JP5067938B2 - 内視鏡の光源装置、および内視鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、被写体を照明する照明光を通過および遮光するロータリーシャッタを備える内視鏡の光源装置、および内視鏡システムに関する。

内視鏡の光源装置は、光源と、被検体内に挿入される内視鏡の挿入部先端の照明窓に光源からの光を導光するライトガイドとを備え、照明窓から発せられる光で被検体内を照明している。照明光があてられた部位の像光を挿入部先端に配された固体撮像素子で撮像することで被検体内の画像を得、得られた画像をモニタに表示させて被検体内の様子を観察することができる。

照明光には、固体撮像素子で被検体内を撮像するのに十分な光量が求められるが、そのために光量を増やすと、発熱により内視鏡先端部の素材が劣化するなどの問題が発生することがある。逆に光量を減らすと、発熱は減るが、光量不足で暗くなり、固体撮像素子から得られる画像の画質が著しく劣化してしまう。こうした問題を解決するために、円板の一部を切り欠いたロータリーシャッタを用いる電子内視鏡の光源装置が提案されている（特許文献１、２参照）。

特許文献１、２に記載の発明では、照明光の光路上にロータリーシャッタを回転可能に取り付け、切り欠き部分が光路内に進入したときに照明光を通過させ、その他の部分が光路内に進入したときに照明光を遮光している。そして、ロータリーシャッタの回転位置をセンサで検出し、その検出位置に基づいて、固体撮像素子の電荷蓄積期間に照明光を通過させ、それ以外の期間では照明光を遮光するように、ロータリーシャッタの回転を制御している。電荷蓄積期間以外は照明光を遮光するため、連続的に照明光をあてた場合よりも積算光量が減少し、発熱量を低下させることができる。そのうえ、電荷蓄積期間内は、十分な光量を確保できるので、光量減による画質の劣化も防止することができる。また、先端部に配設される固体撮像素子の温度上昇も抑えられることから、固体撮像素子の熱雑音の増加を防止することができ、画像の劣化を抑えることが可能となる。

また、可視光と蛍光とを照明光として用い、可視光による画像と蛍光による蛍光画像とを得る電子内視鏡システムにおいて、可視光と蛍光の切り替えにロータリーシャッタを用いる例が開示されている（特許文献３参照）。特許文献３では、ロータリーシャッタで可視光を遮光している間に、蛍光の励起光源を駆動させている。
特許第３４０３５９６号 特許第３３７０８７１号 特開２００６−１８７４２６号公報

ロータリーシャッタを用いる内視鏡の光源装置では、上述のように、ロータリーシャッタの回転位置をセンサで検出し、この検出信号を元にロータリーシャッタの回転を制御している。このため、センサが故障したり、センサに接続された配線が断線するなどして検出信号が出力されなくなると、上述の制御が不能となり、電荷蓄積期間の全部で照明光が遮光されてしまうことが起こり得る。このようなことが起こると、画像が全く映らなくなるので、被検体内の観察ができない状況になる。

上記のような状況に陥った場合、検査を中止して挿入部を被検体内から抜去しなければならないが、挿入部先端の状況を把握することができないため、抜去作業に支障を来していた。従来は、このような場合の対応方法として、挿入部先端を湾曲させるためのワイヤを切断し、挿入部先端を真っ直ぐにしていた。しかしながら、ワイヤを切断してしまうと、以降はその内視鏡を使用することができなくなるため、新品を買わざるを得ない。

上記問題を解決する方法として、センサが故障したときに、照明光を通過させる位置にロータリーシャッタを停止させることが考えられる。しかしながら、検出信号が得られなければ、そもそも、照明光を通過させる位置に丁度ロータリーシャッタを停止させることは不可能であり、この方法は採用できない。

特許文献１〜３に記載の発明は、上記問題について論じておらず、その対策も当然ながら講じていない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、ロータリーシャッタの回転位置を検出する位置検出手段が検査中に故障したときに、被検体内から内視鏡を容易に抜去することができる内視鏡の光源装置、および内視鏡システムを提供することを目的とする。

