JP4681834B2 - 生体観察装置 - Google Patents

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、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対物レンズを先端に有する測定ヘッドと、前記対物レンズの焦点位置を中心として前記測定ヘッドを水平軸線回りに回転させる回転機構とを備え、該回転機構が、前記水平軸線に直交する鉛直平面内において前記対物レンズの光軸の角度を変化させるように前記測定ヘッドを回転させる少なくとも１つの動作軸および前記測定ヘッドを前記鉛直平面内において２次元的に移動させる２以上の動作軸を含む３以上の動作軸と、これら動作軸の動作を前記対物レンズの焦点位置が前記水平軸線上に固定されるように連動させる制御装置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、測定ヘッド先端の対物レンズ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。そして、生体を異なる方向から観察したいときには、回転機構を作動させることで、測定ヘッドが対物レンズの焦点位置を中心として回転させられるので、観察対象部位を焦点に合わせたまま、生体を見る角度を変更することができる。

この場合において、制御装置は、３以上の動作軸を連動させるので、対物レンズの焦点位置を任意の点に選定しても、その焦点位置を動かすことなく測定ヘッドの角度を垂直面内において変更することができる。したがって、ステージへの生体の固定作業において焦点位置を考慮する必要がなく、固定作業を容易にすることができる。

上記発明においては、前記回転機構が、前記対物レンズの焦点位置から離れた水平軸線回りに回転させられる回転部材と、該回転部材に取り付けられ測定ヘッドを回転部材に対して鉛直面内において相互に交差する２方向に移動可能な２軸直動機構とを備え、前記制御装置が、前記回転部材の回転角度に応じて前記２軸直動機構を制御することとしてもよい。
対物レンズの焦点位置から離れた水平軸線回りに回転部材を回転させることによって対物レンズの焦点位置がずれるのを２軸直動機構を連動させることで補正し、対物レンズレンズの焦点位置を固定したまま測定ヘッドの角度を垂直面内において変更することができる。回転軸を減らして直動軸により補正することによって、より精度よく焦点位置を固定することができる。

また、上記発明においては、前記ステージが、前記対物レンズの焦点位置を通過する鉛直軸線回りに回転可能に設けられていることとしてもよい。ステージを鉛直軸線回りに回転させることにより、生体に対して異なる鉛直面内において測定ヘッドを回転させることができ、さらに観察範囲を広げることができる。

また、上記発明においては、前記測定ヘッドが、焦点位置の異なる複数の対物レンズを交換する対物交換機構を備え、前記制御装置が、対物交換機構から得られる、対物レンズの焦点位置の情報に基づいて動作軸を連動させることとしてもよい。
このようにすることで、倍率等の異なる複数の対物レンズによって同一の生体を観察することができる。

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、制御装置によって対物レンズの焦点位置を移動することなく測定ヘッドによる観察角度を変更するので、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。この場合に、回転機構の回転中心を動作軸の回転中心に一致させておく必要がなく、ステージへの生体の固定作業を容易にすることができる。

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および図２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（対物レンズ）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、鉛直軸線Ｃ１回りに回転可能に設けられている。
前記測定ヘッド４は、先端に対物光学系３を有する筐体１０内に、コリメート光学系１１、光走査部１２、瞳投影光学系１３および結像光学系１４を備えている。コリメート光学系１１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１２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１１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１３は、光走査部１２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１４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１４からの平行光を集光して生体Ａの表面あるいは生体Ａの内部組織に設定した焦点位置Ｆ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１５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１６と、該ダイクロイックミラー１６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１７と、ダイクロイックミラー１６を透過した戻り光を光検出器６に集光する集光レンズ１８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１９を介してモニタ２０が接続され、撮像された画像がモニタ２０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１に示されるように、後述する回転アーム２５内を長手方向内側に向かって導かれて回転アーム２５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２１に固定された支柱部材２２と、該支柱部材２２に固定されたモータ２３および減速機２４と、該減速機２４に固定された回転アーム２５と、該回転アーム２５の回転軸線Ｃ２に直交する面内において、回転アーム２５の長手方向およびそれに直交する方向にそれぞれ測定ヘッド４を直線移動させる２軸の直動機構２６と、これら回転アーム２５のモータ２３および直動機構２６のモータ２７，２８動作を制御する制御装置２９とを備えている。前記モータ２３および減速機２４は、その回転軸線Ｃ２を水平にして支柱部材２２に固定されている。モータ２３には、回転アーム２５の回転角度を検出する回転角度センサ２３ａが備えられ、その出力は制御装置２９に伝達されるようになっている。

