JP5976454B2 - 光走査型内視鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバによって導光される光を観察部位に対して走査させ、その反射光を受光して画像化する光走査型内視鏡装置に関する。

近年、光ファイバによって導光される光を観察部位に対して渦巻状に走査させ、その反射光を受光して画像化する光走査型内視鏡装置が提案されている（例えば、特許文献１）。このような光走査型内視鏡装置では、シングルモード型の光ファイバを内視鏡内部に備えており、光ファイバは、その先端部の近傍（基端部側）において、アクチュエータによって片持ち梁状に保持される。そして、アクチュエータは、振動の振幅を変調及び増幅させながら、ファイバ先端部を固有振動数に従って２次元的に振動させて（共振させて）、光ファイバの先端部を渦巻状に駆動させる。その結果、光ファイバによって光源から導光された照明光が観察部位へ向けて渦巻状に照射され、その照射領域（走査領域）の画像が取得される。

特開２０１０−１６２０８９号公報

特許文献１に記載の光走査型内視鏡装置は、光ファイバの先端部近傍に４つのアクチュエータを備えている。４つのアクチュエータは、光ファイバの側面（円筒面）の円周に沿って等間隔に（すなわち、円筒面の円周に沿って９０°おきに）配置され、光ファイバの側面を、光ファイバの長手方向に直交し、かつ、互いに直交する２方向から押圧することにより光ファイバを屈曲させ、光ファイバの出射端を渦巻状に回転走査させている。そして、このような構成の光走査型内視鏡装置においては、正確な走査領域の画像を得るために、光ファイバの出射端を歪みのない理想的な円形の渦巻状のパターンで回転させることが極めて重要となる。しかし、アクチュエータの変位量（振幅）は、基本的に各アクチュエータの電極に印加する電圧に依存するところ、各アクチュエータを構成するセラミックの結晶構造のバラツキ、分極時の温度設定のバラツキ、分極時の印加電圧のバラツキ等により、各アクチュエータの特性にバラツキが生じ、各電極に同一の電圧を印加しても変位量に差が生ずるため、光ファイバの出射端は理想的な円形の渦巻状のパターンとはならない。そのため、従来、渦巻状に照射される光をモニタしながら各アクチュエータに印加する電圧の調整を行い、光ファイバの出射端が理想的な円形の渦巻状のパターンとなるように校正を行っていたが、各アクチュエータの特性のバラツキによっては、校正しきれないといった問題があった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、各アクチュエータの特性のバラツキが大きな場合でも、正常な観察画像が得られるように光ファイバの出射端を回転走査させることが可能な光走査型内視鏡装置を提供することである。

本発明の一実施形態によれば、入射端に入射する光を出射端まで導光して該出射端から出射する光ファイバと、光ファイバの出射端近辺であって光ファイバの入射端寄りの位置に設けられ、光ファイバの円筒面を光ファイバの長手方向に直交する少なくとも５つ以上の方向から押圧することにより光ファイバを屈曲させ、光ファイバの出射端を渦巻状に回転させて光ファイバから出射する光を所定の領域で走査させる、少なくとも５つ以上のアクチュエータを有する光ファイバ走査手段と、各アクチュエータに電圧を印加して光ファイバの屈曲量及び屈曲方向を調整する調整手段と、光ファイバの出射端側に配置され、光ファイバの出射端の回転軌跡を検出する検出手段と、検出された光ファイバの出射端の回転軌跡に基づいてアクチュエータが異常か否かを判定する判定手段とを備え、調整手段は、判定手段によりアクチュエータが異常と判定されたときに、光ファイバ走査手段が所定の領域を含む領域を走査するように、異常と判定されたアクチュエータに隣接するアクチュエータに印加する電圧を調整して光ファイバの屈曲量及び屈曲方向を調整する光走査型内視鏡装置が提供される。

上記の構成によれば、正常に動作しないアクチュエータが存在する場合であっても、正常な観察画像が得られるように光ファイバの出射端の回転軌跡を調整することができる。

また、調整手段は、各アクチュエータに印加する電圧の振幅を調整することにより光ファイバの屈曲量及び屈曲方向を調整してもよい。さらに、調整手段は、異常と判断されたアクチュエータと対向する側に配置されているアクチュエータに印加する電圧を調整して光ファイバの屈曲量及び屈曲方向を調整してもよい。これにより、光ファイバの出射端の回転軌跡をより精確に調整することができる。

さらに、判定手段により異常と判定された場合は、調整手段による光ファイバの屈曲量及び屈曲方向の調整を所定の回数内で繰り返し実行し、判定手段により正常と判定された場合は、調整手段による光ファイバの屈曲量及び屈曲方向の調整を停止する制御手段をさらに備える構成としてもよい。

また、各アクチュエータへの印加電圧の値を記憶する印加電圧記憶手段を備え、印加電圧記憶手段は、所定の回数内に判定手段により正常と判定された場合、正常と判定されたときの各電圧への印加電圧の値を記憶し、調整手段は、次回の光ファイバの屈曲量及び屈曲方向の調整時に、印加電圧記憶手段に記憶された各アクチュエータへの印加電圧の値に基づいて、光ファイバの屈曲量及び屈曲方向を調整する構成としてもよい。これにより、回転軌跡の調整にかかる時間を短縮することができる。

さらに、所定の回数内で判定手段により正常と判定されなかった場合に、異常と判定されたことを報知する報知手段を備える構成としてもよい。

本発明によれば、各アクチュエータの特性のバラツキが大きな場合でも、正常な観察画像が得られるように光ファイバの出射端を回転走査させることが可能な光走査型内視鏡装置が提供される。

