JP2014155592A - 内視鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】 内視鏡を回転しても常に重力の上方向を画面の上方向にするシステムで撮像方向が重力方向の場合に画面の上方向が定まらない。
【解決手段】 被写体を撮像するための撮像部を備えた挿入部と、
前記撮像部により得られた情報を表示部に表示しようとする表示制御手段を備えた制御部と、を有する内視鏡であって、
前記内視鏡は、第一の方向を測定する第一の方向測定手段と、前記第一の方向とは異なる方向である第二の方向を測定する第二の方向測定手段とを有することを特徴とする内視鏡を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、人間が直視できない人体内や構造物内を観察する内視鏡およびそれを有する内視鏡システムに関する。

内視鏡システムにおいて、撮像部を有する内視鏡を回転してもモニタへの表示方向は自動的にあらかじめ決められた方向、例えば、重力方向、に合わせて表示するシステムが知られている。

このような内視鏡システムは、内視鏡の撮像方向があらかじめ決められた方向では定義できない方向である特異点またはその近傍になった場合、表示する画像の基準となる方向を定義できない状態となる。

特異点の近傍では、内視鏡の撮像方向がわずかに変化した場合、表示される画像は上下反転等の急速な変化を起こすため、観察しにくいという問題があった。

特許文献１は、この問題を解決するため、特異点近傍では使用者に対し警告を発すること、さらに特異点またはその近傍に達する直前の上下方向を維持する技術が開示されている。

特開２００６−１３６７２２号公報

しかしながら、特許文献１は、撮像方向が水平方向から徐々に鉛直下方向へと変化していった場合、撮像方向が鉛直下方向となる特異点およびその近傍においては、一つの方向が表示する画像の基準となる方向として固定されてしまい、その後の内視鏡の撮像方向の変化を反映できない。

そのため、観察者は画像内の方向感覚を喪失し、観察対象の位置関係を誤認しやすい状態となっていた。

本発明は、内視鏡が、撮像する方向が第一の方向と同じ方向となる特異点または特異点の近傍にある場合に、表示部に表示する画像の基準となる方向を第一の方向とは異なる第二の方向とすることで、特異点およびその近傍における表示する画像の基準となる方向の誤認を抑制する内視鏡システムを提供することを目的とする。

よって、本発明は、被写体を撮像するための撮像部を備えた挿入部と、
前記撮像部により得られた情報を表示部に表示しようとする表示制御手段を備えた制御部と、を有する内視鏡であって、
前記内視鏡は、第一の方向を測定する第一の方向測定手段と、前記第一の方向とは異なる方向である第二の方向を測定する第二の方向測定手段とを有することを特徴とする内視鏡を提供する。

本発明によれば、内視鏡が、撮像する方向が第一の方向と同じ方向となる特異点または特異点の近傍にある場合に、表示部に表示する画像の基準となる方向を第一の方向とは異なる第二の方向とすることで、特異点およびその近傍における表示する画像の基準となる方向の誤認を抑制する内視鏡システムを提供することができる。

本発明の内視鏡システムの構成の一例を示す模式図である。 本発明の内視鏡システムの動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の内視鏡システムの撮像方向と重力方向とが成す角が一定以上の場合を示す模式図（ａ）および撮像方向と重力方向とが成す角が一定以下の場合を示す模式図（ｂ）である。 本発明の内視鏡システムの他の実施形態を示す模式図である。 本発明の内視鏡システムの撮像方向と重力方向とが成す角が一定以上の場合を示し、内視鏡の回転に合わせて表示される画像の模式図（ａ）および内視鏡の回転を反映しない画像の模式図（ｂ）である。 本発明の内視鏡システムの撮像方向と重力方向とが成す角が一定以上の場合示し、内視鏡の回転に合わせて表示される画像の模式図（ａ）および内視鏡の回転を反映しない画像の模式図（ｂ）である。 本発明の内視鏡システムの撮像方向と重力方向とが成す角が一定未満の場合を示し、内視鏡の回転に合わせて表示される画像の模式図（ａ）および内視鏡の回転を反映しない画像の模式図（ｂ）である。 本発明の内視鏡システムの撮像方向と重力方向とが成す角が一定未満の場合を示し、内視鏡の回転に合わせて表示される画像の模式図（ａ）および内視鏡の回転を反映しない画像の模式図（ｂ）である。

