(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単心コイルにより磁界を発生するソースコイルと、
前記ソースコイルが発生した磁界を検出するためにセンスコイルユニット内の異なる位置に複数配置されたセンスコイルと、
前記センスコイルの出力から前記ソースコイルの位置と向きを推定する推定手段と、
を具備した位置推定装置において、
前記センスコイルは、前記ソースコイルの位置と向きを推定する測定領域において前記ソースコイルを配置して回転させたとき、前記ソースコイルの位置と向き、及び、前記センスコイルの位置から算出される平面上で前記ソースコイルの磁界が金属体を通過する前記ソースコイルの回転角度が前記金属体の影響を受け難い小さい角度になるように前記センスコイルユニット内に配置され、かつ、自己を通過する前記ソースコイルの磁界が略直交するように向きが設定されたことを特徴とする位置推定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置推定装置、更に詳しくはセンスコイルの配置部分に特徴のある位置推定装置に関する。
【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。この内視鏡は特に挿入部が軟性のものは、屈曲した体腔内に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】
この場合、例えば肛門側から下部消化管内を検査する場合のように、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必要とする場合がある。
【０００４】
つまり、挿入作業を行っている場合、管路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が円滑な挿入を行うのに必要になり、そのためには挿入部の先端位置等が、体腔内のどの位置にあるかとか、現在の挿入部の屈曲状態等を知ることができると便利である。
【０００５】
そこで、例えば本出願人が先に出願した特願平１０−６９０７５号に示されるような磁界を用いた位置推定装置（形状推定装置）が種々提案されている。
【０００６】
上記の特願平１０−６９０７５号においては、センスコイルユニット内のセンスコイルの配置は、ソースコイルの測定空間において測定誤差を均一にし、同一方向を向いたセンスコイル間の距離を可能な限り離すことによってソースコイルの推定精度が向上するようにセンスコイルユニット内の４隅にＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の単心コイルを３つ配置していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来装置では、測定空間上に金属物体が存在すると、金属を通過する磁界が影響を受け、センスコイルの出力が変化し、ソースコイルの位置が正しく推定できないと言う問題が発生する。
【０００８】
すなわち、ソースコイルとセンスコイルユニットとの周辺に金属が存在する場合、推定される形状が歪むという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ソースコイルとセンスコイルユニットとの周辺に金属が存在しても、正確に形状を推定することのできる位置推定装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の位置推定装置は、単心コイルにより磁界を発生するソースコイルと、
前記ソースコイルが発生した磁界を検出するためにセンスコイルユニット内の異なる位置に複数配置されたセンスコイルと、前記センスコイルの出力から前記ソースコイルの位置と向きを推定する推定手段と、を具備した位置推定装置において、前記センスコイルは、前記ソースコイルの位置と向きを推定する測定領域において前記ソースコイルを配置して回転させたとき、前記ソースコイルの位置と向き、及び、前記センスコイルの位置から算出される平面上で前記ソースコイルの磁界が金属体を通過する前記ソースコイルの回転角度が前記金属体の影響を受け難い小さい角度になるように前記センスコイルユニット内に配置され、かつ、自己を通過する前記ソースコイルの磁界が略直交するように向きが設定されたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べる。
【００１３】
第１の実施の形態：