本発明は、被検体内を撮像する固体撮像素子を有する内視鏡の光源装置であって、前記被検体内を照明する照明光の光路上に回転可能に取り付けられ、前記照明光を通過させる照明期間、および前記照明光を遮光する遮光期間を一定周期で交互に設けるためのロータリーシャッタと、前記ロータリーシャッタの回転位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段からの検出信号に基づいて、前記ロータリーシャッタの回転周期を、前記固体撮像素子の蓄積電荷の読み出しタイミングを規定する読み出しパルスの周期に同期させ、前記照明期間が前記固体撮像素子の電荷蓄積期間に一致するように、前記ロータリーシャッタの回転を制御する制御手段と、前記位置検出手段の故障を検出する故障検出手段とを備え、前記故障検出手段で前記位置検出手段の故障が検出された場合、前記制御手段は、前記読み出しパルスの周期に対して、８５％〜９９％及び１０１％〜１１５％の範囲内に前記ロータリーシャッタの回転周期を変更させることを特徴とする。なお、位置検出手段の故障とは、位置検出手段自体の故障は勿論のこと、位置検出手段に接続された配線の断線も含まれる。

また、前記故障検出手段は、前記検出信号が正常に出力されているか否かを監視することで、前記位置検出手段の故障を検出することが好ましい。

本発明の内視鏡システムは、請求項１ないし２のいずれかに記載の内視鏡の光源装置を備えることを特徴とする。

本発明の内視鏡の光源装置、および内視鏡システムによれば、ロータリーシャッタの回転位置を検出する位置検出手段が故障したときに、ロータリーシャッタの回転周期を、固体撮像素子の蓄積電荷の読み出しタイミングを規定する読み出しパルスの周期に対して、８５％〜９９％及び１０１％〜１１５％の範囲内に変更させるので、固体撮像素子の電荷蓄積期間内に、照明光が被検体内にあてられる期間が必ず存在するようになる。このため、少なくとも電荷蓄積期間の全部で照明光が遮光されてしまい、固体撮像素子で得られる画像が全く映らなくなることが避けられ、挿入部の抜去作業に支障を来たさない程度の視野を確保することができる。したがって、ロータリーシャッタの回転位置を検出する位置検出手段が検査中に故障したときに、被検体内から内視鏡を容易に抜去することができる。

図１において、電子内視鏡システム２は、電子内視鏡１０、プロセッサ装置１１、光源装置１２などから構成される。電子内視鏡１０は、体腔内に挿入される可撓性の挿入部１４と、挿入部１４の基端部分に連設された操作部１５と、プロセッサ装置１１、光源装置１２などに接続されるコネクタ１６と、操作部１５とコネクタ１６とを繋ぐユニバーサルコード１７とを備えている。

挿入部１４の先端には、体腔内撮影用のＣＣＤ３３（図２参照）などが内蔵された先端部１４ａが連設されている。先端部１４ａの後方には、複数の湾曲駒を連結した湾曲部１４ｂが設けられている。湾曲部１４ｂは、操作部１５に設けられたアングルノブ１９が操作されて、挿入部１４内に挿設されたワイヤが押し引きされることにより、上下左右方向に湾曲動作する。これにより、先端部１４ａが体腔内の所望の方向に向けられる。

図２において、先端部１４ａには、観察窓３０、照明窓３１が設けられている。観察窓３０の奥には、被検体内の像光を取り込むための光学系３２が取り付けられ、さらに光学系３２の奥には、ＣＣＤ３３が取り付けられている。ＣＣＤ３３は、例えばインターライントランスファ型のＣＣＤからなる。ＣＣＤ３３には、ユニバーサルコード１７を介してプロセッサ装置１１との各種信号の遣り取りを媒介するための信号線３４，３５が接続されている。信号線３４，３５は、ユニバーサルコード１７及びコネクタ１６を介してプロセッサ装置１１に接続される。

一方、照明窓３１の奥には、照射レンズ３６が設けられる。この照射レンズ３６には、ライトガイドとしての光ファイバー（例えば、石英からなる）３７の出射端が面している。光源装置１２から光ファイバー３７によって照射レンズ３６まで導かれた光は、照明窓３１を通して被検体内へ照射される。

