JP2011055942A - 内視鏡 - Google Patents

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Abstract

【課題】シフト動作に起因する画質劣化を防ぐ。
【解決手段】内視鏡5の挿入部9と先端部16の境目に、バルーン18が取り付けられる。バルーン18は、給排水管29等を介してポンプ装置8のロータリポンプ82と繋がっている。ロータリポンプ82は、シフト撮影モードが選択されたとき、バルーン18に水を供給してバルーン18を膨張させる。バルーン18が膨張して細管部の管壁に密着し、先端部16が管壁に固定される。通常撮影モードが選択されたときは、バルーン18から水が排出されてバルーン18が収縮し、先端部16の固定が解除される。
【選択図】図3

Description

本発明は、イメージガイドの入射端をシフトさせるシフト機構を有する内視鏡に関する。
医療分野において、内視鏡は今や欠くことのできない医療器具の一つである。内視鏡は、いわゆる胃カメラやファイバスコープを使用していた黎明期から、現在はCCD等のイメージセンサを用いた電子内視鏡、あるいは患者に飲み込ませて体内画像を取得するカプセル型内視鏡が開発されるに到り、着実に技術的進歩を遂げている。
内視鏡検査の分野では、患者の体内に挿入する挿入部の極細径化が希求されている。実際、現在に到るまで様々な細径化の試みがなされており、例えば膵管、胆管、乳管、気管支末端といった細管部の観察が可能な内視鏡も検討されている。
ファイバスコープは、極言すれば、体内の被観察部位の像を伝達するイメージガイドと被観察部位に照明光を照射するライトガイドさえあれば体内画像を取得することが可能であるため、構造上極細径化に向いている。しかしながら、イメージガイドを構成する光ファイバ束のクラッドが像の伝達に寄与しないので、クラッドを投影した網目模様が体内画像に映り込み、体内画像の画質が悪くなるという問題があった。
上記問題を踏まえて、特許文献1の第一実施形態のファイバスコープは、イメージガイドの入射端に配置された、イメージガイドの入射端に結像させるレンズ等の結像系光学部材を圧電素子で振動させることで、体内画像に網目模様が映り込むことを防止している。圧電素子は、イメージガイドの光ファイバまたはCCDの画素の配列ピッチに応じて、結像系光学部材を上下左右方向に所定量振動させている。
また、特許文献1の第二実施形態では、イメージガイドを用いずに、挿入部の先端にCCDを配置した例が開示されている。第二実施形態では、CCDの前方に配置された結像系光学部材を第一実施形態と同じく振動させている。そして、この振動の間に、時分割的にCCDの画素で像を受光し、得られたデータをフレームメモリに順次記憶して一フレーム分の画像を得ることで、高解像度化を実現している。
結像系光学部材は、画像の明るさを確保するために、イメージガイドよりも径が大きいが、特許文献1では、結像系光学部材を圧電素子で振動させている。このため、ただでさえイメージガイドよりも径が大きい結像系光学部材を揺動可能に保持するための枠体や保持機構を取り付けるスペースがさらに必要になり、その分挿入部の径方向寸法が大きくなる。つまり、結像系光学部材を圧電素子で振動させることは、極細径化の妨げとなる。数十μm〜数mmオーダーの極細径化を目指すためには、枠体や保持機構の取り付けスペースですら憂慮すべき問題となる。
特許文献1の第二実施形態は、高解像度化は実現可能となるものの、結像系光学部材に加えてCCDを挿入部先端に配置する構成であるため、極細径化には程遠い。
特開昭60−053919号公報
そこで、本出願人は、イメージガイドの入射端を圧電素子で周期的にシフトさせ、このシフト動作に同期して複数回撮像し、シフト量の情報等を加味しつつ、得られた複数の画像から一つの合成画像を生成することで、極細径化の達成と質の高い体内画像の取得という要請を両方満たした内視鏡システムの開発を検討している。
本出願人が検討している内視鏡は、先端部が細管内で自由端であると、イメージガイドの入射端のシフト動作に影響されて先端部自体が振動し、画像がぶれて画質が大幅に劣化するおそれがある。シフト動作の影響を少なくするため先端部を重くすることも考えられるが、操作性が悪くなる。
本発明は、上記背景を鑑みてなされたものであり、その目的は、シフト動作に起因する画質劣化を防ぐことにある。
上記目的を達成するために、本発明の内視鏡は、複数本の光ファイバをバンドル化してなり、内視鏡の挿入部に挿通されるイメージガイドであり、対物光学系で入射端に結像された被観察部位の像を出射端に伝達するイメージガイドと、前記イメージガイドの入射端の外周に形成され、該入射端を周期的にシフト動作させる圧電素子と、シフト動作に同期して前記イメージガイドの出射端からの像を複数回撮像し、一つの合成画像の生成に供するイメージセンサと、挿入部が挿入される管の内壁に挿入部の先端部を固定する固定機構とを備えることを特徴とする。
前記固定機構は、弾性を有し、挿入部または挿入部に被せられる外套管の周面に気密を保持した状態で着脱自在に取り付けられるバルーンと、前記バルーンに流体を流入させ、前記バルーンを膨張させる給排ポンプとで構成されることが好ましい。
または、前記固定機構は、挿入部または挿入部に被せられる外套管の周面に穿たれた吸引孔と、前記吸引孔に負圧を発生させる吸引ポンプとで構成されていてもよい。
あるいは、前記固定機構は、挿入部または挿入部に被せられる外套管の周面に穿たれた散布孔と、前記散布孔から固着剤を散布させる固着剤供給ポンプとで構成されていても可である。
前記固定機構を作動させるための操作入力手段を備えることが好ましい。前記操作入力手段は、前記イメージガイドの入射端をシフト動作させるか否かを選択するものであり、前記イメージガイドの入射端をシフト動作させる選択がされた場合、前記固定機構が自動的に作動される。
本発明によれば、挿入部が挿入される管の内壁に挿入部の先端部を固定するので、イメージガイドの入射端のシフト動作に起因する画質劣化を防ぐことができる。
