JP3746617B2

JP3746617B2 - Position estimation device

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Publication number: JP3746617B2
Application number: JP25143898A
Authority: JP
Inventors: 潤長谷川; 澄洋内村; 靖宏吉沢; 明谷口; 健川端; 文幸小野田; 千恵子相沢; 雅直原; 和孝辻
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1998-09-04
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2018-09-04
Also published as: JP2000081304A

Description

【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】

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（Ｈ_Px、Ｈ_Py、Ｈ_Pz）は、
【数２】

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Ｘ_W−Ｙ_W−Ｚ_W）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（ｘ_gW、ｙ_gW、ｚ_gW）とし、３次元空間上の任意の位置を点Ｐ（ｘ_PW、ｙ_PW、ｚ_PW）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Ｘ_L−Ｙ_L −Ｚ_L とすると、ローカル座標系における点Ｐの座標（ｘ_Pl、ｙ_Pl、ｚ_Pl）は
【数３】

Ｐ_l ：ローカル座標系における原点Ｏから点Ｐへのベクトル
Ｐ_W ：ワールド座標系における原点Ｏから点Ｐへのベクトル
Ｇ_W ：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】

となる。αはＺ_W軸を中心とした回転量を、βはＸ_W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Ｈ_l（Ｈ_Pxl 、Ｈ_Pyl、Ｈ_Pzl）は式（１０）より
【数５】

となる。
【００４７】
従って、ワールド座標系の点ＰにおけるＸ_W 、Ｙ_W 、Ｚ_W 軸と同一方向の磁界Ｈ_W （Ｈ_PxW 、Ｈ_PyW 、Ｈ_PzW）は、
【数６】

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（ｘ_g，ｙ_g，ｚ_g）、向き（ｇ_x，ｇ_y，ｇ_z）に配置した場合、適当な位置Ｐ（ｘ_d，ｙ_d，Ｚ_d）に発生する磁界Ｈ_x，Ｈ_y，Ｈ_zは、式（６）から次のように表される。
【００４９】
【数７】

但し、ｋ_Sは定数、ｒはソースコイルと点Ｐとの距離であって、磁界Ｈ_x，Ｈ_y，Ｈ_z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Ｃ_x，Ｃ_y，Ｃ_zが配置された場合、それぞれの単心コイルＣ_x，Ｃ_y，Ｃ_zに発生する電圧Ｖ_x，Ｖ_y，Ｖ_zは
【数８】

となる。ここで、Ｘ軸に向いた単心コイルＣ_x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Ｃ_y，Ｃ_z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（ｘ_g，ｙ_g，ｚ_g）と向き（ｇ_x，ｇ_y，ｇ_z）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（ｘ_g，ｙ_g，ｚ_g）と向き（ｇ_x，ｇ_y，ｇ_z）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】

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】

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】

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】

（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】

重み行列Ｗは
【数１８】

と表される。ただし、重み行列Ｗのσ_i（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】

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（ｘ_g，ｙ_g，ｚ_g）⁽⁰⁾、向き（ｇ_x，ｇ_y，ｇ_z）⁽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】

