JP6598982B2 - 内視鏡装置、内視鏡システム、及びそれらを備えた手術システム - Google Patents
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Description
第1の実施形態は、例えば、3以上の内視鏡アームを含む内視鏡装置を備える患者側カート(手術用ロボットとも言う)と、患者側カートを操作するためのコンソール装置と、を備える手術システムについて開示する。内視鏡装置では、例えば、3つ以上の内視鏡の各撮像デバイスが取得した各画像の特徴点を用いて記各画像を繋ぎ合わせて合成画像が生成され、当該合成画像が表示画面上に表示される。3つの視野の画像から合成画像を生成し、術者に提供するので、広範囲の画像を提供でき、術者が術中に様々な箇所を目視確認することが可能となる(開腹手術のような視野の広さを確保しながら内視鏡手術を実現することが可能)。また、例えば、3つ以上の内視鏡を適切な位置に配置することにより、体内(腹腔内や胸腔内)に内視鏡を挿入した際の内視鏡の進入経路の画像をリアルタイムに取得することも可能であり、この場合、内視鏡が体内の周辺臓器を圧迫しているか否かも確認することが可能となる。
図1は、実施形態による手術システム(手術用ロボットシステムとも呼ぶことができる)1の概略構成例を示す図である。
図2は、第1の実施形態による患者側カート20の内部構成例を示す図である。患者側カート20は、ロボットアームを含むロボットカートであり、内視鏡及び内視鏡アームを制御する内視鏡装置21と、手術用アームを制御するその他の部分とに分けて説明することができる。内視鏡装置21を含む一方で手術用アームは含まないロボットカートをコンソール装置10で遠隔操作するシステムは内視鏡システムであり、ロボットカートが手術用アームも備え、コンソール装置10の操作により手術器具と内視鏡を操作することにより手術を行うシステムは手術システムである。
図3は、第1の実施形態における合成画像生成処理を説明するためのフローチャートである。当該合成画像生成処理は、例えば、画像処理部216によって実行されるが、上述のように画像処理部216をプログラムで実現した場合には動作主体はCPU211となる。以下では、画像処理部216を動作主体として合成画像生成処理について説明するが、CPU211と読み替えて理解しても良い。
画像処理部216は、時間t1〜tnにおいて撮像デバイス2241乃至2441が取得した各画像に対してステップ302〜ステップ306の処理を繰り返し実行する。当該合成画像生成処理は、例えば、手術開始から手術終了まで実行するとした場合、手術開始時間をt1とし、手術終了時間をtnとする。撮像デバイス2241乃至2441が例えば1秒間に30フレームを撮像する場合、各画像の取得時間間隔は1/30秒である。合成画像生成処理はフレーム単位で実行してもフィールド単位(1/60秒毎に1フィールド画像)で実行しても良い。
画像処理部216は、図示しない画像メモリから、時間tkにおいて撮像デバイス2241乃至2441によって取得された画像(例えば、3フレーム以上のデジタル画像)を読み込む。当該ステップでは、同一時間に撮像された3フレーム以上の画像が取得される。
画像処理部216は、内視鏡アーム22乃至24の各先端部分に取り付けられた撮像デバイス2241乃至2441の、患者Pの体内(例えば、腹腔内、胸腔内)における位置を算出する。具体的に、画像処理部216は、例えば、図示しないメモリから、複数の関節部221乃至223、231乃至233、241乃至243の回転方向及び角度の情報(位置検出器によって検知)と、予め決められた各関節部間(可動要素)の長さの情報と、予め決められた内視鏡アーム先端からそれに一番近い関節部までの長さの情報と、を取得する。画像処理部216は、これらの情報に基づいて、予め決められた基準点からの各撮像デバイスの距離及び回転角度を算出することによりそれぞれの位置を特定する(例えば、関節部231の位置を基準点として設定し、これを原点として空間座標を形成することにより内視鏡アーム先端に位置する各撮像デバイスの基準点からの距離及び回転角度を算出することができる)。