内視鏡システムの構成を示す外観図である。 内視鏡先端部の構成を示す平面図である。 内視鏡先端部とバルーンの構成を示す断面図である。 内視鏡先端部周辺の断面図である。 シフト機構の構成を示す斜視図である。 イメージガイドの光ファイバ束を示す平面図である。 内視鏡システムの電気的構成を示すブロック図である。 コアが伝達する像とCCDの画素の位置関係を示す図である。 シフトの仕方の例を示す説明図である。 コア一本の移動軌跡を示す説明図である。 シフト撮影モードが選択されたときに機能する各部を示すブロック図である。 CCDの駆動と圧電素子制御信号、画像合成信号の関係を示すタイミングチャートである。 内視鏡システムの処理手順を示すフローチャートである。 固定機構の別の例を示す斜視図である。 固定機構のさらに別の例を示す斜視図である。
図1において、内視鏡システム2は、内視鏡5、プロセッサ装置6、光源装置7、およびポンプ装置8からなる。内視鏡5は、例えば膵管、胆管、乳管、気管支末端といった細管部を観察する際に用いられる。内視鏡5は、患者の体内に挿入される可撓性の挿入部9と、挿入部9の基端部分に連設された操作部10と、プロセッサ装置6および光源装置7にそれぞれ接続されるプロセッサ用コネクタ11および光源用コネクタ12と、操作部10、各コネクタ11、12間を繋ぐユニバーサルコード13とを有する。
挿入部9は、例えば厚み50μm、外径0.9mmのテフロン(登録商標)等の可撓性材料からなる。操作部10には、体内画像を静止画記録するためのレリーズボタン14といった操作部材が設けられている。また、操作部10の先端側には、電気メス等の処置具が挿通される鉗子口15が設けられている。鉗子口15は、挿入部9内の鉗子チャンネル46(図4参照)を通して、挿入部9の先端部16に設けられた鉗子出口26(図2参照)に連通している。
プロセッサ装置6は、光源装置7と電気的に接続され、内視鏡システム2の動作を統括的に制御する。プロセッサ装置6は、ユニバーサルコード13や挿入部9内に挿通された配線ケーブル45(図4参照)を介して内視鏡5に給電を行い、シフト機構32(図4参照)の駆動を制御する。また、プロセッサ装置6は、イメージガイド31(図4参照)で伝達された被観察部位の像を、内蔵のCCD58R、58G、58B(図7参照、以下、まとめてCCD58という)で受像し、これにより得られた撮像信号に各種処理を施して画像を生成する。プロセッサ装置6で生成された画像は、プロセッサ装置6にケーブル接続されたモニタ17に体内画像として表示される。
先端部16は、例えば厚み25μm、外径0.8mmのステンレス製パイプを基体とする。図2において、先端部16の先端面16aには、上方中央に観察窓25が、その直下に鉗子出口26が設けられている。また、観察窓25、鉗子出口26以外の隙間を埋めるように、複数のライトガイド27の先端がランダムに配置されている。
鉗子出口26は、例えば外径0.34mm、内径0.3mmであり、ポリイミド等からなる鉗子チャンネル46(図4参照)に連通している。ライトガイド27は、例えば外径50μmの光ファイバからなる。ライトガイド27は、挿入部9、ユニバーサルコード13に亘って挿通され、その入射端が光源用コネクタ12内に位置している。ライトガイド27は、入射端に入射した光源装置7からの照明光を導光して、先端面16aから露呈した先端(出射端)から照明光を被観察部位に照射する。
ライトガイド27は、複数本の光ファイバをバラで挿入部9内に挿通させ、その後先端部16に接着剤を流し込むことで先端部16に固着される。必要に応じて、固着後にライトガイド27の出射端を表面研磨したり、各ライトガイド27の出射端前方に、ライトガイド27の出射端が配された部分を覆う照明窓を設けてもよい。さらには、照明窓に蛍光物質を塗り込む等して照明光を拡散させてもよい。
図1に戻って、挿入部9と先端部16の境目には、弾性を有するバルーン18が取り付けられている。バルーン18は、例えばラテックスゴム等からなる。バルーン18は、先端部16の外周面に密着するように収縮した状態で体腔内に挿入される。バルーン18は、被観察部位を観察する際に、ポンプ装置8から供給される水(溶解ガスを脱気した脱気水)によって膨張する。また、バルーン18は、膨張した後、内部に保持した水がポンプ装置8によって排水されることで再び収縮する。
挿入部9、および操作部10には、バルーン18内に水を給排水するための給排水管29(図3参照)が形成されている。給排水管29は、先端部16に一端が露呈され、操作部10の後端に設けられたチューブ接続部19に他端が露呈される。
ポンプ装置8には、二つの給排水口20、21が設けられている。各給排水口20、21には、可撓性を有するチューブ22、23がそれぞれ接続されている。チューブ22は、給排水口20に一端が接続され、チューブ接続部19に他端が接続される。チューブ23は、給排水口21に一端が接続され、タンク24に他端が接続されている。これにより、タンク24からチューブ23、ポンプ装置8、チューブ22、および給排水管29を経由してバルーン18に至る閉塞された給排水路が形成される。
ポンプ装置8は、ロータを回転させることによって流体(本例では水)に流れを生じさせるとともに、ロータの回転方向を切り替えることによって流体の流れ方向を選択的に切り替えることができるロータリポンプ82(図7参照)を有している。ポンプ装置8は、このロータリポンプ82を駆動することで、各給排水口20、21の一方から流体を吸引し、他方から吐出する。
ポンプ装置8は、後述するシフト撮影モードが選択された際に、給排水口21で流体を吸引し、給排水口20から吐出するようにロータリポンプ82を制御することで、タンク24内に貯留された水をバルーン18に向けて給水する。また、ポンプ装置8は、シフト撮影モードから通常撮影モードに切り替えられた際に、給排水口20で流体を吸引し、給排水口21から吐出するようにロータリポンプ82を制御することで、バルーン18内に保持された水をタンク24に戻させる。
