JP5477800B2 - Method of operating rotation state detection device and rotation state detection device - Google Patents

Method of operating rotation state detection device and rotation state detection device Download PDF

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Description

本発明は画像で捉えた物体の回転状態を検出する方法に関し、特に術者の手元操作端と術具との回転状態に捩れが生じている場合に、画面上の術具の回転状態と操作端の回転方向を対応付ける回転状態検出方式に関する。   The present invention relates to a method for detecting the rotation state of an object captured by an image, and in particular, when the rotation state between the operator's hand operation end and the surgical tool is twisted, the rotation state and operation of the surgical tool on the screen. The present invention relates to a rotation state detection method that associates rotation directions of ends.

臨床現場で用いる医療用マニュピュレータの従来技術として、特許文献1に示すように、ワイヤ駆動方式関節部を持つ手術具について、手元操作部とハンドル部を上、下動作することにより先端関節部を下、上動作させ、また手元操作部とハンドル部を左、右動作することにより先端関節部を右、左動作させ、操作部を開、閉動作させることにより先端関節部を開、閉動作させて、位置及び姿勢を操作される多自由度鉗子に対して擬似的操作を可能とする機構の記載がある。   As a prior art of a medical manipulator used in a clinical site, as shown in Patent Document 1, for a surgical instrument having a wire drive type joint portion, the distal joint portion is moved by moving the hand operation portion and the handle portion up and down. Operate down and up, move left and right of the hand control and handle to move the tip joint to the right and left, and open and close the tip to open and close the tip. In addition, there is a description of a mechanism that enables a pseudo operation on a multi-degree-of-freedom forceps whose position and posture are operated.

医師が内視鏡画面を見ながら手術をする場合、手元で医療器具の操作端を動かしながら画面に映る術具を操作するときに、手元の操作方向に対して、画面内で術具がどちらに動くか分からないときがある。その理由は、術具の挿入手段が軟性(可撓性)の場合、操作端と術具の間に捩れを生じているためで、内視鏡にリジッドに固定されている撮像手段と術具の間の相対的な関係は、入口部分である操作端(医者の手元)と出口部分である術具とで異なってしまう。このため、医者は、画面に映る術具を動かしてその動作方向を確認し、操作方向と動作方向の関係を把握する作業を行っている。   When a doctor performs an operation while looking at the endoscope screen, when operating the surgical tool displayed on the screen while moving the operating end of the medical instrument at hand, There are times when I don't know how to move. The reason is that when the insertion means of the surgical instrument is soft (flexible), a twist is generated between the operation end and the surgical instrument, and the imaging means and the surgical instrument that are rigidly fixed to the endoscope The relative relationship between the operating end (the doctor's hand) that is the entrance portion and the surgical instrument that is the exit portion are different. For this reason, a doctor moves the surgical tool displayed on the screen to confirm the direction of movement, and performs the work of grasping the relationship between the operation direction and the direction of movement.

しかし、手術中に確認のため術具を動かしたりすると、捩れ具合が変わってしまい、再び思うような方向に動かせなくなってしまう場合がある。また、術具の動きを確認するための動作は、術野が狭い場合に周囲に接触する危険があるので高い技量が必要となり、安全性の面からも改善が求められている。   However, if the surgical instrument is moved for confirmation during the operation, the twisting state may change, and it may become impossible to move in the desired direction again. In addition, the operation for confirming the movement of the surgical instrument requires a high skill because there is a risk of contact with the surroundings when the surgical field is narrow, and improvement is also required from the viewpoint of safety.

特許文献2では、医者が手元で容易に内視鏡の視野方向に望む位置に移動できるようにする内視鏡下外科手術装置が開示されている。ここでは、体内に挿入する処置具(把持鉗子)に色マーカを設け、画面上で色マーカが検出されると、その現在位置から画面中心位置に色マーカを移動させる移動量を求め、アクチュェータ回路を制御する。   Patent Document 2 discloses an endoscopic surgical apparatus that allows a doctor to easily move to a desired position in the visual field direction of an endoscope at hand. Here, a color marker is provided on a treatment tool (gripping forceps) to be inserted into the body, and when the color marker is detected on the screen, an amount of movement for moving the color marker from the current position to the screen center position is obtained, and an actuator circuit To control.

特開2006−61364号公報JP 2006-61364 A 特開平10−118015号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-118015

しかし、特許文献2の例では、不連続な色マーカの位置から移動量を求めるため、検出できる角度も間欠的になる。   However, in the example of Patent Document 2, since the movement amount is obtained from the position of the discontinuous color marker, the detectable angle is also intermittent.

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を克服し、物体(術具)の回転角度を簡単かつ連続的に検知し、画面上における物体の回転方向と操作端の操作方向とを対応付けるようにした回転状態検出方法及び装置を提供することにある。   An object of the present invention is to overcome the above-mentioned problems of the prior art, detect the rotation angle of an object (surgical instrument) simply and continuously, and associate the rotation direction of the object on the screen with the operation direction of the operation end. An object of the present invention is to provide a rotation state detection method and apparatus.

上記目的を達成する本発明は、操作部の操作量を伝達部により術具部に伝えるとともに、術野における術具部の動作を撮影する撮像手段を用いて前記術具部の回転状態を検出する方法であって、前記伝達部の前記術具部側に設けられ周方向に連続する模様を備えたマーカを有し、前記撮像手段で前記マーカを撮像したマーカ画像情報を取り込んで画像処理し、前記マーカの回転角を求めることで前記術具部の回転状態を検出することを特徴とする。ここで、マーカ画像情報とは前記マーカを撮像したマーカ画像の電子情報であり、以下では単にマーカ画像という。   The present invention that achieves the above object transmits the operation amount of the operation part to the surgical instrument part by the transmission part, and detects the rotation state of the surgical instrument part using an imaging means for photographing the operation of the surgical instrument part in the surgical field. A marker that is provided on the surgical instrument side of the transmission unit and has a pattern that is continuous in the circumferential direction, and performs image processing by capturing marker image information obtained by imaging the marker by the imaging unit. The rotation state of the surgical instrument unit is detected by obtaining the rotation angle of the marker. Here, the marker image information is electronic information of a marker image obtained by imaging the marker, and hereinafter simply referred to as a marker image.

前記マーカは、前記連続模様の領域を区切る境界線の少なくとも一つが、周方向に対して軸方向の位置が連続的に変化する直線もしくは曲線である。また、前記マーカは、前記連続模様の領域を区切る一方の境界線が直線と、この境界線に対して他方の境界線は軸方向の位置が連続的に変化する直線もしくは曲線とを有し、これらの境界線により前記マーカは多角形もしくは曲線図形を含み、前記マーカは前記境界線を挟んで軸方向に色の特徴量が異なる。また、前記マーカは前記伝達部の軸方向に複数の前記連続模様の領域を有していてよい。   The marker is a straight line or a curve in which at least one of the boundary lines that divide the region of the continuous pattern continuously changes in the axial direction with respect to the circumferential direction. In addition, the marker has one boundary line that divides the region of the continuous pattern, and the other boundary line with respect to this boundary line has a straight line or a curve in which the axial position continuously changes, Due to these boundary lines, the marker includes a polygon or a curved figure, and the marker has different color feature amounts in the axial direction across the boundary line. The marker may have a plurality of continuous pattern regions in the axial direction of the transmission unit.

さらに前記マーカ画像情報を画像処理して前記マーカ画像情報におけるマーカ表示領域の奥行き方向の中心を示す計測ラインを求め、この計測ラインに沿って前記軸方向に区切られている領域の軸方向位置の比率を求め、この比率に該当する前記マーカ上の周方向位置から回転角を求める。   Further, the marker image information is subjected to image processing to obtain a measurement line indicating the center in the depth direction of the marker display area in the marker image information, and the axial position of the area divided in the axial direction along the measurement line is determined. A ratio is obtained, and a rotation angle is obtained from a circumferential position on the marker corresponding to the ratio.

ここで述べるマーカの奥行き方向とは、前記術具部が設けられている先端側の方向となる。たとえば撮像手段のレンズ近辺から患部がある術野にむかって医療器具が延ばされるため、医療器具の先端側は画面の奥方向(撮像手段のレンズから遠ざかる方向)に伸びる。そこで、医療器具(前記伝達部)に取り付けたマーカにおいて、術具部に近い方をマーカ画像の奥行き方向と記述する。また、マーカ画像の奥行き方向の中心を示す計測ラインとは、画面奥に伸びる医療器具を軸方向に対して垂直に切った断面の中心点を連続に繋げた直線である。   The depth direction of the marker described here is the direction of the distal end side where the surgical instrument portion is provided. For example, since the medical instrument is extended from the vicinity of the lens of the imaging unit to the surgical field where the affected part is located, the distal end side of the medical instrument extends in the back direction of the screen (the direction away from the lens of the imaging unit). Therefore, in the marker attached to the medical instrument (the transmission unit), the direction closer to the surgical instrument unit is described as the depth direction of the marker image. Further, the measurement line indicating the center in the depth direction of the marker image is a straight line that continuously connects the center points of cross sections obtained by cutting a medical device extending in the back of the screen perpendicularly to the axial direction.

前記マーカは前記連続模様の領域を区切る境界線を挟んで青色と緑色の領域を有していて、前記比率は青色領域と緑色領域の比率である。ここで、青色と表現しているのは青味が強い色を意味し、同様に緑色は緑味が強い色を意味している。いずれも単一の色を特定しているものではなく、相対的に識別できる色であればよい。   The marker has a blue and green region across a boundary line that divides the continuous pattern region, and the ratio is a ratio of a blue region and a green region. Here, the expression blue means a color with a strong bluish color, and similarly green means a color with a strong greenness. None of them specify a single color, and any color that can be relatively identified is acceptable.

前記比率に該当する回転角が2つある場合に、前記マーカ画像情報におけるマーカ表示領域の横軸と前記計測ラインが交わる交点と、前記区切られた1つの領域の面の重心と前記交点を結ぶ延長線を求め、前記計測ラインと前記横軸がなす角度と前記延長線と前記横軸のなす角度に基づいて回転角を選択する。   When there are two rotation angles corresponding to the ratio, the intersection point between the horizontal axis of the marker display area in the marker image information and the measurement line, and the center of gravity of the surface of the divided one area are connected to the intersection point. An extension line is obtained, and a rotation angle is selected based on an angle formed by the measurement line and the horizontal axis and an angle formed by the extension line and the horizontal axis.

本発明の回転状態検出方法では、マーカと動作方向の相対角度および計測ラインで計測された角度を元に前記術具部の動作方向を示す指示画像を生成し、前記撮像手段の撮像画像における術具部表示領域に付して表示する。ここで、マーカと動作方向の相対角度とは、動作方向Mxとマーカが0度を示す模様の位置との間の相対角度である。マーカを伝達部に貼り付けるときには、動作方向がマーカの0度になるような関係に貼り付けるが、Mxとは別の動作方向Myが存在し、二つの動作方向が直交している場合は動作方向Myはマーカの90度の位置となる。このとき、マーカと動作方向Myの相対角度は90度である。たとえば、計測ラインで計測した見た目の角度が100度であるとすると、動作方向Myは差分の10度だけ計測ラインの方向からずれていることになるので、この分だけ回転させた矢印を表示させる。一方、動作方向Mxは90度ずれていることになるので、動作方向Mxを示す矢印は計測ラインの方向から90度ずらして表示することになる。   In the rotational state detection method of the present invention, an instruction image indicating the operation direction of the surgical instrument unit is generated based on the relative angle between the marker and the operation direction and the angle measured by the measurement line, and the technique in the captured image of the imaging unit is generated. Attached to the component display area and displayed. Here, the relative angle between the marker and the movement direction is a relative angle between the movement direction Mx and the position of the pattern where the marker indicates 0 degree. When the marker is pasted on the transmission unit, the pasting is performed in such a relationship that the motion direction is 0 degree of the marker. However, when there is a motion direction My different from Mx and the two motion directions are orthogonal, the motion is performed. The direction My is the 90-degree position of the marker. At this time, the relative angle between the marker and the operation direction My is 90 degrees. For example, if the apparent angle measured on the measurement line is 100 degrees, the movement direction My is deviated from the direction of the measurement line by a difference of 10 degrees, so an arrow rotated by this amount is displayed. . On the other hand, since the movement direction Mx is shifted by 90 degrees, the arrow indicating the movement direction Mx is displayed by being shifted by 90 degrees from the direction of the measurement line.

