JP2010167106A - 内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温化された液体の冷媒を内視鏡の先端部に導入することで高い冷却能力を有する冷却機構を備えた内視鏡装置を提供する。
【解決手段】冷却機構が、内視鏡の先端部に配置された被冷却部材に接する、冷媒が循環する流路を有する冷却ブロックと、流路に冷媒を供給する冷媒供給チューブと、内視鏡の先端部近傍に熱交換部を配置したジュールトムソン冷凍機と、を備え、ジュールトムソン冷凍機の熱交換部と冷媒供給チューブとが熱的に接触している。
【選択図】図１

Description

本発明は、内視鏡装置、特に冷却機構を備えた内視鏡装置に関するものである。

内視鏡装置の機能の高度化に伴い、先端部の電子部品が発する熱による電子部品の性能の低下が問題となっている。具体的には先端部に配置された照明用光源装置の温度上昇による照度の低下や、撮像モジュールの温度上昇による熱ノイズに起因した画像品質の低下などである。このような問題に対処するため、例えば特開２００３−３８４３７（特許文献１）には、スコープ内に配置された照明用ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を冷却するために、スコープ外部にも設けられたタンクからポンプを用いて冷却液をＬＥＤ近傍まで循環させることでＬＥＤを冷却する方法が開示されている。

この技術については図７を用いて説明する。図７は、従来の内視鏡の構成を示すブロック図である。
発光ダイオード９３４を有する光源部９２０、ポンプ９４２、水Ｗの入ったタンク９２３、循環路として各管９４１Ａ、９４１Ｂ、９４５Ａ、９４５Ｂ、中継管９４６が設けられ、所定の状態でポンプ駆動制御回路９４４がポンプ９４２を作動させる。その結果、水Ｗは光源部９２０を冷却するために、管９４１Ａ、管９４５Ａ、中継管９４６、管９４５Ｂ、管９４１Ｂによって構成される循環管路を循環しながら流れ続ける。このように液体が光源周りを流れることによって光源周りで熱が吸収され、光源における温度が低下する。このような冷却作用により、光源の温度が上昇して発光輝度が低下することを防ぐことで、明るい被写体像を観察することができる。

特開２００３−３８４３７号公報

しかしながら、一般的に内視鏡の先端部の発熱部位を冷却することを考えた場合、被冷却部材近傍で冷媒が循環する管路の表面積を大きくすることはスペース上の制約からして困難である。管路の表面積が小さい状態で高い冷却能力を得るためには、内視鏡のスコープ外部で低温化された冷媒を用いることも考えられるが、内視鏡の細いスコープ径で許容される細い冷媒管路で内視鏡の先端部まで冷媒を導入しようとすると、管路の途中での周囲との熱交換によって温度が上昇してしまい、先端部に到達する際にはほぼ環境温度、例えば医療用内視鏡の場合は通常は体温程度、まで上昇してしまう。このため、内視鏡先端部における従来の液体管路による冷却はその冷却能力に限界があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低温化された液体の冷媒を内視鏡の先端部に導入することで高い冷却能力を有する冷却機構を備えた内視鏡装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内視鏡装置は、冷却機構を有する内視鏡装置であって、冷却機構が、内視鏡の先端部に配置された被冷却部材に接する、冷媒が循環する流路を有する冷却ブロックと、流路に冷媒を供給する冷媒供給チューブと、内視鏡の先端部近傍に熱交換部を配置したジュールトムソン冷凍機と、を備え、ジュールトムソン冷凍機の熱交換部と冷媒供給チューブとが熱的に接触していることを特徴としている。

本発明に係る内視鏡装置において、熱交換部は、内視鏡の先端部から長手方向に延在することが好ましい。

本発明に係る内視鏡装置において、冷媒が液体であることが好ましい。

本発明に係る内視鏡装置において、ジュールトムソン冷凍機が可撓性を有する二重管構造を備え、熱交換部の少なくとも一部が内視鏡の湾曲部にあって冷媒供給チューブと共に湾曲可能であることが好ましい。

