JP2014054469A - 共焦点プローブの動作チェック方法及び動作チェック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共焦点プローブの深度方向のフィードバック制御が正常に行われていなくても、それに気づくことが難しかった。
【解決手段】共焦点ピンホールと共役の位置の走査面を深度方向に移動させることが可能な共焦点プローブの動作をチェックするための方法であり、共焦点プローブを固定し、固定された共焦点プローブにより、その走査面に対して深度方向の高さが連続的に又は不連続に変わる試料片の表面を走査し、走査された表面より戻される光のうち共焦点ピンホールによって抽出される光を用いて画像を生成し、生成された画像を所定のモニタに表示し、上記一連の手順を深度方向における走査面の位置を変化させながら複数回行い、各回でモニタに表示される画像に基づいて共焦点プローブの動作をチェックする。
【選択図】図１

Description

この発明は、共焦点プローブの動作をチェックする動作チェック方法及び動作チェック装置に関する。

体腔内の生体組織を観察するための走査型共焦点内視鏡システムが知られている。この種の走査型共焦点内視鏡システムの具体的構成は、例えば特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載の走査型共焦点内視鏡システムは、共焦点プローブを備えている。共焦点プローブは、薬剤が投与された生体組織を、点光源より射出される励起光で走査し、走査された生体組織から発せられる蛍光のうち共焦点光学系の焦点位置と共役の位置に配置された共焦点ピンホールにより抽出される光を取得して画像生成装置に伝送する。共焦点プローブは、生体組織の断層画像を画像生成装置に生成させるため、励起光を平面方向に加えて深度方向にも走査させることができる構成となっている。

特開２００４−３２１７９２号公報

特許文献１に記載の共焦点プローブは、点光源及び共焦点ピンホールとして作用する光ファイバの深度方向の位置をフィードバックセンサにより検出し、検出結果に基づいてフィードバック制御する。フィードバックセンサには、静電容量センサや可変抵抗センサ、磁気ホールセンサ、誘導センサ、光学センサ等が例示される。

特許文献１におけるフィードバック制御は、フィードバックセンサが正常に機能していることを前提に行われる。そのため、フィードバックセンサが例えば衝撃による破損や経年劣化等により正常に機能しなくなった場合は、フィードバック制御も正常に行われなくなる。しかし、この種の不具合は、術者にとって気づき難いという問題が指摘される。

本発明の一形態に係る共焦点プローブの動作チェック方法は、共焦点ピンホールと共役の位置の走査面を深度方向に移動させることが可能な共焦点プローブの動作をチェックするための方法であり、共焦点プローブを所定位置に固定する固定ステップと、所定位置に固定された共焦点プローブにより、共焦点プローブによる走査面に対して深度方向の高さが連続的に又は不連続に変わる所定の試料片の表面を走査する走査ステップと、走査された表面より戻される光のうち共焦点ピンホールによって抽出される光を用いて画像を生成する画像生成ステップと、生成された画像を所定のモニタに表示する表示ステップとを含み、走査ステップ、画像生成ステップ及び表示ステップよりなる一連のステップを深度方向における走査面の位置を変化させながら複数回行い、各回でモニタに表示される画像に基づいて共焦点プローブの動作をチェックするものである。

本発明の一形態に係る動作チェック方法によれば、共焦点プローブによる走査面の深度方向への移動量がモニタの表示画面を通じて客観的に把握可能となる。そのため、例えば本チェック方法を定期的に実施することにより、通常気づき難いフィードバックセンサの不具合等を発見できるようになる。

試料片の表面は、例えば共焦点プローブによる走査面に対して所定の角度をなして配置された平面である。

また、所定の試料片の表面には蛍光塗料が塗布されていてもよい。この場合、走査された表面から戻される光は、共焦点プローブによる走査光により励起されることによって表面から発せられた蛍光である。

また、所定位置に固定された共焦点プローブによる走査面に対して所定の試料片の表面がなす角度は可変であってもよい。

また、本発明の一形態に係る動作チェック装置は、共焦点ピンホールと共役の位置の走査面を深度方向に移動させることが可能な共焦点プローブの動作をチェックするための装置であり、共焦点プローブを固定する固定部と、表面が、固定部に固定された共焦点プローブによる走査面に対して深度方向の高さが連続的に又は不連続に変わる面となっており、表面に集光される該共焦点プローブによる走査光を、共焦点ピンホールに向けて戻すことが可能な試料片とを備えたものである。

