JP5317863B2

JP5317863B2 - 電子内視鏡の照明機構

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Publication number: JP5317863B2
Application number: JP2009160186A
Authority: JP
Inventors: 雅晴板津
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2009-07-06
Filing date: 2009-07-06
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-07-06
Also published as: JP2011011007A

Description

本発明は、電子内視鏡挿入部の先端から直進光と発散光の２タイプの照明光を射出可能とした電子内視鏡の照明機構に関する。

近年では、患者の体腔内に細長の挿入部を挿入することにより、対象物を観察および撮像を行うことができる電子内視鏡が広く用いられている。

このような電子内視鏡に関して、特許文献１に示すように、観察対象物照明用の光学アダプタを用いるものが知られている。この電子内視鏡では、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子による照明手段を内蔵した光学アダプタを着脱自在に内視鏡挿入部の先端に取り付ける。さらに、照明光量の不足を補うために、照明光量を増大するためのブーストモジュールを光学アダプタの後段に装着する。このブーストモジュールは円柱形状の部材であり、前面中央に光学アダプタを取り付けるための凹部が設けられている。また、ブーストモジュールの円環状部分の前面には、複数のＬＥＤが取り付けられている。このブーストモジュールを使用することにより、光学アダプタのみでは照明の光量が不十分である場合でも光量を補って対象物の観察および撮像を行うことができる。

特開２００７−１４０２０５号公報

ところが、上記のような従来の電子内視鏡の光学アダプタでは、光学アダプタのみを使用した場合の照明範囲の光量を増大させるだけであるため、例えば、撮像位置から遠方にある対象物を観察する際に光量が小さい場合、ブーストモジュールの光量を大きくすると、遠方にある対象物を十分な光量で照明することができる反面、近方にある対象物に対しては過剰な光量で照明される。したがって、撮像素子の飽和が発生すると、飽和レベルを超えた入射光が原因となって画像に白飛びが発生する。また、より広いダイナミックレンジの撮像素子を搭載するとコストの増大につながる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、内視鏡の観察範囲を広げながらも、近方および遠方のいずれの対象物に対しても撮像に適切な光量で照明することができる電子内視鏡の照明機構を提供することである。

本発明の一実施形態によれば、光源部を備えるビデオプロセッサと、該光源部からの照明光を光ファイババンドルにより操作部を経由して挿入部の先端に伝搬して射出する電子内視鏡とを備える電子内視鏡の照明機構であって、光源部は、少なくとも２つの光源を有し、該光源から射出された照明光は、それぞれ異なる光ファイババンドルを介して、挿入部の先端まで伝搬され、挿入部の先端部本体には、略平行な光を観察対象物に射出するための直進ビーム用の照明光学系と、観察対象物に発散光を射出するための端面を有する広域ビーム用の光学部材とが設けられ、光ファイババンドルのそれぞれの先端部は、照明光学系または光学部材に照明光を伝搬させるように先端部本体に配置される。したがって、撮像位置から対象物までの距離に応じた適切な光量の照明により観察を行うことができる。

好ましくは、広域ビーム用の光学部材は、中空円筒形状の管状部材からなり、管状部材は、円筒形状の先端部本体の外周面と嵌合し、光ファイババンドルの一方は、照明光を管状部材の射出端面に伝搬するように該管状部材の後端に結合され、光ファイババンドルの他方は、先端部本体の前面に設けられた照明光学系に照明光を伝搬するように該先端部本体内に配置される。また、広域ビーム用の光学部材における照明光の射出端面には、光拡散剤が塗布されている。さらに、広域ビーム用の光学部材における照明光の射出端面が、光拡散剤を分散配合することにより構成されている。そして、１つの光源の照明光が他の光源の光ファイババンドルの入射端面に入射しないように該照明光を遮蔽する遮光部材をビデオプロセッサ内に設けている。また、発散光の発散角は電子内視鏡の視野角以上であり、略平行な光の発散角は略１５°以下である。このため、より観察しやすい画像を取得してテレビモニタに表示することができる。

さらに好ましくは、操作部は、光源からの照明光の光量をそれぞれ調節する調光部を備える。また、ビデオプロセッサは、光源からの照明光の光量をそれぞれ調節する調光部を備える。さらに、光源部は、調光部の操作に連動して、各光源の光量を調節するための絞りを備える。したがって、対象物の観察に用いる照明光を柔軟に調節することができる。

