JP3684025B2 - 内視鏡形状検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内視鏡挿入部の被検部内での形状を検出する内視鏡形状検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内視鏡は医療用分野及び工業用分野で広く用いられるようになった。特に、医療用分野で使用される挿入部が軟性の内視鏡では、この挿入部を屈曲した体腔内に口や肛門などから挿入することにより、切開することなく体腔内深部の臓器を診断したり、必要に応じて内視鏡に設けた管路チャンネル内に処置具を挿通してポリープ等を切除するなどの治療処置を行うことができる。
【０００３】
例えば内視鏡を肛門側から挿入して下部消化管内を検査する場合、屈曲した体腔内に挿入部を円滑に挿入するためにはある程度の熟練を要する。つまり、内視鏡の挿入作業を行う場合、体腔内の屈曲に応じて挿入部に設けた湾曲部を湾曲させる等の作業を円滑に行って挿入する必要があり、そのためには挿入部の先端位置等が、体腔内のどこに位置しているなど、現在の内視鏡挿入部の湾曲状態等を知ることができると便利である。
【０００４】
そこで、挿入部にＸ線不透過部を形成し、Ｘ線を照射することによって、Ｘ線不透過部を検出して挿入部の先端位置や挿入部の湾曲状態を観察することが考えられている。
【０００５】
しかし、Ｘ線を照射するための装置は大型である。すなわち、Ｘ線を照射するための装置を検査室に設けるためには検査室が十分に広くなければならない。また、術者は、内視鏡検査の際に、内視鏡の操作のほかに、Ｘ線を照射する操作を行わなければならなくなるので、術者にかかる負担が大きくなると共に、頻繁にＸ線照射を行うと被爆量が増大して患者のみならず術者に対しても有害になるおそれがある。
【０００６】
このため、特開平５−９１９７２号公報には内視鏡の挿入部の湾曲状態を表示する湾曲表示装置が開示されている。この湾曲表示装置は、第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとを可撓性部材に沿って配置し、光源からの光を前記第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーの各入り口から導入したときに、導入された光を前記第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーの出口において光検出器で電気信号に変換するように構成してあると共に、前記第１の光ファイバーは複数の光ファイバー対で構成し、さらに各光ファイバー対は２本の光ファイバーエレメントで構成してあり、前記光ファイバーエレメントには異なる対では互いに異なる位置になるように同じ対ではほぼ同じ位置になるように接続部を形成してあり、前記光ファイバー対は、前記光ファイバーエレメントに設けた各接続部が、互いに直交する２方向の軸線傾斜角に応じた開き角を形成するように配置してあり、前記電気信号を用いて前記各接続部での前記光ファイバーエレメントの軸線傾斜角を演算部で算定することによって、前記可撓性部材の湾曲状態をモニターに表示できるように構成している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平５−９１９７２号公報に示されている湾曲表示装置では例えば、挿入部のｎ箇所の湾曲情報を得ようとする場合には、ｎ対の光ファイバーを設ける必要であると共に、各光ファイバーを往復させる必要があるので、内視鏡挿入部内に最低（４Ｘｎ）本の光ファイバーを設けなければならない。
【０００８】
また、内視鏡の挿入部の湾曲状態をより精度良く得るためには、より多くの点で湾曲情報を得る必要があるので、精度の高い湾曲測定を行うために測定箇所を多くすると、このことに伴って光ファイバーの本数が多くなり、内視鏡挿入部外径寸法が太径になるという問題がある。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、内視鏡挿入部の外径寸法を太径にすることなく、内視鏡挿入部の形状を容易に検出することが可能な内視鏡形状検出装置を提供することを目的にしている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の内視鏡形状検出装置は、曲がり角度検出部を複数設けた光ファイバーと、この光ファイバーを内視鏡挿入部内に長手方向に沿わせて配置した内視鏡と、前記光ファイバーにパルス光を供給するパルス光照射手段と、前記光ファイバーに入射した前記パルス光照射手段からのパルス光によって、前記光ファイバーの任意の位置で発生した後方向散乱光を検出する光検出手段と、この光検出手段で検出した後方向散乱光の強度から前記光ファイバーに設けた曲がり角度検出部における曲がり方向及び曲がり角を演算処理すると共に、内視鏡挿入部形状を映像信号に生成する信号処理手段とを具備している。
【００１１】
この構成によれば、内視鏡の挿入部に設けた光ファイバーに送り込まれたパルス光に対する、光ファイバーの任意の位置からの後方向散乱光を光検出手段で検出し、信号処理手段で前記光検出手段で検出した後方向散乱光の強度から曲がり角検出部における曲がり角度及び曲がり方向が算出されると共に映像信号が生成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１ないし図６は本発明の第１実施形態に係り、図１は内視鏡形状検出装置の概略構成を示す説明図、図２は内視鏡の挿入部の断面図、図３は挿入部内に配置されている光ファイバーの概略構成を示す説明図、図４は形状検出制御装置の構成を示すブロック図、図５は形状検出制御装置の動作を説明する流れ図、図６は角度検出部における曲がり状態と光損失との関係を示す図である。
【００１３】
図１に示すように本実施形態の内視鏡形状検出装置１は、体腔内に挿入され術部を観察及び処置する内視鏡２と、この内視鏡２と共に使用されて体腔内に挿入されている内視鏡挿入部の位置及び内視鏡挿入部の湾曲形状を検出する形状検出制御装置３とで主に構成されている。
【００１４】
本実施形態の内視鏡形状検出装置１においては、内視鏡検査用ベッド４のベッド４ａ上に横たわっている患者５の体腔内に、例えば肛門から、前記内視鏡２の挿入部７が挿入されている。
【００１５】
前記内視鏡２の操作部８の一側面部からはユニバーサルケーブル９が延出しており、このユニバーサルケーブル９はビデオプロセッサー１０に接続されている。このビデオプロセッサー１０には、内視鏡に観察用照明光を供給する光源部（不図示）及び内視鏡の先端部などに設けられているＣＣＤなどの撮像素子で光電変換された電気信号を映像信号に処理する信号処理部（不図示）が内蔵されている。
【００１６】
光源部からの照明光は、内視鏡２内を挿通しているライトガイドを介して挿入部７の先端面に設けられている照明窓まで伝送されて、この照明窓から体腔内に照射される。そして、この照明光によって照射された体腔内臓器等の術部は、挿入部７の先端面に設けられている観察窓に取り付けられている対物光学系により、対物光学系の焦点面に配置されている撮像素子の撮像面に結像して電気信号に光電変換される。この撮像素子で光電変換された電気信号は、信号線を介してビデオプロセッサー１０内の信号処理部に伝送されて、標準的な映像信号に生成されてカラーモニター１１に出力される。このことにより、カラーモニタ１１の画面上に術部の内視鏡像が表示される。
【００１７】
また、前記内視鏡２の操作部８の他側面部からは前記形状検出制御装置３に接続される光ファイバーケーブル１５が延出している。この光ファイバーケーブル１５の内部には後述する光ファイバが挿通されている。なお、前記内視鏡挿入部の位置及び形状を検出するための形状検出制御装置３は、後述する制御装置１６とモニター１７とから構成され、前記光ファイバーケーブル１５の基端部が接続部１８に着脱自在な構成になっている。
【００１８】
図２（ａ）に示すように内視鏡２の挿入部７の内周面には長手方向に延びる第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２が配置されている。この光ファイバー２１，２２は、挿入部先端から挿入部７内を通って操作部８まで導かれ、光ファイバーケーブル１５内を通って光ファイバーケーブル１５の基端部まで延出している。
【００１９】
図２（ｂ）に示すように前記第１の光ファイバー２１と第２の光ファイバー２２との配置位置関係は、挿入部７内部で９０度位置ずれした位置関係となるように配置されている。
【００２０】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように前記挿入部７内に配置されている第１の光ファイバー２１には曲がり角度検出部２５が複数、任意の間隔（例えば等間隔など）で設けられている。
【００２１】
