JP6446550B2 - 可撓管挿入装置、及び可撓管挿入装置の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、被検体に挿入される挿入部を備えた可撓管挿入装置に関する。

被検体に挿入される挿入部を備えた可撓管挿入装置、例えば内視鏡装置において、挿入性を改善するために挿入部の可撓性を部分的に変えることが知られている。例えば、特許文献１には、データベースに記憶された過去の挿入の可撓性パターンを参考にしながら挿入部の可撓性を変化させる箇所を遠隔操作により操作者が選択する内視鏡装置が開示されている。これにより、内視鏡検査（特に大腸内視鏡検査）における挿入性が向上する。また、特許文献２には、細長い挿入部を長手方向に複数の範囲に分け、その各範囲における軟性度合いが異なる内視鏡が開示されている。この内視鏡では、挿入部の各範囲における軟性度合いが異なることにより、挿入時の患者の苦痛を低減させることができ、挿入性が向上する。

特開平６−７０８７９号公報 特公昭６１−３７９３１号公報

特許文献１に記載の内視鏡装置では、過去の挿入の可撓性パターンに基づいて挿入部の可撓性を変化させている。しかしながら、挿入部の実際の挿入時には被検体の状態及び挿入部の状態はリアルタイムに変化する。また、被検体（例えば腸管）の硬さは患者により、あるいは位置により異なる。したがって、データベースに格納されたパターンに対して、挿入性が向上するパターンは一意に決まるものではない。さらに、あるパターンを選択して挿入部のある箇所の可撓性を変化させることにより一時的に挿入性が良くなったとしても、挿入を進めると可撓性が変化された箇所が移動するため、次の瞬間（移動後）には挿入性が悪くなりうる。

また、特許文献２に記載の内視鏡では、挿入部の曲げ剛性が部分的に異なる部分が存在している。しかしながら、この内視鏡は、挿入部の曲げ剛性を挿入時の被検体の実際の湾曲状態に応じて変えるものではない。したがって、挿入性が部分的に向上したとしても、さまざまな湾曲状態に対応することはできない。このため、挿入を進めると例えば挿入部が腸管を進展させてしまい、挿入性が低下しうる。

そこで、本発明は、挿入性が向上した可撓管挿入装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態は、被検体内に挿入される可撓性の挿入部と、前記挿入部が被検体内に挿入されているとき、挿入予測に必要な前記挿入部の状態を検出情報として検出する挿入部状態検出部と、前記挿入部状態検出部が検出した前記検出情報を用いて、前記挿入部を前記挿入部の状態からさらに押し込んだときの前記挿入部の先端の推進状態及び被検体の状態を予測する挿入予測部と、前記挿入予測部から得られた予測に基づいて出力を行う出力部と、を具備する可撓管挿入装置である。また、本発明の他の実施形態は、これに対応する、可撓管挿入装置の作動方法である。

本発明によれば、挿入性が向上した可撓管挿入装置を提供することができる。

図１は、内視鏡装置の構成を概略的に示す図である。 図２は、挿入部状態検出部の一例を概略的に示す図である。 図３は、内視鏡装置において挿入予測に関する主要な構成を概略的に示すブロック図である。 図４は、挿入部モデル作成部で作成される挿入部モデルの一例を概略的に示す図である。 図５は、外力演算部において外力を算出するための基本的な原理を説明するための図である。 図６は、外力演算部において外力を算出するための基本的な原理を説明するための図である。 図７は、初期形状の挿入部モデルとΔｔ秒後の挿入部モデルとを概略的に示す図である。 図８は、被検体モデル作成部において被検体の剛性値を算出するための基本的な原理を説明するための図である。 図９は、内視鏡装置における挿入予測の流れを示す図である。 図１０は、挿入部を多関節リンクモデルで、被検体をバネマスモデルで表現した一例における挿入予測の流れを示す図である。 図１１は、挿入予測部で算出された挿入部の状態の計算結果の一例を示す図である。 図１２は、第１の態様における出力部周辺を概略的に示すブロック図である。 図１３は、第２の態様における出力部周辺を概略的に示すブロック図である。 図１４は、第３の態様における出力部周辺を概略的に示すブロック図である。 図１５は、挿入部に設けられた剛性可変部の一例を概略的に示す図である。 図１６は、第３の態様における挿入部の曲げ剛性制御（自動制御）において作成されるマップの一例を示す図である。 図１７は、第３の態様における挿入部の曲げ剛性制御（手動制御）において表示装置に表示される画面の一例を示す図である。 図１８は、剛性変化後の挿入部先端の推進状態を予測した一例を示す図である。 図１９は、第４の態様における出力部周辺を概略的に示すブロック図である。 図２０は、第５の態様における出力部周辺を概略的に示すブロック図である。

