JP5922134B2 - 内視鏡用スキャナ - Google Patents

Description

分野
この発明は、プローブベースの内視鏡検査に適したフレキシブルスキャナに関する。

背景
内視鏡検査の分野では、過去１０年にかけて、人間、動物、および他の対象物の生体組織の顕微鏡撮影を可能とするいくつかの技術革新が現われている。この撮影では、従来のように卓上顕微鏡での検査用に、薄いスライス状へと物理的に切断するために組織を除去する必要はない。

レーザ走査型共焦点顕微鏡検査法（ｕｓ，ＭＫＴ）、多光子顕微鏡検査法、および非線形走査型顕微鏡検査法の他の形式を含む、さまざまな光切断顕微鏡検査法が登場している。

内視鏡検査の臨床的有益性に関する臨床証拠が蓄積されている。臨床的有益性は、病気検出の感度および特異性の増大と、もし、既存の生体検査におけるサンプル抽出のための部位選択に用いられた場合、削減された生体検査のサンプル部位からの診断率向上の実現とを含む。

実用的な臨床用途における最も確立したシステムは、消化器の内視鏡検査（ＧＩ内視鏡検査）において最も多く用いられている。このシステムは、共焦点顕微鏡を内視鏡検査用に十分に小型化するため、主に２つの技術的アプローチを含む。これら双方のアプローチは、可撓性導管を与えるための光ファイバ技術の使用を含む。可撓性導管は、大きなレーザ源および検出部品を組織の近くの撮影部品から隔離する。

２つの市販の機器のうち第１の機器は、照射および検出用の開口の双方として機能する単一の光ファイバを用いる。このファイバは、ラスターパターンで物理的に走査されて、これは装置の末端内で生じる。小型対物レンズは、走査ファイバの先端によって横断される平面を、装置前面の組織表面またはその下の対物像面へと結合する。このレンズは双方向に用いられる。レンズは、往路方向ではファイバからの照射光源をサンプルに結合する。その後レンズは、焦点面からの蛍光または反射光を集光し、集光された光を、隣接する検出ユニットへの復路方向の送信のためにもとの光ファイバに戻す。上記レンズの前面にある装置の先端に位置するコンタクトウインドウは、組織との接触の基準平面を与える。イメージングヘッドに含まれる駆動機構は、光学システムの焦点面を、コンタクトウインドウを向こう側のさまざまな距離へと移動させる（このため、ウインドウと接触する組織表面に対して動的に可変な深度における光切断に影響を与える）。これは、焦点面をシフトするために光学システムの一部を移動させるか、あるいは、ウインドウに対して走査機構全体およびレンズシステムを移動させることによって実現される。これにより、内視鏡医が撮影深度を動的に調整することで、使用可能なサブミリメーターの視野の全域において、細胞以下であるサブミクロンの分解能を得ることができる装置がもたらされる。

このアプローチを利用する市販のスキャナでは、剛性端が５ｍｍ×４３ｍｍの大きさまで達している。剛性端は、フレキシブル内視鏡装置および剛性内視鏡装置の統合のために、フレキシブルアンビリカスを介して接続される。これは、改良された消化器（ＧＩ）用内視鏡または外科用内視鏡との統合を可能にするために十分に小さい。前者は、走査部品に剛性を与えるために、内視鏡の末端領域のわずかな長さがかすかに剛性を有していることを要する。

このアプローチのさまざまなバリエーションが提案されている。バリエーションは、代替的な走査パターン（螺旋状のファイバ走査、楕円状のファイバ走査、リサジューパターンのファイバ走査、およびＭＥＭＳベースのミラー走査）を含む。しかし、内視鏡検査に必要とされる大きさにおいて、撮影性能または機械的実現性を与えることは上述のアプローチのいずれについても報告されていない。

