JP2007007180A - 内視鏡挿入形状観測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ソースコイルから発生した磁界をセンスコイルにより検出することで、内視鏡の挿入部の挿入形状を観測する場合において、小型で安価な内視鏡挿入形状観測装置を提供する。
【解決手段】単心コイルにより磁界を発生するソースコイル21と、ソースコイル21により発生した磁界を検出する複数のセンスコイル23a〜23lと、複数のセンスコイル23a〜23lを時系列に順次選択するセンスコイル選択部33と、センスコイル選択部33により選択されたセンスコイルにより検出された磁界を磁界信号に変換する磁界検出部34と、ソースコイル21の位置を磁界信号から推定するソースコイル位置解析部37とを具備し、磁界検出部34が磁界信号変換部としての増幅手段41とA/D変換器42を備えており、磁界信号変換部の数がセンスコイル23a〜23lの数よりも少ない。
【選択図】図4
【解決手段】単心コイルにより磁界を発生するソースコイル21と、ソースコイル21により発生した磁界を検出する複数のセンスコイル23a〜23lと、複数のセンスコイル23a〜23lを時系列に順次選択するセンスコイル選択部33と、センスコイル選択部33により選択されたセンスコイルにより検出された磁界を磁界信号に変換する磁界検出部34と、ソースコイル21の位置を磁界信号から推定するソースコイル位置解析部37とを具備し、磁界検出部34が磁界信号変換部としての増幅手段41とA/D変換器42を備えており、磁界信号変換部の数がセンスコイル23a〜23lの数よりも少ない。
【選択図】図4
Description
本発明は、ソースコイルとセンスコイルとを用いて内視鏡の挿入部の挿入形状を観測する、内視鏡挿入形状観測装置に関する。
近年、医療用分野において、体腔内の臓器等を観察したり、必要に応じて処置具チャンネル内に挿通した処置具を用いたりして、生体の体腔内の部位や組織に対して各種治療処置のできる内視鏡が広く利用されている。また、工業用分野においても、ボイラ、タービン、エンジン、化学プラント等の細径管内部の傷や腐食等の観察、検査に工業用内視鏡が広く用いられている。
医療用分野において、内視鏡を用いて生体の体腔内の処置を行う場合、例えば肛門側から内視鏡を挿入して下部消化管に対して種々の処置を行う場合のように、屈曲した体腔内に内視鏡の挿入部を円滑に挿入するためには、体腔内における挿入部の先端の位置や、挿入部の屈曲状態などを把握することが望ましい。このため、挿入部の位置や屈曲状態などを検出することができる内視鏡挿入形状観測装置を、内視鏡と併せて使用することが、一般的に行われている。
このような内視鏡挿入形状観測装置としては、挿入部にソースコイルを配置し、ソースコイルから発生する磁場を観測することによって、挿入部の挿入形状を観測する装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1の提案によれば、内視鏡の挿入部にソースコイルを配置したプローブを挿入しておき、ソースコイルに発生させた磁界によって、センスコイルに磁界を誘起させる。更に、センスコイルに誘起された磁界により発生した信号を検出ブロックで検出し、ホストプロセッサで信号処理することによってソースコイルの位置を推定し、挿入部の挿入形状としてモニタ上に表示する。
特開2000−81304号公報(図1)
特許文献1に提案された内視鏡挿入形状観測装置においては、検出ブロックに設けられた信号検出部100が、図6に示すように、増幅回路101а〜101lと、A/D変換器102а〜102lとにより構成されている。図6は、従来の磁界信号検出部を説明するブロック図である。しかしながら、信号検出部100には、増幅回路101а〜101lと、A/D変換器102а〜102lとが、センスコイルユニット103に設けられた複数のセンスコイル103a〜103lと同じ個数だけ設けられている。
