JP5561677B2 - 内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、被験者の体腔内に挿入され体腔内の観察対象を撮像する内視鏡に関するものである。

内視鏡を使用する手術の場合、開腹手術とは異なり、術者が得られる視野は、内視鏡によって限定される。したがって、体腔内の状況を把握するため、手術中に内視鏡を動かし、常に術者の望む視野を確保する必要がある。この役割は、通常、術者と異なるカメラ助手が担当する。カメラ助手には術者の意志をよく汲み取り、術者の望む場所を内視鏡を通じて素早く映し出すことが求められる。そのためにはカメラ助手にも豊富な手術経験、手術内容や臓器配置など解剖学的な知識が必要になる。さらに、手術中、常に安定な画面を提示するには、カメラを保持した状態で長時間の姿勢保持が求められるため、カメラ助手の肉体的・精神的負担が大きくなる。

これに対し、ビームスプリッタを用いて簡易に視野を変更することができる内視鏡が開示されている（例えば、非特許文献１）。この内視鏡は、縦方向の偏光板と観察窓のついた外側スリーブと、ならびに横方向の偏光板と観察窓のついた内側スリーブとで構成されている。側視のみを観察する場合、観察窓の方向を揃えることにより正面からの光を直交する偏光板により遮断する。また、直視のみを観察する場合、偏光板の向きを揃えると、内側スリーブの観察窓が閉じることにより側面からの光が遮断される。このように、上記非特許文献１に係る内視鏡は、スリーブの回転という簡易な操作のみで視野変更ができる。

金 季利、松宮 潔、正宗 賢、土肥 健純、「ビームスプリッタを用いた視野可変内視鏡における基礎研究」、日本コンピュータ外科学会大会、2006年10月、06(II)-11、p.53-p.54

上記非特許文献１に係る内視鏡は、簡易とはいえ視野を変更する作業が必要なので２視野を同時に得ることができない。

本発明は上記した問題点に鑑み、２視野の画像を同時に得ることができる内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、体腔内に挿入される挿入部と、前記挿入部の先端部分に設けられた対物光学部と、前記対物光学部により結像された光束を前記挿入部の基端へ伝達する光学系とを備える内視鏡において、前記対物光学部は、前記挿入部の前方から入射する直視光束を前記光学系に結像する直視部と、前記挿入部の側方から入射する側視光束を前記光学系に結像する側視部とを有し、前記光学系は、前記直視光束を互いに直交する第１の偏光成分と第２の偏光成分とに分離し前記第１の偏光成分を抽出すると共に、前記側視光束を互いに直交する第３の偏光成分と第４の偏光成分とに分離し前記第１の偏光成分と振動方向が異なる第４の偏光成分を抽出する抽出部と、前記抽出部で抽出された前記第１の偏光成分および前記第４の偏光成分からなる透過光を前記挿入部の基端へ伝達する伝達部と、伝達された前記透過光を前記第１の偏光成分と第４の偏光成分とに分離する分離部とを有することを特徴とする。

本発明の請求項２に係る発明は、前記抽出部と前記分離部とが偏光ビームスプリッタであることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る発明は、前記伝達部は前記挿入部の先端部分から基端へ前記透過光を伝達するリレーレンズであり、前記光学系は、前記透過光を補正するレクティファイアをさらに有することを特徴とする。

本発明の請求項４に係る発明は、前記分離部において分離された前記第１の偏光成分と前記第４の偏光成分を撮像するカメラを備えることを特徴とする。

本発明によれば、直視光束と側視光束から第１の偏光成分と第４の偏光成分とを抽出し、抽出された第１の偏光成分と第４の偏光成分とを透過光として一体的に伝達すると共に、伝達された透過光を第１の偏光成分と第４の偏光成分とに分離することにより、２視野の画像を同時に得ることができる。

本実施形態に係る内視鏡の全体構成を示す斜視図である。 本実施形態に係る内視鏡の構成を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
（全体構成）
図1に示す内視鏡１は、挿入部２と、当該挿入部２の先端部分２Ａに設けられ挿入部２の前方および側方の撮像対象を視野に含めることができる対物光学部３と、光学系６と、接眼光学部７と、カメラ８とを備える。この内視鏡１は、対物光学部３、光学系６、接眼光学部７、カメラ８の順で配置され、体腔内に挿入部２を挿入して対物光学部３で結像された光束が光学系６によって接眼光学部７へ伝達され、カメラ８で撮像する。