図１は、可撓管挿入装置である内視鏡装置１の構成を概略的に示す図である。内視鏡装置１は、内視鏡１０と、光源装置２０と、制御装置３０と、表示装置４０とを有している。

内視鏡１０は、被検体内に挿入される管状の挿入部１１と、挿入部１１の基端側に設けられた操作部１４とを有している。内視鏡１０は例えば大腸内視鏡であり、被検体は大腸である。挿入部１１は、先端部１２と、先端部１２の基端側に設けられた可撓管部１３とを有している。先端部１２には、不図示の照明光学系（照明窓）、観察光学系、撮像素子等が内蔵されている。また、先端部１２は、操作部１４の湾曲操作により湾曲する湾曲部を含む。可撓管部１３は、湾曲自在な細長い蛇管であり、可撓性を有している。操作部１４は、内視鏡１０において術者に把持される部分である。操作部１４には、先端部１２の湾曲部の湾曲操作のために用いられるアングルノブ１５が設けられている。術者がアングルノブ１５を操作することにより、湾曲部が任意の方向に湾曲する。

内視鏡１０は、操作部１４の基端側から延びたユニバーサルコード２を介して光源装置２０に接続されている。ユニバーサルコード２は、上述の照明光学系に接続されたライトガイド（光ファイバ）、上述の撮像素子に接続された電気ケーブル等を含む。光源装置２０は照明光を射出し、射出された照明光がライトガイドを導光して先端部１２の照明窓から被検体に照射される。

制御装置３０は、ＣＰＵなどを含む機器によって構成されている。制御装置３０は、ケーブル３を介してユニバーサルコード２内の前記電気ケーブルに、したがって内視鏡１０に接続されている。制御装置３０はまた、ケーブル４を介して表示装置４０に接続されている。

挿入部１１には、挿入部１１が被検体内に挿入されているときの挿入部１１の状態を検出するための挿入部状態検出部５０の少なくとも一部が設けられている。挿入部状態検出部５０は、例えば、挿入部１１の湾曲形状を検出するための湾曲形状検出センサである。以下、一例として、磁気センサである挿入部状態検出部５０について説明する。

図２は、挿入部状態検出部５０の一例を概略的に示す図である。挿入部状態検出部５０は、挿入部１１内に取り付けられた細長いプローブ５１を有している。プローブ５１には、磁界を発生させるための複数のソースコイル５２が設けられている。これらソースコイル５２は、挿入部１１の長手軸方向に沿って間隔を空けて配置されている。また、挿入部状態検出部５０は、ソースコイル５２が発生した磁界を検出するためのアンテナ５３を有している。アンテナ５３は、内視鏡１０とは別体であり、内視鏡１０が挿入される被検体である腸管Ｓの周囲に配置される。さらに、挿入部状態検出部５０は、アンテナ５３が検出した磁界に基づいて挿入部１１の湾曲形状を算出するための形状算出部５４を有している。形状算出部５４もまた、内視鏡１０とは別体であり、例えば制御装置３０に設けられている。

プローブ５１は、例えば制御装置３０に接続されており、制御装置３０の不図示の交流信号出力部からソースコイル５２に交流信号が印加される。アンテナ５３は、ソースコイル５２により発生した磁界を検出して、検出信号を形状算出部５４に送信する。形状算出部５４は、受信した検出信号に基づいて挿入部１１の湾曲形状を算出する。かくして、挿入部状態検出部５０が腸管Ｓへの挿入中の挿入部１１の湾曲形状を検出する。

なお、挿入部状態検出部５０は、挿入部１１の湾曲形状を検出するための挿入部形状検出部に限定されるものではなく、挿入部１１の曲げ又は歪みを検出するための既知の挿入部歪み検出部、被検体に対する挿入部１１の接触力を検出するための既知の挿入部接触力検出部、あるいはこれらの２以上を組み合わせた挿入部状態検出部であることができる。

図３は、内視鏡装置１において挿入予測に関する主要な構成を概略的に示すブロック図である。本実施形態では、内視鏡装置１は、挿入部状態検出部５０が検出した挿入部１１の状態の情報を用いてリアルタイムに挿入部先端の推進状態を予測する。内視鏡装置１は、上述の挿入部状態検出部５０と、挿入予測部６０と、出力部７０とを有している。挿入予測部６０及び出力部７０は、例えば制御装置３０に組み込まれているが、制御装置３０とは別体であってもよい。挿入予測部６０は、挿入部状態検出部５０で得られた挿入予測に必要な情報（例えば挿入部１１の現在の湾曲形状情報）を用いて、被検体内において挿入部１１を現在の状態（挿入部状態検出部５０が検出した検出状態）からさらに押し込んだときの挿入部先端の推進状態の予測及び被検体の状態の予測をリアルタイムで行う。出力部７０は、挿入予測部６０から得られた予測に基づいて出力を行う。出力部７０は、例えば、挿入部先端の推進状態の予測に基づいて、挿入部１１の状態（曲げ剛性、重量配分、摩擦力等）を変化させるための出力を行う。

挿入予測部６０は、外力予測部６１と、被検体モデル作成部６２と、推進演算部６３とを有している。外力予測部６１は、挿入部状態検出部５０で得られた挿入予測に必要な情報等に基づいて、挿入部１１に負荷されている外力を推定（算出）する。被検体モデル作成部６２は、挿入部状態検出部５０で得られた情報と外力予測部６１が推定した外力の情報とに基づいて、被検体の計算モデル（被検体モデル）を作成する。推進演算部６３は、外力予測部６１が推定した外力の情報と被検体モデル作成部６２で作成された被検体モデルとを用いて、挿入部先端の推進状態の予測演算をする。

