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WO2016143160A1 - 走査型内視鏡システム - Google Patents

走査型内視鏡システム Download PDF

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Publication number
WO2016143160A1
WO2016143160A1 PCT/JP2015/073153 JP2015073153W WO2016143160A1 WO 2016143160 A1 WO2016143160 A1 WO 2016143160A1 JP 2015073153 W JP2015073153 W JP 2015073153W WO 2016143160 A1 WO2016143160 A1 WO 2016143160A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
frequency
amplitude
unit
scanning
actuator
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/073153
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
聡一郎 小鹿
篤義 嶋本
雅史 山田
Original Assignee
オリンパス株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by オリンパス株式会社 filed Critical オリンパス株式会社
Priority to DE112015006046.4T priority Critical patent/DE112015006046T5/de
Priority to JP2016520120A priority patent/JP6143953B2/ja
Priority to CN201580077635.4A priority patent/CN107405044A/zh
Publication of WO2016143160A1 publication Critical patent/WO2016143160A1/ja
Priority to US15/698,906 priority patent/US20180014719A1/en

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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00163—Optical arrangements
    • A61B1/00172—Optical arrangements with means for scanning
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/036—Optical fibres with cladding with or without a coating core or cladding comprising multiple layers

Definitions

  • the present invention relates to a scanning endoscope system, and more particularly to a scanning endoscope system that acquires an image by scanning a subject by driving a fiber with an actuator.
  • Such a scanning endoscope system is configured such that the tip of the fiber draws a circle by synthesizing the amplitudes in the X direction and the Y direction that are out of phase. Therefore, it is desirable to vibrate so that the tip of the fiber draws a straight track in each of the X direction and the Y direction. For this reason, a scanning type that uses a frequency apart from the resonance frequency by a predetermined hertz as a drive frequency that can stably control the vibration amplitude of the fiber based on the voltage applied to the actuator.
  • An endoscope system has been proposed (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-198189).
  • the frequency characteristics of the fiber amplitude shift to the low frequency side or the high frequency side.
  • the frequency characteristic shift is significant. If the frequency characteristic shifts, the change in amplitude with respect to the frequency is large in the frequency region around the resonance frequency, so that the vibration amplitude of the fiber cannot be controlled stably. For this reason, it is desirable to drive the fiber in a frequency band in which the change in amplitude is small, even in the case where the frequency characteristic is shifted due to environmental changes, in a frequency region that is a certain value away from the resonance frequency. In addition, since the frequency characteristics of the amplitude are different for each scope, it is desirable to set an optimum drive frequency region for each scope.
  • the scanning endoscope system described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-198189 uses a frequency band that is 100 Hz or more away from the resonance frequency as a driving frequency.
  • the frequency characteristic does not necessarily have frequency characteristics due to environmental changes. Even in the case of shifting, it is not always the frequency band in which the change in amplitude is small, so it cannot be said to be an optimum driving frequency region.
  • the present invention specifies a frequency region that is not easily affected by the shift of the frequency characteristic accompanying the environmental change, and uses the same frequency region as the drive frequency, thereby stably controlling the fiber amplitude regardless of the environmental change.
  • An object of the present invention is to provide a scanning endoscope system that can perform the above operation.
  • a scanning endoscope system guides illumination light for illuminating a subject and scans the illumination light on the subject, and a light guide unit for emitting the light from the exit end.
  • a scanning unit having an actuator that swings the output end of the light guide unit according to a voltage or current of an electric signal applied for the purpose, and an output end of the light guide unit according to a change in usage conditions of the scan unit
  • an application unit that applies the electric signal having a drive frequency that is a frequency at which the amount of change in the amplitude is equal to or less than a predetermined value even if the frequency characteristics of the amplitude at the time of swinging change.
  • FIG. The figure which shows an example of the spiral scanning path
  • FIG. which shows the relationship between the drive frequency of an actuator part, and the amplitude of the output end part of the fiber for illumination.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a main part of a scanning endoscope system according to an embodiment of the present invention.
  • the scanning endoscope system 1 includes a scanning endoscope 2 inserted into a body cavity of a subject, a main body device 3 to which the endoscope 2 can be connected,
  • the display device 4 is connected to the main body device 3, and the input device 5 is capable of inputting information and giving instructions to the main body device 3.
  • the scanning endoscope system 1 also has both an amplitude detector 100 and a frequency characteristic calculation unit 101.
