JPWO2016189591A1 - 走査型内視鏡およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

光ファイバ（１７）の特性変化等に対応して駆動周波数を変動させても走査軌跡の変動を防止することを目的として、本発明の走査型内視鏡（１）は、照明光を導光して先端（１７ａ）から射出させる光ファイバ（１７）の先端（１７ａ）を振動させる光ファイバスキャナ（５）と、光ファイバ（１７）の共振周波数に基づいて設定された一定の駆動周波数によって光ファイバ（１７）を振動させるとともに、その振動の振幅を一定の変調周波数によって変化させるように制御する制御部（１５）と、光ファイバ（１７）の共振周波数を検出する動作検出部（１３）とを備え、制御部（１５）は、動作検出部（１３）により検出された光ファイバ（１７）の共振周波数が変化したときに、その変化率と同じ比率で、駆動周波数および変調周波数を変化させる。

Description

本発明は、走査型内視鏡およびその制御方法に関するものである。

光ファイバの射出端部を振動させて、該射出端部から射出される光を被写体において走査させ、被写体において反射、散乱等された光、あるいは、被写体において発生した蛍光等を検出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。）。

特許文献１の走査型内視鏡は、光ファイバの射出端部を、光ファイバの周波数特性に基づいて設定された駆動周波数で振動させるとともに、その振動の振幅を所定の変調周波数によって変化させることにより、射出端部から射出される点照明光の２次元の走査軌跡を実現している。そして、点照明光の２次元の走査軌跡の各走査位置の座標と、各該走査位置に点照明光が照射されたときに検出された被写体からの戻り光の強度とを対応づけて記憶することにより、被写体の画像を取得している。

特開２０１４−１９８０８９号公報

特許文献１の走査型内視鏡においては、光ファイバの射出端部の振動が、周囲の温度、外圧あるいは経時変化等によって変動し、その結果、点照明光の走査軌跡が変動する場合がある。特に、光ファイバの特性が変化することにより、射出端部の振動の振幅が減少する場合には、撮影画角が狭くなる。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、光ファイバの特性変化等に対応して駆動周波数を変動させても走査軌跡を変動させずに済む走査型内視鏡およびその制御方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、照明光を導光して射出端部から射出させる光ファイバの前記射出端部を振動させる光ファイバスキャナと、前記光ファイバの共振周波数に基づいて設定された一定の駆動周波数によって前記光ファイバを振動させるとともに、その振動の振幅を一定の変調周波数によって変化させるように制御する制御部と、前記光ファイバの共振周波数を検出する共振周波数検出部とを備え、前記制御部は、前記共振周波数検出部により検出された前記光ファイバの共振周波数が変化したときに、その変化率と同じ比率で、前記駆動周波数および前記変調周波数を変化させる走査型内視鏡である。

本態様によれば、制御部により、光ファイバの射出端部が光ファイバの共振周波数に基づいて設定された一定の駆動周波数で振動させられるとともに、その振動の振幅が一定の変調周波数で変化させられることで、光ファイバの射出端部から射出される照明光を２次元的に走査させることができる。したがって、照明光の２次元の走査軌跡の各走査位置の座標を予め調べておき、各走査位置に照明光が照射されたときに検出される被写体からの戻り光の強度をその座標に対応づければ、被写体の画像を取得することができる。

ここで、光ファイバの特性等が変化した場合において、光ファイバの共振周波数の変化に対応させて駆動周波数だけを変化させると、照明光の走査軌跡も変動してしまうが、共振周波数検出部により光ファイバの共振周波数を検出して、制御部によりその共振周波数の変化率と同じ比率で駆動周波数とともに変調周波数をも変化させることで、駆動周波数の変化の前後で照明光の走査軌跡を一定に保つことができる。したがって、光ファイバの特性等の変化に対応して駆動周波数を変動させた場合でも、照明光の走査軌跡が変動するのを防ぐことができる。これにより、光ファイバの特性等の変化に応じて照明光の走査軌跡の各走査位置の座標を調べ直したり、光ファイバの特性等の変化を想定した異なる走査軌跡の各走査位置の座標を予め複数用意したりしなくて済む。