画像処理部216は、各画像について特徴点(特徴量と言うことも可能である。特徴量は、濃淡の変化が大きい特徴点周りの領域を画素値や微分値により特徴ベクトルにしたものである)を抽出する。具体的に、画像処理部216は、例えば、処理対象の画像をブロック単位(例えば、8ピクセル×8ピクセルのブロック)に分割し、フーリエ変換や離散コサイン変換などを用いて各ブロックの画素値を周波数領域におけるデータに変換する。これにより、各ブロックにおける周波数成分の分布が取得され、各ブロックの特徴点(特徴量)を抽出することができる。フーリエ変換や離散コサイン変換の他に、エッジフィルタを用いて各ブロックのエッジを強調した画像を特徴点(特徴量)としても良い。
画像処理部216は、各画像についてパターンマッチング処理を実行する。各画像の全ての領域についてパターンマッチング処理(例えば、全ての画素やブロックについて相関を計算し、最も相関値が高い画素或いはブロックをパターン一致点とする)を実行しても良いが、探索範囲を限定して行っても良い。この場合、処理の迅速化及び効率化を図ることができる。探索範囲を限定する場合、ステップ303で特定された撮像デバイス2241乃至2441のそれぞれの位置の情報に基づいて、各画像の特徴量が一致するブロック或いは画素を探索する範囲を決定することができる(例えば、各画像の周辺20%の領域を探索範囲とするなど)。画像処理部216は、その探索範囲内でパターンマッチング処理を実行し、各画像の探索領域においてマッチングする位置(相関が最も高い位置)をパターン一致点とする。
画像処理部216は、ステップ305でパターン一致点と認識された位置において、各画像を繋ぎ合わせて合成画像を生成する。なお、パターンマッチング処理を実行すると、各画像において互いに重なり合う領域が検出される。当該重なり合う領域における各画像の画素値は多少異なる場合がある(例えば、各撮像デバイスの撮像方向が異なるため同じ対象物でも撮像して得られる画素値に差が生じる場合がある)ため、重ね合わせる画像の一方から重なり合う領域を取り除いてから各画像を繋ぎ合わせても良い。
以上のような方法で合成画像を生成することができるが、例えば特開平10−178564号公報で開示された方法を用いて合成画像を生成しても良い。
図4は、撮像デバイスの視野を模式的に示し、本実施形態において3つ以上の内視鏡を設けた理由を説明するための図である。図4A及び図4Bは撮像デバイスを2つ設けた場合の視野を示し、図4Cは撮像デバイスを3つ設けた場合の視野を示している。
以上の理由により、本開示の第1の実施形態では、3つ以上の撮像デバイス2241乃至2441を用いることとしている。
第2の実施形態による手術システムは、第1の実施形態による手術システムと同様の構成を備えている。ただし、第2の実施形態では、患者側カート20における内視鏡装置21の構成が異なっている。
図5は、第2の実施形態による患者側カート20の構成例を示す図である。第1の実施形態と異なる点は、内視鏡アーム27が1つ取り付けられ、内視鏡アーム27の先端部分の光学アダプタ274(撮像デバイス2741及び照明光学系2742を含む)を回転軸中心に回転可能に構成されている点である。また、内視鏡アーム27の先端面が斜めに形成され、撮像デバイス2741の光軸が回転軸と所定の角度をなしている。撮像デバイス2741の光軸と回転軸とのなす角度は、例えば、撮像デバイス2741のレンズの画角(視野角)の1/2に設定することができる。この場合、内視鏡アーム27の先端面の傾斜角も例えば、撮像デバイス2741のレンズの画角の1/2とすることができる。
撮像制御部215は、撮像デバイス2741が回転しながら撮像した画像をタイムスタンプと共に、図示しない画像メモリに格納する。
画像処理部216は、撮像制御部215が取得した画像間のマッチングを取りながら合成画像を生成する。合成画像生成処理については後述する。
図7は、内視鏡アーム27の先端部分を回転させたときに確保される視野について説明するための図である。
図8は、第2の実施形態における合成画像生成処理を説明するためのフローチャートである。当該合成画像生成処理は、例えば、画像処理部216によって実行されるが、上述のように画像処理部216をプログラムで実現した場合には動作主体はCPU211となる。以下では、画像処理部216を動作主体として合成画像生成処理について説明するが、CPU211と読み替えて理解しても良い。
