JP7167127B2 - 可撓管挿入装置、剛性制御装置、挿入部の挿入方法、及び剛性制御プログラムを記録した記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、被検体に挿入される可撓管部を備えた可撓管挿入装置、剛性制御装置、挿入部の挿入方法、及び剛性制御プログラムを記録した記録媒体に関する。

内視鏡装置などの可撓管挿入装置において、挿入部である可撓管部の挿入性を向上させるために挿入部の曲げ剛性を部分的に変えることが知られている。

例えば、日本国特開平６－７０８７９号公報には、挿入部に複数のセグメントを設定し、挿入部の可撓性をセグメント毎に制御可能な内視鏡装置が開示されている。この内視鏡装置では、内視鏡の形状情報と、被検体への過去の挿入に基づく複数の可撓性パターンを格納したデータベースとを用いて、各セグメントの可撓性が変更される。

例えば、日本国特開２０１６－７４３４号公報には、挿入部を長手方向において複数のセグメントに分け、セグメントごとの湾曲形状を検出し、検出した湾曲形状に応じて各セグメントの曲げ剛性を変化させる内視鏡装置が開示されている。

例えば、国際公開第２０１６／１５１８４６号には、挿入部の挿入状態、例えば湾曲状態に応じてその曲げ剛性を変化させる可撓管挿入装置が開示されている。

日本国特開平６－７０８７９号公報に開示される内視鏡装置では、過去の挿入に基づかない被検体には対応できない。

日本国特開２０１６－７４３４号公報には、挿入部において曲げ剛性を変化させる位置は、具体的に開示されていない。

国際公開第２０１６／１５１８４６号には、挿入部の湾曲状態に応じた、挿入部において曲げ剛性を変化させる範囲の始点及び終点の設定の仕方が開示されている。しかしながら、実際の内視鏡挿入時の、例えば大腸内視鏡挿入時の環境では、挿入部の長手方向の剛性の分布が一定ではなかったり腸管の反発力の分布が一定ではなかったりしうるため、挿入部の湾曲状態のみに基づいて曲げ剛性の変更の始点及び終点を設定しても、挿入性が向上しないことがある。

そこで、本発明は、可撓管部の曲げ剛性を適切に変更させて挿入性を向上させた可撓管挿入装置、剛性制御装置、挿入部の挿入方法、及び剛性制御プログラムを記録した記録媒体を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、先端と基端とを有し、前記先端から被検体に挿入され、前記被検体に接触したときに前記被検体からの反力を受けて湾曲する、可撓性の大腸内視鏡の挿入部と、前記挿入部に少なくとも部分的に設けられ、これが設けられた所の前記挿入部の剛性を変更可能な剛性可変部と、前記挿入部の湾曲形状を検出する形状検出部と、検出された前記湾曲形状の頂点を特定する頂点特定部と、前記湾曲形状において前記頂点よりも前記先端側で前記反力の値の分布を取得し、前記反力の値が最大である最大反力位置を特定する反力値特定部と、前記頂点と前記最大反力位置との間に位置している前記剛性可変部の剛性を高めるように前記剛性可変部の剛性を制御する剛性制御部と、を具備する、可撓管挿入装置が提供される。

また、本発明の他の実施形態によれば、上述のような剛性可変部の剛性を制御する剛性制御装置、挿入部の挿入方法、及び剛性制御プログラムを記録した記録媒体が提供される。

本発明によれば、可撓管部の曲げ剛性を適切に変更させて挿入性を向上させた可撓管挿入装置、剛性制御装置、挿入部の挿入方法、及び剛性制御プログラムを記録した記録媒体を提供することができる。

図１は、第１の実施形態における内視鏡装置の一例を概略的に示す図である。 図２は、湾曲形状検出装置を含む内視鏡装置の可撓管部の一例を示す図である。 図３は、第１の実施形態における内視鏡装置の一例を示すブロック図である。 図４は、人工筋肉を用いた剛性可変部の一例を概略的に示す図である。 図５は、図４に示される剛性可変部の電圧－曲げ剛性特性の一例を示す図である。 図６は、形状記憶部材を用いた剛性可変部の一例を概略的に示す図である。 図７は、関節ロック機構を用いた剛性可変部の一例を概略的に示す図である。 図８は、関節ロック機構と形状記憶部材とのハイブリッドからなる剛性可変部の一例を概略的に示す図である。 図９は、芯線引っ張り応力に関する機構を用いた剛性可変部の一例を概略的に示す図である。 図１０は、挿入部の曲げ剛性を変更する範囲の概念を表す図である。 図１１は、挿入部を剛体リンクモデルを用いてモデリングした図である。 図１２は、被検体への挿入時の挿入部を剛体リンクモデルを用いてモデリングする概念を表す図である。 図１３は、挿入部の湾曲形状の頂点からの距離と反力との関係、及び、挿入部の湾曲形状の頂点からの距離と推進力との関係の一例を示す図である。 図１４は、挿入部の湾曲形状の頂点からの距離と反力との関係、及び、挿入部の湾曲形状の頂点からの距離と推進力との関係の一例を示す図である。 図１５は、挿入部の曲げ剛性を変更する範囲の概念を表す図である。 図１６は、剛性可変部の剛性変更の一例を示す図である。 図１７は、剛性可変部の剛性変更の一例を示す図である。 図１８は、挿入部の曲げ剛性を変更する範囲を設定するための屈曲点の一例を説明するための図である。 図１９は、挿入部の曲げ剛性を変更する範囲を設定するための屈曲点の一例を説明するための図である。 図２０は、挿入部の曲げ剛性を変更する範囲となる屈曲点及び最大反力位置の一例を説明するための図である。 図２１は、剛性制御のフローの一例を示す図である。 図２２は、挿入部をセグメント分けした様子の一例を示す図である。 図２３は、セグメントＳＧ_ｉの湾曲形状の一例を示す図である。 図２４は、挿入部にかかる押圧力Ｆと、セグメントＳＧ_ｉ中心から押圧力Ｆのかかった位置までのベクトルｄ_ｉとの一例を示す図である。 図２５は、剛性制御のフローの一例を示す図である。 図２６は、挿入部が脾湾曲を通過するときの剛性制御の一例を示す図である。 図２７は、図２６に示される挿入部を直線状にした状態を示す図である。 図２８は、第２の実施形態における内視鏡装置の一例を概略的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下では、本発明の可撓管挿入装置の一例として内視鏡装置を挙げて説明する。

［第１の実施形態］
（内視鏡装置の構成）
図１は、第１の実施形態における内視鏡装置１の一例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、入力装置３０と、表示装置４０と、形状検出装置５０と、制御装置１００とを有している。

内視鏡１０は、被検体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１５とを有している。挿入部１１は、先端側から基端側へと順に、先端硬質部１２と、湾曲部１３と、可撓管部１４とを有している。先端硬質部１２には、不図示の照明光学系、観察光学系、図３に示される撮像素子２５等が内蔵されている。湾曲部１３は、操作部１５の操作により湾曲する部分である。湾曲部１３は、可撓管部１４の先端側で可撓管部１４に連結されている。可撓管部１４は、可撓性を有する細長い管状部分である。操作部１５には、アングルノブ１６が設けられている。術者がアングルノブ１６を操作することにより、湾曲部１３は任意の方向に湾曲する。すなわち、湾曲部１３は、その湾曲形状を能動的に変更可能である。また、操作部１５には、制御装置１００の設定により内視鏡画像の静止・記録、フォーカス切り替えなどの機能が割り当てられる１以上のスイッチ１７が設けられている。

なお、挿入部１１において、先端硬質部１２は極短い部分であること、及び、湾曲部１３は湾曲可能であることから、本明細書における「可撓管」との用語は、可撓管部１４のみならず、挿入部１１全体を指すものとして用いられる。例えば、可撓管挿入装置としての内視鏡装置１は、可撓管としての挿入部１１を含む。挿入部１１は、先端と基端とを有し、先端から被検体に挿入される。挿入部１１は、被検体に接触したときに被検体からの反力を受けて湾曲する。

形状検出装置５０は、挿入部１１の形状を、例えば可撓管部１４の形状を検出するように構成されている。形状検出装置５０を構成する形状検出部の一例として、磁気式の形状センサ５１が図２に示される。

図２は、形状センサ５１を含む内視鏡装置１の可撓管部１４の一例を概略的に示す図である。図２では、可撓管部１４は屈曲した被検体７０に挿入された状態で示されている。形状センサ５１は、可撓管部１４の形状の検出に用いるための複数のソースコイル５２からなるソースコイルアレイ５３を有している。ソースコイル５２は、磁界を発生する磁界発生素子である。