挿入部２は、筒状体で構成されている。対物光学部３は、直視部４と側視部５とを含む。本実施形態の場合、直視部４と側視部５とは、凹レンズ型のアクロマートレンズで構成されている。なお、アクロマートレンズとは、屈折率の異なる二つのレンズを貼り合わせることで色収差、球面収差、コマ収差などを抑制したレンズである。なお、以下の説明において、直視部４の光軸を第１の光軸１０といい、側視部５の光軸を第２の光軸１１という。

直視部４は、先端部分２Ａの前面に配置されており、挿入部２の前方から入射する直視光束１２を光学系６に結像する。側視部５は、先端部分２Ａの側面に配置されており、挿入部２の側方から入射する側視光束１３を光学系６に結像する。

光学系６は、対物光学部３で結像された直視光束１２および側視光束１３から所定の偏光成分を抽出する抽出部と、抽出された偏光成分を透過光（本図には図示しない）として一体的に挿入部２の基端へ伝達する伝達部と、伝達された透過光を直視成分と側視成分とに分離する分離部とを有する。

本実施形態の場合、光学系６は、図2に示すように、対物光学部３と接眼光学部７との間に設けられており、抽出部としての第１の偏光ビームスプリッタ２０、伝達部としてのリレーレンズ２１、分離部としての第２の偏光ビームスプリッタ２２とを有し、第１の偏光ビームスプリッタ２０、リレーレンズ２１、第２の偏光ビームスプリッタ２２の順に第１の光軸１０上に配置されている。

本図に示すように、以下の説明では、直視光束１２のＰ偏光成分を直視Ｐ偏光成分１２Ｐ、直視光束１２のＳ偏光成分を直視Ｓ偏光成分１２Ｓ、側視光束１３のＰ偏光成分を側視Ｐ偏光成分１３Ｐ、側視光束１３のＳ偏光成分を側視Ｓ偏光成分１３Ｓという。

本実施形態の場合、第１の偏光ビームスプリッタ２０と第２の偏光ビームスプリッタ２２は、入射した光束のうちＰ偏光成分を透過すると共に、Ｓ偏光成分を９０度回転させる。本実施形態に係る内視鏡では、この機能を利用して、第１の偏光ビームスプリッタ２０によって直視Ｐ偏光成分と側視Ｓ偏光成分を抽出すると共に、第２の偏光ビームスプリッタ２２によって透過光２８を直視Ｐ偏光成分と側視Ｓ偏光成分に分離する。

第１の偏光ビームスプリッタ２０は、立方体で構成され、一面に設けられ直視光束１２が入射する直視入射面２５と、当該直視入射面２５に直交する面に設けられ側視光束１３が入射する側視入射面２６とを備える。また、第１の偏光ビームスプリッタ２０は、直視入射面２５に対向する面に、透過光２８を出射する透過光出射面２７が設けられている。さらに、第１の偏光ビームスプリッタ２０は、側視入射面に対向する面に、導かれた光を吸収する吸収面２９が設けられている。第１の偏光ビームスプリッタ２０は、直視入射面２５および透過光出射面２７が第１の光軸１０に対し垂直となるように、かつ、側視入射面２６が第２の光軸１１に対し垂直となるように固定される。

第１の偏光ビームスプリッタ２０は、直視入射面２５に入射した直視光束１２のうち第１の偏光成分としての直視Ｐ偏光成分１２Ｐを透過して透過光出射面２７から出射すると共に、第２の偏光成分としての直視Ｓ偏光成分１２Ｓを９０度回転させ吸収面２９に導光する。

また、第１の偏光ビームスプリッタ２０は、側視入射面２６に入射した側視光束１３のうち第３の偏光成分としての側視Ｐ偏光成分１３Ｐを透過して吸収面２９に導光すると共に、第４の偏光成分としての側視Ｓ偏光成分１３Ｓを９０度回転させて透過光出射面２７から出射する。

