(57)【要約】  本発明は、内視鏡のヘッドを支持もしくは形成し、光学システムを備えて、互いに垂直な少なくとも２つの方向に湾曲もしくは撓むことが可能な、可撓性の端部区間を有する細長い柔軟な本体を含み、この細長い本体がその他端で、少なくとも上記端部区間の動きおよび／または構成を制御可能な制御手段に機能的に接続されている、可撓性の内視鏡装置を目的とする。この装置（１）は、また、ビジュアルサーボ制御により端部区間（３）を撓ませて自動的に位置決めする手段を含み、これらの手段が、主に、内視鏡のヘッド（３’）の光学システム（４）により供給されるビデオ画像またはビデオ信号を受信するビデオ処理手段（６）と、処理されたビデオ信号に基づいてビジュアルサーボ制御操作を実施可能で制御信号を供給する情報処理手段（７）と、端部区間（３）を制御可能な制御手段（６）の一部をなすかもしくはこの手段に結合されて情報処理手段（７）により供給される制御信号を受信するアクチュエータ手段（８、８’）とから構成されることを特徴とする。
2010518954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内視鏡のヘッドを支持もしくは形成し、光学システムを備えて、互いに垂直な少なくとも２つの方向に湾曲もしくは撓むことが可能な、可撓性の端部区間を有する細長い柔軟な本体を含み、前記細長い本体がその他端で、少なくとも前記端部区間の動きおよび／または構成を制御可能な制御手段に機能的に接続されている、可撓性の内視鏡装置であって、この装置（１）が、また、ビジュアルサーボ制御により端部区間（３）を自動的に配向および位置決めする手段を含み、これらの手段が、主に、内視鏡のヘッド（３’）の光学システム（４）により供給されるビデオ画像またはビデオ信号を受信するビデオ処理手段（６）と、処理されたビデオ信号に基づいてビジュアルサーボ制御操作を実施可能でかつ制御信号を供給する情報処理手段（７）と、端部区間（３）を制御可能な制御手段（５）の一部をなすかもしくはこの手段に結合されて情報処理手段（７）により供給される制御信号を受信するアクチュエータ手段（８、８’）とから構成されることを特徴とする、装置。
【請求項２】
端部区間（３）を撓ませて自動的に位置決めする手段（６、７、８、８’、１２、１２’）が、基準画像（１０）から抽出された目標可視エレメントまたは目標可視情報エレメントと、内視鏡のヘッド（３’）の光学システム（４）により供給される現在の画像（１０’）から抽出された対応する可視エレメントまたは可視情報エレメントとの間で、誤差または同様の相違度の測定を最小化するための少なくとも１つのサーボ制御ループ（９）を形成するように機能的に構成されており、前記誤差が、少なくとも１つの方向に従って前記端部区間（３）の動きおよび位置決めを制御する１つまたは複数のアクチュエータ手段（８、８’）に制御信号を送るために利用されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
可視エレメントまたは可視情報エレメントが、可視パターンと、基準画像（１０）および光学システム（４）により供給される現在の画像（１０’）から、場合によってはそれらの適切な処理後にそれぞれ得られる画像縮小および画像部分もしくは画像ゾーンとからなる群より選択されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
情報処理手段（７）が、適切なプログラムの実行により、リアルタイムすなわち少なくともビデオ画像の供給速度で、基準画像（１０）から得られた縮小画像または小画像（Ｔ＊）と、内視鏡のヘッド（３’）から供給されて現在の近似変換により処理される現在の画像（１０’）から得られる縮小画像または小画像（Ｔ）との間で、コスト関数の最小化に至るように現在の画像（１０’）に適用すべき変換の近似を好適には反復処理により決定することが可能であることを特徴とする、請求項２または３に記載の装置。
【請求項５】
情報処理手段（７）により用いられる最小化アルゴリズムによって、基準画像（１０）および現在の画像（１０’）からそれぞれ得られる可視エレメントまたは可視情報エレメント（Ｔ＊およびＴ）の間で２乗誤差によるパラメータの最小化を実施し、近似変換が、例えば一次タイプの平面変換であることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
情報処理手段（７）により用いられる最小化アルゴリズムによって、基準画像（１０）および現在の画像（１０’）からそれぞれ得られる可視エレメントまたは可視情報エレメント（Ｔ＊およびＴ）からヒストグラムを得、このヒストグラム間の相違度の測定の統計的な最小化を実施し、近似変換が、画像平面における並進とズームとからなることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
自動位置決め手段（６、７、８、８’）が、２次元のビジュアルサーボ制御ループとして構成され、内視鏡のヘッド（３’）により供給される現在の平面画像（１０’）の２方向に対応する互いに垂直な２つの方向のいずれかに応じて、端部区間（３）の動きと位置決めとをそれぞれ制御する２個の独立したアクチュエータ（８および８’）を含むことを特徴とする、請求項２から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
各アクチュエータ手段（８、８’）に対して、独立したサーボ制御ループが設けられていることを特徴とする、請求項２から７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
サーボ制御ループ（９）の一部をなすコントローラまたはコレクタ（１１）が、比例タイプ、比例／積分／微分タイプ、および予想または反復タイプのコントローラからなる群より選択されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
制御手段（５）が、互いに垂直な２つの撓み方向の一方に従って前記端部区間（３）の撓みまたは曲げを制御するために、細長い本体（２）に沿って循環して端部区間（３）に接続される制御ケーブル（１２、１２’）にそれぞれが結合される、２個の同心の制御軸（１３および１３’）を含み、外側の軸（１３）が、中空軸（８”）を有するモータの形態をとる第１のアクチュエータ手段（８）に、前記モータ（８）の中空軸（８”）の延長部分に延びた中央領域で露出されている動力伝達部品（１４）を介して駆動接続され、内側の軸（１３’）が、細長い駆動部品（１４’）を介して、回転軸に沿って第１のモータ（８）と一直線上に揃えられたモータの形態を取る第２のアクチュエータ手段（８’）に駆動接続され、前記細長い駆動部品（１４’）が、第１のモータ（８）をその中空軸（８”）のレベルで貫通することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
２個のモータ（８および８’）が、互いに機械的に組み立てられることにより、支持結合部品（１５）を介して、場合によっては着脱式の機械接続ユニットの形態で、制御手段をなすハンドル（５）に取り付けられる機械化ユニットを形成することを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
アクチュエータ手段（８、８’）が、制御手段（５）をなすハンドル内に直接収容されるモータの形態を有し、端部区間（３）の撓み変形制御ケーブルにそれぞれ駆動接続されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
ビジュアルサーボ制御による自動制御に対して代替あるいは重ねるように、少なくとも１つのアクチュエータ（８、８’）を制御可能な調節つまみ、レバーまたは同等物等の、術者が操作可能な少なくとも１つの部材を含み、前記部材が、ハンドル（５）のレベルに取り付けられるか、またはハンドルに対してオフセットされることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１４】
内視鏡のヘッドを支持もしくは形成し、光学システムを備えて、互いに垂直な少なくとも２つの方向に湾曲もしくは撓むことが可能な、可撓性の端部区間を有する細長い柔軟な本体を主として含み、前記細長い本体がその他端で、少なくとも前記端部区間の動きおよび／または構成を制御可能な制御手段に機能的に接続されている、可撓性の内視鏡装置を用いた、ビジュアルサーボ制御による可撓性内視鏡の安定化方法であって、少なくとも１つのサーボ制御ループ（９）として機能的に構成された端部区間（３）の自動的な配向および位置決め手段（６、７、８、８’）を介して、内視鏡のヘッド（３’）の光学システム（４）により供給される画像の処理と、処理されたビデオ信号に基づくビジュアルサーボ制御操作と、制御手段（５）の一部をなすかこの手段に結合されるアクチュエータ手段（８、８’）への制御信号の生成および供給とを自動的に実施することからなることを特徴とする、方法。