ソースコイルアレイ５３において、各ソースコイル５２は、可撓管部１４の長手方向、すなわち軸方向に間隔を空けて配置されている。便宜状、可撓管部１４はその軸方向にとった１以上のセグメントからなっているとする。ここで、セグメントとは、可撓管部１４を長手方向に均等に区切る仮想的な単位である。すなわち、可撓管部１４は、先端側から基端側へと軸方向に沿って複数のセグメントに区切られているとする。例えば、図２には、先端側から基端側へと軸方向に沿って列状に並んだ５つのセグメント１４－１、１４－２、１４－３、１４－４、１４－５が示され、各セグメントに１つのソースコイル５２が配置されている。なお、ソースコイル５２の配置はこれに限定されるものではなく、一部のセグメントにのみ配置されてもよい。

形状センサ５１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５４を有している。アンテナ５４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の周囲に配置されている。アンテナ５４は、制御装置１００に接続されている。アンテナ５４と制御装置１００との接続は、有線であっても無線であってもよい。

なお、図２にはソースコイル５２が可撓管部１４に予め組み込まれた形態が示されているが、ソースコイルが内蔵されたプローブが挿入部１１内を長手方向に延びているチャンネル内に挿通された形態であってもよい。

再び図１を参照すると、光源装置２０は、操作部１５から延びたユニバーサルケーブル１８の先端のケーブルコネクタ１９を介して内視鏡１０に接続されている。ユニバーサルケーブル１８は、上述の照明光学系に接続されたライトガイド、撮像素子２５に接続された伝送ケーブル等を含む。光源装置２０は、レーザーダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの一般的な発光素子を含む。光源装置２０は、前記ライトガイドを介して、先端硬質部１２の照明窓から照射する照明光を供給する。

図３は、第１の実施形態における内視鏡装置１の一例を示すブロック図である。制御装置１００は、光源制御部１１１と、画像処理部１１２と、表示制御部１１３と、コイル制御部１１４と、形状算出部１１５と、反力算出部１１６と、剛性制御部１１７とを有している。制御装置１００は、図１に示されるように、ケーブルコネクタ１９、ケーブル２１を介して内視鏡１０及び光源装置２０に接続されている。制御装置１００はまた、ケーブル２２を介してアンテナ５４に接続されている。

制御装置１００の上述の各部は、ＣＰＵなどのプロセッサで構成されてよい。この場合、例えば、プロセッサを各部として機能させるための各種プログラムを不図示の内部メモリあるいは外部メモリに準備しておき、そのプログラムをプロセッサが実行することで、プロセッサが制御装置１００の各部としての機能を実施する。あるいは、制御装置１００の各部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウエア回路によって構成されてよい。

制御装置１００の上述の各部、特に、形状算出部１１５、反力算出部１１６及び剛性制御部１１７は、制御装置１００とは別の制御装置に含まれてもよい。例えば、形状算出部１１５、反力算出部１１６及び剛性制御部１１７は、光源制御部１１１や画像処理部１１２を含む内視鏡ビデオ画像プロセッサとは別の制御装置に含まれてよい。あるいは、形状算出部１１５、反力算出部１１６、剛性制御部１１７の各々が別の制御装置に含まれてもよい。すなわち、制御装置１００の上述の各部、特に、形状算出部１１５、反力算出部１１６及び剛性制御部１１７として機能するプロセッサあるいはハードウエア回路は、各部としての機能を実施可能である限り、１つの筐体に含まれてもよいし、複数の筐体に含まれてもよい。

光源制御部１１１は、光源装置２０の照明光の調光制御などを行う。画像処理部１１２は、内視鏡１０の撮像素子２５で被写体からの光を変換した電気信号をビデオ信号に変換処理する。表示制御部１１３は、表示装置４０の動作を制御する。

コイル制御部１１４は、ソースコイルアレイ５３の各ソースコイル５２に印加する電圧を出力するコイル出力部を含み、コイル出力部から各ソースコイル５２に印加する電圧を制御する。

形状算出部１１５は、アンテナ５４が受信した各ソースコイル５２の磁界の検出信号に基づいて各ソースコイル５２の位置座標を算出する。すなわち、形状算出部１１５は、形状検出部としての各ソースコイル５２及びアンテナ５４から取得した状態情報に基づいて、挿入部１１の形状を、例えば可撓管部１４の形状を算出する。また、形状算出部１１５は、後述するように、算出した形状における湾曲形状の頂点、例えば屈曲点の位置を特定する。すなわち、形状算出部１１５は、可撓管部１４の湾曲形状の頂点を特定する頂点特定部として機能する。なお、形状算出部１１５は、アンテナ５４から検出信号を受信する受信部を含む。

反力算出部１１６は、形状算出部１１５が算出した形状と、後述する剛性可変部６０の現在の剛性値とを取得する。反力算出部１１６は、取得した形状と現在の剛性値とに基づいて、可撓管部１４が被検体７０から受ける反力の値を算出する。例えば、反力算出部１１６は、後述するように、形状算出部１１５が算出した湾曲形状において頂点よりも先端側で、可撓管部１４の長手方向に沿った反力の値の分布を算出することにより取得して、算出した反力の値が最大である最大反力位置を特定する反力値特定部として機能する。

剛性制御部１１７は、後述する剛性可変部６０に印加する電圧を出力する剛性可変出力部を含み、剛性可変出力部から剛性可変部６０に印加する電圧を制御する。剛性制御部１１７は、例えば、不図示の記憶部を含む。記憶部には、例えば、剛性可変部６０の現在の剛性値が記憶されている。剛性可変部６０の剛性が変更されると、現在の剛性値が更新される。

本実施形態では、ソースコイルアレイ５３の各ソースコイル５２と、アンテナ５４と、制御装置１００のコイル制御部１１４及び形状算出部１１５とが、形状検出装置５０を構成している。形状検出装置５０は、内視鏡１０の挿入部１１の挿入を支援するために、ソースコイルアレイ５３の各ソースコイル５２が発生する磁界をアンテナ５４で受信して可撓管部１４の位置情報あるいは形状情報を検出し、検出した情報に基づいて形状算出部１１５で可撓管部１４の形状を算出する。

なお、形状検出装置５０は、これに限定されない。形状検出装置５０は、挿入部１１の形状を、例えば可撓管部１４の形状を検出可能なものであればよく、例えば、光ファイバなどの導光部材を伝搬する光量の変化あるいは光学特性の変化を利用したセンシング（ファイバセンサ）、電磁波を利用したセンシング（電磁センサ）、超音波を利用したセンシング（超音波センサ）、歪みを利用したセンシング（歪みセンサ）あるいはＸ線吸収材料を利用したセンシングのいずれか１つ又はこれらの組合せによって構成されうる。

次に、剛性可変部６０について説明する。図２に示されるように、可撓管部１４には、少なくとも１つの剛性可変部６０を含む剛性可変部アレイ６１が設けられている。各剛性可変部６０は、それが設けられたセグメントを対象として可撓管部１４の曲げ剛性をセグメント単位で変更させる。各剛性可変部６０は、それが設けられたセグメントの曲げ剛性を所定の最小値から最大値までの範囲内でセグメントごとに変更可能である。剛性可変部６０の数は、特に限定されない。１以上の剛性可変部６０が可撓管部１４に少なくとも部分的に設けられてよい。

図４は、剛性可変部６０の一例を概略的に示す図である。剛性可変部６０は、金属線により構成されたコイルパイプ６２と、コイルパイプ６２内に封入された導電性高分子人工筋肉（Electroactive Polymer Artificial Muscle：ＥＰＡＭ）６３と、コイルパイプ６２の両端に設けられた電極６４とを有している。コイルパイプ６２内のＥＰＡＭ６３には、剛性制御部１１７から出力された電圧が電極６４を介して印加される。ＥＰＡＭ６３は電圧を印加することにより伸縮し、その硬度が変化するアクチュエータである。各剛性可変部６０は、コイルパイプ６２の中心軸が可撓管部１４の中心軸に一致するか平行となるようにして可撓管部１４に内蔵されている。各剛性可変部６０のＥＰＡＭ６３は、可撓管部１４を構成する部材、例えばフッ素樹脂、の剛性よりも大きな剛性を有している。

各剛性可変部６０の電極６４及びＥＰＡＭ６３には、剛性制御部１１７がその剛性可変出力部から電圧を出力させることにより、電圧が印加される。電圧が印加されると、ＥＰＡＭ６３はコイルパイプ６２の中心軸を中心としてその径を拡張しようとする。しかしながら、ＥＰＡＭ６３はコイルパイプ６２でその周囲を囲まれているため、径の拡張が規制されている。このため、各剛性可変部６０は、図５に示されるように、印加される電圧値が高くなるほど、曲げ剛性値が高くなる。すなわち、剛性可変部６０の硬度を変化させることにより、剛性可変部６０が内蔵された可撓管部１４の曲げ剛性も変化する。