図３（ｃ）に示すようにこの曲がり角度検出部２５の内部には、３つの光ファイバー止め部２６が配置されており、前記３つの光ファイバー止め部２６に対して前記第１の光ファイバー２１を引っかけて配置することによって、前記光ファイバー２１が紙面で示す上下方向にだけ曲がって、紙面に直交する方向に対して曲がらない構成になっている。
【００２２】
すなわち、前記第１の光ファイバー２１に対して紙面上下方向からの外力が加わった場合、この第１の光ファイバー２１は曲がり角度検出部２５内で上下方向に湾曲するが、紙面に直交する方向から外力が加わった場合には曲がり角度検出部２５内でこの第１の光ファイバー２１は湾曲しないようになっている。
【００２３】
なお、前記第２の光ファイバー２２についても上述した第１の光ファイバー２１と同様に複数の曲がり角度検出部２５が任意の間隔で設けられている。また、前記第１の光ファイバー２１に設けられている曲がり角度検出部２５と第２の光ファイバー２２に設けられている曲がり角度検出部２５とが対になるように構成している。このため、第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２に対で設けられている角度検出部２５を、挿入部７内の略同位置に配置しさせて、この曲がり角度検出部２５における光ファイバー２１，２２の上下方向及び左右方向の湾曲状態を検出するようになっている。すなわち、前記曲がり角度検出部２５に配置されている第１の光ファイバー２１と前記第２の光ファイバー２２との曲がる方向が９０度異なった向きになっている。
【００２４】
前記制御装置１６は、映像信号を生成する信号処理手段である信号処理回路３１と、パルス発生手段であるパルス発生回路３２と、パルス光照射手段であるレーザー装置３３ａ，３３ｂと、光方向性結合手段であるビームスプリッター３４ａ，３４ｂと、光検出手段であるアバランシェフォトダイオード（以下ＡＰＤと略記する）３５ａ，３５ｂと、このＡＰＤ３５ａ，３５ｂで検出した信号を増幅する増幅手段であるオペアンプなどの増幅装置３６ａ，３６ｂ及び光ファイバーケーブル１５の基端部が着脱自在に接続される接続部１８とを備えて主に構成されている。
【００２５】
前記レーザー装置３３ａ，３３ｂには例えば半導体レーザが備えられており、この半導体レーザからは、前記パルス発生回路３２からの出力信号を受けてパルス光が照射されるようになっている。前記レーザー装置３３ａ，３３ｂから照射されたパルス光は、ビームスプリッター３４ａ，３４ｂを通過して接続部１８に接続されている光ファイバーケーブル１５内に配設されている第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２の端面に光学的に入射して光ファイバー２１，２２内を伝搬していく。
【００２６】
なお、前記第１光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２はそれぞれシングルモードファイバーが望ましく、この光ファイバー２１，２２に入射したパルス光は光ファイバー内を伝搬して、第１及び第２の光ファイバー２１，２２の長さ方向のいずれの位置からもレーリー散乱光を全方向に対して発生させる。そして、本発明では、必要なレーリー散乱光を、光ファイバー２１，２２内を伝搬されてパルス光入射端に戻ってくる後方レーリー散乱光である後方向散乱光としている。このため、本実施形態においては前記第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２を挿入部内で往復させる必要はないので、１本ずつの配置になっている。
【００２７】
前記ＡＰＤ３５ａ，３５ｂは、ビームスプリッター３４ａ，３４ｂの反射位置に配置されており、光ファイバーケーブル１５で発生した後方向散乱光がビームスプリッター３４ａ，３４ｂで反射してこのＡＰＤ３５ａ，３５ｂに入射するようになっている。
【００２８】
前記増幅装置３６ａ，３６ｂは、ＡＰＤ３５ａ，３５ｂに入射した後方向散乱光によって得られる電気信号を増幅するものであり、増幅した電気信号を信号処理回路３１に出力するようになっている。
【００２９】
信号処理回路３１は、前記増幅装置３６ａ，３６ｂからの電気信号を受けて、後方向散乱光の強度を演算処理すると共に、内視鏡２の挿入部７の湾曲形状の映像信号を生成する。この信号処理回路３１で生成された映像信号は、信号処理回路３１に接続されているモニター１７に出力されて、モニター画面上に挿入部７の湾曲形状が表示されるようになっている。
【００３０】
図５を参照して上述のように構成した形状検出制御装置３の動作を説明する。
ステップＳ１に示すように内視鏡２の挿入部７を体腔内に挿入していく。このとき、前記光ファイバーケーブル１５に内蔵されている第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２にレーザー装置３３ａ，３３ｂからのパルス光を供給している。
【００３１】
ステップＳ２に示すように前記挿入部７が体腔内に挿入されると、体腔内の屈曲した形状にならって挿入部７が湾曲する。そして、ステップＳ３に示すように挿入部７内に配設されている第１の光ファイバ２１及び第２の光ファイバー２２も前記挿入部７の湾曲に応じて曲がる。このため、ステップＳ４に示すように前記第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２が曲がることによって、この光ファイバー２１，２２の曲がった位置で曲げ損失が生じて後方向散乱光の強度が変化する。
【００３２】
一方、ステップＳ５に示すようにＡＰＤ３５ａ，３５ｂでは、ビームスプリッター３４ａ，３４ｂで一端反射してから入射される第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２からの後方向散乱光の強度が測定されている。つまり、ステップＳ６に示すように後方向散乱光の強度の違いによって起こる電気信号を信号処理回路３１に供給して角度検出部２５における曲げ角や曲げ方向を演算処理すると共に、ステップＳ７に示すように挿入部７の湾曲形状の映像信号を生成する。この信号処理回路３１で生成された映像信号は、モニタ１７に出力されてモニタ画面上に内視鏡挿入部の湾曲形状として描出される。
【００３３】
図６（ａ）−（Ｉ）に示すように内視鏡２の挿入部７が体腔内に挿入されて紙面上の例えば上方向に曲げられたとき、曲がり角度検出部２５における第１の光ファイバ２１は上方向に移動する。このときの曲げ角度θをθ＝θ（＋）と定義する。また、図６（ａ）−（III）に示すように内視鏡２の挿入部７が体腔内に挿入されて紙面上の例えば下方向に曲げられたとき、曲がり角度検出部２５における第１の光ファイバ２１は下方向に移動する。このときの曲げ角度θをθ＝θ（−）と定義する。また、図６（ａ）−(II)に示すように第１の光ファイバ２１が曲がり角度検出部２５において曲がっていない状態のとき、曲げ角度θをθ＝θ（0）と定義する。
【００３４】
また、図６（ａ）−（Ｉ）〜 (III)に示したそれぞれの曲げ角度に対応する光損失は図６（ｂ）に示すとおりであり、同図に示すように曲げ角度θがθ＝θ（＋）のときグラフＩに示すとおり光損失がＡ1 であり、θ＝θ（0）のときグラフIIに示すとおり光損失がＡ2 であり、θ＝θ（−）のときグラフIIIに示すとおり光損失がＡ3 になっている。
【００３５】
ここで、後方向散乱光の強度から、内視鏡２の挿入部７の任意の位置における曲がり角度、つまり第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２の各位置（任意の曲がり角度検出部２５）における曲がり角度を算出する原理を簡単に説明する。
【００３６】
まず、光ファイバーの曲げ損失について説明する。
光ファイバーに曲げ（マイクロベンド）が生じると、光ファイバー内を伝搬している一部の光が光ファイバー外部に放出されることによって光損失が生じる。このとき生じる光損失量は、曲げ強度（曲げ角）に比例する。つまり、曲げ角度の値を得たい位置での光損失量を測定することができれば、逆に光ファイバーの曲げ角度を算出（検出）することが可能になる。
【００３７】
このため、光学時間領域反射率計（ＯＴＤＲと略記する）を用いた測定法を利用する。前記ＯＴＤＲを用いた測定法は、光ファイバーの一端面からパルス光を入射させ、このパルス光を入射させた一端面であるパルス光入射端に戻ってくる光（この光が後方向散乱光である）を計測する測定法である。前記後方向散乱光は、光ファイバー内を伝搬されてくるため、光ファイバーの各位置における光損失量が反映されている。したがって、後方向散乱光の強度を光ファイバー全長にわたって測定することにより、各位置での相対的な損失量を得ることができる。尚、ＯＴＤＲによる測定法は公知の技術であり、田幸敏治・本田辰篤編による「光測定器ガイド」（オプトロニクス社）のｐ９７〜９８に記載されている。
