JP5797318B2 - 管状挿入装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定部分に可撓部を有する管状挿入部を備える管状挿入装置に関する。

可撓性を有する円筒チューブを管空に挿入する管状挿入装置において、その円筒チューブの形状を形状検出用の光ファイバを用いて検出する構成が知られている。例えば、特許文献１によると、円筒チューブの外周面に、湾曲検出部を所定間隔ずらして形状検出用の光ファイバが複数配置されており、それら光ファイバを円筒チューブの長手方向につなぎ合わせることで複数の湾曲検出点の湾曲量を合成することにより、円筒チューブ全体の形状が検出できることが示されている。

また、円筒チューブを管空に挿入する管状挿入装置において、可撓性を有する円筒チューブに力センサを配置し、円筒チューブに加わる外力を検出する構成も知られている。例えば、特許文献２によると、円筒チューブの外周面に、複数の歪ゲージを配置して、円筒チューブの外周面に加わる外力を検出する構成が示されている。

特開２００１−１６９９９８号公報 特開平６−１５４１５３号公報

円筒チューブを管空に挿入する場合、円筒チューブは、時々、管空の内壁に接触しながら挿入操作が行なわれる。このため、挿入する対象の管空が硬くて曲がりくねっている場合は、必要以上の力で挿入操作を行なうと、円筒チューブの先端が磨耗・破損する可能性がある。また、挿入する対象の管空が柔らかい場合は、必要以上の力で挿入操作を行なうと、管空にダメージを与える可能性がある。このようなことを回避するために、円筒チューブの挿入操作を行なう際に、円筒チューブに加わる外力を操作支援情報として知ることが望ましい。

上述の特許文献１においては、オペレータは円筒チューブの操作支援情報として、チューブの形状を知ることはできるが、チューブに加わる外力などの情報を知ることができない。これに対して、上述の特許文献２においては、チューブ加わる特定方向からの外力は検出することは可能であるが、チューブに対して様々な方向から外力が加わることを想定すれば、非常に多くの歪ゲージを貼り付ける必要があり、円筒チューブの外形が大きくなったり、多数の配線やセンサを取り付けることにより可撓性に支障が出たり、あるいは、膨大なセンサ用の配線が必要されるなどの問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、可撓部を有する管状挿入部を管空に挿入するときに、管状挿入部の大きさや硬さに殆ど影響を与えることなく、あらゆる方向からの外力を操作支援情報として取得することが可能な管状挿入装置を提供することを目的とする。

本発明の管状挿入装置の一態様は、
所定部分に可撓部を有する管状挿入部と、
前記可撓部に分布して配置された複数の湾曲センサと、
前記複数の湾曲センサの検出情報の組み合わせ演算により、少なくとも前記管状挿入部に加わる外力に関する外力情報を含む操作支援情報を抽出する操作支援情報演算手段と、
オペレータが前記管状挿入部の湾曲状態を操作する湾曲操作手段と、
前記湾曲操作手段の操作量を検出する湾曲操作検出センサと、
を具備し、
前記操作支援情報演算手段は、前記操作支援情報として、前記外力情報に加えて、前記湾曲操作検出センサの検出情報と前記複数の湾曲センサの検出情報とを組み合わせて演算することにより、少なくとも前記管状挿入部に加わる外力に関する第２の外力情報を抽出する
ことを特徴とする。

本発明によれば、可撓部を有する管状挿入部を管空に挿入するときに、管状挿入部の大きさや硬さに殆ど影響を与えることなく、あらゆる方向からの外力を操作支援情報として取得することが可能な管状挿入装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る管状挿入装置における外力検出の原理を説明するための図である。 図２は、第１実施形態に係る管状挿入装置における操作支援情報演算部の構成を示す図である。 図３は、操作支援情報演算部の前処理動作の動作手順を説明するためのフローチャートを示す図である。 図４は、操作支援情報演算部の通常動作の動作手順を説明するためのフローチャートを示す図である。 図５は、外力の推定方法の他の例を説明するための図である。 図６は、湾曲検出部を有する湾曲センサの構成例を示す図である。 図７は、本発明の第２実施形態に係る管状挿入装置における外力検出の原理を説明するための図である。 図８は、第２実施形態に係る管状挿入装置における操作支援情報演算部の構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態に係る管状挿入装置における外力検出の原理を、図１（ａ）乃至図１（ｈ）を参照して説明する。

ここでは、管状挿入部１が、例えば内視鏡のように、長手方向に対して順に、先端から先端硬質部２、可撓性を有する湾曲部３、準硬質部４により構成される場合について説明する。管状挿入部１は、オペレータにより、図示してない管空に挿入される。可撓性を有る可撓部である湾曲部３には、湾曲検出手段５としての複数の湾曲センサの湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４が長手方向に所定の間隔で分布して配置されている。または、湾曲検出手段５として、湾曲部３の可撓部全体の湾曲状態を検出する形状センサが配置されていても良い。

