JP2005334647A - 内視鏡の視覚装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改善された視覚的な体腔の診察が可能になるように内視鏡もしくはプローブを形成すること。
【解決手段】内視鏡の前部領域に配置される少なくとも１つの光学系（２）または１つの光学複合体を備える内視鏡の視覚装置に関する。少なくとも１つの光学系または少なくとも１つの光学複合体がこの場合１８０°以上の開口角を実現し、その視野が運動方向へ垂直線を越えて、また前方を指し示す内視鏡の縦軸も越え出て到達するように配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプリアンブル記載の内視鏡の視覚装置に関する。

内視鏡は基本的にカプセルまたは原理的に内視鏡シャフトのない内視鏡であるプローブの形態でも、腸、胃、血管などの体腔の診査のために、体腔の各部分の視覚検査または撮像を可能にする視覚装置もしくは光学装置を装備し、前記装置に基づいて疾病の診断を行うことができる。

たとえば、特許文献１において様々な画像システムを備える分類に合致する内視鏡視覚化装置が知られている。具体的にこの公知の視覚化装置は、様々な視角および様々な光学的特性量（たとえば様々な開口角）を有する２つの画像システムを有し、前記画像システムの前方へ向けられる視野が部分的に交差し、それによって２つの異なる被検部位の遠近表示を可能にし、その際に内視鏡が位置変動の影響を受けることがなく、あるいは様々な撮影のための視覚化装置の交換が不要になる。この措置によって立体的視覚化を得ることができ、それによってオペレータに大きい全体像野を提供できる。

基本的にこの種の撮像は、その視角を基準にして部分的に重なり合う多数の個別撮影から１つの全体像を計算するために、対応するコンピュータ容量と、それに適合するコンピュータ支援電子画像処理を可能にする計算プログラムとが提供されて以来、特に光学系の分野に提供可能であり、技術的にも利用可能である。

特に内視鏡の分野において、たとえば腸の診査でポリープや腫瘍の発見時のエラー割合が依然として非常に高いことが判明している。この問題点は、挿入する内視鏡の視野が本質的に前方へ向けられており、挿入運動を視覚的に監視し、かつ制御できるようにするためにも前方に向けなければならないことにある。初期段階でまだ非常に小さく、場合によっては腸ひだの背後にあるポリープや腫瘍がそれによってしばしば未発見の状態にとどまる。

独国特許出願公開第１０１１６０５６号明細書

従って、本発明の基礎をなす課題は、改善された視覚的な体腔の診察が可能になるように、内視鏡もしくはプローブを形成することである。

この課題は、本発明に係る請求項１の特徴を備える内視鏡もしくはプローブによって解決される。

本発明は、それに従って１８０°以上（つまり縦軸から見ると９０°以上）の開口角を可能にする少なくとも１つの光学系または１つの光学複合体を備える内視鏡の視覚装置を形成することにある。この光学系もしくは光学複合体は、前記光学系の視野が内視鏡の運動方向もしくは縦軸へ垂直線を越えて、好ましくは内視鏡の前方を指し示す縦軸（運動方向）も越えて到達するように配置されている。

ある角度で内視鏡の運動方向へ少なくとも１つの光学系または少なくとも１つの光学複合体を特別に方向づけする利点は、上記定義により対応して選択した開口角でそれによって同時に前方への視野による後方視を可能にし、それによって内視鏡の前進運動時の好適な視覚的制御検査を維持しながら同時にもっぱら前方へおよび／または場合により側方へ向けた光学系の死角にあるような部位、たとえば腸ひだの直接背後にある部位も、今後は検出し、それによって検査することができる。

光学系および／または複合光学体を内視鏡のヘッドに取り付ける際、そこに形成される作業通路が内視鏡ヘッドを通じて中心に案内されるように、前述の特性を確保しつつ光学系および／または複合光学体を配置することが特に重要である。好ましくは、複数の光学系を内視鏡ヘッドの作業通路中央部周囲の軌道に沿うように配置し、さらに好ましくは内視鏡の縦軸を基準に斜め外方の角度で配列することにより達成される。別法として、１つのみの光学系を中心から外れて適正に配列するように配置し、作業通路周囲の軌道に沿って移動させることも言うまでもなく可能である。

