(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細長い挿入部を有し視差を有する左右の像を撮像する立体視内視鏡と、前記立体視内視鏡で取得した左右の画像を観察者の左右の眼に伝達する頭部装着型立体表示装置を有する立体視内視鏡システムにおいて、
次の条件（１）および（２）を満足することを特徴とする立体視内視鏡システム。
条件（１）：  ０．４＜β／α＜２
但し、αは前記立体視内視鏡の画角、βは前記頭部装着型立体表示装置の視角である。
条件（２）：  ０．０４３＜Ｅ／Ｄ＜０．５２
但し、Ｅは前記立体視内視鏡の挿入部先端における左右の光学系の入射瞳間隔、Ｄは前記立体視内視鏡の挿入部外径である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、細長い挿入部を有し視差を有する左右の像を撮像する立体視内視鏡と、立体視内視鏡で取得した左右の画像を観察者の左右の眼に伝達する頭部装着型立体表示装置を有する立体視内視鏡システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、医療の外科分野において、内視鏡と専用処置具を用いた低侵襲手技が普及しつつある。従来なら開腹手術を必要とした疾病を内視鏡下で低侵襲に処置することが可能となることで、入院期間の短縮等により患者の社会的負担が軽減される。そのため、低侵襲手技である内視鏡下外科手術は、今後も発展が期待されている。
【０００３】
この内視鏡下外科手術では、内視鏡で取得した体腔内の画像をＴＶモニタ等で観察しながら処置具の遠隔操作をして処置を行う。
【０００４】
この際の問題点として、処置具の誘導の困難さが挙げられる。特に、奥行き方向の情報は、従来の内視鏡では得られないため、奥行き方向の処置具誘導は試行錯誤で行わざるを得ず、処置に時間がかかる等の問題を生じていた。このため、奥行き方向の情報を観察者に提供できる立体視内視鏡システムが開発されている。
【０００５】
立体視内視鏡システムの観察系は通常２眼式であり、図６に示すように、細長い挿入部を備え視差を有する観察部位の左右の像を撮像するための観察光学系と撮像素子を内蔵した立体視内視鏡１０１と、この立体視内視鏡１０１からの左右の像の映像信号により立体像を生成する立体映像信号処理装置１０２と、立体映像信号処理装置１０２の立体像を表示する立体表示装置１０３とからなる。
【０００６】
そして、この立体視内視鏡システムでは、立体視内視鏡１０１の観察光学系により物体の像が撮像素子の撮像面に形成される。視差を有する左右の像を得るために、観察光学系には様々の方式が用いられる。撮像素子で取得した左右の画像は、映像信号として立体視内視鏡１０１から立体映像信号処理装置１０２に伝達される。立体映像信号処理装置１０２は後段の立体表示装置１０３に対応して必要な信号処理を行う。立体表示装置１０３は、立体映像信号処理装置１０２から送出された立体像を基に表示素子上に左右の画像を形成する。
【０００７】
左右の画像を分離して観察者の両眼に伝達するために、立体表示装置１０３にも様々の方式が存在する。
【０００８】
２眼式の立体表示装置１０３は、大きく二つの方式に分けられ、一つは据置型ＴＶモニタを用いるものであり、もう一つはＨＭＤ（ヘッド・マウンティング・デバイス）と呼ばれる頭部装着型のものである。据置型ＴＶモニタに対するＨＭＤの利点として、視野の大きさ（眼に映る画像の大きさ）が使用時に固定されること、及び視野の大きさを設計上任意に選べることが挙げられる。据置型ＴＶモニタでは、視野の大きさは観察距離に依存するため固定されない。しかし、据置型ＴＶモニタにおいて視野を大きくするにはＴＶモニタの画面を巨大化せねばならず装置の設置上の問題を生じる。このため、ある程度以上の視野の大きさを得ることは実用上困難である。
【０００９】