図１は、本発明の一実施形態に係る走査型内視鏡システムの構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る走査型内視鏡システムが有する共焦点光学ユニットの構成を概略的に示す図である。 図３は、本発明の一実施形態の走査型内視鏡システムが有する圧電アクチュエータの構成を概略的に示す図である。 図４は、ＸＹ近似面上における光ファイバの先端の回転軌跡を示す図である。 図５は、ＸＹ近似面上における光ファイバの先端のＸ（又はＹ）方向の変位量と、サンプリング期間及び制動期間との関係を示す図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る走査型内視鏡システムが有するファイバ位置検出センサの構成を概略的に示す図である。 図７は、本発明の一実施形態に係る走査型内視鏡システムにおいて実行される回転軌跡確認処理のフローチャートである。 図８（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る走査型内視鏡システムにおいて実行される光ファイバの先端の回転軌跡の調整を示すグラフ及び模式図である。 図９（ａ）〜（ｄ）は、本発明の別の実施形態に係る走査型内視鏡システムにおいて実行される光ファイバの先端の回転軌跡の調整を示すグラフ及び模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る走査型内視鏡システムについて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る走査型内視鏡システム１の構成を示すブロック図である。本実施形態の走査型内視鏡システム１は、共焦点顕微鏡の原理を応用して設計されたシステムであり、高倍率かつ高解像度の被写体を観察するのに好適に構成されている。図１に示されるように、走査型内視鏡システム１は、システム本体１００、共焦点プローブ２００、モニタ３００を有している。走査型内視鏡システム１を用いた共焦点観察は、可撓性を有する管状の共焦点プローブ２００の先端面を被写体に当て付けた状態で行う。

システム本体１００は、光源１０２、光分波合波器（フォトカプラ）１０４、ダンパ１０６、ＣＰＵ１０８、ＣＰＵメモリ１１０、光ファイバ１１２、受光器１１４、映像信号処理回路１１６、画像メモリ１１８、映像信号出力回路１２０、判定回路１２２を有している。共焦点プローブ２００は、光ファイバ２０２、共焦点光学ユニット２２０、サブＣＰＵ２０６、サブメモリ２０８、走査ドライバ２１０を有している。

光源１０２は、ＣＰＵ１０８の駆動制御に従い、患者の体腔内に投与された薬剤を励起する励起光を出射する。励起光は、光分波合波器１０４に入射する。光分波合波器１０４のポートの１つには、光コネクタ１５２が結合している。光分波合波器１０４の不要ポートには、光源１０２から出射された励起光を無反射終端するダンパ１０６が結合している。前者のポートに入射した励起光は、光コネクタ１５２を通過して共焦点プローブ２００内に配置された光学系に入射する。

光ファイバ２０２の基端は、光コネクタ１５２を通じて光分波合波器１０４と光学的に結合している。光ファイバ２０２の先端は、共焦点プローブ２００の先端部に組み込まれた共焦点光学ユニット２２０内に収められている。光分波合波器１０４から出射された励起光は、光コネクタ１５２を通過して光ファイバ２０２の基端に入射後、光ファイバ２０２を伝送して光ファイバ２０２の先端から出射される。

図２は、共焦点光学ユニット２２０の構成を概略的に示す図である。図２（ａ）は、共焦点光学ユニット２２０の側断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図、図２（ｄ）は、図２（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。以下、共焦点光学ユニット２２０を説明する便宜上、共焦点光学ユニット２２０の長手方向をＺ方向と定義し、Ｚ方向に直交しかつ互いに直交する２方向をＸ方向、Ｙ方向と定義する。図２（ａ）〜（ｄ）に示されるように、共焦点光学ユニット２２０は、各種構成部品を収容する金属製の外筒２２１を有している。外筒２２１は、外筒２２１の内壁面形状に対応する外壁面形状を持つ内筒２２２を同軸（Ｚ方向）にスライド自在に保持している。光ファイバ２０２の先端（以下、符号「２０２ａ」を付す）は、外筒２２１及び内筒２２２の各基端面に形成された開口に挿通され、内筒２２２に固定、支持されており、光ファイバ２０２は、外筒２２１から光コネクタ１５２に延びるファイバ保護チューブ２０３で覆われている。なお、後述するように、光ファイバ２０２の先端２０２ａは、走査型内視鏡システム１の二次的な点光源として機能し、点光源である先端２０２ａの位置は、ＣＰＵ１０８による制御に基づいて周期的に変化する。また、図２（ａ）中、中心軸ＡＸは、Ｚ方向に配置された光ファイバ２０２の軸心を示しており、光ファイバ２０２の先端２０２ａが振動していない状態のとき、中心軸ＡＸは、光ファイバ２０２の光路と一致する。

サブメモリ２０８（図１）は、共焦点プローブ２００の識別情報や各種プロパティ等のプローブ情報を格納している。サブＣＰＵ２０６は、システム起動時にサブメモリ２０８からプローブ情報を読み出して、システム本体１００と共焦点プローブ２００とを電気的に接続する電気コネクタ１５４を介してＣＰＵ１０８に送信する。ＣＰＵ１０８は、送信されたプローブ情報をＣＰＵメモリ１１０に格納する。ＣＰＵ１０８は、格納したプローブ情報を必要時に読み出して共焦点プローブ２００の制御に必要な信号を生成して、サブＣＰＵ２０６に送信する。サブＣＰＵ２０６は、ＣＰＵ１０８から送信された制御信号に従って走査ドライバ２１０に必要な設定値を指定する。

走査ドライバ２１０は、指定された設定値に応じたドライブ信号を生成して、先端２０２ａ付近の光ファイバ２０２の外周面に接着固定された筒状の圧電アクチュエータ２２３を駆動制御する。図３は、圧電アクチュエータ２２３の構成を概略的に示す図である。図３に示されるように、圧電アクチュエータ２２３は、走査ドライバ２１０と接続された５つの電極（図中「２２３Ａ」、「２２３Ｂ」、「２２３Ｃ」、「２２３Ｄ」、「２２３Ｅ」）を圧電体上に形成したアクチュエータであり、各電極がそれぞれ独立した５つのアクチュエータを構成している。電極２２３Ａ〜２２３Ｅは、圧電アクチュエータ２２３のＸＹ平面による断面において、円周上に等間隔に配置されている。

