JP6088239B2 - 光走査型内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、素子が収容されるハウジング内の温度を調節する温度調節機構並びにこの温度調節機構を備えた光走査型内視鏡に関する。

医師が患者の体腔内を観察するときに使用する装置として、一般的に電子内視鏡が知られている。従来の一般的な電子内視鏡の撮像素子には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などが用いられている。近年、これらの代替となるものとして、特許文献１に開示される次世代の光走査装置が提案されている。この光走査装置では、片持ち支持された光ファイバの先端部（自由端部）を共振させて、光ファイバの先端から放射される照明光を所定の軌跡（例えば螺旋状の軌跡）で走査させながら被写体に照射する。そして、被写体からの戻り光（反射光や蛍光）を連続的に検出して、照明光の位置と戻り光の強度とをマッピングすることにより、被写体を画像化している。

特許文献１の光走査装置においては、光ファイバの自由端部を駆動するマイクロアクチュエータの駆動特性や光ファイバの材料力学的性質が温度に依存する。そのため、光ファイバの自由端部の振動は、光走査素子（光ファイバの自由端部及びマイクロアクチュエータを含む）が収容されるハウジング内の温度の影響を受ける。従って、撮像中にハウジング内の温度が変動すると、照明光の軌跡が歪み、撮像によって得られる画像にも歪みが生じてしまう。

そのため、特許文献１に記載の光走査装置には、光走査素子が収容されたハウジング内の温度を設定温度に保つ温度調節機構が設けられている。温度調節機構は、主に、温度センサ、ヒータ及び温度調節回路から構成される。光走査素子を収容するハウジングの容積が制限される用途（例えば光走査型内視鏡）では、ハウジング内に温度調節回路を配置することができない。そのため、ハウジング内には温度センサとヒータのみを配置し、ハウジングと温度調節回路とをケーブル部によって接続する構成が採用される。

また、上記方式の光走査装置で一般に使用されているマイコンにはＰＷＭ制御機能が実装されているため、ヒータの駆動制御にもＰＷＭ制御（電圧制御）が採用されていた。

また、上記方式の光走査装置を使用した光走査型共焦点内視鏡（顕微内視鏡）は、広視野観察が可能な電子内視鏡との併用が特に有効であり、例えば一般的な電子内視鏡の鉗子チャネルに挿通して使用される。そのため、鉗子チャネルに挿入されるハウジング及びケーブル部の外径を大凡２ｍｍ以下の細さに仕上げる必要がある。また、ケーブル部のシース内には、光ファイバの他に、マイクロアクチュエータ駆動用、ヒータ駆動用及び温度センサ用の少なくとも８本のワイヤ（被覆電線）を収容する必要がある。また、導体抵抗を所定値未満に抑えるために、各ワイヤの導体径を一定値以上に設定する必要がある。そのため、各ワイヤの被覆は、エナメル線と同程度以下の薄さ（大凡４０〜５０μｍ）に形成されている。

国際公開第２００８／０３３１６８号

上記方式の光走査型内視鏡では、ケーブル部が繰り返し屈曲されるため、ケーブル部内で撚り合わされたワイヤ同士が擦れて、ワイヤの被覆が破損し、短絡が発生し易い。また、温度調節機構におけるヒータの駆動制御に電圧制御が用いられていたため、ヒータ駆動用のワイヤが短絡すると、光走査装置に過電流が流れ、損傷が広範囲に広がる可能性があった。

本発明の実施形態によれば、光源からの光を光ファイバによって導光し、光ファイバの出射端から出射される光を被写体上で周期的に走査させる光走査ユニットと、光走査ユニットの動作を制御する制御回路を有する制御ボックスと、光走査ユニットと制御ボックスとを接続する可撓性ケーブルと、を備えた光走査型内視鏡であって、光ファイバは、可撓性ケーブル内に挿通されており、光走査ユニットは、光ファイバの出射端近傍部分を前記光源側で片持ち支持し、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、光ファイバから出射する光を走査させるアクチュエータと、可撓性ケーブル内に挿通され、制御回路と接続される１対の第１ワイヤを有し、１対の第１ワイヤを直列に流れる電流によってアクチュエータ近傍の閉鎖空間を加熱するヒータと、を備え、制御回路は、１対の第１ワイヤの一方をグラウンドに接続するグラウンド端子と、１対の第１ワイヤの他方と接続され、グラウンド端子から１対の第１ワイヤを介して電流を吸い込む電流ドライバと、１対の第１ワイヤの他方と電流ドライバとの間に直列に挿入され、１対の第１ワイヤに流れる電流を制限する電流制限器を備えることを特徴とする光走査型内視鏡が提供される。

また、上記の光走査型内視鏡において、光走査ユニットは、可撓性ケーブル内に挿通され、制御回路と接続される１対の第２ワイヤを有し、１対の第２ワイヤを直列に流れる電流によって閉鎖空間の温度を検出する温度センサを備え、制御回路は、温度センサが検出した温度に応じて電流ドライバが吸い込む電流を制御し、閉鎖空間の温度を所定の温度に調節する温度調節回路を備える構成としてもよい。

上記の各構成によれば、第１ワイヤ（ヒータ駆動用ワイヤ）に短絡が発生した場合でも、制御回路から第１ワイヤに過電流が流されることがなく、過電流による光走査型内視鏡の損傷の拡大が防止される。

また、上記の光走査型内視鏡において、電流制限器が、固定抵抗、ヒューズ及びＰＴＣサーミスタのいずれかである構成としてもよい。

特に、ＰＴＣサーミスタを使用した構成は、正常時の抵抗値を低く抑えることができ、電流制限値を例えばｍＡ（ミリアンペア）単位の高い精度で設定することができ、更に、非破壊的に動作するため、電流制限作用が働いた後も継続して使用することができるというメリットがある。

