JP6114609B2 - 走査型内視鏡 - Google Patents

Description

この発明は、患者の体腔内を観察するための内視鏡であって、特に所定の走査範囲内でファイバを周期的に走査させる走査装置を備える走査型内視鏡に関する。

従来、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、観察部位からの反射光を受光して画像化する走査型内視鏡システムが知られている（例えば、特許文献１）。このような走査型内視鏡システムでは、シングルモード型の光ファイバを内視鏡内部に備えている。光ファイバの一端は、二軸アクチュエータによって片持ち梁状に保持される。二軸アクチュエータは、振動の振幅を変調および増幅させながら、ファイバ先端部を駆動周波数に従って２次元的に共振させて、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を渦巻状に走査（スキャン）し、当該観察部位からの戻り光に基づきその照射領域（走査領域）の画像が取得される。

また、近年、特許文献１に記載されているような走査型内視鏡システムを走査型共焦点内視鏡システムに適用することも提案されている（例えば、特許文献２）。走査型共焦点内視鏡システムは、薬剤が投与された生体組織にレーザ光を照射し、その生体組織から発せられる蛍光のうち、共焦点光学系の焦点位置と共役の位置に配置されたピンホールを介した成分のみを抽出することにより、その生体組織を、通常の内視鏡光学系によって得られる観察像より高倍率で観察可能にするものである。特許文献２に記載の走査型共焦点内視鏡システムは、生体組織の特定の狭小領域をレーザ光で２次元又は３次元に走査することで、通常の内視鏡光学系によって得られる観察像の倍率では観察できないような微小な対象物を観察したり、生体組織の断層部を観察したりすることができるように構成されている。

特表２００８−５１４３４２号公報 特開２０１１−２５５０１５号公報

従来の走査型内視鏡では、ファイバを駆動するためのパラメータの一つであるファイバの駆動周波数として、ファイバの共振周波数が用いられている。ファイバの共振周波数を用いた場合、比較的小さな印加電圧によってファイバを大きく振動させることができ、効率よくファイバを駆動することができるという利点がある。一方で、ファイバの駆動周波数として共振周波数を用いることによる様々な課題も存在する。まず、ファイバの振動振幅は、二軸アクチュエータに印加する電圧の大きさによって変化するが、共振周波数で駆動した場合、二軸アクチュエータへの印加電圧とファイバの振動振幅との関係が線形性を有さない。そのため、印加電圧に基づいてファイバの振動振幅を安定して制御することが困難となっていた。

また、走査型内視鏡のファイバは、位相をずらしたＸ方向およびＹ方向それぞれの振動を合成することで円を描くように構成される。そのために、Ｘ方向およびＹ方向それぞれにおいて直線の軌道を描いて振動することが理想である。しかしながら、共振周波数で駆動した場合は、Ｘ方向およびＹ方向それぞれに直線ではなく円または楕円の軌道を描いてしまうことがある。これにより、両方向の振動を合成した際に、意図したファイバの軌道が得られず、結果として得られる画像に歪みが生じてしまう。また、常に同じ軌道を描くとは限らないため、再現性が得られず、安定した制御が困難である。さらに、共振周波数で駆動した場合には、温度などの環境による影響を受けやすいといった問題もある。特に走査型共焦点内視鏡の場合には、小さな走査領域における画像を拡大表示するため、これらの問題による影響が大きく、画像の歪みが顕著となってしまう。

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、光ファイバを安定して駆動し、歪みの少ない画像を得ることが可能な走査型内視鏡を提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明により、体腔内の画像を取得するための画像取得手段を備える走査型内視鏡であって、該画像取得手段は、入射端に入射する光を射出端まで導光し、該射出端から被写体に射出する光ファイバと、光ファイバに固定され、Ｘ方向および該Ｘ方向に直交するＹ方向に振動する二軸アクチュエータと、光ファイバの射出端から射出される光が、所定の走査領域内で被写体面上を走査するように、所定の駆動周波数を有する駆動信号によって二軸アクチュエータの振動を制御する駆動制御手段と、を有する走査型内視鏡が提供される。また、本発明における所定の駆動周波数は、光ファイバの共振周波数とは異なる周波数であって、光ファイバの周波数特性または位相特性に基づいて設定されることを特徴とする。

このように、光ファイバの共振周波数以外の周波数を各特性に基づいて適宜設定し、駆動周波数として使用することで、安定して光ファイバを駆動制御することが可能となる。また、安定して光ファイバを駆動することにより、光ファイバの駆動の再現性を保つことができ、画像の歪みを低減することも可能となる。

