(57)【要約】  本発明の装置（１０）は、単一モード光ファイバ（７０）を介して準単色光を送ることが可能な第１光源（６０）と、光ファイバ組（１４０）を介して光を送ることが可能な第２光源（１３０）とを有する。前記第１光源（６０）がスイッチ・オンされた時に、回折素子（２１０）によって対象領域（２００）にパターン（２２０）を投影させる。カメラ（１９０）は、前記第１光源（６０）によって形成された前記パターン（２２０）と、回折素子（２１０）が前記光ファイバ組（１４０）の第２断面（１７０）を少なくとも部分的にカバーする場合においても、均一に照射されて見える前記第２光源（１３０）によって照明された前記対象領域（２００）と、を可視化することが可能である時空分解能を有する。
2014518710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象領域（２００）の視覚化と三次元復元のための装置（１０）であって、
−近端部（３０）と遠端部（４０）とを備える筒状シェル（２０）、
−パターン投影光学群、これは以下を有する、
−準単色である第１光源（６０）、
−前記筒状シェル（２０）内に配設された少なくとも１つの単一モード光ファイバ（７０）、これは第１端部（８０）と第２端部（９０）と第１断面（１００）とを有し、前記第１断面（１００）を通して光を搬送可能であり、前記第１端部（８０）は前記近端部（３０）に位置し、前記第２端部（９０）は前記遠端部（４０）に位置する、
−前記第１光源（６０）と前記第１端部（８０）との間の第１光路（１１０）、
−照明光学群、これは以下を有する、
−第２光源（１３０）、
−前記筒状シェル（２０）内に配置された光ファイバ組（１４０）、当該光ファイバ組（１４０）は第３端部（１５０）と第４端部（１６０）と第２断面（１７０）とを有し、前記第３端部（１５０）は前記近端部（３０）に位置し、前記第４端部（１６０）は前記遠端部（４０）に位置する、
−前記第２光源（１３０）と前記第３端部（１５０）との間の第２光路（１８０）、
−前記遠端部（４０）において前記第１断面（１００）をカバーする回折素子（２１０）、
−時空分解能を有するカメラ（１９０）、
を有し、以下を特徴とする、
−前記少なくとも１つの単一モード光ファイバ（７０）と前記光ファイバ組（１４０）とは外径Ｄｂｕｎｄｌｅの同じ光ファイバ束（２３０）内に含まれ、
−前記回折素子（２１０）は前記第４端部（１６０）において前記光ファイバ組（１４０）の前記第２断面（１７０）を少なくとも部分的にカバーし、
−前記カメラ（１９０）の前記時空分解能は、当該カメラ（１９０）が、前記対象領域（２００）において前記パターン投影光学群と前記回折素子（２１０）とによって作り出されたパターン（２２０）の画像を提供可能で、かつ、均一に照明されて現れる前記照明光学群によって作り出された前記対象領域（２００）の二次元画像を提供可能であるように構成されている、装置（１０）。
【請求項２】
前記回折素子（２１０）は、前記第４端部（１６０）において前記光ファイバ組（１４０）の前記第２断面（１７０）の、少なくとも３０％、好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７０％をカバーする請求項１に記載の装置（１０）。
【請求項３】
前記回折素子（２１０）は、前記第４端部（１６０）において前記光ファイバ組（１４０）の前記第２断面（１７０）を完全にカバーする請求項１または２に記載の装置（１０）。
【請求項４】
前記照明光学群は、前記第４端部（１６０）において非コヒーレントな光を提供可能である請求項１〜３の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項５】
前記カメラ（１９０）は、Ａｃａｍ＜２．４Ｄｂｕｎｄｌｅとなる外径Ａｃａｍを有する請求項１〜４の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項６】
前記カメラ（１９０）は、Ａｃａｍ＜０．６Ｄｂｕｎｄｌｅとなる外径Ａｃａｍを有する請求項１〜５の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項７】
前記対象領域（２００）は、φに等しい外径を有し、前記カメラ（１９０）と前記光ファイバ組（１４０）の第４端部（１６０）とは、前記対象領域（２００）から同じ距離Ｌに位置し、前記第２光源（１３０）はλに等しい中心周波数を有する準単色光源であり、そして、前記カメラ（１９０）は、Ｎι＜２φ／Ｌ  Ｄｂｕｎｄｌｅ／λとなる、一つの方向に沿った画素数Ｎιを有する請求項１〜６の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項８】
前記カメラ（１９０）は前記遠端部（４０）に配置される請求項１〜７の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項９】
前記パターン投影光学群と前記回折素子（２１０）とは、前記対象領域（２００）において無相関パターンを提供可能に構成されている請求項１〜８の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項１０】
前記パターン投影光学群と前記回折素子（２１０）とによって作り出されたパターン（２２０）の第１画像を、前記照明光学群によって作り出された第２画像から識別するために多重化が使用される請求項１〜９の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項１１】
前記多重化は、前記第１光源（６０）から発生される光をパルス状にする時間多重化である請求項１〜１０の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項１２】
前記光ファイバ組（１４０）はマルチモードの光ファイバを含む請求項１〜１１の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項１３】
前記光ファイバ組（１４０）は、少なくとも１００本の単一モード光ファイバを含む請求項１〜１２の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項１４】
前記第２光源（１３０）と前記第１端部（８０）との間の第３光路を有する請求項１〜１３の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項１５】
操作のためのツールを挿入し、前記遠端部（４０）において哺乳類の組織を切除するのに適したジオメトリを有する前記筒状シェル（２０）内の複数の通路を有する請求項１〜１４の何れか一項に記載の装置（１０）。
【請求項１６】
対象領域（２００）の可視化と三次元復元のための装置（１０）であって、
−近端部（３０）と遠端部（４０）とを備える筒状シェル（２０）、
−パターン投影光学群、これは以下を有する、
−準単色光源（６５）、
−前記筒状シェル（２０）内に配設された少なくとも１つの単一モード光ファイバ（７０）、これは第１端部（８０）と第２端部（９０）と第１断面（１００）とを有し、前記第１断面（１００）を通して光を搬送可能であり、前記第１端部（８０）は前記近端部（３０）に位置し、前記第２端部（９０）は前記遠端部（４０）に位置する、
−前記準単色光源（６５）と前記第１端部（８０）との間の第１光路（１１０）、
−照明光学群、これは以下を有する、
−同じ準単色の光源（６５）、
−前記筒状シェル（２０）内に配置された光ファイバ組（１４０）、当該光ファイバ組（１４０）は第３端部（１５０）と第４端部（１６０）と第２断面（１７０）とを有し、前記第３端部（１５０）は前記近端部（３０）に位置し、前記第４端部（１６０）は前記遠端部（４０）に位置する、
−前記準単色光源（６５）と前記第３端部（１５０）との間の第２光路（１８０）、
−前記遠端部（４０）において前記第１断面（１００）をカバーする回折素子（２１０）、
−時空分解能を有するカメラ（１９０）、
を有し、以下を特徴とする、
−前記少なくとも１つの単一モード光ファイバ（７０）と前記光ファイバ組（１４０）とは外径Ｄｂｕｎｄｌｅの同じ光ファイバ束（２３０）内に含まれ、
−前記回折素子（２１０）は前記第４端部（１６０）において前記光ファイバ組（１４０）の前記第２断面（１７０）を少なくとも部分的にカバーし、
