JP5396178B2 - 内視鏡装置及び内視鏡システム - Google Patents
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Description
(1) 被検体に挿入される先端側に湾曲部を有する内視鏡挿入部、前記湾曲部を湾曲操作する湾曲操作部、該湾曲操作部への操作力に応じて前記湾曲部を湾曲駆動する湾曲駆動部を有する内視鏡本体と、
前記湾曲部の湾曲量を検出する湾曲量検出手段と、
前記湾曲操作部に加える操作力を検出する操作力検出手段と、
前記湾曲駆動部による湾曲駆動を補助する駆動力を発生する補助駆動手段と、
前記湾曲部の湾曲動作に要する前記操作力を湾曲角度毎に規定した湾曲特性の情報を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶した湾曲特性の情報、及び前記湾曲量検出手段による湾曲量検出値、並びに前記操作力検出手段による操作力検出値に応じて、前記補助駆動手段により前記駆動力を発生させる制御手段と、を備える内視鏡装置。
(2) 上記の内視鏡装置と、
該内視鏡装置と通信可能に接続される外部電子機器と、を具備する内視鏡システムであって、
前記記憶手段が、前記湾曲特性の情報の少なくとも一部を、前記外部電子機器に内蔵された記憶部に記憶させた内視鏡システム。
まず、内視鏡システムの基本構成について説明する。図1は本発明の実施形態を説明するための図で、内視鏡システムを模式的に示したブロック構成図である。
この内視鏡システム100は、内視鏡本体11と、内視鏡本体11から出力される画像情報を信号処理する信号処理装置13と、内視鏡本体11に照明光を供給する光源装置15とを有し、信号処理装置13には画像処理後の画像情報を表示するモニタ17が接続されている。また、内視鏡本体11、信号処理装置13、光源装置15を含む内視鏡装置は、必要に応じてネットワークを介してサーバ19等の外部機器と接続される。なお、ネットワークには、図示はしないがストレージ装置等の各種のネットワーク接続機器が接続され、各種情報の共有が可能にされている。
内視鏡本体11の内視鏡先端部35には、観察窓45、結像レンズ47、CCD(Charge Coupled Device)型やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型イメージセンサ等の撮像素子49を含む撮像光学系51が配置されている。また、内視鏡先端部35には、照射窓53、拡散レンズ55、光ファイバ束からなるライトガイド57を含む照明光学系59も配置されている。
湾曲部33は、アングルノブ37A,37Bの回動操作によって左右方向、及びこれと直交する上下方向に湾曲させることができる。図示例のように、湾曲部33は、公知の内視鏡の湾曲部と同様に、多数の円形の節輪91A,91Bを交互に連ねた構成を有する。湾曲部33を構成する各節輪91A,91Bの内壁面には、湾曲部33をL,R方向に湾曲させるための操作ワイヤ43Aと、U,D方向に湾曲させるための操作ワイヤ43Bが配設され、操作ワイヤ43A,43Bの端部は内視鏡先端側のスリーブ93に形成された固定部95に固定されている。
図4は湾曲部を湾曲させる湾曲駆動部を模式的に示す構成図である。この湾曲駆動部には、湾曲部33を湾曲させる手動操作を行う湾曲操作部37と、湾曲操作部37からの操作力を湾曲部33に伝える操作ワイヤ43と、湾曲操作部37と同軸に配置され操作ワイヤ43を巻掛けたプーリ41とが備わる。湾曲操作部37と、操作ワイヤ43を繰り出すプーリ41とは、連結軸44を中心に回動可能に軸支され、湾曲操作部37への回動操作力が連結軸44を介して直接的にプーリ41に伝達される。したがって、湾曲操作部37を手動により回動動作させると、その操作に応じてプーリ41が回動され、操作ワイヤ43の牽引と繰り出しが行われ、前述の湾曲機構(図3参照)により湾曲部33が湾曲する。