図１ないし図１９は本発明の第１の実施の形態に係わり、図１は内視鏡システムの構成を示す構成図、図２は図１の内視鏡装置形状検出装置の機能構成を示すブロック図、図３は図２の内視鏡装置形状検出装置の構成を示す構成図、図４は図３の内視鏡装置形状検出装置の要部である２ポートメモリ等の構成を示す構成図、図５は図４の２ポートメモリの動作を示すタイミング図、図６は図１の内視鏡システムの作用を示すフローチャート、図７は図６のＦＦＴ処理の流れを示すフローチャート、図８は図６の内視鏡システムの作用における並行処理タイミングを示すタイミング図、図９は図６のソースコイル推定位置座標算出処理の原理を説明する第１の説明図、図１０は図６のソースコイル推定位置座標算出処理の原理を説明する第２の説明図、図１１は図６のソースコイル推定位置座標算出処理の原理を説明する第３の説明図、図１２は図６のソースコイル推定位置座標算出処理の原理を説明する第４の説明図、図１３は図６のソースコイル推定位置座標算出処理の原理を説明する第５の説明図、図１４は図１のセンスコイルの配置を説明する第１の説明図、図１５は図１のセンスコイルの配置を説明する第２の説明図、図１６は図１のセンスコイルの配置を説明する第３の説明図、図１７は図１のセンスコイルの配置を説明する第４の説明図、図１８は図１のセンスコイルの配置を説明する第５の説明図、図１９は図１のセンスコイルの配置を説明する第６の説明図である。
【００１４】
（構成）
図１に示すように、本実施の形態の内視鏡システム１は、内視鏡検査を行う内視鏡装置２と、内視鏡検査の補助に用いられる内視鏡装置形状検出装置３とを備え、この内視鏡形状検出装置３は、ベット４に横たわる患者５の体腔内に電子内視鏡６の挿入部７を挿入し、内視鏡検査を行う際の挿入補助手段として使用される。
【００１５】
電子内視鏡６は、可撓性を有する細長の挿入部７の後端に湾曲操作ノブを設けた操作部８が形成され、この操作部８からユニバーサルコード９が延出され、ビデオイメージングシステム（またはビデオプロセッサ）１０に接続されている。
【００１６】
この電子内視鏡６は、ライトガイドが挿通されビデオプロセッサ１０内の光源部からの照明光を伝送し、挿入部７の先端に設けた照明窓から伝送した照明光を出射し、患部等を照明する。照明された患部等の被写体は照明窓に隣接して設けられた観察窓に取り付けた対物レンズにより、その結像位置に配置された撮像素子に像を結び、この撮像素子は光電変換する。
【００１７】
光電変換された信号はビデオプロッセサ１０内の映像信号処理部により信号処理されて標準的な映像信号が生成され、ビデオプロセッサ１０に接続された画像観察用モニタ１１に表示される。
【００１８】
この電子内視鏡６には鉗子チャンネル１２が設けてあり、この鉗子チャンネル１２の挿入口１２ａから例えば１６個の磁気発生素子（またはソースコイル）１４ａ、１４ｂ、…、１４ｐ（以下、符号１４ｉで代表する）を有するプローブ１５が挿通されることにより、挿入部７内にソースコイル１４ｉが設置される。
【００１９】
このプローブ１５の後端から延出されたソースケーブル１６は、その後端のコネクタが内視鏡形状検出装置３の装置本体２１に着脱自在に接続される。そして、装置本体２１側から高周波信号伝達手段としてソースケーブル１６を介して磁気発生手段となるソースコイル１４ｉに高周波信号（駆動信号）を印加することにより、ソースコイル１４ｉは磁界を伴う電磁波を周囲に放射する。
【００２０】
単心コイルからなるセンスコイルを３次元空間上に複数配置し、具体的には、中心のＺ座標が第１のＺ座標である例えばＸ軸に向いたセンスコイル２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと、中心のＺ座標が第１のＺ座標と異なる第２のＺ座標であるＹ軸に向いたセンスコイル２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈと、中心のＺ座標が第１及び第２のＺ座標と異なる第３のＺ座標であるＺ軸に向いたセンスコイル２２ｉ、２２ｊ、２２ｋ、２２ｌの１２個のセンスコイルを配置する（以下、センスコイルの符号を２２ｊで代表させる）。
【００２１】
センスコイル２２ｊは、センスコイル２２ｊが収納されているセンスコイルユニット５０のコネクタから検出信号伝達手段としてのセンスケーブル２３を介して装置本体２１に接続されている。この装置本体２１には使用者が装置を操作するための操作パネル２４またはキーボード等が設けられている。また、この装置本体２１には検出した内視鏡形状を表示する表示手段としてモニタ２５が接続されている。
【００２２】