また、上記の光走査型内視鏡において、温度センサがサーミスタである構成としてもよい。

また、上記の光走査型内視鏡において、温度調節回路が、温度センサに定電圧を供給する低ドロップアウトレギュレータを備える構成としてもよい。

この構成によれば、温度センサの測定精度を向上させることができる。

また、上記の光走査型内視鏡において、第１ワイヤの被覆厚が５０μｍ以下である構成としてもよい。

第１ワイヤの被覆厚がこのように薄い構成においては、可撓性ケーブルの屈曲等により可撓性ケーブル内に収容された第１ワイヤの被覆が損傷を受ける頻度が高いため、過電流による損傷発生を防止する顕著な効果が得られる。

本発明の実施形態の構成によれば、温度調節機構の第１ワイヤ（ヒータ駆動用ワイヤ）の被覆損傷に伴う過電流の発生及びこれによる光走査型内視鏡の損傷拡大が防止される。

本発明の実施形態に係る光走査型共焦点内視鏡装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る共焦点走査光学ユニットの概略構成を示す側断面図である。 本発明の実施形態に係る温度制御システムの回路構成の概略を示すブロック図である。 温度検出回路における増幅器の効果を説明するグラフである。 温度調節回路（演算処理回路）が実行する処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の別の実施形態に係る共焦点プローブ内蔵型電子内視鏡（先端部）の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る光走査型共焦点内視鏡装置１の概略構成を示すブロック図である。光走査型共焦点内視鏡装置１は、共焦点顕微鏡の原理を応用して設計された、被写体を高倍率かつ高解像度で観察可能な医療用観察システムである。また、光走査型共焦点内視鏡装置１は、特定のがん組織に特有の物質と選択的に結合する蛍光色素を予め観察部位に散布し、蛍光色素の励起光を観察野に照射して、がん組織に結合した蛍光色素から放射される蛍光を用いてがん組織を観察する蛍光内視鏡検査法（色素法）を行うように構成されている。

図１に示すように、光走査型共焦点内視鏡装置１は、プロセッサ１００、共焦点プローブ２００及びモニタ３００を備えている。共焦点プローブ２００は、図示しない電子内視鏡の処置具挿通チャンネルを介して、患者の体内（例えば消化管内）に挿入される可撓性を有する細長い挿入部２００ｂを備えている。光走査型共焦点内視鏡装置１を用いた内視鏡観察は、共焦点プローブ２００の挿入部２００ｂの先端面を被写体に押し付けた状態で行われる。

プロセッサ１００は、ＣＰＵ１０２、メインメモリ１０４、光源１０６、光検出器１０８、光カプラ１１０、映像信号処理回路１１２及び画像メモリ１１４を備えている。共焦点プローブ２００は、プロセッサ１００に接続される接続部（制御ボックス）２００ａ及び被検者の体内に挿入される可撓性を有する細長いケーブル状の挿入部２００ｂから構成される。挿入部２００ｂは、その先端に設けられた共焦点走査光学ユニット２２０と、共焦点走査光学ユニット２２０と接続部２００ａとを接続するケーブル部２１０から構成される。

本実施形態の共焦点プローブ２００は、電子内視鏡の処置具挿通チャンネルに通して観察野にアクセスできるよう、挿入部２００ｂの直径は約２ｍｍ（シース内径は約１．４ｍｍ）の細径に形成されている。また、ケーブル部２１０には、共焦点走査光学ユニット２２０と接続部２００ａとを接続するＳＭＦ（シングルモード光ファイバ）２１１及び複数（少なくとも合計１２本）のワイヤ２１２ａ〜ｄが収容されている。ＳＭＦ２１１の外径は約２５０μｍである。ケーブル部２１０内の狭い空間には、ＳＭＦ２１１及び多数のワイヤ２１２ａ〜ｄを収容し、且つワイヤ２１２ａ〜ｄの導体抵抗を一定水準に抑えることが要求される。そのため、各ワイヤ２１２ａ〜ｄには導体径４６ＡＷＧ（American Wire Gage）（約４０μｍ）の導体が使用され、絶縁被覆厚は大凡４０〜５０μｍに設定されている。各ワイヤ２１２ａ〜ｄの長さは５〜６ｍであり、約１００Ωの電気抵抗を有する。

また、接続部２００ａは、ＣＰＵ２０２、メインメモリ２０４、走査制御回路２０６及び温度調節回路２３０を備えている。プロセッサ１００と共焦点プローブ２００（接続部２００ａ）とは、光コネクタ１５２及び電気コネクタ１５４により、それぞれ光学的及び電気的に接続されている。

なお、本実施形態の共焦点プローブ２００は、内視鏡とは別体のプローブとして構成されている。別の実施形態では、例えば図６に示すように、共焦点プローブ２００’と内視鏡（図示しないライトガイドとＣＣＤ等の撮像素子４１０を備えた電子内視鏡）とを一体化した共焦点プローブ内蔵型内視鏡４００とすることもできる。共焦点プローブを内視鏡と一体化した構成の場合、挿入部２００ｂに相当する部分の外径は大凡３〜４ｍｍ、内径は大凡２〜３ｍｍ程度に仕上げられる。

プロセッサ１００のＣＰＵ１０２は、プロセッサ１００の各部及び共焦点プローブ２００を統合的に制御する。また、共焦点プローブ２００のＣＰＵ２０２は、プロセッサ１００のＣＰＵ１０２による制御下で、共焦点プローブ２００の各部を統合的に制御する。

