JP5131951B2 - 体腔内観察装置 - Google Patents

Description

本発明は体腔内観察装置に係り、特に被検者の体腔内をモニタ表示しながら各種処置を施す体腔内観察装置に関する。

体腔内観察装置である腹腔鏡装置は、患者の腹部表面からトラカール（挿通具）を体腔内に穿刺した後、このトラカールをガイドとしての腹腔鏡挿入部を体腔内に挿入し、体腔内の癒着の有無、卵巣腫瘍、子宮筋腫等の被観察体をモニタ表示しながら癒着治療等の各種処置を施す装置である。また、腹腔鏡は、臨床時において固定部に取り付けられた可動ホルダに保持され、固定状態に維持されている（例えば、特許文献１）。

ところで、腹腔鏡装置による臨床時には、実際に処置を行っている被観察体をモニタ画面の中央で観察するために、体腔内に位置する処置具の先端部の位置を検出し、この先端部がモニタの画像の中央部分に常に位置するように処置具の先端部を追尾することが行われている。特許文献１に記載の位置検出装置は、腹腔鏡の体外に位置する部分に取り付けられた磁気式3次元位置センサによって構成されている。この磁気式3次元位置センサは、腹腔鏡に取り付けられた磁気ソースと、処置具に取り付けられた磁気センサとから構成され、体外に位置する磁気センサの設置位置から体内に位置する処置具の処置用先端部の位置を回転・並進の座標変換方式によって算出し、体腔内に位置する処置具の先端部の位置情報を求めるようにしている。

また、特許文献２には、処置具の先端に色マーカ部を付し、撮像された画像の輝度を独立に算出する色空間へ変換することにより色マーカ部の抽出を行い、その抽出した位置を処置具の先端位置と判断している。
特開平８−１６４１４８号公報 特開平１０−２７６９７４号公報

しかしながら、前記特許文献１の腹腔鏡装置は、位置検出装置として磁気式3次元位置センサを使用するため、腹腔鏡装置が大がかりなものになるとともに、磁気式3次元位置センサという機械装置が腹腔鏡に別途設けられるため、腹腔鏡装置全体のコストが高くなるという欠点があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、機械装置を別途設けることなく簡単な構成で処置具又は挿通具の先端部を検出することができる体腔内観察装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、被検者の体腔内に挿通具をガイドとして挿入される処置具と、前記被検者の体壁開口部に取り付けられる観察部と、前記観察部によって撮像された前記体腔内を表示するモニタと、前記観察部によって撮像された体腔内を示す画像から前記処置具又は挿通具に付されたマーカ部の位置を検出するマーカ位置検出手段とを備えた体腔内観察装置において、前記マーカ位置検出手段は、前記画像から前記マーカ部と同一の色の画素群を抽出する画素抽出手段と、前記画素群の重心の位置を前記マーカ部の位置として算出する算出手段と、を備え、前記画素抽出手段は、前記観察部の撮像素子から出力されるＲ、Ｇ、Ｂ出力値のうち前記マーカ部の色に含まれる色成分の出力値が、前記マーカ部の色に含まれない色成分の出力値よりも所定の閾値以上大きい画素を前記画素群として抽出し、前記閾値は、前記Ｒ、Ｇ、Ｂ出力値の最小値よりも大きく、且つ、前記Ｒ、Ｇ、Ｂ出力値の最大値よりも小さいことを特徴としている。

本発明によれば、観察部によって撮像された体腔内を示す画像から、処置具又は挿通具に付されたマーカ部と同一の色の画素群を画素抽出手段によって抽出し、この画素群の重心の位置を前記マーカ部の位置として算出手段が算出する。これにより、画素抽出手段と算出手段の回路を画像処理回路に組み込むだけで、マーカ部の位置を検出することができるので、機械装置を別途設けることなく簡単な構成で処置具の先端部を検出することができる。

本発明によれば、画素抽出手段は、観察部の撮像素子から出力されるＲ、Ｇ、Ｂ出力値のうちマーカ部の色に含まれる色成分の出力値が、マーカ部の色に含まれない色成分の出力値よりも所定の閾値以上大きい画素を前記画素群として抽出するので、本当に抽出したい画素、すなわちマーカ部の色を抽出することができる。

