JP5094730B2 - 分光内視鏡および分光内視鏡の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は分光内視鏡および分光内視鏡の作動方法に関するものである。

従来、２枚の平板状の光学基板の面間隔を変更して透過する光の波長を変化させるファブリペロー型の可変分光素子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この可変分光素子は、各光学基板の対向面に反射膜および容量センサ電極を備え、該容量センサ電極間の静電容量値により光学基板間の間隔寸法を検出し、アクチュエータの駆動により光学基板間の間隔を変化させ、透過する光の波長を変化させる。
また、従来、２枚の平板状の光学基板の面間隔を変更して透過する光の波長を変化させるファブリペロー型の可変分光素子を先端部に組み込んだ分光内視鏡が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
この分光内視鏡によれば、可変分光素子の光学基板の面間隔に応じて予め定められた波長の光を透過させることにより、被観察対象からの特定の波長帯域の光を選択的に撮影して画像化することができる。したがって、光学基板の面間隔を制御することにより、所望の波長の光を透過させて撮影することができる。
特開２００２−２７７７５８号公報 特開２００６−２５８０２号公報

分光内視鏡は患者の体腔内に挿入配置されて診断や処置に用いられるため、製造した環境や保管する環境とは異なる環境で使用されることになる。患者の体腔内は湿度が高く、また温度も３６℃近傍であるため、患者の体外の周囲湿度及び温度とは異なる。一般に内視鏡の挿入部は水密構造となっているが、患者の体腔内に挿入されることにより、分光内視鏡に搭載されている可変分光素子の光学基板間の温度や湿度が僅かに変動する。これは、可変分光素子の光学基板間の空気の屈折率や誘電率が変動することを示しており、これにより透過波長が変動することになる。したがって、体外において精度よく調整しておいても、体腔内においては分光特性が変化して、所望の波長帯域の光を画像化することができないという不都合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、分光内視鏡の使用に際して、使用条件に適した分光特性に精度よく設定することができる分光内視鏡およびその波長較正方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、体腔内に挿入される挿入部に長手方向に沿って設けられたチャネルと、該挿入部の先端部付近の画像を取得する撮像部および該撮像部に入射させる光の波長を変更可能な可変分光部と、既知の波長特性の光を出射し、または既知の吸収特性を有し、前記チャネルを通じて前記撮像部の視野範囲内に導入される基準光部材と、前記可変分光部により前記撮像部に入射させる光の波長を変化させつつ、前記チャネルを介して導入された前記基準光部材の像を前記撮像部に撮影させる制御部と、前記撮像部により取得された前記基準光部材の画像に基づいて、前記可変分光部の分光特性を較正する較正部とを有する分光内視鏡である。

上記第１の態様においては、前記撮像部および可変分光部が、前記挿入部の先端部に配置されていることとしてもよい。
また、上記第１の態様においては、前記基準光部材が、前記挿入部の先端から出射された励起光により既知の波長特性の蛍光を発生する蛍光物質を備えることとしてもよい。

また、上記第１の態様においては、前記基準光部材が、前記挿入部の先端から出射された照明光に対する反射スペクトルが既知である反射部材を備えることとしてもよい。
また、上記第１の態様においては、前記基準光部材が、既知の波長特性の光を発生する光源を備えることとしてもよい。

また、上記第１の態様においては、前記撮像部に入射させる光の波長を前記可変分光部により連続的に走査して、前記撮像部により前記基準光部材の像を連続的に撮影することとしてもよい。
また、上記第１の態様においては、前記基準光部材の波長特性が、特定の波長において狭帯域ピークを有することとしてもよい。この場合には、前記基準光部材の波長特性が、複数の狭帯域ピークを有することとしてもよい。

また、上記第１の態様においては、前記基準光部材が出射または吸収する光の波長帯域が、観察時に投与される蛍光薬剤により発生される蛍光の波長帯域とほぼ同一であることとしてもよい。

