JP2004528074A - 超音波を用いる位置決め - Google Patents
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Abstract
【課題】
本発明は、超音波デバイスの分野に関する。特に、本発明は、内視鏡の部分同士の相対的な位置合せを正確に行うための発信器、受信器及び反射器の使用に関する。
【解決手段】
内視鏡の二個の部分同士の相対位置を決める方法では、超音波信号の送信器として機能する一以上の変換器又は変換器配列と、その超音波信号の受信器として機能する一以上の変換器又は変換器配列とを用いて二部分間の距離を測定する。本発明の好ましい実施形態においては、受信器の内の少なくとも一個を反射器とし、送信器の内の少なくとも一個を受信器としても機能させる。
【選択図】図３
本発明は、超音波デバイスの分野に関する。特に、本発明は、内視鏡の部分同士の相対的な位置合せを正確に行うための発信器、受信器及び反射器の使用に関する。
【解決手段】
内視鏡の二個の部分同士の相対位置を決める方法では、超音波信号の送信器として機能する一以上の変換器又は変換器配列と、その超音波信号の受信器として機能する一以上の変換器又は変換器配列とを用いて二部分間の距離を測定する。本発明の好ましい実施形態においては、受信器の内の少なくとも一個を反射器とし、送信器の内の少なくとも一個を受信器としても機能させる。
【選択図】図３
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波デバイスの分野に関する。特に、本発明は、別々の物体相互の相対的位置決めに使用するために超音波発信器、受信器及び反射器を使用することに関する。更に、本発明は、内視鏡のパーツ同士の正確な相対的位置合せのための超音波デバイス及び超音波技法の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
カテーテル、腹腔鏡、内視鏡を用いる無侵襲医療手続と組合わせた超音波技法の多岐にわたる使用が当技術分野において知られている。例えば、米国特許第５１８１５１４号公報（特許文献１）、第５２５９８３７号公報（特許文献２）、第５４４５１４４号公報（特許文献３）及び米国特許第５９０６５７８号（特許文献４）公報は全て、超音波による画像化を用いて人体内でカテーテルや内視鏡をガイドして位置決めを行う方法を開示している。米国特許第６１４９５９８号公報（特許文献５）は、外科的処置をモニターするために内視鏡の光学走査システムと超音波走査システムとを組合せた超音波内視鏡を開示している。また、米国特許６０９０１２０号（特許文献６）公報は、内視鏡法に使用できる超音波外科器具を開示している。
【特許文献１】
米国特許第５１８１５１４号公報
【特許文献２】
米国特許第５２５９８３７号公報
【特許文献３】
米国特許第５４４５１４４号公報
【特許文献４】
米国特許第５９０６５７８号公報
【特許文献５】
米国特許第６１４９５９８号公報
【特許文献６】
米国特許第６０９０１２０号公報
【０００３】
本願と同一の出願人による同時係属中の国際特許出願ＰＣＴ／ＩＬ０１／００２３８公報及びＰＣＴ／ＩＬ０１／００７１９公報には、内視鏡の軸に沿って離間している二個のパーツ、即ちアンビルユニットとステープルカートリッジユニットから構成される外科用ステープルを含み関節運動する内視鏡が記載されている。これらの明細書を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。これらの出願公報に開示されている発明の好ましい実施形態では、ステープルカートリッジユニットは、内視鏡シャフトにおいて、関節部の近位端に隣接して設けられ、アンビルユニットは、関節部の遠位端の、内視鏡の遠位端チップに設けられている。
【０００４】
カートリッジに対する遠位端チップの相対運動は、円の一部をなす経路に沿うものである。ステープル止め動作を行うためには、内視鏡を曲げる最後の段階は、所定の位置に正確に到達させることをもって終わることが肝要である。距離や位置が正しくない所に到達すると、ステープル止めが正しく行われず、組織に損傷を与える虞がある。従って、遠位端チップをカートリッジに対して適切な距離に導くと共に遠位端チップとカートリッジの位置を合わせることが、このデバイスを適切に機能させるのに不可欠である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このデバイスの設計や外科的適用において解決しなけばならない主要な技術的課題は、ステープルの前記二個のパーツ同士を適切に位置合せすると共にこれらパーツ間の距離を適切な距離とすること及びこれらが確実に達成されていることを確認することである。上掲の特許出願公報で述べられているように、当技術分野で知られている超音波技法を位置決めの達成のために用いることができる。しかしながら、この度、従来技術の技法で達成可能なものに比べ内視鏡の位置決めの正確さを更に向上させることができることが見出された。このことは、手術の信頼性に重要な改善をもたらすものである。
【０００６】
従って、本発明は、超音波技法を用いて内視鏡の離間した部分同士の相対的位置決めを行う方法であって従来技術の方法より改善された方法を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、超音波技法を用いて内視鏡の離間した部分同士の相対的位置決めを行う前記方法を実施し得るデバイスを提供することを目的とする。
【０００８】
更に、本発明は、超音波技法を用いて何らかのエレメント同士、特に内視鏡の離間した部分同士の相対的位置決めを行う前記方法を実施する手続を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の更なる目的や利点は、説明が進むにつれて明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明はその第一の様相において、二物体の相対位置を測定する方法を提供するものであって、この方法は、超音波信号の送信器として機能する一以上の変換器又は変換器配列、及び超音波信号の受信器として機能する一以上の変換器又は変換器配列を使用して物体間の距離を測定することと、この結果によって位置合せの程度を決定することとを含む。本発明の好ましい実施形態の幾つかにおいては、超音波信号の受信器として機能する変換器又は変換器配列の少なくとも一個が反射器に置き換えられ、超音波信号の送信器として機能する変換器又は変換器配列の少なくとも一個が信号の受信器としても機能する。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態の幾つかにおいては、超音波信号の送信と受信の両方を行なう一個の超音波変換器を用い、これを一個の物体の上に又は近くに取り付けると共に、少なくとも一個の反射器を第二の物体の上に又は近くに取り付ける。反射器は、物体相互の位置関係及び向き関係に変換しうる信号パターンを反射して戻すのに適切である。本発明の好ましい実施形態においては、反射器は二以上の平行な反射平面を含み、これらの平面は、矩形対称あるいは円柱対称の、一段以上のステップ形状をなす。
【００１２】
また、本発明は、二物体間の距離を測定する方法であって、次の各段階、
・一連の短い電気パルス群の繰り返し乃至バースト電気パルスを生成する段階と、
・前記パルスを増幅する段階と、
・増幅された電気パルスを、電気エネルギーを超音波エネルギーに変換する変換器に印加する段階と、
・前記超音波エネルギーを比較的細いビーム形状で媒体中を伝播させて、他方の変換器、又はビームが発射された変換器に向けてビームの向きを変える反射器に到達させる段階と、
・超音波エネルギーを電気信号に変換する変換器により前記超音波エネルギーを受信する段階と、
・前記電気信号を増幅し濾波する段階と、
・信号をデジタル化する段階と、
・記憶したデータを、先入れ先出し（ＦＩＦＯ）バッファ内又は高速メモリ内の独立したバッファに一時的に保存する段階と、
・前記データを、ＦＩＦＯ又は高速メモリからメインコンピュータメモリに移す段階と、
・各バッファ内のデータを、コンピュータメモリ内に記憶された所定の基準信号パターンと相関させる段階と、
・基準信号との前記相関が最大値をとるバッファのインデックスから、超音波信号の飛行時間を決定する段階と、
・前記飛行時間から距離を決定する段階と
を含む方法に関する。
【００１３】
また、本発明は、二つの部分同士の相対的なアラインメント（位置整合性）を決定する方法であって、次の各段階、
・一個の変換器を超音波ビームの送信器／受信器として用いると共に、戻りビーム中に少なくとも二種類の別個の信号を提供する少なくとも一段のステップを有する反射器を用いる段階と、
・コンピュータメインメモリ内に記憶された信号を、コンピュータメモリ内の所定の基準信号と相関させる段階と、
・相関の最大に対応するバッファからステップの深さを決定する段階と、
ここで、前記相関には少なくとも二個の局所最大が存在しなければならないと共にそれらの差は既知のステップ深さに対応するものでなければならず、
・測定されたステップ深さが既知のステップ深さと一致しない場合、変換器を反射器に対して動かし、再び相関をとる段階と、
・測定されたステップ深さが既知のステップ深さと一致した場合、その相関バッファからのエネルギーの大きさを用いてエコー間のエネルギー関係を決定し、位置合せがされていることを決定する、又は変位方向を決定する段階と
を含む方法に関する。
【００１４】
更に、本発明は、二個の物体の相対的な変位を測定し変化させる方法であって、次の各段階ａ）〜ｇ）、
ａ）一個の変換器を超音波ビーム送信器／受信器として用いると共に、戻ってきたビームに少なくとも三個の個別エコーを提供する、深さの異なる少なくとも二段の反射器を用いる段階と、
ｂ)予想する数より少ないエコーしか戻らない場合に両物体が位置合せされていないと判断する段階と、
ｃ)戻ってきたエコーからステップの深さを決定する段階と、
ｄ)反射器の深さの測定値と既知の値を比較し、反射器の、超音波ビームが当たっている部分を決定する段階と、
ｅ）ステップ深さに合致する二個のエコーのエネルギー比が一定の関係になっているかをチェックする段階と、
ｆ）段階（ｄ）と（ｅ）で得た情報を用いて、反射器に対して送信器を動かす段階と、
ｇ）送信器が反射器の直ぐ前に位置決めされるまで、段階（ｂ）〜（ｆ）を繰り返す段階と
を含む方法に関する。
【００１５】
第二の様相において、本発明は、二個の物体間の相対的な位置と向きに置き換えることができるパターンを反射するのに適した超音波反射器に関する。この超音波エネルギー反射器は、二以上の平行な反射平面を含み、これらの平面は、矩形対称あるいは円柱対称の、一段以上のステップ形状をなす。
【００１６】
別の様相において、本発明は、内視鏡の長さ方向に異なる二箇所に設けられた二個の物体間の距離及び／又は相対的に位置が合っているかを測定するためのシステムを含む内視鏡に関する。このシステムは、一方の物体に設けられた又は一方の物体の近くに設けられた、超音波信号の送信器として機能する一以上の変換器又は変換器配列、及び他方の物体に設けられた又は他方の物体の近くに設けられた、超音波信号の受信器として機能する変換器又は変換器配列を含む。本発明の内視鏡デバイスの好ましい実施形態では、超音波信号の受信器として機能する変換器又は変換器配列のうちの少なくとも一個を反射器とし、超音波信号の送信器として機能する変換器又は変換器配列のうちの少なくとも一個を信号の受信器としても機能させる。
【００１７】
本発明の内視鏡デバイスの好ましい実施形態の幾つかにおいては、超音波信号の送信と受信の両方に使用される一個の超音波変換器を物体の内の一個に設けるか又はその近くに設けると共に、少なくとも一個の反射器を第二の物体に設けるか又はその近くに設ける。この反射器は、二個の物体間の相対的な位置と向きに置き換えることができるパターンを反射するのに適している。本発明の好ましい実施形態では、反射器は、二以上の平行な反射平面を含み、、これらの平面は、矩形対称あるいは円柱対称の、一段以上のステップ形状をなす。
【００１８】
更に別の様相においては、本発明は、ステープラシステムのアンビルユニットが位置合せされる物体の内の一方であり、ステープラカートリッジを含むステープラ展開ユニットが他方の物体である内視鏡デバイスに関する。
【００１９】
更に別の様相においては、本発明は、ステープラカートリッジであって、カートリッジの表面の上若しくは表面内にカートリッジの一部として作られた一以上の超音波エネルギー反射器を含むステープラカートリッジに関する。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態において、ステープラカートリッジは、カートリッジの一方の側にある送信器からの超音波信号を、他方の側にある信号受信器にガイドするための、高さ方向に貫通して作られた一以上のチャネルを含む。
【００２１】
次に、本発明を添付図面を参照し好ましい実施形態を用いて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明の上述の及び他の特徴及び利点は全て、これらにより更に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明を好ましい実施形態によって説明するが、これらは単なる例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。従来の内視鏡を図１に示す。この内視鏡は、操作スイッチ、二又ロック（angulation lock）等、数々の構成要素を有する。これらは本発明のデバイスにも存在させることができるが、従来のものであり、当業者にはよく知られているので以下の説明において詳細には説明しない。従って、以下の説明では、本発明を示すのに必要な要素のみを説明する。しかしながら、簡単に説明すると、図１において全体を１で示す内視鏡は、吸込バルブ、ロック、スイッチ等を備えた制御部２を備える。例示のため、スイッチを３〜６で示す。また、該内視鏡は接続部７を有し、これは空気や水の取込口、光ガイド、超音波信号用導電部材等と接続するのに用いられる。例示のため、超音波信号用導電部材を８で示す。挿入管９は、別々の三部分、即ち、可撓部１０、関節部１１、遠位端１２からなる。関節部を更に詳細に図２に示す。図２には遠位端チップ１３も示され、その中に遠位端１２が存在する。
【００２３】
ここで図２を見ると、国際特許出願ＰＣＴ／ＩＬ０１／０７１９の発明の好ましい実施形態に係る内視鏡の遠位端部が概略的に示されている。この遠位端部は、１４で示されるステープル発射機構、関節部１５、遠位端チップ１３を含む。図１で１１で示される部分は、部分１３と部分１５とからなる。
【００２４】
関節部１５は従来の内視鏡のものと設計上は同様であるが、幾つかの特徴を有する。位置合わせ手順を簡略化すると共に最大の精度を達成するために、前記出願の発明の好ましい実施形態においては、二方向（ツーウェイ）関節の設計が採用された。この関節部は一方向にのみ曲がるようになっている（即ち、内視鏡の遠位端チップは相対的に固定された面に関し、直線状態から一方の側のみに曲がると共に戻ることができる）ことを意味する。次に、このデバイスは、所望の医療処置を実施するために、従来の内視鏡より大きい２７０°まで曲げることができる。最後に、この関節部は、外科手術の際に組織に対して大きな力を提供するのに十分強固なものである。
【００２５】
前記発明の別の実施形態においては、四方向（フォーウェイ）関節運動システムが用いられている。四方向システムでは、内視鏡のチップを互いに直交する二面内で動かすことができる。これにより、運動の自由度は増すが、位置合せ手続は複雑になり、後述する位置合せシステムのいずれかを使用する必要がある。四方向システムは、当分野においてよく知られているので、簡略化のためここでは説明しない。
【００２６】
ＰＣＴ／ＩＬ０１／００７１９の好ましい一実施形態によれば、ステープラカートリッジは関節部１５の近位端に置かれる。ステープラ展開システムは側面発射設計のものであり、遠位端チップの端部に位置するアンビルを必要とする。ステープラカートリッジ１６とアンビルモジュール１６Ａは交換可能であり、シャフトと遠位端チップに設けた受け部に嵌装される。図２では、これらの受け部をそれぞれ１７と１７Ａで表す。１６と１６Ａの両ステープル要素が一緒になってステープル組立体全体を構成する。
【００２７】
図３に、図２のデバイスが完全に関節運動した姿勢の概略を示す。関節部１５は、固定曲率半径「ｒ」で湾曲角度α曲げられている。半径「ｒ」と関節部の長さの値は、固定値「ｌ（エル）」（剛性遠位端チップの長さ）及び「ｙ」（ステープル止めが実施される位置から内視鏡の関節部分の近位端までの距離）によって、デバイスを完全に関節運動させたときにステープラ組立体の二部分が正確に位置合せされるように決定される。しかしながら、適切な機能を確実に達成するために、位置整合性を検出することはやはり必要である。例えば、磨耗によって関節部の結合部に運動の自由が存在するようになった場合には、そのような検出が必要である。
【００２８】
図４は、アンビルユニット１６Ａを所定の位置に収容した状態の内視鏡の遠位端チップ（図２における部分１３）の概略を示す。吸引、洗浄等の目的に用いるチャンネルを２１で示す。画像チャンネルを符号２２、照明ファイバを符号２３で示す。符号２４は、位置合せ／ロックピンがアンビルユニットから出る際に通る穴を示す。符号２５は、ステープルを曲げるための、アンビルユニットの前面に設けられた凹部を示す（全体を符号２６で示す）。これらの部分の機能や操作方法は本発明とは関係ないので、ここでは説明しない。
【００２９】
当業者であれば、他のオプションを設けることができ、実施される内視鏡手続の要求に従って他の構成も可能であることは理解されるであろう。一例として、位置２３や２６の一箇所に変換器、受信器又は反射器を置き、これを後述のように超音波による位置決めに使用することができる。
【００３０】
ステープラの第二の部分は、使い捨て可能なステープラカートリッジを有するステープルカートリッジホルダからなる。ステープラカートリッジホルダは、内視鏡シャフトの固定部分に配置され、関節部に近接している。図５は、図２において１７で示す箇所に配置されるこれらの部分の概略を示す側面図である。ステープルカートリッジホルダ３１は、適切な内径と外径を有し側部に切欠き部を有するチューブからなる。その中で、切欠き部には、一枚の成形シートメタル(図示せず)が嵌装されている。シートメタルは密閉シールを形成すると共に、ステープルカートリッジを次の発射のために移動させるための正確な割出し位置によって、適切な位置に使い捨て可能なステープルカートリッジ１６を保持する。
【００３１】
チューブとシートメタルから成るサブアッセンブリに、プランジャガイドが取り付けられている。プランジャガイドには、プランジャと嵌合するシール(全体を符号３２で示す)が設けられている。プランジャは、近位側方向に引かれたときにステープル配列を発射し、その後の遠位側方向への押し動作によりステープルカートリッジを次の位置へ割出す。
