JP5639310B2 - 走査型内視鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、走査型内視鏡システムに関し、特に、被写体を走査して画像を取得する走査型内視鏡システムに関するものである。

医療分野の内視鏡においては、被検者の負担を軽減するために、当該被検者の体腔内に挿入される挿入部を細径化するための種々の技術が提案されている。そして、このような技術の一例として、前述の挿入部に相当する部分に固体撮像素子を有しない走査型内視鏡、及び、当該走査型内視鏡を具備して構成されたシステムが知られている。

具体的には、走査型内視鏡を具備するシステムは、例えば、光源部から発せられた照明光を導光する照明用ファイバの先端部を揺動させることにより被写体を予め設定された走査パターンで２次元走査し、当該被写体からの戻り光を照明用ファイバの周囲に配置された受光用ファイバで受光し、当該受光用ファイバで受光された戻り光に基づいて当該被写体の画像を生成するように構成されている。そして、このようなシステムに類似する構成を具備するものとしては、例えば、米国出願公開２００８／０２１８８２４号に開示された走査ビームシステムが知られている。

ところで、前述したような従来の走査型内視鏡においては、例えば、予め分極処理が施された圧電素子を具備して構成されたアクチュエータに対し、当該圧電素子の分極方向の厚みに応じた抵電界の大きさを超えないような電圧を印加することにより、照明用ファイバが揺動されるように構成されている。

但し、前述のようなアクチュエータを用いて走査型内視鏡を構成する場合には、挿入部の細径化の実現に際し、圧電素子の分極方向の厚みを可能な限り薄くする必要がある。その一方で、前述のようなアクチュエータにおいては、圧電素子の分極方向の厚みの減少に伴って抗電界の大きさが減少することに起因し、当該圧電素子の分極の維持に要する印加電圧の限界値に比較的厳しい制約が課せられてしまう、という問題点がある。

これに対し、米国出願公開２００８／０２１８８２４号には、前述の問題点を解消可能な手法等について特に言及されていない。そのため、米国出願公開２００８／０２１８８２４号に開示された構成によれば、例えば、走査型内視鏡による被写体の走査範囲を所定の範囲以上に広げることができない、という課題が生じている。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであり、被写体の走査範囲を従来に比べて広げることが可能な走査型内視鏡システムを提供することを目的としている。

本発明の一態様の走査型内視鏡システムは、光源から発せられた照明光を導くファイバと、前記ファイバの側方に設けられ、印加される電圧に応じて伸縮することで前記ファイバを揺動させるための第１のアクチュエータと、前記ファイバを挟んで前記第１のアクチュエータと対向する位置に配置され、印加される電圧に応じて伸縮することで、前記ファイバを揺動させるための第２のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータを収縮した状態とさせる第１の電圧を中心として変動する第１の駆動信号を前記第１のアクチュエータに印加し、さらに、前記第２のアクチュエータを収縮した状態とさせる第２の電圧を中心として変動する第２の駆動信号を前記第２のアクチュエータに印加する駆動信号出力部と、を有する。

実施例に係る走査型内視鏡システムの要部の構成を示す図。 走査型内視鏡に設けられたアクチュエータ部の構成を説明するための断面図。 走査型内視鏡に設けられたアクチュエータ部の駆動に用いられる第１の駆動信号の波形の一例を示す図。 走査型内視鏡に設けられたアクチュエータ部の駆動に用いられる第２の駆動信号の波形の一例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明を行う。

図１から図４は、本発明の実施例に係るものである。図１は、実施例に係る走査型内視鏡システムの要部の構成を示す図である。

走査型内視鏡システム１は、例えば図１に示すように、被検者の体腔内に挿入される走査型内視鏡２と、走査型内視鏡２に接続される本体装置３と、本体装置３に接続されるモニタ４と、を有して構成されている。

走査型内視鏡２は、被検者の体腔内に挿入可能な細長形状及び可撓性を備えて形成された挿入部１１を有して構成されている。なお、挿入部１１の基端部には、走査型内視鏡２を本体装置３に着脱自在に接続するための図示しないコネクタ等が設けられている。