外力予測部６１についてさらに詳しく説明する。外力予測部６１は、記憶部６４と、挿入部モデル作成部６５と、外力演算部６６とを有している。

記憶部６４は、内視鏡１０の機種毎あるいは個体毎に、挿入部１１の粘弾性に関する値を、例えば回転弾性値Ｋｔ及び回転粘性値Ｃｔを格納している。記憶部６４はまた、挿入部１１の曲げ剛性値も格納している。記憶部６４に格納されたこれら値は、挿入部モデル作成部６５及び外力演算部６６に読み出される。記憶部６４は、制御装置３０とは別の記録媒体であってもよい。

挿入部モデル作成部６５は、記憶部６４から読み出した情報に基づいて、挿入部１１のモデル（挿入部モデル）を作成する。挿入部モデル作成部６５は、例えば、図４に示されるように、回転弾性値Ｋｔのばね１０２と回転粘性値Ｃｔのダッシュポット１０３とを並列に配置したもの（フォークトモデル）として複数の剛体リンク１０１を結合した多関節リンクモデル１００を用いた力学式で挿入部１１をモデル化することにより、挿入部モデルを作成する。回転弾性値Ｋｔ及び回転粘性値Ｃｔは、記憶部６４から読み出される。あるいは、挿入部モデル作成部６５は、挿入部１１を有限要素法（ＦＥＭ）モデルで表現してもよいし、連続体の力学式で表現してもよい。

外力演算部６６は、挿入部状態検出部５０で得られた情報と、記憶部６４から読み出した情報と、挿入部モデル作成部６５で作成された挿入部モデルとを用いて、被検体から挿入部１１に負荷されている外力を演算する。外力は、例えば、挿入部１１の湾曲形状（曲げ角度）と挿入部１１の曲げ剛性値とから、フックの法則に基づいて計算される。挿入部１１の湾曲形状は挿入部状態検出部５０から得られ、挿入部１１の曲げ剛性値は記憶部６４から読み出される。外力演算部６６は、挿入部１１に負荷されている外力をリアルタイムで算出する。

外力演算部６６において外力を求めるための基本原理が、１つの剛体リンク１０１に対する例で図５に示される。１つの剛体リンク１０１に加わる、剛体リンク１０１と垂直な方向の力（外力の分力）をＦ_ｉ、剛体リンク１０１の曲げ剛性値をＫｔ、曲げ角度をθ、リンク長をＬｃとすると、以下の式が成り立つ。
Ｆ_ｉ・Ｌｃ＝Ｋｔ・θ
Ｆ_ｉ＝Ｋｔ・θ／Ｌｃ

この基本原理を図４に示される多関節リンクモデル１００に拡張することにより、挿入部１１に負荷される外力Ｆが求められる。図６は、多関節リンクモデル１００において各剛体リンク１０１に加わる外力の分力Ｆ_ｉの一例を概略的に示す図である。外力Ｆは、多関節リンクモデル１００の力学式から求めるほか、例えば、多関節リンクモデル１００の力学式を数値解析（収束計算）で求めるか、挿入部１１の有限要素法（ＦＥＭ）モデルを作成して数値解析（収束計算）で求めるか、連続体の力学式から求めることができる。

なお、挿入部状態検出部５０として挿入部歪み検出部あるいは挿入部接触力検出部を採用した場合には、挿入部１１に負荷されている外力が挿入部状態検出部５０から得られるため、外力演算部６６における外力の算出は省略可能である。

被検体モデル作成部６２は、挿入部状態検出部５０で得られた情報と、外力予測部６１で算出した外力とに基づいて、被検体の計算モデルを作成する。以下では、被検体が大腸であるとして、被検体モデル作成部６２が大腸モデルを作成する一例について説明する。ここで、大腸モデルの作成とは、大腸モデルの初期形状の作成と、大腸の剛性値の算出とである。

被検体モデル作成部６２は、挿入部状態検出部５０が検出した挿入部１１の現在の湾曲形状に沿った初期形状の大腸モデルを作成する。さらに、被検体モデル作成部６２は、図７に示されるように、挿入部モデル作成部６５で作成された挿入部モデルが挿入部状態検出部５０が検出した挿入部１１の現在の湾曲形状である、初期形状の挿入部モデルと、Δｔ秒後に挿入部１１を大腸内にさらに押し込んだときの挿入部モデルの初期形状からの形状変化（相対的な曲げ量）と、外力演算部６６で算出した外力とから、フックの法則に基づいて大腸の剛性値Ｋｃを算出する。