図１（ａ）は、管状挿入部１に外力が印加されてなく、また、湾曲部３が真っ直ぐな場合を示している。この図１（ａ）に示す状態を初期状態として、図１（ｂ）は、図の斜め左上から管状挿入部１の先端に外力が印加した状態、図１（ｃ）は、図の左正面から管状挿入部１の先端に外力が印加した状態、図１（ｄ）は、図の斜め左下から管状挿入部１先端に外力が印加した状態、における管状挿入部１の各々の様子を示している。

一般的に、湾曲の分布状態は、湾曲部３の可撓性の分布と外力によって様々に変化するが、湾曲部３の可撓性の分布が分かっていれば、１）外力の大きさと２）外力の向き、および外力がないときの湾曲形状で決まる。ここでは、簡単のために、湾曲部３の可撓性の分布が均一な場合について議論する。この前提では、図１（ｂ）の場合は、先端部に近い湾曲検出部５−１の湾曲量（角度で考えても、曲率で考えても良い）が大きくなる。図１（ｃ）の場合は、湾曲部３の中央付近の湾曲検出部５−２，５−３の湾曲量が大きくなり、湾曲部３は尺取虫状の形状になる。なお、複数の湾曲センサの代わりに形状センサを配置する場合でも、中央付近の湾曲量が大きくなり、尺取虫状の形状になるのは同じである。図１（ｄ）の場合では、湾曲部３の中央付近の湾曲検出部５−１の湾曲量が図１（ｂ）の場合と反対方向に大きくなる。

同様に、管状挿入部１に外力が印加されない状態で、湾曲部３が最初から曲がっている場合を図１（ｅ）に、この状態で更に外力が印加された状態を図１（ｆ）乃至図１（ｈ）に、それぞれ示す。詳細は省略するが、前述の場合と同様に外力の大きさと方向に依存して湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４に特有の湾曲差が生じる。なお、形状センサを使用する場合も、長手方向に対して特有の湾曲差が生じることは同じである。

従って、外力が加わってない時と比較して、複数の湾曲センサの湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４の曲率の分布（向きも含む）を検出すれば、管状挿入部１の先端に加わる外力の大きさと向きを検出することができる（なお、外力が印加されるのは管状挿入部１の先端に限定したものではない）。なお、形状センサを使用する場合も、外力が加わっている時とない時の形状差により、外力の向きと大きさを検出できることは同じである。

次に、具体的に外力を検出する信号処理アルゴリズムの一例を説明する（なお、本発明は、以下のアルゴリズムの例に限定されるものではない）。

本実施形態に係る管状挿入装置は、図２に示すような構成の操作支援情報演算部１００を備えている。該操作支援情報演算部１００は、各部湾曲演算部１０１、トータル湾曲演算部１０２、外力無印加時湾曲データ格納部１０３、湾曲参照テーブル生成部１０４、外力印加時差分湾曲データ格納部１０５、差分参照テーブル生成部１０６、差分湾曲データ演算部１０７、外力演算部１０８、および形状演算部１０９でなる複合湾曲情報演算部１１０を有している。

各部湾曲演算部１０１の入力は、各湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４を備える各湾曲センサに接続され、出力はトータル湾曲演算部１０２、外力無印加時湾曲データ格納部１０３、差分湾曲データ演算部１０７、および形状演算部１０９に接続されている。トータル湾曲演算部１０２の出力は、外力無印加時湾曲データ格納部１０３、湾曲参照テーブル生成部１０４、外力印加時差分湾曲データ格納部１０５、および差分参照テーブル生成部１０６に接続されている。外力無印加時湾曲データ格納部１０３の出力は、湾曲参照テーブル生成部１０４および外力印加時差分湾曲データ格納部１０５に接続されている。湾曲参照テーブル生成部１０４の出力は、差分湾曲データ演算部１０７に接続されている。外力印加時差分湾曲データ格納部１０５の出力は、差分参照テーブル生成部１０６に接続されている。差分参照テーブル生成部１０６の出力は、外力演算部１０８に説座くされている。外力演算部１０８の出力は、外部情報として、操作支援情報演算部１００の外部に出力される。形状演算部１０９の出力は、形状情報として、操作支援情報演算部１００の外部に出力される。

以下、各部の動作を、図３および図４に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、外力無印加時湾曲データ格納部１０３および外力印加時差分湾曲データ格納部１０５にデータを格納する前処理動作について説明する。

即ち、前処理動作においては、図３（ａ）に示すように、まず、外力のない状態で（手法は限定しない）管状挿入部１のトータル湾曲角毎に、各湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４における曲率を求めて、外力無印加時湾曲データ格納部１０３に記憶させる外力無印加時湾曲データ格納処理を実施する（ステップＳ１１）。そしてその後、想定されるあらゆる方向から管状挿入部１の先端（ここに限定されない）に所定の外力Ｆｏを加えて、各湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４における曲率を測定し、さらに、外力無印時の曲率データとの差分をとって、外力印加時差分湾曲データ格納部１０５に記録する外力印加時差分湾曲データ格納処理を実施する（ステップＳ１２）。

