WO2021044661A1

WO2021044661A1 - 内視鏡システム及びその作動方法

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Publication number: WO2021044661A1
Application number: PCT/JP2020/016696
Authority: WO
Inventors: 友則横田
Original assignee: 富士フイルム株式会社
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2021-03-11
Also published as: EP4027183A4; EP4027183A1; JPWO2021044661A1; JP7234386B2

Abstract

内視鏡システムは、磁界を検出する磁界検出素子に接続され、かつ磁界検出素子により検出された磁界に応じた検出信号を出力する回路網の周波数特性を取得し、磁界を発生させた磁界発生素子の駆動波形を微分して得られた微分波形を周波数特性に従って補正することによって正規化用波形を生成し、回路網から出力された検出信号を正規化用波形により正規化することによって磁界の強さを導出し、磁界の強さを用いて、被検体内に挿入される内視鏡の挿入部の位置及び形状の少なくとも一方を含む挿入状態を検出する。

Description

内視鏡システム及びその作動方法

　本開示は、内視鏡システム及びその作動方法に関する。

　磁界発生素子により発生された磁界の強さに基づいて、磁界発生素子から離れた磁界検出素子の位置及び角度を求める技術が開示されている（特許第３４３２８２５号公報参照）。この技術では、内視鏡の挿入部に設けられた磁界検出素子の位置及び角度を求めることによって、内視鏡の挿入部の形状を求める。

　一般的に、磁界の強さは、磁界検出素子で発生した起電力の電圧を、磁界発生素子を駆動するための電流の微分値で正規化することによって導出することができる。この磁界検出素子で発生した起電力の電圧は、アンプ及びフィルタなどを有する回路網に入力され、回路網から起電力の電圧に応じた出力信号が出力される。この回路網の出力信号は、回路網の周波数特性の影響を受ける。

　この周波数特性を考慮せずに回路網の出力信号を正規化すると、磁界の強さを精度良く導出できない場合がある。この場合、被検体内に挿入される内視鏡の挿入部の位置及び形状の少なくとも一方を含む挿入状態を精度良く検出できない。しかしながら、特許第３４３２８２５号公報に記載の技術では、回路網の周波数特性については考慮されていない。

　本開示は、以上の事情を鑑みてなされたものであり、内視鏡の挿入部の位置及び形状の少なくとも一方を含む挿入状態を精度良く検出することができる内視鏡システム及びその作動方法を提供する。

　本開示の内視鏡システムは、磁界を検出する磁界検出素子に接続され、かつ磁界検出素子により検出された磁界に応じた検出信号を出力する回路網の周波数特性を取得する取得部と、磁界を発生させた磁界発生素子の駆動波形を微分して得られた微分波形を周波数特性に従って補正することによって正規化用波形を生成する補正部と、回路網から出力された検出信号を正規化用波形により正規化することによって磁界の強さを導出する導出部と、磁界の強さを用いて、被検体内に挿入される内視鏡の挿入部の位置及び形状の少なくとも一方を含む挿入状態を検出する挿入状態検出部と、を含む。

　なお、本開示の内視鏡システムは、周波数特性が、内視鏡が備える記憶部に記憶されていてもよい。

　また、本開示の内視鏡システムは、磁界検出素子の出力インピーダンスに関する値と、回路網が有する受信回路であって磁界検出素子に接続される受信回路の入力インピーダンスに関する値とを用いて、磁界検出素子及び受信回路の組の周波数特性を導出する第２導出部を更に含み、補正部が、取得部により取得された第１の周波数特性に加えて、第２導出部により導出された第２の周波数特性に従って微分波形を補正することによって正規化用波形を生成してもよい。

　また、本開示の内視鏡システムは、出力インピーダンスに関する値が、磁界検出素子の抵抗値であり、入力インピーダンスに関する値が、受信回路の前段に設けられるコンデンサの静電容量であってもよい。

　また、本開示の内視鏡システムの作動方法は、磁界を検出する磁界検出素子に接続され、かつ磁界検出素子により検出された磁界に応じた検出信号を出力する回路網の周波数特性を取得する取得ステップと、磁界検出素子により検出される磁界を発生させる磁界発生素子の駆動波形を微分して得られた微分波形を周波数特性に従って補正することによって正規化用波形を生成する補正ステップと、回路網から出力された検出信号を正規化用波形により正規化することによって磁界検出素子により検出された磁界の強さを導出する導出ステップと、磁界の強さを用いて、被検体内に挿入される内視鏡の挿入部の位置及び形状の少なくとも一方を含む挿入状態を検出する挿入状態検出ステップと、を備える。

　本開示によれば、内視鏡の挿入部の位置及び形状の少なくとも一方を含む挿入状態を精度良く検出することができる。

内視鏡システムを用いた内視鏡検査の様子を示す説明図である。内視鏡システムの全体構成を示す概略図である。第１実施形態に係る内視鏡システムの電気的構成を示すブロック図である。磁界検出回路の電気的構成を示すブロック図である。複数の発生コイルが発生する磁界を、複数の検出コイルが検出する様子を示す説明図である。磁界測定データの一例を示す説明図である。判別部による判別処理と、位置検出部による各検出コイルの位置検出処理とを説明するための図である。複数の発生コイルの切り替え制御、及び複数の検出コイルの切り替え制御を説明するための図である。磁界の強さの導出処理を説明するための図である。周波数特性テーブルの一例を示す図である。各実施形態に係る周波数特性テーブルに周波数特性として記憶されるゲインの一例を示す図である。各実施形態に係る周波数特性テーブルに周波数特性として記憶される位相の一例を示す図である。変形例に係る周波数特性テーブルに周波数特性として記憶されるゲインの一例を示す図である。変形例に係る周波数特性テーブルに周波数特性として記憶される位相の一例を示す図である。第１実施形態に係る挿入状態検出部の機能的な構成の一例を示すブロック図である。周波数特性による微分波形の補正処理を説明するための図である。挿入部の形状検出処理の一例を示す説明図である。各実施形態に係る観察画像及び挿入部形状画像の表示処理の一例を示すフローチャートである。第２実施形態に係る内視鏡システムの電気的構成を示すブロック図である。検出コイルの等価回路及び計装アンプの回路構成の一例を示す図である。抵抗値テーブルの一例を示す図である。静電容量テーブルの一例を示す図である。第２実施形態に係る挿入状態検出部の機能的な構成の一例を示すブロック図である。変形例に係る発生コイルの設置位置及び設置角度を説明するための図である。変形例に係る発生コイルの実際の設置位置を説明するための図である。変形例に係る発生コイルの実際の設置角度を説明するための図である。

　以下、図面を参照して、本開示の技術を実施するための形態例を詳細に説明する。

　［第１実施形態］
　＜内視鏡システムの全体構成＞
　図１は、本開示の技術に係る内視鏡システム９の全体構成を示す概略図である。図１に示すように、内視鏡システム９は、内視鏡１０と、光源装置１１と、ナビゲーション装置１２と、磁界発生器１３と、プロセッサ装置１４と、モニタ１５と、を備える。内視鏡システム９は、患者などの被検者Ｈの体内の内視鏡検査に用いられる。被検者Ｈは、被検体の一例である。この内視鏡１０は、例えば、大腸などの消化管内に挿入される内視鏡であり、可撓性を有する軟性内視鏡である。内視鏡１０は、消化管内に挿入される挿入部１７と、挿入部１７の基端側に連設され且つ術者ＯＰが把持して各種操作を行う操作部１８と、操作部１８に連設されたユニバーサルコード１９と、を有する。

　内視鏡検査は、例えば、被検者Ｈを寝台１６に寝かせた状態で行う。大腸検査の場合は、医師である術者ＯＰによって、内視鏡１０の挿入部１７が肛門から消化管内に挿入される。光源装置１１は、観察部位である大腸内を照明する照明光を内視鏡１０に供給する。プロセッサ装置１４は、内視鏡１０で撮像された画像を処理することにより、観察画像４１を生成する。観察画像４１は、モニタ１５に表示される。術者ＯＰは、観察画像４１を確認しながら内視鏡検査を進める。モニタ１５に表示される観察画像４１は、基本的には動画であるが、観察画像４１として、必要に応じて静止画を表示することも可能である。

　また、内視鏡システム９は、術者ＯＰが行う内視鏡１０の挿入操作などの手技をナビゲーションするナビゲーション機能を備えている。ここで、ナビゲーションとは、被検者Ｈの体内での内視鏡１０の挿入部１７の位置及び形状の少なくとも一方を含む挿入状態を、術者ＯＰに対して提示することにより、術者ＯＰの内視鏡１０の手技を支援することをいう。ナビゲーション機能は、磁界ＭＦを利用して挿入部１７の挿入状態を検出して、検出した挿入状態を提示する機能である。本実施形態において、挿入状態は、体内に挿入された挿入部１７の一部（例えば、後述する先端部２３）の位置に加えて、体内における挿入部１７全体の形状を含む。

