JP2017512100A - 奥行き決定を伴う内視鏡 - Google Patents

Abstract

腔（４０）の部分領域の奥行きを決定する内視鏡（１）を提案する。この内視鏡は、腔（４０）の表面（４１）上にパターンを投影する投影チャネル（２）と、腔（４０）の表面（４１）によって反射された、投影されたパターンの像を結像するために設けられた結像チャネル（３）とを含んでいる。投影チャネル（２）は少なくとも、パターンを形成する回折光学素子（４）と、コリメータ（６）と、焦点合わせレンズ（８）とを有している。本発明では、焦点合わせレンズ（８）は、コリメータ（６）と回折光学素子（４）との間に配置されている。

Description

本発明は、腔の部分領域の奥行き決定を行う内視鏡に関する。

低侵襲手術の回数は、近年、連続的に増加している。低侵襲手術では、患者内部の、検査されるべき腔の奥行き決定と、画像化プロセスとを同時に実現する内視鏡（３Ｄ内視鏡）がますます重要になってきている。従来技術では、例えば、患者の腹腔の奥行きを決定するために、多数のアクセス口（入口）が設けられる。しかし、低侵襲手術では、アクセス口の数を最小化することが試みられている。

アクセス口の数を最小化するために、奥行き決定が基本的に可能となるように、従来技術から公知の内視鏡を補填することが試みられている。このような３Ｄ内視鏡の本質的な欠点は、奥行き決定のための光学部品類の構築および組み込みのためのスペースが僅かしか提供されていない、ということである。これによって、特に、分解能、画質、焦点深度および光学部品類の視野が損なわれ、これによって、全体的に、公知の３Ｄ内視鏡の奥行き決定の光学性能が低減する。

従来技術から公知の３Ｄ内視鏡は、典型的に、奥行き決定のためにステレオ視の原理を用いる。このために、それぞれ１つの結像光学部品類を含んでいる２つの結像チャネルが、３Ｄ内視鏡を通って案内されている。これら２つの結像チャネルによって、異なる視角から検出された、腔の２つの像に基づいて、これら２つの像の画像点のずれから腔の奥行き決定が行われる。ステレオ視の根本的な問題は、対応付け問題である。一方の結像チャネルによって結像された第１の像の画像点と、他方の結像チャネルによって結像された第２の像のこの画像点の変化した位置とから、奥行き決定が行われる。この際に、第１の像におけるこの画像点と第２の像におけるこの画像点とが、同一の画像点として識別可能でなければならない。このような識別が可能でない場合には、対応付け問題が生じてしまう。

テクスチャが少ない表面、例えば血液、または、臓器の組織では、典型的に、僅かな数の画像点しか提供されない。従って、低侵襲手術においてステレオ視を用いる際に、対応付け問題が深刻化してしまう。

この対応付け問題を解決するために、従来技術は、いわゆる、能動型三角測量法を提案する。能動型三角測量では、３Ｄ内視鏡の１つの結像チャネルが１つの投影チャネルによって置き換えられる。これによって、確かに、対応付け問題の大部分は解決されるが、３Ｄ内視鏡の結像光学部品類の光学性能が不都合に低減してしまう。このような低減は特に、低侵襲手術において、許されるものではない。

奥行き決定を行うカラーコード化三角測量法も問題を有していることが判明している。なぜなら、臓器の組織は典型的に血液によって包囲されており、投影されたカラーパターンの青色成分および緑色成分がほぼ完全に吸収されてしまうからである。これによって、カラーパターンの像内に欠陥箇所が生じ、これによって同様に、対応付け問題が生じてしまう。

従って、本発明の課題は、内視鏡の光学的な奥行き決定を改善することである。

上述の課題は、独立請求項１の特徴部分に記載された構成を有する装置によって、および、独立請求項１３の特徴部分に記載された構成を有する方法によって解決される。従属請求項には、本発明の有利な構成および発展形態が記載されている。

腔の部分領域の奥行き決定を行う本発明の内視鏡は、腔の表面上にパターンを投影する少なくとも１つの投影チャネルと、腔の表面によって反射された、投影されたパターンの像を光学的に結像するために設けられている少なくとも１つの結像チャネルとを含んでいる。ここでこの投影チャネルは少なくとも、パターンを形成する回折光学素子を有している。