【００３８】
つまり、本発明では、内視鏡の湾曲形状を求める際、ＯＴＤＲによって行う。このため、任意の曲がり角度検出部２５における各光ファイバー２１，２２の曲げ角度を得るために、間接的に各光ファイバー２１，２２の各角度検出部２５の位置での光ファイバー２１，２２の光損失量を予め測定している。前記ＯＴＤＲにより、後方向散乱光強度を得ることによって、この値からその位置での光損失量を換算することができるため、この光損失量から各位置での光ファイバーの曲げ角度が換算される。なお、ここでいう、各位置での光損失量とは、各位置での相対的な光の損失量である。
【００３９】
次に、前記図６を用いて後方向散乱光の強度測定によって、第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２に複数設けられている曲がり角度検出部２５における曲がり方向及び曲がり角度の算出方法を具体的に説明する。
【００４０】
図６（ｂ）に示すように第１の光ファイバー２１のある曲がり角度検出部２５近傍の後方向散乱光測定により光損失を得る場合、前記第１の光ファイバー２１は、光ファイバー止め部２６によって曲げられているため、たとえ挿入部７が直線状態であっても曲がり角度検出部２５において曲げ損失が生じている。
【００４１】
また、図６（ａ）の（Ｉ）または（III）に示すように、第１の光ファイバー２１に加わる外力の方向が異なることによって、光ファイバー止め部２６近傍での光ファイバー２１の曲げ状態が変化する。つまり、図６（ａ）の（Ｉ）に示す曲げ状態では曲げ角度θがθ（＋）となり、図６（ａ）の（III）に示す曲げ状態ではθ（−）となる。
【００４２】
したがって、図６（ａ）−（Ｉ）〜（III）に示す各曲げ状態（曲げ角度θ）によって、図６（ｂ）−（Ｉ）〜（III）に示すグラフのような光損失Ａ1 ，Ａ2，Ａ3 が得られる。つまり、第１の光ファイバー２１の曲げ角度θと光損失とが対応することから、光損失を算出することによって曲げ方向及び曲げ角度が得られる。
【００４３】
上述のように構成した内視鏡形状検出装置１の作用を説明する。
まず、パルス発生回路３２からレーザー装置３３ａ，３３ｂへパルス光を出射させるための信号が出力される。すると、このレーザー装置３３ａ，３３ｂから接続部１８に接続されている光ファイバーケーブル１５内に設けられている第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２のレーザー光入射端面に向けてレーザーパルス光が出射される。
【００４４】
前記レーザー装置３３ａ，３３ｂから光ファイバー２１，２２に向けて出射された実線に示すそれぞれのパルス光は、ビームスプリッター３４ａ，３４ｂを通過して、第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２に入射して先端方向に伝搬されていく。
【００４５】
次に、前記第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２の前記レーザー光入射端面に後方向散乱光が戻ってくる。このレーザー光入射端面側に戻ってくる破線に示す後方向散乱光は、ビームスプリッター３４ａ，３４ｂで反射されてＡＰＤ３５ａ，３５ｂに入射して、この入射した後方向散乱光強度に比例した電気信号に変換される。これらＡＰＤ３５ａ，３５ｂで変換された電気信号は、増幅装置３６ａ，３６ｂで増幅された後、信号処理回路３１に出力される。
【００４６】
前記増幅装置３６ａ，３６ｂからの電気信号を受けた信号処理回路３１では、第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２にそれぞれ設けられている曲がり角度検出部２５の各位置における曲がり方向及び曲がり角度を算出するため、後方向散乱光の強度を算出する。そして、後方向散乱光の強度値から挿入部７の全長にわたる曲がり角度検出部２５における曲がり方向及び曲がり角度を求めると共に、この値から挿入部７の３次元的な湾曲形状を映像信号として生成する。
【００４７】
そして、前記信号処理回路３１で生成した映像信号をモニター１７に出力して挿入部７の湾曲形状をモニター１７画面上に表示する。
【００４８】
このように、内視鏡の挿入部内に長手方向に向かって第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーを配設し、これら第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーにパルス光を伝搬させ、挿入部全長にわたる後方向散乱光の測定を行い、曲がり角度検出部のそれぞれの位置における光損失量を算出することによって、各曲がり角度検出部における曲がり方向及び曲がり角度を得ることができる。このことによって、前記各曲がり角度検出部における曲がり方向及び曲がり角度を基に映像信号が生成されるので、この映像信号をモニタ画面上に表示することで挿入部の湾曲形状を目視で確認しながら内視鏡の挿入操作を行える。
【００４９】
また、内視鏡の挿入部内に配設した第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーにパルス光を伝搬させたとき発生する後方向散乱光の強度を測定することによって、内視鏡内で第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーを往復させる必要がないので、内視鏡の挿入部を太径にすることなく、内視鏡挿入部の湾曲形状を検出することができる。
【００５０】
なお、本実施形態の構成では、接続部１８に接続されている光ファイバーケーブル１５内に配設されている第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２の端面にパルス光を光学的に入射させると共に、前記第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２からの後方向散乱光を電気信号に変換するための半導体レーザ、ビームスプリッター、ＡＰＤ及び増幅装置をそれぞれ２つずつ設けているが、光路中に回転式ミラーなどの光切替え手段を配設することによって、前記半導体レーザ、ビームスプリッター、ＡＰＤ及び増幅装置を１つで構成することも可能になる。
【００５１】
また、本実施形態では前記第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーを内視鏡挿入部内に配設して、内視鏡挿入部の３次元的な湾曲形状を求めているが、２本以上の光ファイバーを挿入部内に配設して３次元的な湾曲形状を得るようにしてもよい。
【００５２】
図７ないし図９は本発明の第２実施形態に係り、図７は内視鏡の概略構成を示す説明図及び内視鏡挿入部の長手方向断面図、図８は内視鏡形状検出プローブの構成を示す正面及び長手方向断面図、図９は内視鏡の管路チャンネル内に内視鏡形状検出プローブが挿入されている状態を示す断面図である。なお、本実施形態において前記第１実施形態と同様の構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５３】
図７に示すように本実施形態の内視鏡４０は、前記第１実施形態の内視鏡２と以下の２点が異なる。すなわち、本実施形態の内視鏡４０は、処置具挿通用チャンネルなどの管路チャンネル４１を有している。そして、本実施形態の内視鏡４０では光ファイバーケーブル１５を設ける代わりに、操作部８に前記管路チャンネル４１に連通する連通口４１ａを設けている。そして、前記管路チャンネル４１に後述する内視鏡形状検出プローブ４２を挿通する。なお、前記管路チャンネル４１は挿入部７の先端面に設けられている開口４１ｂに連通している。
【００５４】
図８（ａ），（ｂ）に示すように内視鏡形状検出プローブ４２には第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２が配設されている。また、前記第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２には曲がり角度検出部２５が任意の間隔で複数、設けられている。
【００５５】
前記内視鏡形状検出プローブ４２の外径寸法は、内視鏡４０に設けられている管路チャンネル４１の内径寸法より細径に設定されている。また、図示しないが、内視鏡形状検出プローブ４２の一端部は、制御装置１６の接続部１８に接続され、他端部は管路チャンネル４１の挿入部７先端部付近まで挿入される。すなわち、前記内視鏡４０と前記内視鏡形状検出プローブ４２とは別体であり、前記内視鏡形状検出プローブ４２が管路チャンネル４１に対して挿抜自在である。つまり、図９に示すように内視鏡形状検出プローブ４２は、内視鏡４０の管路チャンネル４１内に挿通して使用されるようになっている。
【００５６】
