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JP4647972B2 - 内視鏡形状検出装置 - Google Patents

内視鏡形状検出装置 Download PDF

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Description

本発明は磁界発生素子と磁界検出素子とを用いて内視鏡の挿入形状等を検出して表示する内視鏡形状検出装置に関する。
近年、磁界発生素子と磁界検出素子とを用いて体内等に挿入された内視鏡の形状等を検出し、表示手段により表示を行う内視鏡形状検出装置が用いられるようになった。
例えば、特開2003−290129号公報等には、磁界を用いて内視鏡形状を検出し、検出した内視鏡形状を表示する装置が開示されている。そして、体内に挿入される内視鏡の挿入部内に所定の間隔で配置した複数の磁界発生素子を駆動してその周囲に磁界を発生させ、体外に配置した磁界検出素子により各磁界発生素子の3次元位置を検出して、各磁界発生素子を連続的に結ぶ曲線を生成して、モデル化した挿入部の3次元的な画像を表示手段で表示する。
術者等はその画像を観察することにより、体内に挿入された挿入部の先端部の位置や挿入形状等を把握でき、目的とする部位までの挿入作業等を円滑に行えるようにしている。
特開2003−290129号公報
しかしながら、上記特開2003−290129号公報の内視鏡形状検出装置においては、発振器で正弦波を発生させてアンプにより増幅し、コイルに正弦波電流を流し、交流磁界を発生(駆動)させているが、アンプのゲインが固定されているため、コイルの種類が変わると適切な駆動ができない。
すなわち、太い内視鏡では大きいコイル、細い内視鏡では小さいコイルを使用され、また、リード線長等も異なる(内視鏡の挿入部の長さ、素材→細いため、直流抵抗が高い。駆動時に無視できない)。この結果、コイルの種類が変わるとインピーダンスが変わり、例えば電流が大きすぎてコイルが焼ききれるといった問題や電流が小さすぎて弱い磁界しか発生させることができないといった問題がある。
これら問題は、使用するコイルに応じて、処理工程あるいはデータを変更することで解決可能であるが、用いる内視鏡を変更する度に配置されるコイルの種類が異なるために、頻繁にソフトウエアあるいはデータをアップデートを行う必要がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ソフトウエアあるいはデータをアップデートすることなく、簡単に最適なコイルデータにより形状検出及び推定を行うことのできる内視鏡形状検出装置を提供することを目的としている。
本発明の内視鏡形状検出装置は、被検体に挿入される内視鏡の挿入部の内部に複数の磁界発生素子及び複数の磁界検出素子の一方の素子を配置し、被検体の外部に他方の素子を配置して、前記挿入部の内部に配置された一方の素子の各位置を前記他方の素子の位置を基準に用いて検出する検出手段と、前記検出手段を制御すると共に、内視鏡挿入部の形状を推定するものであって、前記被検体に挿入される内視鏡毎に前記磁界発生素子の配置の情報を読み出し、前記検出手段の検出結果及び前記配置の情報に基づいて前記内視鏡挿入部の形状を推定する形状推定手段とを備えて構成される。

本発明によれば、ソフトウエアあるいはデータをアップデートすることなく、簡単に最適なコイルデータにより形状検出及び推定を行うことができるという効果がある。
以下、図面を参照しながら本発明の実施例について述べる。
図1ないし図15は本発明の実施例1に係わり、図1は内視鏡システムの構成を示す構成図、図2は図1のコイルユニットに内蔵されたコイルの配置例を示す図、図3は図1の内視鏡形状検出装置の構成を示す構成図、図4は図3の受信ブロック及び制御ブロックの構成を示す図、図5は図3の受信ブロックの詳細な構成を示す図、図6は図4の2ポートメモリ等の動作を示すタイミング図、図7は図1の電子内視鏡の構成を示す図、図8は図5の第2のRAMのメモリマップを示す図、図9は図4のソースコイル駆動回路部のコイル駆動部の構成を示す図、図10は図3の内視鏡システムの作用を説明するフローチャート、図11は図9のコイル駆動部の第1の変形例を示す図、図12は図9のコイル駆動部の第2の変形例を示す図、図13は図5の第2のRAMのメモリマップの変形例を示す図、図14は図5の第2のRAMに格納するデータの変形例を説明する図、図15は図1の内視鏡システムの変形例を示す図である。
