JP6418578B2 - 立体視硬性内視鏡 - Google Patents

Description

手術や診断などに用いられる、視野方向（直視、斜視、側視）が可変な立体視硬性内視鏡に関する。

従来技術として、硬性内視鏡を用いた内視鏡手術が知られている。硬性内視鏡による内視鏡手術（胃カメラのようなやわらかい内視鏡ではなく金属製の硬い棒状の内視鏡を体内に挿入して手術を行う方法）は、狭い術野でも手術ができる利点があり、鼻孔や口など自然に開口している部位や小さな手術創からの手術治療が可能であり、低侵襲手術（Minimally Invasive Surgery）や鍵穴手術（Keyhole Surgery）にとって必要不可欠な装置であることに疑いはない。しかし現状の手術用内視鏡には改良すべき点が多々ある。内視鏡は単眼視であり距離感がつかみにくく微細な縫合や剥離など複雑な手術操作を加えることができない。また常に内視鏡を把持する必要があるため、片手で手術操作を加えるという特性から、顕微鏡手術とは異なる操作を医師に強いる。

一方、微細手術（Microsurgery）のスタンダードである手術用顕微鏡は、立体視しながら両手が自由に使え、術野を見ながら助手が操作を補助できる利点があり、多くの外科医がその操作に習熟している。しかしながら、体外にある顕微鏡の視野で手術するため切開創は大きく低侵襲手術ではない。これらの手術に内視鏡を活用すれば良いが、前述のごとくその操作・手技は全く異質であり、現状の内視鏡で顕微鏡手術のようないわゆる微細手術を行うことは不可能である。

顕微鏡手術操作に習熟した多くの医師が違和感なく顕微鏡感覚で使用できる手術用内視鏡として立体視硬性内視鏡が知られている。特許文献１には立体視硬性内視鏡が記載されており、斜視鏡、側視鏡の例も記載されている。しかしながら、特許文献１では、１つの鏡筒に対して、視野方向（直視、斜視、側視）を切り替えることは記載されていない。

特許文献２では、立体視ではない従来型の硬性内視鏡において、視野方向（直視、側視）の切り換える変換アダプターを操作部側で固定して取り付ける技術が記載されている。

特許第３５８０８６９号公報 特開昭６１−１４３７１２号公報

特許文献２のような従来の硬性内視鏡では、視野方向（直視、斜視、側視）を切り換えるために、鏡筒と同じ長さを有する変換アダプターを操作部側で固定して交換を行っていた。しかしながら、両手を使う手術で硬性内視鏡本体が支持アームに固定されている場合などでは、鏡筒と同じ長さの変換アダプターを操作部側で固定操作することは困難である。また、内視鏡を手で持って使用する場合でも、視野方向（直視、斜視、側視）を切り換える度ごとに鏡筒と同じ長さの変換アダプターを操作部側で固定して交換するのでは時間がかかる。特許文献２の技術は、手術中など速やかな視野方向の切り換えを必要とする場合には好ましくない。また、従来技術として視野方向を切り換えるために鏡筒ごと交換するものもあるが、立体視硬性内視鏡では撮像用光路が２つあるため、鏡筒は単眼視のものに比べて複雑で高価であり、単純な鏡筒交換では鏡筒の本数が増える分コストアップにつながってしまう。

特許文献１では斜視や側視にするために、先端部に反射プリズムを用いている。しかしながら、先端部を着脱自在にしたり視野方向を可変にすることは考慮されていない。立体視硬性内視鏡では、先端部に２つの撮像用光路と少なくとも１つの照明用光路があり、これらのアライメントがわずかでもずれてしまうと、観察画像の画質に大きく影響する。また、術者が直感的に立体視を把握できるようにするためには、反射による視野方向が観察画像に対して天頂方向かその逆方向である必要があるため、２つの撮像用光路と反射プリズムとは所定の相対位置になるように設置する必要がある。
また、特許文献１では撮像素子を鏡筒内に設けているが、鏡筒は非常に細径（例えば、外径5.5mm程度）であるため、撮像素子を小さくせざるを得ない。撮像素子が小さいと画質及び分解能を犠牲にせざるを得なく、高画質な観察が困難である。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、速やかに視野方向（直視、斜視、側視）を切り換えることができるとともに、高画質・高分解能による観察が可能な立体視硬性内視鏡を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
視野方向が可変な立体視硬性内視鏡であって、
左目用と右目用の２つ像を撮像する撮像素子と照明用光源とを有する操作部と、
先端部の左目用と右目用の２つの像を前記操作部に導く光学系を有する鏡筒と、
前記鏡筒の先端部に設けられた着脱自在な反射鏡と、を有し、
前記鏡筒には、左目用と右目用の像を先端部から前記操作部に導く独立した２つの撮像用光路と、前記操作部の照明用光源からの光を先端部に導く照明用光路とが設けられており、
前記反射鏡の着脱により、直視、斜視及び側視の視野方向の切り換えが可能であり、
前記反射鏡は、前記撮像用光路の光軸方向と前記撮像素子による観察画像の天頂方向とがなす面と前記視野方向とが平行になるような向きに配置される、
立体視硬性内視鏡。