このように、内視鏡に設けた管路チャンネルに対して挿抜自在な内視鏡形状検出プローブを構成し、この内視鏡形状検出プローブを管路チャンネルを有する通常の内視鏡に配設することによって、内視鏡挿入部の湾曲形状を前記内視鏡形状検出プローブを用いて容易に検出することができる。このことにより、管路チャンネルを有する内視鏡の外形寸法を太径にすることなく、内視鏡挿入部の湾曲形状を容易に確認することが可能になる。その他の作用及び効果は前記第１実施形態と同様である。
【００５７】
図１０は本発明の第３実施形態にかかる光ファイバーの構成を示す説明図である。
【００５８】
図に示すように本実施形態においては、光ファイバー５０に内視鏡の湾曲形状を検出する一対で構成した角度検出部５１ａ，５１ｂを複数箇所に設けている。前記角度検出部５１ａ，５１ｂのそれぞれの構成は、前記図３（ｃ）で示した角度検出部２５の構成と同様であり、曲がり角度検出部５１ａ，５１ｂの内部において光ファイバー５０が一方向にだけ曲がるようになっている。
【００５９】
また、図１０に示すように一対で構成されている曲がり角度検出部５１ａ，５１ｂは、光ファイバー５０の長手方向に沿って所定の間隔で配設されており、このとき前記曲がり角度検出部５１ａ，５１ｂが交互に設けられている。これは、前記曲がり角度検出部５１ａが図中で上下方向にのみ曲がるように設定したものであり、前記曲がり角度検出部５１ｂが図中の紙面に対して直交する方向にのみ曲がるように設定したものであるためである。すなわち、前記角度検出部５１ａと前記角度検出部５１ｂとを略同位置に互いに９０度に直交する位置関係で配置して左右方向及び上下方向の検出を行えるようにしている。その他の構成は上述の実施形態と同様である。
【００６０】
上述のように１本の光ファイバーに、上下方向にのみ曲がるように設定した曲がり角度検出部と図中の紙面に対して直交する方向にのみ曲がるように設定した曲がり角度検出部とがほぼ同位置になるように一対にして、複数箇所に設けることによって、この１本の光ファイバーを前記第１の実施形態の内視鏡に設けたり、第２実施形態の内視鏡形状検出プローブに設けることによって、内視鏡挿入部の湾曲形状を立体的に検出することができる。このことにより、前記第１実施形態及び第２実施形態で２本の光ファイバーを用いていた構成を１本の光ファイバーで構成することが可能になる。このことにより、内視鏡２や内視鏡４０の挿入部７を太くすることなく内視鏡挿入部の形状の検出が可能になる。
【００６１】
また、内視鏡形状を検出するために使用する光ファイバーを１本にすることにより、内視鏡形状検出制御装置内の１組のレーザー装置、ビームスプリッター、ＡＰＤ及び増幅装置をそれぞれ１つずつにして構成することができる。このことによって、安価な内視鏡形状検出制御装置が構成される。
【００６２】
なお、本実施形態においては、曲がり角度検出部５１ａ，５１ｂを別体で構成しているが、曲がり角度検出部５１ａ，５１ｂを一体にした構成であってもよい。そのほかの作用及び効果は上述の実施形態と同様である。
【００６３】
なお、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【００６４】
［付記］
以上詳述したような本発明の前記実施形態によれば、以下の如き構成を得ることができる。
【００６５】
（１）曲がり角度検出部を複数設けた光ファイバーと、
この光ファイバーを内視鏡挿入部内に長手方向に沿わせて配置した内視鏡と、
前記光ファイバーにパルス光を供給するパルス光照射手段と、
前記光ファイバーに入射した前記パルス光照射手段からのパルス光によって、前記光ファイバーの任意の位置で発生した後方向散乱光を検出する光検出手段と、
この光検出手段で検出した後方向散乱光の強度から前記光ファイバーに設けた曲がり角度検出部における曲がり方向及び曲がり角を演算処理すると共に、内視鏡挿入部形状を映像信号に生成する信号処理手段と、
を具備する内視鏡形状検出装置。
【００６６】
（２） 曲がり角度検出部を複数設けた光ファイバーを内蔵した内視鏡形状検出プローブと、
この内視鏡形状検出プローブが挿抜自在で、内視鏡挿入部内の長手方向に設けた管路チャンネルを有する内視鏡と、
前記光ファイバーにパルス光を供給するパルス光照射手段と、
前記光ファイバーに入射した前記パルス光照射手段からのパルス光によって、前記光ファイバーの任意の位置で発生した後方向散乱光を検出する光検出手段と、
この光検出手段で検出した後方向散乱光の強度から前記光ファイバーに設けた曲がり角度検出部における曲がり方向及び曲がり角を演算処理すると共に、内視鏡挿入部形状を映像信号に生成する信号処理手段と、
を具備する内視鏡形状検出装置。
【００６７】
（３）前記曲がり角度検出部で光ファイバーが曲折している付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００６８】
（４）前記曲がり角度検出部に３つの光ファイバー止めを設けた付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００６９】
（５）前記光ファイバーは、シングルモードファイバーである付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００７０】
（６）前記パルス光照射手段はレーザー装置である付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００７１】
（７）前記レーザー装置が半導体レーザーである付記６記載の内視鏡形状検出装置。
【００７２】
（８）前記光検出手段は、アバランシェフォトダイオードである付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００７３】
（９）前記後方向散乱光は、レーリー散乱光である付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００７４】
（１０）前記光ファイバーが複数本である付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００７５】
（１１）前記光ファイバーは、第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーである付記１０記載の内視鏡形状検出装置。
【００７６】
（１２）前記第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとが、互いに９０度位置ずれして配置されている付記１１記載の内視鏡形状検出装置。
【００７７】
（１３）前記光ファイバーは１本である付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００７８】
（１４）前記曲がり角度検出部を、光ファイバーが曲がる方向で９０度ずれて交互に配置した付記１３記載の内視鏡形状検出装置。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、内視鏡挿入部の外径寸法を太径にすることなく、内視鏡挿入部の形状を容易に検出することが可能な内視鏡形状検出装置を提供することができる。
【００８０】
内視鏡挿入部を太くすることなく、内視鏡挿入部の湾曲形状検出が可能なことである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ないし図６は本発明の第１実施形態に係り、図１は内視鏡形状検出装置の概略構成を示す説明図
【図２】内視鏡の挿入部の断面図
【図３】挿入部内に配置されている光ファイバーの概略構成を示す説明図
【図４】形状検出制御装置の構成を示すブロック図
【図５】形状検出制御装置の動作を説明する流れ図
【図６】角度検出部における曲がり状態と光損失との関係を示す図
【図７】図７ないし図９は本発明の第２実施形態に係り、図７は内視鏡の概略構成を示す説明図及び内視鏡挿入部の長手方向断面図
【図８】内視鏡形状検出プローブの構成を示す正面及び長手方向断面図
【図９】内視鏡の管路チャンネル内に内視鏡形状検出プローブが挿入されている状態を示す断面図
【図１０】本発明の第３実施形態にかかる光ファイバーの構成を示す説明図
【符号の説明】
３…形状検出制御装置
１６…制御装置
２１，２２…光ファイバー
３１…信号処理回路
３２…パルス発生回路
３３ａ，３３ｂ…レーザー装置
３５ａ，３５ｂ…アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