【００３２】
使い捨て可能なカートリッジケースは、二個のサブアッセンブリ、即ち、カートリッジ本体と作動カムサブアッセンブリとを含む。（アンビルアッセンブリについては、これら二個のサブアッセンブリの詳細な説明が前出の特許出願公報に記載されている。本発明の説明及び理解には必要ないのでここでは説明を繰り返さない。）
【００３３】
ステープラ展開システムとアンビルの位置は交換され得るものであること及びステープラの両要素は内視鏡の長軸に沿った様々な位置に配置され得ることは、当業者が理解しうることである。例えば、ステープラシステムの一構成部分は、内視鏡の可撓性シャフト内の関節部と可撓部の間の接続部より近位側に配置され得る。また、例えば、ステープル配列一個のみが発射されるものである場合には、ステープルカートリッジを関節部のリンクのうちの一個に設けることによりデバイスの曲率半径を小さくすることも可能である。
【００３４】
カートリッジの前の遠位端チップを誘導して位置決めするのに次の二種類の情報が必要である。
１．距離測定(遠位端チップ〜カートリッジ間が３〜４ｍｍ)
２．位置合せ(ここでは、何らかの座標フレーム内の物体の位置及び向きと定義する。即ち、三方向の平行移動と三方向の回転である。好ましい許容誤差は０．５ｍｍである。)
【００３５】
距離測定は、最も単純には、飛行時間 (time of flight) の測定に基づく各種方法により実施することができる。このような方法では、組織内を伝播する超音波の平均代表速度（mean average velocity）は一定の値（例えば１５００ｍ／ｓ）であると仮定している。このように仮定することで、飛行時間を測定することにより距離を推算（estimate）することができる。基本的には、二種類の方法が使用されており、上述の内視鏡の好ましい実施形態を用いて次に説明する。
【００３６】
飛行時間法を用いる本発明の第一の好ましい実施形態では、一個の変換器で、超音波信号を送信すると共に反射器から戻ってくるエコーを受信する。この時、往復にかかる時間を測定して距離を計算する。即ち、変換器（例えばカートリッジに取り付けられている）から送信されたパルスが組織を通過し、アンビルで反射して戻り、組織を再び通過して変換器で受信される時間を測定する。この場合、変換器と反射器の距離ｄは次の式で求められる。
【００３７】
【数１】
【００３８】
式中、ｖcは音速（約１５００ｍ／ｓ）を示し、２で割算を行なっているのは、パルスが実際には被測定距離を二回伝播していることを示している。高分解能を得るためには、この方法ではかなり短い波長の高周波パルスを使用する必要がある。
【００３９】
飛行時間法を用いる本発明の別の好ましい実施形態では、二個の変換器を用いる。一方を遠位端チップに、他方をステープラカートリッジに取り付ける。この場合、距離は次の式で求められる。
【００４０】
【数２】
【００４１】
飛行時間の測定方法は数種類ある。本発明の第一の且つ最も簡便な好ましい実施形態は、エネルギー検出によるものである。この方法では、クロックを送信開始と同時に起動し、戻ってくる信号のエネルギー入力値が所定の閾値を超えた時にクロックを停止する。
【００４２】
本発明の好ましい別の実施形態では、飛行時間の測定は、パルスを送信し、受信信号をサンプリングしてコンピュータメモリ内に記憶されている基準信号とクロス相関させることにより実施する。このクロス相関法は、閾値法で飛行時間を直接測定するよりも正確である。これは、クロス相関法では、受信信号の形状を比較するので信号の振幅による影響を受けないためである。振幅(amplitude)は、電気システムや信号が伝播する媒体により生じる歪みのために常に変化している。更に、このクロス相関方法は信号の積分に基づくものであるため、高速ノイズがフィルタで消され、戻ってくる信号が非常に微弱なものであっても良好な結果を得ることができる。
【００４３】
第二の方法における測定の正確さ（accuracy）は、単一のパルスではなくランダムシーケンスパルスを送信し、受信されるシーケンスと記憶されている基準シーケンスを相関させることにより向上させることができる。良く知られているパルス・シフト・キー（ＰＳＫ）変調等によりランダムシーケンスをデジタル変調することにより、信頼性を更に向上させることができる。ランダムシーケンスパルスを変調することにより、ノイズに埋もれている微弱な信号を検出しやすくなる。更に、このようなタイプの相関をとることは、マルチパスエコーや低調（depth）エコーにより生じる測定の不確実さを低減させるものである。
【００４４】
どちらの方法においても、使用される速度は単なる近似値に過ぎず、測定の分解能は、用いられるカウンターやサンプリング速度計の特性によって決まる。
【００４５】
上述の各種飛行時間測定方法には、幾つかの実用上の欠点がある。その一は、一個の変換器のみを使用する場合、最小測定可能距離が送信パルス長に制限されてしまうことである。従って、非常に短いパルスを使用する必要があるが、その結果測定が正確でなくなる。また、高周波数を使用すると、伝播信号が大きく減衰されてしまう。また、二個の変換器を使用するシステムでは、より大きなスペースが必要となると共にシステムのコストも高くなる。
【００４６】
必要とされる距離を測定する他の方法を用いて、飛行時間測定に係る上述の欠点の一部を克服することができる。本発明のこの好ましい実施形態は、送信波と受信波の空間位相差を測定するものである。図６にこの方法を示す。測定された位相角をΦ、超音波信号の波長をλ、送信変換器（符号５２）と受信器（符号５１）の距離をｄとした場合、次の関係が成り立つ。
【００４７】
【数３】
【００４８】
図６からわかるように、Ａ（ｄ）＝Ａ0ｓｉｎ（Φ）である。ここで、Ａ（ｄ）は測定された信号であり、Ａ0は事前の較正(calibration)測定により決定される既知の値である。従って、Φはａｒｃｓｉｎ関数で計算することができ、距離は次式により決まる。
【００４９】
【数４】
【００５０】
このａｒｃｓｉｎ関数から距離を示す解が二個導かれるため、傾きの方向を決めて等式の正しい解を決定するためには、空間的に隣接する二点から少なくとも二回測定する必要がある。
【００５１】
この方法は低周波数のみに限られる。それは、被測定距離が一波長分の長さまでに限られるからである(一波長を超える距離を測定する場合は、不明確になる）。例えば、４〜２０ｍｍの距離を測定する場合は、周波数７５〜３７５ｋＨｚで測定する必要がある。
【００５２】
この方法は、精度（precision）が飛行時間法に比べてむしろ高く（どのような測定値からでも距離を推算できるためである）、低周波数を用いるため伝播信号の減衰が少ないという利点がある。しかしながら、この方法もまた、伝播経路にある組織は全て同一であるという仮定に基づいている。また、少なくとも二個の変換器を使用する必要があるため、コストが高くなると共により広いスペースが必要になる。
【００５３】
本発明の別の好ましい実施形態では、飛行時間法と空間位相差法の両方を使用する。まず前者の方法を使用して比較的離れた距離から測定を始め、距離が一波長以下になった後、位相差を測定し始める。本発明の目的のためにこの方法を用いるには、二種類の異なる周波数（例えば１５０ｋＨｚと２ＭＨｚ）を扱うことが可能な、直径の小さい（例えば１〜２ｍｍ）効率的な変換器を使用する必要がある。
【００５４】
大きくかけ離れた二種類の周波数を一個で扱う変換器の製造は複雑であるが、これは、次のように二種類の波長で音響的伝達を測定することにより克服することができる。即ち、変換器アパチャの音響信号から得られる受信信号Ｓ1は、次の式で表される。
【００５５】
【数５】
【００５６】
式中、インデックス１は波長１を示し、Ｒは変換器の感度（responsivity）である。Ａは、変換器アパチャにより観察される「照射された（illuminated）」アパチャの面積である。Ｉtは媒体を通過した後の音響強度であり、Ｉ0は送信変換器が発信（radiated）する強度である。ａは吸収パラメータであり、Ｚはビームが吸収媒体中を通過した距離である。第二の波長も、インデックス１を２に置き換えて同様の等式で表すことができる。距離Ｚは商Ｓ1／Ｓ2から導くことができる。
【００５７】
【数６】
【００５８】
この最後の式中の項（Ｉ01／Ｉ02）は未知数であるが、較正測定により補うことができる。較正測定は実際の測定を模倣したものであるが、アパチャ間の媒体の吸収は既知のもの（例えば水）である。非吸収性の媒体から得られる信号をＳ1'とＳ2'で表す
と、次のようになる。
【００５９】
【数７】
【００６０】
これから、次の式が導かれる。
【００６１】
【数８】
【００６２】
位相測定法とは異なり、送信と受信に一個の変換器のみを使用する必要がある。更に、両方法において二周波数変換器 (dual frequency transducer) を使用する必要があるが、上述の最後の方法では、周波数間の差は位相測定ほど大きくする必要はないので、変換器を容易に且つ低コストで製造することができる。
【００６３】
距離測定の場合と同様、内視鏡の位置合せを可能にするための数種類の方法を提案することができる。本発明の最も簡単な実施形態では、距離測定と位置合せを実施するために位相配列（phase array）による画像化を利用する。小さな変換器の多くは、従来技術と同様、画像化に用いる配列を含む。従来のカテーテル変換器を遠位端チップに取り付けてカートリッジを画像化するのに用いることができ、位置合せと距離測定を実施することができる。この方法は主として既存の技法に基づき容易に実施できるが、コストの問題と共に、変換器とこれに付属する電気ワイヤのサイズの問題によって、殆どの用途に対して好ましい本発明の実施形態であるとはいい難い。
【００６４】
本発明の別の好ましい実施形態では、強度の測定値を用いる。この方法を図７に示す。この方法では、遠位端チップ４１に少なくとも三個の変換器（符号５２）、カートリッジ４２に三個の変換器（符号５１）を使用する必要がある。位置合せを達成するためには、遠位端チップ上の三個の変換器全てをカートリッジ上の三個の変換器の前に位置決めする必要がある。まず、この遠位端チップをアンビルの前のどこかに置く。遠位端チップは１８０°以内の空間角をスキャンし、最大振幅が測定された角度が記憶される。記憶された角度に応じて遠位端チップを変位させ、操作を再開する。相方の送信器が０°で作動しているときに各受信器で最大振幅が測定されるまで、この手順を繰り返す。
【００６５】
カートリッジの前にある遠位端チップの位置情報を処理しこの情報に基づいて位置が合う方向に遠位端チップを変位させるために用いられる方法を開発する際に、位置合せにおいて起こる可能性のある状況として、考慮しなければならない状況が幾つかある。例えば、遠位端チップがカートリッジの上方あるいは下方にある場合は、横方向のスキャンでは何も検出されず、上下方向のスキャンで信号が検出されるであろう（実際には上下の各受信変換器から二個の信号が検出される可能性がある）。また、遠位端チップの上部変換器がカートリッジの二個の下部変換器の前に（あるいは近くに）ある場合がある。この場合、横方向のスキャンでは二個の位置が検出されるが、上下方向のスキャンでは何らかの信号が検出されることもあるし、何も検出されないこともある。
【００６６】
精度を最大とするためには、ビームを可能な限り細くする必要がある。この要求を満たす方法が二通りある。第一の実施形態は、図７に示すように、フレネルゾーン（符号４５）においてはビーム（符号４４）はある程度平行であり且つ細いということに基づくものである。このため、フレネル距離ｒ2／λ（ｒは変換器の半径、λ（＝ｖ／ｆ）は送信ビームの波長、ｆは変換器の固有共鳴振動数（natural resonance）、ｖは媒体中の音速）より短い距離に対しては、精度を最大とするためにこの方法が用いられる。
【００６７】
第二の実施形態を図８に示す。ここでは、図７と同様、変換器を符号５１、５２、遠位端チップを符号４１、ステープルカートリッジを符号４２で示す。この実施形態では、送信器として機能する変換器（例えば遠位端チップ上の変換器）の一式を集束型変換器とする。このようにすることにより、集束ビーム(符号４６)を用いることができる。精度をより高くするために、集束型変換器を受信器として使用することもできる。
【００６８】
所望の分解能を得るには、どちらの実施形態においても、至適精度が高周波数で得られる(例えば、半径１ｍｍの変換器に対しては１０ＭＨｚ以上）ことが必要である。尚、フレネルゾーンでは送信強度は不規則性(irregularities)を含むため、遠位端チップがアンビルに向かって動いても強度が大きくならずに小さくなってしまう箇所があることに注意しなければならない。上記に示される工程を設計する際には、この問題点を考慮に入れる必要がある。
【００６９】
大体において、上述の各実施形態は簡単であるという利点を有するが、スキャン手続に多くの時間がかかると共に内視鏡は遠位端チップをスキャンする能力を有する必要がある。更に、多数の変換器とこれらを接続する電気ワイヤのために、非常に狭い空間の中に大きな容積が必要となり、システムのコストも高くなる。
【００７０】
送信変換器と受信変換器を対称に配置する場合、一方の方向に１２０°回転していてもシステムの位置が合っているように見える。このようなエラーが起こり得るが、例えば、非対称に配置した変換器を使用することにより、あるいは、各送信器が互いに異なる特有のパルス系列を発生させることにより避けることができる。
【００７１】
上述の実施形態の更なる改善を、主に、必要な変換器の数を少なくすることにより行う。本発明のこの実施形態は、三角法の原理に基づくものである。基本的な構成として、送信器一個、受信器三個（あるいは送信器三個と受信器一個)を用いる。図９（ａ）に、例えばステープラカートリッジに取り付けられた三個の受信器（符号５１）を示す。どの二個の受信器間の距離Ｌ3も、製造段階で正確に決められるものであるので既知である。各二個の受信器と送信器は三角形を作るので、三個の三角形の辺の長さが等しくなったときに位置合せが達成される。辺の長さは、カートリッジとチップの距離を所望の長さとすることによって決まる。測定値が全て等しくなるまで遠位端チップを変位させる。変位方向は三個の測定値の差から決められる。三角形を非対称的に構成することも可能であり、この場合、位置整合性の検出の際、三角形の辺の長さは等しくならない。
【００７２】
内視鏡の自由度数を限定すれば、変換器の数を減らすことができる。例えば、二方向内視鏡では、送信器一個と受信器二個のみを用いればよい。二方向内視鏡の状況を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）では、変換器５１は、変換器５２から送信された信号を受信する。上述の通り、変換器５２をＬ1＝Ｌ2となるまで移動し、そこでステープラの二個の部品の位置が合うことになる。距離は、既に説明したいずれかの方法により決定される。
【００７３】
三角法を用いる各実施形態の改善を、一個の要素の変換器を複数用いるのではなく、複数の要素から構成される変換器を複数用いることにより行う。この場合、複数の三角形が作られるので、より精密な測定値が得られる。
【００７４】
三角法を用いる際に生じる別の問題としては、フレネルゾーンのビームが非常に細い場合があるために一個の送信変換器で二個の隣接する受信変換器に照射することができないことが挙げられる。その逆の場合もある。この問題を克服するために、発散変換器を用いるあるいはアパチャを送信変換器の前に設けてビームを発散させる。これにより、送信器から発信された信号を確実に受信器に到達させる。発散ビームを使用すると、信号が弱くなり、位置合せ精度が低くなる。
【００７５】
本発明の別の好ましい実施形態では、三角法測定において特別な変換器配列を用いることにより、これまで述べた実施形態の問題点の一部を克服する。次の説明は簡略化のため二方向内視鏡について行うが、別の三角形構成（triangulation construction）を追加することにより容易に四方向内視鏡にも適用できる。図１０に三角形構成の概略を示す。この構成は、二個の変換器５２、一個の受信器５１を含み、変換器間の距離はｌ（エル）である。両変換器を、二本の送信ビームがカートリッジからの垂直距離ｄで交差するように一定の取り付け角度でステープラカートリッジに取り付ける。遠位端チップは空間をスキャンし、強度測定に基づき任意の一ビームに到達する。次に、遠位端チップはざっとスキャンしながらこのビームに追従し、二個の送信器から受信する振幅が等しくなる点に到達する。送信器は一定の時間間隔で逐次的に送信する。交差点がフレネルゾーンに入ることを確実なものとするために、この方法で使用するビームは細いビームに限られる、即ち、この方法は数ＭＨｚの範囲で実施する。フレネルゾーンで実施する代わりに、所望の焦点距離を有する集束型変換器を用いることもできる。
【００７６】
フレネルゾーンを超えるとあるいは焦点距離を超えるとビームは発散するが、このことを利用すると、ほぼ位置整合性が取れている場合のビーム断面よりも大きなビーム断面を呈するような距離から、ビームの一つをまず特定することができる。図１１に変換器５２から発信されたビーム４４の様子の概略を示す。フレネルゾーン４５の中ではビームは基本的には平行であるが、フレネルゾーンを超えるとビームは発散する。
【００７７】
次に、上述のステープラを含む内視鏡において三角形構成を作る場合の寸法の具体例を示す。
・アンビルを含む遠位端チップとステープラカートリッジの距離ｄ＝４ｍｍ
・送信変換器間の距離ｌ（エル）＝１０ｍｍ
・変換器の半径ａ＝１ｍｍ
・フレネル距離（＝ａ2／λ、但しｄ＞＞ａの場合）がｄ以上でなければならないという要件からλ＝０．２５ｍｍ、即ち周波数Ｆ＝６．１６ＭＨｚが導かれる。３ｄＢでは、１／２ビーム角 (half beam angle) θは、ｓｉｎθ＝０．５１・λ／２ａからθ＝３．６５°と求められる。この角度は変換器面の垂線に対するものであるので、全体では７．３２°となる。
【００７８】
ここで、フレネルゾーンの中では送信ビームの強度はベッセル関数で表されるため均一ではないことに再度言及しなければならない。フレネルゾーンにおける測定に基づく本発明の実施形態を用いる場合、このことを考慮しなければならない。
【００７９】
上述のように、別の実施形態では、４ｍｍの焦点距離を有する集束型変換器を用いる。この場合、より高い周波数での測定を実施することができる。
【００８０】
この実施形態の主な利点は、特定の構造から距離を演繹して得ることができるため、距離測定をする必要がないことである。
【００８１】
