JP6177463B2

JP6177463B2 - 内視鏡システム

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Publication number: JP6177463B2
Application number: JP2016567940A
Authority: JP
Inventors: 英明木内; 勉浦川; 川田　晋; 晋川田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2036-02-23
Also published as: WO2016170838A1; EP3287064A1; US10687696B2; CN107529967B; US20180035877A1; JPWO2016170838A1; CN107529967A

Description

本発明は、画像情報を光伝送方式で伝送する内視鏡システムに関する。

従来、医療分野においては、患者等の被検体の臓器を観察する際に内視鏡システムが用いられている。内視鏡システムは、例えば先端に撮像素子が設けられ、可撓性を有する細長形状をなし、被検体の体腔内に挿入される挿入部を有する内視鏡と、ケーブルおよびコネクタを介して挿入部と接続して撮像素子が撮像した体内画像の画像処理を行う情報処理装置と、体内画像を表示する表示装置と、を備える。

近年、より鮮明な画像観察を可能とする高画素数の撮像素子が開発されており、内視鏡への高画素数の撮像素子の使用が検討されている。また、被検体への導入のしやすさを考慮し、挿入部の細径化が求められている。さらに、挿入部の細径化を実現しながら、撮像素子と情報処理装置との間で大容量の信号を高速に伝送するために、光ファイバおよび光導波路を用いた伝送方式が内視鏡システムでも採用されている。

このような技術として、撮像部が撮像信号をＥ／Ｏ変換部により光信号に変換し、前記光信号を光ファイバにより伝送してプロセッサ内のＯ／Ｅ変換部に出力する内視鏡システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、複数種のレーザ光源が出力可能な光源装置を備えた内視鏡システムにおいて、レーザ光を伝送する複数の光ファイバを接続する光コネクタ内に、光ファイバの光軸を一致させるホルダ調芯手段を備えたものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−１９４０３７号公報特開２０１１−１５２３６９号公報

特許文献１および２では、光ファイバが正しく接続される場合には光信号を減衰することなく伝送可能である。しかしながら、光ファイバの接続部、すなわち、光コネクタにほこりや水垢等の汚れが付着したり、嵌合ずれが発生した場合、光信号の光量が大きく減衰し、光信号が正常に伝送できないおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光コネクタに多少の汚れが付着したり、嵌合ずれが生じた場合であっても、光信号の伝送を可能とする内視鏡システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる内視鏡システムは、被検体を撮像する撮像素子と、前記撮像素子から出力される撮像信号を光信号に変換して出力する第１の光電素子を有する送信モジュールと、前記第１の光電素子から出力された前記光信号を伝送する第１の光ファイバと、前記第１の光電素子と接続される前記第１の光ファイバの他端を保持する第１の光コネクタと、前記第１の光コネクタと着脱可能に接続される第２の光コネクタと、前記第２の光コネクタに保持され、前記第１の光ファイバよりコア径が大きく、前記第１の光ファイバから出力される前記光信号を伝送する第２の光ファイバと、前記第２の光ファイバが伝送した前記光信号を電気信号に変換して出力する第２の光電素子を有する受信モジュールと、前記第１の光コネクタに内蔵され、前記第１の光ファイバの端部から出力される前記光信号の光束径を拡大する第１の補正光学系と、前記第２の光コネクタに内蔵され、前記第１の補正光学系から出力される前記光信号を集光する第２の補正光学系と、を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる内視鏡システムは、上記発明において、前記第１の光ファイバの光ビームを平滑化する通信モード安定化部を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる内視鏡システムは、上記発明において、前記第２の光ファイバは、マルチコアファイバであることを特徴とする。

また、本発明にかかる内視鏡システムは、上記発明において、前記受信モジュールは、前記第２の光ファイバの端部から出力される前記光信号を集光する第３の補正光学系を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる内視鏡システムは、上記発明において、前記第１の補正光学系、前記第２の補正光学系、および前記第３の補正光学系は、１枚以上のレンズをそれぞれ有することを特徴とする。