このように、従来の内視鏡挿入形状観測装置は、信号検出部100が多くの回路素子で構成されているため、装置が大型化してしまうという問題があった。また、増幅回路101а〜101lとA/D変換器102а〜102lとは、微小な信号を扱う回路であるために非常に高価であり、高価な回路素子を多数使用することで、装置の製造コストが高くなってしまうという問題もあった。
そこで、本発明においては、ソースコイルとセンスコイルとを用いて内視鏡の挿入部の挿入形状を観測する場合にも、小型で安価な内視鏡挿入形状観測装置を提供することを目的とする。
本発明の内視鏡挿入形状観測装置は、単心コイルにより磁界を発生するソースコイルと、ソースコイルにより発生した磁界を検出する複数のセンスコイルと、複数のセンスコイルを時系列に順次選択するセンスコイル選択手段と、センスコイル選択手段により選択されたセンスコイルにより検出された磁界を磁界信号に変換する磁界信号生成手段と、ソースコイル叉はセンスコイルのいずれか一方の位置を磁界信号から推定する磁界発生位置推定手段とを具備し、磁界信号生成手段が磁界信号変換部を備えており、磁界信号変換部の数が複数のセンスコイルの数よりも少ない。
ソースコイルとセンスコイルとを用いて内視鏡の挿入部の挿入形状を観測する場合にも、小型で安価な内視鏡挿入形状観測装置を実現することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
まず、図1に基づき、本発明の実施の形態に係わる内視鏡挿入形状観測装置を用いた内視鏡システム1の全体構成について説明する。図1は、本発明の実施の形態に係わる内視鏡挿入形状観測装置を用いた内視鏡システム1の全体構成を説明する構成図である。
図1に示すように、本発明の実施の形態に係わる内視鏡システム1は、ベッド7に横たわる、被検体である患者2の体腔内の像を撮像し、撮像信号として出力する内視鏡3と、内視鏡3から出力される撮像信号に対して画像処理などを行って映像信号を出力するビデオプロセッサ4と、ビデオプロセッサ4から出力される映像信号に基づき、内視鏡3が撮像した患者2の体腔内の像を画像として表示するモニタ5とを備えている。また、内視鏡システム1は、内視鏡3の挿入形状を検出するための挿入形状検出用プローブ6と、挿入形状検出用プローブ6から出力された信号に基づき、患者2の体腔内における内視鏡3の挿入形状を検出する、内視鏡挿入形状観測装置としての内視鏡挿入形状検出装置8と、検出された内視鏡3の挿入形状を表示するモニタ9とも備えている。
内視鏡3は、可撓性を有し体腔内などに挿入される細長の挿入部11と、挿入部11の基端側に連設されて内視鏡3を把持操作する操作部12と、操作部12の側部から延出されてビデオプロセッサ4などの外部装置に接続されるユニバーサルコード13とを有する。
内視鏡3には、例えばビデオプロセッサ4内に設けられた光源部からの照明光を伝達するライトガイドが挿通されている。照明光は、挿入部11の先端部14に設けられた図示しない観察窓から出射され、患者2の体腔内を照明する。照明窓に隣接して設けられた観察窓には対物光学系15が取り付けられており、対物光学系15の結像位置には固体撮像素子(以下、CCDと示す)16が設けられている。
照明された被写体の像は、対物光学系15によってCCD16の撮像面に結像され、光電変換されて撮像信号として出力される。CCD16には、撮像信号を伝達するための信号線17が電気的に接続されている。信号線17は、挿入部11と、操作部12と、ユニバーサルコード13の内部を挿通するように配設されており、他端がビデオプロセッサ4に電気的に接続されている。従って、CCD16から出力された撮像信号は、信号線17を介してビデオプロセッサ4へ出力される。
操作部12の側部には、プローブ挿入口18が設けられている。プローブ挿入口18は、挿入部11の内部を挿通するように設けられたプローブ用チャネル19に連通している。
挿入形状検出用プローブ6は、内視鏡3のプローブ挿入口18及びプローブ用チャネル19に挿入可能な寸法・形状を有し、プローブ挿入口18からプローブ用チャネル19の内部に挿入される。挿入形状検出用プローブ6には、磁界発生部としての機能を有する複数の磁界発生素子(以下、ソースコイルと示す)21が、所定の間隔で配置されている。また、挿入形状検出用プローブ6の基端側からはケーブル22が延出されており、ケーブル22の他端は内視鏡挿入形状検出装置8に接続されている。ソースコイル21は、内視鏡挿入形状検出装置8からケーブル22を介して電流を印加されることによって、磁界を発生させる。