前記撮像素子は、左目用と右目用のそれぞれに設けて２つで構成しても良いし、1つの撮像素子の撮像エリアを左目用と右目用に分割して利用しても良い。
前記照明用光路は、操作部の照明用光源からの照明光を、撮像用光路とは別の光ファイバなどで先端部に導いても良いし、操作部側にハーフミラーなどを設けて照明用光路と撮像用光路とを兼用にしても良い。
前記照明用光源は、発光源を操作部内に設けても良いし、発光源を操作部外に設けて導光手段により操作部内に照明光を導いても良い。

本発明では、反射鏡を先端部に対して着脱自在にし、反射鏡が無い場合は直視鏡になり、反射鏡の着脱により、斜視鏡、側視鏡に切り換え可能にしている。なお、本発明の反射鏡は、いわゆる鏡を用いても良いし、屈折率の異なるガラスなどの透明体の組み合わせで構成しても良い。
また、立体視硬性内視鏡の鏡筒は撮像用光路が２つあり、複雑な光学系で構成されているため、通常の鏡筒に比べて高コストである。本発明では、視野方向の変更にために鏡筒自体を交換する必要はないため、コスト的にも有利である。
さらに、本発明では、撮像素子を鏡筒内に設けずに手元側の操作部に設けている。鏡筒は細径であるため、鏡筒内に撮像素子を設けると撮像素子を小さくせざるを得ないが、本発明では撮像素子を操作部内に設けているため、撮像素子の大きさを十分に確保することができ、高画質・高分解能を実現できる。特に、忠実色を高精度で再現するためには特殊なカメラを用いる必要があり、操作部側にカメラを設ける利点は大きい。

なお、前記観察画像の天頂方向とは、左目用と右目用の画像により立体視を行う際の観察画像の天頂方向であり、立体視硬性内視鏡の先端面内において左目用観察窓中心と右目用観察窓中心とを通る直線に垂直な方向に相当する。
立体視よる観察では天地方向を無視して視野方向を変えてしまうと違和感が生じてしまうが、本発明の構成を採用することにより、視野方向は立体視観察像における天頂方向かその逆方向（時計の針に例えると12時方向と6時方向）に限定され、立体視における違和感が生じにくい。

また、本発明は以下の好ましい実施態様を有する。
前記反射鏡は反射鏡ユニット内に設けられており、
前記鏡筒の先端部に、前記反射鏡ユニットを回動しないように取り付ける取付部が設けられている。

反射鏡ユニットを鏡筒の先端部に取り付けることにより、反射鏡ユニットの着脱が容易になり、手術中などにおける内視鏡の視野方向の切り換えを速やかに行うことができる。なお、前記先端部とは、例えば、鏡筒の長さ方向の中間点より先端部側の部分を意味している。
本発明では、反射鏡による反射方向（視野方向）が観察画像の天地方向に限定されるため、反射鏡が撮像用光路の光軸に対して回動してしまうと、この関係を維持できなくなってしまう。したがって、反射鏡ユニットが回動しないような構造を有する取付部を設ける。

また、本発明は以下の好ましい実施態様を有する。
前記反射鏡の反射面が、前記撮像用光路の光軸から見て横長になるように構成されている。

反射鏡の反射面は、左右の撮像用窓の配置方向（時計の針に例えると3時方向と9時方向）をカバーしつつ、天頂方向（時計の針に例えると12時方向と6時方向）が短くなるように、横長に形成されている。こうすることにより、照明窓からの照明光が左右の撮像窓に映り込むことで生じるハレーションを防止できる。

また、本発明は以下の好ましい実施態様を有する。
前記撮像素子からの像を画像処理する演算手段と、
前記演算手段により画像処理された像を表示する表示手段と、をさらに有し、
前記演算手段は、前記視野方向に応じて、少なくとも鏡像変換を含む画像処理を行うことが可能である。

立体視硬性内視鏡では、先端部の反射鏡を介して観察を行うと観察画像が鏡像になって見にくくなってしまうため、画像処理により鏡像変換を行って表示を行うと良い。また、視野方向の角度によっては他の画像処理も必要になるので、必要に応じてこれらの画像処理を行っても良い。