　ナビゲーション機能は、ナビゲーション装置１２と、磁界発生器１３と、後述する内視鏡１０内の磁界測定装置とによって実現される。磁界発生器１３は、磁界ＭＦを発生する。磁界発生器１３は、例えば、スタンドに取り付けられており、被検者Ｈが横たわる寝台１６の傍らに配置される。また、磁界発生器１３は、発生する磁界ＭＦが被検者Ｈの体内に届く範囲内に配置される。

　内視鏡１０内の磁界測定装置は、磁界発生器１３が発生する磁界ＭＦを検出し、検出した磁界ＭＦの強さを測定する。ナビゲーション装置１２は、磁界測定装置による磁界測定結果に基づいて、磁界発生器１３と挿入部１７との相対的な位置を導出することにより、挿入部１７の挿入状態を検出する。プロセッサ装置１４は、ナビゲーション装置１２が検出した挿入状態を表す挿入部形状画像４２を生成する。

　モニタ１５は、観察画像４１と挿入部形状画像４２とを表示する。なお、観察画像４１と挿入部形状画像４２とを表示するモニタ１５がそれぞれ別に設けられていてもよい。

　図２に示すように、挿入部１７は、細径でかつ長尺の管状部分であり、基端側から先端側に向けて順に、軟性部２１と、湾曲部２２と、先端部２３とが連接されて構成される。軟性部２１は、可撓性を有する。湾曲部２２は、操作部１８の操作により湾曲可能な部位である。先端部２３は、撮像装置４８（図３参照）等が配置される。また、図示しないが、先端部２３の先端面には、観察部位に照明光を照明する照明窓４６（図３参照）と、照明光が被写体で反射した被写体光が入射する観察窓４７（図３参照）と、処置具を突出させるための処置具出口と、観察窓４７に気体及び水を噴射することにより、観察窓４７を洗浄するための洗浄ノズルとが設けられている。

　挿入部１７内には、ライトガイド３３と、信号ケーブル３２と、操作ワイヤ（不図示）と、処置具挿通用の管路（不図示）とが設けられている。ライトガイド３３は、ユニバーサルコード１９から延設され、光源装置１１から供給される照明光を、先端部２３の照明窓４６に導光する。信号ケーブル３２は、撮像装置４８からの画像信号及び撮像装置４８を制御する制御信号の通信に加えて、撮像装置４８に対する電力供給に用いられる。信号ケーブル３２も、ライトガイド３３と同様に、ユニバーサルコード１９から延設され、先端部２３まで配設されている。

　操作ワイヤは、湾曲部２２を操作するためのワイヤであり、操作部１８から湾曲部２２までの間に配設される。処置具挿通用の管路は、鉗子などの処置具（不図示）を挿通するための管路であり、操作部１８から先端部２３まで配設される。挿入部１７内には、この他、送気送水用の流体チューブが設けられる。流体チューブは、先端部２３に、観察窓４７の洗浄用の気体及び水を供給する。

　また、挿入部１７内には、その軟性部２１から先端部２３にかけて複数の検出コイル２５が予め設定された間隔で設けられている。各検出コイル２５は、磁界ＭＦを検出する磁界検出素子に相当する。各検出コイル２５は、それぞれ磁界発生器１３から発生した磁界ＭＦの影響を受けることにより、電磁誘導の作用により誘導起電力を生じ、誘導起電力によって誘導電流を発生する。各検出コイル２５から発生した誘導電流の値は、各検出コイル２５でそれぞれ検出した磁界ＭＦの強さに応じた値であり、これが磁界測定結果となる。すなわち、磁界測定結果とは、誘導電流の大きさに応じた値をいう。

　操作部１８には、術者ＯＰによって操作される各種操作部材が設けられている。具体的には、操作部１８には、２種類の湾曲操作ノブ２７と、送気送水ボタン２８と、吸引ボタン２９と、が設けられている。２種類の湾曲操作ノブ２７は、それぞれが操作ワイヤに連結されており、湾曲部２２の左右湾曲操作及び上下湾曲操作に用いられる。また、操作部１８には、処置具挿通用の管路の入口である処置具導入口３１が設けられている。

　ユニバーサルコード１９は、内視鏡１０を光源装置１１に接続するための接続コードである。ユニバーサルコード１９は、信号ケーブル３２と、ライトガイド３３と、流体チューブ（不図示）とを内包している。また、ユニバーサルコード１９の端部には、光源装置１１に接続されるコネクタ３４が設けられている。

　コネクタ３４を光源装置１１に接続することで、光源装置１１から内視鏡１０に対して、内視鏡１０の運用に必要な電力と制御信号と照明光と気体と水とが供給される。また、先端部２３の撮像装置４８（図３参照）により取得される観察部位の画像信号と、各検出コイル２５の検出信号に基づく磁界測定結果とが、内視鏡１０から光源装置１１へ送信される。

　コネクタ３４は、光源装置１１との間で、金属製の信号線等を用いた電気的な有線接続はされず、その代わりに、コネクタ３４と光源装置１１とは、光通信（非接触型通信）により通信可能に接続される。コネクタ３４は、内視鏡１０と光源装置１１の間でやり取りされる制御信号の送受信と、内視鏡１０から光源装置１１への画像信号及び磁界測定結果の送信と、を光通信により行う。コネクタ３４には、信号ケーブル３２に接続されたレーザダイオード（Laser Diode：以下、「ＬＤ」という）３６が設けられている。

　ＬＤ３６は、内視鏡１０から光源装置１１への大容量データの送信、具体的には画像信号及び磁界測定結果の送信に用いられる。ＬＤ３６は、元々は電気信号の形態であった、画像信号及び磁界測定結果を光信号の形態で、光源装置１１に設けられているフォトダイオード（Photo Diode：以下、「ＰＤ」という）３７に向けて送信する。

　なお、図示は省略するが、ＬＤ３６及びＰＤ３７とは別に、コネクタ３４及び光源装置１１の双方には、内視鏡１０と光源装置１１との間でやり取りされる小容量の制御信号を光信号化して送受信する光送受信部が設けられている。更に、コネクタ３４には、光源装置１１の給電部（不図示）からワイヤレス給電により給電を受ける受電部（不図示）が設けられている。

　コネクタ３４内のライトガイド３３は、光源装置１１内に挿入される。また、コネクタ３４内の流体チューブ（不図示）は、光源装置１１を介して送気送水装置（不図示）に接続される。これにより、光源装置１１及び送気送水装置から内視鏡１０に対して、照明光と気体及び水とがそれぞれ供給される。

　光源装置１１は、コネクタ３４を介して、内視鏡１０のライトガイド３３へ照明光を供給すると共に、送気送水装置から供給された気体及び水を内視鏡１０の流体チューブへ供給する。また、光源装置１１は、ＬＤ３６から送信される光信号をＰＤ３７で受光し、受光した光信号を電気信号である元の画像信号及び磁界測定結果に変換した後、ナビゲーション装置１２へ出力する。

　ナビゲーション装置１２は、光源装置１１から入力された、観察画像４１生成用の画像信号をプロセッサ装置１４へ出力する。また、ナビゲーション装置１２は、後述の磁界発生器１３の駆動を制御すると共に、被検者Ｈの体内の挿入部１７の挿入状態を検出して、この検出結果を、挿入部形状画像４２を生成するための情報として、プロセッサ装置１４へ出力する。

　このように、本実施形態に係る内視鏡１０は、光源装置１１と接続する１つのコネクタ３４を持つワンコネクタタイプである。内視鏡１０は、コネクタ３４が接続される光源装置１１を介して、プロセッサ装置１４及びナビゲーション装置１２のそれぞれと通信可能に接続される。

　磁界発生器１３は、複数の磁界発生素子に相当する複数の発生コイル３９を有している。各発生コイル３９は、例えば、駆動電流の印加により、直交座標系ＸＹＺのＸＹＺ座標軸にそれぞれ対応した方向に交流磁界（交流磁場）を発生するＸ軸コイルとＹ軸コイルとＺ軸コイルとを含む。各発生コイル３９は、同じ周波数の磁界ＭＦを発生する。各発生コイル３９は、ナビゲーション装置１２の制御の下、詳しくは後述するが、互いに異なるタイミングで磁界ＭＦを発生する。

　＜内視鏡＞
　図３は、内視鏡システム９の電気的構成を示すブロック図である。図３に示すように、内視鏡１０は、ライトガイド３３と、照射レンズ４５と、照明窓４６と、観察窓４７と、撮像装置４８と、磁界検出回路４９と、統括制御回路５０と、記憶部５１と、信号ケーブル３２と、ＬＤ３６と、不図示の流体チューブ及び洗浄ノズルと、を有する。