また、本発明における所定の駆動周波数は、周波数の変化に伴う駆動信号に対する出力信号の位相の変化が急峻でない帯域の周波数、周波数の変化に伴う位相の傾きが略平坦となる帯域の周波数、または、周波数の変化に伴う位相の傾きが±約１０度以下となる帯域の周波数であっても良い。このように構成することにより、温度変化等の影響によって周波数が変化した場合にも位相が大きく変化することを防ぐことができる。

また、本発明における所定の駆動周波数は、二軸アクチュエータが片軸駆動された場合に、Ｘ方向またはＹ方向に略直線の軌道を描いて振動することが可能な周波数であっても良い。または、本発明における所定の駆動周波数は、二軸アクチュエータが片軸駆動された場合に、駆動されていない軸の影響が少ない周波数であっても良い。このように構成することにより、意図した光ファイバの軌道を得ることができ、歪みの少ない画像を取得することが可能となる。

また、本発明における所定の駆動周波数は、二軸アクチュエータが片軸駆動された場合に、駆動されている軸方向における増幅率と駆動されていない軸方向における増幅率との差が、光ファイバを該光ファイバの共振周波数で駆動した場合におけるこれらの増幅率の差よりも大きい所定の値となるような周波数であっても良い。また、増幅率は、駆動信号に対する出力信号の振幅の比であっても良く、所定の値は３０ｄＢ以上であっても良い。

さらに、本発明における所定の駆動周波数は、光ファイバの共振周波数から±１００Ｈｚ以上離れた周波数であっても良い。

また、上記走査型内視鏡は、光の集光点と共役の位置に配置された共焦点ピンホールをさらに備え、光により励起された被写体から発生する蛍光を、共焦点ピンホールを介して受光する、共焦点内視鏡であっても良い。

本発明の走査型内視鏡によれば、ファイバを安定して駆動し、歪みの少ない画像を得ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る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。 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。 片軸駆動の場合の周波数特性を示すグラフである。 Ｘ軸駆動の場合の周波数特性および位相特性を示すグラフである。 Ｘ軸駆動の場合の印加電圧毎の周波数特性を示すグラフである。 Ｘ軸駆動の場合の印加電圧毎の位相特性を示すグラフである。 Ｘ軸駆動の場合の温度毎の位相特性を示すグラフである。 図９（ａ）は片軸駆動の場合の周波数特性を示すグラフであり、図９（ｂ）はＸ軸駆動の場合の周波数特性および位相特性を示すグラフである。 駆動周波数毎の各温度における画像の歪み率を示すグラフである。 所定の走査領域を走査するために印加される電圧を示すグラフである。 光ファイバの駆動周波数毎の電圧特性を示すグラフである。 本実施形態の走査型共焦点内視鏡システムによって撮像した画像である。

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。尚、以下の説明では、本発明を走査型共焦点内視鏡システムに適用した場合について説明する。

図１は、本発明の実施形態の走査型共焦点内視鏡システム１の構成を示すブロック図である。本実施形態の走査型共焦点内視鏡システム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、走査型共焦点内視鏡システム１は、システム本体１００、共焦点プローブ２００、およびモニタ３００を有している。走査型共焦点内視鏡システム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（フォトカップラ）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、および映像信号出力回路１２０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２０４、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射出する。励起光は、光分波合波器１０４に入射する。光分波合波器１０４のポートの一つには、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から射出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の一端（以下、「基端」という。）は、光コネクタ１５２を通じて光分波合波器１０４と結合している。光ファイバ２０２の他端（以下、「先端」という。）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２０４内に収められている。光分波合波器１０４から射出された励起光は、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の先端から射出される。

図２（ａ）は、共焦点光学ユニット２０４の構成を概略的に示す図である。以下、共焦点光学ユニット２０４を説明する便宜上、共焦点光学ユニット２０４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二方向をＸ方向、Ｙ方向と定義する。図２（ａ）に示されるように、共焦点光学ユニット２０４は、各種構成部品を収容する金属製の外筒２０４Ａを有している。外筒２０４Ａは、外筒２０４Ａの内壁面形状に対応する外壁面形状を持つ内筒２０４Ｂ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は、外筒２０４Ａ、内筒２０４Ｂの各基端面に形成された開口を通じて内筒２０４Ｂに収容支持されており、光ファイバ２０２の先端（以下、符号「２０２ａ」を付す。）は、走査型共焦点内視鏡システム１の二次的な点光源として機能する。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。なお、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（初期状態）のとき、中心軸ＡＸは、光ファイバ２０２の光路と一致する。

図１に戻って、サブメモリ２０８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二軸アクチュエータ２０４Ｃを駆動制御する。図２（ｂ）は、二軸アクチュエータ２０４Ｃの構成を概略的に示す図である。図２（ｂ）に示されるように、二軸アクチュエータ２０４Ｃは、走査ドライバ２１０と接続された一対のＸ軸用電極（図中「Ｘ」、「Ｘ’」）及びＹ軸用電極（図中「Ｙ」、「Ｙ’」）を圧電体上に形成した圧電アクチュエータである。