本発明は、撮像部を備えた挿入部を有する内視鏡システムにおいて、表示する画像の基準となる方向を複数有することで、特異点およびその近傍における画像の基準となる方向を適切に定義することができる内視鏡システムである。

撮像部によって撮像された画像は、制御部が有する表示制御手段によって、表示部に表示される。

図１は、第一の実施形態を示す模式図である。撮像部１により撮像された画像は重力センサ２または磁気センサ３により、方向の定義が行われる。

そして、モニタ５またはモニタ７に表示される。モニタ５は、内視鏡本体を回転するとそれに合わせて回転する画像が表示され、モニタ７は、内視鏡本体の回転の影響を打ち消すように画像に逆方向に回転処理が行われる画像が表示される。 モニタ５とモニタ７は画像分岐部４により、受信する情報を区別されている。画像分岐部４は、この位置ではなく、モニタ５または画像回転機能６の内部に組み込まれる形態であってもよい。

画像回転機能６は、内視鏡の回転を反映させる機能である。画像回転機能は、モニタ７に組み込まれる形態でもよい。

画像回転機能６は、コントローラ８と別に描かれているが、これらが一体となった制御部を有する形態であってよい。この制御部により、重力センサ２や磁気センサ３が制御される。制御線９は別個に設けられても、画像データを伝達するデータ線と一体となっていてもよい。

図１の内視鏡システムは、画像撮像部１を有し、観察対象を撮像する。撮像部は、撮像部自体に撮像素子を有していてもよいし、撮像素子を別に有していてもよい。撮像素子を別に有する場合は、撮像部により得られた情報を、光ファイバ等の導光手段によって、撮像素子に伝える形態が挙げられる。

撮像部の撮像素子としては、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の受光素子が挙げられる。そして撮像部はそれら受光素子に適切に光を供給するために、撮像光学系としてレンズ等を有していることが好ましい。

符号２は、重力センサであり、第一の方向測定手段である。重力センサにより、重力方向を認識し、それを基に画像を表示するための基準となる方向を決定している。例えば、重力方向を画像の下方向と定義することが挙げられる。

重力センサ２により表示するための基準方向が決められた画像は、モニタ７に表示される。モニタ７は、内視鏡本体を回転させても、定義された方向を下として表示するモニタである。

本実施形態に係る内視鏡は、第二の方向測定手段として、磁気センサ３を有する。第二の方向測定手段は、第一の方向測定手段では定義できない方向を、画像を表示するための基準とする手段である。

第一の方向測定手段に重力を用い、重力方向を下として表示する定義をし、かつ重力方向を撮像する場合に、第二の方向測定手段を用いる。重力方向を撮像する場合は、重力方向は、撮像光学系に対して垂直になるため、第一の方向測定手段のみでは、画像の下方向を適切に定義できない。

第二の方向測定手段を用いた場合、重力方向を撮像する場合であっても、適切に方向を定義することができる。例えば、第二の方向測定手段として地磁気を利用して磁北を基準とすることができる。

第二の方向測定手段は、磁気を利用するものに限られず、赤外線、Ｘ線、電磁波等を利用することが挙げられる。さらに第一の方向測定手段は、重力を利用するものに限られず、赤外線、Ｘ線、電磁波等を用いることができる。