上記ステップＳ１１で実施される外力無印加時湾曲データ格納処理は、図３（ｂ）に示すように、まず、外力のない状態で、各部湾曲演算部１０１により、各湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４を備える各湾曲センサから出力された検出信号から、各湾曲検出部の曲率Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を算出する各部湾曲演算を実施する（ステップＳ１１Ａ）。次に、トータル湾曲演算部１０２により、これら各部の曲率Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と各湾曲検出部の配置間隔とに基づいて、幾何学的に管状挿入部１のトータルの湾曲角Θ０（換算した曲率でも良い）を求めるトータル湾曲演算を実施する（ステップＳ１１Ｂ）。なお、このトータルの湾曲角Θ０は、図１（ｅ）中にΘ０として示すようなものである。そして、こうして求められたトータル湾曲角Θ０に対応させて、上記算出された湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４における曲率Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が曲率データＲｉｋ（ｉ：検出ポイント番号、ｋ：トータル湾曲の程度に対応する番号）として外力無印加時湾曲データ格納部１０３に記憶される（ステップＳ１１Ｃ）。その後、該外力無印加時湾曲データ格納処理の終了が判定され（ステップＳ１１Ｄ）、未だ終了しないのであれば上記ステップＳ１１Ａに戻って、次のトータル湾曲角に対する動作が繰り返される。

なお、このステップＳ１１Ｄの終了判定は、図示しない入力部によるオペレータの終了操作の有無により判定するものであっても良いし、予め規定されたデータ個数や角度についての動作が済んだか否かを判断することで自動的に判定するものであっても構わない。また、上記ステップＳ１１Ａの各部湾曲演算についても、図示しない入力部によるオペレータの演算開始操作に応じて実施するものであっても良いし、何らかの手法によって管状挿入部１のトータル湾曲角の変更を実施可能な予め規定された時間間隔毎に実施するものであっても構わない。

図２は、何らかの手法によって管状挿入部１の外力無印加時のトータル湾曲角Θ０を０度，１０度，２０度，・・・と設定し、トータル湾曲角Θ０毎に算出した湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４の曲率Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を曲率データＲｉｋとして記憶させた例を示している。即ち、トータル湾曲角Θ０が０度のとき、算出された曲率Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を曲率データＲ１０，Ｒ２０，Ｒ３０，Ｒ４０として記憶させ、トータル湾曲角Θ０が１０度のとき、算出された曲率Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を曲率データＲ１１，Ｒ２１，Ｒ３１，Ｒ４１として記憶させ、トータル湾曲角Θ０が２０度のとき、算出された曲率Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を曲率データＲ１２，Ｒ２２，Ｒ３２，Ｒ４２として記憶させている。

また、上記ステップＳ１２で実施される外力印加時差分湾曲データ格納処理は、図３（ｃ）に示すように、まず、管状挿入部１の先端（ここに限定されない）に所定の方向の外力Ｆｏを加えた状態で、各部湾曲演算部１０１により、各湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４を備える各湾曲センサから出力された検出信号から、各湾曲検出部の曲率Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を算出する各部湾曲演算を実施する（ステップＳ１２Ａ）。次に、トータル湾曲演算部１０２により、これら各部の曲率Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と各湾曲検出部の配置間隔とに基づいて、幾何学的に管状挿入部１のトータルの湾曲角Θ（換算した曲率でも良い）を求めるトータル湾曲演算を実施する（ステップＳ１２Ｂ）。なお、このトータルの湾曲角Θは、図１（ｆ）中にΘとして示すようなものである。そしてさらに、外力無印時の曲率データＲｉｋとの差分をとることで、差分湾曲データΔＲｉｊｋ（ｉ：検出ポイント番号、ｊ：外力方向番号、ｋ：トータル湾曲の程度に対応する番号）を演算する（ステップＳ１２Ｃ）。そして、この演算した差分湾曲データΔＲｉｊｋが、上記求められたトータル湾曲角Θに対応させて、外力印加時差分湾曲データ格納部１０５に記録される（ステップＳ１２Ｄ）。その後、該外力印加時差分湾曲データ格納処理の終了が判定され（ステップＳ１２Ｅ）、未だ終了しないのであれば上記ステップＳ１２Ａに戻って、次のトータル湾曲角、または、外力Ｆｏを加える方向に対する動作が繰り返される。

なお、このステップＳ１２Ｅの終了判定は、図示しない入力部によるオペレータの終了操作の有無により判定するものであっても良いし、予め規定されたデータ個数や角度、外力についての動作が済んだか否かを判断することで自動的に判定するものであっても構わない。また、上記ステップＳ１２Ａの各部湾曲演算についても、図示しない入力部によるオペレータの演算開始操作に応じて実施するものであっても良いし、何らかの手法によって管状挿入部１のトータル湾曲角、または、外力Ｆｏを加える方向の変更を実施可能な予め規定された時間間隔毎に実施するものであっても構わない。

