JP6086741B2 - 走査型観察装置とその作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、走査型観察装置とその作動方法に関するものである。

従来、光ファイバの先端の方向を、圧電素子等のアクチュエータによって振動させ、その振幅を変化させることで、光ファイバの先端から射出させる照明光を観察対象上において２次元的に走査し、各照射位置から戻る光（例えば、反射光や蛍光）を検出して画像化する走査型内視鏡が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この走査型内視鏡においては、制御装置において計算された一連の振幅座標値をＤ／Ａ変換することにより連続した走査波形を形成すると同時に、観察対象の各位置から走査型内視鏡の方向に戻り光センサにより検出された光をＡ／Ｄ変換して画像を構築している。

特開２００９−２４０６０１号公報

しかしながら、従来の走査型内視鏡においては、任意のフレームレート、アクチュエータの駆動周波数およびサンプリングレートを設定しているので、アクチュエータの駆動と信号取得の同期が取りにくく、アクチュエータによる光ファイバの振動が不安定になるという問題がある。

例えば、照明光の走査軌跡をスパイラル状に形成する場合において、２フレームを１区切りとして波形データを生成する場合には、その２フレーム内に基本波形が丁度収まっていないとフレームの切れ目で波形の不連続が発生し、アクチュエータによる光ファイバの振動が不安定になることがあるという問題がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、アクチュエータの駆動周波数に関わらず、アクチュエータによる光ファイバの振動を安定させることができる走査型観察装置とその作動方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、照明光を射出する光ファイバと、該光ファイバの先端に振動を付与して観察対象上において照明光を２次元的に走査させる走査部と、該走査部による前記光ファイバの先端の振動波形を生成する波形生成部と、該波形生成部により生成された振動波形をサンプリングして前記走査部に指令するサンプリング部と、該波形生成部に対し駆動周波数とフレーム周期とを供給するとともに、前記サンプリング部に対し走査用サンプリングレートを供給する制御部とを備え、該制御部が、入力された１フレーム周期内における振動数を駆動周波数で除算して前記フレーム周期を算出し、前記駆動周波数の整数倍となるように前記走査用サンプリングレートを算出する走査型観察装置を提供する。

本態様によれば、駆動周波数と１フレーム周期内における振動数とが入力されると、制御部がフレーム周期を算出するとともに、算出されたフレーム周期と、入力された駆動周波数とを波形生成部に供給し、駆動周波数の整数倍となる走査用サンプリングレートを算出してサンプリング部に供給する。波形生成部においては、制御部から供給されてきた駆動周波数とフレーム周期とに基づいて振動波形が生成される。

そして、サンプリング部においては、波形生成部において生成された振動波形が、制御部から供給されてきたサンプリングレートに基づいてサンプリングされ走査部に指令される。指令を受けた走査部においては、指令された位置に光ファイバの先端が配置されるように光ファイバの先端を振動させる。これにより、波形生成部において生成された振動波形が達成されるように光ファイバの先端が振動させられ、光ファイバの先端から射出された照明光が振動波形に従う軌跡に沿って２次元的に観察対象上で走査される。

この場合において、制御部においては駆動周波数と１フレーム周期内の振動数とが乗算されてフレーム周期が算出されるので、光ファイバの振動の全ての波形がフレーム周期内に完全に収まるように振動波形を生成することができる。また、駆動周波数の整数倍となるように走査用サンプリングレートが算出されるので、走査部により実現される光ファイバの先端の振動がフレーム周期の切れ目において不連続になることを防止することができる。その結果、アクチュエータの駆動周波数に関わらず、アクチュエータによる光ファイバの振動を安定させることができる。

上記態様においては、前記光ファイバから射出された照明光の前記観察対象上の走査位置から発せられる光を検出する光検出部と、該光検出部により検出された光の強度信号を画像用サンプリングレートでサンプリングして前記走査位置に対応づける画像生成部とを備え、前記制御部が、前記駆動周波数の整数倍となるように画像用サンプリングレートを算出して前記画像生成部に供給してもよい。

このようにすることで、走査位置から発せられた光が光検出部により検出され、画像生成部が、画像用サンプリングレートでサンプリングして走査位置に対応づけることにより、観察対象の画像が生成される。この場合において、画像用サンプリングレートを駆動周波数の整数倍とすることで、全てのサンプリング間隔をフレーム周期内に収めることができ、フレーム周期の切れ目において他のサンプリング間隔より短いサンプリング間隔が発生してしまうことを防止して、生成される画像の歪みを防止することができる。