直動機構２６は、回転アーム２５の長手方向に沿って固定される第１の直線ガイド３０と、該第１の直線ガイド３０によって回転アーム２５の長手方向に直線移動可能に支持される第１のスライダ３１と、第１の直線ガイド３０を駆動する第１のモータ２７と、第１のスライダ３１に固定された第２の直線ガイド３２と、該第２の直線ガイド３２によって回転アーム２５の長手方向および回転軸線Ｃ２に直交する方向に直線移動可能に支持される第２のスライダ３３と、第２の直線ガイド３２を駆動する第２のモータ２８とを備えている。

第１、第２の直線ガイド３０，３２は、例えば、ボールネジのような直動装置を備えている。測定ヘッド４は、その対物光学系３の光軸Ｃ３が回転アーム２５の長手方向に平行に配されるようにスライダ３３に固定されている。

前記制御装置２９は、回転機構９を構成する回転アーム２５のモータ２３、直動機構２６の第１，第２のモータ２７，２８を連動させるように制御するようになっている。具体的には、測定ヘッド４の対物光学系３の焦点位置Ｆを生体Ａの観察対象部位に一致させた状態で、該観察対象部位に対する観察方向を変更する場合に、モータ２３を作動させて回転アーム２５を水平軸回りに回転させると、モータ２３に設けた回転角度センサ２３ａの出力が制御装置２９に伝達され、制御装置２９が、第１のモータ２７および第２のモータ２８を連動して作動させることにより、対物光学系３の焦点位置を中心として測定ヘッド４を回転させるようになっている。

例えば、回転アーム２５の回転軸線Ｃ２と対物光学系３の焦点位置Ｆとの距離をＲとするときに、モータ２３を作動させて回転アーム２５を角度θだけ回転させた場合には、回転角度センサ２３ａによって回転アーム２５の角度θが検出され、制御装置２９が、第１の直線ガイド３０によって測定ヘッド４を回転アーム２５の長手方向に沿ってＲ（１−ｃｏｓθ）だけ移動させ、かつ、第２の直線ガイド３２によって測定ヘッド４を回転アーム２５の長手方向に直交する方向にＲｓｉｎθだけ移動させるようになっている。

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上に固定する。このとき、回転アーム２５に取り付けられている直動機構２６の第１のモータ２７を作動させることにより、測定ヘッド４を回転アーム２５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。

次いで、回転機構９を作動させることにより、回転アーム２５および該回転アーム２５に取り付けられている測定ヘッド４を前記回転軸線Ｃ２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Ｃ３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２５に取り付けられている直動機構２６を作動させることにより、測定ヘッド４を回転アーム２５の長手方向に移動させ、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２０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１５、ダイクロイックミラー１６および集光レンズ１７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１１、光走査部１２、瞳投影光学系１３、結像光学系１４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Ｆ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１４、瞳投影光学系１３、光走査部１２およびコリメート光学系１１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１７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１６を透過させられて集光レンズ１８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２０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２０に表示された蛍光画像を見ながら、直動機構２６を作動させることにより、観察対象部位に焦点位置Ｆ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Ｃ３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。

このようにして、生体の観察対象部位に対物光学系３の焦点位置Ｆを一致させた状態で、同一の観察対象部位を異なる方向から観察したい場合には、制御装置２９を作動させた状態で、回転アーム２５を水平な回転軸線Ｃ２回りに回転させる。測定ヘッド４は回転アーム２５に搭載された直動機構２６に固定されているので、回転アーム２５を回転させると回転アーム２５の傾き角度と同一の傾き角度で傾斜させられることになる。また、本実施形態においては、制御装置２９が、回転アーム２５の回転に連動させて２軸の直動機構２６を作動させるので、測定ヘッド４は、対物光学系３の焦点位置Ｆを中心として回転させられることになる。したがって、対物光学系３の焦点位置Ｆを同一の観察対象部位に固定したままの状態で、図１のＸ−Ｚ平面内において種々の観察方向から生体Ａを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によれば、回転アーム２５の回転軸線Ｃ２上に観察対象部位が配置されていない場合に、回転アーム２５のみを回転させると、測定ヘッド４の焦点位置Ｆが観察対象部位からずれることになるが、制御装置２９の作動によって、２軸の直動機構２６を連動させることにより、そのズレが補正され、回転アーム２５の回転動作中も対物光学系３の焦点位置Ｆが同一観察対象部位に一致させられた状態に維持される。したがって、ステージ２に生体Ａを固定する際に、回転アーム２５の回転軸線Ｃ２が生体Ａの観察対象部位を通過するように設定する必要がなく、セッティングをさらに容易にすることができる。