【請求項１５】
サーボ制御操作が、主に、基準画像（１０）から抽出された目標可視エレメントまたは目標可視情報エレメントと、内視鏡のヘッド（３’）の光学システム（４）により供給される現在の画像（１０’）から抽出された対応する可視エレメントまたは可視情報エレメントとの間で、誤差または同様の相違度の測定を最小化することからなり、前記誤差が、少なくとも１つの方向に従って前記端部区間（３）の動きおよび位置決めを制御する１つまたは複数のアクチュエータ手段（８、８’）に制御信号を送るために利用されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
可視エレメントまたは可視情報エレメントが、可視パターンと、基準画像（１０）および光学システム（４）により供給される現在の画像（１０’）から、場合によってはそれらの適切な処理後にそれぞれ得られる画像縮小および画像部分もしくは画像ゾーンとからなる群より選択されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
情報処理手段（７）により行われるサーボ制御操作の範囲で、リアルタイムすなわち少なくともビデオ画像の供給速度で、基準画像（１０）から得られた縮小画像または小画像（Ｔ＊）と、内視鏡のヘッド（３’）により供給された基準画像（１０’）から得られて現在の近似変換により処理された縮小画像または小画像（Ｔ）との間で、コスト関数の最小化に至るように現在の画像（１０’）に適用すべき変換の近似を好適には反復処理により決定することからなることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
基準画像（１０）と現在の画像（１０’）とからそれぞれ得られる可視エレメントまたは可視情報エレメント（Ｔ＊およびＴ）の間で、２乗誤差によるパラメータの最小化を実施する最小化アルゴリズムを用いることからなり、近似変換が、例えば一次タイプの平面変換であることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
基準画像（１０）および現在の画像（１０’）からそれぞれ得られる可視エレメントまたは可視情報エレメント（Ｔ＊およびＴ）からヒストグラムを得、このヒストグラム間の相違度の測定の統計的な最小化を実施する最小化アルゴリズムを用いることからなり、近似変換が、画像平面における並進とズームとからなることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
端部区間（３’）の動きおよび位置決めが、内視鏡ヘッド（３’）から繰り返し供給される現在の平面画像（１０’）の２方向に対応する２つの垂直方向の一方にそれぞれが結合された、２個の独立したアクチュエータ（８および８’）により制御されることを特徴とする、請求項１４から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
２個の連続段階すなわち目標値（ｓｒｅｆ）のマニュアルパラメータ化段階と、誤差の自動ビデオ速度調整段階：ｅ＝（ｓ−ｓｒｅｆ）とを含み、ここで、ｓが、ゼロに向かう目標値に対応する現在の値であることを特徴とする、請求項１４から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
パラメータ化段階が、術者にとって、可撓性内視鏡、特にその自由端（３）の様々な自由度を制御するために、基準画像（１０）から選択される適切な可視指標の形態でサーボ制御ループ（９）の目標値（ｓｒｅｆ）を決定することからなることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
調整段階が、
ａ）基準画像（１０）から選択されて目標値をなす１つまたは複数の可視指標（ｓｒｅｆ）に対応する現在の１つまたは複数の可視指標（ｓ）を、現在の画像（１０’）から抽出するステップと、
ｂ）誤差ｅ＝（ｓ−ｓｒｅｆ）を計算するステップと、
ｃ）誤差（ｅ）を小さくするために、アクチュエータ（８および８’）に付与すべき制御信号、特に速度信号を計算するステップと、
ｄ）制御信号を送信するステップと、
ｅ）光学システムを介して新しい現在の画像（１０’）を収集し、場合によってはこの画像を処理するステップと、
ｆ）ステップａ）に戻るステップと
を周期的に繰り返すことからなることを特徴とする、請求項２１および２２に記載の方法。
【請求項２４】
解剖学的な目標のすぐ近くに人工的な目印を予め設置することからなることを特徴とする、請求項１４から２３のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用の設備器具の分野、特に、手術室、医療調査室、および診察室の設備に関し、特に、ビジュアルサーボ制御式の可撓性内視鏡装置と、このような内視鏡のアクティブな安定化方法とを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
可撓性内視鏡は広く知られており、複数の医療用途でも、診断ならびに手術もしくは手術補助用としても多年にわたって使用されている。
【０００３】
一般に、各々の作業手順では、長さ、直径、挿入端の取り扱いやすさ、組み込み可能な付属物、ツールまたは器具等により特徴づけられ、しかるべく適合された特定の可撓性内視鏡が必要とされる。
【０００４】
一方、現在の可撓性内視鏡のアセンブリでは、次のような少なくとも３つの構成部分を体系的に明らかにすることができる：
調節つまみまたは同等物の形態を取る少なくとも１つ好適には２つの制御部材を備えた、一般には制御ハンドルの形態を取る外部マニュアル制御手段、
通常は断面が円形で、器具または操作ケーブルの通路のための複数の長手方向チャンネルが内部に設けられた柔軟で可撓性の細長い本体、
特に細長い本体の可撓性の端部区間の形態をとり、光学システム（例えばＣＣＤビデオカメラタイプまたは光ファイバビームタイプ）を備え、好適には互いに垂直な少なくとも２つの方向に従って湾曲または撓むことが可能な、内視鏡のヘッドを支持もしくは形成する機能的な挿入端（制御ハンドルの反対側に配置される）。
【０００５】
細長い本体のチャンネルは、また、これらのチャンネルが通じているレベルの端部区間を通って延びる。
【０００６】
内視鏡のヘッドの作動すなわち端部区間の撓み角度は、細長い本体に沿って延びて制御部材に接続される操作ケーブルにより制御される。
【０００７】
患者の体内を進み、それによって内視鏡の軌道を制御するか、または、１つまたは複数の器具を一定ゾーンまたは目標臓器に案内するために、術者は、作動部に搭載された光学システム（ＣＣＤカメラ、光ファイバ）により供給される画像を使用する。背景の照明も同様に、ヘッドをなす端部レベルに通じる光ファイバを介して内視鏡により行われる。術者は、ハンドルを介して細長い本体を操作（並進および回転）することにより内視鏡に能動的に働きかけ、少なくとも２つの直交方向における端部区間の撓みを積極的に制御する。
【０００８】
手術部位に達したら、術者は、例えばピンセット、はさみ、フック、メス、レーザファイバ、あるいはまた針等の器具を、実施すべき手術のタイプに応じて通し、その後、内視鏡の位置を変えずにこれらを互いに交換することができる。
【０００９】
上記の可撓性内視鏡を使用する利点は、ＮＯＴＥＳ（Ｎａｔｕｒａｌ  ＯｒｉｆｉｃｅＴｒａｎｓｌｕｍｉｎａｌ  Ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｃ  Ｓｕｒｇｅｒｙ：経管腔的内視鏡手術）［特にＫＯ  Ｃ．Ｗ．，ＫＡＬＬＯＯ  Ａ．Ｎ．「Ｐｅｒ−ｏｒａｌ  ｔｒａｎｓｇａｓｔｒｉｃ  ａｂｄｏｍｉｎａｌ  ｓｕｒｇｅｒｙ」，Ｃｈｉｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｄｉｇｅｓｔｉｖｅ  Ｄｉｓｅａｓｅｓ，２００６年７月：６７−７０頁参照］と呼ばれる新しい低侵襲性外科技術の範囲において近年さらに明らかにされてきており、この技術は、現在、動物モデルで開発中であって、最初の人体実験の段階にきている。
【００１０】
上記の技術は、生理的開口部（口、次いで胃、肛門、次いで腸など）から内部膜（胃壁、腸壁、膣壁など）を介して腹腔に接近し、卵管結紮、胆嚢切除術、あるいは胃空腸吻合術等の処置を行うことからなる。人間の患者で皮膚を切開しない最初の手術については、次の刊行物に記載されている（Ｊ．Ｍａｒｅｓｃａｕｘ、Ｂ．Ｄａｌｌｅｍａｇｎｅ、Ｓ．Ｐｅｒｒｅｔｔａら「Ｒｅｐｏｒｔ  ｏｆ  ｔｒａｎｓｌｕｍｉｎａｌ  ｃｈｏｌｅｃｙｓｓｔｅｃｔｏｍｙ  ｉｎ  ａ  ｈｕｍａｎ  ｂｅｉｎｇ」，Ａｒｃｈｉｖｅｓ  ｏｆ  Ｓｕｒｇｅｒｙ，２００７年、１４２（９）：８２３−８２６頁）。
【００１１】
最初の経管腔的外科実験は、それまでは胃管にある疾病の診断および治療の役割をしてきた内視鏡ツールを伴う従来の可撓性内視鏡を用いることによって可能にされた。しかし、これらの器具は、上記のような新しい技術には適していない。