また、本発明の第２の態様は、体腔内に挿入される挿入部の長手方向に沿って設けられたチャネルと、該挿入部の先端部付近の画像を撮像する撮像部および該撮像部に入射させる光の波長を変更可能な可変分光部と、既知の波長特性の光を出射し、または既知の吸収特性を有し、前記チャネルを通じて前記撮像部の視野範囲内に導入される基準光部材の像を、前記可変分光部により前記撮像部に入射させる光の波長を変化させつつ前記撮像部に撮影させる制御部と、前記撮像部により取得された前記基準光部材の画像に基づいて、前記可変分光部の分光特性を較正する較正部とを備える分光内視鏡である。

また、本発明の第３の態様は、既知の波長特性の光を出射し、または既知の吸収特性を有し、分光内視鏡の挿入部に長手方向に沿って設けられたチャネルを介して、前記挿入部の先端部付近の画像を取得する撮像部の視野範囲内に導入され、該撮像部に入射させる光の波長を変更可能な可変分光部の分光特性を較正するために使用される基準光部材である。

また、本発明の第４の態様は、体腔内に挿入される挿入部の長手方向に沿って設けられたチャネルと、該挿入部の先端部付近の画像を取得する撮像部と、前記チャネルを通じて前記撮像部の視野範囲内に導入され既知の波長特性の光を出射し又は既知の吸収特性を有する基準光部材と、前記撮像部に入射させる光の波長を変更可能な可変分光部と、を備える分光内視鏡の作動方法であって、前記可変分光部により前記撮像部に入射させる光の波長を変化させつつ前記撮像部により前記基準光部材の像を撮影する工程と、前記撮像部により取得された前記基準光部材の画像に基づいて、前記可変分光部の分光特性を較正する工程と、を備える分光内視鏡の作動方法である。

本発明によれば、分光内視鏡の使用に際して、使用条件に適した分光特性に精度よく設定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分光内視鏡の先端部を示す模式図である。 図１の分光内視鏡により取得された基準蛍光部材を含む画像例を示す図である。 図１の分光内視鏡を用いた本発明の一実施形態に係る波長較正方法を示すフローチャートである。 図３の波長較正方法に用いる基準蛍光部材の波長特性例を示す図である。 図４の基準蛍光部材を用いて測定した容量センサの検出信号Ｖｓと基準蛍光部材の蛍光強度との関係を示す図である。

符号の説明

１ 分光内視鏡
２ 挿入部
３ 鉗子チャネル（チャネル）
７ 可変分光素子（可変分光部）
８ ＣＣＤ（撮像部）
１０ 基準蛍光部材（基準光部材）
１１ 制御部
１２ 較正部

以下、本発明の一実施形態に係る分光内視鏡１およびその波長較正方法について、図１〜図５を参照して説明する。
本実施形態に係る波長較正方法が適用される分光内視鏡１は、図１に示されるように、患者の体腔内に挿入される細長い挿入部２を備えている。挿入部２には、該挿入部２の長手方向に沿ってほぼ全長にわたって鉗子等の処置具を挿入するための鉗子チャネル（チャネル）３が設けられている。
また、挿入部２の先端部には撮影ユニット４および励起光Ｌ_０を出射するライトガイド（励起光出射部）５の一端面が配置されている。

撮影ユニット４は、挿入部２の先端面２ａよりも前方から入射してくる光を集光する対物レンズ６と、該対物レンズ６により集光された光を分光する可変分光素子（可変分光部）７と、該可変分光素子７を通過させられた光を撮影するＣＣＤ（撮像部）８とを備えている。図中、符号９は、対物レンズ６により集光された所定の波長の励起光Ｌ_０を遮断する励起光カットフィルタ、符号１１は可変分光素子７およびＣＣＤ８を制御する制御部、符号１２は較正部である。

可変分光素子７は、図１に示されるように、平行間隔をあけて配置される２枚の光学基板７ａ，７ｂと、これら光学基板７ａ，７ｂ間に配置され２枚の光学基板７ａ，７ｂの間隔寸法を調節するよう駆動されるピエゾ素子のようなアクチュエータ７ｃと、２枚の光学基板７ａ，７ｂの対向面のそれぞれ対向する位置に配置された金属膜からなる電極を備えた容量センサ（図示略）とを備えている。

