JPWO2016143160A1 - 走査型内視鏡システム - Google Patents

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Abstract

走査型内視鏡システムは、被検体を照明するための照明光を導光し出射端から出射するための照明用ファイバ１２と、照明光を被検体上で走査するために印加される電気信号の電圧又は電流に応じて照明用ファイバ１２の出射端を揺動するアクチュエータ部１５と、を有する内視鏡２と、内視鏡２の使用条件の変化により照明用ファイバ１２の出射端が揺動する際の振幅の周波数特性が変化しても、振幅の変化量が所定の値以下となる周波数を駆動周波数とする電気信号をアクチュエータ部１５に印加するドライバユニット２２と、を有する。

Description

本発明は、走査型内視鏡システムに関し、特に、アクチュエータによりファイバを駆動して被写体を走査し画像を取得する走査型内視鏡システムに関するものである。
医療分野の内視鏡においては、被検者の負担を軽減するために、当該被検者の体腔内に挿入される挿入部を細径化するための種々の技術が提案されている。そして、このような技術の一例として、光ファイバによって導か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。
このような走査型内視鏡システムでは、位相をずらしたＸ方向及びＹ方向それぞれの振幅を合成することで、ファイバ先端が円を描くように構成される。そのために、Ｘ方向及びＹ方向それぞれにおいて、ファイバ先端が直線の軌道を描くように振動させることが望ましい。このため、アクチュエータへの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できる駆動周波数として、共振周波数近傍の周波数を用いず、共振周波数から所定ヘルツ離れた周波数を用いる走査型内視鏡システムが提案されていた（例えば、特開２０１４−１９８１８９号公報参照）。
ファイバが置かれている環境が変化すると、ファイバの振幅の周波数特性は低周波数側、又は高周波数側へシフトする。特に、ファイバ周囲の温度が変化した場合、周波数特性のシフトは顕著である。周波数特性がシフトすると、共振周波数周辺の周波数領域では周波数に対する振幅の変化が大きいため、ファイバの振動振幅を安定して制御することができない。このため、共振周波数から一定値離れた周波数領域のうち、特に、環境変化により周波数特性がシフトした場合にも、振幅の変化が少ない周波数帯でファイバを駆動させることが望ましい。また、振幅の周波数特性はスコープごとに異なるため、スコープごとに最適な駆動周波数領域を設定することが望ましい。
しかしながら、特開２０１４−１９８１８９号公報に記載された走査型内視鏡システムは、共振周波数から１００ヘルツ以上離れた周波数帯を駆動周波数としているが、同周波数帯が、必ずしも環境変化により周波数特性がシフトした場合にも振幅の変化が少ない周波数帯であるとは限らないため、最適な駆動周波数領域とはいえない。
そこで、本発明は、環境変化に伴う周波数特性のシフトの影響を受けにくい周波数領域を特定し、同周波数領域を駆動周波数とすることで、環境変化によらずファイバの振幅を安定して制御することができる走査型内視鏡システムを提供することを目的とする。
本発明の一態様の走査型内視鏡システムは、被検体を照明するための照明光を導光し出射端から出射するための導光部と、前記照明光を前記被検体上で走査するために印加される電気信号の電圧又は電流に応じて前記導光部の出射端を揺動するアクチュエータと、を有する走査部と、前記走査部の使用条件の変化により前記導光部の出射端が揺動する際の振幅の周波数特性が変化しても、前記振幅の変化量が所定の値以下となる周波数を駆動周波数とする前記電気信号を前記アクチュエータに印加する印加部と、を有する。
本発明の実施形態に係る走査型内視鏡システムの要部の構成の一例を示す図。 アクチュエータ部の構成を説明するための断面図。 アクチュエータ部に供給される駆動信号の信号波形の一例を示す図。 中心点Ａから最外点Ｂに至る渦巻状の走査経路の一例を示す図。 最外点Ｂから中心点Ａに至る渦巻状の走査経路の一例を示す図。 アクチュエータ部の駆動周波数と照明用ファイバの出射端部の振幅との関係を示す図。 環境変化による照明用ファイバの出射端部の振幅の周波数特性のシフトを説明する図。 本発明の実施形態に係る走査型内視鏡システムの要部の構成の別の一例を示す図。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る走査型内視鏡システムの要部の構成の一例を示す図である。走査型内視鏡システム１は、例えば、図１に示すように、被検者の体腔内に挿入される走査型の内視鏡２と、内視鏡２を接続可能な本体装置３と、本体装置３に接続される表示装置４と、本体装置３に対する情報の入力及び指示を行うことが可能な入力装置５と、を有して構成されている。また、走査型内視鏡システム１は、振幅検出器１００と、周波数特性算出部１０１とも有している。
