JP2014502174A - ３ｄ機能を有する内視鏡 - Google Patents

Abstract

本発明は対象物（５）の大きさを定量的に決定するための内視鏡（１０）に関する。空洞内に、ライトガイド（３）に結合された投影器（４）が器具用チャネル（７）を通して挿入可能である。挿入位置において投影器がパターンを規定の照明角度(α)で観察すべき対象物（５）に投影する。カメラ（１）がこの投影されたパターンを固定の観察角度(β)にて対象物（５）に応じて歪められた形で検出する。その歪められた形が三角測量法により対象物（５）の大きさを定量的に決定するために利用される。
【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１の前文による３Ｄ機能を有する内視鏡に関する。

現在、内視鏡検査における病気構造の広がりの判定は推量に基づいて行われる。病気構造の正確な測定は現時点で使用可能な方法では不可能である。更に、従来では、内視鏡画像が２次元表示であるために、平面情報に対する大雑把な推量しかできない。体積測定は不可能である。しかし、多くの胃腸病の場合に、まさにこれらのパラメータは更なる診断および治療のために重要な役割を果たす。これに関しては、例として、所謂バレット食道、大腸ポリープ又は慢性炎症性腸疾患が挙げられるであろう。

バレット食道は食道における胃への移行部での前癌症状を意味し、所謂逆流症（主症状：胸やけ）の患者の約１０％がその前癌症状に該当する。最近の２５年間に逆流症の猛烈な増加が記録され、それに続き食道癌もそうであった。（しばしば、生存期間がほんの２，３か月しかない）最悪の予後によって区別される進行性所見とは対照的に、バレットおよび食道癌の早期形態は比較的良好に、殆ど侵襲的でない方法（手術なし）で治療することができる。これらの病変の早期検診時に各病変の広がりは重要な役割を果たす。体積測定が可能になれば、この病気における早期発見および予防の新しい展望が開かれるであろう。

久しい以前から既に大腸ポリープの大腸癌への関連性が知られている。国際ガイドラインのような全国的なガイドラインによれば、大腸癌の発生を防止するために、それらのポリープをできるだけ早期に取り除くことが推奨されている。しかし、全てのポリープが大腸癌を招くわけではない。所謂高リスクポリープ（大腸癌を発生するリスクの高いポリープ）は、それらの大きさおよび表面構造（所謂ピットパターン）に基づいて識別される。コストの観点から、できるだけこれらのポリープのみを検出して取り除くように努められる。しかし、現在において使用可能な方法によっては、ポリープの正確な識別ができないので、一般に検出されたポリープの全てを切除しなければならない。それによって生じる高いコスト、即ち、切除と、しばしばその結果として生じる患者の静止撮像と、その後での組織病理学的な診断とにかかる高いコストは、ポリープおよびポリープ表面のより正確な３次元識別によって、将来的に節減できるであろう。

慢性炎症性腸疾患は、胃腸管の内視鏡検査のための他の重要な適応症である。当該患者は、生活の質の明らかな制約に悩まされ、しばしば副作用の多い薬剤治療に頼らざるを得ない。更に、当該患者は正規母集団と比べて部分的に明らかに高められた癌発生リスクを有する。この理由から、当該患者の内視鏡診断にとって当該粘膜のできるだけ正確な描出が非常に重要であるが、現在の内視鏡検査法には既述の限界があるために、正確な描出は部分的に極めて限定的にしか可能でない。当該粘膜部分の体積測定によって、患者における正確な診断が可能となり、従って的確な治療、監視および予防が可能となるであろう。

医用内視鏡検査法の浸透が今まで比較的少なかったが、３Ｄ測定技術分野の技術革新によって、新しい改善された診断可能性を実現するチャンスが生まれた。既存の内視鏡技術の単純ではあるが有効な拡張によって高度の受け入れが達成される。

従来技術に基づく現在のアプローチは、ステレオスコープ法又は写真測量法によるアプローチを基礎としており、このアプローチは、２つの並列の観察光学系による高価な費用を必要とし、明確に認識可能な対象物構造（自然のままの特徴）を前提とし、更に、いわばリアルタイムで高い走査速度にて動作可能にするために極端に大きな計算容量を前提とする。表面が認識可能でない構造を有する場合、これらの分野では３Ｄ撮像ができない。３Ｄ検出は部分的にしかできない。上述の２つの並列の観察光学系の原理は図１から分かる。他のこのようなアプローチの例は特許文献１から引き出すことができる。

