JP2014057704A - 内視鏡および内視鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】配線へのストレスを軽減するとともに、断線による故障を的確に把握することが可能な内視鏡および内視鏡システムを提供すること。
【解決手段】外筒と、体腔内に光を照射して画像を取得する画像取得手段と、画像取得手段が配置され、外筒内で移動可能に保持される可動部と、外筒内で固定される非可動部と、可動部と非可動部とを接続する配線を有するフレキシブル基板と、を備え、フレキシブル基板は、断線強度が高い第１部分と、該第１部分よりも断線強度が低い第２部分を有し、該第２部分に、断線を通知する信号を伝達する配線が割り当てられる構成とした。
【選択図】図４

Description

この発明は、体腔内観察を行うための内視鏡および内視鏡システムに関し、より詳しくは内視鏡の先端部における内部配線に関する。

従来、患者の体腔内を診断するための内視鏡を用いた内視鏡システムが一般に知られ、実用に供されている。また、近年、光ファイバによって導光されるレーザ光を観察部位に対して走査させ、その反射光を受光して画像化する走査型内視鏡システムも知られている。さらに、走査型内視鏡システムの一つとして、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走査型共焦点内視鏡システムも提案されている。

このような走査型共焦点内視鏡システムの一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の走査型共焦点内視鏡システムに用いられる内視鏡の先端は、外筒と外筒内にスライド可能に保持された可動部から構成される。可動部には、光ファイバや共焦点用対物光学系を含む共焦点観察ユニットが配置され、アクチュエータによって外筒内をＺ方向（深度方向）に移動される構成となっている。このように、特許文献１に記載の走査型共焦点内視鏡システムでは、光ファイバをＸ−Ｙ方向に走査させるとともに、Ｚ方向の進退を併せることで、被写体を三次元走査することが可能となり、高倍率かつ高解像度の三次元画像を得ることができる。

特許４５３８２９７号

一般的に、内視鏡の先端部は細径化されており、可動部への電気配線は微細な電線によって接続されている。しかしながら、先端部を組み立てる際や、組み立て後に可動部が動かされる際には、電線にストレスが加わり断線を起こす可能性がある。また、複数の配線の中でどの配線が断線するかを予測することは難しく、故障モードの予測が困難である。そのため、断線による故障を適切に検出することができず、故障が生じた状態で観察が続けられてしまうといった問題もあった。

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、配線へのストレスを軽減するとともに、断線による故障を的確に把握することが可能な内視鏡および内視鏡システムを提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明の内視鏡は、外筒と、体腔内に光を照射して画像を取得する画像取得手段と、画像取得手段が配置され、外筒内で移動可能に保持される可動部と、外筒内で固定される非可動部と、可動部と非可動部とを接続する配線を有するフレキシブル基板と、を備え、フレキシブル基板は、断線強度が高い第１部分と、該第１部分よりも断線強度が低い第２部分を有し、第２部分に、断線を通知する信号を伝達する配線が割り当てられることを特徴とする。

このような構成により、組み立て作業時や、可動部の移動時に配線にかかるストレスが軽減される。また、フレキシブル基板において最初に断線が発生する確率の高い部分に断線を通知するための配線を割り当てるため、断線発生時には、迅速に断線による故障が生じたことを検出することが可能となる。

また、上記内視鏡において体腔内に照射される光は、レーザ光であっても良い。また、可動部は、外筒内において、該外筒の長手方向に移動可能であっても良い。

また、フレキシブル基板は、可動部の最大ストロークを規制するものであっても良い。このような構成により、可動部が最大ストロークを超えて移動し、他の部材と接触することなどを防ぐことが可能となる。

また、フレキシブル基板の第２部分は、フレキシブル基板の最も外側に設けられても良い。このような構成により、フレキシブル基板において、最もストレスがかかり最初に断線が発生する可能性の高い部分を第２部分とすることができる。

また、フレキシブル基板は、第１部分にのみカバーレイを備えても良い。このような構成により、第１部分の断線強度を第２部分に比べ高くすることができる。

さらに、本発明により、上記いずれかの内視鏡と、画像取得手段へ光を供給する光源と、断線を通知する信号を検出して光源をＯＦＦする安全回路と、を備えることを特徴とする、内視鏡システムが提供される。