走査ドライバ２１０は、交流電圧ＡＶ１を圧電アクチュエータ２２３の電極２２３Ａに印加し、交流電圧ＡＶ１と同一周波数でかつ略同一の振幅であって、位相が２π／５遅れた交流電圧ＡＶ２を電極２２３Ｂに印加する。同様に、交流電圧ＡＶ２に対して位相が２π／５遅れた交流電圧ＡＶ３を電極２２３Ｃに、交流電圧ＡＶ３に対して位相が２π／５遅れた交流電圧ＡＶ４を電極２２３Ｄに、交流電圧ＡＶ４に対して位相が２π／５遅れた交流電圧ＡＶ５を電極２２３Ｅにそれぞれ印加する。各電極への印加電圧の詳細については後述する。なお、交流電圧ＡＶ１〜ＡＶ５は、位相を２π／５ずつ進ませて電極に印加してもよい。各交流電圧ＡＶ１〜ＡＶ５は、それぞれ振幅が時間に比例して線形に増加して、時間（ＡＶ１）、（ＡＶ２）、（ＡＶ３）、（ＡＶ４）、（ＡＶ５）かけて実効値（ＡＶ１）、（ＡＶ２）、（ＡＶ３）、（ＡＶ４）、（ＡＶ５）に達する電圧として定義される。

このように、電極２２３Ａ〜２２３Ｅに交流電圧ＡＶ１〜ＡＶ５を印加することにより圧電体が共振する結果、光ファイバ２０２の先端２０２ａは、圧電アクチュエータ２２３によるＸ方向、Ｙ方向への運動エネルギーが合成されて、Ｘ−Ｙ平面に近似する面（以下、「ＸＹ近似面」と記す。）上において中心軸ＡＸを中心に渦巻状のパターンを描くように回転する。先端２０２ａの回転軌跡は、印加電圧に比例して大きくなり、実効値（ＡＶ１）、（ＡＶ２）、（ＡＶ３）、（ＡＶ４）、（ＡＶ５）の交流電圧が印加された時点で最も大きい径を有する円の軌跡を描く。図４に、ＸＹ近似面上の先端２０２ａの回転軌跡を示す。

励起光は連続光であり、圧電アクチュエータ２２３への交流電圧ＡＶ１〜ＡＶ５の印加開始直後から印加停止までの期間中、光ファイバ２０２の先端２０２ａから出射される。以下、説明の便宜上、この期間を「サンプリング期間」と記す。サンプリング期間が経過して圧電アクチュエータ２２３への交流電圧ＡＶ１〜ＡＶ５の印加が停止すると、光ファイバ２０２の振動が減衰する。ＸＹ近似面上における先端２０２ａの円運動は、光ファイバ２０２の振動の減衰に伴って収束し、所定時間後に中心軸ＡＸ上で停止する。以下、説明の便宜上、サンプリング期間が終了してから先端２０２ａが中心軸ＡＸ上に停止するまでの期間（より正確には、中心軸ＡＸ上での停止を保証するため、停止までに要する計算上の時間より僅かに長い期間）を「制動期間」と記す。１フレームに対応する期間は、１つのサンプリング期間と１つの制動期間で構成される。制動期間を短縮するため、制動期間の初期段階に圧電アクチュエータ２２３に逆相電圧を印加して制動トルクを積極的に加えてもよい。図５に、ＸＹ近似面上における先端２０２ａのＸ（又はＹ）方向の変位量（振幅）と、サンプリング期間及び制動期間との関係を示す。

光ファイバ２０２の先端２０２ａの前方には、対物光学系２２４（図２）が設置されている。対物光学系２２４は、複数枚の光学レンズで構成されており、図示省略されたレンズ枠を介して内筒２２２に保持されている。そのため、レンズ枠に保持された光学レンズ群は、内筒２２２と一体となってＺ方向にスライドする。なお、後述するように、本実施形態においては、４つの磁気センサ２２７ａ、２２７ｂ、２２７ｃ、２２７ｄで構成されるファイバ位置検出センサ２２７が外筒２２１の内壁面に沿って取り付けられているため（図２（ａ）、（ｃ））、ファイバ位置検出センサ２２７と内筒２２２とが干渉しないように、内筒２２２のファイバ位置検出センサ２２７に対応する位置には、軸心方向に沿って（すなわち、中心軸ＡＸに沿って）延びるスリット２２２ａが形成されている。また、外筒２２１の最先端（すなわち、対物光学系２２４の前方）には、図示省略されたカバーガラスが保持されている。

外筒２２１の基端面には、Ｚ方向に延びる回転軸２２６ａを備えたモータ２２６が取り付けられている。回転軸２２６ａの表面にはネジが切られており、回転軸の先端は、内筒２２２の基端部に設けられたネジ穴に挿通されている。また、内筒２２２の基端面と外筒２２１の内壁面との間には、圧縮コイルばね２２５が取り付けられている。圧縮コイルばね２２５は、自然長からＺ方向に初期的に圧縮挟持されており、モータ２２６に対してプリロードを与えている。走査ドライバ２１０は、サブＣＰＵ２０６が指定した設定値に応じたドライブ信号を生成して、モータ２６６を制御する。モータ２２６は、入力されるドライブ信号に応じて内筒２２２を光ファイバ２０２ごとＺ方向に進退させる。

光ファイバ２０２の先端２０２ａから出射した励起光は、対物光学系２２４を透過して被写体の表面又は表層でスポットを形成する。スポット形成位置は、点光源である先端２０２ａの進退に応じてＺ軸方向に変位する。すなわち、共焦点光学ユニット２２０は、２軸アクチュエータ２２３による先端２０２ａのＸＹ近似面上の周期的な円運動とＺ方向の進退を併せることで、被写体を三次元走査する。