３６ａ，３６ｂ…増幅装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、内視鏡挿入部の被検部内での形状を検出する内視鏡形状検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内視鏡は医療用分野及び工業用分野で広く用いられるようになった。特に、医療用分野で使用される挿入部が軟性の内視鏡では、この挿入部を屈曲した体腔内に口や肛門などから挿入することにより、切開することなく体腔内深部の臓器を診断したり、必要に応じて内視鏡に設けた管路チャンネル内に処置具を挿通してポリープ等を切除するなどの治療処置を行うことができる。
【０００３】
例えば内視鏡を肛門側から挿入して下部消化管内を検査する場合、屈曲した体腔内に挿入部を円滑に挿入するためにはある程度の熟練を要する。つまり、内視鏡の挿入作業を行う場合、体腔内の屈曲に応じて挿入部に設けた湾曲部を湾曲させる等の作業を円滑に行って挿入する必要があり、そのためには挿入部の先端位置等が、体腔内のどこに位置しているなど、現在の内視鏡挿入部の湾曲状態等を知ることができると便利である。
【０００４】
そこで、挿入部にＸ線不透過部を形成し、Ｘ線を照射することによって、Ｘ線不透過部を検出して挿入部の先端位置や挿入部の湾曲状態を観察することが考えられている。
【０００５】
しかし、Ｘ線を照射するための装置は大型である。すなわち、Ｘ線を照射するための装置を検査室に設けるためには検査室が十分に広くなければならない。また、術者は、内視鏡検査の際に、内視鏡の操作のほかに、Ｘ線を照射する操作を行わなければならなくなるので、術者にかかる負担が大きくなると共に、頻繁にＸ線照射を行うと被爆量が増大して患者のみならず術者に対しても有害になるおそれがある。
【０００６】
このため、特開平５−９１９７２号公報には内視鏡の挿入部の湾曲状態を表示する湾曲表示装置が開示されている。この湾曲表示装置は、第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとを可撓性部材に沿って配置し、光源からの光を前記第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーの各入り口から導入したときに、導入された光を前記第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーの出口において光検出器で電気信号に変換するように構成してあると共に、前記第１の光ファイバーは複数の光ファイバー対で構成し、さらに各光ファイバー対は２本の光ファイバーエレメントで構成してあり、前記光ファイバーエレメントには異なる対では互いに異なる位置になるように同じ対ではほぼ同じ位置になるように接続部を形成してあり、前記光ファイバー対は、前記光ファイバーエレメントに設けた各接続部が、互いに直交する２方向の軸線傾斜角に応じた開き角を形成するように配置してあり、前記電気信号を用いて前記各接続部での前記光ファイバーエレメントの軸線傾斜角を演算部で算定することによって、前記可撓性部材の湾曲状態をモニターに表示できるように構成している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平５−９１９７２号公報に示されている湾曲表示装置では例えば、挿入部のｎ箇所の湾曲情報を得ようとする場合には、ｎ対の光ファイバーを設ける必要であると共に、各光ファイバーを往復させる必要があるので、内視鏡挿入部内に最低（４Ｘｎ）本の光ファイバーを設けなければならない。
【０００８】
また、内視鏡の挿入部の湾曲状態をより精度良く得るためには、より多くの点で湾曲情報を得る必要があるので、精度の高い湾曲測定を行うために測定箇所を多くすると、このことに伴って光ファイバーの本数が多くなり、内視鏡挿入部外径寸法が太径になるという問題がある。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、内視鏡挿入部の外径寸法を太径にすることなく、内視鏡挿入部の形状を容易に検出することが可能な内視鏡形状検出装置を提供することを目的にしている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の内視鏡形状検出装置は、曲がり角度検出部を複数設けた光ファイバーと、この光ファイバーを内視鏡挿入部内に長手方向に沿わせて配置した内視鏡と、前記光ファイバーにパルス光を供給するパルス光照射手段と、前記光ファイバーに入射した前記パルス光照射手段からのパルス光によって、前記光ファイバーの任意の位置で発生した後方向散乱光を検出する光検出手段と、この光検出手段で検出した後方向散乱光の強度から前記光ファイバーに設けた曲がり角度検出部における曲がり方向及び曲がり角を演算処理すると共に、内視鏡挿入部形状を映像信号に生成する信号処理手段とを具備している。
【００１１】
この構成によれば、内視鏡の挿入部に設けた光ファイバーに送り込まれたパルス光に対する、光ファイバーの任意の位置からの後方向散乱光を光検出手段で検出し、信号処理手段で前記光検出手段で検出した後方向散乱光の強度から曲がり角検出部における曲がり角度及び曲がり方向が算出されると共に映像信号が生成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１ないし図６は本発明の第１実施形態に係り、図１は内視鏡形状検出装置の概略構成を示す説明図、図２は内視鏡の挿入部の断面図、図３は挿入部内に配置されている光ファイバーの概略構成を示す説明図、図４は形状検出制御装置の構成を示すブロック図、図５は形状検出制御装置の動作を説明する流れ図、図６は角度検出部における曲がり状態と光損失との関係を示す図である。
【００１３】
図１に示すように本実施形態の内視鏡形状検出装置１は、体腔内に挿入され術部を観察及び処置する内視鏡２と、この内視鏡２と共に使用されて体腔内に挿入されている内視鏡挿入部の位置及び内視鏡挿入部の湾曲形状を検出する形状検出制御装置３とで主に構成されている。
【００１４】
本実施形態の内視鏡形状検出装置１においては、内視鏡検査用ベッド４のベッド４ａ上に横たわっている患者５の体腔内に、例えば肛門から、前記内視鏡２の挿入部７が挿入されている。
【００１５】
前記内視鏡２の操作部８の一側面部からはユニバーサルケーブル９が延出しており、このユニバーサルケーブル９はビデオプロセッサー１０に接続されている。このビデオプロセッサー１０には、内視鏡に観察用照明光を供給する光源部（不図示）及び内視鏡の先端部などに設けられているＣＣＤなどの撮像素子で光電変換された電気信号を映像信号に処理する信号処理部（不図示）が内蔵されている。
【００１６】
光源部からの照明光は、内視鏡２内を挿通しているライトガイドを介して挿入部７の先端面に設けられている照明窓まで伝送されて、この照明窓から体腔内に照射される。そして、この照明光によって照射された体腔内臓器等の術部は、挿入部７の先端面に設けられている観察窓に取り付けられている対物光学系により、対物光学系の焦点面に配置されている撮像素子の撮像面に結像して電気信号に光電変換される。この撮像素子で光電変換された電気信号は、信号線を介してビデオプロセッサー１０内の信号処理部に伝送されて、標準的な映像信号に生成されてカラーモニター１１に出力される。このことにより、カラーモニタ１１の画面上に術部の内視鏡像が表示される。
【００１７】
また、前記内視鏡２の操作部８の他側面部からは前記形状検出制御装置３に接続される光ファイバーケーブル１５が延出している。この光ファイバーケーブル１５の内部には後述する光ファイバが挿通されている。なお、前記内視鏡挿入部の位置及び形状を検出するための形状検出制御装置３は、後述する制御装置１６とモニター１７とから構成され、前記光ファイバーケーブル１５の基端部が接続部１８に着脱自在な構成になっている。
【００１８】
図２（ａ）に示すように内視鏡２の挿入部７の内周面には長手方向に延びる第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２が配置されている。この光ファイバー２１，２２は、挿入部先端から挿入部７内を通って操作部８まで導かれ、光ファイバーケーブル１５内を通って光ファイバーケーブル１５の基端部まで延出している。
【００１９】
図２（ｂ）に示すように前記第１の光ファイバー２１と第２の光ファイバー２２との配置位置関係は、挿入部７内部で９０度位置ずれした位置関係となるように配置されている。
【００２０】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように前記挿入部７内に配置されている第１の光ファイバー２１には曲がり角度検出部２５が複数、任意の間隔（例えば等間隔など）で設けられている。
【００２１】
図３（ｃ）に示すようにこの曲がり角度検出部２５の内部には、３つの光ファイバー止め部２６が配置されており、前記３つの光ファイバー止め部２６に対して前記第１の光ファイバー２１を引っかけて配置することによって、前記光ファイバー２１が紙面で示す上下方向にだけ曲がって、紙面に直交する方向に対して曲がらない構成になっている。