走査部としての内視鏡２は、被検者の体腔内に挿入可能な細長形状を備えて形成された挿入部１１を有して構成されている。
挿入部１１の基端部には、内視鏡２を本体装置３のコネクタ受け部６２に着脱自在に接続するためのコネクタ部６１が設けられている。
コネクタ部６１及びコネクタ受け部６２の内部には、図示しないが、内視鏡２と本体装置３とを電気的に接続するための電気コネクタ装置が設けられている。また、コネクタ部６１及びコネクタ受け部６２の内部には、図示しないが、内視鏡２と本体装置３とを光学的に接続するための光コネクタ装置が設けられている。
挿入部１１の内部における基端部から先端部にかけての部分には、本体装置３の光源ユニット２１から供給された照明光を照明光学系１４へ導光する光ファイバである照明用ファイバ１２と、被写体からの戻り光を受光して本体装置３の検出ユニット２３へ導くための１本以上の光ファイバを具備する受光用ファイバ１３と、がそれぞれ挿通されている。
導光部としての照明用ファイバ１２の光入射面を含む入射端部は、本体装置３の内部に設けられた合波器３２に配置されている。また、照明用ファイバ１２の光出射面を含む出射端部は、挿入部１１の先端部に設けられたレンズ１４ａの光入射面の近傍に配置されている。
受光用ファイバ１３の光入射面を含む入射端部は、挿入部１１の先端部の先端面における、レンズ１４ｂの光出射面の周囲に固定配置されている。また、受光用ファイバ１３の光出射面を含む出射端部は、本体装置３の内部に設けられた分波器３６に配置されている。
照明光学系１４は、照明用ファイバ１２の光出射面を経た照明光が入射されるレンズ１４ａと、レンズ１４ａを経た照明光を被写体へ出射するレンズ１４ｂと、を有して構成されている。
挿入部１１の先端部側における照明用ファイバ１２の中途部には、本体装置３のドライバユニット２２から供給される駆動信号に基づいて駆動するアクチュエータ部１５が設けられている。
照明用ファイバ１２及びアクチュエータ部１５は、挿入部１１の長手軸方向に垂直な断面において、例えば、図２に示す位置関係を具備するようにそれぞれ配置されている。図２は、アクチュエータ部の構成を説明するための断面図である。
照明用ファイバ１２とアクチュエータ部１５との間には、図２に示すように、接合部材としてのフェルール４１が配置されている。具体的には、フェルール４１は、例えば、ジルコニア（セラミック）またはニッケル等により形成されている。
フェルール４１は、図２に示すように、四角柱として形成されており、挿入部１１の長手軸方向に直交する第１の軸方向であるＸ軸方向に対して垂直な側面４２ａ及び４２ｃと、挿入部１１の長手軸方向に直交する第２の軸方向であるＹ軸方向に対して垂直な側面４２ｂ及び４２ｄと、を有している。また、フェルール４１の中心には、照明用ファイバ１２が固定配置されている。なお、フェルール４１は、柱形状を具備する限りにおいては、四角柱以外の他の形状として形成されていてもよい。
アクチュエータ部１５は、例えば、図２に示すように、側面４２ａに沿って配置された圧電素子１５ａと、側面４２ｂに沿って配置された圧電素子１５ｂと、側面４２ｃに沿って配置された圧電素子１５ｃと、側面４２ｄに沿って配置された圧電素子１５ｄと、を有している。
圧電素子１５ａ〜１５ｄは、予め個別に設定された分極方向を具備し、本体装置３から供給される駆動信号より印加される駆動電圧に応じて伸縮するように構成されている。
挿入部１１の内部には、内視鏡２毎に固有であるアクチュエータ部１５の駆動条件を格納するための不揮発性のメモリ１６が設けられている。駆動条件には、後述する方法によって照明用ファイバ１２の振幅の周波数特性から算出される、アクチュエータ部１５の駆動周波数の設定条件が含まれている。そして、メモリ１６に格納された駆動条件は、内視鏡２のコネクタ部６１と本体装置３のコネクタ受け部６２とが接続され、かつ、本体装置３の電源がオンされた際に、本体装置３のコントローラ２５により読み出される。なお、アクチュエータ部１５の駆動周波数の設定条件は、例えば、内視鏡２の製造時等のような、ユーザが内視鏡２を初めて使用するタイミングより前の任意のタイミングにおいてメモリ１６に格納されるものとする。
本体装置３は、光源ユニット２１と、ドライバユニット２２と、検出ユニット２３と、メモリ２４と、コントローラ２５と、を有して構成されている。
光源ユニット２１は、光源３１ａと、光源３１ｂと、光源３１ｃと、合波器３２と、を有して構成されている。
光源３１ａは、例えばレーザ光源等を具備し、コントローラ２５の制御により発光された際に、赤色の波長帯域の光（以降、Ｒ光とも称する）を合波器３２へ出射するように構成されている。
光源３１ｂは、例えばレーザ光源等を具備し、コントローラ２５の制御により発光された際に、緑色の波長帯域の光（以降、Ｇ光とも称する）を合波器３２へ出射するように構成されている。
光源３１ｃは、例えばレーザ光源等を具備し、コントローラ２５の制御により発光された際に、青色の波長帯域の光（以降、Ｂ光とも称する）を合波器３２へ出射するように構成されている。
合波器３２は、光源３１ａから発せられたＲ光と、光源３１ｂから発せられたＧ光と、光源３１ｃから発せられたＢ光と、を合波して照明用ファイバ１２の光入射面に供給するように構成されている。