内視鏡挿入形状検出装置8は、本体の外部に、上述したソースコイル21と、磁界検出部としてのセンスコイルユニット23とを備えている。センスコイルユニット23は、例えば図1に示すように、患者2が横たわるベッド7の側部から上方に突き出した位置に配置され、ケーブル24を介して内視鏡挿入形状検出装置8に接続されている。なお、センスコイルユニット23の設置位置は、図1に示すような位置に限らず、ソースコイル21から発生される磁界を検出できる位置にあればよく、例えば、ベッド7の内部に格納して設置してもよい。
センスコイルユニット23の内部には、例えば12個の単心コイルからなる磁界検出素子(以下、センスコイルと示す)23a、23b、…、23lが、図2に示すように同一平面上に正方形上に配置され、格納されている。図2は、センスコイル23a〜23lの配置を説明する図である。図2においては、紙面下から上へ向かう方向をX軸、X軸と直交し紙面左から右へ向かう方向をY軸、X軸及びY軸と直交し紙面奥から手前へ向かう方向をZ軸とする。
図2に示すように、センスコイルユニット23に格納されたセンスコイル23a〜23lのうち、正方形の四隅に位置するセンスコイル23b,23e,23h,23kは、コイルの中心軸がZ軸方向を向くように配置されている。また、残りのセンスコイルのうち、X軸に平行な二辺に位置するセンスコイル23a,23f,23g,23lは、コイルの中心軸がY軸方向を向くように配置されている。さらに、Y軸に平行な二辺に位置する、残りのセンスコイル23c,23d,23i,23jは、コイルの中心軸がX軸方向を向くように配置されている。上述のように配置されたセンスコイル23a〜23lによって検出された磁界は、ケーブル24を介して内視鏡挿入形状検出装置8へ出力される。
なお、センスコイルユニット23に格納するセンスコイル23a〜23lは、例えば14個など12個以外の数であってもよく、また、図2に示すような正方形上に配置せずに他の配置をしてもよい。
内視鏡挿入形状検出装置8は、本体の内部に、図3に示すように、電流を印加して各ソースコイル21を駆動させるソースコイル駆動部31と、個々のソースコイル21が所定のタイミング及びそれぞれ異なる所定の周波数で磁界を発生するように、ソースコイル駆動部31を介して個々のソースコイル21を制御するソースコイル制御部32とを有する。図3は、内視鏡挿入形状検出装置8の内部構成を説明するブロック図である。
また、内視鏡挿入形状検出装置8は、センスコイル23a〜23lのいずれかを選択する、センスコイル選択手段としてのセンスコイル選択部33と、選択されたセンスコイルによって検出された磁界を受信し磁界信号に変換して出力する、磁界信号生成手段としての信号検出部34と、センスコイル選択部33を制御したり、信号検出部34から出力された磁界信号に選択されたセンスコイルの情報を付加して出力したりする信号制御部35と、信号制御部35から出力された磁界信号を一時的に記録する信号記録部36と、各ソースコイル21の三次元位置座標を推定する、磁界発生位置推定手段としてのソースコイル位置解析部37と、推定された各ソースコイル21の三次元位置座標に基づき挿入部11の三次元形状を算出する挿入形状画像生成部38と、モニタ9を駆動させて算出された挿入部11の三次元形状を表示させるモニタ駆動部39とも、本体内部に有する。