このように、内視鏡装置１は、剛性制御部１１７が各剛性可変部６０に電圧を印加させることにより可撓管部１４の曲げ剛性を変更可能な剛性可変機能を備えている。剛性制御部１１７が各剛性可変部６０に印加する電圧を個別に制御することにより、可撓管部１４の各セグメントの曲げ剛性が独立して変更される。すなわち、可撓管部１４のセグメントごとに異なる曲げ剛性値の設定が可能である。

剛性可変部６０の一例として、人工筋肉を用いたものを挙げたが、もちろん、剛性可変部６０はこれに限定されない。可撓管部１４の曲げ剛性を変更するための剛性可変部として、形状記憶部材を用いたもの、いわゆる関節ロック機構を用いたもの、関節ロック機構と形状記憶部材とのハイブリッド機構、芯線引っ張り応力に関する機構を用いたものなど、種々の機構を採用することが可能である。ここで挙げた各種機構について、図６乃至図９を参照して以下に説明する。

図６は、形状記憶部材を用いた剛性可変部６０ａの一例を概略的に示す図である。剛性可変部６０ａは、細長い形状記憶部材６２ａと、形状記憶部材６２ａの周囲に配置された少なくとも１つの誘起部材６３ａとを有している。図６にはコイル状の３つの誘起部材６３ａが示されている。形状記憶部材６２ａは、例えば、ＮｉＴｉを含む合金である形状記憶合金から構成されていてよい。形状記憶部材６２ａの外面には、形状記憶部材６２ａと誘起部材６３ａとの間の短絡を防止するための絶縁膜６４ａが設けられている。誘起部材６３ａは、導電性材料から構成されていてよく、例えば、電熱線等、熱を発する部材である。誘起部材６３ａの外面には、形状記憶部材６２ａと誘起部材６３ａとの間、及び、隣接する誘起部材６３ａの間の短絡を防止するための絶縁膜６５ａが設けられている。

剛性制御部１１７ａは、電源及びスイッチを含む駆動回路７１ａを含む。駆動回路７１ａの数は、誘起部材６３ａの数に対応しており、駆動回路７１ａがそれぞれ配線７２ａによって誘起部材６３ａに接続されている。剛性制御部１１７ａは、誘起部材６３ａに供給する電流のＯＮ／ＯＦＦを切替え可能である。

形状記憶部材６２ａは、剛性制御部１１７ａから誘起部材６３ａに供給される電流のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられることにより、その誘起部材６３ａの内部及びその近傍において、軟質状態の第一の相と予め記憶している硬質状態の第二の相との間で相の移り変わりを引き起こされる。例えば、平常時、すなわち電流が供給されていないときには、形状記憶部材６２ａは、第一の相をとって軟質状態であり、電流が供給されたときには、形状記憶部材６２ａは、第二の相をとって硬質状態である。

剛性制御部１１７ａの各駆動回路７１ａは独立してＯＮ／ＯＦＦを切替え可能である。したがって、形状記憶部材６２ａを含むこのような剛性可変部６０ａを可撓管部１４に配置することにより、可撓管部１４の所望の位置の曲げ剛性を変更することが可能である。

図７は、いわゆる関節ロック機構を用いた剛性可変部６０ｂの一例を概略的に示す図である。剛性可変部６０ｂは、細長い筒状の第１の長手部材６２ｂと、第１の長手部材６２ｂの中空の内部を摺動可能に通っている第２の長手部材６５ｂとを有している。第１の長手部材６２ｂには、その長手方向に沿って、曲げ剛性値が比較的高い第１の曲げ剛性部６３ｂと、曲げ剛性値が比較的低い第２の曲げ剛性部６４ｂとが交互に設けられている。第２の長手部材６５ｂには、その長手方向に沿って、比較的曲がりやすい細径の第１の部分６６ｂと、比較的曲がりにくい太径の第２の部分６７ｂとが交互に設けられている。

剛性可変部６０ｂでは、第１の長手部材６２ｂと第２の長手部材６５ｂとの長手方向の相対的な位置関係を変更することにより、曲げ剛性が比較的高い状態と比較的低い状態とが切り替えられる。例えば、図７の上段に示されるように、長手方向において第１の長手部材６２ｂの第１の曲げ剛性部６３ｂと第２の長手部材６５ｂの第１の部分６６ｂとが揃い、かつ、第１の長手部材６２ｂの第２の曲げ剛性部６４ｂと第２の長手部材６５ｂの第２の部分６７ｂとが揃っている状態では、剛性可変部６０ｂは、曲がりにくい硬質状態をとる。また、図７の下段に示されるように、第１の長手部材６２ｂの第２の曲げ剛性部６４ｂと第２の長手部材６５ｂの第１の部分６６ｂとが揃っている状態では、剛性可変部６０ｂは、曲がりやすい軟質状態をとる。

剛性制御部１１７ｂは、不図示のモーター等の駆動部を含み、第１の長手部材６２ｂに対する第２の長手部材６５ｂの長手方向の位置を変更するように、第２の長手部材６５ｂの位置を変更させる。

このような剛性可変部６０ｂを可撓管部１４に配置することにより、可撓管部１４の所望の位置の曲げ剛性を変更することが可能である。

図８は、関節ロック機構と形状記憶部材とのハイブリッドからなる剛性可変部６０ｃの一例を概略的に示す図である。剛性可変部６０ｃは、曲げ剛性値が比較的高い第１の曲げ剛性部６３ｃと、曲げ剛性値が比較的低い第２の曲げ剛性部６４ｃとが長手方向に交互に配置されることにより構成された細長い筒状の第１の長手部材６２ｃと、第１の長手部材６２ｃの中空の内部を摺動可能に通っている第２の長手部材６５ｃとを有している。第２の長手部材６５ｃは、例えば、形状記憶部材６６ｃにより構成されており、ＮｉＴｉを含む合金である形状記憶合金であってよい。

剛性制御部１１７ｃは、電源及びスイッチを含む駆動回路７１ｃを含む。駆動回路７１ｃの数は、第２の曲げ剛性部６４ｃの数に対応しており、駆動回路７１ｃがそれぞれ配線７２ｃによって第２の曲げ剛性部６４ｃに接続されている。第２の曲げ剛性部６４ｃは、剛性制御部１１７ｃから供給される電流のＯＮ／ＯＦＦと切り替えることにより、形状記憶部材６６ｃを軟質状態の第一の相と予め記憶している硬質状態の第二の相との間で相の移り変わりを引き起こす誘起部材６７ｃとしての機能を果たす。

このような、関節ロック機構と形状記憶部材とのハイブリッドからなる剛性可変部６０ｃを可撓管部１４に配置することによっても、可撓管部１４の所望の位置の曲げ剛性を変更することが可能である。

図９は、芯線引っ張り応力に関する機構を用いた剛性可変部６０ｄの一例を概略的に示す図である。剛性可変部６０ｄは、コイルパイプ６２ｄと、コイルパイプ６２ｄの中空の内部を摺動可能に通っている芯線６３ｄと、芯線６３ｄの両端にそれぞれ設けられた固定部材６４ｄ、６５ｄと、コイルパイプ６２ｄの両端に設けられたワッシャ６６ｄ、６７ｄとを有している。また、剛性可変部６０ｄは、ナット７１ｄと、ナット７１ｄと係合しているリードスクリュー７２ｄとを有している。また、剛性可変部６０ｄは、リードスクリュー７２ｄの端部及び固定部材６５ｄを収容している筐体７３ｄを有している。

図９の上段に示される状態では、リードスクリュー７２ｄと固定部材６５ｄとの間に隙間がある。この状態では、芯線６３ｄは、コイルパイプ６２ｄの長手方向に沿って摺動可能である。この状態は、コイルパイプ６２ｄが曲げられたときに芯線６３ｄに引っ張り応力がかからないため、曲げ剛性が低い状態である。

図９の下段に示される状態では、リードスクリュー７２ｄと固定部材６５ｄとが当接している。この状態では、芯線６３ｄは、コイルパイプ６２の長手方向に沿って移動できない。この状態は、コイルパイプ６２ｄが曲げられたときに芯線６３ｄに引っ張り応力がかかるため、曲げ剛性が高い状態である。

剛性制御部１１７ｄは、不図示のモーター等の駆動部を含み、上述の２つの状態を切り替えるように、リードスクリュー７２ｄを駆動させることが可能である。

このような剛性可変部６０ｄを可撓管部１４に配置することにより、可撓管部１４の所望の位置の曲げ剛性を変更することが可能である。

以上説明したように、内視鏡１０には、剛性制御部１１７、１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃ、１１７ｄによる剛性制御により曲げ剛性を変更可能な剛性可変部６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄのような種々の剛性可変部が採用されてよい。