走査ドライバ２１０は、所定の周波数を有する交流電圧Ｘを二軸アクチュエータ２０４ＣのＸ軸用電極間に印加して圧電体をＸ方向に振動させると共に、交流電圧Ｘと同一の周波数を有し、位相が直交する交流電圧ＹをＹ軸用電極間に印加して圧電体をＹ方向に振動させる。交流電圧Ｘ、Ｙはそれぞれ、振幅が時間に比例して線形に増加して、時間（Ｘ）、（Ｙ）かけて実効値（Ｘ）、（Ｙ）に達する電圧として定義される。光ファイバ２０２の先端２０２ａは、二軸アクチュエータ２０４ＣによるＸ方向、Ｙ方向への運動エネルギーが合成されることにより、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（Ｘ）、（Ｙ）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３に、ＸＹ近似面上の先端２０２ａの回転軌跡を示す。

励起光は、二軸アクチュエータ２０４Ｃへの交流電圧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から射出される。以下、説明の便宜上、この期間を「サンプリング期間」と記す。上述したように、二軸アクチュエータ２０４Ｃへ交流電圧が印加されると、光ファイバ２０２の先端２０２ａは、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。そのため、サンプリング期間中、光ファイバ２０２の先端２０２ａから射出した励起光は、中心軸ＡＸを中心とした所定の円形の走査領域を渦巻状に走査する。サンプリング期間が経過して二軸アクチュエータ２０４Ｃへの交流電圧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、光ファイバ２０２の振動は、所定時間後に略ゼロとなる（すなわち、先端２０２ａは、中心軸ＡＸ上でほぼ停止する）。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上にほぼ停止するまでの期間を「ブレーキング期間」と記す。ブレーキング期間の経過後、さらに所定時間の経過を待って、次のサンプリング期間が開始される。以下、説明の便宜上、ブレーキング期間が終了してから次のサンプリング期間の開始までの期間を「セトリング期間」と記す。セトリング期間は、光ファイバ２０２の先端２０２ａを中心軸ＡＸ上に完全に停止させるための待機時間であり、セトリング時間を設けることにより、先端２０２ａを精確に走査させることが可能となる。また、一フレームに対応する期間は、一つのサンプリング期間と一つのブレーキング期間で構成されており、セトリング期間を調整することによって、フレームレートを調整することができる。つまり、セトリング期間は、光ファイバ２０２の先端２０２ａが完全に停止するまでの時間とフレームレートとの関係から適宜設定することができるようになっている。なお、ブレーキング期間を短縮するため、ブレーキング期間の初期段階に二軸アクチュエータ２０４Ｃ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。

光ファイバ２０２の先端２０２ａの前方には、対物光学系２０４Ｄが設置されている。対物光学系２０４Ｄ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外筒２０４Ａに保持されている。レンズ枠は、外筒２０４Ａの内部において、内筒２０４Ｂと相対的に固定され支持されている。そのため、レンズ枠に保持された光学レンズ群は、外筒２０４Ａの内部を内筒２０４Ｂと一体となってＺ方向にスライドする。

内筒２０４Ｂの基端面と外筒２０４Ａの内壁面との間には、圧縮コイルばね２０４Ｅ及び形状記憶合金２０４Ｆが取り付けられている。圧縮コイルばね２０４Ｅは、自然長からＺ方向に初期的に圧縮狭持されている。形状記憶合金２０４Ｆは、Ｚ方向に長尺な棒形状を持ち、常温下で外力が加わると変形して、一定温度以上に加熱されると形状記憶効果で所定の形状に復元する性質を有している。形状記憶合金２０４Ｆは、形状記憶効果による復元力が圧縮コイルばね２０４Ｅの復元力より大きくなるように設計されている。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、形状記憶合金２０４Ｆを通電し加熱して伸縮量を制御する。形状記憶合金２０４Ｆは、伸縮量に応じて内筒２０４Ｂ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から射出された励起光は、対物光学系２０４Ｄ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２０４は、二軸アクチュエータ２０４Ｃ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２０４Ｄ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。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を伝送後、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から射出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を伝送して受光器１１４で検出される。受光器１１４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としてもよい。

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。本実施形態においては、予め、校正治具等を用いた実測結果を参考に信号取得タイミングからスポット形成位置が推定され、推定位置に対応する画像上の位置が決定されている。ＣＰＵメモリ１１０には、決定された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。