光ファイバ２０２の先端２０２ａは、対物光学系２２４の前側焦点位置に配置されているため、共焦点ピンホールとして機能する。従って、先端２０２ａには、励起光により励起された被写体の散乱成分（蛍光）のうち先端２０２ａと光学的に共役な集光点からの蛍光のみが入射する。蛍光は、光ファイバ２０２によって伝搬され、光コネクタ１５２を通過して光分波合波器１０４に入射する。光分波合波器１０４は、入射した蛍光を光源１０２から出射される励起光と分離して光ファイバ１１２に導く。蛍光は、光ファイバ１１２を伝搬して受光器１１４で検出される。受光器１１４には、微弱な光を低ノイズで検出するため、例えば光電子増倍管等の高感度光検出器が用いられる。

受光器１１４によって検出された検出信号は、映像信号処理回路１１６に入力する。映像信号処理回路１１６は、ＣＰＵ１０８の制御下で動作して、検出信号を一定のレートでサンプルホールド及びＡＤ変換してデジタル検出信号を得る。ここで、サンプリング期間中の光ファイバ２０２の先端２０２ａの位置（軌跡）が決まると、当該位置に対応する観察領域（走査領域）中のスポット形成位置、当該スポット形成位置からの戻り光を検出してデジタル検出信号を得る信号取得タイミングがほぼ一義的に決まる。後述するように、本実施形態においては、あらかじめ、光ファイバ２０２の先端２０２ａの回転軌跡を検出し、回転軌跡に歪みがある場合には自動で補正を行っている。従って、サンプリング期間中の光ファイバ２０２の先端２０２ａの位置（軌跡）が安定的に求まるため、光ファイバ２０２の先端２０２ａの位置から求まる所定のタイミングでデジタル検出信号を取得している。ＣＰＵメモリ１１０には、決定されたデジタル検出信号の信号取得タイミングと画素位置（画素アドレス）とを関連付けたリマップテーブルが格納されている。

映像信号処理回路１１６は、リマップテーブルを参照して、各デジタル検出信号により表現される点像の画素アドレスへの割り当てを信号取得タイミングに応じて行う。以下、説明の便宜上、上記の割り当て作業をリマッピングと記す。映像信号処理回路１１６は、リマッピング結果に従って、各点像の空間的配列によって構成される画像の信号を画像メモリ１１８にフレーム単位でバッファリングする。バッファリングされた信号は、所定のタイミングで画像メモリ１１８から映像信号出力回路１２０に掃き出されて、ＮＴＳＣ（National Television System Committee）やＰＡＬ（Phase Alternating Line）等の所定の規格に準拠した映像信号に変換されてモニタ３００に出力される。モニタ３００の表示画面には、高倍率かつ高解像度の被写体の三次元共焦点画像が表示される。

上述したように、本実施形態においては、圧電アクチュエータ２２３を構成する電極２２３Ａ〜２２３Ｅに交流電圧ＡＶ１〜ＡＶ５をそれぞれ印加し、圧電アクチュエータ２２３をＸ方向及びＹ方向に共振（すなわち、屈曲）させることで、光ファイバ２０２の先端２０２ａを渦巻状のパターンを描くように回転させている。ここで、圧電アクチュエータ２２３のＸ方向及びＹ方向における変位量（振幅）は、基本的に各電極に印加する電圧に依存するところ、各アクチュエータを構成するセラミックの結晶構造のバラツキ、分極時の温度設定のバラツキ、分極時の印加電圧のバラツキ等に因り、各アクチュエータの特性にバラツキが生じる。このため、各電極に同一の電圧を印加しても必ずしも同じ量だけ変位するとは限らず、各アクチュエータの特性が異なる場合、光ファイバ２０２の先端２０２ａは理想的な円形の渦巻状のパターンとはならない。そこで、本実施形態においては、後述するように、あらかじめ、光ファイバ２０２の先端２０２ａの回転軌跡を検出し、回転軌跡に歪みがある場合には自動で補正を行うように構成されている。

図６は、ファイバ位置検出センサ２２７の構成を概略的に示す図であり、図２における外筒２２１の先端側から外筒２２１の基端側（すなわち、図２の左側から右側）を見たときの正面図である。但し、説明の便宜のため、図６においては、対物光学系２２４を省略して示している。

図２及び図６に示すように、光ファイバ２０２の先端２０２ａ近傍であって、圧電アクチュエータ２２３よりも光ファイバ２０２の先端２０２ａ側に、環状のマグネット２２８が取り付けられている。また、マグネット２２８を取り囲むように、ファイバ位置検出センサ２２７が外筒２２１の内壁面に沿って取り付けられている。本実施形態においては、ファイバ位置検出センサ２２７は、マグネット２２８と対向するように配置された４つの磁気センサ２２７ａ、２２７ｂ、２２７ｃ、２２７ｄで構成される。磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄは、光ファイバ２０２の中心軸ＡＸを中心とする円周上に一定の間隔をおいて配置されている。磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄは、例えば、ホール素子で構成され、Ｘ方向に沿って配置される磁気センサ２２７ａ及び２２７ｂで検出される磁界の向きと、Ｙ方向に沿って配置される磁気センサ２２７ｃ及び２２７ｄで検出される磁界の向きとが逆向きになるように（すなわち、磁気センサの向きを１８０°反転して）配置されている。

各磁気センサで検出された磁界のデータは、電圧に変換されて走査ドライバ２１０、サブＣＰＵ２０６及び電気コネクタ１５４を経由してＣＰＵ１０８に送られる。ＣＰＵ１０８は、入力される磁界のデータを判定回路１２２に出力する。判定回路１２２は、磁界のデータに基づいて、光ファイバ２０２の先端２０２ａの振幅が正常か否かを判断する。詳細については、後述する。