エアランゲン−ニュルンベルク大学のパターン認識の講座において他のアプローチが実践された。これは、深さデータが光走行時間の測定によって取得される「３Ｄハイブリッドシステム」である。しかし、この場合には、到達可能な分解能が３次元の全てにおいて非常に制限されている。何故ならば、光走行時間の精密な測定が、画像ピクセル（カメラピクセル）ごとに必要であり、それゆえ高度に専門化されたカメラ開発を必要とするからである。最善の条件のもとではセンチメートル範囲内の分解能を達成することができる。

実際には、既に９０年代において、位相格子投影を用いた３Ｄ内視鏡検査法への挑戦を誘発するアプローチがあった。しかし、これは多数（少なくとも６つ）の投影位相位置の撮像を必要とし、従って画像交換が可能な非常に複雑な投影器を必要とする。更に、この解決策は、僅かな寸法および僅かな重量のような内視鏡周辺条件による基準範囲内で実現されなければならない。更に、画像列速度は、画像ぶれが測定の不正確さをもたらさないように、非常に高くなければならない。

第３の次元を測定するためにさまざまの技術が試された。これは、特に次のような従来技術に基づく上述の方法にも関係している。
位相コード形の能動的な三角測量法、
光走行時間法、
共焦点３Ｄ法、
レーザスキャンニング法。

しかし、多くの特性において傑出した方法、所謂「カラーコード式三角測量法（Colour Coded Triangulation ; ＣＣＴ）」が特別に注目された。もともと、人間の顔の３次元測定用のＣＣＴは生物測定に使用するために開発され、化粧品工業の用途にも使用された。

図２において顔に投影されたカラーコード化された線状パターンが明白に認識できる。投影方向と観察方向とが異なるために、本来は真直ぐな線が顔の３次元形状によって変形させられる。この変形から再び第３の次元が算定される。他の適用分野は自動車工業において車両組立時に車軸間隔を測定するために開拓され、また補聴器の分野において開拓された。

特許文献２は、対象物を光学的に検出する撮像装置と対象物を照射する照明装置とを備えた光学式の対象物３次元検出のための内視鏡を開示している。この内視鏡装置は、光学的なパターンを発生するためのパターン発生装置と、撮像装置に付設された第１の偏向面およびパターン発生装置に付設された第２の偏向面を有する偏向装置と、光学的窓を有する縦長のハウジングとを含み、その光学的窓の領域内にその偏向装置が設けられており、撮像装置、偏向装置およびパターン発生装置がハウジングの長手軸に沿って配置されている。

独国特許第４４２４１１４号明細書、「３Ｄビデオ内視鏡」、ケルンフォルシュンクスツェントルム・カールスルーエ・ゲーエムベーハー、ＤＥ−７６１３３、カールスルーエ 独国特許出願公開第１９７４２２６４号明細書、「内視鏡」フォスラー・エールステ・パテントフェルヴェルトゥンクスゲゼルシャフト・エムベーハー、ＤＥ−７４６１３、エーリンゲン

従って、本発明の課題は、胃内視鏡検査法又は大腸内視鏡検査法における通常の装置環境を維持して構造的にコンパクトに構成されると共に、３次元表面表示の正確な算定、体積測定および観察される対象物の正確な広がりの決定を可能にする、３Ｄ機能を有する内視鏡を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、請求項１に記載されている特徴事項によって解決される。本発明の有利な実施形態は他の請求項に記載されている。

器具用チャネルを通して投影装置が挿入可能であり、この投影装置により挿入位置においてパターンが規定の照明角度のもとで観察すべき対象物に投影され、
カメラが、この投影されたパターンを固定の観察角度で対象物に応じて歪められた形で検出し、
歪められた形が三角測量法により対象物の大きさの定量的な決定のために利用されることによって、
胃内視鏡検査法又は大腸内視鏡検査法における装置環境を維持し、簡単に取り扱うことができ、かつ他の撮像法のためのカメラ又はイメージガイドのような既存の構成要素を利用する内視鏡が提供される。

従って、次の利点が付加的にもたらされる。

ｉ）従来の標準的な内視鏡装備品を多重利用することによる大きな効果をともなう簡便な適用可能性；

ｉｉ）通常の機能が維持されたままであることによる新製品の高い容認性；

ｉｉｉ）追加コストが相対的に少ない。

本発明の特定の実施形態について、観察側とは反対側に光源が配置されるならば、次の利点がもたらされる。

ｉｖ）観察空間内に熱放出が生じない。

ｖ）ライトガイドに接続される投影レンズは、光源が除去されているので、器具用チャネル内に付加的な電気配線を必要としない。

本発明に従って内視鏡において実現されるこの三角測量法は、対象物つまり器官の３Ｄ表面のトポロジーが分かるだけでなく、特に、このトポロジーが定量的に決定可能であることを意味し、画像内に現れる２つの対象物の距離が正確に分からない２Ｄ内視鏡検査法とは相違している。