  • the endoscope 2 as a scanning unit is configured to include an insertion unit 11 formed with an elongated shape that can be inserted into a body cavity of a subject.
  • a connector portion 61 for detachably connecting the endoscope 2 to the connector receiving portion 62 of the main body device 3 is provided at the proximal end portion of the insertion portion 11.
  • an electrical connector device for electrically connecting the endoscope 2 and the main body device 3 is provided inside the connector portion 61 and the connector receiving portion 62.
  • an optical connector device for optically connecting the endoscope 2 and the main body device 3 is provided inside the connector portion 61 and the connector receiving portion 62.
  • An illumination fiber 12 that is an optical fiber that guides the illumination light supplied from the light source unit 21 of the main body device 3 to the illumination optical system 14 in a portion from the proximal end portion to the distal end portion inside the insertion portion 11, and
  • the incident end including the light incident surface of the illumination fiber 12 as the light guide is disposed in the multiplexer 32 provided inside the main body device 3. Further, the emission end portion including the light emission surface of the illumination fiber 12 is disposed in the vicinity of the light incident surface of the lens 14 a provided at the distal end portion of the insertion portion 11.
  • the incident end portion including the light incident surface of the light receiving fiber 13 is fixedly disposed around the light emitting surface of the lens 14 b on the distal end surface of the insertion portion 11. Further, the emission end portion including the light emission surface of the light receiving fiber 13 is arranged in a duplexer 36 provided inside the main body device 3.
  • the illumination optical system 14 includes a lens 14a on which illumination light having passed through the light emission surface of the illumination fiber 12 is incident, and a lens 14b that emits illumination light having passed through the lens 14a to a subject.
  • an actuator portion 15 that is driven based on a drive signal supplied from the driver unit 22 of the main body device 3 is provided.
  • the illumination fiber 12 and the actuator unit 15 are arranged so as to have, for example, the positional relationship shown in FIG. 2 in a cross section perpendicular to the longitudinal axis direction of the insertion unit 11.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the actuator unit.
  • a ferrule 41 as a joining member is disposed between the illumination fiber 12 and the actuator unit 15.
  • the ferrule 41 is made of, for example, zirconia (ceramic) or nickel.
  • the ferrule 41 is formed as a quadrangular prism, and side surfaces 42 a and 42 c that are perpendicular to the X-axis direction, which is the first axial direction orthogonal to the longitudinal axis direction of the insertion portion 11, Side surfaces 42b and 42d perpendicular to the Y-axis direction, which is the second axial direction perpendicular to the longitudinal axis direction of the insertion portion 11, are included.
  • the illumination fiber 12 is fixedly arranged at the center of the ferrule 41.
  • the ferrule 41 may be formed as a shape other than the quadrangular column as long as it has a column shape.
  • the actuator unit 15 includes a piezoelectric element 15a disposed along the side surface 42a, a piezoelectric element 15b disposed along the side surface 42b, and a piezoelectric element disposed along the side surface 42c. 15c and the piezoelectric element 15d arranged along the side surface 42d.
  • the piezoelectric elements 15a to 15d have polarization directions set individually in advance, and are configured to expand and contract in accordance with a drive voltage applied from a drive signal supplied from the main body device 3.
  • a non-volatile memory 16 for storing the driving conditions of the actuator unit 15 that is unique to each endoscope 2 is provided inside the insertion unit 11.
  • the drive conditions include a setting condition for the drive frequency of the actuator unit 15 calculated from the frequency characteristics of the amplitude of the illumination fiber 12 by a method described later.
  • the driving conditions stored in the memory 16 are determined when the connector portion 61 of the endoscope 2 and the connector receiving portion 62 of the main body device 3 are connected and the main body device 3 is turned on. 3 is read by the controller 25.
  • the setting condition of the drive frequency of the actuator unit 15 is stored in the memory 16 at an arbitrary timing before the user uses the endoscope 2 for the first time, for example, when the endoscope 2 is manufactured. Shall be.
  • the main unit 3 includes a light source unit 21, a driver unit 22, a detection unit 23, a memory 24, and a controller 25.
  • the light source unit 21 includes a light source 31a, a light source 31b, a light source 31c, and a multiplexer 32.
  • the light source 31a includes a laser light source, for example, and is configured to emit red wavelength band light (hereinafter also referred to as R light) to the multiplexer 32 when light is emitted under the control of the controller 25. Yes.