　ライトガイド３３は、大口径光ファイバ又はバンドルファイバなどである。ライトガイド３３の入射端は、コネクタ３４を介して光源装置１１内に挿入される。ライトガイド３３は、コネクタ３４内とユニバーサルコード１９内と操作部１８内と挿入部１７内とに挿通されており、挿入部１７の先端部２３内に設けられた照射レンズ４５に、出射端が対向している。これにより、光源装置１１からライトガイド３３の入射端に供給された照明光は、照射レンズ４５から先端部２３の先端面に設けられた照明窓４６を通して、観察部位に照射される。そして、観察部位で反射した照明光は、観察部位の像光として、先端部２３の先端面に設けられた観察窓４７を通して撮像装置４８の撮像面に入射する。

　なお、前述の流体チューブの一端側は、コネクタ３４及び光源装置１１を通して送気送水装置に接続されると共に、流体チューブの他端側は、挿入部１７内等を通って先端部２３の先端面に設けられた送気送水ノズル（不図示）に接続している。これにより、送気送水装置から供給された気体又は水が、送気送水ノズルから観察窓４７に噴射されて、観察窓４７が洗浄される。

　撮像装置４８は、集光レンズ５２と撮像素子５３とを有する。集光レンズ５２は、観察窓４７から入射した観察部位の像光を集光し、かつ集光した観察部位の像光を撮像素子５３の撮像面に結像させる。撮像素子５３は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型又はＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の撮像素子である。撮像素子５３は、例えば、各画素にＲ、Ｇ、Ｂのいずれかのマイクロフィルタが割り当てられたカラー撮像素子である。撮像素子５３は、観察対象である観察部位を撮像する。より具体的には、撮像素子５３は、撮像面に結像した観察部位の像光を撮像（電気信号に変換）して、観察部位の画像信号を統括制御回路５０へ出力する。

　また、撮像素子５３には、例えば水晶振動子等の基準信号（クロック信号）を出力する発振部５３ａが設けられており、この発振部５３ａから発振される基準信号を基準として、撮像素子５３が動画を構成する画像信号を出力する。基準信号の間隔はフレームレートを規定する。フレームレートは例えば３０ｆｐｓ（frames per second）である。

　磁界検出回路４９は、挿入部１７内の各検出コイル２５に電気的に接続している。磁界検出回路４９は、磁界発生器１３の発生コイル３９から発生した磁界ＭＦに応じた、各検出コイル２５のそれぞれの磁界測定結果を含む磁界測定データ５５を、統括制御回路５０へ出力する。

　具体的には、図４に示すように、磁界検出回路４９は、計装アンプ４９Ａ、フィルタ４９Ｂ、セレクタ４９Ｃ、アンプ４９Ｄ、及びＡ／Ｄ（Analog/Digital）変換回路４９Ｅを有する。計装アンプ４９Ａは、検出コイル２５毎に設けられ、入力端子が各検出コイル２５に接続されている。計装アンプ４９Ａは、各検出コイル２５が出力する微弱な検出信号（誘導電流）を増幅して、検出信号の値に応じた電圧として出力する。各計装アンプ４９Ａの出力端子は、フィルタ４９Ｂに接続されている。計装アンプ４９Ａは、検出コイル２５から出力される信号を受信する受信回路の一例である。また、計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂの組は、検出コイル２５により検出された磁界に応じた検出信号を出力する回路網の一例である。

　フィルタ４９Ｂは、ＬＰＦ（Low Pass Filter）又はＢＰＦ（Band Pass Filter）などのフィルタであり、計装アンプ４９Ａ毎に設けられ、入力端子が各計装アンプ４９Ａに接続されている。フィルタ４９Ｂは、計装アンプ４９Ａから入力された信号のうち、予め設定された周波数帯域の信号を通過させる。各フィルタ４９Ｂの出力端子は、セレクタ４９Ｃに接続されている。

　セレクタ４９Ｃは、各フィルタ４９Ｂのうち読み出し対象のフィルタ４９Ｂを選択する。複数のフィルタ４９Ｂのうち、セレクタ４９Ｃによって選択されたフィルタ４９Ｂからの電圧が、セレクタ４９Ｃを介してアンプ４９Ｄに入力される。セレクタ４９Ｃは、磁界測定制御部５８から入力されるタイミング信号に基づいて、各フィルタ４９Ｂを順番に選択する。これにより、複数の検出コイル２５の検出信号に応じた電圧が順番に読み出される。

　アンプ４９Ｄは、セレクタ４９Ｃから出力される電圧を増幅する。より詳細には、アンプ４９Ｄは、例えばオペアンプであり、セレクタ４９Ｃから入力される入力電圧と、リファレンスとして入力される基準電圧との差の電圧値を増幅して出力する。Ａ／Ｄ変換回路４９Ｅは、アンプ４９Ｄの出力電圧をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換回路４９Ｅは、このデジタル信号の値を、各検出コイル２５の磁界測定結果（磁界ＭＦの強さを表す誘導電流の大きさに応じた値）として出力する。セレクタ４９Ｃによって各検出コイル２５が順次選択されることにより、Ａ／Ｄ変換回路４９Ｅは、すべての検出コイル２５の検出信号に基づくそれぞれの磁界測定結果を含む磁界測定データ５５を統括制御回路５０へ出力する。

　統括制御回路５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む各種の演算回路と、各種のメモリとを含んで構成されており、内視鏡１０の各部の動作を統括的に制御する。この統括制御回路５０は、不図示のメモリに記憶された制御用のプログラムを実行することで、信号処理部５７と、磁界測定制御部５８と、画像信号出力部５９として機能する。磁界検出回路４９及び磁界測定制御部５８は、磁界測定部に相当する。磁界測定部は、検出コイル２５が出力する検出信号に基づいて、複数の磁界発生素子に相当する発生コイル３９のそれぞれを発生元とする複数の磁界ＭＦを測定することにより、磁界ＭＦ毎の磁界測定結果を出力する。磁界測定部と、検出コイル２５とを合わせて磁界測定装置を構成する。

　信号処理部５７は、撮像素子５３から順次出力される画像信号に対して各種信号処理を施す。信号処理としては、例えば、相関二重サンプリング処理、及び信号増幅処理などのアナログ信号処理と、アナログ信号処理後にアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換処理などが含まれる。信号処理が施された後の画像信号をフレーム画像信号６１と呼ぶ。信号処理部５７は、フレームレートに従って、フレーム画像信号６１を画像信号出力部５９へ出力する。フレーム画像信号６１は、観察部位の動画像データとして使用される。このように、複数のフレーム画像信号６１は、撮像素子５３が動画撮影を実行することにより取得され、フレームレートに応じた時間間隔で出力される画像信号である。

　磁界測定制御部５８は、磁界検出回路４９を介して各検出コイル２５の複数の磁界測定結果を含む磁界測定データ５５を取得し、取得した磁界測定データ５５を画像信号出力部５９へ出力する。

　図５に示すように、各検出コイル２５の磁界測定結果は、各発生コイル３９が発生する磁界の強さが同じであっても、例えば、磁界ＭＦを発生する各発生コイル３９と、各検出コイル２５のそれぞれとの間の距離及び向きに応じて変化する。例えば、図５に示す第１発生コイル３９は、実線で示すように、第１～第３の各検出コイル２５との距離及び向きが異なる。そのため、１つの第１発生コイル３９が発生する磁界ＭＦについて、第１～第３の各検出コイル２５のそれぞれの磁界測定結果は異なる。第２発生コイル３９及び第３発生コイル３９のそれぞれと、第１～第３の各検出コイル２５との関係も同様である。

　また、反対に、第１～第３の各発生コイル３９が発生する磁界ＭＦの強さが同じであっても、各発生コイル３９のそれぞれの磁界ＭＦについての１つの第１検出コイル２５の磁界測定結果は異なる。ここで、例えば、第１～第３の各発生コイル３９がそれぞれＸ軸コイル、Ｙ軸コイル及びＺ軸コイルである場合を考える。この場合は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各コイルのそれぞれの磁界ＭＦについての１つの第１検出コイル２５の磁界測定結果に基づいて、ＸＹＺ座標軸に対応する、第１検出コイル２５の三次元座標位置を検出することができる。第２検出コイル２５及び第３検出コイル２５についても同様である。挿入部１７に予め設定された間隔で設けられる各検出コイル２５の三次元座標位置を検出することができれば、挿入部１７の形状を検出することが可能である。また、先端部２３の近傍に配置された検出コイル２５の三次元座標位置を検出することができれば、先端部２３の位置を検出することが可能である。

　図６は、磁界測定制御部５８が取得する磁界測定データ５５の一例を説明するための説明図である。磁界測定制御部５８は、複数の発生コイル３９が発生する複数の磁界ＭＦのそれぞれを、複数の各検出コイル２５がそれぞれ検出し、各検出コイル２５からそれぞれ出力される複数の磁界測定結果を含む磁界測定データ５５を取得する。

