(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内視鏡挿入部の曲率が一定となる間隔で該挿入部に複数配置し、傾きに比例した電圧信号に変換する３方向ジャイロを３軸直交系の各軸方向の傾き変位を検出するように配置構成して、直交する３方向の傾きの変位を検出し内視鏡挿入部の所定部位における挿入姿勢を電気信号に変換する姿勢検出センサと、
前記姿勢検出センサの各々の３方向ジャイロの出力を入力するよう各々の３方向ジャイロに接続し、各姿勢センサに対応して設けた姿勢検出手段と、
前記姿勢検出手段で検出されたデータを蓄積して内視鏡挿入部の挿入形状データを生成するデータ処理手段と、
前記データ処理手段で得られた挿入形状データを基に映像信号を生成する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする内視鏡形状検出装置。
【請求項２】
前記データ処理手段は、検出された３方向ジャイロの各軸方向の角度変位量を表す電圧データを前記姿勢検出手段から読み込み、３方向ジャイロの各配置位置毎に姿勢データとして記憶部のデータに加算蓄積し、所定時間内に前記蓄積した前記姿勢データから各ジャイロの配置位置毎での軸ベクトルを算出し、この軸ベクトルを用いて内視鏡挿入部の挿入形状データを生成することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡形状検出装置。
【請求項３】
前記データ処理手段は、前記内視鏡挿入部の曲率が一定となる間隔で該挿入部に複数配置した姿勢検出センサの隣接センサにおける２つの軸ベクトルの内積より求めたベクトルのなす角度を中心角とし、前記センサを配置した間隔における円弧長から半径を算出し、この求めた中心角と半径、及び検出点１の座標軸から検出点２の座標軸を求め、次にこの検出点２の座標軸からさらに次ぎに隣接するセンサにおける２つの軸ベクトルの内積より求めたベクトルのなす角度を中心角とし、前記センサを配置した間隔における円弧長から半径を算出し、この求めた中心角と半径、及び検出点２の座標軸から検出点３の座標軸を求め、以降同様の算出処理を最後の前記センサ配置区間まで繰り返して前センサの配置位置の座標を確定して内視鏡挿入部の挿入形状データを生成することを特徴とする請求項２に記載の内視鏡形状検出装置。
【請求項４】
内視鏡形状検出装置を用いて内視鏡の挿入形状を検出する方法であって、
内視鏡挿入部の曲率が一定となる間隔で該挿入部に複数配置した姿勢検出センサにより３軸直交系の各軸方向の傾き変位を検出する前記内視鏡形状検出装置が行うステップと、
前記ステップにおいて検出された３方向ジャイロの各軸方向の角度変位量を表す電圧データを各姿勢検出センサ毎にラッチする前記内視鏡形状検出装置が行うステップと、
前記ステップにおいてラッチされた３方向ジャイロの各軸方向の角度変位量を表す電圧データを姿勢検出センサの各配置位置毎に姿勢データとして記憶部のデータに加算蓄積する前記内視鏡形状検出装置が行うステップ、
前記ステップにおいて所定時間内に加算蓄積された前記姿勢データから前記姿勢検出センサを配置した各位置毎の軸ベクトルを算出する前記内視鏡形状検出装置が行うステップと、
前記ステップにおいて算出された各センサ配置位置毎の軸ベクトルを用いて挿入形状データを生成する前記内視鏡形状検出装置が行うステップと、
を有することを特徴とする内視鏡形状検出方法。
【請求項５】
