JP6616838B2 - 内視鏡形状把握システム - Google Patents

Description

本発明は、内視鏡挿入部の形状を把握するために挿入部の位置を検出しその形状を表示する装置に関する。

内視鏡を用いた施術において、磁場を発生するソースコイルと当該磁場を検出するセンスコイルを用いて体内に挿入した挿入部の３次元的な位置情報を取得し、挿入部の形状を把握するシステムが知られている。例えば、内視鏡挿入部に挿入される挿入形状検出用プローブの長手方向に沿って所定間隔で複数のソースコイルを配置し、これらのソースコイルで発生される磁界を被験者の周辺に配置したセンスコイルで検出するとともにソースコイルの３次元的な位置情報から挿入部の３次元形状を算出して所定の視点から見た挿入部の３次元画像を生成・表示するシステムが知られている。また同システムにおいて、互いに直交する２つの視点方向の３次元画像を生成し、両画像をモニタに同時に表示する構成も提案されている（特許文献１）。

特開平８−１０７８７５号公報

特許文献１の構成では、直交する２つの視点方向の２つの３次元画像に対して、同じトリミング幅を適用している。しかし下部消化管内視鏡の場合、挿入部は腸に沿って配置され、その分布は腹部横向への広がりの方が、前後方向への広がりよりも広いため、挿入部の横への広がりが広い画像に合わせてトリミングを行うと、他方の画像の余白領域は必要以上に広くなる。挿入部の画像はなるべく大きく、かつ挿入部全体が欠けることなく描出することが望まれるが、余白領域が大きいとその分挿入部については縮尺を縮小して描出する必要があり視認性が低下する。

本発明は、異なる方向から見た内視鏡挿入部の画像を同時に表示する内視鏡形状把握システムにおいて、無駄な余白を減らして画像を効率的に表示することを課題としている。

本発明の内視鏡形状把握システムは、内視鏡スコープの挿入部の３次元的な位置情報を検出する３次元位置情報検出手段と、位置情報に基づき、第１の視点から見た挿入部の第１の３次元画像を生成するとともに、第１の視点を所定の回転軸周り所定角度回転させた位置に配置される第２の視点から見た挿入部の第２の３次元画像を生成し、第１および第２の３次元画像を並べた画像を生成する画像生成手段とを備え、画像生成手段は、第１および第２の３次元画像における挿入部の幅に合わせて第１および第２の３次元画像のトリミング幅を調整することを特徴としている。

好ましくは、第１の視点から見たときの挿入部の最大幅が、第２の視点から見たときの挿入部の最大幅よりも大きいとき、画像生成手段は、第１の３次元画像の幅が第２の３次元画像の幅よりも大きくなるように第１および第２の３次元画像の幅を調整する。

好ましくは、上記の所定角度が、０度より大きく、かつ、１８０度未満である。

所定角度は、±９０度の何れかであることがさらに好ましい。第１、第２の視点間における所定角度の差を維持したまま、挿入部に対して第１、第２の視点を所定の回転軸周りに回転するための操作手段を備えてもよい。

内視鏡形状把握システムは、第１および第２の３次元画像に対してデジタルズーム処理を行うとともに、デジタルズーム処理後の前記第１および第２の３次元画像に対してトリミング幅を調整する画像処理部をさらに備えてもよい。

本発明の内視鏡装置は、上記の何れかに記載の内視鏡形状把握システムを備えることを特徴としている。

本発明によれば、異なる方向から見た内視鏡挿入部の画像を同時に表示する内視鏡形状把握システムにおいて、無駄な余白を減らして画像を効率的に表示することができる。

本発明の一実施形態である内視鏡形状把握システムの構成を示すブロック図である。 磁場発生装置が適正位置に配置されて施術が行われるときの患者Ｐと磁場発生装置の位置関係を示す模式図である。 従来の方式で第１、第２の３次元画像を並べて表示した画面表示の例である。 本実施形態における第１、第２の３次元画像の画面表示例である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態である内視鏡形状把握システムの構成を示すブロック図である。

本実施形態における観察の対象部位は、例えば、呼吸器等、消化器等である。呼吸器等は、例えば、肺、気管支、耳鼻咽喉である。消化器等は、例えば、大腸、小腸、胃、食道、十二指腸、子宮、膀胱等である。観察対象が複雑な形状の場合、内視鏡の挿入部の３Ｄ画像表示による操作支援システムの活用がより効果的である。特に、大腸は４つの急峻な屈曲部を有し、例えば胃等に比べるととても長く、きわめて施術者の操作に熟練度が求められる。また、大腸を通らないと観察できない小腸の観察でも同様の問題が生じる。さらに、気管支も分岐構造が多く、施術者の操作に熟練度が求められる。そのため、大腸用内視鏡、小腸用内視鏡、気管支用内視鏡又は膀胱用内視鏡である場合に、正確に施術者の操作支援を行うことができる本実施形態の効果がより顕著となる。以下では、一例として、大腸観察用の内視鏡について説明する。

