JP2015119772A - 形状検知システム - Google Patents

Abstract

【課題】装置規模を大きくすることなく、また、電子内視鏡の挿入部の外径を太くすることなく、軟性で長尺な物体の形状及び姿勢を検知することができる形状検知システムを提供する。
【解決手段】軟性で長尺な物体の形状及び姿勢を検知するためのデータを出力する検知部１１と、検知部１１から出力されたデータを処理するデータ処理部１２とを備え、検知部１１は、物体の長手方向の複数個所に設けられて物体の形状を検知するためのデータを出力する第１のセンサ２１と、物体の一端に設けられて物体の姿勢を検知するためのデータを出力する第２のセンサ２２とを有し、データ処理部１２は、物体の形状を検知するためのデータと物体の姿勢を検知するためのデータとに基づいて、第２のセンサ２２を座標原点としたときの物体の形状及び姿勢を検知する。
【選択図】図２

Description

本発明は形状検知システムに関する。

チューブなどの軟性で長尺な物体の形状を検出する形状検出装置がある。特許文献１には、電子内視鏡の挿入部内にコイルを磁気発生素子として複数設置し、検査ベッド付近に設置した磁場検知アンテナを用いて磁気発生素子の位置を推定し、電子内視鏡の形状を検出して表示する内視鏡形状検出装置が開示されている。

特開２０００−０８１３０４号公報

上記の内視鏡形状検出装置は、ベッドに横たわる患者の体腔内に電子内視鏡の挿入部を挿入して内視鏡検査を行う際の挿入補助手段として用いられ、内視鏡装置と合わせて内視鏡システムを構成する。
しかしながら、上記の内視鏡形状検出装置では、検査ベッド付近に設置した磁場検知アンテナを含めて内視鏡システムの装置規模が大きくなり、検査を行う医師や看護師の動作の妨げになるという問題点があった。また、電子内視鏡の挿入部内にコイル部材を挿入して設置する必要があり、挿入部の外径が太くなるという、挿入部の細径化に反する問題点があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、装置規模を大きくすることなく、また、電子内視鏡の挿入部の外径を太くすることなく、軟性で長尺な物体の形状及び姿勢を検知することができる形状検知システムを提供することを目的とする。

本発明に係る形状検知システムは、軟性で長尺な物体の形状及び姿勢を検知するためのデータを出力する検知部と、前記検知部から出力されたデータを処理するデータ処理部とを備え、前記検知部は、前記物体の長手方向の複数個所に設けられて前記物体の形状を検知するためのデータを出力する第１のセンサと、前記物体の一端に設けられて前記物体の姿勢を検知するためのデータを出力する第２のセンサとを有し、前記データ処理部は、前記物体の形状を検知するためのデータと前記物体の姿勢を検知するためのデータとに基づいて、第２のセンサを座標原点としたときの前記物体の形状及び姿勢を検知するものである。
この構成により、大きなアンテナを設置して装置規模を大きくすることなく、また、電子内視鏡の挿入部の外径を太くすることなく、軟性で長尺な物体の形状及び姿勢を検知することができる。

本発明により、装置規模を大きくすることなく、軟性で長尺な物体の形状及び姿勢を検知することができる形状検知システムを提供することができる。

実施の形態に係る検知システム１０の全体構成を示すブロック図である。 実施の形態に係る検知部１１の構成を示す図である。 実施の形態に係る表示部１４の表示画像の例を示す図である。 実施の形態に係る形状検知部２１のひずみゲージを貼付したチューブ４１の外観を示す図である。 実施の形態に係る形状検知部２１のひずみゲージ５１とゲージリード５２との配置を示す図である。 実施の形態に係る形状検知部２１のひずみゲージ６１、６２の配置を示す図である。 実施の形態に係る形状検知部２１のひずみゲージ６１、６２の配置を示す別の図である。 実施の形態に係る形状検知部２１のひずみゲージ６１、６２の別の配置を示す図である。 本実施の形態に係る形状検知部２１のひずみゲージの結線方法を示す回路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
本実施の形態の検知システムは、内視鏡装置に設置されて、内視鏡装置の軟性で長尺な挿入部の形状及び姿勢を検知するものである。一般的に、内視鏡装置は、体腔内に挿入され対象部位の観察、処置を行うための電子内視鏡と、電子内視鏡と接続して電子内視鏡で得られた対象部位の画像を観察するための内視鏡観察装置と、内視鏡観察装置より出力される内視鏡画像を表示する表示装置とを備えている。また、電子内視鏡は、体腔内に挿入する挿入部と、挿入部の基端部に連設された操作部とを有している。