本発明では、腔の部分領域の奥行き決定を可能にするパターンが、回折光学素子によって形成される。回折光学素子（略してＤＯＥ）は、光を空間的にパターニングするように構成されている光学素子である。ここでこのパターニングは、屈折（回折）によって行われる。例えば、光学格子は、回折光学素子である。この回折光学素子によって、パターン、特にスポットパターンが形成される。このパターンによって、評価後に、腔の部分領域の奥行き決定が実現される。

内視鏡の投影チャネル内に回折光学素子を配置することによって、有利には、ＤＯＥ投影器が、例えば、さらなる光学的な構成素子を用いて形成される。ここでこのＤＯＥ投影器は、スライドフィルムの代わりに回折光学素子を含んでいる投影器である。特に有利には、スライドフィルムを有する投影器と比べて、このようなＤＯＥ投影器の構築に必要なスペースは少ない。

有利には、ＤＯＥ投影器の構築に必要なスペースが少ないことによって、投影チャネルと結像チャネルとの間の間隔をできるだけ大きくすることができる。この間隔は、三角測量の三角測量基線に相当するので、これは有利である。長くなった三角測量基線によって、特に、内視鏡の深さ分解能が改善される。

本発明では、腔の部分領域の奥行き決定のための方法が提案される。ここでは、投影チャネルと結像チャネルとを備えている内視鏡が用いられる。ここでこの投影チャネルは、回折光学素子と、コリメータと、焦点合わせレンズとを含んでいる。ここでこの焦点合わせレンズは、コリメータと回折光学素子との間に配置されている。ここで投影チャネルによって、腔の表面上にパターンが投影され、表面によって反射された、パターンの像が結像チャネルによって結像される。ここでこのパターンは、回折光学素子によって形成される。

本発明では、回折光学素子によって形成されたパターンが、腔の部分領域の表面上に投影され、表面によって反射された、パターンの像が結像チャネルによって結像される。上述した本発明の内視鏡に対して、同様かつ同価値の利点が得られる。

本発明では、投影チャネルは、コリメータと焦点合わせレンズとを含んでいる。ここでこの焦点合わせレンズは、コリメータと回折光学素子との間に配置されている。

投影チャネルに導き入れられた光は、レンズによってコリメートされる。本発明では、投影チャネルは、さらなるレンズを含んでおり、このさらなるレンズは、投影チャネル内に導き入れられた光を、内視鏡の作動距離上に焦点合わせする。換言すれば、一番目に挙げたレンズはコリメータを形成し、多数のレンズはコリメータレンズ群を形成し、二番目に挙げたレンズは焦点合わせレンズを形成する。ここでは、パターン形成時に光の焦点合わせを考慮する回折光学素子が設けられている。

有利には、回折光学素子と、コリメータと、焦点合わせレンズとは、光軸を基準として、最大で５ｍｍの軸方向の延在長さを有している、投影チャネルの部分領域内に配置されている。

ここで、この光軸は、上記の部分領域において、有利には、投影チャネルの対称軸と同軸に延在している。回折光学素子と、コリメータと、焦点合わせレンズとは、光軸を基準として、投影チャネル内に同軸に配置されている。回折光学素子と、コリメータと、焦点合わせレンズとを、最大で５ｍｍの軸方向の延在長さを有する部分領域内に配置することによって、内視鏡の投影チャネル内に配置されたＤＯＥ投影器が形成される。有利には、このＤＯＥ投影器の構築に必要なスペースは少ないので、ＤＯＥ投影器を、従来技術から公知の内視鏡内に構築することが可能である。このために、最大で１ｍｍの直径を有するコリメータが有利である。コリメータの上述した、狭い直径によって、有利には、三角測量基線を長くすることができる。従って、内視鏡の深さ分解能が改善される。

