JP2005253800A - 手術用処置具及び内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 再帰反射マーカを用いて手術用処置具の位置の確認を可能としつつ、再帰反射マーカからの反射光が術部の観察を妨げることのない手術用処置具及び内視鏡装置を提供すること。
【解決手段】 内視鏡装置１は、光源装置ＬＳ、硬性鏡１０、この硬性鏡１０と一体に接続された像分離装置２０、像分離装置２０に接続された第１カメラＣ１、第２カメラＣ２、制御装置３０、そして第１モニタＭ１、第２モニタＭ２を備える。通常の観察時には赤外カットフィルタを第１カメラ前の光路中に配置し、赤外光のみを反射させる再帰反射マーカが貼付された手術用処置具を検出する時には、赤外透過フィルタ２４２を第１カメラ前の光路中に配置させる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、手術用処置具を体腔内に挿入し、内視鏡装置により患部を観察しながら治療を行う際に好適な手術用処置具、および内視鏡装置に関する。

この種の手術用処置具及び内視鏡装置は、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の図２に示される処置具６は、先端の処置部１２に再帰反射マーカ１９ａ、１９ｂを備えている。術者は、この処置具６の先端を特許文献１の図１に示すように体腔内に挿入し、スコープ(内視鏡)７を通してＴＶカメラ２５により撮影された画像をＴＶモニタ２６で観察しつつ、処置具６を操作して治療を行う。

再帰反射マーカ１９ａ、１９ｂは、青色光を反射させるため、テレビ画面では青く発光して見える。また、画像データは、所定の画像処理回路に入力され、青色発光部分が画面上のいずれの位置にあるかを判断し、これが画面の中心に位置するようスコープ７の姿勢を制御する三次元マニピュレータを制御する。なお、三次元マニピュレータの制御は、術者が所定の押しボタンを押した場合のみ有効となる。これにより、術者は、所望のタイミングで観察範囲を処置具６の先端を中心にした領域に再設定することができる。
特開平１０−１１８０７６号公報（段落００２２〜００２６、図１、図２）

しかしながら、上述した特許文献１に記載された内視鏡装置では、再帰反射マーカ１９ａ、１９ｂの像が常に観察画面上に表示され、これが術部の観察を妨げるという問題がある。すなわち、再帰反射マーカは反射率が高い上、指向性が高いため、光量が過大となりやすい。例えば、再帰反射マーカからの反射光の光量が、対象物である術部からの反射光の光量の１００倍〜２００倍程度の明るさとなる。このように観察画面の一部に過度に明るい部分が存在すると、他の部分の観察の妨げとなり、特に、マーカの周囲の領域では術部の画像が観察困難となる。

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、再帰反射マーカを用いて手術用処置具の位置の確認を可能としつつ、再帰反射マーカからの反射光が術部の観察を妨げることのない手術用処置具及び内視鏡装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる手術用処置具は、上記の目的を達成させるため、先端に体腔内の組織に対して所定の措置を行うための処置部を備え、基端に処置部を操作するための操作部を備え、処置部に可視域外の特定波長域の光のみを入射方向に向けて反射させる再帰反射マーカを設けたことを特徴とする。

一方、本発明にかかる内視鏡装置は、体腔内に挿入される挿入部の先端から可視域及び可視域外の特定波長域を含む光を対象物に照射する照明光学系と、挿入部の先端に配置された対物レンズを含み、照明光学系により照明された対象物の像を形成する結像光学系と、結像光学系により形成された対象物の像を撮影する撮像素子と、先端の処置部に可視域外の特定波長域の光のみを入射方向に向けて反射させる再帰反射マーカを設けた手術用処置具を検出する時には、撮像素子に入射する光を特定波長域のみに限定し、通常観察時には撮像素子に入射する光を可視域のみに限定する透過波長切替装置と、撮像素子から出力される信号に基づいて画像を表示する表示装置とを備えることを特徴とする。

上記の手術用処置具と内視鏡装置とを組み合わせて使用することにより、手術用処置具の検出時には、手術用処置具の再帰反射マーカにより高い反射率で反射された特定波長の光のみが画像として表示され、通常観察時には、再帰反射マーカからの反射光はカットされ、可視光のみにより形成された対象物の画像が表示される。特定波長域としては、赤外光を用いることができる。

なお、対象物を観察する場合、比較的広い範囲を観察する広角視野と、術部を拡大して観察するための拡大視野とを提供することが望ましい。この場合には、内視鏡装置は、内視鏡の結像光学系により形成される像を撮像する第１撮像素子と、結像光学系により形成される像の一部を撮像する第２撮像素子と、第１撮像素子から出力される信号に基づいて広域画像を表示する第１表示装置と、第２撮像素子から出力される信号に基づいて拡大画像を表示する第２表示装置とを備える。また、第１の撮像素子の手前には、手術用処置具を検出する時には第１撮像素子に入射する光を特定波長域のみに限定し、通常観察時には撮像素子に入射する光を可視域のみに限定する透過波長切替装置を設けると共に、第２撮像素子の手前には、第２撮像素子に入射する光を可視域のみに限定する波長選択手段が設けられる。

上記の内視鏡装置を前述の手術用処置具と組み合わせて使用すれば、第１表示装置には、手術用処置具の検出時には手術用処置具の再帰反射マーカにより反射された特定波長の光のみが画像として表示され、通常観察時には可視光のみにより形成された対象物の広角画像が表示され、第２表示装置には、いずれの観察時にも対象物の拡大画像が表示される。

また、検出された再帰反射マーカの位置に基づいて表示エリアを変化させるには、手術用処置具検出時に撮影された画像データに基づき、表示装置への表示エリアをシフトさせる画像シフト手段をさらに備える必要がある。