【００１２】
このような可撓性内視鏡を利用する際に遭遇する主要な問題の１つは、剛性の接続手段がないために内視鏡の柔軟な部分を直接かつ絶対的に制御できないことによる。その形態と位置は、解剖学的制約（ｃｏｎｔｒａｉｎｔｅ）（食道、胃）によって、すなわち、内視鏡が接触する解剖学的な構造と、重力の影響とによって決定される。
【００１３】
内視鏡が患者の体内に入ると、その形態が術者には分からなくなる。術者は、例えば周囲の解剖学的な構造を押して内視鏡をガイドしなければならず、これらの構造は、しばしばそれ自体が定まったものではない。
【００１４】
目標ゾーンに達すると、術者は、所望の動きを行うために様々な動作を組み合わせなければならない。
【００１５】
図１に示したように、可能な動作は、調節つまみの回転と、内視鏡本体の完全な位置に依存する一方向における内視鏡の前進／後退（Ａ／Ｒ）と、内視鏡本体の回転Ｒとである。患者の体内における内視鏡の位置は分からないので、内視鏡本体の動きが及ぼす影響は画像レベルでは予想しにくい。しかも、調節つまみの回転は確実に制御可能な動作であるが、直感的な動作ではないので、術者にとって時間をかけた困難な研修が必要となる。
【００１６】
臓器および患者の生理的な動き（呼吸、身体の動き）は、可撓性内視鏡では妨害の原因になる。これらの妨害を補償するには、非常に複雑な内視鏡の動きと視覚との連携が必要である。従って、高い精度を得るには、術者の入念な訓練が必要である。
【００１７】
さらに、現在の大部分の内視鏡器具は関節部を備えていない。術者は、単に、内視鏡の動きとは独立した前進／後退（ａ／ｒ）運動を付与するだけである。カメラの軸以外で可動性を付与するには、術者が内視鏡のヘッドを移動させなければならない。そのため、現在の内視鏡器具では、これらの各器具から独立した動きをさせることはできない。
【００１８】
幾つかのタイプの手術では、手術を行うために同時に管理すべき可動性の数が、実務上、内視鏡システムでの複数術者の動作を必要とする。その場合、こうした複数の術者は、内視鏡の制御ハンドルの周囲にある狭い作業空間を共有し、医療行為または外科行為を行うために適正な連携がとれているところを示さなければならない。
【００１９】
操作が複雑でツールの可動性が低いことから、術者は、より従来的な手術技術を用いるのと同程度に迅速かつ巧妙に手術を行うことはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】仏国特許出願公開第２７４０６６８号明細書
【特許文献２】国際公開第９２０１４１４号パンフレット
【特許文献３】米国特許第９４１４５４号明細書
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】Ｓ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ、Ｇ．Ｄ．ＨａｇｅｒおよびＰ．Ｉ．Ｃｏｒｋｅ，「Ａ  ｔｕｔｏｒｉａｌ  ｏｎ  ｖｉｓｕａｌ  ｓｅｒｖｏ  ｃｏｎｔｒｏｌ」，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ、第１２巻、５、６５１−６７０頁、１９９６年
【非特許文献２】ＭＡＬＩＳ  Ｅ．「Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  ｖｉｓｉｏｎ−ｂａｓｅｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｓｉｎｇ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｓｅｃｏｎｄ−ｏｒｄｅｒ  ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」，ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ  Ｒｏｂ．ａｎｄ  Ａｕｔ．，１８４３−１８４８頁、２００４年
【非特許文献３】Ｓ．Ｂｅｎｈｉｍａｎｅ  ａｎｄ  Ｅ．Ｍａｌｉｓ，「Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ  ｉｍａｇｅ−ｂａｓｅｄ  ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｏｆ  ｐｌａｎｅｓ  ｕｓｉｎｇ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｓｅｃｏｎｄ−ｏｒｄｅｒ  Ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ」，ＩＥＥＥ／ＲＳＪ、Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｒｏｂｏｔ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ９４３−９４８頁、２００４年
【非特許文献４】Ｄ．Ｃｏｍａｎｉｃｉｎら「Ｋｅｒｍｅｌ−ｂａｓｅｄ  ｏｂｊｅｃｔ  ｔｒａｃｋｉｎｇ」，Ｐａｔｔｅｒｎｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ、第２５巻、２００３年５月５日、５６４−５７７頁
【非特許文献５】Ｍ．Ｔｏｍｉｚｕｋａら「Ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｄｉｓｃｒｅｔｅ−Ｔｉｍｅ  Ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ」，Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  １１１、３５３−３５８頁、１９８９年
【非特許文献６】Ｊ．Ｇａｎｇｌｏｆｆら「Ｍｏｄｅｌ  Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｏｒ  Ｐｅｎｓａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｙｃｌｉｃ  Ｏｒｇａｎ  Ｍｏｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｅｄ  Ｌａｐａｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｓｕｒｇｅｒｙ」，Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ、第１４巻  第２版、２００６年３月、２３５−２４６頁
【非特許文献７】Ｅ．Ｆ．Ｃａｍａｃｈｏ、Ｃ  Ｂｏｒｄｏｎｓ，「Ｍｏｄｅｌ  Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ」，ＩＳＢＮ３−５４０−７６２４１−８
【非特許文献８】Ｐｒｏｂｌｅｍａｔｉｑｕｅ  ｄｅ  ｌ’ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ  ｒｏｂｏｔｉｑｕｅ  ａ  ｌａ  ｃｈｉｒｕｒｇｉｅ  ｔｒａｎｓｌｕｍｉｎａｌｅ  ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｑｕｅ，２００７年７月，Ｃｈａｍｂｅｒｙ，フランス，２００７年度Ｓｕｒｇｅｔｉｃａ会議の議事録
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の目的は、生理的な動き、より一般的には、内視鏡の環境によって生じる妨害を乗り越えて、幾つかの制御および制御作業を軽減することによって術者が内視鏡を正確に制御しやすくし、好適には、内視鏡の内部構造もその動作形態も変えることなくこれを実施可能な解決方法を提案することからなる。
【００２３】
本発明は、また、それほど経験のない術者および／またはそれほど技術の高くない術者が可撓性内視鏡を正確に使用できるようにし、さらに、一般的にはその取扱いやすさを改善できるようにするものである。
【００２４】
仏国特許出願公開第２７４０６６８号明細書、国際公開第９２０１４１４号パンフレット、米国特許出願公開第９４１４５４号明細書により、機械式の内視鏡が既に提案されている。しかし、これらの公知の解決方法は、本発明が定めた目的に応えることはできない。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
このため、本発明は、内視鏡のヘッドを支持もしくは形成し、光学システムを備えて、互いに垂直な少なくとも２つの方向に湾曲もしくは撓むことが可能な、可撓性の端部区間を有する細長い柔軟な本体を含み、この細長い本体がその他端で、少なくとも上記端部区間の動きおよび／または構成を制御可能な制御手段に機能的に接続されている、可撓性の内視鏡装置を目的とし、この装置は、また、ビジュアルサーボ制御により端部区間を自動的に配向および位置決めする手段を含み、これらの手段が、主に、内視鏡のヘッドの光学システムにより供給されるビデオ画像またはビデオ信号を受信するビデオ処理手段と、処理されたビデオ信号に基づいてビジュアルサーボ制御操作を実施可能でかつ制御信号を供給する情報処理手段と、端部区間を制御可能な制御手段の一部をなすかもしくはこの手段に結合されて情報処理手段により供給される制御信号を受信するアクチュエータ手段とから構成されることを特徴とする。