  • R light red wavelength band light
  • the light source 31b includes, for example, a laser light source, and is configured to emit green wavelength band light (hereinafter also referred to as G light) to the multiplexer 32 when light is emitted under the control of the controller 25. Yes.
  • G light green wavelength band light
  • the light source 31c includes, for example, a laser light source, and is configured to emit light in a blue wavelength band (hereinafter also referred to as B light) to the multiplexer 32 when light is emitted under the control of the controller 25. Yes.
  • B light a blue wavelength band
  • the multiplexer 32 multiplexes the R light emitted from the light source 31a, the G light emitted from the light source 31b, and the B light emitted from the light source 31c onto the light incident surface of the illumination fiber 12. It is configured to supply.
  • the driver unit 22 as the application unit is configured to generate a drive signal corresponding to the drive voltage applied to the actuator unit 15.
  • the driver unit 22 includes a signal generator 33, D / A converters 34a and 34b, and an amplifier 35.
  • the signal generator 33 is a predetermined drive signal as shown by a broken line in FIG. 3, for example, as a first drive signal for swinging the emission end of the illumination fiber 12 in the X-axis direction.
  • a voltage signal having a signal waveform obtained by performing the above modulation on a sine wave is generated and output to the D / A converter 34a.
  • the signal generator 33 is, for example, indicated by a one-dot chain line in FIG. 3 as a second drive signal for swinging the emission end of the illumination fiber 12 in the Y-axis direction based on the control of the controller 25.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a signal waveform of a drive signal supplied to the actuator unit.
  • the D / A converter 34 a is configured to convert the digital first drive signal output from the signal generator 33 into an analog first drive signal and output the analog first drive signal to the amplifier 35.
  • the D / A converter 34 b is configured to convert the digital second drive signal output from the signal generator 33 into an analog second drive signal and output the analog second drive signal to the amplifier 35.
  • the amplifier 35 is configured to amplify the first and second drive signals output from the D / A converters 34 a and 34 b and output the amplified signals to the actuator unit 15.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a spiral scanning path from the center point A to the outermost point B.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a spiral scanning path from the outermost point B to the center point A.
  • illumination light is irradiated to a position corresponding to the center point A of the irradiation position of the illumination light on the surface of the subject.
  • the amplitudes (voltages) of the first and second drive signals increase from time T1 to time T2
  • the irradiation position of the illumination light on the surface of the subject starts from the center point A to the outside in the first spiral shape.
  • the outermost point B of the illumination light irradiation position on the surface of the subject is irradiated with the illumination light.
  • the amplitude (voltage) of the first and second drive signals decreases from time T2 to time T3
  • the irradiation position of the illumination light on the surface of the subject is the second spiral inward starting from the outermost point B.
  • illumination light is applied to the center point A on the surface of the subject.
  • the actuator unit 15 is emitted to the subject through the emission end by swinging the emission end of the illumination fiber 12 based on the first and second drive signals supplied from the driver unit 22.
  • the illumination light irradiation position can be displaced along the spiral scanning path shown in FIGS. 4 and 5. Further, the amplitudes of the first and second drive signals supplied from the driver unit 22 to the actuator unit 15 are maximized in the vicinity of time T2 or time T2. Further, when the spiral scanning path of FIGS. 4 and 5 is given as an example, the scanning range of the endoscope 2 is on the inner side of the outermost peripheral path including the outermost point B of the spiral scanning path. It is shown as a region to which it belongs and changes in accordance with the maximum amplitude of the drive signal supplied to the actuator unit 15.
  • the detection unit 23 includes a duplexer 36, detectors 37a, 37b, and 37c, and A / D converters 38a, 38b, and 38c.
  • the demultiplexer 36 includes a dichroic mirror and the like, and separates the return light emitted from the light emitting surface of the light receiving fiber 13 into light for each of R (red), G (green), and B (blue) color components. And it is comprised so that it may radiate
  • the detector 37a includes, for example, an avalanche photodiode and the like, detects the intensity of the R light output from the duplexer 36, generates an analog R signal corresponding to the detected intensity of the R light, and generates A It is configured to output to the / D converter 38a.
  • the detector 37b includes, for example, an avalanche photodiode, detects the intensity of the G light output from the branching filter 36, generates an analog G signal corresponding to the detected intensity of the G light, and generates A It is configured to output to the / D converter 38b.