画像処理部216は、時間t1〜tnにおいて撮像デバイス2741が取得した各画像に対してステップ802〜ステップ805の処理を繰り返し実行する。当該合成画像生成処理は、例えば、手術開始から手術終了まで実行するとした場合、手術開始時間をt1とし、手術終了時間をtnとする。撮像デバイス2741が例えば1秒間に30フレームを撮像する場合、各画像の取得時間間隔は1/30秒である。合成画像生成処理はフレーム単位で実行してもフィールド単位(1/60秒毎に1フィールド画像)で実行しても良い。
画像処理部216は、図示しない画像メモリから、時間tkまでの画像を用いて生成された合成画像(前回の処理で生成された合成画像:前回の合成画像)と、撮像デバイス2741によって取得された画像を読み込む。処理開始の初期段階で合成画像がまだ生成されていない場合(t1の場合)には、合成画像の代わりに時間t1と時間t2における画像が画像メモリから読み込まれる。
画像処理部216は、前回の合成画像と時間tk+1おける画像について特徴点(特徴量)を抽出する。具体的に、画像処理部216は、例えば、処理対象の画像をブロック単位(例えば、8ピクセル×8ピクセルのブロック)に分割し、フーリエ変換や離散コサイン変換などを用いて各ブロックの画素値を周波数領域におけるデータに変換する。これにより、各ブロックにおける周波数成分の分布が取得され、各ブロックの特徴量を抽出することができる。フーリエ変換や離散コサイン変換の他に、エッジフィルタを用いて各ブロックのエッジを強調した画像を特徴量としても良い。前回の合成画像について既に特徴量を抽出している場合には、例えば、図示しない画像メモリから読み込むだけで良い。
画像処理部216は、前回の合成画像と時間tk+1おける画像と対してパターンマッチング処理を実行する。第2の実施形態では、撮像デバイス2741は回転しているので、パターンマッチングは動画におけるパターンマッチングと同等に実行することができる。具体的には、画像処理部216は、例えば、予め探索範囲(回転速度から画像が1フレーム時間(例えば、1/60秒間)に移動する距離(画像がずれる範囲)を算出することが可能であり、その範囲と誤差を考慮したマージンによって探索範囲を設定することが可能である)内でパターンマッチング処理を実行し、各画像の探索領域においてマッチングする位置(相関が最も高い位置)をパターン一致点とする。
画像処理部216は、ステップ804でパターン一致点と認識された位置において、前回の合成画像と時間tk+1おける画像とを繋ぎ合わせて新たな合成画像を生成する。なお、内視鏡アーム27の先端部分の回転が一周すると、視野角θにおける合成画像が生成されることなる。2周目以降の回転によって取得された画像は、既に生成された合成画像の適切な位置(マッチングが取れた位置)に逐次重畳されることになる。
以上のような方法で合成画像を生成することができるが、例えば特開平10−178564号公報で開示された方法を用いて合成画像を生成しても良い。
本実施形態では、例えば、内視鏡アーム27の先端部分を回転させながら取得した画像は低解像度(低画質:第1解像度或いは第1画質ともいう)で提供され、よってそれらを合成して得られる合成画像も低解像度で表示装置30の表示画面上に表示される。一方、当該先端部分の回転を停止させて取得した画像は高解像度(高画質:第2解像度或いは第2画質ともいう(第1解像度よりも高解像度))で表示装置30の表示画面上に表示される。
本実施形態に係る内視鏡装置及び手術システムは、第1の実施形態と比べて、患者Pの体内に挿入する内視鏡の数を少なくできるため、より低侵襲とすることができる。
第3の実施形態による手術システムは、第1の実施形態による手術システムと同様の構成を備えている。ただし、第3の実施形態では、患者側カート20における内視鏡装置21の構成が異なっている。第2の実施形態では、内視鏡装置21において、先端部分が回転する内視鏡アーム27が1つだけで設けられているが、第3の実施形態では、先端部分が回転する内視鏡アームが3つ以上設けられている点で異なる。
図9は、第3の実施形態による患者側カート20の構成例を示す図である。第1の実施形態と異なる点は、3つ以上の内視鏡アーム27乃至29の先端部分が第2の実施形態と同様に回転することである。第2の実施形態と異なる点は、先端部分が回転する内視鏡アーム27乃至29が3つ以上設けられていることである。
撮像制御部215は、撮像デバイス2741乃至2941が回転しながら撮像した画像をタイムスタンプと共に、図示しない画像メモリに格納する。