上述したように、光ファイバ２０２の先端２０２ａが渦巻状のパターンを描くように回転すると、光ファイバ２０２の先端２０２ａ近傍に配置されたマグネット２２８と、磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄとの相対的な位置関係が変化する。本実施形態においては、光ファイバ２０２の先端２０２ａが中心軸ＡＸ上で停止している場合、マグネット２２８と磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄとの間の距離が十分に大きく、マグネット２２８の磁束（磁界）が磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄによって検出されないように構成されている。一方、光ファイバ２０２の先端２０２ａが回転するときには、マグネット２２８が磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄに近づくあるいは離れるため、マグネット２２８と磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄとの間の距離に応じた磁束が磁気センサ２２７ａによって検出される（マグネットと磁気センサとが、中心軸ＡＸから当該磁気センサまでの距離以上に離れている場合は検出されない）ように構成されている。

光ファイバ２０２の先端２０２ａが渦巻状のパターンを描くように回転するとき、磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄは、マグネット２２８との距離に応じた電圧を出力する。例えば、光ファイバ２０２の先端２０２ａが中心軸ＡＸを中心として１回転すると、マグネット２２８は、磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄに囲まれた空間を１回転する。このとき、マグネット２２８は、磁気センサ２２７ａ、２２７ｃ、２２７ｂ、２２７ｄに順次一定の速度で接近し、離間する。従って、磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄからの出力電圧は、横軸を時間としたときに４つの山形の波形を組み合わせた波形となる。このように、本実施形態の走査型内視鏡システム１においては、各磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄの出力電圧の波形に基づいて光ファイバ２０２の先端２０２ａの回転軌道が検出される。

また、光ファイバ２０２の先端２０２ａがＺ方向に移動するときは、マグネット２２８と磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄの相対的な位置関係が変化するため、磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄの出力電圧のピーク値が変化する。本実施形態においては、このような磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄの出力電圧のピーク値の変化を利用し、光ファイバ２０２の先端２０２ａのＺ方向への移動量をモニタしている。従って、内筒２２２とモータ２２６の回転軸２２６ａとの間でバックラッシュがあるような場合であっても、光ファイバ２０２の先端２０２ａの位置がＺ方向において正確に制御される。

次に、本実施形態のＣＰＵ１０８において実行される回転軌跡確認処理について説明する。図７は、本実施形態のＣＰＵ１０８において実行される回転軌跡確認処理のフローチャートである。本実施形態の回転軌跡確認処理は、走査型内視鏡システム１の画像取得・表示動作に先立って行われる一種のサブルーチンであり、走査型内視鏡システム１のシステム起動時に、ＣＰＵ１０８が不図示のメモリに記憶されているプログラムをＣＰＵメモリ１１０に読み出して実行することにより行われる。説明の便宜上、本明細書中の説明並びに図面において、処理ステップは「Ｓ」と省略して記す。図７に示すように、電源投入時にＣＰＵ１０８はＳ１０１を実行する。

Ｓ１０１では、ＣＰＵ１０８は、システム本体１００の各部を起動すると共に、電気コネクタ１５４を介してサブＣＰＵ２０６に指示を出して共焦点プローブ２００を起動する。また、ＣＰＵ１０８は、サブＣＰＵ２０６、走査ドライバ２１０を介してモータ２２６を駆動し、光ファイバ２０２の先端２０２ａを初期位置まで移動させる。次に、処理はＳ１０３に進む。

Ｓ１０３では、ＣＰＵ１０８は、ＣＰＵメモリ１１０に格納されている基準の設定値を読み込む。ここで、基準の設定値とは、光ファイバ２０２の先端２０２ａを基準の渦巻状のパターンを描くように回転させるための走査ドライバ２１０のパラメータであり、これによって電極２２３Ａ〜２２３Ｅには基準の交流電圧ＡＶ１〜ＡＶ５がそれぞれ印加される。次いで、処理はＳ１０５に進む。

Ｓ１０５では、ＣＰＵ１０８は、読み込んだ基準の設定値をサブＣＰＵ２０６を介して走査ドライバ２１０に送信し、走査ドライバ２１０が、圧電アクチュエータ２２３の電極２２３Ａ〜２２３Ｅに交流電圧ＡＶ１〜ＡＶ５をそれぞれ印加する。次いで、処理はＳ１０７に進み、ＣＰＵ１０８は、磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄからの出力電圧を受信して光ファイバ２０２の先端２０２ａの軌道検出を行い、振幅の確認を行う。

ここで、図８（ａ）、（ｂ）を参照しながら、本実施形態における光ファイバ２０２の先端２０２ａの回転軌跡について説明する。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態では、一例として、電極２２３Ｃが破損しているために電極２２３Ｃに所定の電圧を印加しても所望の振幅を得ることができない現象が生じているとする。図８（ａ）は、圧電アクチュエータ２２３の電極２２３Ａ〜２２３Ｅに対する印加電圧の時間Ｔ１〜Ｔ５の推移を示すグラフである。図８（ｂ）には、図８（ａ）に示す電圧が印加されたときの光ファイバ２０２の先端２０２ａの回転軌跡Ｐを示す。なお、便宜上、回転軌跡Ｐは、圧電アクチュエータ２２３の電極２２３Ａ〜２２３Ｅに対する印加電圧が上述した実効値（ＡＶ１）〜（ＡＶ５）である場合の軌跡であるとする。また、図８（ｂ）において、Ｐ１〜Ｐ５は、時間Ｔ１〜Ｔ５における光ファイバ２０２の先端２０２ａの位置をそれぞれ示す。光ファイバ２０２の先端２０２ａの振幅とは、中心軸ＡＸから回転軌跡Ｐまでの距離である。図８（ｂ）の走査領域Ｗは、光ファイバ２０２の先端２０２ａの走査によって画像を取得するのに必要な最低限の走査領域を示しており、正常な画像を取得するには、回転軌跡Ｐ内に走査領域Ｗが含まれている必要がある。Ｓ１０７では、ＣＰＵ１０８が、磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄからの出力電圧をモニタし、光ファイバ２０２の先端２０２ａの振幅を確認する。次いで、処理はＳ１０９に進む。