また、再帰反射マーカの位置は、反射された赤外光の重心位置を求めることにより検出することが可能である。なお、画像シフト手段としては、結像光学系から第２撮像素子までの光路中に配置されて光路をシフトさせる光路シフト手段を用いることができる。光路シフト手段としては、第２型ポロプリズムやペシャンプリズム等を用いることができる。

請求項１の手術用処置具によれば、可視域外の特定波長域の光のみを反射させる再帰反射マーカが設けられているため、内視鏡装置側で可視域と特定波長域とを分離して観察することにより、可視域光により形成される対象物の画像に影響を与えることなく、手術用処置具の画像内での位置を明確に確認することができる。

請求項２の内視鏡装置によれば、可視域外の特定波長域の光のみを反射させる再帰反射マーカが設けられた手術用処置具と組み合わせて使用することにより、手術用処置具の検出時には、再帰反射マーカからの反射光を画像として表示することができ、手術用処置具の画像内での位置を明確に確認することができる。また、通常観察時には、再帰反射マーカからの反射光をカットすることにより、この反射光に影響されることなく、対象物の画像を良好な状態で表示することができる。

請求項３の内視鏡装置によれば、第１の表示装置では、手術用処置具の検出時には再帰反射マーカからの反射光のみを表示することでき、通常観察時には可視光のみにより形成された対象物の広角画像を再帰反射マーカからの反射光の影響を受けずに良好な状態で表示することができる。また、第２の表示装置では、常時対象物の画像を良好な状態で表示することができる。

請求項４の内視鏡装置によれば、手術用処置具の検出時に撮影された再帰反射マーカからの反射光の画像内での位置に基づき、表示エリアを変化させることにより、例えば、再帰反射マーカからの反射光が画像の中心に位置するように制御することができ、手術用処置具の位置に表示エリアを追従させることができる。

請求項５の内視鏡装置によれば、赤外反射光の重心位置を求めることにより、再帰反射マーカの画像内での位置を正確に特定することができる。

請求項６の内視鏡装置によれば、内視鏡装置全体を移動させることなく、内部の光路シフト手段を操作するのみで拡大画像の表示範囲を再帰反射マーカの位置、すなわち手術用処置具の先端位置に追従させることができる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態である手術用処置具と内視鏡装置とを備えた手術支援システムを説明する。

第１の実施の形態

図１は、第１の実施形態の手術支援システムを使用した腹腔内の手術時の様子を示す概略図である。なお、以下に説明する手術支援システムは、術者が被験者の体内の臓器などに外科的手術を施す際に用いられるシステムである。

腹腔内の手術時には、図１に示されるように、患者の腹膜Ｐの異なる場所に２つのトラカールＴが差し込まれ、一方のトラカールＴには内視鏡装置１の挿入部である硬性鏡１０が挿入され、他方のトラカールＴには手術用処置具４０の先端が挿入されている。

内視鏡装置１は、光源装置ＬＳ、硬性鏡１０、この硬性鏡１０と一体に接続された像分離装置２０、像分離装置２０に接続された第１カメラ(第１撮像素子)Ｃ１、第２カメラ(第２撮像素子)Ｃ２、制御装置３０、そして第１モニター(第１表示装置)Ｍ１、第２モニター(第２表示装置)Ｍ２を備えている。内視鏡装置１を構成する各部の内、モニターＭ１，Ｍ２と光源装置ＬＳとを除く部分は、手術室内の床面あるいは壁面(図示せず)から延びる自在アームＡの先端に取り付けられており、その姿勢を自由に設定することができる。

光源装置ＬＳからライトガイドＬＧにより導かれた照明光は、硬性鏡１０を通して腹腔内を照明する。硬性鏡１０内に配置された結像光学系は、腹腔内の像を形成し、像分離装置２０に伝達する。像分離装置２０は、伝達された像を分離し、像全体を第１カメラＣ１により撮影し、像の一部を第２カメラＣ２により撮影する。第１カメラＣ１により撮影された広角画像は第１モニターＭ１に表示され、第２カメラＣ１により撮影された拡大画像は第２モニターＭ２に表示される。

第１、第２カメラＣ１，Ｃ２は、一般的な動画撮影用のカラー用エリアイメージセンサを利用した撮像デバイスである。ここでは、原色系の色フィルターが各画素の前に設けられており、像がＲ，Ｇ，Ｂの原色系の成分に分解されてカラー信号として出力されるものとする。これら第１及び第２カメラＣ１，Ｃ２は、撮像面に入射する光束を電気信号へ光電変換することにより画像データを生成し、その画像データを出力する。また、第１、第２モニタＭ１，Ｍ２は、入力された画像データに基づいて画像を表示する表示装置であり、具体的には、ブラウン管ディスプレイや液晶ディスプレイである。

なお、光源装置ＬＳは、可視域及び可視域外の特定波長域、この例では赤外域を含む光を発生する。したがって、体腔内の対象物は、可視光と赤外光とを含む光により照明される。

手術用処置具４０は、術者が手元で操作する操作部４１と、患者の体内に挿入される挿入部４２とを備え、この挿入部４２の先端に把持鉗子４３を備えている。操作部４１は、はさみの持ち手のように互いに交差する一対の取っ手を有し、操作者が指を挿入して開閉する。挿入部４２は、細管とこの細管に通された軸を備えている。軸の基端は、操作部の一方の取っ手に接続され、取っ手を開閉することにより、細管内で軸が進退する。