プロセッサ装置１１は、光源装置１２と電気的に接続しており、電子内視鏡システム２全体の動作を統括的に制御する。このプロセッサ装置１１には、ＣＣＤドライバ４１、タイミングジェネレータ（以下、ＴＧと略す）４２、信号処理部４３、及びこれらを制御するＣＰＵ５０が設けられている。ＣＣＤ３３は、信号線３４を介してＣＣＤドライバ４１に接続されており、ＣＣＤドライバ４１には、ＣＰＵ５０によって制御されるＴＧ４２が接続されている。ＣＣＤドライバ４１は、ＴＧ４２から入力されるタイミング信号に基づいて、ＣＣＤ３３の蓄積電荷の読み出しタイミングを規定する読み出しパルス（例えば、パルス周期約６６．７ｍｓ（１５フレーム／ｓ））、およびＣＣＤ３３の電子シャッタのシャッタ速度を決める電子シャッタパルスを生成し、これをもとにＣＣＤ３３を制御する。信号処理部４３は、信号線３５を介してＣＣＤ３３に接続されている。ＣＣＤ３３から出力された撮像信号は、信号処理部４３で増幅、Ａ／Ｄ変換、などの各種画像処理が施されて映像信号とされ、プロセッサ装置１１にケーブル接続されたモニタ２１（図１参照）に内視鏡画像として表示される。

光源装置１２は、光源５１、レンズ５２、ロータリーシャッタ５３、モータ５４、モータドライバ５５、位置検出器５６、及びこれらを制御するコントローラ５７を備える。光源５１は、例えばキセノンランプ、ハロゲンランプ、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザーダイオード）、または蛍光発光素子などが使用される。光源５１から発せられる光は、レンズ５２で集光されて光ファイバー３７の入射端に導かれる。

ロータリーシャッタ５３は、図３に示すように、円板形状で一部が扇形に切り欠かれている。符号５３ａ，５３ｂは、切り欠き部分が光通過部５３ｂ、残りの部分が遮光部５３ａとなっている。このロータリーシャッタ５３は、光源５１の光軸と平行に配されたモータ５４の回転軸５８に接続され、モータ５４の回転によって遮光部５３ａと光通過部５３ｂとが交互に、光源５１の光路Ｐ内に進入する。光通過部５３ｂが光路Ｐ内に進入すると、光ファイバー３７、照射レンズ３６及び照明窓３１を通して被検体内へ光が照射される照射期間となり（図３（Ａ）に示す状態）、遮光部５３ａが光路Ｐ内に進入すると、被検体内への光が遮光される遮光期間となる（図３（Ｂ）に示す状態）。よって、遮光部５３ａの中心角と、光通過部５３ｂの中心角との比率は、遮光期間と照射期間との比率に等しい。これら遮光部５３ａ及び光通過部５３ｂの中心角は、ロータリーシャッタ５３の回転周期が、後述する読み出しパルスの周期に等しくなるように回転制御された場合に、照射期間が電荷蓄積期間と等しくなるように角度の設定がなされている。

位置検出器５６は、フォトセンサなどから構成され、ロータリーシャッタ５３の外周近傍に配される。この位置検出器５６は、遮光部５３ａが通過するときはオン信号、光通過部５３ｂが通過するときはオフ信号を、後述する同期処理回路６１へ出力する。

コントローラ５７は、同期処理回路６１、故障検出回路６２を備える。同期処理回路６１には、位置検出器５６からの位置検出信号と、ＴＧ４２から出力され、ＣＣＤ３３の蓄積電荷の読み出しタイミングを司る読み出しパルスとが入力される。

同期処理回路６１は、位置検出信号及び読み出しパルスに基づき、モータ５４を制御する同期処理を行う。この同期処理回路６１は、位置検出器５６から送られるオン・オフ信号に基づき位置検出信号を検出している。本実施形態では、オフ信号からオン信号に切り替わるエッジを位置検出信号として検出しており、すなわち図３（Ａ）に示す状態のとき、光通過部５３ｂから遮光部５３ａに切り替わる境界線５３ｃの位置がオフ信号からオン信号に切り替わる位置である。よって、同期処理回路６１は、遮光開始のタイミングを位置検出信号として検出している。なお、これに限らず、遮光部５３ａから光通過部５３ｂに切り替わる境界線５３ｄ（図３（Ｂ）参照）の位置、すなわち位置検出器５６の出力がオン信号からオフ信号に切り替わる照射開始のタイミングを位置検出信号として検出してもよい。