　図６において、（１）～（４）は、それぞれ１つの発生コイル３９が発生する磁界ＭＦについての、複数の検出コイル２５のそれぞれの磁界測定結果を示すデータ列である。例えば、「Ｄ１１」は１番目に駆動した発生コイル３９で発生した磁界ＭＦを「第１検出コイル」で検出した磁界測定結果である。「Ｄ１２」は１番目に駆動した発生コイル３９で発生した磁界ＭＦを「第２検出コイル」で検出した磁界測定結果である。同様に、「Ｄ４２」は４番目に駆動した発生コイル３９で発生した磁界ＭＦを「第２検出コイル」で検出した磁界測定結果である。「Ｄ４３」は４番目に駆動した発生コイル３９で発生した磁界ＭＦを「第３検出コイル」で検出した磁界測定結果である。

　磁界測定制御部５８は、磁界発生器１３における各発生コイル３９のそれぞれの磁界発生タイミングと同期を取りながら、各検出コイル２５の磁界測定結果を順番に取得する。磁界測定制御部５８は、例えば、後述する同期信号で規定される１回の磁界測定期間において、すべての発生コイル３９のそれぞれの磁界ＭＦについて、すべての検出コイル２５のそれぞれの磁界測定結果を取得する。これにより、磁界測定制御部５８は、１回の磁界測定期間において、各発生コイル３９と各検出コイル２５とのすべての組み合わせに係る複数の磁界測定結果を含む磁界測定データ５５を取得する。この磁界測定期間は、予め定められた磁界の測定単位時間に相当する。本実施形態では、磁界測定期間は、撮像素子５３のフレームレートを規定する基準信号の間隔となる。

　例えば、磁界発生器１３内に９個の発生コイル３９が設けられており、挿入部１７内に１７個の検出コイル２５が設けられている場合は、各発生コイル３９について１７個の磁界測定結果が得られる。そのため、磁界測定制御部５８は、１回の磁界測定期間内に、合計で、９×１７＝１５３個の磁界測定結果を含む磁界測定データ５５を取得する。こうしたすべての組み合わせに係る複数の磁界測定結果を含む磁界測定データ５５を、全磁界測定データと呼ぶ。本実施形態においては、特に断りの無い限り、磁界測定データ５５には、全磁界測定データが含まれるものとする。

　画像信号出力部５９は、図７に示すように、信号処理部５７から順次入力される複数のフレーム画像信号６１のそれぞれに対して、フレーム開始信号ＶＤを付加して、フレーム画像信号６１を出力する。図７において、「フレーム１」、「フレーム２」、「フレーム３」・・・は、便宜上示した、複数のフレーム画像信号６１の出力順序を示すフレーム番号である。フレーム開始信号ＶＤは、例えば、垂直同期信号である。

　更に、画像信号出力部５９は、フレーム画像信号６１に、磁界測定データ５５を付加して、フレーム画像信号６１を出力する。すなわち、画像信号出力部５９が出力するフレーム画像信号６１のすべてに対して、フレーム開始信号ＶＤ及び磁界測定データ５５が含まれる。磁界測定データ５５は、図７に示すように、撮像素子５３のブランキングタイムＢＴに対応する、各フレーム画像信号６１の間の信号無効領域ＮＤに付加される。ブランキングタイムＢＴは、例えば垂直ブランキング期間である。フレーム開始信号ＶＤも、複数のフレーム画像信号６１の垂直ブランキング期間に含まれる信号である。

　画像信号出力部５９は、フレーム画像信号６１を、信号ケーブル３２を介してＬＤ３６へ出力する。ＬＤ３６は、フレーム画像信号６１を光信号化した光信号を、光源装置１１のＰＤ３７に向けて送信する。

　このように、画像信号出力部５９は、撮像素子５３から、信号処理部５７を介して取得したフレーム画像信号６１を、内視鏡１０の外部に出力する。また、フレーム画像信号６１に含まれるフレーム開始信号ＶＤを同期信号として利用することにより、画像信号出力部５９を同期信号生成部として機能させている。

　＜光源装置＞
　光源装置１１は、照明光源６３と、ＰＤ３７と、光源制御部６４と、通信インタフェース６５とを有している。照明光源６３は、例えばＬＤ又は発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）などの半導体光源であり、波長が赤色領域から青色領域にわたる白色光を照明光として出射する白色光源である。なお、照明光源６３としては、白色光源に加えて、紫色光及び赤外光などの特殊光を出射する特殊光光源を用いてもよい。照明光源６３から出射された照明光は、ライトガイド３３の入射端に入射される。

　ＰＤ３７は、ＬＤ３６から送信された光信号を受信する。ＰＤ３７は、光信号の形態で受信したフレーム画像信号６１を、元の電気信号の形態に変換する。ＰＤ３７による変換後のフレーム画像信号６１は、光源制御部６４に入力される。

　光源制御部６４は、ＣＰＵを含む各種の演算回路と、各種のメモリとを含んで構成されており、照明光源６３などの光源装置１１の各部の動作を制御する。また、光源制御部６４は、ＰＤ３７から入力された変換後のフレーム画像信号６１を、通信インタフェース６５を介してナビゲーション装置１２へ出力する。

　＜ナビゲーション装置＞
　ナビゲーション装置１２は、画像信号取得部６８と、挿入状態検出部６９と、タイミングジェネレータ（Timing Generator：以下、「ＴＧ」という）７０と、磁界発生制御部７１と、表示出力部７４と、電流検出部７９と、を有する。ナビゲーション装置１２の各部は、１又は複数のＣＰＵを含む各種演算回路（不図示）により構成され、不図示のメモリに記憶されている制御用のプログラムを実行することで動作する。

　画像信号取得部６８は、通信インタフェース６５を介して光源制御部６４からフレーム画像信号６１を取得する。そして、画像信号取得部６８は、取得したフレーム画像信号６１を表示出力部７４へ出力する。

　また、画像信号取得部６８は、フレーム画像信号６１に含まれるフレーム開始信号ＶＤ及び磁界測定データ５５を抽出し、抽出したフレーム開始信号ＶＤ及び磁界測定データ５５を挿入状態検出部６９に出力する。また、画像信号取得部６８は、フレーム画像信号６１から抽出したフレーム開始信号ＶＤをＴＧ７０に出力する。

　ＴＧ７０は、画像信号取得部６８から入力されるフレーム開始信号ＶＤに基づき、各発生コイル３９を選択的に切り替える制御用のクロック信号を磁界発生制御部７１に出力する。磁界発生制御部７１は、一例として図８に示すように、ＴＧ７０から入力されるクロック信号に基づき、複数の発生コイル３９のそれぞれを駆動タイミングをずらしながら駆動させる制御を行う。

　図８に示すように、各磁界測定期間は、フレーム開始信号ＶＤに対応してＴＧ７０から磁界発生制御部７１へ入力されるクロック信号が基準となる。また、各磁界測定期間内において、予め設定された周波数に従って、クロック信号がＴＧ７０から磁界発生制御部７１へ入力される。この周波数は、各磁界測定期間、すなわち、連続する２つのフレーム開始信号ＶＤ間において、磁界を発生する発生コイル３９が一巡することが可能な周波数に設定される。また、この周波数は、磁界測定制御部５８にも予め設定されており、各発生コイル３９からの磁界の発生と、磁界測定制御部５８による磁界の測定とが同期して行われる。磁界発生制御部７１は、ＴＧ７０から入力されるクロック信号に応じて、駆動させる発生コイル３９を切り替える。

　また、図８に示すように、１つの発生コイル３９から磁界が発生している期間内において、前述したセレクタ４９Ｃによってすべての検出コイル２５が順次選択される。なお、図８では、検出コイル２５の個数が６個の例を示している。従って、磁界検出回路４９の出力信号は、セレクタ４９Ｃによって順次選択された検出コイル２５のそれぞれが、選択されている期間に、予め定められたサンプリングレートで検出した磁界の強さに応じた波形を表す信号となる。

　挿入状態検出部６９は、画像信号取得部６８から取得したフレーム開始信号ＶＤ及び磁界測定データ５５に基づいて、被検者Ｈの体内に挿入される内視鏡１０の挿入部１７の挿入状態を検出する。挿入状態検出部６９は、挿入部１７の形状を示す挿入部形状データ７８を生成し、生成した挿入部形状データ７８を表示出力部７４へ出力する。挿入状態検出部６９は、位置検出部７２と、挿入部形状検出部７３とを有する。挿入状態検出部６９の詳細は後述する。

　記憶部５１は、後述するナビゲーション装置１２の位置検出部７２での補正に用いられるデータを記憶する。ナビゲーション装置１２は、光源装置１１及び統括制御回路５０を介して、記憶部５１に記憶されたデータを取得することができる。記憶部５１の例としては、不揮発性メモリが挙げられる。記憶部５１は、例えば、磁界検出回路４９又は統括制御回路５０が設けられた基板に備えられる。この基板は、例えば、内視鏡１０のコネクタ３４の内部に設けられる。記憶部５１に記憶されるデータの詳細は後述する。