本発明は、前記算出手段によって算出された前記マーカ部の位置が画像の中心部に位置するように画像を所定の領域にトリミングするトリミング手段と、トリミングした前記所定の領域を前記モニタに所定の倍率で拡大表示させる拡大表示手段と、を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、マーカ部が画像の中心部に位置するようにトリミング手段によって画像を所定の領域にトリミングした後、その画像領域を拡大表示手段によってモニタに所定の倍率で拡大表示する。このような画像処理によって、本当に観察したい部位の画像を、人手を要することなく容易に拡大表示することができ、また、マーカ部を追尾することができる。

本発明は、前記マーカ部は、前記処置具又は挿通具に少なくとも２カ所付され、前記算出手段によって算出された前記マーカ部の２つの位置を結ぶ線の所定の延長線上に位置する位置が画像の中心部に位置するように画像を所定の領域にトリミングするトリミング手段と、トリミングした前記所定の領域を前記モニタに所定の倍率で拡大表示させる拡大表示手段と、を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、算出手段によって算出された位置が、すなわち、マーカ部の２つの位置を結ぶ線の所定の延長線上に位置する位置が、画像の中心部に位置するように、トリミング手段が画像を所定の領域にトリミングし、このトリミングした所定の領域を、拡大表示手段によってモニタに所定の倍率で拡大表示させる。このような画像処理を行うことによって、前記所定の領域を処置具による実作業領域として予測し、この予測した実作業領域を拡大表示でき、そして、予測した実作業領域を追尾することができる。

本発明に係る体腔内観察装置によれば、観察部によって撮像された体腔内を示す画像から、処置具又は挿通具に付されたマーカ部と同一の色の画素群を画素抽出手段によって抽出し、この画素群の重心の位置を前記マーカ部の位置として算出手段が算出するので、画素抽出手段と算出手段の回路を画像処理回路に組み込むだけで、マーカ部の位置を検出することができる。よって、機械装置を別途設けることなく簡単な構成で処置具又は挿通具の先端部を検出することができる。

以下、添付図面に従って本発明に係る体腔内観察装置の好ましい実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る体腔内観察装置１０のシステム構成図が示され、図２は体腔内観察装置１０による臨床状況が示されている。

図１、図２に示すように体腔内観察装置１０は処置具１２、トラカール（挿通具）１４、観察ユニット（観察部）１６、映像信号処理機１８、及びモニタ２０等から構成される。なお、この観察ユニット１６に代えて、体腔内画像を撮像する内視鏡、硬性鏡を用いることもできる。

処置具１２は、手術台２２に寝かされた被検者２４の体腔２６内の患部を処置するものであり、術者２８が操作する操作部３０が設けられている。また、この処置具１２は、操作部３０の先端に挿入部３２が接続され、挿入部３２の先端には鉗子部３４が設けられている。

処置具１２の挿入部３２は、図２の如く被検者２４の腹部４２の表面から穿刺されたトラカール１４をガイドとして体腔２６内に挿入される。トラカール１４は、先端が先鋭状に形成された金属性の中空管４４と、この中空管４４の基端に設けられた軟性の把持管４６とから構成される。このように構成されたトラカール１４は、術者２８が把持管４６を把持し、中空管４４の先鋭状先端を先頭にして腹部４２を穿刺することにより中空管４４が体腔２６内に挿入される。

観察ユニット１６は図１に示すように略円柱状に形成され、トラカール１４の穿刺位置の近傍で腹部４２を切除して広げられた開口部４３に固定されている。観察ユニット１６は、図２の如く略円柱状に形成されたユニット本体４８と、ユニット本体４８の雄ねじ部４９に螺合されて腹壁（腹皮）をユニット本体４８との間で挟圧するナット部５０とから構成される。この挟圧保持によって観察ユニット１６が開口部４３に固定される。