挿入部１１の内部における基端部から先端部にかけての部分には、本体装置３の光源ユニット２１から供給された照明光を集光光学系１４へ導く導光部としての機能を具備する照明用ファイバ１２と、被写体からの戻り光を受光して本体装置３の検出ユニット２３へ導く受光用ファイバ１３と、がそれぞれ挿通されている。

照明用ファイバ１２の光入射面を含む端部は、本体装置３の内部に設けられた合波器３２に配置されている。また、照明用ファイバ１２の光出射面を含む端部は、挿入部１１の先端部に設けられたレンズ１４ａの光入射面の近傍において、固定部材等により固定されない状態で配置されている。

受光用ファイバ１３の光入射面を含む端部は、挿入部１１の先端部の先端面における、レンズ１４ｂの光出射面の周囲に固定配置されている。また、受光用ファイバ１３の光出射面を含む端部は、本体装置３の内部に設けられた分波器３６に配置されている。

集光光学系１４は、レンズ１４ａ及びレンズ１４ｂを具備し、照明用ファイバ１２から入射される照明光を集光して被写体へ出射することができるように構成されている。

挿入部１１の先端部側における照明用ファイバ１２の中途部には、本体装置３のドライバユニット２２から出力される駆動信号に基づいて駆動するアクチュエータ部１５が設けられている。

一方、照明用ファイバ１２及びアクチュエータ部１５は、挿入部１１の長手軸方向に垂直な断面において、例えば、図２に示す位置関係を具備するようにそれぞれ配置されている。図２は、走査型内視鏡に設けられたアクチュエータ部の構成を説明するための断面図である。

図２に示すように、照明用ファイバ１２とアクチュエータ部１５との間には、接合部材としてのフェルール４１が配置されている。具体的には、フェルール４１は、例えば、ジルコニア（セラミック）またはニッケル等により形成されている。

フェルール４１は、図２に示すように、四角柱として形成されており、Ｘ軸方向（紙面の左右方向）に対して垂直な側面４２ａ及び４２ｃと、Ｙ軸方向（紙面の上下方向）に対して垂直な側面４２ｂ及び４２ｄとを有する。また、フェルール４１の中心には、照明用ファイバ１２が固定配置されている。なお、フェルール４１は、角柱である限りにおいては、四角柱以外の他の形状として形成されていてもよい。

アクチュエータ部１５は、図２に示すように、側面４２ａに沿って配置されたアクチュエータ１５ａと、側面４２ｂに沿って配置されたアクチュエータ１５ｂと、側面４２ｃに沿って配置されたアクチュエータ１５ｃと、側面４２ｄに沿って配置されたアクチュエータ１５ｄと、を有している。

換言すると、光走査部としての機能を具備するアクチュエータ部１５は、照明用ファイバ１２を挟んでＹ軸に対向する（あるいはＹ軸に対称な）位置であるとともにＸ軸方向に沿って配置された一対のアクチュエータ１５ａ及び１５ｃと、照明用ファイバ１２を挟んでＸ軸に対向する（あるいはＸ軸に対称な）位置であるとともにＹ軸方向に沿って配置された一対のアクチュエータ１５ｂ及び１５ｄと、を有して構成されている。

アクチュエータ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ及び１５ｄは、ドライバユニット２２から出力される駆動信号に応じてそれぞれ駆動するように構成されている。

アクチュエータ１５ａは、例えば、分極方向がＸ軸の負方向（図２の紙面右から左へ向かう方向）に一致するように予め分極処理が施された圧電素子により形成されており、ドライバユニット２２から出力される駆動信号に応じ、正の値の電圧が印加された際に（駆動信号の供給に伴って発生する電界の方向が分極方向に対して順方向である場合に）Ｚ軸方向（紙面の法線方向）に沿って収縮するとともに、負の値の電圧が印加された際に（駆動信号の供給に伴って発生する電界の方向が分極方向に対して逆方向である場合に）Ｚ軸方向に沿って伸長するように構成されている。