必要トルク特性TS(θ)は、内視鏡挿入部23の材質や構造によって決定される湾曲部33の曲げ剛性に起因して、湾曲部33を特定の湾曲角θに維持するために連結軸44に加える必要のあるトルク値を湾曲角毎に規定した特性である。
図5に示すように、湾曲部33を湾曲角θaに湾曲させるために必要なトルクTNは、必要トルク特性TS(θ)により求められる。ここで、必要トルク特性TS(θ)は、例えば湾曲角θが大きくなるほどトルク増加率が大きくなる等の、非線形な特性を有する。一方、任意トルク特性TSR(θ)は、ここでは湾曲角θの全域にわたってトルク増加率が一定となる線形の関係を規定している。
実際の内視鏡装置の術時に連結軸44に作用するトルクは、具体的には次のようにバランスしている。
図4に示すように、湾曲操作時に連結軸44に作用するトルクは、湾曲部33の湾曲操作のために術者が湾曲操作部37に加える操作力に起因する操作トルクをTH、駆動モータ101が発する駆動力に起因する駆動トルクをTM、必要トルク特性TS(θ)に規定され湾曲部33を湾曲角θまで湾曲させるために必要な操作力既定値である必要トルクをTS、内視鏡先端部35等の内視鏡挿入部の先端側が湾曲動作により被検体の内壁面に当接した場合に、湾曲部33が被検体から受ける反力に起因するトルクをTBとすると、(1)式の関係が成り立つ。
TH + TM = TS + TB ・・・(1)
TM = (TS − TSR) + kA(TH − TSR) ・・・(2)
ここで、TSRは任意トルク特性TSR(θ)に規定される任意トルクで、kAは操作補助トルクの量を決定する定数パラメータである。
TH + (TS − TSR) + kA(TH − TSR)
= TS +TB ・・・(3)
TH = TSR + {1/(1+kA)}TB ・・・(4)
図6(a)に示すように、湾曲部33の湾曲角θを増加させるに伴って操作トルクTHが増加するが、内視鏡挿入部23の先端側が被検体に当接した湾曲角θt以降は、湾曲部33が被検体から受ける反力によるトルクTBにより、操作トルクTHが更に増加する。このときの操作力をトルクセンサ121で検出して、任意トルク特性TSR(θ)で規定されるトルク値との差分を求めると、図6(b)に示すように、被検体と当接した湾曲角θt以降は差分が発生する。
図7に示すように、必要トルク特性TS(θ)は、内視鏡挿入部23の先端側が被検体に当接した湾曲角θt以降で必要トルクが増加して、湾曲角θt1では当初の必要トルク特性の値TS(θt1)からTBだけ増加する。これに伴って、任意トルク特性TSR(θ)は、湾曲角θt以降のトルク特性を、定数パラメータkAに応じて変更する。例えば、定数パラメータkAを大きくした場合には、任意トルク特性TSR(θ)に沿ったトルク特性となり、定数パラメータkAを小さくするに従い、図中点線で示すようなTSR(θt1)から増加したトルク特性になる。
内視鏡装置の術者は、それぞれ手の大きさや腕力が異なり、ある術者にとっては操作力が過大で疲労に繋がり易い内視鏡装置でも、別の術者にとっては操作力が軽すぎて微妙な操作が行い難く感じることが生じ得る。しかし、上記の内視鏡システムの構成とすれば、双方の術者が共に満足する操作力で内視鏡装置の湾曲操作を行うことができる。
本変形例においては、図4に示すように、エンコーダ109により湾曲角θ、トルクセンサ121により操作トルクTHを検出し、これらの検出値と、必要トルク特性TS(θ)に基づいて駆動モータ101により発生させる操作補助トルクを決定する。即ち、必要トルク特性TS(θ)に基づいたエンコーダ109による湾曲量検出値に対する操作力と、トルクセンサ121による操作力検出値との差分を求め、差分が生じた場合、つまり、内視鏡挿入部23の先端側が被検体から反力を受けた場合に、その差分(反力の大きさ)に相当する操作補助力を駆動モータ101から発生させる。また、差分の大きさに相当する操作補助力は、その大きさを任意に増減させて、術者に反力の発生を強調、軽減して伝える。