ユニット本体４８には、複数の発光ダイオード５２、バッテリ５４、レンズ５６とＣＣＤ（撮像素子）５８とを備えた観察光学系６０、及び映像信号を無線により送信する映像信号送信部６２が内蔵されている。ＬＥＤ５２、５２…は、ユニット本体４８の中心軸を中心とする同一円周上に等間隔で複数個配置されている。また、ＬＥＤ５２を収納する収納凹部６４が、透明板又は散光板等のプレート６６によって密閉されている。更に、観察光学系６０は、ユニット本体４８の中心軸にその光軸が合致するように配置されている。観察光学系６０のレンズ５６の前方には透明板６８が配置され、この透明板６８によって観察光学系６０の収納凹部７０が密閉されている。

バッテリ５４は、小型軽量を考慮してボタン電池が用いられる。このバッテリ５４は、ユニット本体４８の上面に着脱自在に取り付けられたキャップ７２を取り外すことにより、新たなバッテリ５４と交換される。バッテリ５４は図３の如くＬＥＤ５２、ＣＣＤ５８、及び映像信号送信部６２に電力を供給するとともに、ＣＣＤ５８からの出力信号を映像信号に処理する映像信号処理部７４にも電力を供給する。この映像信号処理部７４も図２に示したユニット本体４８に内蔵されている。

このように構成された観察ユニット１６によれば、ＬＥＤ５２、５２…によって被観察体３６が照明され、その被観察体の光像がレンズ５６を介してＣＣＤ５８に結像される。そして、ＣＣＤ５８からの出力信号は、映像信号処理部７４によって映像信号に処理された後、映像信号送信部６２のアンテナ７６から図１に示した映像信号処理機１８に送信される。すなわち、観察ユニット１６は、内蔵されたバッテリ５４によって照明、撮像、映像信号を送信するという機能を兼ね備えている。

映像信号処理機１８に送信された映像信号は、図３に示すように映像信号受信部７８のアンテナ８０によって受信される。そして、受信された映像信号は、歪曲補正制御部８２によってレンズ５６が持つ歪曲特性が補正された後、マーカ位置検出部（マーカ位置検出手段）８４、トリミング部（トリミング手段）８６、及び拡大部（拡大表示手段）８８からなるマーカ追尾制御部９０に出力される。

ここでマーカ追尾制御部９０について説明する。

図２に示した観察ユニット１６の観察光学系６０は、観察ユニット１６が体壁開口部４３に固定されるため、体腔２６全体を見渡せることができる広い観察視野を有するものが適用される。しかしながら、観察視野の広い（例えば視野角１７０°）観察光学系６０によって撮像された撮像領域の全領域をモニタ２０に全表示した場合、処置具又はトラカール１４の先端部近傍の本当に観察したい部位の画像が小さくなるという不具合が発生する。

この不具合を解消するために、図２の如く処置具１２の鉗子部（先端部）３４に、体色とは全く異なる色（例えば：緑）のマーカ（マーカ部）Ｍを付ける。そして、マーカ追尾制御部９０による画像処理において、図３のマーカ位置検出部８４によりマーカＭの位置を検出する。次に、このマーカＭが画像の中心部に位置するように画像をトリミング部８６によって所定の領域にトリミングする。次いで、その画像領域を拡大部８８によってモニタ２０に所定の倍率で拡大表示する。拡大倍率は、映像信号処理機１８の倍率調整ツマミ１９を操作することによって調整する。このような画像処理によって、本当に観察したい部位の画像をモニタ２０に大きく表示することができるので、観察視野の広い観察光学系を用いた場合の前記不具合を解消できる。すなわち、観察ユニット１６を術者が何も操作することなく体壁開口部４３に固定した状態で使用することができるので、臨床に不都合なく術者を少人数化できる。また、処置具１２の操作によってマーカＭの位置が変わっても、マーカ位置検出部８４によってマーカＭを常に追尾しているので、マーカＭ近傍の画像を常に拡大して観察することができる。なお、マーカＭはトラカール１４の先端に付してもよい。