さらに、内視鏡形状検出装置３の詳細な構成について説明する。内視鏡形状検出装置３は、図２に示すように、ソースコイル１４ｉを起動する駆動ブロック２６と、センスコイル２２ｊが受信した信号を検出する検出ブロック２７と、検出ブロック２７で検出した信号を信号処理するホストプロセッサ２８とから構成される。
【００２３】
図３に示すように、電子内視鏡６の挿入部７に設置されるプローブ１５には、上述したように、磁界を生成するための１６個のソースコイル１４ｉが所定の間隔で配置されており、これらソースコイル１４ｉは、駆動ブロック２６を構成する１６個の互いに異なる高周波の駆動信号を生成するソースコイル駆動回路３１に接続されている。
【００２４】
ソースコイル駆動回路部３１は、各ソースコイル１４ｉをそれぞれ異なる周波数の正弦波の駆動信号電流で駆動し、それぞれの駆動周波数はソースコイル駆動回路部３１内部の図示しない駆動周波数設定データ格納手段或いは駆動周波数設定データ記憶手段に格納された駆動周波数設定データ（駆動周波数データとも記す）により設定される。この駆動周波数データは、ホストプロセッサ２８において内視鏡形状の算出処理等を行うＣＰＵ（中央処理ユニット）３２によりＰＩＯ（パラレル入出力回路）３３を介してソースコイル駆動回路部３１内の駆動周波数データ格納手段（図示せず）に格納される。
【００２５】
一方、１２個のセンスコイル２２ｊは、検出ブロック２７を構成するセンスコイル信号増幅回路部３４に接続されている。
【００２６】
図４に示すように、センスコイル信号増幅回路部３４では、単心コイル２２ｊが１個につき１系統設けられた増幅回路３５ｊに接続されており、各単心コイル２２ｊで検出された微小な信号が増幅回路３５ｊにより増幅されフィルタ回路３６ｊでソースコイル群が発生する複数周波数が通過する帯域をもち不要成分を除去して出力バッファ３７ｊに出力された後、ＡＤＣ（アナログ・デジタル・コンバータ）３８ｊでホストプロセッサ２８が読み込み可能なデジタル信号に変換される。
【００２７】
なお、検出ブロック２７は、センスコイル信号増幅回路部３４及びＡＤＣ３８ｊより構成され、センスコイル信号増幅回路部３４は増幅回路３５ｊ、フィルタ回路３６ｊ及び出力バッファ３７ｊより構成される。
【００２８】
図３に戻り、このセンスコイル信号増幅回路部３４の１２系統の出力は、１２個の前記ＡＤＣ３８ｊに伝送され、制御信号発生回路部４０から供給されるクロックにより所定のサンプリング周期のデジタルデータに変換される。このデジタルデータは、制御信号発生回路部２７からの制御信号によりローカルデータバス４１を介して２ポートメモリ４２に書き込まれる。
【００２９】
なお、２ポートメモリ４２は、図４に示すように、機能的には、ローカルコントローラ４２ａ、第１のＲＡＭ４２ｂ、第２のＲＡＭ４２ｃ及びバススイッチ４２ｄよりなり、図５に示すようなタイミングにより、ローカルコントローラ４２ａからのＡ／Ｄ変換開始信号によりＡＤＣ３８ｊがＡ／Ｄ変換を開始し、ローカルコントローラ４２ａからの切り換え信号によりバススイッチ４２ｄがＲＡＭ４２ｂ、４２ｃを切り換えながら第１ＲＡＭ４２ｂ、４２ｃを交互に読み出しメモリ及び書き込みメモリとして用い、書き込み信号により、電源投入後は、常時データの取り込みを行っている。
【００３０】
再び、図３に戻り、ＣＰＵ３２は、制御信号発生回路部２７からの制御信号により２ポートメモリ４２に書き込まれたデジタルデータをローカルデータバス４３、ＰＣＩコントローラ４４及びＰＣＩバス４５（図４参照）からなる内部バス４６を介して読みだし、メインメモリ４７を用い、後述するように、デジタルデータに対して周波数抽出処理（フーリエ変換：ＦＦＴ）を行い、各ソースコイル１４ｉの駆動周波数に対応する周波数成分の磁界検出情報に分離抽出し、分離した磁界検出情報の各デジタルデータから電子内視鏡６の挿入部７内に設けられた各ソースコイル１４ｉの空間位置座標を算出する。
【００３１】
また、算出された位置座標データから電子内視鏡６の挿入部７の挿入状態を推定し、内視鏡形状画像を形成する表示データを生成し、ビデオＲＡＭ４８に出力する。このビデオＲＡＭ４８に書き込まれているデータをビデオ信号発生回路４９が読みだし、アナログのビデオ信号に変換してモニタ２５へと出力する。モニタ２５は、このアナログのビデオ信号を入力すると、表示画面上に電子内視鏡６の挿入部７の挿入形状を表示する。
【００３２】
ＣＰＵ３２において、各ソースコイル１４ｉに対応した磁界検出情報、すなわち、各センスコイル２２ｊに発生する起電力（正弦波信号の振幅値）と位相情報が算出される。なお、位相情報は、起電力の極性±を示す。
【００３３】
本実施の形態の内視鏡システム１では、電源が投入されると、図６に示すように、ステップＳ１でパラメータファイルに基づき各システムパラメータを初期化し、ステップＳ２でハードウエアの初期化を行う。