図１は、本実施の形態に係る検知システム１０の全体構成を示すブロック図である。
検知システム１０は、検知部１１、データ処理部１２、描画処理部１３、表示部１４、制御部１５などを備えている。
検知部１１は、内視鏡装置の電子内視鏡にひずみゲージ及び磁気センサを設置して、電子内視鏡の挿入部の形状及び姿勢を検知するためのデータを出力する。検知部１１の構成については後述する。

データ処理部１２は、検知部１１が取得した各種の離散的なデータを処理する。
描画処理部１３は、データ処理部１２が処理したデータに基づいて挿入部の３次元的な描画を行い、表示データを生成する。
表示部１４は、描画処理された結果である挿入部の形状及び姿勢を表示する。
制御部１５は、検知部１１、データ処理部１２などの検知システム１０の各部分の動作及び検知システム１０の全体の動作を制御する。

なお、制御部１５が実現する各構成要素は、例えば、コンピュータである制御部１５が備える演算装置（図示せず）の制御によって、プログラムを実行させることにより実現できる。より具体的には、制御部１５は、記憶部（図示せず）に格納されたプログラムを主記憶装置（図示せず）にロードし、演算装置の制御によってプログラムを実行して実現する。また、各構成要素は、プログラムによるソフトウェアで実現することに限ることなく、ハードウェア、ファームウェア及びソフトウェアのうちのいずれかの組み合わせなどにより実現しても良い。

上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えば、フレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば、光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。

また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されても良い。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバなどの有線通信路、または無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

図２は、本実施の形態に係る検知部１１の構成を示す図である。電子内視鏡と検査ベッドとに設けられた検知部１１の構成を示している。検知部１１は、形状検知部２１、姿勢検知部２２などを有する。
形状検知部２１は、形状検知の対象である電子内視鏡の挿入部の長手方向に複数の検知部位２３を設けたもので、挿入部の３次元形状を検知するための各検知部位２３の相対位置に係るデータを出力する。検知部位２３は、挿入部の内部のチューブの外表面にひずみゲージを貼付したものである。挿入部とその内部のチューブとは、形状や曲げの状態がおおよそ一致する。そこで、ひずみゲージを内部のチューブの表面の断面方向の上下左右に貼付して、ひずみゲージからの出力信号をデータ処理部１２などで解析することにより、挿入部の曲がった方向、曲げ量を検知して、各検知部位２３の相対位置、つまり、挿入部の３次元形状を検知することができる。

ひずみゲージそのものは薄型であり、ひずみゲージにより挿入部の外径が大きくなることはない。また、ひずみゲージを挿入部の内部のチューブに貼付することにより、内視鏡検査後に電子内視鏡を洗浄するようなときでも、洗浄液などの影響により検知システム１０が故障する心配がない。

姿勢検知部２２は、電子内視鏡の操作部の内部に３軸磁気センサの磁力計測部２４を設け、また、検査ベッド上に３軸磁気センサの磁界発生部２５を設け、磁界発生部２５と磁力計測部２４との回転を含む相対位置のデータ、すなわち、挿入部の姿勢を検知するためのデータを出力する。検査ベッドに設けた磁界発生部２５は小さいものであり、これにより装置規模が大きくなることはない。

このように、形状検知部２１が挿入部の形状を検知するためのデータを出力し、姿勢検知部２２が挿入部の姿勢を検知するためのデータを出力する。これらのデータに基づいて、データ処理部１２及び描画処理部１３が磁界発生部２５の位置を描画基準である座標原点として３次元座標変換などの処理を行い、表示部１４が電子内視鏡を操作する医師の視点、または、任意の視点からの挿入部の形状及び姿勢を表示する。

図３は、本実施の形態に係る表示部１４の表示画像の例を示す図である。図左上部に上方向からの見た挿入部の形状を、図右上部には右方向から見た挿入部の形状を、図中央部に透視投影（俯瞰）での挿入部の形状をそれぞれ表示している。電子内視鏡を操作する医師は、この画像により容易に挿入部の状態を把握することができる。
図４は、本実施の形態に係る形状検知部２１のひずみゲージを貼付したチューブ４１の外観を示す図である。木目調のテーブル４２の上にチューブ４１を載せて撮影したものである。