　電流検出部７９は、磁界発生制御部７１による発生コイル３９の駆動と同期して、磁界発生制御部７１が発生コイル３９を駆動させるために発生コイル３９に流す電流を検出する。そして、電流検出部７９は、検出した電流を挿入状態検出部６９に出力する。従って、挿入状態検出部６９は、磁界発生制御部７１が発生コイル３９を駆動させるために発生コイル３９に流す電流の波形（以下、「駆動波形」という）を電流検出部７９から取得することができる。

　表示出力部７４は、画像信号取得部６８から入力されたフレーム画像信号６１と、挿入状態検出部６９から入力された挿入部形状データ７８と、を通信インタフェース８０Ａ、８０Ｂを介してプロセッサ装置１４へ出力する。この際に、表示出力部７４は、フレーム画像信号６１と、そのフレーム画像信号６１と時間的に対応する挿入部形状データ７８とを対応付けて、プロセッサ装置１４へ出力する。

　＜プロセッサ装置＞
　プロセッサ装置１４は、表示入力部８２と表示制御部８３とを有している。表示入力部８２は、表示出力部７４から通信インタフェース８０Ａ、８０Ｂを介して逐次入力されたフレーム画像信号６１及び挿入部形状データ７８を、表示制御部８３へ逐次出力する。

　表示制御部８３は、表示入力部８２からフレーム画像信号６１及び挿入部形状データ７８の入力を受けて、フレーム画像信号６１に基づく観察画像４１（動画像）と、挿入部形状データ７８に基づく挿入部形状画像４２とをモニタ１５に表示させる。このように、フレーム画像信号６１は、内視鏡１０から光源装置１１及びナビゲーション装置１２を経由してプロセッサ装置１４に送信される。そして、プロセッサ装置１４は、内視鏡１０から取得したフレーム画像信号６１に画像処理を施して表示画像の一例である観察画像４１を生成する。

　＜内視鏡の挿入状態検出の詳細＞
　ところで、検出コイル２５で発生した起電力の電圧を、発生コイル３９を駆動するための電流の微分値で正規化することによって磁界の強さを導出することができる。具体的には、図９に示すように、検出コイル２５が受信する磁界の波形と、発生コイル３９の駆動波形を微分して得られた微分波形とは相似であり、その相似度が磁界の強さを表す。従って、検出コイル２５の磁界測定結果を発生コイル３９の駆動波形を微分して得られた微分波形で正規化することによって、磁界の強さを導出することができる。

　しかしながら、各検出コイル２５に接続される計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂの組は、それぞれ周波数特性が異なり、周波数特性による磁界測定結果への影響も異なる。これは、個体毎のばらつきなどに起因するものである。従って、この周波数特性を考慮せずに、磁界測定結果を微分波形によって正規化した場合、磁界の強さを精度良く導出できない場合がある。そこで、本実施形態では、計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂの組毎の周波数特性が、記憶部５１に記憶されている。この周波数特性は、例えば、工場での内視鏡システム９の製造完了後で、かつ出荷前に測定され、記憶部５１に記憶される。

　図１０に、記憶部５１に記憶される周波数特性テーブル５１Ｃの一例を示す。図１０に示すように、周波数特性テーブル５１Ｃには、複数組の計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂそれぞれの周波数特性が、それぞれの計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂの組に対応付けられて記憶される。図１０の「ｉ」（ｉ＝１～ｎ）は添え字であり、周波数特性の波形を再現可能な個数のデータが記憶される。

　周波数特性テーブル５１Ｃには、周波数特性として、ゲイン及び位相が記憶される。具体的には、周波数特性テーブル５１Ｃには、一例として図１１に示すように、周波数特性として、予め定められた周波数毎のゲインが記憶される。また、周波数特性テーブル５１Ｃには、一例として図１２に示すように、周波数特性として、予め定められた周波数毎の位相が記憶される。図１１及び図１２ともに、周波数特性テーブル５１Ｃに記憶されるゲイン及び位相のポイントが丸印で示されている。

　なお、周波数特性テーブル５１Ｃに記憶されるゲイン及び位相は、一例として図１３及び図１４に示すように、波形の再現性を高めたい周波数帯域では記憶するポイントを増やし、他の周波数帯域では、記憶するポイントを減らしてもよい。これにより、同じ記憶容量でも所望する波形を再現することができる。また、再現性を高めたい周波数帯域が比較的狭い場合は、記憶容量を削減することも可能である。

　次に、図１５を参照して、本実施形態に係る挿入状態検出部６９の詳細について説明する。図１５に示すように、挿入状態検出部６９は、位置検出部７２及び挿入部形状検出部７３を有する。また、位置検出部７２は、判別部７２Ａ、取得部７２Ｂ、補正部７２Ｃ、及び導出部７２Ｄを有する。

　図７に示すように、判別部７２Ａは、対応関係７５を参照して、磁界測定データ５５に含まれる複数の磁界測定結果を判別する。対応関係７５は、磁界測定データ５５に含まれる、各発生コイル３９と各検出コイル２５との複数の組み合わせに対応する複数の磁界測定結果の格納順序を表す情報である。判別部７２Ａは、対応関係７５に基づいて、磁界測定データ５５に含まれる各磁界測定結果が、各発生コイル３９と各検出コイル２５とのどの組み合わせに対応するデータであるかを判別する。

　具体的には、磁界測定においては、フレーム開始信号ＶＤを基準として、各発生コイル３９が磁界ＭＦを発生する発生順序と、１つの発生コイル３９の磁界ＭＦについて、各検出コイル２５の磁界測定結果の取得順序とが、磁界測定期間毎に決まっている。各発生コイル３９と各検出コイル２５の組み合わせに応じた複数の磁界測定結果は、発生順序と取得順序とに従って、磁界測定データ５５内に格納される。そのため、判別部７２Ａは、フレーム開始信号ＶＤを基準として、格納順序を規定した対応関係７５を参照することで、磁界測定データ５５に含まれる複数の磁界測定結果がどの組み合わせ（「Ｄ１１」、「Ｄ１２」、「Ｄ１３」・・・）に対応するかを判別することができる。

　取得部７２Ｂは、電流検出部７９により検出された発生コイル３９の駆動波形を取得する。また、取得部７２Ｂは、計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂの各組の周波数特性を、光源装置１１及び統括制御回路５０を介して周波数特性テーブル５１Ｃから取得する。

　図１６を参照して、補正部７２Ｃの詳細を説明する。補正部７２Ｃは、取得部７２Ｂにより取得された発生コイル３９の駆動波形を微分する。これにより、図１６に示すように、微分波形が得られる。次に、補正部７２Ｃは、微分波形に対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を行うことによって、微分波形を複数の異なる周波数帯域の成分に分離する。次に、補正部７２Ｃは、分離された各周波数帯域の成分の振幅を、取得部７２Ｂにより取得された計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂの組のゲインに従って補正する。また、補正部７２Ｃは、分離された各周波数帯域の成分の位相を、取得部７２Ｂにより取得された計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂの組の位相に従って補正する。

　次に、補正部７２Ｃは、補正後の各周波数帯域の成分に対してＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform）処理を行うことによって合成する。補正部７２Ｃは、この合成によって正規化に用いられる正規化用波形を生成する。補正部７２Ｃは、以上の処理を、計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂの各組について個別に行う。従って、計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂの各組、すなわち、各検出コイル２５に対応して、それぞれの周波数特性に従った補正が行われた正規化用波形が得られる。

　導出部７２Ｄは、判別部７２Ａが判別したそれぞれの磁界測定結果を、それぞれに対応して補正部７２Ｃにより生成された正規化用波形によって正規化する。これにより導出部７２Ｄは、それぞれの磁界測定結果に対応する磁界の強さを導出する。具体的には、導出部７２Ｄは、磁界測定結果を正規化用波形で除算することによって正規化を行う。本実施形態では、微分波形を周波数特性に従って補正することによって正規化用波形を生成しているため、磁界の強さを精度良く導出することができる。

　位置検出部７２は、判別部７２Ａが判別し、かつ導出部７２Ｄにより導出された複数の磁界の強さに基づき、各検出コイル２５の位置、具体的には三次元座標位置をコイル位置データ７６として検出する。コイル位置データ７６は、磁界発生器１３を基準とした相対位置である。図７において、例えば、Ｐ１は第１検出コイル２５の三次元座標位置（ｘ１，ｙ１，ｚ１）を示す。Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４などについても同様である。

　位置検出部７２は、コイル位置データ７６を挿入部形状検出部７３へ出力する。挿入部形状検出部７３は、位置検出部７２から入力されたコイル位置データ７６に基づき、被検者Ｈの体内での挿入部１７の形状を検出する。