印加部としてのドライバユニット２２は、アクチュエータ部１５に印加する駆動電圧に応じた駆動信号を生成するように構成されている。また、ドライバユニット２２は、信号発生器３３と、Ｄ／Ａ変換器３４ａ及び３４ｂと、アンプ３５と、を有して構成されている。
信号発生器３３は、コントローラ２５の制御に基づき、照明用ファイバ１２の出射端部をＸ軸方向に揺動させるための第１の駆動信号として、例えば、図３の破線で示すような、所定の変調を正弦波に施して得られる信号波形を具備する電圧信号を生成してＤ／Ａ変換器３４ａへ出力する。また、信号発生器３３は、コントローラ２５の制御に基づき、照明用ファイバ１２の出射端部をＹ軸方向に揺動させるための第２の駆動信号として、例えば、図３の一点鎖線で示すような、第１の駆動信号の位相を９０°ずらした信号波形を具備する電圧信号を生成してＤ／Ａ変換器３４ｂへ出力する。図３は、アクチュエータ部に供給される駆動信号の信号波形の一例を示す図である。
Ｄ／Ａ変換器３４ａは、信号発生器３３から出力されたデジタルの第１の駆動信号をアナログの第１の駆動信号に変換してアンプ３５へ出力するように構成されている。
Ｄ／Ａ変換器３４ｂは、信号発生器３３から出力されたデジタルの第２の駆動信号をアナログの第２の駆動信号に変換してアンプ３５へ出力するように構成されている。
アンプ３５は、Ｄ／Ａ変換器３４ａ及び３４ｂから出力された第１及び第２の駆動信号を増幅してアクチュエータ部１５へ出力するように構成されている。
ここで、例えば、図３の破線で示すような信号波形を具備する第１の駆動信号に応じた駆動電圧がアクチュエータ部１５の圧電素子１５ａ及び１５ｃに印加されるとともに、図３の一点鎖線で示すような信号波形を具備する第２の駆動信号に応じた駆動電圧がアクチュエータ部１５の圧電素子１５ｂ及び１５ｄに印加されることにより、照明用ファイバ１２の出射端部が渦巻状に揺動され、このような揺動に応じて被写体の表面が図４及び図５に示すような渦巻状の走査経路で走査される。図４は、中心点Ａから最外点Ｂに至る渦巻状の走査経路の一例を示す図である。図５は、最外点Ｂから中心点Ａに至る渦巻状の走査経路の一例を示す図である。
具体的には、まず、時刻Ｔ１においては、被写体の表面における照明光の照射位置の中心点Ａに相当する位置に照明光が照射される。その後、第１及び第２の駆動信号の振幅（電圧）が時刻Ｔ１から時刻Ｔ２にかけて増加するに伴い、被写体の表面における照明光の照射位置が中心点Ａを起点として外側へ第１の渦巻状の走査経路を描くように変位し、さらに、時刻Ｔ２に達すると、被写体の表面における照明光の照射位置の最外点Ｂに照明光が照射される。そして、第１及び第２の駆動信号の振幅（電圧）が時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけて減少するに伴い、被写体の表面における照明光の照射位置が最外点Ｂを起点として内側へ第２の渦巻状の走査経路を描くように変位し、さらに、時刻Ｔ３に達すると、被写体の表面における中心点Ａに照明光が照射される。
すなわち、アクチュエータ部１５は、ドライバユニット２２から供給される第１及び第２の駆動信号に基づいて照明用ファイバ１２の出射端部を揺動することにより、当該出射端部を経て被写体へ出射される照明光の照射位置を図４及び図５に示す渦巻状の走査経路に沿って変位させることが可能な構成を具備している。また、ドライバユニット２２からアクチュエータ部１５に供給される第１及び第２の駆動信号の振幅は、時刻Ｔ２または時刻Ｔ２の近辺において最大となる。また、図４及び図５の渦巻状の走査経路を例に挙げた場合、内視鏡２の走査範囲は、当該渦巻状の走査経路の最外点Ｂを含む最外周の経路よりも内側に属する領域として示されるとともに、アクチュエータ部１５に供給される駆動信号の最大振幅の大きさに合わせて変化する。
検出ユニット２３は、分波器３６と、検出器３７ａ、３７ｂ及び３７ｃと、Ａ／Ｄ変換器３８ａ、３８ｂ及び３８ｃと、を有して構成されている。
分波器３６は、ダイクロイックミラー等を具備し、受光用ファイバ１３の光出射面から出射された戻り光をＲ（赤）、Ｇ（緑）及びＢ（青）の色成分毎の光に分離して検出器３７ａ、３７ｂ及び３７ｃへ出射するように構成されている。
検出器３７ａは、例えば、アバランシェフォトダイオード等を具備し、分波器３６から出力されるＲ光の強度を検出し、当該検出したＲ光の強度に応じたアナログのＲ信号を生成してＡ／Ｄ変換器３８ａへ出力するように構成されている。
検出器３７ｂは、例えば、アバランシェフォトダイオード等を具備し、分波器３６から出力されるＧ光の強度を検出し、当該検出したＧ光の強度に応じたアナログのＧ信号を生成してＡ／Ｄ変換器３８ｂへ出力するように構成されている。
検出器３７ｃは、例えば、アバランシェフォトダイオード等を具備し、分波器３６から出力されるＢ光の強度を検出し、当該検出したＢ光の強度に応じたアナログのＢ信号を生成してＡ／Ｄ変換器３８ｃへ出力するように構成されている。
Ａ／Ｄ変換器３８ａは、検出器３７ａから出力されたアナログのＲ信号をデジタルのＲ信号に変換してコントローラ２５へ出力するように構成されている。