他の市販の機器は、コヒーレント画像化光ファイバ束の近接走査に関係する。光ファイバ束の各々は連続的に、共焦点照射および検出の開口部としての機能を順に果たす。このアプローチは、走査ファイバアプローチにおいて必要とされるいくつかの可動部について、必要条件を取除く。また、このアプローチは、これまでの走査ファイバアプローチと比べて著しい小型化をもたらすことで、直径３ｍｍ未満のプローブをサブミリメーターの装置への小型化を可能にした。これは分解能を犠牲にして実現される。小型化は、ファイバの充填密度によって制限される（ファイバの充填密度は、継続的に動くファイバコアのリセル密度に近づくことはない）。使用中の装置は、直径が大きな場合には最大ファイバ数３０，０００要素から、小型の装置では１０，０００ピクセル未満を有する（走査ファイバ装置に関して、１０２４×１０２４ピクセルすなわち１メガピクセルと比較される）。組織表面またはその下（ＭＫＴの仕様書参照）であり得る特定の撮影深度に個々の装置を固定するレンズシステムが開発されているが、これらの装置もまた、撮影深度の動的調整を可能にするものではない。これらプローブの大きな利点は、サイズが十分に小さく、先端に十分に短く剛性のある長さを有し、その間では十分にフレキシブルであることである。これは、変更または統合しなくとも既存の内視鏡のワーキングチャネル内を通って挿入することを可能にするためである。これまで、直径を原因の１つとして、このことは走査ファイバ装置では可能でなかった。しかし、その主な原因は、ウインドウの長手方向の配置における剛体長さであり、次に対物レンズであり、次にファイバの走査領域であり、ファイバの取付であり、深度の駆動機構であった。

走査ファイバアプローチのさらなる小型化が示されるが、スキャナの剛体長さは、短くされたものの、未変更の消化器用内視鏡のワーキングチャネルを介しての挿入をいまだに妨げるため、内視鏡への統合をやはり必要とする。上記スキャナ設計の剛体長さをさらに十分に短くすることは、構成部品を小型化する能力によってはほとんど制限されず、根本的には要求される長手方向の物理的配置によって制限される。上述の部品の直径がフレキシブル内視鏡のワーキングチャネル内への挿入に必要とされる直径に近づいているにも係わらず、剛体長さは依然として装置内で屈曲部分を操作するには長過ぎる。スキャナは、恒久的に角度が付けられた挿入ポートを含む。このポートは、典型的に、装置がチャネルの第１部分に挿入可能な場合、装置がそれ以降、通常の用途において内視鏡を通る如何なる経路でも通り抜けが可能になることを確保するように構成される。

概要
この発明は、内視鏡用スキャナを与える。スキャナは、走査機構と、レンズシステムと、第１のハウジングと、第２のハウジングと、屈曲可能ジョイントとを備える。走査機構は、光送信器を備え、走査を実行するために、光送信器を移動させるように配置される。レンズシステムは、走査中に光送信器を対象物に光学的に結合するために配置される。第１のハウジングは、レンズシステムの少なくとも第１部分を収納する。第２のハウジングは、少なくともファイバ走査機構を収納する。屈曲可能ジョイントは、第１および第２のハウジングを連結する。屈曲可能ジョイントは、走査構成において、第１および第２のハウジング内の光学要素が作動距離だけ離れて位置合わせされるように、第１および第２のハウジングを連結する。屈曲可能ジョイントは、スキャナの挿入中にスキャナに印加される挿入力に応答して屈曲する一方で、挿入力がない場合は走査構成に戻るように配置される。

ある実施の形態において、屈曲可能ジョイントは、走査中に第１のハウジングが表面に対して押込まれたときに圧縮されないように、十分な剛性を有する。

ある実施の形態において、レンズシステムの第２部分は、第２のハウジングに収納される。

ある実施の形態において、レンズシステムは、第１のハウジングに収納される。
ある実施の形態において、スキャナは、レンズシステムの第２部分を収納する第３のハウジングと、第１のハウジングと第３のハウジングとの間に介在する追加屈曲可能ジョイントとを備える。