TM = kB(TH − TS) ・・・(5)
ここで、kBは操作補助トルクの量を決定する定数パラメータである。
TH + TM = TS + TB ・・・(6)
TH + kB(TH−TS) = TS + TB ・・・(7)
TH = TS + {1/(1+kB)}TB ・・・(8)
図8に示すように、湾曲部33の湾曲角θの増加に伴って操作トルクTHが増加するが、内視鏡先端部35が被検体に当接した湾曲角θt以降は、湾曲部33が被検体から受けるトルクTBにより、操作トルクTHが更に増加する。このときの操作力をトルクセンサ121で検出して、必要トルク特性TS(θ)で規定されるトルク値との差分を求めると、図中点線で示すように、被検体と当接した湾曲角θt以降は差分が発生する。この差分が反力によるTBに相当する。
(1) 被検体に挿入される先端側に湾曲部を有する内視鏡挿入部、前記湾曲部を湾曲操作する湾曲操作部、該湾曲操作部への操作力に応じて前記湾曲部を湾曲駆動する湾曲駆動部を有する内視鏡本体と、
前記湾曲部の湾曲量を検出する湾曲量検出手段と、
前記湾曲操作部に加える操作力を検出する操作力検出手段と、
前記湾曲駆動部による湾曲駆動を補助する駆動力を発生する補助駆動手段と、
前記湾曲部の湾曲動作に要する前記操作力を湾曲角度毎に規定した湾曲特性の情報を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶した湾曲特性の情報、及び前記湾曲量検出手段による湾曲量検出値、並びに前記操作力検出手段による操作力検出値に応じて、前記補助駆動手段により前記駆動力を発生させる制御手段と、を備える内視鏡装置。
前記制御手段は、前記湾曲量検出手段から検出した湾曲量と前記記憶手段に記憶した前記湾曲特性の情報とから算出した操作力と、前記操作力検出手段による操作力検出値との差分に基いて、前記補助駆動手段より前記駆動力を発生させる内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、実際に加えた操作力と湾曲特性に基づいた湾曲量検出値に対応する操作力との差分から内視鏡挿入部の先端側が受ける反力を検出し、この差分の大きさに応じた駆動力を補助駆動手段により発生させることで、術者に反力を受けたことを確実に伝えることができる。
前記制御手段は、前記湾曲量検出値をθ、前記操作力検出値をTH、前記の湾曲特性により規定された操作力規定値をTSとしたときに、前記補助駆動手段により発生させる駆動力TMを、
TM=kA(TH − TS) (ただし、kAは定数パラメータ)
の関係に基づいて決定する内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、定数パラメータkAの値を変更することで、発生した反力の大きさを強調、軽減して術者に伝えることができる。
前記湾曲特性は、前記湾曲部の湾曲動作に必要となる前記操作力を湾曲角度毎に規定した第1の湾曲特性、及び任意の操作力を前記湾曲部の湾曲角度毎に規定した第2の湾曲特性とを含む内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、湾曲部を湾曲させる際に、湾曲量検出手段により湾曲量を検出し、この湾曲量検出値に対して必要な操作力を第1の湾曲特性に基づいて求め、また、この湾曲量検出値に対する任意の操作力を第2の湾曲特性に基づいて求める。そして、必要な操作力と任意の操作力との差分力を補助駆動手段により発生させることで、湾曲操作部に加える操作力に応じて、湾曲部が第2の湾曲特性に基づいて湾曲するようになる。つまり、内視鏡挿入部の先端側に発生した反力を術者へ確実に伝えることができ、また、湾曲部の曲げ剛性によらずに任意の特性で湾曲操作が可能となり、湾曲部の湾曲操作を術者の希望通りの操作性に設定することができる。