アクチュエータ１５ｂは、例えば、分極方向がＹ軸の負方向（図２の紙面上から下へ向かう方向）に一致するように予め分極処理が施された圧電素子により形成されており、ドライバユニット２２から出力される駆動信号に応じ、正の値の電圧が印加された際にＺ軸方向に沿って収縮するとともに、負の値の電圧が印加された際にＺ軸方向に沿って伸長するように構成されている。

アクチュエータ１５ｃは、例えば、分極方向がＸ軸の負方向に一致するように予め分極処理が施された圧電素子により形成されており、ドライバユニット２２から出力される駆動信号に応じ、負の値の電圧が印加された際にＺ軸方向に沿って収縮するとともに、正の値の電圧が印加された際にＺ軸方向に沿って伸長するように構成されている。

アクチュエータ１５ｄは、例えば、分極方向がＹ軸の負方向に一致するように予め分極処理が施された圧電素子により形成されており、ドライバユニット２２から出力される駆動信号に応じ、負の値の電圧が印加された際にＺ軸方向に沿って収縮するとともに、正の値の電圧が印加された際にＺ軸方向に沿って伸長するように構成されている。

なお、本実施例によれば、前述したような分極方向及び伸縮方向を具備するアクチュエータ１５ａ〜１５ｄを用いてアクチュエータ部１５が構成されるものに限らず、他の分極方向及び伸縮方向を具備するアクチュエータ１５ａ〜１５ｄを用いてアクチュエータ部１５が構成されてもよい。

挿入部１１の内部には、走査型内視鏡２の個体識別情報等の種々の情報を含む内視鏡情報が予め格納されたメモリ１６が設けられている。そして、メモリ１６に格納された内視鏡情報は、走査型内視鏡２と本体装置３とが接続された際に、本体装置３のコントローラ２５により読み込まれる。

一方、本体装置３は、光源ユニット２１と、ドライバユニット２２と、検出ユニット２３と、メモリ２４と、コントローラ２５と、を有して構成されている。

光源ユニット２１は、光源３１ａと、光源３１ｂと、光源３１ｃと、合波器３２と、を有して構成されている。

光源３１ａは、例えばレーザ光源等を具備し、コントローラ２５の制御によりオンされた際に、赤色の波長帯域の光（以降、Ｒ光とも称する）を合波器３２へ出射するように構成されている。

光源３１ｂは、例えばレーザ光源等を具備し、コントローラ２５の制御によりオンされた際に、緑色の波長帯域の光（以降、Ｇ光とも称する）を合波器３２へ出射するように構成されている。

光源３１ｃは、例えばレーザ光源等を具備し、コントローラ２５の制御によりオンされた際に、青色の波長帯域の光（以降、Ｂ光とも称する）を合波器３２へ出射するように構成されている。

合波器３２は、光源３１ａから発せられたＲ光と、光源３１ｂから発せられたＧ光と、光源３１ｃから発せられたＢ光と、を合波して照明用ファイバ１２の光入射面に供給できるように構成されている。

ドライバユニット２２は、駆動信号出力部としての機能を具備し、信号発生器３３と、Ｄ／Ａ変換器３４ａ及び３４ｂと、アンプ３５と、を有して構成されている。

信号発生器３３は、コントローラ２５の制御に基づき、照明用ファイバ１２の光出射面を含む端部を揺動させるための駆動信号を生成してＤ／Ａ変換器３４ａ及び３４ｂに出力するように構成されている。

Ｄ／Ａ変換器３４ａ及び３４ｂは、信号発生器３３から出力されたデジタルの駆動信号をアナログの駆動信号に変換してアンプ３５へ出力するように構成されている。

アンプ３５は、Ｄ／Ａ変換器３４ａ及び３４ｂから出力された駆動信号を増幅してアクチュエータ部１５へ出力するように構成されている。

一方、検出ユニット２３は、分波器３６と、検出器３７ａ、３７ｂ及び３７ｃと、Ａ／Ｄ変換器３８ａ、３８ｂ及び３８ｃと、を有して構成されている。

分波器３６は、ダイクロイックミラー等を具備し、受光用ファイバ１３の光出射面から出射された戻り光をＲ（赤）、Ｇ（緑）及びＢ（青）の色成分毎の光に分離して検出器３７ａ、３７ｂ及び３７ｃへ出射するように構成されている。

