイルＣの磁極の一方（図５では右側のコイルＣ）が、永久磁石Ｍと同磁極へと変更される。これにより、永久磁石Ｍが、当該コイルＣと反発し、もう一方のコイルＣと引き合うことにより、移動部１３２ｂがもう一段階、左方向へと移動する。

また、時間ｔ４になると、端子２８０ａおよび２８０ｄに接続されるコイルＣはＮ極に、また端子２８０ｂおよび２８０ｃに接続されるコイルＣはＳ極となるように電流が印加される。このときの移動部１３２ｂおよび固定部１３２ｃの状態を図５（ｄ）に示す。さらに、時間ｔ５になると、時間ｔ１のときと同様に、端子２８０ａおよび２８０ｂに接続されるコイルＣはＮ極に、また端子２８０ｃおよび２８０ｄに接続されるコイルＣはＳ極となるように電流が印加される。このときの移動部１３２ｂおよび固定部１３２ｃの状態を図５（ｅ）に示す。このように、所定のタイミングで移動部１３２ｂの永久磁石Ｍと対向する位置にあるコイルＣの磁極を永久磁石Ｍと反発しあうように切り換えることで、移動部１３２ｂ、および移動部１３２ｂに取り付けられた第１レンズ群１３０を一段階ずつ移動させることができる。

本実施形態の走査型医療用プローブ１０では、上述のように第１レンズ群移動機構１３２および第２レンズ群移動機構１４２を制御して、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０をＺ軸方向に移動させることにより、ＳＭＦ１１０から射出される走査光の観察対象上の集光位置を変化させる。また、第１レンズ群移動機構１３２および第２レンズ群移動機構１４２は、それぞれ個別に制御され、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０間の距離を変化させる。図６は、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０の移動による、走査光の集光位置の変化を説明するための図である。

上述のように、ＳＭＦ１１０の射出端は、アクチュエータ１１２の振動により、直径ｄの円の軌跡を描きながら走査光を射出する。そして、まず、ＳＭＦ１１０から射出される走査光が、固定レンズ１１７、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０を通り、図６（ａ）に点線で示されるような光路を通って、走査型医療用プローブ１０の中心軸ＡＸ上に集光されるように、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０が配置される。

その後、レンズ駆動回路２８０によって、第１レンズ群移動機構１３２および第２レンズ移動機構１４２が駆動され、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０が段階的に移動される。このように、レンズ群間の距離を変化させることにより、ＳＭＦ１１０から射出される走査光が観察対象上に描く円の直径を段階的に変化させることができる。例えば、図６（ｂ）に示すように、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０の位置を移動させると、直径ｄの円を描くＳＭＦ１１０から射出される走査光は、固定レンズ１１７、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０によって、点線に示す光路を通り、観察対象上を直径Ｄの円を描くように走査される。

このように、ＳＭＦ１１０が一定の直径を有する円を描いている状態で、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０の移動変位を段階的に変化させていくことにより、観察対象に集光される走査光が描く円の直径を段階的に大きくすることが可能となる。これにより、観察対象上を半径の異なる複数の円からなる同心円状の走査パターンで走査することができる。このとき、第１レンズ群および第２レンズ群１４０を、初期の位置から最大の移動変位位置まで移動させたときの同心円パターンによる走査によって得られた画像を１フレームとする。また、第１レンズ群移動機構１３０および第２レンズ群移動機構１４０における送り量や駆動信号の周波数を適宜設定する（例えば３０Ｈｚ）ことにより、１フレーム内における同心円の数などを制御することができる。