また、上記態様においては、前記制御部が、前記走査用サンプリングレートを整数倍することにより前記画像用サンプリングレートを算出してもよい。
このようにすることで、走査用サンプリングレートより十分に細かいサンプリング間隔で画像を生成するための光の強度情報を取得することができ、解像度を向上することができる。

また、上記態様においては、前記制御部が、任意の仮サンプリングレートを前記駆動周波数により除算することにより得られた値を切り上げまたは切り下げにより整数化し、整数化された値に前記駆動周波数を乗算することにより前記走査用サンプリングレートを算出してもよい。

このようにすることで、任意の仮サンプリングレートとして所望の値を入力することにより、所望の値に近いサンプリングレートを採用することができ、光ファイバの不安定な振動の防止や生成される画像の歪みの低減を図ることができる。

また、本発明の他の態様は、照明光を射出する光ファイバと、該光ファイバの先端に振動を付与して観察対象上において照明光を２次元的に走査させる駆動部と、該駆動部による前記光ファイバの先端の振動波形を生成する波形生成部と、該波形生成部により生成された振動波形をサンプリングして前記駆動部に指令するサンプリング部と、前記波形生成部に対し駆動周波数とフレーム周期とを供給するとともに、前記サンプリング部に対し走査用サンプリングレートを供給する制御部とを備える走査型観察装置に適用され、前記制御部が、入力された１フレーム周期内における振動数を駆動周波数で除算して前記フレーム周期を算出するとともに、前記駆動周波数の整数倍となるように前記走査用サンプリングレートを算出して、算出した走査用サンプリングレートをサンプリング指令信号として出力する走査型観察装置の作動方法を提供する。

本態様によれば、駆動周波数と１フレーム周期内における振動数とが入力されると、制御部がフレーム周期を算出するとともに、算出されたフレーム周期と、入力された駆動周波数とを波形生成部に供給し、駆動周波数の整数倍となる走査用サンプリングレートを算出してサンプリング部に対しサンプリング指令信号を送出する。したがって、本態様の作動方法によれば、制御部からの指令を受けた走査型観察装置の走査部において、指令信号に応じた振動波形が波形生成部において生成され、この振動波形を達成するように光ファイバに振動を付与して、光ファイバの先端から射出された照明光が振動波形に従う軌跡に沿って２次元的に観察対象上で走査することとなる。

本発明によれば、走査型観察装置および作動方法において、アクチュエータの駆動周波数に関わらず、アクチュエータによる光ファイバの振動を安定させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る走査型内視鏡を示すブロック図である。 図１の走査型内視鏡による（ａ）照明光の走査軌跡、（ｂ）該走査軌跡を実現するための光ファイバの振動波形の一例を示す図である。 図１の走査型内視鏡の制御部を示す回路図である。

本発明の一実施形態に係る走査型内視鏡（走査型観察装置）１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る走査型内視鏡１は、図１に示されるように、照明光を発生する光源２と、該光源２からの照明光を観察対象の表面上において２次元的に走査させる走査部３と、該走査部３による照明光の走査位置から発生する光を検出する光検出部４と、該光検出部４により検出された光に基づいて観察対象の画像を生成する画像生成部５と、これらを制御する制御部６とを備えている。

走査部３は、光源２からの光を導光して先端から射出させる光ファイバ７と、該光ファイバ７の先端を振動させるアクチュエータ（駆動部）８と、該アクチュエータ８による光ファイバ７の先端の振動波形を生成する振動波形生成部９と、該振動波形生成部９により生成された振動波形を所定のサンプリングレート（走査用サンプリングレート）でサンプリングしてアクチュエータ８に出力するＤ／Ａ変換器（サンプリング部）１０とを備えている。

アクチュエータ８は、例えば、２つの圧電素子（図示略）であり、光ファイバ７の先端近傍の外周面に周方向の位置を９０°異ならせて貼り付けられている。これにより、アクチュエータ８は光ファイバ７を長手方向に直交し、かつ、相互に直交する２方向（Ｘ方向およびＹ方向）に独立して湾曲（揺動）させることができ、それによって、光ファイバ７の先端を２次元的に移動させて、照明光を２次元的に走査させるようになっている。

振動波形生成部９は、アクチュエータ８を構成する２つの圧電素子を駆動する振動波形をそれぞれ生成するようになっている。振動波形生成部９は、Ｘ方向およびＹ方向の振動の振幅と、Ｘ方向とＹ方向の振動の位相差を記憶していて、フレーム周期と駆動周波数とが入力されることにより、２つの圧電素子の振動波形をそれぞれ生成するようになっている。