【数２１】

となる。
【００６６】
ここで、Ｈ_1x＝Ｈ_2z、ｂ＝ｋａとおくと、
【数２２】

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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention Position estimation device More specifically, there is a characteristic in the arrangement part of the sense coil Position estimation device About.
[0002]
[Prior art]
In recent years, endoscopes have been widely used in the medical field and the industrial field. This endoscope, especially with a soft insertion section, can be inserted into a bent body cavity to diagnose deep internal organs without incision, and if necessary, a treatment instrument can be inserted into the channel. Treatment such as excision of polyps and the like can be performed.
[0003]
In this case, for example, when the inside of the lower digestive tract is inspected from the anal side, a certain level of skill may be required to smoothly insert the insertion portion into the bent body cavity.
[0004]
In other words, when performing an insertion operation, it is necessary to perform a smooth insertion operation such as bending the bending portion provided in the insertion portion in accordance with the bending of the pipe line. It is convenient to be able to know the position in the body cavity, the current bending state of the insertion portion, and the like.
[0005]
Therefore, for example, various position estimation devices (shape estimation devices) using a magnetic field as shown in Japanese Patent Application No. 10-69075 filed earlier by the present applicant have been proposed.
[0006]
In the above Japanese Patent Application No. 10-69075, the arrangement of the sense coil in the sense coil unit makes the measurement error uniform in the measurement space of the source coil and keeps the distance between the sense coils facing the same direction as much as possible. Thus, three single-core coils in the X, Y, and Z-axis directions are arranged at the four corners in the sense coil unit so that the estimation accuracy of the source coil is improved.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional apparatus, when a metal object exists in the measurement space, the magnetic field passing through the metal is affected, the output of the sense coil changes, and the problem that the position of the source coil cannot be estimated correctly occurs.
[0008]
That is, when a metal exists around the source coil and the sense coil unit, there is a problem that the estimated shape is distorted.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and can accurately estimate the shape even if metal exists around the source coil and the sense coil unit. Position estimation device The purpose is to provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The position estimation apparatus of the present invention includes a source coil that generates a magnetic field by a single core coil,
A plurality of sense coils arranged at different positions in the sense coil unit to detect a magnetic field generated by the source coil; and an estimation means for estimating the position and orientation of the source coil from the output of the sense coil. In the position estimation apparatus, the sense coil is In the measurement area where the position and orientation of the source coil are estimated, the source coil is When placed and rotated, the source coil Position and orientation, and The sense coil From the position The rotation angle of the source coil through which the magnetic field of the source coil passes through the metal body on the calculated plane is To a small angle that is not easily affected by the metal body Is arranged in the sense coil unit and passes through itself Orientation so that the magnetic field of the source coil is substantially orthogonal It is characterized by being set.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0013]
First embodiment:
1 to 19 relate to the first embodiment of the present invention, FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the endoscope system, and FIG. 2 shows the functional configuration of the endoscope apparatus shape detecting device of FIG. FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of the endoscope apparatus shape detecting device of FIG. 2, and FIG. 4 is a configuration showing a configuration of a two-port memory, etc., which is a main part of the endoscope device shape detecting device of FIG. 5 is a timing diagram showing the operation of the 2-port memory of FIG. 4, FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the endoscope system of FIG. 1, FIG. 7 is a flowchart showing the FFT processing flow of FIG. Is a timing diagram showing the parallel processing timing in the operation of the endoscope system of FIG. 6, FIG. 9 is a first explanatory diagram for explaining the principle of the source coil estimated position coordinate calculation processing of FIG. 6, and FIG. 10 is the source of FIG. A second explanation of the principle of the coil estimated position coordinate calculation process FIG. 11 is a third explanatory diagram for explaining the principle of the source coil estimated position coordinate calculation process of FIG. 6, and FIG. 12 is a fourth explanatory diagram for explaining the principle of the source coil estimated position coordinate calculation process of FIG. 13 is a fifth explanatory diagram for explaining the principle of the source coil estimated position coordinate calculation processing of FIG. 6, FIG. 14 is a first explanatory diagram for explaining the arrangement of the sense coils of FIG. 1, and FIG. FIG. 16 is a third explanatory diagram for explaining the arrangement of the sense coils in FIG. 1, and FIG. 17 is a fourth explanatory diagram for explaining the arrangement of the sense coils in FIG. 18 is a fifth explanatory diagram for explaining the arrangement of the sense coils of FIG. 1, and FIG. 19 is a sixth explanatory diagram for explaining the arrangement of the sense coils of FIG.
[0014]
(Constitution)
As shown in FIG. 1, an endoscope system 1 according to the present embodiment includes an endoscope apparatus 2 that performs an endoscopic examination, and an endoscope apparatus shape detection apparatus 3 that is used to assist the endoscopic examination. This endoscope shape detection device 3 is used as an insertion assisting means when an insertion portion 7 of an electronic endoscope 6 is inserted into a body cavity of a patient 5 lying on a bed 4 and an endoscopic examination is performed. The
[0015]
The electronic endoscope 6 is formed with an operation portion 8 provided with a bending operation knob at the rear end of the elongated insertion portion 7 having flexibility, and a universal cord 9 is extended from the operation portion 8 so that a video imaging system is provided. (Or video processor) 10.
[0016]
This electronic endoscope 6 is inserted through a light guide, transmits illumination light from a light source section in the video processor 10, emits illumination light transmitted from an illumination window provided at the distal end of the insertion section 7, and affects affected areas. Illuminate. An illuminated subject such as a diseased part forms an image on an imaging element disposed at the imaging position by an objective lens attached to an observation window provided adjacent to the illumination window, and this imaging element performs photoelectric conversion.
[0017]
The photoelectrically converted signal is subjected to signal processing by a video signal processing unit in the video processor 10 to generate a standard video signal, which is displayed on an image observation monitor 11 connected to the video processor 10.
[0018]
The electronic endoscope 6 is provided with a forceps channel 12, for example, 16 magnetic generating elements (or source coils) 14 a, 14 b,..., 14 p (hereinafter, denoted by reference numeral 14 i) from the insertion opening 12 a of the forceps channel 12. The source coil 14 i is installed in the insertion portion 7 by inserting the probe 15 having a representative).
[0019]
The source cable 16 extended from the rear end of the probe 15 has a rear end connector detachably connected to the apparatus main body 21 of the endoscope shape detection apparatus 3. Then, by applying a high frequency signal (driving signal) from the apparatus main body 21 side to the source coil 14i serving as the magnetism generating means via the source cable 16 as the high frequency signal transmitting means, the source coil 14i causes the electromagnetic waves accompanied by the magnetic field to the surroundings. Radiate.
[0020]
A plurality of sense coils each consisting of a single-core coil are arranged in a three-dimensional space. Specifically, for example, sense coils 22a, 22b, 22c, and 22d whose center Z coordinate is the first Z coordinate, for example, facing the X axis;