本発明は、撮像方向と、方向測定手段が決定する方向との組み合わせに、影響されない。

例えば、装着方向は重力センサ２のＸ軸の＋方向が撮像画像の右方向、Ｙ軸の＋方向が撮像画像の上方向、Ｚ軸の＋方向が撮像方向とすることが挙げられる。

また、磁気センサにおいては、装着方向は磁気センサ３のＵ軸の＋方向が撮像画像の右方向、Ｖ軸の＋方向が撮像画像の上方向、Ｗ軸の＋方向が撮像方向とすることが挙げられる。

方向測定手段は、内視鏡の挿入部の先端に設けられても、内視鏡本体に設けられてもよい。

内視鏡の挿入部は、さらに照明装置を有していてよい。照明装置は、外部に光源を有し、光源からの光を光ファイバ等のライトガイドによって導光する形態であっても、それ自体が発光するＬＥＤ等であってもよい。ＬＥＤは無機または有機であってよい。

また、照明光は可視光であっても、赤外線や紫外線等の不可視光であってもよい。

次に動作の説明を行う。本発明に係る内視鏡システムは、第一の方向測定手段と第二の方向測定手段とを有し、第一の基準方向では、定義しにくい方向を第二の方向測定手段によって定義するシステムである。

第一の方向測定手段と第二の方向測定手段とを切り替えるタイミングは、撮像方向と第一の基準方向との成す角が一定以下になる点において切り替えることが挙げられる。

この成す角の角度が条件を満たした場合に自動で切り替えを行う機構においては、撮像方向と第一の方向または第二の方向とが成す角を測定する角度測定手段を有していることが好ましい。

第一の方向測定手段と第二の方向測定手段とを切り替える別の手段は、第一の方向を基準とする状態と第二の方向を基準とする状態とを切り替えることができる切り替え手段を設けることが挙げられる。切り替え手段を用いれば、操作者の意志によって自由に基準の方向を変更することができる。

以下、本発明に係る内視鏡システムの一例として第一の基準方向を重力方向、第二の基準方向を磁場方向として説明する。

図２は、本発明に係る内視鏡システムの動作を表すフローチャートである。Ｓ１では、撮像方向を算出する。撮像方向は、公知の方法で測定することができる。

次にＳ２では、第一の方向と算出した撮像方向とが成す角を算出する。撮像方向を第一の方向からずれている量として算出した場合、Ｓ１とＳ２とを同時に行うことができる。

Ｓ３では、撮像方向と第一の方向とが成す角が一定以上である場合と、一定未満である場合とでＳ４に進むかＳ５に進むかが異なる。成す角が一定以上である場合は、Ｓ４に進み、引き続き第一の方向を基準として撮像を続ける。

一方、成す角が一定未満となった場合は、Ｓ５に進み、第二の方向を基準として撮像をする。

例えば、撮像方向と重力方向とが成す角が１０度以下となった場合に、方向測定手段を磁気センサ（第二の方向測定手段）に変更することが挙げられる。

磁気センサは、地磁気を基準とするものでも、装置の周囲に形成された磁場を基準としてもよい。周囲に磁場を発生させる方法としては、ＤＣ、ＡＣ磁場発生装置を用いる方法が挙げられる。

重力方向を基準とする状態から磁場方向を基準とする状態に変更する角度と磁場方向を基準とする状態から重力方向を基準とする状態に変更する角度とを同じ角度とした場合、その角度の近傍では、基準方向が安定しない。

そのため、基準方向を変更する角度にヒステリシス特性を持たせることが好ましい。具体的には、重力方向を基準とする状態からの変更は、１０度を閾値とし、磁場方向を基準とする状態からの変更は、２０度を閾値とすることが挙げられる。

たとえ磁気センサにより基準の方向が決められている際に、撮像方向と重力方向とが成す角が１０度より大きくなる場合が考えられる。

その場合は、直ちに第一の方向測定手段に切り替えるのではなく、例えば、撮像方向と重力方向とが成す角が２０度以上になる点を切り替える点とすることが好ましい。すなわち、切り替え点にヒステリシス特性を持たせることが好ましい。ここで挙げた「２０度」は一例であり、この値に限られない。