【００２２】
すなわち、前記第１の光ファイバー２１に対して紙面上下方向からの外力が加わった場合、この第１の光ファイバー２１は曲がり角度検出部２５内で上下方向に湾曲するが、紙面に直交する方向から外力が加わった場合には曲がり角度検出部２５内でこの第１の光ファイバー２１は湾曲しないようになっている。
【００２３】
なお、前記第２の光ファイバー２２についても上述した第１の光ファイバー２１と同様に複数の曲がり角度検出部２５が任意の間隔で設けられている。また、前記第１の光ファイバー２１に設けられている曲がり角度検出部２５と第２の光ファイバー２２に設けられている曲がり角度検出部２５とが対になるように構成している。このため、第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２に対で設けられている角度検出部２５を、挿入部７内の略同位置に配置しさせて、この曲がり角度検出部２５における光ファイバー２１，２２の上下方向及び左右方向の湾曲状態を検出するようになっている。すなわち、前記曲がり角度検出部２５に配置されている第１の光ファイバー２１と前記第２の光ファイバー２２との曲がる方向が９０度異なった向きになっている。
【００２４】
前記制御装置１６は、映像信号を生成する信号処理手段である信号処理回路３１と、パルス発生手段であるパルス発生回路３２と、パルス光照射手段であるレーザー装置３３ａ，３３ｂと、光方向性結合手段であるビームスプリッター３４ａ，３４ｂと、光検出手段であるアバランシェフォトダイオード（以下ＡＰＤと略記する）３５ａ，３５ｂと、このＡＰＤ３５ａ，３５ｂで検出した信号を増幅する増幅手段であるオペアンプなどの増幅装置３６ａ，３６ｂ及び光ファイバーケーブル１５の基端部が着脱自在に接続される接続部１８とを備えて主に構成されている。
【００２５】
前記レーザー装置３３ａ，３３ｂには例えば半導体レーザが備えられており、この半導体レーザからは、前記パルス発生回路３２からの出力信号を受けてパルス光が照射されるようになっている。前記レーザー装置３３ａ，３３ｂから照射されたパルス光は、ビームスプリッター３４ａ，３４ｂを通過して接続部１８に接続されている光ファイバーケーブル１５内に配設されている第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２の端面に光学的に入射して光ファイバー２１，２２内を伝搬していく。
【００２６】
なお、前記第１光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２はそれぞれシングルモードファイバーが望ましく、この光ファイバー２１，２２に入射したパルス光は光ファイバー内を伝搬して、第１及び第２の光ファイバー２１，２２の長さ方向のいずれの位置からもレーリー散乱光を全方向に対して発生させる。そして、本発明では、必要なレーリー散乱光を、光ファイバー２１，２２内を伝搬されてパルス光入射端に戻ってくる後方レーリー散乱光である後方向散乱光としている。このため、本実施形態においては前記第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２を挿入部内で往復させる必要はないので、１本ずつの配置になっている。
【００２７】
前記ＡＰＤ３５ａ，３５ｂは、ビームスプリッター３４ａ，３４ｂの反射位置に配置されており、光ファイバーケーブル１５で発生した後方向散乱光がビームスプリッター３４ａ，３４ｂで反射してこのＡＰＤ３５ａ，３５ｂに入射するようになっている。
【００２８】
前記増幅装置３６ａ，３６ｂは、ＡＰＤ３５ａ，３５ｂに入射した後方向散乱光によって得られる電気信号を増幅するものであり、増幅した電気信号を信号処理回路３１に出力するようになっている。
【００２９】
信号処理回路３１は、前記増幅装置３６ａ，３６ｂからの電気信号を受けて、後方向散乱光の強度を演算処理すると共に、内視鏡２の挿入部７の湾曲形状の映像信号を生成する。この信号処理回路３１で生成された映像信号は、信号処理回路３１に接続されているモニター１７に出力されて、モニター画面上に挿入部７の湾曲形状が表示されるようになっている。
【００３０】
図５を参照して上述のように構成した形状検出制御装置３の動作を説明する。
ステップＳ１に示すように内視鏡２の挿入部７を体腔内に挿入していく。このとき、前記光ファイバーケーブル１５に内蔵されている第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２にレーザー装置３３ａ，３３ｂからのパルス光を供給している。
【００３１】
ステップＳ２に示すように前記挿入部７が体腔内に挿入されると、体腔内の屈曲した形状にならって挿入部７が湾曲する。そして、ステップＳ３に示すように挿入部７内に配設されている第１の光ファイバ２１及び第２の光ファイバー２２も前記挿入部７の湾曲に応じて曲がる。このため、ステップＳ４に示すように前記第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２が曲がることによって、この光ファイバー２１，２２の曲がった位置で曲げ損失が生じて後方向散乱光の強度が変化する。
【００３２】
一方、ステップＳ５に示すようにＡＰＤ３５ａ，３５ｂでは、ビームスプリッター３４ａ，３４ｂで一端反射してから入射される第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２からの後方向散乱光の強度が測定されている。つまり、ステップＳ６に示すように後方向散乱光の強度の違いによって起こる電気信号を信号処理回路３１に供給して角度検出部２５における曲げ角や曲げ方向を演算処理すると共に、ステップＳ７に示すように挿入部７の湾曲形状の映像信号を生成する。この信号処理回路３１で生成された映像信号は、モニタ１７に出力されてモニタ画面上に内視鏡挿入部の湾曲形状として描出される。
【００３３】
図６（ａ）−（Ｉ）に示すように内視鏡２の挿入部７が体腔内に挿入されて紙面上の例えば上方向に曲げられたとき、曲がり角度検出部２５における第１の光ファイバ２１は上方向に移動する。このときの曲げ角度θをθ＝θ（＋）と定義する。また、図６（ａ）−（III）に示すように内視鏡２の挿入部７が体腔内に挿入されて紙面上の例えば下方向に曲げられたとき、曲がり角度検出部２５における第１の光ファイバ２１は下方向に移動する。このときの曲げ角度θをθ＝θ（−）と定義する。また、図６（ａ）−(II)に示すように第１の光ファイバ２１が曲がり角度検出部２５において曲がっていない状態のとき、曲げ角度θをθ＝θ（0）と定義する。
【００３４】
また、図６（ａ）−（Ｉ）〜 (III)に示したそれぞれの曲げ角度に対応する光損失は図６（ｂ）に示すとおりであり、同図に示すように曲げ角度θがθ＝θ（＋）のときグラフＩに示すとおり光損失がＡ1 であり、θ＝θ（0）のときグラフIIに示すとおり光損失がＡ2 であり、θ＝θ（−）のときグラフIIIに示すとおり光損失がＡ3 になっている。
【００３５】
ここで、後方向散乱光の強度から、内視鏡２の挿入部７の任意の位置における曲がり角度、つまり第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２の各位置（任意の曲がり角度検出部２５）における曲がり角度を算出する原理を簡単に説明する。
【００３６】
まず、光ファイバーの曲げ損失について説明する。
光ファイバーに曲げ（マイクロベンド）が生じると、光ファイバー内を伝搬している一部の光が光ファイバー外部に放出されることによって光損失が生じる。このとき生じる光損失量は、曲げ強度（曲げ角）に比例する。つまり、曲げ角度の値を得たい位置での光損失量を測定することができれば、逆に光ファイバーの曲げ角度を算出（検出）することが可能になる。
【００３７】
このため、光学時間領域反射率計（ＯＴＤＲと略記する）を用いた測定法を利用する。前記ＯＴＤＲを用いた測定法は、光ファイバーの一端面からパルス光を入射させ、このパルス光を入射させた一端面であるパルス光入射端に戻ってくる光（この光が後方向散乱光である）を計測する測定法である。前記後方向散乱光は、光ファイバー内を伝搬されてくるため、光ファイバーの各位置における光損失量が反映されている。したがって、後方向散乱光の強度を光ファイバー全長にわたって測定することにより、各位置での相対的な損失量を得ることができる。尚、ＯＴＤＲによる測定法は公知の技術であり、田幸敏治・本田辰篤編による「光測定器ガイド」（オプトロニクス社）のｐ９７〜９８に記載されている。
【００３８】
つまり、本発明では、内視鏡の湾曲形状を求める際、ＯＴＤＲによって行う。このため、任意の曲がり角度検出部２５における各光ファイバー２１，２２の曲げ角度を得るために、間接的に各光ファイバー２１，２２の各角度検出部２５の位置での光ファイバー２１，２２の光損失量を予め測定している。前記ＯＴＤＲにより、後方向散乱光強度を得ることによって、この値からその位置での光損失量を換算することができるため、この光損失量から各位置での光ファイバーの曲げ角度が換算される。なお、ここでいう、各位置での光損失量とは、各位置での相対的な光の損失量である。