図２は、管状挿入部１の外力無印加時のトータル湾曲角Θを０度，１０度，２０度，・・・と設定し、トータル湾曲角Θ毎に管状挿入部１の先端（ここに限定されない）に方向を変えた外力Ｆｏを印加した際の差分湾曲データΔＲｉｊｋを記憶させた例を示している。即ち、トータル湾曲角Θが０度のとき、方向１の外力Ｆｏを印加した際は差分湾曲データΔＲ１１０，ΔＲ２１０，ΔＲ３１０，ΔＲ４１０として、方向２の外力Ｆｏを印加した際は差分湾曲データΔＲ１２０，ΔＲ２２０，ΔＲ３２０，ΔＲ４２０として記憶させ、トータル湾曲角Θが１０度のとき、方向１の外力Ｆｏを印加した際は差分湾曲データΔＲ１１１，ΔＲ２１１，ΔＲ３１１，ΔＲ４１１として、方向２の外力Ｆｏを印加した際は差分湾曲データΔＲ１２１，ΔＲ２２１，ΔＲ３２１，ΔＲ４２１として記憶させ、トータル湾曲角Θが２０度のとき、方向１の外力Ｆｏを印加した際は差分湾曲データΔＲ１１２，ΔＲ２１２，ΔＲ３１２，ΔＲ４１２として、方向２の外力Ｆｏを印加した際は差分湾曲データΔＲ１２２，ΔＲ２２２，ΔＲ３２２，ΔＲ４２２として記憶させている。

なお、ここでは、説明の簡単化のために、トータル湾曲角毎に、また、外力Ｆｏを加える方向毎に、差分湾曲データΔＲｉｊｋを求めて記憶させておくものとしたが、実際には、外力の大きさ毎に、あるいは外力Ｆｏの方向及び大きさの組み合わせ毎に、差分湾曲データΔＲｉｊｋを求めて記憶させることが望ましい。

以上説明したような前処理動作は、少なくとも、ユーザが当該管状挿入装置を実際に使用開始する前の段階、例えば工場での製造時或いは出荷前の検査時等に実施して、外力無印加時湾曲データ格納部１０３および外力印加時差分湾曲データ格納部１０５にデータを格納しておくこと望ましい。ただし、当該管状挿入装置の使用による各部の変質があるので、それらのデータは、或るタイミングで更新することが必要となる。そのようなタイミングとしては、例えば、当該管状挿入装置の電源オン毎や、所定回数の電源オン毎、所定の定期メンテナンス時、等が考えられる。

次に、ユーザによる当該管状挿入装置の使用時の通常動作について説明する。今、ユーザであるオペレータが管状挿入部１を操作して、管空に挿入することを想定する。

図４に示すように、まず、前述した前処理動作を実施する必要の有無が確認される（ステップＳ１１１）。これは、例えば、外力無印加時湾曲データ格納部１０３および外力印加時差分湾曲データ格納部１０５にデータが格納されているか否か、格納されていたとしても前述の或るタイミングとなったか否か、により判別されるものである。また、この確認の結果は、オペレータが図示しない入力部によって入力するものであっても良いし、操作支援情報演算部１００内の各部の動作制御を実施する図示しない制御部等によって自動的に取得されるものであっても構わない。前処理動作を実施する必要が有れば、前述したような前処理動作を実施する（ステップＳ１１２）。

前処理動作を実施する必要が無ければ、あるいは、前処理動作を実施した後、各部湾曲演算部１０１により、各湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４を備える各湾曲センサから出力された検出信号から、各湾曲検出部の曲率Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を算出する各部湾曲演算を実施する（ステップＳ１１３）。次に、トータル湾曲演算部１０２により、これら各部の曲率Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と各湾曲検出部の配置間隔とに基づいて、幾何学的に管状挿入部１の現在のトータルの湾曲角Θを求めるトータル湾曲演算を実施する（ステップＳ１１４）。そして、湾曲参照テーブル生成部１０４により、こうして求められたトータル湾曲角Θに基づいて外力無印加時の湾曲参照データＲｉｒｅｆの生成が行われる（ステップＳ１１５）。即ち、湾曲参照テーブル生成部１０４は、トータル湾曲演算部１０２で求めた現在のトータル湾曲角Θを元にして、その現在のトータル湾曲角Θに最も近い外力無印加時のトータル湾曲角Θ０に対応する曲率データＲｉｋを外力無印加時湾曲データ格納部１０３より引用する。そしてさらに、望ましくは、その引用した曲率データＲｉｋを現在のトータル湾曲角Θに対して補間することで、現在のトータル湾曲角Θに対応する各湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４の参照湾曲データＲ１ｒｅｆ，Ｒ２ｒｅｆ，Ｒ３ｒｅｆ，Ｒ４ｒｅｆを算出する。

その後、差分湾曲データ演算部１０７により、差分湾曲データΔＲｉを求める差分湾曲データ演算を実施する（ステップＳ１１６）。即ち、差分湾曲データ演算部１０７は、上記各部湾曲演算部１０１で求めた各湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４の曲率Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と、上記湾曲参照テーブル生成部１０４によって生成した各湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４の外力無印加時の湾曲参照データＲ１ｒｅｆ，Ｒ２ｒｅｆ，Ｒ３ｒｅｆ，Ｒ４ｒｅｆとを使って、以下の差分演算を行うことで、差分湾曲データΔＲ１，ΔＲ２，ΔＲ３，ΔＲ４を求める。
ΔＲ１＝Ｒ１−Ｒ１ｒｅｆ，
ΔＲ２＝Ｒ２−Ｒ２ｒｅｆ，
ΔＲ３＝Ｒ３−Ｒ３ｒｅｆ，
ΔＲ４＝Ｒ４−Ｒ４ｒｅｆ。