図3(A)において、バルーン18は、側面中央付近が太鼓状に膨らんだ円筒形状に形成されている。バルーン18の両端には、円環状に形成されたリング部18a、18bが一体に形成されている。各リング部18a、18bの直径は、先端部16の直径よりも僅かに狭められている。
挿入部9と先端部16の境目には、一対の取り付け溝28a、28bが設けられている。各取り付け溝28a、28bは、バルーン18の各リング部18a、18bに応じて、円形の丸溝状に形成されている。また、各取り付け溝28a、28bの間隔は、各リング部18a、18bの間隔と略一致している。バルーン18を取り付ける際には、まず、各リング部18a、18bを広げてバルーン18を先端部16に挿通する。そして、バルーン18の弾性によって各リング部18a、18bを各取り付け溝28a、28bに嵌合させる。これにより、同図(B)に示すように、バルーン18は、内部の気密を保持した状態で挿入部9と先端部16の境目に取り付けられる。各取り付け溝28a、28bの間には、給排水管29の一端が露呈した給排水口29aが設けられている。この給排水口29aを介してバルーン18に対して給排水が行われる。
図4に示すように、観察窓25の奥には、対物光学系30、イメージガイド31、およびイメージガイド31をシフトさせるシフト機構32が配されている。対物光学系30は、鏡筒33に保持され、被観察部位の像をイメージガイド31の入射端に結像させる。対物光学系30、鏡筒33の外径はそれぞれ、例えば0.35mm、0.4mmである。また、鏡筒33の軸方向長さは、例えば3.2mmである。
イメージガイド31は、例えば外径0.2mmの光ファイバ束からなる(図6参照)。イメージガイド31は、挿入部9、ユニバーサルコード13内を挿通され、その出射端がプロセッサ用コネクタ11内に位置している。イメージガイド31は、対物光学系30に面した入射端から取り込んだ被観察部位の像を出射端に伝達する。
図5にも示すように、シフト機構32は、保持筒34、圧電素子35、および電極36で構成される。保持筒34は、例えば外径0.26mm、内径0.2mmのステンレス製パイプからなり、イメージガイド31が内挿固定される。圧電素子35は、例えば厚み15μmであり、保持筒34の外周面を覆う円筒状に成膜されている。電極36は、例えば厚み5μmであり、圧電素子35の外周面に成膜されている。
シフト機構32は、先端部16の基体内に収容されている。シフト機構32の外周面と先端部16の基体の内周面との間には、例えば0.1mm程度の空洞37が形成されている。
シフト機構32は、イメージガイド31の入射端とともに揺動する、先端面16a側の揺動部38と、イメージガイド31とともに固定される、挿入部9側の固定部39とに分れる。揺動部38では、シフト機構32は先端部16の基体に固着されておらず、イメージガイド31は、固定部39を支点として空洞37内を揺動可能である。固定部39では、シフト機構32は接着剤40で先端部16の基体の内周面に固着されている。接着剤40は、イメージガイド31が剥き出しになるシフト機構32の終端手前から、挿入部9の先端途中に掛けて充填されている。揺動部38、固定部39の軸方向長さはそれぞれ、例えば4mm、1.9mmであり、固定部39と挿入部9の先端途中を含む接着剤40の充填範囲の軸方向長さは、例えば3.2mmである。
電極36は、周方向に90°間隔(図2の上下左右方向に対して45°傾いた位置)に設けられ、軸方向に平行に形成された四本の溝41によって、上下、左右の二対、計四個に分割されている。揺動部38では、各電極36の間隔が溝41の幅分しか空いておらず、各電極36が幅広となっている。対して、固定部39では溝41が周方向に対称に拡がった形の切欠き42が形成されて、幅狭部43となっている。幅狭部43は、圧電素子35の後端付近まで延在している。溝41および切欠き42は、圧電素子35の外周面全体に電極材料を成膜した後、エッチングによって形成される。
幅狭部43の終端にはパッド44が形成され、パッド44には配線ケーブル45が接続されている。パッド44は、保持筒34の終端にも形成されており、これにも配線ケーブル45が接続されている。すなわち、保持筒34は、圧電素子35の共通電極としても機能する。
配線ケーブル45は、例えば導線径15μm、被覆外径20μmである。配線ケーブル45は、イメージガイド31の周囲を這うように挿入部9、ユニバーサルコード13内を挿通され、プロセッサ用コネクタ11を介してプロセッサ装置6に接続される。
上下、左右で対になった電極36には、共通電極である保持筒34に掛かる電圧を基準として、逆の極性の電圧が供給される。例えば保持筒34の電位が0Vであった場合、上側の電極36には+5V、下側には−5Vといった具合である。こうすることで電極36下の圧電素子35が軸方向に伸縮し、この圧電素子35の伸縮に連れて、固定部39から先の揺動部38が、イメージガイド31の入射端とともに空洞37内を揺動する。電圧を供給する電極36の組み合わせや印加電圧の値を種々変更することで、揺動部38を所定角度で所定量移動させることができる。
図6において、イメージガイド31は、周知の如く、コア50とクラッド51からなる複数本(例えば6000本)の光ファイバ52を、六角最密状に束ねてバンドル化した構成である。本例では、コア50、クラッド51の径はそれぞれ、3μm、6μmであり、光ファイバ52の配列ピッチPは6μmである。
図7において、プロセッサ装置6は、拡大光学系55および三板式CCD56を有する。拡大光学系55は、プロセッサ用コネクタ11から露呈したイメージガイド31の出射端に面する箇所に配置されている。拡大光学系55は、イメージガイド31で伝達された被観察部位の像を、適当な倍率で拡大して三板式CCD56に入射させる。