光源１０６は、観察部位に散布される蛍光色素の励起光である青色の光を発生する半導体レーザ光源である。光源１０６から出射した励起光は、ＳＭＦ１１０ａを介して、光カプラ１１０の分岐ポート（後述）の一方に入力される。

光カプラ１１０は、１つの共通ポートと２つの分岐ポートを有する１×２分岐の光カプラである。分岐ポートの一方がＳＭＦ１１０ａを介して光源１０６に接続され、他方がＳＭＦ１１０ｂを介して光検出器１０８に接続されている。また、光カプラ１１０の共通ポートは、ＳＭＦ１１０ｃを介して、共焦点プローブ２００のＳＭＦ２１１に接続されている。光源１０６から出力された励起光は、分岐ポートの一方から光カプラ１１０に入力され、共通ポートから出力される。光カプラ１１０の共通ポートから出力された励起光は、共通ポートに接続されたＳＭＦ１１０ｃを介して、光コネクタ１５２によりＳＭＦ１１０ｃに接続された共焦点プローブ２００のＳＭＦ２１１に結合する。

後述（図２）のように、共焦点プローブ２００のＳＭＦ２１１の先端（自由端２１１ａ）は、共焦点走査光学ユニット２２０内に収容されている。ＳＭＦ２１１を伝搬した励起光は、共焦点走査光学ユニット２２０から被写体（例えば消化管内壁）に照射される。被写体の組織に結合した蛍光色素は、励起光を吸収して励起し、蛍光を放射する。蛍光色素から放射された蛍光の一部（観察光）は、共焦点走査光学ユニット２２０内の自由端２１１ａに入射し、照射時の励起光の進行方向と逆向きにＳＭＦ２１１及びＳＭＦ１１０ｃを伝搬して、共通ポートから光カプラ１１０に入力される。光カプラ１１０により２分岐された観察光の一方が光検出器１０８に入力され、光検出器１０８により検出された観察光の強度に基づいて後段の映像信号処理回路１１２が蛍光観察像を形成する。

次に、共焦点プローブ２００の挿入部２００ｂの先端に設けられた共焦点走査光学ユニット２２０の詳細を説明する。図２は、共焦点走査光学ユニット２２０の概略構成を示す側断面図である。以下の共焦点走査光学ユニット２２０の説明において、共焦点走査光学ユニット２２０の長手方向（中心軸ＡＸの方向）をＺ方向とし、Ｚ方向に直交しかつ互いに直交する二方向をＸ方向及びＹ方向とする。また、共焦点走査光学ユニット２２０の長手方向（Ｚ軸方向）における、ケーブル部２１０（図１）に接続された一端（Ｚ軸負方向端）を基端といい、他端（Ｚ軸正方向端）を先端という。

図２に示すように、共焦点走査光学ユニット２２０は、ハウジング２２１、マウント部材２２２、ＸＹ軸アクチュエータ２２３、対物光学系２２４、サーミスタ２２５、ヒータ２２６、Ｚ軸アクチュエータ２２７及びＺ軸変位センサ２２８を備えている。

ハウジング２２１は、共焦点走査光学ユニット２２０を構成する各部を収容するケースであり、略円筒状の金属部材である内筒２２１Ａ及び外筒２２１Ｂを備えている。内筒２２１Ａは、外筒２２１Ｂ内に同軸に略隙間無く収容されており、外筒２２１Ｂの内周面によりガイドされて、外筒２２１Ｂ内を中心軸ＡＸ方向へスライド可能に構成されている。

内筒２２１Ａの先端部には、複数のレンズから構成される対物光学系２２４が中空部内で保持されている。また、内筒２２１Ａの内周面には、ＸＹ軸アクチュエータ２２３を同軸に支持するマウント部材２２２が取り付けられている。

ＸＹ軸アクチュエータ２２３は、その中空部にＳＭＦ２１１の一部（自由端部２１１ｂに隣接する部分）が挿し込まれて接着固定された略円筒形状の圧電素子２２３ａと、この圧電素子２２３ａの外周面に設けられた図示しない２組の電極対（Ｘ軸駆動用電極対、Ｙ軸駆動用電極対）を備えている。ＳＭＦ２１１の先端部（自由端部）２１１ｂは、ＸＹ軸アクチュエータ２２３の先端から所定の長さ突出し、ＸＹ軸アクチュエータ２２３により片持ち支持されている。ＸＹ軸アクチュエータ２２３は、逆圧電効果により、Ｘ軸駆動用電極対にＸ軸駆動電圧を印加するとＸ軸方向に（Ｙ軸周りに）湾曲し、Ｙ軸駆動用電極対にＹ軸駆動電圧を印加するとＹ軸方向に（Ｘ軸周りに）湾曲するように構成されている。ＸＹ軸アクチュエータ２２３の湾曲駆動により、片持ち支持されたＳＭＦ２１１の自由端部２１１ｂが揺動するように構成されている。

ＳＭＦ２１１を伝搬した励起光は、自由端２１１ａから出射する。なお、ＳＭＦ２１１の自由端２１１ａにおいて、励起光は直径数μｍのコアに閉じ込められており、ＳＭＦ２１１の自由端２１１ａにおけるコアは共焦点光学系の点光源（光源側ピンホール）として機能する。また、ＳＭＦ２１１の自由端２１１ａは、自由端２１１ａから放射される励起光の発散角が小さく（理想的には平行光に）なるように、球面状に成形されている。自由端２１１ａから出射した励起光は、対物光学系２２４によって集光されて、共焦点走査光学ユニット２２０の外部でスポット（集光点）を形成する。励起光のスポットは対物光学系２２４の直近に形成されるため、被写体に共焦点プローブ２００の先端を押し当てると、被写体の表層部に励起光のスポットが照射される。