検出器３７ａは、分波器３６から出力されるＲ光の強度を検出し、当該検出したＲ光の強度に応じたアナログのＲ信号を生成してＡ／Ｄ変換器３８ａへ出力するように構成されている。

検出器３７ｂは、分波器３６から出力されるＧ光の強度を検出し、当該検出したＧ光の強度に応じたアナログのＧ信号を生成してＡ／Ｄ変換器３８ｂへ出力するように構成されている。

検出器３７ｃは、分波器３６から出力されるＢ光の強度を検出し、当該検出したＢ光の強度に応じたアナログのＢ信号を生成してＡ／Ｄ変換器３８ｃへ出力するように構成されている。

Ａ／Ｄ変換器３８ａは、検出器３７ａから出力されたアナログのＲ信号をデジタルのＲ信号に変換してコントローラ２５へ出力するように構成されている。

Ａ／Ｄ変換器３８ｂは、検出器３７ｂから出力されたアナログのＧ信号をデジタルのＧ信号に変換してコントローラ２５へ出力するように構成されている。

Ａ／Ｄ変換器３８ｃは、検出器３７ｃから出力されたアナログのＢ信号をデジタルのＢ信号に変換してコントローラ２５へ出力するように構成されている。

メモリ２４には、本体装置３の制御を行うための制御プログラム等が予め格納されている。また、メモリ２４には、本体装置３のコントローラ２５により読み込まれた内視鏡情報が格納される。

コントローラ２５は、ＣＰＵ等を具備し、メモリ２４に格納された制御プログラムを読み出し、当該読み出した制御プログラムに基づいて光源ユニット２１及びドライバユニット２２の制御を行うように構成されている。すなわち、光走査部としての機能を具備するアクチュエータ部１５は、前述のようなコントローラ２５の制御に応じてドライバユニット２２から出力される駆動信号に基づき、被写体へ照射される照明光の照射位置が所定の走査パターンに応じた軌跡を描くように照明用ファイバ１２を揺動させることができる。

コントローラ２５は、挿入部１１が本体装置３に接続された際にメモリ１６から出力される内視鏡情報をメモリ２４に格納させるように動作する。

コントローラ２５は、検出ユニット２３から出力されるＲ信号、Ｇ信号及びＢ信号に基づいて画像を生成し、当該生成した画像をモニタ４に表示させるように構成されている。

続いて、以上に述べたような構成を具備する走査型内視鏡システム１の動作等について説明する。

内視鏡システム１の各部の電源が投入されると、挿入部１１のメモリ１６に格納された内視鏡情報がコントローラ２５により読みこまれ、当該読み込まれた内視鏡情報がメモリ２４に格納される。

コントローラ２５は、メモリ１６から読み込んだ内視鏡情報をメモリ２４に格納した後、光源３１ａ、３１ｂ及び光源３１ｃをオフからオンへ切り替える制御を光源ユニット２１に対して行うとともに、後述の第１及び第２の駆動信号を信号発生器３３から出力させるための制御をドライバユニット２２に対して行う。

信号発生器３３は、コントローラ２５の制御に基づき、アクチュエータ１５ａ及び１５ｂを駆動するための駆動信号として、例えば、図３に示すような波形を具備する第１の駆動信号を生成してＤ／Ａ変換器３４ａに出力する。図３は、走査型内視鏡に設けられたアクチュエータ部の駆動に用いられる第１の駆動信号の波形の一例を示す図である。

具体的には、信号発生器３３は、コントローラ２５の制御に基づき、例えば、０より大きい正の電圧値ＶＰ１を中心として周期的に電圧値が変動し、かつ、アクチュエータ１５ａ及び１５ｂにおける抗電界に相当する負の電圧値ＶＮ１を超えない（下回らない）ような振幅値（ピーク値）を具備する正弦波を第１の駆動信号として生成する（図３参照）。