三板式CCD56は、拡大光学系55の背後に配置されている。三板式CCD56は、周知の如く、色分解プリズム57と、三台のCCD58とから構成される。色分解プリズム57は、三個のプリズムブロックと、プリズムブロックの接合面に配された二枚のダイクロイックミラーとからなる。色分解プリズム57は、拡大光学系55からの被観察部位の像を赤、青、緑色の波長帯域を有する光に分け、それぞれの光をCCD58に向けて出射する。CCD58は、色分解プリズム57からの各色光の入射光量に応じた撮像信号を出力する。なお、CCDの代わりにCMOSイメージセンサを用いてもよい。
イメージガイド31のコア50で伝達する像80を、画素81が配列されたCCD58の撮像面に投影した図8において、像80の中心は、画素81の九個分の枡目の中心と略一致する。イメージガイド31の出射端と色分解プリズム57、CCD58は、像80と画素81が図示する位置関係となるように位置決めされている。
図7に戻って、CCD58からの撮像信号は、アナログフロントエンド(以下、AFEと略す)59に入力される。AFE59は、相関二重サンプリング回路(以下、CDSと略す)、自動ゲイン制御回路(以下、AGCと略す)、およびアナログ/デジタル変換器(以下、A/Dと略す)から構成されている。CDSは、CCD58から出力される撮像信号に対して相関二重サンプリング処理を施し、CCD58で生じるリセット雑音およびアンプ雑音の除去を行う。AGCは、CDSによりノイズ除去が行われた撮像信号を所定のゲイン(増幅率)で増幅する。A/Dは、AGCにより増幅された撮像信号を、所定のビット数のデジタル信号に変換する。A/Dでデジタル化された撮像信号は、デジタル信号処理回路(以下、DSPと略す)65のフレームメモリ(図示せず)に一旦格納される。
CCD駆動回路60は、CCD58の駆動パルス(垂直/水平走査パルス、電子シャッタパルス、読み出しパルス、リセットパルス等)とAFE59用の同期パルスとを発生する。CCD58は、CCD駆動回路60からの駆動パルスに応じて撮像動作を行い、撮像信号を出力する。AFE59の各部は、CCD駆動回路60からの同期パルスに基づいて動作する。なお、図では便宜上、CCD駆動回路60とAFE59はCCD58Gのみに繋がれているが、これらは実際にはCCD58R、58Bにも繋がれている。
圧電素子駆動回路61は、配線ケーブル45を介して電極36および保持筒34に繋がれている。圧電素子駆動回路61は、CPU62の制御の下、圧電素子35に電圧を供給する。
CPU62は、プロセッサ装置6全体の動作を統括的に制御する。CPU62は、図示しないデータバスやアドレスバス、制御線を介して各部と接続している。ROM63には、プロセッサ装置6の動作を制御するための各種プログラム(OS、アプリケーションプログラム等)やデータ(グラフィックデータ等)が記憶されている。CPU62は、ROM63から必要なプログラムやデータを読み出して、作業用メモリであるRAM64に展開し、読み出したプログラムを逐次処理する。また、CPU62は、検査日時、患者や術者の情報等の文字情報といった検査毎に変わる情報を、後述する操作部68やLAN(Local Area Network)等のネットワークより得て、RAM64に記憶する。
DSP65は、AFE59からの撮像信号をフレームメモリから読み出す。DSP65は、読み出した撮像信号に対して、色分離、色補間、ゲイン補正、ホワイトバランス調整、ガンマ補正等の各種信号処理を施し、一フレーム分の画像を生成する。またDSP65は、後述するシフト撮影モードが選択されたときに、シフトの一周期で得られた複数の画像を合成して一つの高解像度な画像(以下、合成画像という)を出力する画像合成部65a(図11参照)を有する。このためDSP65には、複数のフレームメモリが設けられている。DSP65で生成された画像(合成画像も含む)は、デジタル画像処理回路(以下、DIPと略す)66のフレームメモリ(図示せず)に入力される。
DIP66は、CPU62の制御に従って各種画像処理を実行する。DIP66は、DSP65で処理された画像をフレームメモリから読み出す。DIP66は、読み出した画像に対して、電子変倍、あるいは色強調、エッジ強調等の各種画像処理を施す。DIP66で各種画像処理を施された画像は、表示制御回路67に入力される。
表示制御回路67は、DIP66からの処理済みの画像を格納するVRAMを有する。表示制御回路67は、CPU62からROM63およびRAM64のグラフィックデータを受け取る。グラフィックデータには、体内画像の無効画素領域を隠して有効画素領域のみを表示させる表示用マスク、検査日時、あるいは患者や術者の情報等の文字情報、グラフィカルユーザインターフェース(GUI;Graphical User Interface)といったものがある。表示制御回路67は、DIP66からの画像に対して、表示用マスク、文字情報、GUIの重畳処理、モニタ17の表示画面への描画処理といった各種表示制御処理を施す。
表示制御回路67は、VRAMから画像を読み出し、読み出した画像をモニタ17の表示形式に応じたビデオ信号(コンポーネント信号、コンポジット信号等)に変換する。これにより、モニタ17に体内画像が表示される。
操作部68は、プロセッサ装置6の筐体に設けられる操作パネル、内視鏡5の操作部10にあるボタン、あるいは、マウスやキーボード等の周知の入力デバイスである。CPU62は、操作部68からの操作信号に応じて、各部を動作させる。
プロセッサ装置6には、上記の他にも、画像に所定の圧縮形式(例えばJPEG形式)で画像圧縮を施す圧縮処理回路や、レリーズボタン14の操作に連動して、圧縮された画像をCFカード、光磁気ディスク(MO)、CD−R等のリムーバブルメディアに記録するメディアI/F、LAN等のネットワークとの間で各種データの伝送制御を行うネットワークI/F等が設けられている。これらはデータバス等を介してCPU62と接続されている。
光源装置7は、光源70を有する。光源70は、赤から青までのブロードな波長の光(例えば、480nm以上750nm以下の波長帯の光)を発生するキセノンランプや白色LED(発光ダイオード)等である。光源70は、光源ドライバ71によって駆動される。絞り機構72は、光源70の光射出側に配置され、集光レンズ73に入射される光量を増減させる。集光レンズ73は、絞り機構72を通過した光を集光して、ライトガイド27の入射端に導光する。CPU74は、プロセッサ装置6のCPU62と通信し、光源ドライバ71および絞り機構72の動作制御を行う。