ＸＹ軸アクチュエータ２２３に供給されるＸ軸駆動電圧及びＹ軸駆動電圧は、モニタ３００に出力されるビデオ信号のフレームレートに同期した交流電圧である。Ｘ軸駆動電圧及びＹ軸駆動電圧をＸＹ軸アクチュエータ２２３に印加することにより、ＳＭＦ２１１の自由端２１１ａ（そして、自由端２１１ａから放射された励起光のスポット）がＺ軸に垂直なＸＹ平面上で所定の軌跡を描いて走査するようにＸＹ軸アクチュエータ２２３が駆動される。なお、厳密には、自由端２１１ａ（励起光のスポット）は曲面上に走査軌跡を描くが、ＳＭＦ２１１の自由端部２１１ｂの長さに対する自由端２１１ａの走査幅が十分に小さいため、自由端２１１ａ（励起光のスポット）がＺ軸と垂直なＸＹ平面上を走査するものと近似することができる。

Ｘ軸駆動電圧及びＹ軸駆動電圧の波形を変更することにより、スポットの走査軌跡を様々に変えることができる。二次元走査方式としては、例えば、中心軸ＡＸを中心とした螺旋軌道を走査するスパイラル走査、走査範囲の水平方向を往復走査するラスタスキャン方式、走査範囲を正弦波的に走査するリサージュスキャン方式など、種々の走査方式を採用することができる。

外筒２２１Ｂの基端部には内側に突出した基端壁部２２１Ｂｗが設けられており、内筒２２１Ａの基端面２２１Ａｆと外筒２２１Ｂの基端壁部２２１Ｂｗとが、Ｚ軸アクチュエータ２２７及びＺ軸変位センサ２２８によって連結されている。Ｚ軸アクチュエータ２２７は、外筒２２１Ｂ（及び外筒２２１Ｂの先端が押し当てられた被写体）に対して内筒２２１ＡをＺ軸方向（被写体の深さ方向）に移動させることで、共焦点走査光学ユニット２２０の走査面（すなわち観察面）の深度を調整する。

Ｚ軸アクチュエータ２２７は、ニチノール（Ｎｉ−Ｔｉ合金）等の形状記憶合金から形成された棒状部材であり、通電加熱時に発生する形状回復力により長手方向（Ｚ軸方向）に伸長するように構成されている。Ｚ軸アクチュエータ２２７は、一対のワイヤ２１２ａ２（２１２ａ）によって接続部２００ａ内の走査制御回路２０６に接続されており、走査制御回路２０６から供給されるＺ軸駆動電流によって通電加熱されて、Ｚ軸方向に伸長する。なお、Ｚ軸アクチュエータ２２７は、上記の形状記憶合金を使用したものに限らず、他の駆動機構（例えば、ナットに設けられた圧電素子を振動させることで送りねじを駆動する機構）を用いた各種リニアアクチュエータを使用することができる。

Ｚ軸変位センサ２２８は、細径の絶縁電線から形成された二重コイルがウレタン等の伸縮性を有する樹脂に埋め込まれた略円柱状の素子であり、長さ（Ｚ軸方向寸法）に応じて２つのコイル間の静電容量が変化するように構成されている。Ｚ軸変位センサ２２８の長さ（伸縮量）と静電容量との関係は予め測定されており、走査制御回路２０６内のメモリ（不図示）にルックアップテーブルとして格納されている。Ｚ軸変位センサ２２８は、一対のワイヤ２１２ｂによって接続部２００ａ内の走査制御回路２０６に接続されている。走査制御回路２０６内に設けられたＺ軸変位計測回路（不図示）によりＺ軸変位センサ２２８の静電容量が計測され、当該静電容量がルックアップテーブルを用いてＺ軸変位センサ２２８の長さに変換される。なお、Ｚ軸変位センサ２２８は、上記の二重コイルを使用したものに限らず、他の検出機構を用いた各種位置センサ（例えば、ホール素子）を使用することができる。

また、Ｚ軸アクチュエータ２２７は、非加熱時においては、Ｚ軸方向における自然長がＺ軸変位センサ２２８よりも少し長く形成されており、また軟らかいマルテンサイト相を示すため、Ｚ軸変位センサ２２８による圧縮力を受けて自然長よりも短くなる。Ｚ軸アクチュエータ２２７を通電加熱すると、硬いオーステナイト相への逆変態が起こり、強い形状回復力が発生してＺ軸アクチュエータ２２７が伸長する。

走査制御回路２０６は、Ｚ軸変位センサ２２８の長さがＣＰＵ２０２から指定された設定値となるように、Ｚ軸アクチュエータ２２７に供給するＺ軸駆動電流を調節する。これにより、Ｚ軸方向における外筒２２１Ｂに対する内筒２２１Ａの位置（すなわち、励起光のスポットの位置）が制御され、励起光のスポット走査面の深度（すなわち、光走査型共焦点内視鏡装置１によって観察される観察面の深度）が調節される。

メインメモリ２０４（図１）は、共焦点プローブ２００の識別情報や各種特性に関する情報（プロパティ）を含むプローブ情報を格納している。ＣＰＵ２０２は、システム起動時にメインメモリ２０４からプローブ情報を読み出して、共焦点プローブ２００とプロセッサ１００とを電気的に接続する電気コネクタ１５４を介してＣＰＵ１０２に送信する。ＣＰＵ１０２は、ＣＰＵ２０２から受信したプローブ情報をメインメモリ１０４に格納する。ＣＰＵ１０２は、メインメモリ１０４に格納したプローブ情報を必要に応じて読み出し、共焦点プローブ２００の制御に必要な信号を生成して、ＣＰＵ２０２に送信する。ＣＰＵ２０２は、ＣＰＵ１０２からの制御信号に従ってＸＹ軸アクチュエータ２２３及びＺ軸アクチュエータ２２７を駆動するための設定値を計算して、走査制御回路２０６に送信する。