−前記カメラ（１９０）の前記時空分解能は、当該カメラ（１９０）が、前記対象領域（２００）において前記パターン投影光学群と前記回折素子（２１０）とによって作り出されたパターン（２２０）の画像を提供可能で、かつ、均一に照明されて現れる前記照明光学群によって作り出された前記対象領域（２００）の二次元画像を提供可能であるように構成されている、装置（１０）。
【請求項１７】
前記カメラ（１９０）は、Ａｃａｍ＜２．４Ｄｂｕｎｄｌｅとなる外径Ａｃａｍを有する請求項１６に記載の装置（１０）。
【請求項１８】
前記対象領域（２００）は、φに等しい外径を有し、前記カメラ（１９０）と前記光ファイバ組（１４０）の第４端部（１６０）とは、前記対象領域（２００）から同じ距離Ｌに位置し、前記準単色光源（６５）はλに等しい中心周波数を有し、そして、前記カメラ（１９０）は、Ｎι＜２φ／Ｌ  Ｄｂｕｎｄｌｅ／λとなる、一つの方向に沿った画素数Ｎιを有する請求項１６または１７の装置（１０）。
【請求項１９】
対象領域（２００）の可視化と三次元復元のための方法であって、
−少なくとも１つの単一モード光ファイバ（７０）の第１断面（１００）を介して準単色光を前記対象領域（２００）に送る工程と、
−第２断面（１７０）を有する光ファイバ組（１４０）を介して前記対象領域（２００）に光を送る工程と、
−時空分解能を有するカメラ（１９０）を使用して前記対象領域（２００）の画像を取得する工程と、
を有し、以下の特徴、即ち、
−前記少なくとも１つの単一モード光ファイバ（７０）と前記光ファイバ組（１４０）とは外径Ｄｂｕｎｄｌｅの同じ光ファイバ束（２３０）内に含まれ、
−前記回折素子（２１０）は前記光ファイバ組（１４０）の前記第２断面（１７０）を少なくとも部分的にカバーし、そして
−前記カメラ（１９０）の前記時空分解能は、当該カメラ（１９０）が、前記対象領域（２００）において前記単一モード光ファイバ（７０）と前記回折素子（２１０）とから出る光によって作り出されたパターン（２２０）の画像を提供可能で、かつ、均一に照明されて現れる前記光ファイバ組（１４０）から出る光によって作り出された前記対象領域（２００）の二次元画像を提供可能である、方法。
【請求項２０】
前記光ファイバ束（２３０）を含む筒状シェル（２０）に接続された外科器具を提供する工程を有する請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内視鏡の分野に関する。より詳しくは、第1の態様に依れば、本発明は、対象領域の可視化と三次元復元のための装置に関する。第2の態様に依れば、本発明は方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内視鏡は、臨床医が結腸直腸がんや食道がん等の疾患をスクリーニングするべく内臓を可視化することを可能にする。特許文献１に記載されているように、内視鏡は外科器具(通常は連結アーム)と接続されて、従来の外科手術よりも低侵襲性の局所外科手術を可能にすることができる。内視鏡は、対象領域の照明とカメラによるその可視化とを可能にする。通常のビデオカメラでは、三次元が必要であるため、臨床医は、外科器具を空間において位置決めすることができない。それゆえ、臨床医は、低侵襲性の三次元ビューシステム或いは三次元復元システムを有する内視鏡装置を望んでいる。対象領域の三次元復元は、その対象領域に送られた既知のパターンの変形を分析することによって行うことができる。
【０００３】
対象領域の可視化と三次元復元とを可能にする内視鏡の具体例は、特に特許文献２，３に記載されている。特許文献３に記載の装置は、レーザ投影システムと照明システムとを有している。当該レーザ投影システムは、単一モード光ファイバを介してコヒーレント（coherent）な光を内視鏡の遠端部に配置された回折格子（または回折素子）に送るレーザを有している。これによって、対象領域にパターンが形成される。対象領域上のこのパターンの変形を分析することによって、その三次元復元を行うことができる。照明システムは、レンズ組を通して対象領域を照明する内視鏡の遠端部に配置された発光ダイオード（LED）を有する。同じ遠端部に位置するカメラによって前記パターンと前記LED光源によって照明された対象領域とを可視化することが可能である。このように特許文献３に記載の装置は、対象領域の可視化と三次元復元とを可能にするものであるが、一般的な内視鏡に対してかなり重大な変更を必要とするものである。
【０００４】
特許文献２の図１は、撮像通路と、照明通路と投影通路とを有する内視鏡の一例を図示している。前記撮像通路を介して画像を取得するためにCCDカメラが使用される。前記投影通路を介して、レーザダイオードからなるコリメート光源とホログラフ格子とを使用して構造化された光 (structured light)を発生する。対象領域のこの構造化された光の変形を分析することによって、その三次元復元を行うことができる。対象領域を照明するために白色光源が使用される。特許文献２に図示されているもののようなシステム欠点は、このシステムは十分にコンパクトではなく、製造が相対的に困難であることにある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＵＳ２００７／０１９７８６２号明細書
【特許文献２】ＵＳ２０１０／０１４９３１５号明細書
【特許文献３】ＣＮ２０１４２９４１２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、よりコンパクトで製造がもっと容易な、対象領域の視覚化と三次元復元のための装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的のために、本発明の装置は、
−近端部と遠端部とを備える筒状シェル、
−パターン投影光学群、これは以下を有する、
−準単色である第１光源、
−前記筒状シェル内に配設された少なくとも１つの単一モード光ファイバ、これは第１端部と第２端部と第１断面とを有し、前記第１断面を通して光を搬送可能であり、前記第１端部は前記近端部に位置し、前記第２端部は前記遠端部に位置する、
−前記第１光源と前記第１端部との間の第１光路、
−照明光学群、これは以下を有する、
−第２光源、
−前記筒状シェル内に配置された光ファイバ組、当該光ファイバ組は第３端部と第４端部と第２断面とを有し、前記第３端部は前記近端部に位置し、前記第４端部は前記遠端部に位置する、
−前記第２光源と前記第３端部との間の第２光路、
−前記遠端部において前記第１断面をカバーする回折素子、
−時空分解能を有するカメラ、
を有し、以下を特徴とする、
−前記少なくとも１つの単一モード光ファイバと前記光ファイバ組とは外径Ｄｂｕｎｄｌｅの同じ光ファイバ束内に含まれ、
−前記回折素子は前記第４端部において前記光ファイバ組の前記第２断面を少なくとも部分的にカバーし、
−前記カメラの前記時空分解能は、当該カメラが、前記対象領域において前記パターン投影光学群と前記回折素子とによって作り出されたパターンの画像を提供可能で、かつ、均一に照明されて現れる前記照明光学群によって作り出された前記対象領域の二次元画像を提供可能であるように構成されている。
【０００８】
カメラがそのような画像を供給することを可能にする時空分解能の種々の具体例を以下に提供する。「前記カメラは均一に照明されて現れる前記照明光学群によって作り出された前記対象領域の二次元画像を提供可能である」とは、このカメラは前記照明光学群によって作り出されたパターン（またはなんらかの干渉現象）の画像を提供することが出来ない、ということを意味する。
【０００９】
本発明の前記装置において、第１光源は準単色である。単一モード光ファイバから発生する光は光伝播の方向に対して垂直な平面において小さな空間的広がりを有し、回折素子は前記単一モード光ファイバの第２端部において第１断面をカバーするので、第１光源がスイッチ・オンされると対象領域にパターンが形成される。第２光源は照明のために光ファイバ組を通して対象領域に光を送ることができる。前記カメラは、三次元復元のために対象領域にパターンの第１画像を提供すること、そして、照明光学群によって照明された対象領域を可視化すること、を可能にする。対象領域におけるパターンの形成を可能にする単一モード光ファイバが、照明目的のために使用される前記光ファイバ組と同じ光ファイバ束に含まれているので、特許文献２，３に記載されているものよりも小さなサイズを有する装置を得ることができる。これらの装置と異なり、対象領域にパターンを形成するためと、均一に表れるその照明とを提供するためとに一組の光キャリアしか使用しない。これによってよりコンパクトな本発明の装置のサイズが減少する。