本発明に係る内視鏡装置において、冷却ブロックから排出される冷媒を流す冷媒排出チューブを備え、冷媒供給チューブと冷媒排出チューブとを接続して冷媒を循環させるためのポンプ機構が内視鏡のスコープ部に設けられていることが好ましい。

本発明に係る内視鏡装置は、低温化された液体の冷媒を内視鏡の先端部に導入することで高い冷却能力を有する冷却機構を備えることができる、という効果を奏する。

本発明の第１の実施形態の冷却機構の概略構造を示す断面図である。 第１の実施形態に係る内視鏡装置のスコープ部の概略内部構成を示す断面図である。 第１の実施形態に係る冷却ブロックを内視鏡のスコープ部の内部から見た平面図である。 第１の実施形態に係る内視鏡の先端部の構成を示す正面図である。 第１の実施形態に係る内視鏡装置の概略構成を示す一部断面図である。 （ａ）は、第２の実施形態に係る内視鏡の先端部の構成を示す正面図であり、（ｂ）は、第２の実施形態に係る内視鏡装置のスコープ部の概略内部構成を示す断面図である。 従来の内視鏡の構成を示すブロック図である。

以下に、本発明に係る内視鏡装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る内視鏡装置について図１から図５を用いて説明する。図１は、第１の実施形態の冷却機構の概略構造を示す断面図である。図２は、第１の実施形態に係る内視鏡装置のスコープ部１００の概略内部構成を示す断面図である。図３は、冷却ブロック１３０を内視鏡のスコープ部１００の内部から見た平面図である。図４は、第１の実施形態に係る内視鏡の先端部の構成を示す正面図である。図５は、第１の実施形態に係る内視鏡装置の概略構成を示す一部断面図である。

第１の実施形態に係る内視鏡装置は、図５に示すように、スコープ部１００と、ガス供給装置１７０と、制御装置１８２と、を備える。スコープ部１００（内視鏡）は操作部１６０を備える。さらに、この内視鏡装置は、内視鏡の先端部（先端硬性部）１０１に配置された被冷却部材を冷却するための冷却機構を有する。

第１の実施形態の冷却機構は、細管状のジュールトムソン冷凍機１１０と、冷媒供給チューブ１２０と、冷却ブロック１３０（図２）と、を備える。
冷媒供給チューブ１２０は、図１に示すように、ジュールトムソン冷凍機１１０に沿って直線上に配置される領域１２１と、ジュールトムソン冷凍機１１０の先端部近傍に巻き付けられる領域１２２と、更にその先に延在する領域１２３と、からなる。また、冷媒供給チューブ１２０の内部１２０ａには液体の冷媒が供給されており、内視鏡の先端側へ向かう方向（図１中の矢印Ａの方向）に送出される。

したがって、ジュールトムソン冷凍機１１０は、冷媒供給チューブ１２０の領域１２２において冷媒供給チューブ１２０と熱的に接触している。

ジュールトムソン冷凍機１１０は、図１に示すように、外管１１１と、外管１１１内に配置された内管１１２と、からなる二重管構造を備える。外管１１１は可撓性を有し、その先端（内視鏡の先端側の端部）は閉じた構造となっている。内管１１２は、可撓性を有し、その先端部近傍の領域（例えば先端部近傍から１０ｃｍほどの領域）で内管１１２よりも更に細径で可撓性の減圧管１１３に接続されている。この減圧管１１３の先端は、外管１１１の内部１１１ａに対して開放状態となっている。

ここでジュールトムソン冷凍機１１０の動作について説明する。
内管１１２の内部１１２ａには高圧ガスが送り込まれ、このガスは、より径の小さい減圧管１１３の内部１１３ａへ、すなわち先端側へ（図１の矢印Ｂ方向へ）流れる。このガスが内管１１２から減圧管１１３へ流れて圧力が変化する過程でジュールトムソン効果による温度低下が生じる。こうして低温化したガスは、減圧管１１３の先端から、外管１１１の内部１１１ａに吐出して、外管１１１の内部１１１ａであって減圧管１１３及び内管１１２の外側を通って後端側へ（図１の矢印Ｃの方向へ）流れる。