上記態様においては、前記光ファイバの射出端部から射出された照明光が照射された被写体からの戻り光を一定のサンプリングレートで検出する光検出部を備え、前記制御部が、前記共振周波数検出部により検出された前記光ファイバの共振周波数の変化率と同じ比率で、前記サンプリングレートを変化させることとしてもよい。

このように構成することで、光ファイバの特性等の変化に対応して駆動周波数を変動させた場合でも、光検出部による被写体からの戻り光の検出点がずれるのを防ぐことができる。したがって、光ファイバの特性等の変化に応じて照明光の走査軌跡の各走査位置の座標における戻り光の検出点の情報を変更することなく、一定の鮮明な画像を取得することができる。

上記態様においては、前記制御部は、前記変調周波数の変動に応じて待ち時間を調節し、フレームレートを一定に維持することとしてもよい。
このように構成することで、変調周波数を変更しても、１フレームを撮影するのに掛かる時間が変化するのを防ぐことができる。

本発明の他の態様は、照明光を導光して射出させる光ファイバの射出端部を一定の駆動周波数で振動させながら、その振動の振幅を一定の変調周波数で変化させる走査型内視鏡の制御方法であって、前記光ファイバの共振周波数を検出する共振周波数検出ステップと、該共振周波数検出ステップにより検出された共振周波数が変化したときに、その変化率と同じ比率で前記駆動周波数および前記変調周波数を変化させる周波数変更ステップとを含む走査型内視鏡の制御方法である。

本態様によれば、光ファイバの特性等の変化によって光ファイバの共振周波数が変化した場合において、共振周波数検出ステップにより検出される光ファイバの共振周波数に基づき、周波数変更ステップによりその共振周波数の変化率と同じ比率で駆動周波数とともに変調周波数をも変化させることで、駆動周波数の変化の前後で照明光の走査軌跡を一定に保つことができる。したがって、光ファイバの特性等の変化に対応して駆動周波数を変動させても、照明光の走査軌跡が変動するのを防止することができる。

上記態様においては、前記光ファイバの射出端部から射出された照明光が照射された被写体からの戻り光を一定のサンプリングレートで検出する光検出ステップと、前記共振周波数検出ステップにより検出された前記光ファイバの共振周波数の変化率と同じ比率で、前記サンプリングレートを変化させるサンプリングレート変更ステップとを含むこととしてもよい。

このように構成することで、光ファイバの特性等の変化に対応して駆動周波数を変動させた場合でも、光検出ステップによる被写体からの戻り光の検出点がずれるのを防ぐことができる。したがって、光ファイバの特性等の変化に応じて照明光の走査軌跡の各走査位置の座標における戻り光の検出点の情報を変更することなく、一定の鮮明な画像を取得することができる。

本発明によれば、光ファイバの特性変化等に対応して駆動周波数を変動させても走査軌跡の変動を防止す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全体構成図である。 Ｘ方向の駆動波、Ｙ方向の駆動波、変調波、スパイラル波、フレーム同期信号、レーザ光の照明点の走査軌跡の一例を示すタイムチャートである。 本発明の一実施形態に係る走査型内視鏡の制御方法を説明するフローチャートである。 光ファイバの特性等が安定している状態での変調波、駆動波、レーザ光の照明点の走査軌跡の一例を示すタイミングチャートである。 本実施形態の比較例として、図４Ａのタイミングチャートで駆動周波数だけを増加した場合のレーザ光の照明点の走査軌跡の変化の一例を示すタイミングチャートである。 図４Ａのタイミングチャートで、駆動周波数と変調周波数を同じ比率で変化させた場合のレーザ光の照明点の走査軌跡の変化の一例を示すタイミングチャートである。 本実施形態の比較例として、駆動周波数の変動と戻り光のサンプリング点の座標のずれとの関係の一例を示すグラフである。 本実施形態の比較例として、レーザ光の走査軌跡における駆動周波数の変動と戻り光のサンプリング点の座標のずれとの関係の一例を示すグラフである。 変調周波数とフレームレートとの関係を説明するタイミングチャートである。