被検体モデル作成部６２において大腸の剛性値Ｋｃを求めるための基本原理が、１つの剛体リンク１０１に対する例で図８に示される。初期時刻をｔａ、挿入部１１を大腸内に押し込んだΔｔ秒後の時刻をｔｂ＝ｔａ＋Δｔとする。時刻ｔａでのリンク角度をθ（ｔａ）、時刻ｔｂでのリンク角度をθ（ｔｂ）とする。時間Δｔ間に剛体リンク１０１とその先端で接触している質点１０４が進む距離をδとする。挿入部状態検出部５０は、少なくとも時刻ｔａと時刻ｔｂにおいて挿入部１１の状態、例えば湾曲形状を検出しており、被検体モデル作成部６２は、挿入部状態検出部５０からこれら時刻ｔａ、ｔｂにおける検出状態の情報を得ている。

時刻がｔａからｔｂになったときのリンク角度θ及び距離δは、挿入部状態検出部５０からの検出状態の情報により既知である。リンク長Ｌｃもまた、挿入部モデル作成部６５で挿入部モデルを作成する際に定義するため既知である。剛体リンク１０１の曲げ剛性値Ｋｔもまた、既知（機種毎に決まっており、記憶部６４から読み出される）である。したがって、未知のパラメータである大腸の剛性値Ｋｃは、以下の式により算出される。
Ｆ（ｔｂ）＝Ｋｔ・θ（ｔｂ）／Ｌｃ
Ｋｔ｛θ（ｔｂ）−θ（ｔａ）｝／Ｌｃ＝Ｆ_ｉ（ｔｂ）＝Ｋｃ・δ
Ｋｃ＝Ｋｔ｛θ（ｔｂ）−θ（ｔａ）｝／δ・Ｌｃ

この基本原理を多関節リンクモデル１００に拡張し、多関節リンクモデル１００と大腸モデルの力学式から直接求めることにより、大腸の剛性値Ｋｃが求められる。大腸の剛性値Ｋｃは、多関節リンクモデル１００と大腸モデルの力学式から直接求めるほか、例えば、多関節リンクモデル１００と大腸モデルの力学式を数値解析（収束計算）で求めるか、挿入部１１及び大腸のＦＥＭモデルを作成して数値解析（収束計算）で求めるか、連続体の力学式から求めることができる。

推進演算部６３は、外力予測部６１及び被検体モデル作成部６２で用意された情報を用いて挿入のシミュレーションをし、挿入部先端の推進状態を予測する。すなわち、推進演算部６３は、挿入部モデル作成部６５で作成された挿入部モデルと被検体モデル作成部６２で作成された被検体モデル（大腸モデル）とを組み合わせて、挿入部１１を現在の状態からさらに押し込んだときの、すなわち未来の挿入部先端の推進状態を演算する。ここで、推進状態とは、大腸モデルに対する挿入部モデルの相対速度、相対位置、又は両方である。推進状態の演算は、推進演算部６３によりリアルタイムで行われる。

なお、挿入予測部６０は、挿入部１１の状態と被検体の状態とを算出して挿入部先端の推進状態を予測する計算予測部と、挿入部１１の被検体内への過去の挿入データに基づいて作られた挿入パターンから挿入部１１の状態と被検体の状態とを予測する履歴予測部とを組み合わせた挿入予測部であってもよい。この場合、過去の挿入データが格納された記憶部６４を用いて挿入部１１の状態と被検体の状態とを予測し、挿入部状態検出部５０で得られた情報を用いて外力予測部６１、被検体モデル作成部６２及び推進演算部６３が外力の計算、被検体モデルの作成及び推進演算を行う。

図９は、内視鏡装置１における挿入予測の流れを示す図である。図１０は、特に、挿入部１１を多関節リンクモデル１００で、被検体である大腸をバネマスモデルで表現した一例における挿入予測の流れを示す図である。

内視鏡１０の挿入部１１は、術者によって腸管内に挿入される。挿入部１１は、腸管の形状に追従して湾曲しながら腸管内を進行する。先端部１２の先端面の観察光学系で得られた被検体の光学像は、撮像素子で電気信号に変換され、制御装置３０に出力される。制御装置３０は、不図示の画像処理部により、出力された電気信号に基づいて被検体の画像信号を生成する。そして、生成された画像信号に基づいて被検体の画像が表示装置４０に表示される。

挿入部１１の腸管内への挿入中、挿入部状態検出部５０は、挿入部１１の状態（例えば湾曲形状）をリアルタイムで検出する。また、挿入部モデル作成部６５は、記憶部６４から読み出した情報に基づいて挿入部モデルを作成する。そして、外力演算部６６が、記憶部６４から読み出した情報と、挿入部モデル作成部６５で作成された挿入部モデルとを用いて、挿入部モデルが挿入部状態検出部５０で得られた挿入部１１の湾曲形状になる外力Ｆを求める。

そして、被検体モデル作成部６２が、挿入部状態検出部５０から得られた挿入部１１の湾曲形状に沿った初期形状の被検体モデルを作成する。初期形状の被検体モデルは、例えば図１０に示されるように、有限個の接触点を有する離散化された大腸モデルである。さらに、被検体モデル作成部６２が、挿入部１１の初期（ある時刻）の湾曲形状と、Δｔ秒後に挿入部１１を大腸内に押し込んだときの挿入部１１の湾曲形状と、外力演算部６６で求めた外力とから、腸管の剛性値Ｋｃを求める。これにより、被検体モデルが作成される。