制御部１１は、容量センサからの信号に基づきアクチュエータ７ｃおよびＣＣＤ８を制御するようになっている。アクチュエータ７ｃに加える電圧を変化させることにより、アクチュエータ７ｃを伸縮させて、光学基板７ａ，７ｂの間隔寸法を変化させる。また、このとき容量センサの検出信号に基づいて、光学基板７ａ，７ｂの間隔寸法を検出し、この間隔寸法と透過波長特性との関係式（１）から、アクチュエータ７ｃに加える電圧のフィードバック制御を行うことができるようになっている。
なお、ファブリペロー型の可変分光素子は、光の干渉作用により、式（１）で示すように１対の反射膜の面間隔ｄと共振する波長λにおいて周期的に透過スペクトルピークを選択的に得られる。
２ｎｄｃｏｓθ ＝ ｍ λ ・・・ （１）
但し、 ｎ： １対の反射膜の面間隔ｄの媒質の屈折率（ＡＩｒの時、ｎ＝１）
ｄ： １対の反射膜の面間隔
λ： 波長
θ： 反射膜への入射角度
ｍ： 次数（整数）

この分光内視鏡１によれば、ライトガイド５の先端面５ａから励起光Ｌ_０を出射することにより、被観察対象である生体（図示略）内の蛍光物質が励起されて発せられた蛍光が、対物レンズ６により集光され、可変分光素子７により分光されてＣＣＤ８により撮影される。生体において反射して戻る励起光Ｌ_０は、励起光カットフィルタ９により遮断されるのでＣＣＤ８に入射されることがない。

また、可変分光素子７により、撮影ユニット４に入射されてくる蛍光の内、所定の波長帯域を有する蛍光のみがＣＣＤ８への入射を許容される。すなわち、可変分光素子７の作動により、生体に導入する蛍光薬剤、あるいは生体内に生来存在する自家蛍光物質が励起光Ｌ_０により励起されて発生する蛍光を目的に応じて選択し、選択された蛍光の画像を取得することができる。

本実施形態に係る分光内視鏡１の波長較正方法は、まず、分光内視鏡１の挿入部２を体腔内に挿入し、その先端部を所望の位置に配置する（ステップＳ１）。この状態で、挿入部２の鉗子チャネル３を介して図１に示されるように、基準蛍光部材（基準光部材）１０を体腔内に導入し（ステップＳ２）、その先端部を撮影ユニット４の視野範囲内に配置する。基準蛍光部材１０は、鉗子チャネル３の先端開口３ａから突出させられる先端部に、ライトガイド５の先端面５ａから出射される励起光Ｌ_０により励起されて、既知の波長特性の蛍光Ｌ_１を発生する蛍光物質が塗布されたものである。例えば、蛍光物質は、図４に示されるように、単一の波長λ_０においてピークを有する波長特性を有している。

次いで、ライトガイド５の先端面５ａから励起光Ｌ_０を出射する（ステップＳ３）。これにより、出射された励起光Ｌ_０が挿入部の前方に突出させられている基準蛍光部材１０に照射され、基準蛍光部材１０の蛍光物質が励起されて蛍光Ｌ_１が発生される。発生される蛍光Ｌ_１は、既知の波長特性を有しているので、この波長特性を測定する。この測定を通じて、容量センサの検出信号Ｖｓと該可変分光素子７を透過する蛍光Ｌ_１の波長λとを正確に対応づける（較正する）ことができる。これにより制御部の較正が行え、アクチュエータ７ｃに加える電圧のフィードバック制御を正確に行うことができる。