このとき、内管１１２の先端部近傍及び減圧管１１３では、内管１１２内のガス及び減圧管１１３内のガスと、減圧管１１３の先端から吐出して戻っていくガスと、の間で熱交換が生じて、減圧管１１３の内部１１３ａにおけるジュールトムソン効果と相まって減圧管１１３の先端から吐出するガスを更に低温化する。すなわち、減圧管１１３から内管１１２の先端部近傍までがジュールトムソン冷凍機１１０の熱交換部１１０ａ（図２）として機能する。第１の実施形態に係る冷却機構では、この熱交換部１１０ａは、冷媒供給チューブ１２０の領域１２２に対応しており、内視鏡の先端部１０１から長手方向に延在する。

ここで、内管１１２内に送り込むガスとして、ジュールトムソン係数の大きな気体を選択すると、例えば外管１１１の直径が１ｍｍ程度で送り込まれる高圧ガスの圧力が数Ｍｐａ程度でも、減圧管１１３の先端から吐出するガスを−７０℃程度以下まで低温化することができる。なお、どの程度低温化できるかについては、送り込む高圧ガスの種類、圧力、内管１１２内での圧力損失、減圧管１１３の径や長さなどのパラメータによって設定することができる。

このように動作するジュールトムソン冷凍機１１０の外管１１１においては、熱交換部１１０ａの外壁に冷媒供給チューブ１２０が巻き付けられ領域１２２が形成されている。この領域１２２では、ジュールトムソン冷凍機１１０と冷媒供給チューブ１２０との間で熱交換が生じて冷媒供給チューブ１２０の内部１２０ａを流れる冷媒が低温化する。ここで、冷媒供給チューブ１２０がジュールトムソン冷凍機１１０の外管１１１に巻き付けられている熱交換領域（冷媒供給チューブ１２０の領域１２２に対応する領域）は、外管１１１内のガスが低温化していることが必要であり、その長さは例えば２０〜３０ｃｍ程度である。また、外管１１１、内管１１２、減圧管１１３、冷媒供給チューブ１２０は樹脂または肉薄の金属管で構成されており、内視鏡のスコープ部１００の動きに対応し得る十分な可撓性を有している。

次に、このような冷却機構を利用した内視鏡装置の構成例について図２を用いて説明する。この内視鏡装置では、スコープ部１００内に、ジュールトムソン冷凍機１１０と冷媒供給チューブ１２０が配置されている。なお、スコープ部１００は、内視鏡における、光学系や撮像モジュールが配置される先端硬性部と、アングルワイヤ等で湾曲可能な湾曲部と、可撓性を有する蛇管部と、からなる。また、ジュールトムソン冷凍機１１０の内管１１１に送り込まれる高圧ガスは内視鏡装置のスコープ部１００の外部から供給される。

冷媒供給チューブ１２０の領域１２３は、冷媒供給チューブ１２０のジュールトムソン冷凍機１１０の先端部から突出しており、冷却ブロック１３０に接続されている。冷却ブロック１３０には流路１３１が形成され、冷媒供給チューブ１２０の領域１２３はその流路１３１の注入口１３２に接続されている。また、流路１３１の流出口１３３には冷媒排出チューブ１４０が接続されている。ここで、冷却ブロック１３０は熱伝導率の高い金属材料で形成されていることが好ましい。

さらに冷却ブロック１３０の一面には被冷却部材１５０が接合されている。ここで被冷却部材１５０は、ＬＥＤを実装した基板や、撮像素子やその周辺回路（ドライバ）を実装した撮像モジュールの基板など、内視鏡の先端部１０１に配置される発熱源を含んだ電子部品が適用可能であり、第１の実施形態の内視鏡においては、複数のＬＥＤを実装した基板である。