これに対し、ＨＭＤでは、液晶等の表示素子サイズと，接眼光学系の選択により据置型ＴＶモニタでは得られない大きな視野を得ることができる。
【００１０】
そこで、立体視による内視鏡下外科手術においては、現状は据置型ＴＶモニタを用いた立体表示装置が主流であるが、今後はＨＭＤも普及していくと考えられる。特に、先に述べたＨＭＤの利点である視野の大きさの固定と選択自由度の高さは、立体視における自然な臨場感の達成のためには重要な要因となる。
【００１１】
例えば立体視内視鏡と頭部装着型立体表示装置の組み合わせに関する従来技術としては、ＵＳＰ４６５１２０１に頭部装着型立体表示装置を含む立体視内視鏡システムが開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、自然な臨場感は立体表示装置１０３のみで定まるものではなく、立体画像入力装置となる立体視内視鏡１０１との関係によって定まるが、上記従来例ではそれらの好ましい関係については十分に検討がなされておらず、結果として自然な臨場感を得ることができないといった問題がある。
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、立体視内視鏡と頭部装着型立体表装置の好ましい関係を設定することにより、要求される自然な臨場感を得ることのできる立体視内視鏡システムを提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の立体視内視鏡システムは、細長い挿入部を有し視差を有する左右の像を撮像する立体視内視鏡と、前記立体視内視鏡で取得した左右の画像を観察者の左右の眼に伝達する頭部装着型立体表示装置を有する立体視内視鏡システムにおいて、条件（１）０．４＜β／α＜２、但し、αは前記立体視内視鏡の画角、βは前記頭部装着型立体表示装置の視角、条件（２）：  ０．０４３＜Ｅ／Ｄ＜０．５２、但し、Ｅは前記立体視内視鏡の挿入部先端における左右の光学系の入射瞳間隔、Ｄは前記立体視内視鏡の挿入部外径、を満足することを特徴とする。
【００１５】
【実施例】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例について述べる。
【００１６】
図１ないし図５は本発明の一実施例に係わり、図１は立体視内視鏡システムの構成を示す構成図、図２は図１のＨＭＤの構成を示す構成図、図３は図１の立体視内視鏡システムの作用を説明する概念図、図４は図１のＨＭＤの視角βと立体視内視鏡の画角αの定義を説明する第１の説明図、図５は図１のＨＭＤの視角βと立体視内視鏡の画角αの定義を説明する第２の説明図である。
【００１７】
本実施例の立体視内視鏡システムは、図１に示すように、観察部位の視差を有する左右の映像信号を得る立体視硬性鏡１と、立体視硬性鏡１により得られた観察部位の右映像信号を信号処理する右映像信号処理装置２と、立体視硬性鏡１により得られた観察部位の左映像信号を信号処理する左映像信号処理装置３と、観察者の頭部に装着され観察部位の立体像を表示するＨＭＤ４と、右映像信号処理装置２及び左映像信号処理装置３で信号処理された左右の映像信号によりＨＭＤ４に立体像を表示させるＨＭＤコントローラ５とを備えて構成される。
【００１８】
立体視硬性鏡１は、体腔内に挿入する硬性な挿入部を有するスコープ部１１と、スコープ部１１に接続して用いられ観察部位の視差を有する左右の像を撮像するカメラヘッド部１２とから構成される。スコープ部１１は、対物光学系１５とリレー光学系１６が軸対称な１本の光学系により構成されている。対物光学系１５で結像した像はリレー光学系１６によって所定の距離だけ伝送され、リレー光学系１６の後端にはカメラヘッド１２の対物光学系１７により瞳を空間的に２つに分割することにより視差のある左右一対の像を撮像手段としてのＣＣＤ１８、１９によって撮像される。撮像された左右一対の像は電気信号に変換され、右映像信号処理装置２及び左映像信号処理装置３で信号処理されＮＴＳＣ等の汎用映像信号に変換された後、ＨＭＤコントローラ５による制御により、ＨＭＤ４に立体像が表示される。なお、ＨＭＤコントローラ５はＨＭＤ４の各種制御と電源の供給を行う。