再び図１を参照すると、入力装置３０は、キーボードなどの一般的な入力用機器である。入力装置３０は、ケーブル２３を介して制御装置１００に接続されている。入力装置３０には、内視鏡装置１を動作させるための各種指令などが入力される。入力装置３０は、制御装置１００に設けられた操作パネルあるいは表示画面に表示されたタッチパネルであってもよい。

表示装置４０は、液晶ディスプレイなどの一般的なモニタである。表示装置４０は、ケーブル２４を介して制御装置１００に接続されている。表示装置４０は、制御装置１００の画像処理部１１２から伝達されたビデオ信号による内視鏡画像を表示する。また、表示装置４０は、制御装置１００の形状算出部１１５で算出された各ソースコイル５２の位置座標に基づいて可撓管部１４の形状に関する情報を表示してよい。内視鏡画像が表示される表示装置と可撓管部１４の形状に関する情報が表示される表示装置とは、同じであってもよいし別々であってもよい。

（剛性変更範囲の設定の概念）
剛性制御部１１７による剛性可変部６０の曲げ剛性変更にあたって重要な概念である、挿入部１１の湾曲形状の頂点及び挿入部１１における最大反力位置での曲げ剛性について説明する。

図１０には、挿入部１１の湾曲形状の頂点の位置Ａを含む所定の範囲、すなわち位置Ａを中心として斜線で示される範囲と、挿入部１１の長手方向において挿入部１１が被検体から受ける反力が最大となる最大反力位置Ｂとの一例が示されている。ここで、頂点とは、後述するように、前記挿入部の屈曲点、屈曲点を含む所定の範囲、前記挿入部の湾曲形状において屈曲半径が最小値である点、屈曲半径が最小値である点を含む所定の範囲であってよい。本実施形態では、図１０に双方向矢印で示されるＡ－Ｂの範囲に含まれる不図示の剛性可変部６０の曲げ剛性が剛性制御部１１７により高められる。これにより、挿入部先端の推進力Ｆが高まって挿入性が向上し、被検体内における挿入部１１のスムーズな進行が可能となる。

以下、Ａ－Ｂの範囲内にある剛性可変部６０の曲げ剛性を高めることが挿入部１１の挿入性向上につながることを説明する。

挿入部１１の湾曲形状の頂点の位置Ａ又は頂点Ａを含む所定の範囲よりも先端側の曲げ剛性を高くすることが挿入部１１の挿入性向上につながることを説明する。挿入部１１が湾曲している状態において、挿入部１１が不必要に撓むと挿入部１１を手元側から押し込んだときに進行方向への推進力が十分に伝わらなくなる。また、所定の屈曲半径以上の湾曲箇所全体の曲げ剛性を高くしてしまうと、可撓管部１４が被検体の湾曲形状に沿ってうまく曲がらず、可撓管部１４が被検体を伸展させうる。そこで、湾曲形状の頂点の位置Ａ又は頂点Ａを含む所定の範囲よりも先端側の曲げ剛性を高くすることにより、挿入部１１が不必要に撓むのを防ぎ、かつ、可撓管部１４が適度に曲がるようにする。頂点の位置Ａの剛性を高くすると、挿入部先端の推進力が所望の推進方向を向くことが数値解析等からも見出されている。

以下、挿入部１１が被検体７０から受ける反力と挿入部１１の推進力との関係に基づいて、挿入部１１の手元側よりも先端側の曲げ剛性値を相対的に高くすることで挿入部先端の挿入性が高まることを説明する。

図１１は、挿入部１１をモデリングした剛体リンクモデル２００を示す図である。３つの剛体リンク２０１、２０２、２０３が連結した剛体リンクモデル２００を考える。各剛体リンク２０１、２０２、２０３の全長はＬである。今、手元側の剛体リンク２０３の基端に力Ｆ１が加えられており、先端側の剛体リンク２０１の先端が被検体である腸壁を模した壁Ｗにぶつかった状態であると仮定する。この状態において、剛体リンク２０１の先端の推進力Ｆｙを高めることを考える。図１１におけるトルクのつりあいの式は、以下の式（１）、（２）のように表現される。

Ｔ_０＝Ｋ_０θ_０＝Ｒｘ・Ｌｓｉｎθ_０－Ｒｙ・Ｌｃｏｓθ_０＋Ｔ_１ ・・・式（１）
Ｔ_１＝Ｋ_１θ_１＝Ｒｘ・Ｌｓｉｎ（θ_０＋θ_１）－Ｒｙ・Ｌｃｏｓ（θ_０＋θ_１） ・・・式（２）
ここで、Ｔ_０、Ｔ_１は、それぞれ、剛体リンク２０３、２０２間及び剛体リンク２０２、２０１間の回転部のトルクであり、Ｋ_０、Ｋ_１は回転バネ剛性値、例えば回転バネ定数であり、θ_０、θ_１は、それぞれ、図１１に示される回転角であり、Ｆｘは剛体リンク２０１が壁Ｗに与える力であり、ＲｘはＦｘ（＝Ｆ１）の反力であり、Ｒｙは推進力Ｆｙの反力である。式（１）、（２）から、反力Ｒｘ、Ｒｙについて解くと、以下の式（３）、（４）が得られる。

Ｒｘ＝｛Ｔ_１ｃｏｓθ_０＋（Ｔ_１－Ｔ_０）ｃｏｓ（θ_０＋θ_１）｝／Ｌｓｉｎθ_１ ・・・式（３）
Ｒｙ＝｛Ｔ_１ｓｉｎθ_０＋（Ｔ_１－Ｔ_０）ｓｉｎ（θ_０＋θ_１）｝／Ｌｓｉｎθ_１ ・・・式（４）
ここで、作用反作用の法則から、Ｆｘ＝Ｒｘ＝Ｆ１、Ｆｙ＝Ｒｙである。式（３）、（４）にＴ_０＝Ｋ_０θ_０、Ｔ_１＝Ｋ_１θ_１を代入すると、式（５）が得られる。

Ｆｙ＝Ｒｙ＝｛Ｋ_１θ_１（ｓｉｎθ_０＋ｓｉｎ（θ_０＋θ_１））－Ｋ_０θ_０・ｓｉｎ（θ_０＋θ_１）｝／Ｌｓｉｎθ_１ ・・・式（５）
式（５）から、剛体リンク２０１の先端の推進力Ｆｙを高めるには、回転バネ剛性値に関してＫ_１＞Ｋ_０であればよいことがわかる。剛体リンクモデル２００において、その先端側の剛体リンクの曲げ剛性値がその基端側の剛体リンクの曲げ剛性値よりも大きければ、推進力Ｆｙが大きくなる。また、このとき、腸壁からの反力Ｒｘも大きくなる。すなわち、腸壁からの反力が高ければ推進力も高い。

図１２は、被検体に挿入されている挿入部１１を上述の剛体リンクモデル２００を用いてモデリングする概念を表す図である。上述の理論に基づけば、回転バネ剛性値Ｋ_１を回転バネ剛性値Ｋ_０よりも大きくすれば、すなわち、挿入部１１の先端側の曲げ剛性を基端側の曲げ剛性よりも高くすれば、挿入部１１の先端の推進力が増加する。このため、挿入部１１が前進しやすくなり、挿入部１１の挿入性が向上する。

以上のことから、本実施形態では、可撓管部１４の湾曲形状の頂点Ａ又は頂点Ａを含む所定の範囲よりも先端側において、可撓管部１４の曲げ剛性値を基端側、すなわち手元側よりも相対的に高くする。これにより、挿入部先端の推進力を高めて挿入性を向上させる。

しかしながら、頂点Ａから可撓管部１４の先端まで全体の可撓管部１４の曲げ剛性値を高めることは、挿入性の向上に必ずしも有効ではない。曲げ剛性を高めることで挿入性が向上する範囲を適切に設定することが望まれる。

以下、挿入部１１の湾曲形状の頂点Ａ又は頂点Ａを含む所定の範囲を始点として、これよりも先端側の所定の位置を終点とし、始点から終点までの範囲の曲げ剛性を高めることを考える。湾曲形状の頂点Ａ又は頂点Ａを含む所定の範囲を剛性変更範囲の始点として、これよりも先端側のどの位置を剛性変更範囲の終点とすることがより有効かを、数値解析結果に基づいて考察する。

図１３の左には、一様な曲げ剛性値を有する挿入部１１が被検体である腸壁３００に挿入されて湾曲している状態が示されている。ここで、挿入部１１の湾曲の頂点Ａを０として、挿入部１１の長手方向に沿った頂点Ａからの距離を定義する。