ポンプ装置8は、バルーン18に対する給排水を行うためのロータリポンプ82と、このロータリポンプ82を駆動するためのポンプ駆動回路83とを備えている。ポンプ駆動回路83は、ケーブル47(図1参照)を介してプロセッサ装置6のCPU62と接続している。
CPU62は、後述するシフト撮影モードが選択されると、バルーン18の膨張を指示する膨張指示信号をポンプ駆動回路83に送信する。ポンプ駆動回路83は、膨張指示信号を受信すると、ロータの回転方向、および回転速度を制御してロータリポンプ82を駆動し、タンク24内に貯留された水を給水してバルーン18を膨張させる。
一方、CPU62は、シフト撮影モードから通常撮影モードに切り替えられた場合、バルーン18の収縮を指示する収縮指示信号をポンプ駆動回路83に送信する。ポンプ駆動回路83は、収縮指示信号を受信すると、ロータリポンプ82を駆動し、バルーン18内に保持された水をタンク24に排水してバルーン18を収縮させる。
ポンプ装置8には、上記の他に、水の流量を元にロータリポンプ82の駆動による給排水量を計測する流量計が設けられている。流量計は、ポンプ駆動回路83に接続されており、給排水量の計測値をポンプ駆動回路83に出力する。ポンプ駆動回路83は、流量計からの計測値を元に、給排水量が予め決められた設定値となるようロータリポンプ82の駆動を制御する。なお、上記設定値は、観察対象やバルーン18の材質、容量等に応じて適宜決定すればよい。
内視鏡システム2には、シフト機構32を動作させないで撮影する通常撮影モードと、シフト機構32を使用するシフト撮影モードとが用意されている。シフト撮影モードでは、シフト回数を四回、九回の二種類設定することが可能である。各モードの切り替えおよびシフト回数の設定は、操作部68を操作することにより行われる。
シフト撮影モードが選択されてシフト回数が四回に設定(以下、単に四回シフトという)された場合、圧電素子駆動回路61は、シフト機構32の揺動部38を駆動して、イメージガイド31の入射端を図9に示すようにシフト動作させる。まず、揺動部38は、(a)の初期位置から30°左斜め下方向に、光ファイバ52の配列ピッチPの半分、つまり1/2P分イメージガイド31の入射端を揺動させ、(b)に示す一回シフトの位置に移動させる。そして、順次右斜め下方向、右斜め上方向、左斜め上方向に、最初と同じ角度、同じ移動量でシフトさせて、(c)の二回シフト、(d)の三回シフトの位置に移動させ、再び(a)の初期位置(四回シフトの位置)に戻す。揺動部38は、圧電素子駆動回路61によって、各シフト位置でその都度止められる。なお、実線はイメージガイド31の入射端における実際のコア50の位置、破線は一つ前の位置を表す。
イメージガイド31の入射端におけるコア50は、(a)〜(d)、そして再び(a)に戻る一周期のシフト動作を繰り返すことで、(a)の初期位置だけでは画像化されないクラッド51の部分を埋めるような、図10(a)に示す菱形状の移動軌跡を辿る。
因みにシフト回数が九回に設定(以下、単に九回シフトという)された場合の移動軌跡は、例えば図10(b)に示す如くである。四回シフトの場合と比べて、各方向へのシフト動作が一回多くなる。但し、七回シフトから八回シフトの位置に移るときは、六回シフトから七回シフトの位置に移ったときの左斜め上方向から、左斜め下方向に方向が変えられる。また、八回シフトから初期位置(九回シフトの位置)に移るときは、角度が90°に変えられて上方向に移動される。九回シフトの場合も四回シフトの場合と同様に、初期位置だけでは画像化されないクラッド51の部分を埋めるような移動軌跡となる。そのうえ、隣接する三つのコア50の初期位置と同じ位置(二回、四回、六回シフトの位置)に移動される。
図11において、シフト撮影モードが選択されると、プロセッサ装置6のCPU62には、同期制御部62a、圧電素子制御部62bが構築され、また、DSP65の画像合成部65aが動作する。画像合成部65aおよび各制御部62a、62bは、シフト情報84に基づいて互いに協働しながら各種処理を行う。
シフト情報84は、シフト機構32の揺動部38のシフト動作に関する情報である。シフト情報84は、シフト回数、シフト方向とそのピッチ、図8に示すイメージガイド31のコア50で伝達する像80とCCD58の画素81の位置関係等を含む。シフト回数の情報は操作部68から与えられる。シフト方向、ピッチ、像80と画素81の位置関係といった基本的な情報は例えばROM63に記憶されており、ROM63から画像合成部65aおよび各制御部62a、62bに読み出される。
同期制御部62aは、CCD駆動回路60からCCD58の駆動パルスの情報を受けて、圧電素子制御部62bに圧電素子制御信号Saを、画像合成部65aに画像合成信号Sbをそれぞれ送信する。圧電素子制御部62bは、圧電素子制御信号Saに同期してシフト動作が行われるよう、圧電素子駆動回路61の動作を制御する。同様に、画像合成部65aは、画像合成信号Sbに同期して画像合成処理を実行し、各回のシフト位置で得られた画像G0、G1、G2、G3(四回シフトの場合を例示)の画素を、各シフト位置に対応させてマッピングすることにより、一つの合成画像Gcを生成する。
より詳しくは、四回シフトの場合を例示した図12において、同期制御部62aは、CCD58の電荷蓄積が終了した直後、すなわちCCD58の画素81から垂直転送路に一フレーム分の信号電荷が読み出されたとき(CCD駆動回路60からCCD58に読み出しパルスが出力されたとき)に、圧電素子制御信号Saを発する。また、同期制御部62aは、三回シフトの位置で得られた画像G3に該当するCCD58の電荷読出出力が終了したときに、画像合成信号Sbを発する。電荷読出出力とは、読み出しパルスに応じてCCD58の画素81から垂直転送路に信号電荷が読み出され、垂直転送、水平転送を経て、一フレーム分の撮像信号が出力されるまでの一連のCCD動作をいう。