そして、調光部は、略平行な光の光量が大きくなるにつれて発散光の光量が小さくなり、該略平行な光の光量が小さくなるにつれて該発散光の光量が大きくなるように照明光の光量を調節する。このため、遠方の対象物を観察する場合は略平行な光を強くして遠方の対象物に注目した画像を撮像し、近方の対象物を観察する場合は発散光を強くして近方の対象物に注目した画像を撮像することができる。

本発明の電子内視鏡の照明機構によれば、従来の照明光よりも大きい発散角を有する広域ビームと小さい発散角を有する直進ビームを用いることにより、撮像位置から対象物までの距離に応じた適切な光量の照明光を照射して撮像することができる。この結果、従来では画像の明るさを上げるために撮像信号のゲインを上げると、ノイズが増加して画質が劣化する現象が発生していたが、本発明では、照明光の光量をより柔軟に調節でき、ゲインを上げる必要なく所望の画像を得ることができる。

本発明の一実施形態における電子内視鏡の照明機構の全体を示す概略図である。本発明の一実施形態における電子内視鏡の照明機構の光源部を示す概略図である。本発明の一実施形態における電子内視鏡の照明機構における光量調整を示す概略図である。（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態における電子内視鏡の照明機構における内視鏡先端部を示す分解斜視図である。（ａ）〜（ｃ）は、図４（ａ）および（ｂ）における内視鏡先端部を構成する先端部本体、広域ビーム用光ガイド部ならびにカバー部それぞれの側面図、正面図、および裏面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における電子内視鏡の照明機構について説明する。なお、複数の図にまたがって同じ部材を示す場合は同じ番号を付すこととする。

図１に、本発明の一実施形態における電子内視鏡の照明機構の全体の概略を示す。また、図２には、本実施形態における光源部の概略を示す。ビデオプロセッサ４は、患者の体腔内の対象物を観察するための照明光を発生させる光源９，１１の他に、内視鏡先端部に内蔵されている撮像素子（ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等；図示せず）から送られてくる画像信号に対して、増幅、サンプルホールド処理、Ａ／Ｄ変換、ノイズ除去等の前処理を行うプリプロセス部（図示せず）、プリプロセス部から送られてくる信号を処理して、例えば施術室内に設置されているテレビモニタ（図示せず）等で画像を表示するためにアナログ形式のビデオ信号を出力したり、遠隔地のテレビモニタ（図示せず）で画像を表示するためにデジタル形式のビデオ信号を出力したりするホストプロセス部（図示せず）を備える。さらに、ビデオプロセッサ４は、現在の電子内視鏡の操作状況や観察画像の処理状況を示す情報を表示したり各種設定を行ったりするためのパネルスイッチ（図示せず）を備える。ビデオプロセッサ４で処理された画像信号、現在時刻や患者名、施術者の所見やコメント等、種々の文字情報および音声情報は、各種テレビモニタに送られる。

電子内視鏡は、コネクタ３によりビデオプロセッサ４に接続されている。内視鏡挿入部の先端部１からコネクタ３にかけて複数本のシングルモードファイバが束ねられた光ファイババンドル５，６が延びている。ビデオプロセッサ４の光源９，１１から発生された光は、コネクタ３の光ファイババンドル５，６の端面に入射される。光源９，１１には、いずれも図示しないものの、ハロゲンランプやキセノンランプ、白色ＬＥＤ等種々の光源、光源の光を集光する集光レンズ、光源からの白色光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光に順次色分解するためのカラーフィルタ、画像処理において画像信号をフレームメモリに書き込む際に用いるタイミングパルスや垂直同期信号に同期してカラーフィルタが回転するようにカラーフィルタの速度と位相を制御するためのカラーフィルタ回転制御回路、照明光の光量を調整するための光量絞り、光量絞りを制御する回路等を設けて面順次方式にて撮像を行う。