また、本発明にかかる内視鏡システムは、上記発明において、前記第２の光ファイバの端部は、出力する前記光信号を集光するテーパ状、半球状、球状、または楔状の集光部であることを特徴とする。

本発明では、光コネクタで接続される光ファイバのうち、受信側の光ファイバのコア径を送信側の光ファイバより太径とすることにより、光コネクタ部に汚れが付着したり、嵌合ずれが発生した場合であっても、光信号の減衰を抑制でき、正常な光信号の伝送が可能となる。

図１は、本発明の実施の形態にかかる内視鏡システムの概略構成を示す模式図である。図２は、本発明の実施の形態にかかる内視鏡システムで使用する光コネクタの概略構成を示す模式図である。図３は、本発明の実施の形態にかかる光信号の伝送を説明する図である。図４は、本発明の実施の形態にかかる受信モジュールの概略構成を示す模式図である。

以下の説明では、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）として、内視鏡システムについて説明する。また、この実施の形態により、この発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態にかかる内視鏡システムの概略構成を示す模式図である。図２は、本発明の実施の形態にかかる内視鏡システムで使用する光コネクタの概略構成を示す模式図である。図２では、第１の光コネクタ１１と第２の光コネクタ１２とを接続しない状態で示している。

図１および２に示すように、実施の形態にかかる内視鏡システム１は、被検体内に導入され、被検体の体内を撮像して被検体内の画像信号を生成する内視鏡２と、内視鏡２が撮像した画像信号に所定の画像処理を施すとともに内視鏡システム１の各部を制御する情報処理装置３（外部プロセッサ）と、内視鏡２の照明光を生成する光源装置４と、情報処理装置３による画像処理後の画像信号を画像表示する表示装置５と、を備える。

内視鏡２は、被検体内に挿入される挿入部６と、挿入部６の基端部側であって術者が把持する操作部７と、操作部７より延伸する可撓性のユニバーサルコード８と、を備える。

挿入部６は、照明ファイバ（ライトガイドケーブル）、電気ケーブルおよび光ファイバ等を用いて実現される。挿入部６は、撮像素子を内蔵した先端部６ａと、複数の湾曲駒によって構成された湾曲自在な湾曲部６ｂと、湾曲部６ｂの基端部側に設けられた可撓性を有する可撓管部６ｃと、を有する。先端部６ａには、照明レンズを介して被検体内を照明する照明部、被検体内を撮像する観察部、処理具用チャンネルを連通する開口部６ｄおよび送気・送水用ノズル（図示せず）が設けられている。

先端部６ａには、集光用の光学系の結像位置に設けられ、光学系が集光した光を受光して電気信号に光電変換して所定の信号処理を施す撮像素子と、撮像素子から入力された画像情報を含む電気信号を光信号に変換して情報処理装置３に送信する発光素子２３を有する送信モジュール２０と、が配置される。送信モジュール２０は、発光素子２３から出力される光信号を伝送する第１の光ファイバ２１の端部を、フェルール２２を介して保持固定する。

操作部７は、湾曲部６ｂを上下方向および左右方向に湾曲させる湾曲ノブ７ａと、被検体の体腔内に生体鉗子、レーザメス等の処置具が挿入される処置具挿入部７ｂと、情報処理装置３、光源装置４、送気装置、送水装置および送ガス装置等の周辺機器の操作を行う複数のスイッチ部７ｃと、を有する。処置具挿入部７ｂから挿入された処置具は、内部に設けられた処置具用チャンネルを経て挿入部６先端の開口部６ｄから表出する。

ユニバーサルコード８は、照明ファイバ、電気ケーブルおよび第１の光ファイバ２１等を用いて構成される。ユニバーサルコード８は、基端で分岐しており、分岐した一方の端部が第１のコネクタ８ａであり、他方の基端が照明コネクタ８ｂである。第１のコネクタ８ａは、情報処理装置３の第２のコネクタ８ｃに対して着脱自在である。照明コネクタ８ｂは、光源装置４に対して着脱自在である。第１のコネクタ８ａには、第１の光ファイバ２１を保持する第１の光コネクタ１１が内蔵され、第２のコネクタ８ｃには、第２の光ファイバ３１を保持する第２の光コネクタ１２が内蔵される。

