(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
挿入部を有する内視鏡と、前記挿入部が挿通可能なチャンネルが設けられたガイドチューブ装置とを備える内視鏡システムであって、
前記内視鏡は、
所定の観察視野内の光に応じて電荷を蓄積することで前記光の画像信号を生成する撮像素子と、
前記撮像素子が前記電荷を蓄積する時間を調節する電子シャッターと、
前記観察視野内に照明光を照射する照明ユニットと、
前記画像信号を所定の時間間隔ごとに読み出して処理し画像を取得する画像処理部と、
を有し、
前記ガイドチューブ装置は、
前記観察視野内に存在する測定対象物上の照射位置に位置検出光を照射し、前記照射位置で反射された前記位置検出光を検出することで前記照射位置までの距離を測定する距離測定部と、
前記距離測定部を制御する測定状態制御部と、
を有し、
前記測定状態制御部は、前記撮像素子が前記電荷を蓄積していないときのみに前記距離測定部により前記位置検出光を照射させ、前記測定対象物上の前記照射位置までの距離を検出する第一の距離検出モードを有することを特徴とする内視鏡システム。
【請求項２】
前記内視鏡は、
それぞれの前記画像を、前記画像信号を読み出す直前に測定した前記照射位置までの距離と対応づけて記録する画像記録部を有することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
【請求項３】
前記内視鏡は、
前記距離測定部で測定された前記照射位置までの距離に基づいて、前記画像中における前記照射位置に対応する仮想位置を求める照射位置算出部を有し、
前記画像記録部は、それぞれの前記画像を、前記画像信号を読み出す直前に測定した前記距離に基づいて求められた前記仮想位置に対応づけて記録することを特徴とする請求項２に記載の内視鏡システム。
【請求項４】
前記内視鏡および前記ガイドチューブ装置の少なくとも一方には、前記挿入部の向きを測定する姿勢測定部が備えられ、
前記画像記録部は、それぞれの前記画像を、前記画像信号を読み出すと同時、または読み出す直前に測定した前記挿入部の向きと対応づけて記録することを特徴とする請求項２に記載の内視鏡システム。
【請求項５】
前記内視鏡および前記ガイドチューブ装置の少なくとも一方には、前記挿入部の位置を測定する位置測定部が備えられ、
前記画像記録部は、それぞれの前記画像を、前記画像信号を読み出すと同時、または読み出す直前に測定した前記挿入部の位置と対応づけて記録することを特徴とする請求項２に記載の内視鏡システム。
【請求項６】
前記測定状態制御部は、前記撮像素子が前記電荷を蓄積しているときに前記距離測定部により、前記測定対象物上の前記照射位置に前記位置検出光を照射させ、前記測定対象物上の前記照射位置までの距離を検出する第二の距離検出モードを有していることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物までの距離を測定する内視鏡システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、挿入部に距離センサ（距離測定部）が備えられた内視鏡を用い、狭い通路である狭窄路に挿入部を挿入し、周囲の形状を観察しながら、距離センサで狭窄路を形成する測定対象物までの距離を測定することが行われている。
距離センサとしては、たとえば、特許文献１に記載された内視鏡のように、測定対象物に可視光線や近赤外光線などの光を照射し、測定対象物で反射された光を測定することで測定対象物までの距離を測定するものがある。
【０００３】
特許文献１の内視鏡は、光ファイバを内蔵している。この光ファイバは、断面が略円形のライトガイド用光ファイバと、ライトガイド用光ファイバの中心に埋め込まれた観察用光ファイバと、ライトガイド用光ファイバの中心から所定の距離だけ離間した位置に埋め込まれた細い筒状の実写用ガラス筒と、で構成されている。
ライトガイド用光ファイバの基端部からライトガイド用光ファイバ内に誘導されたハロゲン光などの照明用の光が先端部から放射され、患部などを照明する。患部で反射された光は観察用光ファイバで集光され、基端部に案内される。したがって、観察用光ファイバの基端部から外部に案内された光をビデオカメラなどで取り込み、画像を取得することで、患部の状態を観察することができる。
また、実写用ガラス筒によってレーザー光が先端部に誘導され、患部の照射面に、周囲の部分よりも明るくされた光スポットが形成される。光スポットで反射された反射光も観察用光ファイバで集光される。
【０００４】
実写用ガラス筒は観察用光ファイバの中心部から所定の距離だけ離間して配置されているので、光ファイバの先端部から照射面までの距離によって、観察用光ファイバで集光された照明用の光内における光スポットで反射された反射光の位置が変化する。この位置の変化により、測定対象物までの距離を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２８５５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された内視鏡では、測定対象物までの距離を測定するのに、光スポットの像が入った測定対象物の画像を取得する必要がある。
画像中における光スポットの像が入った部分は、内視鏡からの距離が分かっている部分である。しかし、光スポットの像が入った部分は、その周囲との明るさが異なっており、光スポットの像が入った部分とその周囲とを比較しにくい。