ある実施の形態において、フレキシブル光送信器は、光ファイバまたは光ファイバ束を備える。

この発明は、上述のスキャナと、フレキシブルアンビリカスとを備える、内視鏡用プローブを与える。フレキシブルアンビリカスは、光送信器を有し、走査機構をホストシステムに接続するように適合されている。

したがって、本発明の実施の形態は、走査ファイバスキャナの構成部品が、ワーキングチャネルを介して挿入できるようにするための一時的な柔軟性を有することを可能にする。その後、構成部品は、内視鏡の末端の前の組織に接して、その撮影をするために、末梢に達した時点で線形構成に従う。

有利には、これら実施の形態は、型に係わらず共通の内視鏡のワーキングチャネルに挿入できるようにするために、ファイバ走査型スキャナの十分な小型化および柔軟化を可能にする。したがって、これら実施の形態は、正確なファイバ走査と、関連する分解能と、視野とが同等の統合アプローチを可能にする。また、従来、内視鏡のワーキングチャネルへのアクセスに用いられたファイバ束アプローチによって低下した分解能を大きく超えることを可能にする。さらに、ファイバ束アプローチでは実現できない、たとえば可変分解能およびハードウェア（走査）ズームのような特徴の提供を可能にする。

図面の簡単な説明
この発明の実施の形態は、以下の図面との関連で説明される。

第１の実施の形態の内視鏡用スキャナの概略図である。 第１の実施の形態の内視鏡用スキャナの概略図である。 図１の内視鏡によって集光された蛍光グリッドの例示的画像である。

詳細な説明
図１は、共焦点内視鏡用プローブ１００を示す。このプローブは、内視鏡のワーキングチャネル（たとえば直径３．３ｍｍのチューブ）を介しての挿入に適した大きさのフレキシブルアンビリカス１１０を有する。アンビリカス１１０は、スキャナを近くでホストシステム（図示せず）に接続するために、光ファイバ１２２の形態のフレキシブル光送信器と、電線管１１１とを含む。ホストシステムは、レーザ照射と、検出と、走査制御と、画像表示と、画像取得とを実行するための構成部品を含む。他の実施の形態において、フレキシブル光送信器は、光ファイバの束の形態であってもよい。

フレキシブルアンビリカス１１０の末端は、スキャナ１０５に接続される。スキャナは、第１の短い（典型的には１３ｍｍ未満）の剛体管１４０を有する。剛体管１４０は、共焦点プロジェクション／対物レンズシステム１４１のためのハウジングを与える。レンズシステム１４１は、管１４０の先端を密閉する外側の組織コンタクトウインドウ１５０から所定の距離だけ後ろに位置する。

このより末梢に近い短い剛体管１４０の内部領域は、光ファイバ１２２の先端の周囲に保護ブッシング１２３を含む。ブッシング１２３は、走査時にファイバの先端が壁面に接触したときの衝撃保護を与える材質で製造される。衝撃は、スキャナの外部の機械的衝撃、または内視鏡のワーキングチャネルへの挿入中もしくはワーキングチャネルからの抜去中における屈曲に起因する。他の実施の形態において、保護は、ブッシング１２３よりもむしろコーティング剤によって与えられてもよい。

第２の短い（典型的には１３ｍｍ未満）剛体管１２０は、末梢のファイバ走査機構のためのハウジングを与える。剛体管１２０は、上述のフレキシブルアンビリカス管１１０の末端に取付けられる。

管の２つの短い部分の各々の寸法は、装置が挿入および抜去される対象のチャネルについて、直径に対する長さが制限範囲内に含まれるように選択される。寸法の例が表１に示される。

どのような適切なファイバ走査機構でも採用され得る。この実施の形態において、走査機構は、磁石１２３と、ファイバ１２２と、走査機構ハウジング１２１内に配置されたファイバ走査マウントおよびコイルとを備える。ファイバ走査機構の例は、国際公開公報ＷＯ２００４／０４０２６７および米国公開公報２００９／００１５８９に説明されており、本明細書ではこれらの開示を引用により援用する。図１では、ファイバは、異なる走査位置１２２Ａ，１２２Ｂの間を移動するように示されている。