把持鉗子４３は、一対の片から成るクリップとして構成され、閉じた状態では挿入部４２とほぼ同径の円柱状となる。一方の片は、挿入部４２と一体に固定され、他方の片が挿入部４２に挿通された軸の先端に連結されている。これにより、術者が操作部４１の取っ手を開閉すると、把持鉗子４３が開閉する。

また、手術用処置具４０は、挿入部４２の先端側、把持鉗子４３に隣接する部分に、可視域外の特定波長域、この例では赤外光のみを入射方向に反射させる再帰反射マーカ５０を備えている。

再帰反射マーカ５０は、例えば図２に示すように、所定の厚みを有するシート状のベース５１と、多数の球状のビーズ５２と、赤外光のみを反射し、他の波長の光を反射又は吸収する反射材５３とを備えている。反射材５３は、ベース５１の一方の面にコーティングされており、多数のビーズ５２は、その反射材５３がコーティングされた面に半分だけ埋め込まれることによって、ベース５１に保持されている。ベース５１の他方の面は、粘着層が形成されており、これにより手術用処置具４０の挿入部４２に貼付される。なお、ビーズ５２は、反射材５３がコーティングされた面を埋め尽くすように、敷き詰められている。また、ビーズ５２自体は、透過率の高いガラス又は樹脂によって製造されている。

そして、再帰反射マーカ５０のビーズ５２に照明光が入射すると、照明光は、ビーズ５２表面において屈折されつつビーズ５２の内部へ進入する。そして、照明光の内、赤外光はビーズ５２と反射材５３との境界面において反射された後、再びビーズ５２表面において屈折されつつビーズ５２の外側へ射出する。赤外以外の可視光は、赤外光はビーズ５２と反射材５３との境界面を透過し、吸収される。

このとき、図２の矢印によって示されるように、ビーズ５２内を通過することによって反射された赤外光は、ビーズ５２に入射する前の進行方向とは逆の方向に向けて進行するように射出する。このため、通常の物体の表面では、一点に入射した光があらゆる方向へ散乱する(図３参照)のに対し、再帰反射マーカ５０の表面では、一点に入射した光の殆どが、散乱することなく元の位置へ戻るように反射する(図４参照)。

次に、内視鏡装置１の構成を詳細に説明する。図５に示すように、硬性鏡１０は、径の異なる２つの金属製パイプを重ねて構成される細管１０ａを備え、小径のパイプ内に対物レンズ１２ａ、複数のリレーレンズ１２ｂ，１２ｂ，…を配置し、２つのパイプに挟まれた円筒状の空間に、光ファイバ束１１を通して構成されている。なお、対物レンズ１２ａと複数のリレーレンズ１２ｂとは、結像光学系１２を構成している。光ファイバ束１１を構成する各光ファイバの先端は、互いの先端面が同一面内に含まれる状態で、上記細管１０ａの先端部に固定されている。一方、各光ファイバの基端は、細管１０ａの基端近傍において１本に束ねられ、細管１０ａの側面における基端近傍に形成された口金１０ｂ内に固定されている。この口金１０ｂにライトガイドＬＧのコネクタが接続されると、ライトガイドＬＧの端面が、硬性鏡１０の光ファイバ束１１の端面に密接する。この状態で光源装置ＬＳから照明光を発すると、照明光はライトガイドＬＧから光ファイバ束１１を通して硬性鏡１０の先端に達し、ここから対象物を照明する。これらの光源装置ＬＳ、ライトガイドＬＧ、及び光ファイバ束１１により照明光学系が構成されている。

対物レンズ１２ａは、画角が１２０°以上である広い範囲の視野の像を形成可能なレトロフォーカス型のレンズであり、細管１０ａの先端部に配置されることによって、その細管１０ａの先端前方の像を広角像として形成する。なお、対物レンズ１２ａの最も物体側のレンズは、細管１０ａの先端開口を封止している。

複数のリレーレンズ１２ｂは、何れも同一形状であり、細管１０ａ内に等間隔で配置されている。各リレーレンズ１２ｂは、対物レンズ１２ａが形成した像を順次再結像させることにより細管１０ａの基端側へリレーする。

硬性鏡１０に接続された像分離装置２０には、硬性鏡１０からの光を分離すると共に分離された一方の光を反射させて像を反転させる第２型ポロプリズム２１、第２型ポロプリズム２１を透過した物体光を再結像させる第１再結像レンズ２２、第２型ポロプリズム２１により反射された物体光を再結像させる第２再結像レンズ２３、第１再結像レンズ２２と第１カメラＣ１との間に配置された波長切替装置２４、そして第２再結像レンズ２３と第２カメラＣ２との間に配置された波長選択手段である赤外カットフィルタ２５とが設けられている。

具体的には、この第２型ポロプリズム２１は、図６に示されるように、互いに直角に接した一対の反射面(第２反射面２１ｂ，第３反射面２１ｃ)及び縦横比が１：２である貼合せ面２１１ａを有する第１直角プリズム２１１と、貼合せ面２１１ａの片側半分に対して貼り付けられているとともにこの貼合せ面２１１ａの一方の長辺に接して４５度傾いた反射面(第４反射面２１ｄ)を有する第２直角プリズム２１２と、貼合せ面２１１ａの残り半分に対して貼り付けられているとともにこの貼合せ面２１１ａの他方の長辺に接して４５度傾いた部分反射面(第１反射面２１ａ)が内部に形成されているビームスプリッタ２１３とから構成されている。なお、ビームスプリッタ２１３における貼合せ面２１１ａの上記一方の長辺に接している側面が、この第２型ポロプリズム２１の入射端面２１ｅであり、この入射端面２１ｅと反対側にある側面が、この第２型ポロプリズム２１の一方の射出端面(広角側射出端面２１ｆ)であり、第２直角プリズム２１２における入出射端面２１１ａの上記他方の長辺に接している側面が、この第２型ポロプリズム２１の他方の射出端面(拡大側射出端面２１ｇ)である。