前記内視鏡形状検出装置が行う前記挿入形状データ生成ステップは、前記内視鏡挿入部の曲率が一定となる間隔で該挿入部に複数配置した姿勢検出センサの隣接センサにおける２つの軸ベクトルの内積より求めたベクトルのなす角度を中心角とし、前記センサを配置した間隔における円弧長から半径を算出し、この求めた中心角と半径、及び検出点１の座標軸から検出点２の座標軸を求め、次にこの検出点２の座標軸からさらに次ぎに隣接するセンサにおける２つの軸ベクトルの内積より求めたベクトルのなす角度を中心角とし、前記センサを配置した間隔における円弧長から半径を算出し、この求めた中心角と半径、及び検出点２の座標軸から検出点３の座標軸を求め、以降同様の算出処理を最後の前記センサ配置区間まで繰り返して前センサの配置位置の座標を確定して内視鏡挿入部の挿入形状データを生成することを特徴とする請求項４に記載の内視鏡形状検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内視鏡挿入部の被検部内での形状を検出する内視鏡形状検出装置及び内視鏡形状検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内視鏡は医療用分野及び工業用分野で広く用いられるようになった。特に、医療用分野で使用される挿入部が軟性の内視鏡では、この挿入部を屈曲した体腔内に口や肛門などから挿入することにより、切開することなく体腔内深部の臓器を診断したり、必要に応じて内視鏡に設けた管路チャンネル内に処置具を挿通してポリープ等を切除するなどの治療処置を行うことができる。
【０００３】
例えば内視鏡を肛門側から挿入して大腸等の下部消化管内を検査する場合、屈曲した体腔内に挿入部を円滑に挿入するためにはある程度の熟練を要する。つまり、内視鏡の挿入作業を行う場合、体腔内の屈曲に応じて挿入部に設けた湾曲部を湾曲させる等の作業を円滑に行って挿入する必要があり、そのためには挿入部の先端位置等が、体腔内のどこに位置しているなど、現在の内視鏡挿入部の湾曲状態等を知ることができると便利である。このように大腸検査等において体腔内での内視鏡挿入部の形状を知ることにより、挿入作業が容易になり、患者に与える苦痛を軽減できる。
【０００４】
そこで、内視鏡の挿入部にＸ線不透過部を形成し、Ｘ線による透視により内視鏡の挿入形状を得て、挿入部の先端位置や挿入部の湾曲状態を検出することが考えられている。
【０００５】
しかし、Ｘ線による内視鏡形状の検出装置は大型であり、Ｘ線を照射するための装置を検査室に設けるためには検査室が十分に広くなければならない。また、術者は、内視鏡検査の際に、内視鏡の操作のほかに、Ｘ線を照射する操作を行わなければならなくなるので、術者にかかる負担が大きくなると共に、頻繁にＸ線照射を行うと被爆量が増大して患者や術者に対して有害になるおそれがあり、Ｘ線は内視鏡挿入部の挿入状態を検出する手段としては必ずしも好ましいものではない。
【０００６】
また、特開平２−２１８３３０号公報に示されるように、内視鏡の挿入を容易にするために挿入方向を検出する装置が提案されているが、このような装置では挿入方向の検出の基準が観察像の明るさのみであり、被検部位によっては挿入方向の検出が難しかったり、精度良く検出できない場合があり、挿入部を円滑に挿入することが困難な場合があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、従来の装置では、観察像の明るさで挿入方向を検出するものでは挿入部を円滑に挿入するために十分な挿入形状の検出ができなかったり、Ｘ線を照射して挿入形状を検出するものでは装置構成が大型で複雑化するなどの問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で正確に内視鏡の挿入形状を検出することが可能な内視鏡形状検出装置及び内視鏡形状検出方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様による内視鏡形状検出装置は、内視鏡挿入部の曲率が一定となる間隔で該挿入部に複数配置し、傾きに比例した電圧信号に変換する３方向ジャイロを３軸直交系の各軸方向の傾き変位を検出するように配置構成して、直交する３方向の傾きの変位を検出し内視鏡挿入部の所定部位における挿入姿勢を電気信号に変換する姿勢検出センサと、前記姿勢検出センサの各々の３方向ジャイロの出力を入力するよう各々の３方向ジャイロに接続し、各姿勢センサに対応して設けた姿勢検出手段と、前記姿勢検出手段で検出されたデータを蓄積して内視鏡挿入部の挿入形状データを生成するデータ処理手段と、前記データ処理手段で得られた挿入形状データを基に映像信号を生成する信号処理手段と、を備えている。