走査制御回路２０６は、ＣＰＵ２０２から受信した設定値に応じてＸ軸駆動電圧、Ｙ軸駆動電圧及びＺ軸駆動電流を生成し、ワイヤ２１２ａ（２１２ａ１、２１２ａ２）を介して、共焦点走査光学ユニット２２０に供給する。具体的には、走査制御回路２０６は、ＸＹ軸アクチュエータ２２３を駆動するＸ軸駆動電圧及びＹ軸駆動電圧を、２対のワイヤ２１２ａ１を介してＸＹ軸アクチュエータ２２３に供給し、Ｚ軸アクチュエータ２２７を駆動するＺ軸駆動電流を、１対のワイヤ２１２ａ２を介してＺ軸アクチュエータ２２７に供給する。また、走査制御回路２０６は、Ｚ軸変位センサ２２８によって検出されたＺ軸アクチュエータ２２７の長さに基づいて、Ｚ軸駆動電流をフィードバック制御する。走査制御回路２０６は、ＸＹ軸アクチュエータ２２３による自由端２１１ａのＸＹ平面上での周期的な駆動とＺ軸アクチュエータ２２７によるＺ軸方向の進退とを併せることにより、励起光のスポットを三次元走査する。

ＸＹ軸アクチュエータ２２３の特性やＳＭＦ２１１の材料力学的性質に温度依存性があるため、自由端２１１ａの軌跡はＸＹ軸アクチュエータ２２３の周辺温度Ｔ（ハウジング２２１内の閉鎖空間の温度）の影響を受ける（すなわち、温度特性を有する）。そのため、周辺温度Ｔを一定温度（例えば、４０℃）に調節できるよう、共焦点走査光学ユニット２２０にはサーミスタ（ＮＴＣサーミスタ）２２５及びヒータ（コイルヒータ）２２６が設けられている（図２）。サーミスタ２２５及びヒータ２２６は、それぞれ一対のワイヤ２１２ｃ及び２１２ｄを介して、接続部２００ａ内に配置された温度調節回路２３０に接続されている。そして、温度調節回路２３０によってＸＹ軸アクチュエータ２２３の周辺温度Ｔの制御が行われるようになっている。温度調節回路２３０による温度調節の詳細は後述する。

上述のように、被写体に励起光が照射されると、被写体の組織に結合した蛍光色素が励起光を吸収して励起し、蛍光を放射する。蛍光色素から放射された蛍光の一部（観察光）は、共焦点走査光学ユニット２２０の対物光学系２２４に入射し、ＳＭＦ２１１の自由端２１１ａに集光される。ＳＭＦ２１１の自由端２１１ａにおけるコアの位置と、励起光のスポットの位置とは共役関係にあるため、励起光のスポットの位置で発生した蛍光のみがＳＭＦ２１１の自由端２１１ａにおけるコアに集光し、観察光としてＳＭＦ２１１を伝播して、光検出器１０８によって検出される。すなわち、ＳＭＦ２１１の自由端２１１ａにおけるコアは、共焦点光学系の光検出器側ピンホールとしても機能する。また、この構成により、励起光の微小なスポット位置で発生した蛍光のみが選択的に検出されるため、極めて位置分解能が高く、迷光等によるノイズの少ない観察像の取得が可能になる。

光検出器１０８は、検出した観察光の強度に応じた光検出信号を出力する。光検出信号は、映像信号処理回路１１２に入力される。映像信号処理回路１１２は、光検出信号を一定のレートでサンプルホールド及びＡＤ変換して点像のデジタル画素信号を生成する。デジタル画素信号のサンプリングは、励起光の走査と同期して行われるため、各サンプリング期間における励起光のスポットの位置と、その位置から放射された蛍光の強度（デジタル画素信号）とが対応づけられる。映像信号処理回路１１２は、この画素に対応する画像メモリ１１４のアドレスに、デジタル画素信号を格納する。このように、映像信号処理回路１１２は、各点像の空間的配列によって構成される三次元画像データを画像メモリ１１４に格納する。また、映像信号処理回路１１２は、画像メモリ１１４から三次元画像データを読み出し、三次元画像データからＣＰＵ１０２から指定された深さ（Ｚ軸座標）における２次元画像データを切り出して、画像メモリ１１４にバッファリングする。

バッファリングされた２次元画像データは、所定のタイミングで画像メモリ１１４から掃き出されて、所定の規格に準拠したビデオ信号に変換された後、モニタ３００に出力される。そして、モニタ３００は、プロセッサ１００が出力したビデオ信号に基づいて、被写体の画像（内視鏡画像）を画面に表示する。

次に、ＸＹ軸アクチュエータ２２３の温度を制御するための温度制御システムについて説明する。図３は、本発明の実施形態に係る光走査型内視鏡用温度制御システムＴＣ（以下、単に「温度制御システムＴＣ」という。）の回路構成の概略を示すブロック図である。温度制御システムＴＣは、主に、共焦点プローブ２００の接続部２００ａに設けられた温度調節回路２３０と、共焦点走査光学ユニット２２０に設けられたサーミスタ２２５及びヒータ２２６から構成される。また、温度制御システムＴＣを構成する回路は、サーミスタ２２５を使用してＸＹ軸アクチュエータ２２３の周辺温度Ｔを検出する温度検出回路ＴＤと、ヒータ２２６を駆動するヒータ駆動回路ＨＤに大別することができる。温度調節回路２３０は、ＬＤＯ（低ドロップアウトレギュレータ）２３２、ＡＤコンバータ２３３、演算処理回路２３４、ＤＡコンバータ２３５及び電流ドライバ２３６を備えている。演算処理回路２３４は、温度検出回路ＴＤが検出したＸＹ軸アクチュエータ２２３の周辺温度Ｔに基づいて、ヒータ２２６に供給する駆動電流−ＩｄのＰＩＤ（Proportional Integral and Differential）制御を行う。また、温度調節回路２３０には、４つの端子２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ及び２３０ｄが設けられている。端子２３０ａ及び２３０ｂには、１対のワイヤ２１２ｃを介してサーミスタ２２５が接続されており、端子２３０ｃ及び２３０ｄには、１対のワイヤ２１２ｄを介してヒータ２２６が接続されている。

