JP6076492B2

JP6076492B2 - 立体視内視鏡

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Publication number: JP6076492B2
Application number: JP2015541414A
Authority: JP
Inventors: 池田　浩; 浩池田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: EP2938243A1; JP2015535439A; CN104822306B; US20150250380A1; CN104822306A; WO2014104405A1; EP2938243A4

Description

本発明は、立体視内視鏡に関するものである。

従来、物体側から順に配列された、一対の負レンズ群と、一対の第１の正レンズ群と、明るさ絞りと、第２の正レンズ群と、単一の撮像素子とを備え、第２の正レンズ群の光軸が、明るさ絞りより物体側のレンズ群の光軸に対して偏心している内視鏡撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この内視鏡撮像装置においては、一対のレンズ群、撮像素子および撮像素子の直後に配置され、撮像素子で取得された画像を電気信号として画像処理装置に伝送する駆動回路が内視鏡挿入部の先端に配置されており、これら一対のレンズ群、撮像素子および駆動回路は一体的に動作するようになっている。

特開２００１−１４７３８２号公報

しかしながら、上記一対のレンズ群、撮像素子および駆動回路は、内視鏡挿入部の先端の比較的長い長さ寸法にわたって配置されるため、これらを内視鏡挿入部の先端の方向を変更するための湾曲部よりも前方に配置すると、回転半径が大きくなってしまい、トロッカを介した体内への挿入時、あるいは狭い体内での作動時等に、周囲の臓器等と干渉して操作性が悪い。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、回転半径を最小限に抑制して、周囲の臓器等との干渉を低減し、操作性を向上することができる立体視内視鏡を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、長尺の基端部と、該基端部の先端にその長手軸に直交する軸線回りに搖動可能に設けられた先端部とを有する挿入部と、前記先端部に収容されると共にそれぞれ該先端部の先端面に少なくとも１つのレンズを有し、物体からの光を集光する略平行な光軸を有する一対のレンズ群と、前記先端部に収容され、各該レンズ群により集光された光を逆方向に９０°偏向させる一対の第１のプリズムと、前記先端部以外の前記挿入部内に収容され、各該第１のプリズムにより偏向された光をさらに９０°偏向させて略平行にする一対の第２のプリズムとを備え、視差を有する２つの像を結像させる光学系と、前記先端部を前記基端部に対して前記光軸に直交する軸線回りに回転させることにより、該光学系の一対の前記レンズ群と一対の前記第１のプリズムとを一体的に、一対の前記第２のプリズムに対して前記光軸に直交する軸線回りに回転させる先端側回転機構と、前記光学系により結像された視差を有する２つの像を同一の撮像面において撮影する撮像素子と、該撮像素子により取得された画像を処理して、前記撮像素子により取得された２つの像を、一対の前記レンズ群の前記光軸を含む平面と前記撮像面に垂直な軸線とのなす角度だけ互いに逆方向に回転させる画像処理部とを備える立体視内視鏡を提供する。

本態様によれば、物体からの光が一対のレンズ群により集光され、各レンズ群により集光された光が一対の第１のプリズムによって９０°偏向された後、一対の第２のプリズムによってさらに９０°偏向され、視差を有する２つの像が撮像素子の同一の撮像面に結像されることにより、撮影される。また、先端側回転機構を作動させると、一対のレンズ群および一対の第１のプリズムが、一対の第２のプリズムに対して一体的に回転させられることにより、一対のレンズ群の光軸方向を変化させて、物体を異なる角度から観察することが可能となる。

この場合に、先端側回転機構によってレンズ群および第１のプリズムを回転させると、その回転角度に応じて撮像素子の撮像面に結像される像の角度が変化する。一対の第１のプリズムは各レンズ群によって集光された光を逆方向に偏向するので、撮像面上の２つの像の角度は逆方向に回転する。したがって画像処理部により一対のレンズ群の光軸を含む平面と撮像面に垂直な軸線とのなす角度だけ互いに逆方向に回転させることにより、２つの像の角度を一致させ、容易に立体視することが可能となる。
また、挿入部が、長尺の基端部と、基端部の先端にその長手軸に直交する軸線回りに搖動可能に設けられた先端部とを有し、また、先端部に収容されると共にそれぞれ先端部の先端面に少なくとも１つのレンズを有し、物体からの光を集光する略平行な光軸を有する一対のレンズ群と、先端部に収容され、各該レンズ群により集光された光を逆方向に９０°偏向させる一対の第１のプリズムと、先端部以外の前記挿入部内に収容され、各該第１のプリズムにより偏向された光をさらに９０°偏向させて略平行にする一対の第２のプリズムとを備えている。このように、観察方向を変える際に、挿入部全体の方向を変えるのではなく、挿入部の先端部だけ方向を変えるようにしているので、回転半径を最小に抑制できる。