Sense coils

22e, 22f, 22g, 22h facing the Y axis, which is a second Z coordinate whose center Z coordinate is different from the first Z coordinate, and the center Z coordinate being the first and second Z coordinates. Twelve sense coils of

sense coils

22i, 22j, 22k, and 22l facing the Z axis, which is a different third Z coordinate, are arranged (hereinafter, the sense coil is represented by 22j).
[0021]
The sense coil 22j is connected from the connector of the sense coil unit 50 in which the sense coil 22j is accommodated to the apparatus main body 21 via a sense cable 23 as detection signal transmission means. The apparatus main body 21 is provided with an operation panel 24 or a keyboard for a user to operate the apparatus. Further, a monitor 25 is connected to the apparatus main body 21 as display means for displaying the detected endoscope shape.
[0022]
Further, a detailed configuration of the endoscope shape detection device 3 will be described. As shown in FIG. 2, the endoscope shape detection apparatus 3 includes a drive block 26 that activates the source coil 14i, a detection block 27 that detects a signal received by the sense coil 22j, and a signal detected by the detection block 27. And a host processor 28 for signal processing.
[0023]
As shown in FIG. 3, the probe 15 installed in the insertion portion 7 of the electronic endoscope 6 has 16 source coils 14i for generating a magnetic field arranged at predetermined intervals as described above. These source coils 14 i are connected to a source coil drive circuit 31 that generates 16 different high-frequency drive signals constituting the drive block 26.
[0024]
The source coil drive circuit unit 31 drives each source coil 14i with a sinusoidal drive signal current of a different frequency, and each drive frequency is a drive frequency setting data storage means (not shown) or drive in the source coil drive circuit unit 31. It is set by drive frequency setting data (also referred to as drive frequency data) stored in the frequency setting data storage means. This drive frequency data is obtained from the drive frequency data in the source coil drive circuit unit 31 via a PIO (parallel input / output circuit) 33 by a CPU (central processing unit) 32 that performs an endoscope shape calculation process in the host processor 28. Stored in storage means (not shown).
[0025]
On the other hand, the twelve sense coils 22 j are connected to a sense coil signal amplification circuit unit 34 that constitutes the detection block 27.
[0026]
As shown in FIG. 4, in the sense coil signal amplifying circuit unit 34, a single core coil 22j is connected to an amplifier circuit 35j provided for one system, and a minute signal detected by each single core coil 22j. Is amplified by the amplifying circuit 35j and has a band through which a plurality of frequencies generated by the source coil group is generated in the filter circuit 36j, and unnecessary components are removed and output to the output buffer 37j, and then output by an ADC (analog / digital converter) 38j. It is converted into a digital signal that can be read by the host processor 28.
[0027]
The detection block 27 includes a sense coil signal amplification circuit unit 34 and an ADC 38j. The sense coil signal amplification circuit unit 34 includes an amplification circuit 35j, a filter circuit 36j, and an output buffer 37j.
[0028]
Returning to FIG. 3, the 12 outputs of the sense coil signal amplifying circuit 34 are transmitted to the 12 ADCs 38j and converted into digital data of a predetermined sampling period by the clock supplied from the control signal generating circuit 40. Is done. This digital data is written into the 2-port memory 42 via the local data bus 41 in accordance with a control signal from the control signal generating circuit unit 27.
[0029]
As shown in FIG. 4, the 2-port memory 42 is functionally composed of a local controller 42a, a first RAM 42b, a second RAM 42c, and a bus switch 42d. The ADC 38j starts A / D conversion by the A / D conversion start signal from the controller 42a, and the bus switch 42d alternately reads the first RAMs 42b and 42c while switching between the RAMs 42b and 42c by the switching signal from the local controller 42a. Used as a memory, data is always taken in after a power-on by a write signal.
[0030]
Returning to FIG. 3 again, the CPU 32 transfers the digital data written in the 2-port memory 42 by the control signal from the control signal generation circuit unit 27 from the local data bus 43, the PCI controller 44 and the PCI bus 45 (see FIG. 4). Frequency component corresponding to the driving frequency of each source coil 14i by performing frequency extraction processing (Fourier transform: FFT) on the digital data, as will be described later, using the main memory 47. Then, the spatial position coordinate of each source coil 14i provided in the insertion part 7 of the electronic endoscope 6 is calculated from each digital data of the separated magnetic field detection information.
[0031]