光スポットの像の無い画像を取得することが望まれるが、光スポットの像が入った画像を取得したときしか測定対象物までの距離が測定できない。このため、光スポットの像が入った画像および光スポットの像の無い画像を連続して取得し、光スポットの像が入った画像から測定した距離を光スポットの像の無い画像に対応づけることになるが、両画像を取得するのに一定の時間を要するので、光スポットの像の無い画像に対応づけられる距離の誤差が大きくなる恐れがある。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、測定対象物に光スポットの像の無い画像を生成するとともに、測定対象物までの距離を測定してから、この距離に対応づけられる光スポットの像の無い画像を取得するまでに要する時間を短縮させた内視鏡システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の内視鏡システムは、挿入部を有する内視鏡と、前記挿入部が挿通可能なチャンネルが設けられたガイドチューブ装置とを備える内視鏡システムであって、前記内視鏡は、所定の観察視野内の光に応じて電荷を蓄積することで前記光の画像信号を生成する撮像素子と、前記撮像素子が前記電荷を蓄積する時間を調節する電子シャッターと、前記観察視野内に照明光を照射する照明ユニットと、前記画像信号を所定の時間間隔ごとに読み出して処理し画像を取得する画像処理部と、を有し、前記ガイドチューブ装置は、前記観察視野内に存在する測定対象物上の照射位置に位置検出光を照射し、前記照射位置で反射された前記位置検出光を検出することで前記照射位置までの距離を測定する距離測定部と、前記距離測定部を制御する測定状態制御部と、を有し、前記測定状態制御部は、前記撮像素子が前記電荷を蓄積していないときのみに前記距離測定部により前記位置検出光を照射させ、前記測定対象物上の前記照射位置までの距離を検出する第一の距離検出モードを有することを特徴としている。
【０００９】
また、上記の内視鏡システムにおいて、前記内視鏡は、それぞれの前記画像を、前記画像信号を読み出す直前に測定した前記照射位置までの距離と対応づけて記録する画像記録部を有することがより好ましい。
【００１０】
また、上記の内視鏡システムにおいて、前記内視鏡は、前記距離測定部で測定された前記照射位置までの距離に基づいて、前記画像中における前記照射位置に対応する仮想位置を求める照射位置算出部を有し、前記画像記録部は、それぞれの前記画像を、前記画像信号を読み出す直前に測定した前記距離に基づいて求められた前記仮想位置に対応づけて記録することがより好ましい。
【００１１】
また、上記の内視鏡システムにおいて、前記内視鏡および前記ガイドチューブ装置の少なくとも一方には、前記挿入部の向きを測定する姿勢測定部が備えられ、前記画像記録部は、それぞれの前記画像を、前記画像信号を読み出すと同時、または読み出す直前に測定した前記挿入部の向きと対応づけて記録することがより好ましい。
【００１２】
また、上記の内視鏡システムにおいて、前記内視鏡および前記ガイドチューブ装置の少なくとも一方には、前記挿入部の位置を測定する位置測定部が備えられ、前記画像記録部は、それぞれの前記画像を、前記画像信号を読み出すと同時、または読み出す直前に測定した前記挿入部の位置と対応づけて記録することがより好ましい。
【００１３】
また、上記の内視鏡システムにおいて、前記測定状態制御部は、前記撮像素子が前記電荷を蓄積しているときに前記距離測定部により、前記測定対象物上の前記照射位置に前記位置検出光を照射させ、前記測定対象物上の前記照射位置までの距離を検出する第二の距離検出モードを有していることより好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の内視鏡システムによれば、測定対象物に光スポットの像の無い画像信号を生成するとともに、測定対象物までの距離を測定してから、この距離に対応づけられる光スポットの像の無い画像信号を取得するまでに要する時間を短縮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態の内視鏡システムの全体図である。
【図２】同内視鏡システムの内視鏡の全体図である。
【図３】同内視鏡システムのブロック図である。
【図４】同内視鏡システムの照明ユニットが照射する照明光および投光部が照射するレーザー光の強度分布を示す図である。
【図５】同内視鏡システムのＣＣＤのフォトダイオードの感度特性を示す図である。
【図６】同内視鏡システムのガイドチューブ装置の全体図である。
【図７】同内視鏡システムを用いたときの各座標系の関係を説明する図である。
【図８】同内視鏡システムのＬＣＤの表示の一例を示す図である。
【図９】同内視鏡システムを用いたときの測定対象物までの距離と観察視野に対応する範囲との関係をレンズの光軸に直交する方向から見た図である。
【図１０】同関係をレンズの光軸に平行な方向から見た図である。
【図１１】図１１（ａ）は図９において距離Ｄ1のときのＬＣＤに表示されたフレームにおける仮想位置を示す図であり、図１１（ｂ）は図９において距離Ｄ2のときのＬＣＤに表示されたフレームにおける仮想位置を示す図である。
【図１２】同内視鏡システムの処置部による制御内容を示すフローチャートである。
【図１３】同内視鏡システムのタイミングチャートである。
【図１４】同内視鏡システムの画像記録部に記録される記録内容を説明する図である。
【図１５】同内視鏡システムを用いたときの投光部からの距離に対するフレーム中の仮想位置の関係を示す表である。
【図１６】本発明の第２実施形態の内視鏡システムのタイミングチャートである。
【図１７】本発明の変形例の内視鏡システムの先端側を湾曲させたときの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１実施形態）