画像処理部216は、撮像制御部215が取得した画像間のマッチングを取りながら合成画像を生成する。合成画像生成処理については後述する。
第3の実施形態における合成画像生成処理は、第1の実施形態における合成画像生成処理(図3)と第2の実施形態における合成画像生成処理(図8)とを組み合わせることによって実現することが可能である。例えば、3つ以上の内視鏡アーム27乃至29の撮像デバイス2741乃至2941のそれぞれを回転させながら撮像して得られた画像の合成画像を図8の処理に従って生成する。これにより、3つ以上の回転合成画像(アラウンドビュー画像とも呼ぶ)が生成される。この3つ以上の回転合成画像をさらに図3の処理に従って合成し、最終的な合成画像を生成することができる。
本実施形態では、第2の実施形態と同様に、例えば、内視鏡アーム27乃至29の先端部分を回転させながら取得した画像は低解像度(低画質:第1解像度或いは第1画質ともいう)で提供され、よって各先端部分の回転画像の合成画像、及び3つ以上の合成画像をさらに繋ぎ合わせて得られる最終的な合成画像も低解像度で表示装置30の表示画面上に表示される。一方、当該先端部分の回転を停止させて取得した画像は、第2の実施形態と同様に、高解像度(高画質:第2解像度或いは第2画質ともいう(第1解像度よりも高解像度))で表示装置30の表示画面上に表示される。
(i)第1乃至第3の実施形態では、手術中の患者の体内(例えば、腹腔内或いは胸腔内)の現在の様子を表す合成画像が表示装置30の表示画面上に表示されるが、過去の画像(合成画像か否かに関係なく)を合わせて(例えば、マルチ画面で)表示画面上に表示しても良い。例えば、内視鏡アーム22乃至24の先端部分(撮像デバイスが取り付けられた部分)及び内視鏡アーム27乃至29の先端部分を患者Pの体内に挿入した時点から手術部位の画像を撮像できる位置に移動する時点までの間の画像群は図示しない画像メモリに保持されている。このため、各内視鏡アームの挿入経路付近の画像、及び各手術用アームに取り付けられた手術器具の挿入経路周辺の画像(共に過去に撮像した画像)を現在の手術中の画像と併せて表示画面上に表示することにより、例えば、術者Oは、自身が操作する手術器具が患者Pの体内の臓器を過度に圧迫しながら挿入されていないかを確認することができるようになる。
10 コンソール装置
20 患者側カート
21 内視鏡装置
22、23、24、27、28、29 内視鏡アーム
25、26 手術用アーム
30 表示装置
Claims (20)
- 筒状筐体の先端部分に撮像デバイスを備え、被検体の体内の画像を取得する1又は複数の内視鏡と、
複数の関節のそれぞれに対応づけて位置検出器が設けられた、前記1又は複数の内視鏡を保持する1又は複数の内視鏡アームと、
前記1又は複数の内視鏡により取得した複数の画像を処理する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記位置検出器を用いて取得された前記撮像デバイスの位置情報と、前記撮像デバイスで取得した各画像の特徴点を用いて前記各画像をつなぎ合わせて合成画像を生成する、内視鏡装置。 - 請求項1において、
3つ以上の前記内視鏡と、
前記3つ以上の内視鏡に電気的に接続され、前記3つ以上の内視鏡のそれぞれが取得した画像を処理する前記制御装置とを備え、
前記複数の画像は、前記3つ以上の内視鏡の前記撮像デバイスによって取得される、内視鏡装置。 - 請求項2において、
前記3つ以上の内視鏡が取得する少なくとも3つの画像には、互いに重なり合う領域が存在し、
前記制御装置は、前記各画像の特徴点を用いて前記互いに重なり合う領域を特定し、前記合成画像を生成する、内視鏡装置。 - 請求項2又は3において、
前記3つ以上の内視鏡が備える各撮像デバイスは、視野角が90度以上のレンズを含む、内視鏡装置。 - 請求項2から4の何れか1項において、
さらに、画像を格納するためのメモリを備え、
前記制御装置は、前記3つ以上の内視鏡が前記被検体の体内に挿入されたときから前記各撮像デバイスによって取得された合成前の画像と、前記3つ以上の内視鏡が前記被検体の体内に挿入されたときからの前記合成画像と、を前記メモリに格納し、入力された指示に応答して前記メモリから所定時点における前記合成画像を読み出す、内視鏡装置。 - 請求項1において、