【００３４】
電源投入後は、２ポートメモリ４２にはＦＦＴ処理を行うためのＦＦＴポイント数分のデータが常時更新されており（図５参照）、ステップＳ３で、ＣＰＵ３２は、このＦＦＴポイント数分のデータを取り込む。そして、ステップＳ４で窓関数法による処理によりデータの補正を行い、ステップＳ５で後述するＦＦＴ処理を行う。ＦＦＴ処理後は、ステップＳ６で駆動周波数分の周波数成分を抽出し、ステップＳ７で振幅値及び位相差を算出し、ステップＳ８で算出した振幅値及び位相差の補正を行う。
【００３５】
そして、ステップＳ９で８個の前記ＡＤＣ３８ｊからの信号（以下、チャンネル：ＣＨとも記す）の検出が全て終了したか判断し、終了していなければステップＳ３に戻り、終了していればステップＳ１０でセンスコイル特性に応じて全ＣＨ分の振幅値を補正し、ステップＳ１１で全ＣＨ分の振幅値及び位相差により後述する方法によりソースコイル１４ｉの推定位置座標を算出する。
【００３６】
その後、ステップＳ１２で内視鏡システム１のシステム終了ＳＷがオンかどうか判断し、オンでないならば、ステップＳ１３で後述する内視鏡形状検出イメージ画像表示処理を行い、ステップＳ３に戻り処理を繰り返す。また、ステップＳ１２で内視鏡システム１のシステム終了ＳＷがオンされると、ステップＳ１４で各システムパラメータをパラメータファイルに保存した後、システムを終了する。
【００３７】
ステップＳ５でのＦＦＴ処理では、図７に示すように、ＣＰＵ３２は、ステップＳ２１で全ＣＨがシグナル状態（ＦＦＴポイント数分のデータが揃った状態）かどうか判断し、シグナル状態ならばステップＳ２２に進み、シグナル状態でないならばステップＳ２３でシグナル状態になるまで待機しステップＳ２２に進む。
【００３８】
ステップＳ２２では、ＦＦＴ処理を行うＣＨのビットの状態（ビットが０ならば今回処理のためのデータ、ビットが１ならば処理済みのデータ）を判断し、ビットが０ならばステップＳ２４でＦＦＴを行い、ＦＦＴ後ステップＳ２５でビットの状態を１とする。ステップＳ２２でビットが１ならばステップＳ２１に戻り、次の第２以降のＣＨ全てに対して処理を繰り返し全てのＣＨのＦＦＴ処理を行う。
【００３９】
ステップＳ２５後のステップＳ２６では、全てのＣＨのビット状態が１かどうか判断し、全てのＣＨのビット状態が１でない場合は、ビット状態が１でないＣＨに対してＦＦＴ処理を行うためにステップＳ２１に戻る。ステップＳ２６で全てのＣＨのビット状態が１と判断すると、ステップＳ２７で全ＣＨをノンシグナル状態とし待機し、ＦＦＴポイント数分のデータが揃うとステップＳ２８でシグナル状態にセットし、ステップＳ２１に戻る。
【００４０】
なお、図６の処理では、高速処理を行うために、図８に示すように、各処理単位を並列処理化するようにしている。特に、処理時間が長く繰り返し演算であるＦＦＴについては、同じ処理単位をほぼ同時に処理する構成にしている。この並列処理化の対応によりＣＰＵ３２の空き時間を有効に使用し高速化を図っている。
【００４１】
次に、図６のステップＳ１１でのソースコイル推定位置座標算出処理について説明する。まず、ソースコイル推定位置座標の算出方法を説明し、その後に具体的な処理内容を説明する。
【００４２】
図９に示すように、半径が極めて小さく薄い円形コイルでは、特開平９−８４７４５号公報に記載されているように、円形コイルに電流を流すと磁気双極子と同様に、３次元空間上の点Ｐの磁位は次のような式で表すことができる。
【００４３】
【数１】
0003746617.tif 000002
μ  ：透磁率
Ｎ1 ：円形コイルの巻数
ａ  ：円形コイルの半径
Ｉ  ：円形コイルに流れる電流
従って、点ＰにおけるＸ，Ｙ，Ｚ軸と同一方向の磁界（ＨPx、ＨPy、ＨPz）は、
【数２】
0003746617.tif 000003
のように求められる。
図１０に示すような３次元空間（以下ワールド座標系ＸW −ＹW −ＺW）において、磁界を発生する単心コイル（以下ソースコイル）の位置を（ｘgW、ｙgW、ｚgW）とし、３次元空間上の任意の位置を点Ｐ（ｘPW、ｙPW、ｚPW）とする。
【００４４】
ソースコイルを基準とした座標系をローカル座標系ＸL −ＹL −ＺL とすると、ローカル座標系における点Ｐの座標（ｘPl、ｙPl、ｚPl）は
【数３】
0003746617.tif 000004
Ｐl  ：ローカル座標系における原点Ｏから点Ｐへのベクトル
ＰW ：ワールド座標系における原点Ｏから点Ｐへのベクトル
ＧW ：ワールド座標系におけるソースコイルの位置へのベクトル
Ｒ：回転マトリックス