以下、本発明に係る内視鏡システムの第１実施形態を、図１から図１５を参照しながら説明する。本内視鏡システムは、狭窄路内に挿入されて、狭窄路内を観察するとともに測定対象物までの距離を測定する装置である。
図１に示すように、内視鏡システム１は、長尺の挿入部２を有する内視鏡３と、挿入部２が挿通可能なチャンネル４が設けられたガイドチューブ装置５とを備えている。
【００１７】
図２に示すように、内視鏡３の基本構成は、挿入部２の先端の前方を観察する、いわゆる直視用の内視鏡装置と同様である。内視鏡３は、前述の挿入部２と、挿入部２の基端部に取付けられ挿入部２を操作する内視鏡操作部８と、内視鏡操作部８に接続された内視鏡本体９と、挿入部２で観察することにより取得された画像を表示する表示部１０とを有している。
挿入部２は、センサなどが内蔵され挿入部２の先端に配置された先端硬質部１１と、先端硬質部１１の基端側に接続され湾曲可能な湾曲部１２と、湾曲部１２の基端側に接続された可撓性を有する可撓管部１３とを有している。
挿入部２は、挿入部２の軸線回りに捻りにくく、挿入部２の軸線方向に伸縮しにくくなるように構成されている。
【００１８】
図３に示すように、先端硬質部１１は、先端硬質部１１の前方となる観察視野θ1内の光を集光するレンズ１５と、集光された光を受けるＣＣＤ（撮像素子）１６と、ＣＣＤ１６内に設けられた不図示の電子シャッターと、観察視野θ1内に照明光を照射する照明ユニット１７とを備えている。
図４に、照明ユニット１７が照射する照明光の強度分布Ｂ１を示す。図４に示すように、照明ユニット１７は、主に可視光線を照射するように設定されている。
図示はしないが、ＣＣＤ１６には、所定の平面上に多数配置されたフォトダイオードと、不要電荷の排出用のドレインと、電荷の排出を制御する読出しゲートが設けられている。それぞれのフォトダイオードは、自身が受ける光に応じて電荷を蓄積し、多数のフォトダイオードで、受けた光の画像信号を生成する。図５に示すＣＣＤ１６のフォトダイオードの感度特性のように、フォトダイオードは、可視光線だけでなく近赤外線も検出できるように設定されている。
読出しゲートは、ＣＣＤ１６に取り付けられた不図示のパルス発生部が発生させる読出ゲートパルスにより駆動され、読出ゲートパルスにより規定された期間だけフォトダイオードに電荷を蓄積させ、それ以外の期間は、電荷をドレインに掃き捨てることができる。このように、読出しゲートおよびパルス発生部が電子シャッターとして機能し、読出しゲートは、読出ゲートパルスに基づいてフォトダイオードが電荷を蓄積する時間を調節する。
【００１９】
湾曲部１２の先端側には、不図示の操作ワイヤの先端部が接続されている。操作ワイヤは可撓管部１３内を通して基端側に延び、操作ワイヤの基端部は内視鏡操作部８に接続されている。
【００２０】
図２に示すように、内視鏡操作部８には、湾曲部１２を湾曲操作するための湾曲操作ボタン１８と、内視鏡本体９および表示部１０などを操作するための主操作ボタン１９とが設けられている。
湾曲操作ボタン１８を押すと、不図示のモータにより操作ワイヤが牽引され、湾曲部１２が湾曲するように構成されている。
また、主操作ボタン１９を操作すると、内視鏡本体９の後述する処理部２８を動作させる電源のＯＮ／ＯＦＦなどを切り替えることができる。
【００２１】
図３に示すように、内視鏡本体９は、ケーシング２３と、ケーシング２３に内蔵され照明ユニット１７を制御する照明制御部２４、ＣＣＤ１６が生成した画像信号から画像を取得する画像処理部２５、後述する仮想位置を求める照射位置算出部２６、画像を記録する画像記録部２７、内視鏡本体９全体としての制御処理を行う処理部２８、および挿入部２や表示部１０などに電力を供給する電源部２９とを有している。
照明制御部２４、画像処理部２５は、内視鏡操作部８を介して、照明ユニット１７、ＣＣＤ１６にそれぞれ電気的に接続されている。画像処理部２５、照射位置算出部２６、画像記録部２７は、この順で接続されている。そして、処理部２８は、照明制御部２４、照射位置算出部２６および画像記録部２７と電気的に接続されている。
【００２２】
画像処理部２５は、ＣＣＤ１６が生成した画像信号を、たとえば、３０分の１秒などの、所定の時間間隔ごとに読み出して処理し、フレーム（画像）を連続させた動画像を取得する。
後述するように、ガイドチューブ装置５に設けられた距離測定部４８は、測定対象物Ｗの照射位置Ｐ１までの距離を算出する。照射位置算出部２６は、この算出された距離に基づいてフレーム中における照射位置Ｐ１に対応する仮想位置を求める。照射位置算出部２６が仮想位置を求める手順については、後で詳しく説明する。
画像記録部２７は、不図示のメモリーを備えていて、画像処理部２５が取得した動画像のそれぞれのフレームを、後述する測定対象物Ｗまでの距離、挿入部２の先端側の向き、挿入部２の先端側の位置と対応づけて記録する。
処理部２８は、パルス発生部が発生する読出ゲートパルスを規定する命令を送信したりするなどの、各種制御処理を行う。
ケーシング２３の外面には、処理部２８および電源部２９に電気的に接続されたコネクタ３０と、ガイドチューブ装置５の先端側を所定の位置に係止する係止部３１とが取付けられている。
【００２３】
図２に示すように、表示部１０は、ケーシング２３に着脱自在に配設されている。表示部１０は、動画像などを表示するＬＣＤ３２と、コネクタ３０に着脱可能な配線３３とを有している。
配線３３をコネクタ３０に接続することで、表示部１０は電源部２９から所定の電力を供給されるとともに、処理部２８から送信された動画像などをＬＣＤ３２に表示することができる。
【００２４】