また、差分参照テーブル生成部１０６により、参照差分データΔＲｉｊΘの生成が行われる（ステップＳ１１７）。即ち、差分参照テーブル生成部１０６は、トータル湾曲演算部１０２で求めた現在のトータル湾曲角Θを元にして、その現在のトータル湾曲角Θに最も近い外力印加時のトータル湾曲角Θに対応する差分湾曲データΔＲｉｊｋを外力印加時差分湾曲データ格納部１０５より引用する。そしてさらに、望ましくは、その引用した差分湾曲データΔＲｉｊｋを現在のトータル湾曲角Θに対して補間することで、現在のトータル湾曲角Θに対応する参照差分データΔＲ１ｊΘ、ΔＲ２ｊΘ、ΔＲ３ｊΘ、ΔＲ４ｊΘを算出する。

そして、外力演算部１０８により、図１を参照して説明した原理を使って、現在の外力Ｆの向きと大きさを演算する（ステップＳ１１８，ステップＳ１１９）。

即ち、外力演算部１０８は、例えば、上述の差分参照テーブル生成部１０６で算出した差分値の組（参照差分データΔＲ１ｊΘ、ΔＲ２ｊΘ、ΔＲ３ｊΘ、ΔＲ４ｊΘ（ｊ＝１，２，３，・・・））のうち、差分湾曲データ演算部１０７により抽出した現在の湾曲分布の差分値の組（差分湾曲データΔＲ１、ΔＲ２、ΔＲ３、ΔＲ４）と比率が最も近い組を選び出す。これにより、この比率が最も近い組の“ｊ”が決定され、この“ｊ”に対応する外力の方向を現在の外力の方向として抽出する。更に望ましくは、上述の比率が最も近い組の代わりに、比率が近い組を複数抽出し、これに対応する外力の方向を補間することにより、現在の外力Ｆの方向を抽出する。

また、外力演算部１０８は、差分湾曲データ演算部１０７により抽出した現在の湾曲分布の差分値の組（差分湾曲データΔＲ１、ΔＲ２、ΔＲ３、ΔＲ４）と差分参照テーブル生成部１０６で与えられる差分値の組（参照差分データΔＲ１ｊΘ、ΔＲ２ｊΘ、ΔＲ３ｊΘ、ΔＲ４ｊΘ（この時点ではｊは確定している））との大きさの比率を、外力印加時差分湾曲データ格納部１０５にデータ格納した時に予め設定した外力Ｆｏに掛けることにより、外力Ｆの大きさを推定する。例えば、
Ｆ＝Ｆｏ×Ａｖｒ（ΔＲ１，ΔＲ２，ΔＲ３，ΔＲ４）／Ａｖｒ（ΔＲ１ｊΘ，ΔＲ２ｊΘ，ΔＲ３ｊΘ，ΔＲ４ｊΘ）
のように計算すれば良い。ここで、Ａｖｒ（引数１，引数２，・・・）は引数１，引数２，・・・の平均化演算を示し、単純平均や２乗平均、重み付け平均などが考えられる。このうち、どの平均演算を選ぶかは、検出する管状湾曲部３の構造や環境条件等により最も適切な演算方法を実験等で確認し、決定しておくことが望ましい。

さらに、形状演算部１０９において、各湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４の曲率Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を各湾曲検出部の配置間隔を考慮してつなぎ合わせることにより、管状挿入部１の全体の形状情報を算出する（ステップＳ１２０）。

以上のようにして、管状挿入部１に加わる外力Ｆに関する外力情報（向きと大きさ）および管状挿入部１の形状に関する形状情報を含む操作支援情報が得られる。

その後、該通常動作の終了が判定され（ステップＳ１２１）、未だ終了しないのであれば上記ステップＳ１１１に戻って、次の操作支援情報を求める動作が繰り返される。

なお、このステップＳ１２１の終了判定は、例えば、図示しない入力部によるオペレータの終了操作の有無により判定する。あるいは、特に該ステップＳ１２１の終了判定は行わずに、ステップＳ１２０からステップＳ１１１に戻るようにし、当該管状挿入装置の電源オフにより該通常動作を囚虜するようにしても構わない。

以上のように、本第１実施形態に係る管状挿入装置は、可撓部である湾曲部３を所定部分に有する管状挿入部１を管空に挿入するときに、操作支援情報演算手段としての操作支援情報演算部１００にて、湾曲部３に分布して配置された複数の湾曲センサの検出情報の組み合わせ演算により、あるいは、管状挿入部１に外力が印加されてない状態での湾曲部３に配置された形状センサの検出情報と、現状の形状センサの検出情報と、の組み合わせ演算により、少なくとも管状挿入部１に加わる外力に関する外力情報を含む操作支援情報を抽出するので、管状挿入部１の大きさや硬さに殆ど影響を与えることなく、あらゆる方向からの外力を操作支援情報として取得することができる。さらには、管状挿入部１の形状も操作支援情報として取得することができる。