そして、推進演算部６３が、挿入部モデルと被検体モデルとを用いて時刻Δｔより後の挿入部１１の挿入のシミュレーションをし、挿入部先端の推進状態、例えば、挿入部先端の相対速度を予測する。

図１１は、挿入予測部６０で算出された挿入部１１の状態のシミュレーション結果の一例を示す図である。これにより、挿入を続けた後の挿入部１１の根元（基端）側が挿入開始前（現在）よりも曲がっていることがわかる。すなわち、挿入量ｌだけ挿入しても先端移動量は変わらっておらず（Ｌ＝Ｌ’）、挿入部１１の根本側が進むと挿入部１１が曲がり、挿入部１１の先端が進まない（速度も発生しない）ことがわかる。この場合、推進演算部６３は、挿入部先端の相対速度が減少すると予測する。つまり、術者が挿入部１１をこのまま大腸内に押し込み続けると押し込んだ力が挿入部先端にうまく伝わらなくなり、挿入部１１のスムーズな挿入ができなくなる。

そこで、内視鏡装置１は、挿入部１１の腸管内でのスムーズな挿入動作を可能にするために、出力部７０からの出力により挿入部１１の状態を変化させる。以下、出力部７０のさまざまな態様について説明する。

図１２は、第１の態様における出力部７０周辺を概略的に示すブロック図である。出力部７０は、警告部７１を有している。警告部７１は、挿入予測部６０が挿入部先端の相対速度が減少すると予測したとき、例えば、挿入部先端の相対速度が所定の値未満となるとき、すなわち、このまま挿入を続けると挿入部１１がＳ字結腸などの湾曲部分でスタックすると予測されるとき、そのことを術者に知らせるための警告を出力する。つまり、警告部７１は、挿入予測部６０における推進状態の予測結果を術者に伝える役割を果たす。

第１の態様では、警告部７１は、例えば表示装置４０に接続されており、警告部７１からの出力に基づいて表示装置４０に文字、画像あるいは点滅で警告が表示される。すなわち、警告部７１は、現在の状態から挿入部１１をさらに押し込むと挿入部先端が進まないことが予想されたとき、言い換えれば、挿入予測部６０において挿入部先端の推進力が失われたスタック状態であると予想されたとき、実際にさらに押し込もうとする術者に対して警告を出す。表示される警告は、「このまま挿入を続けると腸管が伸展されます」のように、スタック状態により伸展が起こることを示すメッセージであってもよいし、「挿入を止めることを推奨します」「pullbackを推奨します」のように挿入動作を停止するか戻ることを勧めるメッセージであってもよい。警告部７１は、表示装置４０への表示に加えて、あるいはこれとは別に、警告音又はメッセージ音声などの音を発して術者に警告を知らせてもよい。

図１３は、第２の態様における出力部７０周辺を概略的に示すブロック図である。出力部７０は、第１の態様と同様に、警告部７１を有している。本態様では、内視鏡１０において操作部１４に内蔵又は外付けされた振動部１６が、警告部７１からの出力に基づいて振動する。すなわち、警告部７１が、振動部１６を振動させるための制御信号を振動部１６に伝達し、振動部１６が振動する。振動が操作部１４を把持している術者に伝わることにより、術者は警告を感じ取る。この振動は、警告であることが術者にわかるように、内視鏡１０の使用時に起こりうる振動パターンとは異なる振動パターン、例えば断続的な振動パターンのような特有の振動パターンであることが望ましい。なお、振動部１６の振動による警告と、表示装置４０への表示による警告と警告音又はメッセージ音声による警告との少なくとも一方とが組み合わせられて用いられてもよい。

図１４は、第３の態様における出力部７０周辺を概略的に示すブロック図である。出力部７０は、挿入部１１の曲げ剛性（硬度）を変更するための制御をする剛性制御部７２を有している。本態様では、挿入部１１には、図１５に示されるように、挿入部１１の曲げ剛性をセグメント単位で変更可能な硬度可変アクチュエータである剛性可変部８０が設けられている。剛性可変部８０は、剛性制御部７２からの制御信号によりその曲げ剛性を変更され、すなわち、剛性制御部７２が挿入部１１の曲げ剛性を変更させる。挿入部１１の曲げ剛性を変更することにより、起こりうるスタックを回避して挿入部１１をスムーズに挿入可能となる。

挿入部１１は、便宜上、その長手軸方向にとった連続する複数のセグメント（挿入部１１を長手方向に均等に区切る仮想的な単位）からなっているとする。図１５には、挿入部１１のセグメント１１_１、１１_２、１１_３、・・・、１１_ｎが示されている。これらセグメントの各々に剛性可変部８０が設けられている。剛性可変部８０は、例えば、印加される電圧に応じて伸縮しその硬度が変化する導電性高分子人工筋肉（Electroactive Polymer Muscle：ＥＰＡＭ）であり、印加される電圧値が高くなるほど曲げ剛性（硬度）が高くなる。なお、剛性可変部８０はこれに限定されるものではなく、剛性制御部７２からの制御信号に応答して挿入部１１の曲げ剛性を変更可能なものであればよい。