Further, the insertion state of the insertion unit 7 of the electronic endoscope 6 is estimated from the calculated position coordinate data, display data for forming an endoscope shape image is generated, and output to the video RAM 48. Data written in the video RAM 48 is read by the video signal generation circuit 49, converted into an analog video signal, and output to the monitor 25. When this analog video signal is input, the monitor 25 displays the insertion shape of the insertion portion 7 of the electronic endoscope 6 on the display screen.
[0032]
In the CPU 32, magnetic field detection information corresponding to each source coil 14i, that is, an electromotive force (amplitude value of a sine wave signal) and phase information generated in each sense coil 22j is calculated. The phase information indicates the polarity ± of the electromotive force.
[0033]
In the endoscope system 1 of the present embodiment, when the power is turned on, as shown in FIG. 6, the system parameters are initialized based on the parameter file in step S1, and the hardware is initialized in step S2. .
[0034]
After the power is turned on, the data for the number of FFT points for performing the FFT processing is constantly updated in the 2-port memory 42 (see FIG. 5). In step S3, the CPU 32 stores the data for the number of FFT points. take in. In step S4, the data is corrected by the window function method, and in step S5, FFT processing described later is performed. After the FFT processing, frequency components corresponding to the driving frequency are extracted in step S6, the amplitude value and the phase difference are calculated in step S7, and the amplitude value and the phase difference calculated in step S8 are corrected.
[0035]
Then, in step S9, it is determined whether or not the detection of all the signals from the eight ADCs 38j (hereinafter also referred to as channels: CH) is completed. If not completed, the process returns to step S3, and if completed, the process returns to step S10. The amplitude values for all the CHs are corrected according to the sense coil characteristics, and the estimated position coordinates of the source coil 14i are calculated by the method described later from the amplitude values and the phase differences for all the CHs in step S11.
[0036]
Thereafter, in step S12, it is determined whether or not the system end SW of the endoscope system 1 is on. If not, the endoscope shape detection image image display process described later is performed in step S13, and the process returns to step S3 to repeat the process. . When the system end SW of the endoscope system 1 is turned on in step S12, each system parameter is saved in the parameter file in step S14, and then the system is ended.
[0037]
In the FFT process in step S5, as shown in FIG. 7, the CPU 32 determines in step S21 whether all CHs are in a signal state (a state in which data corresponding to the number of FFT points is prepared). If it is not in the signal state, the process waits until it becomes a signal state in step S23, and proceeds to step S22.
[0038]
In step S22, the state of the CH bit to be subjected to FFT processing is determined (if the bit is 0, the data for the current processing, if the bit is 1, the processed data), and if the bit is 0, the FFT is performed in step S24. After the FFT, the bit state is set to 1 in step S25. If the bit is 1 in step S22, the process returns to step S21, and the process is repeated for all the second and subsequent CHs to perform the FFT process for all the CHs.
[0039]
In step S26 after step S25, it is determined whether or not the bit states of all the CHs are 1. If the bit states of all the CHs are not 1, step S21 is performed in order to perform FFT processing on the CHs that do not have a bit state of 1. Return to. If it is determined in step S26 that the bit states of all the CHs are 1, all the CHs are set to the non-signal state in step S27 and wait, and when the data corresponding to the number of FFT points is obtained, the signal state is set in step S28 and the process returns to step S21. .
[0040]
In the processing of FIG. 6, in order to perform high-speed processing, each processing unit is processed in parallel as shown in FIG. In particular, for FFT, which has a long processing time and is a repetitive operation, the same processing unit is processed almost simultaneously. Due to this parallel processing, the idle time of the CPU 32 is effectively used to increase the speed.
[0041]
Next, the source coil estimated position coordinate calculation process in step S11 of FIG. 6 will be described. First, a method of calculating the source coil estimated position coordinates will be described, and then specific processing contents will be described.
[0042]
As shown in FIG. 9, in a thin circular coil having an extremely small radius, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 9-84745, when a current is passed through the circular coil, it is similar to a magnetic dipole in a three-dimensional space. The magnetic potential at the point P can be expressed by the following equation.
[0043]
[Expression 1]

μ: Permeability
N ₁ : Number of turns of circular coil
a: Radius of circular coil
I: Current flowing in the circular coil
Accordingly, the magnetic field (H at the point P in the same direction as the X, Y, and Z axes) _Px , H _Py , H _Pz )
[Expression 2]