本発明の一実施形態に係る走査型内視鏡およびその製造方法について、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、レーザ光（照明光）を発生する光源３と、光源３から発せられたレーザ光を被写体の表面上で２次元的に走査させる光ファイバスキャナ５と、被写体におけるレーザ光の走査位置から戻る戻り光の量を検出する光量検出部（光検出部）７と、光量検出部７により検出された戻り光の量に基づいて被写体の画像を生成する画像生成部９と、光ファイバスキャナ５を駆動させるスパイラル波を出力するスパイラル波出力部１１と、光ファイバスキャナ５の動作を検出する動作検出部（共振周波数検出部）１３と、光ファイバスキャナ５を制御する制御部１５と備えている。

光ファイバスキャナ５は、光源３からのレーザ光を導光して先端（射出端部）１７ａから射出させる光ファイバ１７と、光ファイバ１７の先端１７ａを振動させるアクチュエータ１９とを備えている。
光ファイバ１７は、例えば、細長い円筒形状を有しており、長手方向の基端部がアクチュエータ１９により保持されている。

アクチュエータ１９は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの２つの圧電素子であり、光ファイバ１７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。このアクチュエータ１９は、光ファイバ１７の先端１７ａを長手軸に交差する方向に、かつ、相互に直交する２方向（Ｘ方向およびＹ方向）に独立して振動させることができるようになっている。これにより、光ファイバ１７の先端１７ａを２次元的に変位させて、先端１７ａから射出させるレーザ光を２次元的に走査させることができるようになっている。

光量検出部７は、例えば、フォトダイオードあるいは光電子増倍管であり、被写体からの戻り光を一定のサンプリングレートで検出して、検出したその戻り光の量を示す光量信号を画像生成部９に送るようになっている。

画像生成部９は、光量検出部７から送られてくる光量信号と、光ファイバ１７により走査されるレーザ光の走査軌跡の走査位置の座標とを対応づけることにより、被写体の画像を生成するようになっている。レーザ光の走査軌跡の走査位置の座標は、例えば、ユーザがＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）等を用いて予め測定し、参照テーブルとして画像生成部９に記憶させることができるようになっている。また、画像生成部９は、生成した画像を処理して、図示しないディスプレイに表示させることができるようになっている。

スパイラル波出力部１１は、制御部１５から一定の駆動周波数および一定の変調周波数が入力されることにより、光ファイバスキャナ５のアクチュエータ１９を構成する２つの圧電素子を駆動するスパイラル波をそれぞれ生成してアクチュエータ１９に送るようになっている。

本実施形態においては、スパイラル波出力部１１は、光ファイバ１７を振動させるＸ方向の駆動波およびＹ方向の駆動波と、光ファイバ１７の振動の振幅を変化させる変調波とに基づいて、光ファイバ１７の先端１７ａがスパイラル状の軌跡を描くようなスパイラル波を生成するようになっている。各駆動波および変調波は図２の通りであり、Ｘ方向の駆動波とＹ方向の駆動波の位相差は約９０°である。光ファイバ１７の先端１７ａを中心部分から最外縁部分までスパイラル状に振動させたり、最外縁部分から中心部分までスパイラル状に振動させたりすることで、図２に示すように、レーザ光の照明点がスパイラル状に広がったり狭まったりする走査軌跡が得られる。

動作検出部１３は、例えば、電圧が印加されたアクチュエータ１９の電流に基づきインピーダンスの変化を測定してアクチュエータ１９の動作状態を検出することにより、光ファイバ１７の共振周波数を検出するようになっている。動作検出部１３により検出された光ファイバ１７の共振周波数の検出信号は制御部１５に送られる。