本実施形態においては、振動波形生成部９は、光ファイバ７の先端が、例えば、図２（ａ）に示されるような渦巻き（またはスパイラル）状の軌跡を描くような振動波形を生成するようになっている。このときに各圧電素子が生成するＸ方向およびＹ方向の振動波形は、それぞれ、図２（ｂ）の通りであり、位相差は約９０°である。

渦巻き状の軌跡の中心部分から最外縁部分まで振動することで、図２（ａ）のように観察対象上の所定の領域を埋めるように広がる渦巻き状の軌跡が得られるので、１枚の画像を構築することが可能となる。したがって、図２（ａ）の最小振幅から最大振幅までの期間あるいは最大振幅から最小振幅までの期間が画像を生成するための１フレームとなる。しかしながら、光ファイバ７の先端が最小振幅から最小振幅まで戻るための期間としては２フレーム分必要となるため、この明細書では、この２フレーム分をフレーム周期と表現することとする。

光検出部４は、例えば、照明光を射出する光ファイバ７の先端近傍に、前方に向けて先端面を配置した複数の光ファイバのような受光部１１と、該受光部１１に受光された光を電気信号に変換するフォトダイオードあるいは光電子増倍管等の光検出器１２とを備えている。

画像生成部５は、光検出器１２により変換された電気信号を所定のサンプリングレート（画像用サンプリングレート）でサンプリングするＡ／Ｄ変換器１３と、該Ａ／Ｄ変換器１３から出力された光の強度信号を、その受光時点における照明光の走査位置に対応づけることにより画像を生成する画像処理部１４とを備えている。図中、符号１５は生成された画像を表示する表示部である。

制御部６は、図３に示されるように、周回数と駆動周波数と仮サンプリングレートと解像係数とが入力されて、フレーム周期と、駆動周波数と、走査用サンプリングレートおよび画像用サンプリングレートを出力するようになっている。
周回数は、１フレーム内における光ファイバ７の振動数である。制御部６においては、乗算器１６において２を乗算されることにより２フレームからなるフレーム周期内の振動数が算出されるようになっている。

そして、制御部６は、入力された周回数の２倍の値を、除算器１７において、同じく入力された駆動周波数によって除算することにより、フレーム周期を算出するようになっている。このようにして算出されたフレーム周期と、入力された駆動周波数は、振動波形生成部９に送られるようになっている。

また、制御部６は、入力された仮サンプリングレートを、除算器１８において、同じく入力された駆動周波数によって除算するとともに、除算の結果得られた値を整数化部１９において切り下げて整数化した後、乗算器２０において、入力された駆動周波数と乗算することにより、走査用サンプリングレートを算出するようになっている。

さらに、制御部６は、乗算器２１において、算出された走査用サンプリングレートと、入力された解像係数とを乗算して画像用サンプリングレートを算出するようになっている。
解像係数は、任意の整数であり、数値が大きいほど、高い解像度の画像を取得することができるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る走査型内視鏡１の作用について以下に説明する。
本実施形態を用いて観察対象の画像を取得するには、制御部６に対して、周回数と駆動周波数と仮サンプリングレートと解像係数とを入力し、走査部３の光ファイバ７の先端を観察対象に向けて配置する。この状態で、光源２から光を発生し、制御部６の作動により振動波形生成部９を制御する。

すなわち、制御部６は、入力された周回数と駆動周波数とから、フレーム周期を算出して、算出されたフレーム周期を駆動周波数とともに振動波形生成部９に入力する。振動波形生成部９においては、入力されてきたフレーム周期および駆動周波数と、予め記憶しているＸ方向およびＹ方向の振幅と位相差とに基づいて、Ｘ方向およびＹ方向のアクチュエータ８を駆動するための振動波形を生成して出力する。

この場合において、フレーム周期が、周回数の２倍を駆動周波数で除算することにより生成されているので、アクチュエータ８の駆動周波数で振動させられる周回数の２倍分の光ファイバ７の振動の全ての波形がフレーム周期内にぴったりと収まるような振動波形を生成することができる。

また、制御部６は、仮サンプリングレートを駆動周波数で除算したものを切り下げ整数化した後に、再度駆動周波数を乗算して走査用サンプリングレートを算出するので、走査用サンプリングレートを駆動周波数の整数倍に設定することができる。そして、算出された走査用サンプリングレートがＤ／Ａ変換器１０にサンプリング指令信号として入力されるので、振動波形生成部９において生成された振動波形がフレーム周期内において均等にサンプリングされて、アクチュエータ８に出力される。