具体的には、制御部１１が、アクチュエータ７に加える初期の電圧Ｖを設定する（ステップＳ４）。次いで、アクチュエータ７ｃに加える印加電圧Ｖを、例えば、透過する光の波長が短波長側から長波長側に向かって連続的に変化するように変化させつつ、容量センサの検出信号Ｖｓと、ＣＣＤ８により取得される基準蛍光部材１０の画像の光強度を検出する（ステップＳ４’〜Ｓ７）。これにより、図５に示されるように、容量センサの検出信号ＶｓとＣＣＤ８により取得された基準蛍光部材１０の画像の光強度との関係を得ることができる（ステップＳ８）。この関係図によれば、容量センサの検出信号ＶｓがＶ_０のときに、基準蛍光部材１０の画像の光強度はピークをとるようになっている。したがって、このときに可変分光素子７が波長λ_０の蛍光Ｌ_１を透過させる状態であることがわかり、これにより容量センサの検出値から算出される光学基板７ａ，７ｂの間隔寸法と透過波長特性とを正確に対応させることができるので、これにより制御部の較正を行え、結果として可変分光素子７の分光特性を補正することができる。

このように、本実施形態に係る分光内視鏡１の波長較正方法によれば、分光内視鏡１の挿入部２を体腔内に挿入して、その先端部を被観察対象近傍に配置した状態において、可変分光素子７を較正することができる。その結果、挿入部２の周囲温度や湿度の変化により可変分光素子７の分光特性が変化しても、これを精度よく較正して、高い精度で所望の蛍光Ｌ_１を分光した鮮明な蛍光画像を取得することができるという利点がある。

本実施形態における基準蛍光部材１０としては、被観察対象の観察時に使用される蛍光薬剤により発生する蛍光の波長帯域とほぼ同一の波長帯域の蛍光Ｌ_１を発生するものを採用することが好ましい。これにより、実際に観察に使用される波長帯域において可変分光素子７の分光特性を補正することができ、より精度よく分光された蛍光画像を取得することができる。
また、基準蛍光部材１０として、鉗子チャネル３を介して挿入される処置具（図示略）の先端に蛍光物質を塗布したものを採用してもよい。

なお、本実施形態に係る分光内視鏡１の波長較正方法においては、基準蛍光部材１０として、単一の狭帯域ピークを有する波長特性の蛍光物質を塗布する場合について例示したが、これに代えて、複数の狭帯域ピークを有する波長特性の蛍光物質あるいは、異なる単一の狭帯域ピークを有する波長特性の複数の蛍光物質を塗布したものを採用してもよい。これにより、可変分光素子７の分光特性の補正の精度を向上することができる。

また、基準光部材として、励起光Ｌ_０により励起されて既知の波長特性を有する蛍光Ｌ_１を発生する蛍光物質が塗布された基準蛍光部材１０を例示したが、これに代えて、既知の波長特性を有し、所定の波長帯域の光を反射する基準反射部材（図示略）を採用し、ライトガイドから照明光を出射することにしてもよい。このようにすることによっても、上記実施形態と同様にして、可変分光素子７のアクチュエータ７ｃに加える電圧Ｖを変化させながら、基準反射部材において反射されて戻る光を検出することにより、容量センサの検出信号Ｖｓと透過波長特性との関係を正確に較正することができ、これにより可変分光素子７の分光特性を精度よく補正することができる。

さらに、基準反射部材に代えて、所定の波長帯域の光を吸収する基準吸収部材を採用してもよい。
また、基準光部材として、自ら所定の波長の光を発生する光源、あるいは該光源から発せられた光を伝播して先端から出射する光ファイバあるいはライトガイドを採用し、分光内視鏡１の挿入部２に備えられたライトガイド５ａから光を出射させずに較正を行うことにしてもよい。

また、基準光部材として、既知の波長特性を有する蛍光薬剤を採用し、該蛍光薬剤を体腔内の観察対象部位以外の部位に散布して、励起光Ｌ_０を照射し、可変分光素子７のアクチュエータ７ｃに加える電圧Ｖを変化させながら、容量センサの検出信号Ｖｓと発生した蛍光Ｌ_１を検出することにより、上記と同様にして可変分光素子７の分光特性を較正することにしてもよい。さらに、観察時に利用する波長帯域とは十分に離れた波長帯域において狭帯域ピークを有するような波長特性の蛍光薬剤を観察対象部位の近傍に散布して同様の較正を行うことにしてもよい。