図１３の中央には、図１３の左に示される湾曲状態の挿入部１１における、挿入部１１の長手方向の位置と挿入部１１が腸壁３００から受ける反力との関係の数値解析結果の一例が示される。挿入部１１にかかる反力は、例えば、頂点からの距離が９０［ｍｍ］のところで最大となる。

図１３の右には、図１３の左及び中央に示される状態において、頂点Ａから所定の距離までの曲げ剛性を高めたときの挿入部１１の長手方向の位置と挿入部１１の推進力との関係の数値解析結果の一例が示されている。すなわち、反力最大位置Ｂが頂点からの距離が９０［ｍｍ］のところである場合に頂点Ａから３０、５０、７０、９０、１１０、１３０［ｍｍ］までの範囲の曲げ剛性を高めたときの推進力の一例が示されている。つまり、剛性変更の終点位置を変化させたときの推進力の一例が示されている。推進力は、剛性変更の終点位置に応じて変化している。

本発明者らは、図１３の中央及び右に示されるグラフからわかるように、反力が最大となる位置が推進力が一定となり始める位置と相関関係にあることを見出した。特に、図１３の右に示されるグラフからわかるように、反力最大位置Ｂよりも基端側、例えば頂点Ａからの距離が９０［ｍｍ］未満のところと、反力最大位置Ｂよりも先端側、例えば頂点Ａからの距離が９０［ｍｍ］以上のところとを比較すると、基端側では推進力が頂点Ａからの距離に比例するのに対して、先端側では推進力の大きさがそれほど変化せず一定値に近づく、すなわち収束する傾向にあることがわかった。例えば、頂点Ａから最大反力位置Ｂまでの範囲では挿入部１１の推進力が大きくなるが、それよりも先端側では挿入部１１の曲げは少ない、つまり反力最大値Ｂより先端側で上乗せされる推進力が小さいため、全体としての推進力はあまり変わらないと考えられる。

図１４の左には、先端側と基端側とで異なる曲げ剛性値を有する挿入部１１が被検体である腸壁３００に挿入されて湾曲している状態が示されている。ここでは、頂点の位置から１５［ｍｍ］のところよりも基端側における可撓管部１４の曲げ剛性値がＫ、それよりも先端側における可撓管部１４の曲げ剛性値が０．５Ｋであるとする。また、挿入部１１の湾曲の頂点Ａを０として、挿入部１１の長手方向に沿った頂点Ａからの距離を定義する。

図１４の中央には、図１４の左に示される湾曲状態の挿入部１１における、挿入部１１の長手方向の位置と挿入部１１が腸壁３００から受ける反力との関係の数値解析結果の一例が示される。挿入部１１にかかる反力は、例えば、頂点からの距離が７０［ｍｍ］のところで最大となる。

図１４の右には、図１４の左及び中央に示される状態において、頂点Ａから所定の距離までの曲げ剛性を高めたときの挿入部１１の長手方向の位置と挿入部１１の推進力との関係の数値解析結果の一例が示されている。すなわち、反力最大位置Ｂが頂点からの距離が７０［ｍｍ］のところである場合に頂点Ａから３０、５０、７０、９０、１１０［ｍｍ］までの範囲の曲げ剛性を高めたときの推進力の一例が示されている。

図１４では、反力が最大となる位置も推進力が一定となり始めるところも頂点からの距離が７０［ｍｍ］のところである。すなわち、図１３を参照して説明したのと同様に、反力最大位置と推進力が一定となり始める位置とが相関関係にあることが見出された。

このように、挿入部１１の曲げ剛性の配分によらず、腸壁から受ける反力が最大となる位置と推進力が一定になり始める位置とに相関が見られる。頂点から最大反力位置よりも先端に位置するところまでの剛性可変部６０の剛性を高めた場合も高い推進力を得ることができる。しかしながら、剛性変更の終点位置を反力最大位置より先端側としても、推進力を高める効果は終点位置の増加とともに高くはならない。頂点から反力最大位置までの範囲における曲げ剛性を高めれば、頂点から反力最大位置よりも先端側の範囲における曲げ剛性を高めた場合と同じように十分に高い推進力を得ることが可能である。

したがって、挿入部１１の湾曲形状の頂点の位置Ａと最大反力位置Ｂとの間のＡ－Ｂの範囲が、少なくとも、曲げ剛性を高めて挿入性を向上させるのに有効な範囲、すなわち有効範囲である。例えば、剛性を高める範囲が長すぎると、剛性を高めた範囲が、被検体の次の屈曲部に、例えば大腸の場合にはＳ状結腸頂上部、いわゆるＳ－ｔｏｐの後のＳ状結腸下行結腸移行部、いわゆるＳＤ－Ｊｕｎｃｔｉｏｎに到達しうる。そうなると硬い挿入部１１が屈曲部にさしかかることとなり、挿入性が低下してしまうことがある。挿入部１１の湾曲形状の頂点Ａと最大反力位置Ｂとの間に位置している剛性可変部６０の曲げ剛性を高めるように、剛性制御部１１７がその剛性可変部６０の剛性を制御することがより有効である。

より好ましい有効範囲の設定に関して、図１５を参照して以下でさらに考察する。
図１５の左に示される状態は、挿入部１１の曲げ剛性を変更する前の挿入部１１の湾曲状態である。挿入部１１の湾曲形状の頂点の位置Ａと、挿入部１１が被検体から受けている反力分布及び最大反力位置Ｂとが示されている。例えば、有効範囲Ａ－Ｂ間にある、挿入部１１の長手方向の範囲Ａ－Ｃに位置している剛性可変部６０の曲げ剛性が高められると仮定する。ここで、位置Ｃは、最大反力位置Ｂよりも手元側、すなわち基端側にある。また、Ｄ１で示される矢印は、挿入部１１の望ましい進行方向である。

上述の状態からＡ－Ｃ間に位置している剛性可変部６０の曲げ剛性を高めると、挿入部１１は、例えば、図１５の右に示される状態になりうる。すなわち、Ａ－Ｃ間に位置している剛性可変部６０の曲げ剛性を高めると、挿入部１１は、位置Ｃ付近を境に屈曲した形状になりうる。このような形状になると、挿入部先端の向きＤ２は、挿入部１１の望ましい進行方向Ｄ１とは異なる向きとなりうる。挿入部１１を所望の推進方向に推進させるためには、挿入部１１の頂点の位置から、挿入部１１の頂点よりも先端側において反力が最大となる位置までの曲げ剛性を高めることがより効果的である。例えば、可撓管部１４全体に剛性可変部６０を設けて、Ａ－Ｂ間全体の曲げ剛性を高めることが有効である。

なお、Ａ－Ｂ間全体の曲げ剛性を高めなくても、Ａ－Ｂ間に位置している剛性可変部６０の曲げ剛性を高めることで推進力が高まることに留意する。

挿入部１１の推進力を高めるのに適した範囲Ａ－Ｂ及びその範囲にある剛性可変部６０に関して、さらに説明する。図１６及び図１７には、一例として、挿入部１１の可撓管部１４に設けられた３つの剛性可変部６０－１、６０－２、６０－３が示されている。これら３つの剛性可変部のうち、最も先端側にある剛性可変部６０－１は、最大反力位置Ｂにかかっており、最も基端側にある剛性可変部６０－３は、頂点Ａにかかっている。すなわち、剛性可変部６０－１、６０－３は、挿入部１１の推進力を高めるのに適した範囲Ａ－Ｂの境界にまたがって位置している。剛性可変部６０－２は、範囲Ａ－Ｂ内に位置している。

このような場合には、少なくとも剛性可変部６０－２の剛性が高められる。剛性可変部６０－１、６０－３の剛性は、高めなくてもよい。図１６では、黒塗りで示される剛性可変部６０－２の剛性が高められており、塗られていない剛性可変部６０－１、６０－３の剛性は高められていない。範囲Ａ－Ｂ内に位置している剛性可変部６０－２の剛性を高めることで推進力を高めることができ、また、剛性可変部６０－１、６０－３の剛性を高めないことで推進力の低下を招かない。

剛性可変部６０－１、６０－３の剛性は、高めてもよい。図１７では、黒塗りで示される３つの剛性可変部６０－１、６０－２、６０－３の剛性が高められている。剛性可変部６０－２の剛性に加えて、範囲Ａ－Ｂに少なくとも一部が含まれている剛性可変部６０－１、６０－３の剛性を高めることで、推進力をより高めることができる。

図１８は、挿入部１１の長手方向における位置と挿入部１１の屈曲半径との関係の一例を示す図である。上述の頂点Ａは、挿入部１１の湾曲形状において屈曲半径が最小となる半径Ｒｍｉｎの位置であってよい。あるいは、図１９に示されるように、屈曲半径が所定値Ｒａ以下となる領域Ａ１、Ａ２を含む範囲を頂点とみなしてよい。