したがって、アクチュエータ８により実現される光ファイバ７の先端の振動がフレーム周期の切れ目において不連続になることを防止することができる。その結果、アクチュエータ８の駆動周波数に関わらず、アクチュエータ８による光ファイバ７の振動を安定させることができるという利点がある。

また、光ファイバ７から発せられた照明光の照射位置から発せられる光は、受光部１１により受光された後、光検出器１２によって検出される。そして、制御部６から出力された画像用サンプリングレートがＡ／Ｄ変換器１３に入力されることにより、光検出器１２からの出力信号がサンプリングされる。画像用サンプリングレートは、走査用サンプリングレートの整数倍に設定されているので、走査用サンプリングレートと同様に駆動周波数の整数倍となっている。

したがって、観察対象からの光の強度情報が、フレーム周期内において均等にサンプリングされるとともに、振動波形生成部９から入力されてきたサンプリング時の走査位置情報と対応づけられて記憶されることにより、観察対象の画像を生成することができる。そして、生成された画像が表示部１５に表示される。
この場合において、画像用サンプリングレートを駆動周波数の整数倍とすることで、全てのサンプリング間隔をフレーム周期内に収めることができ、フレーム周期の切れ目において他のサンプリング間隔より短いサンプリング間隔が発生してしまうことを防止して、生成される画像の歪みを防止することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、図２（ａ）に示されるような渦巻き状の軌跡を描くように光ファイバ７の先端を振動させる場合を例示したが、これに代えて、ラスタスキャン方式やリサージュ方式のように、周期的にファイバをに振動させるような他の走査パターンを利用する場合に適用してもよい。また、観察装置として、内視鏡以外の小型および／または細径の光照明型の種々観察装置に適用してもよい。また、圧電方式のファイバ駆動に限らず、ファイバの先端等に振動を付与し所望の走査パターンにファイバ先端を移動させる他の駆動方式（例えば電磁駆動式）であってもよい。

１ 走査型内視鏡（走査型観察装置）
４ 光検出部
５ 画像生成部
６ 制御部
７ 光ファイバ
８ アクチュエータ（駆動部）
９ 振動波形生成部（波形生成部）
１０ Ｄ／Ａ変換器（サンプリング部）

Claims (5)

1. 照明光を射出する光ファイバと、
   該光ファイバの先端に振動を付与して観察対象上において照明光を２次元的に走査させる駆動部と、
   該駆動部による前記光ファイバの先端の振動波形を生成する波形生成部と、
   該波形生成部により生成された振動波形をサンプリングして前記駆動部に指令するサンプリング部と、
   前記波形生成部に対し駆動周波数とフレーム周期とを供給するとともに、前記サンプリング部に対し走査用サンプリングレートを供給する制御部とを備え、
   該制御部が、入力された１フレーム周期内における振動数を駆動周波数で除算して前記フレーム周期を算出し、前記駆動周波数の整数倍となるように前記走査用サンプリングレートを算出する走査型観察装置。
2. 前記光ファイバから射出された照明光の前記観察対象上の走査位置から発せられる光を検出する光検出部と、
   該光検出部により検出された光の強度信号を画像用サンプリングレートでサンプリングして前記走査位置に対応づける画像生成部とを備え、
   前記制御部が、前記駆動周波数の整数倍となるように画像用サンプリングレートを算出して前記画像生成部に供給する請求項１に記載の走査型観察装置。
3. 前記制御部が、前記走査用サンプリングレートを整数倍することにより前記画像用サンプリングレートを算出する請求項２に記載の走査型観察装置。
4. 前記制御部が、任意の仮サンプリングレートを前記駆動周波数により除算することにより得られた値を切り上げまたは切り下げにより整数化し、整数化された値に前記駆動周波数を乗算することにより前記走査用サンプリングレートを算出する請求項１から請求項３のいずれかに記載の走査型観察装置。
5. 照明光を射出する光ファイバと、該光ファイバの先端に振動を付与して観察対象上において照明光を２次元的に走査させる駆動部と、該駆動部による前記光ファイバの先端の振動波形を生成する波形生成部と、該波形生成部により生成された振動波形をサンプリングして前記駆動部に指令するサンプリング部と、前記波形生成部に対し駆動周波数とフレーム周期とを供給するとともに、前記サンプリング部に対し走査用サンプリングレートを供給する制御部とを備える走査型観察装置に適用され、
   前記制御部が、入力された１フレーム周期内における振動数を駆動周波数で除算して前記フレーム周期を算出すると共に、前記駆動周波数の整数倍となるように前記走査用サンプリングレートを算出して、算出したサンプリングレートをサンプリング指令信号として出力する走査型観察装置の作動方法。

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