第３の態様における出力部７０による挿入部１１の曲げ剛性制御の一例（自動制御）について説明する。図１５に示されるように、挿入部１１の曲げ剛性を変化させる範囲がセグメント単位で予め設定される（例えば範囲Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）。また、図１６に示されるように、範囲Ａ〜Ｅの曲げ剛性をどのように変更するかのマップも予め作成される（例えば条件１、２、３、４）。そして、内視鏡装置１においてさまざまな条件毎に挿入シミュレーションを実施し、挿入予測部６０で得られる条件毎の推進演算結果から、先端の相対速度が最も大きくなる条件が決定される。そして、決定された条件に基づいて剛性制御部７２が剛性可変部８０の、すなわち挿入部１１の各範囲の曲げ剛性を制御する。

第３の態様における出力部７０による挿入部１１の曲げ剛性制御の他の例（手動制御）について説明する。挿入部１１が被検体の湾曲部分を通過する際に挿入部先端が進まなくなることが予測されるとき、挿入部状態検出部５０から得られた挿入部１１の湾曲形状に合わせて表示装置４０（あるいはこれとは別体の表示装置）に図１７に示されるような画面が表示される。これが表示される表示装置は、タッチパネルのような入力装置であることが好ましい。タッチパネルに表示されたこの画面への入力により、術者は挿入部１１の曲げ剛性を変化させる位置（剛性変化位置）を選択する。

図１７に示される例では、剛性変化位置は、挿入部１１の根元側である位置ａと、被検体の湾曲部分の頂点の手前側である位置ｂと、挿入部１１の先端側である位置ｃとである３つの位置に予め設定されている。術者は、この３つの位置の中から１つ以上の位置を選択することができる。

図１８は、剛性制御部７２により剛性可変部８０の曲げ剛性値を制御して挿入部１１の曲げ剛性を変化させる前後の推進演算部６３で予測された挿入部先端の相対速度の一例である。位置ａにおける挿入部先端の相対速度は、現在からどんどん低下してやがてゼロ以下になる（進まず、押し戻される）と予測される。位置ｂにおける挿入部先端の相対速度は、現在からほとんど変化しないと予測される。位置ｃにおける挿入部先端の相対速度は、現在から緩やかに低下すると予測される。これら予測から、位置ｂで最も相対速度が大きくなる（進みやすい）ことがわかる。術者は、剛性可変部８０にわたす位置としてこの位置ｃを選択してもよいし、この予測結果と経験とに基づいて位置ｃ以外の位置を選択してもよい。術者は１つの位置を選択してもよいし、２つ又は３つの位置を選択してもよい。

なお、剛性変化位置は予め設定されたものに限定されるものではなく、術者がタッチパネルを触った任意の位置（範囲）の曲げ剛性が変化される仕様であってもよい。また、剛性変化位置は、指を使って（タッチパネル操作で）スムーズに移動されることができてもよい。

剛性変化位置が選択されると、その位置において例えば曲げ剛性値を１０％下げるように剛性変化量が設定される。剛性変化位置における曲げ剛性を小さくすることにより、挿入部１１が曲がりやすくなり、起こりうるスタックが回避される。あるいは、任意の値の剛性変化量が術者により入力できるようになっていてもよい。また、例えば、表示装置４０（あるいはこれとは別体の表示装置）に表示される画面をスライドさせることにより曲げ剛性を変化させるようになっていてもよい。

このように、剛性制御部７２は、挿入予測部６０における推進状態の予測結果に基づいて、挿入部先端がスタックすると予想される場合に挿入部先端を推進させるように挿入部１１の状態、ここでは挿入部１１の各範囲の曲げ剛性を変化させることができる状態変化部である。

図１９は、第４の態様における出力部７０周辺を概略的に示すブロック図である。出力部７０は、挿入部１１の重量配分を変更するための制御をする重量配分制御部７３を有している。本態様では、挿入部１１には、挿入部１１の重量配分を変更するための重量配分可変部１７が設けられている。重量配分可変部１７は、重量配分制御部７３により制御される。

重量配分可変部１７は、例えば、ワイヤの先端に錘がついた重量配分変化部材により構成されており、挿入部１１内を軸方向にわたって延びている不図示のチャンネルチューブに入れられている。重量配分可変部１７は、重量配分制御部７３による制御に基づいて重量配分変化部材をチャンネルチューブ内で移動させることにより、挿入部１１の重量配分を変化させる。例えば、重量配分可変部１７は、重量配分制御部７３による制御に基づいて、スタックが予想される位置（相対速度が大きい位置）の重量配分を増やすように挿入部１１の重量配分を変化させる。これにより、起こりうるスタックを回避して挿入部１１をスムーズに挿入可能となる。

このように、重量配分制御部７３は、挿入予測部６０における推進状態の予測結果に基づいて、挿入部先端がスタックすると予想される場合に挿入部先端を推進させるように挿入部１１の状態、ここでは挿入部１１の重量配分を変化させることができる状態変化部である。