図３は、内視鏡本体１３と、被写体１４とを示す模式図である。

角度θは、撮像方向と重力方向とが成す角を示している。

本発明に係る内視鏡システムの撮像方向を算出する方法の一例を以下に示す。

本発明に係る内視鏡システムの不図示の電源ＳＷが投入され動作開始すると、システムコントローラ８は、重力センサ２、磁気センサ３へ校正指令を出し、画像撮像部１へ起動指示を出し画像撮像部１を起動し画像撮像部１内の不図示の光源をＯＮする。

次にシステムコントローラ８は、内視鏡に取り付けられた重力センサ２の信号から内視鏡撮像方向の姿勢を計算する。

ここでは、撮像方向をＺ軸、Ｚ軸に対して垂直な平面内かつ、ＣＣＤ等撮像デバイスの水平方向をＸ軸、Ｘ軸と同一平面内かつＸ軸に垂直方向をＹ軸とする。

Ｘ軸方向の加速度成分ｘとＹ軸方向の加速度成分ｙの二乗和の平方根から撮像方向と直角方向の加速度成分を算出する。この値とＺ軸方向の加速度成分ｚから、

を計算することで重力方向に対する撮像方向θが計算できる。

但し、ａｒｃｔａｎ２（ｙ，ｘ）は複素平面上の４象限逆正接であり、ｙが虚数部、ｘが実数部である。複素平面において実軸正の領域から点（ｘ，ｙ）までの反時計回り方向の角度を示す。

範囲は一般のｔａｎ^−１（逆正接）が、−π／２（９０°）＜ ｔａｎ^−１（ｙ／ｘ） ＜π（９０°）で実軸正領域のみの２象限であるのに対し−π（−１８０°）＜ ａｒｃｔａｎ２ （ｙ，ｘ） ≦π（１８０°）である。またａｒｃｔａｎ２をｔａｎ^−１で表わすと、

となる。

（撮像方向と重力方向とが成す角が一定以上の場合）
ここで図２のＳ２で示すブロックにおいて、撮像方向と重力方向とが成す角を算出する。Ｓ３では、算出された角度が特定の角度、例えば１０°以上であれば、処理はＳ４へ移行し、
Φ＝ａｒｃｔａｎ２（ｙ，ｘ）＋π／２ ・・・（３）
から計算したΦの角度より映像表示出力の上方向を決定する。

図５（ａ）に示すように重力方向とＹ軸のマイナス方向が一致している場合は加速度センサのｘ成分は０であり、ｙ成分はマイナスの値となる。この場合（３）式から得られるΦが０ｒａｄ（０°）になり図５（ｂ）に示すように画像回転は不要である。

次に図６（ａ）に示すように内視鏡を反時計回りに３０°回転させた場合を考える。この場合、ｘ＜０かつｙ＜０でｘ：ｙ≒１：１．７３２となり、（３）式の値は約−０．５２４１１ｒａｄ（−３０°）となる。括弧外の数字の単位は、ラジアンで表し、括弧内の数字の単位は度で表している。

図６（ｂ）に示すように、撮像デバイスの撮像領域が３０°反時計回りに回転したことで画像が−３０°反時計回りに回転しているので、画像回転機能６で逆回転補正、すなわち時計回りに−０．５２４１１ｒａｄ（−３０°）画像回転機能６で画像回転処理し回転画像モニタ７から出力する。

（撮像方向と重力方向とが成す角が一定以下の場合）
図２のフローチャート内のＳ３で示すブロックで撮像方向と重力方向とが成す角が特定の角度、例えば１０°未満であれば、処理はＳ５へ移行し、
Φ＝ａｒｃｔａｎ２（ｖ，ｕ）−Φ０ ・・・（４）
から計算したΦの角度より映像表示出力の上方向を上記同様に決定する。