本発明の一態様による内視鏡形状検出方法は、内視鏡形状検出装置を用いて内視鏡の挿入形状を検出する方法であって、内視鏡挿入部の曲率が一定となる間隔で該挿入部に複数配置した姿勢検出センサにより３軸直交系の各軸方向の傾き変位を検出する前記内視鏡形状検出装置が行うステップと、前記ステップにおいて検出された３方向ジャイロの各軸方向の角度変位量を表す電圧データを各姿勢検出センサ毎にラッチする前記内視鏡形状検出装置が行うステップと、前記ステップにおいてラッチされた３方向ジャイロの各軸方向の角度変位量を表す電圧データを姿勢検出センサの各配置位置毎に姿勢データとして記憶部のデータに加算蓄積する前記内視鏡形状検出装置が行うステップ、前記ステップにおいて所定時間内に加算蓄積された前記姿勢データから前記姿勢検出センサを配置した各位置毎の軸ベクトルを算出する前記内視鏡形状検出装置が行うステップと、前記ステップにおいて算出された各センサ配置位置毎の軸ベクトルを用いて挿入形状データを生成する前記内視鏡形状検出装置が行うステップと、を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１ないし図５は本発明の第１実施形態に係り、図１は内視鏡装置のシステム構成を示す構成図、図２は内視鏡形状検出装置の構成を示す構成図、図３は姿勢検出回路の構成を示すブロック図、図４は第１実施形態の動作を説明するためのフローチャート、図５は第１実施形態の形状検出処理を説明する作用説明図である。
【００１１】
図１に示すように、内視鏡装置は、体腔内に挿入され対象部位の観察、処置を行うための内視鏡１と、この内視鏡１を接続し内視鏡で得られた対象部位の画像を観察するための内視鏡観察装置２と、内視鏡１と接続され内視鏡挿入部の形状を検出する内視鏡形状検出装置３と、内視鏡観察装置２より出力される内視鏡画像と内視鏡形状検出装置３より出力される内視鏡形状画像とを表示する表示装置４とを備えて構成されている。
【００１２】
内視鏡１は、体腔内に挿入する挿入部１ａの基端部に操作部１ｂが連設され、この操作部１ｂよりライトガイドや信号ケーブルを内蔵したユニバーサルコード５が延出して構成されており、ユニバーサルコード５の端部が内視鏡観察装置２に接続されている。また、操作部１ｂより信号伝送ケーブル６が延出しており、この信号伝送ケーブル６を介して内視鏡形状検出装置３と接続されている。そして、内視鏡形状検出装置３と内視鏡観察装置２とが接続ケーブル７を介して接続され、信号の伝送が行われるようになっている。
【００１３】
内視鏡観察時には、術者によって検査ベッド８に横たわる患者９の体腔内に内視鏡１の挿入部１ａを挿入し、挿入部１ａの先端部に組み込まれた撮像素子により対象部位の画像を得る。このとき、内視鏡観察装置２からの撮像素子駆動信号により撮像素子において光電変換が行われ、得られた画像は内視鏡観察装置２へ電気信号（撮像信号）として伝送される。内視鏡観察装置２の内部では、内視鏡１からの撮像信号を処理して対象部位の画像を映像信号に変換し、表示装置４に出力する。表示装置４は、内視鏡観察装置２の出力を受信して画像表示を行うことにより、内視鏡画像として患者体内の観察画像を術者に視覚的に提供する。
【００１４】
次に、図２及び図３を参照して、内視鏡形状検出装置３の構成について説明する。
【００１５】
内視鏡形状検出装置３は、内視鏡１の所定部位の姿勢を電気信号に変換する３方向ジャイロ（ジャイロスコープ）１０と、この３方向ジャイロ１０のアナログ出力をデジタルデータとして検出する姿勢検出回路１１と、姿勢検出回路１１で検出されたデジタルデータを監視・蓄積して内視鏡の挿入形状データを生成するデータ処理回路１２と、データ処理回路１２で得られた挿入形状データを基に映像信号を生成する信号処理手段１３とを備えて構成され、この信号処理手段１３から出力される映像信号を視覚的な画像として表示する表示装置４に接続されている。