と表すことができる。
【００４５】
但し、Ｒは回転マトリックスで、図１１に示す極座標系の回転マトリックスＲは
【数４】
0003746617.tif 000005
となる。αはＺW 軸を中心とした回転量を、βはＸW 軸を中心とした回転量を示す。
【００４６】
ソースコイルを基準としたローカル座標系において、点Ｐに発生する磁界Ｈl （ＨPxl 、ＨPyl 、ＨPzl ）は式（１０）より
【数５】
0003746617.tif 000006
となる。
【００４７】
従って、ワールド座標系の点ＰにおけるＸW 、ＹW 、ＺW 軸と同一方向の磁界ＨW （ＨPxW 、ＨPyW 、ＨPzW ）は、
【数６】
0003746617.tif 000007
となる。
【００４８】
図１３に示すように、３次元空間ＸＹＺ上に磁界を発生する１つのソースコイルを位置（ｘg，ｙg，ｚg）、向き（ｇx，ｇy，ｇz）に配置した場合、適当な位置Ｐ（ｘd，ｙd，Ｚd）に発生する磁界Ｈx，Ｈy，Ｈzは、式（６）から次のように表される。
【００４９】
【数７】
0003746617.tif 000008
但し、ｋSは定数、ｒはソースコイルと点Ｐとの距離であって、磁界Ｈx，Ｈy，Ｈzの向きはＸ，Ｙ，Ｚ軸と同一方向である。
【００５０】
点Ｐの位置に座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚと同一に向いた単心コイルＣx，Ｃy，Ｃzが配置された場合、それぞれの単心コイルＣx，Ｃy，Ｃzに発生する電圧Ｖx，Ｖy，Ｖzは
【数８】
0003746617.tif 000009
となる。ここで、Ｘ軸に向いた単心コイルＣxは、コイルを構成する導線を巻くときの軸をＸ軸と同一方向にしたコイルであって、Ｙ軸，Ｚ軸と同一に向いた単心コイルＣy，Ｃzも同様なコイルである。
【００５１】
図１に示すように、１２個のセンスコイルの電圧、位置、向きが全て既知であることから、式（８）によりソースコイルの位置（ｘg，ｙg，ｚg）と向き（ｇx，ｇy，ｇz）を未知数とする１２個の非線形方程式が得られる。
【００５２】
この１２個の非線形方程式の解、すなわち、ソースコイルの位置と向きを反復改良によって求める（Ｇａｕｓｓ−Ｎｅｗｔｏｎ法）。
【００５３】
ｘをソースコイルの位置（ｘg，ｙg，ｚg）と向き（ｇx，ｇy，ｇz）のパラメータとし、そのパラメータの初期値をｘ(0)とする。
【００５４】
いま、反復改良によりｋ次の推定値ｘ(k)が得られ、センスコイルに発生する電力のモデル関数Ｖ（ｘ）をｘ(k)のまわりでＴａｙＬｏｒ展開すると、その一次近似は
【数９】
0003746617.tif 000010
となる。
【００５５】
このとき、Ｖｍをセンスコイルによって測定された電圧とすると観測方程式は
【数１０】
0003746617.tif 000011
ここで、式が等号ではなくnearly equalとなっているのは、Ｖｍに測定誤差が含まれるため。
【００５６】
と表される。式（１０）の右辺の第１項を左辺に移動すると
【数１１】
0003746617.tif 000012
となる。但し、
【数１２】
ΔＶｍ(k)＝Ｖｍ−Ｖ（ｘ(k)）＝Ｖｍ−Ｖｍ(k)            …（１２）
【数１３】
Δｘ(k)＝ｘ−ｘ(k)          …（１３）
【数１４】
0003746617.tif 000013
（ｉ＝１〜ｎ，ｊ＝１〜ｍ）
（行方向：未知数の数ｎ、列方向：センスコイルの数ｍ）
である。解Δｘ(k)は、式（１１）より
【数１５】
Δｘ(k)＝（Ｂ(k)ＷＡ(k)）-1Ｂ(k)ＷΔＶｍ(k)               …（１５）
と表される。ただし、ＢはＡの転置、Ｗは重み行列である。
【００５７】
よって、式（１３）より改良したパラメータの推定値は
【数１６】
ｘ(k+1)＝ｘ(k)＋Δｘ(k)          …（１６）
と求められる。
【００５８】
図１に示すように、１２個の単心コイル（センスコイル）を並べると、行列Ａは
【数１７】
0003746617.tif 000014
重み行列Ｗは
【数１８】
0003746617.tif 000015
と表される。ただし、重み行列Ｗのσi（ｉ＝０，１，…，１２）は、各センスコイルの測定電圧の変動量で、例えば、環境ノイズ等がある。
【００５９】
また、第ｋ番目のΔＶｍは
【数１９】
0003746617.tif 000016
となることから、ソースコイルの位置と向きは、次の手順（１）から（４）で求められる。
【００６０】
手順（１）；ｋ＝０とし、ソースコイルの初期値を位置（ｘg，ｙg，ｚg）(0)、向き（ｇx，ｇy，ｇz）(0)とする（例えば、ソースコイルを測定する空間の中心位置とＺ軸方向のベクトル（０，０，１））。