なお、重量配分可変部１７は重量配分制御部７３による自動制御に限定されず、手動で動かされてもよい。この場合、第１及び第２の態様のように、出力部７０は警告部７１を有し、警告部７１が発する警告（文字、音声、振動等）を感じ取った術者が重量配分可変部１７を手で動かして挿入部１１の重量配分を変化させる。

図２０は、第５の態様における出力部７０周辺を概略的に示すブロック図である。出力部７０は、挿入部１１の摩擦力を変化させるための制御をする摩擦制御部７４を有している。本態様では、挿入部１１には、挿入部１１の摩擦力を変化させるための摩擦可変部１８が設けられている。摩擦可変部１８は、例えば、挿入部１１に取り付けられた振動モータにより挿入部１１に振動を与える振動発生部である。あるいは、摩擦可変部１８は、例えば、挿入部１１から外部に向かってエアを噴射させるエア発生部である。摩擦可変部１８は、摩擦制御部７４により駆動される。

摩擦可変部１８は、摩擦制御部７４による制御に基づいて駆動されることにより、挿入部１１の摩擦を変化させる。例えば、摩擦可変部１８は、摩擦制御部７４による制御に基づいて、スタックが予想される位置（相対速度が大きい位置）の摩擦を小さくするように、挿入部１１を振動させたり挿入部１１からエアを噴射したりする。これにより、挿入部１１と腸壁との間の摩擦力が低下して挿入部１１が大腸の奥へと進行しやすくなり、起こりうるスタックを回避して挿入部１１をスムーズに挿入可能となる。

このように、摩擦制御部７４は、挿入予測部６０における推進状態の予測結果に基づいて、挿入部先端がスタックすると予想される場合に挿入部先端を推進させるように挿入部１１の状態、ここでは被検体に対する挿入部１１の摩擦力を変化させることができる状態変化部である。摩擦可変部１８もまた摩擦制御部７４による自動制御に限定されず、手動で動かされてもよい。

このように、出力部７０は、挿入予測部６０により術者が挿入部１１をこれから押し込むと現在の状態よりも進まないことが予測されたとき、剛性制御部７２、重量配分制御部７３又は摩擦制御部７４によって、挿入部状態検出部５０から得られた情報（例えば、挿入部１１の湾曲形状、歪み、接触力）に基づいて、挿入部先端が大腸の奥へと進むように挿入部１１の状態（例えば、曲げ剛性、重量配分、摩擦力）を制御する。なお、出力部７０は、警告部７１、剛性制御部７２、重量配分制御部７３及び摩擦制御部７４から選択された２以上の組合せを有してもよい。

また、状態変化部として操作部１４に設けられたアングルノブ１５を用い、挿入部１１の湾曲角度を変化させることにより挿入部１１の湾曲状態を制御してもよい。

以上説明したように、本実施形態では、例えば大腸（腸管）である管腔の湾曲部分を内視鏡１０の挿入部先端が通過するとき、挿入部１１をその状態（現在）からさらに押し込んだとき（未来）における挿入部先端の推進状態（進む、進みにくい又は止まる）を挿入予測部６０による挿入予測で確認しながら、挿入動作を行うことができる。とりわけ、本実施形態における挿入予測は、外力予測部６１の挿入部モデル作成部６５による挿入部モデルと被検体モデル作成部６２による被検体モデルとの両方を構築して行われるシミュレーションであり、挿入部１１の実際の挿入動作を精度よく予測するものである。したがって、本実施形態によれば、挿入予測により挿入性が向上した内視鏡装置１を提供することができる。

また、本実施形態では、挿入予測部６０による挿入予測に基づいて、挿入部１１をさらに押し込んだとき（未来）に挿入部先端が止まる、すなわちそれ以上押し込むと腸管が伸展することが予想される場合には、出力部７０の警告部７１からの出力により、伸展により患者に苦痛を与える前に挿入動作を止めたり挿入部１１を引き抜いたりするなどの操作が可能となる。したがって、伸展により生じる患者の苦痛を低減させることができる。

また、挿入部１１が止まることが予想される場合には、出力部７０の状態変化部が、挿入部先端を進ませることができるように挿入部１１の状態（例えば、曲げ剛性、重量配分又は摩擦力（被検体と挿入部との接触力・接触角度））を制御することにより、挿入部先端を止めることなく進ませることが可能となる。したがって、管腔の湾曲部分での挿入部１１のスタックを回避してスムーズに挿入可能とすることができる。さらに、術者は、挿入予測部６０による挿入予測と経験とに基づいて状態変化部を駆動させることができ、挿入部１１のスタックを回避するためにより柔軟な対処が可能となる。

このように、本実施形態による内視鏡装置１は、過去又は現在の被検体の状態のみに基づいて挿入部先端の推進状態、剛性変化位置又は場所を決めるものではない。本実施形態によれば、挿入部１１の現在の状態の情報を用いてリアルタイムに挿入部先端の推進状態の予測を可能とすることで、患者に対する苦痛を軽減し、容易な挿入を実現する内視鏡装置１を提供することができる。