また、本発明は以下の好ましい実施態様を有する。
前記演算手段は、前記反射鏡の着脱の有無及び視野方向を自動識別する反射鏡自動識別手段を有し、
前記演算手段は、前記自動識別の結果に基づいて画像処理を行う。
前記自動識別は、例えば、反射鏡ユニットごとに異なるマークを反射面に付与しておき、そのマークを演算手段の画像処理により識別する。

また、本発明は以下の好ましい実施態様を有する。
視野方向が可変な立体視硬性内視鏡であって、
左目用と右目用の２つ像を撮像する撮像素子と照明用光源とを有する操作部と、
先端部の左目用と右目用の２つの像を前記操作部に導く光学系を有する鏡筒と、
前記鏡筒の先端部に角度可変な反射鏡と、を有し、
前記鏡筒には、左目用と右目用の像を先端部から前記操作部に導く独立した２つの撮像用光路と、前記操作部の照明用光源からの光を先端部に導く照明用光路とが設けられており、
前記反射鏡の角度変化により、直視、斜視及び側視の視野方向の切り換えが可能であり、
前記反射鏡は、前記視野方向が、前記撮像用光路の光軸と前記撮像素子による観察画像の天頂方向とがなす面に平行になるように配置される、
立体視硬性内視鏡。

本発明では、先端部に角度可変な反射鏡を設けることで、先端部の反射鏡の角度変化により、直視、斜視及び側視の切り換えが可能に構成している。プリズムでは角度を可変にすることは不可能であるが、本発明では先端部に角度可変な反射鏡を設けることで視野方向の切り換えを実現している。反射鏡の角度変化は、ワイヤや小型アクチュエータなどを用いることで可能である。

本発明は上記構成により、速やかに視野方向（直視、斜視、側視）を切り換えることができるとともに、高画質・高分解能による観察が可能な立体視硬性内視鏡を実現することができる。

本発明の実施形態の概略図。 本発明の鏡筒先端部の拡大図。 本発明の視野方向切換の説明図。 本発明の反射鏡の反射面の説明図。 本発明の視野方向切換の別実施形態の説明図。 本発明における鏡像変換の説明図。 本発明の使用形態の説明図。

以下、図面とともに本発明の立体視硬性内視鏡の好適な実施形態について説明する。なお、図面は理解しやすいように縮尺や形状を調整して記載している。

図１は本実施形態の概略図、図２は鏡筒先端部の拡大図、図３は視野方向切換の説明図である。
立体視硬性内視鏡１は、鏡筒２及び操作部３から構成される。鏡筒２は、例えば外径5.5mmのものが用いられている。

鏡筒２には、先端部の左目用と右目用の像を操作部３に導く２つの撮像用光路21a,21bと、操作部３にある照明用光源７からの照明光を先端部に導く照明用光路23とが設けられている。図２（ａ）は鏡筒２の先端部の正面図、図２（ｂ）は鏡筒２の先端部の上面図、図２（ｃ）は鏡筒２の先端部の側面図である。鏡筒２の先端面には左目用観察窓20aと右目用観察窓20bが設けられている。左目用観察窓20aの像は左目用撮像光路21aを通って操作部３のカメラ４に導かれる。同様に、右目用観察窓20bの像は右目用撮像光路21bを通って操作部３のカメラ４に導かれる。撮像用光路21a,21bはレンズ光学系を用いて像を操作部３に導いている。鏡筒２の先端面のうち左目用観察窓20a及び右目用観察窓20bを除いた部分は視野方向を照明する照明窓22になっており、操作部３の光源７からの照明光が光ファイバなどからなる照明用光路23を通じて導かれる。照明窓22は先端面のほぼ全面から照明光を照射できるようになっているが、特に照明部22a,22bの部分が明るくなるようになっている。

操作部３には、左目用と右目用の像を撮像するカメラ４と、鏡筒２を介して先端部を照明する照明用光源７とが設けられている。カメラ４で撮像された左右画像は、演算装置５に送られて、必要に応じて鏡像変換などの画像処理がなされ、ビューワ６で表示される。カメラ４は、高画質なものであれば何でも良いが、ハイビジョンカメラなどが好適に用いられ得る。また、忠実色を高い精度で再現できる高忠実度カメラを用いるのも好ましい。演算装置５は、画像処理や立体視硬性内視鏡システムの制御ができるものであれば良く、ＰＣ等が用いられ得る。ビューワ６は、左右画像による立体視ができるものであれば何でも良く、手術用顕微鏡などに用いられるゴーグル型のものでも良いし、複数の人が同時に観察する場合には３Ｄディスプレイなどを用いても良い。ビューワ６として、ハイビジョンや忠実色を再現できるものを用いるとさらに良い。