実施の形態の映像信号処理機１８は、切替スイッチ９２を有している。この切替スイッチ９２は、モニタ２０に出力する映像信号を、歪曲特性が補正されただけの映像信号又はマーカＭを自動追尾して拡大した映像信号のうち、一つの映像信号を選択的に切り替えるものである。後者に切り替えた場合には、モニタ２０においてマーカＭ近傍の画像を拡大して観察することができ、前者に切り替えた場合には、観察視野の広い観察光学系６０によって撮像された撮像領域の全領域をモニタ２０で観察することができる。体腔２６全体における処置具１２の鉗子部３４の位置を把握する場合に便利である。

ところで、実施の形態の体腔内観察装置１０のマーカ位置検出部８４は、画素抽出部（画素抽出手段）９４、及び算出部（算出手段）９６から構成される。

画素抽出部９４は、観察ユニット１６によって撮像された体腔内を示す画像から、処置具１２に付された緑色のマーカＭと同一の色の画素群を抽出する。そして、この画素群の重心の位置をマーカＭの位置として算出部９６が算出する。これにより、画素抽出部９４と算出部９６の回路をマーカ位置検出部８４に組み込むだけで、マーカＭの位置を検出することができるので、機械装置を別途設けることなく簡単な構成で処置具１２の先端部を検出することができる。

具体的に説明すると、画素抽出部９４は、観察ユニット１６のＣＣＤ５８から映像信号送信部６２を介して出力されるＲ、Ｇ、Ｂ出力値のうちマーカＭの緑色に含まれる色成分の出力値が、マーカＭの緑色に含まれない色成分の出力値よりも所定の閾値以上大きい画素を前記画素群として抽出する。

次に、算出部９６による算出例を下記に説明する。

座標(x, y)における色c={r, g, b}の画素値をf(x,y,c)とすると、緑色領域の重心点C_gは次式で与えられる。

ここで^tは転置、WとHはそれぞれ腹腔鏡入力画像の水平方向、垂直方向の画素数を表す。t_g,r、 t_g,bは緑色検出に用いる閾値パラメータである。重心点の算出において、本システムでは計算コストを削減するために縦・横方向共に5画素毎に検出を行う。なお、１画素毎に検出を行ってもよい。

なお、図４には閾値パラメータt_g,r、 t_g,b を設定した際の緑色（判定）領域が示されている。同図の横軸はＧ−Ｒの画素値差分が示され、縦軸はＧ−Ｂの画素値差分が示されている。

また、マーカＭを黄色とした場合には、同様に黄色領域の重心点C_yは次式で得られる。

T_g.b、 t_r.bは黄色検出に用いる閾値パラメータである。

なお、図５には閾値パラメータT_g.b、 t_r.b を設定した際の黄色（判定）領域が示されている。同図の横軸はＧ−Ｂの画素値差分が示され、縦軸はＲ−Ｂの画素値差分が示されている。

以上、緑色、及び黄色が付された各色領域の重心点を算出部９６が求めることにより、二本の処置具１２、１２が同時に挿入された場合でも、二本の処置具１２、１２の先端位置を検出することが出来る。

また、このように画素抽出部９４が、観察ユニット１６のＣＣＤ５８から出力されるＲ、Ｇ、Ｂ出力値のうちマーカＭの色に含まれる色成分の出力値が、マーカＭの色に含まれない色成分の出力値よりも所定の閾値以上大きい画素を前記画素群として抽出するので、本当に抽出したい画素、すなわちマーカＭの色を抽出することができる。

一方、図６には処置具１２の先端に所定の間隔（ｒ１）をもって緑色のマーカＭ１と黄色のマーカＭ２とが付された処置具１２が示されている。この処理具１２が使用された場合には、マーカＭ１とマーカＭ２との各重心点C_g、C_yを上記算出式にて算出し、そして、トリミング部８６は、各重心点C_g、C_yを結ぶ線の延長線においてC_g からｒ２離れた位置Ｐが画像の中心部に位置するように画像を所定の領域にトリミングする。そして、トリミングした前記所定の領域を、拡大部８８がモニタ２０に所定の倍率で拡大表示させる。

このような画像処理を行うことによって、前記所定の領域を処置具１２による実作業領域として予測し、この予測した実作業領域を拡大表示でき、そして、予測した実作業領域を追尾することができる。