図４は、位置検出信号及び読み出しパルスに基づいて、同期処理回路６１による同期処理が正常に行われている場合を示すタイミングチャートである。ＣＣＤ３３は、ＴＧ４２から出力された電子シャッタパルス及び読み取りパルスに応じて電荷蓄積、及び読み出し、撮像信号の出力を行っており、図４には、電荷蓄積期間と撮像信号出力期間を図示している。そして、同期処理回路６１は、位置検出信号及びＴＧ４２からの読み出しパルスに基づき、読み出しパルスの出力タイミングに、照射期間から遮光期間への切り替わりのタイミングを合わせるようにモータ５４の回転制御を行う。これにより、ＣＣＤ３３の電荷蓄積期間と、光源装置１２の照射期間が同期されている。本実施形態では、上述したように、遮光開始のタイミングを位置検出信号として検出しているが、この位置検出信号の検出タイミングから、一定の間隔ｔｄを置いて読み出しパルスが出力されるように回転制御を行っており、この間隔ｔｄはすなわち、遮光開始のタイミングから、光源５１が完全に遮光されるタイミングまでのタイムラグであり、位置検出器５６の位置及び遮光期間開始のタイミングにおけるロータリシャッタ５３の回転位置によって間隔ｔｄの長さが設定されている。

故障検出回路６２は、位置検出器５６からの出力を監視し、位置検出器５６からの出力が所定期間検出されなかった場合、位置検出器５６に故障があったことを検出する故障検出信号を出力する。なお、位置検出器５６の故障とは、位置検出器５６自体の故障と、位置検出器５６に接続された配線の断線とを指す。

位置検出器５６に故障があった場合、図５及び図６に示すように、位置検出信号に基づく同期処理を行う同期処理回路６１が機能せず、同期処理が施されないまま、モータ５４が回転する状態となるため、光源装置１２の照射期間と、ＣＣＤ３３の電荷蓄積期間とがずれる。図５の状態では、ＣＣＤ３３の電荷蓄積期間の途中までは遮光状態であることから、光量が不十分であり、画質が低下して画像を観察することが困難な状態となる。さらに、図６の状態では、ＣＣＤ３３の電荷蓄積期間が全て遮光状態となり、電荷蓄積期間中に光が全く照射されないので、生体内の像光が全く取り込めないため、モニタ２１には真っ暗な画像が表示され、画像を観察することができなくなる。

そこで、コントローラ５７は、故障検出回路６２から故障検出信号が出力されたとき、読み出しパルスが出力される周期と、ロータリーシャッタ５３の回転周期とを異ならせるようにモータ５４の回転制御を行う。本実施形態では、図７に示ように、コントローラ５７の制御により、モータ５４の回転周期が、読み出しパルスが出力される周期より短い周期に変更されており、照射期間と遮光期間とが同じ比率のまま、同期処理のときよりも照射期間及び遮光期間がそれぞれ短くなる。これによって、電荷蓄積期間内の何処かのタイミングでロータリーシャッタ５３が照射状態となり被検体に光が照射されるため、電荷蓄積期間と重なる照射期間は、図５や図６に示す状態よりも長くなるので、画像を観察することが可能となる。なお、このとき、電荷蓄積期間内における光量にバラツキがあり、モニタ２１に表示される画像がフリッカー状態となるものの、画像の観察を妨げるほどではない。このように、図６に示す画像観察不可能な状態になっても、コントローラ５７の制御により、図７に示す画像観察可能な状態へ復帰することができる。なお、コントローラ５７は、故障検出信号が出力されたとき、読み出しパルスの周期と同期していたときのモータ５４の回転周期に対して、８５％〜９９％及び１０１％〜１１５％の範囲内にモータ５４の回転周期を変更させることが好ましく、さらに約９５％または約１０５％の範囲内にモータ５４の回転周期を変更させることが好ましい。これによって、画像のフリッカー状態を少なくすることが可能となる。

上記構成の作用について図８のフローチャートを用いて説明する。電子内視鏡システム２で検査を行う際には、電子内視鏡１０、および各装置１１，１２の電源をオンして、挿入部１４を体腔内に挿入し、光源装置１２からの照明光で体腔内を照明しながら、ＣＣＤ３３による体腔内の画像をモニタ２１で観察する。

光源装置１２が電源オンとなったときは（ｓｔ１）、光源５１から光が発せられるとともに、ロータリーシャッタ５３の回転が開始し、さらに、位置検出器５６及び故障検出回路６２が作動を開始する（ｓｔ２）。故障検出回路６２は位置検出器５６からの出力を監視しており、位置検出器５６に故障が無い場合は、位置検出器５６からの出力信号が有り、且つ故障検出回路６２から故障検出信号が検出されないため（ｓｔ３）、位置検出信号及び読み出しパルスに基づき、同期処理回路６１が同期処理を行う（ｓｔ４）。この同期処理によってＣＣＤ３３の電荷蓄積期間と、光源装置１２の照射期間が同期されるため、ＣＣＤ３３は十分な光量を得ることができ、良好な画質で画像を観察することができる。位置検出器５６に故障が無いまま観察が終了すると、使用者はモニタ２１で画像を観察しながら、電子内視鏡１０の挿入部１４を被検体内から内視鏡を容易に抜去するとことができる。そして、電源がオフされて（ｓｔ５）検査が終了する。