続いて、本実施形態にかかる光ファイバ２０２の駆動周波数の設定について詳述する。光ファイバ２０２の駆動周波数は、走査ドライバ２１０によって二軸アクチュエータ２０４Ｃに印加されるドライブ信号（交流電圧）の周波数である。従来、少ない印加電圧で効率よく光ファイバ２０２を振動させるために、ファイバの駆動周波数として、ファイバの共振周波数ｆ_０が使用されていた。ファイバの共振周波数ｆ_０は、片持ち梁状態で保持される光ファイバ２０２の固定端（二軸アクチュエータ２０４Ｃの先端側端面）から自由端（先端２０２ａ）までの長さなどによって決まる。図４は、光ファイバ２０２を、Ｘ軸およびＹ軸それぞれに片軸駆動した場合の周波数特性を示すグラフである。片軸駆動とは、二軸アクチュエータ２０４ＣのＸ軸用電極間のみに電圧を印加して光ファイバ２０２を駆動した場合（以下、「Ｘ軸駆動」という）、またはＹ軸用電極間のみに電圧を印加して光ファイバ２０２を駆動した場合（以下、「Ｙ軸駆動」という）をいう。図４の横軸は周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸は増幅率（ｄＢ）を示す。ここでいう増幅率とは、各電極間に印加される電圧と出力電圧（該印加電圧によって振動する光ファイバ２０２の自由端の振幅に対応する電圧）との比である。すなわち、増幅率が大きいほど、光ファイバ２０２の振動の効率が良いことを示す。尚、増幅率は、二軸アクチュエータ２０４Ｃの仕様や走査型共焦点内使用システム１の設計に応じて様々な値を取り得るものであり、図４に示される値は一例である。

図４において、Ａ_ＸＸはＸ軸駆動の場合におけるＸ方向の振動に関する増幅率を示し、Ａ_ＹＹは、Ｙ軸駆動の場合におけるＹ方向の振動に関する増幅率を示す。また、Ａ_ＸＹは、Ｘ軸駆動の場合におけるＹ方向の振動に関する増幅率を示し、Ａ_ＹＸは、Ｙ軸駆動におけるＸ方向の振動に関する増幅率を示す。図４に示されるように、ファイバの共振周波数ｆ_０付近（破線で囲まれる領域）では、Ａ_ＸＸおよびＡ_ＹＹの値が大きく、印加される電圧に対する振動振幅の効率が良いことがわかる。一方、ファイバの共振周波数ｆ_０付近では、Ａ_ＸＹおよびＡ_ＹＸの増幅率も大きくなっている。これは、Ｘ軸駆動を行った場合にＹ方向への振動が発生し、Ｙ軸駆動を行った場合にＸ方向への振動が発生していることを示す。ここで、光ファイバ２０２のＸ方向およびＹ方向の振動を合成して円形に駆動させるためには、片軸駆動の際に各軸において直線の軌道を描くことが理想である。すなわち、Ｘ軸駆動を行った場合はＸ方向に直線の軌道を描き、Ｙ軸駆動を行った場合はＹ方向に直線の軌道を描くことが理想である。しかしながら、光ファイバ２０２を共振周波数ｆ_０付近で駆動した場合には、未入力軸（Ｘ軸駆動の場合のＹ軸またはＹ軸駆動の場合のＸ軸）方向にも振動が伝わり、光ファイバ２０２の軌跡が直線ではなく、円もしくは楕円軌道を描いていることがわかる。一方、共振周波数ｆ_０から離れた周波数においては、未入力軸方向の振動振幅（増幅率）が小さく、各軸において略直線に近い軌道を描くことができると予想される。尚、図４では、共振周波数ｆ_０付近において、Ａ_ＸＸおよびＡ_ＹＹそれぞれが一つのピーク値を有しているが（山が一つ）、実際には、片軸駆動の際に印加電圧によって光ファイバ２０２が描く楕円軌道が回転することで、ピーク値が二つ（山が二つ）表れることがある。

続いて、図５はＸ軸駆動の場合の周波数特性および位相特性を示すグラフである。図５の横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は増幅率（ｄＢ）および位相（度）を示す。ここでいう増幅率は、図４と同じく、各電極間に印加される電圧と出力電圧との比である。また、図５における位相とは、電極間に印加される電圧に対する出力電圧（該印加電圧によって振動する光ファイバ２０２の自由端の振幅に対応する電圧）の位相である。図５に示されるように、ファイバの共振周波数ｆ_０付近の帯域（破線で囲まれる領域）において、位相Ｐ１は急峻に変化（下降）する。このことから、共振周波数ｆ_０付近で光ファイバ２０２を駆動した場合には、周波数の変化（温度等の影響による）に伴って位相が大きく変化することがわかる。これに対し、共振周波数ｆ_０から離れた周波数帯域では、位相の傾きは略平坦であり、温度等の影響によって周波数が変化した場合も、位相がほとんど変化しないことがわかる。