【００１６】
直交する３方向の傾きの変位を検出する３方向ジャイロ１０は、内視鏡１の挿入部１ａの内部に複数設けてあり、先端部から基端部まで所定の間隔（隣りのジャイロまでの区間で挿入部１ａの曲率が一定となる間隔）で配置してある。そして、各々の３方向ジャイロ１０に姿勢検出回路１１が接続されている。なお、３方向ジャイロ１０は、挿入部１ａに設けるのに限らず、挿入部１ａのチャンネル内に挿入可能なプローブに複数設けて挿入部１ａ内に配置するようにしても良い。
【００１７】
この３方向ジャイロ１０は、図３に示すように、±９０度の範囲で傾きに比例した電圧信号に変換する圧電振動ジャイロ１０ａを３軸直交系の各軸方向の傾き変位を検出するように配置して構成してあり、各々の圧電振動ジャイロ１０ａが姿勢検出回路１１に接続されている。
【００１８】
姿勢検出回路１１は、各々の圧電振動ジャイロ１０ａごとに設けられた３つの同一の回路系統から構成され、一対一で圧電振動ジャイロ１０ａの出力する電気信号が入力される。それぞれの回路系統は、ローパスフィルタ（以降、ＬＰＦと記す）１１ａ、増幅回路１１ｂ、アナログ−デジタル変換器（以降、ＡＤＣと記す）１１ｃから構成されている。さらに姿勢検出回路１１は、前記３系統の各ＡＤＣ１１ｃで変換され出力されるデータを取り込み、データ処理回路１２の要求するタイミングで出力するデータバッファ１１ｄを備えている。
【００１９】
次に、図４及び図５を参照して、第１実施形態に係る内視鏡形状検出装置の動作について説明する。
【００２０】
内視鏡形状検出装置３は、術者により形状検出の動作の開始が指示されると、まずステップＳ１で、データ処理回路１２内に設けられた図示しない監視タイマーや内視鏡の挿入形状データを記憶するための記憶手段としてのメモリなどのパラメータを初期化する。このときに姿勢検出回路１１のＡＤＣ１１ｃのＡ／Ｄ変換周期も所定値にセットされる。
【００２１】
次に、ステップＳ２で、前記監視タイマーの計数が開始されると共にＡＤＣ１１ｃのＡ／Ｄ変換も開始され、各姿勢検出回路１１のデータバッファ１１ｄにおいて、検出された３方向ジャイロ１０の各軸方向の角度変位量を表す電圧データがラッチされる。そしてステップＳ３で、前記データバッファ１１ｄのデータはデータ処理回路１２に読み込まれ、圧電振動ジャイロ１０ａの特性に対応させた変位量に変換された後、３方向ジャイロ１０の各ポイント毎に姿勢データとしてメモリ内のデータに加算され蓄積される。この後、ステップＳ４で監視タイマーの計数が終了したか否か判断し、終了していない場合はステップＳ２に戻ることにより、監視タイマーが所定の値までの計数を終了するまでこの蓄積処理を繰り返す。
【００２２】
そして、監視タイマーの計数が終了すると、ステップＳ５に進み、この所定時間内に蓄積した姿勢データから各ポイント毎での軸ベクトルを算出する。この軸ベクトルは、内視鏡１の操作部１ｂから挿入部１ａの先端部へ沿った方向を正の向きとし、大きさ１の単位ベクトルとして算出する。
【００２３】
次いで、ステップＳ６で、各ポイントの軸ベクトルを用いて挿入形状データを生成する。この過程では、最も操作部よりに配置された一番目の３方向ジャイロを原点とし、このジャイロの検出した軸ベクトルと次のポイントに配置された二番目の３方向ジャイロの検出した軸ベクトルとを含む平面を基準面とした座標系を考える。
【００２４】
図５を基に挿入形状データの生成手順を説明する。図５は前記座標系における基準面上での隣り合う２つのポイントの軸ベクトルを示す説明図である。
【００２５】