図２０は、挿入部１１の長手方向における位置と挿入部１１の屈曲半径と挿入部１１が被検体から受ける反力との関係の一例を示す図である。屈曲半径が実線で、反力が一点鎖線でそれぞれ示されている。ここでは、屈曲半径が最小値Ｒｍｉｎとなる位置Ａから反力が最大となる位置Ｂまでの範囲Ａ－Ｂが、曲げ剛性を高めて挿入性を向上させるのに有効な範囲である。頂点Ａは、屈曲点、屈曲半径が最小となる点又はその周辺、湾曲形状の中心位置又はその周辺など、湾曲形状に関して特徴を有する点であってよい。この範囲内に位置している剛性可変部６０の曲げ剛性を高めることで、挿入部の推進力が高まって挿入性が向上する。

（内視鏡装置の動作）
内視鏡装置１の動作について説明する。以下では、一例として、内視鏡１０は大腸内視鏡であり、被検体は大腸であるとする。挿入開始時には、可撓管部１４は所定の曲げ剛性初期値を有しており、その硬さは剛性可変部６０の最大曲げ剛性値でないものとする。すなわち、可撓管部１４の各セグメントは、挿入後に挿入開始時よりも硬くすることが可能である。

内視鏡１０の挿入部１１は、術者によって大腸内に、すなわち、肛門から直腸、結腸へと挿入される。挿入部１１は、腸管の屈曲形状に追従して湾曲しながら腸管内を進行する。内視鏡１０は、先端硬質部１２の撮像素子２５により腸管内の被写体からの光を電気信号に変換する。そして、電気信号が制御装置１００に伝達される。制御装置１００の画像処理部１１２は、その電気信号を取得して、取得した電気信号をビデオ信号に変換処理する。そして、制御装置１００の表示制御部１１３が、ビデオ信号に基づく内視鏡画像を表示装置４０に表示させる。

挿入中、制御装置１００のコイル制御部１１４が、そのコイル出力部から各ソースコイル５２に電圧を印加させる。これにより、各ソースコイル５２はその周囲に微弱な磁界を発生する。すなわち、各ソースコイル５２からその位置に関する情報が出力される。アンテナ５４は、ソースコイル５２が発生した磁界を検出して、検出信号を形状算出部１１５に出力する。

以下、図２１を参照して、上述の形状算出部１１５への出力に続く、制御装置１００による剛性制御のフローの一例について説明する。

ステップＳ１１において、形状算出部１１５は、アンテナ５４からの検出信号をその受信部で受信して、これに基づいて挿入部１１の形状を算出する。

なお、表示制御部１１３は、算出された形状に基づいて、それに対応した画像を生成して表示装置４０に表示させてよい。

ステップＳ１２において、形状算出部１１５は、算出した形状における湾曲形状の頂点の位置を特定する。頂点の位置は、湾曲形状における長手方向の各位置の曲率又は曲率半径、例えば図１８に示されるような屈曲半径の値を算出することにより特定してよい。

ステップＳ１３において、反力算出部１１６は、形状算出部１１５が算出した形状情報と、剛性可変部６０の現在の剛性値とを取得して、取得した形状と現在の剛性値とに基づいて、挿入部１１が被検体７０から受ける反力の値を算出する。反力の算出には、種々の手法が用いられてよく、例えば、図１１を参照して説明したような概念に基づいて数値解析的に、あるいは力学的に反力を求めることが可能である。

以下、反力の算出方法の一例を説明する。
反力算出部１１６は、例えば、可撓管部１４のセグメントごとに、「形状情報及び曲げ剛性から推定される第１の曲げモーメントＭｂ」と「外部から加えられる力から推定される第２の曲げモーメントＭｆ」とがほぼ等しいという検出原理に基づいて、可撓管部１４が被検体７０から受ける反力の値を算出する。これは、静的な力の釣り合いに基づくものであり、挿入部１１及び被検体７０の動きが緩やかであることを前提としている。曲げモーメントの釣り合いの他にも、「挿入部１１の変形状態から推定される第１の内力」と「外部から加えられる力から推定される第２の内力」とがほぼ等しいという検出原理に基づいた反力の算出を行ってもよい。内力は、例えば、軸力、せん断力、捻りモーメントなどであってよい。

以下、「形状情報及び曲げ剛性から推定される第１の曲げモーメントＭｂ」と「外部から加えられる力から推定される第２の曲げモーメントＭｆ」とがほぼ等しいという検出原理に基づく反力算出について説明する。

図２２は、挿入部１１をセグメント分けした様子を示している。セグメントは、挿入部１１の先端側のセグメントＳＧ_１から手元側のセグメントＳＧ_ＮまでＮ個あるものとする。これらのうち、セグメントＳＧ_ｓからセグメントＳＧ_ｅまでのＮ_ｓ個のセグメントを算出対象とする。

第１の曲げモーメントＭｂの算出について、単純化のために２次元の場合について説明する。各セグメントは、曲げモーメントが加わらない場合、真っ直ぐとする。

ｉ番目のセグメントであるセグメントＳＧ_ｉの湾曲形状を図２３に示す。セグメントＳＧ_ｉの形状を円弧に近似している。

ここで、以下のように定義を行う。なお、以下では「ｉ」はセグメントＳＧ_ｉに対応する添え字である。
形状から推定される曲げモーメント： Ｍｂ_ｉ
ヤング率： Ｅ_ｉ
断面２次モーメント： Ｉ_ｉ
セグメントＳＧ_ｉの方向ベクトル： ｅ_ｉ
ここで、方向ベクトルｅ_ｉは、セグメントＳＧ_ｉ＋１とセグメントＳＧ_ｉとの接続部での方向ベクトルであり、セグメントＳＧ_ｉ－１側に向く。
紙面に垂直な方向ベクトル： Ｖ_ｉ
曲率： χ_ｉ（＝１／ρ_ｉ）
ここで、ρ_ｉは曲率半径である。
曲げ剛性： Ｇ_ｉ（＝Ｅ_ｉ・Ｉ_ｉ）

このとき、任意のセグメントＳＧ_ｉについて、材料力学から以下の関係が成り立つ。
Ｍｂ_ｉ＝Ｅ_ｉ／ρ_ｉ・Ｉ_ｉ ・・・式（６）
α_ｉ＝Ｌ_ｉ／ρ_ｉ ・・・式（７）
ここで、α_ｉは角度［ｒａｄ］である。

式（６）及び式（７）から、以下の関係が導かれる。
Ｍｂ_ｉ＝（α_ｉ／Ｌ_ｉ）・（Ｅ_ｉ・Ｉ_ｉ）＝χ_ｉ・Ｇ_ｉ ・・・式（９）
ここで、「Ｅ_ｉ・Ｌ_ｉ＝Ｇ_ｉ」が曲げ剛性と呼ばれる。

式（９）から、形状情報から推定される、セグメントＳＧ_ｉでの曲げモーメントＭｂ_ｉが求められる。

２次元では、挿入部１１の先端に近いセグメントＳＧ_ｉ－１側が左回りに曲がるとき、曲げモーメントＭｂ_ｉ＞０及び角度α_ｉ＞０とする。

なお、３次元の場合、湾曲方向は、紙面に垂直な方向まわりに湾曲させる方向又は方向ベクトルｅ_ｉ及びＶ_ｉの両方に垂直な方向としてよい。このとき、曲げモーメントＭｂ_ｉは、スカラーと上記方向との組合せ、又は、ベクトルとして表現される。

第２の曲げモーメントＭｆの具体的な算出について、単純化のために挿入部１１に１つの力が働く場合から説明する。図２４において、外力によってセグメントＳＧ_ｉに印加される第２の曲げモーメントＭｆ_ｉは、力学的に以下のようになる。

＜＜２次元（ＸＹ座標）の場合＞＞
ここではベクトルである押圧力Ｆのかかる位置がセグメントＳＧ_ｉの位置よりも先端側にある場合には、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉは、以下の通りである。なお、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉはスカラーであり、左回りの曲げモーメントのとき値＋とする。
Ｍｆ_ｉ＝（ｄ_ｉ×Ｆ）のｚ成分 ・・・式（１０ａ）
ここで、
「×」： 外積
ｄ_ｉ： セグメントＳＧ_ｉの中心から押圧力Ｆのかかった位置までのベクトル
である。
Ｍｆ_ｉ＝｜ｄ_ｉ×Ｆ｜（絶対値）
としてもよい。

また、押圧力Ｆのかかる位置がセグメントＳＧ_ｉの位置よりも手元側にある場合には、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉは、以下の通りである。
Ｍｆ_ｉ＝０ ・・・式（１０ｂ）
これはスカラーである。