Ａ／Ｄ変換器３８ｂは、検出器３７ｂから出力されたアナログのＧ信号をデジタルのＧ信号に変換してコントローラ２５へ出力するように構成されている。
Ａ／Ｄ変換器３８ｃは、検出器３７ｃから出力されたアナログのＢ信号をデジタルのＢ信号に変換してコントローラ２５へ出力するように構成されている。
メモリ２４には、本体装置３の制御の際に用いられる制御情報として、例えば、光源３１ａ〜３１ｃを発光させるための各種パラメータや、図３の信号波形を特定するための振幅や位相差等のパラメータを含む情報などが格納されている。
コントローラ２５は、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等の集積回路により構成されている。また、コントローラ２５は、図示しない信号線等を介してコネクタ受け部６２におけるコネクタ部６１の接続状態を検出することにより、挿入部１１が本体装置３に電気的に接続されているか否かを検出することができるように構成されている。また、コントローラ２５は、光源制御部２５ａと、走査制御部２５ｂと、画像生成部２５ｃと、を有して構成されている。
光源制御部２５ａは、メモリ２４から読み込んだ制御情報に基づき、例えば、光源３１ａ〜３１ｃを同時に発光させるための制御を光源ユニット２１に対して行うように構成されている。
設定部としての走査制御部２５ｂは、例えば、内視鏡２のコネクタ部６１と本体装置３のコネクタ受け部６２とが接続され、かつ、本体装置３の電源がオンされた際に、上述のようにメモリ１６に格納されたアクチュエータ部１５の駆動周波数条件を読み込むように構成されている。メモリ１６から読み込んだ駆動周波数条件を含む内視鏡２固有の駆動条件、及びメモリ２４から読み込んだ制御情報に基づき、例えば、図３に示すような信号波形を具備する駆動信号を生成させるための制御をドライバユニット２２に対して行うように構成されている。
画像生成部２５ｃは、例えば、走査制御部２５ｂの制御に応じて生成される駆動信号の信号波形に基づいて直近の走査経路を検出し、当該検出した走査経路上の照明光の照射位置に対応するラスタスキャン形式の画素位置を特定し、当該特定した画素位置に検出ユニット２３から出力されるデジタル信号により示される輝度値をマッピングすることにより１フレーム分の観察画像を生成し、当該生成した１フレーム分の観察画像を表示装置４へ順次出力するように構成されている。また、画像生成部２５ｃは、所定の文字列等を表示装置４に画像表示するための処理を行うことができるように構成されている。
表示装置４は、例えば、モニタ等を具備し、本体装置３から出力される観察画像を表示することができるように構成されている。
入力装置５は、例えば、キーボードまたはタッチパネル等を具備して構成されている。なお、入力装置５は、本体装置３とは別体の装置として構成されていてもよく、または、本体装置３と一体化したインターフェースとして構成されていてもよい。
振幅検出器１００は、アクチュエータ部１５を駆動させて照明用ファイバ１２を搖動させたときの、照明用ファイバ１２の出射端部の搖動幅（振幅）を検出するように構成されている。振幅検出器１００には、例えば光位置センサ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ、 ＰＳＤ）など、一般的な振幅検出センサを用いることができる。振幅検出器１００で検出された照明用ファイバ１２の出射端部の振幅は、周波数特性算出部１０１に出力される。
周波数特性算出部１０１は、振幅検出器１００から入力される照明用ファイバ１２の出射端部の振幅と、アクチュエータ部１５の駆動周波数との関係に基づき、内視鏡２の周囲の環境変化によらず安定した振幅が得られるアクチュエータ部１５の駆動周波数領域を算出する。以下、駆動周波数領域の算出方法を説明する。
まず、照明用ファイバ１２の出射端部の振幅の周波数特性の傾きを用いて駆動周波数領域を算出する方法を、図６を用いて説明する。図６は、アクチュエータ部の駆動周波数と照明用ファイバの出射端部の振幅との関係を示す図である。図６に示すように、照明用ファイバ１２の出射端部の振幅はアクチュエータ部１５の駆動周波数が共振周波数ｆｓのときに最大値となる。駆動周波数が共振周波数ｆｓから離れると出射端部の振幅は急激に小さくなり、駆動周波数が共振周波数ｆｓから所定値以上離れた周波数領域では、振幅はほぼ一定値となる。
振幅がほぼ一定値となる周波数領域では、温度や湿度など、照明用ファイバ１２が置かれている環境の変化に応じて周波数特性がシフトしても、シフト前後での振幅の変化は僅かである。従って、シフト前後での振幅の変化の許容量などに基づいて、周波数特性の傾きの上限値（第一の閾値）を予め設定しておき、周波数特性算出部１０１から入力された照明用ファイバ１２の出射端部の振幅の周波数特性において、傾きが第一の閾値と等しくなる周波数ｆｌ１を求める。そして、アクチュエータ部１５を高周波駆動させる場合においては、周波数ｆｌ１を下限とする周波数領域を駆動周波数領域として設定する。なお、周波数特性の傾きの上限値は略ゼロであることが望ましい。