上記第２型ポロプリズム２１を構成するビームスプリッタ２１３は、２つの同形状の直角プリズムの斜面同士を貼り合わせるとともに、第１反射面２１ａとしての貼合面に誘電体多層膜からなる部分反射コーティングを施すことによって、形成されている。この第２型ポロプリズム２１は、硬性鏡１０の光軸Axがその入射端面２１ｅを垂直に貫く位置に配置されている。従って、第１反射面２１ａは、結像光学系１２の光軸Axに対して４５度傾いている。この第１反射面２１ａにより物体光を分離する。第１反射面２１ａの前側の直角プリズムと後側の直角プリズムとの屈折率は同一である。

その結果、第２型ポロプリズム２１の入射端面２１ｅを介して第２型プロプリズム２１内に入射した物体光は、この第１反射面２１ａに形成された部分反射コーティングによって定まる任意の割合で、その一部が第１反射面２１ａを透過するとともに、その残りが第１反射面２１ａによって反射される。

そして、第１反射面２１ａを透過した物体光は、そのまま、広角側射出端面２８ｆから外部に射出し、第１再結像レンズ２２により第１カメラＣ１の撮像面上に物体の広角像を形成する。他方、第２型ポロプリズム２１の第１反射面２１ａで反射された物体光は、第２反射面２１ｂ，第３反射面２１ｃ、第４反射面２１ｄにより順に反射され、拡大側射出端面２１ｇから外部に射出し、第１再結像レンズ２２より高倍率の第２再結像レンズ２３により第２カメラＣ２の撮像面上に物体の拡大像を形成する。第１，第２モニタＭ１，Ｍ２には、それぞれ第１，第２カメラＣ１，Ｃ２から出力される映像信号により、対象物の広角画像、拡大画像がそれぞれ表示される。

第２型ポロプリズム２１は、図中のＸ−Ｙ方向(硬性鏡１０の光軸Ａｘに対して垂直な方向)に移動可能なＸＹステージ２６上に載置されており、リニアモータ、あるいはモータとラック、ピニオン機構等から構成される移動機構２７により、その位置を変位させることが可能である。この移動機構２７は、ＸＹステージ２６の変位量を検出するためのエンコーダ等の検出器を備えている。

第２型ポロプリズム２１を移動させると、第１カメラＣ１に入射する透過光の光路を変化させずに、第２カメラＣ２に入射する反射光の光路を平行にシフトさせることができる。例えば、第２型ポロプリズム２１を硬性鏡１０の光軸Axに対してＸ方向における正の方(図３では左方)へ距離ｗだけ移動させると、第２カメラＣ２に入射する反射光の光路がＸ方向における正の方に距離２ｗだけ移動する。従って、第２型ポロプリズム２１を任意の方向に所定量移動させることにより、第２カメラＣ２により撮影される像の範囲を変化させることができる。これらの第２型ポロプリズム２１、ＸＹステージ２６、移動機構２７は、第２カメラＣ２が撮影する像の範囲をシフトさせる画像シフト手段の機能を有している。なお、この例では、移動機構２７は制御装置３０により制御され、後述の追従制御に利用される。

透過波長切替装置２４は、図７に示すように、ほぼ正方形の２種類のフィルタ２４１，２４２を接続して構成されるフィルタ板２４ａと、このフィルタ板２４ａを光軸に直交する方向にスライドさせていずれか一方のフィルタを第１再結像レンズ２２と第１カメラＣ１との間の光路中に位置させる切替機構２４ｂとから構成されている。

フィルタ板２４ａを構成する一方のフィルタ２４１は、赤外光をカットする赤外カットフィルタであり、他方のフィルタ２４２は、可視光をカットする赤外透過(可視光カット)フィルタである。図７中の破線で示す円は、第１カメラＣ１により撮影される光の範囲を示す。図７(Ａ)に示すように、光路中にフィルタ２４１が配置されると、第１カメラＣ１には可視光のみが達し、図７(Ｂ)に示すように、光路中にフィルタ２４２が配置されると、第１カメラＣ１には赤外光のみが達する。切替機構２４ｂは、通常の観察時には赤外カットフィルタ２４１が光路中に配置されるようフィルタ板２４ａを駆動する。そして、後述する追従制御の際に視野シフトスイッチが押された場合(手術用処置具を検出する時)にのみ、赤外透過フィルタ２４２を光路中に配置させる。なお、第２再結像レンズ２３と第２カメラＣ２との間には、赤外カットフィルタ２５が固定して配置されているため、第２カメラＣ２には可視光のみが達する。

続いて、内視鏡装置１を構成する制御装置３０の構成につき、図８を参照して説明する。制御装置３０は、ＣＰＵ３０ａ，ＲＡＭ３０ｂ，第１インターフェース回路３０ｃ，第２インターフェース装置３０ｄ，及び、ＲＯＭ３０ｅを備えており、各ハードウエア３０ａ〜３０ｅは、バスＢを介して互いに接続されている。

ＣＰＵ３０ａは、他のハードウエア３０ｂ〜３０ｅを統合的に制御する中央処理装置である。ＲＡＭ３０ｂは、ＣＰＵ３０ａが各種プログラムを実行するに際しての作業領域が展開される主記憶装置であり、ＸＹステージ２６の位置情報、及び第１カメラＣ１により撮影された第１画像データが逐次更新されつつ記録されている。