【００１９】
図２に示すように、ＨＭＤ４は、観察者の例えば右眼２１の視線から外れた位置に配置され観察部位の右画像を表示する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）２２と、このＬＣＤ２２に表示された右画像を右眼２１に伝送する光学系２３とを備え、光学系２３はハーフミラー面２４を挟んで２つのプリズム２５、２６を接合して構成されており、下側のプリズム２６の凹面鏡２８は拡大レンズの機能を有している。そして、ＬＣＤ２２に表示された右画像は透過し凹面鏡２８により拡大反射され、ハーフミラー面２４で直角に反射され右眼２１に供給されるようになっている。光学系２３の右眼２１に対向した位置には液晶シャッタ２９が配置されていて、図１に示すように、ＨＭＤ４のハウジングのこの液晶シャッタ２９に対応する部分は透明部３０になっている。そして、液晶シャッタ２９を閉じる（不透過）と暗い中にＬＣＤ２２に表示された画像が拡大されて観察され、液晶シャッタ２９を開く（透過）と外が見えるように構成されている。なお、左眼側も同様に構成されている。
【００２０】
本実施例の立体視内視鏡システムでは、図１に示すように、立体視硬性鏡１に替えて立体視軟性鏡３１も接続可能である。立体視軟性鏡３１は、体腔内に挿入する細長い挿入部３２を備え、この挿入部３２の先端側は湾曲可能な湾曲部３３になっており、挿入部３２の基端に設けられた操作部３４の図示しない湾曲操作ノブを操作することにより湾曲部３３を湾曲させることができるようになっている。挿入部３２の先端内部には、左右２つに分割された光学系３５が内蔵されており、左右の光学系３５はそれぞれ対物レンズ系３６と固体撮像素子例えばＣＣＤ３７からなり、左右のＣＣＤ３７からの映像信号はそれぞれの左映像信号処理装置３及び右映像信号処理装置２に伝送され、以後は立体視硬性鏡の場合と同様の処理が行なわれるようになっている。
【００２１】
上記ＨＭＤ４及び立体視硬性鏡１または立体視軟性鏡３１である立体視内視鏡の仕様例は以下の通りである。
【００２２】
＜ＨＭＤ＞
ＨＭＤ−Ａタイプ：視角β＝３６゜  液晶画素数＝１８万画素
ＨＭＤ一Ｂタイプ：視角β＝５０゜  液晶画素数＝３８万画素
ＨＭＤ−Ｃタイプ：視角β＝７０゜  液晶画素数＝６０万画素
＜立体視内視鏡＞
適用部位                腹腔      腹腔        脳      関節      胸腔
挿入部タイプ            硬性      硬性      硬性      硬性      軟性
画角α［゜］              65        70        50        90        70
挿入部外径Ｄ［mm］        12        10         4         4        10
入射瞳間隔Ｅ［mm］       1.7         4      0.18      0.25         5
Ｅ／Ｄ                 0.142       0.4     0.045     0.063       0.5
β／α［HMD-Aタイプ］     0.55      0.51      0.72       0.4      0.51
β／α［HMD-Bタイプ］     0.77      0.71         1      0.56      0.71
β／α［HMD-Cタイプ］     1.08         1       1.4      0.78         1
このように構成された本実施例の作用について説明する。
【００２３】