図1に示すように、本実施例における内視鏡システム1は、内視鏡検査を行う内視鏡装置2と、内視鏡検査の補助に用いられる内視鏡形状検出装置3とを備え、この内視鏡形状検出装置3は、ベッド4に横たわる患者5の体腔内に電子内視鏡6の挿入部7を挿入し、内視鏡検査を行う際の挿入補助手段として使用される。
電子内視鏡6は、可撓性を有する細長の挿入部7の後端に湾曲操作ノブを設けた操作部8が形成され、この操作部8からユニバーサルコード9が延出され、ビデオイメージングシステム(またはビデオプロセッサ)10に接続されている。
この電子内視鏡6は、ライトガイドが挿通されビデオプロセッサ10内の光源部からの照明光を伝送し、挿入部7の先端に設けた照明窓から伝送した照明光を出射し、患者等を照明する。照明された患部等の被写体は照明窓に隣接して設けられた観察窓に取り付けた対物レンズにより、その結像位置に配置された撮像素子(CCD)に像を結び、この撮像素子は光電変換する。
光電変換された信号はビデオプロセッサ10内の映像信号処理部により信号処理されて標準的な映像信号が生成され、ビデオプロセッサ10に接続された画像観察用モニタ11に表示される。
この電子内視鏡6には鉗子チャンネル12が設けてあり、この鉗子チャンネル12の挿入口12aから例えば16個の磁界発生素子(またはソースコイル)14a、14b、…、14p(以下、符号14iで代表する)を有するプローブ15が挿通されることにより、挿入部7内にソースコイル14iが設置される。
このプローブ15の後端から延出されたソースケーブル16は、その後端のコネクタ16aが内視鏡形状検出装置3の装置本体としての検出装置(装置本体とも記す)21に着脱自在に接続される。そして、検出装置21側から高周波信号伝達手段としてソースケーブル16を介して磁界発生手段となるソースコイル14iに高周波信号(駆動信号)を印加することにより、ソースコイル14iは磁界を伴う電磁波を周囲に放射する。
また、患者5が横たわるベッド4の付近に配置されるこの検出装置21には、(センス)コイルユニット23が上下方向に移動(昇降)自在に設けられ、このコイルユニット23内には複数の磁界検出素子(センスコイル)が配置されている(より具体的に説明すると、図2に示すように例えば中心のZ座標が第1のZ座標である例えばX軸に向いたセンスコイル22a−1、22a−2、22a−3、22a−4と、中心のZ座標が第1のZ座標と異なる第2のZ座標であるY軸に向いたセンスコイル22b−1、22b−2、22b−3、22b−4と、中心のZ座標が第1及び第2のZ座標と異なる第3のZ座標であるZ軸に向いたセンスコイル22c−1、22c−2、22c−3、22c−4の12個のセンスコイル(以下、符号22jで代表する)が配置されている)。
センスコイル22jは、コイルユニット23からの図示しないケーブルを介して検出装置21に接続されている。この検出装置21には使用者が装置を操作するための操作パネル24が設けられている。また、この検出装置21には検出した内視鏡挿入部の形状(以下、スコープモデルと記す)を表示する表示手段として液晶モニタ25がその上部に配置されている。
内視鏡形状検出装置3は、図3に示すように、ソースコイル14iを駆動する送信ブロック26と、コイルユニット23内のセンスコイル22jが受信した信号を受信する受信ブロック27と、受信ブロック27で検出した信号を信号処理する制御ブロック28とから構成される。
図4に示すように、電子内視鏡6の挿入部7に設置されるプローブ15には、上述したように、磁界を生成するための16個のソースコイル14iが所定の間隔で配置されており、これらソースコイル14iは、送信ブロック26を構成する16個の互いに異なる周波数の駆動信号を生成するソースコイル駆動回路31に接続されている。