図６に示すように、ガイドチューブ装置５は、可撓性を有する材料で形成されたチューブ本体３７と、チューブ本体３７の基端側に接続され内視鏡操作部８に着脱可能なチューブ接続部３８とを有している。
チューブ本体３７は、先端側に設けられたリング状のベース部材３９、第一可撓管部４０、および第二可撓管部４１を先端側から基端側に順に接続して構成されている。
ベース部材３９、第一可撓管部４０、および第二可撓管部４１には、前述のチャンネル４が形成されている。
なお、チューブ接続部３８が内視鏡操作部８に取付けられる挿入部２の軸線回りの向きは、一定になるように規制されている。
【００２５】
図３に示すように、ベース部材３９には、チューブ接続部３８の後述する通信制御部５５との間で信号の送受信を行う通信制御部４２と、測定対象物Ｗまでの距離を測定する距離測定部４８と、ベース部材３９の向きを測定する姿勢センサ（姿勢測定部）４９ａおよびベース部材３９の位置を測定する位置センサ（位置測定部）４９ｂを有する観察方向検出部４９とが配置されている。チャンネル４に挿入部２を挿通してチューブ接続部３８を内視鏡操作部８に取付けたときに、距離測定部４８および観察方向検出部４９は、湾曲部１２より先端側に位置する先端領域Ｈ内に配置されるように設定されている。
本実施形態では、距離測定部４８として、観察視野θ1内に存在する測定対象物Ｗ上の照射位置Ｐ１にレーザー光を照射してから、照射位置Ｐ１で反射されて検出するまでの時間に基づいてレーザー光を検出することで照射位置Ｐ１までの距離を測定するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）型の距離センサが用いられている。
【００２６】
距離測定部４８は、レーザー光（位置検出光）Ｌ１を前方に照射する投光部４３と、通信制御部４２からの信号に基づいて投光部４３を制御する光制御部４４と、測定対象物Ｗで反射されたレーザー光Ｌ１を受ける受光部４５と、受光部４５で検出したレーザー光Ｌ１の信号を増幅する戻光検出部４６と、投光部４３から測定対象物Ｗまでの距離を算出する距離算出部４７とを備えている。
投光部４３および受光部４５は、ベース部材３９の先端面に露出した状態で配置されている。一方で、本実施形態では、通信制御部４２、光制御部４４、戻光検出部４６、距離算出部４７、および観察方向検出部４９は、ベース部材３９に内蔵されている。
図４に、投光部４３が照射するレーザー光Ｌ１の強度分布Ｂ２を示す。図４に示すように、投光部４３は、主に近赤外線を照射するように設定されている。また、受光部４５も主に近赤外線を受けるように設定されている。
【００２７】
図３に示すように、投光部４３は、ベース部材３９の軸線Ｃ１とほぼ平行にレーザー光Ｌ１を照射するように設定されている。そして、投光部４３が測定対象物Ｗにレーザー光Ｌ１を照射する照射位置Ｐ１は、レンズ１５の観察視野θ1内に位置するように調節されている。
光制御部４４は、通信制御部４２と電気的に接続されていて、通信制御部４２から受信された信号に基づいて、投光部４３への電力の供給状態を切替える。
受光部４５には１次元ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）やＣＣＤなどの、光を受ける方向を検出することができる素子を適宜選択して用いることができる。距離算出部４７は、投光部４３でレーザー光Ｌ１が照射された時から反射されたレーザー光Ｌ１が受光部４５で受光される時までの時間差に基づいて、投光部４３から測定対象物Ｗの照射位置Ｐ１までの距離を算出し、その結果を信号として通信制御部４２に送信する。
【００２８】
姿勢センサ４９ａとしては、たとえば、加速度センサやジャイロスコープなどを、位置センサ４９ｂとしては、加速度センサ、および加速度センサで検出される加速度を積分して位置を算出する装置を組み合わせたものを、それぞれ用いることができる。
これまで説明した距離測定部４８、姿勢センサ４９ａ、および位置センサ４９ｂとしては、上述のような公知のセンサを適宜用いることができる。
通信制御部４２は、距離を算出した結果を表す信号、姿勢センサ４９ａで測定されたベース部材３９の向きを表す信号、および、位置センサ４９ｂで測定されたベース部材３９の位置を表す信号を、チューブ本体３７内を通る電線５０を介して通信制御部５５に送信する。通信制御部４２は、通信制御部４２に接続される電線５０の本数を、たとえば３本に低減するために、複数の信号を１つの信号に重畳したり分離したりする処理を行う。
【００２９】
第一可撓管部４０および第二可撓管部４１は、公知の構成のものであるので、図示せずにその構成の概要を説明する。
第一可撓管部４０は、管状に形成された内部材と、内部材の外周面に同軸に取付けられた外部材とを備えている。
内部材および外部材は、たとえば、樹脂材料などで形成することができ、本実施形態では、硬度が５０〜６０程度のウレタンでそれぞれ形成されている。内部材と外部材との間には、前述の電線５０が配置されている。
内部材および外部材は一体に形成され、チューブ接続部３８を内視鏡操作部８に取付けたときに、第一可撓管部４０が挿入部２の湾曲部１２に対応する位置、すなわち湾曲部１２の径方向外側に配置されるように構成されている。
【００３０】
第二可撓管部４１は、金属製のコイルと、コイルの外周面に設けられたプラスチック製の防水チューブとを有している。
コイルと防水チューブとの間には、電線５０が配置され、電線５０の基端側は、図６に示すように、保護部材５１内を通してチューブ接続部３８に接続されている。
以上のように構成された第一可撓管部４０および第二可撓管部４１において、本実施形態では、第一可撓管部４０の方が第二可撓管部４１より曲げ剛性が小さくなるように設定されている。