鏡筒２の先端部には、反射鏡ユニット10a,10bが着脱可能になっており、反射鏡ユニット10a,10bの着脱により視野方向（側視、斜視、直視）が切り換え可能になっている。鏡筒２の先端部に側視用反射鏡ユニット10aを取り付けることで、図３（ａ）のように視野方向を光軸に対して直角にすることができ、立体視硬性内視鏡１は側視鏡として動作する。同様に、鏡筒２の先端部に斜視用反射鏡ユニット10bを取り付けることで、図３（ｂ）のように視野方向を光軸に対して斜めにすることができ、立体視硬性内視鏡１は斜視鏡として動作する。図３（ｃ）のように、先端部に反射鏡ユニットを取り付けなければ、立体視硬性内視鏡１は直視鏡として動作する。視野方向は、図面における観察天頂方向と光軸方向とがなす面に平行になっている。視野方向をこのような方向に限定することにより、立体視における違和感を低減している。視野方向を回転させたい場合は、鏡筒２自体を反射鏡ユニット10a,10bとともに回転させれば良い。

反射鏡ユニット10a,10bは、反射鏡11a,11bと、観察窓12a,12bと、反射鏡ユニット筐体13a,13bから構成される。反射鏡11a,11bは鏡のように反射できるものであれば何でも良く、金属や金属蒸着したものやガラスを組み合わせたものなどが用いられ得る。反射鏡11a,11bの反射面16a,16bは、全面に形成されておらず、図３（ａ）及び（ｂ）のように反射鏡11a,11bの上下部分に反射しない部分を設けている。これは、照明部22a,22bからの照明光が左目用撮像窓20aや右目用撮像窓20bに映り込んでハレーションを起こすことを防止するためである。図４に示すように、反射面16a,16bにより反射する部分（反射投影面17）は、左目用撮像窓20aと右目用撮像窓20bの部分をカバーしつつ、上下部分が非反射面になるように、楕円形の投影面になっている。

観察窓12a,12bは視野を遮らないものであれば何でも良く、ガラスなどの透明体を用いても良いし、何も設けずに開口状態にしても良い。反射鏡ユニット筐体13a,13bは、反射鏡11a,11bを収容でき、生体に対して影響が少ないものであれば何でも良く、金属や樹脂などが用いられ得る。

反射鏡ユニット筐体13a,13bと鏡筒２との接続部には、反射鏡ユニット取付部14a,14bが設けられている。反射鏡ユニット取付部14a,14bは、反射鏡ユニット10a,10bが脱落しないように取り付けられるものであれば何でも良く、例えばネジ止めやアタッチメントなどが用いられ得る。また、図３（ａ）及び（ｂ）のように、反射鏡ユニット筐体13a,13bと鏡筒２との接触部分である反射鏡ユニット取付部14a,14bの長さ及び接触面積を大きくしておくことにより、脱落防止効果が高まる。反射鏡ユニット取付部14a,14bは、図面のように鏡筒２の先端部の近傍に設けられている。このように構成することにより、手術中などで速やかに視野方向を切り換えたい場合に、反射鏡ユニット10a,10bを速やかに着脱することが可能になる。反射鏡ユニット取付部14a,14bの鏡筒２側には溝24a,24bが設けられており、この溝が反射鏡ユニット10a,10bに設けられた図示されていない突出部と係合することにより、反射鏡ユニット10a,10bが回動してしまうことを防止する。

図５を用いて、本発明の別の実施形態について説明する。上述の実施形態では、反射鏡の角度が異なる反射鏡ユニットを交換することにより、視野方向を切り換えていたが、図５のように反射鏡11cを可動式にして、視野方向を変化させても良い。反射鏡11cは支持点15cを中心に回動可能になっている。反射鏡11cの回動には、ワイヤや小型アクチュエータなどを用いる。反射鏡11cの角度により、立体視硬性内視鏡１は観察窓12cを通じて側視鏡又は斜視鏡として動作する。また、反射鏡11cを光軸に対して平行になる位置に回動させれば、観察窓12dを通じて直視鏡としても動作する。本実施形態においては、反射鏡ユニット10cは着脱式でも良いし、鏡筒２に対して固定されていても良い。視野方向は、上述の実施形態と同様に図面における観察天頂方向と光軸方向とがなす面に平行になっている。また、上述の実施形態と同様に反射鏡11cの反射面16cを横長に限定することで、照明窓からの照明光の映り込みを防止している。