【００１０】
それを通して光を単一モード光ファイバで搬送することが可能な第１断面は小さな面積を有する。当該第１断面は通常それを通して光が搬送される単一モード光ファイバの断面であるので、この第１断面の直径は具体的には通常１〜１０μｍである。従って、この第１断面をカバーするだけのための回折素子を設けそれを固定することは、可視化と三次元復元のための装置の製造を複雑化する制約となる。従って、本発明者等は、回折素子が第４端部において光ファイバ組の第２断面を少なくとも部分的にカバーするように構成することを提案する。これにより、回折素子は（小さな）第１断面のみをカバーする必要がなくなることから、本発明の装置の製造はそれほど注意を必要としないものとなる。前記単一モード光ファイバと前記光ファイバ組とに対して同じ光ファイバ束を使用することは、更に、他の装置に対して本発明の装置の製造を容易にすることを可能にする。
【００１１】
本発明の装置の第１実施例において、第４端部において光ファイバ組から出る光は準単色（非コヒーレントでない）または非コヒーレントとすることができる。第４端部において前記光ファイバ組から出る光のタイプに制約が無いことによって、更に、本発明の装置の製造が容易になる。第４端部において光ファイバ組から出る光が非コヒーレントでない場合、前記カメラは、当該カメラの時空分解能が上述のように規定されていることから、均一に照明されて現れる照明光学群によって作り出される対象領域の二次元画像を提供することができる。このカメラの時空分解能は、更に、当該カメラがパターン投影光学群と回折素子とによって作り出されるパターンの画像を提供することを可能にする。従って、本発明者等は、よりコンパクトでより製造が容易な、対象領域の可視化と三次元復元のための装置を提案する。
【００１２】
本発明の前記装置はその他の利点も有する。本発明の装置はより小さい、又はよりコンパクトであるので、フレキシビリティが高く、それによってより低侵襲性で、より高速かつ安価な処置を可能にする。そのサイズが小さいことにより、本発明の装置は、外科器具が撮像装置と接続される内視鏡の治療法に使用することも可能である。三次元復元のための回折素子の使用は簡単であり、前記カメラの１ショットで三次元復元を得ることを可能にする。本発明の装置では、スキャニング技術やガルバノメータに取り付けられたミラーは不要である。第２光源が近端部に位置しているので、臨床医は、第２光源が遠端部に位置している場合よりも照明に使用される光の特性を容易に調節することができる。具体的には、臨床医は、研究対象の組織のタイプに応じて照明に使用される光の特性を変えることが可能であることを望む。一般に使用されている内視鏡は、通常、対象領域を照明するために使用される光ファイバ束を有する。たとえば、オリンパス社のモデルＧ１Ｆ−Ｈ１８０を参照。本発明の装置の場合、回折素子に準単色光を搬送するのに使用される光ファイバ束からの一つの単一モード光ファイバを備えるだけでよい。ＬＥＤが遠端部に配置される特許文献３に記載の装置と異なり、遠端部に追加の光源は不要である。本発明者等は、パターンの第１画像と均一に照明される対象領域の第２画像との両方を作り出すために一般に使用されている内視鏡に設けられる光ファイバ束を使用する。従って、特許文献３に記載の装置と異なり、本発明の装置では、一般的に使用されている内視鏡からの改造が少なくてすむ。その結果、特許文献３に記載の装置の製造より、本発明の装置の方がより容易となる。本発明の装置は一般的な内視鏡に対して必要な改造が少ないのでより丈夫でもある（例えば、特許文献３に記載の装置と比較して、腐食に対する耐性が高い）。本発明の装置の製造コストは、その製造が容易であることから他の装置よりも低い。
【００１３】
本発明の装置において遠端部に構造化された光（structured light）が形成される。これによって、構造化された光が近端部に形成されてこの近端部から遠端部に送られる場合（例えば、特許文献２の図２１に図示されているように）と異なり、光ファイバを介して構造化された光が変形することを回避することが可能となる。特許文献２の段落０１０５に記載されている装置はリジッドな内視鏡である。本発明者等は、そのサイズが小さいことによってフレキシブルに構成することが可能であり、それによって研究対象のキャビティへの挿入をより容易に行うことを可能にする装置を提案する。
【００１４】
好ましくは、本発明の装置は、回折素子が第４端部において光ファイバ組の第２断面の、少なくとも３０％、好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７０％をカバーすることを特徴とする。より好ましくは、回折素子は、第４端部において光ファイバ組の第２断面を完全にカバーする。
回折素子が第４端部において光ファイバ組の第２断面のより大きな部分をカバーする場合、本発明の装置の製造は更に容易になる。
【００１５】
好ましくは、照明光学群は、第４端部において非コヒーレントな光を提供可能である。これにより、どのような前記カメラの時空分解能であっても、当該照明光学群によって作り出された対象領域の二次元画像が均一に照明されて現れる。回折素子を通過する非コヒーレントな光は、具体的には、対象領域にパターンを形成することができない。
【００１６】
好ましくは、前記カメラは、Ａｃａｍ＜２．４Ｄｂｕｎｄｌｅとなる外径Ａｃａｍを有する。これにより、前記光ファイバ組の内の二つの外側のファイバによって第４端部に準単色光が提供されるならば、前記カメラが均一に照明される対象領域の二次元画像を提供するという条件が自動的に満たされる。前記パラメータＡｃａｍは、前記カメラのレンズの外径またはダイアフラムの外径とすることも可能である。この外径Ａｃａｍは好ましくは調節可能である。
【００１７】
好ましくは、前記カメラはＡｃａｍ＜０．６Ｄｂｕｎｄｌｅとなる外径Ａｃａｍを有する。これにより、前記光ファイバ組のすべての光ファイバによって第４端部に準単色光が提供される場合に、前記カメラが均一に照明される対象領域の二次元画像を提供するという条件が自動的に満たされる。カメラの外径に関するこの条件は、詳細説明に記載の統計的計算から得られるものである。前記パラメータＡｃａｍは、前記カメラのレンズの外径とすることも可能である。
【００１８】
好ましくは、前記対象領域は、φに等しい外径を有し、前記カメラと前記光ファイバ組の第４端部とは、前記対象領域から同じ距離Ｌに位置し、前記第２光源はλに等しい中心周波数を有する準単色光源であり、そして、前記カメラは、Ｎι＜２φ／Ｌ  Ｄｂｕｎｄｌｅ／λとなる、一つの方向に沿った画素数Ｎιを有する。これにより、前記光ファイバ組のすべての光ファイバによって準単色光が提供される場合、前記カメラは均一に照明される対象領域の二次元画像を提供する。
【００１９】
好ましくは、前記カメラは遠端部に配置される。好ましくは、前記カメラは近端部に配置される。この場合、遠端部から光ファイバ束を通ってカメラまで画像を搬送するために、通常、光ファイバ等の専用の通路が使用される。この実施例は、重大または危険な環境を調べるために前記装置を使用することを可能にするという利点を有する。危険な環境の一例は、容易に爆発または燃え上がる可能性のあるガスを含むキャビティである。そのような環境の場合、そのようなガスの爆発または火災を誘発する可能性のある電気部材を導入することは望ましくない。近端部に配置されたカメラを使用することのもう一つの利点は、そのカメラの前方に位置するフィルタを容易に交換することが可能であることから、それによって、周波数多重化を容易に実行するできることにある。
【００２０】
好ましくは、パターン投影光学群と回折素子とは、対象領域において無相関パターンを提供可能に構成されている。パターン投影光学群と回折素子とが、前記対象領域において無相関パターンを提供可能に構成されているので、その三次元復元は容易となる。これにより、パターンの異なる部分が互いに固有となって、従って容易に同定される。もちろん他の方法も可能である。例えば、Salvi等の、”A state of the art in structured light patterns for surface profilometry”（Pattern recognition, 43（2010），2666-2680）を参照。
【００２１】