続いて、図６はＸ軸駆動の場合の印加電圧毎の周波数特性を示すグラフである。図６の横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は増幅率（ｄＢ）である。ここでいう増幅率は、図４と同じく、各電極間に印加される電圧と出力電圧との比である。図６におけるＡ_Ｘ１は、Ｘ軸用電極に最小電圧を印加した場合の増幅率、Ａ_Ｘ３は最大電圧を印加した場合の増幅率、Ａ_Ｘ２は最小電圧と最大電圧の中間の電圧を印加した場合の増幅率を示す。具体的には、最小電圧は、図３に示される光ファイバ２０２の軌跡の中心付近を走査する際の電圧（例えば２Ｖｐｐ）であり、最大電圧は最外周付近を走査する際の電圧（例えば２０Ｖｐｐ）であり、それらの中間の電圧は軌跡の中間付近を走査する際の電圧（例えば１１Ｖｐｐ）である。図６に示されるように、ファイバの共振周波数ｆ_０付近（破線で囲まれる領域）では、Ａ_Ｘ１、Ａ_Ｘ２、およびＡ_Ｘ３の値に大きな差が生じている。このことから、共振周波数ｆ_０付近で駆動した場合には、光ファイバ２０２の振動振幅は印加電圧の変化による影響を受けやすく、印加電圧によって光ファイバ２０２の振幅を安定して制御することが困難であることがわかる。一方、共振周波数ｆ_０から離れた周波数では、印加電圧の違いによる増幅率の差異はほとんどなく、印加電圧の変化による影響がほとんどないことがわかる。

続いて、図７は、Ｘ軸駆動の場合の印加電圧毎の位相特性を示すグラフである。図７の横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は位相（度）である。ここでいう位相は、図５と同じく、電極間に印加される電圧に対する出力電圧の位相である。図７において、Ｐ_Ｘ１は最小電圧を印加した場合の位相、Ｐ_Ｘ３は最大電圧を印加した場合の位相、Ｐ_Ｘ２は最小電圧および最大電圧の中間の電圧を印加した場合の位相を示す。ここでいう最小電圧、中間電圧および最大電圧は、図６の場合と同様（例えば２Ｖｐｐ、１１Ｖｐｐ、２０Ｖｐｐ）である。尚、図７における横軸のレンジは、図４から６の横軸に対して拡大されている。図７に示されるように、ファイバの共振周波数ｆ_０付近（破線で囲まれる矩形の領域）では、Ｐ_Ｘ１、Ｐ_Ｘ２、およびＰ_Ｘ３の値に大きな差が生じている。すなわち、共振周波数ｆ_０付近で駆動した場合には、位相も印加電圧の変化による影響を受けやすいことがわかる。これに対し、共振周波数ｆ_０から離れた周波数、特に高周波側では、印加電圧による位相の差がほとんどみられない。

続いて、図８は、Ｘ軸駆動の場合の温度毎の位相特性を示すグラフである。図８の横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は位相（度）である。ここでいう位相も、図５と同じく、電極間に印加される電圧に対する出力電圧の位相である。図８において、Ｔ_Ｘ１は最小温度（例えば１０度）における位相、Ｔ_Ｘ３は最大温度（例えば４０度）における位相、Ｔ_Ｘ２は最小温度および最大温度の中間の温度（例えば２５度）における位相を示す。尚、図８のグラフにおいては、印加電圧は一定であり、横軸のレンジは図７と同様である。図８に示されるように、ファイバの共振周波数ｆ_０付近（破線で囲まれる矩形の領域）では、Ｔ_Ｘ1、Ｔ_Ｘ2、およびＴ_Ｘ３の値にある程度のずれが生じている。このことから、光ファイバ２０２を共振周波数ｆ_０で駆動した場合には、位相が温度変化の影響を受けることがわかる。尚、図７とは反対に、共振周波数ｆ_０の高周波側ではある程度の位相のずれがみられるものの、低周波側では温度による位相のずれがほとんどみられない。尚、図５から図８は、Ｘ軸駆動の場合の位相特性を示しているが、Ｙ軸駆動の場合も同様の特性を有している。