ソースコイル駆動回路部31は、各ソースコイル14iをそれぞれ異なる周波数の正弦波の駆動信号で駆動し、それぞれの駆動周波数はソースコイル駆動回路部31内部の図示しない駆動周波数設定データ格納手段或いは駆動周波数設定データ記憶手段に格納された駆動周波数設定データ(駆動周波数データとも記す)により設定される。この駆動周波数データは、制御ブロック28において内視鏡形状の算出処理等を行う形状推定手段であるCPU(中央処理ユニット)32によりPIO(パラレル入出力回路)33を介してソースコイル駆動回路部31内の駆動周波数データ格納手段(図示せず)に格納される。
一方、コイルユニット23内の12個のセンスコイル22jは、受信ブロック27を構成するセンスコイル信号増幅回路部34に接続されている。
センスコイル信号増幅回路部34では、図5に示すようにセンスコイル22jを構成する12個の単心コイル22kがそれぞれ増幅回路35kに接続されて12系統の処理系が設けられており、各単心コイル22kで検出された微小な信号が増幅回路35kにより増幅されフィルタ回路36kでソースコイル群が発生する複数周波数が通過する帯域をもち不要成分を除去して出力バッファ37kに出力された後、ADC(アナログ・デジタル・コンバータ)38kで制御ブロック28が読み込み可能なデジタル信号に変換される。
なお、受信ブロック27は、センスコイル信号増幅回路部34及びADC38kより構成され、センスコイル信号増幅回路部34は増幅回路35k、フィルタ回路36k及び出力バッファ37kより構成される。
図4に戻り、このセンスコイル信号増幅回路部34の12系統の出力は、12個の前記ADC38kに伝送され、制御ブロック28内の数値データ書き込み手段である制御信号発生回路部40から供給されるクロックにより所定のサンプリング周期のデジタルデータに変換される。このデジタルデータは、制御信号発生回路部40からの制御信号によってローカルデータバス41を介してデータ出力手段である2ポートメモリ42に書き込まれる。
なお、2ポートメモリ42は、図5に示すように、機能的には、ローカルコントローラ42a、第1のRAM42b、第2のRAM42c及びバススイッチ42dよりなり、図6に示すようなタイミングにより、ローカルコントローラ42aからのA/D変換開始信号によりADC38kがA/D変換を開始し、ローカルコントローラ42aからの切り換え信号によりバススイッチ42dがRAM42b、42cを切り換えながら第1RAM42b、42cを交互に読み出しメモリ及び書き込みメモリとして用い、書き込み信号により、電源投入後は、常時データの取り込みを行っている。
再び、図4に戻り、CPU32は、制御信号発生回路部40からの制御信号により2ポートメモリ42に書き込まれたデジタルデータをローカルデータバス43、PCIコントローラ44及びPCIバス45(図5参照)からなる内部バス46を介して読みだし、メインメモリ47を用い、デジタルデータに対して周波数抽出処理(高速フーリエ変換:FFT)を行い、各ソースコイル14iの駆動周波数に対応する周波数成分の磁界検出情報に分離抽出し、分離した磁界検出情報の各デジタルデータから電子内視鏡6の挿入部7内に設けられた各ソースコイル14iの空間位置座標を算出する。
また、算出された位置座標データから電子内視鏡6の挿入部7の挿入状態を推定し、スコープモデルを形成する表示データを生成し、ビデオRAM48に出力する。このビデオRAM48に書き込まれているデータをビデオ信号発生回路49が読みだし、アナログのビデオ信号に変換して液晶モニタ25へと出力する。液晶モニタ25は、このアナログのビデオ信号を入力すると、表示画面上に電子内視鏡6の挿入部7のスコープモデルを表示する。
CPU32において、各ソースコイル14iに対応した磁界検出情報、すなわち、各センスコイル22jを構成する単心コイル22kに発生する起電力(正弦波信号の振幅値)と位相情報が算出される。なお、位相情報は、起電力の極性±を示す。
また、本実施例では、図1に示すように、検出装置21には、体内に挿入された挿入部7の位置を確認したりする為に、体外での位置を表示させるための体外マーカ57と、患者5の腹部などに取り付ける等して、患者5の体位が変化しても(患者5の)特定の方向から常にスコープモデルを表示させるため等で使用する基準プレート58を検出装置21に接続して使用することもできる。