なお、現在の外力Ｆの向きと大きさの推定方法としては、次のような手法を採ることも可能である。

図５（ａ）は、管状挿入部１の状態が図１（ａ）乃至図１（ｄ）に示す場合について、外力の向きと大きさが異なる時の各湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４における「１／曲率半径Ｒ」の分布例を示している。ここで、各湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４の曲率半径を、各々、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４とし、曲率半径は図１（ｂ）のように上に凸の場合を＋、下に凸の場合を−としている。また、Ｆ／／は、管状挿入部１の先端に対して、管状挿入部１の長さ方向に印加する力の大きさ（向かってくる方向を＋とする）を示し、Ｆ⊥は、管状挿入部１の先端に対して、長さ方向と垂直な向きに印加する力の大きさを示している（図の上から下に印加する方向を＋とする）。

簡単のため、外力無印加時のトータル湾曲角Θ０＝０、湾曲部３の弾性が均一、かつ等間隔に湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４が配置されている場合を考える。この場合、長さ方向と垂直な向きに印加する力Ｆ⊥をパラメータとして、各湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４における「１／曲率半径Ｒ」の分布例は、図５（ａ）に示すようになる。即ち、先端部に外力が加わる場合は、管状挿入部１に対して先端部ほど曲率（１／Ｒ）の絶対値が大きくなる。例えば、曲率分布の指標として（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ３＋Ｒ４）を取ると、図５（ｂ）のようになる。従って、（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ３＋Ｒ４）が分かれば、管状挿入部１の長さ方向と垂直な向きに印加する力成分であるＦ⊥を推定することができる。

一方、長さ方向に印加する力Ｆ／／をパラメータとして、各湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４における「１／曲率半径Ｒ」の分布例は、図５（ｃ）に示すようになる。即ち、先端部に外力が加わる場合は、管状挿入部１は中央部が撓む形状となる。よって、例えば、曲率分布の指標として（Ｒ２＋Ｒ３）／（Ｒ１＋Ｒ４）を取ると、図５（ｄ）のようになる。従って、（Ｒ２＋Ｒ３）／（Ｒ１＋Ｒ４）が分かれば、管状挿入部１の長さ方向に印加する力成分であるＦ／／を推定することができる。

以上をまとめると、外力無印加時のトータル湾曲角Θ０毎に、上記の指標（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ３＋Ｒ４）や（Ｒ２＋Ｒ３）／（Ｒ１＋Ｒ４）の値を外力がない時と、外力が加わった時について予め調べて、外力無印加時湾曲データ格納部１０３および外力印加時差分湾曲データ格納部１０５に格納しておくことにより、外力の成分Ｆ⊥、Ｆ／／を推定すること（即ち、外力の向きと大きさを推定すること）が可能となる。

なお、上記湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４を備える湾曲センサとしては、図６に示すような、光ファイバの曲げ損失を利用したファイバ湾曲センサ１２−１，１２−２，１２−３，１２−４を使用することができる。

即ち、各ファイバ湾曲センサ１２−１，１２−２，１２−３，１２−４においては、光ファイバ６の入力端が、分岐構造８で構成されている。この分岐の一端には、光源１０−１，１０−２，１０−３，１０−４から出射した光が、レンズ９を介して入射し、光ファイバ６を導光して、先端に配置されたミラー７により反射され、反射された光が再び光ファイバ６、分岐構造８、レンズ９を経て、光検出器１１−１，１１−２，１１−３，１１−４にて検出される。ここで、光ファイバ６の導光路の途中には、導光路の外周付近に湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４として機能する光損失部が形成されている。光ファイバ６が湾曲した時は、その程度に応じて、光損失部の光損失量が異なることを利用して湾曲量を検出することができる。

上述のファイバ湾曲センサは、湾曲検出部５−１〜５−４が、湾曲部３の長手方向にずらせて配置されている。これにより、複数の湾曲検出部５−１〜５−４の検出結果を使って、長手方向の湾曲分布を検出することができる。

また、湾曲部３の可撓性の大小に分布がある場合は、湾曲検出部５−１〜５−４の配置間隔や湾曲検出部５−１〜５−４の感度を最適に設定することが望ましい。また、本発明では、複数の湾曲センサ１２−１〜１２−４を配置する代わりに、湾曲検出部が連続に分布する構成も含むものとする。

本実施形態では、湾曲センサとして光の導光損失を利用した光ファイバセンサについて説明したが、湾曲検出部５−１〜５−４にファイバグレーティングを使った構成などの他の光ファイバセンサも活用できる。更に、図６では多点の湾曲を検出するために複数のファイバ形状センサを内蔵した構成を示したが、（ここでは具体的な構成原理は示さないが）これらの湾曲検出部５−１〜５−４が共通の光ファイバに集積されて、湾曲検出部毎に分離検出できる構成にしても良い。

また、湾曲センサは、光ファイバを使ったものに限定されない。例えば、歪センサを分布配置させたもの、加速度センサ、ジャイロセンサ、無線素子等を分布配置して、その位置を検出して湾曲量に変換できるものなども含まれる。

［第２実施形態］
以下に、本発明に係る第２実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、上記第１実施形態と共通する部分については、その説明を省略する。