ここで、共振周波数ｆｓ近傍の周波数でも、照明用ファイバ１２の出射端部の振幅はほぼ一定値となるため、傾きが略ゼロとなる。このため、共振周波数ｆｓから所定値（例えば２０Ｈｚ程度）以内の領域の周波数特性は周波数ｆｌの算出に用いず、共振周波数ｆｓから所定値以上離れた周波数の周波数特性を用いて周波数ｆｌ１を算出する。例えば図６に示すように、アクチュエータ部１５を高周波駆動させる場合においては、共振周波数ｆｓから所定値（例えば２０Ｈｚ程度）だけ高周波側にある、周波数ｆｄ以上の範囲の周波数特性を用いて周波数ｆｌ１を算出する。
また、周波数特性の測定中に、僅かな外部振動が照明用ファイバ１２に伝わることで、波形にノイズが入ってしまう可能性がある。ノイズが入ると、ノイズが発生した周波数の振幅が通常よりも大きくなってしまうため、当該周波数に急峻なピークが出現してしまう。このようにノイズが入った周波数特性の傾きを算出すると、ノイズのピーク部分の周波数も傾きが略ゼロとなってしまい、周波数ｆｌ１として正しい値が得られない可能性がある。
このため、周波数特性の傾きが第一の閾値と等しくなる周波数ｆｌ１を求める際には、周波数特性の傾きの連続性も考慮することが望ましい。すなわち、一定の周波数範囲において、周波数特性の傾きが連続して第一の閾値以下となった場合に、周波数特性の傾きが第一の閾値以下となる周波数のうち、最も共振周波数に近い周波数を周波数ｆｌ１として算出する。
なお、アクチュエータ部１５を低周波駆動させる場合においては、共振周波数ｆｓよりも低周波側において、傾きが第一の閾値と等しくなる周波数ｆｌ１´を算出し、該周波数ｆｌ１´上限とする周波数領域を駆動周波数領域として設定する。
次に、照明用ファイバ１２の出射端部の振幅のシフト量を用いて駆動周波数領域を算出する方法を、図７を用いて説明する。振幅の周波数特性をシフトさせるような環境変化としては、例えば、温度変化や湿度変化があげられる。ここでは、環境変化として温度が変化した場合の周波数特性のシフトを一例にあげて、駆動周波数領域を算出する方法を説明する。
図７は、環境変化による照明用ファイバの出射端部の振幅の周波数特性のシフトを説明する図である。図７において、常温時における照明用ファイバの出射端部の振幅の周波数特性を実線で示している。また、同じ照明用ファイバを高温の環境に晒した場合の出射端部の振幅の周波数特性を一点鎖線で示している。なお、通常の室内温度程度（例えば摂氏２５度程度）を常温とし、被検者の体内温度程度（例えば、摂氏３７度程度）の温度とする。
照明用ファイバ１２の出射端部の振幅の周波数特性は、周囲の環境が常温から高温に変化すると、低周波側にシフトする傾向がある。例えば図７に示すように、常温時において共振周波数ｆｓ１である周波数特性は、周囲の環境が高温になると低周波側にシフトし、共振周波数が周波数ｆｓ１よりも波長が短い周波数ｆｓ２にシフトする。すなわち、環境変化の前後で、同一の周波数における振幅が変化する。
環境変化による振幅の変化量Δａは、共振周波数ｆｓ近傍の周波数領域よりも、共振周波数ｆｓから離れた周波数領域のほうが小さい。例えば、図７に示すように、常温時の共振周波数ｆｓ１における振幅の変化量Δａｓは、常温時における振幅の３０％程度の大きな量になってしまう。一方、共振周波数ｆｓ１から離れた周波数領域にある周波数ｆｌにおける振幅の変化量Δａｌは、常温時における振幅の数％程度と小さな値に収まる。
照明用ファイバ１２の出射端部の振幅が変化すると、照射光の走査範囲が変化するため、受光用ファイバ１３から得られる画像の画角も変化する。一般的に、画角には目標値が設定されている。従って、該目標値に基づき、許容される振幅の変化量の割合の上限値（第二の閾値）を予め設定しておき、周波数特性算出部１０１から入力された照明用ファイバ１２の出射端部の振幅の周波数特性において、環境変化前後における振幅の変化量Δａｌの割合が、第二の閾値と等しくなる周波数ｆｌ２を求める。そして、アクチュエータ部１５を高周波駆動させる場合においては、周波数ｆｌ２を下限とする周波数領域を駆動周波数領域として設定する。
例えば、画角の目標値を達成するために、５％の振幅変化まで許容されている場合、常温時における振幅に対する環境変化前後における振幅の変化量Δａｌの割合が５％となる周波数ｆｌ２を算出する。そして、周波数ｆｌ２を下限とする周波数領域を駆動周波数領域として設定する。なお、アクチュエータ部１５を低周波駆動させる場合においては、共振周波数ｆｓ１よりも低周波側において、常温時における振幅に対する環境変化前後における振幅の変化量Δａの割合が５％となる周波数ｆｌ２´を算出し、該周波数ｆｌ２´上限とする周波数領域を駆動周波数領域として設定する。
なお、周波数特性算出部１０１は、例えばパーソナルコンピュータなど汎用のコンピュータで構成することができる。
続いて、以上に述べたような構成を具備する走査型内視鏡システム１において、照明用ファイバ１２の出射端部の振幅の周波数特性の傾きを用いて駆動周波数領域を算出し、メモリ１６に記録する場合の動作について説明する。