  • an avalanche photodiode detects the intensity of the G light output from the branching filter 36, generates an analog G signal corresponding to the detected intensity of the G light, and generates A It is configured to output to the / D converter 38b.
  • the detector 37c includes, for example, an avalanche photodiode and the like, detects the intensity of the B light output from the demultiplexer 36, generates an analog B signal corresponding to the detected intensity of the B light, and generates A It is configured to output to the / D converter 38c.
  • the A / D converter 38a is configured to convert the analog R signal output from the detector 37a into a digital R signal and output it to the controller 25.
  • the A / D converter 38b is configured to convert the analog G signal output from the detector 37b into a digital G signal and output it to the controller 25.
  • the A / D converter 38c is configured to convert the analog B signal output from the detector 37c into a digital B signal and output it to the controller 25.
  • various parameters for causing the light sources 31a to 31c to emit light, and amplitude and phase difference for specifying the signal waveform in FIG. Stores information including parameters.
  • the controller 25 is configured by an integrated circuit such as an FPGA (Field Programmable Gate Array). Further, the controller 25 detects whether or not the insertion portion 11 is electrically connected to the main body device 3 by detecting the connection state of the connector portion 61 in the connector receiving portion 62 via a signal line or the like (not shown). It is configured to be able to.
  • the controller 25 includes a light source control unit 25a, a scanning control unit 25b, and an image generation unit 25c.
  • the light source control unit 25a is configured to control the light source unit 21 based on the control information read from the memory 24, for example, to cause the light sources 31a to 31c to emit light simultaneously.
  • the scanning control unit 25b as the setting unit is described above.
  • the drive frequency condition of the actuator unit 15 stored in the memory 16 is read.
  • the driving conditions unique to the endoscope 2 including the driving frequency condition read from the memory 16 and the control information read from the memory 24 for example, to generate a driving signal having a signal waveform as shown in FIG. Control is performed on the driver unit 22.
  • the image generation unit 25c detects the latest scanning path based on the signal waveform of the drive signal generated according to the control of the scanning control unit 25b, and corresponds to the irradiation position of the illumination light on the detected scanning path.
  • the pixel position of the raster scan format to be identified is specified, and the luminance value indicated by the digital signal output from the detection unit 23 is mapped to the specified pixel position to generate an observation image for one frame, and the generated 1
  • the observation images for the frames are sequentially output to the display device 4.
  • the image generation unit 25c is configured to perform processing for displaying a predetermined character string or the like on the display device 4.
  • the display device 4 includes, for example, a monitor and is configured to display an observation image output from the main device 3.
  • the input device 5 includes, for example, a keyboard or a touch panel.
  • the input device 5 may be configured as a separate device from the main body device 3 or may be configured as an interface integrated with the main body device 3.
  • the amplitude detector 100 is configured to detect the peristaltic width (amplitude) of the emission end of the illumination fiber 12 when the actuator unit 15 is driven to perturb the illumination fiber 12.
  • a general amplitude detection sensor such as an optical position sensor (Position Sensitive Detector, PSD) can be used.
  • PSD Position Sensitive Detector
  • the frequency characteristic calculation unit 101 is based on a change in environment around the endoscope 2 based on the relationship between the amplitude of the emission end of the illumination fiber 12 input from the amplitude detector 100 and the drive frequency of the actuator unit 15.
  • the drive frequency region of the actuator unit 15 that can obtain a stable amplitude is calculated.
  • a method for calculating the drive frequency region will be described.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the drive frequency of the actuator unit and the amplitude of the emission end of the illumination fiber.
  • the amplitude of the emission end of the illumination fiber 12 has a maximum value when the drive frequency of the actuator unit 15 is the resonance frequency fs.
  • the amplitude of the emission end portion is abruptly decreased.
  • the amplitude is substantially constant.
  • an upper limit value (first threshold value) of the slope of the frequency characteristic is set in advance based on an allowable amount of change in amplitude before and after the shift, and the illumination fiber 12 input from the frequency characteristic calculation unit 101 is set.
  • a frequency fl1 having a slope equal to the first threshold is obtained.
  • a frequency region having the frequency fl1 as a lower limit is set as a drive frequency region. It is desirable that the upper limit value of the slope of the frequency characteristic is substantially zero.
  • the amplitude of the exit end of the illumination fiber 12 has a substantially constant value, so that the inclination is substantially zero.