冷却ブロック１３０は、内視鏡の先端部１０１に配置されるため、サイズに制約がある。例えば、冷却ブロック１３０内の流路１３１の最大長さは１〜２ｃｍ以下程度である。これに対して、第１の実施形態の冷却機構では、冷却ブロック１３０の近傍で冷媒供給チューブ１２０内の冷媒がジュールトムソン冷凍機１１０によって冷却されているため、低温の冷媒を冷却ブロック１３０の流路１３１内に注入することが可能であり、これによって高い冷却能力を得ることができる。

ここで、冷媒供給チューブ１２０は、領域１２２において、ジュールトムソン冷凍機１１０に巻き付けられて熱的に接触しており、かつ、この接触領域がスコープ部１００の長手方向に延在している。このため、長い領域（例えば２０〜３０ｃｍ）で、冷媒供給チューブ１２０内の冷媒とジュールトムソン冷凍機１１０内の低温ガスとの間の熱交換を確保できる。したがって、液体と比較して熱容量の小さい冷却ガスを用いた場合であっても、十分な熱交換を行い、冷媒供給チューブ１２０内の冷媒を低温化することができる。

このように、内視鏡装置のスコープ部１００の外部からジュールトムソン冷凍機１１０に供給される高圧ガスは、供給時点では常温（環境温度）であっても、内視鏡の先端部１０１近傍で低温化するので、そのガスと内視鏡の先端部１０１近傍で熱交換を行った冷媒を低温状態のまま冷却ブロック１３０に注入することができる。この冷媒は液体であるので、熱容量が大きい為、ジュールトムソン冷凍機１１０内の低温ガスを直接冷却ブロック１３０に注入するよりも格段に冷却能力が高くなる。

一方でジュールトムソン冷凍機１１０の冷却ガスと冷媒供給チューブ１２０の冷媒との熱交換は内視鏡の先端部１０１から後方に延在した比較的長い距離で行うことが可能となるので、冷媒を十分に低温化することができる。したがって、スペースの制約の多い内視鏡のスコープ部１００で十分に高い能力を有する冷却機構を構成できる。

次に、第１の実施形態における冷却ブロック１３０及び被冷却部材１５０の構成について説明する。図３は冷却ブロック１３０を内視鏡の先端部１０１の内側から見た図である。冷却ブロック１３０は、一部が欠けた中空円盤状であり、その内部には、円弧形状に沿って流路１３１が形成されている。流路１３１の両端には冷媒供給チューブ１２０を接続する注入口１３２と冷媒排出チューブ１４０を接続する流出口１３３がそれぞれ設けられている。

図４は内視鏡の先端部１０１の正面図を示している。図４に示すように、冷却ブロック１３０に接合された被冷却部材１５０は、冷却ブロック１３０に対応した、一部が欠けた中空円盤形状を備える。被冷却部材１５０は、その背面が冷却ブロック１３０の前面に接合されている。

被冷却部材１５０の表面には、照明用のＬＥＤ１５１が５個実装されている。ここで、ＬＥＤ１５１は、冷却ブロック１３０の流路１３１に沿って配置されている。なお、ＬＥＤ１５１への電気配線については図示を省略している。また、内視鏡の先端部１０１の正面には、被冷却部材１５０以外の領域に、観察用の対物レンズ１５２と、鉗子などの処置具を挿抜するためのチャネル１５３が配置される。

このように本実施形態の内視鏡装置にあっては、照明用ＬＥＤ１５１が能力の高い冷却機構によって冷却されるので、十分な照度を得るためにＬＥＤ１５１へ高い電力を投入しても過度に高温度になることがない。