本発明の更に別の実施形態は、精密な三角形構成を作る煩雑さをなくし機械的なスキャンを省略するもので、位相配列を用いる。この実施形態では、一個の変換器を遠位端チップ上に、複数の変換器をカートリッジ上に設ける（あるいはその逆とする）。遠位端チップの変換器は複数の要素からなる配列で構成される（カートリッジ上の各変換器は一個の要素で構成されていてもよいし複数の要素からなる配列であってもよい）。この配列は電気的手段により操作され得るビームを生ずる。ビームが変換器の内の一個により受信されるまで、被操作ビームは空間をスキャンする。被操作ビームの角度が、遠位端チップの変位方向を示す。測定された角度が両方の変換器で等しくなった時に位置合せが達成される（あるいは異なる角度で予め製造された場合はその角度になった時に達成される）。この実施形態では、距離は、飛行時間又は三角法による計算により測定できる。別の方法では、図１０を参照して既に説明した、三角形構成と類似の方法を用いる。この場合、変換器をカートリッジ面に一定の角度で取り付ける必要はない。これは、配列から発信される操作可能なビームがこの特徴に代わるものであるからである。
【００８２】
強度測定による位置合せ方法の一例を図１２に示す。これは、前述の第一の位置合せ方法をかなり簡略化したものである。この実施形態では二個の変換器を用いる。遠位端チップ１２上の変換器５２は送信器である。受信変換器５１を、移動可能なステープルカートリッジ１６の下方のカートリッジホルダ３１に取り付ける。カートリッジを高さ方向に貫通するチャネル５５を設け、これにより信号を受信器に導く。チャネルの直径は、小さく（０．５〜１ｍｍ程度）する。このような構成であれば、遠位端チップがカートリッジの前の正しい位置に正確に置かれたときにのみ、位置が整合していることが検出される。
【００８３】
本発明の好ましい実施形態は、超音波信号の送信と受信の両方を行なう一個の変換器と一個あるいは複数の反射器を含むシステムに基づいている。反射器は、物体間の相対的な位置と向きに変換され得るパターンを反射して戻す特別な構造となっている。変換器は遠位端チップ上あるいはステープルカートリッジ上に設けられる（あるいはその逆でもよい）。通常、反射器をカートリッジに設けるのが好ましい。これは、カートリッジの割出しを妨げる、変換器との電気ワイヤ接続をなくすことができるからである。次に、このモデルから派生した各種形状の例を各種示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００８４】
これらの実施形態の基本的な形状（寸法例を含む）を図１３に示す。平行な二面の反射面（符号６１）が、平面６２により距離Ｌ1で隔てられている。面６２は反射面と角度β（９０°以内）で交差している。このステップ構造（全体を符号６３で示す）に対し、送信変換器６４からビームを照射する。送信ビームが両方の面に当たると、反射信号は二個の連続したエコーを含む。第一のエコーは前側の面によるものであり、第二のエコーは後側の面によるものである。この概略を図１４に示す。
【００８５】
図１５は、図１３に示したタイプの一段反射器を用いて実施した実験の結果を示すオシロスコープ画面の写真の複製である。画面左の大きいパルスは送信パルスであり、小さい２つのパルスは反射器からのエコーである。この例では、反射器は、近位の反射面が発信変換器から４．３ｍｍとなるように配置されており、ステップの深さＬ1＝３ｍｍである。測定されたパルス間隔は４．０８μｓｅｃであるので、ステップの深さは、次のようになる。
【００８６】
【数９】
【００８７】
測定値と実際の深さとの一致の度合は、測定システムの性能により決まる。一致の度合を改善する方法を、ソフトウェアと電気モジュールの説明と共に次に述べる。
【００８８】
変換器の位置が反射器と整合したとき、面間の測定距離はＬ1でなけらばならず、測定パルスはステップの深さに関連付けられる量的関係を有さなければならない。この関係は、軟組織中を伝播する超音波のよく知られた減衰の関係で評価することができる（Ｇ．Ｓ．キノ（G. S. Kino）「音響波：デバイス、画像化及びアナログ信号処理（Acoustic waves: devices, imaging and analog signal processing）」ニュージャージー：プレンティス−ホール社（Prentice-Hall Inc.）１９８７年）。
【００８９】
【数１０】
【００９０】
式中、Ａrearは後側の面からのエコーの大きさを、Ａfrontは前側の面からのエコーの大きさを示す。信号の大きさに影響を与える他の要因は、ステップ断面積及び遠位端チップと反射器面との空間角である。例として、図１５に関連して説明した、変換器（固有振動数１０ＭＨｚ（１００ｎｓｅｃパルス））からの信号を二種類のエコーで反射する反射器を考える。Ａrear／Ａfrontの関係から約４．８ｄＢ、即ちＡrear＝０．７０７Ａfrontとなる。図１５を参照すると、前側のエコーの大きさは後側のエコーより小さいので、位置が合っていないことを示している。また、例えば、遠位端チップに設けた変換器からの経路が、最初に前側の反射面を、その後に後側の反射面を照射することを要求する場合は、当然のことながら、位置合せを達成するためには遠位端チップを後方へ動かさなければならない。
【００９１】
位置合せを実施するのに使用される検出手続は、次の基準に基づいている。
１．エコーが所定の時間差で受信されると共に所定の量的関係（所定の合理的な許容誤差内で）を有するとき、位置合せが達成されている。
２．次のいずれかの場合は、反射器と変換器の位置は合っていない。
・信号が受信されない
・一方のエコーのみが受信される
・量的関係が満たされていない
・連続するエコー間の時間が所定の値と異なる（即ち、目的の距離が測定されていない）。
次に、この手続についてより詳細に説明する。
【００９２】
本発明の好ましい実施形態において、反射器は二段以上のステップの構造をとる。図１６、図１８及び図２０に、使用できる各種二段（３エコー）構造の内の幾つかを示す。これらの図において、反射器全体を符号６３、変換器を６４で示す。Ｌ1とＬ2は二段の各高さであり、この通常の寸法を図に示す。これらの場合において、反射信号は三個のエコーを含み、エコー同士の時間差及び量的関係は各々Ｌ1とＬ2に相当する所定のものである。図１６、図１８及び図２０に対応する反射信号を概略的にそれぞれ図１７、図１９及び図２１に示す。
【００９３】
Ｌ1とＬ2を異なる値とすると、位置合せを完了するのに役に立つ。例えば、三個のエコーの内の二個のみが受信された場合、どちらの組のステップに変換器からのビームが当たっているかをエコー間の距離から判断することができる。この情報を用いて、反射器に対する遠位端チップの相対位置を決め、より位置が合うように操作する。
【００９４】
図２０に、内側に二種類の孔を設けた円筒形の二段反射器を示す。一方の孔の直径は２ｍｍであり、この２ｍｍ孔の中心に１ｍｍ径の孔が開いている。ほぼ位置があっているが正確には合っていない場合、この構造では三種類の連続エコーが反射される。即ち、第一は反射器の前面から、第二は２ｍｍ孔の底面の内の外周側の面から、第三は１ｍｍ孔の底面からのものである。二個のエコーが得られるのは、両部品の位置が正確にあっているとき、あるいは１ｍｍ孔の底面に送信ビームが照射されないような位置に変位している場合である。二個のエコーのみが測定された場合にこれらを区別するため、反射器を異なるステップ深さで構成する。
【００９５】
図２２は、図２０に示したタイプの二段円筒形反射器を用いて実施した実験の結果を示すオシロスコープ画面の写真の複製である。左の信号は送信パルスであり、右の三個のエコーは三種類の各面からの信号である。各面間の深さはＬ1＝Ｌ2＝１ｍｍである。反射器は、反射器から４．７ｍｍの位置にある。各連続するエコー間の時間は１．３μｓｅｃと測定されたので、深さは次の通り計算される。
【００９６】
【数１１】
【００９７】
本発明の一部を形成する別の手続においては、変位アルゴリズムを用いる。このアルゴリズムを用いることができるのは、二（以上）段（孔）反射器のみである。即ち、少なくとも三個のエコーを必要とする。この実施形態において、反射器は、深さの異なるステップを有するように製作する。変換器から発せられたビームスポットが一部のステップにしか当たらない場合、エコーも一部しか受信されない。次に、図３０のステップ構造を参照して例を説明するが、この例はアルゴリズムの基本を示すものである。図３０に、ステップの深さの異なる（Ｌ1≠Ｌ2）二段反射器６３を示す。送信／受信変換器を符号６４で示す。
【００９８】
位置が整合していることを検出するためには、三個のエコーを受信する必要がある。図３０では、変換器は、位置整合の位置から左に置かれている。従って、二個のエコーのみが受信される。変位アルゴリズムによりエコー間隔が示す距離がＬ1と計算されるので、アルゴリズムは操作者に対し、三個のエコーが受信されるまで変換器を右に変位させることを示唆する。
【００９９】
更に、図３１（ａ）〜（ｃ）、図３２（ａ）〜（ｃ）に位置合せ手順の原則を示す。図３１（ａ）〜（ｃ）では、本発明の二エコー（一段）反射器６３に、変換器６４から照射する。
【０１００】
図３１（ｂ）にシステムの位置が合っているときの変換器及び反射器の相対位置を示す。これに対応する受信信号を図３２（ｂ）に概略的に示すが、ここでは、二面の反射面からのエコー間に一定の関係が存在する。図３１（ａ）では変換器の位置が「オーバーシュート」しており、図３２（ａ）に示すように、二個のエコーの比が所望の比となっていない。即ち、遠い面からのエコーが近い面からのエコーよりかなり大きくなっている。図３１（ｃ）及び図３２（ｃ）には、変換器の位置が「アンダーシュート」している場合（situation）を示す。これらの要素同士の位置が正しく合うように操作する（steer）ためにこの情報を操作者がどのように用いるかは、熟練技術者にとっては明白であろう。上述の手続は、位置合せ手順の自動化方法の開発の基本となっている。
【０１０１】
図２３に、ステープラ（例えばＰＣＴ／ＩＬ０１／００７１９に記載されているステープラ）に適用する本発明の好ましい実施形態の概略を示す。ステープラカートリッジの全体を１６で示す。符号７１は五個のステープルからなる三個の配列のそれぞれを示す。また、符号７２は二段反射器を示し、これはカートリッジ表面に、各ステープル配列に隣接して創出されている。例として、反射器の一個に寸法の典型例を付して示す。この実施形態において、変換器を内視鏡の遠位端チップの、例えば図４の２３又は２６に設ける。他にも、反射器をカートリッジと一体化した各種構造が考えられる。例えば、本発明の別の好ましい実施形態では、カートリッジの面から突出した一組のステップとして創出する。本発明の方法を四方向内視鏡に実施する際は、回転作用を含めるために、二方向内視鏡とは幾らか異なったものとなる。四方向内視鏡に用いる本発明の好ましい一実施形態では、反射器をカートリッジに設け、変換器を遠位端チップに設ける。遠位端チップが反射器に対して相対的に回転した場合、（変換器が遠位端チップの中心に配置されていない限り）送信ビームは反射器のステップに当たらず、反射ビームも検出されない。
【０１０２】
四方向内視鏡に用いる本発明の好ましい別の実施形態では、二個の反射器をカートリッジに設ける。この実施形態において、反射器は互いに垂直に設けられる。二個の反射器のステップの深さは異なっている。従って、どちらの反射器に送信ビームが照射されているかを判断することができる。この情報をアルゴリズムに組み込み、回転を修正してステープラの両部品の位置を適切に合わせる。
【０１０３】
本発明の上述の各種実施形態に用いられる反射要素の設計において、幾つかの因子を考慮しなければならない。考慮すべき事項としては次のものが挙げられる。
１．所定の時間差で所定の量的関係を有するエコーが周囲の領域から反射されてくる可能性は非常に小さい。この可能性は、三個以上のエコーを用いることによって大幅に小さくすることができるので、三個のエコーを発生させる構造は本発明の好ましい実施形態となる。
【０１０４】
２．振幅の大きなエコーを受信するために、可能な限り幅の広いステップを用いることが最良である。二エコー（一段）反射器では、ステップの幅の制限はない。しかしながら、三エコー以上の反射器では、全ステップ幅がビーム幅を超えないことが非常に重要である。これは、位置合せを達成したときに確実に全ての面からの反射を得るためである。一方、ステップ幅を狭くしすぎると、反射する量が極めて小さくなってしまう。
【０１０５】
３．ステップの高さ（即ち反射面間の距離）は測定システムの分解能よりも大きくしなければならない。即ち、エコー継続時間×組織中の音速（例えば１５００ｍ／ｓ）÷２より大きくなるようにステップ深さを設計するのが最良である。これよりも小さなステップ深さで実施することも可能であるが、この場合、反射エコーは部分的に重複し、ノイズに対する信号の比が小さくなってしまう。
【０１０６】
４．反射面の周囲を吸収材料で囲むことができる場合があり、この場合、反射器のコントラストを大きくすることができる。
【０１０７】
５．多段反射器を用いる際に生じる不正確さの原因として、空隙が挙げられる。この空隙は、組織と全ての反射面が密着していない場合に創出され得る。この問題の解決策としては、医療用超音波ジェルでこの空隙を埋めることが挙げられる。従来のジェルは、内視鏡挿入時に追い出される（displaced）ことが多い。従って、組織と音響的に適合する剛性材料又はフレキシブルな材料でステップを埋めることが好ましい。この場合、空隙は創出されないので測定時のエラーも起こらない。このための適切な材料としては、例えば、産業用シリコンや当業者によく知られている市販の生体適合性シリコン製品（ジーイー・シリコンＲＴＶ１０８（GE silicon RTV 108）等）が挙げられる。シリコーン層が用いられる場合、金属製カートリッジケースと同様にシリコン表面でも起こる。従って、シリコンを塗布して異なる厚さの二層とした場合、一種のステップ状反射器が創出され、これによる反射エコーのパターンも、カートリッジに対する遠位端チップの相対的位置決めに使用できる。
【０１０８】
６．多くの様々な特性を有する変換器を本発明の上述の各種実施形態に用いることができる。本発明の好ましい実施形態で使用する変換器の例としては、送信と受信の両方が可能な単一要素の指向性変換器が挙げられる。この変換器の直径は１ｍｍ、長さは２ｍｍである。接続ケーブルの直径は１ｍｍ未満である。このデバイスの中心周波数は１１ＭＨｚ、バンド幅（−６ｄＢ）は６０％°である。この変換器は組織と直接接触させて使用し、適合層は必要ない。この変換器は、米国ペンシルバニア州ステートカレッジのブラテック社（Blatek Inc.）によって本出願人にカスタムメードされたものである。
【０１０９】
次に、本発明の距離及び位置合せ測定を実施するのに使用される超音波回路について説明する。この回路は、Ａモード（送信と受信の両方を一個の変換器で行う）でもＣモード（二個の変換器を用い、一方を送信用、他方を受信用とする）でも使用でき、画像化部分を有さない。簡略化のため、次の説明はＡモードについて行うが、Ｃモードも原則は同じであり、同じ電子部品、電子回路を使用する。
【０１１０】
本発明をより分かりやすく説明するために、同時係属中の上述の国際特許出願ＰＣＴ／ＩＬ０１／００２３８及びＰＣＴ／ＩＬ０１／００７１９のステープラ含有内視鏡を用いて実施したＧＥＲＤ外科的手続に実施例を適用させて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【０１１１】
図２４は、超音波回路のブロックダイアグラムである。このダイアグラムは、相互に連結された三個のユニットから構成されている。即ち、送信器（全体を８１で示す）、受信器８２、デジタル化信号処理（ＤＳＰ）距離及び位置合せユニット８３である。符号８４は、タイミング回路及び制御回路と入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェースを示す。タイミング回路は、一個のパルス又はバーストパルスを作成する。パルスの周波数は例えば１１ＭＨｚ、パルス繰返し速度（周波数）（ＰＲＦ）は１００Ｈｚである。これらのパルスはパワー増幅器８５により増幅され、送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ８６を経由して変換器又は変換器配列６４（例えば、超音波信号の送信と受信の両方ができる変換器（図７の５２と同じ。ここでは変換器は送信のみを行う））に送られる。変換器は電気信号を超音波信号に変換する。内視鏡に変換器を組み込むためには、変換器の寸法は非常に小さいものでなければならない。本発明の好ましい実施形態では、これらの寸法は直径が１ｍｍ、長さが２ｍｍであり、変換器を電気回路に接続するケーブルは直径が１ｍｍ未満の同軸ワイヤである。変換器ローブは指向性であり、これはフレネルゾーンで使用するので基本的に平行である。発信された音波は胃８８の境界を貫通し、脂肪組織８９を通り抜け、最終的に食道９０に入る。食道内において、音波は非常に良好な反射器６３（あるいは図７の５１と同じ受信変換器）に当たる。反射器はステープルカートリッジに設けられているか、あるいはステープルカートリッジの一部となっている。（Ｃモードでは、反射器の代わりに変換器を用いる。）反射信号は同じ経路を戻り、変換器がそれを受信し、超音波信号を電気信号に変換する。この電気信号はＴ／Ｒスイッチ８６を経由して増幅器９２に送られる。増幅器では、変換器から戻ってきた信号が増幅される。増幅された信号は次にＡ／Ｄデバイス（９３にある。９３はＤＳＰ機能を実施するシステムの要素も示す）に入り、デジタル信号処理を実施するためにデジタル化される。
【０１１２】
ＤＳＰモジュールの機能は主に二種ある。
１．遠位端チップとアンビルの距離を測定する。
２．遠位端チップとアンビルの位置合せを確認する。
【０１１３】
デジタル化は、よく知られているナイキスト (Nyquist) 基準を満足するものでなければならないが、信号の幅が狭いため、サンプリング下で使用することができ、従って計算負荷を減らすと共に幾つかの電気回路を省略することができる。
【０１１４】
次に、図２４の超音波システムの三個の主なユニットについてより詳細に説明する。送信器ユニットの概略を図２５に示す。データビットジェネレータ及びゲート９４は一個のパルス又はデータビットのバーストパルスを作成することができる。また、ミキサ９９に導入されるキャリア周波数Ｆｃ（矩形波又は正弦波であり、その振動速度（oscillation rate）は例えば１０．７ＭＨｚである）の変調のタイプを決めることもできる。一個のパルスが送信される場合、パルスの長さは変換器の仕様により決まり（この例では１００ｎｓｅｃ）、パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）は１００Ｈｚである。バーストパルス、ランダムシーケンスパルス又は変調ランダムバーストパルスを送信することにより、測定の信頼性を高めると共に、非常にノイズの多い環境下で非常に弱い信号であっても使用することができる。混合(変調)信号は、信号を濾波し増幅するパワー増幅器８５に送られる。その後、変換器６４に送られ、電気エネルギーが超音波エネルギーに変換される。
【０１１５】