情報処理装置３は、内視鏡２の先端部６ａの撮像部が撮像した被検体内の画像信号に対して、所定の画像処理を施す。情報処理装置３は、ユニバーサルコード８を介して内視鏡２の操作部７におけるスイッチ部７ｃから送信された各種の指示信号に基づいて、内視鏡システム１の各部を制御する。

光源装置４は、光を発する光源や、集光レンズ等を用いて構成される。光源装置４は、情報処理装置３の制御のもと、光源から光を発し、照明コネクタ８ｂ、ユニバーサルコード８の照明ファイバおよび第１のコネクタ８ａを介して接続された内視鏡２へ、被写体である被検体内に対する照明光として供給する。

表示装置５は、液晶または有機ＥＬ（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を用いた表示ディスプレイ等を用いて構成される。表示装置５は、映像ケーブル５ａを介して情報処理装置３によって所定の画像処理が施された画像を含む各種情報を表示する。これにより、術者は、表示装置５が表示する画像（体内画像）を見ながら内視鏡２を操作することにより、被検体内の所望の位置の観察および性状を判定することができる。

図２に示すように、光コネクタ１０は、第１の光コネクタ１１と第２の光コネクタ１２とからなる。第１の光コネクタ１１は、送信側のコネクタであり、第１の光ファイバ２１を保持するフェルール２５と、第１の光ファイバ２１の端部から出力される光信号の光束径を拡大し、平行光とするレンズ２６およびレンズ２７と、フェルール２５、レンズ２６およびレンズ２７を位置決めして保持するスリーブ２８と、スリーブ２８を収容するケース２９と、を備える。本実施の形態では、レンズ２６およびレンズ２７が第１の補正光学系として機能する。

第２の光コネクタ１２は、受信側のコネクタであり、第２の光ファイバ３１を保持するフェルール３２と、レンズ２７から出力される光束径が拡大された光信号を集光するレンズ３３およびレンズ３４と、レンズ３３およびレンズ３４を位置決めして保持するスリーブ３５と、スリーブ３５およびフェルール３２を収容するケース３６と、を備える。本実施の形態では、レンズ３３およびレンズ３４が第２の補正光学系として機能する。第１の補正光学系、および第２の補正光学系は、２枚のレンズに限定するものではなく、１枚でも３枚でもよい。

第２の光ファイバ３１は、第１の光ファイバ２１より径、すなわちコア径が大きいものを使用する。第２の光ファイバ３１のコア径は、第１の光ファイバ２１のコア径の２．５〜３．５倍であることが好ましい。第２の光ファイバ３１は、コアの屈折率が径方向に対して二次関数的に連続変化するＧＩ型（Ｇｒａｄｅｄｉｎｄｅｘ）、コアとクラッドの界面のみで屈折率が不連続に変わるＳＩ型（Ｓｔｅｐｉｎｄｅｘ）のいずれも使用することができる。また、第１の光ファイバ２１のコアと略同径のコアを複数含むマルチコアファイバを用いることもできる。

第２の光コネクタ１２側のケース３６の接続端部には凸部３６ａが設けられ、第１の光コネクタ１１側のケース２９に設けられた凹部２９ａに凸部３６ａを嵌合することにより、第１の光コネクタ１１と第２の光コネクタ１２が接続される。

第１の光コネクタ１１および第２の光コネクタ１２は、第１のコネクタ８ａおよび第２のコネクタ８ｃにそれぞれ内蔵されるが、内視鏡２による観察が終了する毎に第１のコネクタ８ａは第２のコネクタ８ｃから挿脱される（第１の光コネクタ１１も第２の光コネクタ１２から挿脱）。この挿脱の繰り返しにより、レンズ２７やレンズ３４の表面に汚れが付着したり、第１の光コネクタ１１と第２の光コネクタ１２との嵌合のずれが生じることがある。