続いて、観察対象が走査されることによって得られた反射光は、受光ファイバ１２０にて受光される。そして、該反射光は受光ファイバ１２０によって伝搬され、プロセッサ２０に送られる。プロセッサ２０では、受光ファイバ１２０によって伝搬された反射光が、レーザ分離器２５４にて、ダイクロイックミラー等によりＲ、Ｇ、Ｂの各波長に対応する反射光に分離される。レーザ分離器２５４にて分離された各反射光は、それぞれ検出器２５０Ｒ、２５０Ｇおよび２５０Ｂに送られる。なお、上述したように光源部から供給される走査光は、単一のＳＭＦ１１０により導光されて観察対象にて反射される。そのため、反射光の光量は非常に少ない。このような微弱な光を確実にかつ低ノイズで検出する必要があるため、検出器２５０Ｒ、２５０Ｇおよび２５０Ｂには光電子増倍管（ＰＭＴ：Photomultiplier Tube）等の高感度光検出器が用いられる。

検出器２５０Ｒ、２５０Ｇおよび２５０Ｂは、受光された各反射光を光電変換してアナログ信号を生成し、Ａ／Ｄコンバータ２５２Ｒ、２５２Ｇおよび２５２Ｂに出力する。Ａ／Ｄコンバータ２５２Ｒ、２５２Ｇおよび２５２Ｂは、タイミングコントローラ２４０の制御の下、検出器２５０Ｒ、２５０Ｇおよび２５０Ｂより検出された各反射光に応じたアナログ信号をサンプリングおよびホールドして、画素データに変換する。そしてＡ／Ｄコンバータ２５２Ｒ、２５２Ｇおよび２５２Ｂによって変換された画素データは、信号処理回路２６０に出力される。

信号処理回路２６０では、同心円状の走査パターンによって得られた各画素データを、固体撮像素子で言うところの画素アドレスに変換して記憶するために、変換テーブルを参照して画素データのアドレス変換処理を行なう。具体的には、信号処理回路２６０には、サンプリングされた各画素に対応する走査光の各スポットにおける時間Ｔと画素アドレスとの変換テーブルが予め保持されている。かかる変換テーブルは、既知の情報である走査パターン（同心円パターン）における各スポットの形成位置および形成時間に基づき作成されている。信号処理回路２６０は、特定の時間Ｔに対応する画素データが入力されると、変換テーブルに基づいて対応する画素アドレスを特定し、当該画素アドレスに該画素データを記憶する。

そして、タイミングコントローラ２４０のタイミング制御に従い、当該画素アドレスに記憶された画素データが読み出され、エンコーダ２７０に出力される。エンコーダ２７０は、入力された画素データをＮＴＳＣ（National Television Standards 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してモニタ３０に出力する。これにより、モニタ３０に観察対象の映像が表示される。

以上のように本実施形態によれば、ＳＭＦ１１０が安定して所定の円の軌跡を描く状態で、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０を移動させることにより、従来の螺旋状の走査パターンに替えて、同心円状の走査パターンによって観察対象を走査することができる。そのため、ＳＭＦ１１０における初期振動での不安定な動きや、中心位置のずれなどの影響を受けずに、安定した走査を行うことが可能となる。また、走査パターンの円の大きさは、ステッピングモータによって一定の量で段階的に調整されるため、再現性の高い走査を行うことが可能となる。これにより、中心部でも乱れや歪のない画像を得ることができ、より好適な体腔内観察を行なうことができる。

また、従来では、光ファイバによって螺旋状の走査を行なって１フレーム分の画像を取得した後は、光ファイバの振動を停止させ、光ファイバの位置を中心へと戻す構成となっている。また、このように光ファイバを中心位置に戻す際には、光ファイバの動きが不安定であり、画像の取得ができない。そのため、次の画像を取得するためには、光ファイバが中心位置に戻るのを待って、再度振動させる必要があった。また、光ファイバの振動を停止させるために振動と逆方向の力をかける必要があるため、機械的なストレスにより、装置の耐久性が低くなってしまうといった問題もあった。