制御部１５は、ユーザが設定した光ファイバ１７の駆動周波数および変調周波数をスパイラル波出力部１１に送るとともに、ユーザが設定したサンプリングレートを光量検出部７に送るようになっている。光ファイバ１７の駆動周波数は、光ファイバ１７の共振周波数に基づいて設定したものであればよく、共振周波数と同一の周波数でもよいし、共振周波数から意図的にずらした周波数でもよい。

また、制御部１５は、動作検出部１３から送られてくる光ファイバ１７の共振周波数（ｆｒ）が変化したか否かを判定し、共振周波数が変化した場合に、スパイラル波出力部１１に送る駆動周波数（ｆ_{ｄｒｉｖｅ}）および変調周波数（ｆ_ｍｏｄ）を光ファイバ１７の共振周波数の変化率と同じ比率で変化させるようになっている。
変調周波数と駆動周波数は、例えば、下記の式（１）に示す比例関係を有している。
ｆ_ｍｏｄ＝ｋ_ｍ×ｆ_{ｄｒｉｖｅ} （１）
ここで、ｋ_ｍは所定の係数であり、例えばｋ_ｍ＝１／２５０である。

また、制御部１５は、動作検出部１３により検出された光ファイバ１７の共振周波数が変化した場合に、その変化率と同じ比率で、光量検出部７により戻り光を検出するサンプリングレートを変化させるようになっている。また、制御部１５は、スパイラル波出力部１１に送る変調周波数の変動に応じて待ち時間を調節し、フレームレートを一定（例えば、ビデオレートの６０Ｈｚまたはその１／２の３０Ｈｚ。）に維持するようになっている。
サンプリングレートと駆動周波数は、例えば、下記の式（２）に示す比例関係を有している。
ｆ_{ｓａｍｐｌ}＝ｋ_Ｓ×ｆ_{ｄｒｉｖｅ} （２）
ここで、ｋ_Ｓは所定の係数であり、例えばｋ_Ｓ＝１０００である。

次に、本実施形態に係る走査型内視鏡１の制御方法について説明する。
本実施形態に係る走査型内視鏡１の制御方法は、光ファイバ１７の先端１７ａを一定の駆動周波数で振動させながら、その振動の振幅を一定の変調周波数で変化させる駆動ステップＳ１と、光ファイバ１７の先端１７ａから射出されたレーザ光が照射された被写体からの戻り光を一定のサンプリングレートで検出する光検出ステップＳ２と、光ファイバ１７の共振周波数を検出する共振周波数検出ステップＳ３と、共振周波数検出ステップＳ３により検出された共振周波数が変化したか否かを判定する判定ステップＳ４と、判定ステップＳ４により共振周波数が変化したと判定された場合に、その共振周波数の変化率と同じ比率で駆動周波数および変調周波数を変化させる周波数変更ステップＳ５と、共振周波数検出ステップＳ３により検出された光ファイバ１７の共振周波数の変化率と同じ比率で、サンプリングレートを変化させるサンプリングレート変更ステップＳ６とを含んでいる。

このように構成された走査型内視鏡１およびその制御方法の作用について、図３のフローチャートを参照して説明する。
本実施形態に係る走査型内視鏡１およびその制御方法により被写体を観察するには、まず、ユーザが光ファイバ１７の共振周波数に基づいて設定した一定の駆動周波数、変調周波数およびサンプリングレート等を制御部１５に入力し、制御部１５によりスパイラル波出力部１１および光量検出部７を制御させる。そして、光ファイバ１７の先端１７ａを被写体に向けて配置し、光源３からレーザ光を発生させる。

スパイラル波出力部１１により、制御部１５から入力された一定の駆動周波数および変調周波数に基づいてスパイラル波が生成され、そのスパイラル波によって光ファイバスキャナ５のアクチュエータ１９が駆動させられる。これにより、光ファイバ１７の先端１７ａが一定の駆動周波数で振動しながら、その振動の振幅が一定の変調周波数で変化し（駆動ステップＳ１）、例えば、スパイラル状の軌跡を描くように先端１７ａが変位させられる。