本発明の一形態に係る動作チェック装置を用いることにより、共焦点プローブによる走査面の深度方向への移動が、例えば共焦点内視鏡システムのモニタの表示画面を通じて客観的に把握可能となる。そのため、例えば本チェック装置を用いて共焦点プローブの動作チェックを定期的に実施することにより、通常気づき難いフィードバックセンサの不具合等を発見できるようになる。

試料片は、不要光となり得る外光を動作チェック用の画像に混入させないため、例えば外光を遮断する壁部により規定される空間内に配置されている。

本発明の一形態に係る動作チェック方法によれば、共焦点プローブによる走査面の深度方向への移動量がモニタの表示画面を通じて客観的に把握可能となる。そのため、例えば本チェック方法を定期的に実施することにより、通常気づき難いフィードバックセンサの不具合等を発見できるようになる。また、本発明の一形態に係る動作チェック装置を用いることにより、共焦点プローブによる走査面の深度方向への移動が、例えば共焦点内視鏡システムのモニタの表示画面を通じて客観的に把握可能となる。そのため、例えば本チェック装置を用いて共焦点プローブの動作チェックを定期的に実施することにより、通常気づき難いフィードバックセンサの不具合等を発見できるようになる。

本発明の実施形態の動作チェック装置の内部構造及びモニタの表示画面に表示される画像を示す図である。 本発明の実施形態の動作チェック装置を用いて共焦点プローブの動作をチェックする動作チェック方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の動作チェック装置の内部構造及びモニタの表示画面に表示される画像を示す図である。 本発明の実施形態の試料片の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る、共焦点プローブの動作をチェックする動作チェック方法及び動作チェック装置について説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施形態の動作チェック装置１００の内部構造を示す図である。本明細書においては、図１（ａ）により、動作チェック装置１００の鉛直方向（長手方向）をＺ方向と定義し、Ｚ方向と直交しかつ互いに直交する二方向をそれぞれ、Ｘ、Ｙ方向と定義する。なお、図１（ａ）においては、共焦点プローブ２００の先端部分が動作チェック装置１００にセットされた状態を示している。

［共焦点プローブ２００］
共焦点プローブ２００は、共焦点顕微鏡の原理を応用して設計された走査型共焦点内視鏡システムを構成する装置であり、体腔内の生体組織の断層像等を高倍率かつ高解像度で観察するのに好適に構成されている。共焦点プローブ２００により取得される生体組織の情報は、画像生成装置に伝送され、画像生成装置によりモニタ表示可能に処理される。画像生成装置やモニタなど、走査型共焦点内視鏡システムを構成する共焦点プローブ２００以外の構成については、便宜上、その図示を省略する。

図１（ａ）に示されるように、共焦点プローブ２００は、各種構成部品を収容する金属製の外筒２０２を備えている。外筒２０２は、外筒２０２の内壁面形状に対応する外壁面形状を持つ内筒２０４を同軸（Ｚ方向）にスライド可能に保持している。共焦点プローブ２００内には、基端が光源装置と結合する光ファイバ２０６の先端が配されている。より詳細には、光ファイバ２０６は、先端２０６Ａが、外筒２０２、内筒２０４の各基端面に形成された開口を通じて内筒２０４に収容支持されており、走査型共焦点内視鏡システムの二次的な点光源として機能する。先端２０６Ａの前方には、対物光学系２１０が設置されている。対物光学系２１０は、複数枚の光学レンズで構成されており、図示省略されたレンズ枠を介して外筒２０２に保持されている。レンズ枠は、外筒２０２内において、内筒２０４と相対的に固定され支持されている。そのため、レンズ枠に保持された光学レンズ群は、外筒２０２内を内筒２０４と一体となってＺ方向にスライドする。