本発明のより具体的な方法は、操作部の操作方向を伝達部により術具部に伝えるとともに、術野における前記術具部の動作を撮像する撮像手段を用いて前記術具部の回転状態を検出する方法であって、前記伝達部の前記術具部側に設けられ特徴量の異なる領域がそれぞれ周方向に連続する連続模様を備えたマーカを前記伝達部は有し、前記撮像手段で前記マーカを撮像したマーカ画像情報を取り込んで画像処理し、前記マーカの回転角を求めて前記術具部の回転状態を検出する場合に、取り込んだマーカ画像情報におけるマーカ表示領域の歪を補正して補正画像情報を生成し、この補正画像情報をフィルタリング手段によってマーカ画像の特徴量を基に前記マーカと背景との分離および前記マーカの模様の分離を行って抽出したマーカ画像領域の境界情報を抽出し、該境界情報からアフィン変換行列を作成し、該アフィン変換行列を用いてマーカの正面から見たマーカ画像領域に補正し、該補正されたマーカ画像領域の中心を通る計測ライン上で前記特徴量の異なる領域の長さの比率を求め、該比率に応じた角度を術具部の回転角として求めることを特徴とする。前記特徴量の異なる領域は、青色と緑色で配色された領域であり、前記フィルタリング手段は、前記補正画像をR(赤の画像)、G(緑の画像)、B(青の画像)に分割し、分割した画像に対し画素毎にGとBの和からRを差し引く合成処理を行って緑色領域と青色領域の組によるマーカ領域を抽出することを特徴とする。あるいは、前記特徴量の異なる領域は、異なる蛍光色素で塗り分けられた領域であり、前記フィルタリング手段は前記蛍光色素の励起波長もしくは蛍光波長のみを抽出することで、前記蛍光色素の領域およびマーカ領域を抽出することを特徴とする。   A more specific method of the present invention is to transmit the operation direction of the operation unit to the surgical instrument unit by the transmission unit and to rotate the surgical instrument unit using an imaging unit that images the operation of the surgical instrument unit in the surgical field. The transmission unit includes a marker that is provided on the surgical instrument unit side of the transmission unit and has a marker having a continuous pattern in which regions having different feature amounts are continuous in the circumferential direction. When the marker image information obtained by imaging the marker is captured and processed, and the rotation angle of the marker is detected to detect the rotation state of the surgical instrument, the distortion of the marker display area in the captured marker image information is corrected. Then, the corrected image information is generated, and the marker image area extracted by performing the separation of the marker from the background and the pattern of the marker based on the feature amount of the marker image by the filtering means. Boundary information is extracted, an affine transformation matrix is created from the boundary information, the marker image region viewed from the front of the marker is corrected using the affine transformation matrix, and the measurement passes through the center of the corrected marker image region. A ratio of the lengths of the regions having different feature quantities on the line is obtained, and an angle corresponding to the ratio is obtained as a rotation angle of the surgical instrument unit. The regions having different feature amounts are regions arranged in blue and green, and the filtering unit divides the corrected image into R (red image), G (green image), and B (blue image). Then, a combined process of subtracting R from the sum of G and B for each pixel is performed on the divided image to extract a marker area based on a set of a green area and a blue area. Alternatively, the regions having different feature amounts are regions that are separately coated with different fluorescent dyes, and the filtering unit extracts only the excitation wavelength or the fluorescence wavelength of the fluorescent dyes, whereby the fluorescent dye region and the marker region are extracted. Is extracted.

本発明の回転状態検出装置は、術野における作業をする術具と、その操作部と、操作部の操作方向を術具部に伝える伝達部と、術野における術具部の動作を観察する撮像手段と、該撮像手段により術具部の回転状態を検出する装置であって、前記伝達部の術具部側の周方向に設けられた連続模様のマーカと、前記撮像手段で取り込んだマーカ画像を画像処理し、マーカの回転角を求める画像処理装置を備え、マーカの回転角を求めることで術具部の回転状態を検出することを特徴とする。   The rotational state detection device of the present invention observes the operation of the surgical instrument in the surgical field, the surgical instrument that performs work in the surgical field, the operation part thereof, the transmission part that transmits the operation direction of the operation part to the surgical tool part, An imaging means, an apparatus for detecting the rotation state of the surgical instrument portion by the imaging means, a continuous pattern marker provided in a circumferential direction on the surgical instrument side of the transmission portion, and a marker captured by the imaging means An image processing apparatus that performs image processing on an image and obtains the rotation angle of the marker is provided, and the rotation state of the surgical instrument unit is detected by obtaining the rotation angle of the marker.

前記画像処理装置は、術具部とマーカの画像を取り込む画像取り込み手段と、取り込んだ画像の歪を補正する画像補正手段と、補正された画像をマーカの特徴量によって,マーカと背景との分離およびマーカの模様の分離を行ってマーカ領域を抽出するフィルタリング手段と、抽出したマーカ領域のエッジを抽出し、該エッジからアフィン変換行列を作成し、該アフィン変換行列を用いてマーカの正面から見たマーカ画像に拡大補正し、前記マーカが第1の色と第2の色の連続模様による組の場合に、前記拡大補正されたマーカ画像の中心を通る計測ライン上で第1の色領域と第2の色領域の長さの比率を求め、該比率に応じた角度を術具部の回転角として求める角度検出手段を備えることを特徴とする
前記フィルタリング手段は前記第1の色が緑、前記第2の色が青の場合に、前記補正された画像をR(赤の画像)、G(緑の画像)、B(青の画像)に分割し、分割した画像に対し画素毎にGとBの和からRを差し引く合成処理を行って緑色領域と青色領域の組によるマーカ領域を抽出することを特徴とする。
The image processing apparatus includes: an image capturing unit that captures an image of a surgical instrument part and a marker; an image correcting unit that corrects distortion of the captured image; and a marker and a background that are separated from the corrected image based on a feature amount of the marker. And filtering means for extracting the marker area by separating the marker pattern, extracting the edge of the extracted marker area, creating an affine transformation matrix from the edge, and using the affine transformation matrix to view from the front of the marker And when the marker is a set of a continuous pattern of the first color and the second color, the first color region on the measurement line passing through the center of the enlarged marker image The filtering means comprises the angle detecting means for obtaining a ratio of the lengths of the second color regions and obtaining an angle corresponding to the ratio as a rotation angle of the surgical instrument unit. When the color is green and the second color is blue, the corrected image is divided into R (red image), G (green image), and B (blue image). A combining process of subtracting R from the sum of G and B for each pixel is performed to extract a marker area based on a combination of a green area and a blue area.

ここで,R,G,B画像とは、元のカラー画像の各画素が赤(R),緑(G),青(B)の3色のパラメータから色が定義されており、その色パラメータのR成分(赤のパラメータ)だけを抽出して、この値をグレー値としたグレー画像がR画像である。G画像、B画像も同様である。G+B−Rの合成処理とは、各グレー画像のグレー値のパラメータについて、前記合成処理で算出した値で表現したグレー画像を生成することである。   Here, the R, G, and B images are defined in terms of the three color parameters of each pixel of the original color image, red (R), green (G), and blue (B). The R image is obtained by extracting only the R component (red parameter) of this and using this value as the gray value. The same applies to the G image and the B image. The G + B-R combining process is to generate a gray image expressed by the value calculated in the combining process for the gray value parameter of each gray image.

本発明の回転状態検出装置は、前記マーカと動作方向の相対角度および計測ラインで計測された角度を元に前記術具部の動作方向を示す矢印などの画像を生成し、前記術具部の画像に付して表示する表示情報生成手段を有する。   The rotational state detection device of the present invention generates an image such as an arrow indicating the operation direction of the surgical instrument unit based on a relative angle between the marker and the operation direction and an angle measured by a measurement line. Display information generating means for displaying the image attached thereto is provided.

前記撮像手段は内視鏡であり、前記術具部は医者によって操作部が操作されて術具部による治療が行なわれる鉗子、電気メスなどの医療用器具,あるいは前記内視鏡よりも細い内視鏡であり、前記伝達部は捩れを生じる可能性のある可撓伝達部であることを特徴とする。   The imaging means is an endoscope, and the surgical instrument section is a medical instrument such as a forceps or an electric scalpel that is operated by a doctor and an operation section is operated by the doctor, or an endoscope that is narrower than the endoscope. In the endoscope, the transmission unit is a flexible transmission unit that may cause twisting.

なお、術具部の動作方向の表示に代えて、手術の記録のために検出した術具部の回転角をその時々の術野の画像とともに記録したり、医療器具の自動制御にフィードバックするようにしてもよい。   Instead of displaying the operation direction of the surgical instrument part, the rotation angle of the surgical instrument part detected for the recording of the operation is recorded together with the image of the surgical field at that time, or fed back to the automatic control of the medical instrument. It may be.

本発明によれば、操作端と被操作端との間に捩れのある伝達部(たとえば軟性術具)の回転状態が、画面上で術具部の動作方向として示されるので、術具部の回転状態を一目で把握することができ、術具部の操作が容易になるとともに、安全性が向上できる効果がある。   According to the present invention, the rotation state of the transmitting portion (for example, a flexible surgical instrument) having a twist between the operation end and the operated end is indicated as the operation direction of the surgical instrument portion on the screen. The rotation state can be grasped at a glance, and the operation of the surgical instrument part is facilitated, and the safety can be improved.

以下、本発明の一実施例について、親内視鏡内部で術具(手術器具)が捩れを生じる場合のある医療用内視鏡システムを例に説明する。ここで述べている親内視鏡とは、内視鏡のもつ挿入チャネルにさらに細径の内視鏡を挿入できる内視鏡であり、その相対関係から細径の内視鏡を子内視鏡,子内視鏡を挿入している内視鏡を親内視鏡などと呼ぶものの総称である。つまり、内視鏡の挿入チャネルに更に内視鏡を挿入することも可能な医療器具挿入具であり、子内視鏡の代わりに柔軟性があり、かつ外径が挿入チャネルの内径よりも細い医療器具を挿入することができるものである。また、親内視鏡のレンズ面と挿入チャネルの出口の位置関係が固定されているが、必ずしも同じ方向を向いていなくてもかまわない。つまり、親内視鏡から所定の角度で斜め方向に医療器具が出るように関係付けられていてもかまわない。患部の状態や治療内容に応じて親内視鏡と術具の角度を変えることで治療の作業のしやすさが向上する効果が期待できる。また、親内視鏡が無く、通常の内視鏡と、医療器具がそれぞれ別々に挿入されていてもかまわない。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described using a medical endoscope system in which a surgical instrument (surgical instrument) may be twisted inside a parent endoscope as an example. The parent endoscope described here is an endoscope in which a smaller-diameter endoscope can be inserted into the insertion channel of the endoscope. It is a general term for what an endoscope into which a mirror and a child endoscope are inserted is called a parent endoscope. In other words, it is a medical instrument insertion tool that can further insert an endoscope into the insertion channel of the endoscope, is flexible instead of the child endoscope, and has an outer diameter smaller than the inner diameter of the insertion channel. A medical instrument can be inserted. Further, although the positional relationship between the lens surface of the parent endoscope and the outlet of the insertion channel is fixed, it does not necessarily have to be in the same direction. In other words, the medical device may be related so that the medical device comes out obliquely at a predetermined angle from the parent endoscope. By changing the angle between the parent endoscope and the surgical instrument in accordance with the state of the affected part and the treatment content, an effect of improving the ease of treatment work can be expected. Moreover, there is no parent endoscope, and a normal endoscope and a medical instrument may be inserted separately.