２つのハウジング部の間の屈曲可能ジョイント１３０は、フレキシブルなスプリング入りチューブ１３０の部分によって与えられる。チューブ１３０は、ファイバ１２２が作動距離に位置するように、第１の短い剛体管１４０を第２の短い剛体管１２２に結合する。作動距離は、プロジェクション／対物レンズ１４１から離す必要のある距離に相当する。

プローブが導入される内視鏡への入口は、屈曲部がその内部に設けられた「ゲート」ポートを有する。これにより、挿入中に破損するリスクがある、十分に曲がらないプローブが挿入されることを防止している。典型的には、屈曲部は１３５度に曲げられる。

屈曲可能ジョイント１３０は、横方向の力が掛けられたときに横向きに曲がることが可能な性質を有する。このため、２つの短い部分は湾曲したチャネル（たとえばゲートポート）を辿るが、その後、光学部品の機能アライメントを回復するために、十分に小さな許容誤差内にある同軸アライメントへと「急に戻る（snap back）」（すなわち、２つの短い部分は走査構成に戻る。走査構成における光学要素は、所望の光軸に対して、光学要素がまだ機能するであろう距離だけ離れて位置する）。図１の実施の形態において、走査ファイバ１２２と、プロジェクション／対物レンズ１４１の走査像面との間には作動距離が保たれる。屈曲可能ジョイントは、多数の異なる形態を取り得る。たとえば、ワイヤ断面が円柱形、扁平形、長方形または正方形である、閉じた構成のばねである。ばねは、装置を内視鏡のワーキングチャネルを介して押し進めるために印加される典型的な挿入力に基づいて、直線状から屈曲まで微妙な動きを可能にするように選択される。図１のばねは、閉じた積み重ね構造である。ばねは、スキャナのウインドウを対象物（たとえば検査対象の組織）の表面に対して設置するために通常必要とされる力によって直線状であるときは圧縮性でないが、むしろ横方向の曲げを可能にするために広がる。この設計により、スキャナの構成部品は、曲げられた後に軸方向および横方向について正確なアライメントに確実に戻ることが可能である。

再度位置合わせされた状態においてばねが圧縮性でないことの一つの利点は、スキャナに如何なる屈曲も生じさせることなく、組織に対して押込まれることにばねが耐えられる点である。

他の実施の形態において、屈曲可能ジョイント１３０は、たとえば形状記憶合金の管状構造のような捩じれを生じさせないフレキシブルチューブの形態を取り得る。いくつかの実施形態において、形状記憶材は、使用の挿入段階および撮影（走査）段階について、それぞれ「屈曲可能」状態および「剛体」状態の間を電気的に駆動される対象となり得る。

スキャナ１０５の屈曲可能ジョイント１３０は、適切なフレキシブル接着剤によってコーティングされるか、またはゴム管もしくはプラスチック管によって覆われている。これにより、この部分を流体の浸入から密封するとともに、消毒または殺菌に適した表面を与える。

像深さの能動的調整は本発明に含まれない。しかしながら、プロジェクション／対物レンズ１４１の固定具と画像化ウインドウ１５０の固定具との間の末梢の短い剛体管内における、短くフレキシブルな壁が設けられた領域１６０を含めることで、像深さを調節するための受動機構が構築され得る。この材料の圧縮ばね定数は、画像化ウインドウ１５０が（装置に向かって軸方向に）有効距離移動することが可能なように選択される。このため、装置が組織に対して位置するように装置に印加される圧力によって制御される、手動の像深さ調整が影響を受ける。これにより、（プローブが組織に軽く触れる）組織の表面から、組織にしっかりと圧力をかけることで組織の散乱による最深部の組織の画像化（典型的には共焦点内視鏡検査）まで、観察画像の非常に直感的な調整が可能となる。