第１インターフェース回路３０ｃは、第１カメラＣ１からの画像データや移動機構２７の位置情報を受け取ると共に、ＣＰＵ３０ａから移動機構２７、透過波長切替装置２４への指令、及び第１モニタＭ１に対して画像データを送出する中継装置である。第２インターフェース回路３０ｄは、第２カメラＣ２からの画像データの受信し、受信した画像データをそのまま第２モニタＭ２へ出力する中継装置である。

ＲＯＭ３０ｅは、各種データや各種プログラムが格納される読み出し専用の記憶装置である。このＲＯＭ３０ｅに格納されるプログラムには、カウントプログラムと追従制御プログラムとが含まれている。カウントプログラムは、ＸＹステージ２６の変位量を示す情報が第１インターフェース回路３０ｃにおいて受信されるたびに、受信した情報に基づいてＲＡＭ３０ｂ内に記憶しているＸＹステージ２６の位置情報を更新する。従って、ＲＡＭ３０ｂ内には、ＸＹステージ２６の最新の位置情報が記録される。

また、追従制御プログラムは、術者が図示せぬ視野シフトスイッチを押した際に、再帰反射マーカ５０が第２モニタＭ２に表示される拡大画像の中心に位置するよう第２型ポロプリズム２１の位置を変更するプログラムである。

ここで、追従制御プログラムの内容を図９に示すフローチャートに基づいて説明する。電源が投入されると、ＣＰＵ３０ａは術者が視野シフトスイッチを押しているか否かを判断する(Ｓ０１)。押していない場合には、ＣＰＵ３０ａは透過波長切替装置２４の切替機構２４ｂに対し、赤外カットフィルタ２４１を光路中に位置させるよう指令を出す(Ｓ０２)。押している場合には、以下のＳ０３〜Ｓ０８の処理ループを繰り返し実行する。

処理ループにおいて、ＣＰＵ３０ａは、透過波長切替装置２４の切替機構２４ｂに対し、赤外透過フィルタ２４２を光路中に位置させるよう指令を出す(Ｓ０３)。続いて、ＣＰＵ３０ａは、第１カメラＣ１により撮影された広角画像データを１フレーム分取り込み(Ｓ０４)、その広角画像データの全画素の位置を特定するために定義されている平面座標系の各座標の中から、最大輝度値を持つ画素の座標を全て抽出する(Ｓ０５)。

続いて、ＣＰＵ３０ａは、抽出した各座標に基づいて重心座標を算出する(Ｓ０６)。そして、ＣＰＵ３０ａは、その重心座標に対応するＸＹステージ２６のそれぞれの位置を示す位置情報を目的位置情報として算出し(Ｓ０７)、ＸＹステージ２６の目的位置情報とＲＡＭ３０ｃ内の現在位置情報との差分だけＸＹステージ２６を移動させるための信号を移動機構２７のアクチュエータへ出力するように、第１のインターフェース回路３０ｃに指示する(Ｓ０８)。

このような追従制御処理が、制御装置３０において実行されることにより、第２モニタＭ２に表示される拡大画像が、第１モニタＭ１に表示される広角像の中の最大輝度を持つ点を中心とする一部領域となるように、第２型ポロプリズム２１がＸＹ面内で平行移動される。視野シフトスイッチを押している間は追従制御が続行され、視野シフトスイッチが離されると、通常の可視光による表示がなされる。

例えば、内視鏡装置１に入射する光束の分光特性が図１０に示すような特性を持つと仮定する。赤外光の強度が高く、可視光についてはＲＧＢについてほぼ一様の強度を持つ。第１カメラＣ１の分光感度は、図１１に示すとおりである。赤外と赤色とを含めたＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分についてほぼ一様の感度を有する。

透過波長切替装置２４のフィルタ板２４ａのうち、赤外透過フィルタ２４２の分光透過率は図１２に示す通りであり、赤外カットフィルタ２４１の分光透過率は図１３に示す通りである。

上記の前提で第１カメラＣ１の受光強度を見ると、赤外透過フィルタ２４２が設定されている場合には、図１４に示すように赤外光のみが受光される。赤外光は対象物である体腔壁からも反射されるが、手術用処置具４０の挿入部４２に取り付けられた再帰反射マーカ５０からは極めて強い強度で反射される。一方、赤外カットフィルタ２４１が設定されている場合には、図１５に示すように、赤外成分は到達せず、可視光のみが受光される。これを第１カメラＣ１から出力される輝度値として見ると、赤外透過フィルタ２４２が設定されている場合には、図１６に示すようにＲ成分のみが出力され、赤外カットフィルタ２４１が設定されている場合には、図１７に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂの各成分がほぼ均一な強度で出力される。

各モニタ上の表示は、図１８、図１９に示すとおりである。すなわち、通常の観察時、赤外カットフィルタ２４１が光路中に配置されている場合には、第１モニタＭ１には、図１８(Ａ)に示すように、対象物の広角画像が表示され、第２モニタＭ２には、図１８(Ｂ)に示すように、対象物の拡大画像が表示される。

一方、視野シフトスイッチがオンされて、赤外透過フィルタ２４２が光路中に配置されると、第１モニタＭ１には、図１９(Ａ)に示すように、再帰反射マーカ５０からの赤外の反射光によりマーカの位置が赤色に表示される。第２モニタＭ２の表示は図１９(Ｂ)に示すように通常観察時と同一である。

ここで先に説明した追従制御プログラムが機能して第２型ポロプリズム２１が所定量シフトし終わると、図２０(Ｂ)に示すように、再帰反射マーカ５０が拡大画像の中心にほぼ一致するように表示範囲が変化する。第１モニタＭ１の表示は、図２０(Ａ)に示すように、シフト前と同一である。