端子２３０ｂには、ＬＤＯ２３２が接続されている。ＬＤＯ２３２は、低いドロップアウト電圧（入出力間の電圧差）で動作する三端子レギュレータであり、サーミスタ２２５に高精度の定電圧Ｖ_ｃｃを供給する。ＬＤＯ２３２を用いることにより、サーミスタ２２５による温度の検出精度が向上する。なお、定電圧源Ｖ_０（共焦点プローブ２００のシステム電源）から必要な精度の電圧が供給される場合には、ＬＤＯ２３２を設けなくても良い。

端子２３０ａには、増幅器２３１ａを介してＡＤコンバータ２３３が接続されており、端子２３０ａの電位Ｖ_ａは、増幅器２３１ａにより処理された後、ＡＤコンバータ２３３によりデジタル信号に変換されて、演算処理回路２３４に入力される。

図４は増幅器２３１ａの効果を説明するグラフである。具体的には、図４（ａ）はＸＹ軸アクチュエータ２２３の周辺温度Ｔと端子２３０ａの電位Ｖ_ａとの関係を示すグラフであり、図４（ｂ）は周辺温度Ｔと増幅器２３１ａの出力電圧Ｖ_ａ’との関係を示すグラフである。図４（ａ）に示すように、周辺温度Ｔの変化（Ｔ_１→Ｔ_２）に対する電位Ｖ_ａの変化量は小さい。そのため、ＡＤコンバータ２３３に電位Ｖ_ａを直接入力すると、周辺温度Ｔを高い分解能で計測することができない。図４（ｂ）に示すように、増幅器２３１ａを通すことにより、同じ温度変化（Ｔ_１→Ｔ_２）でも大きな出力電圧Ｖ_ａ’の変化が生じるため、周辺温度Ｔを高い分解能で計測することが可能になる。また、増幅器２３１ａは、電位Ｖ_ａを所定の利得で増幅すると共に、オフセット電圧を与える機能も備えている。これにより、高い利得に設定しても、出力電圧Ｖ_ａ’の範囲をＡＤコンバータ２３３のダイナミックレンジ内に収めることが可能になり、周辺温度Ｔをより高い分解能で計測することが可能になる。なお、必ずしも増幅器２３１ａを設ける必要は無く、高い温度検出確度が必要な場合には増幅器２３１ａを設けない方が有利な場合もある。

端子２３０ａは、抵抗Ｒ_ｖを介してグラウンドに接続されている。従って、サーミスタ２２５の抵抗値をＲ_ｔとすると、端子２３０ａの電位Ｖ_ａは次の数式１により表される。

従って、サーミスタ２２５の抵抗値Ｒ_ｔは、数式１を変形した次の数式２により表される。

演算処理回路２３４は、増幅器２３１ａの利得及びオフセット電圧の値を用いて、ＡＤコンバータ２３に入力された増幅器２３１ａの出力電圧Ｖ_ａ’から端子２３０ａの電位Ｖ_ａを計算し、更に数式２によりサーミスタ２２５の抵抗値Ｒ_ｔを計算する。更に、演算処理回路２３４は、次の数式３を用いて、サーミスタ２２５の抵抗値Ｒ_ｔからＸＹ軸アクチュエータ２２３のハウジング内温度Ｔを計算する。なお、数式３における定数Ｂはサーミスタ２２５の特性係数であり、定数Ｒ_０は温度Ｔ_０における抵抗値である。定数Ｂ、Ｒ_０及びＴ_０は、予め実験的に取得され、演算処理回路２３４内のメモリ（不図示）に格納されている。

演算処理回路２３４は、このようにして取得したＸＹ軸アクチュエータ２２３の周辺温度Ｔに基づいて、ＸＹ軸アクチュエータ２２３の周辺温度Ｔが設定温度Ｔ_Ｓに保たれるように、ヒータ２２６に流す駆動電流−Ｉｄを制御する。具体的には、演算処理回路２３４は、ヒータ２２６に流すべき駆動電流−Ｉｄのデジタル値を制御信号として出力する。すなわち、本実施形態の温度制御システムＴＣは、ヒータ２２６に供給する電流を制御することにより、ヒータ２２６の加熱量を制御している。

演算処理回路２３４の出力は、ＤＡコンバータ２３５を介して電流ドライバ２３６に接続されている。ＤＡコンバータ２３５は、定電圧源Ｖ_０から給電を受けて、演算処理回路２３４が出力した制御信号（駆動電流量の大きさを示すデジタル信号）をアナログ電圧信号（０〜Ｖ_０）に変換して出力する。電流ドライバ２３６は、負の印加電圧−Ｖ_０で駆動され、ＤＡコンバータ２３５が出力したアナログ電圧信号に応じて駆動電流−Ｉｄを出力する（すなわち電流Ｉｄを吸い込む）。電流ドライバ２３６の出力は、ＰＴＣサーミスタ２３７を介して、端子２３０ｄに接続されている。また、端子２３０ｃはグランドに接続されている。従って、電流ドライバ２３６が出力した駆動電流−Ｉｄは、ＰＴＣサーミスタ２３７及びワイヤ２１２ｄを介して、ヒータ２２６に供給される。