【００３１】
図３および図６に示すように、チューブ接続部３８は、接続ケーシング５４と、接続ケーシング５４内に収容された通信制御部５５、通信制御部５５に接続され距離測定部４８を制御する測定状態制御部５６、および距離測定部４８などに電力を供給する電力供給部５７と、接続ケーシング５４の表面に取付けられた固定治具５８と、測定状態制御部５６および電力供給部５７に電気的に接続された配線５９とを備えている。
通信制御部５５は、通信制御部４２と同様に信号の重畳、分離処理を行う。
通信制御部５５および電力供給部５７は、電線５０の基端にそれぞれ接続されている。
以上のように構成されたチューブ本体３７は、チューブ本体３７の軸線回りに捻りにくく、チューブ本体３７の軸線方向に伸縮しにくくなるように構成されている。
【００３２】
次に、距離測定部４８で測定した測定対象物Ｗまでの距離、観察方向検出部４９で測定されたベース部材３９の向きおよびベース部材３９の位置から、測定対象物Ｗの照射位置Ｐ１の位置を求める原理について説明する。
係止部３１にガイドチューブ装置５の先端側が係止された状態で内視鏡操作部８の主操作ボタン１９を操作すると、処理部２８は、係止部３１に係止された状態での姿勢センサ４９ａの向き、および位置センサ４９ｂの位置を初期状態として記憶する。
そして、使用者が内視鏡システム１を押し込んだり、湾曲部１２を湾曲させたりして操作して、挿入部２の先端を測定対象物Ｗに近づけ、図７に示すように、内視鏡本体９に設定されたグローバル座標系Σgに対して、挿入部２の先端面に設定されたセンサ座標系Σsが移動した場合で説明する。グローバル座標系Σgは、ｘg軸、ｙg軸、およびｚg軸による直交座標系であり、センサ座標系Σsは、ｘs軸、ｙs軸、およびｚs軸による直交座標系であるものとする。
【００３３】
この場合、センサ座標系Σsからグローバル座標系Σgへの変換行列Ａsは、姿勢センサ４９ａで測定されるベース部材３９の向き、および位置センサ４９ｂで測定されるベース部材３９の位置の関数となる。そして、グローバル座標系Σg、センサ座標系Σs、および変換行列Ａsの関係は（１）式のように表される。
Σg＝ＡsΣs  ・・（１）
【００３４】
そして、測定対象物Ｗ上にオブジェクト座標系Σoを設定する。オブジェクト座標系Σoは、ｘo軸、ｙo軸、およびｚo軸による直交座標系であるものとする。
この場合、オブジェクト座標系Σoからセンサ座標系Σsへの変換行列ＡLは、距離測定部４８で測定される測定対象物Ｗまでの距離の位置の関数となる。そして、センサ座標系Σs、オブジェクト座標系Σo、および変換行列ＡLの関係は（２）式のように表される。
Σs＝ＡLΣo  ・・（２）
（１）式および（２）式から（３）式が導かれる。
Σg＝ＡsＡLΣo  ・・（３）
【００３５】
そして、オブジェクト座標系Σoにおける座標Ｐo（Ｘo、Ｙo、Ｚo）を（３）式で変換することで、グローバル座標系Σgにおける座標Ｐg（Ｘg、Ｙg、Ｚg）を算出することができる。
【００３６】
【数１】
0005537250.tif 000002
【００３７】
次に、照射位置算出部２６が求める仮想位置について説明する。
前述のように、ＣＣＤ１６は、光を受けて生じた電荷を蓄積する状態（以下では、説明の便宜のため「開状態」と称する。）と、光を受けて生じた電荷を蓄積せずに掃き捨てる状態（以下では、説明の便宜のため「閉状態」と称する。）とに交互に切り替えられる。
レーザー光Ｌ１が照射された照射位置Ｐ１は周囲に比べて明るくなり、表面を観察しにくくなるので、レーザー光Ｌ１が照射された照射位置Ｐ１の光スポットの像がフレームに入らないように、開状態中はレーザー光Ｌ１を照射しないように制御される場合がある。
しかし、光スポットの像の位置が測定対象物Ｗにおける投光部４３からの距離が測定された位置なので、使用者が挿入部２の周囲の形状を正確に認識できるようにするために、以下のように表示することがある。すなわち、画像中における照射位置に対応する仮想位置を、ＬＣＤ３２に表示されたフレーム中に、仮想位置の周囲の測定対象物Ｗが認識しにくくならない程度に表示する。その表示は、たとえば、図８に示す十字印Ｇのようである。
【００３８】
次に、照射位置算出部２６が仮想位置を求める原理について説明する。なお、図９はレンズ１５の光軸Ｃ２に直交する方向から見た図、図１０はレンズ１５の光軸Ｃ２に平行な方向から見た図となっている。また、以下では、レーザー光Ｌ１が光軸Ｃ２と平行に照射されていて、光スポットの像がＣＣＤ１６による矩形状の撮像範囲の対角線上の所定の位置に照射される場合を例にとって説明する。
図９および図１０に示すように、投光部４３から不図示の測定対象物Ｗの照射位置Ｐ１までの距離がＤ1ときは、観察視野θ1に対応して、光軸Ｃ２に直交する方向から見た範囲Ｒ11、光軸Ｃ２に平行な方向から見た範囲Ｒ12の一部となる矩形状の撮像範囲Ｒ13がＣＣＤ１６により画像信号に変換される。同様に、投光部４３から測定対象物Ｗの照射位置Ｐ１までの距離がＤ2ときは、観察視野θ1に対応して、光軸Ｃ２に直交する方向から見た範囲Ｒ21、光軸Ｃ２に平行な方向から見た範囲Ｒ22の一部となる矩形状の撮像範囲Ｒ23がＣＣＤ１６により画像信号に変換される。
【００３９】
ここで、光軸Ｃ２からレーザー光Ｌ１までの距離をｒLとする。また、図１１（ａ）に示すようにＬＣＤ３２の中心Ｕから隅部までの距離をＲFとする。
挿入部２およびチューブ本体３７は、軸線回りに捻りにくくなるように構成されているとともに、チューブ接続部３８が内視鏡操作部８に取付けられる向きは、一定になるように規制されている。このため、図１１（ａ）に示す距離Ｄ1に対応する仮想位置Ｑ１、および図１１（ｂ）に示す距離Ｄ2に対応する仮想位置Ｑ２は、中心Ｕおよび撮像範囲の隅部を通る直線Ｍ上に配置される。さらに、照射位置Ｐ１までの距離がＤ1からＤ2と長くなるのにしたがって、フレーム中の仮想位置は、Ｑ１からＱ２とフレームの中心Ｕに近づく。