本発明の有利な構成では、結像チャネルの断面積は、投影チャネルの断面積よりも大きい。

断面積とはそれぞれ、結像チャネルまたは投影チャネルを、各チャネルの光軸に対して垂直に切断することによって得られる面積のことである。

有利には、結像チャネルと比べて低減された投影チャネルの断面積は、投影チャネル内にＤＯＥ投影器を配置するのに十分である。ＤＯＥ投影器の構築に必要なスペースが少ないことによって、内視鏡内で使用可能な構築スペースが節約されるので、より多くの構築スペースを結像チャネルのために使用することができ、ひいては、結像チャネル内に配置されている結像光学部品類の改善のために使用することができる。

有利には、投影チャネルの断面積は、２ｍｍ^２以下である。

これによって、有利には、極めて小型の投影チャネルが形成される。従って、内視鏡内の構築スペースをさらに節約することができる。ここで、結像チャネルは有利には、少なくとも２ｍｍ^２の断面積を有する。特に、結像チャネルの断面積は、２５ｍｍ^２〜６４ｍｍ^２の範囲にある。より大型の結像チャネルを設けることが可能である。

本発明の有利な構成では、投影チャネルは、シングルモードファイバーと光学的に結合されている。

これによって、シングルモードファイバー（英語でＳｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ；ＳＭＦ）を用いて導かれてきた光が、シングルモードファイバーによって、投影チャネル内に導き入れられる。このシングルモードファイバーは、有利には、１つの光モードだけを導くので、投影されるパターンのノイズにつながり得る、複数の光モードの間の干渉が回避される。

有利には、シングルモードファイバーはレーザーと結合されている。ここでレーザーの光が、シングルモードファイバーを介して、投影チャネル内に導き入れられる。ここで、例えば青色スペクトル領域にある、最適なスポットコントラスト形成のためのレーザーの波長を、手術での使用に合うように調整することができる。特に有利には、例えば干渉フィルターを用いて、太陽光および／または人工光の悪影響を、光源としてレーザーを使用することによって低減させることができる。

本発明の有利な構成では、結像チャネルは、反射されたパターンの像を撮影するカメラと光学的に結合されている。

３ＣＣＤカメラとして形成されているカメラが特に有利である。ここでこのカメラは、撮影される像の赤色スペクトル領域のためのチップと、緑色スペクトル領域のためのチップと、青色スペクトル領域のためのチップとを有している。有利には、これによって、反射され、結像チャネルによって結像されるパターンのほぼ完全な像が得られる。

本発明の有利な構成では、内視鏡は、少なくとも１つの器具用チャネルを含んでいる。

有利には、この器具用チャネルを通じて、低侵襲手術に必要な手術用具が、腔に挿入される。回折光学素子を投影チャネル内に配置することによって、器具用チャネルにも使用することができる構築スペースを節約することができる。

本発明の有利な構成では、回折光学素子によって、スポットパターンが形成される。

ここでは、スポットパターンの個々のスポットが、回折光学素子の回折次数に相当する。換言すれば、投影チャネル内に導き入れられた光の強め合う干渉および弱め合う干渉によって、回折光学素子を用いてスポットパターンが形成される。このスポットパターンは、腔の部分領域の表面上に投影され、これらのスポットの各間隔を評価することによって、部分領域の奥行き決定が行われる。従って、回折光学素子を用いて、屈折によって形成された、このスポットパターンによって、有利には、能動型三角測量時の対応付け問題が低減される。

本発明の別の利点、特徴および詳細は、以降に記載された実施例並びに図面に基づいて明らかになる。

内視鏡の、回折光学素子を含んでいる投影チャネルの部分図 投影チャネルと結像チャネルとを備えている内視鏡の断面図 投影チャネルと結像チャネルとを備えている内視鏡の別の断面図

図面において、同じ種類の素子には、同じ参照番号が付与されている。

図１には、図示されていない内視鏡１の投影チャネル２の概略的な部分図が示されている。ここで投影チャネル２は、本発明に従って、回折光学素子４を含んでいる。さらに、コリメータ６と、焦点合わせレンズ８とが、投影チャネル２内に配置されている。さらなる光学的な構成素子、例えば、レンズ、鏡、対物レンズ群および／またはビーム偏向装置を設けることが可能である。さらに、多数の投影チャネルを設けることが可能である。投影チャネルが内視鏡１全体にわたって延在している必要はない。例えば、少なくとも回折光学素子４を含んでいる内視鏡１の部分領域を、投影チャネルと見なすことが可能である。