Claims (12)

1. 体腔内に挿入される挿入部に長手方向に沿って設けられたチャネルと、
   前記挿入部の先端部付近の画像を取得する撮像部および該撮像部に入射させる光の波長を変更可能な可変分光部と、
   既知の波長特性の光を出射し、または既知の吸収特性を有し、前記チャネルを通じて前記撮像部の視野範囲内に導入される基準光部材と、
   前記可変分光部により前記撮像部に入射させる光の波長を変化させつつ、前記チャネルを介して導入された前記基準光部材の像を前記撮像部に撮影させる制御部と、
   前記撮像部により取得された前記基準光部材の画像に基づいて、前記可変分光部の分光特性を較正する較正部とを有する分光内視鏡。
2. 前記撮像部および可変分光部が、前記挿入部の先端部に配置されている請求項１に記載の分光内視鏡。
3. 前記基準光部材が、前記挿入部の先端から出射された励起光により既知の波長特性の蛍光を発生する蛍光物質を備える請求項１に記載の分光内視鏡。
4. 前記基準光部材が、前記挿入部の先端から出射された照明光に対する反射スペクトルが既知である反射部材を備える請求項１に記載の分光内視鏡。
5. 前記基準光部材が、既知の波長特性の光を発生する光源を備える請求項１に記載の分光内視鏡。
6. 前記撮像部に入射させる光の波長を前記可変分光部により連続的に走査して、前記撮像部により前記基準光部材の像を連続的に撮影する請求項１に記載の分光内視鏡。
7. 前記基準光部材の波長特性が、特定の波長において狭帯域ピークを有する請求項１に記載の分光内視鏡。
8. 前記基準光部材の波長特性が、複数の狭帯域ピークを有する請求項７に記載の分光内視鏡。
9. 前記基準光部材が出射または吸収する光の波長帯域が、観察時に投与される蛍光薬剤により発生される蛍光の波長帯域とほぼ同一である請求項１に記載の分光内視鏡。
10. 体腔内に挿入される挿入部の長手方向に沿って設けられたチャネルと、
    前記挿入部の先端部付近の画像を撮像する撮像部および該撮像部に入射させる光の波長を変更可能な可変分光部と、
    既知の波長特性の光を出射し、または既知の吸収特性を有し、前記チャネルを通じて前記撮像部の視野範囲内に導入される基準光部材の像を、前記可変分光部により前記撮像部に入射させる光の波長を変化させつつ前記撮像部に撮影させる制御部と、
    前記撮像部により取得された前記基準光部材の画像に基づいて、前記可変分光部の分光特性を較正する較正部とを備える分光内視鏡。
11. 既知の波長特性の光を出射し、または既知の吸収特性を有し、分光内視鏡の挿入部に長手方向に沿って設けられたチャネルを介して、前記挿入部の先端部付近の画像を取得する撮像部の視野範囲内に導入され、該撮像部に入射させる光の波長を変更可能な可変分光部の分光特性を較正するために使用される基準光部材。
12. 体腔内に挿入される挿入部の長手方向に沿って設けられたチャネルと、該挿入部の先端部付近の画像を取得する撮像部と、前記チャネルを通じて前記撮像部の視野範囲内に導入され既知の波長特性の光を出射し又は既知の吸収特性を有する基準光部材と、前記撮像部に入射させる光の波長を変更可能な可変分光部と、を備える分光内視鏡の作動方法であって、
    前記可変分光部により前記撮像部に入射させる光の波長を変化させつつ前記撮像部により前記基準光部材の像を撮影する工程と、
    前記撮像部により取得された前記基準光部材の画像に基づいて、前記可変分光部の分光特性を較正する工程と、を備える分光内視鏡の作動方法。

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