光源３から発せられたレーザ光は、光ファイバ１７により導光されてその先端１７ａから被写体に照射される。これにより、光ファイバ１７の先端１７ａの振動に応じて、例えば、図４Ａに示すように、被写体上でレーザ光がスパイラル状に走査される。

レーザ光が照射されることにより被写体から戻る戻り光は光量検出部７により検出され（光検出ステップＳ２）、その光量信号が画像生成部９に送られる。画像生成部９においては、レーザ光の走査軌跡の各走査位置の座標を示す参照テーブルに基づき、各走査位置にレーザ光が照射されたときに検出された被写体からの戻り光の強度が対応づけられて、被写体の画像が生成される。画像生成部９により生成された画像は、画像処理されてディスプレイに表示される。

ここで、光ファイバスキャナ５のアクチュエータ１９の作動に伴い、動作検出部１３により、光ファイバ１７の共振周波数が逐次検出され（共振周波数検出ステップＳ３）、その検出信号が制御部１５に送られる。温度や外圧の変化や経時変化等が生じたり光ファイバ１７の特性が変化したりすると、光ファイバ１７の共振周波数が変化することがある。

制御部１５により、動作検出部１３から送られてくる光ファイバ１７の共振周波数が変化したか否かが判定され（判定ステップＳ４）、変化していないと判定された場合は、ユーザが設定した一定の駆動周波数、変調周波数およびサンプリングレート等が維持される。一方、制御部１５により、光ファイバ１７の共振周波数が変化したと判定された場合は、その共振周波数の変化率と同じ比率で駆動周波数、変調周波数およびサンプリングレートが変化させられる。

この場合において、仮に駆動周波数だけを変化させると、図４Ｂに示すように、レーザ光の走査軌跡が変化して周回数が増減し、被写体におけるレーザ光の照明点とディスプレイに表示される画像上の点との対応関係が合わなくなる。

これに対し、本実施形態においては、制御部１５により、上記式（１）の関係式に基づき、駆動周波数とともに変調周波数をも共振周波数の変化率と同じ比率で変化させることで（周波数変更ステップＳ５）、図４Ｃに示すように、駆動周波数の変更の前後でレーザ光の走査軌跡の形状を一定に保つことができる。これにより、光ファイバ１７の特性等の変化に応じて照明光の走査軌跡の各走査位置の座標を調べ直したり、光ファイバ１７の特性等の変化を想定した異なる走査軌跡の各走査位置の座標を予め複数用意しておいたりしなくて済む。

また、仮に駆動周波数だけを変化させると、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、光量検出部７による被写体からの戻り光のサンプリング点（検出点）がずれてしまい、この場合も、被写体におけるレーザ光の照明点とディスプレイに表示される画像上の点との対応関係が合わなくなる。

これに対し、本実施形態においては、制御部１５により、上記式（２）の関係式に基づき、駆動周波数とともにサンプリングレートをも共振周波数の変化率と同じ比率で変化させることで（周波数変更ステップＳ５）、光量検出部７による被写体からの戻り光のサンプリング点がずれるのを防ぐことができる。これにより、光ファイバ１７の特性等の変化に応じてレーザ光の走査軌跡の各走査位置の座標における戻り光のサンプリング点の情報を変更しなくて済む。

さらに、図６の上から１つ目のスパイラル波のタイミングチャートのように、変調周波数はビデオレートの６０Ｈｚあるいは３０Ｈｚに合わせる必要があるところ、変調周波数を変化させると、図６の上から２つ目のスパイラル波のタイミングチャートのように、撮影のフレームレートとディスプレイの表示画面のフレームレートの対応関係が合わなくなる。例えば、変調周波数を３０Ｈｚ以外にすると、撮影のフレームレートが動画出力と一致しなくなる。

これに対し、本実施形態においては、制御部１５により、図６の上から３つ目のスパイラル波のタイミングチャートのように、変調周波数が３０Ｈｚになるように、変調周波数の変動に合わせて待ち時間が調整され、変調周波数の変更の前後でフレームレートが一定に維持される（サンプリングレート変更ステップＳ６）。これにより、変調周波数を変更しても、１フレームを撮影するのに掛かる時間が変化するのを防ぐことができる。