センスコイル選択部33は、図4に示すように、センスコイル23a〜23lの個数と同数のスイッチ33a〜33lを有するスイッチング回路である。図4は、センスコイルユニット23、センスコイル選択部33、及び信号検出部34の内部構成を説明するブロック図である。センスコイル選択部33は、信号制御部35から受信する制御信号に基づき、例えばセンスコイル23a〜23lのいずれか1つのコイルを選択し、選択したコイルによって検出された磁界のみが、一対の信号線40を介して信号検出部34へ出力されるように、選択したコイルと電気的に接続されたスイッチをONにし、その他のスイッチをOFFにする。なお、センスコイル選択部33によって選択されるセンスコイル23a〜23lの数は1つでなく、センスコイル23a〜23lの個数よりも少ない個数であればよく、例えば一度に複数個を選択し、選択したセンスコイルによって検出された磁界を、それぞれ別の一対の信号線によって信号検出部34へ出力するように構成してもよい。
信号検出部34は、図4に示すように、磁界信号変換部としての、増幅回路41及びA/D変換器42によって構成される。増幅器41とA/D変換器42とは、センスコイル選択部33と接続される一対の信号線40の数と同じ個数だけ設けられている。信号検出部34では、一対の信号線40を介してセンスコイル選択部33から受信した磁界が、増幅回路41によって信号処理可能なレベルまで増幅された後、A/D変換器42によって磁界信号に変換される。変換された磁界信号は、信号制御部35へ出力される。
信号制御部35は、センスコイル23a〜23lのうちいずれか1つのコイルを所定のタイミングで時系列に順次選択し、選択したコイルによって検出された磁界を信号検出部34へ出力するように、センスコイル選択部33を制御する。また、信号制御部35は、信号検出部34から受信する磁界信号と、センスコイル選択部33に出力した制御信号とを関連付け、信号記録部36へ出力する。すなわち、受信した磁界信号に対し、当該磁界信号がどのセンスコイルから検出された磁界に基づき変換されたものであるかという情報を付加し、信号記録部36へ出力する。
なお、信号制御部35は、センスコイル選択部33に対して1つのセンスコイルを時系列に順次選択するように制御するのではなく、同時に2つ以上のコイルを選択するように制御してもよい。また、信号記録部36へ出力する信号は、上記内容のものでなく、例えば、信号記録部36において、センスコイル23a〜23l毎に磁界信号を記録する場所を予め定めておき、信号検出部34から受信した磁界信号と、当該磁界信号が検出されたセンスコイルに対応した、信号記録部36が磁界信号を記録する場所とを出力してもよい。
磁界発生位置推定部としてのソースコイル位置解析部37では、信号記録部36に記録された磁界信号に基づき、各ソースコイル21の三次元位置が推定され、位置情報信号として挿入形状画像生成部38へ出力される。挿入形状画像生成部38では、受信した位置情報信号に基づき、挿入部11の三次元形状が算出される。また、算出された挿入部11の三次元形状に基づき、挿入部11の挿入形状図形が生成され、挿入形状図形信号としてモニタ駆動部39へ出力される。モニタ駆動部39は、受信した挿入形状図形信号に基づきモニタ9を駆動させ、モニタ9に挿入部11の挿入形状図形を描画させる。
次に、上述のように構成された内視鏡システム1の作用について説明する。まず、内視鏡3と内視鏡挿入形状検出装置8とを接続し、観察中に先端部11の挿入形状が検出できるようにする。具体的な手順は次の通りである。まず、挿入形状検出用プローブ6を操作部12に設けられたプローブ挿入口18から先端部14まで挿入する。次に、内視鏡3から延出されたユニバーサルコード13の一端をビデオプロセッサ4に接続して内視鏡3を使用可能な状態にする。最後に、挿入形状検出用プローブ6から延出されたケーブル22の一端と、センスコイルユニット23から延出されたケーブル24の一端とを、内視鏡挿入形状検出装置8に接続し、内視鏡3の挿入部11の形状を検出可能な状態にする。
次に、内視鏡システム1の電源を投入した後、内視鏡3の挿入部11を、ベッド7に横たわる患者2の口などから体腔内へ挿入する。すると、光源部から出射された照明光が、内視鏡3の内部を挿通されたライトガイドを通り、挿入部11の先端部14から被写体に照射される。照明光による被写体の像は、先端部14の対物光学系15によってCCD16の撮像面に結像され、光電変換されて撮像信号として出力される。CCD16から出力された撮像信号は、信号線17を介してビデオプロセッサ4へ出力され、画像処理などが施されて映像信号に変換された後、モニタ5へ出力される。モニタ5には、ビデオプロセッサ4から出力された映像信号が表示され、被写体である患者2の体腔内の像が画像表示される。