It is required as follows.
A three-dimensional space as shown in FIG. _W -Y _W -Z _W ), The position of a single core coil (hereinafter referred to as a source coil) that generates a magnetic field _gW , Y _gW , Z _gW ) And an arbitrary position in the three-dimensional space is a point P (x _PW , Y _PW , Z _PW ).
[0044]
The coordinate system based on the source coil is the local coordinate system X _L -Y _L -Z _L Then, the coordinates of the point P in the local coordinate system (x _Pl , Y _Pl , Z _Pl )
[Equation 3]

P _l : Vector from origin O to point P in the local coordinate system
P _W : Vector from origin O to point P in the world coordinate system
G _W : Vector to the position of the source coil in the world coordinate system
R: Rotation matrix
It can be expressed as.
[0045]
However, R is a rotation matrix, and the rotation matrix R of the polar coordinate system shown in FIG.
[Expression 4]

It becomes. α is Z _W The amount of rotation around the axis, β is X _W Indicates the amount of rotation around the axis.
[0046]
Magnetic field H generated at point P in the local coordinate system with reference to the source coil _l (H _Pxl , H _Pyl , H _Pzl ) From equation (10)
[Equation 5]

It becomes.
[0047]
Therefore, X at point P in the world coordinate system _W , Y _W , Z _W Magnetic field H in the same direction as the axis _W (H _PxW , H _PyW , H _PzW )
[Formula 6]

It becomes.
[0048]
As shown in FIG. 13, one source coil that generates a magnetic field on the three-dimensional space XYZ is positioned (x _g , Y _g , Z _g ), Orientation (g _x , G _y , G _z ) At an appropriate position P (x _d , Y _d , Z _d ) Generated magnetic field H _x , H _y , H _z Is expressed from the equation (6) as follows.
[0049]
[Expression 7]

Where k _S Is a constant, r is the distance between the source coil and point P, and the magnetic field H _x , H _y , H _z Is in the same direction as the X, Y, and Z axes.
[0050]
Single-core coil C oriented in the same direction as coordinate axes X, Y, Z at the position of point P _x , C _y , C _z Are arranged, each single-core coil C _x , C _y , C _z Voltage V generated at _x , V _y , V _z Is
[Equation 8]

It becomes. Here, the single-core coil C facing the X-axis _x Is a coil in which the axis when winding the conducting wire constituting the coil is in the same direction as the X-axis, and the single-core coil C oriented in the same direction as the Y-axis and Z-axis _y , C _z Is a similar coil.
[0051]
As shown in FIG. 1, since the voltages, positions, and orientations of the twelve sense coils are all known, the position of the source coil (x _g , Y _g , Z _g ) And orientation (g _x , G _y , G _z 12 nonlinear equations with unknowns) are obtained.
[0052]
The solution of these 12 nonlinear equations, that is, the position and orientation of the source coil are obtained by iterative improvement (Gauss-Newton method).
[0053]
x is the position of the source coil (x _g , Y _g , Z _g ) And orientation (g _x , G _y , G _z ) And the initial value of the parameter is x ⁽⁰⁾ And
[0054]
Now, iterative improvement is used to estimate kth order x ^(k) And the model function V (x) of the power generated in the sense coil is expressed as x ^(k) When the TaylorLor expansion is taken around, the first order approximation is
[Equation 9]

It becomes.
[0055]
At this time, if Vm is a voltage measured by the sense coil, the observation equation is
[Expression 10]

Here, the reason why the equation is not equal but nearly equal is because Vm includes a measurement error.
[0056]
It is expressed. When the first term on the right side of Equation (10) is moved to the left side,
## EQU11 ##

It becomes. However,
[Expression 12]
ΔVm ^(k) = Vm-V (x ^(k) ) = Vm-Vm ^(k) (12)
[Formula 13]
Δx ^(k) = Xx ^(k) ... (13)
[Expression 14]

(I = 1 to n, j = 1 to m)
(Row direction: number of unknowns n, column direction: number of sense coils m)
It is. Solution Δx ^(k) From equation (11)
[Expression 15]
Δx ^(k) = (B ^(k) WA ^(k) ) ^-1 B ^(k) WΔVm ^(k) ... (15)
It is expressed. Where B is a transpose of A and W is a weight matrix.
[0057]
Therefore, the parameter estimate improved from equation (13) is
[Expression 16]
x ^{(k + 1)} = X ^(k) + Δx ^(k) ... (16)
Is required.
[0058]
As shown in FIG. 1, when 12 single-core coils (sense coils) are arranged, the matrix A is
[Expression 17]

The weight matrix W is
[Formula 18]

It is expressed. However, σ of the weight matrix W _i (I = 0, 1,..., 12) is a fluctuation amount of the measurement voltage of each sense coil, and includes, for example, environmental noise.
[0059]
The kth ΔVm is
[Equation 19]