本発明によれば、配線へのストレスを軽減するととともに、断線による故障を的確に把握することが可能な内視鏡および内視鏡システムが提供される。

本発明の実施形態の走査型共焦点内視鏡システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の走査型共焦点内視鏡システムが有する共焦点光学ユニットの構成を概略的に示す図である。 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。 本発明の実施形態における先端部の内部配線を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の内視鏡および内視鏡システムについて説明する。本実施形態では、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、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、映像信号出力回路１２０、安全回路１２２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（レーザ光）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の基端は、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の先端は、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を射出した励起光は、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からなる可動部２０４Ｂを同軸（Ｚ方向）にスライド自在に保持している。また、外筒２０４Ａ内には非可動部２０４Ｇが固定配置されている。光ファイバ２０２の先端（以下、符号「２０２ａ」を付す。）は、外筒２０４Ａ、可動部２０４Ｂの各基端面に形成された開口を通じて可動部２０４Ｂに収容支持されており、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。

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、図２（ａ）に示される非可動部２０４Ｇに配置される。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、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方向に共振させると共に、交流電圧Ｘと同一周波数であって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方向に共振させる。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）をかけて実効値（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。

光源１０２から出射される励起光は、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、ＣＰＵ１０８から光源１０２に供給されるレーザ駆動信号に従って、光ファイバ２０２の先端２０２ａから所定の発光パターンで出射される。以下、説明の便宜上、この期間を「サンプリング期間」と記す。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、所定時間後に中心軸ＡＸ上で停止する。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上に停止するまでの期間（より正確には、中心軸ＡＸ上での停止を保証するため、停止までに要する計算上の時間より僅かに長い期間）を「制動期間」と記す。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制動期間で構成される。制動期間を短縮するため、制動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可動部２０４Ｂに保持されている。そのため、レンズ枠に保持された光学レンズ群は、外筒２０４Ａの内部を可動部２０４Ｂと一体となってＺ方向にスライドする。なお、外筒２０４Ａの最先端（すなわち対物光学系２０４Ｄの前方）には、カバーガラス２０４Ｈが保持されている。

可動部２０４Ｂの基端面と非可動部２０４Ｇ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、伸縮量に応じて可動部２０４Ｂを光ファイバ２０２ごとＺ方向に進退させる。また、可動部２０４Ｂと非可動部２０４Ｇは、後述するフレキシブル基板２０５によって電気的に接続されている。

光ファイバ２０２の先端２０２ａを射出した励起光は、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、イメージ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、本実施形態における共焦点プローブ２００の先端部の内部配線について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は、共焦点プローブ２００の先端部の概略構成を示す図である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）をＡ−Ａ’から見た断面図である。図４（ａ）に示されるように、本実施形態では、可動部２０４Ｂと非可動部２０４Ｇは、フレキシブル基板２０５によって電気的に接続される構成となっている。フレキシブル基板２０５は、柔軟性があり大きく変形させることが可能なプリント基板である。図４（ｂ）に示されるように、フレキシブル基板２０５は、ベース２０５ｃ上に複数の配線パターン２０５ａおよび２０５ｂがプリントされている。配線パターン２０５ａおよび２０５ｂは、二軸アクチュエータ２０４Ｃへ駆動信号を伝達するための配線や、後述する安全回路１２２へ非常停止信号を伝達するための配線を含む。このように、可動部２０４Ｂへの複数の配線をフレキシブル基板２０５にまとめることで、先端部のスペースを最適化することが可能となり、小型化および細径化を維持することができる。また、フレキシブル基板２０５を用いることで、微細な電線を個別に接続する場合に比べ、組み立て作業が容易となり、配線にかかるストレスも軽減される。

フレキシブル基板２０５は、可動部２０４Ｂが初期位置にある場合（Ｚ方向に移動されていない場合）は、図２（ａ）に示されるように湾曲した状態であり、可動部２０４ＢがＺ方向に移動されるにつれて伸びていく。そして、可動部２０４Ｂが最大ストローク位置に達した時点で、伸びきって突っ張った状態となるよう構成される。これにより、可動部２０４Ｂの移動によって配線に生じるストレスが軽減されるとともに、フレキシブル基板２０５によって、可動部２０４Ｂが最大ストローク以上に動くことを規制することも可能となる。

また、従来の配線方法では、複数の配線の内どの配線が断線するかを予測することは困難であり、断線による故障を適切に検出することができなかった。そこで、本実施形態では、フレキシブル基板２０５において、断線強度が高い部分と低い部分とを意図的に設けることにより、最初に断線する配線を特定可能な構成としている。具体的には、図４（ｂ）に示すように、フレキシブル基板２０５における中央部分の配線パターン２０５ｂにのみ、カバーレイ２０５ｄを設けている。カバーレイ２０５ｄは、例えばポリイミドシールなどを配線パターン上に貼ることで構成される。これにより、フレキシブル基板２０５の最も外側の配線パターン２０５ａの強度は、内側の配線パターン２０５ｂの強度に比べて低くなり、高い確率で外側の配線パターン２０５ａが最初に断線する。