受信器ユニットの概略を図２６に示す。全ての組織を通過した超音波は変換器６４に受信され、超音波エネルギーは電気エネルギーに変換される。信号は増幅器９２により増幅され、一個又は複数のバンド・パス・フィルタ９５により不要の周波数が取り除かれる。その後、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）ユニット９６（例えば、分解能８ビット、サンプリング速度１００ＭＨｚ）で信号をデジタル化する。サンプル速度がコンピュータのデータ移動速度に比べて非常に速いので、データがパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）のメインメモリ９８に送られるまでデータを保存する高速先入れ先出し（ＦＩＦＯ）ユニット９７を使用する必要がある。
【０１１６】
デジタル化モジュールは、サンプル速度５０〜１００ＭＨｚのＡ／Ｄユニットを含むＰＣカードとする。送信が初期化されると同時にＡ／Ｄユニットはサンプリングを開始し、データは約２０μｓ間（この時間は約３ｃｍの距離に相当する）ＦＩＦＯユニットに収集される。その後、データは、コンピュータメインメモリの中のバッファに送られる。
【０１１７】
距離計算を実施する好ましい方法では、次の相関アルゴリズムを使用する。バッファ内にあるサンプリングされたデータは、コンピュータメモリ内に記憶されている所定の信号パターンとクロス相関させられる。
【０１１８】
基準信号は、二通りの方法で創出することができる。第一の方法は、反射エコーのパターンを発生させる関数を合成又は書き込むことができるということに基づいている。このような基準信号を作成する関数の例としては次のものが挙げられる。
【０１１９】
【数１２】
【０１２０】
式中、τは変換器仕様から決められるダンピングファクタ、ωdは変換器仕様から決められる減衰固有振動数（dumped natural frequency）、θは位相補正である。必要であれば、ウィリアムＷ．セト（William W. Seto）「音響学、シャウム概要シリーズ（Acoustics, Schaum's Outline Series）」、マグローヒル社（McGraw-Hill Inc.）、米国、１９７１年を参照のこと。図２７（ａ）は、上の式を用いて計算した所定の信号の例を示すコンピュータ画面の複製である。
【０１２１】
第二の方法では、実際のエコーをサンプリングしコンピュータメモリに記憶して基準信号として使用する。第二の方法が好ましい。それは、変換器の特性を含む送信及び受信システム全ての特性をそのまま含んでいるからである。従って、例えば変換器（又はシステムの他の要素）を、特性が若干異なる別のものに置き換えた場合、簡単な較正測定を行なう（例えば水中等で）だけで、予想した通りの基準信号をコンピュータに記憶することができる。図２７（ｂ）は、予め測定した基準信号の例を示すコンピュータ画面の複製である。クロス相関の結果は次の式から得られる。
【０１２２】
【数１３】
【０１２３】
式中、ｒref,sig（ι）はクロス相関の結果、ｒｅｆ（ｎ−ι）は基準信号、ｓｉｇｎａｌ（ｎ）は受信信号を示し、Ｎ＝長さ（ｓｉｇｎａｌ）−長さ（ｒｅｆ)である。
【０１２４】
クロス相関バッファ（ｒref,sig（ι））における最大値を含む要素のインデックスは、基準信号と受信信号が最もよくマッチしている箇所に相当する。エコーの到着時間はＴarrival＝（Ｂｕｆｆｅｒ＿ｉｎｄｅｘ＊１／Ｔｓ）／２の式で計算される。Ｂｕｆｆｅｒ＿ｉｎｄｅｘは最大のクロス相関が得られるバッファのインデックスであり、Ｔｓはサンプリング頻度である。
【０１２５】
従って、測定の正確さはサンプリング頻度によって決まる。即ち、時間測定の誤差は±１／Ｔｓである。例えば、サンプル速度が１００ＭＨｚの場合は次のようになる。
【０１２６】
【数１４】
【０１２７】
即ち、距離の正確さ（accuracy）は、±１５μｍである。
【０１２８】
図２８（ａ）は、典型的なバッファにおける、反射器からの受信エコー(上のカーブ)と予め測定して得た図２７（ｂ）の基準カーブとの相関の結果(下のカーブ)を示すコンピュータ画面の複製である。図２８（ｂ）は、図２８（ａ）の一部を拡大した図であり、受信信号と相関の結果をより詳細に示している。相関は、受信信号の当に受信開始時に最大となっている。
【０１２９】
位置合せアルゴリズムでは、位置合せ検出の一基準として距離測定アルゴリズムを用いる。次の例は、一段（二エコー）反射器についてのものであるが、三以上のエコーの反射器に対しても容易に拡大的に適用できる。バッファー内にある受信信号を基準信号と相関させる。次に、アルゴリズムは相関が最大となる二箇所の位置をサーチする。この二個の最大間の距離はステップの深さに等しくなければならない。この基準が合わない場合、変換器と反射器の位置は合っていないことになる。
【０１３０】
最大間の距離が正しい場合、次に二個のエコーのエネルギーを比較し、先に述べた減衰及び断面積の関係を満たすか、予め行った較正測定から得られている既知の関係を満たすかについて検討する。これらの関係を満足しない場合、正しく位置合せされていないことになる。
【０１３１】
図２９は、位置合せアルゴリズムのフローチャートである。位置合せが正しくされていると考えられるのは、測定されるエコー間の距離がステップの深さに相当し且つ所定の量的関係を満たす場合であり、それ以外は正しく位置合せされていない。
【０１３２】
計算にかかる時間を削減するために、見つける対象を、相関の最大ではなく、受信バッファ内の最大とすることができる。しかしながら、この場合、振幅の大きなランダムノイズが発生すると、エラーが発生する。従って、本発明の好ましい実施形態においては、計算は、エネルギー（強度の積分に等しい）の相関ピークを用いて行い、受信バッファの最大は用いない。
【０１３３】
本発明の実施形態を図示により説明したが、本発明の精神から逸脱することなく、また請求項の範囲を越えることなく、多くの変更、変形、適合化を行って本発明を実施できることが理解されよう。本発明の実施形態の多くは内視鏡に組み込まれるステープラに関して述べたものであるが、次のような他の器具、即ち、同じデバイスに設けられるか別のデバイスに設けられ、器具が所望の仕事を成すためには器具同士を一緒に所定の位置に導かなければならず、デバイスはこれらの器具をその位置に移動するために用いられる器具、の場合にも本発明を容易に適用できることは、当業者にとってはとりわけ明白であろう。また、本発明の実施形態の多くは特別な医療手続に関連して説明したが、本発明は医療や産業における幅広い用途に用いることができることも同様に明白であろう。
【０１３４】
参考文献
［１］Ｄ．Ａ．クリステンセン（D. A. Christensen）「超音波による生体計測（Ultrasonic Bioinstrumentation）」、１３１頁
［２］Ｇ．Ｓ．キノ（G. S. Kino）「音響波：デバイス、画像化及びアナログ信号処理（Acoustic Waves: Devices, Imaging and Analog Signal Processing）」ニュージャージー：プレンティス−ホール社（Prentice-Hall Inc.）、１９８７年、１７５、２２０〜２２５頁
［３］ジョンＧ．プロキス（John G. Proakis）、デミトリスＧ．マノラキス（Dimitris G. Manolakis）「デジタル信号処理の原理、アルゴリズム、応用（Digital Signal Processing Principles, Algorithms, and Application）」第三版、プレンティス−ホール・インターナショナル社（Prentice-Hall International Inc.）、ニュージャージー、１９６６年、３０、１３０〜１３１頁
［４］ウィリアムＷ．セト（William W. Seto）「音響学、シャウム概要シリーズ（Acoustics, Schaum's Outline Series）」マグローヒル社（McGraw-Hill. Inc.）、米国、１９７１年、１３〜１４頁
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】従来の内視鏡の概略を示す。
【図２】本発明の好ましい実施形態に係る、外科的ステープラを有する内視鏡の遠位関節部と固定部の概略を示す。
【図３】図２の内視鏡の最大曲げ角度での関節運動の概略を示す。
【図４】ステープラ組立体のアンビルモジュールを所定位置に取付けた、図２の内視鏡の遠位端チップを示す。
【図５】図２の内視鏡のシャフトにあるステープルカートリッジホルダの側面の概略を示す。
【図６】測定距離の空間位相差の概略を示す。
【図７】強度による方法に基づく位置合せ方法の概略を示す。
【図８】強度による方法に基づく別の位置合せ方法の概略を示す。
【図９】位置合せの三角法の概略を示す。
【図１０】位置合せ方法に使用するための三角形構成の概略を示す。
【図１１】超音波ビームの形状の概略を示す。
【図１２】ウェーブガイド位置決め方法の概略を示す。
【図１３】一段反射器の概略を示す。
【図１４】図１３の反射器から反射された信号の概略を示す。
【図１５】図１３に示すタイプの反射器からの反射を示すオシロスコープ画面の複製である。
【図１６】二段反射器の概略を示す。
【図１７】図１６の反射器から反射された信号の概略を示す。
【図１８】別の二段反射器の概略を示す。
【図１９】図１８の反射器から反射された信号の概略を示す。
【図２０】円筒形反射器の概略を示す。
【図２１】図２０の反射器から反射された信号の概略を示す。
【図２２】図２０に示すタイプの反射器からの反射を示すオシロスコープ画面の写真の複製である。
【図２３】ステープルカートリッジに設けた二段反射器の概略を示す。
【図２４】超音波システムのブロックダイアグラムである。
【図２５】超音波システムの送信器部分の概略を示す。
【図２６】超音波システムの受信器部分の概略を示す。
【図２７】所定の基準信号を示すコンピュータ画面の写真の複製である。
【図２８】図２８（ａ）は、測定された受信信号及びこの受信信号と図２７（ｂ）の基準信号を相関させた結果を示すコンピュータ画面の写真の複製である。図２８（ｂ）は、図２８（ａ）の一部の拡大図である。
【図２９】位置合せアルゴリズムのフローチャートである。
【図３０】二段反射器の概略を示す。
【図３１】位置合せ手続の概略を示す。
【図３２】位置合せ手続の概略を示す。
【符号の説明】
【０１３６】
５１ 変換器（受信器）
５２ 変換器（送信器）
６３ 反射器
６４ 変換器
【０００１】
本発明は、超音波デバイスの分野に関する。特に、本発明は、別々の物体相互の相対的位置決めに使用するために超音波発信器、受信器及び反射器を使用することに関する。更に、本発明は、内視鏡のパーツ同士の正確な相対的位置合せのための超音波デバイス及び超音波技法の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
カテーテル、腹腔鏡、内視鏡を用いる無侵襲医療手続と組合わせた超音波技法の多岐にわたる使用が当技術分野において知られている。例えば、米国特許第５１８１５１４号公報（特許文献１）、第５２５９８３７号公報（特許文献２）、第５４４５１４４号公報（特許文献３）及び米国特許第５９０６５７８号（特許文献４）公報は全て、超音波による画像化を用いて人体内でカテーテルや内視鏡をガイドして位置決めを行う方法を開示している。米国特許第６１４９５９８号公報（特許文献５）は、外科的処置をモニターするために内視鏡の光学走査システムと超音波走査システムとを組合せた超音波内視鏡を開示している。また、米国特許６０９０１２０号（特許文献６）公報は、内視鏡法に使用できる超音波外科器具を開示している。
【特許文献１】
米国特許第５１８１５１４号公報
【特許文献２】
米国特許第５２５９８３７号公報
【特許文献３】
米国特許第５４４５１４４号公報
【特許文献４】
米国特許第５９０６５７８号公報
【特許文献５】
米国特許第６１４９５９８号公報
【特許文献６】
米国特許第６０９０１２０号公報
【０００３】
本願と同一の出願人による同時係属中の国際特許出願ＰＣＴ／ＩＬ０１／００２３８公報及びＰＣＴ／ＩＬ０１／００７１９公報には、内視鏡の軸に沿って離間している二個のパーツ、即ちアンビルユニットとステープルカートリッジユニットから構成される外科用ステープルを含み関節運動する内視鏡が記載されている。これらの明細書を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。これらの出願公報に開示されている発明の好ましい実施形態では、ステープルカートリッジユニットは、内視鏡シャフトにおいて、関節部の近位端に隣接して設けられ、アンビルユニットは、関節部の遠位端の、内視鏡の遠位端チップに設けられている。
【０００４】
カートリッジに対する遠位端チップの相対運動は、円の一部をなす経路に沿うものである。ステープル止め動作を行うためには、内視鏡を曲げる最後の段階は、所定の位置に正確に到達させることをもって終わることが肝要である。距離や位置が正しくない所に到達すると、ステープル止めが正しく行われず、組織に損傷を与える虞がある。従って、遠位端チップをカートリッジに対して適切な距離に導くと共に遠位端チップとカートリッジの位置を合わせることが、このデバイスを適切に機能させるのに不可欠である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このデバイスの設計や外科的適用において解決しなけばならない主要な技術的課題は、ステープルの前記二個のパーツ同士を適切に位置合せすると共にこれらパーツ間の距離を適切な距離とすること及びこれらが確実に達成されていることを確認することである。上掲の特許出願公報で述べられているように、当技術分野で知られている超音波技法を位置決めの達成のために用いることができる。しかしながら、この度、従来技術の技法で達成可能なものに比べ内視鏡の位置決めの正確さを更に向上させることができることが見出された。このことは、手術の信頼性に重要な改善をもたらすものである。
【０００６】
従って、本発明は、超音波技法を用いて内視鏡の離間した部分同士の相対的位置決めを行う方法であって従来技術の方法より改善された方法を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、超音波技法を用いて内視鏡の離間した部分同士の相対的位置決めを行う前記方法を実施し得るデバイスを提供することを目的とする。
【０００８】
更に、本発明は、超音波技法を用いて何らかのエレメント同士、特に内視鏡の離間した部分同士の相対的位置決めを行う前記方法を実施する手続を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の更なる目的や利点は、説明が進むにつれて明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明はその第一の様相において、二物体の相対位置を測定する方法を提供するものであって、この方法は、超音波信号の送信器として機能する一以上の変換器又は変換器配列、及び超音波信号の受信器として機能する一以上の変換器又は変換器配列を使用して物体間の距離を測定することと、この結果によって位置合せの程度を決定することとを含む。本発明の好ましい実施形態の幾つかにおいては、超音波信号の受信器として機能する変換器又は変換器配列の少なくとも一個が反射器に置き換えられ、超音波信号の送信器として機能する変換器又は変換器配列の少なくとも一個が信号の受信器としても機能する。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態の幾つかにおいては、超音波信号の送信と受信の両方を行なう一個の超音波変換器を用い、これを一個の物体の上に又は近くに取り付けると共に、少なくとも一個の反射器を第二の物体の上に又は近くに取り付ける。反射器は、物体相互の位置関係及び向き関係に変換しうる信号パターンを反射して戻すのに適切である。本発明の好ましい実施形態においては、反射器は二以上の平行な反射平面を含み、これらの平面は、矩形対称あるいは円柱対称の、一段以上のステップ形状をなす。
【００１２】
また、本発明は、二物体間の距離を測定する方法であって、次の各段階、
・一連の短い電気パルス群の繰り返し乃至バースト電気パルスを生成する段階と、
・前記パルスを増幅する段階と、
・増幅された電気パルスを、電気エネルギーを超音波エネルギーに変換する変換器に印加する段階と、
・前記超音波エネルギーを比較的細いビーム形状で媒体中を伝播させて、他方の変換器、又はビームが発射された変換器に向けてビームの向きを変える反射器に到達させる段階と、
・超音波エネルギーを電気信号に変換する変換器により前記超音波エネルギーを受信する段階と、
・前記電気信号を増幅し濾波する段階と、
・信号をデジタル化する段階と、
・記憶したデータを、先入れ先出し（ＦＩＦＯ）バッファ内又は高速メモリ内の独立したバッファに一時的に保存する段階と、
・前記データを、ＦＩＦＯ又は高速メモリからメインコンピュータメモリに移す段階と、
・各バッファ内のデータを、コンピュータメモリ内に記憶された所定の基準信号パターンと相関させる段階と、
・基準信号との前記相関が最大値をとるバッファのインデックスから、超音波信号の飛行時間を決定する段階と、
・前記飛行時間から距離を決定する段階と
を含む方法に関する。
【００１３】
また、本発明は、二つの部分同士の相対的なアラインメント（位置整合性）を決定する方法であって、次の各段階、
・一個の変換器を超音波ビームの送信器／受信器として用いると共に、戻りビーム中に少なくとも二種類の別個の信号を提供する少なくとも一段のステップを有する反射器を用いる段階と、
・コンピュータメインメモリ内に記憶された信号を、コンピュータメモリ内の所定の基準信号と相関させる段階と、
・相関の最大に対応するバッファからステップの深さを決定する段階と、
ここで、前記相関には少なくとも二個の局所最大が存在しなければならないと共にそれらの差は既知のステップ深さに対応するものでなければならず、
・測定されたステップ深さが既知のステップ深さと一致しない場合、変換器を反射器に対して動かし、再び相関をとる段階と、
・測定されたステップ深さが既知のステップ深さと一致した場合、その相関バッファからのエネルギーの大きさを用いてエコー間のエネルギー関係を決定し、位置合せがされていることを決定する、又は変位方向を決定する段階と
を含む方法に関する。
【００１４】
更に、本発明は、二個の物体の相対的な変位を測定し変化させる方法であって、次の各段階ａ）〜ｇ）、
ａ）一個の変換器を超音波ビーム送信器／受信器として用いると共に、戻ってきたビームに少なくとも三個の個別エコーを提供する、深さの異なる少なくとも二段の反射器を用いる段階と、
ｂ)予想する数より少ないエコーしか戻らない場合に両物体が位置合せされていないと判断する段階と、
ｃ)戻ってきたエコーからステップの深さを決定する段階と、
ｄ)反射器の深さの測定値と既知の値を比較し、反射器の、超音波ビームが当たっている部分を決定する段階と、