挿入部の内部には、照明用の光ガイド、イメージセンサの信号線、液体を通すチューブ、ガスを通すチューブなどの複数の信号線やチューブが内蔵されている。ひずみゲージは挿入部の内部の一番太いチューブである生検吸引ための処置具管に貼付される。ひずみゲージからの出力ケーブル４３は、ひずみゲージを貼付した処置具管に螺旋状に巻き付けられる。螺旋状にすることにより、挿入部が湾曲したときに出力ケーブル４３の端子部にかかる力を小さくすることができる。

そして、処置具管、ひずみゲージ及び出力ケーブルを保護するために出力ケーブルの上から薄いフィルムまたは熱収縮チューブのような被覆材を被覆する。伸縮性のある網状の布やチューブを被覆材として用いても良い。被覆材は、処置具管、ひずみゲージ及び出力ケーブルに固着または固定しない。すなわち、被覆材と出力ケーブルなどとの間には接着剤、粘着剤を用いない。これにより、挿入部が湾曲したときに出力ケーブルがその曲げに追従して負荷がなくなり、断線不具合が発生しにくくなる。

図５は、本実施の形態に係る形状検知部２１のひずみゲージ５１とゲージリード５２との配置を示す図である。処置具管（図示せず）に貼付したひずみゲージ５１からは、出力ケーブルとなるゲージリード５２を斜め方向に引出す。これにより、挿入部が湾曲したときにゲージリード５２にかかる力を分散させることができる。

図６Ａは、本実施の形態に係る検知部１１のひずみゲージ６１、６２の配置を示す図である。処置具管６３の横方向の視点からの図である。検知部１１の各検知部位２３においては、上下方向の曲げを検知する２つのひずみゲージ６１及び左右方向の曲げを検知する２つのひずみゲージ６２を処置具管６３に貼付する。すなわち、一箇所の検知部位２３には４つのひずみゲージを貼付する。
図６Ｂは、本実施の形態に係る検知部１１のひずみゲージ６１、６２の配置を示す別の図である。処置具管６３の断面図である。上下方向の曲げを検知する２つのひずみゲージ６１は、処置具管６３の断面方向の上下に貼付する。左右方向の曲げを検知する２つのひずみゲージ６２は、処置具管６３の断面方向の左右に貼付する。各検知部位２３において４つのひずみゲージを貼付することにより、精度良く曲げを検出することができる。

図６Ｃは、本実施の形態に係る検知部１１のひずみゲージ６１、６２の別の配置を示す図である。処置具管６３の横方向の視点からの図である。検知部１１の各検知部位２３においては、上下方向の曲げを検知する２つのひずみゲージ６１または左右方向の曲げを検知する２つのひずみゲージ６２のいずれかを処置具管６３に貼付する。すなわち、一箇所の検知部位２３には２つのひずみゲージを貼付する。各検知部位２３におけるひずみゲージ数を２つにすることで出力ケーブル数を少なくすることができる。

図７は、本実施の形態に係る形状検知部２１のひずみゲージの結線方法を示す回路図である。Ｇ−Ａ、Ｇ−Ｂ、Ｇ−Ｃ、Ｇ−Ｄはそれぞれ処置具管の断面方向の上、右、下、左に貼付したひずみゲージを示し、Ｒ−１〜４はそれぞれ固定抵抗を示す。ブリッジ回路の二辺に上下または左右のひずみゲージを、他の二辺に固定抵抗を接続する。上下のひずみゲージを接続したブリッジ回路と左右のひずみゲージを接続したブリッジ回路とでブリッジ電圧を共通にし、上下のひずみゲージを接続したブリッジ回路の出力電圧（Ｖ_{ＡＣ−ｏｕｔ}）と、左右のひずみゲージを接続したブリッジ回路の出力電圧（Ｖ_{ＢＤ−ｏｕｔ}）とをそれぞれ独立して測定できるようにする。この結線方法により測定値に影響を与えることなく、出力ケーブル数を減らすことができる。