好ましくは、パターン投影光学群と回折素子とによって作り出されたパターンの第１画像を、照明光学群によって作り出された第２画像から識別するために多重化が使用される。より好ましくは、当該多重化は、第１光源から発生される光をパルス状にする時間多重化である。これらの実施例によって、前記パターンをユーザによって可視化される画像から識別することが可能となる。具体的には、パターンは、本発明の装置のユーザの邪魔になる可能性がある。これらの実施例において、ユーザに対して示される画像が前記パターンからフィルタリングされ、処理装置によってパターンを記録し、それを処理する。時間多重化が使用される場合、第１光源は、短い時間フレーム中にパルス化され、前記処理装置は、この第１光源がオフである（前記時間フレームが十分に短くないことを条件として）時にのみユーザに対して前記画像を示す。もう一つの実施例においては、空間多重化が使用され、第１光源のために特定の波長が使用され、前記パターンはユーザによって視覚化される画像から容易に抽出される。
【００２２】
好ましくは、本発明の前記装置は、光ファイバ組がマルチモードの光ファイバを含むように構成される。
【００２３】
好ましくは、光ファイバ組は、少なくとも１００本の単一モード光ファイバを含む。より好ましくは、光ファイバ組は、少なくとも１０００本の単一モード光ファイバを含む。
【００２４】
好ましくは、本発明の前記装置は、更に、第２光源と第１端部との間の第３光路を有する。
【００２５】
好ましくは、本発明の前記装置は、更に、操作のためのツールを挿入し、遠端部において哺乳類の組織を切除するのに適したジオメトリを有する筒状シェル内の複数の通路を有する。
【００２６】
別の好適な実施例において、本発明者等は、対象領域の可視化と三次元復元のための以下を有する装置を提案する。即ち、当該装置は、
−近端部と遠端部とを備える筒状シェル、
−パターン投影光学群、これは以下を有する、
−準単色光源、
−前記筒状シェル内に配設された少なくとも１つの単一モード光ファイバ、これは第１端部と第２端部と第１断面とを有し、前記第１断面を通して光を搬送可能であり、前記第１端部は前記近端部に位置し、前記第２端部は前記遠端部に位置する、
−前記準単色光源と前記第１端部との間の第１光路、
−照明光学群、これは以下を有する、
−同じ準単色の光源、
−前記筒状シェル内に配置された光ファイバ組、当該光ファイバ組は第３端部と第４端部と第２断面とを有し、前記第３端部は前記近端部に位置し、前記第４端部は前記遠端部に位置する、
−前記準単色光源と前記第３端部との間の第２光路、
−前記遠端部において前記第１断面をカバーする回折素子、
−時空分解能を有するカメラ、
を有し、以下を特徴とする、
−前記少なくとも１つの単一モード光ファイバと前記光ファイバ組とは外径Ｄｂｕｎｄｌｅの同じ光ファイバ束内に含まれ、
−前記回折素子は前記第４端部において前記光ファイバ組の前記第２断面を少なくとも部分的にカバーし、
−前記カメラの前記時空分解能は、当該カメラが、前記対象領域において前記パターン投影光学群と前記回折素子とによって作り出されたパターンの画像を提供可能で、かつ、均一に照明されて現れる前記照明光学群によって作り出された前記対象領域の二次元画像を提供可能であるように構成されている。
【００２７】
この好適実施例においては、一つの光源しか存在しないので製造コストは更に低減される。また、一つの光源しか存在しないことからよりコンパクトな装置を得ることを期待することができる。
【００２８】
第２の態様に依れば、本発明は、対象領域の可視化と三次元復元のための方法に関し、この方法は、
−少なくとも１つの単一モード光ファイバの第１断面を介して準単色光を前記対象領域に送る工程と、
−第２断面を有する光ファイバ組を介して前記対象領域に光を送る工程と、
−時空分解能を有するカメラを使用して前記対象領域の画像を取得する工程と、
を有し、以下の特徴、即ち、
−前記少なくとも１つの単一モード光ファイバと前記光ファイバ組とは外径Ｄｂｕｎｄｌｅの同じ光ファイバ束内に含まれ、
−回折素子は前記光ファイバ組の前記第２断面を少なくとも部分的にカバーし、そして、
−前記カメラの前記時空分解能は、当該カメラが、前記対象領域において前記単一モード光ファイバと前記回折素子から出る光によって作り出されたパターンの画像を提供可能で、かつ、均一に照明されて現れる前記光ファイバ組から出る光によって作り出された前記対象領域の二次元画像を提供可能である、構成を備える。
【００２９】
好ましくは、本発明の前記方法は、更に、前記光ファイバ束を含む筒状シェルに接続された外科器具を提供する工程を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】処理装置との関連する本発明による装置の実施例を示す図である。
【図２】筒状シェルの近端部の本発明の装置の部材を示す図である。
【図３】筒状シェルの遠端部の本発明の装置の部材を示す図である。
【図４】単一モード光ファイバの断面を示す図である。
【図５】対象領域に投影されたパターンの参照ポイントと、カメラにおけるそれらの画像とを示す図である。
【図６】対象領域の変位の前後における、対象領域に投影されたパターンの参照ポイントと、カメラにおけるそれらの画像とを示す図である。
【図７】本発明の装置の好適実施例を示す図である。
【図８】本発明の装置の別の好適実施例の近端部材の本発明の装置の部材を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明のこれらおよびその他の態様を、具体例と添付の図面とを参照して以下更に詳細に説明する。これら図面において、一定の縮尺で描かれていない。一般に、これら図面において、同じ部材は同じ参照番号で示されている。
【００３２】
図１は、処理装置２４０と関連する、本発明による装置１０の実施例を図示している。本発明のこの装置１０は、近端部３０と遠端部４０とを備える筒状シェル２０を有する。好ましくは、前記筒状シェル２０は、生物的適合性ポリマー材料から形成される。図１の上方部分は、前記近端部３０の拡大図であり、図１の下方部分は前記遠端部４０の近傍における本発明の装置１０の部材の詳細を示している。前記近端部３０（遠端部４０）の近傍の部材の詳細は図２（図３）にも示されている。本発明の前記装置１０は、更に、第１光学群またはパターン投影光学群を有し、これは、準単色である第１光源６０と、単一モード光ファイバ７０と、前記第１光源６０と第１端部８０との間の第１光路１１０とを含む。
【００３３】
準単色という用語は当業者に知られている。光源の不安定性により、あるいは、終局フーリエ限界においては、それらの有限の放出時間により、純粋な単色放射(または、同様に、純粋な単色光源)は物理的に存在しない。理想的単色放射のように振る舞う光放射がしばしば準単色と呼ばれる。準単色放射の周波数は、ある周波数の回りで強いピークを有する。準単色の定義は、特に、”Shaping and analysis of picoseconds light pulses” （C. Froehly, B.Colombeau, M. Vampouille, Progress in Optics XX, E. Wolf, North-Holland 1883 （p.79））に記載されている。空間・時間光パルスが空間{x, z}中で移動している時、ここでzは当該光パルスの伝播方向視に沿った座標であり、xはこの伝播方向に対して垂直な平面での座標を示す、任意の時間tにおける光フィールドの空間分布は、伝播距離zでのその空間・時間振幅fz(x,t)の知識のみから導くことができる。純粋な単色放射の場合、fz(x,t)=Xz(x)exp{j 2πvot}であり、ここでjは純粋な虚数である。準単色放射は、通常、回折開口または干渉計に関連する光路差よりも大きなコヒーレンス長を示すものとして定義される（例えばBron and Wolf 1965参照）。より一般的には、準単色光放射は、以下のように定義される。ここで、fz(x,t) = mz (x, t)exp{j 2πvot}、ここでvoは、光放射の平均周波数、jは虚数である、とする。準単色光は空間・時間変調mz(x,t)が空間項Xz(x)と時間項τz(t)との積に変性(degenerate)する場合にのみに発生する。それ故、 fz(x,t)=Xz(x)τz(t)exp{j 2πvot}は、空間分布Xz(x)によって変調された時間波列τz(t)exp{j 2πvot}である。この空間分布Xz(x)は、τz(t)の空間ハンド幅ΔvがΔv<c/δmax,（ここで、cは光の速度、δmaxは最大斜め回折角度θ0でのそのような光ビームの最外側光線間の最大光路差）、「準単色」要件を満たすことを条件に、光源からの任意の距離における時間tで独立維持される（”Shaping and analysis of picoseconds light pulses” （C. Froehly, B.Colombeau, M. Vampouille, Progress in Optics XX, E. Wolf, North-Holland 1883のp.80 図２．１を参照）。δmaxは、等式δmax=Δx sinθ0=Δx N1c/v0によって、空間幅Δxと空間項Xz(x)の最大空間周波数N1とに関連させることができる。Δxは、光源の空間延出または一例として回折素子を通る光ビームの空間延出を示す。従って、「準単色光」光源の条件は、等式（Eq.１）によって与えられる。