図1は、一実施例による医療用内視鏡システムの全体構成図である。挿入手段3には、内視鏡レンズ(内視鏡の先端部分)6を設けた内視鏡2の挿入部2'と、術具部4を設けた可撓伝達部1'を内挿している。挿入手段3が無く、内視鏡2の挿入部2'と、術具部4を設けた可撓伝達部1'が別々に体内に挿入される構成であってもよい。挿入手段3があることで、患部まで術具部4を安全に導くことができる。体表近くの広い範囲で治療をしたい場合は挿入手段3を用いない構成とすることで、術具部を挿入手段3に制限されることなく自由に動かせる利点がある。可撓伝達部1'の他端には術者が術具部4を操作する医療器具の操作端1が設けられている。可撓伝達部1'の術具部側にはマーカ5を設けている。   FIG. 1 is an overall configuration diagram of a medical endoscope system according to an embodiment. In the insertion means 3, an insertion portion 2 ′ of an endoscope 2 provided with an endoscope lens (endoscopic tip portion) 6 and a flexible transmission portion 1 ′ provided with a surgical instrument portion 4 are inserted. Yes. The insertion means 3 may be omitted, and the insertion portion 2 ′ of the endoscope 2 and the flexible transmission portion 1 ′ provided with the surgical instrument portion 4 may be separately inserted into the body. By having the insertion means 3, the surgical instrument part 4 can be safely guided to the affected part. When the treatment is desired to be performed over a wide range near the body surface, the configuration in which the insertion means 3 is not used has an advantage that the surgical instrument portion can be freely moved without being limited to the insertion means 3. At the other end of the flexible transmission portion 1 ′, an operation end 1 of a medical instrument that allows an operator to operate the surgical instrument portion 4 is provided. A marker 5 is provided on the surgical instrument portion side of the flexible transmission portion 1 ′.

図6A、B、Cは可撓伝達部の先端部に設けられるマーカの展開図の一例である。図の上方が術具部の先端方向である。マーカ5は、マーカシートの四角領域を、マーカシートの横幅に対して高さ方向が連続的に変化する関数で表される直線や曲線で分割している連続模様を持つ。この分割の仕方の例をAからCで示している。   6A, 6B, and 6C are examples of development views of markers provided at the distal end portion of the flexible transmission portion. The upper part of the figure is the distal direction of the surgical instrument part. The marker 5 has a continuous pattern in which the square area of the marker sheet is divided by a straight line or a curve represented by a function whose height direction changes continuously with respect to the horizontal width of the marker sheet. Examples of how to divide are indicated by A to C.

図6Aの展開図で示すマーカ5は、マーカシート50の四角形の領域(例えば53bと54bを組み合わせてなる領域)を、三角形の頂角のような折れ線で領域53bと領域54bにより分割した形状である。以降51から54の添え字のアルファベットが付いているものについて、アルファベットで識別する必要のない説明では、全てを代表して添え字なしの51,52,53,54で表現する。   The marker 5 shown in the development view of FIG. 6A has a shape in which a square area (for example, an area formed by combining 53b and 54b) of the marker sheet 50 is divided by the area 53b and the area 54b with a polygonal line such as a vertex of a triangle. is there. Hereinafter, in the description that does not need to be identified by alphabets, those with suffixes 51 to 54 are represented by 51, 52, 53, and 54 without suffixes.

図6Bの展開図で示すマーカ5は、マーカシート50の四角領域を直線で領域53と領域54に分割した形状である。   The marker 5 shown in the development view of FIG. 6B has a shape obtained by dividing the square region of the marker sheet 50 into a region 53 and a region 54 by straight lines.

図6A、図6Bの展開図に示すように、マーカの境界線は三角形もしくは五角形、あるいは四角形の図形となる。さらに、特定の角度範囲の精度を上げるために、該当部の勾配を大きくした任意の多角形の図形としてもよい。   As shown in the developed views of FIGS. 6A and 6B, the boundary lines of the markers are triangular, pentagonal, or quadrangular figures. Furthermore, in order to increase the accuracy of a specific angle range, it may be an arbitrary polygonal figure in which the gradient of the corresponding part is increased.

図6Cの展開図で示すマーカ5は、マーカシート50の四角領域を三角関数で領域53と領域54に分割した形状である。   The marker 5 shown in the developed view of FIG. 6C has a shape obtained by dividing the square region of the marker sheet 50 into a region 53 and a region 54 by a trigonometric function.

これら以外に、二次曲線などで分割する形状であっても以下に示す方法において同様の処理が可能である。   In addition to these, even if the shape is divided by a quadratic curve or the like, the same processing can be performed in the following method.

これ以降、代表例として図6Aの場合で説明する。領域53と領域54は、フィルタリング手段でそれぞれ分離抽出可能な特徴量を持つ色で配色する。例えば、フィルタリング手段が色の特徴量を抽出する手段であれば、領域53と領域54を異なる色で塗り分ける。あるいは、フィルタリング手段が特定の蛍光塗料の波長を抽出する手段であれば、領域53と領域54は異なる波長の蛍光塗料で塗り分ける。この例のように、領域53と領域54の塗りわけはフィルタリング手段にあわせて行うが、ここでは、その一例として領域53は緑色、領域54は青色として説明する。   Hereinafter, the case of FIG. 6A will be described as a representative example. The region 53 and the region 54 are arranged with colors having feature quantities that can be separated and extracted by the filtering means. For example, if the filtering unit is a unit that extracts a color feature amount, the region 53 and the region 54 are painted with different colors. Alternatively, if the filtering means is means for extracting the wavelength of a specific fluorescent paint, the region 53 and the region 54 are separately coated with fluorescent paints having different wavelengths. As in this example, the region 53 and the region 54 are painted according to the filtering means. Here, as an example, the region 53 is described as green and the region 54 is described as blue.

マーカの領域53、54の三角形のような形状はその底辺が横幅一杯で360度になるように作成され、マーカシート50は可撓伝達部1'(術具の柄とも言う)の円周方向に1回りで貼り付けている。   The marker-like regions 53 and 54 are shaped like a triangle so that the bottom is 360 ° wide and the marker sheet 50 is in the circumferential direction of the flexible transmission portion 1 ′ (also referred to as the handle of the surgical instrument). It is pasted around once.

マーカ5は、円筒状の弾性部材に印刷して術具の柄に嵌装したり、術具の柄に直接印刷してもよい。貼り付け固定する手段であれば、従来から所有する術具にマーカを貼り付けるだけで治療中の角度を検出することが可能となる。この場合、マーカの横幅を変化させたバリエーションを用意して術具の直径に合ったものを貼り付ければよい。弾性部材へ印刷したマーカは、術具の柄の直径が多少かわっても、ぴったりとマーカを固定することが可能であるため、対応する術具の直径にあわせて用意するバリエーションは貼り付ける物よりも少なくてすむ。さらに直接印刷したものは、術具とマーカとの間でズレが生じることがないため、経時的な安定が得られる。   The marker 5 may be printed on a cylindrical elastic member and fitted on the handle of the surgical instrument, or may be printed directly on the handle of the surgical instrument. If it is a means to stick and fix, it becomes possible to detect the angle during treatment only by sticking a marker to a surgical instrument that has been conventionally owned. In this case, it is only necessary to prepare a variation in which the width of the marker is changed and paste a variation that matches the diameter of the surgical instrument. The marker printed on the elastic member can be fixed tightly even if the diameter of the handle of the surgical tool is slightly changed. Less. Furthermore, since direct printing does not cause a gap between the surgical instrument and the marker, stability over time can be obtained.

マーカの領域53,54は本実施例の図6Aで示す例では五角形に形成されている。つまり、三角形のような頂角をもつ模様の下に所定幅(たとえば1mm)の帯が設けられてある。この帯は、後述する青と緑の比を計算する場合に、頂点及び谷の部分の一方の長さが0になってしまうことを避けるためのゲタ部分であり、計算不可能な不連続点の発生を防ぐためのものである。また、本当に0なのか否かが区別しがたい状況を回避することもできる。   In the example shown in FIG. 6A of this embodiment, the marker areas 53 and 54 are formed in a pentagon. That is, a band having a predetermined width (for example, 1 mm) is provided under a pattern having an apex angle such as a triangle. This band is a getter part for avoiding that the length of one of the vertex and the valley becomes zero when calculating the ratio of blue and green, which will be described later, and is a discontinuous point that cannot be calculated. This is to prevent the occurrence of In addition, it is possible to avoid a situation in which it is difficult to distinguish whether it is really 0 or not.

マーカは軸方向に、52aから52bで一組、52bから52cで一組、52cから53dで一組で、原理的には一組でも角度計算は可能である。マーカは画面奥になるほど縮小されて表示されるためデータの誤差が大きくなる。よって、術具の奥行きが変化しても、できるだけ手前の組で角度計算するのがよい。しかし、手術中などに血などでマーカが汚れている場合は、次に近い組を利用して角度計算できるメリットがあり、汚れに対するロバスト性が向上する。   In the axial direction, one set of the markers 52a to 52b, one set of 52b to 52c, and one set of 52c to 53d, in principle, angle calculation is possible even with one set. Since the marker is reduced and displayed as it goes deeper in the screen, the data error increases. Therefore, even if the depth of the surgical instrument changes, it is better to calculate the angle with the group as close as possible. However, when the marker is contaminated with blood or the like during surgery, there is a merit that the angle can be calculated using the next closest set, and the robustness against the stain is improved.

マーカとマーカの間には、所定幅の帯51a、51b、51c、51d、帯52a、52b、52c、52dが設けてあり、この帯は角度を検出する際の開始ラインを示すランドマークである。   Between the markers, bands 51a, 51b, 51c, 51d of predetermined widths and bands 52a, 52b, 52c, 52d are provided, and these bands are landmarks that indicate a start line when detecting an angle. .

図7はマーカを術具の柄に貼り付けた状態を内視鏡で観察した一例である。この図は画像補正手段10による歪補正後の画像で、術具の柄(可撓伝達部)がその長手方向の軸心を回転軸として回転した場合に、貼り付けられたマークの見え方が変わることを(a)−(d)に示している。つまり、可撓伝達部1'に捩れがある場合に、実際のマーカ4の画像は捩れた後の見た目の角度を示す。   FIG. 7 shows an example in which a state where the marker is attached to the handle of the surgical instrument is observed with an endoscope. This figure is an image after distortion correction by the image correction means 10, and when the handle (flexible transmission part) of the surgical instrument is rotated about its longitudinal axis as a rotation axis, how the attached mark looks This is shown in (a)-(d). That is, when the flexible transmission portion 1 ′ is twisted, the actual image of the marker 4 shows the apparent angle after twisting.

図8は1組のマーカの四角領域を示した展開図である。図6の3組のマークの1つを代表した図で、青色の五角形の領域34と緑色の領域33が対応して1組の連続模様を形成する。青色の領域34の横幅は術具の柄の円周の長さ同一で、回転角度で表すと360度分の長さとなる。横軸をθとし、領域34の左端を0度とすると、任意のθでの斜線(五角形の底辺(長さ0の軸上)からの長さ(高さ))は数式によって表すことができる。領域34と対応する上部の領域33は、円周上に巻かれたマーカ5を軸周りに180度回転させた位置で見れば緑色の領域33が五角形を成す構成となる。   FIG. 8 is a development view showing a square region of a set of markers. FIG. 7 is a diagram representing one of the three sets of marks in FIG. 6, and a blue pentagonal region 34 and a green region 33 correspond to form a set of continuous patterns. The horizontal width of the blue region 34 is the same as the circumference of the handle of the surgical instrument, and is 360 degrees when expressed in terms of the rotation angle. Assuming that the horizontal axis is θ and the left end of the region 34 is 0 degrees, the oblique line (the length (height) from the base of the pentagon (on the axis of length 0)) at an arbitrary θ can be expressed by an equation. . The upper region 33 corresponding to the region 34 is configured such that the green region 33 forms a pentagon when viewed at a position where the marker 5 wound on the circumference is rotated 180 degrees around the axis.