次に第１の実施形態の内視鏡装置の全体の構成について図５を参照して説明する。
内視鏡装置のスコープ部１００の後端部分には操作部１６０が組み付けられている。この操作部１６０内にはポンプ１６１(ポンプ機構）が備えられ、このポンプ１６１には冷媒供給チューブ１２０と冷媒排出チューブ１４０が接続されている。

また、ジュールトムソン冷凍機１１０は、スコープ部１００内に延在するとともに、操作部１６０内を経て、操作部１６０の外部に配置したガス供給装置１７０に接続されている。このガス供給装置１７０からジュールトムソン冷凍機１１０の内管１１１に高圧ガスが供給される。

さらにまた、操作部１６０には、配線１８１を介して制御装置１８２が接続されている。この配線１８１は、内視鏡の先端部１０１に配置された照明用のＬＥＤ１５１や、対物レンズ１５２を含む撮像モジュール（詳細図示せず）と電気的に接続されており、ＬＥＤ１５１や撮像モジュールは制御装置１８２によって動作が制御される。なお、スコープ部１００には、照明用ＬＥＤ１５１、対物レンズ１５２を含む撮像モジュール、鉗子などの処置具を挿抜するためのチャネル１５３などが配置されている。

ポンプ１６１は、冷媒供給チューブ１２０及び冷媒排出チューブ１４０内に充填された冷媒を循環させる機能を有する。細径化が求められるスコープ部１００とは異なり、操作部１６０は比較的スペースに余裕があるため、十分な送液能力を有するポンプを配置することが可能である。このように操作部１６０内に冷媒循環用のポンプを配置することによって、内視鏡の外部にポンプや冷媒のタンクを配置する必要がなくなるため、省スペース化や操作性の向上を図ることができる。

ここで、冷媒供給チューブ１２０及び冷媒排出チューブ１４０の長さは、スコープ部１００の先端部１０１から操作部１６０までの長いもの(例えば、往復で２〜３ｍ）となる。このため、スコープ部１００の先端部１０１の被冷却部材１５０の発熱量が大きく、被冷却部材１５０付近で冷媒が高温度化した場合でも、ポンプ１６１を介してジュールトムソン冷凍機１１０の熱交換部１１０ａに到達するまでにほぼ環境温度まで冷却することができる。したがって、内視鏡の外部から常時冷媒を供給する従来の場合と比較しても冷却能力が低下することはない。

なお、冷媒としては熱容量が大きく粘性の低い液体が好ましい、具体的には水、シリコンオイル、フロリナート（商標）が好ましい。

また、ジュールトムソン冷凍機１１０に用いる高圧ガスは、ジュールトムソン係数が大きく、沸点が低い材料が好ましく、具体的には、窒素、二酸化炭素、エチレンが好ましい。ジュールトムソン冷凍機１１０内に導入するときのガス圧力としては数Ｍｐａ程度が取り扱いの容易さと冷却能力の高さの点から好ましい。

なお、ジュールトムソン冷凍機１１０の熱交換部１１０ａは、内視鏡の湾曲部もしくは蛇管部に配置することが好ましく、少なくとも一部は湾曲部に配置することが好ましい。これにより、熱交換部１１０ａは、冷却ブロック１３０に近接して配置される。このような配置は、ジュールトムソン冷凍機１１０が細径で湾曲可能であることによって可能となっている。ただし、湾曲部のスペースが特に制限されており、湾曲部長さが短いときは、熱交換部を蛇管部に配置しても良い。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る内視鏡装置について図６を参照して説明する。図６（ａ）は、第２の実施形態に係る内視鏡の先端部２０１の構成を示す正面図であり、（ｂ）は、第２の実施形態に係る内視鏡装置のスコープ部２００の概略内部構成を示す断面図である。