図３は本実施例の作用を説明するための概念図であり、図３（ａ）に示すように、内視鏡下外科手術において自然な臨場感を得るために、立体視硬性鏡１または立体視軟性鏡３１である立体視内視鏡４０による物体４１の像は、人間の頭部に装着されるＨＭＤ４の光学系２３により眼２１で観察状態を再現することが望まれる。このため、図３（ｂ）の如くあたかも人間の眼球を仮想眼球４２として立体視内視鏡４０の挿入部先端に備えられているような状態を作り出すことが望ましい。
【００２４】
この際に最も重要となるのが立体視内視鏡４０の画角αとＨＭＤの視角βの関係である。本実施例の構成では、立体視内視鏡の画角αとＨＭＤの視角βを略一致させることにより自然な臨場感が得られるようにしている。β／α＝１であれば、物体から立体視内視鏡４０に入射する光束の角度とＨＭＤから眼２１に入射する光束の角度が等しくなり、最も自然な臨場感が得られる。１でなくとも（１）式の範囲であれば大きな違和感を生じない。
【００２５】
０．４＜β／α＜２                （１）
β／αが０．４以下になると、視角βが狭くなり、眼２１に映る物体４１の像が望ましい大きさより小さくなって十分な臨場感が得られない。この場合、観察者は画像に対しもの足りなさを感じるため望ましくない。
【００２６】
また、β／αが２以上になると、視角βが広くなり眼に映る物体の像が望ましい大きさより大きくなって過剰な臨場感が生じる。この場合、内視鏡下外科手術のような長時間の使用時には観察者の疲労を過度に増大させるため望ましくない。このため、（１）式を満足させている。
【００２７】
次に（１）式に用いるＨＭＤ４の視角βと立体視内視鏡４０の画角αの定義について述べる。ＨＭＤ４の視角β、及び立体視内視鏡４０の画角αはＨＭＤ４のＬＣＤ２２に表示される内視鏡画像の最周辺部に相当する値を用いる。図４はＨＭＤ４における視角βの定義を示す図である。図４は内視鏡接続時の画像がＨＭＤ４のＬＣＤ２２の画面全体に表される場合であり、ＨＭＤ４の視角βはＬＣＤ２２画面の対角に相当する値を用い、立体視内視鏡４０の画角αもＨＭＤ４のＬＣＤ２２画面の対角に相当する値を用いる。図５は内視鏡接続時の画像が画面の一部に表示される場合であり、ＨＭＤ４の視角βは対角ではなく内視鏡画像の最大長に相当する値を用い、立体視内視鏡４０の画角αも画像の最大長に相当する値を用いる。
【００２８】
なお、先に述べた条件に加え、下記の（２）式の条件を満足することが望ましい。
【００２９】
０．０４３＜Ｅ／Ｄ＜０．５２        （２）
但し、Ｅは立体視内視鏡４０の挿入部先端における左右の光学系の入射瞳間隔、Ｄは立体視内視鏡４０の挿入部外径である。
【００３０】
この（２）式について説明する。（２）式は自然な立体感を得るための条件である。図３（ｂ）の状態を想定した場合、人間の眼幅に相当する入射瞳間隔Ｅと物体距離Ｘの間には望ましい関係が存在する。実際の人間の観察においては眼幅は約６５mmであり、立体視を行いやすい観察距離はおよそ０．２５ｍから３ｍである。人間の眼幅と観察距離の比率を立体視内視鏡の挿入部先端で再現するには以下の（３）式を満足させる必要がある。
【００３１】
６５／３０００＜Ｅ／Ｘ＜６５／２５０      （３）
なお、物体距離Ｘは、内視鏡下外科手術の場合、処置を行う距離を想定するのが望ましい。内視鏡下外科手術は人体の各部位を対象に広まっているが、一般的に腹腔のように広い空間を確保できる部位には挿入部外径Ｄの太い内視鏡が用いられ、関節や脳のように狭い空間しか得られない部位には細い内視鏡が用いられる。このため、挿入部外径Ｄと物体距離Ｘがおおよそ比例すると仮定すると、経験的に以下の（４）式の関係が設定できる。
【００３２】
Ｘ＝２Ｄ      （４）
以上の（３）、（４）式より物体距離Ｘを消去することで（２）式が導かれる。つまり、（２）式のＥ／Ｄは立体視内視鏡４０の構成のみで定まる。なお、Ｅ／Ｄが０．０４３を下回ると立体感が小さくなりすぎ、０．５２を上回ると立体感が大きくなりすぎ、共に好ましくない。