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、中心Ｕから仮想位置Ｑ１までの距離をｒU1、中心Ｕから仮想位置Ｑ２までの距離をｒU2とする。
【００４０】
フレームに中心Ｕを通り互いに直交するＸ軸およびＹ軸を設定し、Ｘ軸の正の方向から直線Ｍまでの中心Ｕ回りの角度をθLとする。
このとき、オブジェクト座標系Σoにおける照射位置Ｐ１の座標Ｐoは、（５）式のように表される。
【００４１】
【数２】
0005537250.tif 000003
【００４２】
また、センサ座標系Σsにおける照射位置Ｐ１の座標Ｐsは、（６）式のように表される。
【００４３】
【数３】
0005537250.tif 000004
【００４４】
一方で、レンズ１５の歪曲収差はないとすると、（７）式および（８）式のようになる。なお、図９における距離Ｄは距離Ｄ1、Ｄ2を一般化したものであり、距離ｒUは距離ｒU1、ｒU2を一般化したものである。
【００４５】
【数４】
0005537250.tif 000005
【００４６】
（７）式および（８）式より、Ｃを定数として（９）式が導かれる。
【００４７】
【数５】
0005537250.tif 000006
【００４８】
したがって、フレーム中の仮想位置Ｑは（１０）式のように表される。
【数６】
0005537250.tif 000007
【００４９】
次に、以上のように構成された内視鏡システム１の動作について説明する。
まず、使用者は、ガイドチューブ装置５のチャンネル４に内視鏡３の挿入部２を挿通させるとともに、固定治具５８を内視鏡操作部８に装着することによりチューブ接続部３８を挿入部２に取付け、距離測定部４８および観察方向検出部４９が先端領域Ｈ内に配置されるように調節する。そして、コネクタ３０に配線５９を接続し、ガイドチューブ装置５の先端側を係止部３１に係止しておく。
続いて、図１２に示すように、主操作ボタン１９が操作されて処理部２８の電源がＯＦＦになり、処理部２８が停止中の状態（ステップＳ１）から、主操作ボタン１９を操作して電源をＯＮにすると、処理部２８は動作中であるが距離測定部４８は停止中の状態となる（ステップＳ２）。また、主操作ボタン１９を操作して電源をＯＦＦにすると、再び、処理部２８が停止中の状態（ステップＳ１）となる。
【００５０】
処理部２８は動作中であるが距離測定部４８は停止中の状態（ステップＳ２）において、主操作ボタン１９を操作して測定対象物Ｗまでの距離測定機能の起動要求を出すと、以下に説明するようなライブ状態になる。
ライブ状態では、処理部２８は、照明制御部２４により照明ユニット１７から照明光を照射させるとともに、図１３に示すように、ＣＣＤ１６を所定時間開状態とし、さらに開状態の後でＣＣＤ１６を所定時間閉状態として、合計で一定の時間間隔ΔＴ１の間でＣＣＤ１６を開状態にしてさらに開状態とする作業を繰り返し、さらに、測定状態制御部５６に第一の距離検出モードを実行するように命令する（ステップＳ３）。なお、時間間隔ΔＴ１は、たとえば、３０分の１秒などに設定される。
測定状態制御部５６は、第一の距離検出モードにおいて、ＣＣＤ１６が閉状態にあるときに、距離測定部４８によりレーザー光Ｌ１を照射させ、時刻Ｔ１１において測定対象物Ｗ上の照射位置Ｐ１までの距離を検出する。
レーザー光Ｌ１は、ＣＣＤ１６が閉状態であるとき、すなわち、ＣＣＤ１６が電荷を蓄積せずに掃き捨てる状態のときに照射されるので、フレーム中に光スポットの像が入らない。
【００５１】
さらに、照射位置算出部２６は、距離測定部４８が算出した投光部４３から照射位置Ｐ１までの距離に基づいて仮想位置を求める。そして、ＣＣＤ１６が開状態となり画像信号を読み出してフレームを取得した時刻Ｔ１３において、図６に示すように、ＬＣＤ３２に表示された測定対象物Ｗの像とともに、仮想位置を十字印Ｇのように表示する。
【００５２】
一方で、姿勢センサ４９ａはベース部材３９の向きを、位置センサ４９ｂはベース部材３９の位置を、時間間隔ΔＴ１とは無関係に、たとえば、ΔＴ１の２倍である時間間隔ΔＴ２ごとに、それぞれ繰り返し測定する。
処理部２８は、さらに、図７および図１３に示すように、フレームを取得した時刻Ｔ１３より前であって最新の時刻Ｔ１１において測定した照射位置Ｐ１までの距離Ｅ１、時刻前記Ｔ１３より前であって最新の時刻Ｔ１４に測定したベース部材３９の位置Ｅ２および向きＥ３と対応づけて、時刻Ｔ１３に取得したフレームＥ４をＬＣＤ３２に表示する。
これら、フレームと対応づけられた仮想位置、照射位置Ｐ１までの距離Ｅ１、ベース部材３９の位置Ｅ２および向きＥ３は画像記録部２７へ時刻Ｔ１５に記録される。
【００５３】
ＬＣＤ３２への表示および画像記録部２７への記録は、時間間隔ΔＴ１ごとに繰り返して行われる。
主操作ボタン１９を操作して距離測定機能の停止要求を出すと、処理部２８は動作中であるが距離測定部４８は停止中の状態（ステップＳ２）となる。
【００５４】
距離測定機能が動作しているライブ状態（ステップＳ３）において、主操作ボタン１９を操作して静止画像の撮影要求を出すと、以下に説明するような静止画像撮影状態になる。
静止画像撮影状態において、処理部２８は、画像記録部２７に命令して、時刻Ｔ１３に取得したフレームと対応づけて、時刻Ｔ１３より前であって最新の時刻Ｔ１１において測定した照射位置Ｐ１までの距離、前記時刻Ｔ１１において測定した距離に基づいて求められた仮想位置、そして前記時刻Ｔ１３より前であって最新の時刻Ｔ１４に測定したベース部材３９の位置および向きを記録させる（ステップＳ４）。
