JP4455059B2 - 特に内視鏡用の共焦点式イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、可撓性ファイバの束（バンドル）を用いた形式の、特に内視鏡用の、共焦点式イメージング装置に関する。共焦点式の特徴は、照明と検出に同一の光路を用いること、および、表面下の分析面から来る信号の空間的濾過にある。

本発明の応用分野は、ヒト又は動物に対する生物組織の生体内（in-vivo）分析（例えば皮膚科の分野では外部的、或いは、内部的で可撓性ファイバの束を通すことの可能な内視鏡の操作用導管を用いてアクセス可能）、並びに、バイオプシー採取に由来する組織サンプルの生体外（ex-vivo）分析、および、細胞生物学における培養体の試験管内（in-vitro）分析である。更に、本発明の装置は製造された機械装置の内部の分析に使用することができる。

現在のところ、消化器科、呼吸器科、婦人科、泌尿器科、ORL、皮膚科、眼科、心臓科、神経科の医療分野が想定される。

直径の小さな（数百ミクロン）可撓性ファイバ束を使用することは、内視鏡の操作用導管との接続のために必要であるが、それはまた光ファイバの束（その一端に集束用光学ヘッドを備えている）がサンプルマトリックス上の測定アームのように自動的に操作されるような自動試験システムにとっても有利である。更に、内視鏡の用途とは独立に、光学ヘッドの小型化はまた位置決め精度を増大させると共に自動化用途における機械的慣性を低減するために有利である。

より詳しくは、本発明の装置は、平行な照明用ビームを生成する所定波長の輻射線を放出する光源を有する形式のものである。この照明用ビームは次いで照明路と検出路を分けるために例えば分離板によって分離される。照明用ビームは次に光学機械的ミラー装置によって角度方向に２つの空間方向に偏向される（走査）。角度方向に走査されたビームは次いで光学手段が受け取り、その焦点面内に位置し整頓された数万本の可撓性光ファイバの束からなるイメージガイドにビームを導入（インジェクト）する。従って、所与の瞬間には、ビームの所与の１つの角位置についてイメージガイドの１本の光ファイバに導入を行う。操作中は、イメージを形成するべく所与の１つのラインについて点から点へと、かつ、或るラインの後に次のラインへと、ミラーを用いてビームを角度方向に偏向しながら、イメージガイドを構成する光ファイバに順次に導入を行う。イメージガイド（場合によっては内視鏡の操作用導管内に予め配置されている）に導入されたビームは、案内され、そこから出現し、観察したいサイトを点から点へと照明するのを可能にする光学手段によって捕捉される。各瞬間において、組織を照明するスポットは後方散乱され、入射ビームとは逆の進路を取る。後方散乱された光束は、従って、イメージガイドに再導入され、そこから出現し、走査装置に到達し、次いで分離板によって検出路に送られ、それから濾過用の穴に集束される。光束は次いで例えばフォトマルチプライア又はアバランシュ・フォトダイオードによって検出される。フォトセンサから出た信号は積分され、スクリーンに表示するべく数値化される。
この形式の装置は特に国際特許出願WO 00/16151に記載されている。

生物組織を分析するときに遭遇する困難は、ノイズ信号に対して後方散乱された有用な信号の比率が小さいことに関連しており、これは生成されたイメージが許容されるためには光学進路の全長に沿って出来るだけ最良の照明用ビームの品質（特に波面の品質と、ファイバのコアの直径に出来るだけ接近しなければならない焦点スポットの強度の空間的分布に関して）が確保されることを必要とする。イメージガイドの近位端の側においては、エネルギ面および空間面における照明用ビームの劣化は、特にイメージガイドの入口で起こる寄生的反射（ノイズ反射）に起因していると共に、走査装置および導入装置のところにおける光学的伝達の欠陥（フィールドの変形、波面のエラー）に起因している。

前述した国際特許出願WO 00/16151においては、走査装置は共鳴式および／又は検流式の光学機械的ミラー装置を備え、イメージガイドへの導入装置は集束用レンズL4又は顕微鏡の対物レンズを有する。

本発明の目的は、イメージガイドの入口における照明用ビームの品質が改良され、従って、イメージの品質も改良されているような装置を提供することにある。本発明の目的は、また、低コストで、実施が簡単で、小型化可能で、実用化可能な解決を提供することにある。

本発明は、可撓性光ファイバからなるイメージガイドを備えた共焦点式イメージング装置、特に内視鏡用の共焦点式イメージング装置であって：
−イメージガイドの近位端側には：照明用ビームを生成する光源と、前記ビームを角度方向に走査する手段と、偏向されたビームをイメージガイドのいづれかのファイバへ交互に導入する手段と、照明用ビームと反射信号とを分離する手段と、空間的フィルター手段と、前記信号を検出する手段と、検出された信号を分析しディジタル処理すると共に表示するための電子制御手段を備え、
−イメージガイドの遠位端側には：照明されたファイバから出る照明用ビームを集束させるようになった光学ヘッドを備えた、
装置を提供する。