医療器具の術具部4は先端で治療行為を行う鉗子、電機メス、剪刀などを持つ治療器具のほか、内視鏡や撮像手段などの観察器具も含まれる。内視鏡2は患部を含む術野を観察するとともに、術野にある術具部4とマーカ5を観察する。   The surgical instrument unit 4 of the medical instrument includes a therapeutic instrument having forceps, an electric knife, a scissors and the like for performing a therapeutic action at the tip, and observation instruments such as an endoscope and an imaging means. The endoscope 2 observes the surgical field including the affected part and the surgical instrument part 4 and the marker 5 in the surgical field.

画像コントローラ7は、内視鏡2と接続されて内視鏡画像を取得し、モニタ40に出力する。画像処理装置8は、入力された内視鏡画像を解析し、画面に映し出されているマーカ画像を読み取り、術具部4(可撓伝達部1'のマーカ貼付部)の回転角度を算出する。さらに、検出した回転角度をモニタ40に出力し、術具の回転状態を情報表示する。   The image controller 7 is connected to the endoscope 2 to acquire an endoscope image and outputs it to the monitor 40. The image processing device 8 analyzes the input endoscopic image, reads the marker image displayed on the screen, and calculates the rotation angle of the surgical instrument unit 4 (the marker application unit of the flexible transmission unit 1 ′). . Further, the detected rotation angle is output to the monitor 40, and the rotation state of the surgical instrument is displayed as information.

図2は画像処理装置の機能ブロック図で、処理の流れも示している。画像処理装置8は画像コントローラ7からのマーカを含む元画像を取り込む画像取り込み手段9、元画像の輝度や色のむら、元画像の歪みを補正する画像補正手段10、元画像をマーカの特徴量を抽出し,背景とマーカ領域と模様を分離する画像フィルタリング手段11を有している。この分離された画像を元にマーカ画像を抽出し、マーカ画像の中心ラインが読み取れる見た目の角度(回転角度)を検出する角度検出手段12、見た目の角度から術具部4の動作方向を示す矢印などを形成する情報生成手段13、術具部と矢印の画像を合成して出力する表示情報出力手段14、検出した回転角度を記録するデータ記録手段15を有している。   FIG. 2 is a functional block diagram of the image processing apparatus and also shows a processing flow. The image processing apparatus 8 includes an image capturing unit 9 that captures an original image including a marker from the image controller 7, an image correction unit 10 that corrects luminance and color unevenness of the original image, and distortion of the original image. Image filtering means 11 is provided for extracting and separating the background, the marker area, and the pattern. Based on the separated image, a marker image is extracted, an angle detection means 12 for detecting an apparent angle (rotation angle) at which the center line of the marker image can be read, and an arrow indicating the operation direction of the surgical instrument unit 4 from the apparent angle And the like, a display information output unit 14 for synthesizing and outputting the image of the surgical instrument and the arrow, and a data recording unit 15 for recording the detected rotation angle.

マーカ5が緑色の領域53と青色の領域54に塗り分けられている場合,画像フィルタリング手段は各画素のR(赤)G(緑)B(青)の3つの特徴量で3つの画像に分割する。   When the marker 5 is divided into a green region 53 and a blue region 54, the image filtering means divides the image into three images with three feature values of R (red), G (green), and B (blue) of each pixel. To do.

RGB分解以外のフィルタリング手法としては、色素による吸収バンド帯の違いを利用したバンドパスフィルタを用いた手法や,マーカが蛍光色素を含む場合はその蛍光色素の蛍光波長に合わせて蛍光領域を分離・抽出する手法やレンズ面に透過波長を選択するフィルタを物理的に取り付ける手法、投光する光の波長を変化させて内視鏡画像のRGBのパラメータを予め補正し、マーカ領域を特定しやすくする手法などがあり、このような手段によってもマーカの特徴を抽出して背景から分離することができる。いずれも、体内に無い特徴量をマーカにほどこし、その特徴量を効果的に抽出するフィルタリングを行うことが可能であるため、マーカと体内臓器との識別およびマーカ模様の識別を行いやすい利点がある。以降は、マーカ5が緑色の領域53と青色の領域54に塗り分けられている場合を前提として、RGB分解によるフィルタリングを実施する場合の詳細を説明する。   Filtering methods other than RGB decomposition include a method using a band-pass filter that utilizes the difference in absorption band of the dye, and if the marker contains a fluorescent dye, separate the fluorescent region according to the fluorescent wavelength of the fluorescent dye. An extraction method, a method of physically attaching a filter for selecting a transmission wavelength on the lens surface, and correcting the RGB parameters of the endoscopic image in advance by changing the wavelength of the light to be projected, thereby making it easy to specify the marker region There is a technique, and the feature of the marker can also be extracted and separated from the background by such means. In any case, it is possible to apply a feature amount that does not exist in the body to the marker, and to perform filtering that effectively extracts the feature amount. Therefore, there is an advantage that it is easy to distinguish between the marker and the internal organ and to identify the marker pattern. . In the following, details of the case where filtering by RGB decomposition is performed on the premise that the marker 5 is divided into a green region 53 and a blue region 54 will be described.

3つの画像(R,G,B)からマーカ領域を特定、抽出し、マーカ領域の軸中心に設定した検出ラインに沿ってマーカのエッジを検出し、青と緑のエッジ比率から画面に表示されるマーカの中心ラインが示す角度(θ)を検出する角度検出手段12を有している。さらに、画面に表示されるマーカの中心ラインが示す角度に基づいて、術具部4の動作方向を示す矢印などを重ねた画像を生成し、モニタ40に出力する表示情報出力段14、医療行為を記録するデータ記録手段15を備えている。角度の情報については、画面から見た角度情報だけではなく、それを元に、特定の方向から見た角度に変換してデータ記録を行うなどの利用をしてもよい。   The marker area is identified and extracted from the three images (R, G, B), the marker edge is detected along the detection line set at the axis center of the marker area, and is displayed on the screen from the blue / green edge ratio. Angle detecting means 12 for detecting the angle (θ) indicated by the center line of the marker. Further, based on the angle indicated by the center line of the marker displayed on the screen, an image in which an arrow indicating the operation direction of the surgical instrument unit 4 is superimposed is generated and output to the monitor 40. Is provided. Regarding the angle information, not only the angle information viewed from the screen but also the data recorded by converting the angle into the angle viewed from a specific direction may be used.

図3は画像補正手段の機能ブロック図で、処理の流れも示している。画像補正手段10は前処理を行うためのもので、マーカを含む元画像の輝度ムラを補正し均一な明るさにする輝度補正手段16、画面全体が何らかの色にシフトしている場合、画面の色を補正する色補正手段17、画像の歪みを補正する歪補正手段18を有し、取り込んだ元画像をこれら前処理によって補正するもので、いずれも周知の手段である。   FIG. 3 is a functional block diagram of the image correction means, and also shows the flow of processing. The image correction means 10 is for pre-processing. The brightness correction means 16 corrects the luminance unevenness of the original image including the marker to obtain uniform brightness. If the entire screen is shifted to some color, A color correction unit 17 that corrects the color and a distortion correction unit 18 that corrects the distortion of the image are provided, and the captured original image is corrected by these pre-processing, both of which are known units.

色補正手段17は、画面全体が特定の色にシフトしている場合にバランスを補正する手段で、事前に色のシフト状態をチェックし、そのパラメータを取得しておく。処理中(プログラムの稼動中)はこのパラメータに基づいて色の補正が行なわれる。   The color correction unit 17 is a unit that corrects the balance when the entire screen is shifted to a specific color, and checks the color shift state in advance and acquires its parameters. During processing (during program operation), color correction is performed based on this parameter.

歪補正手段18は、レンズの形状に依存して画像が湾曲して表示されるのを補正するもので、事前に格子模様などを撮影して歪み具合を計測して歪み補正のパラメータを取得する。処理中はこのパラメータを用いて画像を変換するので、歪み補正後の画像では、直線は直線として表示される。   The distortion correction means 18 corrects the curved display of the image depending on the shape of the lens. The distortion correction unit 18 measures the degree of distortion by acquiring a lattice pattern in advance and acquires distortion correction parameters. . Since the image is converted using this parameter during processing, the straight line is displayed as a straight line in the image after distortion correction.

前処理された元画像は、画像フィルタリング手段11に入力する。ここでは、各画素のRGB各々のパラメータを用いて、元画像をR、G、B画像に分割する。G画像は三角パターン33(領域33)を強調した画像、B画像は三角パターン34(領域34)を強調した画像、R画像は背景となる体内を強調した画像である。   The preprocessed original image is input to the image filtering means 11. Here, the original image is divided into R, G, and B images using the RGB parameters of each pixel. The G image is an image in which the triangular pattern 33 (region 33) is emphasized, the B image is an image in which the triangular pattern 34 (region 34) is emphasized, and the R image is an image in which the body as a background is emphasized.

図4は角度検出手段の機能ブロック図で、処理の流れも示している。マーカ領域抽出手段19は、画像フィルタリング手段11によって分割されたRGB画像に対し、G画像とB画像を加算し、R画像を減算する合成処理を行い、これによってマーカ領域を特定して抽出する。   FIG. 4 is a functional block diagram of the angle detection means and also shows the flow of processing. The marker area extraction unit 19 performs a synthesis process of adding the G image and the B image to the RGB image divided by the image filtering unit 11 and subtracting the R image, thereby identifying and extracting the marker area.

エッジ抽出手段20は、抽出されたマーカのエッジである直線成分を抽出し、その直線の傾きを計算し、エッジの2直線の交点を計算する。画像に映されている内視鏡は画面奥に向かう姿勢なので、術具部(マーカ)の先端ほど小さく表示される。拡大率補正手段21は、この交点部分が撮像手段の正面になるようにアフィン変換を行い、正面から見た画像にマーカ画像を変換する。マーカ読取手段22は、マーカ画像の軸の中心にエッジ検出ラインを設定し、このラインに沿って明暗が変わる位置にマーカ内エッジを検出する。   The edge extraction means 20 extracts a straight line component that is an edge of the extracted marker, calculates the inclination of the straight line, and calculates the intersection of the two straight lines of the edge. Since the endoscope shown in the image is in the posture toward the back of the screen, the tip of the surgical instrument (marker) is displayed smaller. The enlargement factor correction unit 21 performs affine transformation so that the intersection portion is in front of the imaging unit, and converts the marker image into an image viewed from the front. The marker reading unit 22 sets an edge detection line at the center of the axis of the marker image, and detects an edge in the marker at a position where brightness changes along this line.

角度算出手段23は、マーカ内エッジから青色と緑色の長さを読み取りその比率を計算する。この比率から読み取られる角度は、画面に映る術具の中心ラインから読み取れる見た目の角度θである。   The angle calculation means 23 reads the lengths of blue and green from the edge in the marker and calculates the ratio. The angle read from this ratio is the apparent angle θ that can be read from the center line of the surgical instrument shown on the screen.

マーカは術具部の動作方向に対して,予め決められた条件で取り付けられる。つまり、術具部4の首振り方向がイ,ロとある場合(図示なし)、首振り方向イがマーカの0度と一致するように貼り付ける、などの条件である。このとき、マーカの0度の位置が基準となって、回転角度が記述される。   The marker is attached under a predetermined condition with respect to the operation direction of the surgical instrument unit. In other words, when the swinging direction of the surgical instrument unit 4 is “I” and “B” (not shown), the pasting is performed so that the swinging direction “a” matches 0 degrees of the marker. At this time, the rotation angle is described using the 0-degree position of the marker as a reference.