図６を用いて、本発明の演算装置５で行われる画像処理について説明する。オリジナル像に対して、左目用観察窓20aと右目用観察窓20bの視差分だけずれた左目用画像と右目用画像が、カメラ４により撮像される。直視モードの場合は、画像反転等が起きないので、撮像された画像をそのままビューワの左目用と右目用のディスプレイに表示する。側視モードと斜視モードの場合は、反射鏡を介しているため、カメラ４で撮像される画像は鏡像反転した画像になっている。そのままでは非常に見にくいので、鏡像変換を行った上でビューワに表示する。演算装置５では、このほかに、必要に応じて、画像の拡大縮小、平行移動、歪補正、左右像変換などを行うことも可能である。特に、側視モードや斜視モードでは、鏡筒２を奥に進めることでズームアップすることができないので、デジタルズーム機能があると良い。また、どの反射鏡ユニットが選択されているかを撮像画像から識別する自動識別手段を設けて、自動識別結果に合わせて画像処理を切り換えても良い。例えば、反射鏡ユニットごとに異なるマークを反射面に形成しておくことで自動識別が可能である。

図７は本発明の立体視硬性内視鏡１の使用形態を説明する図である。例えば、脳腫瘍の内視鏡手術などは、脳ベラ31で開口された狭い場所で行われる。バイポーラ32や吸引管33を用いて手術を行う際に、手術深部を観察するためには、細径の硬性内視鏡が必要である。本発明の立体視硬性内視鏡１を用いれば、奥行きを確認しながら深部の手術を行うことができるとともに、着脱ユニット等により視野を切り換えることで広い範囲を立体視することが可能になる。

以上、本発明の実施形態の一例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において各種の変更が可能であることは言うまでもない。

１：立体視硬性内視鏡、 ２：鏡筒、 ３：操作部、 ４：カメラ、 ５：演算装置、 ６：ビューワ、 ７：照明用光源 10a,10b,10c：反射鏡ユニット、 11a,11b,11c：反射鏡、 12a,12b,12c,12d：観察窓、 13a,13b,13c：反射鏡ユニット筐体、 14a,14b,14c：反射鏡ユニット取付部、 15c：支持点、 16a,16b,16c：反射面、 17：反射投影面、 20a：左目用観察窓、 20b：右目用観察窓、 21a：左目用撮像光路、 21b：右目用撮像光路、 22：照明窓、 22a,22b：照明部、 23：照明用光路、 24a,24b：溝、 31：脳ベラ、 32：バイポーラ、 33：吸引管

Claims (3)

1. 視野方向が可変な立体視硬性内視鏡であって、
   左目用と右目用の２つ像を撮像する撮像素子と照明用光源とを有する操作部と、
   先端部の左目用と右目用の２つの像を前記操作部に導く光学系を有する鏡筒と、
   前記鏡筒の先端部に設けられた着脱自在な反射鏡と、
   前記撮像素子からの像を画像処理する演算手段と、
   前記演算手段により画像処理された像を表示する表示手段と、を有し、
   前記鏡筒には、左目用と右目用の像を先端部から前記操作部に導く独立した２つの撮像用光路と、前記操作部の照明用光源からの光を先端部に導く照明用光路とが設けられており、
   前記鏡筒は、前記反射鏡の未装着時には視野方向が直視であり、
   前記反射鏡の取り付けにより、斜視又は側視への視野方向の切り換えが可能であり、
   前記反射鏡は、前記撮像用光路の光軸方向と前記撮像素子による観察画像の天頂方向とがなす面と前記視野方向とが平行になるような向きに配置され、
   前記反射鏡の反射面には、前記反射鏡ごとに異なるマークが付与されており、
   前記演算手段は、前記撮像素子からの像を画像処理することで前記マークを識別し、前記反射鏡の着脱の有無及び視野方向を自動識別する反射鏡自動識別手段を有し、
   前記演算手段は、前記視野方向に応じて、少なくとも鏡像変換を含む画像処理を行うことが可能であるとともに、前記自動識別の結果に基づいて画像処理を行う、
   立体視硬性内視鏡。
2. 前記反射鏡は反射鏡ユニット内に設けられており、
   前記鏡筒の先端部に、前記反射鏡ユニットを回動しないように取り付ける取付部が設けられている、
   請求項１記載の立体視硬性内視鏡。
3. 前記反射鏡の反射面が、前記撮像用光路の光軸から見て横長になるように構成されている、
   請求項１又は２記載の立体視硬性内視鏡。
   
   

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