体外マーカ57は内部に1つのソースコイルが収納されており、この体外マーカ57のケーブル59の基端のコネクタ59aは検出装置21に着脱自在で接続される。
そして、このコネクタ59aを接続することにより、プローブ15内のソースコイルの場合と同様に体外マーカ57のソースコイルも駆動され、コイルユニット23で検出された体外マーカ57のソースコイルの位置もスコープモデルと同様にモニタ25に表示される。
また、基準プレート58は、そのディスク形状部分の内部にそのディスク面上に例えば3個のソースコイルが配置され、これら3個のソースコイルに接続されたケーブル60の基端のコネクタ60aは検出装置21に着脱自在で接続される。
これらの3個のソースコイルの位置検出により、それらが配置されている面が決定される。そして、その面に垂直な方向から挿入部7を見た場合に観察されるスコープモデルとなるようにスコープモデルの描画を行うのに使用される。
また、図4に示すように本実施の形態では、検出装置21にはプローブ15のコネクタ16a、体外マーカ57のコネクタ59a、基準プレート58のコネクタ60aがそれぞれ接続されるコネクタ受け21a、21b、21cが設けてあり、各コネクタ受け21a、21b、21cはソースコイル駆動回路31に接続される。
図7に示すように、電子内視鏡6では、挿入部7に照明光を伝送するライトガイド100と複数のソースコイル14iを有するプローブ15が配置されており、また挿入部7の先端部内には被写体を撮像するCCD101が設けられている。そして、ビデオプロセッサ10からの駆動信号によりCCD101が駆動され、CCD101で撮像された撮像信号がバッファ回路102を介してビデオプロセッサ10に伝送される。駆動信号及び撮像信号は挿入部7を内挿する信号ケーブル99によりビデオプロセッサ10とCCD101間で送受される。
一方、電子内視鏡6の基端側の操作部102には、不揮発性メモリ103が設けられており、この不揮発性メモリ103には、演算/設定数値データである、プローブ15に設けられているソースコイル14iを駆動する際に用いられる駆動信号のゲイン設定データが格納されている。
該ゲイン設定データ(演算/設定数値データ)は、内視鏡システム1の起動時に、ビデオプロセッサ10を介して内視鏡形状検出装置3に取り込まれる。内視鏡形状検出装置3では、制御信号発生回路部40(数値データ書き込み手段)を介してゲイン設定データ(演算/設定数値データ)を、図8に示すように、例えば2ポートメモリ42の第2のRAM42cの所定のアドレス領域に格納する(図4参照)。
内視鏡形状検出装置3のソースコイル駆動回路部31は、図9に示すように、正弦波を発生させる発振器110と、該正弦波を増幅しソースコイルに交流磁界を発生(駆動)させるGCA(ゲインコントロールアンプ)111と、ゲイン設定データ(演算/設定数値データ)を8ビットのシリアルデータに変換するデータ変換部112とからなるコイル駆動部113を複数有しており、データ変換部112からのシリアルゲイン設定データによりGCA111のゲインを設定することで複数のソースコイル14iを駆動するようになっている。
このように構成された本実施例における内視鏡形状検出処理について説明する。
内視鏡形状検出装置3のCPU32は、内視鏡システム1が起動されると、図10に示すように、ステップS1にてビデオプロセッサ10は、電子内視鏡6の不揮発性メモリ103からゲイン設定データ(演算/設定数値データ)を読み出し、内視鏡形状検出装置3にゲイン設定データ(演算/設定数値データ)を送信する。
そして、ステップS2にて内視鏡形状検出装置3のCPU32は、制御信号発生回路部40を介してゲイン設定データ(演算/設定数値データ)を、2ポートメモリ42の第2のRAM42cの所定のアドレス領域に格納する(図8参照)。
例えば、電子内視鏡6に配置されるプローブ15のソースコイルの駆動条件としてGCA111のゲイン設定値を「11001000」とする場合には、このデータ「11001000」がゲイン設定データ(演算/設定数値データ)として不揮発性メモリ103に格納されており、データ「11001000」が2ポートメモリ42の第2のRAM42cの所定のアドレス領域に書き込まれる。