一方、内視鏡挿入形状検出装置8のソースコイル制御部32は、ソースコイル駆動部31を介し、挿入形状検出用プローブ6に設けられた個々のソースコイル21に対し、それぞれ他と異なるタイミングで磁界を発生させるように制御する。個々のソースコイル21は、ソースコイル制御部32に制御されたソースコイル駆動部31によって駆動され、挿入部11の挿入形状に応じた磁界を発生させる。
ソースコイル21が駆動されて磁界が発生し始めると、センスコイルユニット23に格納されたセンスコイル23a〜23lでは、ソースコイル21で発生した磁界が検出される。センスコイル23a〜23lにおいて検出された磁界は、ケーブル24を介して内視鏡挿入形状検出装置8のセンスコイル選択部33へ出力される。
センスコイル選択部33では、信号制御部35から出力された制御信号に基づき、例えば図5に示すようなタイミングで、スイッチ33a〜33lをON・OFF動作させる。図5は、センスコイル選択部33におけるスイッチ動作を説明するタイミングチャートである。
図5に示すように、信号制御部35は、まず、センスコイル23aが接続されているスイッチ33aのみONにし、残りのスイッチ33b〜33lはOFFにするように、センスコイル選択部33へ制御信号を出力する。センスコイル選択部33は、信号制御部35から受信した制御信号に基づき、スイッチ33aのみONにし、残りのスイッチ33b〜33lをOFFにする。すると、センスコイル23aによって検出された磁界のみが、一対の信号線40を介して信号検出部34に対し、選択的に出力される。信号検出部34では、受信した磁界が増幅回路41によって信号処理可能なレベルまで増幅され、A/D変換器42によって磁界信号に変換され、信号制御部35へ出力される。
信号制御部35では、信号検出部34から受信した磁界信号が、センスコイル選択部33へ出力している制御信号の内容を関連付けられて、信号記録部36へ出力される。上述の場合、信号制御部35は、受信した磁界信号がセンスコイル23aによって検出された磁界に基づくものであるという情報を、信号検出部34から受信した磁界信号に付加して信号記録部36へ出力する。信号記録部36では、受信した磁界信号と付加情報とが、一時的に記録される。
信号制御部35がセンスコイル選択部33に対し、スイッチ33aのみをONにするように制御信号を出力してから所定期間(t1)が経過すると、信号制御部35は、スイッチ33aをOFFにしてセンスコイル23bが接続されているスイッチ33bをONにするように、センスコイル選択部33へ制御信号を出力する。センスコイル選択部33は、信号制御部35から受信した制御信号に基づき、スイッチ33aをOFF、スイッチ33bをONに切り替える。なお、残りのスイッチ33c〜33lはOFFのままである。すると、センスコイル23bによって検出された磁界のみが、一対の信号線40を介して信号検出部34に対して選択的に出力される。
信号検出部34では、受信した磁界が増幅回路41によって信号処理可能なレベルまで増幅され、A/D変換器42によって磁界信号に変換されて信号制御部35へ出力される。信号制御部35は、受信した磁界信号がセンスコイル23bによって検出された磁界に基づくものであるという情報を、信号検出部34から受信した磁界信号に付加して信号記録部36へ出力する。信号記録部36では、受信した磁界信号と付加情報とが、一時的に記録される。
以降、信号制御部35は、スイッチ33c〜33lを順にONに切り替えるようにセンスコイル選択部33に制御信号を出力する。センスコイル23c〜23lによって検出された磁界は、信号制御部35からの制御信号に従って、センスコイル選択部33から、順次信号検出部34へ出力されて磁界信号に変換され、信号制御部35を介して必要な情報が付加された後、信号記録部36で一時的に記録される。