　図１７は、挿入部形状検出部７３による挿入部１７の形状検出処理の一例を説明するための説明図である。図１７に示すように、挿入部形状検出部７３は、コイル位置データ７６が示す各検出コイル２５の位置（Ｐ１、Ｐ２、・・・）に基づき、各位置を曲線で補間する補間処理を行って、挿入部１７の形状を示す挿入部形状データ７８を生成する。挿入部形状データ７８には、挿入部１７の先端部２３の先端位置ＰＴが含まれる。

　挿入部形状検出部７３は、挿入部形状データ７８を表示出力部７４へ出力する。挿入状態検出部６９は、画像信号取得部６８が新たなフレーム画像信号６１を取得するたびに、位置検出部７２による位置検出処理と、挿入部１７による形状検出処理及び挿入部形状データ７８の出力処理とを繰り返し行う。

　＜内視鏡システムの作用＞
　次に、図１８を参照して、本実施形態に係る内視鏡システム９の作用について説明する。なお、図１８は、観察画像４１及び挿入部形状画像４２の表示処理の一例を示すフローチャートである。この表示処理は、例えば、内視鏡システム９の電源スイッチがオン状態とされ、内視鏡システム９の各部の起動後に実行される。

　図１８のステップＳ１Ａで、撮像装置４８の撮像素子５３は、観察窓４７及び集光レンズ５２を通して入射する像光を撮像する。これにより、撮像素子５３は、発振部５３ａから発振される基準信号を基準として、画像信号を統括制御回路５０へ出力する。撮像素子５３から統括制御回路５０へ入力された画像信号は、統括制御回路５０の信号処理部５７により各種の信号処理が施された後、フレーム画像信号６１として画像信号出力部５９へ出力される。信号処理部５７から画像信号出力部５９へ入力されたフレーム画像信号６１は、画像信号出力部５９によりフレーム開始信号ＶＤが付加された後、ＬＤ３６へ出力される。

　ステップＳ２Ａで、ＬＤ３６は、画像信号出力部５９から入力されたフレーム画像信号６１を光信号化した光信号を、光源装置１１のＰＤ３７に向けて送信する。

　ステップＳ１Ｂで、光源装置１１のＰＤ３７は、ＬＤ３６から送信された光信号を受信する。また、ＰＤ３７は、光信号の形態で受信したフレーム画像信号６１を、元の電気信号の形態に変換する。ＰＤ３７による変換後のフレーム画像信号６１は、光源制御部６４及び通信インタフェース６５を介して、ナビゲーション装置１２へ出力される。

　ステップＳ２Ｂで、画像信号取得部６８は、通信インタフェース６５を介して光源制御部６４からフレーム画像信号６１を取得し、取得したフレーム画像信号６１からフレーム開始信号ＶＤを抽出する。そして、画像信号取得部６８は、抽出したフレーム開始信号ＶＤをＴＧ７０に出力する。

　ステップＳ３Ｂで、ＴＧ７０は、画像信号取得部６８からのフレーム開始信号ＶＤに基づき、各発生コイル３９の切り替え制御用のクロック信号を磁界発生制御部７１に出力する。ステップＳ４Ｂで、磁界発生制御部７１は、ＴＧ７０から入力されたクロック信号に基づき、各発生コイル３９を異なるタイミングで駆動させる。これにより、各発生コイル３９から異なるタイミングで磁界が発生される。以上説明したステップＳ４Ｂまでの処理により、内視鏡システム９の起動が完了する。

　次に、ステップＳ３Ａで、術者ＯＰにより、内視鏡１０の挿入部１７が被検者Ｈ内に挿入され、被検者Ｈ内の観察部位の撮像が開始される。光源装置１１の照明光源６３から供給される照明光がライトガイド３３及び照射レンズ４５を通って照明窓４６から観察部位へ出射される。ステップＳ４Ａで、撮像素子５３は、観察窓４７及び集光レンズ５２を通して入射する観察部位の像光を撮像する。これにより、撮像素子５３は、発振部５３ａから発振される基準信号を基準として、画像信号を統括制御回路５０へ出力する。撮像素子５３から統括制御回路５０へ入力された画像信号は、統括制御回路５０の信号処理部５７により各種の信号処理が施された後、フレーム画像信号６１として画像信号出力部５９へ出力される。

　ステップＳ５Ａで、磁界測定制御部５８は、発振部５３ａから発振される基準信号に基づき、ＴＧ７０のクロック信号に対応する周波数で磁界検出回路４９を制御し、各検出コイル２５が検出した磁界測定結果を繰り返し取得する。すなわち、磁界測定制御部５８は、発生コイル３９の切り替えと同期して、各発生コイル３９について、各検出コイル２５が検出した磁界測定結果を取得する。そして、磁界測定制御部５８は、取得したすべての磁界測定結果を含む磁界測定データ５５を、信号処理部５７から画像信号出力部５９へのフレーム画像信号６１の出力に同期して、画像信号出力部５９に出力する。

　ステップＳ６Ａで、画像信号出力部５９は、信号処理部５７から入力されたフレーム画像信号６１にフレーム開始信号ＶＤを付加し、かつ磁界測定制御部５８から入力された磁界測定データ５５を信号無効領域ＮＤに付加する。ステップＳ７Ａで、画像信号出力部５９は、フレーム開始信号ＶＤ及び磁界測定データ５５が付加されたフレーム画像信号６１をＬＤ３６へ出力する。ＬＤ３６は、画像信号出力部５９から入力されたフレーム画像信号６１を光信号化した光信号を、光源装置１１のＰＤ３７に向けて送信する。

　ステップＳ５Ｂ～ステップＳ８Ｂは、ステップＳ１Ｂ～ステップＳ４Ｂと同様の処理が実行される。

　ステップＳ９Ｂで、電流検出部７９は、前述したように、発生コイル３９の駆動波形を検出する。ステップＳ１０Ｂで、画像信号取得部６８は、ステップＳ６Ｂで取得したフレーム画像信号６１に含まれるフレーム開始信号ＶＤ及び磁界測定データ５５を抽出し、抽出したフレーム開始信号ＶＤ及び磁界測定データ５５を挿入状態検出部６９に出力する。

　ステップＳ１１Ｂで、判別部７２Ａは、前述したように、対応関係７５を参照して、フレーム画像信号６１から入力された磁界測定データ５５に含まれる複数の磁界測定結果を判別する。

　ステップＳ１２Ｂで、取得部７２Ｂは、計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂの各組の周波数特性を、光源装置１１及び統括制御回路５０を介して周波数特性テーブル５１Ｃから取得する。補正部７２Ｃは、ステップＳ９Ｂで検出された発生コイル３９の駆動波形を微分する。また、補正部７２Ｃは、前述したように、駆動波形を微分して得られた微分波形を取得部７２Ｂにより取得された周波数特性に従って補正することによって正規化用波形を生成する。

　ステップＳ１３Ｂで、導出部７２Ｄは、前述したように、ステップＳ１１Ｂで判別されたそれぞれの磁界測定結果及びステップＳ１２Ｂで生成された正規化用波形に基づいて、それぞれに磁界測定結果に対応する磁界の強さを導出する。

　ステップＳ１４Ｂで、位置検出部７２は、前述したように、ステップＳ１１Ｂで判別され、かつステップＳ１３Ｂで導出された複数の磁界の強さに基づき、コイル位置データ７６を検出する。そして、位置検出部７２は、検出したコイル位置データ７６を挿入部形状検出部７３へ出力する。

　ステップＳ１５Ｂで、挿入部形状検出部７３は、前述したように、位置検出部７２から入力されたコイル位置データ７６に基づき、被検者Ｈの体内での挿入部１７の形状を検出し、挿入部１７の形状を示す挿入部形状データ７８を生成する。

　ステップＳ１６Ｂで、表示出力部７４は、ステップＳ６Ｂで画像信号取得部６８が取得したフレーム画像信号６１、及びステップＳ１５Ｂで挿入部形状検出部７３が生成した挿入部形状データ７８を通信インタフェース８０Ａ、８０Ｂを介してプロセッサ装置１４へ出力する。表示出力部７４からプロセッサ装置１４の表示入力部８２へ入力されたフレーム画像信号６１及び挿入部形状データ７８は、表示制御部８３によりモニタ１５へ出力される。これにより、フレーム画像信号６１に基づく観察画像４１と、挿入部形状データ７８に基づく挿入部形状画像４２とがモニタ１５に表示される。

　以上のステップＳ４Ａ～ステップＳ７Ａの処理及びステップＳ５Ｂ～ステップＳ１６Ｂの処理は、内視鏡の検査が終了するまで繰り返し行われる（ステップＳ８Ａ、Ｓ１７Ｂ）。これにより、予め設定されたフレームレートに従って、観察画像４１と挿入部形状画像４２とがモニタ１５に更新されて表示される。