ｅ）ステップ深さに合致する二個のエコーのエネルギー比が一定の関係になっているかをチェックする段階と、
ｆ）段階（ｄ）と（ｅ）で得た情報を用いて、反射器に対して送信器を動かす段階と、
ｇ）送信器が反射器の直ぐ前に位置決めされるまで、段階（ｂ）〜（ｆ）を繰り返す段階と
を含む方法に関する。
【００１５】
第二の様相において、本発明は、二個の物体間の相対的な位置と向きに置き換えることができるパターンを反射するのに適した超音波反射器に関する。この超音波エネルギー反射器は、二以上の平行な反射平面を含み、これらの平面は、矩形対称あるいは円柱対称の、一段以上のステップ形状をなす。
【００１６】
別の様相において、本発明は、内視鏡の長さ方向に異なる二箇所に設けられた二個の物体間の距離及び／又は相対的に位置が合っているかを測定するためのシステムを含む内視鏡に関する。このシステムは、一方の物体に設けられた又は一方の物体の近くに設けられた、超音波信号の送信器として機能する一以上の変換器又は変換器配列、及び他方の物体に設けられた又は他方の物体の近くに設けられた、超音波信号の受信器として機能する変換器又は変換器配列を含む。本発明の内視鏡デバイスの好ましい実施形態では、超音波信号の受信器として機能する変換器又は変換器配列のうちの少なくとも一個を反射器とし、超音波信号の送信器として機能する変換器又は変換器配列のうちの少なくとも一個を信号の受信器としても機能させる。
【００１７】
本発明の内視鏡デバイスの好ましい実施形態の幾つかにおいては、超音波信号の送信と受信の両方に使用される一個の超音波変換器を物体の内の一個に設けるか又はその近くに設けると共に、少なくとも一個の反射器を第二の物体に設けるか又はその近くに設ける。この反射器は、二個の物体間の相対的な位置と向きに置き換えることができるパターンを反射するのに適している。本発明の好ましい実施形態では、反射器は、二以上の平行な反射平面を含み、、これらの平面は、矩形対称あるいは円柱対称の、一段以上のステップ形状をなす。
【００１８】
更に別の様相においては、本発明は、ステープラシステムのアンビルユニットが位置合せされる物体の内の一方であり、ステープラカートリッジを含むステープラ展開ユニットが他方の物体である内視鏡デバイスに関する。
【００１９】
更に別の様相においては、本発明は、ステープラカートリッジであって、カートリッジの表面の上若しくは表面内にカートリッジの一部として作られた一以上の超音波エネルギー反射器を含むステープラカートリッジに関する。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態において、ステープラカートリッジは、カートリッジの一方の側にある送信器からの超音波信号を、他方の側にある信号受信器にガイドするための、高さ方向に貫通して作られた一以上のチャネルを含む。
【００２１】
次に、本発明を添付図面を参照し好ましい実施形態を用いて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明の上述の及び他の特徴及び利点は全て、これらにより更に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明を好ましい実施形態によって説明するが、これらは単なる例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。従来の内視鏡を図１に示す。この内視鏡は、操作スイッチ、二又ロック（angulation lock）等、数々の構成要素を有する。これらは本発明のデバイスにも存在させることができるが、従来のものであり、当業者にはよく知られているので以下の説明において詳細には説明しない。従って、以下の説明では、本発明を示すのに必要な要素のみを説明する。しかしながら、簡単に説明すると、図１において全体を１で示す内視鏡は、吸込バルブ、ロック、スイッチ等を備えた制御部２を備える。例示のため、スイッチを３〜６で示す。また、該内視鏡は接続部７を有し、これは空気や水の取込口、光ガイド、超音波信号用導電部材等と接続するのに用いられる。例示のため、超音波信号用導電部材を８で示す。挿入管９は、別々の三部分、即ち、可撓部１０、関節部１１、遠位端１２からなる。関節部を更に詳細に図２に示す。図２には遠位端チップ１３も示され、その中に遠位端１２が存在する。
【００２３】
ここで図２を見ると、国際特許出願ＰＣＴ／ＩＬ０１／０７１９の発明の好ましい実施形態に係る内視鏡の遠位端部が概略的に示されている。この遠位端部は、１４で示されるステープル発射機構、関節部１５、遠位端チップ１３を含む。図１で１１で示される部分は、部分１３と部分１５とからなる。
【００２４】
関節部１５は従来の内視鏡のものと設計上は同様であるが、幾つかの特徴を有する。位置合わせ手順を簡略化すると共に最大の精度を達成するために、前記出願の発明の好ましい実施形態においては、二方向（ツーウェイ）関節の設計が採用された。この関節部は一方向にのみ曲がるようになっている（即ち、内視鏡の遠位端チップは相対的に固定された面に関し、直線状態から一方の側のみに曲がると共に戻ることができる）ことを意味する。次に、このデバイスは、所望の医療処置を実施するために、従来の内視鏡より大きい２７０°まで曲げることができる。最後に、この関節部は、外科手術の際に組織に対して大きな力を提供するのに十分強固なものである。
【００２５】
前記発明の別の実施形態においては、四方向（フォーウェイ）関節運動システムが用いられている。四方向システムでは、内視鏡のチップを互いに直交する二面内で動かすことができる。これにより、運動の自由度は増すが、位置合せ手続は複雑になり、後述する位置合せシステムのいずれかを使用する必要がある。四方向システムは、当分野においてよく知られているので、簡略化のためここでは説明しない。
【００２６】
ＰＣＴ／ＩＬ０１／００７１９の好ましい一実施形態によれば、ステープラカートリッジは関節部１５の近位端に置かれる。ステープラ展開システムは側面発射設計のものであり、遠位端チップの端部に位置するアンビルを必要とする。ステープラカートリッジ１６とアンビルモジュール１６Ａは交換可能であり、シャフトと遠位端チップに設けた受け部に嵌装される。図２では、これらの受け部をそれぞれ１７と１７Ａで表す。１６と１６Ａの両ステープル要素が一緒になってステープル組立体全体を構成する。
【００２７】
図３に、図２のデバイスが完全に関節運動した姿勢の概略を示す。関節部１５は、固定曲率半径「ｒ」で湾曲角度α曲げられている。半径「ｒ」と関節部の長さの値は、固定値「ｌ（エル）」（剛性遠位端チップの長さ）及び「ｙ」（ステープル止めが実施される位置から内視鏡の関節部分の近位端までの距離）によって、デバイスを完全に関節運動させたときにステープラ組立体の二部分が正確に位置合せされるように決定される。しかしながら、適切な機能を確実に達成するために、位置整合性を検出することはやはり必要である。例えば、磨耗によって関節部の結合部に運動の自由が存在するようになった場合には、そのような検出が必要である。
【００２８】
図４は、アンビルユニット１６Ａを所定の位置に収容した状態の内視鏡の遠位端チップ（図２における部分１３）の概略を示す。吸引、洗浄等の目的に用いるチャンネルを２１で示す。画像チャンネルを符号２２、照明ファイバを符号２３で示す。符号２４は、位置合せ／ロックピンがアンビルユニットから出る際に通る穴を示す。符号２５は、ステープルを曲げるための、アンビルユニットの前面に設けられた凹部を示す（全体を符号２６で示す）。これらの部分の機能や操作方法は本発明とは関係ないので、ここでは説明しない。
【００２９】
当業者であれば、他のオプションを設けることができ、実施される内視鏡手続の要求に従って他の構成も可能であることは理解されるであろう。一例として、位置２３や２６の一箇所に変換器、受信器又は反射器を置き、これを後述のように超音波による位置決めに使用することができる。
【００３０】
ステープラの第二の部分は、使い捨て可能なステープラカートリッジを有するステープルカートリッジホルダからなる。ステープラカートリッジホルダは、内視鏡シャフトの固定部分に配置され、関節部に近接している。図５は、図２において１７で示す箇所に配置されるこれらの部分の概略を示す側面図である。ステープルカートリッジホルダ３１は、適切な内径と外径を有し側部に切欠き部を有するチューブからなる。その中で、切欠き部には、一枚の成形シートメタル(図示せず)が嵌装されている。シートメタルは密閉シールを形成すると共に、ステープルカートリッジを次の発射のために移動させるための正確な割出し位置によって、適切な位置に使い捨て可能なステープルカートリッジ１６を保持する。
【００３１】
チューブとシートメタルから成るサブアッセンブリに、プランジャガイドが取り付けられている。プランジャガイドには、プランジャと嵌合するシール(全体を符号３２で示す)が設けられている。プランジャは、近位側方向に引かれたときにステープル配列を発射し、その後の遠位側方向への押し動作によりステープルカートリッジを次の位置へ割出す。
【００３２】
使い捨て可能なカートリッジケースは、二個のサブアッセンブリ、即ち、カートリッジ本体と作動カムサブアッセンブリとを含む。（アンビルアッセンブリについては、これら二個のサブアッセンブリの詳細な説明が前出の特許出願公報に記載されている。本発明の説明及び理解には必要ないのでここでは説明を繰り返さない。）
【００３３】
ステープラ展開システムとアンビルの位置は交換され得るものであること及びステープラの両要素は内視鏡の長軸に沿った様々な位置に配置され得ることは、当業者が理解しうることである。例えば、ステープラシステムの一構成部分は、内視鏡の可撓性シャフト内の関節部と可撓部の間の接続部より近位側に配置され得る。また、例えば、ステープル配列一個のみが発射されるものである場合には、ステープルカートリッジを関節部のリンクのうちの一個に設けることによりデバイスの曲率半径を小さくすることも可能である。
【００３４】
カートリッジの前の遠位端チップを誘導して位置決めするのに次の二種類の情報が必要である。
１．距離測定(遠位端チップ〜カートリッジ間が３〜４ｍｍ)
２．位置合せ(ここでは、何らかの座標フレーム内の物体の位置及び向きと定義する。即ち、三方向の平行移動と三方向の回転である。好ましい許容誤差は０．５ｍｍである。)
【００３５】
距離測定は、最も単純には、飛行時間 (time of flight) の測定に基づく各種方法により実施することができる。このような方法では、組織内を伝播する超音波の平均代表速度（mean average velocity）は一定の値（例えば１５００ｍ／ｓ）であると仮定している。このように仮定することで、飛行時間を測定することにより距離を推算（estimate）することができる。基本的には、二種類の方法が使用されており、上述の内視鏡の好ましい実施形態を用いて次に説明する。
【００３６】
飛行時間法を用いる本発明の第一の好ましい実施形態では、一個の変換器で、超音波信号を送信すると共に反射器から戻ってくるエコーを受信する。この時、往復にかかる時間を測定して距離を計算する。即ち、変換器（例えばカートリッジに取り付けられている）から送信されたパルスが組織を通過し、アンビルで反射して戻り、組織を再び通過して変換器で受信される時間を測定する。この場合、変換器と反射器の距離ｄは次の式で求められる。
【００３７】
【数１】
式中、ｖcは音速（約１５００ｍ／ｓ）を示し、２で割算を行なっているのは、パルスが実際には被測定距離を二回伝播していることを示している。高分解能を得るためには、この方法ではかなり短い波長の高周波パルスを使用する必要がある。
【００３９】
飛行時間法を用いる本発明の別の好ましい実施形態では、二個の変換器を用いる。一方を遠位端チップに、他方をステープラカートリッジに取り付ける。この場合、距離は次の式で求められる。
【００４０】
【数２】
飛行時間の測定方法は数種類ある。本発明の第一の且つ最も簡便な好ましい実施形態は、エネルギー検出によるものである。この方法では、クロックを送信開始と同時に起動し、戻ってくる信号のエネルギー入力値が所定の閾値を超えた時にクロックを停止する。
【００４２】
本発明の好ましい別の実施形態では、飛行時間の測定は、パルスを送信し、受信信号をサンプリングしてコンピュータメモリ内に記憶されている基準信号とクロス相関させることにより実施する。このクロス相関法は、閾値法で飛行時間を直接測定するよりも正確である。これは、クロス相関法では、受信信号の形状を比較するので信号の振幅による影響を受けないためである。振幅(amplitude)は、電気システムや信号が伝播する媒体により生じる歪みのために常に変化している。更に、このクロス相関方法は信号の積分に基づくものであるため、高速ノイズがフィルタで消され、戻ってくる信号が非常に微弱なものであっても良好な結果を得ることができる。
【００４３】
第二の方法における測定の正確さ（accuracy）は、単一のパルスではなくランダムシーケンスパルスを送信し、受信されるシーケンスと記憶されている基準シーケンスを相関させることにより向上させることができる。良く知られているパルス・シフト・キー（ＰＳＫ）変調等によりランダムシーケンスをデジタル変調することにより、信頼性を更に向上させることができる。ランダムシーケンスパルスを変調することにより、ノイズに埋もれている微弱な信号を検出しやすくなる。更に、このようなタイプの相関をとることは、マルチパスエコーや低調（depth）エコーにより生じる測定の不確実さを低減させるものである。
【００４４】
どちらの方法においても、使用される速度は単なる近似値に過ぎず、測定の分解能は、用いられるカウンターやサンプリング速度計の特性によって決まる。
【００４５】
上述の各種飛行時間測定方法には、幾つかの実用上の欠点がある。その一は、一個の変換器のみを使用する場合、最小測定可能距離が送信パルス長に制限されてしまうことである。従って、非常に短いパルスを使用する必要があるが、その結果測定が正確でなくなる。また、高周波数を使用すると、伝播信号が大きく減衰されてしまう。また、二個の変換器を使用するシステムでは、より大きなスペースが必要となると共にシステムのコストも高くなる。
【００４６】
必要とされる距離を測定する他の方法を用いて、飛行時間測定に係る上述の欠点の一部を克服することができる。本発明のこの好ましい実施形態は、送信波と受信波の空間位相差を測定するものである。図６にこの方法を示す。測定された位相角をΦ、超音波信号の波長をλ、送信変換器（符号５２）と受信器（符号５１）の距離をｄとした場合、次の関係が成り立つ。
【００４７】
【数３】
図６からわかるように、Ａ（ｄ）＝Ａ0ｓｉｎ（Φ）である。ここで、Ａ（ｄ）は測定された信号であり、Ａ0は事前の較正(calibration)測定により決定される既知の値である。従って、Φはａｒｃｓｉｎ関数で計算することができ、距離は次式により決まる。
【００４９】
【数４】
このａｒｃｓｉｎ関数から距離を示す解が二個導かれるため、傾きの方向を決めて等式の正しい解を決定するためには、空間的に隣接する二点から少なくとも二回測定する必要がある。
【００５１】
この方法は低周波数のみに限られる。それは、被測定距離が一波長分の長さまでに限られるからである(一波長を超える距離を測定する場合は、不明確になる）。例えば、４〜２０ｍｍの距離を測定する場合は、周波数７５〜３７５ｋＨｚで測定する必要がある。
【００５２】
この方法は、精度（precision）が飛行時間法に比べてむしろ高く（どのような測定値からでも距離を推算できるためである）、低周波数を用いるため伝播信号の減衰が少ないという利点がある。しかしながら、この方法もまた、伝播経路にある組織は全て同一であるという仮定に基づいている。また、少なくとも二個の変換器を使用する必要があるため、コストが高くなると共により広いスペースが必要になる。
【００５３】
本発明の別の好ましい実施形態では、飛行時間法と空間位相差法の両方を使用する。まず前者の方法を使用して比較的離れた距離から測定を始め、距離が一波長以下になった後、位相差を測定し始める。本発明の目的のためにこの方法を用いるには、二種類の異なる周波数（例えば１５０ｋＨｚと２ＭＨｚ）を扱うことが可能な、直径の小さい（例えば１〜２ｍｍ）効率的な変換器を使用する必要がある。
【００５４】
大きくかけ離れた二種類の周波数を一個で扱う変換器の製造は複雑であるが、これは、次のように二種類の波長で音響的伝達を測定することにより克服することができる。即ち、変換器アパチャの音響信号から得られる受信信号Ｓ1は、次の式で表される。
【００５５】
【数５】
式中、インデックス１は波長１を示し、Ｒは変換器の感度（responsivity）である。Ａは、変換器アパチャにより観察される「照射された（illuminated）」アパチャの面積である。Ｉtは媒体を通過した後の音響強度であり、Ｉ0は送信変換器が発信（radiated）する強度である。ａは吸収パラメータであり、Ｚはビームが吸収媒体中を通過した距離である。第二の波長も、インデックス１を２に置き換えて同様の等式で表すことができる。距離Ｚは商Ｓ1／Ｓ2から導くことができる。
【００５７】
【数６】
この最後の式中の項（Ｉ01／Ｉ02）は未知数であるが、較正測定により補うことができる。較正測定は実際の測定を模倣したものであるが、アパチャ間の媒体の吸収は既知のもの（例えば水）である。非吸収性の媒体から得られる信号をＳ1'とＳ2'で表す
と、次のようになる。
【００５９】
【数７】
これから、次の式が導かれる。
【００６１】
【数８】
位相測定法とは異なり、送信と受信に一個の変換器のみを使用する必要がある。更に、両方法において二周波数変換器 (dual frequency transducer) を使用する必要があるが、上述の最後の方法では、周波数間の差は位相測定ほど大きくする必要はないので、変換器を容易に且つ低コストで製造することができる。
【００６３】
距離測定の場合と同様、内視鏡の位置合せを可能にするための数種類の方法を提案することができる。本発明の最も簡単な実施形態では、距離測定と位置合せを実施するために位相配列（phase array）による画像化を利用する。小さな変換器の多くは、従来技術と同様、画像化に用いる配列を含む。従来のカテーテル変換器を遠位端チップに取り付けてカートリッジを画像化するのに用いることができ、位置合せと距離測定を実施することができる。この方法は主として既存の技法に基づき容易に実施できるが、コストの問題と共に、変換器とこれに付属する電気ワイヤのサイズの問題によって、殆どの用途に対して好ましい本発明の実施形態であるとはいい難い。
【００６４】
本発明の別の好ましい実施形態では、強度の測定値を用いる。この方法を図７に示す。この方法では、遠位端チップ４１に少なくとも三個の変換器（符号５２）、カートリッジ４２に三個の変換器（符号５１）を使用する必要がある。位置合せを達成するためには、遠位端チップ上の三個の変換器全てをカートリッジ上の三個の変換器の前に位置決めする必要がある。まず、この遠位端チップをアンビルの前のどこかに置く。遠位端チップは１８０°以内の空間角をスキャンし、最大振幅が測定された角度が記憶される。記憶された角度に応じて遠位端チップを変位させ、操作を再開する。相方の送信器が０°で作動しているときに各受信器で最大振幅が測定されるまで、この手順を繰り返す。