  • the frequency characteristic in a region within a predetermined value (for example, about 20 Hz) from the resonance frequency fs is not used for calculating the frequency fl, and the frequency fl1 is calculated using the frequency characteristic of a frequency that is a predetermined value or more away from the resonance frequency fs. .
  • a predetermined value for example, about 20 Hz
  • the frequency fl1 is set using a frequency characteristic in a range higher than the frequency fd, which is on the high frequency side by a predetermined value (for example, about 20 Hz) from the resonance frequency fs. calculate.
  • noise may enter the waveform due to slight external vibration transmitted to the illumination fiber 12.
  • the amplitude of the frequency at which the noise is generated becomes larger than usual, and a steep peak appears at the frequency. If the slope of the frequency characteristic including noise is calculated in this way, the slope of the frequency of the peak portion of the noise also becomes substantially zero, and a correct value may not be obtained as the frequency fl1.
  • the frequency fl1 at which the slope of the frequency characteristic becomes equal to the first threshold it is desirable to consider the continuity of the slope of the frequency characteristic. That is, in a certain frequency range, when the slope of the frequency characteristic is continuously below the first threshold, the frequency closest to the resonance frequency is selected from the frequencies at which the slope of the frequency characteristic is below the first threshold. Calculated as the frequency fl1.
  • a frequency fl1 ′ whose slope is equal to the first threshold value is calculated on the lower frequency side than the resonance frequency fs, and a frequency region whose upper limit is the frequency fl1 ′ is calculated. Set as drive frequency region.
  • a method for calculating the drive frequency region using the amplitude shift amount of the emission end of the illumination fiber 12 will be described with reference to FIG.
  • Examples of environmental changes that shift the frequency characteristics of amplitude include temperature changes and humidity changes.
  • a method of calculating the drive frequency region will be described by taking as an example a shift in frequency characteristics when the temperature changes as an environmental change.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the shift of the frequency characteristics of the amplitude of the exit end of the illumination fiber due to environmental changes.
  • the frequency characteristic of the amplitude of the exit end of the illumination fiber at normal temperature is indicated by a solid line.
  • the frequency characteristic of the amplitude of the emission end when the same illumination fiber is exposed to a high temperature environment is indicated by a one-dot chain line.
  • a normal room temperature for example, about 25 degrees Celsius
  • a temperature within the body temperature of the subject for example, about 37 degrees Celsius.
  • the frequency characteristic of the amplitude of the exit end of the illumination fiber 12 tends to shift to the low frequency side when the surrounding environment changes from room temperature to high temperature.
  • the frequency characteristic of the resonance frequency fs1 at normal temperature shifts to the low frequency side when the surrounding environment becomes high temperature, and the resonance frequency shifts to the frequency fs2 having a shorter wavelength than the frequency fs1. That is, the amplitude at the same frequency changes before and after the environmental change.
  • the amount of change ⁇ a in amplitude due to environmental changes is smaller in the frequency region far from the resonance frequency fs than in the frequency region near the resonance frequency fs.
  • the amount of change ⁇ as in amplitude at the resonance frequency fs1 at room temperature is a large amount of about 30% of the amplitude at room temperature.
  • the amount of change ⁇ al of the amplitude at the frequency fl in the frequency region away from the resonance frequency fs1 falls within a small value of about several percent of the amplitude at normal temperature.
  • the amplitude of the emission end of the illumination fiber 12 changes, the scanning range of the irradiation light changes, and the angle of view of the image obtained from the light receiving fiber 13 also changes.
  • a target value is set for the angle of view. Therefore, based on the target value, an upper limit value (second threshold value) of the rate of change in allowable amplitude is set in advance, and the emission end of the illumination fiber 12 input from the frequency characteristic calculation unit 101 is set.
  • the frequency fl2 at which the ratio of the amplitude change amount ⁇ al before and after the environmental change becomes equal to the second threshold is obtained.
  • a frequency region having the frequency fl2 as a lower limit is set as a drive frequency region.
  • the frequency fl2 is calculated at which the ratio of the amplitude change amount ⁇ al before and after the environmental change to the amplitude at normal temperature is 5%. To do. Then, a frequency region having the frequency fl2 as a lower limit is set as a drive frequency region.
  • a frequency fl2 ′ is calculated on the lower frequency side than the resonance frequency fs1 so that the ratio of the amplitude change amount ⁇ a before and after the environmental change to the amplitude at normal temperature is 5%. Then, the frequency region having the upper limit of the frequency fl2 ′ is set as the driving frequency region.