Therefore, the position and orientation of the source coil can be obtained by the following procedures (1) to (4).
[0060]
Procedure (1); k = 0 and the initial value of the source coil is set to the position (x _g , Y _g , Z _g ) ⁽⁰⁾ , Orientation (g _x , G _y , G _z ) ⁽⁰⁾ (For example, the center position of the space where the source coil is measured and the vector in the Z-axis direction (0, 0, 1)).
Step (2): The k-th matrix is calculated according to equations (17), (18), and (19).
Step (3); k-th update amount Δx according to equation (16) ^(k) Calculate
Procedure (4): Update amount Δx ^(k) The above steps (2) to (4) are repeated until becomes small.
[0061]
In the present embodiment, the position of the source coil is estimated by arranging the sense coils oriented in the X, Y, and Z axis directions at the same height. However, the present invention is not limited to this, and each sense coil is positioned at an arbitrary position. Even if the position and orientation of the sense coil are known, the position of the source coil can be estimated even if the position and orientation of the sense coil are known.
[0062]
As shown in FIG. 1, the sense coil unit 50 includes a plurality of sense coils 22j for detecting a magnetic field generated by the source coil 14i. The sense coil unit 50 is fixed to the side of the bed by a pillar 29.
[0063]
As shown in FIG. 1, when the pillar 29 that fixes the sense coil unit 50 beside the bed 4 is made of metal, the sense coil unit 50 is sensed depending on the size and position of the metal and the space (measurement region) where the source coil 14i exists. The arrangement of the sense coil 22j in the coil unit 50 is set.
[0064]
Now, one source coil 14i is induced in the coil against the magnetic field generated Voltage The position of the sense coil 22j at which the magnitude of is constant is obtained.
[0065]
As shown in FIG. 14, the source coil is arranged at coordinates (−a, 0) in parallel with the Z axis on the XZ plane, and the first sense coil and the second sense coil are arranged against the magnetic field generated by the source coil. When the sensor is arranged in a vertical direction, the magnetic field generated in each sense coil is
[Expression 20]

[Expression 21]

It becomes.
[0066]
Where H _1x = H _2z , B = ka,
[Expression 22]