Ｓ１０９では、判定回路１２２が、光ファイバ２０２の先端２０２ａの振幅が所定の閾値以上か否かを判断する。ここで所定の閾値とは、回転軌跡Ｐ内に走査領域Ｗが含まれるために必要な振幅の値である。振幅が所定の閾値より小さいと、光ファイバ２０２の先端２０２ａを走査しても正常な画像を取得できない。本実施形態では電極２２３Ｃが破損しているため、図８（ｂ）に示すように、回転軌跡Ｐが変形して、光ファイバ２０２の先端２０２ａは電極２２３Ｃ側において走査領域Ｗの一部を走査できない状態となっている。このため、判定回路１２２は、電極２２３Ｃに異常が生じているために振幅が所定の閾値より小さいと判定する。従って、Ｓ１０９では、振幅異常と判断されて（Ｓ１０９：Ｙｅｓ）、処理がＳ１１１に進む。なお、Ｓ１０９において、光ファイバ２０２の先端２０２ａの走査領域に走査領域Ｗが含まれている、すなわち振幅が所定の閾値以上であると判断された場合は（Ｓ１０９：Ｎｏ）、振幅正常としてＳ１２９に進み、システムの起動を完了して本ルーチン（回転軌跡確認処理）を終了する。

Ｓ１１１では、ＣＰＵ１０８は、補正回数パラメータｉを「０」にリセットする。ここで、補正回数パラメータｉは、後述する補正処理（Ｓ１１３）の実行回数をカウントする変数である。次いで、処理はＳ１１３に進む。

Ｓ１１３では、ＣＰＵ１０８は、判定回路１２２の判定結果に基づいて、光ファイバ２０２の先端２０２ａの走査領域が走査領域Ｗを含むように補正処理を実行する。具体的には、磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄからの出力電圧をモニタし、圧電アクチュエータ２２３の電極２２３Ａ〜２２３Ｅに印加される交流電圧ＡＶ１〜ＡＶ５の振幅をそれぞれ所定量調整する。図８（ｃ）は、Ｓ１１３の補正処理を説明するグラフであり、図８（ａ）と同様、圧電アクチュエータ２２３の電極２２３Ａ〜２２３Ｅに対する印加電圧の時間Ｔ１〜Ｔ５の推移を示している。本実施形態では、電極２２３Ｃに異常が生じ、光ファイバ２０２の先端２０２ａの走査領域が電極２２３Ｃ側において走査領域Ｗの一部を含んでいないため（図８（ｂ））、電極２２３Ｃに隣接する電極２２３Ｂ、２２３Ｄに印加する交流電圧ＡＶ２、ＡＶ４の振幅が所定量増加するように調整している。具体的には、図８（ｃ）中、「Ｒ１」及び「Ｒ２」で示すように、時間Ｔ２においてＡＶ２の電圧を正側に増加させ、時間Ｔ４においてＡＶ４の電圧を正側に増加させるように、走査ドライバ２１０の設定値を変更する。次いで、処理はＳ１１５に進む。

Ｓ１１５では、ＣＰＵ１０８は、補正回数パラメータｉを１だけインクリメントし、処理はＳ１１７に進む。

Ｓ１１７では、Ｓ１０７と同様に、光ファイバ２０２の先端２０２ａの振幅を確認する。次いで、処理はＳ１１９に進み、Ｓ１０９と同様に、光ファイバ２０２の先端２０２ａ振幅が所定の閾値以上か否かを判断する。Ｓ１１９において、振幅が所定の閾値以上であると判断された場合は（Ｓ１１９：Ｎｏ）、処理はＳ１２１に進む。また、振幅が所定の閾値より小さいと判断された場合は（Ｓ１１９：Ｙｅｓ）、Ｓ１２５に進む。

Ｓ１２１では、ＣＰＵ１０８は、振幅正常として回転軌跡の補正処理を完了し、処理はＳ１２３に進む。Ｓ１２３では、補正後の圧電アクチュエータ２２３の電極２２３Ａ〜２２３Ｅに対する印加電圧の各値をＣＰＵメモリ１１０に記憶して、処理はＳ１２９に進み、システムの起動を完了する。

Ｓ１２５では、ＣＰＵ１０８は、補正回数パラメータｉが所定の上限値に達したか否かを判断する。圧電アクチュエータ２２３の電極２２３Ａ〜２２３Ｅに印加できる電圧には所定の許容範囲があるため、補正回数パラメータｉが所定の上限値に達したか否かを判断することにより、圧電アクチュエータ２２３の不具合（故障）を判断している。Ｓ１２５において、補正回数パラメータｉが所定の上限値に達していると判断された場合（Ｓ１２５：Ｙｅｓ）、ＣＰＵ１０８は、圧電アクチュエータ２２３に不具合があると判断し、モニタ３００にエラー表示（異常情報出力）を行って（Ｓ１２７）、Ｓ１２９に進みシステムの起動を完了する。一方、Ｓ１２５において、補正回数パラメータｉが所定の上限値に達していないと判断された場合（Ｓ１２５：Ｎｏ）、処理は、Ｓ１１３に戻る。

そして、Ｓ１１３からＳ１１９までの処理が繰り返され、Ｓ１１９において振幅が正常と判断されると（すなわち、光ファイバ２０２の先端２０２ａの走査領域に走査領域Ｗが含まれていると判断されると）、システムの起動を完了して（Ｓ１２９）本ルーチン（回転軌跡確認処理）を終了する。図８（ｄ）は、本ルーチン終了後の光ファイバ２０２の先端２０２ａの回転軌跡Ｐ’を示す図である。なお、図８（ｄ）において、Ｐ’１〜Ｐ’５は、時間Ｔ１〜Ｔ５における光ファイバ２０２の先端２０２ａの位置をそれぞれ示している。