上記態様においては、前記挿入部が、前記基端部と前記先端部との間に配置され前記第２のプリズムおよび前記撮像素子を含む中間部を有し、前記基端部に対して前記中間部を前記先端側回転機構の軸線と略平行な軸線回りに回転させる基端側回転機構と、該基端側回転機構による前記基端部に対する前記中間部の回転角度と、前記先端側回転機構による前記基端部に対する前記先端部の回転角度との比が一定となるように前記基端側回転機構と前記先端側回転機構とを連動させる連動機構とを備えていてもよい。

このようにすることで、基端側回転機構を作動させて基端部に対して中間部を回転させると、連動機構の作動によって、先端側回転機構がその逆方向に回転させられて、全体として略Ｓ字状に湾曲させられる。このとき、基端部に対する中間部の回転角度と、基端部に対する先端部の回転角度との比が略一定となるように連動させられるので、中間部の回転角度が大きくなれば、先端部の回転角度も大きくなり、同一の物体を様々な角度から容易に観察することができる。

また、上記態様においては、前記連動機構によって前記先端側回転機構および前記基端側回転機構が連動させられたときに、一対の前記レンズ群から物体までの距離が変化しないように前記中間部および前記先端部を前記基端部の長手方向に移動させる移動機構を備えていてもよい。

このようにすることで、中間部の回転角度を変化させても、移動機構を作動させて基端部の長手方向に中間部および先端部を移動させることにより、先端部のレンズ群から物体までの距離が変化しないようにすることができ、同一の物体を様々な角度から鮮明に観察することができる。

本発明によれば、回転半径を最小限に抑制して、周囲の臓器等との干渉を低減し、操作性を向上することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る立体視内視鏡を示す全体構成図である。図１の立体視内視鏡の光学系および撮像素子の配置を示す図である。図１の立体視内視鏡の先端部が揺動していない状態での（ａ）光学系の配置、（ｂ）画像例をそれぞれ示す図である。図１の立体視内視鏡の先端部が３０°揺動した状態での（ａ）光学系の配置、（ｂ）画像例をそれぞれ示す図である。図１の立体視内視鏡の先端部が９０°揺動した状態での（ａ）光学系の配置、（ｂ）画像例をそれぞれ示す図である。図１の立体視内視鏡の変形例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る立体視内視鏡を示す全体構成図である。図７の立体視内視鏡の（ａ）先端部および中間部が真っ直ぐに延びた状態、（ｂ）先端部および中間部が相互に逆方向に連動して揺動した状態をそれぞれ示す図である。図７の立体視内視鏡の連動機構の変形例であって（ａ）先端部および中間部が真っ直ぐに延びた状態、（ｂ）先端部および中間部が相互に逆方向に連動して揺動した状態、（ｃ）先端部のみを独立して揺動させた状態をそれぞれ示す図である。図７の立体視内視鏡の移動機構を有する変形例であって、（ａ）先端部および中間部が真っ直ぐに延びた状態、（ｂ）先端部および中間部が相互に逆方向に連動して揺動し、移動機構により前進した状態、（ｃ）先端部および中間部がさらに相互に逆方向に連動して揺動し、移動機構によりさらに前進した状態をそれぞれ示す図である。（ａ）図１０（ａ）の場合の画像例、（ｂ）図１０（ｃ）の場合の画像例をそれぞれ示す図である。

本発明の第１の実施形態に係る立体視内視鏡１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る立体視内視鏡１は、図１に示されるように、内視鏡本体２と、該内視鏡本体２に接続する制御部３と、内視鏡本体２により取得された画像を表示するモニタ４とを備えている。

内視鏡本体２は、長尺の挿入部５と、該挿入部５の基端側に配置される操作部６とを備えている。
挿入部５は、長尺の基端部７と、該基端部７の先端に、長手軸に直交する軸線回りに揺動可能に設けられた先端部８を備えている。先端部８および基端部７の内部には、図２に示されるように、一対の光学系９，１０が配置され、また、該光学系９，１０によって集光された光を撮影するＣＣＤのような撮像素子１１と、該撮像素子１１を制御する制御回路１２とが設けられている。