また、信号発生器３３は、コントローラ２５の制御に基づき、アクチュエータ１５ｃ及び１５ｄを駆動するための駆動信号として、例えば、図４に示すような波形を具備する第２の駆動信号を生成してＤ／Ａ変換器３４ｂに出力する。図４は、走査型内視鏡に設けられたアクチュエータ部の駆動に用いられる第２の駆動信号の波形の一例を示す図である。

具体的には、信号発生器３３は、コントローラ２５の制御に基づき、例えば、０より小さい負の電圧値ＶＮ２を中心として周期的に電圧値が変動し、かつ、アクチュエータ１５ｃ及び１５ｄの抗電界に相当する正の電圧値ＶＰ２を超えない（上回らない）ような振幅値（ピーク値）を具備する正弦波を第２の駆動信号として生成する（図４参照）。

なお、前述の負の電圧値ＶＮ１は、アクチュエータ１５ａ及び１５ｂにおける圧電素子の分極方向の厚みに応じて決定される値である。また、前述の正の電圧値ＶＰ２は、アクチュエータ１５ｃ及び１５ｄにおける圧電素子の分極方向の厚みに応じて決定される値である。そのため、例えば、分極方向の厚みが互いに同一である圧電素子によりアクチュエータ１５ａ〜１５ｄを形成した場合においては、前述の負の電圧値ＶＮ１と正の電圧値ＶＰ２との間にＶＮ１＝−ＶＰ２の関係が成立する。

一方、前述の第１及び第２の駆動信号は、アクチュエータ１５ａ〜１５ｄの駆動に伴ってフェルール４１に対して加えられる力の釣り合いを取るために、互いに同位相であるとともに、ＶＰ１＝−ＶＮ２の関係を具備するように生成される。

そして、信号発生器３３により生成された第１の駆動信号は、Ｄ／Ａ変換器３４ａ及びアンプ３５を経た後、アクチュエータ１５ａ及び１５ｂへ出力される。また、信号発生器３３により生成された第２の駆動信号は、Ｄ／Ａ変換器３４ｂ及びアンプ３５を経た後、アクチュエータ１５ｃ及び１５ｄへ出力される。

ここで、前述の第１の駆動信号に応じた交流電圧がアクチュエータ１５ａに印加されるとともに、前述の第２の駆動信号に応じた交流電圧がアクチュエータ１５ｃに印加される場合においては、アクチュエータ１５ａの伸縮によりフェルール４１に対して加えられる力と、アクチュエータ１５ｃの伸縮によりフェルール４１に対して加えられる力と、が相殺される。そのため、前述の第１の駆動信号に応じた交流電圧がアクチュエータ１５ａに印加されるとともに、前述の第２の駆動信号に応じた交流電圧がアクチュエータ１５ｃに印加されることにより、アクチュエータ１５ａ及び１５ｃのいずれにも電圧が印加されていない場合（アクチュエータ１５ａ及び１５ｃのいずれも伸縮していない場合）におけるフェルール４１のＸ軸方向の位置を維持しながら、照明用ファイバ１２を揺動することができる。

また、前述の第１の駆動信号に応じた交流電圧がアクチュエータ１５ｂに印加されるとともに、前述の第２の駆動信号に応じた交流電圧がアクチュエータ１５ｄに印加される場合においては、アクチュエータ１５ｂの伸縮によりフェルール４１に対して加えられる力と、アクチュエータ１５ｄの伸縮によりフェルール４１に対して加えられる力と、が相殺される。そのため、前述の第１の駆動信号に応じた交流電圧がアクチュエータ１５ｂに印加されるとともに、前述の第２の駆動信号に応じた交流電圧がアクチュエータ１５ｄに印加されることにより、アクチュエータ１５ｂ及び１５ｄのいずれにも電圧が印加されていない場合（アクチュエータ１５ｂ及び１５ｄのいずれも伸縮していない場合）におけるフェルール４１のＹ軸方向の位置を維持しながら、照明用ファイバ１２を揺動することができる。