第２の偏光ビームスプリッタ２２は、第１の偏光ビームスプリッタ２０と同様に立方体で構成され、一面に透過光２８が入射する透過光入射面３０が設けられている。また、第２の偏光ビームスプリッタ２２は、当該透過光入射面３０に対向する面に設けられた直視出射面３１と、前記透過光入射面３０に直交する面に設けられた側視出射面３２とを備える。第２の偏光ビームスプリッタ２２は、透過光入射面３０および直視出射面３１が第１の光軸１０に対し垂直となるように固定される。

第２の偏光ビームスプリッタ２２は、透過光入射面３０に入射した透過光２８のうち直視Ｐ偏光成分１２Ｐを透過して直視出射面３１から出射すると共に、側視Ｓ偏光成分１３Ｓを９０度回転させて側視出射面３２から出射する。

リレーレンズ２１は、第１の光軸１０上に複数のレンズを配置してなる単一のレンズ系で構成される。リレーレンズ２１は、反射防止膜をコーティングすることにより、透過光２８の偏光成分の変化を抑えることができる。本実施形態の場合、リレーレンズ２１には反射防止膜としてＭＧＦ₂の単層コーティングを施したレンズを使用する。

因みに、偏光成分が変化すると、第１の偏光ビームスプリッタ２０から出射された直視Ｐ偏光成分１２Ｐと側視Ｓ偏光成分１３Ｓとが互いに重複してしまう。一般にＰ偏光成分とＳ偏光成分では物体に入射する際の透過率が異なるため、第１の偏光ビームスプリッタ２０から出射された直視Ｐ偏光成分１２Ｐと側視Ｓ偏光成分１３Ｓとの比率は等しくならない。つまり第１の偏光ビームスプリッタ２０から出射された直視Ｐ偏光成分１２Ｐと側視Ｓ偏光成分１３Ｓとが一体となった透過光２８は、ある方向の振動成分が弱まった状態になる。その結果、第１の偏光ビームスプリッタ２０と第２の偏光ビームスプリッタ２２の間で偏光の状態が維持されず、出力された直視Ｐ偏光成分１２Ｐの画像と側視Ｓ偏光成分１３Ｓの画像が互いに重複することになる。以下の説明では、この現象をオーバーラップという。

内視鏡１は、光学系６にレクティファイア３６をさらに備えることとしてもよい。光学系６は、レクティファイア３６を備えることにより、リレーレンズ２１において偏光成分を伝達する際にオーバーラップが発生したとしても、前記透過光２８を補正して前記オーバーラップをより確実に解消することができる。

レクティファイア３６は、リレーレンズ２１と第２の偏光ビームスプリッタ２２の間に設けられ、図示しないが半波長板と屈折力のないレンズ系によって構成される。波長板とは直線偏光の光に所定の位相差を与える光学素子である。半波長板は、入射光の偏光面にπ[rad]の位相差を与える。これにより入射光の偏光面は半波長板の高速軸に対して反転する。屈折力のないレンズ系とは、例えば同じ曲率半径を持つ凹レンズと凸レンズの組み合わせによって実現され、入射光の偏光面を再び回転させる。これらの光学素子を組み合わせて偏光の乱れを補正する。レクティファイア３６を通ることにより、偏光成分は、元の偏光面からθ傾いた光を半波長板により−θ傾いた状態となる。これをθの傾きを生むように設計された屈折力のないレンズ系に通すことで、偏光成分は元の状態に戻る。

接眼光学部７は、挿入部２の基端部分に設けられた本体４０（図１）に固定されており、直視出射面３１の光軸上に設けられた直視用接眼部４１と、側視出射面３２の光軸上に設けられた側視用接眼部４２とを有する。本実施形態の場合、直視用接眼部４１と側視用接眼部４２とは、凸型のアクロマートレンズで構成されている。直視用接眼部４１は、第１の光軸１０上に配置されている。側視用接眼部４２は、前記第１の光軸１０に直交する方向に配置されている。

カメラ８は、直視用接眼部４１に連結された直視用カメラ４３と、側視用接眼部４２に連結された側視用カメラ４４とを有する。直視用カメラ４３および側視用カメラ４４は特に限定されるものではないが、例えば、３ＣＣＤ（CCD; Charge Coupled Devices）などの撮像素子を備えたカメラを用いることができる。直視用カメラ４３および側視用カメラ４４は、図示しないがキャプチャーボードを介してパーソナルコンピュータに接続されている。直視用カメラ４３は、直視Ｐ偏光成分１２Ｐを撮像して直視画像を出力する。側視用カメラ４４は、側視Ｓ偏光成分１３Ｓを撮像して側視画像を出力する。