このように、光ファイバ２０２の駆動周波数として共振周波数ｆ_０を使用した場合には、意図した軌道を描くことができない、温度等の影響を受けやすく安定して駆動できない、などといった問題点がある。そこで、これらの問題点を踏まえ、理想的なファイバ駆動を実現するための光ファイバ２０２の駆動周波数を設定する。図９(ａ)は、図４に示される周波数特性のグラフの一部を拡大した図であり、図９（ｂ）は図５に示される位相特性のグラフの一部を拡大した図である。まず、図９（ａ）に示される周波数特性から、未入力軸の影響が少ない周波数を採用することで、片軸駆動の際に略直線の軌道を維持できると予想される。具体的には、共振周波数ｆ_０よりも高周波側又は低周波側において、増幅率Ａ_ＸＸとＡ_ＸＹの差、またはＡ_ＹＹとＡ_ＹＸの差が共振周波数ｆ_０付近における該増幅率の差よりも大きい周波数を採用することが望ましい。好適な例としては、図９（ａ）に示されるように、Ａ_ＸＸとＡ_ＸＹの差、またはＡ_ＹＹとＡ_ＹＸの差が約３０ｄＢとなる周波数ｆ_１またはｆ_２を、光ファイバ２０２の駆動周波数として採用することで、未入力軸の影響を抑えることができる。この場合のｆ_１は、共振周波数ｆ_０を低周波側へ約１００Ｈｚずらした周波数（ｆ_０−約１００Ｈｚ）であり、ｆ_２は、共振周波数ｆ_０を高周波側へ約１００Ｈｚずらした周波数（ｆ_０＋約１００Ｈｚ）である。尚、この約３０ｄＢは一例であり、未入力軸の影響が小さいと考えられる差（例えば１０ｄＢ以上）となる任意の周波数を駆動周波数として採用することが可能である。

また、図９（ｂ）に示される位相特性においては、位相の変化が急峻でない帯域の周波数を採用することで、周波数の変化に伴う位相の変化による影響を抑えることができると予想される。具体的には、共振周波数ｆ_０よりも高周波側又は低周波側において、位相の変化が小さい（すなわち位相の傾きが略平坦な）帯域の周波数を採用することが望ましい。好適な例としては、図９（ａ）と同様に、共振周波数ｆ_０から±１００Ｈｚずらした周波数ｆ_１およびｆ_２を採用することが可能である。尚、このｆ_１およびｆ_２は一例であり、周波数の変化に伴う位相の変化が少ない（例えば位相の傾きが±１０度以下の）任意の周波数を採用することが可能である。

また、図６および図７に示される電圧毎の周波数特性および位相特性においては、電圧による増幅率および位相の差が少ない周波数を採用することで、光ファイバ２０２を安定して駆動制御することが可能になると予想される。具体的には、図９（ａ）と同様に、共振周波数ｆ_０から±１００Ｈｚずらした周波数ｆ_１およびｆ_２を採用することが有効である。走査型共焦点内視鏡システム１では、印加電圧を段階的に上げていき、光ファイバ２０２を振動させるため、位相にずれが生じていないことがキャリブレーションのし易さにも影響する。さらに、図８に示される温度毎の位相特性においては、温度による位相の差が少ない周波数を採用することで、温度の影響を受けずに安定して駆動制御することが可能になると予想される。具体的には、図９（ａ）と同様に、共振周波数ｆ_０から±１００Ｈｚずらした周波数ｆ_１およびｆ_２を採用することが有効である。

尚、図６から図９に示される各特性は相互に関連している。そのため、例えば図９（ａ）に示される周波数特性に基づいて、未入力軸の影響が少ない周波数を採用した場合には、当該周波数における位相の傾きは略平坦となり、電圧や温度による位相差も小さくなる可能性が高い。また、図９（ｂ）に示される位相特性に基づいて位相の傾きは略平坦となる周波数を採用した場合には、当該周波数における未入力軸の影響は少なく、電圧や温度による位相差も小さくなる可能性が高い。このように、本実施形態における光ファイバ２０２の駆動周波数は、様々な側面から適宜設定することができる。

続いて、実際に光ファイバ２０２の駆動周波数としてｆ_１およびｆ_２を使用した場合の画像の歪み率について図１０を参照して説明する。図１０は、駆動周波数毎の各温度における画像の歪み率を示すグラフである。図１０の横軸は温度（℃）を示し、縦軸は画像の歪み率（％）を示す。図１０において、Ｎ_０は光ファイバ２０２の駆動周波数として共振周波数ｆ_０を使用した場合の歪み率を示す。また、Ｎ_１は光ファイバ２０２の駆動周波数として周波数ｆ_１を使用した場合、Ｎ_２は周波数ｆ_２を使用した場合の歪み率をそれぞれ示す。さらに、図１０における破線は、許容される歪み率の基準として、走査型内視鏡ではない共焦点内視鏡における画像の歪み率Ｓを示す。

図１０に示されるように、共振周波数ｆ_０を使用した場合には、全体的にＮ_０の値が大きく、温度の変化に伴ってＮ_０の値が大きく変化している。これに対し、周波数ｆ_１およびｆ_２を使用した場合には、ほとんどの温度において、Ｎ_１およびＮ_２の値は基準の歪み率Ｓを下回っている。また、温度変化による値の変化もほとんどみられない。すなわち、光ファイバ２０２の駆動周波数として周波数ｆ_１およびｆ_２を使用した場合には、共振周波数ｆ_０を使用した場合に比べて、温度変化の影響が少なく、かつ歪みの少ない画像を取得することができる。