共焦点プローブ２００はまた、二軸アクチュエータ２０８を備えている。二軸アクチュエータ２０８は、一対のＸ軸用電極及び一対のＹ軸用電極を圧電体上に形成した圧電アクチュエータであり、先端２０６Ａ付近の光ファイバ２０６の外周面に接着固定されている。二軸アクチュエータ２０８が図示省略された走査ドライバより供給されるドライブ信号に基づいて駆動することにより、点光源である先端２０６Ａが実質的に二次元平面（ＸＹ平面）内で所定の軌跡を描きながら周期的に移動する。先端２０６Ａが二次元平面内を移動することにより、先端２０６Ａより射出されて対物光学系２１０を透過した励起光が生体組織を二次元走査する。

内筒２０４の基端面と外筒２０２の内壁面との間には、圧縮コイルばね２１２、形状記憶合金２１４及びフィードバックセンサ２１６が取り付けられている。圧縮コイルばね２１２は、自然長からＺ方向に初期的に圧縮狭持されている。形状記憶合金２１４は、Ｚ方向に長尺な棒形状を持ち、常温下で外力が加わると変形して、一定温度以上に加熱されると形状記憶効果で所定の形状に復元する性質を有している。形状記憶合金２１４は、形状記憶効果による復元力が圧縮コイルばね２１２の復元力より大きくなるように設計されている。走査ドライバは、形状記憶合金２１４を通電し加熱することにより、形状記憶合金２１４の伸縮量を制御する。形状記憶合金２１４は、伸縮量に応じて内筒２０４を光ファイバ２０６ごとＺ方向に進退させる。具体的には、形状記憶合金２１４は、加熱されてＺ方向に延びる（復元する）ことにより、内筒２０４を光ファイバ２０６ごと前方（Ｚ方向）に押し出す。形状記憶合金２１４はまた、徐冷が進むにつれて形状記憶効果による復元力が低下することに伴い、圧縮コイルばね２１２によりＺ方向に圧縮されて、内筒２０４を光ファイバ２０６ごと後方（Ｚ方向）に引っ込める。

光ファイバ２０６の先端２０６Ａより射出された励起光は、対物光学系２１０を透過して生体組織の表面又は表層でスポットを形成する。スポット形成位置は、点光源である先端２０６Ａの進退に応じてＺ方向に変位する。すなわち、共焦点プローブ２００は、二軸アクチュエータ２０８による先端２０６ＡのＸＹ平面上の周期的な運動とＺ方向の進退とを併せることで、生体組織を三次元走査する。

光ファイバ２０６の先端２０６Ａは、対物光学系２１０の前側焦点位置に配置されているため、共焦点ピンホールとして機能する。先端２０６Ａには、励起光により励起された生体組織から発せられる蛍光のうち、先端２０６Ａと光学的に共役な集光点からの蛍光のみが入射される。先端２０６Ａより光ファイバ２０６内に入射された蛍光は、光ファイバ２０６を介して画像生成装置に伝送され、画像生成装置によりモニタ表示可能に処理される。これにより、モニタの表示画面に、高倍率かつ高解像度の生体組織の三次元共焦点画像が表示される。

ここで、外筒２０２内における共焦点光学要素（すなわち点光源及び共焦点ピンホールとして作用する光ファイバ２０６の先端２０６Ａ）のＺ方向の位置は、フィードバックセンサ２１６の出力に基づいて検知される。具体的には、フィードバックセンサ２１６は、静電容量センサであり、検出体である内筒２０４とフィードバックセンサ２１６との間で生じる静電容量の変化を検出して走査ドライバに出力する。走査ドライバは、フィードバックセンサ２１６の出力に基づいて上記共焦点光学要素のＺ方向の位置を検知し、Ｚ方向の位置のフィードバック制御に利用する。なお、フィードバックセンサ２１６は、可変抵抗センサ、磁気ホールセンサ、誘導センサ、光学センサなど、別の形態のセンサに置き換えてもよい。

ところで、上述したように、フィードバックセンサ２１６を用いたフィードバック制御は、フィードバックセンサ２１６が正常に機能していることを前提に行われる。そのため、フィードバックセンサ２１６が例えば衝撃による破損や経年劣化等により正常に機能しなくなった場合は、フィードバック制御も正常に行われなくなる。そこで、本実施形態では、この種の不具合が発生しているかを判断するため、動作チェック装置１００を用いて共焦点プローブ２００のＺ方向の動作をチェックする。動作チェック装置１００による動作チェックは、例えば定期的に行われる。