本実施形態の場合、第１の偏光ビームスプリッタ２０、リレーレンズ２１は、挿入部２の筒状体内に設けられている。第２の偏光ビームスプリッタ２２は接眼光学部７が固定されている本体４０に設けられている。レクティファイア３６を設ける場合は、前記本体に設けることができる。内視鏡１は、挿入部２の先端部分２Ａに周囲を照明する光源（図示しない）が設けられている。
（作用および効果）
次に上記のように構成された内視鏡１の作用および効果について説明する。内視鏡１は、挿入部２が被検者の体腔内に挿入され、観察対象を視野に含む位置に保持される。

直視部４は入射した直視光束１２を第１の偏光ビームスプリッタ２０に結像する。この場合、直視光束１２は、直視入射面２５から第１の偏光ビームスプリッタ２０内に入射する。同時に側視部５は入射した側視光束１３を側視入射面２６を介して第１の偏光ビームスプリッタ２０に結像する。この場合、側視光束１３は、側視入射面２６から第１の偏光ビームスプリッタ２０内に入射する。

第１の偏光ビームスプリッタ２０は、直視光束１２から直視Ｐ偏光成分１２Ｐを抽出すると共に、側視光束１３から側視Ｓ偏光成分１３Ｓを抽出する。すなわち、第１の偏光ビームスプリッタ２０は、直視入射面２５から入射した直視光束１２のうち、直視Ｐ偏光成分１２Ｐを透過して透過光出射面２７から出射すると共に、直視Ｓ偏光成分１２Ｓを吸収する。一方、第１の偏光ビームスプリッタ２０は、側視入射面２６から入射した側視光束１３のうち、側視Ｐ偏光成分１３Ｐを吸収すると共に、側視Ｓ偏光成分１３Ｓを９０度回転させ透過光出射面２７から出射する。

上記のようにして第１の偏光ビームスプリッタ２０において抽出された直視Ｐ偏光成分１２Ｐと側視Ｓ偏光成分１３Ｓは、透過光２８として一体的に透過光出射面２７から出射され、リレーレンズ２１によって第２の偏光ビームスプリッタ２２へ伝達される。

第２の偏光ビームスプリッタ２２は、一体的に伝達された透過光２８を再び直視Ｐ偏光成分１２Ｐと側視Ｓ偏光成分１３Ｓとに分離する。すなわち、第２の偏光ビームスプリッタ２２は、透過光入射面３０から入射してきた直視Ｐ偏光成分１２Ｐをそのまま直視出射面３１から出射すると共に、側視Ｓ偏光成分１３Ｓを９０度回転させ側視出射面３２から出射する。

直視用接眼部４１は、透過光２８から分離された直視Ｐ偏光成分１２Ｐを直視用カメラ４３の撮像素子上に結像する。これにより直視Ｐ偏光成分１２Ｐは、パーソナルコンピュータの表示画面に直視画像として出力される。

側視用接眼部４２は、透過光２８から分離された側視Ｓ偏光成分１３Ｓを側視用カメラ４４の撮像素子上に結像する。これにより側視Ｓ偏光成分１３Ｓは、パーソナルコンピュータの表示画面に側視画像として出力される。

このように、本実施形態に係る内視鏡１は、直視光束１２と側視光束１３から直視Ｐ偏光成分１２Ｐと側視Ｓ偏光成分１３Ｓとを抽出し、抽出された直視Ｐ偏光成分１２Ｐと側視Ｓ偏光成分１３Ｓとを透過光２８として一体的に伝達すると共に、伝達された透過光２８を直視Ｐ偏光成分１２Ｐと側視Ｓ偏光成分１３Ｓとに分離することにより、視野を変更することなく２視野の画像を同時に得ることができる。