以上説明したように、本実施形態に係る走査型内視鏡１およびその製造方法によれば、光ファイバ１７の特性等が変化した場合であっても、光ファイバ１７の共振周波数の変化率と同じ比率で駆動周波数および変調周波数を変化させることで、照明光の走査軌跡が変動するのを防止するとともに、共振周波数の変化率と同じ比率でサンプリングレートも変化させることで、被写体からの戻り光のサンプリング点がずれるのを防止することができる。これにより、光ファイバ１７の特性等の変化に関わらず、所望の鮮明な画像を取得し続けることができる。さらに、変調周波数の変動に応じて待ち時間を調節して、フレームレートを一定に維持することで、変調周波数を変更しても、１フレームを撮影するのに掛かる時間が変化するのを防ぎ、動画性能の低下を防止することができる。

以上、本発明の各実施形態およびその変形例について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本実施形態においては、図２に示すようなスパイラル状の走査軌跡を描くように光ファイバ１７の先端１７ａ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、光ファイバ１７の先端１７ａを周期的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本発明を適用してもよい。

また、本実施形態においては、アクチュエータ１９として圧電素子を例示し、圧電方式のファイバ駆動を例示して説明したが、光ファイバ１７の先端１７ａを振動させて所望の走査パターンで変位させる他の駆動方式（例えば、電磁駆動式）を採用することとしてもよい。

１ 走査型内視鏡
５ 光ファイバスキャナ
７ 光量検出部（光検出部）
１３ 動作検出部（共振周波数検出部）
１５ 制御部
１７ 光ファイバ
１７ａ 先端（射出端部）
Ｓ２ 光検出ステップ
Ｓ３ 共振周波数検出ステップ
Ｓ５ 周波数変更ステップ
Ｓ６ サンプリングレート変更ステップ

Claims (5)

1. 照明光を導光して射出端部から射出させる光ファイバの前記射出端部を振動させる光ファイバスキャナと、
   前記光ファイバの共振周波数に基づいて設定された一定の駆動周波数によって前記光ファイバを振動させるとともに、その振動の振幅を一定の変調周波数によって変化させるように制御する制御部と、
   前記光ファイバの共振周波数を検出する共振周波数検出部とを備え、
   前記制御部は、前記共振周波数検出部により検出された前記光ファイバの共振周波数が変化したときに、その変化率と同じ比率で、前記駆動周波数および前記変調周波数を変化させる走査型内視鏡。
2. 前記光ファイバの射出端部から射出された照明光が照射された被写体からの戻り光を一定のサンプリングレートで検出する光検出部を備え、
   前記制御部が、前記共振周波数検出部により検出された前記光ファイバの共振周波数の変化率と同じ比率で、前記サンプリングレートを変化させる請求項１に記載の走査型内視鏡。
3. 前記制御部は、前記変調周波数の変動に応じて待ち時間を調節し、フレームレートを一定に維持する請求項１または請求項２に記載の走査型内視鏡。
4. 照明光を導光して射出させる光ファイバの射出端部を一定の駆動周波数で振動させながら、その振動の振幅を一定の変調周波数で変化させる走査型内視鏡の制御方法であって、
   前記光ファイバの共振周波数を検出する共振周波数検出ステップと、
   該共振周波数検出ステップにより検出された共振周波数が変化したときに、その変化率と同じ比率で前記駆動周波数および前記変調周波数を変化させる周波数変更ステップとを含む走査型内視鏡の制御方法。
5. 前記光ファイバの射出端部から射出された照明光が照射された被写体からの戻り光を一定のサンプリングレートで検出する光検出ステップと、
   前記共振周波数検出ステップにより検出された前記光ファイバの共振周波数の変化率と同じ比率で、前記サンプリングレートを変化させるサンプリングレート変更ステップとを含む請求項４に記載の走査型内視鏡の制御方法。
   

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