一方、位置検出器５６に故障が発生すると、同期処理が施されないまま、モータ５４が回転する状態となり、上述の図６で示したように観察不可能な状態となることもある。そして、位置検出器５６に故障が発生して、位置検出器５６から所定期間出力されなかったとき、故障検出回路６２は、故障検出信号を出力する（ｓｔ３）。故障検出信号が出力されると、コントローラ５７は、ＣＣＤ３３の読み出しパルスの周期とロータリーシャッタ５３を回転周期とを異ならせるようにモータ５４を回転制御させる（ｓｔ６）。これにより、照射期間と遮光期間とが同じ比率のまま、同期処理していたときよりも照射期間及び遮光期間がそれぞれ短くなって、電荷蓄積期間内の何処かのタイミングでロータリーシャッタ５３が照射状態となり、電荷蓄積期間内に被検体へ光が照射される状態となるので（図７に示す状態）、画像観察可能な状態に復帰し、使用者はモニタ２１で画像を観察しながら、電子内視鏡１０の挿入部１４を被検体内から内視鏡を容易に抜去することができる状態となる。そして内視鏡を抜去すると電源がオフされ（ｓｔ５）、検査終了または別の電子内視鏡システムで検査が行われる。

なお、上記実施形態においては、体腔内撮影用のＣＣＤ３３を備えた電子内視鏡を例示しているが、これに限らず、撮影用の固体撮像素子としてＣＭＯＳを備えた電子内視鏡に適用してもよく、また電子内視鏡に限らず、超音波内視鏡にも適用することができる。あるいは、生体観察用ではなく、工業用の内視鏡にも適用することができる。この場合、内視鏡の挿入部を抜去するとき、内視鏡自体が破損することを防ぐことができる。

電子内視鏡システムの構成を示す図である。 電子内視鏡及び光源装置の電気的構成を示すブロック図である。 ロータリーシャッタ、光源及び位置検出器の位置関係を示す説明図である。 通常モード時の動作状態を示すタイミングチャートである。 異常発生時、一部の画像が観察不可能となった状態を示すタイミングチャートである。 異常発生時、全ての画像が観察不可能となった状態を示すタイミングチャートである。 周期変更時の動作状態を示すタイミングチャートである。 光源装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

２ 電子内視鏡システム
１０ 電子内視鏡
１１ プロセッサ装置
１２ 光源装置
２１ モニタ
３３ ＣＣＤ
３７ 光ファイバー
４１ ＣＣＤドライバ
４２ タイミングジェネレータ
５０ ＣＰＵ
５１ 光源
５３ ロータリーシャッタ
５４ モータ
５７ コントローラ
６１ 同期処理回路
６２ 故障検出回路

Claims (3)

1. 被検体内を撮像する固体撮像素子を有する内視鏡の光源装置であって、
   前記被検体内を照明する照明光の光路上に回転可能に取り付けられ、前記照明光を通過させる照明期間、および前記照明光を遮光する遮光期間を一定周期で交互に設けるためのロータリーシャッタと、
   前記ロータリーシャッタの回転位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段からの検出信号に基づいて、前記ロータリーシャッタの回転周期を、前記固体撮像素子の蓄積電荷の読み出しタイミングを規定する読み出しパルスの周期に同期させ、前記照明期間が前記固体撮像素子の電荷蓄積期間に一致するように、前記ロータリーシャッタの回転を制御する制御手段と、
   前記位置検出手段の故障を検出する故障検出手段とを備え、
   前記故障検出手段で前記位置検出手段の故障が検出された場合、前記制御手段は、前記読み出しパルスの周期に対して、８５％〜９９％及び１０１％〜１１５％の範囲内に前記ロータリーシャッタの回転周期を変更させることを特徴とする内視鏡の光源装置。
2. 前記故障検出手段は、前記検出信号が正常に出力されているか否かを監視することで、前記位置検出手段の故障を検出することを特徴とする請求項１記載の内視鏡の光源装置。
3. 請求項１又は２記載の内視鏡の光源装置を備えることを特徴とする内視鏡システム。

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