図３は、本発明の実施の形態にかかる光信号の伝送を説明する図であり、図３（ａ）が嵌合ずれがない場合、図３（ｂ）はレンズ２７にゴミ３７が付着して、第１の光コネクタ１１と第２の光コネクタ１２との嵌合ずれが生じた場合を示している。第１の光ファイバ２１のコア２１ａから出力された光信号は、レンズ２６およびレンズ２７により光束径が拡大されるとともに、平行光となり、第２の光コネクタ１２のレンズ３４に入力される。レンズ３３およびレンズ３４は、レンズ２７から出力される光束径が拡大された光信号を集光し、第２の光ファイバ３１のコア３１ａに入力する。嵌合ずれが生じていない図３（ａ）では、第２の光ファイバ３１のコア３１ａの略中央部に光信号が集光されるが、嵌合ずれがある場合、図３（ｂ）に示すように、光信号が集光される位置にずれが生じる。本発明の実施の形態では、第２の光ファイバ３１として、第１の光ファイバ２１よりコア径が大きいものを使用するため、図３（ｂ）のように、汚れの付着や、嵌合ずれにより、光信号の集光位置に多少のずれが生じた場合でも、第２の光ファイバ３１のコア３１ａに光信号を入力できるため、光信号の減衰を生じることなく、光信号の伝送が可能となる。

なお、第１の光ファイバ２１と第２の光ファイバ３１とを径が同じものを使用した場合であって、光コネクタの光軸が±０．２°傾くと、光信号の光量は約４０〜５０％減衰するが、第２の光ファイバ３１の径を第１の光ファイバ２１の２．５〜３．５倍とすることにより、光コネクタの光軸を±０．４°傾けても光信号の光量の減衰がないことを確認している。

また、送信モジュール２０と第１の光コネクタ１１との間で光信号を伝送する第１の光ファイバ２１には、光ビームを平滑化する通信モード安定化部２４が設けられる。通信モード安定化部２４を設けることにより、第１の光ファイバ２１のコアのより多くの部分を使用して光信号を伝送することが可能となり、通信モードが安定化される。通信モード安定化部２４としては、ＳＧＳ方式、マンドレル方式、マイクロベンド方式等が採用できる。ＳＧＳ方式では簡単に通信モードを整えることができ、マンドレル方式では追加の機構を設ける必要がない。また、マイクロベンド方式では、他の２種に比べて高次モードの除去が可能であり、必要に応じて上記方式のいずれかを採用すればよい。

受信モジュール３０は、第２の光ファイバ３１が伝送した光信号を電気信号に変換して情報処理装置３に出力する受光素子を備える。図４は、本発明の実施の形態にかかる受信モジュール３０の概略構成を示す模式図である。受信モジュール３０は、第２の光ファイバ３１の端部を保持するフェルール３８を固定するケース（図示せず）と、第２の光ファイバ３１の端部から出力される光信号を集光するレンズ４１を備える。本実施の形態では、レンズ４１が第３の補正光学系として機能する。第３の補正光学系は、本実施の形態のように１枚のレンズに限定するものではなく、２枚でも３枚でもよい。１枚のレンズで第３の補正光学系を構成する場合、小型化が可能であり、２枚のレンズでは光軸調整が容易となる。第２の光ファイバ３１のコア径が太いため、２枚以下では集光が難しい場合、３枚のレンズで第３の補正光学系を構成すれば集光可能であり、必要に応じてレンズ構成を選択すればよい。３枚のレンズを使用する場合、受光素子４０側のレンズを直接受光素子４０に接続してもよい。

また、第３の補正光学系は、別体のレンズを使用するほか、第２の光ファイバ３１の端部をテーパ状または半球状に形成して、光信号を集光してもよい。端部がテーパ状のテーパファイバ、または半球状、球状、または楔状のレンズドファイバを第２の光ファイバ３１として使用することができる。テーパファイバまたはレンズドファイバを使用することにより、レンズの設置スペースを削減でき、受信モジュール３０の小型化が可能となる。