【００２６】
本発明は、また、内視鏡のヘッドを支持もしくは形成し、光学システムを備えて、互いに垂直な少なくとも２つの方向に湾曲もしくは撓むことが可能な、可撓性の端部区間を有する細長い柔軟な本体を主として含み、上記細長い本体がその他端で、少なくとも上記端部区間の動きおよび／または構成を制御可能な制御手段に機能的に接続されている、可撓性の内視鏡装置を用いた、ビジュアルサーボ制御による可撓性内視鏡の安定化方法に関し、この方法は、端部区間の自動的な配向および位置決め手段を介して、内視鏡のヘッドの光学システムにより供給される画像の処理と、処理されたビデオ信号に基づくビジュアルサーボ制御操作と、制御手段の一部をなすかこの手段に結合されるアクチュエータ手段への制御信号の生成および供給とを自動的に実施することからなることを特徴とする。
【００２７】
従って、術者の積極的な介在がないときに、内視鏡ヘッドを自動的に位置決めする装置および方法が提案されている。
【００２８】
そのため、可撓性の端部区間を制御するために、この端部区間の制御を機械化し、これをビジュアルサーボ制御と組み合わせて、内視鏡自体の光学システムにより撮影された画像を使用する。このように、生理的な動き、環境と器具との相互作用、および内視鏡のマニュアル押し込み運動／引き込み運動があるにもかかわらず、内視鏡のヘッドと、対象となる解剖学的構造との仮想接続が実現される。
【００２９】
実際、端部区間の初期の大雑把な位置決めは、術者による内視鏡の並進操作および回転操作により得られ、本発明は、この端部区間の細かい位置決め、より詳しくは、端部区間の配向と目標への端部区間の集束とを制御可能にしている。
【００３０】
本発明により用いられる基本原理は、好適には反復的に、目標に対する内視鏡のポインティング誤差を推定し、このポインティング誤差を低減さらには解消するためのリアルタイム制御を生成することからなる。
【００３１】
本発明は、概略的な添付図面を参照しながら、限定的ではなく例として挙げられた好適な実施形態に関する以下の説明により、いっそう理解され解釈されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】内視鏡の可能な動作を示す図である。
【図２】本発明による可撓性内視鏡装置を示す概略図である。
【図３】本発明が利用可能な可視指標を用いたビジュアルサーボ制御による制御ループを示す概略的なブロック図である。
【図４Ａ】本発明の範囲で用いられる２次最小化による可視追跡アルゴリズムの利用を示す概略的なブロック図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示した追跡アルゴリズムを組み込んだ、本発明により利用可能な可撓性内視鏡装置のアクティブな安定化ループを示す概略的なブロック図である。
【図５】図３と図４Ｂのサーボ制御ループのモデル化の一例を示すブロック図である。
【図６】機械化されたハンドルの形態で本発明による内視鏡装置の制御手段を示す斜視図である。
【図７】マニュアル制御部材および機械化された制御部材なしで内視鏡の制御ハンドルを示す斜視図である。
【図８Ａ】機械化された制御手段をなす様々な部品、すなわち、それぞれ支持結合部品、第１のアクチュエータ、および第２のアクチュエータの組立を連続して示す斜視図である（図ごとに１つの部品だけを示し、図８Ａから図８Ｃの各図では、各部品の認識を容易にするように他の２個の部品が省略されている）。
【図８Ｂ】機械化された制御手段をなす様々な部品、すなわち、それぞれ支持結合部品、第１のアクチュエータ、および第２のアクチュエータの組立を連続して示す斜視図である（図ごとに１つの部品だけを示し、図８Ａから図８Ｃの各図では、各部品の認識を容易にするように他の２個の部品が省略されている）。
【図８Ｃ】機械化された制御手段をなす様々な部品、すなわち、それぞれ支持結合部品、第１のアクチュエータ、および第２のアクチュエータの組立を連続して示す斜視図である（図ごとに１つの部品だけを示し、図８Ａから図８Ｃの各図では、各部品の認識を容易にするように他の２個の部品が省略されている）。
【図９】図８Ｂに示した第１のアクチュエータをなすモータに結合される動力伝達部品を示す詳細な斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
添付の図２は、内視鏡のヘッド３’を支持もしくは形成し、光学システム４を備えて、互いに垂直な少なくとも２つの方向に湾曲もしくは撓むことが可能な、可撓性の端部区間３を有する細長い柔軟な本体２を備えた可撓性内視鏡装置１を示している。細長い本体２は、その他端で、少なくとも上記端部区間３の動きおよび／または構成を制御可能な制御手段５に機能的に接続されている。
【００３４】
本発明によれば、装置１は、また、ビジュアルサーボ制御により端部区間３を自動的に配向および位置決めする手段を含み、これらの手段が、主に、内視鏡のヘッド３’の光学システム４により供給されるビデオ画像またはビデオ信号を受信するビデオ処理手段６と、処理されたビデオ信号に基づいてビジュアルサーボ制御操作を実施可能でかつ制御信号を供給する情報処理手段７と、端部区間３を（撓みにより）制御可能な制御手段５の一部をなすかもしくはこの手段に結合されて情報処理手段７により供給される制御信号を受信するアクチュエータ手段８、８’とから構成される。
【００３５】
もちろん、ビデオ処理手段６は、別個のユニットから構成してもよいし（図２）、あるいは場合によっては同一の処理管理ユニットに情報処理手段７と共に組み込んでもよい。
【００３６】
変形例では、ビデオ処理手段６の一部または、この手段により実施される幾つかの機能が光学システム４内に位置づけられるように構成することも可能である。
【００３７】
光学システムは、また、様々な変形例すなわち、柔軟な細長い本体２の端部区間３のレベルで内視鏡に搭載されるビデオカメラ、端部区間３のレベルに通じてビデオカメラまたは同様の外部装置（ファイバスコープ）に接続される光ファイバ束、本体２に取り付けられて外部操作装置（セルラファイバスコープ装置）または同等物に接続される光マイクロファイバ束として、構成することが可能である。
【００３８】
そのため、内視鏡のヘッド３’は、ビデオ信号を伝送する光学システム４の全体または作動部分を含むか、あるいは、場合によっては内視鏡の外部にオフセットされて場合によっては情報処理手段７に組み込まれる動作ユニットに接続された、画像収集パッシブエレメントだけを含むことができる。
【００３９】
同様に、光学システム４（例えばＣＣＤカメラ）により供給されるビデオ画像を表示する少なくとも１つの表示手段７’を設けてもよい。
【００４０】
特に添付図面の図３および図４Ｂによる本発明の第１の重要な特徴によれば、端部区間３の自動的な撓み位置決め手段６、７、８、８’、１２、１２’は、基準画像１０から抽出された目標可視エレメントまたは目標可視情報エレメントと、内視鏡のヘッド３’の光学システム４により供給される現在の画像１０’から抽出された対応する可視エレメントまたは可視情報エレメントとの誤差または同様の相違度（ｄｉｓｓｅｍｂｌａｎｃｅ）の測定を最小化するための少なくとも１つのサーボ制御ループ９を形成するように機能的に構成され、上記誤差が、少なくとも１つの方向に従って上記端部区間３の動きおよび位置決めを制御する１つまたは複数のアクチュエータ手段８、８’に制御信号を送るために利用される。
【００４１】
その結果として、情報処理手段７は、ビジュアルサーボ制御によるデジタル制御を実施し、内視鏡により形成される複雑な物理システムのソフトウェアモデル化手段と、これらの機械制御手段と、その機械化手段とを含み、このモデル化手段が、基準画像１０と現在の画像１０’とからなる入力信号を処理して、１つまたは複数のアクチュエータ手段８、８’のための制御信号を出力で供給する。
【００４２】
このようにして、アクティブな安定化を得るために、光学システム４から供給されて、可撓性内視鏡、特にそのヘッド３’の移動を制御するためのビデオ画像の形態で利用される画像を使用する（この点については、特にＳ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ、Ｇ．Ｄ．ＨａｇｅｒおよびＰ．Ｉ．Ｃｏｒｋｅ，「Ａ  ｔｕｔｏｒｉａｌ  ｏｎ  ｖｉｓｕａｌ  ｓｅｒｖｏ  ｃｏｎｔｒｏｌ」，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ、第１２巻、５、６５１−６７０頁、１９９６年を参照されたい）。
【００４３】