本発明の好ましい実施形態はさらに自由型レンズの一種を構成するものである。
従来型のレンズは対称な構造を有し、その構造によって実質的に円錐状の視野を得ることが可能である。本発明のように、そのような円錐状の視野が複数組み合わされると、結果として前述の視角での全視界が確かなものとなる。しかしながら、円錐状であるため、内視鏡の移動方向に対する垂直方向は全体的に越えるのではなく部分的であり、使用される光学系の数によっては全視角で補いきれない大きな死角が事実上残る。

本発明の好ましい実施形態による自由型レンズはその名前によって表されるとおり対称ではなく、使用する光学系の数やその配列に応じて分析や計算によって決定される個々の外形や表面を有し、それによりこの場合においても前述の死角がみられる。自由型レンズの計算法については先行技術によってすでに公知であり、例えば“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、第１９巻Ａ、３号、２００２年３月”
に記載されており、本文中に明示されている。

本発明のその他の好ましい実施形態はその他の従属請求項の目的である。

本発明は、以下好ましい実施例を利用して添付の図面を参照しより詳しく説明する。

第一に本実施例において、内視鏡は内視鏡シャフト（図示せず）と、それに配置する内視鏡ヘッド１とから構成されており、それらのうち前部領域を図１に示していることを指摘しておく。しかしまたその別法として、内視鏡をプローブまたはカプセル（体腔から突出するシャフトなし）の形態で形成することも可能であり、それらの中に本発明に係る視覚装置が好ましくはカプセルの前部領域に収容されている。

図１から良く読み取れるように、本発明に係る視覚装置は、前記のようにそれぞれ１つのレンズユニット３−６と、前記レンズユニットの下に配置される感光性素子７またはマイクロチップとから構成される４つの光学系２から構成される。しかしまたその別法として、前記形式の２つのみまたは３つの光学系２を配置してもよい。さらに別法として、図示した各光学系は、相互に結合されており、それらの視野が少なくとも図示した光学系の１つに相当する多数のより小さい光学系によって代用されてもよい。

好ましくは図１に示した各光学システムは、ズーム対物レンズとして構成されている。このようなズーム対物レンズは、本質的に管状のレンズシリンダ８から構成される。前記レンズシリンダは、図示した内視鏡シャフトの前端部と一体に接続されるか、または着脱可能に前記内視鏡シャフトに取り付けられる。

レンズシリンダ８は、本実施例において３つのレンズユニット３−５を収容する。第１のレンズユニット３は、レンズシリンダ８の最外端部に前記レンズシリンダの中に、レンズシリンダ８の中心線と垂直に、かつ液密に固定されているレンズ９から構成される。

第２および第３のレンズユニット４、５は、それぞれレンズシリンダ８の中心線に対して本質的に円形かつ垂直に配置されている。前記レンズユニットは、それぞれ１つのレンズ１０、１１と、対応するレンズ１０、１１が固定されている１つのレンズ枠縁１２、１３と、それぞれレンズ枠縁１２、１３を取り囲むシールリング１４、１５とから構成される。レンズ枠縁１２、１３の外径は、レンズシリンダ８の内径よりも最小限に小さく、それによってレンズ枠縁１２、１３は、レンズシリンダ８の軸線方向に移動可能である。シールリング１４、１５は、対応するレンズ枠縁１２、１３の外周面と、レンズシリンダ８の内面との間を密閉し、それによってレンズユニット３−６の間に液密の流体チャンバ１６−１８を作る。

レンズシリンダの後部開口は、別の第４のならびに堅固に固定されるレンズユニット６によって液密に密閉される。さらに第４のレンズユニット６は、その正面に中央凹面状の窪所を有し、前記窪所を通してレンズ９−１１によって束ねられる光が散乱され、感光性素子（光学センサチップ）７に転送される。レンズユニット６の後部半分は立方体の形状を有し、その側長はレンズシリンダ８の縦軸に垂直の平面で光学センサチップ７の大きさに適合されている。