計測によって検出される回転角度(見た目の角度)θはマーカの0度から計測した量となるが、前回検出したときのデータの差分を得ることで、経時的な相対的回転角度θ’を計算することもできる。   The rotation angle (appearance angle) θ detected by the measurement is the amount measured from 0 degrees of the marker, but the relative rotation angle θ ′ over time is calculated by obtaining the difference in the data from the previous detection. You can also

ここで、θに依存した青と緑の長さは(1)、(2)式で表される。実施例の角度計算に用いたマーカの軸方向サイズは、開始ラインの高さは1mm,三角形の頂点の高さが5mmでこのうち帯の高さが1mmである。
0<θ<180度のとき、
緑の長さ=5−4θ/180、青の長さ=1+4θ/180 …(1)
180度<θ<360度のとき、
緑の長さ=−3+4θ/180、青の長さ=9−4θ/180 …(2)
なお、θ=0度のとき、緑の長さ=5、青の長さ=1、θ=180度のとき、緑の長さ=1、青の長さ=5である。
Here, the lengths of blue and green depending on θ are expressed by equations (1) and (2). As for the axial size of the marker used in the angle calculation of the embodiment, the height of the start line is 1 mm, the height of the apex of the triangle is 5 mm, and the height of the band is 1 mm.
When 0 <θ <180 degrees,
Green length = 5-4θ / 180, Blue length = 1 + 4θ / 180 (1)
When 180 degrees <θ <360 degrees,
Green length = −3 + 4θ / 180, Blue length = 9−4θ / 180 (2)
When θ = 0 degrees, the green length = 5, the blue length = 1, and when θ = 180 degrees, the green length = 1 and the blue length = 5.

またRa=緑の長さ÷青の長さとすると、Ra=5ならばθ=0、Ra=0.2ならばθ=180度となる。それ以外の場合は0<θ<180度、あるいは180<θ<360度となる。現在の角度がどちらに含まれるかの判別法は後述するが、それぞれにおいてRaからθを算出するには、式(1)式(2)を元に、(3)、(4)式の関係となる。
0<θ<180のとき、
θ=180(5−Ra)/(4(1+Ra)) …(3)
180<θ<360のとき、
θ=540(1+3Ra)/(4(1+Ra)) …(4)
ところで、マーカの計測点が斜面であれば、同じ青緑比に2つの解が存在する。図9はマーカの2つの斜面で同じ青緑比となるケースを示す説明図である。図のグラフで、任意の角度θ(たとえばθa)における青色の高さ(たとえば0〜点35の長さ)をその延長上である四角形領域の高さから差し引くと、五角形の領域33の緑色の高さが分かる。このときの、緑色と青色の高さ(長さ)比率が分かれば、任意の回転角度θを逆算できる。
If Ra = green length ÷ blue length, θ = 0 if Ra = 5, and θ = 180 degrees if Ra = 0.2. In other cases, 0 <θ <180 degrees or 180 <θ <360 degrees. A method for determining which of the current angles is included will be described later. In order to calculate θ from Ra in each case, the relationship between the expressions (3) and (4) is calculated based on the expressions (1) and (2). It becomes.
When 0 <θ <180,
θ = 180 (5-Ra) / (4 (1 + Ra)) (3)
When 180 <θ <360,
θ = 540 (1 + 3Ra) / (4 (1 + Ra)) (4)
By the way, if the measurement point of the marker is a slope, there are two solutions with the same blue-green ratio. FIG. 9 is an explanatory diagram showing a case in which the two blue slopes of the marker have the same blue-green ratio. In the graph of the figure, when the blue height (for example, the length of 0 to 35) at an arbitrary angle θ (for example, θa) is subtracted from the height of the rectangular area on the extension, the green color of the pentagonal area 33 is reduced. I know the height. If the height (length) ratio between green and blue at this time is known, an arbitrary rotation angle θ can be calculated backward.

図9で、軸周方向回転角θに対する青緑長さの比が同一になるθa、θa'が存在する。θaは0〜180度の間、θa’は180度〜360度の間である。このように、同一角度となる計測点35、36の有る斜面の選択方法は次のように行なわれる。   In FIG. 9, there are θa and θa ′ in which the ratio of the blue-green length to the axial circumferential rotation angle θ is the same. θa is between 0 and 180 degrees, and θa ′ is between 180 and 360 degrees. Thus, the selection method of the slope with the measurement points 35 and 36 having the same angle is performed as follows.

図10は緑を基準として選択する場合の説明図で、以下の(1)〜(5)の手順で斜面の一方が選択される。
(1)青と緑の境界を抽出する計測ライン(術具4または可撓挿入部1'の中心線)と画面横軸のなす角度をφとする。
(2)計測ラインと画面横軸の交点pを求める.
(3)緑領域の面の重心gを計算する。
(4)gとpを結ぶ直線が画面横軸となす角度φ’の大きさを計測ラインのなす角度φと比較する。
(5)φ’>φのとき、青色五角形の右斜面(180度<θ<360度)、φ>φ’のとき、青色五角形の左斜面(0度<θ<180度)、φ=φ’のとき、計測ラインが頂点を通っている(θ=0もしくは180度)ので、緑と青の比から0と180度を識別する。
FIG. 10 is an explanatory diagram when selecting green as a reference, and one of the slopes is selected by the following procedures (1) to (5).
(1) An angle formed by a measurement line (the center line of the surgical instrument 4 or the flexible insertion portion 1 ′) for extracting the boundary between blue and green and the horizontal axis of the screen is φ.
(2) Find the intersection point p between the measurement line and the horizontal axis of the screen.
(3) The center of gravity g of the surface of the green region is calculated.
(4) The angle φ ′ formed by the straight line connecting g and p with the horizontal axis of the screen is compared with the angle φ formed by the measurement line.
(5) When φ ′> φ, blue pentagonal right slope (180 degrees <θ <360 degrees), when φ> φ ′, blue pentagon left slope (0 degrees <θ <180 degrees), φ = φ At ', the measurement line passes through the apex (θ = 0 or 180 degrees), so 0 and 180 degrees are identified from the ratio of green and blue.

図5は情報生成手段の機能ブロック図と処理の流れを示している。情報生成手段13は角度検出手段12で検出したデータを基に、データの記録や情報の表示など、目的に合わせた処理を行う。   FIG. 5 shows a functional block diagram of the information generating means and a processing flow. Based on the data detected by the angle detection unit 12, the information generation unit 13 performs processing according to the purpose, such as data recording and information display.

情報利用による処理振り分け手段30は、検出した角度の利用の仕方で基準からの角度補正手段24と表示画像補正手段25に以後の処理を振り分ける。ここで、回転角度とは、基準の姿勢を決めて、その姿勢を初期姿勢とし、術具がこの初期姿勢からどのくらい回転しているかを回転角度と定義する。   The process distribution means 30 by using information distributes the subsequent processes to the angle correction means 24 and the display image correction means 25 from the reference according to how the detected angle is used. Here, the rotation angle is defined as a rotation angle by determining a reference posture and setting the posture as an initial posture, and how much the surgical instrument is rotated from the initial posture.

角度補正手段24は、見た目の角度と初期姿勢との差分を計算して、初期姿勢からの変化量(回転角度)をデータ記録手段15に記録する。画面に映る中心ラインの角度情報を保存する場合は、角度補正手段24を通さず、そのままデータ記録手段15で記録する。この回転角度は操作端側にフィードバックされて、軟性鉗子マニュピュレータなどの自動制御に用いることも可能である。   The angle correction unit 24 calculates the difference between the apparent angle and the initial posture, and records the amount of change (rotation angle) from the initial posture in the data recording unit 15. When the angle information of the center line displayed on the screen is stored, it is recorded by the data recording unit 15 as it is without passing through the angle correction unit 24. This rotation angle is fed back to the operation end side and can be used for automatic control of a soft forceps manipulator or the like.

表示画像補正手段25は、一例として動作方向を矢印で示す場合を説明する。回転角度が0(初期姿勢)の場合に表示する矢印の向き(正方向)は予め決めてあり、この初期の矢印の向きから、術具部の回転角度の量だけ向きをずらして矢印を表示する。   As an example, the display image correction unit 25 will describe a case where the operation direction is indicated by an arrow. The direction of the arrow to be displayed when the rotation angle is 0 (initial posture) (positive direction) is predetermined, and the arrow is displayed by shifting the direction from the initial arrow direction by the amount of the rotation angle of the surgical instrument. To do.

画面に映る術具部の中心ライン(計測ライン)から読み取れる角度情報(見た目の角度)の場合、表示画像補正手段25はその中心ラインを回転の軸として、表示する矢印を角度情報の分だけ回転させる。情報生成手段26はその回転後の矢印を生成し、画像合成手段27はこの矢印が所定の位置となるように内視鏡画像と合成し、表示情報出力手段14に出力し、モニタ40に表示する。これにより、術具部4がどちらの方向に動くかを画面上の矢印を見ることで、一目で分かるように表示できる。なお、角度情報としては矢印のほかに、マーク、アイコンなどによってもよい。   In the case of angle information (appearance angle) that can be read from the center line (measurement line) of the surgical instrument part displayed on the screen, the display image correction means 25 rotates the displayed arrow by the angle information with the center line as the axis of rotation. Let The information generating unit 26 generates an arrow after the rotation, and the image synthesizing unit 27 synthesizes the endoscope image with the arrow so that the arrow is in a predetermined position, outputs it to the display information output unit 14, and displays it on the monitor 40. To do. Thus, the direction in which the surgical instrument unit 4 moves can be displayed at a glance by looking at the arrow on the screen. The angle information may be a mark, an icon, etc. in addition to the arrow.

次に、一実施例による回転状態検出方法の手順を説明する。図11、図12、図13は画像処理装置8による回転角度の検出手順を示すフローチャートである。また図14〜図17は各処理の結果を示す説明図である。   Next, the procedure of the rotation state detection method according to one embodiment will be described. 11, 12, and 13 are flowcharts illustrating a rotation angle detection procedure by the image processing apparatus 8. 14-17 is explanatory drawing which shows the result of each process.

ステップs101は、画像補正手段10から画像フィルタリング手段11に対する出力処理である。図14のマーカ画像のうち、(a)の補正画像が出力される。   Step s101 is an output process from the image correction means 10 to the image filtering means 11. Among the marker images in FIG. 14, the corrected image (a) is output.

ステップs102は、画像フィルタリング手段11による作業で、補正画像はR、G、Bの画像に分解される。図14(b)、(c)、(d)はそれぞれR画像61、G画像62、B画像63で、R画像、G画像、B画像はそれぞれ元のカラー画像の画素が持っていた赤,緑,青のパラメータをそのままグレー値とした画像である。   Step s102 is an operation by the image filtering means 11, and the corrected image is decomposed into R, G, and B images. FIGS. 14B, 14C, and 14D are an R image 61, a G image 62, and a B image 63, respectively. The R image, the G image, and the B image are red, This is an image with the green and blue parameters as gray values.

ステップs103以降が角度検出手段12による作業である。まず、R画像、G画像、B画像により、G画像とB画像の和からR画像を差し引く(G+B−R)の合成処理を経てマーカ画像64が抽出される。これによって、図15(a)のように、マーカ画像のみを浮き上がらせて抽出する。   Steps s103 and after are operations by the angle detection means 12. First, the marker image 64 is extracted from the R image, the G image, and the B image through a synthesis process of subtracting the R image from the sum of the G image and the B image (G + B−R). As a result, as shown in FIG. 15A, only the marker image is lifted and extracted.

ステップs104では、マーカ領域周囲の境界線を抽出し(図15(b))、曲線と直線に分解し、その中から直線のみを抽出し(図15(c))、長い直線2本66,67を選ぶ(s105)。ステップs106は、抽出した直線の傾きを計算し、ステップs107で2直線の延長線(点線)68,69の交点座標を計算する(図15(d)の点C)。   In step s104, a boundary line around the marker region is extracted (FIG. 15B), decomposed into a curve and a straight line, and only a straight line is extracted from the boundary (FIG. 15C). 67 is selected (s105). In step s106, the inclination of the extracted straight line is calculated, and in step s107, the intersection coordinates of the extension lines (dotted lines) 68 and 69 of the two straight lines are calculated (point C in FIG. 15D).

ステップs108は、2本の直線の傾きの平均値c(平均値cを傾きcと呼ぶことにする)を計算し、ステップs109では、点Cを通り、傾きcの直線(図15(d)の直線70)を生成し、これを中心ラインとする。   In step s108, the average value c of the inclinations of the two straight lines (the average value c will be referred to as the inclination c) is calculated. In step s109, the straight line having the inclination c passing through the point C (FIG. 15 (d)). A straight line 70) is generated and this is taken as the center line.