本実施形態の内視鏡形状把握システム１０は、電子内視鏡装置１１とこれに接続される３次元位置測定装置１２とから構成される。電子内視鏡装置１１は、例えば下部消化器内視鏡であり、電子スコープ本体１３と、電子スコープ本体１３からの画像信号を処理するプロセッサ装置１４と、プロセッサ装置１４で処理された画像を表示するモニタ装置１５とを備える。なお、本実施形態のプロセッサ装置１４は、内視鏡観察の照明に用いられる光源（不図示）も備える。

電子スコープ本体１３は、体内に挿入される挿入部１６と、挿入部１６の基端側が接続される操作部１７と、ユニバーサルコードを介して操作部１７を電気的、光学的にプロセッサ装置１４へと接続するコネクタ部１８を備える。挿入部１６は可撓管からなり、その先端には撮像素子１９が配置される。挿入部１６の先端からは、ライトガイド（不図示）を介してプロセッサ装置１４の光源からの光が伝送され、照明光として照射される。撮像素子１９で撮影された画像は、プロセッサ装置１４で所定の信号処理が施された後、モニタ装置１５に出力され内視鏡画像として表示される。

なお、光源は、プロセッサ装置１４に設けられてもよいが、挿入部１６の先端に設けられてもよい。例えば、挿入部１６の先端にＬＥＤ等の発光素子が搭載されてもよい。これにより、プロセッサ装置１４から挿入部１６の先端まで光を導くような構成も必要なくなり、装置のサイズを小型化できる。また、システムの消費電力も低減することができる。

撮像素子１９として、例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等を使用することができる。なお、高精細な画像を得ることができる撮像素子１９を用いることが好ましい。高精細とは、例えば、１００万画素以上であり、２００万画素であることがより好ましく、８００万画素以上であることがさらに好ましい。これにより、高精細な画像によって診断を精度よく行うことができる。また、施術者はモニタ装置１５の内視鏡画像を見ながら操作部１７の操作レバーを操作するため、高精細な画像を見ることで挿入部１６の先端の操作も行い易くなる。

また、挿入部１６は、操作部１７から延びる可撓管部１６ａと、挿入部１６の先端部近傍に設けられた湾曲部１６ｂとを備える。湾曲部１６ｂは、挿入部１６の先端部近傍において所定の長さに亘って設けられており、操作部１７に設けられた操作レバーあるいは操作ノブ（不図示）の操作により湾曲可能に構成されている。施術者はモニタ装置１５の内視鏡画像を見ながら操作部１７の操作レバーを操作して挿入部１６の先端を様々な方向に向けることができる。

なお、上述の構成に加えて、挿入部１６は、可撓管部１６ａと湾曲部１６ｂとの間に受動湾曲部を備えてもよい。受動湾曲部は、操作部１７の操作によって能動的に湾曲せず、受動的に湾曲する部である。湾曲部１６ｂが腸壁に当たって力がかかると、この受動湾曲部が自動的にしなる。これによって、例えば腸壁を押す力が内視鏡先端部を先へ進む力へと変換される。そのため、腸壁に湾曲部１６ｂが接触した際の患者の痛みを軽減することができる。しかし、受動湾曲部を備える内視鏡の場合、施術者の操作が必ずしもそのまま挿入部１６の形状に反映されるわけではなく、操作が複雑となり、熟練度を要する傾向にある。そのため、受動湾曲部を備える内視鏡の場合、挿入部１６の形状を適正に検出することができる本実施形態の効果がより顕著となる。

また、挿入部１６として、硬度可変の挿入部が採用されてもよい。挿入部１６は、硬度可変のために、硬度変換コイル、硬度変換ワイヤ、ワイヤの基端に設けられた牽引部材、及び、牽引部材の長手方向位置を変更させる硬度変更操作部（例えば、リング）を有してもよい。牽引部材によって硬度変更ワイヤが牽引されていない状態のとき、硬度変更コイルに対して外力がかからないので、硬度変更コイルは軟らかな状態になる。一方、硬度変更用のリングを回転操作して牽引部材を移動させると、硬度変更コイルに圧縮力が徐々に加わっていく。これにより、挿入部１６の曲げ方向に対する硬度が高くなるように徐々に変化する。硬度可変を採用した内視鏡の場合、硬度が軟らかな状態のときの挿入部１６の形状の把握が重要となる。したがって、内視鏡挿入部の形状を適正に検出することができる本実施形態の効果がより顕著となる。