【００６５】
カートリッジの前にある遠位端チップの位置情報を処理しこの情報に基づいて位置が合う方向に遠位端チップを変位させるために用いられる方法を開発する際に、位置合せにおいて起こる可能性のある状況として、考慮しなければならない状況が幾つかある。例えば、遠位端チップがカートリッジの上方あるいは下方にある場合は、横方向のスキャンでは何も検出されず、上下方向のスキャンで信号が検出されるであろう（実際には上下の各受信変換器から二個の信号が検出される可能性がある）。また、遠位端チップの上部変換器がカートリッジの二個の下部変換器の前に（あるいは近くに）ある場合がある。この場合、横方向のスキャンでは二個の位置が検出されるが、上下方向のスキャンでは何らかの信号が検出されることもあるし、何も検出されないこともある。
【００６６】
精度を最大とするためには、ビームを可能な限り細くする必要がある。この要求を満たす方法が二通りある。第一の実施形態は、図７に示すように、フレネルゾーン（符号４５）においてはビーム（符号４４）はある程度平行であり且つ細いということに基づくものである。このため、フレネル距離ｒ2／λ（ｒは変換器の半径、λ（＝ｖ／ｆ）は送信ビームの波長、ｆは変換器の固有共鳴振動数（natural resonance）、ｖは媒体中の音速）より短い距離に対しては、精度を最大とするためにこの方法が用いられる。
【００６７】
第二の実施形態を図８に示す。ここでは、図７と同様、変換器を符号５１、５２、遠位端チップを符号４１、ステープルカートリッジを符号４２で示す。この実施形態では、送信器として機能する変換器（例えば遠位端チップ上の変換器）の一式を集束型変換器とする。このようにすることにより、集束ビーム(符号４６)を用いることができる。精度をより高くするために、集束型変換器を受信器として使用することもできる。
【００６８】
所望の分解能を得るには、どちらの実施形態においても、至適精度が高周波数で得られる(例えば、半径１ｍｍの変換器に対しては１０ＭＨｚ以上）ことが必要である。尚、フレネルゾーンでは送信強度は不規則性(irregularities)を含むため、遠位端チップがアンビルに向かって動いても強度が大きくならずに小さくなってしまう箇所があることに注意しなければならない。上記に示される工程を設計する際には、この問題点を考慮に入れる必要がある。
【００６９】
大体において、上述の各実施形態は簡単であるという利点を有するが、スキャン手続に多くの時間がかかると共に内視鏡は遠位端チップをスキャンする能力を有する必要がある。更に、多数の変換器とこれらを接続する電気ワイヤのために、非常に狭い空間の中に大きな容積が必要となり、システムのコストも高くなる。
【００７０】
送信変換器と受信変換器を対称に配置する場合、一方の方向に１２０°回転していてもシステムの位置が合っているように見える。このようなエラーが起こり得るが、例えば、非対称に配置した変換器を使用することにより、あるいは、各送信器が互いに異なる特有のパルス系列を発生させることにより避けることができる。
【００７１】
上述の実施形態の更なる改善を、主に、必要な変換器の数を少なくすることにより行う。本発明のこの実施形態は、三角法の原理に基づくものである。基本的な構成として、送信器一個、受信器三個（あるいは送信器三個と受信器一個)を用いる。図９（ａ）に、例えばステープラカートリッジに取り付けられた三個の受信器（符号５１）を示す。どの二個の受信器間の距離Ｌ3も、製造段階で正確に決められるものであるので既知である。各二個の受信器と送信器は三角形を作るので、三個の三角形の辺の長さが等しくなったときに位置合せが達成される。辺の長さは、カートリッジとチップの距離を所望の長さとすることによって決まる。測定値が全て等しくなるまで遠位端チップを変位させる。変位方向は三個の測定値の差から決められる。三角形を非対称的に構成することも可能であり、この場合、位置整合性の検出の際、三角形の辺の長さは等しくならない。
【００７２】
内視鏡の自由度数を限定すれば、変換器の数を減らすことができる。例えば、二方向内視鏡では、送信器一個と受信器二個のみを用いればよい。二方向内視鏡の状況を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）では、変換器５１は、変換器５２から送信された信号を受信する。上述の通り、変換器５２をＬ1＝Ｌ2となるまで移動し、そこでステープラの二個の部品の位置が合うことになる。距離は、既に説明したいずれかの方法により決定される。
【００７３】
三角法を用いる各実施形態の改善を、一個の要素の変換器を複数用いるのではなく、複数の要素から構成される変換器を複数用いることにより行う。この場合、複数の三角形が作られるので、より精密な測定値が得られる。
【００７４】
三角法を用いる際に生じる別の問題としては、フレネルゾーンのビームが非常に細い場合があるために一個の送信変換器で二個の隣接する受信変換器に照射することができないことが挙げられる。その逆の場合もある。この問題を克服するために、発散変換器を用いるあるいはアパチャを送信変換器の前に設けてビームを発散させる。これにより、送信器から発信された信号を確実に受信器に到達させる。発散ビームを使用すると、信号が弱くなり、位置合せ精度が低くなる。
【００７５】
本発明の別の好ましい実施形態では、三角法測定において特別な変換器配列を用いることにより、これまで述べた実施形態の問題点の一部を克服する。次の説明は簡略化のため二方向内視鏡について行うが、別の三角形構成（triangulation construction）を追加することにより容易に四方向内視鏡にも適用できる。図１０に三角形構成の概略を示す。この構成は、二個の変換器５２、一個の受信器５１を含み、変換器間の距離はｌ（エル）である。両変換器を、二本の送信ビームがカートリッジからの垂直距離ｄで交差するように一定の取り付け角度でステープラカートリッジに取り付ける。遠位端チップは空間をスキャンし、強度測定に基づき任意の一ビームに到達する。次に、遠位端チップはざっとスキャンしながらこのビームに追従し、二個の送信器から受信する振幅が等しくなる点に到達する。送信器は一定の時間間隔で逐次的に送信する。交差点がフレネルゾーンに入ることを確実なものとするために、この方法で使用するビームは細いビームに限られる、即ち、この方法は数ＭＨｚの範囲で実施する。フレネルゾーンで実施する代わりに、所望の焦点距離を有する集束型変換器を用いることもできる。
【００７６】
フレネルゾーンを超えるとあるいは焦点距離を超えるとビームは発散するが、このことを利用すると、ほぼ位置整合性が取れている場合のビーム断面よりも大きなビーム断面を呈するような距離から、ビームの一つをまず特定することができる。図１１に変換器５２から発信されたビーム４４の様子の概略を示す。フレネルゾーン４５の中ではビームは基本的には平行であるが、フレネルゾーンを超えるとビームは発散する。
【００７７】
次に、上述のステープラを含む内視鏡において三角形構成を作る場合の寸法の具体例を示す。
・アンビルを含む遠位端チップとステープラカートリッジの距離ｄ＝４ｍｍ
・送信変換器間の距離ｌ（エル）＝１０ｍｍ
・変換器の半径ａ＝１ｍｍ
・フレネル距離（＝ａ2／λ、但しｄ＞＞ａの場合）がｄ以上でなければならないという要件からλ＝０．２５ｍｍ、即ち周波数Ｆ＝６．１６ＭＨｚが導かれる。３ｄＢでは、１／２ビーム角 (half beam angle) θは、ｓｉｎθ＝０．５１・λ／２ａからθ＝３．６５°と求められる。この角度は変換器面の垂線に対するものであるので、全体では７．３２°となる。
【００７８】
ここで、フレネルゾーンの中では送信ビームの強度はベッセル関数で表されるため均一ではないことに再度言及しなければならない。フレネルゾーンにおける測定に基づく本発明の実施形態を用いる場合、このことを考慮しなければならない。
【００７９】
上述のように、別の実施形態では、４ｍｍの焦点距離を有する集束型変換器を用いる。この場合、より高い周波数での測定を実施することができる。
【００８０】
この実施形態の主な利点は、特定の構造から距離を演繹して得ることができるため、距離測定をする必要がないことである。
【００８１】
本発明の更に別の実施形態は、精密な三角形構成を作る煩雑さをなくし機械的なスキャンを省略するもので、位相配列を用いる。この実施形態では、一個の変換器を遠位端チップ上に、複数の変換器をカートリッジ上に設ける（あるいはその逆とする）。遠位端チップの変換器は複数の要素からなる配列で構成される（カートリッジ上の各変換器は一個の要素で構成されていてもよいし複数の要素からなる配列であってもよい）。この配列は電気的手段により操作され得るビームを生ずる。ビームが変換器の内の一個により受信されるまで、被操作ビームは空間をスキャンする。被操作ビームの角度が、遠位端チップの変位方向を示す。測定された角度が両方の変換器で等しくなった時に位置合せが達成される（あるいは異なる角度で予め製造された場合はその角度になった時に達成される）。この実施形態では、距離は、飛行時間又は三角法による計算により測定できる。別の方法では、図１０を参照して既に説明した、三角形構成と類似の方法を用いる。この場合、変換器をカートリッジ面に一定の角度で取り付ける必要はない。これは、配列から発信される操作可能なビームがこの特徴に代わるものであるからである。
【００８２】
強度測定による位置合せ方法の一例を図１２に示す。これは、前述の第一の位置合せ方法をかなり簡略化したものである。この実施形態では二個の変換器を用いる。遠位端チップ１２上の変換器５２は送信器である。受信変換器５１を、移動可能なステープルカートリッジ１６の下方のカートリッジホルダ３１に取り付ける。カートリッジを高さ方向に貫通するチャネル５５を設け、これにより信号を受信器に導く。チャネルの直径は、小さく（０．５〜１ｍｍ程度）する。このような構成であれば、遠位端チップがカートリッジの前の正しい位置に正確に置かれたときにのみ、位置が整合していることが検出される。
【００８３】
本発明の好ましい実施形態は、超音波信号の送信と受信の両方を行なう一個の変換器と一個あるいは複数の反射器を含むシステムに基づいている。反射器は、物体間の相対的な位置と向きに変換され得るパターンを反射して戻す特別な構造となっている。変換器は遠位端チップ上あるいはステープルカートリッジ上に設けられる（あるいはその逆でもよい）。通常、反射器をカートリッジに設けるのが好ましい。これは、カートリッジの割出しを妨げる、変換器との電気ワイヤ接続をなくすことができるからである。次に、このモデルから派生した各種形状の例を各種示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００８４】
これらの実施形態の基本的な形状（寸法例を含む）を図１３に示す。平行な二面の反射面（符号６１）が、平面６２により距離Ｌ1で隔てられている。面６２は反射面と角度β（９０°以内）で交差している。このステップ構造（全体を符号６３で示す）に対し、送信変換器６４からビームを照射する。送信ビームが両方の面に当たると、反射信号は二個の連続したエコーを含む。第一のエコーは前側の面によるものであり、第二のエコーは後側の面によるものである。この概略を図１４に示す。
【００８５】
図１５は、図１３に示したタイプの一段反射器を用いて実施した実験の結果を示すオシロスコープ画面の写真の複製である。画面左の大きいパルスは送信パルスであり、小さい２つのパルスは反射器からのエコーである。この例では、反射器は、近位の反射面が発信変換器から４．３ｍｍとなるように配置されており、ステップの深さＬ1＝３ｍｍである。測定されたパルス間隔は４．０８μｓｅｃであるので、ステップの深さは、次のようになる。
【００８６】
【数９】
測定値と実際の深さとの一致の度合は、測定システムの性能により決まる。一致の度合を改善する方法を、ソフトウェアと電気モジュールの説明と共に次に述べる。
【００８８】
変換器の位置が反射器と整合したとき、面間の測定距離はＬ1でなけらばならず、測定パルスはステップの深さに関連付けられる量的関係を有さなければならない。この関係は、軟組織中を伝播する超音波のよく知られた減衰の関係で評価することができる（Ｇ．Ｓ．キノ（G. S. Kino）「音響波：デバイス、画像化及びアナログ信号処理（Acoustic waves: devices, imaging and analog signal processing）」ニュージャージー：プレンティス−ホール社（Prentice-Hall Inc.）１９８７年）。
【００８９】
【数１０】
式中、Ａrearは後側の面からのエコーの大きさを、Ａfrontは前側の面からのエコーの大きさを示す。信号の大きさに影響を与える他の要因は、ステップ断面積及び遠位端チップと反射器面との空間角である。例として、図１５に関連して説明した、変換器（固有振動数１０ＭＨｚ（１００ｎｓｅｃパルス））からの信号を二種類のエコーで反射する反射器を考える。Ａrear／Ａfrontの関係から約４．８ｄＢ、即ちＡrear＝０．７０７Ａfrontとなる。図１５を参照すると、前側のエコーの大きさは後側のエコーより小さいので、位置が合っていないことを示している。また、例えば、遠位端チップに設けた変換器からの経路が、最初に前側の反射面を、その後に後側の反射面を照射することを要求する場合は、当然のことながら、位置合せを達成するためには遠位端チップを後方へ動かさなければならない。
【００９１】
位置合せを実施するのに使用される検出手続は、次の基準に基づいている。
１．エコーが所定の時間差で受信されると共に所定の量的関係（所定の合理的な許容誤差内で）を有するとき、位置合せが達成されている。
２．次のいずれかの場合は、反射器と変換器の位置は合っていない。
・信号が受信されない
・一方のエコーのみが受信される
・量的関係が満たされていない
・連続するエコー間の時間が所定の値と異なる（即ち、目的の距離が測定されていない）。
次に、この手続についてより詳細に説明する。
【００９２】
本発明の好ましい実施形態において、反射器は二段以上のステップの構造をとる。図１６、図１８及び図２０に、使用できる各種二段（３エコー）構造の内の幾つかを示す。これらの図において、反射器全体を符号６３、変換器を６４で示す。Ｌ1とＬ2は二段の各高さであり、この通常の寸法を図に示す。これらの場合において、反射信号は三個のエコーを含み、エコー同士の時間差及び量的関係は各々Ｌ1とＬ2に相当する所定のものである。図１６、図１８及び図２０に対応する反射信号を概略的にそれぞれ図１７、図１９及び図２１に示す。
【００９３】
Ｌ1とＬ2を異なる値とすると、位置合せを完了するのに役に立つ。例えば、三個のエコーの内の二個のみが受信された場合、どちらの組のステップに変換器からのビームが当たっているかをエコー間の距離から判断することができる。この情報を用いて、反射器に対する遠位端チップの相対位置を決め、より位置が合うように操作する。
【００９４】
図２０に、内側に二種類の孔を設けた円筒形の二段反射器を示す。一方の孔の直径は２ｍｍであり、この２ｍｍ孔の中心に１ｍｍ径の孔が開いている。ほぼ位置があっているが正確には合っていない場合、この構造では三種類の連続エコーが反射される。即ち、第一は反射器の前面から、第二は２ｍｍ孔の底面の内の外周側の面から、第三は１ｍｍ孔の底面からのものである。二個のエコーが得られるのは、両部品の位置が正確にあっているとき、あるいは１ｍｍ孔の底面に送信ビームが照射されないような位置に変位している場合である。二個のエコーのみが測定された場合にこれらを区別するため、反射器を異なるステップ深さで構成する。
【００９５】
図２２は、図２０に示したタイプの二段円筒形反射器を用いて実施した実験の結果を示すオシロスコープ画面の写真の複製である。左の信号は送信パルスであり、右の三個のエコーは三種類の各面からの信号である。各面間の深さはＬ1＝Ｌ2＝１ｍｍである。反射器は、反射器から４．７ｍｍの位置にある。各連続するエコー間の時間は１．３μｓｅｃと測定されたので、深さは次の通り計算される。
【００９６】
【数１１】
本発明の一部を形成する別の手続においては、変位アルゴリズムを用いる。このアルゴリズムを用いることができるのは、二（以上）段（孔）反射器のみである。即ち、少なくとも三個のエコーを必要とする。この実施形態において、反射器は、深さの異なるステップを有するように製作する。変換器から発せられたビームスポットが一部のステップにしか当たらない場合、エコーも一部しか受信されない。次に、図３０のステップ構造を参照して例を説明するが、この例はアルゴリズムの基本を示すものである。図３０に、ステップの深さの異なる（Ｌ1≠Ｌ2）二段反射器６３を示す。送信／受信変換器を符号６４で示す。
【００９８】
位置が整合していることを検出するためには、三個のエコーを受信する必要がある。図３０では、変換器は、位置整合の位置から左に置かれている。従って、二個のエコーのみが受信される。変位アルゴリズムによりエコー間隔が示す距離がＬ1と計算されるので、アルゴリズムは操作者に対し、三個のエコーが受信されるまで変換器を右に変位させることを示唆する。
【００９９】
更に、図３１（ａ）〜（ｃ）、図３２（ａ）〜（ｃ）に位置合せ手順の原則を示す。図３１（ａ）〜（ｃ）では、本発明の二エコー（一段）反射器６３に、変換器６４から照射する。
【０１００】
図３１（ｂ）にシステムの位置が合っているときの変換器及び反射器の相対位置を示す。これに対応する受信信号を図３２（ｂ）に概略的に示すが、ここでは、二面の反射面からのエコー間に一定の関係が存在する。図３１（ａ）では変換器の位置が「オーバーシュート」しており、図３２（ａ）に示すように、二個のエコーの比が所望の比となっていない。即ち、遠い面からのエコーが近い面からのエコーよりかなり大きくなっている。図３１（ｃ）及び図３２（ｃ）には、変換器の位置が「アンダーシュート」している場合（situation）を示す。これらの要素同士の位置が正しく合うように操作する（steer）ためにこの情報を操作者がどのように用いるかは、熟練技術者にとっては明白であろう。上述の手続は、位置合せ手順の自動化方法の開発の基本となっている。
【０１０１】
図２３に、ステープラ（例えばＰＣＴ／ＩＬ０１／００７１９に記載されているステープラ）に適用する本発明の好ましい実施形態の概略を示す。ステープラカートリッジの全体を１６で示す。符号７１は五個のステープルからなる三個の配列のそれぞれを示す。また、符号７２は二段反射器を示し、これはカートリッジ表面に、各ステープル配列に隣接して創出されている。例として、反射器の一個に寸法の典型例を付して示す。この実施形態において、変換器を内視鏡の遠位端チップの、例えば図４の２３又は２６に設ける。他にも、反射器をカートリッジと一体化した各種構造が考えられる。例えば、本発明の別の好ましい実施形態では、カートリッジの面から突出した一組のステップとして創出する。本発明の方法を四方向内視鏡に実施する際は、回転作用を含めるために、二方向内視鏡とは幾らか異なったものとなる。四方向内視鏡に用いる本発明の好ましい一実施形態では、反射器をカートリッジに設け、変換器を遠位端チップに設ける。遠位端チップが反射器に対して相対的に回転した場合、（変換器が遠位端チップの中心に配置されていない限り）送信ビームは反射器のステップに当たらず、反射ビームも検出されない。