工場作業者は、例えば、内視鏡２の製造時に、アクチュエータ部１５の温度が所定の温度ＴＥＭになるような環境下に内視鏡２を配置した状態において、光走査型観察システム１の各部を接続して電源を投入する。なお、所定の温度ＴＥＭは、例えば、摂氏２５度のような、常温の範囲内に属する温度であるものとする。
その後、工場作業者は、例えば、入力装置５の走査開始スイッチ（不図示）を操作することにより、内視鏡２による走査を開始させるための指示をコントローラ２５に対して行う。
走査制御部２５ｂは、入力装置５の走査開始スイッチが操作されると、メモリ２４から読み込んだ制御情報に基づき、所定の駆動電圧、及び所定の駆動周波数を有する駆動信号を生成させるための制御をドライバユニット２２に対して行う。なお、所定の駆動電圧とは、共振周波数ｆｓでアクチュエータ部１５を駆動させた場合にも画角が許容範囲内に収まり、かつ、照明用ファイバ１２の出射端部の振幅が振幅検出器１００で検出可能な範囲内に収まるような駆動電圧である。また、所定の駆動周波数とは、共振周波数ｆｓより所定値だけ低い周波数から共振周波数ｆｓより所定値だけ高い周波数までの範囲で、連続的に周波数を変化させるような駆動周波数である。例えば、共振周波数が９０００Ｈｚの場合、アクチュエータ部１５駆動周波数が８５００Ｈｚから９５００Ｈｚの範囲で変化するような駆動信号を生成させるための制御を、ドライバユニット２２に入力する。
振幅検出器１００は、照明用ファイバ１２の出射端部のＸ軸方向及びＹ軸方向の搖動幅（振幅）を検出するとともに、検出した振幅を周波数特性算出部１０１へ出力する。
周波数特性算出部１０１は、振幅検出器１００から入力される照明用ファイバ１２の出射端部の振幅と、アクチュエータ部１５の駆動周波数とを用いて、振幅の周波数特性を算出する。算出した周波数特性の傾きが、予め設定されている第一の閾値となる周波数を求める。求めた周波数が共振周波数ｆｓよりも高い場合、高周波駆動時におけるアクチュエータ部１５の駆動周波数の下限値としてメモリ１６に格納する。求めた周波数が共振周波数ｆｓよりも低い場合、低周波駆動時におけるアクチュエータ部１５の駆動周波数の上限値としてメモリ１６に格納する。そして、算出した駆動周波数領域をメモリ１６に格納した後に、走査制御部２５ｂに対して駆動周波数領域の算出及び記録が完了した旨を出力する。
走査制御部２５ｂは、周波数特性算出部１０１から出力される駆動周波数領域の算出及び記録が完了した旨を工場作業者に報知するための文字列等を表示装置４に表示させるための制御を画像生成部２５ｃに対して行う。以上の一連の動作により、所定の温度ＴＥＭにおける照明用ファイバ１２の出射端部の振幅の周波数特性の傾きを用いて、アクチュエータ部１５の駆動周波数領域の算出及び、メモリ１６への記録を完了する。
次に、以上に述べたような構成を具備する走査型内視鏡システム１において、照明用ファイバ１２の出射端部の振幅のシフト量を用いて駆動周波数領域を算出し、メモリ１６に記録する場合の動作について説明する。
工場作業者は、例えば、内視鏡２の製造時に、アクチュエータ部１５の温度が所定の温度ＴＥＭになるような環境下に内視鏡２を配置した状態において、光走査型観察システム１の各部を接続して電源を投入する。なお、所定の温度ＴＥＭは、例えば、摂氏２５度のような、常温の範囲内に属する温度であるものとする。
その後、工場作業者は、例えば、入力装置５の走査開始スイッチ（不図示）を操作することにより、内視鏡２による走査を開始させるための指示をコントローラ２５に対して行う。
走査制御部２５ｂは、入力装置５の走査開始スイッチが操作されると、メモリ２４から読み込んだ制御情報に基づき、所定の駆動電圧、及び所定の駆動周波数を有する駆動信号を生成させるための制御をドライバユニット２２に対して行う。なお、所定の駆動電圧とは、共振周波数ｆｓでアクチュエータ部１５を駆動させた場合にも画角が許容範囲内に収まり、かつ、照明用ファイバ１２の出射端部の振幅が振幅検出器１００で検出可能な範囲内に収まるような駆動電圧である。また、所定の駆動周波数とは、共振周波数ｆｓより所定値だけ低い周波数から共振周波数ｆｓより所定値だけ高い周波数までの範囲で、連続的に周波数を変化させるような駆動周波数である。例えば、共振周波数が９０００Ｈｚの場合、アクチュエータ部１５駆動周波数が８５００Ｈｚから９５００Ｈｚの範囲で変化するような駆動信号を生成させるための制御を、ドライバユニット２２に入力する。
振幅検出器１００は、照明用ファイバ１２の出射端部のＸ軸方向及びＹ軸方向の搖動幅（振幅）を検出するとともに、検出した振幅を周波数特性算出部１０１へ出力する。周波数特性算出部１０１は、振幅検出器１００から入力される照明用ファイバ１２の出射端部の振幅と、アクチュエータ部１５の駆動周波数とを用いて、温度ＴＥＭ時における振幅の周波数特性を算出する。
次に、工場作業者は、アクチュエータ部１５の温度が所定の温度ＴＥＢになるような環境下に内視鏡２を配置する。なお、所定の温度ＴＥＢは、例えば、摂氏３７度のような、高温の範囲内に属する温度であるものとする。
振幅検出器１００は、引き続き照明用ファイバ１２の出射端部のＸ軸方向及びＹ軸方向の搖動幅（振幅）を検出するとともに、検出した振幅を周波数特性算出部１０１へ出力する。周波数特性算出部１０１は、振幅検出器１００から入力される照明用ファイバ１２の出射端部の振幅と、アクチュエータ部１５の駆動周波数とを用いて、温度ＴＥＢ時における振幅の周波数特性を算出する。