第１の実施形態にかかる手術支援システムは、上記のように構成されているために、以下に説明するように作用する。

この手術支援システムを用いる術者は、被験者の体内の臓器等に外科的手術を施す際、まず、被験者の腹壁等に小さな孔を穿ち、その孔にトラカールＴを嵌め込む。次に、術者は、硬性鏡１０の先端をその外套管Ｔに挿入して、第１及び第２モニタＭ１，Ｍ２と第１及び第２カメラＣ１，Ｃ２と像分離装置２０と光源装置ＬＳの電源を順に投入する。

すると、光源装置ＬＳが出力する照明光が、ライトガイドＬＧを介して硬性鏡１０に供給され、その硬性鏡１０の先端から被験者の体内に向けて放射される。このように照明光が被験者の体内を照明すると、体内の臓器等の表面にて反射されて硬性鏡１０の先端に向かった光が、結像光学系１２へ入射する。このとき、被験者の体内の像が、その結像光学系１２によって、硬性鏡１０の基端側に形成される。

そして、硬性鏡１０の基端側に形成された像は、第１再結像光学系２３によって第１カメラＣ１の撮像面に再結像され、第１カメラＣ１によって撮像された後、最終的に、第１モニタＭ１に表示される。

術者は、この第１モニタＭ１に表示された広角像を観察することによって、外科的手術を施すべき箇所を特定すると、被験者の腹壁等に再度小さな孔を穿ち、その孔に別のトラカールＴを嵌め込み、処置具４０の挿入部４２の先端をそのトラカールＴに挿入する。

続いて、術者が、処置具４０を操作して、その処置具４０の挿入部４２の先端を、硬性鏡１０内の結像光学系１２の視野内に進入させると、第１モニタＭ１には、被験者の体内の様子とともに、処置具４０の挿入部４２の先端が表示される。

通常の観察時には、処置具４０の再帰反射マーカ５０からの赤外の反射光は第１カメラＣ１に達しないため、第１モニタＭ１では表示されず、対象物の観察の妨げとなることがない。一方、追従制御の際には、再帰反射マーカ５０からの反射光が高輝度で表示される。これと同時に、制御装置３０が、追従制御プログラムを実行し、拡大画像の中心に再帰反射マーカ５０が位置するよう第２型ポロプリズム２１の位置が調整される。その結果、視野スイッチを押すたびに、第２モニタＭ２には、マーカ５０がその中心に一致した状態で、マーカ５０とその周辺の拡大像が表示される。

第２の実施の形態

次に、本発明の第２の実施形態である手術用処置具と内視鏡装置とを備えた手術支援システムを説明する。第２の実施形態は、内視鏡装置１の像分離装置２０内に配置された透過波長切替装置の構成が第１の実施形態と異なる。他の構成は第１の実施形態と同一であるため、以下、差異のある部分についてのみ説明する。

図２１は、第２の実施形態で使用される透過波長切替装置のフィルタ板２９を示す。大径の円板は、赤外カットフィルター２９１であり、その一部に設けられた小径の円板が赤外透過(可視光透過)窓２９２である。図中の破線で示す円は、第１カメラＣ１により撮影される光の範囲を示す。図示せぬ切替機構は、大径の円板の中心軸を回転軸として、全体を回転させ、通常の観察時には赤外カットフィルタ２９１を光路中に配置し、視野シフトスイッチがオンされている場合にのみ透過窓２９２を光路中に配置する。

図２１(Ａ)に示すように、光路中に赤外カットフィルタ２９１が配置されると、第１カメラＣ１には可視光のみが達し、図２１(Ｂ)に示すように、光路中に透過窓２９２が配置されると、第１カメラＣ１には赤外光と可視光とが共に達する。赤外カットフィルタ２９１の分光透過特性は、図１２に示すものと同一である。一方、透過窓２９２の分光透過特性は、図２３に示す通りである。ここで、先に説明した例と同様に、図１０に示すような特性の入射光があり、カメラの特性が図１１に示す通りだとすると、透過窓２９２を光路中に配置した場合の第１カメラＣ１の受光強度は図２３に示す通りとなり、第１カメラＣ１から出力される輝度信号は、図２４に示すようにＲ成分が高く、Ｇ，Ｂ成分が中間値となる。

図２５は、透過窓２９２が光路中に配置されている場合の各モニタの表示例である。すなわち、第１モニタＭ１には、対象物の画像と再帰反射マーカ５０からの反射光とを含む広角画像が表示される。また、第２モニタＭ２には、再帰反射マーカ５０からの反射光を含まない拡大画像が表示される。

第２の実施形態を利用して追従制御を実行する場合には、処理内容が第１の実施形態とは多少異なる。図２６にそのフローチャートを示す。電源が投入されると、ＣＰＵ３０ａは術者が視野シフトスイッチを押しているか否かを判断する(Ｓ１１)。押していない場合には、ＣＰＵ３０ａは透過波長切替装置の切替機構に対し、赤外カットフィルタ２９１を光路中に位置させるよう指令を出す(Ｓ１２)。押している場合には、以下のＳ１３〜Ｓ２１の処理ループを繰り返し実行する。

処理ループにおいて、ＣＰＵ３０ａは、透過波長切替装置の切替機構に対し、透過窓２９２を光路中に位置させるよう指令を出し(Ｓ１３)、第１カメラＣ１により撮影された広角画像データを１フレーム分取り込む(Ｓ１４)。このデータを広角画像１とする。続いて、ＣＰＵ３０ａは、透過波長切替装置の切替機構に対し、赤外カットフィルタ２９１を光路中に位置させるよう指令を出し(Ｓ１５)、第１カメラＣ１により撮影された広角画像データを１フレーム分取り込む(Ｓ１６)。このデータを広角画像２とする。