【００３４】
〔Eq.１〕
F=vo/Δv > N1Δx (Eq.1)
【００３５】
前記比率F=vo/Δvは、しばしばスペクトラル・フィネス（spectral finesse）と呼ばれる。N1は、Xz(x)の空間周波数スペクトルFz(Nx)の上限であり（或いは、Fz(Nx)の最高部分周波数）である。Fz(Nx)は以下の数１で表される。
【００３６】
【数１】
2014518710.tif 000003
【００３７】
実際には、N1は、送られる光の空間周波数スペクトルと回折素子の具体的構造とによって決まる。要約すると、準単色光源または準単色光は、ここでは、F=vo/Δv>N1Δx （Eq.1）である光源または光と見なされる。反対に、非コヒーレント光または非コヒーレント光源は、ここでは（Eq.2）によって与えられる。
【００３８】
〔Eq.２〕
F=vo/Δv ≦ N1Δx (Eq.2)
【００３９】
等式（Eq.1）と（Eq.2）とは、一つの横次元xのみを考慮した場合に有効である。実際には、典型的な回折素子２１０の場合、二つの横次元xとyとを考慮しなければならない。その場合、Xz(x)はXz(x,y)になる。準単色光源の具体例は、レーザ、および、Δvが増加するが制限可能である時間変調レーザである。準単色光を提供するもうひとつの可能性は、弱い空間分散を有し、N1Δx=1である単一の点源（例えば単一モード光ファイバの出力から）発生する光を提供することである。具体的には、単一モード光ファイバから出る光は好ましくはガウシアン（Gaussian）である。そのような場合、F>1にする必要があるがこれは容易に満たされる。もう一つの可能性は、Dbundleに等しい直径を有し準単色光源から光を搬送し、異なる単一モード光ファイバに沿って位相シフトが誘導されることを前提とする、光ファイバ束に含まれるNsetの単一モード光ファイバを提供することでる。これにより、そのような単一モードの光ファイバ組から出る光は、F>Dbundle/Nsetであるならば準単色となる。
【００４０】
光ファイバは当業者に周知である。図４は、単一モード７０ステップ・インデックスまたは屈折率勾配型の光ファイバの一例の断面を図示している。光ファイバは、好ましくはシリカから形成され、好ましくは円筒状で好ましくは互いに屈折率の異なる三つの層から成る、細くフレキシブルな光導体（または波導体）である（例えば、B Chomycz in “Fiber optic installer’s field manual” McGraw-Hill 2000を参照）。本発明の装置１０は、ステップ・インデックスまたは屈折率勾配型の光ファイバ以外の他のタイプの光ファイバを使用することも可能である。光ファイバの他の例はミクロ構造光ファイバである。二つのタイプの光ファイバが一般に定義される。即ち、単一モード光ファイバ７０とマルチモード光ファイバである。一般的な場合において、単一モード光ファイバはV<2.4、ここで、Vは還元振動数、によって特徴付けられる。還元振動数Vの定義は、ステップ・インデックス式光ファイバについては、”Endlessly single-mode photonic crystal fiber”, T.A. Birks, J.C. KnightおよびP.St. J. Russell、OPTICS LETTERS Vol. 22, No. 13, 7月1日,1997 という題名の記事の等式（１）によって与えられ、ミクロ構造光ファイバ等のより複雑な構造に関しては同じ記事の等式（６）によって与えられる。図４の例において、コア７５が光ファイバの長手方向長さに沿って光を搬送し、クラッド層７６が光をコア７５内に閉じ込め、コーティング層７７がクラッド層７６とコア７５を保護している。複数の光ファイバが光ファイバ束２３０に含まれるとき、各光ファイバはコーティング層７７を有さない。その場合、そのようなコーティング層７７は、むしろ、光ファイバ束２３０の外表面上に配置される。光導体（または光ファイバ）は、当業者に知られているように、様々なモードの伝播で光を伝播することができる。単一モード光ファイバは単一のモード（または主モード）で光を伝播する。可視光で作動する場合、図４に図示されているもの（ステップ・インデックス型光ファイバ）のような単一モード光ファイバは、通常、１０μｍ以下の直径のコアを有する。より好ましくは、そのような単一モード光ファイバのコア７５の直径は１〜１０μｍである。更に好ましくは、そのような単一モード光ファイバのコア７５の直径は８μｍに等しい。光ファイバは、第１断面１００を通して光を搬送することができる。ステップ・インデックス式光ファイバの場合、図４に示したように、第１断面１００は、コア７５の断面である。本発明の前記装置１０の前記単一モード光ファイバ７０は筒状シェル２０内に配置され、第１端部８０と第２端部９０とを有する。準単色光を提供する最良の方法は、単一モード光ファイバ７０から出る光は準単色性を容易に確認できる（等式（Ｅｑ．１）次に、Ｆ＞１）ガウシアンビームであるので、限定されたΔｖを有する単一モード光ファイバから出る光を使用することである。
【００４１】
図１と図２との上方部分に図示されているように、第１光源６０と単一モード光ファイバ７０の第１端部８０との間に第１光路１１０が設けられている。好ましくは、第１光源６０から出た光を単一モード光ファイバ７０の第１端部８０に導くためにコリメータが使用される。
【００４２】
本発明の前記装置１０は、更に、第２光源１３０と、光ファイバ組１４０と第２光路１８０とを含む第２光学群または照明光学群、を有する。ここで組という用語は、複数、好ましくは、１００以上、より好ましくは、１０００以上の数を意味する。光ファイバ組１４０は、図１−３に図示されているように筒状シェル２０内に配置されている。それは第３端部１５０と第４端部１６０とを有する。第２光路１８０は、第２光源１３０によって作り出された光が第３端部へと搬送されることを可能にする。好ましくは、第２光源１３０から第３端部１５０へと光を案内するためにレンズが使用される。
【００４３】
図１の下方部分に図示されているように、単一モード光ファイバ７０と光ファイバ組１４０とは同じ光ファイバ束２３０の部分である。単一モード光ファイバ７０がステップ・インデックス型光ファイバで光ファイバ組１４０に隣接している特定の実施例が図２および図３（これら二つの図面は一定の縮尺ではない）に図示されている。光ファイバ束２３０は当業者に知られている用語であり、通常、１００以上の光ファイバを含む。照明用に使用される光ファイバは、通常、光をタイトな空間で搬送することができるように、光ファイバ束２３０に包囲されている。対象領域２００を照明するために、内視鏡においてしばしば光ファイバ束２３０が使用される。光ファイバ束２３０の住友電気のモデルＩＧＮ０３７／１０は、１００００本の光ファイバを含む。光ファイバ組１４０が単一モード光ファイバを含む実施例において、市販の単一モード光ファイバ束２３０を使用することが可能である。次に、第１光源６０によって放出される光を搬送するために光ファイバの内の一つを選択する必要がある。光ファイバ束２３０は、通常、０．５〜１０ｍｍ、好ましくは約１ｍｍである直径の断面を有する。
【００４４】
本発明の前記装置１０は、更に、第１断面１００をカバーするとともに、第４端部１６０において光ファイバ組１４０の第２断面１７０を少なくとも部分的にカバーする回折素子２１０（または回折格子）を第２端部９０に有する。より正確には、回折素子２１０は、第２端部９０から或る小さな距離２１５を置いて位置している。好ましくは、前記距離２１５は以下の数２より大きい。
【００４５】