また、本実施形態に係る生体観察装置１においては、生体Ａを載置するステージ２が鉛直軸線Ｃ１回りに回転させられるので、生体Ａを固定したステージ２を鉛直軸線Ｃ１回りに回転させることにより、測定ヘッド４の光軸Ｃ３が配されるＸ−Ｚ平面を生体Ａの異なる断面に通過させることができる。これにより、生体Ａの同一の観察対象部位をあらゆる方向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、回転アーム２５に２軸の直動機構２６を搭載したが、これに代えて、図３に示されるように、回転アーム２５に他の２つの回転軸３４，３５と１つの直動機構３６を搭載することにしてもよい。このように構成することで、回転アーム２５を回転させるとともに、第２の回転アーム３７を回転させることで、第２の回転アーム３７の先端位置が特定され、第２の回転アーム３７の先端の回転軸３５を回転させることで、測定ヘッド４の光軸Ｃ３の方向が設定される。そして、直動機構３６を作動させることで、測定ヘッド４をその光軸Ｃ３方向に沿って移動させることができる。これによっても同様に、対物光学系３の焦点位置Ｆを固定したままで、測定ヘッド４の角度を変更することができる。

また、図４に示されるように、測定ヘッド４の先端に、倍率の異なる複数の対物光学系３，３′を交換可能に取り付けておいてもよい。図４に示す例では、測定ヘッド４の筐体１０の先端に回転可能に取り付けたターレット３８に複数の対物光学系３，３′が取り付けられている。モータ３９を作動させることでターレット３８を回転させ、いずれか１つの対物光学系３，３′を選択的に光軸Ｃ３上に配置して、拡大倍率の異なる観察を行うことができる。

なお、対物光学系３，３′を交換可能にする機構としては、図５に示されるように、測定ヘッド４の筐体１０の先端に揺動可能に取り付けた揺動体４０に、倍率の異なる複数の対物光学系３，３′を取り付けておくことにしてもよい。モータ４１を作動させて揺動体４０を揺動させることで、いずれか１つの対物光学系３，３′を選択的に光軸Ｃ３上に配置して、拡大倍率の異なる観察を行うことができる。

これらの場合において、対物光学系３，３′ごとに、その焦点位置Ｆが相違するため、対物光学系３，３′が交換されると、制御装置２９は、現在光軸Ｃ３上に配置されている対物光学系３，３′の情報を読み取り、それに応じて回転機構９の連動のさせ方を変更することにすればよい。

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の生体観察装置の測定ヘッドの先端に取り付ける対物交換機構を示す正面図である。 図１の生体観察装置の測定ヘッドの先端に取り付ける他の対物交換機構を示す正面図である。

符号の説明

Ａ 生体
Ｃ１ 鉛直軸線
Ｃ２ 回転軸線（水平軸線）
Ｃ３ 光軸
Ｆ 焦点位置
θ 回転角度
１ 生体観察装置
２ ステージ
３，３′ 対物光学系（対物レンズ）
４ 測定ヘッド
５ レーザ光源（光源）
９ 回転機構
２５ 回転アーム（回転部材、動作軸）
２６ 直動機構（２軸直動機構）
２９ 制御装置
３０，３２ 直線ガイド（動作軸）
３８ ターレット（対物交換機構）
３９，４１ モータ（対物交換機構）
４０ 揺動体（対物交換機構）

Claims (4)

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対物レンズを先端に有する測定ヘッドと、
   前記対物レンズの焦点位置を中心として前記測定ヘッドを水平軸線回りに回転させる回転機構とを備え、
   該回転機構が、前記水平軸線に直交する鉛直平面内において前記対物レンズの光軸の角度を変化させるように前記測定ヘッドを回転させる少なくとも１つの動作軸および前記測定ヘッドを前記鉛直平面内において２次元的に移動させる２以上の動作軸を含む３以上の動作軸と、これら動作軸の動作を前記対物レンズの焦点位置が前記水平軸線上に固定されるように連動させる制御装置とを備える生体観察装置。
2. 前記回転機構が、前記対物レンズの焦点位置から離れた水平軸線回りに回転させられる回転部材と、該回転部材に取り付けられ測定ヘッドを回転部材に対して鉛直面内において相互に交差する２方向に移動可能な２軸直動機構とを備え、
   前記制御装置が、前記回転部材の回転角度に応じて前記２軸直動機構を制御する請求項１に記載の生体観察装置。
3. 前記ステージが、前記対物レンズの焦点位置を通過する鉛直軸線回りに回転可能に設けられている請求項１または請求項２に記載の生体観察装置。
4. 前記測定ヘッドが、焦点位置の異なる複数の対物レンズを交換する対物交換機構を備え、
   前記制御装置が、対物交換機構から得られる、対物レンズの焦点位置の情報に基づいて動作軸を連動させる請求項１から請求項３のいずれかに記載の生体観察装置。

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