次に、ＣＰＵ３０ａは、広角画像１から広角画像２を差し引く(Ｓ１７)。すなわち、対応する画素毎に広角画像１の輝度値から広角画像２の輝度値を差し引いた差分データを生成する。広角画像１は可視光と赤外光とを共に含むデータであるため、ここから赤外光のみ、すなわち、再帰反射マーカ５０からの反射光のみを取り出すため、可視光のみを含むデータである広角画像２を差し引く。

そして、ＣＰＵ３０ａは、Ｓ１７で生成された画像データの全画素の位置を特定するために定義されている平面座標系の各座標の中から、最大輝度値を持つ画素の座標を全て抽出する(Ｓ１８)。

続いて、ＣＰＵ３０ａは、抽出した各座標に基づいて重心座標を算出する(Ｓ１９)。そして、ＣＰＵ３０ａは、その重心座標に対応するＸＹステージ２６のそれぞれの位置を示す位置情報を目的位置情報として算出し(Ｓ２０)、ＸＹステージ２６の目的位置情報とＲＡＭ３０ｂ内の現在位置情報との差分だけＸＹステージ２６を移動させるための信号を移動機構２７のアクチュエータへ出力するように、第１のインターフェース回路３０ｃに指示する(Ｓ２１)。

このような追従制御処理が、制御装置３０において実行されることにより、第２モニタＭ２に表示される拡大画像が、第１モニタＭ１に表示される広角像の中の最大輝度を持つ点を中心とする一部領域となるように、第２型ポロプリズム２１がＸＹ面内で平行移動される。その結果、視野スイッチを押すたびに、第２モニタＭ２には、マーカ５０がその中心に一致した状態で、マーカ５０とその周辺の拡大像が表示される。

次に、再帰反射マーカ５０の変形例を数例説明する。図２７は、第１の変形例である再帰反射マーカ５０’の構造をに示す断面図である。第１の変形例の再帰反射マーカ５０’は、赤外光のみを透過させ、他の波長の光を反射するコート材５４を、図２に示した再帰反射マーカの表面にコーティングしたものである。

すなわち、第１の変形例の再帰反射マーカ５０’では、反射材５３がコーティングされているベース５１の一方の面に、透明な球状の多数のビーズ５２が半分だけ埋め込まれているとともに、ベース５１及びビーズ５２に挟まれていない反射材５３の外面並びにビーズ５２の外面に、上記コート材５４が均等な厚みにてコーティングされている。

第１の変形例の再帰反射マーカ５０’は、このように構成されるので、ビーズ５２に向かう照明光のうちの赤外域以外の光は、コート材５４によって進行方向とは無関係な方向へ反射される(図２８参照)。一方、赤外光は、図２７の矢印によって示されるように、コート材５４を透過し、ビーズ５２の表面で屈折しつつその内部へ進入し、ビーズ５２と反射材５３との境界面によって反射され、ビーズ５２の表面で屈折しつつその外部へ射出し、再度コート材５４を透過して、入射してきた方向に向けて進む。

図２９は、再帰反射マーカの第２の変形例であるプリズム式の構造を示す。この再帰反射マーカ６０は、ベース６１に二等辺三角形状の３つの側面を持つ三角錐形の窪み(コーナーキューブ)が多数連続して形成されており、その窪みの表面に赤外光のみを反射させ、他の波長の光を透過又は吸収する反射層６２が形成され、その上を樹脂等の透明な素材からなる透明層６３により覆っている。コーナーキューブを構成する三角錐の各反射面間の角度が９０°である。図３０は、第２の変形例である再帰反射マーカ６０の平面図である。各窪みが正三角形状であることがわかる。

図２９に示すように、透明層６３に向けて射出された照明光は、透明層６３の表面において屈折されつつ透明層６３の内部へ進入する。そして、赤外光は、透明層６３と反射層６２の境界面で２回反射された後、再び透明層６３の表面において屈折されつつ透明層６３の外側へ射出する。

このとき、図２９の矢印によって示されるように、透明層６３内を通過することによって反射された照明光は、透明層６３に入射する前の進行方向とは逆の方向に向けて進むように、射出される。可視光は、境界面で反射されずに吸収される。

図３１は、再帰反射マーカの第３の変形例を示す。第３の変形例の再帰反射マーカ６０’は、赤外光のみを透過させ、他の波長の光を反射するコート材６４を、図２９に示した第２の変形例の再帰反射マーカ６０の表面にコーティングしたものである。これによれば、赤外光のみがコート材６４を透過して透明層６３に入射し、反射されて元の方向に戻る。これに対して、赤外域以外の可視光は、コート材６４により反射され、入射方向とは異なる方向に進んでいく。