本発明の特徴は、角度方向走査手段は、共鳴ラインミラーおよび可変周波数型検流式スクリーンミラーと、最初に２つのミラーを共役させ次いでスクリーンミラーとイメージガイドへの導入手段とを共役させるようになった２つの無焦点式光学系とを備え、夫々の光学系は初期の波面品質（WFE）を遵守し、かつ、ファイバのコアの直径に等しい焦点スポットの強度の空間的分布（PSF）を有することからなる。

この光学手段があるので、照明用ビームの品質を保障することができると共に、ファイバからファイバへの結合のレートを均一化し最適化することができる。

夫々の光学系は、走査とイメージガイド（標準型レンズの残留収差を補正する機能を有する追加的な特注品のレンズに結合されている）への導入を可能にする一組の標準型のレンズか、或いは、非常に高品質の一組の特注品のレンズからなる。

特別の実施態様においては、無焦点式光学系は４つのレンズを備え、そのうちイメージ面に関して対称的に配置された補正用二枚玉レンズはフィールドの湾曲を補正すると共に波面の誤差を最小化するのを可能にする。

残留収差を更に最小化するため、イメージガイドへの導入手段は、照明用ビームの角度方向走査をイメージガイド（その上流には前記１組のレンズの残留フィールド湾曲を補正するようになった二枚玉レンズが設けてある）の並進方向走査に変換するようになった１組のレンズを備えている。

好ましくは、本発明によれば、検出された信号を分析しディジタル処理すると共に表示するための電子制御手段は、ラインミラー（M1）とスクリーンミラー （M2）の運動を同期制御すると共に走査された照明用ビームの位置をあらゆる瞬間に知るようになった同期カードを有する。

本発明の特徴や他の利点は本発明の実施例に係る装置を概略的に示す図１を参照にした以下の実施例の記載に従い明らかとなろう。

図１には、光軸に垂直な断面ＸＹの平面Ｐ内において所与の深さに位置するサイトのイメージを形成するための装置が提案してある。この装置は数万本の可撓性光ファイバからなるイメージガイド１を有し、
−イメージガイド１の近位端側には、照明用ビームを生成する光源２と、前記ビームを角度方向に走査する手段３と、偏向されたビームをイメージガイド１のいづれかのファイバへ交互に導入する手段（インジェクション手段）４と、照明用ビームと反射信号とを分離する手段５と、空間的フィルター手段６と、前記信号を検出する手段７と、検出された信号を分析しディジタル処理すると共に表示するための電子制御手段８があり、
−イメージガイド１の遠位端側には、イメージガイドのうちの照明されたファイバから出る照明用ビームを光学ヘッド９の接触領域１１の下の平面Ｐ内の集束点１０に対して集束させるための光学ヘッド９がある。
これらの手段の詳細を以下に説明する。

イメージガイド１は光源２を搬送して表面下の分析領域へアクセスするのを可能にする。光学ヘッド９が内視鏡の操作用導管内に挿入されるようになっている場合には、イメージガイドはそれに適合する寸法（診療用途に応じて直径数ミリメートル）を有しなければならない。イメージガイドは整頓された可撓性光ファイバの束からなり、被覆で覆われている。良好な空間的解像度を得るため、充分なファイバと小さなコア間間隔を有する任意のガイドを使用することができる。例えば、コア直径2.5μｍ、コア間間隔4μｍの30000本のファイバからなる住友マーク（商標）のガイド、或いは、コア直径2μｍ、コア間間隔3.7μｍの30000本のファイバからなる藤倉マーク（商標）のガイドを使用することができる。本発明によれば、ファイバは、走査手段３と導入手段４により、アドレスされたやり方で順番に１本づつ照明される。イメージガイドの有効直径は従って照明された１本のファイバのコアの直径に対応している。

イメージガイド１の両端部には、ノイズ反射をファイバ束の入口で起こる反射については濾過手段６の外に拒否し、かつ、イメージガイドの出口で起こる反射については照明された光ファイバの外に拒否するため、充分な厚さをもったガラス板（図１には示してない）が設けてある。これらのガラス板は反射光を最小限にするため反射防止処理してある。

光源２は、683ｎｍのレーザダイオードからなり、λ／10に等しいかそれ以下の非常に良好な品質の波面を提供しなければならない。本発明によれば、このダイオードは有用な信号をイメージガイド１の入口で起こるノイズ反射から同期検出により分離するべくパルスされる。変化形として、固体レーザ又はガスレーザを使用することができるが、組織内における吸収が最小となるような600〜800ｎｍ帯域内の波長の選択は広くないし、更に、同等の出力に対するコストはかなり大きい。

