ファイバースコープの構造的仕組みについて

様々な医療科目で活躍する医療用ファイバースコープ。これにより、人体内部の実体的な様子を目視にて確認することが可能です。その機能にはどのような原理が応用され、その原理を実現するべくどのような構造をなしているのでしょうか。基本を抑えながら見ていきたいと思います。

ファイバースコープについて

物体内部の状態を視覚的に確認すべく、物体の開口部から先端を挿入し、その先端が捉えた光景をもう一方の先端へと伝達することで可視化する機器。それがファイバースコープです。

医療の領域で使用する場合には、鼻・口・肛門などといった人体の開口部から先端を体内へ入れることによって、体内の様子を直に見ながら診断を実施するに使用されます。
これによって、食道や胃、小腸や大腸などの消化器系をはじめ、様々な体内器官を直接的に観察することができるわけです。

基本的なファイバースコープの構造は、光ファイバーを束にしたケーブルの両先端にレンズなどのような映像の送受信を行う部品を取り付けた外観となっています。

光ファイバーはグラスファイバーとも呼ばれる繊維状の物質です。一本当たりの太さは約
125μmであり、一方の先端から入った光をもう一方の先端に伝える性質を持ちます。その光ファイバーを数千～数万本単位で束ね、直径数mmほどのファイバースコープのケーブルが形成されているわけです。

体内に挿入する側の先端には、対物レンズもしくはCCDカメラなどが取り付けられ、もう一方の観測者側にはアイピースもしくは画像表示機器に接続されています。これによって、対物側から捉えた光景もしくは画像が、観測者側に伝達されることになるわけです。CCDカメラと画像表示機器が対になっているタイプはビデオスコープとも呼ばれます。

ファイバースコープには、途中でケーブルが曲折しても問題なく観測可能という特性があります。これによって、入り組んだ人体内部の中を自在に見回すことができるわけです。

なぜ内部の様子を見ることができるのか

ケーブルがいくら曲がっても観測に何ら支障をきたさないファイバースコープ。なぜそのような仕様で体内の光景を見ることが可能となるのでしょうか。その理由は、ケーブルを構成している多くのグラスファイバーの特性にあります。

前項でも述べた通り、グラスファイバーは、一端から入った光をそのまま他先端に伝達するという働きを持ちます。つまり、ファイバースコープのケーブルにおいても、挿入側のレンズやカメラに入った光が、そのままの形で観測側に送られるというわけです。

ここで、「物を見る」という現象について考えてみましょう。何かを目で見るにはまず、それに足る明るさがなければ適いません。つまり光が必要となります。光が物体に当たって反射し、それが目に入ることで「物を見る」という状態に至るわけです。

ファイバースコープでは、挿入側に入った光が観測側に伝達されます。つまり、挿入側には周囲からの反射光が入ってくることになります。その反射光を目で捉えれば、挿入側に写った光景を見ることができるというわけです。

グラスファイバーの構造

では、なぜグラスファイバーは、一方の先端から入った光を他の先端に送ることができるのでしょうか。その秘密はグラスファイバーの構造にあります。

グラスファイバーは、ガラス質あるいはプラスチック類など、光を透過させる物質を原料としています。加えてその形状は3層を成しており、繊維の芯に当たるコア・その周囲を完全に覆うクラッド・外縁部の被覆に分けられます。

コアとクラッドは同物質ですが、光の透過率に関してコア側が高くなるように製造されています。それによって、一端から入射した光を全反射や屈折によってコアに集め、もう一方の先端部に伝達することが可能となります。

このような仕組みによって光の伝播が行われることにより、ファイバースコープにおいて購入側で捕捉した周囲の光景を観測側に送る機能が果たされるわけです。

まとめ

以上のように、ファイバースコープの基礎的概要を踏まえながら、その機能の源と言える光の伝播の仕組みについて確認してまいりました。グラスファイバーの特性が、ファイバースコープとして応用されているわけです。