The following equation is obtained.
[0067]
By obtaining k in Expression (22), a space (ellipsoid) in which a sense coil exists in which the magnitude of a voltage induced in the sense coil with respect to the magnetic field generated by the source coil is constant is obtained (however, When the sense coil is placed perpendicular to the magnetic field of the source coil).
[0068]
FIG. 15 is a two-dimensional representation of the magnetic field when one source coil is arranged in a three-dimensional space. Each ellipse has a different voltage induced in the sense coil.
[0069]
As shown in FIG. 16, the pillar 29 to which the sense coil unit 50 is fixed is a hollow metal, the position of the first sense coil in the sense coil unit 50 is (a, b, c), and the second sense The position of the coil is assumed to be (a ′, b ′, c ′).
[0070]
FIGS. 17 and 18 show the state of the magnetic field passing through the center position of the first sense coil and the second sense coil and the column 29 when the position of the source coil is fixed and rotated. However, FIG. 17 and FIG. 18 show the state of passage of the magnetic field on the plane parallel to the YZ plane passing through the center positions of the first and second sense coils.
[0071]
Magnetism When the source coil generating the field and the sense coil unit 50 are separated from each other, the first sense coil has a narrower rotation angle of the source coil (θ <θ 2) than the second sense coil. It can be seen that the first sense coil is less susceptible to the influence of the metal column 29 with respect to the change in the rotation of the source coil.
[0072]
Further, when the magnetic field passes perpendicularly to the sense coil, the output of the sense coil is detected most greatly, and the large value of the output of the sense coil greatly affects the position estimation of the source coil.
[0073]
Accordingly, as shown in FIG. 19, the first sense coil, which is less susceptible to the influence of metal than the second sense coil, is set in the Y-axis direction so that the output can be largely detected. Is set in the Z-axis direction. Note that the sense coil in the X-axis direction is installed at a position farthest from the pillar 29 in the sense coil unit 50.
[0074]
As described above, in this embodiment, since the position and orientation of the sense coil in the sense coil unit are set so as not to be affected by the metal in the three-dimensional space, the error in estimating the position of the source coil can be reduced. The deformation of the endoscope insertion shape can be neglected. Further, as shown in FIG. 19, since the XYZ axial coils are arranged at the four corners in the sense coil unit, the error in estimating the position of the source coil can be kept uniform.
[0075]
20 to 23 relate to the second embodiment of the present invention, FIG. 20 is a block diagram showing the configuration of a bed provided with a sense coil unit, and FIG. 21 is a sense that eliminates the influence of the bed frame of FIG. FIG. 22 is a second explanatory diagram illustrating the arrangement of the sense coil excluding the influence of the bed frame of FIG. 20, and FIG. 23 is the influence of the bed frame of FIG. It is the 3rd explanatory view explaining arrangement of a sense coil which excluded.
[0076]
Since the second embodiment is almost the same as the first embodiment, only different points will be described, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
[0077]
In the present embodiment, the system configuration is the same as that of the first embodiment, and the arrangement of the sense coils in the sense coil unit 50 is different.
[0078]
That is, in the case where the bed 4 is constituted by a hollow metal frame 55 as shown in FIG. 20, the sense coil is arranged in the sense coil unit 50.
[0079]
When the source coil that generates the magnetic field and the sense coil unit 50 are separated from each other, as shown in FIGS. 21 and 22, the position of the second sense coil is the position of the first sense coil and the second sense coil. The angle of rotation of the source coil is large Since (θ <θ), the metal frame of the bed 4 is easily affected by the rotation of the source coil whose position is fixed.
[0080]
Therefore, a sense coil in the X-axis direction is arranged at the position of the first sense coil, and a sense coil in the Z-axis direction is arranged at the position of the second sense coil. The sense coils in the Y-axis direction are arranged as far as possible from the bed 4, but each sense coil is arranged as shown in FIG. 23 in order to make the position estimation error of the source coil uniform in the measurement space. Place.
[0081]
As described above, in this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the sense coil in the sense coil unit is also reduced so as to reduce the influence of the metal on the bed constituted by the metal frame. Position and orientation can be arranged.
[0082]
24 and 25 relate to the third embodiment of the present invention, FIG. 24 is a block diagram showing the configuration of a bed provided with a sense coil unit, and FIG. 25 is a sense excluding the influence of the bed frame of FIG. It is explanatory drawing explaining arrangement | positioning of a coil.
[0083]
Since the third embodiment is almost the same as the first embodiment, only different points will be described, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
[0084]
In the present embodiment, the system configuration is the same as that of the first embodiment, and the arrangement of the sense coils in the sense coil unit 50 is different.
[0085]
In the present embodiment, as shown in FIG. 24, in the bed 4, a frame 57 for fixing the bed mat 56 is made of a hollow metal. In addition, the sense coil unit 50 is fixed to the bed 4 in a region with relatively little metal in order to bring the measurement space of the source coil close to the sense coil unit 50.
[0086]
As described in the first and second embodiments, when the source coil and the sense coil unit 50 are separated from each other, the arrangement of the sense coils in the fixed sense coil unit 50 is arranged in the X, Y, and Z axis directions. Each is arranged so that the sense coil is not easily affected by the metal frame (FIG. 25).
[0087]
That is, as shown in FIG. 25, in order to arrange the sense coil so that the metal frame surrounding the sense coil unit 50 is not easily affected by the output of the sense coil, it is necessary to place the sense coil close to the metal frame 57. Is constituted by a sense coil in the X and Z axis directions in which the magnetic field generated by the source coil hardly crosses the frame 57, and the sense coil in the Y axis direction is arranged at a position away from the metal frame 57. The sense coil in the X-axis direction may obtain an output due to the magnetic field that has passed through the frame, but the detected value becomes small because the angle at which the magnetic field that passes through the center of the sense coil in the X-axis direction enters is shallow. Little effect on source coil position estimation. For this reason, the sense coil in the X-axis direction is disposed closer to the metal frame 57 than the sense coil in the Y-axis direction.