手順（２）；式（１７），（１８），（１９）により第ｋ番目の行列を計算する。
手順（３）；式（１６）により第ｋ番目の更新量Δｘ(k)を計算する。
手順（４）；更新量Δｘ(k)が小さくなるまで上記手順（２）から（４）を繰り返す。
【００６１】
本実施の形態では、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に向いたセンスコイルをそれぞれ同一の高さに配置してソースコイルの位置を推定したが、これに限らず、各々のセンスコイルを任意の位置や向きに配置した場合でも、センスコイルの位置と向きが既知であればソースコイルの位置が推定できる。
【００６２】
図１に示すように、センスコイルユニット５０はソースコイル１４ｉが発生する磁界を検出するための複数のセンスコイル２２ｊによって構成される。また、センスコイルユニット５０はベッドの脇に柱２９によって固定されている。
【００６３】
図１に示すようにベッド４の脇のセンスコイルユニット５０を固定する柱２９が金属である場合、センスコイルユニット５０の大きさと金属の位置、ソースコイル１４ｉが存在する空間（測定領域）によってセンスコイルユニット５０内のセンスコイル２２ｊの配置を設定する。
【００６４】
今、１つのソースコイル１４ｉが発生する磁界に対してコイルに誘導される電圧の大きさが一定となるセンスコイル２２ｊの位置を求める。
【００６５】
図１４に示すように、ＸＺ平面上のＺ軸と平行にソースコイルを座標（−ａ，０）に配置し、第１のセンスコイルと第２のセンスコイルをソースコイルが発生する磁界に対して垂直な方向に配置した場合、各センスコイルに発生する磁界は式（７）より
【数２０】
0003746617.tif 000017
【数２１】
0003746617.tif 000018
となる。
【００６６】
ここで、Ｈ1x＝Ｈ2z、ｂ＝ｋａとおくと、
【数２２】
0003746617.tif 000019
の式が得られる。
【００６７】
式（２２）のｋを求めることにより、ソースコイルが発生する磁界に対してセンスコイルに誘導される電圧の大きさが一定となるセンスコイルの存在する空間（楕円体）が求められる（但し、ソースコイルの磁界に対してセンスコイルが垂直に配置される場合）。
【００６８】
図１５は３次元空間上にｌつのソースコイルが配置されたときの磁界を、２次元的に表した図である。各楕円ではセンスコイルに誘導される電圧が異なる。
【００６９】
図１６に示すように、センスコイルユニット５０が固定されている柱２９を中空の金属とし、センスコイルユニット５０内の第１のセンスコイルの位置を（ａ，ｂ，ｃ）、第２のセンスコイルの位置を（ａ’，ｂ’，ｃ’）とする。
【００７０】
図１７及び図１８は、ソースコイルの位置を固定し回転させた場合、第１のセンスコイル、第２のセンスコイルの中心位置と柱２９を通過する磁界の様子を表す。ただし、図１７及び図１８は、第１及び第２のセンスコイルの中心位置を通り、ＹＺ平面に平行な平面上での磁界の通過の状態を示している。
【００７１】
磁界を発生しているソースコイルとセンスコイルユニット５０が離れている場合、第１のセンスコイルは第２のセンスコイルに比ぺて、ソースコイルの回転の角度が狭い（θ ＜θ ）ことから、ソースコイルの回転の変化に対して第１のセンスコイルのほうが金属の柱２９の影響を受け難いことがわかる。
【００７２】
また、磁界がセンスコイルに対して垂直に通過したとき、センスコイルの出力が最も大きく検出され、センスコイルの出力の大きい値がソ−スコイルの位置推定に大きく影響する。
【００７３】
従って、第２のセンスコイルよりも金属の影響を受け難い第１のセンスコイルは、図１９に示すように、出力を大きく検出できるようにＹ軸方向の向きに設定し、第２のセンスコイルはＺ軸方向の向きに設定する。なお、Ｘ軸方向のセンスコイルは、センスコイルユニット５０内の柱２９から最も離れた位置に設置する。
【００７４】
このように本実施の形態では、３次元空間上の金属の影響を受け難いようにセンスコイルユニット内のセンスコイルの位置と向きを設定するため、ソースコイルの位置推定の誤差を小さくでき、内視鏡挿入形状の変形を軽滅することができる。また、図１９に示すように、センスコイルユニット内の４隅にＸＹＺ軸方向コイルが配置されることから、ソースコイルの位置推定の誤差を均一に保つことができる。
【００７５】