［動作チェック装置１００］
図１（ａ）に示されるように、動作チェック装置１００は、固定部１０２及び試料片１０４を備えている。

固定部１０２は、上端面にのみ開口を持つ円筒状部材である。固定部１０２の上端面に形成された開口１０２Ａの直径は、共焦点プローブ２００の外筒２０２の外径よりも僅かに大きく形成されている。そのため、作業者は、開口１０２Ａを介して固定部１０２内に共焦点プローブ２００を挿入することができる。固定部１０２内に挿入された共焦点プローブ２００は、開口１０２Ａを規定する周縁部によりＸ及びＹ方向の動きが規制される。

固定部１０２はまた、固定部１０２内の中段よりやや下方に、位置決め枠１０２Ｂが形成されている。位置決め枠１０２Ｂは、固定部１０２の内壁面より突設した環状部であり、開口１０２Ｃを規定する。開口１０２Ｃは、開口１０２Ａと同軸に配置されており、かつ共焦点プローブ２００の外筒２０２の外径よりも僅かに小さく形成されている。そのため、固定部１０２内に挿入された共焦点プローブ２００は、先端面の周縁部分が位置決め枠１０２Ｂに当て付いて、Ｚ方向の位置が決まる。すなわち、固定部１０２内に挿入された共焦点プローブ２００は、開口１０２ＡによりＸ及びＹ方向の動きが規制されると共に位置決め枠１０２ＢによりＺ方向の位置が決まることにより、固定部１０２内における位置が決まる。なお、開口１０２Ｃは共焦点プローブ２００の有効径外に配置されているため、共焦点プローブ２００より照射された励起光が開口１０２Ｃによってケラれることはない。

試料片１０４は、その表面（平面）１０４Ａが、開口１０２Ａ及び位置決め枠１０２Ｂにより固定部１０２内における位置が決められた共焦点プローブ２００に対して所定の角度をなすように配置されている。より詳細には、表面１０４Ａは、ＸＹ平面を基準として、ＹＺ平面内を所定の角度回転した位置に配置されている。表面１０４Ａには蛍光塗料が塗布されており、共焦点プローブ２００より射出される励起光により励起されて蛍光を発する。

［共焦点プローブ２００の動作チェック方法］
図２は、動作チェック装置１００を用いて共焦点プローブ２００の動作をチェックする動作チェック方法を示すフローチャートである。

〈図２のＳ１（共焦点プローブ２００の固定）〉
作業者は、上記のように、共焦点プローブ２００を開口１０２Ａを介して固定部１０２内に挿入し、固定部１０２内における共焦点プローブ２００の位置を決める（図１（ａ）参照）。

〈図２のＳ２（表面１０４Ａの走査）、Ｓ３及びＳ４（共焦点画像の生成及び表示）〉
試料片１０４の表面１０４Ａは共焦点プローブ２００に対して所定の角度傾けて配置されているため、共焦点プローブ２００による二次元走査が行われて（図２のＳ２）、画像生成装置による共焦点画像の生成が行われると（図２のＳ３）、図１（ｂ）に示されるように、モニタの表示画面に一筋の画像Ｌが表示される（図２のＳ４）。画像Ｌは、光ファイバ２０６の先端２０６Ａ（共焦点ピンホール）と光学的に共役な集光点の集まりからなる面（走査面であり、ＸＹ平面）と表面１０４Ａとの交線に相当する。このように、本実施形態では、表面１０４Ａを共焦点プローブ２００に対して傾けて配置することにより、共焦点ピンホールと光学的に共役な表面１０４Ａ上の範囲を上記交線に対応する範囲だけに制限している。説明を加えると、試料片１０４は、固定部１０２内の底面、内壁面及び（共焦点プローブ２００により開口１０２Ｃが塞がれた）位置決め枠１０２Ｂによって規定される、外光が遮断された空間に配置されている。そのため、モニタの表示画面には、不要光となり得る外光が混入することなく、画像Ｌが明瞭に表示される。