本実施形態においては、電流ドライバ２３６と端子２３０ｄとの間に電流制限器としてＰＴＣサーミスタ２３７等の抵抗体を設けることにより、駆動電流−Ｉｄが流れるワイヤ２１２ｄ等の配線部に短絡が生じても一定量以上の電流が流れないようになっている。特に、ＰＴＣサーミスタ２３７は、温度の上昇（ジュール熱の発生）に伴って抵抗値が増大する性質を有しており、ｍＡ（ミリアンペア）単位での優れた電流制限（過電流防止）効果を発揮する。また、ＰＴＣサーミスタ２３７は、電流量が減少して温度が低下すると、元の抵抗値に戻り、繰り返し使用することができる。なお、ＰＴＣサーミスタ２３７に替えてヒューズや通常の固定抵抗器を使用することもできる。

本実施形態では、細径（例えば、導体径４６ＡＷＧ）且つ長尺（例えば５ｍ以上）のワイヤ２１２ａ〜ｄが使用されるため、配線抵抗のバラツキが大きい。本実施形態の温度制御システムＴＣは、従来の電圧制御に替えて電流制御を行うため、配線抵抗の大きなバラツキによらず、ヒータ２２６に供給する電力を正確に制御することができる。

また、本実施形態においては、電流制御を行うため、配線部に短絡が生じても、演算処理回路２３４が暴走しない限りは、電流ドライバ２３６が過電流を出力することがない。

また、本実施形態の共焦点プローブ２００を含むＳＦＥ（Scanning Fiber Endoscope）では、狭い挿入部２００ｂ内にＳＭＦ２１１及び多数のワイヤ２１２ａ〜ｄを収容するため、ワイヤ２１２ａ〜ｄの絶縁被覆が極めて薄く形成されている。例えば、本実施形態では、挿入部２００ｂの外径が約２ｍｍ（内視鏡一体型の場合は約３．５ｍｍ）であり、内径約１．４ｍｍ（内視鏡一体型の場合は約２．５ｍｍ）のシース内に、外径０．２５ｍｍのＳＭＦ２１１と、導体径ＡＷＧ４６（約０．０４ｍｍ）のワイヤ２１２ａ〜ｄを複数（少なくとも合計１２本）収容する必要があり、ワイヤ２１２ａ〜ｄの絶縁被覆厚が大凡４０〜５０μｍに設定されている。そのため、例えば挿入部２００ｂが繰り返し屈曲されることにより、例えば、挿入部２００ｂ内で撚り合わされたワイヤ２１２ａ〜ｄ同士が擦れるため、絶縁被覆が剥離してワイヤ２１２ａ〜ｄ間等で短絡が発生し易い。また、各ワイヤ２１２ａ〜ｄの条長は５ｍ以上と長く、本数も多いため、短絡が発生する頻度が少なくない。本実施形態には、上記のような過電流を防止する様々な仕組みが導入されているため、ヒータ２２６の配線部に短絡が生じても、過電流による損傷の拡大が防止される。

なお、絶縁被覆厚が５０μｍ以下になると剥離の発生頻度が増える。従って、このように薄い絶縁被覆厚のワイヤを使用する場合には、上述した過電流防止の仕組みの導入が特に有効である。また、挿入部２００ｂの外径が約４ｍｍ（内径が約３ｍｍ）以下になると、シース内に収容されるワイヤの密度が高く（ワイヤ間の隙間が狭く）なり、絶縁被覆の剥離が発生しやすくなる。そのため、上述した過電流防止の仕組みの導入により顕著な効果が得られる。

次に、温度調節回路２３０の演算処理回路２３４によって実行される、ＸＹ軸アクチュエータ２２３の周辺温度Ｔの制御の手順について説明する。図５は、演算処理回路２３４が実行する処理の手順を示すフローチャートである。演算処理回路２３４は、まずＡＤコンバータ２３３から所定のサンプリングレートで連続的に出力される端子２３０ａの電位Ｖ_ａのデジタル値を取得し（Ｓ１）、直近の予め設定された個数のデジタル値Ｖ_ａの平均（移動平均）を計算する平滑化処理を行う（Ｓ２）。

次に、演算処理回路２３４は、数式２を用いて、平滑化した電位値Ｖ_ａをサーミスタ２２５の抵抗値Ｒ_ｔに変換し（Ｓ３）、更に、数式３を用いて、抵抗値Ｒ_ｔを温度偏差ΔＴに変換する（Ｓ４）。但し、温度偏差ΔＴは、サーミスタ２２５によって検出されるＸＹ軸アクチュエータ２２３の周辺温度Ｔと設定温度Ｔ_Ｓとの差分Ｔ−Ｔ_Ｓである。

なお、演算処理回路２３４は、温度偏差計算部２３４ａ及びＰＩＤ制御部２３４ｂを備えており、以上の処理Ｓ１〜Ｓ４は温度偏差計算部２３４ａにより行われ、以下に説明する処理Ｓ５〜Ｓ１２はＰＩＤ制御部２３４ｂにより行われる。

次に、処理Ｓ４において得られた温度偏差ΔＴが予め設定された適正温度範囲内（−α≦ΔＴ≦＋α）にあるか否かが判断される（Ｓ５）。温度偏差ΔＴが適正温度範囲内にあれば（Ｓ５：ＹＥＳ）、温度Ｔの制御が良好に行われていると判断される。この場合、後述するカウンタｋをリセットして（Ｓ６）、温度Ｔを用いてＰＩＤ制御を行い（Ｓ１０）、ＰＩＤ制御の結果得られた制御値ＭＶをＤＡコンバータ２３５に出力する（Ｓ１２）。