一対の光学系９，１０は、先端部７に配置された一対のレンズ群１３，１４および一対の第１のプリズム１５，１６と、基端部７に配置された一対の第２のプリズム１７，１８および一対の集光レンズ１９，２０とを備えている。
先端部８は、筒状の基端部７の先端に揺動可能に取り付けられたケーシング７ａを備え、一対のレンズ群１３，１４および一対の第１のプリズム１５，１６がケーシング７ａ内に収容されている。

一対のレンズ群１３，１４は、略平行な光軸を有し、物体からの光を集光するようになっている。
一対の第１のプリズム１５，１６は、それぞれがレンズ群１３，１４の基端側に配置され、レンズ群１３，１４によって集光された光束を９０°偏向して、ケーシング７ａの揺動軸２１の中心軸線２１ａに沿って、半径方向内方に指向させるようになっている。
また、先端部８は、モータ（先端側回転機構）２２によって基端部７に対して上述した揺動軸線回りに揺動駆動されるようになっている。

基端部７に配置された一対の第２のプリズム１７，１８は、一対の第１のプリズム１５，１６にそれぞれ対向する位置に、ケーシング７の揺動軸２１の中心軸線２１ａに沿う方向に並んで配置され、第１のプリズム１５，１６によって偏向された光束を、さらに９０°偏向させて基端部７の長手方向に沿ってその基端に向かう方向に指向させるようになっている。
一対の集光レンズ１９，２０は、一対の第２のプリズム１７，１８によって偏向された光をそれぞれ集光して、撮像素子１１の撮像面１１ａに結像させるようになっている。

撮像素子１１は、一対の集光レンズ１９，２０によって結像された物体の２つの像を並んで同時に結像させる撮像面１１ａを有している。
撮像素子１１により取得された信号は、制御回路１２において画像情報に変換されて制御部３に伝送されるようになっている。

制御部３は、モータ２２を制御して、基端部７に対する先端部８の揺動角度を設定するようになっている。
また、制御部３は、制御回路１２から送られてきた画像情報を処理して物体の２つの像の画像を生成するとともに、生成された２つの画像を揺動角度に基づいて処理して、立体像として認識可能な画像を生成し、モニタ４に送るようになっている。

ここで、先端部８の揺動角度と撮像素子１１により取得される画像との関係について説明する。
図３（ａ）に示されるように、一対のレンズ群１３，１４の光軸を含む平面が撮像面１１ａの垂線と平行な状態では、撮像素子１１により取得される画像上の２つの像は、図３（ｂ）に示されるように、同一の方向に揃っている。したがって、これら２つの像を分離して生成される２つの画像は、そのままの角度で左右の眼で別個に見ることで、脳内で物体の立体像を合成可能に配置されている。

これに対して、図４（ａ）および図５（ａ）に示されるように、制御部３が基端部７に対して先端部８を揺動させて、一対のレンズ群１３，１４の光軸を含む平面と撮像面１１ａの垂線とがなす角が変化すると、撮像素子１１により取得される画像上の２つの像は、図４（ｂ）および図５（ｂ）に示されるように、先端部８の揺動角度（３０°，９０°）と等しい角度だけ互いに逆方向に回転する。これらの像は分離して２つの画像を生成しても、そのままでは立体像として認識できない画像となる。

そこで、制御部８においては、生成された２つの画像を先端部８の揺動角度に基づいて、揺動によって回転する方向とは逆方向に２つの像を図３（ｂ）と同様の位置まで戻すように回転させる画像処理を行うようになっている。

このように構成された本実施形態に係る立体視内視鏡１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る立体視内視鏡１によれば、挿入部５を患者の体内に挿入し、撮像素子１１を作動させると、一対の光学系９，１０によって取得された２つの像が撮像素子１１の撮像面１１ａに同時に結像される。２つのレンズ群１３，１４は平行に、かつ、間隔をあけて配置されているので、取得される像は視差を有しており、左右別個の眼で見ることによって、脳内で物体の立体像を合成することができる。

そして、観察方向を変更したいときには、制御部３がモータ２２を作動させて基端部７に対して先端部８を揺動させることにより、レンズ群１３，１４の光軸を揺動させる。
この場合において、本実施形態に係る立体視内視鏡１によれば、光学系、撮像素子および制御回路を一体として収容した先端部を揺動させる従来の立体視内視鏡と比較して、光学系９，１０の一部のみを先端部７内に収容しているので、先端部７の長さを短くして回転半径を短縮し、狭い体内空間において他の組織等の干渉を低減して観察方向を容易に変更することができるという利点がある。