この光学センサチップ７は、その感光性の側面と共にレンズユニット６の後側に配置されており、視覚的情報を電気信号に変換する。光学センサチップ７は、そのレンズシリンダ８から離間する側に機能支持体１９上に取り付けられており、前記機能支持体は、さらに内視鏡の前部領域の内部に固定可能である。

４つのレンズユニット３−６の液密の配列によって、前記レンズユニットの間に３つの互いに液密に分離される流体チャンバ１６−１８が生じる。

各流体チャンバ１６−１８に、詳細に図示しない可撓性の流体管２０−２２が接続されており、前記流体管は流体チャンバ１６−１８から内視鏡シャフト（図示せず）を通り後方へ内視鏡シャフトの操作端へ案内される。各流体チャンバの中に同様に詳細に図示しないばねが嵌めこまれており、このばねは本実施例において渦巻ばねとして形成されており、かつ前記渦巻ばねの縦軸がレンズシリンダ８の縦軸と一致するように配置されている。ばねの外径は、目的に応じてレンズシリンダ８の内径より最小限に小さく、それによってばねの運動は、前記ばねが押圧されまたは拡張される場合でも、制動または遮断されない。各ばねの端部は、レンズユニット３−６に支持されており、前記レンズユニットと共に環状の載置面を形成する。これらのばねは、所望の形式および方法で、調整可能のレンズユニット４、５を出発位置または構成位置で位置決めするために予緊張することができる。対物レンズの組立ては、ばねが２つの隣接するレンズユニット３−６を互いに離間し、それによってまだ流体が流体チャンバ１６−１８の中に充填されていないとき、感光性のレンズ９−１１が互いに接触できないようにすることによって簡素化される。さらに、これらのばねは、その一様な押圧力によってレンズシリンダ８の縦軸と垂直の平面でレンズユニット３−６に対し一様な軸線運動を生じさせ、それによって運動時にレンズシリンダ８の中のレンズユニット３−６の斜位または傾倒を回避する。

各流体管２０−２２の操作面にそれぞれ１つの図示しないシリンダが接続されており、このシリンダの中にピストンが摺動可能に挿入されており、その際に対応する流体管を介して流体チャンバと接続されるアクチュエータ室を仕切る。

流体チャンバ１６−１８、流体管２０−２２ならびにアクチュエータ室は、それぞれ非圧縮性の流体で充填されており、前記流体には、レンズユニット間の有無に基づいて、レンズユニット間の光伝達に可能な限り少ない影響を及ぼす性質が内属する。

シリンダ−ピストン−ユニットに関しては、ピストンの外径がシリンダの内径よりも明らかに小さい場合に有利である。それによってシリンダの内径がピストンの外径と等しい場合に、ピストン運動と比較して、各アクチュエータ室内の一定に設定される圧力変化のために対応する大きなピストン運動が必要になることによって、ピストンの運動に対する減速が実現される。ピストンは、それぞれたとえば電気ステッピングモータまたは磁気コイルを使用できるアクチュエータによって移動される。

図１に示したように、そこに示している４つの光学系２は、互いに等角度間隔で内視鏡の円周方向に配分されており、その際に斜め外方に向けられている。図２により、この斜角は本実施例で内視鏡の縦軸を基準に４５°になり、他方、各光学系の開口角は１４０°に固定されている。それによって各光学系２の視野が生じ、この視野がそれぞれ運動方向へ後方に垂直線を越えて、かつ前方へ縦軸を越えて到達する。特に図２から識別されるように、視野は内視鏡の前部領域で重なり合い、それによって一定の球形セグメント２３にわたって内視鏡周りに閉じた視覚的走査領域を形成し、この走査領域が部分円形状に後方へ内視鏡の運動方向へ垂直線全体に４つの光学系の領域で延長される。

好ましくは光学系２が取り付けられる機能支持体１９は、四角のピラミッド台形の形状に形成されており、該ピラミッド台形の中央にさらに好ましくは１つの作業通路を設けている。