スイッチ33lをONに切り替えるように制御信号が出力されてから所定期間が経過し、センスコイル23a〜23lで検出された磁界が一通り信号検出部34へ出力されると、信号制御部35は、再びスイッチ33aをONにして残りのスイッチをOFFにするように、センスコイル選択部33へ制御信号を出力する。このようにして、センスコイル23a〜23lで検出された磁界が順次信号検出部34へ出力される動作が、繰り返し行われる。
信号記録部36で一時的に記録された、センスコイル23a〜23lによって検出された磁界に基づく磁界信号を用い、ソースコイル位置解析部37では、個々のソースコイル21の三次元位置座標が推定され、位置情報信号として挿入形状画像生成部38へ出力される。挿入形状画像生成部38では、受信した位置情報信号に基づいて、挿入部11の三次元形状が算出される。また、挿入形状画像生成部38では、算出した挿入部11の三次元形状から、挿入形状図形が生成され、挿入形状図形信号としてモニタ駆動部39へ出力される。モニタ駆動部39では、受信した挿入形状図形信号に基づきモニタ9を駆動させ、挿入部11の挿入形状がモニタ9に表示される。
このように、本実施の形態の内視鏡挿入形状観測装置では、スイッチング回路で構成されたセンスコイル選択部33を設け、センスコイル23a〜23lで検出された磁界を順次信号検出部34へ出力することで、センスコイルユニット23に格納されたセンスコイル23a〜23lの数よりも、信号検出部34を構成する増幅回路41とA/D変換器42との数を少なくすることができ、装置を小型化することができる。また、増幅回路41とA/D変換器42の使用個数を少なくすることで、コストも削減することができ、安価な内視鏡挿入形状観測装置を実現することができる。
なお、本実施の形態においては、内視鏡3の挿入部11に磁界発生素子であるソースコイル21を配置し、内視鏡3の外部に磁界検出素子であるセンスコイル23a〜23lを配置したが、逆の配置、すなわち、挿入部11にセンスコイル23a〜23lを配置し、内視鏡3の外部にソースコイル21を配置するように構成してもよい。
以上の実施の形態から、次の付記項に記載の点に特徴がある。
(付記項1)内視鏡の挿入部に設けられた第一のコイル部と、前記内視鏡の外部に設けられた第二のコイル部と、前記第一のコイル部叉は前記第二のコイル部の一方に磁界を発生させる磁界発生部と、他方が検出した前記磁界のうち少なくとも一つを時分割で順次選択して出力する磁界検出素子選択部と、前記磁界検出素子選択部が検出した前記磁界を磁界信号として出力する磁界検出部と、前記磁界信号に基づき前記磁界発生部の位置を推定する磁界発生位置推定部とを有し、前記磁界検出部の数が、前記磁界検出素子の数よりも少ないことを特徴とする、内視鏡挿入形状観測装置。
3…内視鏡、6…挿入形状検出用プローブ、8…内視鏡挿入形状検出装置、11…挿入部、21…ソースコイル、23…センスコイルユニット、23a〜23l…センスコイル、33…センスコイル選択部、33a〜33l…スイッチ、34…信号検出部、35…信号制御部、40…信号線、41…増幅回路、42…A/D変換器、
Claims (2)
- 単心コイルにより磁界を発生するソースコイルと、
前記ソースコイルにより発生した前記磁界を検出する複数のセンスコイルと、
複数の前記センスコイルを時系列に順次選択するセンスコイル選択手段と、
前記センスコイル選択手段により選択された前記センスコイルにより検出された前記磁界を磁界信号に変換する磁界信号生成手段と、
前記ソースコイル又は前記センスコイルのいずれか一方の位置を前記磁界信号から推定する磁界発生位置推定手段とを具備し、
前記磁界信号生成手段が磁界信号変換部を備えており、前記磁界信号変換部の数が複数の前記センスコイルの数よりも少ないことを特徴とする内視鏡挿入形状観測装置。 - 前記磁界発生位置推定手段によって位置を推定される前記ソースコイル又は前記センスコイルが、内視鏡の挿入部に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の内視鏡挿入形状観測装置。
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