【数２】
2014518710.tif 000004
【００４６】
ここでａは回折素子２１０のサイズ（通常、光の伝播方向に対して垂直に測定されるその半径）であり、Ｗｏは前記単一モード光ファイバ７０を出る光ビームの伝播モードの幅に関し、θ０＝λ０／（πｗｏ）であり、λ０は準単色光の平均周波数である。通常、この距離２１５は、第１光源６０によって発生された光の平均波長λ０の数倍に等しい。好ましくは、この距離２１５は、１００ｎｍ〜１８００ｎｍである。従って、前記単一モード光ファイバ７０の第２端部９０から出る光は、対象領域２００に当たる前に回折素子２１０を通過しなければならない。回折素子２１０は、光を複数のビームに分割し回折する構造を有する光学コンポーネントである。回折素子２１０は、単一モード光ファイバ７０の第２端部９０から出る光によって対象領域２００にパターン２２０を作り出すために使用される。そのようなパターン２２０を作るために、回折素子２１０の一例は、一定のステップｄの間隔の溝またはスリットの組を有する。好ましくは、そのような回折素子２１０は、前記第２端部９０から発生する光の伝播方向に対して垂直な二つの方向に対して平行な複数の溝を有する。観察可能なパターン２２０を得るためには、準単色である前記第１光源６０の平均波長λ０と同じオーダーの大きさの溝間ステップｄを使用する必要がある。それは好ましくはλ０／１０＜ｄ＜１０λ０であることを意味する。好ましくは、ステップｄは１０ｎｍ〜２５０００ｎｍ、より好ましくは、４００ｎｍに等しい。より好ましくは、前記回折素子２１０は、それを通過する光ビームの局所的位相変化をもたらす様々な厚みの複数の領域を含む。本発明の前記装置１０では、前記第２端部９０から出て前記回折素子２１０を通過する光が準単色であるので、パターン２２０を得ることができる。他のタイプの回折素子２１０も使用可能である。好ましくは、かなり複雑なパターン２２０を得ることができるホログラフ格子を使用することができる。前記パターン２２０は、ストライプ、格子、ドット等の様々な形状のものとすることができる。
【００４７】
最後に、本発明の前記装置１０は、一実施例において、図１および図３に図示されているもののようなカメラ１９０を有し、当該カメラ１９０は筒状シェル２０の遠端部４０に位置している。このカメラ１９０は、第４端部１６０を介して照明光学群によって照明された対象領域２００の動的な二次元画像（ここでは第２画像という）を提供することができ、これら二次元画像は均一に照明されて現れる。前記カメラ１９０は、又、パターン投影光学群と回折素子２１０とによって形成され、対象領域２００に投影されるパターン２２０の動的な画像（ここでは第１画像という）も提供することができる。内視鏡に使用される様々なタイプのカメラ１９０（たとえばＣＣＤカメラ）が本発明の装置１０用として使用可能である。そのようなカメラ１９０の一例は、３ｍｍの直径を有するBC Tech（医療製品会社）によって販売されているVideoScoutという名前の筒状カメラであるが、内視鏡において一般的に使用されているカメラが適している。本発明の装置１０の筒状シェル２０は通常、４ｍｍ〜２ｃｍの範囲の直径を有する。前記カメラ１９０はケーブル２５０を介して処理装置２４０に接続されている。一好適実施例において、照明光学群は、第４端部１６０において非コヒーレントでない光を提供する。これは、第２光源１３０が、準単色であり、光ファイバ組１４０がＦ＞Ｄｂｕｎｄｌｅ／Ｎｓｅｔ（ここでＤｂｕｎｄｌｅは光ファイバ束２０の外径、Ｎｓｅｔは光ファイバ組１４０内の光ファイバの数）である単一モード光ファイバを有する場合、特に当てはまる。そのような好適実施例の場合、例え、もしも回折素子２１０が第４端部１６０において光ファイバ組１４０の第２断面１７０を少なくとも部分的にカバーしたとしても、カメラ１９０は照明光学群によって形成され均一に照明された対象領域２００の二次元画像を提供することができる。これが可能であるのは、その様々な可能の具体例が以下に記載されているカメラ１９０の時空分解能による。もしも照明光学群によって提供される光が干渉現象を引き起こすのであれば、そのような現象は、その時空分解能がそれらを検出するように適合されていないのであればカメラによって観察することは不可能である。それにより、カメラ１９０によって均一に照明された画像（第２画像）が提供される。カメラ１９０の時空分解能は、それでも、当該カメラ１９０がパターン投影光学群と回折素子２１０とによって作り出されたパターン２２０の画像を提供可能なように構成されている。そのような特性は、以下の具体例で示されるように内視鏡の分野で一般的に使用されているカメラ１９０で容易に満たされる。
【００４８】
ここで前記パターン２２０は６４本のラインを含み、第１光源６０がλに等しい中心波長を有する準単色光源であると仮定する。更に、回折素子２１０に対して垂直な軸心に対して、入射角がゼロであると仮定する。すると、３２番目の回折の最大回折角度βｍａｘは、ｓｉｎβｍａｘ＝３２λ／ｄによって与えられ、ここで、ｄは回折素子２１０の溝またはスリット間のステップである（この表現は、溝を含むネットワークによって生じる回折のｌａｘから容易に見出すことができる）。そのようなオーダーの回折は、３２λ／ｄ≦１、つまりｄ≧３２λである場合にのみ実行可能である。カメラ１９０の空間・時間分解能は、二つの連続するオーダーの回折が識別可能なものでなければならない。もしもδβがＫおよびＫ−１オーダの回折角度間の差を表すとすると、δβ?λ／ｄｃｏｓβｋ（βｋはオーダＫの回折の角度である）を示すことができる。最少時空分解能は、前の計算から、ｃｏｓβｋ＝１、δβ?λ／ｄ≦１/３２の場合に達せられる。カメラ１９０の光学解像度がτθ１．２ λ／Ａｃａｍ（ここでＡｃａｍはカメラ１９０の外径）によって与えられることを示すことができる。次に、カメラ１９０の時空分解能が、パターン２２０の二つのラインの間を識別可能であるとして、以下の条件が満たされなければならないことを示すことができる。
1.2 λ/Acam = 0.5 λ/d < 1/64
又は、
Acam =2.4 d>2.4*32λ=38.4μm
もしもλ＝５００ｎｍであるならば、そのような条件は内視鏡に一般的に使用されているカメラ１９０では容易に満たされる。カメラ１９０の画素の最少数は１２８である。この最後の条件は容易に満たされる。好ましくは、５００の画素と３ｍｍに等しい外径Ａｃａｍとを有するカメラ１９０が使用される。
【００４９】
通常、処理装置２４０は、カメラ１９０からデータを収集するためのフレーム・グラバ等のボードを有する。処理装置２４０は、コンピュータ・プログラム指令を格納するための内部メモリを備える通常のシングル・プロセッサ型パソコンとすることができる。内部メモリは、揮発性部分と不揮発性部分との両方を有する。当業者は、内部メモリに、コンパクト・ディスク、フラッシュメモリカード、磁気ディスクドライブ等のコンピュータメモリ媒体を捕捉することが可能であることを認識するであろう。
【００５０】
本発明の前記装置１０は、対象領域２００の三次元復元のための、構造化された光（structured light）分析またはアクティブ・ステレオビジョンとしばしば呼ばれる技法を使用する（例えば、TTWJC Quの”Optical imaging for medical diagnosis based on active stereo vision and motion tracking” Opt. Express, 15: 10421-10426, 2007）。三次元復元とは、対象領域２００を表す三次元座標の生成をいう。従って、本発明の前記装置１０は、異なる距離またはサイズの測定を可能にし、それによって定量情報を提供する。三次元復元のもう一つの用語は三次元マップである。構造化光分析は、パターン２２０が対象領域２００に投影された時に、このパターン２２０の変形を分析することによって対象領域２００の三次元復元を可能にする。この技術を説明するために、ここでパターン２２０が図３に図示されている格子であると仮定する。これにより、この格子を構成するラインの交差を、対象領域２００上に容易に配置可能な参照点として利用することができる。これらの参照点を、以下、Ｏi，i＝１，２，．．．．，ｎと呼ぶ。図５は、これら参照点０ιが投影された対象領域２００の一例を図示している。ラインＯiＰは、パターン２２０とその起点の位置との情報によって定義される。具体的には、任意のパターン２２０において、そこから参照点Ｏιが参照されるι起点Ｐを定義することができる。