圧電素子駆動回路61は、圧電素子制御信号Saを受けて圧電素子35に相応の電圧を供給し、揺動部38を前回のシフト位置から次回のシフト位置に移動させる。同期制御部62aから圧電素子駆動回路61に圧電素子制御信号Saが発せられてから、揺動部38が次回のシフト位置に移動するまでの時間は、CCD58が前回の電荷蓄積を終えてから次回の電荷蓄積を開始するまでの時間よりも短い。従って、揺動部38が圧電素子駆動回路61により次回のシフト位置に移動されて制止された状態で、常に次回の電荷蓄積が開始される。
画像合成部65aは、画像合成信号Sbを受けて、各回のシフト位置で得られた画像G0〜G3をフレームメモリから読み出す。画像合成部65aは、各画像G0〜G3の画素を、各シフト位置に対応させてマッピングし、合成画像Gcを出力する。合成時に各画像G0〜G3や合成画像Gcに対して画素補間を施してもよい。
合成画像Gcは、画像化されないクラッド51の部分が画像化され、しかもその部分の画素値が一フレーム内の隣接画素の補間で得た擬似値ではなく、被観察部位の像を反映したものとなる。言い換えれば、通常撮影モードや各回のシフト位置で得られた画像よりも画素数が増え、よりきめ細かい画像となる。この画像の鮮明さは、四回シフトよりもサンプリング数が多い九回シフトのほうが当然より顕著になる。
なお、ここで注意すべきは、各画像G0〜G3の実態は、シフト動作で各シフト位置にずらされたそれぞれ異なる像80であるが、イメージガイド31の出射端を固定して入射端における像80のみをシフトさせており、CCD58の撮像面とイメージガイド31の出射端の相対的な位置関係は変わらないので、データ上は各シフト位置とも同じ画素81から出力されていて区別がつかないという点である。例えば、画像G0内のある位置の像80と画像G1内の同じ位置の像80とは、それぞれシフト位置が異なる像80であるが、CCD58の同じ画素81で撮像される。他の画像も同様である。このため、画像合成部65aは、シフト情報84の像80と画素81の位置関係を元に、各画像の画素値が本来どの画素81に該当するかをマッピングで割り出し、上記の画素補間等を行う。
次に、上記のように構成された内視鏡システム2の作用について説明する。内視鏡5で患者の体内を観察する際、術者は、内視鏡5と各装置6、7とを繋げ、各装置6、7の電源をオンする。そして、操作部68を操作して、患者に関する情報等を入力し、検査開始を指示する。
検査開始を指示した後、術者は、挿入部9を体内に挿入し、光源装置7からの照明光で体内を照明しながら、CCD58による体内画像をモニタ17で観察する。
CCD58から出力された撮像信号は、AFE59の各部で各種処理を施された後、DSP65に入力される。DSP65では、入力された撮像信号に対して各種信号処理が施されて画像が生成される。DSP65で生成された画像は、DIP66に出力される。
DIP66では、CPU62の制御の下、DSP65からの画像に各種画像処理が施される。DIP66で処理された画像は、表示制御回路67に入力される。表示制御回路67では、CPU62からのグラフィックデータに応じて、各種表示制御処理が実行される。これにより、画像がモニタ17に体内画像として表示される。
図13において、シフト撮影モードが選択された場合(S10でyes)、プロセッサ装置6のCPU62からポンプ装置8のポンプ駆動回路83に膨張指示信号が送信される。そして、ポンプ駆動回路83によってロータリポンプ82が駆動され、タンク24内に貯留された水がバルーン18に所定量給水されてバルーン18が膨張される(S11)。バルーン18が膨張して細管部の管壁に密着することによって、先端部16が細管部内で固定される。
その後、プロセッサ装置6のCPU62に同期制御部62a、圧電素子制御部62bが構築される。そして、シフト情報84、およびCCD駆動回路60からのCCD58の駆動パルスの情報に基づいて、同期制御部62aから圧電素子制御部62bに圧電素子制御信号Saが、画像合成部65aに画像合成信号Sbがそれぞれ送信される。
圧電素子制御信号Saを受けた圧電素子制御部62bによって、圧電素子駆動回路61の動作が制御され、圧電素子駆動回路61から圧電素子35に相応の電圧が供給される。これにより、設定されたシフト回数に応じて、揺動部38が所定角度、所定ピッチ分順次シフトされる(S12)。そして、揺動部38が各シフト位置に止まっているときに、CCD58による電荷蓄積が行われ、イメージガイド31で伝達された被観察部位の像80が各画素81で撮像される(S13)。揺動部38が初期位置からシフトされて再び初期位置に戻り、一周期のシフト動作が終了するまで、S12、S13の処理が繰り返される(S14でno)。
一周期のシフト動作が終了すると(S14でyes)、画像合成信号Sbを受けた画像合成部65aによって画像合成処理が実行され、各回のシフト位置で得られた画像から、一つの合成画像が生成される(S15)。生成された合成画像は、前述のようにDIP66、表示制御回路67を経由して、モニタ17に表示される(S16)。一方、通常撮影モードが選択された場合は、収縮指示信号を受信したポンプ駆動回路83によってロータリポンプ82が駆動され、バルーン18内に保持された水がタンク24に戻され、バルーン18が収縮される(S17)。その後、S13の撮影は行われるが、S12、S15の処理は実行されない。これら一連の処理は、検査終了が指示される(S18でyes)まで繰り返される。なお、検査終了が指示されたときにバルーン18が膨張していた場合は、S17の処理が行われてバルーン18が収縮された後、検査終了の処理が行われる。
以上説明したように、内視鏡5の挿入部9にバルーン18を取り付け、バルーン18を膨張させることで先端部16を細管部内で固定するので、イメージガイド31の入射端のシフト動作の影響で先端部16が振動することが防がれ、ぶれのない良好な画質の体内画像を取得することができる。