【００３９】
次に、前記図６を用いて後方向散乱光の強度測定によって、第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２に複数設けられている曲がり角度検出部２５における曲がり方向及び曲がり角度の算出方法を具体的に説明する。
【００４０】
図６（ｂ）に示すように第１の光ファイバー２１のある曲がり角度検出部２５近傍の後方向散乱光測定により光損失を得る場合、前記第１の光ファイバー２１は、光ファイバー止め部２６によって曲げられているため、たとえ挿入部７が直線状態であっても曲がり角度検出部２５において曲げ損失が生じている。
【００４１】
また、図６（ａ）の（Ｉ）または（III）に示すように、第１の光ファイバー２１に加わる外力の方向が異なることによって、光ファイバー止め部２６近傍での光ファイバー２１の曲げ状態が変化する。つまり、図６（ａ）の（Ｉ）に示す曲げ状態では曲げ角度θがθ（＋）となり、図６（ａ）の（III）に示す曲げ状態ではθ（−）となる。
【００４２】
したがって、図６（ａ）−（Ｉ）〜（III）に示す各曲げ状態（曲げ角度θ）によって、図６（ｂ）−（Ｉ）〜（III）に示すグラフのような光損失Ａ1 ，Ａ2，Ａ3 が得られる。つまり、第１の光ファイバー２１の曲げ角度θと光損失とが対応することから、光損失を算出することによって曲げ方向及び曲げ角度が得られる。
【００４３】
上述のように構成した内視鏡形状検出装置１の作用を説明する。
まず、パルス発生回路３２からレーザー装置３３ａ，３３ｂへパルス光を出射させるための信号が出力される。すると、このレーザー装置３３ａ，３３ｂから接続部１８に接続されている光ファイバーケーブル１５内に設けられている第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２のレーザー光入射端面に向けてレーザーパルス光が出射される。
【００４４】
前記レーザー装置３３ａ，３３ｂから光ファイバー２１，２２に向けて出射された実線に示すそれぞれのパルス光は、ビームスプリッター３４ａ，３４ｂを通過して、第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２に入射して先端方向に伝搬されていく。
【００４５】
次に、前記第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２の前記レーザー光入射端面に後方向散乱光が戻ってくる。このレーザー光入射端面側に戻ってくる破線に示す後方向散乱光は、ビームスプリッター３４ａ，３４ｂで反射されてＡＰＤ３５ａ，３５ｂに入射して、この入射した後方向散乱光強度に比例した電気信号に変換される。これらＡＰＤ３５ａ，３５ｂで変換された電気信号は、増幅装置３６ａ，３６ｂで増幅された後、信号処理回路３１に出力される。
【００４６】
前記増幅装置３６ａ，３６ｂからの電気信号を受けた信号処理回路３１では、第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２にそれぞれ設けられている曲がり角度検出部２５の各位置における曲がり方向及び曲がり角度を算出するため、後方向散乱光の強度を算出する。そして、後方向散乱光の強度値から挿入部７の全長にわたる曲がり角度検出部２５における曲がり方向及び曲がり角度を求めると共に、この値から挿入部７の３次元的な湾曲形状を映像信号として生成する。
【００４７】
そして、前記信号処理回路３１で生成した映像信号をモニター１７に出力して挿入部７の湾曲形状をモニター１７画面上に表示する。
【００４８】
このように、内視鏡の挿入部内に長手方向に向かって第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーを配設し、これら第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーにパルス光を伝搬させ、挿入部全長にわたる後方向散乱光の測定を行い、曲がり角度検出部のそれぞれの位置における光損失量を算出することによって、各曲がり角度検出部における曲がり方向及び曲がり角度を得ることができる。このことによって、前記各曲がり角度検出部における曲がり方向及び曲がり角度を基に映像信号が生成されるので、この映像信号をモニタ画面上に表示することで挿入部の湾曲形状を目視で確認しながら内視鏡の挿入操作を行える。
【００４９】
また、内視鏡の挿入部内に配設した第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーにパルス光を伝搬させたとき発生する後方向散乱光の強度を測定することによって、内視鏡内で第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーを往復させる必要がないので、内視鏡の挿入部を太径にすることなく、内視鏡挿入部の湾曲形状を検出することができる。
【００５０】
なお、本実施形態の構成では、接続部１８に接続されている光ファイバーケーブル１５内に配設されている第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２の端面にパルス光を光学的に入射させると共に、前記第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２からの後方向散乱光を電気信号に変換するための半導体レーザ、ビームスプリッター、ＡＰＤ及び増幅装置をそれぞれ２つずつ設けているが、光路中に回転式ミラーなどの光切替え手段を配設することによって、前記半導体レーザ、ビームスプリッター、ＡＰＤ及び増幅装置を１つで構成することも可能になる。
【００５１】
また、本実施形態では前記第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーを内視鏡挿入部内に配設して、内視鏡挿入部の３次元的な湾曲形状を求めているが、２本以上の光ファイバーを挿入部内に配設して３次元的な湾曲形状を得るようにしてもよい。
【００５２】
図７ないし図９は本発明の第２実施形態に係り、図７は内視鏡の概略構成を示す説明図及び内視鏡挿入部の長手方向断面図、図８は内視鏡形状検出プローブの構成を示す正面及び長手方向断面図、図９は内視鏡の管路チャンネル内に内視鏡形状検出プローブが挿入されている状態を示す断面図である。なお、本実施形態において前記第１実施形態と同様の構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５３】
図７に示すように本実施形態の内視鏡４０は、前記第１実施形態の内視鏡２と以下の２点が異なる。すなわち、本実施形態の内視鏡４０は、処置具挿通用チャンネルなどの管路チャンネル４１を有している。そして、本実施形態の内視鏡４０では光ファイバーケーブル１５を設ける代わりに、操作部８に前記管路チャンネル４１に連通する連通口４１ａを設けている。そして、前記管路チャンネル４１に後述する内視鏡形状検出プローブ４２を挿通する。なお、前記管路チャンネル４１は挿入部７の先端面に設けられている開口４１ｂに連通している。
【００５４】
図８（ａ），（ｂ）に示すように内視鏡形状検出プローブ４２には第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２が配設されている。また、前記第１の光ファイバー２１及び第２の光ファイバー２２には曲がり角度検出部２５が任意の間隔で複数、設けられている。
【００５５】
前記内視鏡形状検出プローブ４２の外径寸法は、内視鏡４０に設けられている管路チャンネル４１の内径寸法より細径に設定されている。また、図示しないが、内視鏡形状検出プローブ４２の一端部は、制御装置１６の接続部１８に接続され、他端部は管路チャンネル４１の挿入部７先端部付近まで挿入される。すなわち、前記内視鏡４０と前記内視鏡形状検出プローブ４２とは別体であり、前記内視鏡形状検出プローブ４２が管路チャンネル４１に対して挿抜自在である。つまり、図９に示すように内視鏡形状検出プローブ４２は、内視鏡４０の管路チャンネル４１内に挿通して使用されるようになっている。
【００５６】
このように、内視鏡に設けた管路チャンネルに対して挿抜自在な内視鏡形状検出プローブを構成し、この内視鏡形状検出プローブを管路チャンネルを有する通常の内視鏡に配設することによって、内視鏡挿入部の湾曲形状を前記内視鏡形状検出プローブを用いて容易に検出することができる。このことにより、管路チャンネルを有する内視鏡の外形寸法を太径にすることなく、内視鏡挿入部の湾曲形状を容易に確認することが可能になる。その他の作用及び効果は前記第１実施形態と同様である。