そのような起点Ｐは、通常、単一モード光ファイバ７０の第２出口９０に選択される。既知のパターン２２０に関して、ライン０iＰと参照方向との間の角度θｉが既知である。角度θｉの一例が図５に図示され、ここで、参照方向は水平方向である。Ｉiはカメラ１９０の参照点Ｏｉの画像を示す。図５において、レンズ２６０が図示され、このレンズ２６０は画像をカメラセンサにフォーカスする。従って、各参照点Ｏιは、ラインＯiＰとＯiＩiとの交点を表している。カメラ１９０とソース点Ｐとの間の距離がわかれば、前記点０iの三次元座標を、特に、ラインＯiＰとＯiＩiによって形成される三角形での幾何学的計算から見出される。そのような計算（三角法とも呼ばれる）は当業者に知られており、通常は、処理装置２４０のプログラムとして実行される。三次元復元を可能にする方法の詳細は、特に、ＵＳ２００８／０２４０５０２に提供されている。対象領域２００が変位すると、参照点Ｏiが移動する。図６は、対象領域２００の変位（破線の曲線が変位前の対象領域２００を表している）後にＯ1’へと変位した参照点Ｏ1の一例を図示している。図６から、カメラ１９０の対応の画像がＩ1に対してＩ1’へ移動していることが理解される。従って、カメラ１９０によって提供される画像を処理することによって、変位前と後の対象領域２００の三次元座標を導き出すことができる。好ましくは、第１検出後に参照点を追跡するためにモーション・トラッキングが使用される。当業者に知られているように、三角法での三次元復元には校正段階が必要である。そのような校正段階は、特に、”Learning Open CV”, G Bradsky, published by O’Reily, 2008,という書籍に説明されている。Matlab等のコンピュータソフトウエアも校正処理を提案している。
【００５１】
本発明の前記装置１０は、動的データを提供可能であり、これは、対象領域２００の三次元復元と二次元画像が動的であることを意味する。従って、本発明の装置１０は、対象領域２００の時間変化を観察することを可能にする。好ましくは、照明光学群によって作り出された二次元画像は三次元復元から得られた三次元格子上に投影される。
【００５２】
一好適実施例において、回折素子２１０は、第４端部１６０において光ファイバ組１４０の第２断面１７０の少なくとも３０％、好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７０％、をカバーする。更に好ましくは、回折素子２１０は、第４端部１６０において光ファイバ組１４０の第２断面１７０を完全にカバーする。
【００５３】
一好適実施例において、前記照明光学群は、前記光ファイバ組１４０の第４端部１６０において非コヒーレントな光を提供することができる。このことは、照明光学群によって提供される光が等式（Ｅｑ．２）が満たされるように構成されるということを意味する。様々な方法で、第４端部１６０において非コヒーレントな光を提供可能な照明光学群を得ることができる。一例として、非コヒーレントである光、たとえば、白色光、を提供する第２光源１３０を使用することができる。別の可能性は、準単色である第２光源１３０を使用することである。これにより、光ファイバ組１４０の第４端部１６０での非コヒーレンスが光ファイバ組１４０を通過する光の伝播から生じる。準単色である第２光源１３０を使用して非コヒーレントな光を得るために、前記光ファイバ組１４０としてマルチモード光ファイバを使用することができる。そのようなマルチモード光ファイバにおいて様々なモードの伝播が存在するので、第４端子１６０から発生する光は（空間的に）非コヒーレントである。ステップ・インデックス型マルチモード光ファイバは、通常、その直径が１０μｍ以上、より好ましくは１５μｍ以上であるコア７５を有する。好ましくは、光ファイバ組１４０には１０本以上のマルチモード光ファイバ、より好ましくは１０００本以上のマルチモード光ファイバが使用される。光ファイバ組１４０が多数、つまり、１００本以上、より好ましくは１０００本以上の単一モード光ファイバを含む実施例において、各単一モード光ファイバの出口から発せられる光によって作り出されるパターンは、光ファイバ束２３０の変形により通常予測不能であり、カメラによっては観察できない。従って、多数の単一モード光ファイバを含む光ファイバ組１４０から出る光を使用して、一般的に使用されるカメラで対象領域２００の均一に照明された画像を得ることができる。
【００５４】
別の好適実施例において、前記カメラ１９０は、Ａｃａｍ＜２．４Ｄｂｕｎｄｌｅとなる外径Ａｃａｍを有する。ここで、Ｄｂｕｎｄｌｅは光ファイバ束２３０の外径である。理論的には、前記カメラ１９０がＡｃａｍに等しい外径を有し、前記光ファイバ束２３０がＤｂｕｎｄｌｅに等しい外径を有するならば、Ｄｂｕｎｄｌｅだけ分離された光ファイバ束２３０の二つの単一モード光ファイバによって発せられる光によって、Ａｃａｍ＜２．４Ｄｂｕｎｄｌｅならば、たとえ第２光源１３０が準単色であっても、カメラ１９０によって均一に照明された第２画像が見られることになる。従って、Ａｃａｍ＜２．４Ｄｂｕｎｄｌｅで第４端部１６０の光がＤｂｕｎｄｌｅだけ分離された二つの単一モード光ファイバによって提供されるならば、たとえ第２光源１３０が準単色で、かつ、たとえ、回折素子２１０が前記第２断面１７０を少なくとも部分的にカバーするものであっても、前記カメラ１９０が均一に照明されて現れる照明光学群によって作り出された対象領域２００の二次元画像を提供するという条件が自動的に満たされる。
【００５５】
別の好適実施例において、前記カメラ１９０は、Ａｃａｍ＜０．６Ｄｂｕｎｄｌｅとなる外径Ａｃａｍを有する。この条件が満たされ、光ファイバ組１４０の光ファイバのすべてが、準単色である第２光源１３０からの光を搬送する単一モード光ファイバであるならば（たとえ、回折素子２１０が第２断面１７０を少なくとも部分的にカバーするものであっても）、前記カメラ１９０が均一に照明されて現れる照明光学群によって作り出された対象領域２００の二次元画像を提供するという条件が自動的に満たされる。そのような条件Ａｃａｍ＜０．６Ｄｂｕｎｄｌｅは、T.L.Alexander et al.,”Average speckle size as a function of intensity threshold level: comparison of experimental measurements with theory”, Applied Optics, Vol. 33, No. 35, 1994 (p8240) の記事に記載のアプローチに基づく理論計算から導くことができる。このアプローチは、スペックル理論を利用している。
【００５６】
別の好適実施例において、上記等式に代入される有効パラメータＡｃａｍを小さくするためにカメラ１９０と対象領域２００との間にダイアフラムが導入される（そのような場合、Ａｃａｍはカメラ１９０の実際の外径ではなく、ダイアフラムの口径である）。
【００５７】
別の好適実施例において、カメラ１９０は、Ｎι＜２φ／Ｌ  Ｄｂｕｎｄｌｅ／λとなる、一つの方向に沿った画素数Ｎιを有する。この最後の式は、カメラ１９０と光ファイバ組１４０の第４端部１６０とが対象領域２００から同じ距離Ｌに位置し、第２光源１３０がλに等しい中心波長を有する準単色光であるという前提に基づいている。パラメータφは、対象領域２００の外径（または、対象領域２００が矩形である場合には、その対象領域２００の長辺のサイズ）である。前記条件Ｎι＜２φ／Ｌ  Ｄｂｕｎｄｌｅ／λが満たされ、光ファイバ組１４０の光ファイバのすべてが、準単色である第２光源１３０からの光を搬送する単一モード光ファイバであるならば（たとえ、回折素子２１０が第２断面１７０を少なくとも部分的にカバーするものであっても）、カメラ１９０が均一に照明されて現れる照明光学群によって作り出された対象領域２００の二次元画像を提供可能である。そのような条件も、T.L.Alexander et al.,”Average speckle size as a function of intensity threshold level: comparison of experimental measurements with theory”, Applied Optics, Vol. 33, No. 35, 1994 (p8240) の記事に記載のアプローチに基づく理論計算から導くことができる。もしもφ＝２ｃｍ，Ｌ＝６ｃｍ，Ｄｂｕｎｄｌｅ＝１ｍｍかつλ＝５００ｎｍであるならば、この好適実施例においてＮι＜６６７であることが容易に理解される。そのような条件は内視鏡において一般的に使用されているカメラ１９０によって容易に満たされる。