さらに、本実施形態に係る立体視内視鏡１によれば、２つのプリズム１５，１７（１６，１８）によって、光束を途中でクランク状に折り曲げるとともに、先端部８が揺動することによって、２つのプリズム１５，１７（１６，１８）の相対的な角度が変化するため、撮像面１１ａに結像される２つの像は、それぞれ先端部８の揺動角度と等しい角度だけ、逆方向に回転している。本実施形態に係る立体視内視鏡１によれば、このように回転して取得された２つの像を有する画像が制御部３において画像処理されることにより、２つの像の方向が一致するように補正されるので、生成された視差を有する２つの画像によって、物体の立体像を認識することができる。

なお、本実施形態においては、基端部７に対して先端部８を揺動させる先端側回転機構としてモータ２２を例示したが、これに代えて、ワイヤやリンク等他の任意の回転機構を採用してもよい。
また、図６に示されるように、照明光をライトガイドで先端部８の先端から射出させる場合に、先端部８の揺動軸線２１ａと共通の揺動軸線２１ａ回りに相対回転可能なプリズム対２３，２４を配置し、基端部７のライトガイド２５ａ，２６ａから先端部８のライトガイド２５ｂ，２６ｂへ導光して、常に撮影領域を同じ光量で照明することにしてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る立体視内視鏡３０について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る立体視内視鏡３０の説明において、上述した第１の実施形態に係る立体視内視鏡１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る立体視内視鏡３０は、図７に示されるように、基端部７と先端部８との間に中間部３１を有し、基端部７に対して中間部３１を揺動させる基端側回転機構３２を備えている点において第１の実施形態に係る立体視内視鏡１と相違している。基端側回転機構３２も、例えばモータである。

また、本実施形態に係る立体視内視鏡３０は、制御部３がモータ（先端側回転機構）２２とモータ（基端側回転機構）３２とを連動させる連動機構を構成している。すなわち、制御部３は、図８（ｂ）に示されるように、先端部８の一対のレンズ群１３，１４の光軸を含む平面が基端部７の長手軸となす角度θ１と、中間部３１の長手軸が基端部７の長手軸となす角度θ２とが常に一定の比率で変化するように、２つのモータ２２，３２を連動させるようになっている。
図８（ａ）、（ｂ）に示す例では、２つのモータ２２，３２は互いに逆方向に回転させられるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る立体視内視鏡３０の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る立体視内視鏡３０を用いて体内の患部を観察するには、制御部３が２つのモータ２２，３２を連動させて回転させることにより、中間部３１に対する先端部８の揺動と、基端部７に対する中間部３１の揺動とを逆方向に行わせて、全体として挿入部５を略Ｓ字状に形成する。

このようにすることで、同じ患部Ａを、角度を変更して観察することができる。この場合に、本実施形態に係る立体視内視鏡３０によれば、先端部８の長さが短いので、角度を変更したときに基端部７の長手軸に交差する方向への突出量が少なくて済むという利点がある。したがって、体内の狭い空間においても患部Ａを様々な角度から容易に観察することができる。

また、例えば、基端部７から処置具を突出させて、患部Ａの処置をしている場合に、基端部７の姿勢を変更せずに、観察角度を変更可能であるため、処置具を動かすことなく異なる方向から患部Ａを観察して処置を正確に行うことができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、先端側回転機構および基端側回転機構としてそれぞれモータ２２，３２を採用し、制御部３によって連動機構を構成することとしたが、これに代えて、図９に示されるように、連動機構として平行４節リンク機構３３を用いて、先端部８の揺動と中間部３１の揺動とを連動させてもよい。

この平行４節リンク３３には、対向する２つのリンク３３ａ，３３ｂの略中央に揺動可能に連結されたレバー３４ａが設けられており、このレバー３４ａを１つのリンクとする４節スライダーリンク機構３４が設けられている。また、４節スライダーリンク機構３４の他のリンク３４ｂは平行４節リンク３３の１つのリンク３３ｂと直交する状態に固定されている。