図３は、本発明による方法に関連して、その実施について後述するビジュアルサーボ制御ループ９の考えられる構造を簡単に示している。
【００４４】
このようなビジュアルサーボ制御では、その動作のために、調整の役割をする少なくとも１つの可視指標を画像内で予め決定することが必要である。
【００４５】
２つの自由度を有する内視鏡装置１、すなわち端部区間３が２つの垂直方向に沿って撓むことができる内視鏡の場合、異なる２つの可視指標または２個の成分を有する１個の可視指標（例えば１つの点の座標）を選択しなければならない。
【００４６】
ところで、内視鏡のヘッド３’が配置される作業環境は、一般に、対象となる点、複数のコーナー、個々の剛性形態の輪郭、直線または同様の線といった個々の可視指標を示さないので、作業環境に付加的なマーカを配置しなければ、抽出、一致、追跡、およびサーボ制御等の公知の方法を直接使用することはできない。
【００４７】
このような制限を克服するために、本発明は、有利には、可視エレメントまたは可視情報エレメントが、可視パターンと、基準画像１０および光学システム４により供給される現在の画像１０’から場合によってはそれらの適切な処理後にそれぞれ得られる画像縮小および画像部分もしくは画像ゾーンとからなる群より選択されることを提案する。
【００４８】
本発明の好適な実施形態によれば、情報処理手段７は、適切なプログラムの実行により、リアルタイムすなわち少なくともビデオ画像の供給速度で、基準画像１０から得られた縮小画像または小画像Ｔ＊と、内視鏡のヘッド３’から供給されて現在の近似変換により処理される現在の画像１０’から得られる縮小画像または小画像Ｔとの間で、コスト関数の最小化に至るように現在の画像１０’に適用すべき変換の近似を好適には反復処理により決定することが可能になるように構成することができる。
【００４９】
そのため、ビジュアルサーボ制御に有効な情報は、「基準小画像の可視追跡」タイプのアルゴリズムに基づいている。基準ゾーンは、術者が、安定化すべき目標ゾーンをマニュアルで選択する時に分かる。その場合、このゾーンの追跡は、基準小画像Ｔ＊と、現在の小画像Ｔとの間で相違度の測定を最小化することにより実施される。
【００５０】
「基準」画像とは、本明細書では、術者が解剖学的な目標を識別した画像を意味する。この画像は、通常は、内視鏡２に接続されるビデオ手段により供給される初期画像または基本画像か、あるいは場合によっては保存画像から構成され、例えば、選択により収集される目標の解剖学的環境の実像から構成される。
【００５１】
第１の変形例によれば、情報処理手段７により使用される最小化アルゴリズムによって、基準画像１０および現在の画像１０’からそれぞれ得られる可視エレメントまたは可視情報エレメントＴ＊とＴとの間で、２乗誤差によるパラメータの最小化を実施し、近似変換が、例えば一次タイプの平面変換である。
【００５２】
このように、最小化アルゴリズムは、特にＭＡＬＩＳ  Ｅ．「Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  ｖｉｓｉｏｎ−ｂａｓｅｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｓｉｎｇ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｓｅｃｏｎｄ−ｏｒｄｅｒ  ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」，ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ  Ｒｏｂ．ａｎｄ  Ａｕｔ．，１８４３−１８４８頁、２００４年に記載されているように、例えばＥＳＭタイプのアルゴリズムから派生したものとすることができる。
【００５３】
このようなアルゴリズムにより、上記のようにＴとＴ＊との２乗誤差のパラメータの最小化が可能になる。
【００５４】
この最小化アルゴリズムを用いた構成を図４Ａに示した。さらに完全な説明はＳ．Ｂｅｎｈｉｍａｎｅ  ａｎｄ  Ｅ．Ｍａｌｉｓ，「Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ  ｉｍａｇｅ−ｂａｓｅｄ  ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｏｆ  ｐｌａｎｅｓ  ｕｓｉｎｇ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｓｅｃｏｎｄ−ｏｒｄｅｒ  Ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ」，ＩＥＥＥ／ＲＳＪ、Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｒｏｂｏｔ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ９４３−９４８頁、２００４年により得られる。
【００５５】
こうした状況で、情報処理手段７により推定される変換は、可視エレメントの各画素または点を個々に位置特定して、これを可視指標として使用可能にする、特に一次の平面変換である。
【００５６】
動く解剖学的な目標の正面に内視鏡のヘッド３’を安定化させるには、図４Ａによるアルゴリズムを組み込んだ、図４Ｂに示したようなビジュアルサーボ制御ループ９が提案される。
【００５７】
本発明の第２の変形例によれば、また、情報処理手段７により用いられる最小化アルゴリズムによって、基準画像１０と現在の画像１０’とからそれぞれ得られる可視エレメントまたは可視情報エレメントＴ＊とＴからヒストグラムを得、このヒストグラム間の相違度の測定の統計的な最小化を実施し、近似変換が、画像平面における並進とズーム（縮小または拡大）とから構成されるようにすることができる。
【００５８】
このようにして、この第２の変形例によれば、最小化アルゴリズムは、例えばＤ．Ｃｏｍａｎｉｃｉｎら「Ｋｅｒｍｅｌ−ｂａｓｅｄ  ｏｂｊｅｃｔ  ｔｒａｃｋｉｎｇ」，Ｐａｔｔｅｒｎｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ、第２５巻、２００３年５月５日、５６４−５７７頁により記載されているような「ｍｅａｎ−ｓｈｉｆｔ」アルゴリズムという名称で知られているアルゴリズムから派生したものとすることができる。
【００５９】
上記の追跡または最小化アルゴリズム（上記のＥＳＭアルゴリズムまたは「ｍｅａｎ  ｓｈｉｆｔ」アルゴリズム）に関して図６で示すように、パラメータ化された変数ｓｒｅｆのベクトルは、解剖学的な目標を安定化すべき画像データを含む。この点は、最初は、術者により基準画像１０から選択され、現在の画像１０’において修正可能である。術者は、また、基準小画像Ｔ＊において安定化すべき解剖学的な目標の対象点ｓ＊を特定する。そこで、上記の追跡アルゴリズムの１つを用いて、現在の小画像Ｔと基準小画像Ｔ＊との変換を再構成し、その後、この変換を用いて、現在の画像１０’において安定化すべき点の座標を含むベクトルｓを決定する。
【００６０】
本発明の特徴によれば、自動位置決め手段６、７、８、８’は、２次元のビジュアルサーボ制御ループとして構成され、２個の独立したアクチュエータ８および８’を含み、これらのアクチュエータは、それぞれが、内視鏡のヘッド３’により供給される現在の平面画像１０の２方向に対応する互いに垂直な２つの方向の一方に従って、端部区間３の動きと位置決めとを制御する。
【００６１】
場合によっては、システムの性質に応じて各アクチュエータ手段８、８’に対して１個の独立したサーボ制御ループ９が設けられる。
【００６２】
サーボ制御ループ９の一部をなすコントローラまたはコレクタ１１は、比例タイプ、比例／積分／微分タイプ、および予想または反復タイプのコントローラからなる群から選択可能である。
【００６３】
このようにして、周期的な動きの補償または解消を行う代わりに、例えばＭ．Ｔｏｍｉｚｕｋａら「Ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｄｉｓｃｒｅｔｅ−Ｔｉｍｅ  Ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ」，Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  １１１、３５３−３５８頁、１９８９年に記載されているような反復タイプのコントローラ１１か、または例えばＪ．Ｇａｎｇｌｏｆｆら「Ｍｏｄｅｌ  Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｏｒ  Ｐｅｎｓａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｙｃｌｉｃ  Ｏｒｇａｎ  Ｍｏｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｅｄ  Ｌａｐａｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｓｕｒｇｅｒｙ」，Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ、第１４巻  第２版、２００６年３月、２３５−２４６頁に記載されているようなＲＧＰＣタイプのコントローラを用いることができる。