照明用ビームと戻り信号を分離するための手段５は、この実施例では、調節機能用の50／50分離キューブからなる。50／50分離プレートを使用することも可能である。

走査手段３は、光源２のレーザダイオードと同一の光学的品質（これが各ファイバに導入されるであろう）のダイオードマトリックスを複製する機能を有する。これはファイバ毎に信号ガイドを照明するために光源の搬送および複写システム内に存在する収差を補正するのを可能にする標準的でない光学的手段の組合せを必要とする。この走査手段は２つのミラーM1およびM2と２つの光学系からなる。ミラーM1は４kHzの周波数で共鳴する“ライン”ミラーであり、ミラーM2は0〜300Hzの可変周波数を有する検流式の“スクリーン”ミラーである。夫々の光学系は各々４つのレンズL1〜L4およびL5〜L8で構成され、最初に２つのミラーを共役させるのを可能にし、次に、スクリーンミラーM2とイメージガイド１の入口を共役させるのを可能にする。これらの光学系は：
−導入手段４の後の焦点スポットの強度の空間的分布（FEP又はPSF−Point Spread Function）を拡大し、かつ、イメージガイド１内の結合を劣化させることがある収差、
−イメージガイドの被覆内で光束を伝播させる（これはガイドの端部のPSFを悪化させるおそれがあり、その結果、イメージの解像度を悪化させるおそれがある）ことがある収差、
を呈してはならない。

レンズL2〜L3およびL6〜L7はイメージ面に関して対称的に配置された同一の補正用二枚玉レンズである。これは、フィールドの湾曲を補正すると共に軸線の外の無焦点系（L1〜L4およびL5〜L8）の使用に因る波面の誤差を最小化することにより、イメージガイドへの導入を均一にするのを可能にする。

導入手段４：導入手段は最小の収差を呈するものでなければならず、かつ、屈折限界に近い集束スポットを形成し、もって、アドレスされたファイバ（ファイバのコアの直径に等しいPSF）と最良の結合を実現するため、波面の品質を悪化させてはならない。導入手段は特注の二枚玉レンズL9と標準型の三枚玉レンズL10からなる。二枚玉レンズL9は三枚玉レンズL10の残留収差（即ち、フィールドの湾曲）を補正するのを可能にする。

空間的濾過手段６は、レンズL11と、照明用ファイバの選択しか許容しない（ノイズ信号を生成するおそれのある隣接するファイバの選択は許容しない）濾過用穴Ｔからなる。濾過用穴のサイズは、ファイバの束の入口と濾過用穴との間の光学系の倍率を除いて、ファイバのコアの直径に対応するようなものである。

光学ヘッド９は、照明された光ファイバから出る光束を収斂させるのを可能にする複数の光学手段と、２つのガラス板とを備え、これらのガラス板の一方はイメージガイドの出口にある前述したものであり、他方はサイトと接触するに至るようになっていてアダプト用インデックスを形成する窓である。これらの光学手段は次のような特徴を有する：
−数十〜数百ミクロンの深さにおける組織の分析を可能にすること、
−PSFを拡大したり変形したりすることなくイメージガイドの出口における組織のPSFを複写するべく収差を最小限にすること、
−波面の品質を最適化することによりイメージガイドへの戻りの結合率を最適化すること、
−場合により、内視鏡の走査導管のサイズに適合するサイズ。
光学手段は例えば特性の対物レンズを形成するレンズ系からなる。

検出手段７は、信号センサーとして信号を連続的に入力するアバランシュ型フォトダイオードを有し、信号ガイドの両端から来るノイズ信号はセンサーを飽和させないため有用信号と同じ大きさのオーダーにされる。イメージガイドの入口におけるノイズ反射の残部の抑制は次にディジタル式の時間的濾過によって行われる。

検出された信号を分析しディジタル処理すると共に表示するための電子制御手段８は次のようなカードを有する：
−レーザ光源の変調カード２０。このカードは、規則的な間隔（４のオーダーのサイクル比）のパルス（10ns≦Ｔ≦100ns）を生成するため、比較的高い周波数（100MHzのオーダー）に光源を変調するのを可能にする。
−次の機能を有する同期カード２１：
−走査（即ち、ラインミラーM1とスクリーンミラー M2の運動）を同期制御する機能；
−斯く走査されたレーザスポットの位置をあらゆる瞬間に知る機能、
−検出前のレーザ光源からのパルスの発信を同期する機能、
−マイクロコントローラ（それ自体も制御される）を介して他の全てのカードを管理する機能；
−特にインピーダンスの調節と積分を行うアナログ回路と、アナログ・ディジタル・コンバータと、信号をフォーマットするプログラム可能な論理回路（例えば、FGPA）を有する検出カード２２；
−可変周波数ディジタルデータのストリームを処理してスクリーン２４に表示することの可能なディジタル収集カード２３；
−グラフィックカード２５。