図９（ａ）に示されるように、基端部７、中間部３１および先端部８が真っ直ぐに延びた状態から、スライダ３４ｃを先端方向にスライドさせると、図９（ｂ）に示されるように、４節スライダーリンク機構３４の１つのリンクを構成しているレバー３４ａが揺動させられて、基端部７に対して中間部３１が矢印Ｂの方向に揺動させられるとともに、中間部３１に対して先端部８が逆方向（矢印Ｃの方向）に揺動させられる。
これにより、中間部３１の揺動と先端部８の揺動とを連動させることができる。

なお、中間部３１を固定したままで先端部８を揺動させたい場合には、図９（ｃ）に示されるように、矢印Ｄで示される方向に４節スライダーリンク機構３４自体の角度を変化させることで、リンク３４ｂが接合した平行４節リンク機構３３のリンク３３ｂの角度を変化させ、これによって、矢印Ｃに示される方向に先端部８のみを独立して揺動させることにしてもよい。

また、図１０（ａ）〜（ｃ）に示されるように、２つの回転機構２２，３２によって挿入部５を略Ｓ字状に湾曲させる場合に、患部Ａからレンズ群１３，１４までの距離が変化することを防止するために、先端部８および中間部３１を基端部７の長手方向に移動させる移動機構３５を備えていてもよい。移動機構３５は、例えば、処置具３６を備えた筐体の処置具の上面に沿って、基端部７を長手方向にスライドさせる機構である。

このようにすることで、中間部３１を揺動させて、先端部８が患部Ａから離間する方向に移動しても、移動機構３５によって先端部８および中間部３１を患部Ａに近接する方向に直線移動させることにより、患部Aから先端部８までの距離が変化しないようにすることができる。その結果、図１１（ａ）、（ｂ）に示されるように、患部Ａの観察角度を変化させて、処置具３６が邪魔にならない角度から患部Ａを観察することができる。また、患部Ａの観察角度が変化しても、常にピントの合った画像を取得することができ、物体の鮮明な観察を行うことができるという利点がある。

Ａ患部（物体）
１，３０立体視内視鏡
３制御部（画像処理部：連動機構）
７基端部
８先端部
９，１０光学系
１１撮像素子
１１ａ撮像面
１３，１４レンズ群
１５，１６第１のプリズム
１７，１８第２のプリズム
２２モータ（先端側回転機構）
３１中間部
３２モータ（基端側回転機構）
３３平行４節リンク（連動機構）
３５移動機構

Claims

長尺の基端部と、該基端部の先端にその長手軸に直交する軸線回りに搖動可能に設けられた先端部とを有する挿入部と、
前記先端部に収容されると共にそれぞれ該先端部の先端面に少なくとも１つのレンズを有し、物体からの光を集光する略平行な光軸を有する一対のレンズ群と、前記先端部に収容され、各該レンズ群により集光された光を逆方向に９０°偏向させる一対の第１のプリズムと、前記先端部以外の前記挿入部内に収容され、各該第１のプリズムにより偏向された光をさらに９０°偏向させて略平行にする一対の第２のプリズムとを備え、視差を有する２つの像を結像させる光学系と、
前記先端部を前記基端部に対して前記光軸に直交する軸線回りに回転させることにより、該光学系の一対の前記レンズ群と一対の前記第１のプリズムとを一体的に、一対の前記第２のプリズムに対して前記光軸に直交する軸線回りに回転させる先端側回転機構と、
前記光学系により結像された視差を有する２つの像を同一の撮像面において撮影する撮像素子と、
該撮像素子により取得された画像を処理して、前記撮像素子により取得された２つの像を、一対の前記レンズ群の前記光軸を含む平面と前記撮像面に垂直な軸線とのなす角度だけ互いに逆方向に回転させる画像処理部とを備える立体視内視鏡。
前記挿入部が、前記基端部と前記先端部との間に配置され前記第２のプリズムおよび前記撮像素子を含む中間部を有し、
前記基端部に対して前記中間部を前記先端側回転機構の軸線と略平行な軸線回りに回転させる基端側回転機構と、
該基端側回転機構による前記基端部に対する前記中間部の回転角度と、前記先端側回転機構による前記基端部に対する前記先端部の回転角度との比が一定となるように前記基端側回転機構と前記先端側回転機構とを連動させる連動機構とを備える請求項１に記載の立体視内視鏡。
前記連動機構によって前記先端側回転機構および前記基端側回転機構が連動させられたときに、一対の前記レンズ群から物体までの距離が変化しないように前記中間部および前記先端部を前記基端部の長手方向に移動させる移動機構を備える請求項２に記載の立体視内視鏡。