ところで、例えば、電圧値０を中心として周期的に電圧値が変動する駆動信号に応じた交流電圧をアクチュエータ１５ａ〜１５ｄに印加するような、従来の方式で照明用ファイバ１２を揺動する場合においては、フェルール４１に対して加えられる力の釣り合いを実質的に考慮する必要がない一方で、アクチュエータ１５ａ〜１５ｄの分極を維持するために、アクチュエータ１５ａ及び１５ｂにおける抗電界に相当する負の電圧値ＶＮ１と、アクチュエータ１５ｃ及び１５ｄにおける抗電界に相当する正の電圧値ＶＰ２と、の範囲内（ＶＮ１以上かつＶＰ２以下の範囲内）で振幅値を設定する必要がある。

これに対し、本実施例によれば、正の電圧値ＶＰ１を中心として周期的に電圧値が変動する第１の駆動信号に応じた交流電圧がアクチュエータ１５ａ及び１５ｂに印加されるとともに、負の電圧値ＶＮ２を中心として周期的に電圧値が変動する第２の駆動信号に応じた交流電圧がアクチュエータ１５ｃ及び１５ｄに印加されるようにしているため、負の電圧値ＶＮ１及び正の電圧値ＶＰ２による振幅値（ピーク値）の制限が緩和される。その結果、本実施例によれば、従来の方式に比べて広い範囲で照明用ファイバ１２を揺動することができ、すなわち、被写体の走査範囲を従来に比べて広げることができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更や応用が可能であることは勿論である。

本出願は、２０１２年１０月２２日に日本国に出願された特願２０１２−２３３０２４号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。

Claims (6)

1. 光源から発せられた照明光を導くファイバと、
   前記ファイバの側方に設けられ、印加される電圧に応じて伸縮することで前記ファイバを揺動させるための第１のアクチュエータと、
   前記ファイバを挟んで前記第１のアクチュエータと対向する位置に配置され、印加される電圧に応じて伸縮することで、前記ファイバを揺動させるための第２のアクチュエータと、
   前記第１のアクチュエータを収縮した状態とさせる第１の電圧を中心として変動する第１の駆動信号を前記第１のアクチュエータに印加し、さらに、前記第２のアクチュエータを収縮した状態とさせる第２の電圧を中心として変動する第２の駆動信号を前記第２のアクチュエータに印加する駆動信号出力部と、
   を有することを特徴とする走査型内視鏡システム。
2. 前記第１のアクチュエータは、正の値の電圧が印加された際に収縮し、かつ負の値の電圧が印加された際に伸長する、前記ファイバを揺動させるための圧電素子であり、
   前記第２のアクチュエータは、負の値の電圧が印加された際に収縮し、かつ正の値の電圧が印加された際に伸張する、前記ファイバを揺動させるための圧電素子であり、
   前記駆動信号出力部は、前記第１の電圧として正の値の電圧を中心とし、前記第２の電圧として負の値の電圧を中心とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の走査型内視鏡システム。
3. 前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータは、圧電素子によりそれぞれ形成されており、
   前記第１の駆動信号の振幅値、及び、前記第２の駆動信号の振幅値は、前記圧電素子の抗電界に相当する電圧値を超えないようにそれぞれ設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の走査型内視鏡システム。
4. 前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータを形成する前記圧電素子は、前記所定の軸方向に沿った同一の分極方向となるように予め分極処理が施されているとともに、前記分極方向の厚みが互いに同一になるように形成されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の走査型内視鏡システム。
5. 前記第１の駆動信号及び前記第２の駆動信号が互いに同位相であるとともに、
   前記第１の電圧及び前記第２の電圧のうちの一方の電圧値の正負を反転した値が、前記第１の電圧及び前記第２の電圧のうちの他方の電圧値に等しくなる
   ことを特徴とする請求項２に記載の走査型内視鏡システム。
6. 被写体へ照射された前記照明光の戻り光を受光する受光部と、
   前記受光部において受光された前記戻り光の強度に応じた信号を生成して出力するように構成された光検出部と、
   前記光検出部から出力される信号に基づいて前記被写体の画像を生成するように構成された画像生成部と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の走査型内視鏡システム。

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