＜＜３次元の場合＞＞
ここではベクトルである押圧力Ｆのかかる位置がセグメントＳＧ_ｉの位置よりも先端側にある場合には、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉは、以下の通りである。なお、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉはベクトルである。
Ｍｆ_ｉ＝ｄ_ｉ×Ｆ ・・・式（１０ｃ）

また、押圧力Ｆのかかる位置がセグメントＳＧ_ｉの位置よりも手元側にある場合には、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉは、以下の通りである。
Ｍｆ_ｉ＝０ ・・・式（１０ｄ）
これは０ベクトルである。０ベクトルとは、大きさ０のベクトルのことである。

次に、挿入部１１に複数の力が働く場合について説明する。複数の力が働く場合には、力のかかる位置がセグメントＳＧ_ｉの位置よりも先端側にある押圧力Ｆ_ｊについて、複数の力の合力を計算すればよい。力が分布荷重の場合、後述するように、特定の複数点に集中しているものとみなせばよい。

＜＜２次元（ＸＹ座標）の場合＞＞
この場合、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉは、以下の通りである。
Ｍｆ_ｉ＝［Σ（ｄ_ｉｊ×Ｆ_ｊ）］のｚ成分
ただし、セグメントＳＧ_ｉの位置よりも先端側にある力のみ計算する。 ・・・式（１１ａ）
ここで、
Ｆ_ｊ： 外力（ベクトル）
「×」： 外積
である。
Ｍｆ_ｉ＝｜Σ（ｄ_ｉｊ×Ｆ_ｊ）｜（絶対値）
としてもよい。

＜＜３次元の場合＞＞
この場合、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉは、以下の通りである。
Ｍｆ_ｉ＝Σ（ｄ_ｉｊ×Ｆ_ｊ）
ただし、セグメントＳＧ_ｉの位置よりも先端側にある力のみ計算する。 ・・・式（１１ｂ）

反力算出部１１６は、例えば、上述のような第１の曲げモーメントＭｂ_ｉと第２の曲げモーメントＭｆ_ｉとの関係Ｍｆｉ≒Ｍｂｉに基づいて、反力の位置と向きと大きさとの少なくとも１つを算出する。例えば、押圧力Ｆ又はＦ_ｊのかかる位置と、向きと、大きさとの少なくとも１つが算出される。

ここに例示したような手法を用いて、反力算出部１１６は、ステップＳ１３において、挿入部１１が被検体７０から受ける反力の値を算出してよい。

ステップＳ１４において、反力算出部１１６は、形状算出部１１５が算出した湾曲形状において頂点よりも先端側で、可撓管部１４の長手方向に沿った反力の値の分布を取得して、反力の値が最大である最大反力位置を特定する。

ステップＳ１５において、剛性制御部１１７は、形状算出部１１５が特定した頂点と反力算出部１１６が特定した最大反力位置との間に位置している剛性可変部６０の曲げ剛性を高めるように、剛性可変部６０の剛性を制御する。このとき、剛性制御部１１７は頂点と最大反力位置との間の領域が湾曲している状態を維持するようにして、剛性可変部６０の剛性を制御する。ステップＳ１５の後、処理はステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１以降の処理が繰り返される。

このように、内視鏡装置１では、挿入中の可撓管部１４の湾曲形状情報及び反力情報に基づいて、剛性制御部１１７が剛性可変部６０を駆動させて可撓管部１４の曲げ剛性を変更させる。

図２５は、制御装置１００による剛性制御のフローの他の例を示す図である。
ステップＳ２１において、形状算出部１１５が、形状検出部としての各ソースコイル５２及びアンテナ５４から取得した状態情報に基づいて、挿入部１１の形状変化を、例えば可撓管部１４の形状変化を検出する。形状変化は、例えば、ある時刻における挿入部１１の形状と、ある時刻の後の時刻における挿入部１１の形状とを比較することにより検出可能である。

ステップＳ２２において、制御装置１００は、不図示の判定部により、挿入部１１が進んでいるか否かを判定する。挿入部１１が進んでいるか否かの判定には、ステップＳ２１で算出した可撓管部１４の形状変化の情報を用いてよい。

挿入部１１が進んでいると判定された場合には（ステップＳ２２－Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２１に戻る。挿入部１１が進んでいないと判定された場合には（ステップＳ２２－Ｎｏ）、処理はステップＳ２３に進む。

ステップＳ２３において、剛性制御部１１７は、剛性制御をＯＮにする。これにより、例えば、図２１に示される処理が行われて、湾曲形状の頂点Ａと最大反力位置Ｂとの間に位置している剛性可変部６０の剛性を高めるように剛性可変部６０の剛性が制御される。

ステップＳ２４において、形状算出部１１５が、形状検出部としての各ソースコイル５２及びアンテナ５４から取得した状態情報に基づいて、挿入部１１の形状変化を、例えば可撓管部１４の形状変化をステップＳ２１と同様にして検出する。

ステップＳ２５において、制御装置１００は、不図示の判定部により、挿入部１１が進んでいるか否かをステップＳ２２と同様にして判定する。挿入部１１が進んでいるか否かの判定には、ステップＳ２４で算出した可撓管部１４の形状変化を用いてよい。

挿入部１１が進んでいないと判定された場合には（ステップＳ２５－Ｎｏ）、処理はステップＳ２４に戻る。挿入部１１が進んでいると判定された場合（ステップＳ２５－Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２６に進む。

ステップＳ２６では、剛性制御部１１７は、剛性制御をＯＦＦにする。これにより、ステップＳ２３で剛性が高められた剛性可変部６０の剛性が元に戻される。ステップＳ２６の後、処理はステップＳ２１に戻り、ステップＳ２１以降の処理が繰り返される。

例えば、挿入部１１がその湾曲形状の変化からスタック等により進んでいないと判定された場合に、剛性制御部１１７は、湾曲形状の頂点Ａと最大反力位置Ｂとの間に位置している剛性可変部６０の剛性を高める。そして、さらなる湾曲形状の変化からスタック等が解消して挿入部１１が進んでいると判定された場合には、当該剛性可変部６０の剛性が元に戻される。

なお、ステップＳ２１、Ｓ２４の形状変化検出に代えて、内視鏡１０による内視鏡画像の検出及び解析に基づいて、ステップＳ２２、Ｓ２５における挿入部１１の進行の判定をしてもよい。

図２５に示される剛性制御では、制御装置１００による剛性制御ＯＮ／ＯＦＦ、すなわち自動剛性制御の例が示されたが、剛性制御ＯＮ／ＯＦＦは術者等によって手動で行われてもよい。

剛性変更範囲が被検体に対して常に決まった位置にあってもよい。図２６には、下行結腸３０１から脾湾曲部３０２を通って左横行結腸３０３へと挿入されている挿入部１１が示されている。図２６の左に示されるように、例えば、時刻ｔ１のとき、剛性制御部１１７は、湾曲形状の頂点Ａと反力最大位置Ｂとの間に位置している剛性可変部６０の曲げ剛性が高くなるようにその剛性可変部６０の剛性を制御する。図２６の中央に示されるように、時刻ｔ１後の時刻ｔ２においても、Ａ－Ｂ間の剛性可変部６０の曲げ剛性が高くされる。さらに、図２６の右に示されるように、時刻ｔ２後の時刻ｔ３においても、Ａ－Ｂ間の剛性可変部６０の曲げ剛性が高くされる。このように、被検体に対して常に決まった位置にあるＡ－Ｂ間に位置している剛性可変部６０の曲げ剛性が高くされる。

図２７は、図２６に示される各時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３における挿入部１１を直線状にして示した図である。湾曲形状の頂点Ａ及び反力最大位置Ｂは、挿入が順調に進んでいれば時刻とともに変化する。図２７では、例えば、頂点Ａ及び反力最大位置Ｂは、時間の経過とともに挿入部１１の先端側から基端側へとシフトしている。剛性制御部１１７により曲げ剛性が高められる剛性可変部６０は、Ａ－Ｂの範囲の中にあればよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、挿入部１１の湾曲形状に加えて、挿入部１１が被検体から受ける反力に基づいて、挿入部１１の推進力を高めるのに適した範囲に位置している剛性可変部６０の曲げ剛性を高めることにより、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。

従来は、挿入部１１の湾曲形状のみで、例えば単純な曲率あるいは直線状態などの検出に基づいて曲げ剛性を高める範囲を設定している。しかしながら、例えば、被検体である腸管は、癒着などに起因して、曲率が必ずしも一様に増加又は減少するものではない。また、挿入部の湾曲形状も単純ではない。それ故、湾曲形状のみでは剛性を変化させる適正な範囲が判断できないことがある。