図２０ないし図２３は本発明の第２の実施の形態に係わり、図２０はセンスコイルユニットが設けられるベッドの構成を示す構成図、図２１は図２０のベッドのフレームの影響を排除したセンスコイルの配置を説明する第１の説明図、図２２は図２０のベッドのフレームの影響を排除したセンスコイルの配置を説明する第２の説明図、図２３は図２０のベッドのフレームの影響を排除したセンスコイルの配置を説明する第３の説明図である。
【００７６】
第２の実施の形態は、第１の実施の形態とほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の構成には同じ符号をつけ説明は省略する。
【００７７】
本実施の形態では、システムの構成は第１の実施の形態と同一でセンスコイルユニット５０内のセンスコイルの配置が異なる。
【００７８】
すなわち、ベッド４が図２０に示すような中空の金属のフレ−ム５５によって構成される場合、センスコイルユニット５０内のセンスコイルの配置をする場合の実施形態である。
【００７９】
磁界を発生するソースコイルとセンスコイルユニット５０が離れている場合、図２１及び図２２に示すように、第１のセンスコイルと第２のセンスコイルの位置では第２のセンスコイルの位置のほうがソ−スコイルの回転の角度が大きい（θ ＜θ ）ことから、位置を固定したソ−スコイルの回転に対してベッド４の金属フレ−ムの影響を受け易い。
【００８０】
従って、第１のセンスコイルの位置にはＸ軸方向のセンスコイルを配置し、第２のセンスコイルの位置にはＺ軸方向のセンスコイルを配置する。なお、Ｙ軸方向のセンスコイルについては、ベッド４からできるだけ離れた位置に配置するようにするが、ソースコイルの位置推定誤差を測定空間内で均一にするため、図２３ようにそれぞれのセンスコイルを配置する。
【００８１】
このように本実施の形態では、第１の実施の形態の効果に加え、金属のフレームで構成されているベッドに対しても金属の影響を軽減するように、センスコイルユニット内のセンスコイルの位置と向きを配置できる。
【００８２】
図２４及び図２５は本発明の第３の実施の形態に係わり、図２４はセンスコイルユニットが設けられるベッドの構成を示す構成図、図２５は図２４のベッドのフレームの影響を排除したセンスコイルの配置を説明する説明図である。
【００８３】
第３の実施の形態は、第１の実施の形態とほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の構成には同じ符号をつけ説明は省略する。
【００８４】
本実施の形態では、システムの構成は第１の実施の形態と同一でセンスコイルユニット５０内のセンスコイルの配置が異なる。
【００８５】
本実施の形態では、図２４に示すように、ベッド４はベッドマット５６を固定するためのフレーム５７が中空の金属によって構成されている。また、ソースコイルの測定空間とセンスコイルユニット５０を近接させるため、比較的金属の少ない領域にセンスコイルユニット５０をベッド４に固定する。
【００８６】
固定されたセンスコイルユニット５０内のセンスコイルの配置は、第１及び第２の実施の形態で説明したように、ソースコイルとセンスコイルユニット５０が離れた場合、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向のセンスコイルが金属のフレ−ムの影響を受け難いようにそれぞれを配置する（図２５）。
【００８７】
すなわち、図２５に示すように、センスコイルユニット５０の周りを囲む金属フレ−ムがセンスコイルの出力の影響を受け難いようにセンスコイルの配置するには、金属のフレーム５７に近接した位置には、ソースコイルが発生する磁界がフレーム５７と交差し難い、Ｘ、Ｚ軸方向のセンスコイルで構成し、Ｙ軸方向のセンスコイルは金属のフレーム５７から離れた位置に配置する。Ｘ軸方向のセンスコイルはフレームを通過した磁界による出力が得られる可能性はあるが、Ｘ軸方向のセンスコイルの中心を通過する磁界の進入する角度か浅いため、検出される値が小さくなりソースコイルの位置推定に与える影響が少ない。このため、Ｘ軸方向のセンスコイルはＹ軸方向のセンスコイルより金属フレーム５７に近い位置に配置する。
【００８８】
このように本実施の形態では、第１の実施の形態の効果に加え、ソースコイルの測定空間とセンスコイルユニットを近接させ、比較的金属の少ない位置にセンスコイルユニットを配置できることから、ソ−スコイルの位置を金属の影響を受け難くして推定が行える。
【００８９】
［付記］
（付記項１）  単心コイルにより磁界を発生するソースコイルと、
センスコイルとして３次元空間上に互いに直交した３つの単心コイルを複数配置し、
前記センスコイルの出力から前記ソースコイルの位置と向きを推定する推定手段と
を具備した形状推定装置において、