このとき、画像記録部２７には、図１４に示すように、フレームの画像データ、照射位置Ｐ１までの距離のデータ、フレーム上の仮想位置の座標を表すデータ、ベース部材の位置を表すデータ、およびベース部材の向きを表すデータが対応づけられたデータセット１が記録される。
画像記録部２７への記録が終了すると、撮影終了となって自動的にライブ状態（ステップＳ３）となる。
静止画像の撮影要求が出されるたびに、図１４に示すように画像記録部２７へデータセット２、データセット３、‥、が順に記録されていく。なお、各データセットは、同じデータ構造となっている。
【００５５】
このように、使用者は、ＬＣＤ３２の表示を見て挿入部２の前方を確認しながら、挿入部２を狭窄路内に挿入していく。必要に応じて、湾曲操作ボタン１８を操作して挿入部２の湾曲部１２を湾曲操作するが、湾曲部１２の径方向外側に第一可撓管部４０が配置されているので、湾曲部１２を支障なく湾曲操作することができる。
使用者は、挿入部２の先端を狭窄路内の所望の位置まで挿入し、ＬＣＤ３２に表示されるフレームＥ４、仮想位置を表す十字印Ｇ、照射位置Ｐ１までの距離Ｅ１、およびベース部材３９の位置Ｅ２および向きＥ３を参考にしながら周囲の状況を観察する。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態の内視鏡システム１によれば、ＣＣＤ１６が電荷を蓄積していないときに距離測定部４８によりレーザー光Ｌ１を照射させ、測定対象物Ｗ上の照射位置Ｐ１までの距離を検出することで、光スポットの像の無い画像を取得することができる。
また、従来は、光スポットの像が入った測定対象物Ｗの画像を取得して照射位置までの距離を算出してから光スポットの像の無い画像を取得していたので、照射位置までの距離を検出してから光スポットの像の無い画像を取得するのに、前記時間間隔ΔＴ１に相当する時間を要していた。これに対して、本実施形態の内視鏡システム１は、ＣＣＤ１６とは別に受光部４５を備えているので、ＣＣＤ１６が閉状態のときに照射位置Ｐ１までの距離を検出する。このため、照射位置Ｐ１までの距離を検出してから、この距離に対応づけられる光スポットの像の無い画像を取得するまでに要する時間を、たとえば、開状態の間隔程度までに短縮させることができる。
【００５７】
内視鏡３は画像記録部２７を有するので、照射位置Ｐ１までの距離と対応づけた画像を、画像記録部２７に記録することができる。
そして、内視鏡３は仮想位置を求める照射位置算出部２６を有し、画像記録部２７は、それぞれの画像を仮想位置に対応づけて記録する。このため、光スポットの像の無い静止画像であっても、距離が測定された部分を確認することで、挿入部２の周囲の形状を正確に認識することができるとともに、その結果を画像記録部２７に記録することができる。
【００５８】
ガイドチューブ装置５には姿勢センサ４９ａが備えられ、画像記録部２７は、それぞれの画像を、ベース部材３９の向きと対応づけて記録する。したがって、画像が取得されたときの先端硬質部１１の向きを知ることで、挿入部２の周囲の形状をより正確に認識することができるとともに、その結果を画像記録部２７に記録することができる。
また、ガイドチューブ装置５には位置センサ４９ｂが備えられ、画像記録部２７は、それぞれの画像を、ベース部材３９の位置と対応づけて記録する。したがって、画像が取得されたときの先端硬質部１１の位置を知ることで、挿入部２の周囲の形状を正確に認識することができるとともに、その結果を画像記録部２７に記録することができる。
【００５９】
なお、本実施形態では、光スポットの像がＣＣＤ１６による矩形状の撮像範囲の対角線上の所定の位置に照射される場合を例にとって説明したが、光スポットの像が撮像範囲の対角線上以外の位置に照射される場合でも、仮想位置を同様に求めることができる。
また、（１０）式は用いずに、予め、投光部４３からの距離に対するフレーム中の仮想位置の関係を、実際に測定することにより図１５に示すように求めておく。そして、距離測定部４８により投光部４３から測定対象物Ｗまでの距離を求めることで、図１５の関係からフレーム中の仮想位置を予測するように構成してもよい。
【００６０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態の内視鏡システムは、上記第１実施形態の内視鏡システム１と同一の構成を有していて、測定状態制御部５６の制御方法のみ異なるものである。
測定状態制御部５６は、上記第１実施形態の第一の距離検出モードだけでなく、ＣＣＤ１６が電荷を蓄積しているときに距離測定部４８により、測定対象物Ｗ上の照射位置Ｐ１にレーザー光Ｌ１を照射させ、測定対象物Ｗ上の照射位置Ｐ１までの距離を検出する第二の距離検出モードを有している。
【００６１】
本実施形態では、測定状態制御部５６は不図示のメモリーを備えていて、測定対象物Ｗの照射位置Ｐ１までの距離に対して複数の範囲が設定され、これらの範囲がメモリーに記憶されている。そして、その距離が設定された複数の範囲間で変化したときに、光スポットの像が入ったフレームを１つだけ取得するように設定されている。
具体的には、図１６に示すように、０以上Ｌａ未満の距離が範囲Ｒａ、Ｌａ以上Ｌｂ未満の距離が範囲Ｒｂ、Ｌｂ以上の距離が範囲Ｒｃ、とそれぞれ設定されているものとする。そして、測定対象物Ｗの照射位置Ｐ１までの距離が属する範囲が、範囲Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃの、いずれか１つの範囲から他の１つの範囲に移ったときに、第二の距離検出モードとなり、光スポットの像が入ったフレームを１つ取得して再び第一の距離検出モードに移行する。