本第２実施形態に係る管状挿入装置は、図７に示すように、管状挿入部１を湾曲操作ワイヤ２１，２２で湾曲できるように、湾曲操作部４０を有している。湾曲操作ワイヤ２１，２２は、湾曲操作ノブ２３，２４を回転させることにより、回転の巻き込み側に繋がる側のワイヤが引っ張られる。この湾曲操作ワイヤ２１，２２は、ガイドローラ３０を介して、管状挿入部１の先端硬質部２の留め金２９に連結されている。これにより、湾曲操作ノブ２３，２４を回転させることにより、管状挿入部１の湾曲量を操作することができる。このように、湾曲操作ワイヤ２１，２２は、オペレータが管状挿入部１の湾曲状態を操作する湾曲操作手段として機能する。なお、図７においては、湾曲方向として上下（ＵＤ）方向と、これと垂直な左右（ＬＲ）方向を各々操作する場合の構成を示しているが、煩雑となるため、ＬＲ方向のワイヤや検出センサは図示してない。

ここで、湾曲操作部４０には、湾曲操作ワイヤ２１，２２の動き即ち操作量を検出するために、ＵＤ方向とＬＲ方向の各々に対して、エンコーダヘッド２５，２６、および、これに対向するエンコーダスケール２７，２８でなる湾曲操作検出センサを有している。なお、エンコーダスケール２７，２８は、湾曲操作ワイヤ２１，２２に固定され、エンコーダヘッド２５，２６は、湾曲操作部４０の筐体に固定されている。これにより、湾曲操作ノブ２３，２４を回転させた時に、エンコーダヘッド２５，２６が湾曲操作ワイヤ２１，２２の動きを検出することにより、管状挿入部１の湾曲部３のトータル湾曲角を推定することができる。

次に、具体的に外力を検出する信号処理アルゴリズムの一例を説明する。なお、第１実施形態と共通する部分については、その説明を省略する。

図８に示すように、本実施形態における操作支援情報演算部１００は、上記第１実施形態における構成に加えて、操作量演算部１１１、トータル湾曲推定部１１２、および外力演算部１１３を備えている。

操作量演算部１１１の入力は、湾曲操作検出センサのエンコーダヘッド２５，２６に接続され、出力はトータル湾曲推定部１１２に接続され、また、形状操作情報として、操作支援情報演算部１００の外部に出力される。トータル湾曲推定部１１２の出力は、外力演算部１１３に接続されている。該外力演算部１１３にはさらに、上記トータル湾曲演算部１０２の出力も接続されている。外力演算部１１３の出力は、外力情報２として、操作支援情報演算部１００の外部に出力される。なお、外力演算部１０８の出力は、外力情報１として、操作支援情報演算部１００の外部に出力される。即ち、本第２実施形態における操作支援情報演算部１００は、複数の外力情報を出力する。

操作量演算部１１１は、エンコーダヘッド２５，２６の出力信号から、例えば、湾曲操作ワイヤ２１，２２の引っ張り量を検出することができ、これを管状挿入部１の形状操作に関する形状操作情報として出力する。

また、この値を用いて、予め実験式を作っておくことなどにより、トータル湾曲推定部１１２は、推定のトータル湾曲角Θ２を得ることができる。湾曲操作部４０で意図した湾曲角はトータル湾曲推定部１１２により推定トータル湾曲角Θ２で与えられるが、実際のトータル湾曲角は外力によりこの推定トータル湾曲角Θ２とは異なる角度になる。この差分を利用して、外力の方向と大きさを与えることができる。具体的には、トータル湾曲演算部１０２で算出される現在のトータル湾曲角Θと、トータル湾曲推定部１１２により得られる推定トータル湾曲角Θ２とを比較し、この比率を前述の外力印加時差分湾曲データ格納部１０５にデータ格納した時に予め設定した外力Ｆｏに掛けることにより、現在の外力Ｆを外力情報２として推定することができる。

以上のようにして、管状挿入部１に加わる外力Ｆに関する外力情報１および外力情報２（第２の外力情報）、管状挿入部１の形状に関する形状情報、および管状挿入部１の形状操作に関する形状操作情報を含む操作支援情報が得られる。

なお、上記外力情報１と外力情報２は、ケースによって使い分けることができる。例えば、外力情報１を得るには大きなデータベースや高機能の演算装置が必要であるが、湾曲操作部４０の情報が得られない場合に有効である。一方、外力情報２は大きなデータベースや高機能の演算装置が要らないので、コンパクトな装置に向いているが、湾曲操作部４０の情報を取得するための構成が必要である。これ以外にも、精度や検出速度等、多様な観点で外力情報１と外力情報２の使い分け、あるいは、併用が可能である。このように、本実施形態における操作支援情報演算部１００は、湾曲操作検出センサの検出情報と複数の湾曲センサの検出情報とを組み合わせて演算することにより、少なくとも管状挿入部１に加わる外力に関する複数の外力情報を含む操作支援情報を抽出し、これら複数の外力情報を選択または併用することが可能な操作支援情報演算手段として機能する。