通常撮影モードとシフト撮影モードを選択可能とし、シフト撮影モードを選択したときに自動的にバルーン18を膨張させるので、バルーン18を膨張させる操作を別にする手間が省ける。
術者が患者の体内に内視鏡5の挿入部9を挿入し、体内で挿入部9を移動させているときは、少なくとも先端部16付近の様子が分かればよいので、比較的画質は悪いが、被写体の動きに対するタイムディレイがなく動画がスムーズに流れるため、通常撮影モードで事足りる。この場合は挿入部9を移動させているのでバルーン18を膨張させる必要はない。
対して、挿入部9の先端部16が病変等の被観察部位に到達し、術者が詳細な観察をしているときには、通常撮影モードよりも高画質なシフト撮影モードを選択することで、診断に適した画像を提供することができる。また、この場合は挿入部9が被観察部位の前で止まっているので、バルーン18を膨張させて先端部16を細管部の管壁に固定させる必要がある。従って、通常撮影モードのときはバルーン18を収縮させ、シフト撮影モードのときにはバルーン18を膨張させれば、手間をかけずに状況に則した使い方をすることができる。
先端部16を細管部内で固定する機構としては、上記実施形態のバルーン18やロータリポンプ82等に限らない。例えば図14に示す内視鏡85のように、挿入部9と先端部16の境目に吸引孔86を形成し、吸引孔86に負圧を発生させて管壁を吸引することで、先端部16を細管部内で固定してもよい。
図14において、吸引孔86は、挿入部9の周方向に沿って等間隔(例えば45°間隔)で複数個(この場合は八個)設けられている。吸引孔86は、上記実施形態の給排水口29aと同様、吸引管87の一端が露呈した入口である。吸引管87は、これも上記実施形態の給排水管29と同様に、挿入部9を挿通されてチューブ接続部19に連通している。吸引管87は、チューブ接続部19に装着されたチューブ(図示せず)を介して、吸引孔86に負圧を発生させるための吸引ポンプ88に接続している。
この場合、シフト撮影モードが選択されたときに吸引ポンプ88が駆動され、これにより吸引孔86に負圧が発生する。そして、吸引孔86の周囲の管壁が吸引孔86に吸い寄せられ、結果的に先端部16が管壁に吸着される。
また、図15に示す内視鏡90のように、吸引孔86と同様の散布孔91を挿入部9と先端部16の境目に形成し、固着剤92を散布孔91から散布してもよい。固着剤92は、生体適合性を有し且つ適度に粘性がある物質、例えばグリセリン等である。あるいは、緩い接着性があるもの、細管部内の水分と反応して固化するものでもよい。
散布孔91は、給排水管29、吸引管87と同様の構成の供給管93と繋がり、供給管93はチューブ接続部19とこれに装着されたチューブ(図示せず)を介して固着剤供給ポンプ94と接続している。固着剤供給ポンプ94は、シフト撮影モードが選択されたときに駆動し、ボトル95に貯留された固着剤92をボトル95から吸い上げ、供給管93等を通して散布孔91から固着剤92を散布させる。図14および図15に示す例によっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、吸引孔86や散布孔91の個数や配置は、上記の例に限定されない。これらの孔を挿入部9の軸方向、または周方向のうちの少なくともいずれかに沿って複数設けてもよいし、ランダムに配置してもよい。さらには螺旋状に設けてもよいし、一部(例えば図2の下側)に偏在させてもよい。また、シフト撮影モードが選択されたときに自動的に固定機構を作動させるのではなく、固定機構を作動させるための専用の操作スイッチを設けても構わない。
上記実施形態では、固定機構を内視鏡に一体的に設けているが、内視鏡ではなく筒状の外套管に固定機構を設け、この外套管を挿入部に被せて手技を行う態様でもよい。外套管は挿入部の径よりも若干大きい内径を有し、上記実施形態のバルーンや吸引孔、散布孔が先端部付近に配置されるよう挿入部に被せられる。内視鏡を加工しなくても済み、挿入部を保護することができる。
シフト機構の構成は、円柱状に限らない。例えば四角柱状でもよい。この場合はイメージガイドを四角筒状の保持筒に内挿固定し、保持筒の四辺にそれぞれ電極を形成する。そして、上下左右に保持筒毎イメージガイドをシフト動作させる。例えば、初期位置から90°左方向に√3/4P分シフトさせ、一回シフトの位置に移動させる。そして、初期位置に戻してから90°下方向に1/4P分シフトさせ、二回シフトの位置に移動させる。二回シフトの位置から再度初期位置に戻した後、順次右方向、上方向にシフトさせ、再び初期位置に戻す。こうすることで、コア50は十字状の移動軌跡を辿る。なお、この場合は校正チャートを上下、左右方向の二種類用意し、校正チャート101と同様に、黒白各領域の幅を初期位置から上下、左右へのシフト量の定数倍とすればよい。
圧電素子にはヒステリシス特性があり、無秩序に駆動させるとシフト位置がずれるため、移動軌跡は毎回同じとし、常に同じ移動経路でシフト機構をシフトさせる。つまり、シフト機構をシフトさせる際の圧電素子の駆動順序を毎回同じにする。また、上下、左右で対になった電極に電圧を供給する順序も同じにする。シフト量の校正をする場合も同様である。
イメージガイドは揺動部が根元から撓ることでシフトをするので、各シフト位置にすぐには停止せず、しばらく振動してから止まる可能性がある。このため、シフト機構の停止後、シフト方向とは逆方向に瞬間的に揺動部が振れるように、圧電素子駆動回路で圧電素子を駆動する等の制振対策を講じることが好ましい。具体的には、反力をシミュレーションや実測で求めて、これを打ち消すための圧電素子の駆動電圧をROMに記憶させておき、圧電素子制御部がその駆動電圧の情報をROMから読み出して圧電素子駆動回路に与える。あるいは、空洞に絶縁性の粘性流体を封入してダンピング効果を利用し、制振対策を講じてもよい。
なお、揺動部が次回のシフト位置に移動するまでの時間が、CCDが前回の電荷蓄積を終えてから次回の電荷蓄積を開始するまでの時間よりも短いと説明しているが、揺動部の長さ、材質、あるいはシフト量、さらには圧電素子自体の性能等が要因で、前者の時間が後者の時間よりも長くなることもあり得る。前述のようにイメージガイドの慣性質量が比較的重いことから、前者の時間が後者の時間よりも長くなる可能性が高い。