前記センスコイルの近傍に金属体が配置された場合、前記金属体の断面が存在する平面と平行な平面上で前記ソースコイルが発生する磁界を垂直に通過する前記センスコイルを構成する前記互いに直交した３つの単心コイルのうちの２つの単心コイルおいて、前記金属体の断面と平行な単心コイルを他方の単心コイルより前記金属体に対して遠方に配置する
ことを特徴とする形状推定装置。
【００９０】
（付記項２）  前記ソースコイルは、内視鏡の挿入部に配置される
ことを特徴とする付記項１に記載の形状推定装置。
【００９１】
（付記項３）  単心コイルにより磁界を発生するソースコイルと、
センスコイルとして３次元空間上に複数の単心コイルを異なる位置に配置し、
前記センスコイルの出力から前記ソースコイルの位置と向きを推定する推定手段と
を具備した形状推定装置において、
前記センスコイルの配置位置と向きを３次元空間上に配置された金属物体と前記ソースコイルの存在する空間により設定する
ことを特徴とする形状推定装置。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の位置推定装置によれば、ソースコイルとセンスコイルユニットとの周辺に金属が存在しても、正確に形状を推定す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】本発明の第１の実施の形態に係る内視鏡システムの構成を示す構成図
【図２】図１の内視鏡装置形状検出装置の機能構成を示すブロック図
【図３】図２の内視鏡装置形状検出装置の構成を示す構成図
【図４】図３の内視鏡装置形状検出装置の要部である２ポートメモリ等の構成を示す構成図
【図５】図４の２ポートメモリの動作を示すタイミング図
【図６】図１の内視鏡システムの作用を示すフローチャート
【図７】図６のＦＦＴ処理の流れを示すフローチャート
【図８】図６の内視鏡システムの作用における並行処理タイミングを示すタイミング図
【図９】図６のソースコイル推定位置座標算出処理の原理を説明する第１の説明図
【図１０】図１０は図６のソースコイル推定位置座標算出処理の原理を説明する第２の説明図
【図１１】図６のソースコイル推定位置座標算出処理の原理を説明する第３の説明図
【図１２】図６のソースコイル推定位置座標算出処理の原理を説明する第４の説明図
【図１３】図６のソースコイル推定位置座標算出処理の原理を説明する第５の説明図
【図１４】図１のセンスコイルの配置を説明する第１の説明図
【図１５】図１のセンスコイルの配置を説明する第２の説明図
【図１６】図１のセンスコイルの配置を説明する第３の説明図
【図１７】図１のセンスコイルの配置を説明する第４の説明図
【図１８】図１のセンスコイルの配置を説明する第５の説明図
【図１９】図１のセンスコイルの配置を説明する第６の説明図
【図２０】本発明の第２の実施の形態に係るセンスコイルユニットが設けられるベッドの構成を示す構成図
【図２１】図２０のベッドのフレームの影響を排除したセンスコイルの配置を説明する第１の説明図
【図２２】図２０のベッドのフレームの影響を排除したセンスコイルの配置を説明する第２の説明図
【図２３】図２０のベッドのフレームの影響を排除したセンスコイルの配置を説明する第３の説明図
【図２４】本発明の第３の実施の形態に係るセンスコイルユニットが設けられるベッドの構成を示す構成図
【図２５】図２４のベッドのフレームの影響を排除したセンスコイルの配置を説明する説明図
【符号の説明】
１…内視鏡システム
２…内視鏡装置
３…内視鏡形状検出装置
４…ベット
６…電子内視鏡
７…挿入部
８…操作部
９…ユニバーサルコード
１０…ビデオプロセッサ
１１…画像観察用モニタ
１２…鉗子チャンネル
１２ａ…挿入口
１４ｉ…ソースコイル
１５…プローブ
１６…ソースケーブル
２１…装置本体
２２ｊ…センスコイル
２３…センスケーブル
２４…操作パネル
２５…モニタ
２６…駆動ブロック
２７…検出ブロック
２８…ホストプロセッサ
３１…ソースコイル駆動回路
３２…ＣＰＵ
３３…ＰＩＯ
３４…センスコイル信号増幅回路部
３５ｋ…増幅回路
３６ｋ…フィルタ回路
３７ｋ…出力バッファ
３８ｋ…ＡＤＣ
４０…制御信号発生回路部
４１…ローカルデータバス
４２…２ポートメモリ
４６…内部バス
４７…メインメモリ
４８…ビデオＲＡＭ
４９…ビデオ信号発生回路
５０…センスコイルユニット
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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