以上、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内でさまざまな改良及び変更が可能である。

１…内視鏡装置、１０…内視鏡、１１…挿入部、１２…先端部、１３…可撓管部、１４…操作部、１５…アングルノブ、１６…振動部、１７…重量配分可変部、１８…摩擦可変部、２０…光源装置、３０…制御装置、４０…表示装置、５０…挿入部状態検出部、５１…プローブ、５２…ソースコイル、５３…アンテナ、５４…形状算出部、６０…挿入予測部、６１…外力予測部、６２…被検体モデル作成部、６３…推進演算部、６４…記憶部、６５…挿入部モデル作成部、６６…外力演算部、７０…出力部、７１…警告部、７２…剛性制御部、７３…重量配分制御部、７４…摩擦制御部、８０…剛性可変部、１００…多関節リンクモデル、１０１…剛体リンク、１０２…ばね、１０３…ダッシュポット、１０４…質点。

Claims (11)

1. 被検体内に挿入される可撓性の挿入部と、
   前記挿入部が被検体内に挿入されているとき、挿入予測に必要な前記挿入部の状態を検出情報として検出する挿入部状態検出部と、
   前記挿入部状態検出部が検出した前記検出情報を用いて、前記挿入部を前記挿入部の状態からさらに押し込んだときの前記挿入部の先端の推進状態及び被検体の状態を予測する挿入予測部と、
   前記挿入予測部から得られた予測に基づいて出力を行う出力部と、
   を具備する、可撓管挿入装置。
2. 前記挿入部状態検出部は、挿入部の形状を検出する挿入部形状検出部、挿入部の曲げ又は歪みを検出する挿入部歪み検出部、被検体に対する挿入部の接触力を検出する挿入部接触力検出部、あるいはこれらの２以上の組合せである、請求項１に記載の可撓管挿入装置。
3. 前記挿入予測部は、前記挿入部の計算モデルと被検体の計算モデルとを用いて前記挿入部の状態及び被検体の状態を予測する計算予測部、又は、前記計算予測部と、過去の挿入データに基づいて作成された挿入パターンから前記挿入部の状態及び被検体の状態を予測する履歴予測部との組合せである、請求項１に記載の可撓管挿入装置。
4. 前記計算予測部は、
   被検体から前記挿入部に負荷される外力を推定する外力予測部と、
   前記挿入部状態検出部の情報と前記外力予測部の情報とに基づいて、被検体の計算モデルを作成する被検体モデル作成部と、
   前記外力予測部の情報と前記被検体モデル作成部で作成された被検体モデルとを用いて、前記挿入部の先端の推進状態の予測演算を行う推進演算部とを有する、請求項３に記載の可撓管挿入装置。
5. 前記外力予測部は、
   前記挿入部の粘弾性値を格納している記憶部と、
   前記記憶部の情報に基づいて挿入部モデルを作成する挿入部モデル作成部と、
   前記挿入部状態検出部の情報と前記挿入部モデル作成部で作成された挿入部モデルとを用いて、前記挿入部に負荷される外力を演算する外力演算部とを有する、請求項４に記載の可撓管挿入装置。
6. 前記出力部は、前記挿入予測部における推進状態の予測結果を術者に伝える警告部、前記挿入予測部における推進状態の予測結果に基づいて前記挿入部の先端を推進させるように前記挿入部の状態を変化させる状態変化部、あるいはこれらの組合せである、請求項１に記載の可撓管挿入装置。
7. 前記警告部は、前記挿入予測部において前記挿入部の先端の推進力が失われたスタック状態であると予測されたことを文字、画像、点滅、振動又は音により術者に知らせるための警告を出力する、請求項６に記載の可撓管挿入装置。
8. 前記状態変化部は、被検体と前記挿入部との間の接触力と、接触角度と、摩擦力との少なくとも１つを変化させる、請求項６に記載の可撓管挿入装置。
9. 前記状態変化部は、前記挿入部の曲げ剛性を変化させるか、前記挿入部の湾曲角度を変化させるか、前記挿入部の重量配分を変化させるか、被検体に対する前記挿入部の接触力・接触角度を変化させるかの少なくとも１つにより、前記挿入部の状態を変化させる、請求項８に記載の可撓管挿入装置。
10. 前記挿入部は、少なくとも部分的に前記挿入部の曲げ剛性を変更する複数の剛性可変部を有し、
    前記状態変化部は、前記挿入部の所望の位置における前記剛性可変部を制御する剛性制御部を有する、請求項９に記載の可撓管挿入装置。
11. 被検体内に挿入される可撓性の挿入部と、挿入部状態検出部と、挿入予測部と、出力部と、を具備する、可撓管挿入装置の作動方法であって、
    前記挿入部が被検体内に挿入されているとき、挿入予測に必要な前記挿入部の状態を検出情報として前記挿入部状態検出部で検出して、
    前記検出情報を用いて、前記挿入部を前記挿入部の状態からさらに押し込んだときの前記挿入部の先端の推進状態及び被検体の状態を前記挿入予測部で予測して、
    前記予測に基づく出力を前記出力部で行う、可撓管挿入装置の作動方法。

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