【００３３】
なお、立体表示装置をＨＭＤ４に限定した理由は、先に述べたように視野の大きさ（視角）の固定と選択自由度の高さにあるが、据置型においてもＨＭＤ４と同様の観察条件が得られるのであれば望ましいことには変わりない。
【００３４】
以上、立体視内視鏡４０とＨＭＤ４との関係について述べてきたが、先に示した（２）式の条件については、立体視内視鏡４０単独で定まるものであり、立体表示装置の形態にかかわらず満足するのが望ましい。このため、細長い挿入部を有し視差を有する左右の像を撮像する立体視内視鏡４０は（２）式を満足するように構成するのが望ましい。
【００３５】
また、立体視硬性鏡１のスコープ部は光学系が１本の光軸のみを有する瞳分割式を用いるのが望ましい。独立した光軸を有する２本の光学系からなるものも知られているが、入射瞳間隔Ｅが２本の光学系の間隔となり（２）式におけるＥ／Ｄの値が瞳分割式に比べ大きくなる。このため、Ｅ／Ｄの値を上限の０．５２以下にすることが機械設計上の大きな制約となり好ましくない。
【００３６】
以上のように本実施例では、立体視内視鏡４０の画角αとＨＭＤの視角βを略一致、または０．４＜β／α＜２を満足させているので、自然な臨場感を得ることができる。
【００３７】
［付記］
（付記項１）  細長い挿入部を有し視差を有する左右の像を撮像する立体視内視鏡と、前記立体視内視鏡で取得した左右の画像を観察者の左右の眼に伝達する頭部装着型立体表示装置を有する立体視内視鏡システムにおいて、
次の条件（１）を満足することを特徴とする立体視内視鏡システム。
【００３８】
条件（１）：  ０．４＜β／α＜２
但し、αは前記立体視内視鏡の画角、βは前記頭部装着型立体表示装置の視角である。
【００３９】
（付記項２）  次の条件（２）を満足することを特徴とする付記項１に記載の立体視内視鏡システム。
【００４０】
条件（２）：  ０．０４３＜Ｅ／Ｄ＜０．５２
但し、Ｅは前記立体視内視鏡の挿入部先端における左右の光学系の入射瞳間隔、Ｄは前記立体視内視鏡の挿入部外径である。
【００４１】
（付記項３）  細長い挿入部を有し視差を有する左右の像を撮像する立体視内視鏡において、
次の条件（２）を満足することを特徴とする立体視内視鏡。
【００４２】
条件（２）：  ０．０４３＜Ｅ／Ｄ＜０．５２
但し、Ｅは前記立体視内視鏡の挿入部先端における左右の光学系の入射瞳間隔、Ｄは前記立体視内視鏡の挿入部外径である。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、立体視内視鏡と頭部装着型立体表装置の好ましい関係を設定でき、要求される自然な臨場感を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る立体視内視鏡システムの構成を示す構成図
【図２】図１のＨＭＤの構成を示す構成図
【図３】図１の立体視内視鏡システムの作用を説明する概念図
【図４】図１のＨＭＤの視角βと立体視内視鏡の画角αの定義を説明する第１の説明図
【図５】図１のＨＭＤの視角βと立体視内視鏡の画角αの定義を説明する第２の説明図
【図６】従来の立体視内視鏡システムの構成を示す構成図
【符号の説明】
１…立体視硬性鏡
２…右映像信号処理装置
３…左映像信号処理装置
４…ＨＭＤ
５…ＨＭＤコントローラ
１１…スコープ部
１２…カメラヘッド部
１５、１７…対物光学系
１６…リレー光学系
１８、１９…ＣＣＤ
２１…右眼
２２…ＬＣＤ
２３…光学系
２４…ハーフミラー面
２５、２６…プリズム
２８…凹面鏡
２９…液晶シャッタ
３０…透明部
３１…立体視軟性鏡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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