具体的には、前記位置Ｐを含む実作業領域をＦとした場合、算出部９６によって得られた色領域の重心座標より、実作業領域

を決定する。マーカが一色の場合は

とするが、図６ではマーカＭ１、Ｍ２が二色であるので次式を用いて実作業領域Ｆを線形予測する．

このように、緑、黄色の二色のマーカＭ１、Ｍ２を用いることで実作業領域を予測することができる。また、二色のマーカＭ１、Ｍ２間の距離ｒ１と緑色マーカＭ１と実作業領域Ｆの中心位置Ｐとの距離ｒ２が、一定の比率ｒ１：ｒ２であると仮定すると、処置具１２の位置、姿勢に関わらず常に実作業領域Ｆを算出できる。

また、これらのマーカ追跡手法は、図７の如く処置具１２、１２が二本同時に挿入された場合にも同様な予測手法により、実作業領域Ｆを問題なく算出することができる。この時、本システムはそれぞれのマーカＭ１、Ｍ２がどちらの処置具１２、１２に付随する物であるかは検出せず、検出される色領域全体の重心座標を求める。例えば、C_g、C_g間の中心点Ｇ、C_y、C_y 間の中心点Ｙを算出し、Ｇ、Ｙを結ぶ線の延長線上に位置する位置Ｐを実作業領域Ｆの中心として得ることができる。

観察光学系が一体となった観察ユニットを有する体腔内観察装置のシステム構成図 図１に示した体腔内観察装置による臨床状況を示す説明図 図１に示した体腔内観察装置の構成を示すブロック図 閾値パラメータを設定した際の緑色領域を示した図 閾値パラメータを設定した際の黄色領域を示した図 一本の処置具に緑、黄色の色マーカを付した処理具の説明図 緑、黄色の色マーカが付された二本の処置具を同時に使用する場合の説明図

符号の説明

１０…体腔内観察装置、１２…処置具、１４…トラカール、１６…観察ユニット、１８…映像信号処理機、２０…モニタ、２６…体腔、４８…ユニット本体、５２…ＬＥＤ、５４…バッテリ、５８…ＣＣＤ、６０…観察光学系、６２…映像信号送信部、７４…映像信号処理部、８４…マーカ位置検出部、９４…画素抽出部、９６…算出部

Claims (3)

1. 被検者の体腔内に挿通具をガイドとして挿入される処置具と、前記被検者の体壁開口部に取り付けられる観察部と、前記観察部によって撮像された前記体腔内を表示するモニタと、前記観察部によって撮像された体腔内を示す画像から前記処置具又は挿通具に付されたマーカ部の位置を検出するマーカ位置検出手段とを備えた体腔内観察装置において、
   前記マーカ位置検出手段は、
   前記画像から前記マーカ部と同一の色の画素群を抽出する画素抽出手段と、
   前記画素群の重心の位置を前記マーカ部の位置として算出する算出手段と、
   を備え、
   前記画素抽出手段は、前記観察部の撮像素子から出力されるＲ、Ｇ、Ｂ出力値のうち前記マーカ部の色に含まれる色成分の出力値が、前記マーカ部の色に含まれない色成分の出力値よりも所定の閾値以上大きい画素を前記画素群として抽出し、
   前記閾値は、前記Ｒ、Ｇ、Ｂ出力値の最小値よりも大きく、且つ、前記Ｒ、Ｇ、Ｂ出力値の最大値よりも小さいことを特徴とする体腔内観察装置。
2. 前記算出手段によって算出された前記マーカ部の位置が画像の中心部に位置するように画像を所定の領域にトリミングするトリミング手段と、
   トリミングした前記所定の領域を前記モニタに所定の倍率で拡大表示させる拡大表示手段と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の体腔内観察装置。
3. 前記マーカ部は、前記処置具又は挿通具に少なくとも２カ所付され、
   前記算出手段によって算出された前記マーカ部の２つの位置を結ぶ線の所定の延長線上に位置する位置が画像の中心部に位置するように画像を所定の領域にトリミングするトリミング手段と、
   トリミングした前記所定の領域を前記モニタに所定の倍率で拡大表示させる拡大表示手段と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の体腔内観察装置。