なお、本実施の形態では、各検知部位２３において上下方向の曲げを検知する２つのひずみゲージ６１及び左右方向の曲げを検知する２つのひずみゲージ６２の両方または一方を処置具管６３に貼付したが、各検知部位２３において３つのひずみゲージを処置具管に貼付しても良い。すなわち、各検知部位２３において処置具管の外周を３等分するように１２０度毎にひずみゲージを処置具管に貼付しても良い。

また、本実施の形態では、ひずみゲージ６１、６２を処置具管６３に貼付したが、ひずみゲージ６１、６２を挿入部の表面、すなわち、電子内視鏡の表面に貼付したり、挿入部の内部の処置具管以外のチューブ、例えば、液体を通すチューブやガスを通すチューブの表面に貼付したりしても良い。
また、本実施の形態では、形状検知部２１にひずみゲージを用いたが、挿入部の形状を検知するためのデータを出力する体積の小さなセンサであれば、どのようなセンサであっても構わない。

また、本実施の形態では姿勢検知部２２に３軸磁気センサを用いたが、姿勢検知部２２に３軸加速度センサ及び３軸ジャイロセンサを搭載した６軸座標センサを用いても良い。
また、本実施の形態では、３軸磁気センサの磁界発生部２５を検査ベッド上に設置したが、磁気が届く範囲であれば内視鏡検査を行う医師の近くなどにスタンドを立てて、当該スタンドに磁界発生部を設置しても良い。

また、本実施の形態では、検知システム１０は検知部１１、データ処理部１２、描画処理部１３、表示部１４、制御部１５などを備えていたが、検知システムの構成はこれに限られるものではなく、検知部１１及びデータ処理部１２のみを備える構成であったり、データ処理部と制御部とが一体になった構成であったりしても良い。
また、本実施の形態では、検知システム１０を内視鏡装置に設置するシステム、つまり、内視鏡装置とは別体のシステムとして説明したが、検知システム１０の各構成を内視鏡装置に組み込んで搭載し、検知システムと内視鏡装置とが一体となった内視鏡装置としてもよい。すなわち、本発明の検知システムを内視鏡装置で実現しても良い。

また、本実施の形態では、検知システム１０を内視鏡装置に適用したが、本発明の検知システムを、内視鏡装置以外の、例えば、カテーテルなどの体内挿入用医療器具やエンジンの配管、ロボットのアームなどの医療分野、工業分野などの各分野の軟性で長尺な物体に適用し、当該物体の形状及び姿勢を検知する検知システムとしても良い。

以上、説明したように、本実施の形態に係る形状検知システム１０は、軟性で長尺な物体の形状及び姿勢を検知するためのデータを出力する検知部１１と、検知部１１から出力されたデータを処理するデータ処理部１２とを備え、検知部１１は、物体の長手方向の複数個所に設けられて物体の形状を検知するためのデータを出力する第１のセンサ２１と、物体の一端に設けられて物体の姿勢を検知するためのデータを出力する第２のセンサ２２とを有し、データ処理部１２は、物体の形状を検知するためのデータと物体の姿勢を検知するためのデータとに基づいて、第２のセンサ２２を座標原点としたときの物体の形状及び姿勢を検知するものである。この構成により、大きなアンテナを設置して装置規模を大きくすることなく、また、電子内視鏡の挿入部の外径を太くすることなく、軟性で長尺な物体の形状及び姿勢を検知することができる。

また、本実施の形態に係る形状検知システム１０は、第１のセンサ２１は軟性で長尺な物体内部の軟性で長尺な第２の物体の表面に貼付されたひずみゲージ６１、６２であり、第２のセンサは磁気センサ２４、２５である。この構成により、軟性で長尺な物体の外径を大きくすることなく、当該物体の形状及び姿勢を検知することができる。
また、本実施の形態に係る形状検知システム１０は、ひずみゲージ５１からのゲージリード５２がひずみゲージ５１に対して斜め方向に引き出されているものである。この構成により、軟性で長尺な物体が曲げられたときであっても、ゲージリード５２にかかる力を分散させることができる。