これに対し、本実施形態によれば、第１レンズ群および第２レンズ群１４０を最大の移動変位位置に移動させてから、初期位置へと戻す間にも、安定した同心円パターンでの走査が行えるため、１フレーム分の画像を取得することが可能となる。すなわち、第１レンズ群および第２レンズ群１４０を初期位置から最大の移動変位位置に移動させる間に１フレーム、および最大の移動変位位置から初期位置へと戻す間にもう１フレームが取得できる。これにより、従来に比べてより効率的かつ高速に画像を取得することができると共に、装置の耐久性を向上させることも可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図７は、本発明の第２の実施形態の走査型医療用プローブ１０ａにおける先端部の内部構成を模式的に示す図である。また、図８は、走査型医療用プローブ１０ａに接続されるプロセッサ２０ａおよびモニタ３０の構成を示すブロック図である。第２の実施形態における走査型医療用プローブ１０ａおよびプロセッサ２０ａは、第１の実施形態における走査型医療用プローブ１０およびプロセッサ２０と同様の構成要素を多く有している。そのため、該同様の構成要素については、図７および図８において同じ番号が付され、以降の説明が省略される。

まず、図７を参照して、本実施形態の走査型医療用プローブ１０ａの構成について説明する。走査型医療用プローブ１０ａは、第１の実施形態と同じく、患者の体内に挿入される長尺の可撓管からなる挿入部と、プロセッサ２０ａと電気的および光学的に接続される接続部とを備える。本実施形態の走査型医療用プローブ１０ａは、プロセッサ２０ａから供給される照明光を体腔内まで伝搬するための導光手段として、第１の実施形態におけるＳＭＦ１１０に替えて、部品として導波管１５０を備えている。導波管１５０は、可撓性を有する円形の中空導波管であり、走査型医療用プローブ１０ａの接続部から、挿入部先端まで延在している。また、導波管１５０の外周には、モータ１６６およびモータ１６６により回転駆動されるギア１６４が設けられている。また、モータ１６６は、後述するプロセッサ２０ａのモータ駆動回路２９０により駆動される。

導波管１５０の先端には、導波管１５０と分離された先端部１５０ａが設けられている。先端部１５０ａは、導波管１５０と同様の円形の中空導波管であり、その射出端には、導波管１５０によって伝搬される走査光の光軸をオフセットさせるためのプリズム１５５ａおよび１５５ｂを備えている。また、先端部１５０ａの外周にはボールベアリング１６０が設けられている。これにより、先端部１５０ａは、ボールベアリング１６０を介して筒体１１６に回転可能に支持されている。さらに、先端部１５０ａの導波管１５０側端部の外周には、ギア１６２が設けられており、導波管１５０の外周に設けられたギア１６４と嵌合している。尚、走査型医療用プローブ１０ａにおけるその他の構成については、第１の実施形態と同様である。

次に、本実施形態のプロセッサ２０ａの構成について説明する。図８に示すように、プロセッサ２０ａは、第１の実施形態における、アクチュエータ１１２を駆動するためのＸ軸ドライバ２２０ＸおよびＹ軸ドライバ２２０Ｙ、Ｘ軸ドライバ２２０ＸおよびＹ軸ドライバ２２０Ｙへの駆動制御信号を生成するためのＤ/Ａコンバータ２２２Ｘおよび２２２Ｙに替えて、モータ１６６を駆動するためのモータ駆動回路２９０およびＤ／Ａコンバータ２９２を備えている。尚、プロセッサ２０ａにおけるその他の構成については、第１の実施形態と同様である。

次に、本実施形態における体腔内観察の流れについて、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。まず、プロセッサ２０ａに電源が投入されると、第１の実施形態と同様に、プロセッサ２０ａの光源部により、導波管１５０に走査光が射出される。導波管１５０に射出された光は、導波管１５０内を伝搬され、先端部１５０ａへと送られる。

先端部１５０ａに伝搬された走査光は、まず、プリズム１５５ａに入射する。プリズム１５５ａに入射した走査光は、プリズム１５５ａの反射面によって直角に反射され、プリズム１５５ｂに入射する。プリズム１５５ｂに入射した走査光は、プリズム１５５ｂの反射面によって直角に反射され、固定レンズ１１７に向かって射出される。これにより、本実施形態では、先端部１５０ａが備えるプリズム１５５ａおよび１５５ｂによって、走査光の光軸が所定の距離だけオフセットされるようになっている。