ここでΦ０は、画像回転しない状態での画面上方向を患者の頭部方向に合わせた場合の磁気センサ３の磁気計測値出力の水平成分ｕ０，ｖ０から計算された方位補正角度である。別の言い方をすれば磁北と磁気センサ３のＵ軸＋方向との角度偏差である。
Φ０＝ａｒｃｔａｎ２（ｖ０，ｕ０） ・・・（５）

この様子を図３（ｂ）と図７（ａ）に示す。磁気センサ３の撮像方向に平行な方向をｗとするが今回ｗは使用しない。しかし磁気の方向が水平面からずれている場合には、ｕ，ｖ，ｗを使用し磁気方向を３次元空間の磁気ベクトルとして算出し水平面に射影することで精度向上を図ることが可能である。

図７（ａ）には、０＜ｕかつ０＜ｖでｕ：ｖ≒１：２．７４７となり、（５）式のΦ０の値は約１．２２１６８（７０°）となる。

次に図８（ａ）に示すように内視鏡の撮像方向を反時計回りに３０°回転させた場合を考える。ｕ：ｖ＝１：０．８３９と計測され（４）式より、Φ≒−３０°が得られる。

図８（ｂ）に示すように、撮像デバイスの撮像領域が３０°反時計回りに回転したことで画像が−３０°反時計回りに回転しているので、画像回転機能６で逆回転補正、すなわち時計回りに−０．５２４１１ｒａｄ（−３０°）画像回転機能６で画像回転処理し回転画像モニタ７から出力する。

ここで説明した重力センサや磁気センサは公知のものを使用することができる。

さらに重力を基準とする状態から、磁場を基準とする状態へと変更する角度は任意の値に変更できることが好ましい。

設定範囲としては５度以上４０度以下に切り替えの点を設けることが好ましい。また設定した角度とは関係なく、基準とする方向を変更できる機構を備えることが好ましい。

基準方向が変更となる際に、突然画像が切り替わることを避けるために、スムージング機能を有する表示装置とすることが好ましい。スムージング機能は、表示部が有していても、制御部が有していてもよい。

具体的には画像の回転ベクトル、すでに二次平面上での回転なので２行２列の行列、の回転角度を画面上方向モード変更前の角度から変更後の角度に徐々に変えてゆく。

角度を替えて行く割合は直線補間、Ｓ字補間など公知の技術を用いることができる。スムージング機能も、ＯＮ／ＯＦＦできることが望ましい。

磁場を用いて第二の方向を設定する場合は、表示される画像の上方向が、患者の頭部方向と一致するように設定することが好ましい。

図１には非回転画像モニタ５と回転画像モニタ７があるが、前者は操作者用であることが好ましい。操作者にとっては自分が回転したのがそのまま画像に反映されるのが分かり易いためである。

それに対して、他で見ている見学者等には、内視鏡がどのように回転されているのか分からないので自動的に回転補正し重力や患者頭部上にした回転画像モニタ７を見る方が分かり易いため、モニタ７は見学者等の内視鏡操作者以外用とすることが好ましい。

図４は図１の内視鏡システムのシステムコントローラ８からの制御線９の一つに画面上方向モードを出力し画像スーパ部１０とＬＥＤ１１へ出力した構成例である。

画像スーパ部１０は画像回転機能６の出力と回転画像モニタ７の間に挿入され、回転画像モニタ７へ出力される画像信号の一部に表示の基準となる方向が第一の方向または第二方向であることを表示する。

この表示は、表示のどこに設けられてもよく、撮像された画像とは別の領域に表示されても、撮像された画像に重畳させて表示してもよい。この表示をすることで回転画像モニタ７の観察者が現在の画面の基準方向が第一の方向または第二の方向であることを把握することができる。