こうした場合には、揺動部がシフト位置に移動している間は、プロセッサ装置のCPUの制御の下、CCD駆動回路からCCDに電子シャッタパルスを供給して電荷蓄積を開始する時間を遅らせ、揺動部がシフト位置に停止してから電荷蓄積を開始する。あるいは、揺動部がシフト位置に移動している間は光源を消灯し、揺動部がシフト位置に停止したら光源を点灯する。
揺動部が次回のシフト位置に移動するまでの時間を基準にしてCCDを駆動しようとすると、前者の時間が後者の時間よりも長くなる場合はフレームレートを落とさなければならないが、電子シャッタパルスで電荷を掃き出すか、光源を点消灯させる上記いずれかの方法を採用すれば、フレームレートは現行を維持しつつブレのない画像を得ることができる。
なお、シフト撮影モードが選択されたときのみ画像合成部で画像合成処理をしているが、通常撮影モード時にも画像合成処理をしてもよい。クラッドの位置に対応する被観察部位の像を反映した画像は得られないが、クラッドの影は埋めることができる。
また、シフトの一周期毎に画像合成部で画像合成処理を行い、一つの合成画像を出力しているが、この方法であると通常撮影モードに比べてフレームレートが落ちる。このフレームレート低下の対策としては、四回シフトの場合は通常撮影モードの四倍といったように、シフト撮影モードが選択されたときにフレームレートを上げることが考えられる。
具体的には、CPU62のシステムクロックのクロック信号の周期を変化させることで、CCD駆動回路60の駆動信号の周期を変化させる。あるいは、システムクロックのクロック信号は変化させずに、CCD駆動回路60に分周器を設け、この分周器でシステムクロックのクロック信号を分周することで変化させてもよい。
あるいは、例えば四回シフトの場合に、同じシフト周期の画像G0〜G3で合成画像Gcを生成した後、その画像G1〜G3と次のシフト周期の画像G0から合成画像Gcを生成するというように、画像の組み合わせを一画像ずつずらして、G0〜G3の画像のうちの一番古い画像を新しく得られた画像に順次置き換えながら合成画像Gcを生成してもよい。こうすれば、クロック信号の周期を変化させたりする制御の面倒が省け、しかもフレームレートの低下を防ぐことができる。
三板式CCD、モード切り替えとシフト回数の設定をする操作部、および画像合成部と同期制御部と圧電素子制御部の機能を実現するハードウェアを、プロセッサ装置とは別の筐体に搭載してもよいし、内視鏡に搭載してもよい。
また、照明用の光源として中心波長445nmの青色レーザ光源を用い、青色レーザ光源からのレーザ光の一部を吸収して、緑色〜黄色に励起発光する複数種の蛍光体を有する波長変換部材をライトガイド27の光出射側に配置して、レーザ光と励起光を合成した高輝度な白色光を照明光として照射してもよい。上記実施形態と比べて高輝度な白色光を供給するので、僅かな本数(一、二本)のライトガイドで十分な照明光を得ることができる。従って、極細径化をさらに促進することができる。
なお、イメージセンサとしては、単板式を用いてもよい。また、上記実施形態では、イメージガイドと配線ケーブルのプロセッサ装置への接続を同じコネクタで果たしているが、イメージガイドと配線ケーブルを別のコネクタに実装してもよい。
2 内視鏡システム
5、85、90 内視鏡
6 プロセッサ装置
7 光源装置
8 ポンプ装置
9 挿入部
16 先端部
16a 先端面
18 バルーン
31 イメージガイド
32 シフト機構
35 圧電素子
56 三板式CCD
58R、58G、58B CCD
60 CCD駆動回路
61 圧電素子駆動回路
62 CPU
62a 同期制御部
62b 圧電素子制御部
65 デジタル信号処理回路(DSP)
65a 画像合成部
68 操作部
80 像
81 画素
82 ロータリポンプ
83 ポンプ駆動回路
84 シフト情報
86 吸引孔
88 吸引ポンプ
91 散布孔
92 固着剤
94 固着剤供給ポンプ

Claims (6)

  1. 複数本の光ファイバをバンドル化してなり、内視鏡の挿入部に挿通されるイメージガイドであり、対物光学系で入射端に結像された被観察部位の像を出射端に伝達するイメージガイドと、
    前記イメージガイドの入射端の外周に形成され、該入射端を周期的にシフト動作させる圧電素子と、
    シフト動作に同期して前記イメージガイドの出射端からの像を複数回撮像し、一つの合成画像の生成に供するイメージセンサと、
    挿入部が挿入される管の内壁に挿入部の先端部を固定する固定機構とを備えることを特徴とする内視鏡。
  2. 前記固定機構は、弾性を有し、挿入部または挿入部に被せられる外套管の周面に気密を保持した状態で着脱自在に取り付けられるバルーンと、
    前記バルーンに流体を流入させ、前記バルーンを膨張させる給排ポンプとで構成されることを特徴とする請求項1に記載の内視鏡。
  3. 前記固定機構は、挿入部または挿入部に被せられる外套管の周面に穿たれた吸引孔と、
    前記吸引孔に負圧を発生させる吸引ポンプとで構成されることを特徴とする請求項1に記載の内視鏡。
  4. 前記固定機構は、挿入部または挿入部に被せられる外套管の周面に穿たれた散布孔と、
    前記散布孔から固着剤を散布させる固着剤供給ポンプとで構成されることを特徴とする請求項1に記載の内視鏡。
  5. 前記固定機構を作動させるための操作入力手段を備えることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の内視鏡。
  6. 前記操作入力手段は、前記イメージガイドの入射端をシフト動作させるか否かを選択するものであり、
    前記イメージガイドの入射端をシフト動作させる選択がされた場合、前記固定機構が自動的に作動されることを特徴とする請求項5に記載の内視鏡。
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