コリメータ６と、焦点合わせレンズ８と、回折光学素子４とは、光軸１００を基準として、投影チャネル２内に同軸に配置されている。ここで上述した素子４、６、８は、投影チャネル２の部分領域１４内に配置されている。この部分領域１４は、光軸１００を基準にして、約３ｍｍの軸方向の延在長さを有している。回折光学素子４を用いてＤＯＥ投影器を、内視鏡１の投影チャネル２内に形成することによって、構築スペースを節約することができ、この構築スペースを、別方面に、例えば、図示されていない器具用チャネルに使用することができる。

投影チャネル２は、シングルモードファイバー１０によって、レーザー１２または発光ダイオードと光学的に結合されている。レーザー１２の光はシングルモードファイバー１０内に導かれ、投影チャネル２内に導き入れられ、コリメータ６によってコリメートされ、焦点合わせレンズ８によって焦点合わせされる。焦点合わせレンズ８の後、レーザー１２の光は、回折光学素子４に導かれ、回折光学素子４での光の屈折によって、スポットパターンが、腔４０の部分領域の表面４１上に投影される。スポットパターンの個々のスポットは、ここで、回折次数１０２（屈折光の強度分布のメイン極大点とサブ極大点）に相当する。

回折光学素子４は、スポットパターンの個々のスポットの各間隔１１が異なるように、設計されている。ここで、各間隔１１が異なっていることによって、対応付け問題が解決される、若しくは、低減される。換言すれば、反射されたパターンのスポットの対応付けは、例えば、スポットパターンを平らな表面上に投影することによって形成された元来のスポットパターンと比較することによって行われる（キャリブレーション）。従って、隣接するスポット間の各間隔が異なっていることによってコードが形成され、これが、対応付け問題の解決若しくは改善に用いられる。

図２には、内視鏡１の概略的な断面図が示されている。ここでこの断面は、投影チャネル２の光軸１００に対して垂直に延在している。さらに図２は結像チャネル３を示している。ここで、多数の結像チャネル３を設けることができる。２つの結像チャネル３と、１つの投影チャネル２とを有する内視鏡１が有利である。

内視鏡１の投影チャネル２内にＤＯＥ投影器を配置する、または、設けることによって、投影チャネル２の断面積１６を、結像チャネル３の断面積１８よりも格段に小さくすることができる。従って、結像チャネル３の断面積１８を拡張することによって、図示されていない、結像チャネル３内に配置されている結像光学部品類の光学性能を、格段に改善することができる。

投影チャネル２は、できるだけ、内視鏡１の外側縁部領域に接近して配置されている。さらに、結像チャネル３は、投影チャネル２と対向している、内視鏡１の別の外側縁部領域に接して配置されている。これによって、有利には、結像チャネル３の瞳２０と投影チャネル２との間の三角測量基線４２が拡張され、内視鏡１の深さ分解能が改善される。ここで、三角測量基線は５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲にある。

図３には、内視鏡１の別の概略的な断面図が示されている。ここでこの断面は、投影チャネル２および／または結像チャネル３の光軸１００に対して垂直に延在している。図３に概略的に示されている内視鏡１は、ここで、少なくとも１０ｍｍの直径を有している。図３では、結像チャネル３の断面積１８はできるだけ大きく形成されている。従って、結像チャネル３は、ほぼ完全に、内視鏡１の全構築スペースを占めている。ＤＯＥ投影器によって、若しくは、回折光学素子４によって、投影チャネル２が必要とする断面積１６が、スライドフィルムを有する投影器と比較して少なくなるので、このような構成が可能になる。これによって全体的に、内視鏡１の光学的な奥行き決定および光学性能をさらに改善することができる。