上述した実施の形態では、第１の光コネクタ１１は第１のコネクタ８ａに内蔵され、第２の光コネクタ１２は第２のコネクタ８ｃに内蔵されているが、光コネクタを、操作部７内に設けてもよい。また、光コネクタを、内視鏡システム１の複数個所、例えば、操作部７と、第１のコネクタ８ａおよび第２のコネクタ８ｃに設けてもよい。内視鏡システム１に光コネクタを複数配置する場合は、使用する光ファイバの径を、挿入部６側から情報処理装置３側に徐々に大きくすることにより、光信号の減衰を防止することができる。

１内視鏡システム
２内視鏡
３情報処理装置
４光源装置
５表示装置
６挿入部
６ａ先端部
６ｂ湾曲部
６ｃ可撓管部
６ｄ開口部
７操作部
７ａ湾曲ノブ
７ｂ処置具挿入部
７ｃスイッチ部
８ユニバーサルコード
８ａ第１のコネクタ
８ｂ照明コネクタ
８ｃ第２のコネクタ
１０光コネクタ
１１第１の光コネクタ
１２第２の光コネクタ
２０送信モジュール
２１第１の光ファイバ
２１ａ、３１ａコア
２２、２５、３２、３８フェルール
２３発光素子
２４通信モード安定化部
２６、２７、３３、３４、４１レンズ
２８、３５スリーブ
２９、３６ケース
２９ａ凹部
３０受信モジュール
３１第２の光ファイバ
３６ａ凸部
４０受光素子

Claims

被検体を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子から出力される撮像信号を光信号に変換して出力する第１の光電素子を有する送信モジュールと、
前記第１の光電素子から出力された前記光信号を伝送する第１の光ファイバと、
前記第１の光電素子と接続される前記第１の光ファイバの他端を保持する第１の光コネクタと、
前記送信モジュールと前記第１の光コネクタの間に設けられ、前記第１の光ファイバが伝送する光ビームを平滑化する通信モード安定化部と、
前記第１の光コネクタと着脱可能に接続される第２の光コネクタと、
前記第２の光コネクタに保持され、前記第１の光ファイバよりコア径が大きく、前記第１の光ファイバから出力される前記光信号を伝送する第２の光ファイバと、
前記第２の光ファイバが伝送した前記光信号を電気信号に変換して出力する第２の光電素子を有する受信モジュールと、
前記第１の光コネクタに内蔵され、前記第１の光ファイバの端部から出力される前記光信号の光束径を拡大する第１レンズと、前記第１レンズが光束径を拡大した前記光信号を平行光に変換する第２レンズと、を有する第１の補正光学系と、
前記第２の光コネクタに内蔵され、前記第１の補正光学系から出力される前記光信号を集光する第２の補正光学系と、
を備え、前記第２の光ファイバは、コアとクラッドの界面のみで屈折率が不連続に変わるＳＩ型であり、前記通信モード安定化部は、前記第１の光ファイバに伝送する前記光ビームを、前記第１の光ファイバのコアのより多くの部分を使用して前記光ビームを平滑整形し、前記ＳＩ型の第２の光ファイバに入射させることを特徴とする内視鏡システム。
前記第２の光ファイバは、マルチコアファイバであることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
前記受信モジュールは、前記第２の光ファイバの端部から出力される前記光信号を集光する第３の補正光学系を備えることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
前記第２の光ファイバは、前記第１の光ファイバのコアと同径のコアを複数含むマルチコアファイバであることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡システム。
前記第２の補正光学系、および前記第３の補正光学系は、１枚以上のレンズをそれぞれ有することを特徴とする請求項３に記載の内視鏡システム。
前記第２の光ファイバの端部は、出力する前記光信号を集光するテーパ状、半球状、球状、または楔状の集光部であることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。