〈図２のＳ５（走査面のＺ方向への移動）〉
図３（ａ）は、図１（ａ）の状態に対し、共焦点プローブ２００による走査面をＺ方向に移動させた状態を示す。フィードバックセンサ２１６を用いたフィードバック制御のもと、図３（ａ）に示されるように、共焦点プローブ２００による走査面がＺ方向へ規定量移動される。

〈図２のＳ６（表面１０４Ａの走査）、Ｓ７及びＳ８（共焦点画像の生成及び表示）〉
次いで、図２のＳ２（表面１０４Ａの走査）〜Ｓ４（共焦点画像の生成及び表示）と同様に、試料片１０４の表面１０４Ａの走査（図２のＳ６）、共焦点画像の生成（図２のＳ７）及び表示（図２のＳ８）が行われる。図２のＳ５（走査面のＺ方向への移動）によって共焦点プローブ２００による走査面がＺ方向に移動することにより、走査面と表面１０４Ａとの交線は、走査面に対する表面１０４Ａの傾きに応じてＹ方向にシフトする。そのため、モニタの表示画面には、図３（ｂ）に示されるように、一筋の画像Ｌが図１（ｂ）の状態に対してＹ方向にシフトしたものが表示される。

〈図２のＳ９（画像Ｌのシフト量のチェック）〉
図１（ｂ）と図３（ｂ）との二つの画面を比較することにより、一筋の画像Ｌのシフト量が適正か否かがチェックされる。このチェックは、作業者の目視によるチェックであってもよく、また、図１（ｂ）、図３（ｂ）の各画面内における画像Ｌの位置を周知の画像解析技術等を用いて特定し、特定した両者の位置の差を数値的に算出することによって行ってもよい。フィードバックセンサ２１６が正常に機能している場合は、正常なフィードバック制御のもと、共焦点プローブ２００による走査面がＺ方向へ規定量移動しているため、画像Ｌのシフト量が適正となる。そのため、合格のチェック結果が得られる。一方、フィードバックセンサ２１６が正常に機能していない場合は、誤ったセンサ出力に基づいてフィードバック制御が行われているため、画像Ｌのシフト量が適正とならない。そのため、不合格のチェック結果が得られる。

一例として、実視野ＦＯＶ（Field Of View）を５００μｍ（モニタの表示画面上では２００ｍｍに拡大表示）とし、共焦点プローブ２００による走査面に対する表面１０４Ａの傾きを１０°とした場合に、フィードバック制御下で走査面をＺ方向に８．８μｍ移動させると、走査面と表面１０４Ａとの交線のシフト量は、フィードバックセンサ２１６を用いたフィードバック制御が正常に行われていれば（すなわち、Ｚ方向の実際の移動量が８．８μｍであれば）５０μｍとなる（モニタの表示画面上では画像Ｌが２０ｍｍシフトする）。作業者は、画像Ｌのシフト量が２０ｍｍより大きく外れていない場合、フィードバックセンサ２１６が正常に機能しているとし、合格と判定する。一方、作業者は、画像Ｌのシフト量が２０ｍｍより大きく外れていた場合、フィードバックセンサ２１６が正常に機能していないとし、不合格と判定する。

このように、本実施形態では、共焦点プローブ２００による走査面のＺ方向への移動が一筋の画像Ｌのシフト量を通じて客観的に把握可能となる。従って、例えば動作チェック装置１００による共焦点プローブ２００の動作チェックを定期的に行うことにより、通常気づき難いフィードバックセンサ２１６の不具合等を発見できるようになる。

また、動作チェック装置１００による共焦点プローブ２００の動作のチェック結果は、ＬＵＴ（Look up Table）の作成に利用することもできる。具体的には、Ｚ方向の操作量と画像Ｌのシフト量との対応関係をデータとして採取し、ＬＵＴとして作成することができる。この場合、作成したＬＵＴを共焦点プローブ２００に適用することにより、オープンループによる走査面のＺ方向の移動が制御可能となる。