図３は、第１の実施の形態に従って製造されたスキャナによって集光された蛍光グリッドの一例を示す。

図２は、異なるスキャナ２０５の構成を有する、第２の実施の形態のプローブ２００を示す。この実施の形態では、２つの屈曲可能ジョイント１３０，２７０によって結合される３つのハウジング１２０，２４０，２６０が存在する。屈曲可能ジョイントの１つである屈曲可能ジョイント２７０は、レンズシステムの第１部分２４１と第２部分２６１との間に配置される。

この分野における当業者は、いくつかの実施の形態において、２つのハウジングを有するスキャナを与えるための図２に倣って、図１の実施の形態の変更が可能であることを十分に理解するであろう。図２では、レンズシステムの一方の部分が走査機構と同一のハウジングに収納され、レンズシステムの他方の部分が別のハウジングに収納される。

この分野における当業者は、このスキャナが顕微鏡、内視鏡、内視顕微鏡、光干渉断層計、共焦点顕微鏡、もしくは共焦点多光子顕微鏡、または他の画像機器において採用し得ることを十分に理解するであろう。

この発明の分野における当業者には、この発明の精神および範囲から離れることなく、さまざまな変更がされ得ることが理解されるであろう。特に、さらなる実施の形態を形成するために、この発明の実施の形態のいくつかのある特徴を採用可能であることは明らかであろう。

もし、本明細書にいかなる先行技術が引用されるにしても、上記引用は如何なる国においても、その先行技術がこの分野の共通一般知識の一部分を形成することの承認を構成するものではないことが理解されるべきである。

以下の特許請求の範囲およびこの発明の上述の説明において、文脈中で特に明示的または黙示的に表わされている場合を除き、「備える（comprise）」という用語、またはたとえば「備える（comprises）」もしくは「備えている（comprising）」のような変形は、包括的な意味で用いられている。すなわち、説明された特徴の存在を特定するものであるが、この発明のさまざまな実施の形態におけるさらなる特徴の存在または追加を除外するものではない。

Claims (9)

1. 内視鏡用スキャナであって、
   光送信機を備え、走査を実行するために、前記光送信機を移動させるように配置された走査機構と、
   走査中に前記光送信機を対象物に光学的に結合するために配置されたレンズシステムと、
   前記レンズシステムの少なくとも第１部分を収納する第１のハウジングと、
   少なくとも前記ファイバ走査機構を収納する第２のハウジングと、
   前記第１および第２のハウジングを連結する屈曲可能ジョイントとを備え、
   前記屈曲可能ジョイントは、走査構成において、前記第１および第２のハウジング内の光学要素が作動距離だけ離れて位置合わせされるように、前記第１および第２のハウジングを連結し、
   前記屈曲可能ジョイントは、前記スキャナの挿入中に前記スキャナに印加される挿入力に応答して屈曲する一方で、前記挿入力がない場合は前記走査構成に戻るように配置される、スキャナ。
2. 前記屈曲可能ジョイントは、走査中に前記第１のハウジングが表面に対して押込まれたときに圧縮されないように、十分な剛性を有する、請求項１に記載のスキャナ。
3. 前記レンズシステムの第２部分は、前記第２のハウジングに収納される、請求項１または２に記載のスキャナ。
4. 前記レンズシステムは、前記第１のハウジングに収納される、請求項１または２に記載のスキャナ。
5. 前記レンズシステムの第２部分を収納する第３のハウジングと、
   前記第１のハウジングと前記第３のハウジングとの間に介在する追加屈曲可能ジョイントとを備える、請求項１または２に記載のスキャナ。
6. 前記フレキシブル光送信機は、光ファイバまたは光ファイバ束を備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスキャナ。
7. 内視鏡用のプローブであって、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載のスキャナと、
   前記光送信機を有し、前記走査機構をホストシステムに接続するように適合されたフレキシブルアンビリカス管とを備える、プローブ。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のスキャナを備える、顕微鏡、内視鏡、内視顕微鏡、光干渉断層計、共焦点顕微鏡、または共焦点多光子顕微鏡。
9. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のスキャナを備える、撮影機器。