画像処理により解剖学的又は病理学的なランドマークを識別し、それに続いて画像内に正確な距離を表示するのが有利である。任意選択的に胃腸科医はその都度表示された画像内に個別マークをセットすることができ、その後にそれぞれの間隔が表示されるとよい。更に、曲面、例えば胃の全表面又は胃の体積を定量化することができる。しわの場合に、しわの割れ目の平均深さを評価して表示することもできる。

付加的に、動的な３Ｄパラメータを測定することができ、従って、例えば胃の体積を時間に関係して測定することができ、このことは例えば胃内容排出障害の診断にとって重要である。

以下において本発明を図面に基づいて例を挙げて更に詳細に説明する。

図１は従来技術に基づく２つの並列の観察光学系を有するステレオスコープ法又は写真測量法による装置を示す図である。 図２は顔におけるカラーコード化された線状パターンを示す図である。 図３はＣＣＴ受信器を有する内視鏡の本発明の実施形態の原理図である。

図３は本発明の実施形態の原理図を示す。

内視鏡の外側に又は内視鏡に直に配置された光源２が設けられ、この光源２がライトガイド３を介して投影装置に接続されている。

撮像レンズ７が設けられ、その受信光線がレンズ系６を介してカメラ１に導入される。

内視鏡１０において実現される医用技術撮像法は従来の標準的な内視鏡を基礎として、特にＣＣＴ法（カラーコード式三角測量法）の如き三角測量法に関係している。（カラー）パターンが照明角度αで観察もしくは測定すべき対象物５に対して投影され、測定対象物５において視認可能な(カラー)パターンが観察角度βでカメラ１により撮像される。照明角度および観察角度は投影空間内もしくは観察空間内におけるパターンの広がりによって決められている。対象物５の形状によって、投影されたパターンが歪められ、この歪みから再び対象物５の３Ｄ形状が特別のアルゴリズムにより再構成される。１つのパターンのみが投影されるので、投影器の範囲内での技術的費用は相対的に僅かである。従って、この撮像法は既存の内視鏡１０においても実現可能であり、ぶれに対して耐性があり、リアルタイム（３０Ｈｚ）で動作可能である。ＣＣＴのためのカラーパターンの代わりに単色パターン又は複数のパターンの列を投影してもよく、位相コード式の能動的な三角測量法の如き従来の標準的な三角測量法を評価のために使用してもよい。

同時にカメラ１の視野内に納まらない「大きい」対象物の場合には、各カメラ撮像により３Ｄ空間の部分領域が検出される。部分領域においてオーバラップする複数の撮像を行うことによって、大きな対象物５を、「データスティッチング（Datastitching）」により３次元の形に再構成することができる。１つの表面の個々の３次元部分は、相応の数学的操作により、オーバラップができるだけ最適になるまで３Ｄパズルにおけるようにつなぎ合わされる。

胃内視鏡検査法又は大腸内視鏡検査法における通常の装置環境を維持することによって、このような内視鏡１０は重要な機能を全て維持されたままである。３Ｄ機能は、器具用チャネル８を利用することによって実現することができる。この器具用チャネル８は２．５ｍｍ〜４．５ｍｍの典型的な直径を有する。この大きさ範囲の直径であれば、光学的な投影装置４を内視鏡１０の先端まで案内することができる。この投影装置４は、投影すべきパターンのための投影構造を有するスライドと、光源２の白色投影光をスライドへ的確に導入するための光学系と、パターンを対象物５に投影する投影光学系４とを含んでいる。その光の導入は、内視鏡の湾曲に適応する可撓性のライトガイド３によって行われる。三角測量を実現するために、付加的に、もともと存在する内視鏡１０の結像光学系７が利用される。内視鏡１０の全ての機能が３Ｄ測定中のチャネルの使用可能性を含めて維持されたままである（洗浄機能、空気供給、内視鏡先端を動かすためのバウデンワイヤ等）。

器具用チャネルを通して挿入可能な投影装置４が、（内視鏡１０の使用部位に関係して）観察側９に対して次のように構成されている。

ａ）投影レンズ４が、内視鏡１０の観察側とは反対側に配置されている光源２に、ライトガイド３を介して接続されている。

ｂ）投影装置４が、観察側９に、光源２および投影レンズ４を含む。給電は、投影装置内にあるバッテリー又は器具用チャネル内にある電気配線によって行われる。この配線は、投影装置４と一緒に器具用チャネル８内に挿入される。

投影装置４の上述の構成に関係なく、観察側９に機械的装置を設け、投影装置４を押し込んだ際にこの装置が観察側９において所定の方法でロックされるようにするとよい。それによって、投影のための照明角度αが定まる。