なお、上記の実施の形態では、カラー撮影用のカメラのフィルタとして原色系のフィルタを用いる例についてのみ説明したが、補色系のフィルタを利用してもよい。

第１の実施形態の手術支援システムを使用した腹腔内の手術時の様子を示す概略図である。 図１の手術用処置具に設けられた再帰反射マーカの断面図である。 物体表面において光が散乱する状態を示す説明図である。 再帰反射材の表面において光が反射する状態を示す説明図である。 内視鏡装置の構成を示す概略図である。 内視鏡装置に配置された第２型ポロプリズムの斜視図である。 第１の実施形態における透過波長切替装置のフィルタ板を示す平面図である。 制御装置の概略構成を示すブロック図である。 第１の実施形態における追従制御処理を説明するためのフローチャートである。 内視鏡への入射分光特性を示すグラフである。 カメラの分光感度を示すグラフである。 赤外透過フィルタの透過特性を示すグラフである。 赤外カットフィルタの透過特性を示すグラフである。 赤外光のみ透過時の第１カメラの受光強度を示すグラフである。 可視光のみ透過時の第１カメラの受光強度を示すグラフである。 赤外光のみ透過時の第１カメラ出力の輝度値を示すグラフである。 可視光のみ透過時の第１カメラ出力の輝度値を示すグラフである。 第１の実施形態における追従制御前の通常観察時の各モニタの表示内容例を示す説明図である。 第１の実施形態における追従制御時の各モニタの表示内容例を示す説明図である。 第１の実施形態における追従制御後の通常観察時の各モニタの表示内容例を示す説明図である。 第２の実施形態における透過波長切替装置のフィルタ板を示す平面図である。 赤外光及び可視光透過時の第１カメラの受光強度を示すグラフである。 赤外光及び可視光透過時の第１カメラ出力の輝度値を示すグラフである。 赤外光及び可視光透過時の第１カメラ出力の輝度値を示すグラフである。 第２の実施形態における追従制御時の各モニタの表示内容例を示す説明図である。 第２の実施形態における追従制御処理を説明するためのフローチャートである。 再帰反射マーカの第１の変形例を示す断面図であり、赤外光が反射する様子を示す。 再帰反射マーカの第１の変形例を示す断面図であり、可視光が散乱する様子を示す。 再帰反射マーカの第２の変形例を示す断面図であり、赤外光が反射する様子を示す。 図２９に示す再帰反射マーカの平面図である。 再帰反射マーカの第３の変形例を示す断面図であり、赤外光が反射する様子を示す。

符号の説明

Ｍ１ 第１モニタ
Ｍ２ 第２モニタ
Ｃ１ 第１カメラ
Ｃ２ 第２カメラ
ＬＳ 光源装置
ＬＧ ライトガイド
１０ 硬性鏡
１１ 光ファイバ
１２ 結像光学系
１２ａ 対物レンズ群
１２ｂ リレーレンズ群
２０ 像分離装置
２１ 第２型ポロプリズム
２２ 第１再結像光学系
２３ 第２再結像光学系
２４ 透過波長切替装置
２４ａ フィルター板
２４ｂ 切替機構
２６ ＸＹステージ
２７ 移動機構
３０ 制御装置
３０ａ ＣＰＵ
３０ｂ ＲＡＭ
３０ｆ ＲＯＭ
４０ 手術用処置具
４１ 操作部
４２ 挿入部
４３ 把持鉗子
５０ 再帰反射マーカ

Claims (6)

1. 先端に体腔内の組織に対して所定の措置を行うための処置部を備え、基端に前記処置部を操作するための操作部を備え、前記処置部に可視域外の特定波長域の光のみを入射方向に向けて反射させる再帰反射マーカを備えることを特徴とする手術用処置具。
2. 体腔内に挿入される挿入部の先端から可視域及び可視域外の特定波長域を含む光を対象物に照射する照明光学系と、
   前記挿入部の先端に配置された対物レンズを含み、前記照明光学系により照明された対象物の像を形成する結像光学系と、
   前記結像光学系により形成された前記対象物の像を撮影する撮像素子と、
   先端の処置部に可視域外の特定波長域の光のみを入射方向に向けて反射させる再帰反射マーカを設けた手術用処置具を検出する時には、前記撮像素子に入射する光を前記特定波長域のみに限定し、通常観察時には前記撮像素子に入射する光を可視域のみに限定する透過波長切替装置と、
   前記撮像素子から出力される信号に基づいて画像を表示する表示装置とを備えることを特徴とする内視鏡装置。
3. 体腔内に挿入される挿入部の先端から可視域及び可視域外の特定波長域を含む光を対象物に照射する照明光学系と、
   前記挿入部の先端に配置された対物レンズを含み、前記照明光学系により照明された対象物の像を形成する結像光学系と、
   前記結像光学系により形成される像を撮像する第１撮像素子と、
   前記結像光学系により形成される像の一部を撮像する第２撮像素子と、
   先端の処置部に可視域外の特定波長域の光のみを入射方向に向けて反射させる再帰反射マーカを設けた手術用処置具を検出する時には、前記第１撮像素子に入射する光を前記特定波長域のみに限定し、通常観察時には前記第１撮像素子に入射する光を可視域のみに限定する透過波長切替装置と、
   前記第２撮像素子に入射する光を可視域のみに限定する波長選択手段と、
   前記第１撮像素子から出力される信号に基づいて広域画像を表示する第１表示装置と、
   前記第２撮像素子から出力される信号に基づいて拡大画像を表示する第２表示装置とを備えることを特徴とする内視鏡装置。
4. 前記内視鏡装置は、前記手術用処置具検出時に前記第１撮像素子により撮影された画像データに基づき、前記第２撮像素子が撮像する像の範囲をシフトさせる画像シフト手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の内視鏡装置。
5. 前記画像シフト手段は、前記手術用処置具検出時に前記第１撮像素子により撮影された画像データから前記再帰反射マーカからの反射光の重心位置を求め、該重心位置に基づいて前記第２撮像素子が撮像する像の範囲をシフトさせることを特徴とする請求項４に記載の内視鏡装置。
6. 前記画像シフト手段は、前記結像光学系から前記第２撮像素子までの光路中に配置されて光路をシフトさせる光路シフト手段を含むことを特徴とする請求項４または５に記載の内視鏡装置。

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