第１の実施形態に係る冷却機構が照明用ＬＥＤを冷却していたのに対して、第２の実施形態に係る冷却機構は、撮像素子を含む撮像モジュールを冷却する。

内視鏡のスコープ部２００には、第１の実施形態のジュールトムソン冷凍機１１０と同様に、細径二重管構造のジュールトムソン冷凍機２１０が配置され、その熱交換部２１０ａには冷媒供給チューブ２２０が巻きつけられている。冷媒供給チューブ２２０の先端が冷却ブロック２３０の流路２３１の注入口に接続され、流路２３１の流出口に冷媒排出チューブ２４０が接続されている点も第１の実施形態と同様である。

なお、冷凍機２１０、冷媒供給チューブ２２０、及び冷却ブロック２３０の構成、配置、作用については、第１の実施形態のジュールトムソン冷凍機１１０、冷媒供給チューブ１２０、及び冷却ブロック１３０と同様である。

冷却ブロック２３０の一面は被冷却部材２５０の一面に接合されている。被冷却部材２５０は撮像用の固体撮像素子とそれを駆動するためのドライバチップや周辺回路が実装された撮像ユニットの実装基板である。この被冷却部材２５０の前面には撮像用光学系２５２が配置される。スコープ部２００にはこのほかに照明用ライトガイド２５１や、鉗子などを挿抜するためのチャネル２５３が配置されている。また、スコープ部２００では、ライトガイド２５１に導光するための照明装置をスコープ部２００の外部に備えている。

以上の構成により、第２の実施形態のスコープ部２００においても、限られたスペースで撮像モジュールを十分に冷却可能となるため、熱ノイズの少ない良好な観察画像が得られる。
なお、その他の構成、作用、効果については、第１の実施形態と同様である。

以上のように、本発明に係る内視鏡装置は、内視鏡の先端部の発熱部位の冷却が必要な内視鏡装置に適している。

１００ スコープ部（内視鏡）
１０１ 先端部
１１０ ジュールトムソン冷凍機
１１０ａ 熱交換部
１１１ 外管
１１１ａ 内部
１１２ 内管
１１２ａ 内部
１１３ 減圧管
１１３ａ 内部
１２０ 冷媒供給チューブ
１２０ａ 内部
１２１、１２２、１２３ 領域
１３０ 冷却ブロック
１３１ 流路
１３２ 注入口
１３３ 流出口
１４０ 冷媒排出チューブ
１５０ 被冷却部材
１５２ 対物レンズ
１５３ チャネル
１６０ 操作部
１６１ ポンプ
１７０ ガス供給装置
１８１ 配線
１８２ 制御装置
２００ スコープ部（内視鏡）
２０１ 先端部
２１０ ジュールトムソン冷凍機
２１０ａ 熱交換部
２２０ 冷媒供給チューブ
２３０ 冷却ブロック
２３１ 流路
２４０ 冷媒排出チューブ
２５０ 被冷却部材
２５１ ライトガイド
２５２ 撮像用光学系
２５３ チャネル

Claims (5)

1. 冷却機構を有する内視鏡装置であって、
   前記冷却機構が、
   内視鏡の先端部に配置された被冷却部材に接する、冷媒が循環する流路を有する冷却ブロックと、
   前記流路に冷媒を供給する冷媒供給チューブと、
   前記内視鏡の先端部近傍に熱交換部を配置したジュールトムソン冷凍機と、
   を備え、
   前記ジュールトムソン冷凍機の熱交換部と前記冷媒供給チューブとが熱的に接触していることを特徴とする内視鏡装置。
2. 前記熱交換部は、前記内視鏡の先端部から長手方向に延在することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡装置。
3. 前記冷媒が液体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内視鏡装置。
4. 前記ジュールトムソン冷凍機が可撓性を有する二重管構造を備え、前記熱交換部の少なくとも一部が前記内視鏡の湾曲部にあって前記冷媒供給チューブと共に湾曲可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内視鏡装置。
5. 前記冷却ブロックから排出される冷媒を流す冷媒排出チューブを備え、前記冷媒供給チューブと前記冷媒排出チューブとを接続して冷媒を循環させるためのポンプ機構が前記内視鏡のスコープ部に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内視鏡装置。

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