また、上述のように光源部が起動されるのと略同じタイミングで、タイミングコントローラ２４０から、モータ１６６を駆動するための駆動信号が、Ｄ／Ａコンバータ２９２に出力される。そして、Ｄ／Ａコンバータ２９２にて、受信した駆動信号がＤ／Ａ変換され、モータ駆動回路２９０に送信される。そして、モータ駆動回路２９０は、受信した駆動信号に従って、モータ１６６を駆動させる。

モータ１６６は、モータ駆動回路２９０によって駆動され、ギア１６４を回転させる。そして、ギア１６４の回転により、ギア１６４と嵌合するギア１６２が回転し、ギア１６２が取り付けられる先端部１５０ａの中心を軸として回転する。このように先端部１５０ａが回転することにより、先端部１５０ａのプリズム１５５ｂからの走査光が、直径ｄ’の円の軌跡を描くように射出される。

そして、プリズム１５５ｂから射出された走査光は、固定レンズ１１７、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０を介して、観察対象に集光される。その後、第１レンズ群移動機構１３２および第２レンズ群移動機構１４２によって、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０を移動することにより、走査光が観察対象上に描く円の直径を変化させることができる。これにより、第１の実施形態と同様に、観察対象上を同心円状の走査パターンで走査することが可能となり、受光ファイバ１２０およびプロセッサ２０ａによる上述の処理によって画像が取得される。

このように、本実施形態においては、ＳＭＦ１１０をアクチュエータ１１２によって共振させる替わりに、走査光の光軸をプリズム１５５ａおよび１５５ｂによりオフセットさせて回転させることで、走査光が所定の円の軌跡を描くようにしている。このように走査光の円運動についても機械的な構成により実現することで、走査全体をより安定させることが可能となる。また、本実施形態では、先端部１５０ａから平行光が射出されるため、固定レンズ１１７、第１レンズ群１３０および第２レンズ１４０における光学設計を簡素化することもできる。

以上が本発明の実施形態であるが、本発明はこの実施形態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、上述の第１および第２の実施形態においては、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０を移動させることで、走査光の集光点の位置を変更させている。そのため、走査光による同心円パターンの外側の円においては、第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０が拡大の方向で作用することにより、中心部分における円の軌跡に比べ、円の軌跡が太くなる。すなわち、画素データとしてサンプリングされる集光点のスポット径が中心部におけるスポット径に比べて大きくなる。このように、スポット径が大きくなると、画像の分解能が低下してしまう。そのため、このような外周側における分解能の低下を防ぐため、上記実施形態のプロセッサ２０およびプロセッサ２０ａにて、外周側の走査によって得られた画像に対する補償処理を行うよう構成することも可能である。

このような補償処理の一例を、図９を参照して説明する。ここで説明する補償処理では、１つのスポットにおける画素データを、複数のスポットにおける画素データの平均値に基づいて求めることで、分解能の低下を補償する。図９は、外側の円を走査する場合のスポット位置を示す図である。本補償処理では、外周側を走査して得る画素データのサンプリング周波数を、中心部を走査して得る画像データのサンプリング周波数に比べて高く設定する。これにより、図９に示すように、スポットＳ１〜Ｓ６がそれぞれ重なるようにサンプリングされる。また、第１レンズ群移動機構１３２および第２レンズ群移動機構１４２においても、外周部を走査する場合には第１レンズ群１３０および第２レンズ群１４０の移動量が短くなるよう構成する。これにより、図９に示すように、スポットＳ３、スポットＳ３の外周側にあるスポットＳ７、および内周側にあるスポットＳ８が重なるようにサンプリングされる。