前記制御手段は、前記湾曲量検出値をθ、前記操作力検出値をTH、前記第1の湾曲特性に規定された操作力をTS、前記第2の湾曲特性による任意操作力をTSRとしたときに、前記補助駆動手段により発生させる駆動力TMを、
TM=(TS − TSR) + kB(TH − TSR)
(ただし、kBは定数パラメータ)
の関係に基づいて決定する内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、定数パラメータkBの値を変更することで、発生した反力の大きさを強調、軽減して術者に伝えることができる。
前記記憶手段は、互いに異なる複数の前記第2の湾曲特性の候補を記憶し、
該湾曲特性の候補の中からいずれかの候補を、前記任意の操作力を求める第2の湾曲特性に選定する特性選定手段を更に備えた内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、第2の湾曲特性の候補を複数用意しておき、特性選定手段により所望の湾曲特性を選定することで、術者の嗜好の違い、内視鏡装置の個体差、診断や治療の手技内容等によらず、常に最適な操作性で内視鏡装置を湾曲操作できる。
前記定数パラメータの値を指定する入力部を備え、
前記制御手段は、前記入力部から指定を受けた定数パラメータの値により前記駆動力を決定する内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、湾曲部が被検体から受けた反力の大きさを、入力部から指定する定数パラメータの値に応じて自在に強調、軽減して術者に伝えることができる。
前記記憶手段が、前記湾曲特性の情報の少なくとも一部を、前記内視鏡本体に内臓された記憶部に記憶する内視鏡装置。
この内視鏡装置によれば、記憶手段が内視鏡本体に内臓されることで、湾曲特性の情報を内視鏡本体に合わせて設定することができ、通信等により外部から設定する手間が省け、利便性が向上する。
該内視鏡装置と通信可能に接続される外部電子機器と、を具備する内視鏡システムであって、
前記記憶手段が、前記湾曲特性の情報の少なくとも一部を、前記外部電子機器に内蔵された記憶部に記憶させた内視鏡システム。
この内視鏡システムによれば、内視鏡装置に接続された外部電子機器に、湾曲特性の情報の少なくとも一部を記憶させることで、内視鏡装置を簡略化できる。また、外部電子機器との通信により必要な情報を取り出すことが可能となり、内視鏡装置の使用形態を煩雑化させることなく、利便性を高められる。
前記湾曲部の湾曲動作に要する前記操作力を湾曲角度毎に規定した湾曲特性を予め定めておき、
前記湾曲部の湾曲量と、前記湾曲操作部に加える操作力をそれぞれ検出し、
前記湾曲特性と、前記湾曲部の湾曲量と、前記湾曲操作部に加える操作力とに応じて、前記補助駆動手段により発生させる駆動力を変更する内視鏡装置の制御方法。
前記内視鏡挿入部の先端側が被検体から受ける反力を、前記湾曲特性に規定され前記湾曲量の検出値に対する操作力規定値と、前記検出した操作力との差分から検出し、
前記補助駆動手段が発生させる駆動力を、前記差分の大きさに応じて変更する内視鏡装置の制御方法。
この内視鏡装置の制御方法によれば、湾曲操作部に加える操作力と操作力検出値との差分が生じた場合に、この差分に対応して補助駆動手段による駆動力を増減することで、操作力と操作力検出値との差分として現れる内視鏡挿入部の先端側が被検体から受ける反力を、術者に強調、軽減して伝えることができる。
13 信号処理装置
19 サーバ(外部電子機器)
21 本体操作部
23 内視鏡挿入部
33 湾曲部
35 先端部
37 湾曲操作部
37A,37B アングルノブ
41 プーリ
43 操作ワイヤ
44 連結軸
75 内視鏡本体側記憶部(記憶手段)
77 制御部(制御手段)