【００６４】
同様に、妨害を予想できる場合（例えば人工呼吸のケースで）、コントローラ１１は、また、例えばＥ．Ｆ．Ｃａｍａｃｈｏ、Ｃ  Ｂｏｒｄｏｎｓ，「Ｍｏｄｅｌ  Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ」，ＩＳＢＮ３−５４０−７６２４１−８に記載された予想コントローラと同様に、妨害パターンを組み込むことも可能である。
【００６５】
図２、図６、図８Ａ〜図８Ｃから得られる本発明の別の特徴によれば、制御手段５は、２個の同心の制御軸１３、１３’を含み、各軸が、細長い本体２に沿って循環して端部区間３に接続される制御ケーブル１２、１２’に結合されることにより、互いに垂直な２つの撓み方向の一方に従って端部区間３の撓みまたは曲げを制御し、外側の軸１３が、中空軸８”を有するモータの形態をとる第１のアクチュエータ手段８に、上記モータ８の中空軸８”の延長部分に延びた中央領域で露出されている動力伝達部品１４を介して駆動接続され、内側の軸１３’が、細長い駆動部品１４’を介して、回転軸に沿って第１のモータ８と一直線上に揃えられたモータの形態を取る第２のアクチュエータ手段８’に駆動接続され、上記細長い駆動部品１４’が、第１のモータ８をその中空軸８”のレベルで貫通する。
【００６６】
有利には、２個のモータ８および８’が、制御手段をなすハンドル５に支持結合部品１５を介して取り付けられる機械化ユニットを、場合によってはマニュアル制御部材との互換性を可能にする着脱式の機械接続ユニットの形態で形成するように、互いに機械的に組み立てられる（図２）。
【００６７】
図２および図６から図８Ａ〜図８Ｃに示した可撓性内視鏡の制御手段の限定的ではない機械化手段の実施形態は、特にカール・ストルツ（ＫＡＲＬ  ＳＴＯＲＺ）社の１３８０１ＰＫＳタイプの内視鏡に関与する。
【００６８】
本発明により提案される機械化という解決方法により、マニュアル制御調節つまみをアクチュエータ８、８’に代えることを推奨し、それによって内視鏡の既存の内部構造を保持することができる。
【００６９】
アクチュエータは、例えば、速度ループサーボコントローラ（例えばＨａｒｍｏｎｉｃ  Ｄｒｉｖｅ  ＳＣ−６１０タイプ）により制御される高調波制御モータ（例えばＦＨＡ−８Ｃタイプ）の形態を有する。これらのモータは、あらゆる隙間を最大限に回避するために、クラッチも関節部もない剛性の機械接続によって制御軸１３、１３’に直接接続される。
【００７０】
添付の図５では、このような機械化された調整システムのビジュアルサーボ制御ループのモデル化の一例をブロック図として示した。
【００７１】
この図に関して、内視鏡装置１は、２つの自由度を有する機械システムであり、画像における点タイプの可視指標の２つの座標ｘ、ｙは、このシステムを制御するのに十分なフィードバック変数である。
【００７２】
画像における可視指標Ｆ（ｓ）の速さは、発明者が作業構成に関して予備段階で推定して決めた相互作用マトリクス２×２によるアクチュエータの速度Ｑに関連する。
【００７３】
アクチュエータの速度ベクトルＱ（ｓ）＊は、アクチュエータ８、８’のモータを制御する出力増幅器の速度ループに基準として送られる。この速度ループの通過帯域は、ビジュアルサーボ制御ループ９のサンプリング周波数を大きく上回るので、アクチュエータのダイナミクスを無視することができ、その結果、Ｑ（ｓ）はＱ（ｓ）＊にほぼ等しい。
【００７４】
図５が示すように、このループの主要分枝は、コレクタ／ゼロ次ホールドＢ．Ｏ．Ｚ．（ｂｌｏｑｕｅｕｒ  ｄ’ｏｒｄｒｅ  ｚｅｒｏ）／積分器１／ｓ／ヒステリシスモジュール（装置１の隙間全体）／相互作用マトリクスＪ（ｓ）／積分器１／ｓの素子を連続して含み、フィードバック分枝は、画像収集時間に対応する遅延素子Ｚ−１を含む。
【００７５】
そこで、図５にブロック図として示されたシステムの離散時間伝達関数は、次のようになる。
【数１】
2010518954.tif 000003
ここで、Ｚは、ｚにおける変換演算子を示す。
【００７６】
本発明の実際の機械的な実施形態では、上記の図２および図６から図８Ａ〜図８Ｃに示された実際の実施形態と同様に、２個の制御軸が正方形の断面を有し、内側の軸１３’が外側の軸１３を貫通して突出するように延び、これらの２本の軸１３、１３’が、円形断面を有するねじ切りソケット１６により囲まれており、このソケットを介して２本の軸１３、１３’が延び、ソケットは、ハンドル５の構造に剛性結合されている。
【００７７】
有利には、ソケット１６に（例えば、このソケットに係合するねじ穴を介して）ねじ止め結合されてハンドル５のケースに当接保持される中空円筒形の支持部品１５は、累置構成に従ってモータ８、８’の組み立てを行う。
【００７８】
支持部品１５は、さらに、同心の制御軸１３、１３’とモータ８、８’とが軸方向に一直線上に配置されるように構成される。
【００７９】
この支持部品１５は、下方のモータ８を直接支持し、上方のモータ８’を間接的に支持するが、上方のモータは、支持部品１５と、このモータ８’とに同時に結合される付加的な支持部品１５’を介して支持される（図２および図６）。
【００８０】
ハンドル５と支持部品１５との上記の結合形態の変形例として、マニュアル制御調節つまみと機械化ユニット８、８’、１４、１４’、１５、１５’との容易な互換性を可能にする着脱式の嵌め込み固定方式を想定することも同様に可能である。
【００８１】
下方のモータ８と外側制御軸１３との間の動力伝達部品１４は、（組み立てた状態にある２個のモータの軸方向に沿って）露出された中央領域を有し、その底のレベルに外側軸１３への嵌め合い係合用の正方形の切り込みを備え、その上部レベルに、中空軸を有する下方のモータ８の出力フランジとの係合部位（例えば爪／穴タイプの結合）を備える。
【００８２】
特に図８Ｃが示すように、駆動部品１４’は、上方のモータ８’と内側の軸１３’との間の動きの伝達を保証し、内側の軸１３’に係合するように構成された（断面が正方形の開口部を備える）下方の接続部分と、（例えば爪／穴接続を介して）上方のモータ８’の出力フランジに係合する上方の接続インターフェースとを含む。
【００８３】
上方のモータ８’は、付加的な支持部品１５’を介して下方のモータ８および制御軸１３、１３’と軸方向に一直線に揃えて保持される。
【００８４】
図示されていない変形例では、アクチュエータ手段８、８もまた、制御手段５をなすハンドルに直接収容されるモータの形態をとることが可能であり、それぞれが、端部区間３の撓み変形制御ケーブルに駆動接続される。
【００８５】
この変形例において、制御手段５は、同様に、少なくとも１つのアクチュエータ８、８’を制御可能な調節つまみ、レバーまたは同等物等の、術者が操作可能な少なくとも１つの部材を、ビジュアルサーボ制御による自動制御手段の代わりに、あるいはそれに重ねて含むことができ、この１つまたは複数の部材が、ハンドル５のレベルに取り付けられ、あるいはハンドルに対してオフセットされる。
【００８６】
このようにして、マニュアル補助制御手段を配置可能であり、これを、ビジュアルサーボ制御による自動制御手段に重ねて、あるいはこの制御手段に対して結合遮断式に動作させることができる。
【００８７】
ハンドル５に搭載された調節つまみを利用する場合、術者は、本発明の長所を利用しながら、現在の操作構成を用いることになる。
【００８８】
本発明は、また、ビジュアルサーボ制御による可撓性内視鏡の安定化方法を目的とする。
【００８９】
この方法は、内視鏡のヘッド３’を支持もしくは形成し、光学システム４を備えて、互いに垂直な少なくとも２つの方向に湾曲もしくは撓むことが可能な、可撓性の端部区間３を有する細長い柔軟な本体２を主に含み、上記細長い本体２がその他端（端部区間３の反対側）で、少なくとも上記端部区間の動きおよび／または構成を制御可能な制御手段５に機能的に接続されている、可撓性の内視鏡装置１を利用するものであり、特に上記のような装置を利用するものである。
【００９０】
この方法は、少なくとも１つのサーボ制御ループ９として機能的に構成された端部区間３の自動的な撓みおよび位置決め手段６、７、８、８’を介して、内視鏡のヘッド３’の光学システム４により供給される画像の処理と、処理されたビデオ信号に基づくビジュアルサーボ制御操作と、制御手段５の一部をなすかこの手段に結合されるアクチュエータ手段８、８’への制御信号の生成および供給とを自動的に実施することからなることを特徴とする。
【００９１】