そして、上述のように得られた複数のスポットにおける画素データは、一時的に図示しないメモリに記憶される。そして、次いで該メモリから重複する部分におけるデータが読み出され、その平均値が求められる。図９の例の場合、スポットＳ２とＳ３が重複する部分のデータＤ１、スポットＳ３とＳ４が重複する部分のデータＤ２、スポットＳ３とＳ７が重複する部分のデータＤ３、スポットＳ３とＳ８が重複する部分のデータＤ４の平均値がそれぞれ求められる。そして、これらのデータＤ１〜Ｄ４の平均値に基づき、スポットＳ３の画素データが生成される。このように構成することで、外周側においても高解像度の画像を得ることが可能となる。

１ 医療用観察システム
１０，１０ａ 走査型医療用プローブ
２０，２０ａ プロセッサ
３０ モニタ
１１０ ＳＭＦ
１３０ 第１レンズ群
１３２ 第１レンズ群移動機構
１４０ 第２レンズ群
１４２ 第２レンズ群移動機構
１５０ 導波管
２８０ レンズ駆動回路
２９０ モータ駆動回路

Claims (12)

1. 光源からの照明光を走査させて対象物を観察する医療用プローブであって、
   前記光源から入射される照明光を導光して前記対象物に射出する導光手段と、
   前記導光手段から射出される照明光を前記対象物上に集束させるための光学系と、
   前記導光手段から射出される照明光が、前記対象物上で円を描いて走査するように前記導光手段を駆動する駆動手段と、
   前記光学系を移動する光学系移動手段と、を有し、
   前記光学系移動手段によって前記光学系を移動させることにより、前記導光手段によって前記対象物上に描かれる円の大きさを変化させることを特徴とする医療用プローブ。
2. 前記光学系は、複数のレンズを備えた第１のレンズ群および第２のレンズ群からなり、
   前記光学系移動手段は、前記第１のレンズ群および第２のレンズ群を別々に移動することを特徴とする請求項１に記載の医療用プローブ。
3. 前記光学系移動手段は、
   前記光学系を保持する保持部と、
   前記保持部を移動するステッピングモータからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の医療用プローブ。
4. 前記光学系移動手段によって前記光学系が段階的に移動されることにより、
   前記導光手段から射出される照明光が、前記対象物上に同心円を描くように走査されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の医療用プローブ。
5. 前記医療用プローブは、
   前記光学系移動手段によって前記光学系を移動させ、前記導光手段によって前記対象物上に描かれる円の大きさを段階的に大きくしていきながら第１の画像を取得し、
   前記光学系移動手段によって前記光学系を移動させ、前記導光手段によって前記対象物上に描かれる円の大きさを段階的に小さくしていきながら第２の画像を取得することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の医療用プローブ。
6. 前記導光手段は、入射端が前記光源に光学的に接続されたシングルモードファイバであり、
   前記駆動手段は、前記導光手段の射出端近傍を振動させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の医療用プローブ。
7. 前記導光手段は、
   入射端が前記光源に光学的に接続された導波管であり、
   前記駆動手段は、前記導波管を回転させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の医療用プローブ。
8. 前記導波管は、前記光源からの照明光を射出するための先端部を備えており、
   前記先端部は、前記照明光の光軸をオフセットさせるためのプリズムユニットを備えていることを特徴とする請求項７に記載の医療用プローブ。
9. 前記導波管と前記先端部は、分離されており、
   前記駆動部は、前記先端部のみを回転させることを特徴とする請求項８に記載の医療用プローブ。
10. 前記光学系移動手段における、前記光学系の移動量または移動速度は可変であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の医療用プローブ。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の医療用プローブと、
    前記光源と、
    前記反射光を受光して信号を検出する光検出手段と、
    前記検出された信号に基づき画像情報を生成する画像情報生成手段と、
    前記生成された画像情報に基づき映像を生成し表示する映像表示手段と、
    前記光学系移動手段を制御する移動制御手段と、
    を有することを特徴とする医療用観察システム。
12. 前記医療用観察システムは、複数の前記検出された信号を記憶する記憶手段を更に備え、
    前記画像情報生成手段は、前記複数の検出された信号に基づき、画像情報を生成することを特徴とする、請求項１１に記載の医療用観察システム。

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