本実施形態の３次元位置測定装置１２は磁場式の位置測定装置であり、挿入部１６には、３次元位置測定装置１２の一部をなす第１コイル２０がその長手方向に沿って複数配置される。３次元位置測定装置１２は、挿入部１６に設けられる複数の第１コイル２０の他、第１コイル２０の各々からの信号を受信する信号処理部２２と、信号処理部２２に接続され、同装置からの制御信号に基づき、第２コイル（不図示）により磁場を発生させる磁場発生装置（外部装置）２３と、第１コイル２０の信号に基づいて第１コイルの３次元位置情報を取得し挿入部１６の３次元的な形状をグラフィック表示するモニタ２４とを備える。

第１コイル２０は、例えば鉄心周りにコイルを巻いたものであり、第１コイル２０の各々の磁場発生装置２３に対する３次元的な位置は、磁場発生装置２３で生成される磁場の歪みと、同磁場内に配置される第１コイル２０の信号に基づき信号処理部２２において計算される。信号処理部２２は、この計算結果に基づき所定の第１の方向から見た挿入部１６の３次元画像と、第１の方向とは異なる第２の方向から見た挿入部１６の３次元画像を生成しモニタ２４に出力する（後述）。なお、第１コイル２０からの信号は、例えばコネクタ部１８に設けられた中継回路２５に着脱自在に接続される信号線を介して信号処理部２２に送られる。

図２は、施術が行われるときの患者Ｐと磁場発生装置２３の位置関係を示す模式図である。図２（ａ）は、患者Ｐの頭頂部側から見た図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の右側から見た図である。

図２に示されるように、患者Ｐは診療ベッド２７の上に横向きに横たわり、磁場発生装置２３は、患者Ｐの腹部に正対するように架台２８によって保持される。３次元位置測定装置１２で得られる第１コイル２０の３次元座標は、磁場発生装置２３からの距離に基づくため、患者Ｐと磁場発生装置２３が図２のように配置されると、第１コイル２０の３次元座標の奥行方向は、患者Ｐの前後方向と略一致する。

信号処理部２２では、算出された各第１コイル２０の３次元座標の間を、例えばベジェ曲線等を用いた所定の方法を用いて補間し、挿入部１６の全体形状を再現する。そして所定位置に視点を置いた第１の方向から挿入部１６を見たときの第１の３次元画像を生成する。第１の３次元画像は、例えば患者Ｐの体に沿った頭頂方向（Ｙ軸方向）を上向きとした画像として作成される。

また本実施形態では、第１の方向とは異なる第２の方向から挿入部１６を見たときの第２の３次元画像を生成する。すなわち、視点の位置を挿入部１６の近傍に配置される所定の回転軸を中心に所定角度回転したときの画像を第２の３次元画像として生成する。回転軸には、例えば描出される挿入部１６の基部側の端部（例えば肛門に対応）を通り、Ｙ軸方向に沿った軸が選択され、回転角度としては例えば±９０度の何れかが選択される。なお、回転軸は、第１コイル２０の位置の重心を通るＹ軸であってもよいし、回転軸の配置や回転角度をユーザが変更できる構成としてもよい。

なお、第１、第２の視点間における所定角度の差は、好ましくは、０度より大きく、かつ、１８０度未満であり、より好ましくは、４５度以上、かつ、９０度以下であり、さらに好ましくは、９０度である。第１、第２の視点間における所定角度の差が９０度の場合には、施術者による挿入部の形状の把握が容易になる。

操作部１７には、操作ボタン（スイッチ）等が設けられており、当該操作ボタンを介して第１の方向からの視点（第１視点）及び第２の方向からの視点（第２視点）を所定の回転軸周りに回転させることができる。また、操作部１７の操作ボタンは、第１、第２の視点間における所定角度の差（例えば±９０度）を維持したまま、挿入部１６に対して第１、第２の視点を所定の回転軸周りに回転させることができる。なお、第１、第２の視点間における所定角度の差を維持したまま、挿入部１６に対して第１、第２の視点を所定の回転軸周りに回転させる操作手段は、当該操作ボタンに限定されず、キーやレバー等で実装されてもよい。

図３は、従来の方式で第１、第２の３次元画像を並べて表示した画面表示の例である。図３の右側の画像は、例えば磁場発生装置２３の中心を視点とした第１の３次元画像であり、左側の画像は、第１の３次元画像の視点の位置を、回転軸Ｒを中心に９０度回転した第２の３次元画像である。