また、本実施の形態に係る形状検知システム１０は、ひずみゲージ５１からの出力ケーブル４３が第２の物体に螺旋状に巻き付けられているものである。この構成により、軟性で長尺な物体が曲げられたときであっても、出力ケーブル４３の端子部にかかる力を分散させることができる。
また、本実施の形態に係る形状検知システム１０は、第２の物体、ひずみゲージ５１及び出力ケーブル４３を被覆し、第２の物体、ひずみゲージ５１及び出力ケーブル４３に固着されていない被覆材を有するものである。この構成により、軟性で長尺な物体が曲げられたときであっても、第２の物体、ひずみゲージ５１及び出力ケーブル４３にかかる力を分散させることができる。

また、本実施の形態に係る形状検知システム１０は、ひずみゲージには、第２の物体の断面方向の上下に貼付された第１及び第２のひずみゲージ６１と、第２の物体の断面方向の左右に貼付された第３及び第４のひずみゲージ６２とがあり、第１及び第２のひずみゲージ６１が構成する第１のブリッジ回路と、第３及び第４のひずみゲージ６４が構成する第２のブリッジ回路とでブリッジ電圧を共通にして、第１のブリッジ回路の出力電圧と、第２のブリッジ回路の出力電圧とをそれぞれ独立して測定できるように、第１乃至第４のひずみゲージを結線したものである。この構成により、測定値に影響を与えることなく、ケーブル数を減らすことができる。

また、本実施の形態に係る形状検知システム１０は、データ処理部１２が検知した軟性で長尺な物体の形状及び姿勢について任意の視点からの当該物体の形状及び姿勢を描画する描画部１３と、描画部１３が描画した任意の視点からの当該物体の形状及び姿勢を表示する表示部１４とを更に備えるものである。この構成により、任意の好ましい視点からの当該物体の形状及び姿勢を観察することができる。

１０ 検知システム
１１ 検知部
１２ データ処理部
１３ 描画処理部
１４ 表示部
２１ 形状検知部（第１のセンサ）
２２ 姿勢検知部（第２のセンサ）
２４ 磁力計測部
２５ 磁界発生部
４３ 出力ケーブル
５１、６１、６２ ひずみゲージ
５２ ゲージリード
６３ 処置具管

Claims (7)

1. 軟性で長尺な物体の形状及び姿勢を検知するためのデータを出力する検知部と、
   前記検知部から出力されたデータを処理するデータ処理部とを備え、
   前記検知部は、
   前記物体の長手方向の複数個所に設けられて前記物体の形状を検知するためのデータを出力する第１のセンサと、
   前記物体の一端に設けられて前記物体の姿勢を検知するためのデータを出力する第２のセンサとを有し、
   前記データ処理部は、前記物体の形状を検知するためのデータと前記物体の姿勢を検知するためのデータとに基づいて、第２のセンサを座標原点としたときの前記物体の形状及び姿勢を検知する
   形状検知システム。
2. 前記第１のセンサは前記物体内部の軟性で長尺な第２の物体の表面に貼付されたひずみゲージであり、前記第２のセンサは磁気センサである
   請求項１記載の形状検知システム。
3. 前記ひずみゲージからのゲージリードが前記ひずみゲージに対して斜め方向に引き出されている
   請求項２記載の形状検知システム。
4. 前記ひずみゲージからの出力ケーブルが前記第２の物体に螺旋状に巻き付けられている
   請求項２または請求項３記載の形状検知システム。
5. 前記第２の物体、前記ひずみゲージ及び前記出力ケーブルを被覆し、前記第２の物体、前記ひずみゲージ及び前記出力ケーブルに固着されていない被覆材を有する
   請求項４記載の形状検知システム。
6. 前記ひずみゲージには、前記第２の物体の断面方向の上下に貼付された第１及び第２のひずみゲージと、前記第２の物体の断面方向の左右に貼付された第３及び第４のひずみゲージとがあり、
   前記第１及び第２のひずみゲージが構成する第１のブリッジ回路と、前記第３及び第４のひずみゲージが構成する第２のブリッジ回路とでブリッジ電圧を共通にして、第１のブリッジ回路の出力電圧と、第２のブリッジ回路の出力電圧とをそれぞれ独立して測定できるように、前記第１乃至第４のひずみゲージを結線した
   請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の形状検知システム。
7. 前記データ処理部が検知した前記物体の形状及び姿勢について任意の視点からの前記物体の形状及び姿勢を描画する描画部と、
   前記描画部が描画した前記任意の視点からの前記物体の形状及び姿勢を表示する表示部とを更に備える
   請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の形状検知システム。