　以上説明したように、本実施形態によれば、発生コイル３９の駆動波形を微分して得られた微分波形を計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂの組の周波数特性に従って補正することによって正規化用波形を生成している。従って、磁界測定結果を正規化用波形で正規化することによって磁界の強さを精度良く導出することができる結果、内視鏡の挿入部の挿入状態を精度良く検出することができる。

　また、本実施形態によれば、周波数特性テーブル５１Ｃが内視鏡１０に備えられた記憶部５１に記憶されている。従って、内視鏡システム９のうち内視鏡１０のみを交換した場合でも、ナビゲーション装置１２のプログラムを修正することなく、第１実施形態と同様の処理により内視鏡の挿入部の挿入状態を精度良く検出することができる。

　［第２実施形態］
　開示の技術の第２実施形態を説明する。本実施形態では、第１実施形態と同じ部分については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

　各検出コイル２５には、個体毎にばらつきがあり、また、接続される検出コイル２５と計装アンプ４９Ａとの組み合わせによっても、検出コイル２５の検出信号に基づくそれぞれの磁界測定結果への影響が異なる。そこで、本実施形態に係る内視鏡システム９では、図１９に示すように、内視鏡１０が備える記憶部５１に、周波数特性テーブル５１Ｃに加えて、抵抗値テーブル５１Ａ及び静電容量テーブル５１Ｂが記憶される。抵抗値テーブル５１Ａには、各検出コイル２５の出力インピーダンスに関する値が、各検出コイル２５に対応付けられて記憶される。静電容量テーブル５１Ｂには、各計装アンプ４９Ａの入力インピーダンスに関する値が、各計装アンプ４９Ａに対応付けられて記憶される。

　図２０に、本実施形態に係る検出コイル２５の等価回路と計装アンプ４９Ａの回路構成との一例を示す。図２０に示すように、検出コイル２５は、電源と抵抗Ｒとによって表される。また、計装アンプ４９Ａの前段には、コンデンサＣが設けられている。この抵抗ＲとコンデンサＣとの組み合わせによってＬＰＦが構成される。本実施形態では、検出コイル２５の出力インピーダンスに関する値として、検出コイル２５の抵抗値が記憶部５１に記憶される。また、計装アンプ４９Ａの入力インピーダンスに関する値として、コンデンサＣの静電容量が記憶部５１に記憶される。各検出コイル２５の抵抗値及び各コンデンサＣの静電容量は、例えば、工場での内視鏡システム９の製造完了後で、かつ出荷前に測定され、記憶部５１に記憶される。

　図２１に、記憶部５１に記憶される抵抗値テーブル５１Ａの一例を示す。図２１に示すように、抵抗値テーブル５１Ａには、複数の検出コイル２５それぞれの抵抗値が、それぞれの検出コイル２５に対応付けられて記憶される。

　図２２に、記憶部５１に記憶される静電容量テーブル５１Ｂの一例を示す。図２２に示すように、静電容量テーブル５１Ｂには、複数の計装アンプ４９Ａそれぞれに対応するコンデンサＣの静電容量が、それぞれの計装アンプ４９Ａに対応付けられて記憶される。なお、抵抗値テーブル５１Ａと静電容量テーブル５１Ｂとは、別々の記憶部に記憶されてもよい。

　次に、図２３を参照して、本実施形態に係る挿入状態検出部６９の詳細について説明する。図２３に示すように、挿入状態検出部６９は、位置検出部７２及び挿入部形状検出部７３を有する。また、位置検出部７２は、判別部７２Ａ、取得部７２Ｅ、第２導出部７２Ｆ、補正部７２Ｇ、及び導出部７２Ｄを有する。

　取得部７２Ｅは、第１実施形態に係る取得部７２Ｅが有する機能に加えて、以下の機能を有する。取得部７２Ｅは、各検出コイル２５の抵抗値を、光源装置１１及び統括制御回路５０を介して抵抗値テーブル５１Ａから取得する。また、取得部７２Ｅは、各検出コイル２５に接続される各計装アンプ４９Ａに対応するコンデンサＣの静電容量を、光源装置１１及び統括制御回路５０を介して静電容量テーブル５１Ｂから取得する。

　第２導出部７２Ｆは、取得部７２Ｅにより取得された抵抗値及び静電容量を用いて、検出コイル２５及びその検出コイル２５に接続される計装アンプ４９Ａの組の周波数特性を導出する。以下では、区別のために、周波数特性テーブル５１Ｃに記憶される計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂの組の周波数特性を「第１の周波数特性」といい、第２導出部７２Ｆが導出する検出コイル２５及び計装アンプ４９Ａの組の周波数特性を「第２の周波数特性」という。

　具体的には、第２導出部７２Ｆは、検出コイル２５及び計装アンプ４９Ａの組のそれぞれについて、対応する抵抗値及び静電容量を用いて、以下の（１）式に従ってゲインを導出する。また、第２導出部７２Ｆは、検出コイル２５及び計装アンプ４９Ａの組のそれぞれについて、対応する抵抗値及び静電容量を用いて、以下の（２）式に従って位相を導出する。ゲイン及び位相が第２の周波数特性の一例である。なお、（１）式及び（２）式におけるＣは静電容量を表し、Ｒは抵抗値を表し、ωは角周波数（ω＝２π×ｆ）を表す。

　補正部７２Ｇは、取得部７２Ｅにより取得された第１の周波数特性に加えて、第２導出部７２Ｆにより導出された第２の周波数特性に従って微分波形を補正することによって正規化用波形を生成する。具体的には、補正部７２Ｇは、取得部７２Ｅにより取得された発生コイル３９の駆動波形を微分する。これにより、微分波形が得られる。次に、補正部７２Ｇは、微分波形に対してＦＦＴ処理を行うことによって、微分波形を複数の異なる周波数帯域の成分に分離する。次に、補正部７２Ｇは、分離された各周波数帯域の成分の振幅を、取得部７２Ｅにより取得されたゲイン及び第２導出部７２Ｆにより導出されたゲインに従って補正する。また、補正部７２Ｇは、分離された各周波数帯域の成分の位相を、取得部７２Ｅにより取得された位相及び第２導出部７２Ｆにより導出された位相に従って補正する。

　次に、補正部７２Ｇは、補正後の各周波数帯域の成分に対してＩＦＦＴ処理を行うことによって合成する。補正部７２Ｇは、この合成によって正規化用波形を生成する。補正部７２Ｇは、以上の処理を、検出コイル２５、計装アンプ４９Ａ、及びフィルタ４９Ｂの各組について個別に行う。従って、各検出コイル２５に対応して、それぞれの第１の周波数特性及び第２の周波数特性に従った補正が行われた正規化用波形が得られる。この正規化用波形は、第１実施形態と同様に、導出部７２Ｄによる磁界の強さの導出処理に用いられる。

　次に、図１８を参照して、本実施形態に係る内視鏡システム９の作用について説明する。なお、本実施形態に係る内視鏡システム９の作用は、図１８のステップＳ１２Ｂの処理が第１実施形態に係る作用と異なるのみであるため、ステップＳ１２Ｂの処理のみを説明する。

　図１８のステップＳ１２Ｂで、取得部７２Ｅは、計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂの各組の第１の周波数特性を、光源装置１１及び統括制御回路５０を介して周波数特性テーブル５１Ｃから取得する。また、取得部７２Ｅは、各検出コイル２５の抵抗値を、光源装置１１及び統括制御回路５０を介して抵抗値テーブル５１Ａから取得する。また、取得部７２Ｅは、各検出コイル２５に接続される各計装アンプ４９Ａに対応するコンデンサＣの静電容量を、光源装置１１及び統括制御回路５０を介して静電容量テーブル５１Ｂから取得する。第２導出部７２Ｆは、取得部７２Ｅにより取得された抵抗値及び静電容量を用いて、上記（１）式及び（２）式に従って、検出コイル２５及び計装アンプ４９Ａの各組の第２の周波数特性を導出する。補正部７２Ｃは、ステップＳ９Ｂで検出された発生コイル３９の駆動波形を微分する。また、補正部７２Ｃは、前述したように、駆動波形を微分して得られた微分波形を取得部７２Ｅにより取得された第１の周波数特性及び第２導出部７２Ｆより導出された第２の周波数特性に従って補正することによって正規化用波形を生成する。

　以上説明したように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態によれば、発生コイル３９の駆動波形を微分して得られた微分波形を計装アンプ４９Ａ及びフィルタ４９Ｂの組毎の第１の周波数特性に加えて、検出コイル２５及び計装アンプ４９Ａの組毎の第２の周波数特性に従って補正することによって正規化用波形を生成している。従って、磁界測定結果を正規化用波形で正規化することによって磁界の強さをより精度良く導出することができる結果、内視鏡の挿入部の挿入状態をより精度良く検出することができる。