体内に挿入された挿入部１６は、大腸に沿って挿入されるので、腹部横方向に広がりを持って配置される。患者Ｐと磁場発生装置２３が図２のように配置されるとき、磁場発生装置２３側から見た画像は、腹部を正面から見た状態に対応するので、視点を磁場発生装置２３の中心に置いた図３右側の第１の３次元画像では、挿入部１６が幅方向に広がった状態で描出される。これに対し、左側の第２の３次元画像は、患者Ｐの腹部を脇腹方向から見た画像に対応するため、挿入部１６の幅方向への広がりは相対的に小さい。

しかし、従来の表示方法では、視点の位置によって挿入部１６の幅方向への広がりが大きく異なることを考慮することなく、第１、第２の３次元画像に対して同一のトリミング幅を適用している。すなわち、図３に示されるように、第１、第２の３次元画像の境界線Ｂ１は、画面Ｓの中心に位置し、両画像の幅は等しい。このとき、左側の第２の３次元画像では、挿入部１６の画像の両側に広い余白領域が存在することとなり、描画スペースに無駄がある。なお、本実施形態において第１、第２の３次元画像の拡大率は等しい値に設定される。

これに対して本実施形態では、第１、第２の３次元画像に描出される挿入部１６の幅に合わせて第１、第２の３次元画像のトリミング幅を調整し、挿入部１６の幅が狭い側の画像の左右に無駄な余白領域が設けられることを防止し、描画スペースを効率的に利用する。図４に示すように、第１、第２の３次元画像（左右の画像）の境界線はＢ２となり、両画像の幅は、描出される挿入部１６の横幅に合わせて調整される。例えば、図４右側の第１の３次元画像では、描画される挿入部１６の最大幅が広く、これに対し、左側の第２の３次元画像では、描画される挿入部１６の最大幅が相対的に小さい。この場合、信号処理部２２は、右側の第１の３次元画像の幅が左側の第２の３次元画像の幅よりも大きくなるように、第１および第２の３次元画像の幅を調整する。この構成によれば、描画される挿入部の幅が大きい画像の方がトリミング後に大きく表示されるため、施術者による挿入部の形状の視認性が向上する。

トリミング幅は、例えば、各視点から見た３次元画像における挿入部１６の最大幅の比で画面Ｓを左右に分割するように各画像のトリミング幅を設定してもよいし、例えば、第１コイル２０の位置の重心を通るＹ軸から最も離れた第１コイル２０までの距離に基づき最大のトリミング幅（磁場発生装置２３の中心に視点を置いたときの３次元画像のトリミング幅）とし、これに所定係数（＜１）を掛けたものを、視点を±９０度回転したときのトリミング幅としてもよい。なお、所定係数は、体内での挿入部１６の一般的な幅方向、奥行き方向の比から求められる。

また、本実施形態の内視鏡形状把握システム１０は、例えば操作部１７の所定のボタンの操作又はキー操作等により、第１、第２の３次元画像間の描画方向の関係は維持しながら、両画像の視点を回転軸Ｒの周りに回転可能である。このとき両トリミング幅は、回転角に応じて変化し、磁場発生装置２３の中心に視点を置いたときの３次元画像のトリミング幅が最大となるとともに、そこから視点を±９０度回転したとき３次元画像のトリミング幅が最小となる。すなわち、第１、第２の３次元画像の視点の位置が±９０度異なるときには、何れかの画像が磁場発生装置２３の中心の視点位置から±４５度回転されると、トリミング幅が等しくなり、画面Ｓは左右に２等分される。なお、本説明においてトリミング幅の比は、画面Ｓの分割比に対応する。

以上のように、本実施形態によれば、異なる方向から見た内視鏡挿入部の第１および第２の３次元画像を同時に表示する内視鏡形状把握システムにおいて、第１および第２の３次元画像における挿入部の幅に合わせて第１および第２の３次元画像のトリミング幅を調整することで、無駄な余白を減らして画像を効率的に表示することができる。これにより、表示される挿入部の画像の拡大率をより大きく設定することが可能となり、挿入部の形状把握がより容易になる。

本実施形態では、挿入部の３次元画像を３次元位置測定システムのモニタに表示したが、例えば電子内視鏡装置のモニタ装置において、主画面となる内視鏡画像（大画面）の隣に副画面（小画面）として挿入部の３次元画像を表示する場合など、挿入部の３次元画像を小画面で表示する場合には特に効果的である。