投影チャネル２および／または結像チャネル３が、例えば、レンズ、鏡、格子、ビーム分配器および／またはプリズムであるさらなる光学的な構成素子、および／または、例えば対物レンズ群である総体的な光学的な装置を含んでいてよい。特に、結像チャネル３は、対物レンズ群によって形成され得る。この場合にはカメラ、例えば３ＣＣＤカメラが対物レンズ群に配置され得る、かつ／または、対物レンズ群内に集積され得る。像の誘導は、光ファイバーを介して、特にシングルモードファイバー１０を用いて行われる。

本発明を部分的に、有利な実施例によって詳細に示し、説明したが、本発明は開示されたこれらの例によって制限されない、または、他の組み合わせが当業者によって、本発明の保護範囲を逸脱することなく、本願から導出され得る。

Claims (14)

1. 腔（４０）の部分領域の奥行きを決定する内視鏡（１）であって、
   当該内視鏡は、
   前記腔（４０）の表面（４１）上にパターンを投影する、少なくとも１つの投影チャネル（２）と、
   前記腔（４０）の前記表面（４１）によって反射された、投影された前記パターンの像を結像するように設けられた、少なくとも１つの結像チャネル（３）とを有しており、
   前記投影チャネル（２）は少なくとも、前記パターンを形成する回折光学素子（４）と、コリメータ（６）と、焦点合わせレンズ（８）とを有している内視鏡（１）において、
   前記焦点合わせレンズ（８）は、前記コリメータ（６）と前記回折光学素子（４）との間に配置されている、
   ことを特徴とする内視鏡（１）。
2. 前記回折光学素子（４）と、前記コリメータ（６）と、前記焦点合わせレンズ（８）とは、前記投影チャネル（２）の部分領域（１４）内に配置されており、
   当該部分領域（１４）は、光軸（１００）を基準として、最大で５ｍｍの軸方向の延在長さを有している、請求項１記載の内視鏡（１）。
3. 前記回折光学素子（４）と、前記コリメータ（６）と、前記焦点合わせレンズ（８）とは、前記光軸（１００）を基準として、前記投影チャネル（２）内に同軸に配置されている、請求項１または２記載の内視鏡（１）。
4. 前記結像チャネル（３）の断面積（１８）は、前記投影チャネル（２）の断面積（１６）より大きい、請求項１から３までのいずれか１項記載の内視鏡（１）。
5. 前記投影チャネル（２）の前記断面積（１６）は２ｍｍ^２以下である、請求項１から４までのいずれか１項記載の内視鏡（１）。
6. 前記結像チャネル（３）の前記断面積（１８）は２ｍｍ^２以上である、請求項１から５までのいずれか１項記載の内視鏡（１）。
7. シングルモードファイバー（１０）と光学的に結合されている投影チャネル（２）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の内視鏡（１）。
8. 前記シングルモードファイバー（１０）はレーザー（１２）と光学的に結合されている、請求項７記載の内視鏡（１）。
9. 前記結像チャネル（３）は、反射された前記パターンの像を撮影するカメラと光学的に結合されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の内視鏡（１）。
10. 前記カメラは、３ＣＣＤカメラである、請求項９記載の内視鏡（１）。
11. 器具用チャネルを有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の内視鏡（１）。
12. 腔（４０）の部分領域の奥行きを決定する方法であって、
    投影チャネル（２）と結像チャネル（３）とを備えた内視鏡（１）を使用し、
    前記投影チャネル（２）は、回折光学素子（４）と、コリメータ（６）と、前記回折光学素子（４）と前記コリメータ（６）との間に配置されている焦点合わせレンズ（８）とを含んでおり、
    前記投影チャネル（２）によって、前記腔（４０）の表面（４１）上にパターンを投影し、前記表面（４１）によって反射された、前記パターンの像を、前記結像チャネル（３）によって結像し、
    ただし、前記パターンを前記回折光学素子（４）によって形成する、
    ことを特徴とする、腔（４０）の部分領域の奥行きを決定する方法。
13. 前記回折光学素子（４）によってスポットパターンを形成する、請求項１２記載の方法。
14. 前記腔（４０）の前記部分領域の前記奥行き決定を、前記スポットパターンのスポット間の各間隔（１１）を用いて行う、請求項１３記載の方法。

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