ここで、光ファイバ２０２の駆動周波数として周波数ｆ_１およびｆ_２を使用した場合に、所定の走査領域を走査するのに必要な印加電圧は、共振周波数ｆ_０を使用した場合に必要な印加電圧とは異なる。詳しくは、共振周波数ｆ_０を使用した場合には、最も小さな印加電圧で大きく振動させることが可能であり、周波数ｆ_１およびｆ_２を使用した場合にはより大きな印加電圧が必要となる。図１１は、光ファイバ２０２における走査領域を５００μm（半径）とした場合の、当該走査領域を走査するのに必要な印加電圧を示すグラフである。図１１の横軸は周波数（Ｈｚ）であり、縦軸は印加電圧（Ｖｐｐ）である。図１１のＶ_Ｘは、Ｘ軸用電極間に印加に示される電圧を示し、Ｖ_Ｙは、Ｙ軸用電極間に印加に示される電圧を示す。

図１１に示されるように、共振周波数ｆ_０を使用した場合の電圧値は最も小さいが、Ｖ_ＸとＶ_Ｙの差が最も大きくなっている。これにより、共振周波数ｆ_０を使用した場合には、Ｘ軸用電極とＹ軸用電極を同じ電圧で制御した場合も、光ファイバ２０２の挙動が不安定となることがわかる。一方、周波数ｆ_１またはｆ_２を使用した場合、印加電圧の値は大きくなるものの、Ｖ_ＸとＶ_Ｙの差は小さくなる。そのため、周波数ｆ_１またはｆ_２を使用した場合には、Ｘ軸用電極とＹ軸用電極とを同じ電圧で制御することが可能となり、安定して光ファイバ２０２を駆動させることができる。尚、光ファイバ２０２の駆動周波数を設定する際には、安全性のために各軸用電極への印加電圧の上限値（例えば４０Ｖｐｐ以下）を考慮することも望ましい。

続いて、図１２はファイバの駆動周波数毎の電圧特性を示すグラフである。尚、図１２は、厳密には電圧特性を示すものではなく、スパイラル毎の光ファイバ２０２の振幅を示したものであるが、印加電圧に対するファイバの振れ幅を示している点で、電圧特性と同等と考えることができる。図１２の横軸はスパイラル数であり、縦軸は光ファイバ２０２の振幅（ｍｍ）を示す。図１２において、Ｒ_０は光ファイバ２０２の駆動周波数として共振周波数ｆ_０を使用した場合の振幅を示す。また、Ｒ_１は周波数ｆ_１を、Ｒ_２は周波数ｆ_２を使用した場合の振幅を示す。

まず、共振周波数ｆ_０を使用した場合、図１２に示されるように、スパイラル数が０から２５０までの間、Ｒ_０が急な傾斜で上昇する。すなわち、図３に示される光ファイバ２０２の軌跡の中心領域において、各スパイラル間の間隔が広くなる。このことから、画像の中心領域においては座標の抜けが発生し、画像が粗くなってしまうことがわかる。一方、２５０スパイラル以降（図３の軌跡の外周領域）では、傾斜がなだらかとなり、スパイラル間の間隔が狭くなる。このことから、画像の外周領域では、得られる画像に重複が発生する可能性が高くなることがわかる。すなわち、光ファイバ２０２の駆動周波数として共振周波数ｆ_０を使用した場合には、電圧特性が線形を有さず、得られる画像の疎密が顕著となってしまう。

続いて、周波数ｆ_１を使用した場合、図１２に示されるように、１００スパイラルまでに若干のふくらみはあるものの、Ｒ_１はほぼ一定の傾きで変位している。すなわち、周波数ｆ_１を使用した場合の電圧特性は略線形性を有しており、安定して光ファイバ２０２を駆動することができる。また、画像の疎密もほとんど発生せず、歪みの少ない画像を得ることができる。

同様に、周波数ｆ_２を使用した場合、図１２に示されるように、４００スパイラル以降に若干の反りがあるものの、Ｒ_２はほぼ一定の傾きで変位している。すなわち、周波数ｆ_１を使用した場合と同様に、周波数ｆ_２を使用した場合の電圧特性も略線形性を有しており、安定して光ファイバ２０２を駆動することができるとともに、画像の疎密がほとんどなく、歪みの少ない画像を得ることができる。また、周波数ｆ_２を使用した場合には、４００スパイラルを過ぎた付近で急激にＲ_２の値が上昇している。すなわち、４００スパイラルを過ぎた付近で、各スパイラル間の間隔が広くなる。そのため、周波数ｆ_２を使用した場合には、同じ走査範囲を走査する場合に、周波数ｆ_１を使用した場合に比べて、少ない印加電圧で済むといった効果もある。また、このような特性を備えることにより、キャリブレーションにかかる時間を短縮することも可能となる。