このように、回転軌跡確認処理のサブルーチンが実行されることにより、光ファイバ２０２の先端２０２ａの走査領域内に画像取得に最低限必要な走査領域Ｗが含まれるように自動的に校正される。そして、本実施形態の走査型内視鏡システム１においては、この状態で、光ファイバ２０２の先端２０２ａを渦巻状のパターンで回転させながらＺ方向に移動させ、被写体を三次元走査することにより、三次元画像を取得している。

以上が本発明の実施形態の説明であるが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、技術的思想の範囲内において様々な変形が可能である。例えば、本実施形態においては、５つの電極２２３Ａ〜２２３Ｅを備える圧電アクチュエータ２２３を用いる構成として説明したが、電極を６極以上設けた圧電アクチュエータを用いる構成としてもよい。

図９（ａ）〜（ｄ）は、本発明の別の実施形態として、８つの電極２２３Ａ’〜２２３Ｈ’を備える圧電アクチュエータ２２３’を用いて回転軌跡の補正を行う場合における、各電極への印加電圧の推移及び光ファイバ２０２の先端２０２ａの回転軌跡を示す図である。なお、説明の便宜上、時間Ｔ１〜Ｔ８における光ファイバ２０２の先端２０２ａの位置の図示及び説明は省略する。なお、本実施形態においては、電極２２３Ｃ’が破損しており、所定の電圧を印加しても所望の振幅を得られないものとして説明する。

図９（ａ）に示すように、各電極２２３Ａ’〜２２３Ｈ’への印加電圧ＡＶ１’〜ＡＶ８’の位相は、ＡＶ１’から順次π／４だけ遅れている。このように位相を順次ずらした電圧を電極２２３Ａ’〜２２３Ｈ’に印加することにより、図９（ｂ）に示すように、光ファイバ２０２の先端２０２ａが回転軌跡Ｐ’’を描く。但し、電極２２３Ｃ’が破損しているため、光ファイバ２０２の先端２０２ａの走査領域が、電極２２３Ｃ’に対向する位置において、走査領域Ｗの一部を含まない状態となっている。

そこで、走査型内視鏡システム１の電源投入時に、ＣＰＵ１０８が回転軌跡確認処理を行う。当該処理のフローチャートは、図７に示すものと同じであるため、図７を参照しながら説明するが、５つの電極２２３Ａ〜２２３Ｅを備える圧電アクチュエータ２２３を使用する場合と同じ処理を行うステップの説明は省略する。

本実施形態では、Ｓ１０３において、ＣＰＵ１０８は、ＣＰＵメモリ１１０に格納されている基準の設定値を読み込み、電極２２３Ａ’〜２２３Ｈ’に基準の交流電圧ＡＶ１’〜ＡＶ８’がそれぞれ印加される。本実施形態では、光ファイバ２０２の先端２０２ａの走査領域が、走査領域Ｗの一部を含まない状態となっているため、上述の通り判定回路１２２により電極２２３Ｃ’に異常が生じていると判定され、Ｓ１０９において振幅異常と判断される（Ｓ１０９：Ｙｅｓ）。

Ｓ１１３では、ＣＰＵ１０８は、光ファイバ２０２の先端２０２ａの走査領域が走査領域Ｗを含むように補正処理を実行する。具体的には、磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄからの出力電圧をモニタし、圧電アクチュエータ２２３’の電極２２３Ａ’〜２２３Ｈ’に印加される交流電圧ＡＶ１’〜ＡＶ８’の振幅をそれぞれ所定量調整する。本実施形態では、電極２２３Ｃ’に異常が生じ、光ファイバ２０２の先端２０２ａの走査領域が電極２２３Ｃ’側において走査領域Ｗの一部を含んでいないため（図９（ｂ））、図９（ｃ）に示すように、電極２２３Ｃ’に隣接する電極２２３Ｂ’、２２３Ｄ’に印加する交流電圧ＡＶ２’、ＡＶ４’の振幅が所定量増加するように調整し、さらに電極２２３Ｃ’に対向する電極２２３Ｇ’に隣接する電極２２３Ｆ’、２２３Ｈ’に印加する交流電圧ＡＶ６’、ＡＶ８’の振幅が所定量増加するように調整している。具体的には、図９（ｃ）中、「Ｒ３」及び「Ｒ４」で示すように、時間Ｔ２においてＡＶ２’の電圧を正側に増加させ、時間Ｔ４においてＡＶ４’の電圧を正側に増加させる。また、図９（ｃ）中、「Ｒ５」及び「Ｒ６」で示すように、時間Ｔ２においてＡＶ６’の電圧を負側に増加させ、時間Ｔ４においてＡＶ８’の電圧を負側に増加させる。このように、本実施形態においては、破損している電極２２３Ｃ’に隣接する電極２２３Ｂ’、２２３Ｄ’、及び、これらに対向して配置されている電極２２３Ｆ’、２２３Ｈ’に印加する電圧を変更するように、走査ドライバ２１０の設定値を変更する。図９（ｄ）は、本実施形態の回転軌跡確認処理が終了した後の、光ファイバ２０２の先端２０２ａの回転軌跡Ｐ’’’を示す図である。

以上により、本実施形態においても、所定の電圧を印加しても所望の振幅を得ることができない電極（２２３Ｃ’）があり、回転軌跡（Ｐ’’）が異常となる場合でも、他の電極への印加電圧を調整することにより、所望の観察画像を取得することができるように回転軌跡を正常に戻すことができる。すなわち、光ファイバ２０２の先端２０２ａの走査領域内（回転軌跡Ｐ’’’内）に画像取得に最低限必要な走査領域Ｗが含まれるように自動的に校正される。

また、上記の説明においては、４つの磁気センサ２２７ａ〜２２７ｄを中心軸ＡＸを中心とした円周上に配置して、光ファイバ２０２の先端２０２ａの回転軌跡を追跡する構成として説明したが、光ファイバ２０２の先端２０２ａの走査領域が、画像取得に最低限必要な走査領域Ｗを含むか否かが判ればよいため、少なくとも３つ以上の磁気センサを中心軸ＡＸを中心とした円周上に配置した構成とすればよい。さらに、磁気センサの代わりに、例えば光ファイバ２０２の先端２０２ａの回転軌跡検出用の光学的な位置センサを共焦点プローブ２００の先端に取り付けて、光ファイバ２０２の先端２０２ａの回転軌跡を追跡する構成としてもよい。