【０１０２】
四方向内視鏡に用いる本発明の好ましい別の実施形態では、二個の反射器をカートリッジに設ける。この実施形態において、反射器は互いに垂直に設けられる。二個の反射器のステップの深さは異なっている。従って、どちらの反射器に送信ビームが照射されているかを判断することができる。この情報をアルゴリズムに組み込み、回転を修正してステープラの両部品の位置を適切に合わせる。
【０１０３】
本発明の上述の各種実施形態に用いられる反射要素の設計において、幾つかの因子を考慮しなければならない。考慮すべき事項としては次のものが挙げられる。
１．所定の時間差で所定の量的関係を有するエコーが周囲の領域から反射されてくる可能性は非常に小さい。この可能性は、三個以上のエコーを用いることによって大幅に小さくすることができるので、三個のエコーを発生させる構造は本発明の好ましい実施形態となる。
【０１０４】
２．振幅の大きなエコーを受信するために、可能な限り幅の広いステップを用いることが最良である。二エコー（一段）反射器では、ステップの幅の制限はない。しかしながら、三エコー以上の反射器では、全ステップ幅がビーム幅を超えないことが非常に重要である。これは、位置合せを達成したときに確実に全ての面からの反射を得るためである。一方、ステップ幅を狭くしすぎると、反射する量が極めて小さくなってしまう。
【０１０５】
３．ステップの高さ（即ち反射面間の距離）は測定システムの分解能よりも大きくしなければならない。即ち、エコー継続時間×組織中の音速（例えば１５００ｍ／ｓ）÷２より大きくなるようにステップ深さを設計するのが最良である。これよりも小さなステップ深さで実施することも可能であるが、この場合、反射エコーは部分的に重複し、ノイズに対する信号の比が小さくなってしまう。
【０１０６】
４．反射面の周囲を吸収材料で囲むことができる場合があり、この場合、反射器のコントラストを大きくすることができる。
【０１０７】
５．多段反射器を用いる際に生じる不正確さの原因として、空隙が挙げられる。この空隙は、組織と全ての反射面が密着していない場合に創出され得る。この問題の解決策としては、医療用超音波ジェルでこの空隙を埋めることが挙げられる。従来のジェルは、内視鏡挿入時に追い出される（displaced）ことが多い。従って、組織と音響的に適合する剛性材料又はフレキシブルな材料でステップを埋めることが好ましい。この場合、空隙は創出されないので測定時のエラーも起こらない。このための適切な材料としては、例えば、産業用シリコンや当業者によく知られている市販の生体適合性シリコン製品（ジーイー・シリコンＲＴＶ１０８（GE silicon RTV 108）等）が挙げられる。シリコーン層が用いられる場合、金属製カートリッジケースと同様にシリコン表面でも起こる。従って、シリコンを塗布して異なる厚さの二層とした場合、一種のステップ状反射器が創出され、これによる反射エコーのパターンも、カートリッジに対する遠位端チップの相対的位置決めに使用できる。
【０１０８】
６．多くの様々な特性を有する変換器を本発明の上述の各種実施形態に用いることができる。本発明の好ましい実施形態で使用する変換器の例としては、送信と受信の両方が可能な単一要素の指向性変換器が挙げられる。この変換器の直径は１ｍｍ、長さは２ｍｍである。接続ケーブルの直径は１ｍｍ未満である。このデバイスの中心周波数は１１ＭＨｚ、バンド幅（−６ｄＢ）は６０％°である。この変換器は組織と直接接触させて使用し、適合層は必要ない。この変換器は、米国ペンシルバニア州ステートカレッジのブラテック社（Blatek Inc.）によって本出願人にカスタムメードされたものである。
【０１０９】
次に、本発明の距離及び位置合せ測定を実施するのに使用される超音波回路について説明する。この回路は、Ａモード（送信と受信の両方を一個の変換器で行う）でもＣモード（二個の変換器を用い、一方を送信用、他方を受信用とする）でも使用でき、画像化部分を有さない。簡略化のため、次の説明はＡモードについて行うが、Ｃモードも原則は同じであり、同じ電子部品、電子回路を使用する。
【０１１０】
本発明をより分かりやすく説明するために、同時係属中の上述の国際特許出願ＰＣＴ／ＩＬ０１／００２３８及びＰＣＴ／ＩＬ０１／００７１９のステープラ含有内視鏡を用いて実施したＧＥＲＤ外科的手続に実施例を適用させて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【０１１１】
図２４は、超音波回路のブロックダイアグラムである。このダイアグラムは、相互に連結された三個のユニットから構成されている。即ち、送信器（全体を８１で示す）、受信器８２、デジタル化信号処理（ＤＳＰ）距離及び位置合せユニット８３である。符号８４は、タイミング回路及び制御回路と入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェースを示す。タイミング回路は、一個のパルス又はバーストパルスを作成する。パルスの周波数は例えば１１ＭＨｚ、パルス繰返し速度（周波数）（ＰＲＦ）は１００Ｈｚである。これらのパルスはパワー増幅器８５により増幅され、送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ８６を経由して変換器又は変換器配列６４（例えば、超音波信号の送信と受信の両方ができる変換器（図７の５２と同じ。ここでは変換器は送信のみを行う））に送られる。変換器は電気信号を超音波信号に変換する。内視鏡に変換器を組み込むためには、変換器の寸法は非常に小さいものでなければならない。本発明の好ましい実施形態では、これらの寸法は直径が１ｍｍ、長さが２ｍｍであり、変換器を電気回路に接続するケーブルは直径が１ｍｍ未満の同軸ワイヤである。変換器ローブは指向性であり、これはフレネルゾーンで使用するので基本的に平行である。発信された音波は胃８８の境界を貫通し、脂肪組織８９を通り抜け、最終的に食道９０に入る。食道内において、音波は非常に良好な反射器６３（あるいは図７の５１と同じ受信変換器）に当たる。反射器はステープルカートリッジに設けられているか、あるいはステープルカートリッジの一部となっている。（Ｃモードでは、反射器の代わりに変換器を用いる。）反射信号は同じ経路を戻り、変換器がそれを受信し、超音波信号を電気信号に変換する。この電気信号はＴ／Ｒスイッチ８６を経由して増幅器９２に送られる。増幅器では、変換器から戻ってきた信号が増幅される。増幅された信号は次にＡ／Ｄデバイス（９３にある。９３はＤＳＰ機能を実施するシステムの要素も示す）に入り、デジタル信号処理を実施するためにデジタル化される。
【０１１２】
ＤＳＰモジュールの機能は主に二種ある。
１．遠位端チップとアンビルの距離を測定する。
２．遠位端チップとアンビルの位置合せを確認する。
【０１１３】
デジタル化は、よく知られているナイキスト (Nyquist) 基準を満足するものでなければならないが、信号の幅が狭いため、サンプリング下で使用することができ、従って計算負荷を減らすと共に幾つかの電気回路を省略することができる。
【０１１４】
次に、図２４の超音波システムの三個の主なユニットについてより詳細に説明する。送信器ユニットの概略を図２５に示す。データビットジェネレータ及びゲート９４は一個のパルス又はデータビットのバーストパルスを作成することができる。また、ミキサ９９に導入されるキャリア周波数Ｆｃ（矩形波又は正弦波であり、その振動速度（oscillation rate）は例えば１０．７ＭＨｚである）の変調のタイプを決めることもできる。一個のパルスが送信される場合、パルスの長さは変換器の仕様により決まり（この例では１００ｎｓｅｃ）、パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）は１００Ｈｚである。バーストパルス、ランダムシーケンスパルス又は変調ランダムバーストパルスを送信することにより、測定の信頼性を高めると共に、非常にノイズの多い環境下で非常に弱い信号であっても使用することができる。混合(変調)信号は、信号を濾波し増幅するパワー増幅器８５に送られる。その後、変換器６４に送られ、電気エネルギーが超音波エネルギーに変換される。
【０１１５】
受信器ユニットの概略を図２６に示す。全ての組織を通過した超音波は変換器６４に受信され、超音波エネルギーは電気エネルギーに変換される。信号は増幅器９２により増幅され、一個又は複数のバンド・パス・フィルタ９５により不要の周波数が取り除かれる。その後、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）ユニット９６（例えば、分解能８ビット、サンプリング速度１００ＭＨｚ）で信号をデジタル化する。サンプル速度がコンピュータのデータ移動速度に比べて非常に速いので、データがパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）のメインメモリ９８に送られるまでデータを保存する高速先入れ先出し（ＦＩＦＯ）ユニット９７を使用する必要がある。
【０１１６】
デジタル化モジュールは、サンプル速度５０〜１００ＭＨｚのＡ／Ｄユニットを含むＰＣカードとする。送信が初期化されると同時にＡ／Ｄユニットはサンプリングを開始し、データは約２０μｓ間（この時間は約３ｃｍの距離に相当する）ＦＩＦＯユニットに収集される。その後、データは、コンピュータメインメモリの中のバッファに送られる。
【０１１７】
距離計算を実施する好ましい方法では、次の相関アルゴリズムを使用する。バッファ内にあるサンプリングされたデータは、コンピュータメモリ内に記憶されている所定の信号パターンとクロス相関させられる。
【０１１８】
基準信号は、二通りの方法で創出することができる。第一の方法は、反射エコーのパターンを発生させる関数を合成又は書き込むことができるということに基づいている。このような基準信号を作成する関数の例としては次のものが挙げられる。
【０１１９】
【数１２】
式中、τは変換器仕様から決められるダンピングファクタ、ωdは変換器仕様から決められる減衰固有振動数（dumped natural frequency）、θは位相補正である。必要であれば、ウィリアムＷ．セト（William W. Seto）「音響学、シャウム概要シリーズ（Acoustics, Schaum's Outline Series）」、マグローヒル社（McGraw-Hill Inc.）、米国、１９７１年を参照のこと。図２７（ａ）は、上の式を用いて計算した所定の信号の例を示すコンピュータ画面の複製である。
【０１２１】
第二の方法では、実際のエコーをサンプリングしコンピュータメモリに記憶して基準信号として使用する。第二の方法が好ましい。それは、変換器の特性を含む送信及び受信システム全ての特性をそのまま含んでいるからである。従って、例えば変換器（又はシステムの他の要素）を、特性が若干異なる別のものに置き換えた場合、簡単な較正測定を行なう（例えば水中等で）だけで、予想した通りの基準信号をコンピュータに記憶することができる。図２７（ｂ）は、予め測定した基準信号の例を示すコンピュータ画面の複製である。クロス相関の結果は次の式から得られる。
【０１２２】
【数１３】
式中、ｒref,sig（ι）はクロス相関の結果、ｒｅｆ（ｎ−ι）は基準信号、ｓｉｇｎａｌ（ｎ）は受信信号を示し、Ｎ＝長さ（ｓｉｇｎａｌ）−長さ（ｒｅｆ)である。
【０１２４】
クロス相関バッファ（ｒref,sig（ι））における最大値を含む要素のインデックスは、基準信号と受信信号が最もよくマッチしている箇所に相当する。エコーの到着時間はＴarrival＝（Ｂｕｆｆｅｒ＿ｉｎｄｅｘ＊１／Ｔｓ）／２の式で計算される。Ｂｕｆｆｅｒ＿ｉｎｄｅｘは最大のクロス相関が得られるバッファのインデックスであり、Ｔｓはサンプリング頻度である。
【０１２５】
従って、測定の正確さはサンプリング頻度によって決まる。即ち、時間測定の誤差は±１／Ｔｓである。例えば、サンプル速度が１００ＭＨｚの場合は次のようになる。
【０１２６】
【数１４】
即ち、距離の正確さ（accuracy）は、±１５μｍである。
【０１２８】
図２８（ａ）は、典型的なバッファにおける、反射器からの受信エコー(上のカーブ)と予め測定して得た図２７（ｂ）の基準カーブとの相関の結果(下のカーブ)を示すコンピュータ画面の複製である。図２８（ｂ）は、図２８（ａ）の一部を拡大した図であり、受信信号と相関の結果をより詳細に示している。相関は、受信信号の当に受信開始時に最大となっている。
【０１２９】
位置合せアルゴリズムでは、位置合せ検出の一基準として距離測定アルゴリズムを用いる。次の例は、一段（二エコー）反射器についてのものであるが、三以上のエコーの反射器に対しても容易に拡大的に適用できる。バッファー内にある受信信号を基準信号と相関させる。次に、アルゴリズムは相関が最大となる二箇所の位置をサーチする。この二個の最大間の距離はステップの深さに等しくなければならない。この基準が合わない場合、変換器と反射器の位置は合っていないことになる。
【０１３０】
最大間の距離が正しい場合、次に二個のエコーのエネルギーを比較し、先に述べた減衰及び断面積の関係を満たすか、予め行った較正測定から得られている既知の関係を満たすかについて検討する。これらの関係を満足しない場合、正しく位置合せされていないことになる。
【０１３１】
図２９は、位置合せアルゴリズムのフローチャートである。位置合せが正しくされていると考えられるのは、測定されるエコー間の距離がステップの深さに相当し且つ所定の量的関係を満たす場合であり、それ以外は正しく位置合せされていない。
【０１３２】
計算にかかる時間を削減するために、見つける対象を、相関の最大ではなく、受信バッファ内の最大とすることができる。しかしながら、この場合、振幅の大きなランダムノイズが発生すると、エラーが発生する。従って、本発明の好ましい実施形態においては、計算は、エネルギー（強度の積分に等しい）の相関ピークを用いて行い、受信バッファの最大は用いない。
【０１３３】
本発明の実施形態を図示により説明したが、本発明の精神から逸脱することなく、また請求項の範囲を越えることなく、多くの変更、変形、適合化を行って本発明を実施できることが理解されよう。本発明の実施形態の多くは内視鏡に組み込まれるステープラに関して述べたものであるが、次のような他の器具、即ち、同じデバイスに設けられるか別のデバイスに設けられ、器具が所望の仕事を成すためには器具同士を一緒に所定の位置に導かなければならず、デバイスはこれらの器具をその位置に移動するために用いられる器具、の場合にも本発明を容易に適用できることは、当業者にとってはとりわけ明白であろう。また、本発明の実施形態の多くは特別な医療手続に関連して説明したが、本発明は医療や産業における幅広い用途に用いることができることも同様に明白であろう。
【０１３４】
参考文献
［１］Ｄ．Ａ．クリステンセン（D. A. Christensen）「超音波による生体計測（Ultrasonic Bioinstrumentation）」、１３１頁
［２］Ｇ．Ｓ．キノ（G. S. Kino）「音響波：デバイス、画像化及びアナログ信号処理（Acoustic Waves: Devices, Imaging and Analog Signal Processing）」ニュージャージー：プレンティス−ホール社（Prentice-Hall Inc.）、１９８７年、１７５、２２０〜２２５頁
［３］ジョンＧ．プロキス（John G. Proakis）、デミトリスＧ．マノラキス（Dimitris G. Manolakis）「デジタル信号処理の原理、アルゴリズム、応用（Digital Signal Processing Principles, Algorithms, and Application）」第三版、プレンティス−ホール・インターナショナル社（Prentice-Hall International Inc.）、ニュージャージー、１９６６年、３０、１３０〜１３１頁
［４］ウィリアムＷ．セト（William W. Seto）「音響学、シャウム概要シリーズ（Acoustics, Schaum's Outline Series）」マグローヒル社（McGraw-Hill. Inc.）、米国、１９７１年、１３〜１４頁
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】従来の内視鏡の概略を示す。
【図２】本発明の好ましい実施形態に係る、外科的ステープラを有する内視鏡の遠位関節部と固定部の概略を示す。
【図３】図２の内視鏡の最大曲げ角度での関節運動の概略を示す。
【図４】ステープラ組立体のアンビルモジュールを所定位置に取付けた、図２の内視鏡の遠位端チップを示す。
【図５】図２の内視鏡のシャフトにあるステープルカートリッジホルダの側面の概略を示す。
【図６】測定距離の空間位相差の概略を示す。
【図７】強度による方法に基づく位置合せ方法の概略を示す。
【図８】強度による方法に基づく別の位置合せ方法の概略を示す。
【図９】位置合せの三角法の概略を示す。
【図１０】位置合せ方法に使用するための三角形構成の概略を示す。
【図１１】超音波ビームの形状の概略を示す。
【図１２】ウェーブガイド位置決め方法の概略を示す。
【図１３】一段反射器の概略を示す。
【図１４】図１３の反射器から反射された信号の概略を示す。
【図１５】図１３に示すタイプの反射器からの反射を示すオシロスコープ画面の複製である。
【図１６】二段反射器の概略を示す。
【図１７】図１６の反射器から反射された信号の概略を示す。
【図１８】別の二段反射器の概略を示す。
【図１９】図１８の反射器から反射された信号の概略を示す。
【図２０】円筒形反射器の概略を示す。
【図２１】図２０の反射器から反射された信号の概略を示す。
【図２２】図２０に示すタイプの反射器からの反射を示すオシロスコープ画面の写真の複製である。
【図２３】ステープルカートリッジに設けた二段反射器の概略を示す。
【図２４】超音波システムのブロックダイアグラムである。
【図２５】超音波システムの送信器部分の概略を示す。
【図２６】超音波システムの受信器部分の概略を示す。
【図２７】所定の基準信号を示すコンピュータ画面の写真の複製である。
【図２８】図２８（ａ）は、測定された受信信号及びこの受信信号と図２７（ｂ）の基準信号を相関させた結果を示すコンピュータ画面の写真の複製である。図２８（ｂ）は、図２８（ａ）の一部の拡大図である。
【図２９】位置合せアルゴリズムのフローチャートである。
【図３０】二段反射器の概略を示す。
【図３１】位置合せ手続の概略を示す。
【図３２】位置合せ手続の概略を示す。
【符号の説明】
【０１３６】
５１ 変換器（受信器）
５２ 変換器（送信器）
６３ 反射器