ステップs110では、2本の直線66,67の両端の座標(4点)を取得し、ステップs111では、2本の直線の1本を選び、その直線の手前側(術具の手前方向)の点a1を選び(図16(a))、ステップs112では点a1と中心ライン70の距離Lを算出する。ステップs113では、点a1に対し中心ライン70を挟んだ対象点(点A2)と、点a3に対し中心ライン70を挟んで等距離にある線対称な対象点(点a4')を作成し、ステップs114では、点a1を含む直線66の他方の端点(a3)を通り、中心ライン70に直交するライン上で、中心ラインから距離Lだけ離れた点A3を作成し、ステップs115では、点A3に対し中心ライン70を挟んだ対象点(A4)を作成する(図16(b))。   In step s110, the coordinates (4 points) of both ends of the two straight lines 66 and 67 are acquired, and in step s111, one of the two straight lines is selected, and the front side of the straight line (the front side of the surgical instrument) is selected. The point a1 is selected (FIG. 16A), and the distance L between the point a1 and the center line 70 is calculated in step s112. In step s113, a target point (point A2) sandwiching the center line 70 with respect to the point a1 and a line symmetrical target point (point a4 ′) equidistant from the point a3 with the center line 70 sandwiched therebetween are created. In step s114, a point A3 that passes through the other end point (a3) of the straight line 66 including the point a1 and is orthogonal to the center line 70 is separated from the center line by a distance L. In step s115, a point A3 is created. On the other hand, a target point (A4) sandwiching the center line 70 is created (FIG. 16B).

ステップs116ではアフィン変換行列の作成を行う。点a1,A2,a3、a4’を変換前の4点、点a1、A2、A3、A4を変換後の4点として、変換前の4点が変換後の4点になるようなアフィン変換回転行列を作成する。   In step s116, an affine transformation matrix is created. The affine transformation rotation is such that the points a1, A2, a3, a4 ′ are the four points before conversion, the points a1, A2, A3, A4 are the four points after conversion, and the four points before conversion become the four points after conversion. Create a matrix.

ステップs117では、アフィン変換行列を用いてマーカの画像を変換する。図17に変換後の画像を示す。この例は、図14(c)の画像をアフィン変換行列によって変換したものである。図14では術具部の先端側になるに従い縮小されていたマーカ模様が、図17では根元側から先端側まで等しい拡大率となるように、画像を3次元的に回転変換した結果を示している。   In step s117, the marker image is transformed using the affine transformation matrix. FIG. 17 shows the image after conversion. In this example, the image of FIG. 14C is converted by an affine transformation matrix. FIG. 14 shows the result of three-dimensional rotational transformation of the image so that the marker pattern reduced as it approaches the distal end side of the surgical instrument portion has the same enlargement ratio from the root side to the distal end side in FIG. Yes.

ステップs118では、アフィン変換後のマーカ領域と中心ラインとの和領域を求め、エッジ検出ライン72を作成している。ステップs119では、エッジ検出ライン72に沿って、マーカ模様のエッジを検出する。検出されたエッジは、図17にエッジ検出ライン72上の×印で示している。   In step s118, the sum area of the marker area after the affine transformation and the center line is obtained, and the edge detection line 72 is created. In step s119, the edge of the marker pattern is detected along the edge detection line 72. The detected edge is indicated by a cross on the edge detection line 72 in FIG.

ステップs120では、青緑比率を計算する。マーカ模様のエッジとして検出された×印の手前側から見て、2個目(73)と3個目(74)の間の距離が青色領域の長さであり、3個目(74)と4個目(75)の距離が緑領域の長さである。緑色領域の長さを青色領域の長さで割った比率をRa(緑/青)とする。ここで、マーカに用いられる青色と緑色の比率は逆であってもよく、予め決めておけばよい。   In step s120, the blue-green ratio is calculated. The distance between the second (73) and the third (74) viewed from the near side of the X mark detected as the edge of the marker pattern is the length of the blue region, and the third (74) The distance of the fourth (75) is the length of the green region. A ratio obtained by dividing the length of the green region by the length of the blue region is Ra (green / blue). Here, the ratio of blue and green used for the marker may be reversed, and may be determined in advance.

ステップs121は、上述したマーカの2つの斜面の選択に係る処理である。まず、図17で距離を計測した緑色領域77に注目し、緑色領域のうち、見えている緑色領域77の重心(g)76を計測する。重心76は中心ライン72の右側にあり、青領域の三角形部分の斜辺が右下がりになっている部分が見えていると判断できる。中心ラインと画面横軸の交点pがなす角度φ(図10)と、重心gと交点pを結ぶ直線がなす角度φ’(図10)の大きさを比較することで、上述したように選択する斜面を決定できる。   Step s121 is processing related to selection of the two slopes of the marker described above. First, paying attention to the green region 77 whose distance is measured in FIG. 17, the center of gravity (g) 76 of the green region 77 that is visible in the green region is measured. The center of gravity 76 is on the right side of the center line 72, and it can be determined that a portion where the hypotenuse of the triangular portion of the blue region is lowering to the right is visible. Select as described above by comparing the size of the angle φ (FIG. 10) formed by the intersection point p between the center line and the horizontal axis of the screen and the angle φ ′ (FIG. 10) formed by the straight line connecting the center of gravity g and the intersection point p. You can decide the slope to be.

ステップs122は、青緑の比率Raと選択した斜面の傾きから、画面に映る術具柄の中心ラインに沿った角度情報を算出する。   In step s122, angle information along the center line of the surgical instrument pattern shown on the screen is calculated from the blue-green ratio Ra and the slope of the selected slope.

図18は情報生成手段の処理を示すフローチャート、図19、図20は各処理の結果を示す説明図である。情報生成手段13は術具部4の動作方向を示す画像を生成する。ここでは、動作方向を矢印で示す例を説明する。   FIG. 18 is a flowchart showing the processing of the information generating means, and FIGS. 19 and 20 are explanatory diagrams showing the results of each processing. The information generation unit 13 generates an image indicating the operation direction of the surgical instrument unit 4. Here, an example in which the operation direction is indicated by an arrow will be described.

s201では、s103(図11)で抽出したマーカ領域から円弧成分を抽出する。図19(a)の円弧成分64から(b)の円弧82を抽出する。s202では、抽出した円弧成分に対し楕円フィッティングを行う。すなわち、楕円の円弧の一部がs201で抽出した円弧82と一致する楕円パラメータが、図19(c)の83のように特定される。   In s201, an arc component is extracted from the marker area extracted in s103 (FIG. 11). The circular arc 82 in FIG. 19B is extracted from the circular arc component 64 in FIG. In s202, ellipse fitting is performed on the extracted arc component. That is, an ellipse parameter in which a part of the arc of the ellipse coincides with the arc 82 extracted in s201 is specified as 83 in FIG.

s203では、図19(c)のように、楕円の中心点a5を通る楕円の長軸と短軸と、円弧82との交点a6,a7,a8,a9を抽出する。短軸は中心ライン70の方向と一致する。   In s203, as shown in FIG. 19C, intersection points a6, a7, a8, and a9 of the ellipse long axis and short axis passing through the ellipse center point a5 and the arc 82 are extracted. The short axis coincides with the direction of the center line 70.

s204では、点a5から点a7までの距離L2を取得する。s205では、中心点(a5)から短軸方向に向かい、距離L2の位置にある点A6,A8の座標を取得する。s206では、点a6,a7,a8,a9を変換前の4点、点A6,a7,A8,a9を変換後4点として、変換前の4点を変換後の4点になるような回転行列(アフィン変換行列)を作成する。変換後は、中心点から各点までの距離が等しい円の形状となる(図20の円84)。   In s204, the distance L2 from the point a5 to the point a7 is acquired. In s205, the coordinates of the points A6 and A8 at the distance L2 from the center point (a5) in the short axis direction are acquired. In s206, the rotation matrix is such that the points a6, a7, a8, a9 are the four points before conversion, the points A6, a7, A8, a9 are the four points after conversion, and the four points before the conversion are the four points after conversion. (Affine transformation matrix) is created. After the conversion, the circle shape has the same distance from the center point to each point (circle 84 in FIG. 20).

s207では、変換後の円上で、中心ラインの示す角度から、動作方向を示す矢印の向きを特定する。具体的に説明すると、マーカを医療器具に設けるときに、マーカが示すどの角度の位置が動作方向であるかを予め決め、医療器具が首振り動作Mx、首振り動作Myを行うとする。動作Mxを行う方向がマーカ上で示されるθx(度)の位置、動作Myを行う方向がマーカ上で示されるθy(度)の位置になっているとすると、MyとMxの動作方向が直交していれば、θx(度)とθy(度)の間隔は90度となる。医療器具に応じて、MyとMxの間隔が直交でなければ、おのずとθx(度)とθy(度)の間隔は動作方向にあわせた値となる。   In s207, the direction of the arrow indicating the operation direction is specified from the angle indicated by the center line on the converted circle. More specifically, it is assumed that when the marker is provided on the medical instrument, the position of the angle indicated by the marker is determined in advance, and the medical instrument performs the swing motion Mx and the swing motion My. If the direction in which the motion Mx is performed is the position of θx (degrees) indicated on the marker, and the direction in which the motion My is performed is the position of θy (degrees) indicated on the marker, the motion directions of My and Mx are orthogonal. If so, the interval between θx (degrees) and θy (degrees) is 90 degrees. Depending on the medical instrument, if the interval between My and Mx is not orthogonal, the interval between θx (degrees) and θy (degrees) will naturally be a value that matches the direction of movement.

たとえば、中心ラインが示す角度がθa'(度)と算出され、動作方向Mx,Myを示すθx(度)とθy(度)も分かっているとする。そこで、θx(度)、θy(度)の角度に向けて矢印を表すためには、中心ラインからθx(度)とθa'(度)の差だけ矢印を回転させればよい。θy(度)を示す矢印も同様である。そこで、図20に示すように、円の中心から伸びる矢印を、中心ラインが示す方向から、θx(度)とθa'(度)の差だけ円の中心点回りに回転させて矢印86を表示する。   For example, it is assumed that the angle indicated by the center line is calculated as θa ′ (degrees), and θx (degrees) and θy (degrees) indicating the operation directions Mx and My are also known. Therefore, in order to represent the arrows toward the angles θx (degrees) and θy (degrees), the arrows need only be rotated from the center line by the difference between θx (degrees) and θa ′ (degrees). The same applies to the arrow indicating θy (degrees). Therefore, as shown in FIG. 20, the arrow extending from the center of the circle is rotated around the center point of the circle by the difference between θx (degrees) and θa ′ (degrees) from the direction indicated by the center line, and an arrow 86 is displayed. To do.

s208では、s207で作成したθx(度)と、θy(度)を示す矢印は、円の形状84に重ねて作成したものであるので、円84を元の楕円83に戻す行列を用いて、矢印をアフィン変換する。変換後の矢印は86'となる。この変換のための行列はs206で作成した楕円から円へ変換する行列の逆行列である。以上が情報生成手段26の処理作業である。実際に表示をさせるにはマーカ画像との画像合成が必要になる。   In s208, since the arrows indicating θx (degrees) and θy (degrees) created in s207 are created by overlapping the circle shape 84, a matrix for returning the circle 84 to the original ellipse 83 is used. Affine transform the arrow. The converted arrow is 86 '. The matrix for this conversion is an inverse matrix of the matrix that is converted from the ellipse created in s206 to a circle. The above is the processing operation of the information generating means 26. In order to actually display, image synthesis with the marker image is required.

s209では、逆変換後の矢印を内視鏡画像上の所定の位置に表示する(図21(b)の矢印80、81)。   In s209, the arrow after the inverse transformation is displayed at a predetermined position on the endoscopic image (arrows 80 and 81 in FIG. 21B).