本発明の特徴によれば、サーボ制御操作が、主に、基準画像１０から抽出された目標可視エレメントまたは目標可視情報エレメントと、内視鏡のヘッド３’の光学システム４により供給される現在の画像１０’から抽出された対応する可視エレメントまたは可視情報エレメントとの誤差または同様の相違度の測定を最小化することからなり、この誤差が、少なくとも１つの方向に従って上記端部区間３の動きおよび位置決めを制御する１つまたは複数のアクチュエータ手段８、８’に制御信号を送るために利用される。
【００９２】
好適には、可視エレメントまたは可視情報エレメントが、可視パターンと、基準画像１０および光学システム４により供給される現在の画像１０’から場合によってはそれらの適切な処理後にそれぞれ得られる画像縮小および画像部分もしくは画像ゾーンとからなる群より選択される。
【００９３】
本発明の有利な実施形態によれば、この方法は、情報処理手段７により行われるサーボ制御作業の範囲で、リアルタイムすなわち少なくともビデオ画像の供給速度で、基準画像１０から得られた縮小画像または小画像Ｔ＊と、内視鏡のヘッド３’により供給された基準画像１０’から得られて現在の近似変換により処理された縮小画像または小画像Ｔとの間で、コスト関数の最小化に至るように現在の画像１０’に適用すべき変換の近似を好適には反復処理により決定することからなる。
【００９４】
この方法は、その第１の変形例によれば、基準画像１０と現在の画像１０’とからそれぞれ得られる可視エレメントまたは可視情報エレメントＴ＊およびＴの間で２乗誤差によるパラメータの最小化を実施する最小化アルゴリズムを用いることから構成可能であり、近似変換が、例えば一次タイプの平面変換である。
【００９５】
この方法は、その第２の変形例によれば、基準画像１０および現在の画像１０’からそれぞれ得られる可視エレメントまたは可視情報エレメントＴ＊およびＴからヒストグラムを得、このヒストグラム間の相違度の測定の統計的な最小化を実施する最小化アルゴリズムを用いることから構成可能であり、近似変換が、画像平面における並進とズームとからなる。
【００９６】
有利には、端部区間３’の動きおよび位置決めが、内視鏡ヘッド３’から繰り返し供給される現在の平面画像１０’の２方向に対応する２つの垂直方向の一方にそれぞれが結合された、２個の独立したアクチュエータ８および８’により制御される。
【００９７】
図３を参照すると、本発明による方法の実際の実施形態は、２個の連続段階すなわち目標値ｓｒｅｆのマニュアルパラメータ化段階と、誤差の自動ビデオ速度調整段階：ｅ＝ｓ−ｓｒｅｆとを含むことができ、ここで、ｓは、ゼロに向かう目標値に対応する現在の値である。
【００９８】
パラメータ化段階は、術者にとって、可撓性内視鏡、特にその自由端３の様々な自由度を制御するために、基準画像１０において選択された適切な可視指標（例えば１つの点の座標ｘ、ｙ）の形態でサーボ制御ループ９の目標値ｓｒｅｆを決定することから構成可能である。
【００９９】
さらに、自動調整段階は、
ａ）基準画像１０から選択されて目標値をなす可視指標ｓｒｅｆに対応する現在の可視指標ｓを現在の画像１０’から抽出するステップと、
ｂ）誤差ｅ＝（ｓ−ｓｒｅｆ）を計算するステップと、
ｃ）誤差ｅを減少させるために、アクチュエータ８および８’に付与すべき制御信号、特に速度信号を計算するステップと、
ｄ）制御信号を送信するステップと、
ｅ）光学システムを介して現在の新しい画像１０’を収集し、場合によってはこの画像を処理するステップと、
ｆ）ステップａ）に戻るステップと
を周期的に繰り返すことから構成可能である。
【０１００】
サーボ制御をより堅牢にし、目標の検出をいっそう有効にするために、さらに、解剖学的な目標のすぐ近くに人工的な目印を予め設置するように構成してもよい。
【０１０１】
本発明の１つの実施形態ならびに、この実施形態によって得られる長所は、「Ｐｒｏｂｌｅｍａｔｉｑｕｅ  ｄｅ  ｌ’ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ  ｒｏｂｏｔｉｑｕｅ  ａ  ｌａ  ｃｈｉｒｕｒｇｉｅ  ｔｒａｎｓｌｕｍｉｎａｌｅ  ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｑｕｅ」，２００７年７月，Ｃｈａｍｂｅｒｙ，フランス，２００７年度Ｓｕｒｇｅｔｉｃａ会議の議事録；に記載されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０１０２】
もちろん、本発明は、添付図面に関して図示および記載した実施形態に制限されるものではない。特に様々な要素の構成の観点から、あるいは技術的な同等物の代替によって、本発明の保護範囲を逸脱することなく修正を行うことが可能である。
【図１】
2010518954.tif 000004
【図２】
2010518954.tif 000005
【図３】
2010518954.tif 000006
【図４Ａ】
2010518954.tif 000007
【図４Ｂ】
2010518954.tif 000008
【図５】
2010518954.tif 000009
【図６】
2010518954.tif 000010
【図７】
2010518954.tif 000011
【図８Ａ】
2010518954.tif 000012
【図８Ｂ】
2010518954.tif 000013
【図８Ｃ】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年12月30日(2008.12.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性内視鏡装置にして、
内視鏡のヘッドを支持もしくは形成し、光学システム（４）を備えて、互いに垂直な少なくとも２つの方向に湾曲もしくは撓むことが可能な、可撓性の端部区間（３）を有する細長い柔軟な本体（２）をこの装置（１）が含み、前記細長い本体（２）がその他端で、少なくとも前記端部区間の動きおよび／または構成を制御可能な制御手段（５）に機能的に接続されており、
この装置（１）が、また、ビジュアルサーボ制御により端部区間（３）を自動的に配向および位置決めする手段を含み、これらの手段が、主に、内視鏡のヘッド（３’）の光学システム（４）により供給されるビデオ画像またはビデオ信号を受信するビデオ処理手段（６）と、処理されたビデオ信号に基づいてビジュアルサーボ制御操作を実施可能でかつ制御信号を供給する情報処理手段（７）と、端部区間（３）を制御可能な制御手段（５）の一部をなすかもしくはこの手段に結合されて情報処理手段（７）により供給される制御信号を受信するアクチュエータ手段（８、８’）とから構成され、
端部区間（３）を撓ませて自動的に位置決めする手段（６、７、８、８’、１２、１２’）が、基準画像（１０）から抽出された目標可視エレメントまたは目標可視情報エレメントと、内視鏡のヘッド（３’）の光学システム（４）により供給される現在の画像（１０’）から抽出された対応する可視エレメントまたは可視情報エレメントとの誤差または同様の相違度の測定を最小化するための少なくとも１つのサーボ制御ループ（９）を形成するように機能的に構成されており、前記誤差が、少なくとも１つの方向に従って前記端部区間（３）の動きおよび位置決めを制御する１つまたは複数のアクチュエータ手段（８、８’）に制御信号を送るために利用される、装置であって、
装置（１）は、情報処理手段（７）が、適切なプログラムの実行により、リアルタイムすなわち少なくともビデオ画像の供給速度で、基準画像（１０）から得られた縮小画像または小画像（Ｔ＊）と、内視鏡のヘッド（３’）から供給されて現在の近似変換により処理される現在の画像（１０’）から得られる縮小画像または小画像（Ｔ）との間で、コスト関数の最小化に至るように現在の画像（１０’）に適用すべき変換の近似を好適には反復処理により決定することが可能であることを特徴とする、装置。
【請求項２】
可視エレメントまたは可視情報エレメントが、可視パターンと、光学システム（４）により供給される初期画像もしく基本画像の形態を取るかまたは選択により収集された目標の解剖学的な環境の実像の形態を取る基準画像（１０）および光学システム（４）により供給される現在の画像（１０’）から、場合によってはそれらの適切な処理後にそれぞれ得られる画像縮小および画像部分もしくは画像ゾーンとからなる群より選択されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
情報処理手段（７）により用いられる最小化アルゴリズムによって、基準画像（１０）および現在の画像（１０’）からそれぞれ得られる可視エレメントまたは可視情報エレメント（Ｔ＊およびＴ）の間で２乗誤差によるパラメータの最小化を実施し、近似変換が、例えば一次タイプの平面変換であることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
情報処理手段（７）により用いられる最小化アルゴリズムによって、基準画像（１０）および現在の画像（１０’）からそれぞれ得られる可視エレメントまたは可視情報エレメント（Ｔ＊およびＴ）からヒストグラムを得、このヒストグラム間の相違度の測定の統計的な最小化を実施し、近似変換が、画像平面における並進とズームとからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】