各光学系２は画像処理ステーションに接続されている。それぞれ内視鏡が内視鏡シャフトを備える従来の構造であるか、または被検体腔の入口／出口から分離されるプローブまたはカプセル態様であるかに応じて、前記接続が電気的または導光性のケーブルまたは無線によって構築される。画像処理ステーションは、たとえばモニタおよび／または画像生成装置のような出力装置を備えるコンピュータを含む。画像処理は、従来の先行技術ですでに以前から提供されている画像処理プログラムを介して行われ、前記画像処理プログラムを利用して使用する光学系の同時個別撮影から全体像を作成することができる。

上記視覚装置の機能方式は次のように要約できる：

内視鏡を体腔内へ挿入する際に診断する医師は、前記内視鏡が可能な限り滑らかに自然の消化管の屈曲に沿って案内されるように挿入運動を監視し、内視鏡を対応して操作するために、持続的に視覚方向定位可能性をもたなければならない。そのためにシャフトを有する内視鏡はその遠位端にいわゆるデフレクティング（これはその自由端に内視鏡ヘッド１が配置される湾曲可能のフィンガである）を有し、前記デフレクティングは個別の消化管の屈曲に適合するために、手動で内視鏡シャフトを介して曲げられる。つまり前方への、すなわち運動方向への視野が常時与えられている必要がある。

しかし同時に、消化管壁は異状性を検査される必要があり、そのためにデフレクティングの湾曲運動は不要にしなければならない。これは本発明に係る視覚装置によって、個別の光学系２の画像信号がディジタル画像処理ステーションによって、前方への視野に加えて運動方向を基準に３６０°の全方向視野と、後方斜めの視野とが表示されるパノラマ像が生じるように構成されることによって可能になる。このようにして異常性の見逃しがほぼ除外される。

上記の好ましい実施例において合計４つの光学系が示されており、前記光学系はそれぞれ所定の相互の角度間隔で配置されている。その別法として、もちろんより多いまたはより少ない光学系を設けてもよい。１つのみまたは必要な場合は２つの光学系を使用する場合、これらの光学系を回転移動可能に支承することができる。この場合は、たとえば好ましい実施例の前記円錐台を回転可能に支承することができ、それによって円錐台の側面に配置される１つまたは２つの光学系が所定の速度で円軌道上で回転し、このようにして３６０°の全方向視野を撮影する。

図５、６（ａ）および６（ｂ）に本発明の第２の好ましい実施形態を示す。

図５によると、第２の好ましい実施形態の内視鏡ヘッドは作業通路２４を含み、この作業通路は内視鏡ヘッド２５の前部分で開いている。作業通路の周囲に、それぞれマイクロチップまたは導光性のケーブルなどの感光性素子７およびレンズシステムから構成される少なくとも２つ、しかしながら好ましくは３つの光学系２が配置され、支持体プレート１９上に取り付けられている。これらの光学系２のうちの１つが６ａおよび６ｂに詳細に示されている。

したがって、それぞれの光学系２は感光性マイクロチップ７を含み、感光性マイクロチップは、チップ７と離間する一面が光学反射面２７を形成するプリズム２６に対する垂直線Ｖを基準に、実質的に垂直または鋭角に傾斜する配列で固定されている。最も簡素場合は、この一面は内部に気化される。

プリズム２６は、さらに光学活性面２８により形成される光入射面を有し、光学活性面は必要に応じて垂直線Ｖを基準にある角度（好ましくは鋭角）に斜め外方であり、それにより入射光が上方から光学活性面２８に斜めに延長される。

自由型レンズ２９はプリズム２６の光入射面２８の前方に配置されている。一般的に自由型レンズは先行技術により公知であり、例えば自動車のヘッドライトでの放出光の拡散に使用されている。

本件では、しかしながら、自由型レンズ２９は発明により設計されるため、これにより得られる視覚的円錐は対称ではない、つまり断面は円形であるが、円形とは相違する断面領域を覆う。この断面形状は、光学系２の数、それにしたがって互いの角距離、また同時に垂直線Ｖを基準にプリズム２６の形状により確定される斜角および／または入射角による。