周波数特性算出部１０１は、温度ＴＥＭ時における振幅の周波数特性と、温度ＴＥＢ時における振幅の周波数特性とを用いて、振幅の変化量Δａの割合が第二の閾値と等しくなる周波数を求める。求めた周波数が共振周波数ｆｓよりも高い場合、高周波駆動時におけるアクチュエータ部１５の駆動周波数の下限値としてメモリ１６に格納する。求めた周波数が共振周波数ｆｓよりも低い場合、低周波駆動時におけるアクチュエータ部１５の駆動周波数の上限値としてメモリ１６に格納する。そして、算出した駆動周波数領域をメモリ１６に格納した後に、走査制御部２５ｂに対して駆動周波数領域の算出及び記録が完了した旨を出力する。
走査制御部２５ｂは、周波数特性算出部１０１から出力される駆動周波数領域の算出及び記録が完了した旨を工場作業者に報知するための文字列等を表示装置４に表示させるための制御を画像生成部２５ｃに対して行う。以上の一連の動作により、所定の温度ＴＥＭにおける照明用ファイバ１２の出射端部の振幅の周波数特性の傾きを用いて、アクチュエータ部１５の駆動周波数領域の算出及び、メモリ１６への記録を完了する。
以上に述べたように、本実施例によれば、例えば内視鏡２の使用前に、照明用ファイバ１２の出射端部の振幅の周波数特性を取得し、傾きが第一の閾値以下である周波数領域、または、周波数特性がシフトした場合の振幅の変化量の割合が第二の閾値以下である周波数領域を、アクチュエータ部１５の駆動周波数領域としてメモリ１６に記録しておく。実際の内視鏡２使用時には、メモリ１６に記録された駆動周波数領域内の周波数でアクチュエータ部１５を駆動させることで、内視鏡２の使用環境が変化しても、照明用ファイバ１２の出射端部の振幅を安定して制御することができる。
なお、図８は、本発明の実施形態に係る走査型内視鏡システムの要部の構成の別の一例を示す図である。上述の実施形態においては、内視鏡２や本体装置３とは別に周波数特性算出部１０１を配置するように構成したが、図８に示すように、本体装置３の例えばコントローラ２５内に配置するように構成してもよい。
本明細書における各「部」は、実施の形態の各機能に対応する概念的なもので、必ずしも特定のハードウェアやソフトウエア・ルーチンに１対１には対応しない。従って、本明細書では、実施の形態の各機能を有する仮想的回路ブロック（部）を想定して実施の形態を説明した。また、本実施の形態における各手順の各ステップは、その性質に反しない限り、実行順序を変更し、複数同時に実行し、あるいは実行毎に異なった順序で実行してもよい。さらに、本実施の形態における各手順の各ステップの全てあるいは一部をハードウェアにより実現してもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として例示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
本発明の走査型内視鏡システムによれば、環境変化に伴う周波数特性のシフトの影響を受けにくい周波数領域を特定し、同周波数領域を駆動周波数とすることで、環境変化によらずファイバの振幅を安定して制御することができる。
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
本出願は、２０１５年３月１２日に日本国に出願された特願２０１５−０４９８０１号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲に引用されるものとする。
本発明の一態様の走査型内視鏡システムは、被検体を照明するための照明光を導光し出射端から出射するための導光部と、前記照明光を前記被検体上で走査するために印加される電気信号の電圧又は電流に応じて前記導光部の出射端を揺動するアクチュエータと、を有する走査部と、前記走査部の使用条件の変化により前記導光部の出射端が揺動する際の振幅の周波数特性が変化しても、前記電気信号の駆動周波数の変化量に対する前記振幅の変化量の比率が、設定された第一の閾値以下となる駆動周波数領域から、前記アクチュエータに印加する前記駆動周波数を設定する設定部と、前記設定部において設定された前記駆動周波数を有する前記電気信号を前記アクチュエータに印加する印加部と、を有する。
本発明の一態様の走査型内視鏡システムは、被検体を照明するための照明光を導光し出射端から出射するための導光部と、前記照明光を前記被検体上で走査するために印加される電気信号の電圧又は電流に応じて前記導光部の出射端を揺動するアクチュエータと、を有する走査部と、前記走査部の使用条件の変化により前記導光部の出射端が揺動する際の振幅の周波数特性が変化しても、前記振幅の変化量が所定の値以下となる周波数を駆動周波数とする前記電気信号を前記アクチュエータに印加する印加部と、を有し、前記振幅の変化量は、摂氏２５度における第１振幅から摂氏３７度における第２振幅への変化量であり、前記所定の値は、前記第１振幅に対する前記変化量の割合が５％以下となるように設定される。