[0088]
As described above, in this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the measurement space of the source coil and the sense coil unit can be brought close to each other, and the sense coil unit can be arranged at a relatively small amount of metal. The position of the scoil can be estimated by making it less susceptible to metal influences.
[0089]
[Appendix]
(Additional Item 1) A source coil that generates a magnetic field by a single core coil;
A plurality of three single-core coils orthogonal to each other are arranged as a sense coil in a three-dimensional space,
Estimating means for estimating the position and orientation of the source coil from the output of the sense coil;
In the shape estimation apparatus comprising:
When a metal body is disposed in the vicinity of the sense coil, the sense coils that perpendicularly pass the magnetic field generated by the source coil on a plane parallel to a plane on which the cross section of the metal body exists are orthogonal to each other. In two of the three single-core coils, the single-core coil parallel to the cross-section of the metal body is arranged farther from the metal body than the other single-core coil.
The shape estimation apparatus characterized by the above-mentioned.
[0090]
(Additional Item 2) The source coil is disposed in the insertion portion of the endoscope.
Item 2. The shape estimation apparatus according to additional item 1, wherein
[0091]
(Additional Item 3) A source coil that generates a magnetic field by a single-core coil,
A plurality of single-core coils are arranged at different positions on a three-dimensional space as sense coils,
Estimating means for estimating the position and orientation of the source coil from the output of the sense coil;
In the shape estimation apparatus comprising:
The arrangement position and orientation of the sense coil are set by the space in which the metal object arranged in the three-dimensional space and the source coil exist.
The shape estimation apparatus characterized by the above-mentioned.
[0092]
【The invention's effect】
As described above, the present invention Position estimation device According to , So Even if there is a metal around the source coil and the sense coil unit, there is an effect that the shape can be estimated accurately.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of an endoscope system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of the endoscope apparatus shape detection apparatus of FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration of the endoscope apparatus shape detection device of FIG. 2;
4 is a configuration diagram showing a configuration of a two-port memory, which is a main part of the endoscope apparatus shape detection device in FIG. 3;
FIG. 5 is a timing chart showing the operation of the 2-port memory of FIG.
FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the endoscope system of FIG.
FIG. 7 is a flowchart showing the flow of the FFT process in FIG.
FIG. 8 is a timing chart showing parallel processing timing in the operation of the endoscope system of FIG.
9 is a first explanatory diagram illustrating the principle of the source coil estimated position coordinate calculation process of FIG. 6;
FIG. 10 is a second explanatory diagram illustrating the principle of the source coil estimated position coordinate calculation process of FIG. 6;
FIG. 11 is a third explanatory diagram illustrating the principle of the source coil estimated position coordinate calculation process of FIG. 6;
12 is a fourth explanatory diagram illustrating the principle of the source coil estimated position coordinate calculation process of FIG. 6;
FIG. 13 is a fifth explanatory diagram illustrating the principle of the source coil estimated position coordinate calculation process of FIG. 6;
14 is a first explanatory diagram for explaining the arrangement of the sense coils in FIG. 1; FIG.
FIG. 15 is a second explanatory diagram illustrating the arrangement of the sense coils in FIG. 1;
16 is a third explanatory diagram for explaining the arrangement of the sense coils in FIG. 1. FIG.
FIG. 17 is a fourth explanatory diagram for explaining the arrangement of the sense coils in FIG. 1;
FIG. 18 is a fifth explanatory diagram illustrating the arrangement of the sense coils in FIG. 1;
FIG. 19 is a sixth explanatory diagram for explaining the arrangement of the sense coils in FIG. 1;
FIG. 20 is a configuration diagram showing a configuration of a bed provided with a sense coil unit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a first explanatory diagram illustrating the arrangement of the sense coils excluding the influence of the bed frame of FIG. 20;
22 is a second explanatory diagram for explaining the arrangement of the sense coils excluding the influence of the bed frame of FIG. 20;
FIG. 23 is a third explanatory diagram for explaining the arrangement of the sense coils excluding the influence of the bed frame of FIG. 20;
FIG. 24 is a configuration diagram showing a configuration of a bed provided with a sense coil unit according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 25 is an explanatory diagram for explaining the arrangement of the sense coils excluding the influence of the bed frame of FIG. 24;
[Explanation of symbols]
1. Endoscope system
2. Endoscope device
3. Endoscope shape detection device
4 ... Bet
6 ... Electronic endoscope
7 ... Insertion section
8 ... Operation part
9 ... Universal code
10 ... Video processor
11 ... Image observation monitor
12 ... Forceps channel
12a ... insertion slot
14i ... Source coil
15 ... Probe
16 ... Source cable
21 ... Device body
22j ... sense coil
23 ... Sense cable
24. Operation panel
25 ... Monitor
26 ... Drive block
27 ... Detection block
28: Host processor
31 ... Source coil drive circuit
32 ... CPU
33 ... PIO
34... Sense coil signal amplification circuit section
35k… Amplifier circuit
36k ... Filter circuit
37k ... Output buffer
38k… ADC
40. Control signal generation circuit section
41 ... Local data bus
42 ... 2-port memory
46 ... Internal bus
47 ... Main memory
48 ... Video RAM
49. Video signal generation circuit
50 ... Sense coil unit

Claims

A source coil that generates a magnetic field with a single core coil;
A plurality of sense coils arranged at different positions in the sense coil unit to detect the magnetic field generated by the source coil;
Estimating means for estimating the position and orientation of the source coil from the output of the sense coil;
In the position estimation device comprising:
The sense coil is a plane calculated from the position and orientation of the source coil and the position of the sense coil when the source coil is arranged and rotated in a measurement region for estimating the position and orientation of the source coil. field of the source coils above is applied in the sense coil unit so that the rotation angle of the source coil that passes through the metal body becomes hardly small angle under the influence of the metal body, and the passing self A position estimation device characterized in that the direction is set so that the magnetic fields of the source coils are substantially orthogonal .