自動位置決め手段（６、７、８、８’）が、２次元のビジュアルサーボ制御ループとして構成され、内視鏡のヘッド（３’）により供給される現在の平面画像（１０’）の２方向に対応する互いに垂直な２つの方向のいずれかに応じて、端部区間（３）の動きと位置決めとをそれぞれ制御する２個の独立したアクチュエータ（８および８’）を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
各アクチュエータ手段（８、８’）に対して、独立したサーボ制御ループが設けられていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
サーボ制御ループ（９）の一部をなすコントローラまたはコレクタ（１１）が、比例タイプ、比例／積分／微分タイプ、および予想または反復タイプのコントローラからなる群より選択されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
制御手段（５）が、互いに垂直な２つの撓み方向の一方に従って前記端部区間（３）の撓みまたは曲げを制御するために、細長い本体（２）に沿って循環して端部区間（３）に接続される制御ケーブル（１２、１２’）にそれぞれが結合される、２個の同心の制御軸（１３および１３’）を含み、外側の軸（１３）が、中空軸（８”）を有するモータの形態をとる第１のアクチュエータ手段（８）に、前記モータ（８）の中空軸（８”）の延長部分に延びた中央領域で露出されている動力伝達部品（１４）を介して駆動接続され、内側の軸（１３’）が、細長い駆動部品（１４’）を介して、回転軸に沿って第１のモータ（８）と一直線上に揃えられたモータの形態を取る第２のアクチュエータ手段（８’）に駆動接続され、前記細長い駆動部品（１４’）が、第１のモータ（８）をその中空軸（８”）のレベルで貫通することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
２個のモータ（８および８’）が、互いに機械的に組み立てられることにより、支持結合部品（１５）を介して、場合によっては着脱式の機械接続ユニットの形態で、制御手段をなすハンドル（５）に取り付けられる機械化ユニットを形成することを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
アクチュエータ手段（８、８’）が、制御手段（５）をなすハンドル内に直接収容されるモータの形態を有し、端部区間（３）の撓み変形制御ケーブルにそれぞれ駆動接続されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
ビジュアルサーボ制御による自動制御に対して代替あるいは重ねるように、少なくとも１つのアクチュエータ（８、８’）を制御可能な調節つまみ、レバーまたは同等物等の、術者が操作可能な少なくとも１つの部材を含み、前記部材が、ハンドル（５）のレベルに取り付けられるか、またはハンドルに対してオフセットされることを特徴とする、請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
ビジュアルサーボ制御による可撓性内視鏡の安定化方法にして、
内視鏡のヘッドを支持もしくは形成し、光学システム（４）を備えて、互いに垂直な少なくとも２つの方向に湾曲もしくは撓むことが可能な、可撓性の端部区間（３）を有する細長い柔軟な本体（２）を主として含み、前記細長い本体がその他端で、少なくとも前記端部区間の動きおよび／または構成を制御可能な制御手段（５）に機能的に接続されている、可撓性の内視鏡装置（１）を用い、
少なくとも１つのサーボ制御ループ（９）として機能的に構成された端部区間（３）の自動的な配向および位置決め手段（６、７、８、８’）を介して、内視鏡のヘッド（３’）の光学システム（４）により供給される画像の処理と、処理されたビデオ信号に基づくビジュアルサーボ制御操作と、制御手段（５）の一部をなすかこの手段に結合されるアクチュエータ手段（８、８’）への制御信号の生成および供給とを自動的に実施することからなり、
サーボ制御操作が、主に、基準画像（１０）から抽出された目標可視エレメントまたは目標可視情報エレメントと、内視鏡のヘッド（３’）の光学システム（４）により供給される現在の画像（１０’）から抽出された対応する可視エレメントまたは可視情報エレメントとの誤差または同様の相違度の測定を最小化することからなり、前記誤差が、少なくとも１つの方向に従って端部区間（３）の動きおよび位置決めを制御する１つまたは複数のアクチュエータ手段（８、８’）に制御信号を送るために利用される、方法であって、
情報処理手段（７）により行われるサーボ制御作業の範囲で、リアルタイムすなわち少なくともビデオ画像の供給速度で、基準画像（１０）から得られた縮小画像または小画像（Ｔ＊）と、内視鏡のヘッド（３’）により供給された基準画像（１０’）から得られて現在の近似変換により処理される縮小画像または小画像（Ｔ）との間で、コスト関数の最小化に至るように現在の画像（１０’）に適用すべき変換の近似を好適には反復処理により決定することからなることを特徴とする、方法。
【請求項１３】
可視エレメントまたは可視情報エレメントが、可視パターンと、光学システム（４）により供給される初期画像もしく基本画像の形態を取るかまたは選択により収集された目標の解剖学的な環境の実像の形態を取る基準画像（１０）および光学システム（４）により供給される現在の画像（１０’）から、場合によってはそれらの適切な処理後にそれぞれ得られる画像縮小、および画像部分もしくは画像ゾーンとからなる群より選択されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
基準画像（１０）と現在の画像（１０’）とからそれぞれ得られる可視エレメントまたは可視情報エレメント（Ｔ＊およびＴ）の間で、２乗誤差によるパラメータの最小化を実施する最小化アルゴリズムを用いることからなり、近似変換が、例えば一次タイプの平面変換であることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
基準画像（１０）および現在の画像（１０’）からそれぞれ得られる可視エレメントまたは可視情報エレメント（Ｔ＊およびＴ）からヒストグラムを得、このヒストグラム間の相違度の測定の統計的な最小化を実施する最小化アルゴリズムを用いることからなり、近似変換が、画像平面における並進とズームとからなることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１６】
端部区間（３’）の動きおよび位置決めが、内視鏡ヘッド（３’）から繰り返し供給される現在の平面画像（１０’）の２方向に対応する２つの垂直方向の一方にそれぞれが結合された、２個の独立したアクチュエータ（８および８’）により制御されることを特徴とする、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
２個の連続段階すなわち目標値（ｓｒｅｆ）のマニュアルパラメータ化段階と、誤差の自動ビデオ速度調整段階：ｅ＝（ｓ−ｓｒｅｆ）とを含み、ここで、ｓが、ゼロに向かう目標値に対応する現在の値であることを特徴とする、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
パラメータ化段階が、術者にとって、可撓性内視鏡、特にその自由端（３）の様々な自由度を制御するために、基準画像（１０）から選択される適切な可視指標の形態でサーボ制御ループ（９）の目標値（ｓｒｅｆ）を決定することからなることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
調整段階が、
ａ）基準画像（１０）から選択されて目標値をなす１つまたは複数の可視指標（ｓｒｅｆ）に対応する現在の１つまたは複数の可視指標（ｓ）を、現在の画像（１０’）から抽出するステップと、
ｂ）誤差ｅ＝（ｓ−ｓｒｅｆ）を計算するステップと、
ｃ）誤差（ｅ）を小さくするために、アクチュエータ（８および８’）に付与すべき制御信号、特に速度信号を計算するステップと、
ｄ）制御信号を送信するステップと、
ｅ）光学システムを介して新しい現在の画像（１０’）を収集し、場合によってはこの画像を処理するステップと、
ｆ）ステップａ）に戻るステップと
を周期的に繰り返すことからなることを特徴とする、請求項１７および１８に記載の方法。
【請求項２０】
解剖学的な目標のすぐ近くに人工的な目印を予め設置することからなることを特徴とする、請求項１２から１９のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
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