【００６２】
次に、以上のように構成された内視鏡システムの動作について、上記第１実施形態の内視鏡システム１と異なる点に重点をおいて説明する。
時刻Ｔ２１において範囲Ｒａに入っていた照射位置Ｐ１までの距離が、時刻Ｔ２２において範囲Ｒｂに移ったことを検出すると、測定状態制御部５６は、第一の距離検出モードから第二の距離検出モードに切り替える。
すると、時刻Ｔ２２の直後として時刻Ｔ２３に取得されるフレームは、ＣＣＤ１６が開状態にあるときにレーザー光Ｌ１を照射させながら取得するので、光スポットの像が入ったものになる。
光スポットの像が入ったフレームは、時刻Ｔ２４に距離算出部４７により求められた投光部４３から測定対象物Ｗまでの距離と対応づけられ、時刻Ｔ２５に画像記録部２７に記録される。
【００６３】
この後で、測定状態制御部５６は第二の距離検出モードから第一の距離検出モードに切り替わり、時刻Ｔ２６から時刻Ｔ２７にかけて照射位置Ｐ１までの距離が属する範囲が移ったことを検出すると、時刻Ｔ２７において再び第二の距離検出モードに切り替わる。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態の内視鏡システムによれば、測定対象物Ｗに光スポットの像の無いフレームを生成するとともに、測定対象物Ｗまでの距離を測定してから、この距離に対応づけられる光スポットの像の無いフレームを取得するまでに要する時間を短縮させることができる。
さらに、測定状態制御部５６は第一の距離検出モードと第二の距離検出モードとを有しているので、フレーム中に光スポットの像を入れて、仮想位置が測定対象物Ｗにおける距離を測定した部分の位置と対応しているか確認することができる。
【００６５】
以上、本発明の第１実施形態および第２実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更等も含まれる。
たとえば、上記第１実施形態および第２実施形態では、内視鏡システムが挿入される狭窄路がほぼ直線状である場合には、姿勢センサ４９ａおよび位置センサ４９ｂは備えられなくてもよい。
予め、操作ワイヤを牽引する量と湾曲部１２および第一可撓管部４０が湾曲する量との関係を求めておけば、ベース部材３９の向きが分かる。さらに、狭窄路がほぼ直線状である場合には、内視鏡システムを挿入した長さとベース部材３９の位置が対応するからである。
【００６６】
この場合、図１７に示すように、内視鏡本体９に設定されたグローバル座標系Σgから、湾曲部１２の基端部に設定された座標系ΣTへの変換行列ＡTの関係は（１１）式のように表される。ただし、座標系ΣTは、ｘT軸、ｙT軸、およびｚT軸による直交座標系であるものとする。
Σg＝ＡTΣT  ・・（１１）
座標系ΣTからセンサ座標系Σsへの変換行列Ａsは、湾曲部１２の湾曲形状から求められるものであり、（１２）式のように表される。
ΣT＝ＡsΣs  ・・（１２）
（２）式、（１１）式および（１２）式から（１３）式が導かれる。
Σg＝ＡTＡsＡLΣo  ・・（１３）
【００６７】
また、上記第１実施形態および第２実施形態では、姿勢センサ４９ａおよび位置センサ４９ｂは、ガイドチューブ装置５に備えられているとしたが、それぞれのセンサは、内視鏡３に備えられていてもよい。
上記第１実施形態および第２実施形態では、撮像素子としては、ＣＣＤ１６以外にも、ＭＯＳやＣＩＤなどの公知の２次元型撮像デバイスを用いることができる。
【００６８】
また、上記第１実施形態および第２実施形態では、画像を記録する必要がない場合には、画像記録部２７は備えられなくてもよい。
仮想位置をＬＣＤ３２に表示する必要の無い場合には、照射位置算出部２６は備えられなくてもよい。
さらに、上記第１実施形態および第２実施形態では、撮像素子としてＣＣＤ１６を用いたが、ＣＣＤ１６に代えてＣＭＯＳなどのセンサを用いてもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１    内視鏡システム
２    挿入部
３    内視鏡
４    チャンネル
５    ガイドチューブ装置
１６  ＣＣＤ（撮像素子）
１７  照明ユニット
２５  画像処理部
２６  照射位置算出部
２７  画像記録部
４８  距離測定部
４９ａ  姿勢センサ（姿勢測定部）
４９ｂ  位置センサ（位置測定部）
５６  測定状態制御部
Ｌ１  レーザー光（位置検出光）
Ｐ１  照射位置
Ｑ１、Ｑ２  仮想位置
Ｗ    測定対象物
θ1  観察視野
【図１】
0005537250.tif 000008
【図２】
0005537250.tif 000009
【図３】
0005537250.tif 000010
【図４】
0005537250.tif 000011
【図５】
0005537250.tif 000012
【図６】
0005537250.tif 000013
【図７】
0005537250.tif 000014
【図８】
0005537250.tif 000015
【図９】
0005537250.tif 000016
【図１０】
0005537250.tif 000017
【図１１】
0005537250.tif 000018
【図１２】
0005537250.tif 000019
【図１３】
0005537250.tif 000020
【図１４】
0005537250.tif 000021
【図１５】
0005537250.tif 000022
【図１６】
0005537250.tif 000023
【図１７】
0005537250.tif 000024