図４には不図示であるが、画像分岐部４と非回転画像モニタ５の間にも画像回転機能６を挿入すれば、操作者に現在の観察者が見ている状況を提示することも可能である。

図４にはさらに図１の内視鏡システムのシステムコントローラ８に角度センサ校正指示スイッチ１２を接続した例も記載されている。

使用方法は図２の動作フローにおける起動処理時や使用中に随時、患者の頭部方向と画像撮像部１の撮像デバイスの上方向を合致させ角度センサ校正指示スイッチ１２を押すことで、磁気方向と患者頭部方向の角度差であるΦ０（前記式（５））を新たに得てまた更新する。

これにより患者や患者の手術ベッドが水平回転した場合や磁気環境が変化した場合にも随時対応可能となる。

本発明に係る内視鏡は、撮像部を複数有していてもよい。そして、複数の撮像部が得た情報から３次元画像を生成する回路を有することが好ましい。

本発明に係る内視鏡は、挿入部に処置具を有していてもよい。処置具を有することで内視鏡による観察と同時に治療を行うことができる。

１ 画像撮像部
２ 重力センサ
３ 磁気センサ
４ 画像分岐部
５ 非回転画像モニタ
６ 画像回転機能
７ 回転画像モニタ
８ コントローラ
９ 制御線
１０ 画像スーパ部
１１ ＬＥＤ
１２ 角度センサ校正指示スイッチ
１３ 内視鏡挿入部
１４ 被写体

Claims (15)

1. 被写体を撮像するための撮像部を備えた挿入部と、
   前記撮像部により得られた情報を表示部に表示しようとする表示制御手段を備えた制御部と、を有する内視鏡であって、
   前記内視鏡は、第一の方向を測定する第一の方向測定手段と、前記第一の方向とは異なる方向である第二の方向を測定する第二の方向測定手段とを有することを特徴とする内視鏡。
2. 前記内視鏡は、前記第一の方向または前記第二の方向と、前記撮像部が撮像している撮像方向とが成す角度を測定する角度測定手段を有することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
3. 前記第一の方向を基準とする状態から、前記第二の方向を基準とする状態へ移行する場合の前記撮像方向と前記第一の方向とが成す角の閾値と、
   前記第二の方向を基準とする状態から、前記第一の方向を基準とする状態へ移行する場合の前記撮像方向と前記第二の方向とが成す角の閾値と、が異なることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡。
4. 前記第一の方向測定手段と、前記第二の方向測定手段とを変更する閾値は、前記撮像方向と前記第一の方向または前記第二の方向とが成す角が、５度以上４０度以下の範囲に設定されていることを特徴とする請求項２または３に記載の内視鏡。
5. 前記第一の方向を基準とする状態と、前記第二の方向を基準とする状態とを切り替えるための切り替え手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の内視鏡。
6. 前記第一の方向は重力方向であり、前記第二の方向は磁場方向であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の内視鏡。
7. 前記内視鏡は、照明装置をさらに有していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の内視鏡。
8. 前記照明装置は、外部の光源に接続されている光ファイバを有することを特徴とする請求項７に記載の内視鏡。
9. 前記撮像部の出力に画像分岐部を備え、前記画像分岐部は回転処理する前の画像と回転処理された画像とを出力することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の内視鏡。
10. 複数の前記撮像部を有し、前記撮像部が得た情報から３次元画像を生成する回路を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の内視鏡。
11. 前記第一の方向測定手段は、前記挿入部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の内視鏡。
12. 前記挿入部に処置具を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の内視鏡。
13. 前記表示制御手段と接続された表示部と、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の内視鏡を有することを特徴とする内視鏡システム。
14. 撮像部により撮像された情報を表示部に表示する表示方法であって、
    第一の方向を表示される画像の基準の方向とする第一のモードと、第一の方向とは異なる第二の方向を表示される画像の基準の方向とする第二のモードとを有することを特徴とする表示方法。
15. 前記第一の方向または前記第二の方向を基準としていることを表示部に重畳させて表示する機能をさらに有することを特徴とする請求項１４に記載の表示方法。

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