６４ 変換器
Claims (74)
- 二物体の相対位置を測定する方法であって、超音波信号の送信器として機能する一以上の変換器又は変換器配列、及び前記超音波信号の受信器として機能する一以上の変換器又は変換器配列を使用して前記物体間の距離を測定する段階と、この結果によって位置合せの程度を決定する段階とを含む方法。
- 請求項１に記載の方法であって、超音波信号の受信器として機能する変換器又は変換器配列の少なくとも一個が反射器に置き換えられ、前記超音波信号の送信器として機能する変換器又は変換器配列の少なくとも一個が信号の受信器としても機能する方法。
- 請求項２に記載の方法であって、超音波信号の送信と一個の反射器から戻ってくるエコーの受信を一個の変換器で行い、前記信号の飛行時間を測定することにより前記送信器と前記反射器の距離を決定する方法。
- 請求項１に記載の方法であって、一個の変換器で超音波信号の送信を行うと共に第二の変換器で前記信号の受信を行い、前記信号の飛行時間を測定することにより前記送信器と前記反射器の距離を決定する方法。
- 請求項３又は４に記載の方法であって、超音波信号の送信開始と同時にクロックを起動し受信信号が所定の閾値を超えたときに前記クロックを停止することにより、飛行時間から距離を決定する方法。
- 請求項３又は４に記載の方法であって、超音波信号を送信し、受信信号をサンプリングし、記憶されている基準信号とクロス相関を行うことにより、飛行時間から距離を決定する方法。
- 送信された超音波信号がランダムシーケンスパルスで構成される、請求項６に記載の方法。
- 送信されたランダムシーケンスパルスがデジタル変調により変調される、請求項７に記載の方法。
- デジタル変調がＰＳＫ法により実施される、請求項８に記載の方法。
- 送信波と受信波の空間位相差を測定することにより送信器と受信器の距離を測定する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項１０に記載の方法であって、二個の異なる波長の超音波信号を送信することが可能な変換器を用い、距離が比較的大きいときは飛行時間を測定し、送信器と受信器の距離が一波長未満のときは送信波と受信波の空間位相差を測定することにより、送信器と受信器の距離を決定する方法。
- 請求項１又は２に記載の方法であって、少なくとも二個の異なる波長の超音波信号を送信することが可能な変換器を用い、各周波数の受信信号の強度の比を測定することにより、送信器と受信器の距離及び／又は送信器と反射器の距離を決定する方法。
- 請求項１に記載の方法であって、少なくとも三個の超音波送信変換器を所定の幾何学的配置で一方の物体に設けるか又は該物体の近くに設け、少なくとも三個の超音波受信変換器を同じ所定の幾何学的配置で第二の物体に設けるか又は該物体の近くに設け、個々の受信信号の強度が全て最大となった物体同士の位置が合う方法。
- 送信超音波ビームのフレネルゾーンの中で位置合せ手続が実施される、請求項１３に記載の方法。
- 送信変換器が、集束超音波ビームを作成する集束型変換器である、請求項１３に記載の方法。
- 請求項１３に記載の方法であって、各送信変換器は固有のシーケンスのデータビットを送信し、前記固有信号の各々がそのペアの受信変換器により受信されると共に全ての信号強度が所定の値と等しいときに物体同士の位置が合う方法。
- 二個の物体間の相対的な距離及び位置合せが三角形技法（triangulation techniques）により決定される、請求項１又は２に記載の方法。
- 請求項１７に記載の方法であって、一方の物体に設けられた又は該物体の近くに設けられた一個の超音波送信器及び第二の物体に設けられた又は該物体の近くに設けられた三個の超音波受信器を用い、前記送信器と受信器の内の各二個で形成される三角形の辺の長さを測定し、前記三角形の辺の長さが所定の関係となるまで送信器を移動することにより、三次元空間内で二個の物体同士の相対的な位置合せを達成する方法。
- 請求項１７に記載の方法であって、一方の物体に設けられた又は該物体の近くに設けられた一個の超音波送信器及び第二の物体に設けられた又は該物体の近くに設けられた二個の超音波受信器を用い、前記送信器と受信器の内の各二個で形成される三角形の辺の長さを測定し、前記三角形の辺の長さが所定の関係となるまで送信器を移動することにより、二次元空間内で二個の物体同士の相対的な位置合せを達成する方法。
- 超音波送信器及び二個又は三個の超音波受信器の代わりに二個又は三個の送信器及び一個の受信器を用いる、請求項１８又は１９に記載の方法。
- 超音波変換器が一個の要素からなる変換器である、請求項１７、１８、１９及び２０のいずれか一項に記載の方法。
- 超音波変換器が複数の要素からなる配列で構成される、請求項１７、１８、１９及び２０のいずれか一項に記載の方法。
- 超音波送信変換器の前にアパチャを置いて、又は発散変換器を用いて、送信超音波ビームを発散させる、請求項１７、１８、１９及び２０のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項１又は２に記載の方法であって、二以上の超音波送信器又は送信器／受信器を一方の物体に設けるか又は該物体の近くに設け、前記送信器は両方の送信ビームが前記第一の物体の前の一点で交差するように所定の固定角度で設けられ、一個の超音波受信器又は超音波反射器が第二の物体に設けられる又は該物体の近くに設けられ、第二の物体を前記受信器又は反射器が前記交差点の位置になるまで強度測定から得られる情報に応じて変位し、これにより前記物体同士の適切な相対的位置決めを達成する方法。
- 送信ビームの交差点が超音波変換器のフレネルゾーンの位置にある、請求項２４に記載の方法。
- 超音波変換器が集束し、送信ビームの交差点が前記変換器からの焦点の位置にある、請求項２４に記載の方法。
- 請求項１又は２に記載の方法であって、二以上の超音波受信器又は超音波反射器を一方の物体に設けるか又は該物体の近くに設け、一個の超音波送信器又は送信器／受信器を第二の物体に設けるか又は該物体の近くに設け、前記送信器又は送信器／受信器はビームを作成する配列で構成され、ビームは前記受信器に対する角度が所定の値と等しくなるまで角度の測定により得られる情報に応じて前記電気的手段により操作されることができ、これにより前記物体同士の適切な相対的位置決めを達成する方法。
- 請求項２に記載の方法であって、一個の超音波変換器を超音波信号の送信と受信の両方をするのに用い、この変換器を一方の物体に設けるか又は該物体の近くに設け、少なくとも一個の反射器を第二の物体に設けるか又は該物体の近くに設け、前記反射器は、前記物体同士の相対的な位置と向きに置き換えることができるパターンを反射するのに適している方法。
- 請求項２８に記載の方法であって、反射デバイスを含み、該デバイスは二以上の平行反射平面からなり、該二以上の平行反射平面は一以上の面と９０°以下の角度で交差して一以上のステップ形状を形成する方法。
- 請求項２８に記載の方法であって、反射器が二以上の平行反射平面を含み、該二以上の反射平面は直角の面により離間されて一以上のステップ形状を形成し、該形状は、直径が異なる同軸孔を穿孔することにより創出された円柱対称性を有するものである方法。
- 二以上のステップを有する反射器の一部又は全てのステップの深さが異なる、請求項２９又は３０に記載の方法。
- 二個の反射器が互いに直角に設けられる、請求項２８に記載の方法。
- 二以上のステップを有する反射器の場合、ステップの全幅が、反射器に当たる超音波ビームのビーム幅を超えないものである、請求項２９又は３０に記載の方法。
- 反射面間の距離 （ステップ高さ）が「エコー継続時間×媒体中の音速÷２」以上である、請求項２９又は３０に記載の方法。
- 反射面が超音波エネルギー吸収材料により囲まれている、請求項２に記載の方法。
- 請求項２９に記載の方法であって、位置決めしようとする二個の物体を人体内又は動物の体内に置き、少なくとも一層の組織により離間し、前記組織と反射面の間に生じる空隙を医療用超音波ジェルで充填する方法。
- 請求項２９に記載の方法であって、位置決めしようとする二個の物体を人体内又は動物の体内に置き、少なくとも一層の組織により離間し、前記組織と反射面の間に生じる空隙を前記組織と音響係数が一致している剛性又はフレキシブルな材料で充填する方法。
- 前記請求項のいずれかに記載の方法であって、距離を次の各段階、
・一連の短い電気パルス群の繰り返し乃至バースト電気パルスを生成する段階と、
・前記パルスを増幅する段階と、
・前記増幅された電気パルスを変換器に印加して、電気エネルギーを超音波エネルギーに変換する段階と、
・前記超音波エネルギーを比較的細いビーム形状で媒体中を伝播させて、他の変換器、又はビームが発射された変換器に向けてビームの向きを変える反射器に到達させる段階と、
・超音波エネルギーを電気信号に変換する変換器により前記超音波エネルギーを受信する段階と、
・前記電気信号を増幅し濾波する段階と、
・前記信号をデジタル化する段階と、
・サンプリングしたデータを、先入れ先出し（ＦＩＦＯ）バッファ内又は高速メモリ内の独立したバッファに一時的に保存する段階と、
・データを、ＦＩＦＯ又は高速メモリからメインコンピュータメモリに移す段階と、
・各バッファ内のデータを、コンピュータメモリ内に記憶された所定の基準信号パターンと相関させる段階と、
・前記基準信号と相関させて最大値となる前記バッファのインデックスから、超音波信号の飛行時間を決定する段階と、
・前記飛行時間から距離を決定する段階と
により測定する方法。 - 所定の基準信号が、適切に選択された数学的関数から作成される、請求項３８に記載の方法。
- 実際の受信超音波信号を測定してコンピュータメモリに記憶し、これを所定の基準信号とする、請求項３８に記載の方法。
- 前記請求項のいずれか一項に記載の方法であって、二部分同士の相対的な位置が合っているかの決定を、次の各段階、
・一個の変換器を超音波ビームの送信器／受信器として用いると共に、戻りビーム中に少なくとも二種類の別個の信号を提供する少なくとも一段のステップを有する反射器を用いる段階と、
・コンピュータメインメモリ内に記憶された信号を、コンピュータメモリ内の所定の基準信号と相関させる段階と、
・前記相関の最大に対応するバッファからステップの深さを決定する段階と、
ここで、前記相関には少なくとも二個の局所最大が存在しなければならないと共にそれらの差は既知のステップ深さに対応するものでなければならず、
・測定されたステップ深さが既知のステップ深さと一致しない場合、変換器を反射器に対して動かし、再び相関をとる段階と、
・測定されたステップ深さが既知の前記ステップ深さと一致した場合、相関の結果を用いて前記バッファ内の前記信号間のエネルギー関係を決定する段階と
により行う方法。 - バッファ内の強度最大を用いて位置合せを決定する、請求項４１に記載の方法。
- エコーの積分比を用いて位置合せを決定する、請求項４１に記載の方法。
- 前記請求項のいずれか一項に記載の方法であって、物体間の相対的な変位の測定と変更を次の各段階ａ）〜ｇ）、
（ａ）一個の変換器を超音波ビーム送信器／受信器として用いると共に、戻ってきたビームに少なくとも三個の個別エコーを提供する、深さの異なる少なくとも二段の反射器を用いる段階と、
（ｂ)予想する数より少ないエコーしか戻らない場合に両物体が位置合せされていないと判断する段階と、
（ｃ)戻ってきたエコーからステップの深さを決定する段階と、
（ｄ)反射器の深さの測定値と既知の値を比較し、反射器の、超音波ビームが当たっている部分を決定する段階と、
（ｅ）ステップ深さに合致する二個のエコーのエネルギー比が一定の関係になっているかをチェックする段階と、
（ｆ）段階（ｄ）と（ｅ）で得た情報を用いて、反射器に対して送信器を動かす段階と、
（ｇ）送信器が反射器の直ぐ前に位置決めされるまで、段階（ｂ）〜（ｆ）を繰り返す段階と
により行う方法。 - 前記物体間の相対的な位置と向きに置き換えることができるパターンを反射するのに適した超音波反射器。
- 請求項４５に記載の超音波エネルギー反射器であって、二以上の平行反射平面を含み、該二以上の平行反射平面は一以上の面と９０°以下の角度で交差して一以上のステップ形状を形成する反射器。
- 請求項４５に記載の超音波エネルギー反射器であって、二以上の平行反射平面を含み、該二以上の反射平面は直角の面により離間されて一以上のステップ形状を形成し、該形状は、直径が異なる同軸孔を穿孔することにより創出された円柱対称性を有するものである反射器。
- ステップ反射器のステップの一部又は全部の深さ及び／又は長さ及び／又は断面が異なる、請求項４６又は４７に記載の超音波エネルギー反射器。
- 内視鏡デバイスであって、前記内視鏡の長さ方向に異なる二箇所に設けられた二個の物体間の距離及び／又は相対的な位置が合っているかを測定するためのシステムを含み、該システムは、一方の物体に設けられた又は一方の物体の近くに設けられた、超音波信号の送信器として機能する一以上の変換器又は変換器配列、及び前記他方の物体に設けられた又は前記他方の物体の近くに設けられた、超音波信号の受信器として機能する変換器又は変換器配列を含むデバイス。
- 請求項４９に記載の内視鏡デバイスであって、超音波信号の受信器として機能する変換器又は変換器配列のうちの少なくとも一個を反射器とし、前記超音波信号の送信器として機能する変換器又は変換器配列のうちの少なくとも一個を前記信号の受信器としても機能させるデバイス。
- 請求項５０に記載の内視鏡デバイスであって、超音波信号の送信と受信の両方に使用される一個の超音波変換器を物体の内の一個に設けるか又はその近くに設けると共に、少なくとも一個の反射器を第二の物体に設けるか又はその近くに設け、前記反射器は、前記物体間の相対的な位置と向きに置き換えることができるパターンを反射するのに適しているデバイス。
- 請求項５１に記載の内視鏡デバイスであって、反射デバイスを含み、該デバイスは二以上の平行反射平面からなり、該二以上の平行反射平面は一以上の面と９０°以下の角度で交差して一以上のステップ形状を形成するデバイス。
- 請求項５１に記載の内視鏡デバイスであって、反射デバイスを含み、該デバイスは二以上の平行反射平面からなり、該二以上の反射平面は直角の面により離間されて一以上のステップ形状を形成し、該形状は、直径が異なる同軸孔を穿孔することにより創出された円柱対称性を有するものであるデバイス。
- 請求項５２又は５３に記載の内視鏡デバイスであって、ステップ反射器のステップの一部又は全部の深さが異なるデバイス。
- 請求項５１に記載の内視鏡デバイスであって、二個の反射器が互いに直角を成して設けられるデバイス。
- 請求項４９に記載の内視鏡デバイスであって、一個の変換器で超音波信号の送信を行うと共に第二の変換器で前記信号の受信を行い、前記信号の飛行時間を測定することにより前記送信器と前記反射器の距離を決定するデバイス。
- 請求項４９に記載の内視鏡デバイスであって、少なくとも三個の超音波送信変換器を所定の幾何学的配置で一方の物体に設けるか又は該物体の近くに設け、少なくとも三個の超音波受信変換器を同じ所定の幾何学的配置で第二の物体に設けるか又は該物体の近くに設け、個々の受信信号の強度が全て最大となった物体同士の位置が合うデバイス。
- 送信変換器が、集束超音波ビームを作成する集束型変換器である、請求項５７に記載の内視鏡デバイス。
- 各送信変換器は固有のシーケンスのデータビットを送信し、前記固有信号の各々がそのペアの受信変換器により受信されると共に全ての信号強度が所定の値と等しいときに物体同士の位置が合う、請求項５７に記載の内視鏡デバイス。
- 二個の物体間の相対的な位置合せが三角形技法により決定される、請求項４９又は５０に記載の内視鏡デバイス。
- 超音波変換器が一個の要素からなる変換器である、請求項４９に記載の内視鏡デバイス。
- 超音波変換器が複数の要素からなる配列で構成される、請求項４９に記載の内視鏡デバイス。
- 超音波送信変換器の前にアパチャを置いて、又は発散変換器を用いて、送信超音波ビームを発散させる、請求項４９に記載の内視鏡デバイス。
- 請求項４９又は５０に記載の内視鏡デバイスであって、二以上の超音波送信器又は送信器／受信器を一方の物体に設けるか又は該物体の近くに設け、前記送信器は両方の送信ビームが前記第一の物体の前の一点で交差するように所定の固定角度で設けられ、一個の超音波受信器又は超音波反射器が第二の物体に設けられる又は該物体の近くに設けられ、第二の物体を前記受信器又は反射器が前記交差点の位置になるまで強度測定から得られる情報に応じて変位し、これにより前記物体同士の適切な相対的位置決めを達成するデバイス。
- 請求項４９又は５０に記載の内視鏡デバイスであって、二以上の超音波受信器又は超音波反射器を一方の物体に設けるか又は該物体の近くに設け、一個の超音波送信器又は送信器／受信器を第二の物体に設けるか又は該物体の近くに設け、前記送信器又は送信器／受信器はビームを作成する配列で構成され、ビームは前記受信器に対する角度が所定の値と等しくなるまで角度の測定により得られる情報に応じて前記電気的手段により操作されることができ、これにより前記物体同士の適切な相対的位置決めを達成するデバイス。
- 二以上のステップを有する反射器の場合、ステップの全幅が、反射器に当たる超音波ビームのビーム幅を超えないものである、請求項５２又は５３に記載の内視鏡デバイス。
- 反射面間の距離 （ステップ高さ）が「エコー継続時間×媒体中の音速÷２」以上である、請求項５２又は５３に記載の内視鏡デバイス。
- 反射面が超音波エネルギー吸収材料により囲まれている、請求項５０に記載の内視鏡デバイス。
- 位置決めしようとする二個の物体を人体内又は動物の体内に置き、少なくとも一層の組織により離間し、前記組織と反射面の間に生じる空隙を医療用超音波ジェルで充填する、請求項５２又は５３に記載の内視鏡デバイス。
- 位置決めしようとする二個の物体を人体内又は動物の体内に置き、少なくとも一層の組織により離間し、前記組織と反射面の間に生じる空隙を前記組織と音響係数が一致している剛性又はフレキシブルな材料で充填する、請求項５２又は５３に記載の内視鏡デバイス。
- ステープラシステムのアンビルユニットが位置合せされる物体の内の一方であり、ステープラカートリッジを含むステープラ展開ユニットが他方の物体である、前記請求項のいずれか一項に記載の内視鏡デバイス。
- 一以上の超音波反射器が、前記カートリッジの表面の上若しくは表面内にカートリッジの一部として作られた、請求項７１に記載のステープラカートリッジ。
- 送信器からの超音波信号を前記信号の受信器にガイドするための、高さ方向に貫通して作られた一以上のチャネルを含む、請求項７１に記載のステープラカートリッジ。
- 送信のみを行う変換器、受信のみを行う変換器又は送信と受信を行う変換器を前記ステープラアンビルユニット又は前記カートリッジユニットに設ける、請求項７１に記載のステープラアンビルユニット又はステープラカートリッジ。
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