また、上記の説明においては、電極２２３Ｃ’に隣接する電極２２３Ｂ’、２２３Ｄ’に加えて電極２２３Ｆ’、２２３Ｈ’に印加する電圧を変更しているが、印加する電圧を変更する電極は、必ずしも異常と判断された電極に隣接する電極と対向する電極に限らず、異常と判断された電極と対向する側に配置されている電極を対象として印加する電圧を変更する構成としても本発明の効果を得ることができる。

また、上記の説明において、回転軌跡確認処理のＳ１０３では、走査ドライバ２１０に基準の設定値を送信して、圧電アクチュエータ２２３、２２３’の電極２２３Ａ〜２２３Ｅ、２２３Ａ’〜２２３Ｈ’に基準の交流電圧ＡＶ１〜ＡＶ５、ＡＶ１’〜ＡＶ８’を印加する構成としたが、Ｓ１０３において、以前の回転軌跡確認処理の実行時にＳ１２３において保存された補正後の設定値をＣＰＵメモリ１１０から読み出す構成としてもよい。このような構成とすれば、回転軌跡確認処理にかかる時間が短縮される。

また、上記の説明においては、走査型内視鏡システム１は、励起光を出射する共焦点プローブ２２０を備える構成として説明したが、この構成に限定されるものではなく、白色光を出射する通常の走査型内視鏡システムに適用することも可能である。

１ 走査型内視鏡システム
１００ システム本体
１０２ 光源
１０４ 光分波合波器
１０６ ダンパ
１０８ ＣＰＵ
１１０ ＣＰＵメモリ
１１２ 光ファイバ
１１４ 受光器
１１６ 映像信号処理回路
１１８ 画像メモリ
１２０ 映像信号出力回路
１２２ 判定回路
２００ 共焦点プローブ
２０２ 光ファイバ
２０３ ファイバ保護チューブ
２０６ サブＣＰＵ
２０８ サブメモリ
２１０ 走査ドライバ
２２０ 共焦点光学ユニット
２２１ 外筒
２２２ 内筒
２２３ 圧電アクチュエータ
２２３Ａ、２２３Ｂ、２２３Ｃ、２２３Ｄ、２２３Ｅ、２２３Ａ’、２２３Ｂ’、２２３Ｃ’、２２３Ｄ’、２２３Ｅ’、２２３Ｆ’、２２３Ｇ’、２２３Ｈ’ 電極
２２４ 対物光学系
２２５ 圧縮コイルばね
２２６ モータ
２２７ ファイバ位置検出センサ
２２７ａ、２２７ｂ、２２７ｃ、２２７ｄ 磁気センサ
２２８ マグネット
ＡＸ 中心軸
Ｐ、Ｐ’、Ｐ’’、Ｐ’’’ 回転軌跡
Ｗ 走査領域

Claims (6)

1. 入射端に入射する光を出射端まで導光して該出射端から出射する光ファイバと、
   前記光ファイバの出射端近辺であって前記光ファイバの入射端寄りの位置に設けられ、前記光ファイバの円筒面を前記光ファイバの長手方向に直交する少なくとも５つ以上の方向から押圧することにより前記光ファイバを屈曲させ、前記光ファイバの出射端を渦巻状に回転させて前記光ファイバから出射する光を所定の領域で走査させる、少なくとも５つ以上のアクチュエータを有する光ファイバ走査手段と、
   前記各アクチュエータに電圧を印加して前記光ファイバの屈曲量及び屈曲方向を調整する調整手段と、
   前記光ファイバの出射端側に配置され、前記光ファイバの出射端の回転軌跡を検出する検出手段と、
   前記検出された前記光ファイバの出射端の回転軌跡に基づいて前記アクチュエータが異常か否かを判定する判定手段と、
   を備え、
   前記調整手段は、前記判定手段により前記アクチュエータが異常と判定されたときに、前記光ファイバ走査手段が前記所定の領域を含む領域を走査するように、前記異常と判定されたアクチュエータに隣接するアクチュエータに印加する電圧を調整して前記光ファイバの屈曲量及び屈曲方向を調整することを特徴とする光走査型内視鏡装置。
2. 前記調整手段は、前記各アクチュエータに印加する電圧の振幅を調整することにより前記光ファイバの屈曲量及び屈曲方向を調整することを特徴とする請求項１に記載の光走査型内視鏡装置。
3. 前記調整手段は、前記異常と判断されたアクチュエータと対向する側に配置されているアクチュエータに印加する電圧を調整して前記光ファイバの屈曲量及び屈曲方向を調整することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光走査型内視鏡装置。
4. 前記判定手段により異常と判定された場合は、前記調整手段による前記光ファイバの屈曲量及び屈曲方向の調整を所定の回数内で繰り返し実行し、前記判定手段により正常と判定された場合は、前記調整手段による前記光ファイバの屈曲量及び屈曲方向の調整を停止する制御手段、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光走査型内視鏡装置。
5. 前記各アクチュエータへの印加電圧の値を記憶する印加電圧記憶手段、
   を備え、
   前記印加電圧記憶手段は、前記所定の回数内に前記判定手段により正常と判定された場合、正常と判定されたときの前記各電圧への印加電圧の値を記憶し、
   前記調整手段は、次回の前記光ファイバの屈曲量及び屈曲方向の調整時に、前記印加電圧記憶手段に記憶された前記各アクチュエータへの印加電圧の値に基づいて、前記光ファイバの屈曲量及び屈曲方向を調整する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光走査型内視鏡装置。
6. 前記所定の回数内で前記判定手段により正常と判定されなかった場合に、異常と判定されたことを報知する報知手段を備えることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の光走査型内視鏡装置。

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