また、温度偏差ΔＴが予め設定された適正温度範囲（−α≦ΔＴ≦＋α）から外れていれば（Ｓ５：ＮＯ）、次に、温度偏差ΔＴが予め設定された上限値ΔＴ_ｍａｘを超えているか否かが判断される（Ｓ７）。温度偏差ΔＴが上限値ΔＴ_ｍａｘを超えていれば（Ｓ７：ＹＥＳ）、ヒータ２２６による加熱を完全に止める必要があるため、ＰＩＤ制御は行わず、制御値ＭＶをゼロに設定して（Ｓ１１）、ＤＡコンバータ２３５に出力する（Ｓ１２）。

温度偏差ΔＴが上限値ΔＴ_ｍａｘを超えていなければ（Ｓ７：ＮＯ）、カウンタｋをインクリメントする（Ｓ８）。次に、カウンタｋが予め設定された上限値ｋ_ｍａｘを超えたか否かが判断される（Ｓ９）。カウンタｋが上限値ｋ_ｍａｘを超えた場合は（Ｓ９：ＹＥＳ）、温度Ｔが設定温度Ｔ_Ｓに速やかに収束されない場合であり、何らかの異常により良好な制御が行われていないと判断される。そのため、不適切な温度制御により共焦点プローブ２００が損傷を受けないように、制御値ＭＶをゼロに設定して（Ｓ１１）、ＤＡコンバータ２３５に出力する（Ｓ１２）。カウンタｋが上限値ｋ_ｍａｘを超えていない場合は（Ｓ９：ＮＯ）、通常のＰＩＤ制御を行い（Ｓ１０）、ＰＩＤ制御の結果得られた制御値ＭＶをＤＡコンバータ２３５に出力する（Ｓ１２）。

共焦点プローブ２００の動作を終了する（Ｓ１３：ＹＥＳ）まで、上記の処理Ｓ１〜Ｓ１２が繰り返し実行される。

以上が本発明の実施形態の説明であるが、本発明は、上記の実施形態の構成に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で様々な変形が可能である。

上記の実施形態は、本発明を光走査型共焦点内視鏡に適用した一例であるが、本発明はこの構成に限定されず、非共焦点型の光走査型内視鏡装置に適用することもできる。また、内視鏡装置に限らず、内視鏡用の各種処置具（例えば電気メス）やカテーテルにも適用することができる。更に、本発明は医療用機器に限定されず、工業用、民生用の様々な機器に適用することができる。

１ 光走査型共焦点内視鏡装置
１００ プロセッサ
１０２，２０２ ＣＰＵ
１０４，２０４ メインメモリ
１０６ 光源
１０８ 光検出器
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，２１１ ＳＭＦ
１１２ 映像信号処理回路
２００ 共焦点プローブ（光走査型内視鏡）
２０６ 走査制御回路
２１２ａ〜ｄ ワイヤ（被覆電線）
２２０ 共焦点走査光学ユニット（光走査ユニット）
２２１ ハウジング
２２２ マウント部材
２２３ ＸＹ軸アクチュエータ
２２４ 対物光学系
２２５ サーミスタ
２２６ ヒータ
２２７ Ｚ軸アクチュエータ
２２８ Ｚ軸変位センサ
２３０ 温度調節回路
３００ モニタ

Claims (6)

1. 光源からの光を光ファイバによって導光し、該光ファイバの出射端から出射される光を被写体上で周期的に走査させる光走査ユニットと、前記光走査ユニットの動作を制御する制御回路を有する制御ボックスと、前記光走査ユニットと前記制御ボックスとを接続する可撓性ケーブルと、を備えた光走査型内視鏡であって、
   前記光ファイバは、前記可撓性ケーブル内に挿通されており、
   前記光走査ユニットは、
   前記光ファイバの出射端近傍部分を前記光源側で片持ち支持し、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、前記光ファイバから出射する光を走査させるアクチュエータと、
   前記可撓性ケーブル内に挿通され、前記制御回路と接続される１対の第１ワイヤを有し、該１対の第１ワイヤを直列に流れる電流によって該アクチュエータ近傍の閉鎖空間を加熱するヒータと、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記１対の第１ワイヤの一方をグラウンドに接続するグラウンド端子と、
   前記１対の第１ワイヤの他方と接続され、前記グラウンド端子から前記１対の第１ワイヤを介して電流を吸い込む電流ドライバと、
   前記１対の第１ワイヤの他方と前記電流ドライバとの間に直列に挿入されており、温度の上昇に伴って抵抗値が増大する性質を有し、前記１対の第１ワイヤに流れる電流を制限する抵抗体と、
   を備える、
   光走査型内視鏡。
2. 前記光走査ユニットは、
   前記可撓性ケーブル内に挿通され、前記制御回路と接続される１対の第２ワイヤを有し、該１対の第２ワイヤを直列に流れる電流によって前記閉鎖空間の温度を検出する温度センサを備え、
   前記制御回路は、
   前記温度センサが検出した温度に応じて前記電流ドライバが吸い込む電流を制御し、前記閉鎖空間の温度を所定の温度に調節する温度調節回路を備える、
   請求項１に記載の光走査型内視鏡。
3. 前記抵抗体が、固定抵抗、ヒューズ又はＰＴＣサーミスタのいずれかである、
   請求項１又は請求項２に記載の光走査型内視鏡。
4. 前記温度センサがサーミスタである、
   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。
5. 前記温度調節回路が、前記温度センサに定電圧を供給する低ドロップアウトレギュレータを備える、
   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。
6. 前記第１ワイヤの被覆厚が５０μｍ以下である、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光走査型内視鏡。

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