これらの２つのパラメータの機能として、自由型レンズ２９は先行技術により公知である分析または計算モデルの方法によって形成され、それにより光学系２によって得られる視角が、内視鏡の全長から内視鏡ヘッド２５に対してできる限り大きな円周角にかけての後方に垂直線を越える。すなわち、最も好ましい場合において、自由型レンズ２９は、内視鏡軸へ後方に垂直線を越える視角が図１の簡素な（円形の）視覚的円錐の場合のように円形の部分として形成されているのではなく、楕円形をしている。この場合、図１において明確に示されるそれぞれの光学系の視野の重なり合いにおける実質的に三角形の死角は減少され、たとえ存在しても、診査において事実上重要でない小さなＴ点にとどまる。

本発明は内視鏡の前部領域に配置される少なくとも１つの光学系（２）または１つの光学複合体を備える内視鏡の視覚装置に関する。該光学系または光学複合体が１８０°以上の開口角を実現し、その視野が運動方向へ垂直線を越え、また前方を指し示す内視鏡の縦軸を越えて到達するように配置されている。

原理的な透視図における本発明の好ましい一実施例に基づく内視鏡の視覚装置の一実施例である。 本発明に係る視覚装置を装備した、内視鏡の前部領域の側面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の好ましい一実施例に基づく光学系の中に組み入れた視覚装置を含む該光学系の断面図である。 本発明の好ましい第２の実施例に基づく視覚装置を装備した、内視鏡の前部領域の側面図である。 （ａ）は本発明の好ましい第２の実施例に基づく視覚装置の断面図であり、（ｂ）はその正面図である。

符号の説明

１ 内視鏡ヘッド
２ 光学系
３、４、５、６ レンズユニット
７ 感光性素子
８ レンズシリンダ
９、１０、１１ レンズ
１２、１３ レンズ枠縁
１４、１５ シールリング
１６、１７、１８ 流体チャンバ
１９ 機能支持体
２０、２１、２２ 流体管

Claims (9)

1. 内視鏡の前部領域に配置される少なくとも１つの光学系（２）または１つの光学複合体を備える内視鏡の視覚装置であって、
   光学系または光学複合体が１８０°以上の開口角を実現し、その視野が運動方向へ垂直線を越えて到達するように配置されている視覚装置。
2. 少なくとも１つの光学系または少なくとも１つの光学複合体の視野が前方を指し示す内視鏡の縦軸を越えて到達することを特徴とする請求項１記載の視覚装置。
3. 好ましくは内視鏡の円周方向に見て、前記光学系の視野が少なくとも部分的に重なり合うように等角度間隔で配置されている、少なくとも３つの光学系または光学複合体を設けていることを特徴とする請求項１または２記載の視覚装置。
4. 各光学系または各光学複合体が１２０°から１４５°の間、好ましくは１４０°の開口角を実現することを特徴とする請求項１、２または３記載の視覚装置。
5. 光学系または光学複合体が４０°および５０°の間、好ましくは４５°の角度で内視鏡の前進運動方向に調整されることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の視覚装置。
6. 各光学系または各光学複合体が、画像伝達装置を介してディジタルの全体像を作成する画像処理ステーションへ伝達可能である個別画像を撮影することを特徴とする請求項１、２、３、４、または５記載の視覚装置。
7. 各光学系または各光学複合体が少なくとも１つの自由型レンズを含むことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の視覚装置。
8. 各光学系または各光学複合体の視野が、運動方向へ後方に垂直線を越えて到達して内視鏡の円周方向に拡張し、それにより２つの光学系または光学複合体の２つの視野の重なり合いの間の死角が該垂直線を越えて最小限にされることを特徴とする請求項７記載の視覚装置。
9. 少なくとも１つの光学系または光学複合体が、内視鏡の作業通路が内視鏡前部領域が中心通って延びるように、内視鏡の前部領域の中心から外れて配置されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の視覚装置。

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