91A,91B 節輪
93 スリーブ
95A,95B 連結ピン
100 内視鏡装置
101 駆動モータ
103 駆動ギア
105 従動ギア
107 モータ駆動回路
109 エンコーダ
111 信号処理装置側記憶部(記憶手段)
113 インターフェース
121 トルクセンサ(操作力検出手段)
123 入力部(特性選定手段)
TS(θ) 必要トルク特性(第1の湾曲特性)
TSR(θ) 理想トルク特性(第2の湾曲特性)
kA,kB 定数パラメータ
Claims (9)
- 被検体に挿入される先端側に湾曲部を有する内視鏡挿入部、前記湾曲部を湾曲操作する湾曲操作部、該湾曲操作部への操作力に応じて前記湾曲部を湾曲駆動する湾曲駆動部を有する内視鏡本体と、
前記湾曲部の湾曲量を検出する湾曲量検出手段と、
前記湾曲操作部に加える操作力を検出する操作力検出手段と、
前記湾曲駆動部による湾曲駆動を補助する駆動力を発生する補助駆動手段と、
前記湾曲部の湾曲動作に要する前記操作力を湾曲角度毎に規定した湾曲特性の情報を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶した湾曲特性の情報、及び前記湾曲量検出手段による湾曲量検出値、並びに前記操作力検出手段による操作力検出値に応じて、前記補助駆動手段により前記駆動力を発生させる制御手段と、を備える内視鏡装置。 - 請求項1記載の内視鏡装置であって、
前記制御手段は、前記湾曲量検出手段から検出した湾曲量と前記記憶手段に記憶した前記湾曲特性の情報とから算出した操作力と、前記操作力検出手段による操作力検出値との差分に基いて、前記補助駆動手段より前記駆動力を発生させる内視鏡装置。 - 請求項2記載の内視鏡装置であって、
前記制御手段は、前記湾曲量検出値をθ、前記操作力検出値をTH、前記の湾曲特性により規定された操作力規定値をTSとしたときに、前記補助駆動手段により発生させる駆動力TMを、
TM=kA(TH − TS) (ただし、kAは定数パラメータ)
の関係に基づいて決定する内視鏡装置。 - 請求項1記載の内視鏡装置であって、
前記湾曲特性は、前記湾曲部の湾曲動作に必要となる前記操作力を湾曲角度毎に規定した第1の湾曲特性、および任意の操作力を前記湾曲部の湾曲角度毎に規定した第2の湾曲特性とを含む内視鏡装置。 - 請求項4記載の内視鏡装置であって、
前記制御手段は、前記湾曲量検出値をθ、前記操作力検出値をTH、前記第1の湾曲特性に規定された操作力をTS、前記第2の湾曲特性による任意操作力をTSRとしたときに、前記補助駆動手段により発生させる駆動力TMを、
TM=(TS − TSR) + kB(TH − TSR)
(ただし、kBは定数パラメータ)
の関係に基づいて決定する内視鏡装置。 - 請求項4または請求項5記載の内視鏡装置であって、
前記記憶手段は、互いに異なる複数の前記第2の湾曲特性の候補を記憶し、
該湾曲特性の候補の中からいずれかの候補を、前記任意の操作力を求める第2の湾曲特性に選定する特性選定手段をさらに備えた内視鏡装置。 - 請求項3または請求項5記載の内視鏡装置であって、
前記定数パラメータの値を指定する入力部を備え、
前記制御手段は、前記入力部から指定を受けた定数パラメータの値により前記駆動力を決定する内視鏡装置。 - 請求項1〜請求項7のいずれか1項記載の内視鏡装置であって、
前記記憶手段が、前記湾曲特性の情報の少なくとも一部を、前記内視鏡本体に内臓された記憶部に記憶する内視鏡装置。 - 請求項1〜請求項8のいずれか1項記載の内視鏡装置と、
該内視鏡装置と通信可能に接続される外部電子機器と、を具備する内視鏡システムであって、
前記記憶手段が、前記湾曲特性の情報の少なくとも一部を、前記外部電子機器に内蔵された記憶部に記憶させた内視鏡システム。
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