まず、各３方向ジャイロ１０は、隣のジャイロまでの区間で内視鏡１の挿入部１ａの曲率が一定となる間隔に配置することによりジャイロ間内視鏡形状は円弧を描くことになるため、図５に示すように、２つの軸ベクトルの内積より求めたベクトルのなす角θ１を中心角とし、配置した間隔すなわち円弧の長さから半径ｒ１を算出する。この求めた中心角θ１と半径ｒ１および検出点Ｐ１の座標値から検出点Ｐ２の座標値を求める。
【００２６】
次に、この検出点Ｐ２と検出点Ｐ３を次の区間として、中心角θ２と半径ｒ２および検出点Ｐ２の座標値から検出点Ｐ３の座標値を求める。
【００２７】
同様の算出処理を最後の区間まで繰り返し、全ジャイロの位置座標を確定し、内視鏡の挿入形状データを生成する。
【００２８】
このようにしてデータ処理回路１２で生成した挿入形状データは、信号処理手段１３に伝送されて映像信号に変換され、表示装置４に内視鏡形状画像として表示される。
【００２９】
図４に戻り、ステップＳ７で形状検出の動作が終了したか否かを判断し、終了していない場合はステップＳ２に戻ることにより、形状検出動作の終了まで以上の処理を繰り返す。これにより、術者によって形状検出の終了が選択され指示されるまで内視鏡形状画像の表示の更新が繰り返される。
【００３０】
以上説明したように、第１実施形態では、内視鏡挿入部内部に複数個の空間姿勢を検出する手段を設けると共に、所定時間内の各個所の姿勢情報を記憶する手段と、各姿勢情報から内視鏡の挿入形状情報を生成する手段と、挿入形状情報を視覚的に表示する手段とを設けることにより、内視鏡挿入形状を術者に提供するようになっている。このとき、既知の間隔で設けられた空間姿勢検出手段からの姿勢変化量を所定時間間隔で採取したデータから内視鏡挿入部の軸ベクトルを算出し、この軸ベクトルと既知の距離から内視鏡の挿入形状を検出して表示手段に表示するようにしている。
【００３１】
第１実施形態によれば、内視鏡形状検出のためにＸ線などの外部より信号発生する手段を設ける必要がないため、システムが簡単な構成で内視鏡の挿入形状を検出し表示することができる。また、形状検出の際にＸ線による被爆等のおそれがなく、安全に内視鏡の挿入形状を得ることが可能である。
【００３２】
また、内視鏡挿入部の各検出ポイントでの姿勢と検出手段の設置間隔のデータから簡略な推定処理の繰り返しのみで挿入形状データを生成することができるため、処理の高速化を図ることが可能である。また、各検出ポイントでの挿入部の方向ベクトルが検出されるため、挿入形状データ生成時のデータ補間処理の精度が向上し、形状をより正確に求めることが可能となる。
【００７３】
［付記］
（１）  内視鏡の挿入部に複数配設され、この配設した点の回転角を検出し電気信号に変換する回転角検出手段を直交する３軸上に配置してなる姿勢検出センサ手段と、
前記姿勢検出センサ手段の出力を所定間隔で標本化する姿勢検出手段と、
複数の前記姿勢検出手段が標本化した複数の姿勢情報から内視鏡の挿入形状を検出する形状検出手段と、
を備えたことを特徴とする内視鏡形状検出装置。
【００７４】
（２）  前記姿勢検出センサ手段は、ジャイロスコープであることを特徴とする付記１に記載の内視鏡形状検出装置。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、簡単な構成で正確に内視鏡の挿入形状を検出することが可能で有るといった効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態に係る内視鏡装置のシステム構成を示す構成図
【図２】  第１実施形態の内視鏡形状検出装置の構成を示す構成図
【図３】  姿勢検出回路の構成を示すブロック図
【図４】  第１実施形態の動作を説明するためのフローチャート
【図５】  第１実施形態の形状検出処理を説明する作用説明図
【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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