図１３は、本実施形態の走査型共焦点内視鏡システム１にてキャリブレーション用のグリッド画像を撮影して得られた画像を示す。図１３（ａ）は、光ファイバ２０２の駆動周波数としてファイバの共振周波数ｆ_０を使用した場合の画像を示し、図１３（ｂ）は、周波数ｆ_１またはｆ_２を使用した場合の画像を示す。図１３（ａ）および（ｂ）に示されるように、周波数ｆ_１またはｆ_２を使用した場合には、共振周波数ｆ_０を使用した場合に比べて、得られる画像の歪みが少ないことがわかる。

以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。まず、上記実施形態は、本発明を走査型共焦点内視鏡システムに適用した場合について説明したが、本発明は、その他の走査型内視鏡システムにも適用することが可能である。例えば、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カラー画像を得る走査型内視鏡システムや、走査領域の水平方向を往復走査するラスタスキャン方式や、走査領域を正弦波的に走査するリサージュスキャン方式等を採用する走査型内視鏡システムにも本発明を適用することが可能である。また、本実施形態の共焦点プローブ２００は、電子内視鏡の鉗子チャネルを介して、患者の体内（例えば消化管内）に挿入されるプローブタイプのものとして説明したが、共焦点プローブ２００は、電子内視鏡と一体に構成されてもよい。

１ 走査型共焦点内視鏡システム
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 光源制御回路
２００ 共焦点プローブ
２０２ 光ファイバ
２０４ 共焦点光学ユニット
２０４Ｃ 二軸アクチュエータ
２０６ サブＣＰＵ
２０８ サブメモリ
２１０ 走査ドライバ

Claims (6)

1. 体腔内の画像を取得するための画像取得手段を備える走査型内視鏡であって、
   前記画像取得手段は、
   入射端に入射する光を射出端まで導光し、該射出端から被写体に射出する光ファイバと、
   前記光ファイバに固定され、Ｘ方向および該Ｘ方向に直交するＹ方向に振動する二軸アクチュエータと、
   前記光ファイバの射出端から射出される前記光が、所定の走査領域内で前記被写体面上を走査するように、所定の駆動周波数を有する駆動信号によって前記二軸アクチュエータの振動を制御する駆動制御手段と、
   を有し、
   前記所定の駆動周波数は、
   前記光ファイバの共振周波数から±１００Ｈｚ以上離れた周波数であって、前記光ファイバの周波数特性または位相特性に基づいて設定され、
   前記光ファイバの周波数特性は、
   周波数毎の増幅率を示す特性であり、
   前記増幅率は、
   前記駆動信号に対する出力信号の振幅の比であり、
   前記出力信号は、
   前記駆動信号によって駆動する前記光ファイバの振動振幅に対応する信号であり、
   前記光ファイバの位相特性は、
   周波数毎の、前記二軸アクチュエータへの印加電圧に対する出力電圧の位相を示す特性であり、
   前記出力電圧の位相は、
   前記二軸アクチュエータに備えられる電極間の印加電圧に対する出力電圧の位相である、
   走査型内視鏡。
2. 前記所定の駆動周波数は、
   周波数の変化に伴う前記駆動信号に対する出力信号の位相の変化率が所定閾値以下となる周波数である、
   請求項１に記載の走査型内視鏡。
3. 前記所定の駆動周波数は、
   前記二軸アクチュエータが片軸駆動された場合に、前記Ｘ方向または前記Ｙ方向に略直線の軌道を描いて振動することが可能な周波数である、
   請求項１又は請求項２に記載の走査型内視鏡。
4. 前記所定の駆動周波数は、
   前記二軸アクチュエータが片軸駆動された場合に、駆動されている軸方向における増幅率と駆動されていない軸方向における増幅率との差が、前記光ファイバを該光ファイバの共振周波数で駆動した場合におけるこれらの増幅率の差よりも大きい所定の値となるような周波数である、
   請求項１又は請求項２に記載の走査型内視鏡。
5. 前記所定の値は３０ｄＢ以上である、
   請求項４に記載の走査型内視鏡。
6. 前記走査型内視鏡は、
   前記光の集光点と共役の位置に配置された共焦点ピンホールをさらに備え、
   前記光により励起された被写体から発生する蛍光を、前記共焦点ピンホールを介して受光する、共焦点内視鏡である、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の走査型内視鏡。

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