図２に示された光ファイババンドル６は、光源１１からの照明光を伝搬して内視鏡挿入部の先端部１（図１参照）から略平行の光である直進ビームを射出するための光ファイババンドルである。また、光ファイババンドル５は、光源９からの照明光を伝搬して内視鏡挿入部の先端部１から発散光である広域ビームを射出するための光ファイババンドルである。直進ビームは、先端部１の撮像位置に対して遠方にある対象物用の照明光として使用され、広域ビームは、それに対して近方にある対象物用の照明光として使用される。光源９，１１からの光は、集光レンズ（図示せず）によって光ファイババンドル５，６のそれぞれの入射端面に収束される。光源部には遮蔽板１０が設けられており、遮蔽板１０は、光源９からの光が光ファイババンドル６の入射端面に、光源１１からの光が光ファイババンドル５の入射端面に入射しないように遮光する。なお、図１においては、電子内視鏡の操作部２から先端部１に至るまでの電子内視鏡の挿入部が線で表され簡略化されており、光ファイババンドル５，６は、電子内視鏡挿入部内を通って先端部１に至る。

このように、光源９，１１からの光はそれぞれ光ファイババンドル５，６によって操作部２を経由して内視鏡挿入部の先端部１に伝搬された後、直進ビームまたは広域ビームとして観察する対象物に照射される。対象物から反射した光は、再び先端部１に進行し、先端部１の対物レンズ３１に入射した後、対物レンズ３１の後段に設けられた光学系（図示せず）を経由して、撮像素子の撮像面に到達する。したがって、対象物の像は対物レンズ等の光学系によって撮像素子の撮像面に結ばれる。撮像素子で受光された光は光電変換された後、画像信号としてビデオプロセッサ４に送られる。画像信号は、ビデオプロセッサ４において種々の画像処理が施されてアナログビデオ信号およびデジタルビデオ信号に変換され、それぞれのテレビモニタに出力される。

以下に、内視鏡挿入部の先端部１の構造について詳細に説明する。図４（ａ）および（ｂ）に、先端部１の構造の概略を示す。先端部１は、先端部本体２１、広域ビーム用光ガイド部２２、カバー部２３、および直進ビーム用の光ファイババンドル６からなる。図５（ａ）〜（ｃ）には、図４（ａ）および（ｂ）における先端部本体２１、広域ビーム用光ガイド２２、カバー部２３の側面図、正面図、裏面図をそれぞれ示す。

先端部本体２１は、円柱状の金属部材である。先端部本体２１には、その正面部に、対物レンズ３１、送気・送水口３２、直進ビーム用の照明レンズ３３、鉗子口３４が設けられている。また、先端部本体２１の側面部には、長手方向に延びる凹部２５が設けられている。対物レンズ３１には、観察対象物からの直進ビームや広域ビームの反射光が入射する。送気・送水口３２は、送気によって患者の管腔を広げて視野を確保したり、体液や出血などで対物レンズ表面が汚れて電子内視鏡の観察性能が低下した場合に、水を噴射してレンズ表面の汚れを除去し、空気を送って対物レンズ表面の水滴を飛ばすことで視界を回復したり、対象物の表面に空気を吹き付けてきれいにしたりする際に使用する。照明レンズ３３は、直進ビーム用の光ファイババンドル６を介して伝搬された照明光を射出するためのレンズである。鉗子口３４は、処置具を用いて生検や治療を行ったり、体液や血液、送気・送水口３２から噴射した水等を吸い出したりする際に使用する。凹部２５は、広域ビーム用光ガイド部２２の突状嵌合部２８にその先端部が結合された光ファイババンドル５と嵌め合わせるための溝である。

広域ビーム用光ガイド部２２は、光学部材であるアクリル等の素材からなる中空円筒形状の管状部材であり、広域ビームの発光面２６、光ファイババンドル５を介して伝搬された照明光を発光面２６に伝搬させるための光伝搬部２７を有する。発光面２６は、光拡散剤を塗布したり、光拡散剤を分散配合させた素材で構成したりすることにより形成する。光伝搬部２７の外周面には、照明光が漏れるのを防止するための遮光膜などが施されている。また、光伝搬部２７の後端の一部には、カバー部２３の切欠部３０と嵌め合うための突状嵌合部２８が設けられている。さらに、突状嵌合部２８には、光ファイババンドル５が結合されており、光ファイババンドル５を介して伝搬された照明光は、さらに光伝搬部２７に伝搬され、発光面２６に至る。上記のように光ファイババンドル５は光源９からの照明光を伝搬し、伝搬された照明光は、さらに光伝搬部２７を介して発光面２６で乱反射されて対象物に照射される。発光面２６は、広域ビーム用光ガイド部２２の正面部に円環状に設けられている連続した面である。広域ビーム用光ガイド部２２は、先端部本体２１の外周面に嵌合する。