  • the frequency characteristic calculation unit 101 can be configured by a general-purpose computer such as a personal computer.
  • the drive frequency region is calculated using the slope of the frequency characteristic of the amplitude of the emission end of the illumination fiber 12 and stored in the memory 16. The operation for recording will be described.
  • the factory worker arranges each part of the optical scanning observation system 1 Connect and turn on the power.
  • the predetermined temperature TEM is a temperature that falls within a normal temperature range such as 25 degrees Celsius.
  • the factory worker gives an instruction to the controller 25 to start scanning by the endoscope 2 by operating a scanning start switch (not shown) of the input device 5, for example.
  • the scanning control unit 25b When the scanning start switch of the input device 5 is operated, the scanning control unit 25b performs control for generating a driving signal having a predetermined driving voltage and a predetermined driving frequency based on the control information read from the memory 24. This is performed for the driver unit 22.
  • the predetermined drive voltage means that the angle of view is within an allowable range even when the actuator unit 15 is driven at the resonance frequency fs, and the amplitude of the emission end of the illumination fiber 12 is determined by the amplitude detector 100.
  • the drive voltage is within a detectable range.
  • the predetermined drive frequency is a drive frequency that continuously changes the frequency in a range from a frequency lower than the resonance frequency fs by a predetermined value to a frequency higher than the resonance frequency fs by a predetermined value. For example, when the resonance frequency is 9000 Hz, control for generating a drive signal that changes the drive frequency of the actuator unit 15 in the range of 8500 Hz to 9500 Hz is input to the driver unit 22.
  • the amplitude detector 100 detects the peristaltic width (amplitude) of the exit end of the illumination fiber 12 in the X-axis direction and the Y-axis direction, and outputs the detected amplitude to the frequency characteristic calculation unit 101.
  • the frequency characteristic calculation unit 101 calculates the frequency characteristic of the amplitude using the amplitude of the emission end of the illumination fiber 12 input from the amplitude detector 100 and the drive frequency of the actuator unit 15.
  • a frequency at which the calculated slope of the frequency characteristic is a first threshold value set in advance is obtained.
  • the obtained frequency is higher than the resonance frequency fs, it is stored in the memory 16 as the lower limit value of the driving frequency of the actuator unit 15 during high frequency driving.
  • the obtained frequency is lower than the resonance frequency fs, it is stored in the memory 16 as the upper limit value of the driving frequency of the actuator unit 15 at the time of low frequency driving.
  • the fact that the calculation and recording of the drive frequency region is completed is output to the scanning control unit 25b.
  • the scanning control unit 25b displays an image of control for causing the display device 4 to display a character string or the like for notifying the factory worker that the calculation and recording of the drive frequency region output from the frequency characteristic calculation unit 101 has been completed. This is performed on the generation unit 25c.
  • the calculation of the drive frequency region of the actuator unit 15 and the recording to the memory 16 are completed using the slope of the frequency characteristic of the amplitude of the emission end of the illumination fiber 12 at a predetermined temperature TEM. .
  • the drive frequency region is calculated using the amplitude shift amount of the emission end of the illumination fiber 12 and recorded in the memory 16. The operation in this case will be described.
  • the factory worker arranges each part of the optical scanning observation system 1 Connect and turn on the power.
  • the predetermined temperature TEM is a temperature that falls within a normal temperature range such as 25 degrees Celsius.
  • the factory worker gives an instruction to the controller 25 to start scanning by the endoscope 2 by operating a scanning start switch (not shown) of the input device 5, for example.
  • the scanning control unit 25b When the scanning start switch of the input device 5 is operated, the scanning control unit 25b performs control for generating a driving signal having a predetermined driving voltage and a predetermined driving frequency based on the control information read from the memory 24. This is performed for the driver unit 22.
  • the predetermined drive voltage means that the angle of view is within an allowable range even when the actuator unit 15 is driven at the resonance frequency fs, and the amplitude of the emission end of the illumination fiber 12 is determined by the amplitude detector 100.
  • the drive voltage is within a detectable range.