【００５８】
好ましくは、カメラ１９０は、筒状シェル２０の近端部３０に配置される。これにより、手段（通常は光ファイバ）によって、筒状シェル２０を介して、前記パターンの光と前記照明光学群によって照明された対象領域の光をカメラ１９０に搬送することが可能である。他の実施形態では、カメラ１９０は、筒状シェル２０の遠端部４０に配置される。より好ましくは、第２光源１３０は白色光源である。
【００５９】
別の好適実施例において、第１光源６０はレーザである。
【００６０】
別の実施例において、パターン投影光学群と回折素子とは、対象領域２００に無相関パターンを提供することが可能である。スポットの無相関パターンはＵＳ２００８／０２４０５０２に特に説明されている。ここで無相関パターンという用語は、その位置が、投影ビーム軸心を横断する平面（第２端部９０から対象領域２００まで）において無相関である複数のスポットからなるパターン２２０を意味する。より好ましくは、パターン２２０は、準ランダムであって、これは、当該パターン２２０が周波数ドメイン（逆格子空間）においては明確なピークによって特徴付けられるが、空間ドメイン（現実空間）においては当該パターン２２０の領域に渡って反復する単位セルを含まない、ということを意味している。好ましくは、単一モード光ファイバ７０の第２端部９０と回折素子２１０との間にレンズが挿入される。
【００６１】
更に好適な実施例において、パターン２２０を前記カメラ１９０によってユーザに対して示される画像から識別するために多重化が使用される。これによってユーザに対して、対象領域２００のより快適な可視化が提供される（図示の画像はパターン２２０からフィルタリングされている）。これと並行して、処理装置２４０は、対象領域２００上のパターン２２０の変形を得ることによって三次元復元を行う。多重化の二つの例は、空間多重化と時間多重化である。第１のケースでは、準単色第１光源６０として特定の平均周波数が使用される。これによってユーザに対して示される画像から前記パターン２２０を容易に抽出することが可能となる。時間多重化が使用される場合は、第１光源６０は短い時間フレーム中にパルス状に光を発する。そのようなフレームが十分に短いものであれば、パターン２２０はユーザによって観察することはできない。さもなければ、処理装置２４０は、第１光源６０がスイッチ・オフされた時にのみユーザに対して画像を示す。時間多重化は、又、三次元復元のために前記パターンを分析する時に、前記照明光学群によって提供される光によって作り出される画像を取り除くためにも使用できる。これによってよりコントラストの高いパターン２２０が可能となる。
【００６２】
別の実施例において、前記装置１０は、更に、第２光源１３０と単一モード光ファイバ７０の第１端部８０との間の第３光路を有する。これにより、この実施例において、単一モード光ファイバ７０は前記第１光源６０と第２光源１３０との両方から光を搬送する。
【００６３】
図７は、本発明の装置１０のもう一つの好適実施例の一部を図示している。この実施例において、前記装置１０は、更に、遠端部４０において哺乳類の組織の処理および／又は切除のための連結アーム２７０等の器具の挿入を可能にする筒状シェル２０内に形成された通路を有する。これらの通路は水の注入のためにも使用可能である。
【００６４】
更に別の実施例において、第１光源６０と第２光源１３０とは、同一であり、同じ準単色光源６５である。この実施例の近端部が図８に示されている。第１光路１１０は準単色光源６５から単一モード光ファイバ７０への光の伝送を可能にし、それに対して、第２光路１８０は準単色光源６５から光ファイバ組１４０への光の伝送を可能にする。そのような実施例は、可視化と三次元復元とのための更にコンパクトな装置を得ることを可能にする。この実施例において、パターン２２０または均一な照明を提供するために、時間多重化が好適に使用される。
【００６５】
光ファイバ束２３０は、通常、数千本の光ファイバを含むので、準単色光を伝送し、光ファイバ束２３０が単一モード光ファイバを含む場合にパターン２２０を形成するために、一本以上の単一モード光ファイバ７０を使用することができる。各単一モード光ファイバ７０は、単一の点源と見なすことができる。交互に光る様々な単一モード光ファイバによって互いに対してシフトされた異なるパターン２２０が作り出される。そのような装置を得るための第１の可能性は、レーザ源と、そのような単一モード光ファイバのそれぞれのための対応の光路とを設けることである。第２の可能性は、マイクロミラーを使用することによって、そのような様々な単一モード光ファイバの入口に向けられた一つの準単色光源を備えることである。異なる単一モード光ファイバ７０によって作り出されるパターン２２０の異なる変形を比較することによって、三次元再現の空間分解能を増加させることが期待できる。
【００６６】
第２の態様に依れば、本発明は、対象領域２００の可視化と三次元復元のための方法に関し、この方法は、
−少なくとも１つの単一モード光ファイバ７０の第１断面１００を介して準単色光を対象領域２００に送る工程と、
−第２断面１７０を有する光ファイバ組１４０を介して対象領域２００に光を送る工程と、
−時空分解能を有するカメラ１９０を使用して対象領域２００の画像を取得する工程と、
を有し、以下の特徴、即ち、
−少なくとも１つの単一モード光ファイバ７０と光ファイバ組１４０とは外径Ｄｂｕｎｄｌｅの同じ光ファイバ束２３０内に含まれ、
−回折素子２１０が光ファイバ組１４０の第２断面１７０を少なくとも部分的にカバーし、そして、
−カメラ１９０の時空分解能は、当該カメラ１９０が、対象領域２００において単一モード光ファイバ７０と回折素子２１０とによって作り出されたパターンの画像を提供可能で、かつ、均一に照明されて現れる光ファイバ組１４０からの光によって作り出された対象領域２００の二次元画像を提供可能である、構成を備える。
【００６７】
好ましくは、本発明の前記方法は、更に、前記光ファイバ束２３０を含む筒状シェル２０に接続された外科器具を提供する工程を有する。
【００６８】
医療内視鏡の分野に加えて、本発明の前記装置10は、様々な用途に利用可能である。たとえば、ジェットエンジンの内部等のアクセスが困難なものを調べるために工業用内視鏡が使用される。
【００６９】
以上、本発明を、本発明を例示し、限定的に解釈されてはならいない特定の実施例について記載した。より一般的は、当業者は、本発明が具体的に図示されたものや上述したものに限定されるものではないことを理解するであろう。ここで”「含む」（to comprise）”や”有する（to include）”、”「から構成される」（be composed of）”等といった動詞は、記載されるもの以外の要素を存在を除外するものではない。また、要素の前につけられた”a”, “an”または”the”といった冠詞は、そのような要素の複数の存在を除外するものではない。
【００７０】
要約すると、本発明は、下記のようにも説明できる。本発明の装置１０は、単一モード光ファイバ７０を通して準単色光を送ることができる第１光源６０と、光ファイバ組１４０を介して光を送ることが出来る第２光源１３０とを有する。第１光源６０がスイッチ・オンされると、回折素子２１０によってパターン２２０を対象領域２００に投影する。カメラ１９０は、第１光源６０によって形成されるパターン２２０と、たとえ回折素子２１０が前記光ファイバ組１４０の第２断面１７０を少なくとも部分的にカバーする場合であっても均一に照明される、第２光源１３０によって照明される対象領域２００とを可視化することが可能な、時空分解能を有している。
【図１】
2014518710.tif 000005
【図２】
2014518710.tif 000006
【図３】
2014518710.tif 000007
【図４】
2014518710.tif 000008
【図５】
2014518710.tif 000009
【図６】
2014518710.tif 000010
【図７】
2014518710.tif 000011
【図８】
2014518710.tif 000012
【国際調査報告】
2014518710.tif 000013
2014518710.tif 000014
2014518710.tif 000015