カバー部２３は、金属製の中空円筒形状の管状部材であり、先端部本体２１および広域ビーム用光ガイド部２２と嵌め合い固定するための部材である。カバー部２３の先端面には広域ビーム用光ガイド部２２の突状嵌合部２８と嵌め合うための切欠部３０が設けられている。なお、図に示すように、本実施形態ではカバー部２３が広域ビーム用光ガイド部２２の光伝搬部２７を覆わないように構成されているが、照明光の漏れを防止するため、広域ビーム用光ガイドの発光面２６以外の部分をすべて覆うように構成してもよい。

直進ビーム用の光ファイババンドル６は、光源１１からの照明光を伝搬して照明レンズ３３から直進ビームを観察対象物に射出する。この直進ビーム用の光ファイババンドル６は、その射出端面が照明レンズ３３と対向する位置まで先端部本体２１に挿入されて固定される。

したがって、上記のように、先端部本体２１、広域ビーム用光ガイド部２２、カバー部２３、および直進ビーム用の光ファイババンドル６を互いに嵌め合わせて接着剤等で固定することにより、先端部１を形成することができる。そして、図４（ｂ）に示すように、光源９からの照明光は、光ファイババンドル５により広域ビーム用光ガイド部２２を経由して伝搬され、発光面２６から発散されて、広域ビームとして射出される。また、光源１１からの照明光は、光ファイババンドル６を介して、先端部本体２１まで伝搬され、照明レンズ３３によって、直進ビームとして射出される。これにより、撮像位置から観察対象物の距離に応じて適切な照明光を対象物に照射することができる。

図３に、本実施形態における照明機構の調光の概略を示す。図に示すように、近方の対象物を観察する（近方モード）際は、光源９，１１にそれぞれ設けられた光量絞り（図示せず）を調整し、光源９の絞りを開き、光源１１の絞りを絞ることによって、広域ビームの光量を大きくしつつ直進ビームの光量を小さくする。また、遠方の対象物を観察する（遠方モード）際は、光源９の絞りを絞り、光源１１の絞りを開くことによって、直進ビームの光量を大きくしつつ広域ビームの光量を小さくする。既定では、広域ビームと直進ビームの光量をともに中程度にしておけば、近方および遠方のいずれの対象物にも照明光を満遍なく照射することができる。なお、本実施形態では広域ビームと直進ビームの調光を互いに連動させて、近方モードと遠方モードに対応しているが、広域ビームまたは直進ビームのいずれか一方のみを調光することも可能である。各ビームの調光は、操作部２に設けられた調光部２４や、ビデオプロセッサ４のパネルスイッチを操作することにより行うことができる。なお、図１では、調光部２４はダイヤル式であるが、代わりにボタン、スライド式スイッチ、メンブレンスイッチ等の種々の調光装置を用いてもよい。操作部２に広域ビームと直進ビームの調光を連動して行うかどうかを切り替えることができるボタンやスイッチを設ければ、調光をさらに柔軟に行うことができる。光量絞りによる調光以外の例としては、電圧を変動させて光量を調整したり、ＬＥＤを使用する場合には、パルス信号でＬＥＤの発光時間（信号の幅）を変化させて光量を変えるパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて調光することもできる。

次に、広域ビームと直進ビームの発散角について説明する。ここで発散角とは、先端部１の軸線と照明光の外接線とのなす角度である。視野方向が直視である場合の電子内視鏡の視野角は１２０°〜１５０°であることから、広域ビームの発散角は電子内視鏡の視野角よりも大きいことが好ましい。また、直進ビームは主に気管、胃、大腸、小腸等の管状の臓器において観察位置から遠方の部位を観察する際等に用いられる。例えば、大腸内視鏡検査においてＳ字結腸から下行結腸に挿入した際に、直進ビームを照射して左結腸曲まで視認することができれば、内視鏡をスムーズに挿入することができ、観察時間を短縮することができる。横行結腸や上行結腸に進行した際も、それぞれ右結腸曲や盲腸を直進ビームの照射によって視認することができれば、同様に内視鏡の挿入をスムーズに行って施術時間を短縮することができる。また、胃内視鏡検査においては、食道に挿入した際に、直進ビームを用いて胃の噴門部を確認することができれば、視認性をより高めて作業効率良く観察を行うことができる。そこで、腸の直径が５０ｍｍ〜７０ｍｍであること、上行、横行、下行の各結腸の長さがおよそ２５０ｍｍであること、食道については直径がおよそ２０ｍｍ、長さが２５０〜２７０ｍｍであること等を踏まえると、直進ビームは略１５°の発散角を有することが好ましいと言える。