　なお、上記各実施形態では、内視鏡１０に、磁界測定制御部５８を含む磁界測定部を配置し、ナビゲーション装置１２に磁界発生制御部７１を配置した例で説明したが、反対に、内視鏡１０に磁界発生制御部７１を配置して、ナビゲーション装置１２に磁界測定部を配置してもよい。

　また、上記各実施形態では、フレーム画像信号６１に含まれるフレーム開始信号ＶＤを同期信号として利用する場合について説明したが、垂直ブランキング期間に含まれる信号以外の信号、例えば、水平同期信号などを同期信号として利用してもよい。また、フレーム画像信号６１のヘッダ情報に同期信号を埋め込んで利用してもよい。更に、フレーム画像信号６１に含まれる信号とは別の信号を同期信号として利用してもよい。この場合、フレーム画像信号６１とは別の送信経路を設ける形態となる。

　また、上記各実施形態では、連続する２つのフレーム開始信号ＶＤ間において、各発生コイル３９と各検出コイル２５のすべての組み合わせに係る磁界測定結果を含む全磁界測定データを取得する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、３つ以上のフレーム開始信号ＶＤが出力される周期で、全磁界測定データを取得してもよい。全磁界測定データの取得周期が長いほど、挿入部形状画像４２の更新頻度は低下するが、挿入部形状画像４２は、観察画像４１と比較して高精細な画像は要求されていないため、観察画像４１と比較して更新頻度が低下しても、挿入部形状画像４２の場合は許容される。

　また、上記各実施形態では、内視鏡１０から光源装置１１に対してフレーム画像信号６１を光信号に変換して送信する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、内視鏡１０と光源装置１１とを金属製の信号線を介して電気的に接続して、フレーム画像信号６１を電気信号のまま内視鏡１０から光源装置１１に送信する形態としてもよい。

　また、上記各実施形態では、内視鏡１０として大腸等の下部消化管の検査に用いられるものを例に挙げて説明したが、内視鏡１０の種類及び用途は特に限定されるものではない。上部消化管用の内視鏡１０でもよい。また、特に挿入部１７の先端位置ＰＴの検出を目的とする場合には軟性内視鏡だけでなく硬性内視鏡にも開示の技術を適用することができる。

　また、上記各実施形態では、各発生コイル３９が同じ周波数の磁界ＭＦを発生する例で説明したが、各発生コイル３９が発生する磁界ＭＦの周波数が異なっていてもよい。

　また、上記各実施形態では、複数の発生コイル３９と複数の検出コイル２５とを有しているが、検出コイル２５は少なくとも１つあればよい。例えば、挿入部１７の先端部２３に検出コイル２５を１つだけ設けた内視鏡１０を用いた内視鏡システム９に本開示の技術を適用してもよい。この場合でも、先端部２３の現在位置を提示することができる。

　また、上記各実施形態において、磁界発生器１３の筐体内における発生コイル３９の実際の設置位置及び設置角度に応じて、磁界測定データ５５に含まれる各磁界測定結果を補正する形態としてもよい。図２４に示すように、磁界発生器１３の筐体が直方体であり、直方体の各辺をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸とした場合を例に説明する。ここでは、３軸コイルである各発生コイル３９が、それぞれＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に沿った設置角度で、かつ予め規定された設置位置に配置されるものとする。この場合、ナビゲーション装置１２の位置検出部７２が生成するコイル位置データ７６は、各発生コイル３９の設置位置及び設置角度が予め規定された設置位置及び設置角度であることが前提となっている。しかしながら、各発生コイル３９の設置位置及び設置角度は、製造時の誤差などによって、予め規定された設置位置及び設置角度からずれている場合がある。

　そこで、磁界発生器１３の製造後で、かつ出荷前に各発生コイル３９の実際の設置位置及び設置角度を測定し、測定した実際の設置位置及び設置角度を、例えば、磁界発生器１３に設けられた不揮発性メモリなどの記憶部に記憶する。ナビゲーション装置１２は、磁界発生器１３の記憶部から、各発生コイル３９の実際の設置位置及び設置角度を取得し、予め規定された設置位置及び設置角度に対する、取得した設置位置及び設置角度のずれ量に応じて、磁界測定データ５５に含まれる各磁界測定結果を補正する。なお、この場合の発生コイル３９の実際の設置位置としては、一例として図２５に示すように、予め定められた位置（例えば、磁界発生器１３の筐体の中心位置）を原点としたＸＹＺ座標が挙げられる。また、この場合の発生コイル３９の実際の設置角度としては、一例として図２６に示すように、天頂角θ及び方位角φが挙げられる。

　また、上記各実施形態において、例えば、磁界測定制御部５８及び磁界発生制御部７１などの各種の処理を実行する処理部（Processing Unit）のハードウェア的な構造としては、次に示す各種のプロセッサ（Processor）を用いることができる。各種のプロセッサには、ソフトウェアを実行して各種の処理部として機能する汎用的なプロセッサであるＣＰＵに加えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の製造後に回路構成を変更可能なプロセッサであるプログラマブルロジックデバイス（Programmable Logic Device :ＰＬＤ）、又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が含まれる。

　１つの処理部は、これらの各種のプロセッサのうちの１つで構成されてもよいし、同種または異種の２つ以上のプロセッサの組み合わせ（例えば、複数のＦＰＧＡの組み合わせ、又は、ＣＰＵとＦＰＧＡとの組み合わせ）で構成されてもよい。このように、各種の処理部は、ハードウェア的な構造として、上記各種のプロセッサの１つ以上を用いて構成される。これらのプロセッサは、換言すると、プロセッサに内蔵されたメモリ又は接続されたメモリと協同して、各処理部として機能する。

　更に、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造としては、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路（circuitry）を用いることができる。

　以上の記載から、以下の付記項に係る技術を把握することができる。

　［付記項］
　プロセッサと、
　前記プロセッサに内蔵又は接続されたメモリと、を備え、
　前記プロセッサは、
　磁界を検出する磁界検出素子に接続され、かつ前記磁界検出素子により検出された磁界に応じた検出信号を出力する回路網の周波数特性を取得し、
　前記磁界を発生させた磁界発生素子の駆動波形を微分して得られた微分波形を前記周波数特性に従って補正することによって正規化用波形を生成し、
　前記回路網から出力された検出信号を前記正規化用波形により正規化することによって前記磁界の強さを導出し、
　前記磁界の強さを用いて、被検体内に挿入される内視鏡の挿入部の位置及び形状の少なくとも一方を含む挿入状態を検出する
　内視鏡システム。

　２０１９年９月２日に出願された日本国特許出願２０１９－１５９７９３号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。また、本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims

　磁界を検出する磁界検出素子に接続され、かつ前記磁界検出素子により検出された磁界に応じた検出信号を出力する回路網の周波数特性を取得する取得部と、
　前記磁界を発生させた磁界発生素子の駆動波形を微分して得られた微分波形を前記周波数特性に従って補正することによって正規化用波形を生成する補正部と、
　前記回路網から出力された検出信号を前記正規化用波形により正規化することによって前記磁界の強さを導出する導出部と、
　前記磁界の強さを用いて、被検体内に挿入される内視鏡の挿入部の位置及び形状の少なくとも一方を含む挿入状態を検出する挿入状態検出部と、
　を含む内視鏡システム。
　前記周波数特性は、前記内視鏡が備える記憶部に記憶されている
　請求項１に記載の内視鏡システム。
　前記磁界検出素子の出力インピーダンスに関する値と、前記回路網が有する受信回路であって前記磁界検出素子に接続される受信回路の入力インピーダンスに関する値とを用いて、前記磁界検出素子及び前記受信回路の組の周波数特性を導出する第２導出部を更に含み、
　前記補正部は、前記取得部により取得された第１の周波数特性に加えて、第２導出部により導出された第２の周波数特性に従って前記微分波形を補正することによって前記正規化用波形を生成する
　請求項１又は請求項２に記載の内視鏡システム。
　前記出力インピーダンスに関する値は、前記磁界検出素子の抵抗値であり、
　前記入力インピーダンスに関する値は、前記受信回路の前段に設けられるコンデンサの静電容量である
　請求項３に記載の内視鏡システム。
　磁界を検出する磁界検出素子に接続され、かつ前記磁界検出素子により検出された磁界に応じた検出信号を出力する回路網の周波数特性を取得する取得ステップと、
　前記磁界検出素子により検出される磁界を発生させる磁界発生素子の駆動波形を微分して得られた微分波形を前記周波数特性に従って補正することによって正規化用波形を生成する補正ステップと、
　前記回路網から出力された検出信号を前記正規化用波形により正規化することによって前記磁界検出素子により検出された磁界の強さを導出する導出ステップと、
　前記磁界の強さを用いて、被検体内に挿入される内視鏡の挿入部の位置及び形状の少なくとも一方を含む挿入状態を検出する挿入状態検出ステップと、
　を備える内視鏡システムの作動方法。