  • the predetermined drive frequency is a drive frequency that continuously changes the frequency in a range from a frequency lower than the resonance frequency fs by a predetermined value to a frequency higher than the resonance frequency fs by a predetermined value. For example, when the resonance frequency is 9000 Hz, control for generating a drive signal that changes the drive frequency of the actuator unit 15 in the range of 8500 Hz to 9500 Hz is input to the driver unit 22.
  • the amplitude detector 100 detects the peristaltic width (amplitude) of the exit end of the illumination fiber 12 in the X-axis direction and the Y-axis direction, and outputs the detected amplitude to the frequency characteristic calculation unit 101.
  • the frequency characteristic calculation unit 101 calculates the frequency characteristic of the amplitude at the temperature TEM using the amplitude of the emission end of the illumination fiber 12 input from the amplitude detector 100 and the drive frequency of the actuator unit 15.
  • the factory worker places the endoscope 2 in an environment where the temperature of the actuator unit 15 becomes a predetermined temperature TEB.
  • the predetermined temperature TEB is assumed to be a temperature belonging to a high temperature range such as 37 degrees Celsius.
  • the amplitude detector 100 continuously detects the peristaltic widths (amplitudes) of the exit end of the illumination fiber 12 in the X-axis direction and the Y-axis direction, and outputs the detected amplitude to the frequency characteristic calculation unit 101.
  • the frequency characteristic calculation unit 101 calculates the frequency characteristic of the amplitude at the time of temperature TEB using the amplitude of the emission end of the illumination fiber 12 input from the amplitude detector 100 and the drive frequency of the actuator unit 15.
  • the frequency characteristic calculating unit 101 uses the frequency characteristic of the amplitude at the temperature TEM and the frequency characteristic of the amplitude at the temperature TEB to obtain a frequency at which the ratio of the amplitude change amount ⁇ a is equal to the second threshold value.
  • the obtained frequency is higher than the resonance frequency fs, it is stored in the memory 16 as the lower limit value of the driving frequency of the actuator unit 15 during high frequency driving.
  • the obtained frequency is lower than the resonance frequency fs, it is stored in the memory 16 as the upper limit value of the driving frequency of the actuator unit 15 at the time of low frequency driving. Then, after storing the calculated drive frequency region in the memory 16, the fact that the calculation and recording of the drive frequency region is completed is output to the scanning control unit 25b.
  • the scanning control unit 25b displays an image of control for causing the display device 4 to display a character string or the like for notifying the factory worker that the calculation and recording of the drive frequency region output from the frequency characteristic calculation unit 101 has been completed. This is performed on the generation unit 25c.
  • the calculation of the drive frequency region of the actuator unit 15 and the recording to the memory 16 are completed using the slope of the frequency characteristic of the amplitude of the emission end of the illumination fiber 12 at a predetermined temperature TEM. .
  • the frequency characteristic of the amplitude of the emission end of the illumination fiber 12 is acquired, and the inclination is equal to or less than the first threshold value.
  • the frequency region or the frequency region in which the ratio of the amplitude change amount when the frequency characteristic is shifted is equal to or smaller than the second threshold value is recorded in the memory 16 as the drive frequency region of the actuator unit 15.
  • the actuator unit 15 is driven at a frequency within the drive frequency region recorded in the memory 16, so that the illumination fiber 12 can be emitted even if the use environment of the endoscope 2 changes.
  • the amplitude of the end can be controlled stably.
  • FIG. 8 is a diagram showing another example of the configuration of the main part of the scanning endoscope system according to the embodiment of the present invention.
  • the frequency characteristic calculation unit 101 is arranged separately from the endoscope 2 and the main body device 3.
  • the frequency characteristic calculation unit 101 is arranged in, for example, the controller 25 of the main body device 3. You may comprise as follows.
  • each “unit” in this specification is a conceptual one corresponding to each function of the embodiment, and does not necessarily correspond to a specific hardware or software routine on a one-to-one basis. Therefore, in the present specification, the embodiment has been described assuming a virtual circuit block (unit) having each function of the embodiment.
  • each step of each procedure in the present embodiment may be executed in a different order for each execution by changing the execution order and performing a plurality of steps at the same time, as long as it does not contradict its nature.
  • all or part of each step of each procedure in the present embodiment may be realized by hardware.
  • the frequency region that is not easily affected by the shift of the frequency characteristic accompanying the environmental change is specified, and the same frequency region is set as the driving frequency, so that the fiber can be used regardless of the environmental change.
  • the amplitude can be controlled stably.

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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

走査型内視鏡システム
　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。

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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