以上が、本発明の実施形態の説明である。上記説明では面順次方式で撮像した場合を想定しているが、同時方式の撮像方式を採用してもよい。すなわち、光源の白色光をそのまま光ファイババンドルに集光して内視鏡先端部に伝搬させて観察対象物に照射し、撮像素子上にオンチップ化された補色フィルタによって補色信号を分離し、この補色信号をＲＧＢの原色信号に変換して、この原色信号を色差マトリクスによって色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙを得ることができる。

また、上記の実施形態においては、広域ビームの発光面を広域ビーム用光ガイド部の前面全体に円環状に設けているが、本発明の課題を解決する上では、前面の一部を発光面として照明の効率を高めるような構成にしてもよい。そして、上記の実施形態においては、内視鏡先端部の正面中央から直進ビームを射出し、外周側の円環状の発光面から広域ビームを射出しているが、逆に中央から広域ビームを射出して外周側の円環状の発光面から直進ビームを射出するように、光ファイババンドルの端面や照明レンズを構成することもできる。

１内視鏡先端部
２操作部
４ビデオプロセッサ
５，６光ファイババンドル
９，１１光源
１０遮光板
２１先端部本体
２２広域ビーム用光ガイド部
２３カバー部
２４調光部
２６発光面
３３照明レンズ（照明光学系）

Claims

第一の光源及び第二の光源を含む少なくとも２つの光源を持つ光源部を備えるビデオプロセッサと、該光源部からの照明光を射出する電子内視鏡とを備える電子内視鏡の照明機構であって、
前記電子内視鏡の挿入部の先端に設けられた先端部本体と、
前記第一の光源から射出された第一の照明光を前記先端部本体内へ伝搬する第一の光ファイババンドルと、
前記先端部本体内へ伝搬された第一の照明光を略平行な光で観察対象物に射出する直進ビーム用の照明光学系と、
前記第二の光源から射出された第二の照明光を前記先端部本体内へ伝搬する第二の光ファイババンドルと、
前記先端部本体内へ伝搬された第二の照明光を発散光で観察対象物に射出する広域ビーム用の光学部材と、
を備え、
前記照明光学系は、
前記先端部本体の前面に設けられており、
前記光学部材は、
円筒形状の前記先端部本体の外周面と嵌合する中空円筒形状の管状部材
を有し、
前記管状部材は、
前記第二の光ファイババンドルにより伝搬された第二の照明光が射出される、前記照明光学系を取り囲むように配置された円環状の射出端面
を持つ、
電子内視鏡の照明機構。
前記射出端面に、光拡散剤が塗布されている、
請求項１に記載の電子内視鏡の照明機構。
前記射出端面に、光拡散剤が分散配合されている、
請求項１又は請求項２に記載の電子内視鏡の照明機構。
前記第一の光ファイババンドルに対する前記第二の照明光の入射を遮ると共に前記第二の光ファイババンドルに対する前記第一の照明光の入射を遮る遮光部材をビデオプロセッサ内に設けた、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電子内視鏡の照明機構。
前記発散光の発散角は、
前記電子内視鏡の視野角以上である、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電子内視鏡の照明機構。
前記略平行な光の発散角は、
略１５°以下である、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電子内視鏡の照明機構。
前記第一及び第二の照明光の光量をそれぞれ調節する調光部を備える、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の電子内視鏡の照明機構。
前記調光部による調光を操作する操作部
を備え、
前記光源部は、
前記操作部による前記調光部の調光操作に連動して、前記第一、前記第二の各光源の光量を調節する絞り
を備える、
請求項７に記載の電子内視鏡の照明機構。
前記調光部は、
前記略平行な光の光量が大きくなるにつれて前記発散光の光量が小さくなり、該略平行な光の光量が小さくなるにつれて該発散光の光量が大きくなるように前記第一の照明光の光量と前記第二の照明光の光量とを調節する、
請求項７又は請求項８に記載の電子内視鏡の照明機構。