以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態は、上記に説明したものに限定されず、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。例えば明細書中に例示的に明示される実施例等又は自明な実施例等を適宜組み合わせた内容も本願の実施形態に含まれる。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、試料片１０４の変形例を示す図である。図４（ａ）に示される変形例は、試料片１０４’の表面１０４Ａ’が階段状に形成されている。図４（ａ）の変形例では、共焦点プローブ２００による走査面は、Ｚ方向への移動に応じて、表面１０４Ａ’の各段の面と交わることができる。共焦点プローブ２００による走査面をＺ方向に前進（又は後退）させると、モニタの表示画面には、走査面と交わる段の面の画像が間欠的に表示される。また、図４（ｂ）に示される変形例は、一般的なゴニオステージ上に板状の試料片１０４”を貼り付けた構成となっている。図４（ｂ）の変形例では、ゴニオステージを操作することにより、試料片１０４”の表面１０４Ａ”の傾きを調節することができる。これにより、例えば、モニタの表示画面に表示される画像Ｌの位置を調節することができる。

１００ 動作チェック装置
１０２ 固定部
１０２Ａ、１０２Ｃ 開口
１０２Ｂ 位置決め枠
１０４、１０４’、１０４” 試料片
１０４Ａ、１０４Ａ’、１０４Ａ” （試料片の）表面
２００ 共焦点プローブ
２０２ 外筒
２０４ 内筒
２０６ 光ファイバ
２０６Ａ （光ファイバの）先端
２０８ 二軸アクチュエータ
２１０ 対物光学系
２１２ 圧縮コイルばね
２１４ 形状記憶合金
２１６ フィードバックセンサ

Claims (9)

1. 共焦点ピンホールと共役の位置の走査面を深度方向に移動させることが可能な共焦点プローブの動作をチェックするための動作チェック方法であって、
   前記共焦点プローブを所定位置に固定する固定ステップと、
   前記所定位置に固定された共焦点プローブにより、該共焦点プローブによる走査面に対して前記深度方向の高さが連続的に又は不連続に変わる所定の試料片の表面を走査する走査ステップと、
   前記走査された表面より戻される光のうち前記共焦点ピンホールによって抽出される光を用いて画像を生成する画像生成ステップと、
   前記生成された画像を所定のモニタに表示する表示ステップと、
   を含み、
   前記走査ステップ、前記画像生成ステップ及び前記表示ステップよりなる一連のステップを前記深度方向における走査面の位置を変化させながら複数回行い、各回で前記モニタに表示される画像に基づいて前記共焦点プローブの動作をチェックする、動作チェック方法。
2. 前記試料片の表面は、前記共焦点プローブによる走査面に対して所定の角度をなして配置された平面である、請求項１に記載の動作チェック方法。
3. 前記所定の試料片の表面には蛍光塗料が塗布されており、
   前記走査された表面から戻される光は、前記共焦点プローブによる走査光により励起されることによって該表面から発せられた蛍光である、請求項１又は請求項２に記載の動作チェック方法。
4. 前記所定位置に固定された共焦点プローブによる走査面に対して前記所定の試料片の表面がなす角度は可変である、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の動作チェック方法。
5. 共焦点ピンホールと共役の位置の走査面を深度方向に移動させることが可能な共焦点プローブの動作をチェックするための動作チェック装置であって、
   前記共焦点プローブを固定する固定部と、
   表面が、前記固定部に固定された共焦点プローブによる走査面に対して前記深度方向の高さが連続的に又は不連続に変わる面となっており、該表面に集光される該共焦点プローブによる走査光を、前記共焦点ピンホールに向けて戻すことが可能な試料片と、
   を備えることを特徴とする、動作チェック装置。
6. 前記試料片の表面は、前記共焦点プローブによる走査面に対して所定の角度をなして配置された平面であることを特徴とする、請求項５に記載の動作チェック装置。
7. 前記試料片の表面には蛍光塗料が塗布されており、
   前記表面が前記共焦点プローブにより走査されると、励起された該表面から蛍光が発せられることを特徴とする、請求項５又は請求項６に記載の動作チェック装置。
8. 前記試料片は、外光を遮断する壁部により規定される空間内に配置されていることを特徴とする、請求項５から請求項７の何れか一項に記載の動作チェック装置。
9. 前記固定部に固定された共焦点プローブに対する前記表面の角度を可変する角度可変手段
   を備えることを特徴とする、請求項５から請求項８の何れか一項に記載の動作チェック装置。

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