図21は医療器具の操作部と内視鏡画面の様子を示す説明図である。医療器具の操作部は、図21(a)に示すように、互いに直交する軸の方向78と方向79に術具部4を動かすことができる(特許文献1参照)。これに合わせて、先端の術具部4も2方向に首振りをできるが、画面上ではどちらに首を振るか分からない場合がある。そこで、方向78の正方向(反時計回り)を図示の矢印方向、方向79の正方向(反時計回り)を図示の矢印方向と予め設定し、それぞれ正方向に動かしたときに術具がどの方向に首を振るかを、図21(b)のように画面上に矢印80、81で表示する。   FIG. 21 is an explanatory view showing the operation part of the medical instrument and the state of the endoscope screen. As shown in FIG. 21A, the operation unit of the medical instrument can move the surgical instrument unit 4 in directions 78 and 79 of axes orthogonal to each other (see Patent Document 1). Corresponding to this, the surgical instrument part 4 at the tip can swing in two directions, but on the screen, there is a case where it is not known in which direction the head is swung. Therefore, the positive direction (counterclockwise) of the direction 78 is preset as the arrow direction shown in the figure, and the positive direction (counterclockwise) of the direction 79 is preset as the arrow direction shown in the figure. Whether the head is swung in the direction is displayed by arrows 80 and 81 on the screen as shown in FIG.

矢印のデザインや表示位置は図示のものに限られない。移動後の姿勢をCGにより薄く重ね合わせてもよく、操作者の好みに随時変更が可能である。また表示するタイミングは、常時表示してもよいし、操作者が必要とするときにフットスイッチ等によって表示させてもよい。   The design and display position of the arrow are not limited to those shown in the figure. The posture after movement may be thinly overlapped with CG, and can be changed as needed according to the preference of the operator. The display timing may be always displayed, or may be displayed by a foot switch or the like when the operator needs it.

本実施例では、情報生成手段13及び表示情報出力手段14によって、これらの表示を行うので、操作部と術具の間に捩れがある場合でも、操作によって動く方向を、実際に医療器具を動かさなくても画面上の情報として把握することができる。
本実施例で示した図6Aのマーカの展開図を用いた場合、青領域と緑領域の比率から該当する回転角度が二つあるため、上述のように、これを絞り込むためのステップが必要となる。これに対して図6Bのマーカの展開図を用いると、青領域と緑領域の比率から該当する回転角度は一つであるため、図6Aで必要となった絞込みのためのステップは必要なくなり、処理速度が向上する。
In the present embodiment, since the information generation unit 13 and the display information output unit 14 display these, even if there is a twist between the operation unit and the surgical instrument, the direction of movement by the operation is actually moved. Even without it, it can be grasped as information on the screen.
When the development view of the marker shown in FIG. 6A shown in the present embodiment is used, there are two rotation angles corresponding to the ratio of the blue area and the green area, and as described above, a step for narrowing down this is necessary. Become. On the other hand, if the development view of the marker in FIG. 6B is used, since the corresponding rotation angle is one based on the ratio of the blue area and the green area, the step for narrowing that is necessary in FIG. Processing speed is improved.

また、図6Aのマーカの展開図は青領域と緑領域を直線で区切っているため、術具の回転角度に応じた青領域と緑領域の比率が変化する割合は常に一定である。これに対して図6Cのマーカの展開図を用いると、青領域と緑領域を三角関数で区切っているため、上記比率が緩やかに変化する範囲と急激に変化する範囲が存在する。急激に変化する範囲では、回転角度に対する青領域と緑領域の変化が大きくなるため、回転角度の検出精度が高くなる。よって、術具の回転角度の検出精度を高めたい範囲にあわせてマーカを貼り付けることで、精度が必要な範囲においては、図6Aのマーカを用いるよりも、高い精度で回転角度を検出することができる効果がある。   In addition, in the developed view of the marker in FIG. 6A, the blue region and the green region are separated by a straight line, so the rate at which the ratio between the blue region and the green region changes according to the rotation angle of the surgical instrument is always constant. On the other hand, when the development view of the marker in FIG. 6C is used, since the blue region and the green region are separated by a trigonometric function, there are a range where the ratio changes gradually and a range where the ratio changes rapidly. In a rapidly changing range, the change in the blue region and the green region with respect to the rotation angle becomes large, so that the detection accuracy of the rotation angle becomes high. Therefore, by attaching a marker in accordance with the range in which the detection accuracy of the rotation angle of the surgical instrument is desired to be increased, the rotation angle can be detected with higher accuracy in the range where accuracy is required than when the marker of FIG. 6A is used. There is an effect that can.

図6Aから図6Cのいずれのマーカでも、領域の境界が途切れることなく連続しているため、術具の回転角度を全ての範囲において連続的に検出することが可能である。   In any of the markers in FIGS. 6A to 6C, the boundary of the region is continuous without interruption, and therefore the rotation angle of the surgical instrument can be continuously detected in the entire range.

本実施例では、マーカを青領域と緑領域で配色したが、これは画像をRGBのパラメータで識別するときに、体内に多い赤と区別しやすい利点がある。これとは別に、二つの領域を異なる波長の蛍光塗料で配色する方法では、特定の波長を検出するフィルタリングによって、体内の色などに関係なく、蛍光領域のみを抽出できる利点がある。   In the present embodiment, the markers are colored in the blue region and the green region, but this has an advantage that when an image is identified by RGB parameters, it can be easily distinguished from red in the body. Apart from this, the method of arranging two regions with fluorescent paints having different wavelengths has an advantage that only the fluorescent region can be extracted by filtering for detecting a specific wavelength regardless of the color in the body.

上記実施例においては、主に医療用軟性鉗子の制御を例にしているがこれに限られるものではない。工業用ロボットのマニュピュレータや配管等の検査・作業ロボットなどの作業端を、軟性術部を介して操作端から操作する場合に広く適用できることは言うまでもない。   In the above embodiment, the control of the soft medical forceps is mainly taken as an example, but the present invention is not limited to this. Needless to say, the present invention can be widely applied to the case where the working end of an industrial robot manipulator, piping, or other inspection / working robot is operated from the operating end via the flexible operation section.

本発明の一実施例による医療用内視鏡システムの全体構成図。1 is an overall configuration diagram of a medical endoscope system according to an embodiment of the present invention. 一実施例による画像処理装置の機能ブロック図。1 is a functional block diagram of an image processing apparatus according to an embodiment. 画像補正手段の機能ブロック図。The functional block diagram of an image correction means. 角度検出手段の機能ブロック図。The functional block diagram of an angle detection means. 情報生成手段の機能ブロック図。The functional block diagram of an information generation means. マーカの展開図(三角形の頂点を含む領域分割)。Expanded view of the marker (region segmentation including triangle vertices). マーカの展開図(斜めの直線による領域分割)。Expanded view of the marker (area division by diagonal lines). マーカの展開図(三角関数の曲線による領域分割)。Expanded view of the marker (region division by trigonometric curve). マーカを術具の柄に貼り付けた状態を内視鏡で観察した場合の説明図。Explanatory drawing at the time of observing the state which stuck the marker on the handle of the surgical instrument with the endoscope. 1組のマーカの展開図。The development view of a set of markers. マーカの2つの斜面で同じ青緑比となるケースを示す説明図。Explanatory drawing which shows the case where it becomes the same blue-green ratio on the two slopes of a marker. 斜面の選択方法を示す説明図。Explanatory drawing which shows the selection method of a slope. 画像処理手段による回転角度の検出手順を示すフローチャート(その1)。The flowchart which shows the detection procedure of the rotation angle by an image processing means (the 1). 画像処理手段による回転角度の検出手順を示すフローチャート(その2)。7 is a flowchart (part 2) illustrating a procedure for detecting a rotation angle by the image processing unit. 画像処理手段による回転角度の検出手順を示すフローチャート(その3)。7 is a flowchart (No. 3) showing the procedure for detecting the rotation angle by the image processing means. マーカ画像とRGB画像の説明図。Explanatory drawing of a marker image and RGB image. マーカ領域の直線分抽出の説明図。Explanatory drawing of the straight line segment extraction of a marker area | region. アフィン変換行列作成の説明図。Explanatory drawing of affine transformation matrix creation. アフィン変換後のマーカの拡大図。The enlarged view of the marker after an affine transformation. 表示画像生成処理を示すフローチャート。The flowchart which shows a display image generation process. 表示画像生成処理の結果を示す説明図(その1)。Explanatory drawing which shows the result of a display image generation process (the 1). 表示画像生成処理の結果を示す説明図(その2)。Explanatory drawing which shows the result of a display image generation process (the 2). 医療器具の操作部と内視鏡画面の様子を示す説明図。Explanatory drawing which shows the mode of the operation part and endoscope screen of a medical instrument.

符号の説明Explanation of symbols

1…医療器具の操作部、1'…可撓伝達部、2…内視鏡、2'…内視鏡挿入部、3…挿入手段、4…術具部、5…マーカ、6…内視鏡レンズ、7…画像コントローラ、8…画像処理装置、9…画像取り込み手段、10…画像補正手段、11…画像フィルタリング手段、12…角度検出手段、13…情報生成手段、14…表示情報出力手段、15…データ記録手段、16…輝度補正手段、17…色補正手段、18…歪み補正手段、19…マーカ領域抽出手段、20…エッジ抽出手段、21…拡大率補正手段、22…マーカ読取手段、23…角度算出手段、24…基準からの角度補正手段、25…表示画像補正手段、26…表示画像作成手段、27…画像合成手段、30…処理振り分け手段、40…モニタ、50…マーカシート。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Operation part of medical instrument, 1 '... Flexible transmission part, 2 ... Endoscope, 2' ... Endoscope insertion part, 3 ... Insertion means, 4 ... Surgical instrument part, 5 ... Marker, 6 ... Endoscope Mirror lens, 7 ... Image controller, 8 ... Image processing device, 9 ... Image capture means, 10 ... Image correction means, 11 ... Image filtering means, 12 ... Angle detection means, 13 ... Information generation means, 14 ... Display information output means 15 ... Data recording means, 16 ... Luminance correction means, 17 ... Color correction means, 18 ... Distortion correction means, 19 ... Marker area extraction means, 20 ... Edge extraction means, 21 ... Enlargement ratio correction means, 22 ... Marker reading means , 23 ... Angle calculation means, 24 ... Angle correction means from reference, 25 ... Display image correction means, 26 ... Display image creation means, 27 ... Image composition means, 30 ... Processing distribution means, 40 ... Monitor, 50 ... Marker sheet .