イメージ処理は次のように行われる。検出カードからの生の情報はフォーマットされ、表示可能かつ解釈可能にするべく処理される。数万本の光ファイバからなるイメージガイドを走査することによるイメージの収集方法は、イメージに特異性をもたらし適切な処理を生じさせる。

２グループの処理が行われる：
１．第１グループは、収集した信号を較正することを目的として処理するプロセスからなる。従って、収集プロセスに固有のレーザ／ガイド結合の欠陥およびシステムのある種のノイズに起因する欠陥を除去することができる。較正は走査の制御の精度と時間の安定性に応じて異なる形態をとり得る。これらの処理は基本的に一次元的である。
２．第２グループは、光機械的プロセスに特有のイメージ処理（2Dおよび2D＋時間）を統合することにより解釈を改良するのを可能にする。これらの処理はイメージ回復プロセスからなり、小さな動きを除去するためその後に迅速整列プロセスが行われる。これらの処理は収集期間に比較して迅速である。これらのアルゴリズムは完全に自動的であり、イメージの性質に適合している。

言うまでもなく種々の変化形が可能であり、特に、ラインミラーM1に関しては他の周波数（例えば、8kHz）で共鳴するものでも可能であり、無焦点光学系は完全に特注品でもよいし或いは他の１組の適当な補正用レンズを備えていてもよい。

本発明のイメージング装置の模式図である。

Claims (9)

1. 可撓性光ファイバからなるイメージガイド（1）を備えた共焦点式イメージング装置、特に内視鏡用の共焦点式イメージング装置であって：
   ―イメージガイド（1）の近位端側には：照明用ビームを生成する光源（2）と、前記ビームを角度方向に走査する手段（3）と、偏向されたビームをイメージガイド（1）のいづれかのファイバへ交互に導入する手段（4）と、照明用ビームと反射信号とを分離する手段（5）と、空間的フィルター手段（6）と、前記信号を検出する手段（7）と、検出された信号を分析しディジタル処理すると共に表示するための電子制御手段（8）を備え、
   ―イメージガイド（1）の遠位端側には：照明されたファイバから出る照明用ビームを集束させるようになった光学ヘッド（9）を備え、
   この装置の特徴は、角度方向走査手段（3）は、共鳴ラインミラー（M1）および可変周波数型検流式スクリーンミラー（M2）と、最初に２つのミラー（M1、M2）を共役させ次いでスクリーンミラー（M2）とイメージガイドへの導入手段（4）とを共役させるようになった２つの無焦点式光学系とを備え、夫々の光学系は初期の波面品質（WFE）を遵守し、かつ、ファイバのコアの直径に等しい焦点スポットの強度の空間的分布（PSF）を有すること、および、無焦点式光学系は標準型のレンズと前記標準型レンズの残留収差を補正する補正用レンズとを有することからなるイメージング装置。
2. 無焦点式光学系は４つのレンズ（L1〜L4；L5〜L8）を備え、そのうちイメージ面に関して対称的に配置されたレンズ（L2、L3；L6、L7）はフィールドの湾曲を補正すると共に波面の誤差を最小化するのを可能にする補正用二枚玉レンズであることを特徴とする請求項１に基づく装置。
3. 導入手段（4）は、角度方向走査をイメージガイドの並進方向走査に変換するようになった１組のレンズ（L10）と、前記１組のレンズ（L10）の残留フィールド湾曲を補正するのを可能にする上流の二枚玉レンズ（L9）とを備えていることを特徴とする請求項１又は２に基づく装置。
4. 前記１組のレンズ（L10）は三枚玉レンズであることを特徴とする請求項３に基づく装置。
5. ノイズ反射を濾過手段（6）の外に廃棄するべくイメージガイドの入口に配置されたガラス板を備えていることを特徴とする請求項１から４のいづれかに基づく装置。
6. ノイズ反射を照明された光ファイバの外に廃棄するべくイメージガイドの出口に配置されたガラス板を備えていることを特徴とする請求項１から５のいづれかに基づく装置。
7. ラインミラー（M1）は４kHzの周波数で共鳴するミラーであることを特徴とする請求項１から６のいづれかに基づく装置。
8. スクリーンミラー（M2）は0〜300Hzの可変周波数を有することを特徴とする請求項１から７のいづれかに基づく装置。
9. 検出された信号を分析しディジタル処理すると共に表示するための電子制御手段（8）は、ラインミラー（M1）とスクリーンミラー （M2）の運動を同期制御すると共に走査された照明用ビームの位置をあらゆる瞬間に知るようになった同期カード（21）を有することを特徴とする請求項１から８のいづれかに基づく装置。

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