前記内視鏡の筒状筐体の少なくとも先端部分を回転させる回転駆動制御部を備え、
前記撮像デバイスの光軸は、前記筒状筐体の先端部分の回転軸と所定の角度をなし、
前記複数の画像は、前記内視鏡の前記筒状筐体の先端部分を回転させて前記撮像デバイスにより取得される、内視鏡装置。 - 請求項6において、
前記回転軸は、前記筒状筐体の長手方向と同一であり、
前記撮像デバイスは、前記回転軸に対して傾斜して前記筒状筐体の先端部分に配置され、前記撮像デバイスの光軸と前記回転軸とが前記所定の角度をなす、内視鏡装置。 - 請求項6又は7において、
前記撮像デバイスの光軸と前記回転軸とがなす前記所定の角度は、前記撮像デバイスのレンズの視野角の1/2である、内視鏡装置。 - 請求項6から8の何れか1項において、
前記撮像デバイスのレンズは、中心窩レンズである、内視鏡装置。 - 請求項6から9の何れか1項において、
前記筒状筐体の先端部分には、シースが取り付けられている、内視鏡装置。 - 請求項10において、
前記シースは先端部分が丸みを持ち、かつ透明である、内視鏡装置。 - 請求項6において、
3つ以上の前記内視鏡を備え、
前記複数の画像は、前記3つ以上の内視鏡の各筒状筐体の先端部分を回転させながら前記各撮像デバイスによって取得される、内視鏡装置。 - 請求項6から12の何れか1項において、
前記制御装置は、入力された指示に応答して、前記各筒状筐体の先端部分の回転を停止し、当該回転を停止した状態で撮像デバイスの少なくとも1つによって前記複数の画像を取得する、内視鏡装置。 - 請求項13において、
前記回転を停止した状態で取得され表示される画像は、前記各筒状筐体の先端部分を回転させながら取得した画像よりも高画質である、内視鏡装置。 - 請求項13又は14において、
前記入力された指示は、前記回転を停止した状態で画像を取得する前記体内の対象の位置の情報を含み、
前記制御装置は、前記対象の位置を撮像可能な撮像デバイスによってのみ取得された画像を取得する、内視鏡装置。 - 筒状筐体の先端部分に撮像デバイスを備え、被検体の体内の画像を取得する1又は複数の内視鏡と、
複数の関節のそれぞれに対応づけて位置検出器が設けられた、前記1又は複数の内視鏡を保持する1又は複数の内視鏡アームとを含む内視鏡装置を備えるロボットカートと、
前記内視鏡アームを操作するための指示を送信するコンソール装置と、
前記内視鏡装置によって撮像された画像を表示画面上に表示する表示装置と、を備え、
前記内視鏡装置は、
前記1又は複数の内視鏡により取得した複数の画像を処理する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記位置検出器を用いて取得された前記撮像デバイスの位置情報と、前記撮像デバイスで取得した各画像の特徴点を用いて前記各画像をつなぎ合わせて合成画像を生成する、内視鏡システム。 - 請求項16において、
前記内視鏡装置は、3つ以上の前記内視鏡を備え、
前記複数の画像は、前記3つ以上の内視鏡の前記撮像デバイスによって取得される、内視鏡システム。 - 請求項16において、
前記内視鏡装置は、前記内視鏡の筒状筐体の少なくとも先端部分を回転させる回転駆動部を備え、
前記撮像デバイスの光軸は、前記筒状筐体の先端部分の回転軸と所定の角度をなし、
前記複数の画像は、前記内視鏡の前記筒状筐体の先端部分を回転させて前記撮像デバイスにより取得される、内視鏡システム。 - 請求項18において、
前記内視鏡装置は、前記内視鏡を3つ以上備え、
前記回転駆動部は、前記3つ以上の内視鏡の筒状筐体の少なくとも先端部分をそれぞれ回転させ、
前記3つ以上の内視鏡の各撮像デバイスの光軸は、対応する前記筒状筐体の先端部分の回転角と所定の角度をなし、
前記複数の画像は、前記3つ以上の内視鏡の各筒状筐体の先端部分を回転させながら前記各撮像デバイスにより取得される、内視鏡システム。 - 請求項16から18の何れか1項に記載の内視鏡システムを備え、
前記ロボットカートは、手術器具が取り付けられる手術用アームをさらに備え、
前記コンソール装置は、前記手術用アームを操作するための指示を送信する、手術システム。
Applications Claiming Priority (1)
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