Claims (14)

操作部の操作量を伝達部により術具部に伝えるとともに、術野における術具部の動作を撮影する撮像手段を用いて前記術具部の回転状態を検出する装置の作動方法であって、
前記伝達部は、前記伝達部の前記術具部側に設けられ周方向に連続する連続模様を備えたマーカを有し、前記マーカは、前記連続模様の領域を区切る境界線の少なくとも一つが、周方向に対して軸方向の位置が連続的に変化する直線もしくは曲線であり、前記撮像手段で前記マーカを撮像したマーカ画像情報を取り込んで画像処理し、前記マーカの回転角を求めることで前記術具部の回転状態を検出することを特徴とする回転状態検出装置の作動方法。
The operation method of the apparatus for detecting the rotation state of the surgical instrument part using an imaging means for imaging the operation of the surgical instrument part in the surgical field while transmitting the operation amount of the operation part to the surgical instrument part by the transmission part,
The transmission unit has a marker provided on the surgical instrument unit side of the transmission unit and provided with a continuous pattern in the circumferential direction, and the marker has at least one boundary line that divides the region of the continuous pattern, It is a straight line or a curve in which the position in the axial direction changes continuously with respect to the circumferential direction, captures the marker image information obtained by imaging the marker by the imaging means, performs image processing, and obtains the rotation angle of the marker An operation method of a rotation state detection device, characterized by detecting a rotation state of a surgical instrument part.
操作部の操作量を伝達部により術具部に伝えるとともに、術野における術具部の動作を撮影する撮像手段を用いて前記術具部の回転状態を検出する装置の作動方法であって、
前記伝達部は、前記伝達部の前記術具部側に設けられ周方向に連続する連続模様を備えたマーカを有し、前記マーカは、前記連続模様の領域を区切る一方の境界線が直線と、この境界線に対して他方の境界線は軸方向の位置が連続的に変化する直線もしくは曲線とを有し、これらの境界線により前記マーカは多角形もしくは曲線図形を含み、前記マーカは前記境界線を挟んで軸方向に色の特徴量が異なり、前記撮像手段で前記マーカを撮像したマーカ画像情報を取り込んで画像処理し、前記マーカの回転角を求めることで前記術具部の回転状態を検出することを特徴とする回転状態検出装置の作動方法。
The operation method of the apparatus for detecting the rotation state of the surgical instrument part using an imaging means for imaging the operation of the surgical instrument part in the surgical field while transmitting the operation amount of the operation part to the surgical instrument part by the transmission part,
The transmission unit includes a marker provided on the surgical instrument unit side of the transmission unit and provided with a continuous pattern that is continuous in the circumferential direction, and the marker has one boundary line that divides the region of the continuous pattern as a straight line The other boundary line with respect to this boundary line has a straight line or a curve whose axial position continuously changes, and the marker includes a polygon or a curved figure by these boundary lines, and the marker The feature amount of the color is different in the axial direction across the boundary line, the marker image information obtained by imaging the marker by the imaging means is captured, image processing is performed, and the rotation state of the surgical instrument unit is obtained by obtaining the rotation angle of the marker A method for operating a rotational state detection device, characterized in that
請求項1または2において、前記マーカ画像情報を画像処理して前記マーカ画像情報におけるマーカ表示領域の奥行き方向の中心を示す計測ラインを求め、この計測ラインに沿って前記軸方向に区切られている領域の比率を求め、この比率に該当する前記マーカ上の周方向位置から回転角を求める回転状態検出装置の作動方法。 3. The measurement line indicating the center in the depth direction of the marker display area in the marker image information is obtained by performing image processing on the marker image information according to claim 1, and divided in the axial direction along the measurement line. An operation method of a rotation state detection device for obtaining a ratio of a region and obtaining a rotation angle from a circumferential position on the marker corresponding to the ratio. 請求項3において、前記マーカは前記連続模様の領域を区切る境界線を挟んで青色と緑色の領域を有していて、前記比率は青色領域と緑色領域の比率である回転状態検出装置の作動方法。 4. The method of operating a rotational state detection device according to claim 3, wherein the marker has a blue and green region across a boundary line that divides the continuous pattern region, and the ratio is a ratio of the blue region and the green region. . 請求項1または2において、前記マーカは前記伝達部の軸方向に複数の前記連続模様の領域を有している回転状態検出装置の作動方法。 The operating method of the rotation state detection device according to claim 1, wherein the marker has a plurality of regions of the continuous pattern in an axial direction of the transmission unit. 請求項3において、前記比率に該当する回転角が2つある場合に、前記マーカ画像情報におけるマーカ表示領域の横軸と前記計測ラインが交わる交点と、前記区切られた1つの領域の面の重心と前記交点を結ぶ延長線を求め、前記計測ラインと前記横軸がなす角度と前記延長線と前記横軸のなす角度に基づいて回転角を選択する回転状態検出装置の作動方法。 In Claim 3, when there are two rotation angles corresponding to the ratio, the intersection of the horizontal axis of the marker display area and the measurement line in the marker image information, and the center of gravity of the surface of the divided one area And an extension line connecting the intersections, and an operation method of the rotation state detection device that selects a rotation angle based on an angle formed by the measurement line and the horizontal axis and an angle formed by the extension line and the horizontal axis. 請求項6において、マーカと動作方向の相対角度および計測ラインで計測された角度を元に前記術具部の動作方向を示す指示画像を生成し、前記撮像手段の撮像画像における術具部表示領域に付して表示する回転状態検出装置の作動方法。 7. The surgical instrument display area in the captured image of the imaging unit according to claim 6, wherein an instruction image indicating the operational direction of the surgical instrument unit is generated based on a relative angle between the marker and the operational direction and an angle measured by a measurement line. The operation method of the rotation state detection apparatus which attaches and displays. 操作部の操作方向を伝達部により術具部に伝えるとともに、術野における前記術具部の動作を撮像する撮像手段を用いて前記術具部の回転状態を検出する装置の作動動方法であって、
前記伝達部の前記術具部側に設けられ特徴量の異なる領域がそれぞれ周方向に連続する連続模様を備えたマーカを有し、前記撮像手段で前記マーカを撮像したマーカ画像情報を取り込んで画像処理し、前記マーカの回転角を求めて前記術具部の回転状態を検出する場合に、取り込んだマーカ画像情報におけるマーカ表示領域の歪を補正して補正画像情報を生成し、この補正画像情報をフィルタリング手段によってマーカ画像の特徴量を基に前記マーカと背景との分離および前記マーカの模様の分離を行って抽出したマーカ画像領域の境界情報を抽出し、該境界情報からアフィン変換行列を作成し、該アフィン変換行列を用いてマーカの正面から見たマーカ画像領域に補正し、該補正されたマーカ画像領域の中心を通る計測ライン上で前記特徴量の異なる領域の長さの比率を求め、該比率に応じた角度を術具部の回転角として求めることを特徴とする回転状態検出装置の作動方法。
The operation method of the apparatus detects the rotation state of the surgical instrument part using an imaging means for imaging the operation direction of the operation part to the surgical instrument part by the transmission part and images the operation of the surgical instrument part in the surgical field. And
An image obtained by capturing marker image information obtained by imaging the marker by the imaging means, having a marker provided on the surgical instrument unit side of the transmission unit and having a continuous pattern in which regions having different feature amounts are continuous in the circumferential direction. When the rotation angle of the marker is detected to detect the rotation state of the surgical instrument unit, the distortion of the marker display area in the captured marker image information is corrected to generate corrected image information, and this corrected image information Filtering means extracts boundary information of the marker image area extracted by separating the marker from the background and separating the marker pattern based on the feature quantity of the marker image, and creates an affine transformation matrix from the boundary information. And using the affine transformation matrix to correct the marker image region viewed from the front of the marker, and the feature on the measurement line passing through the center of the corrected marker image region Method of operating a different seek length ratio of the areas, the rotational state detection device and obtains the angle corresponding to the ratio as the rotation angle of the surgical instrument unit.
請求項8において、前記特徴量の異なる領域は、青色と緑色で配色された領域であり、前記フィルタリング手段は、前記補正画像をR(赤の画像)、G(緑の画像)、B(青の画像)に分割し、分割した画像に対し画素毎にGとBの和からRを差し引く合成処理を行って緑色領域と青色領域の組によるマーカ領域を抽出することを特徴とする回転状態検出装置の作動方法。 9. The region having different feature values is a region colored in blue and green, and the filtering unit converts the correction image into R (red image), G (green image), and B (blue). Rotation state detection characterized by extracting a marker region by a combination of a green region and a blue region by subjecting the divided image to a combination process of subtracting R from the sum of G and B for each pixel. How the device works . 請求項8において、前記特徴量の異なる領域は、異なる蛍光色素で塗り分けられた領域であり、前記フィルタリング手段は前記蛍光色素の励起波長もしくは蛍光波長のみを抽出することで、前記蛍光色素の領域およびマーカ領域を抽出することを特徴とする回転状態検出装置の作動方法。 9. The region of the fluorescent dye according to claim 8, wherein the regions having different feature quantities are regions that are separately coated with different fluorescent dyes, and the filtering unit extracts only the excitation wavelength or the fluorescence wavelength of the fluorescent dye. And a method of operating the rotation state detecting device, wherein the marker region is extracted. 術野における作業をする術具と、その操作部と、操作部の操作方向を術具部に伝える伝達部と、術野における術具部の動作を観察する撮像手段と、該撮像手段により術具部の回転状態を検出する装置であって、
前記伝達部の術具部側の周方向に設けられた連続模様のマーカと、前記撮像手段で取り込んだマーカ画像を画像処理し、マーカの回転角を求める画像処理装置を備え、
前記画像処理装置は、術具部とマーカの画像を取り込む画像取り込み手段と、取り込んだ画像の歪を補正する画像補正手段と、補正された画像をマーカの特徴量によって、マーカと背景との分離およびマーカの模様の分離を行ってマーカ領域を抽出するフィルタリング手段と、抽出したマーカ領域のエッジを抽出し、該エッジからアフィン変換行列を作成し、該アフィン変換行列を用いてマーカの正面から見たマーカ画像に拡大補正し、前記マーカが第1の色と第2の色の連続模様による組の場合に、前記拡大補正されたマーカ画像の中心を通る計測ライン上で第1の色領域と第2の色領域の長さの比率を求め、該比率に応じた角度を術具部の回転角として求める角度検出手段を備え、前記マーカの回転角を求めることで術具部の回転状態を検出することを特徴とする回転状態検出装置。
A surgical tool that performs work in the surgical field, an operation unit thereof, a transmission unit that transmits an operation direction of the operation unit to the surgical tool unit, an imaging unit that observes the operation of the surgical tool unit in the surgical field, and an operation performed by the imaging unit An apparatus for detecting the rotation state of the tool part,
A continuous pattern marker provided in the circumferential direction on the surgical instrument side of the transmission unit, and an image processing device that performs image processing of a marker image captured by the imaging unit and obtains a rotation angle of the marker,
The image processing apparatus includes: an image capturing unit that captures an image of a surgical instrument unit and a marker; an image correcting unit that corrects distortion of the captured image; and a marker and a background that are separated from the corrected image based on a feature amount of the marker. And filtering means for extracting the marker area by separating the marker pattern, extracting the edge of the extracted marker area, creating an affine transformation matrix from the edge, and using the affine transformation matrix to view from the front of the marker And when the marker is a set of a continuous pattern of the first color and the second color, the first color region on the measurement line passing through the center of the enlarged marker image An angle detection means for obtaining a ratio of the length of the second color region and obtaining an angle according to the ratio as a rotation angle of the surgical instrument unit, and determining a rotation angle of the marker to determine a rotation state of the surgical instrument unit. Rotational state detecting apparatus, characterized in that the output.
請求項11において、前記フィルタリング手段は前記第1の色が緑、前記第2の色が青の場合に、前記補正された画像をR(赤の画像)、G(緑の画像)、B(青の画像)に分割し、分割した画像に対し画素毎にGとBの和からRを差し引く合成処理を行って緑色領域と青色領域の組によるマーカ領域を抽出することを特徴とする回転状態検出装置。   12. The filtering means according to claim 11, wherein when the first color is green and the second color is blue, the corrected image is R (red image), G (green image), B ( A rotation state characterized by extracting a marker region by a combination of a green region and a blue region by performing a composition process of subtracting R from the sum of G and B for each pixel on the divided image Detection device. 請求項11において、前記マーカと動作方向の相対角度および計測ラインで計測された角度を元に前記術具部の動作方向を示す矢印などの画像を生成し、前記術具部の画像に付して表示する表示情報生成手段を有することを特徴とする回転状態検出装置。   12. The method according to claim 11, wherein an image such as an arrow indicating an operation direction of the surgical instrument unit is generated based on a relative angle between the marker and the operation direction and an angle measured by a measurement line, and the image is attached to the image of the surgical instrument unit. A rotation state detecting device comprising display information generating means for displaying the information. 請求項11において、前記撮像手段は内視鏡であり、前記術具部は医者によって操作部が操作されて術具部による治療が行なわれる鉗子、電気メスなどの医療用器具,あるいは前記内視鏡よりも細い内視鏡であり、前記伝達部は捩れを生じる可能性のある可撓伝達部であることを特徴とする回転状態検出装置。   12. The imaging device according to claim 11, wherein the imaging unit is an endoscope, and the surgical instrument unit is a medical instrument such as a forceps or an electric scalpel in which an operation unit is operated by a doctor and treatment is performed, or the endoscope A rotational state detection apparatus, characterized in that the endoscope is thinner than a mirror, and the transmission section is a flexible transmission section that may cause twisting.
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