特に、内視鏡１は、第１の偏光ビームスプリッタ２０において直視Ｐ偏光成分１２Ｐと側視Ｓ偏光成分１３Ｓを抽出し、それらを一体的にリレーレンズ２１によって伝達すると共に、一体的に伝達された偏光成分を第２の偏光ビームスプリッタ２２において再び直視Ｐ偏光成分１２Ｐと側視Ｓ偏光成分１３Ｓに分離する構成としたことにより、前記リレーレンズ２１を単一の構成とすることができ、部品点数を低減し、小型化を実現することができる。

また、観察対象を照明する光源の光量を制御することにより、偏光成分のオーバーラップを軽減することができる。すなわち、観察対象の反射が強い場合は光量を減少させ、観察対象の反射が弱い場合は光量を増大させるとよい。なお、光量は、得られた画像から取得した輝度値をフィードバックすることにより制御することができる。

内視鏡１は、レクティファイア３６を設けることにより、偏光成分がリレーレンズ２１によって変化した場合、偏光成分を補正して伝達の際に発生するオーバーラップをより確実に解消することができる。
（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。例えば、伝達部がリレーレンズ２１で構成されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、光ファイバーなどでもよい。

対物光学部３および接眼光学部７がアクロマートレンズで構成されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、通常の凸レンズでもよい。

第１の偏光ビームスプリッタ２０と第２の偏光ビームスプリッタ２２は、入射した光束のうちＰ偏光成分を透過すると共に、Ｓ偏光成分を９０度回転させる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、入射した光束のうちＳ偏光成分を透過すると共に、Ｐ偏光成分を９０度回転させることとしてもよい。

抽出部は、偏光ビームスプリッタである場合について説明したが、本発明はこれに限らず、入射した光束から一方向に振動する光を取り出すことができる光学素子であればよい。例えば、抽出部は、偏光子、波長板などを用いることができる。偏光子は、偏光ビームスプリッタなどの偏光プリズムのほかに、２色性を利用した偏光板などがある。

１ 内視鏡
２ 挿入部
２Ａ 先端部分
３ 対物光学部
４ 直視部
５ 側視部
６ 光学系
１２ 直視光束
１２Ｐ 直視Ｐ偏光成分（第１の偏光成分）
１２Ｓ 直視Ｓ偏光成分（第２の偏光成分）
１３ 側視光束
１３Ｐ 側視Ｐ偏光成分（第３の偏光成分）
１３Ｓ 側視Ｓ偏光成分（第４の偏光成分）
２０ 第１の偏光ビームスプリッタ（抽出部）
２１ リレーレンズ（伝達部）
２２ 第２の偏光ビームスプリッタ（分離部）
２８ 透過光
３６ レクティファイア
４３ 直視用カメラ（カメラ）
４４ 側視用カメラ（カメラ）

Claims (4)

1. 体腔内に挿入される挿入部と、
   前記挿入部の先端部分に設けられた対物光学部と、
   前記対物光学部により結像された光束を前記挿入部の基端へ伝達する光学系と
   を備える内視鏡において、
   前記対物光学部は、
   前記挿入部の前方から入射する直視光束を前記光学系に結像する直視部と、
   前記挿入部の側方から入射する側視光束を前記光学系に結像する側視部と
   を有し、
   前記光学系は、
   前記直視光束を互いに直交する第１の偏光成分と第２の偏光成分とに分離し前記第１の偏光成分を抽出すると共に、前記側視光束を互いに直交する第３の偏光成分と第４の偏光成分とに分離し前記第１の偏光成分と振動方向が異なる前記第４の偏光成分を抽出する抽出部と、
   前記抽出部で抽出された前記第１の偏光成分および前記第４の偏光成分からなる透過光を前記挿入部の基端へ伝達する伝達部と、
   伝達された前記透過光を前記第１の偏光成分と前記第４の偏光成分とに分離する分離部と
   を有することを特徴とする内視鏡。
2. 前記抽出部と前記分離部とは偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１記載の内視鏡。
3. 前記伝達部は前記挿入部の先端部分から基端へ前記透過光を伝達するリレーレンズであり、
   前記光学系は、前記透過光を補正するレクティファイアをさらに有することを特徴とする請求項１または２記載の内視鏡。
4. 前記分離部において分離された前記第１の偏光成分と前記第４の偏光成分を撮像するカメラを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内視鏡。

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