また、例えば、挿入部１１は場合によってはある方向に曲がったまま元に戻らない、いわゆる曲がり癖がありうる。曲がり癖がある場合、腸壁に接触していない場合であっても曲がりが検出されてしまう。それ故、湾曲形状のみでは剛性を変化させる適正な範囲が判断できないことがある。

これに対して、本実施形態によれば、挿入部１１の湾曲形状及び腸壁からの反力に基づいて剛性変更範囲を設定しているため、推進力を高めるのに効果的な範囲の曲げ剛性を確実に高めることが可能となる。特に、剛性変更範囲の先端側位置を最大反力位置に設定することにより、剛性変更範囲を長すぎることなく設定することができ、挿入性を確実に向上させることができる。

また、頂点と最大反力位置との間の領域が図１１及び図１２を参照して説明したような湾曲状態を維持していると、推進力の低下を防ぐことができる。このため、剛性制御部１１７は、挿入部１１の頂点と最大反力位置との間の領域が湾曲している状態を維持するようにして剛性可変部６０の剛性を制御することがより好ましい。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態について、図２８を参照して説明する。第２の実施形態において、第１の実施形態と同様の構成には同様の参照符号を付してその説明を省略する。以下の説明では、主として、第２の実施形態と第１の実施形態との相違点を説明する。

図２８は、第２の実施形態における内視鏡装置１ｅの一例を示すブロック図である。内視鏡装置１ｅは、内視鏡１０ｅと、光源装置２０と、入力装置３０と、表示装置４０と、形状検出装置５０と、制御装置１００ｅとを有している。

内視鏡１０ｅは、挿入部１１に、例えば可撓管部１４に複数の力覚センサ８０を有している。力覚センサ８０は、被検体から挿入部１１に加えられる外力を直接検出するセンサである。力覚センサ８０は、例えば、挿入部１１の長手軸方向に沿って所定の間隔を空けて配置されている。力覚センサ８０は、小型かつ薄型で超高感度検出が可能なセンサであってよい。

制御装置１００ｅは、反力取得部１１８を有している。反力取得部１１８は、力覚センサ８０で検出した外力を反力として取得する。

本実施形態では、制御装置１００ｅは反力を算出しない。反力取得部１１８が、力覚センサ８０の検出情報から、形状算出部１１５が算出した湾曲形状において頂点よりも先端側で、可撓管部１４の長手方向に沿った反力の値の分布を取得して、取得した反力の値が最大である最大反力位置を特定する反力値特定部として機能する。

このような構成であっても、湾曲形状の頂点と反力最大位置との間にある剛性可変部６０の曲げ剛性を高める制御により、挿入部の推進力を高めることができ、挿入性の高い可撓管挿入装置を提供することが可能となる。

例えば、挿入部１１が挿入される腸管や内臓などの被接触部の弾性係数は均一とは限らない。つまり、被接触部の変位量が同じであっても反力が異なる場合がある。このような場合にあっては、剛性を変化させる適切な範囲が判断できないことがある。

これに対して、本実施形態では、腸壁からの反力を力覚センサ８０で直接検出しているため、推進力を高めるのに効果的な範囲を確実に設定可能である。

ここまで、医療用の内視鏡１０を備えた内視鏡装置１を挙げて本発明の各実施形態を説明してきたが、本発明は内視鏡装置に限定されるものではなく、可撓性の挿入部を有する可撓管挿入装置を含む。

なお、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。

Claims (10)

1. 先端と基端とを有し、前記先端から被検体に挿入され、前記被検体に接触したときに前記被検体からの反力を受けて湾曲する、可撓性の大腸内視鏡の挿入部と、
   前記挿入部に少なくとも部分的に設けられ、これが設けられた所の前記挿入部の剛性を変更可能な剛性可変部と、
   前記挿入部の湾曲形状を検出する形状検出部と、
   検出された前記湾曲形状の頂点を特定する頂点特定部と、
   前記湾曲形状において前記頂点よりも前記先端側で前記反力の値の分布を取得し、前記反力の値が最大である最大反力位置を特定する反力値特定部と、
   前記頂点と前記最大反力位置との間に位置している前記剛性可変部の剛性を高めるように前記剛性可変部の剛性を制御する剛性制御部と、
   を具備する、可撓管挿入装置。
2. 前記挿入部の長手軸方向に沿って前記挿入部に設けられた複数の力覚センサを有し、
   前記反力値特定部は、前記力覚センサから前記反力の値の分布を取得する、請求項１に記載の可撓管挿入装置。
3. 前記反力値特定部は、前記挿入部の形状と前記剛性可変部の現在の剛性値とを取得して、取得した前記形状及び前記現在の剛性値に基づいて前記反力の値の分布を算出する反力算出部を含む、請求項１に記載の可撓管挿入装置。
4. 前記剛性制御部は、前記剛性可変部の剛性を高めるときに、前記頂点と前記最大反力位置との間の領域が湾曲している状態を維持するように前記剛性可変部の剛性を制御する、請求項１に記載の可撓管挿入装置。
5. 前記挿入部の長手方向に沿って設けられた、請求項１に記載の前記剛性可変部を含む複数の剛性可変部を有し、
   前記剛性制御部は、前記複数の剛性可変部のうち、前記頂点と前記最大反力位置との間に位置している前記剛性可変部の剛性が高まるように前記剛性可変部の剛性を制御する、請求項１に記載の可撓管挿入装置。
6. 前記剛性制御部が前記剛性可変部の剛性を高めた後に前記挿入部が進んだか否かを判定する判定部をさらに具備し、
   前記剛性制御部は、前記判定部が前記挿入部が進んだと判定したときに、剛性を高めた前記剛性可変部の剛性を低下させる、請求項１に記載の可撓管挿入装置。
7. 前記形状検出部は、前記剛性制御部が前記剛性可変部の剛性を高めた後の前記挿入部の前記湾曲形状の変化を検出し、
   前記判定部は、前記湾曲形状の前記変化に基づき、前記剛性制御部が前記剛性可変部の剛性を高めた後に前記挿入部が進んだか否かを判定する、請求項６に記載の可撓管挿入装置。
8. 先端と基端とを有し、前記先端から被検体に挿入され、前記被検体に接触したときに前記被検体からの反力を受けて湾曲する可撓性の大腸内視鏡の挿入部に少なくとも部分的に設けられ、これが設けられた所の前記挿入部の剛性を変更可能な剛性可変部の剛性を制御する、剛性制御装置であって、
   前記挿入部の湾曲形状を取得して、取得した前記湾曲形状の頂点を特定する頂点特定部と、
   前記湾曲形状において前記頂点よりも前記先端側で前記反力の値の分布を取得して、前記反力の値が最大である最大反力位置を特定する反力値特定部と、
   前記頂点と前記最大反力位置との間に位置している前記剛性可変部の剛性を高めるように前記剛性可変部の剛性を制御する剛性制御部と、
   を具備する、剛性制御装置。
9. 先端と基端とを有し、前記先端から被検体に挿入され、前記被検体に接触したときに前記被検体からの反力を受けて湾曲する可撓性の大腸内視鏡の挿入部に少なくとも部分的に設けられ、これが設けられた所の前記挿入部の剛性を変更可能な剛性可変部の剛性を制御する、剛性制御装置の作動方法であって、
   頂点特定部が、前記挿入部の湾曲形状を取得して、取得した前記湾曲形状の頂点を特定することと、
   反力値特定部が、前記湾曲形状において前記頂点よりも前記先端側で前記反力の値の分布を取得して、前記反力の値が最大である最大反力位置を特定することと、
   剛性制御部が、前記頂点と前記最大反力位置との間に位置している剛性可変部であって、前記挿入部に少なくとも部分的に設けられ、これが設けられた所の前記挿入部の剛性を変更可能な剛性可変部の剛性を高めるように前記剛性可変部の剛性を制御することと、
   を含む、剛性制御装置の作動方法。
10. コンピュータを、
    先端と基端とを有し、前記先端から被検体に挿入され、前記被検体に接触したときに前記被検体からの反力を受けて湾曲する可撓性の大腸内視鏡の挿入部の湾曲形状を取得して、取得した前記湾曲形状の頂点を特定する頂点特定部と、
    前記湾曲形状において前記頂点よりも前記先端側で前記反力の値の分布を取得して、前記反力の値が最大である最大反力位置を特定する反力値特定部と、
    前記挿入部に少なくとも部分的に設けられ、これが設けられた所の前記挿入部の剛性を変更可能な剛性可変部が前記頂点と前記最大反力位置との間に位置しているときに前記剛性可変部の剛性を高めるように前記剛性可変部の剛性を制御する剛性制御部として機能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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