本発明の一態様の走査型内視鏡システムは、被検体を照明するための照明光を導光し出射端から出射するための導光部と、前記照明光を前記被検体上で走査するために印加される電気信号の電圧又は電流に応じて前記導光部の出射端を揺動するアクチュエータと、を有する走査部と、前記電気信号の周波数を順次変化させて前記アクチュエータに印加しながら振幅を検出して周波数特性を取得し、前記周波数特性を用いて、前記電気信号の駆動周波数の変化量に対する前記振幅の変化量の比率を算出し、前記比率が第一の閾値以下となる周波数を駆動周波数領域として算出する算出部と、前記走査部の使用条件の変化により前記導光部の出射端が揺動する際の前記振幅の前記周波数特性が変化しても、前記比率が、前記第一の閾値以下となる前記駆動周波数領域から、前記アクチュエータに印加する前記駆動周波数を設定する設定部と、前記設定部において設定された前記駆動周波数を有する前記電気信号を前記アクチュエータに印加する印加部と、を有する。
本発明の一態様の走査型内視鏡システムは、被検体を照明するための照明光を導光し出射端から出射するための導光部と、前記照明光を前記被検体上で走査するために印加される電気信号の電圧又は電流に応じて前記導光部の出射端を揺動するアクチュエータと、を有する走査部と、前記走査部の使用条件の変化により前記導光部の出射端が揺動する際の振幅の周波数特性が変化しても、前記振幅の変化量が所定の値以下となる周波数を駆動周波数とする前記電気信号を前記アクチュエータに印加する印加部と、を有し、前記振幅の変化量は、摂氏２５度における第１振幅から摂氏３７度における第２振幅への変化量であり、前記所定の値は、前記第１振幅に対する前記変化量の割合が５％以下となるように設定される。

Claims (9)

  1. 被検体を照明するための照明光を導光し出射端から出射するための導光部と、前記照明光を前記被検体上で走査するために印加される電気信号の電圧又は電流に応じて前記導光部の出射端を揺動するアクチュエータと、を有する走査部と、
    前記走査部の使用条件の変化により前記導光部の出射端が揺動する際の振幅の周波数特性が変化しても、前記振幅の変化量が所定の値以下となる周波数を駆動周波数とする前記電気信号を前記アクチュエータに印加する印加部と、
    を有することを特徴とする走査型内視鏡システム。
  2. 前記印加部が前記走査部に印加する前記電気信号の前記駆動周波数は、前記振幅の周波数特性において、前記アクチュエータに印加される前記電気信号の周波数の変化量に対する前記振幅の変化量の比率が、設定された第一の閾値以下となる周波数であることを特徴とする、請求項１に記載の走査型内視鏡システム。
  3. 前記電気信号の周波数を順次変化させて前記アクチュエータに印加しながら前記振幅を検出して周波数特性を取得し、前記周波数特性を用いて前記アクチュエータに印加される前記電気信号の周波数の変化量に対する前記振幅の変化量の比率を算出し、前記比率が前記第一の閾値以下となる周波数を前記駆動周波数領域として算出する算出部と、前記駆動周波数領域から前記アクチュエータに印加する前記駆動周波数を設定する設定部と、を更に有し、前記印加部は、前記設定部において設定された前記駆動周波数を有する前記電気信号を前記アクチュエータに印加することを特徴とする、請求項２に記載の走査型内視鏡システム。
  4. 前記算出部は、前記共振周波数の近傍の周波数領域については、前記比率を算出しないことを特徴とする、請求項３に記載の走査型内視鏡システム。
  5. 前記算出部は、所定の範囲の周波数領域について、前記比率が連続して前記第一の閾値以下となる場合に、前記第一の閾値以下となる周波数を前記駆動周波数領域とすることを特徴とする、請求項３に記載の走査型内視鏡システム。
  6. 前記走査部は、使用条件の変化により前記振幅の周波数特性における共振周波数が低温側へシフトする特性を有し、前記印加部は、前記比率が設定された前記第一の閾値の範囲となる周波数のうち、前記共振周波数よりも高周波側の周波数を駆動周波数とする前記電気信号を前記アクチュエータに印加することを特徴とする、請求項２に記載の走査型内視鏡システム。
  7. 前記第一の閾値が、略ゼロであることを特徴とする、請求項２に記載の走査型内視鏡システム。
  8. 前記印加部が前記アクチュエータに印加する前記電気信号の前記駆動周波数は、前記走査部の使用条件の変化により前記導光部の出射端が揺動する際の振幅の周波数特性が変化しても、前記振幅の変化量の割合が、前記照明光の画角が設定された目標範囲に収まるように設定された、第二の閾値以下となる範囲の周波数であることを特徴とする、請求項１に記載の走査型内視鏡システム。
  9. 前記走査部は、使用条件の変化により前記振幅の前記周波数特性における共振周波数が低温側へシフトする特性を有し、前記印加部は、前記振幅の変化量の割合が前記第二の閾値以下となる周波数のうち、前記共振周波数よりも高周波側の周波数を駆動周波数とする前記電気信号を前記アクチュエータに印加することを特徴とする、請求項８に記載の走査型内視鏡システム。
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