カメラ１は、図３に示されているように、同様に観察側９とは反対側に配置されているとよい。その場合に撮像レンズ７によって検出されるパターンはレンズ系６又はイメージガイドを介してカメラ１へ案内される。カメラ１が全体として観察側９に配置されている実施形態も可能であるが、図示されていない。

１ カメラ
２ 光源
３ 器具用チャネル内のライトガイド
４ カラーパターン投影器、投影レンズ、投影装置
５ 対象物、観察すべき対象物
６ レンズ系
７ 撮像レンズ、前面レンズ
８ 器具用チャネル
９ 観察側
１０ 内視鏡、胃検査又は大腸検査用の内視鏡
α 照明角度
β 観察角度

本発明は、空洞内に器具用チャネルとカメラとを含む、対象物の大きさを定量的に決定するための、３Ｄ機能を有する内視鏡に関する。

この課題は、本発明によれば、空洞内に器具用チャネルとカメラとを含む、対象物の大きさを定量的に決定するための内視鏡において、器具用チャネルを通して投影装置が挿入可能であり、この投影装置により挿入位置でパターンが観察すべき対象物に投影され、カメラがこの投影されたパターンを対象物に応じて歪められた形で検出し、その歪められた形が三角測量法により対象物の大きさを定量的に決定するために利用されることによって解決される（請求項１）。
本発明の有利な実施形態は次の通りである。
・投影装置がライトガイドを介して光源に接続され、投影すべきパターンが投影装置内にあるスライドによって形成される（請求項２）。
・光源が観察側とは反対側の内視鏡の端部に配置されている（請求項３）。
・投影装置が光源を含み、投影すべきパターンが投影装置内にあるスライドによって形成される（請求項４）。
・光源の給電のために投影装置がバッテリーを含んでいる（請求項５）。
・光源の給電のために投影装置が、器具用チャネル内にある電気配線を備えている（請求項６）。
・対象物の大きさの定量的決定が三角測量法により選択的に、対象物の３次元表面形状の算定、表面の面積の算定、対象物の体積測定、又は異なる方向における対象物の正確な広がりの決定を含む（請求項７）。
・投影パターンが、コード化されたカラーパターンである（請求項８）。
・投影パターンが単色パターンである（請求項９）。
・投影器が複数のパターンの列を投影する（請求項１０）。
・三角測量法としてカラーコード化式三角測量法が使用される（請求項１１）。
・観察側の端部に、予め定められた位置に押し込まれた際の投影装置をロックする機械的装置を有する（請求項１２）。

Claims (12)

1. 空洞内に器具用チャネル（８）とカメラ（１，７）とを含む、対象物（５）の大きさを定量的に決定するための内視鏡（１０）において、
   器具用チャネル（８）を通して投影装置（４）が挿入可能であり、この投影装置（４）により挿入位置でパターンが観察すべき対象物（５）に投影され、
   カメラ（１）がこの投影されたパターンを対象物（５）に応じて歪められた形で検出し、
   その歪められた形が三角測量法により対象物（５）の大きさを定量的に決定するために利用されることを特徴とする内視鏡（１０）。
2. 投影装置（４）がライトガイド（３）を介して光源（２）に接続され、投影すべきパターンが投影装置（４）内にあるスライドによって形成されることを特徴とする請求項１記載の内視鏡（１０）。
3. 光源（２）が観察側（９）とは反対側の内視鏡（１０）の端部に配置されていることを特徴とする請求項２記載の内視鏡（１０）。
4. 投影装置（４）が光源（２）を含み、投影すべきパターンが投影装置(４)内にあるスライドによって形成されることを特徴とする請求項１記載の内視鏡（１０）。
5. 光源（２）の給電のために投影装置（４）がバッテリーを含んでいることを特徴とする請求項４記載の内視鏡（１０）。
6. 光源（２）の給電のために投影装置（４）が、器具用チャネル内にある電気配線を備えていることを特徴とする請求項４記載の内視鏡（１０）。
7. 対象物（５）の大きさの定量的決定が三角測量法により選択的に、
   対象物（５）の３次元表面形状の算定、
   表面の面積の算定、
   対象物（５）の体積測定、又は
   異なる方向における対象物（５）の正確な広がりの決定
   を含むことを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の内視鏡（１０）。
8. 投影パターンが、コード化されたカラーパターンであることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の内視鏡（１０）。
9. 投影パターンが単色パターンであることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の内視鏡（１０）。
10. 投影器が複数のパターンの列を投影することを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の内視鏡（１０）。
11. 三角測量法としてカラーコード化式三角測量法が使用されることを特徴とする請求項８記載の内視鏡（１０）。
12. 観察側（９）の端部に、予め定められた位置に押し込まれた際の投影装置（４）をロックする機械的装置を有することを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の内視鏡（１０）。

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