【００５７】
図１０は本発明の第３実施形態にかかる光ファイバーの構成を示す説明図である。
【００５８】
図に示すように本実施形態においては、光ファイバー５０に内視鏡の湾曲形状を検出する一対で構成した角度検出部５１ａ，５１ｂを複数箇所に設けている。前記角度検出部５１ａ，５１ｂのそれぞれの構成は、前記図３（ｃ）で示した角度検出部２５の構成と同様であり、曲がり角度検出部５１ａ，５１ｂの内部において光ファイバー５０が一方向にだけ曲がるようになっている。
【００５９】
また、図１０に示すように一対で構成されている曲がり角度検出部５１ａ，５１ｂは、光ファイバー５０の長手方向に沿って所定の間隔で配設されており、このとき前記曲がり角度検出部５１ａ，５１ｂが交互に設けられている。これは、前記曲がり角度検出部５１ａが図中で上下方向にのみ曲がるように設定したものであり、前記曲がり角度検出部５１ｂが図中の紙面に対して直交する方向にのみ曲がるように設定したものであるためである。すなわち、前記角度検出部５１ａと前記角度検出部５１ｂとを略同位置に互いに９０度に直交する位置関係で配置して左右方向及び上下方向の検出を行えるようにしている。その他の構成は上述の実施形態と同様である。
【００６０】
上述のように１本の光ファイバーに、上下方向にのみ曲がるように設定した曲がり角度検出部と図中の紙面に対して直交する方向にのみ曲がるように設定した曲がり角度検出部とがほぼ同位置になるように一対にして、複数箇所に設けることによって、この１本の光ファイバーを前記第１の実施形態の内視鏡に設けたり、第２実施形態の内視鏡形状検出プローブに設けることによって、内視鏡挿入部の湾曲形状を立体的に検出することができる。このことにより、前記第１実施形態及び第２実施形態で２本の光ファイバーを用いていた構成を１本の光ファイバーで構成することが可能になる。このことにより、内視鏡２や内視鏡４０の挿入部７を太くすることなく内視鏡挿入部の形状の検出が可能になる。
【００６１】
また、内視鏡形状を検出するために使用する光ファイバーを１本にすることにより、内視鏡形状検出制御装置内の１組のレーザー装置、ビームスプリッター、ＡＰＤ及び増幅装置をそれぞれ１つずつにして構成することができる。このことによって、安価な内視鏡形状検出制御装置が構成される。
【００６２】
なお、本実施形態においては、曲がり角度検出部５１ａ，５１ｂを別体で構成しているが、曲がり角度検出部５１ａ，５１ｂを一体にした構成であってもよい。そのほかの作用及び効果は上述の実施形態と同様である。
【００６３】
なお、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【００６４】
［付記］
以上詳述したような本発明の前記実施形態によれば、以下の如き構成を得ることができる。
【００６５】
（１）曲がり角度検出部を複数設けた光ファイバーと、
この光ファイバーを内視鏡挿入部内に長手方向に沿わせて配置した内視鏡と、
前記光ファイバーにパルス光を供給するパルス光照射手段と、
前記光ファイバーに入射した前記パルス光照射手段からのパルス光によって、前記光ファイバーの任意の位置で発生した後方向散乱光を検出する光検出手段と、
この光検出手段で検出した後方向散乱光の強度から前記光ファイバーに設けた曲がり角度検出部における曲がり方向及び曲がり角を演算処理すると共に、内視鏡挿入部形状を映像信号に生成する信号処理手段と、
を具備する内視鏡形状検出装置。
【００６６】
（２） 曲がり角度検出部を複数設けた光ファイバーを内蔵した内視鏡形状検出プローブと、
この内視鏡形状検出プローブが挿抜自在で、内視鏡挿入部内の長手方向に設けた管路チャンネルを有する内視鏡と、
前記光ファイバーにパルス光を供給するパルス光照射手段と、
前記光ファイバーに入射した前記パルス光照射手段からのパルス光によって、前記光ファイバーの任意の位置で発生した後方向散乱光を検出する光検出手段と、
この光検出手段で検出した後方向散乱光の強度から前記光ファイバーに設けた曲がり角度検出部における曲がり方向及び曲がり角を演算処理すると共に、内視鏡挿入部形状を映像信号に生成する信号処理手段と、
を具備する内視鏡形状検出装置。
【００６７】
（３）前記曲がり角度検出部で光ファイバーが曲折している付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００６８】
（４）前記曲がり角度検出部に３つの光ファイバー止めを設けた付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００６９】
（５）前記光ファイバーは、シングルモードファイバーである付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００７０】
（６）前記パルス光照射手段はレーザー装置である付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００７１】
（７）前記レーザー装置が半導体レーザーである付記６記載の内視鏡形状検出装置。
【００７２】
（８）前記光検出手段は、アバランシェフォトダイオードである付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００７３】
（９）前記後方向散乱光は、レーリー散乱光である付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００７４】
（１０）前記光ファイバーが複数本である付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００７５】
（１１）前記光ファイバーは、第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーである付記１０記載の内視鏡形状検出装置。
【００７６】
（１２）前記第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとが、互いに９０度位置ずれして配置されている付記１１記載の内視鏡形状検出装置。
【００７７】
（１３）前記光ファイバーは１本である付記１または付記２記載の内視鏡形状検出装置。
【００７８】
（１４）前記曲がり角度検出部を、光ファイバーが曲がる方向で９０度ずれて交互に配置した付記１３記載の内視鏡形状検出装置。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、内視鏡挿入部の外径寸法を太径にすることなく、内視鏡挿入部の形状を容易に検出することが可能な内視鏡形状検出装置を提供することができる。
【００８０】
内視鏡挿入部を太くすることなく、内視鏡挿入部の湾曲形状検出が可能なことである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ないし図６は本発明の第１実施形態に係り、図１は内視鏡形状検出装置の概略構成を示す説明図
【図２】内視鏡の挿入部の断面図
【図３】挿入部内に配置されている光ファイバーの概略構成を示す説明図
【図４】形状検出制御装置の構成を示すブロック図
【図５】形状検出制御装置の動作を説明する流れ図
【図６】角度検出部における曲がり状態と光損失との関係を示す図
【図７】図７ないし図９は本発明の第２実施形態に係り、図７は内視鏡の概略構成を示す説明図及び内視鏡挿入部の長手方向断面図
【図８】内視鏡形状検出プローブの構成を示す正面及び長手方向断面図
【図９】内視鏡の管路チャンネル内に内視鏡形状検出プローブが挿入されている状態を示す断面図
【図１０】本発明の第３実施形態にかかる光ファイバーの構成を示す説明図
【符号の説明】
３…形状検出制御装置
１６…制御装置
２１，２２…光ファイバー
３１…信号処理回路
３２…パルス発生回路
３３ａ，３３ｂ…レーザー装置
３５ａ，３５ｂ…アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
３６ａ，３６ｂ…増幅装置
Claims (1)
- 曲がり角度検出部を複数設けた光ファイバーと、
この光ファイバーを内視鏡挿入部内に長手方向に沿わせて配置した内視鏡と、
前記光ファイバーにパルス光を供給するパルス光照射手段と、
前記光ファイバーに入射した前記パルス光照射手段からのパルス光によって、前記光ファイバーの任意の位置で発生した後方向散乱光を検出する光検出手段と、
この光検出手段で検出した後方向散乱光の強度から前記光ファイバーに設けた曲がり角度検出部における曲がり方向及び曲がり角を演算処理すると共に、内視鏡挿入部形状を映像信号に生成する信号処理手段と、
を具備することを特徴とする内視鏡形状検出装置。
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