以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。

例えば、上記実施形態では、４つの湾曲検出部５−１，５−２，５−３，５−４を配置した例で説明したが、４つに限定しないことは勿論である。

また、複数の湾曲検出部５−１〜５−４を、図１において湾曲部３の長手方向に上側一列に配置して、紙面方向の外力を検出したが、長手方向に横側一列に配置することで、紙面に垂直な方向の外力を検出することも可能であるし、さらには、上側、横側それぞれに配置することで、紙面方向と垂直方向の２次元で外力を検出するように構成することも可能である。

また、図４に示したステップＳ１１５，Ｓ１１６とステップＳ１１７とは順番を逆にしても良いし、並列に処理するものとしても良い。同様に、ステップＳ１１５〜Ｓ１１９とステップＳ１２０とは順番を逆にしても良いし、並列に処理するものとしても良い。

また、上記操作支援情報演算部１００の機能を実現するソフトウェアのプログラムをコンピュータに供給し、当該コンピュータがこのプログラムを実行することによって、上記機能を実現することも可能である。

１…管状挿入部、 ２…先端硬質部、 ３…湾曲部、 ４…準硬質部、 ５−１，５−２，５−３，５−４…湾曲検出部、 ６…光ファイバ、 ７…ミラー、 ８…分岐構造、 ９…レンズ、 １０−１，１０−２，１０−３，１０−４…光源、 １１−１，１１−２，１１−３，１１−４…光検出器、 １２−１，１２−２，１２−３，１２−４…ファイバ湾曲センサ、 ２１，２２…湾曲操作ワイヤ、 ２３，２４…湾曲操作ノブ、 ２５，２６…エンコーダヘッド、 ２７，２８…エンコーダスケール、 ２９…留め金、 ３０…ガイドローラ、 ４０…湾曲操作部、 １００…操作支援情報演算部、 １０１…各部湾曲演算部、 １０２…トータル湾曲演算部、 １０３…外力無印加時湾曲データ格納部、 １０４…湾曲参照テーブル生成部、 １０５…外力印加時差分湾曲データ格納部、 １０６…差分参照テーブル生成部、 １０７…差分湾曲データ演算部、 １０８…外力演算部、 １０９…形状演算部、 １１０…複合湾曲情報演算部、 １１１…操作量演算部、 １１２…トータル湾曲推定部、 １１３…外力演算部。

Claims (7)

1. 所定部分に可撓部を有する管状挿入部と、
   前記可撓部に分布して配置された複数の湾曲センサと、
   前記複数の湾曲センサの検出情報の組み合わせ演算により、少なくとも前記管状挿入部に加わる外力に関する外力情報を含む操作支援情報を抽出する操作支援情報演算手段と、
   オペレータが前記管状挿入部の湾曲状態を操作する湾曲操作手段と、
   前記湾曲操作手段の操作量を検出する湾曲操作検出センサと、
   を具備し、
   前記操作支援情報演算手段は、前記操作支援情報として、前記外力情報に加えて、前記湾曲操作検出センサの検出情報と前記複数の湾曲センサの検出情報とを組み合わせて演算することにより、少なくとも前記管状挿入部に加わる外力に関する第２の外力情報を抽出する
   ことを特徴とする管状挿入装置。
2. 前記操作支援情報演算手段は、前記管状挿入部に外力が印加されてない状態と外力が印加されている状態における前記複数の湾曲センサの検出情報の差異に基づく検出情報により、前記外力情報として外力の大きさおよび／または方向を抽出する演算を行なうことを特徴とする請求項１に記載の管状挿入装置。
3. 前記操作支援情報演算手段は、前記管状挿入部に外力が印加されてない状態の前記複数の湾曲センサの検出情報を外力無印加時湾曲検出情報として記憶し、かつ該記憶した外力無印加時湾曲検出情報を参照して前記管状挿入部に印加する外力を推定する機能を有することを特徴とする請求項２に記載の管状挿入装置。
4. 前記操作支援情報演算手段は、前記管状挿入部に外力が印加されてない状態の前記複数の湾曲センサの検出情報と、前記管状挿入部に所定の方向と大きさの外力が印加されている状態の前記複数の湾曲センサの検出情報とを、湾曲検出情報として記憶し、かつ該記憶した湾曲検出情報を参照して前記管状挿入部に印加する外力を推定する機能を有することを特徴とする請求項２に記載の管状挿入装置。
5. 前記管状挿入部の前記可撓部は、挿入方向に沿って可撓性の異なる部位を有し、
   前記複数の湾曲センサは、可撓性の高い部位には、可撓性の低い部位より密に配置されている、あるいは、湾曲センサの湾曲検出部が連続して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の管状挿入装置。
6. 前記操作支援情報演算手段は、前記操作支援情報として、前記外力情報及び前記第２の外力情報に加えて、前記複数の湾曲センサの検出情報の組合せ演算により前記管状挿入部の形状に関する形状情報を演算することを特徴とする請求項１に記載の管状挿入装置。
7. 前記操作支援情報演算手段は、前記操作支援情報として、前記外力情報、前記第２の外力情報および前記形状情報に加えて、前記湾曲操作検出センサの検出情報に基づく演算により前記管状挿入部の形状操作に関する形状操作情報を演算することを特徴とする請求項６に記載の管状挿入装置。

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