そして、本実施形態では、安全回路１２２へ非常停止信号を伝達する配線を外側の配線パターン２０５ａに割り当て、二軸アクチュエータ２０４Ｃへ駆動信号を伝達するための配線などを内側の配線パターン２０５ｂに割り当てる。フレキシブル基板２０５にストレスがかかり外側の配線パターン２０５ａが断線すると、ＣＰＵ１０８を介して安全回路１２２へ非常停止信号が伝達される。安全回路１２２は、非常停止信号を検出すると、光源１０２を制御し、励起光をＯＦＦさせる。これにより、フレキシブル基板２０５における最初の断線の発生を検出した時点で、安全回路１２２にて、迅速に断線による故障が生じたことを検出することが可能となる。そして、励起光をＯＦＦとした状態で、共焦点プローブ２００を停止させることができる。

このように、本実施形態の内視鏡システムでは、可動部２０４Ｂと非可動部２０４Ｇとの間の配線にフレキシブル基板２０５を用いることにより、先端部の小型化および配線へのストレスの軽減を実現するとともに、可動部２０４Ｂの移動距離を制限することができる。さらに、フレキシブル基板２０５上で、断線強度が高い部分と低い部分とを意図的に設け、断線強度の弱い部分に断線を知らせるための配線を割り当てることで、断線による故障を迅速に検出することが可能となる。そして、光ファイバを走査するための駆動信号用の配線が断線する前に（すなわち光ファイバの駆動が停止する前に）、励起光をＯＦＦにすることができる。

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、走査型共焦点内視鏡システムにおける共焦点プローブに本発明を適用した場合について説明したが、本発明の内視鏡は共焦点プローブに限定されるものではなく、先端部に可動部を備えるその他の内視鏡（例えば、走査型内視鏡、拡大内視鏡など）にも適用することができる。

また、上記実施形態では、フレキシブル基板２０５の内側の配線パターン２０５ｂにカバーレイ２０５ｄを設けることにより、強度の高い部分を設ける構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、フレキシブル基板２０５の配線パターンの太さ、および／または厚みを変えることでも、強度の異なる部分を設けることが可能である。この場合、内側の配線パターン２０５ｂの太さを太くすること、および／または厚みを厚くすることで強度を高くすることができる。さらに、フレキシブル基板２０５全体にカバーレイ２０５ｄを設け、その厚みを内側と外側で変えることや、フレキシブル基板２０５にレジストを設け、強度を高くしたい部分にさらにカバーレイ２０５ｄを設けることも可能である。このような構成とすることで、配線パターンの短絡を防ぐとともに、強度の異なる部分を設けることが可能となる。

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 安全回路
２００ 共焦点プローブ
２０２ 光ファイバ
２０４ 共焦点光学ユニット
２０５ フレキシブル基板
２０６ サブＣＰＵ
２０８ サブメモリ
２１０ 走査ドライバ

Claims (7)

1. 外筒と、
   体腔内に光を照射して画像を取得する画像取得手段と、
   前記画像取得手段が配置され、前記外筒内で移動可能に保持される可動部と、
   前記外筒内で固定される非可動部と、
   前記可動部と前記非可動部とを接続する配線を有するフレキシブル基板と、を備え、
   前記フレキシブル基板は、断線強度が高い第１部分と、該第１部分よりも断線強度が低い第２部分を有し、
   前記第２部分に、断線を通知する信号を伝達する配線が割り当てられることを特徴とする、内視鏡。
2. 前記光は、レーザ光であることを特徴とする、請求項１に記載の内視鏡。
3. 前記可動部は、前記外筒内において、前記外筒の長手方向に移動可能であることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の内視鏡。
4. 前記フレキシブル基板は、前記可動部の最大ストロークを規制することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の内視鏡。
5. 前記第２部分は、前記フレキシブル基板の最も外側に設けられることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の内視鏡。
6. 前記フレキシブル基板は、前記第１部分にのみカバーレイを備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の内視鏡。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の内視鏡と、
   前記画像取得手段へ前記光を供給する光源と、
   前記断線を通知する信号を検出して前記光源をＯＦＦする安全回路と、
   を備えることを特徴とする、内視鏡システム。

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