本実施形態では電子内視鏡を例に説明を行なったが、本発明はイメージガイドファイバなどを用いた内視鏡にも適用できる。また本実施形態では電子スコープの挿入部に沿って複数の第１コイルを配置したが、例えばプローブ状の器具に複数の第１コイルを設け、同器具を鉗子口から装着する構成としてもよい。その場合、挿入部に設けられる第１コイルは、コネクタ部を介することなく信号処理部に直接接続され、３次元位置測定装置を内視鏡から独立した構成とすることができる。また、本実施形態では、患者の体外に配置される外部装置の第２コイルで磁場を発生し、患者の体内に配置される第１コイルで同磁場を検出したが、第１コイルで磁場を発生し、第２コイルで磁場を検出する構成としてもよい。更に、３次元位置測定装置は、磁場式でなくともよく、挿入部の３次元的な位置情報を検出できるものであればいかなる形式のものであってもよい。例えば、光学式の３次元位置測定装置であってもよい。

また、３次元位置測定装置１２は、デジタルズーム表示用の画像処理部をさらに備えてもよい。画像処理部は、デジタルズーム回路を有し、デジタルズームが可能に構成されている。ここで、デジタルズームとは、画像を拡大又は縮小する画像処理である。画像処理部は、少なくとも第１、第２の３次元画像のいずれかに対してデジタルズーム処理を実行するように構成されている。さらに、画像処理部は、デジタルズーム処理後の第１、第２の３次元画像に対して、上述したトリミング幅の調整を実行するように構成されている。画像処理部は、トリミング幅が調整された第１および第２の３次元画像をモニタ２４に出力する。電子内視鏡の観察においてデジタルズーム表示を行うと、３次元画像もモニタ２４の幅からはみ出す可能性が高まるが、デジタルズーム処理後の画像に対して上述したトリミング幅の調整を行うことで、画像のはみ出しを防止することができる。よって、より快適な電子内視鏡観察が可能となる。

１０ 内視鏡形状把握システム
１１ 電子内視鏡装置
１２ ３次元位置測定装置
１３ 電子スコープ本体
１６ 挿入部
１９ 撮像素子
２０ 第１コイル
２２ 信号処理部
２３ 磁場発生装置（外部装置）
２４ モニタ

Claims (6)

1. 内視鏡スコープの挿入部の３次元的な位置情報を検出する３次元位置情報検出手段と、
   前記位置情報に基づき、第１の視点から見た前記挿入部の第１の３次元画像を生成するとともに、前記第１の視点を所定の回転軸周り所定角度回転させた位置に配置される第２の視点から見た前記挿入部の第２の３次元画像を生成し、前記第１および第２の３次元画像を並べた画像を生成する画像生成手段とを備え、
   前記画像生成手段は、前記第１および第２の３次元画像における前記挿入部の幅に合わせて前記第１および第２の３次元画像のトリミング幅を調整し、
   前記第１の視点から見たときの前記挿入部の最大幅が、前記第２の視点から見たときの前記挿入部の最大幅よりも大きいとき、前記画像生成手段は、前記第１の３次元画像の幅が前記第２の３次元画像の幅よりも大きくなるように前記第１および第２の３次元画像の幅を調整する
   ことを特徴とする内視鏡形状把握システム。
2. 前記所定角度が、０度より大きく、かつ、１８０度未満であることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡形状把握システム。
3. 前記所定角度が９０度であることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡形状把握システム。
4. 前記第１、第２の視点間における前記所定角度の差を維持したまま、前記挿入部に対して前記第１、第２の視点を前記所定の回転軸周りに回転するための操作手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡形状把握システム。
5. 少なくとも前記第１および第２の３次元画像のいずれかに対してデジタルズーム処理を行うとともに、デジタルズーム処理後の前記第１および第２の３次元画像に対してトリミング幅を調整する画像処理部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡形状把握システム。
6. 内視鏡スコープの挿入部の３次元的な位置情報を検出する３次元位置情報検出手段と、
   前記位置情報に基づき、第１の視点から見た前記挿入部の第１の３次元画像を生成するとともに、前記第１の視点を所定の回転軸周り所定角度回転させた位置に配置される第２の視点から見た前記挿入部の第２の３次元画像を生成し、前記第１および第２の３次元画像を並べた画像を生成する画像生成手段とを備え、
   前記画像生成手段は、前記第１および第２の３次元画像における前記挿入部の幅に合わせて前記第１および第２の３次元画像のトリミング幅を調整し、
   前記第１および第２の３次元画像の拡大率は等しい値に設定される
   ことを特徴とする内視鏡形状把握システム。

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