このとき該所定のアドレス領域には、デフォルトのゲイン設定データあるいは、前回内視鏡システム1が使用された際の電子内視鏡6のゲイン設定データが格納されているため、CPU32は所定のアドレス領域のデータを書き換える処理を行い、ゲイン設定データ(演算/設定数値データ)を格納する。
次に、ステップS3にて第2のRAM42cの所定のアドレス領域からゲイン設定データ(演算/設定数値データ)を読み出し、ソースコイル駆動回路部31に出力する(図9参照)。これにより、ソースコイル駆動回路部31において、ゲイン設定データ(演算/設定数値データ)がデータ変換部112にてシリアルゲイン設定データに変換され、GCA111のゲインが電子内視鏡6に配置されるプローブ15に応じた設定値に設定される。
そして、ステップS4にてソースコイルを駆動して内視鏡形状検出を行い、検出した内視鏡形状を液晶モニタ25に表示し処理を終了する。
このように本実施例の内視鏡形状検出装置3では、電子内視鏡6に配置されるプローブ15のソースコイルに応じた演算/設定数値データであるゲイン設定データを、電子内視鏡6の不揮発性メモリ103からビデオプロセッサ10を介して2ポートメモリ42の第2のRAM42cの所定のアドレス領域に格納し、このゲイン設定データを用いてGCA111のゲインを直接設定するので、接続されるプローブ15毎に、ソフトウエアあるいはデータテーブルをアップデートすることなく、簡単にソースコイルを最適な駆動条件で駆動することができる。
なお、ゲイン設定データを用いてGCA111のゲインを設定するとしたが、これに限らず、例えば図11に示すように、正弦波を発生させる発振器110と、複数の帰還抵抗を切り替えてゲインを設定するオペアンプ121と、ゲイン設定データをオペアンプ121の帰還抵抗を設定するパラレルデータに変換するデータ変換部122とからコイル駆動部113を構成しても良いし、図12に示すようにオペアンプ121の帰還抵抗をデジタルポテンションメータ131により構成し、ゲイン設定データをデジタルポテンションメータ131の制御信号に変換するデータ変換部132を設けてコイル駆動部113を構成しても良い。
また、本実施例では、演算/設定数値データとしてゲイン設定データを例に説明したが、これに限らず、例えばプローブ15に配置されるソースコイルの個数及びコイル間隔を演算/設定数値データとして電子内視鏡6の不揮発性メモリ103に格納し、図13に示すように、2ポートメモリ42の第2のRAM42cの所定のアドレス領域にソースコイルの個数及びコイル間隔を示すデータを書き込むようにしても良い。
内視鏡にはさまざまな種類があり、挿入部長の異なるものがある。長いものにはコイルの個数が多く、短いものには少ない。例えば特開2000−93986号公報の内視鏡形状検出装置では、湾曲部ではコイルの間隔を狭く、軟性部では広く配置している。
また、特開2003−24524293986号公報の内視鏡形状検出装置では、内視鏡形状を描画する際には補間処理を行って滑らかな形状を描出している。この処理にはコイル間隔・コイル個数が必要となる。
また、特開2001−231743号公報にあるような2個所の湾曲部を持つものもある。
そこで、内視鏡6の不揮発性メモリ103に、図14に示すように、例えばソースコイルの個数10個でコイル間隔が内視鏡先端から5番目コイルまでが5cmで、5番目コイルから10番目コイルまでが10cmの場合「10、5、5、5、5、5、10、10、10、10、10」をコード化したものを演算/設定数値データとして格納し、図13に示すように、2ポートメモリ42の第2のRAM42cの所定のアドレス領域にソースコイルの個数及びコイル間隔を示すデータを書き込むことで、内視鏡形状検出装置はそのデータを使用して形状の描画するようにしてもよい。
なお、本実施例では、電子内視鏡6の不揮発性メモリ103に格納されている演算/設定数値データをビデオプロセッサ10を介して内視鏡形状検出装置3が取り込むとしたが、これに限らず、内視鏡形状検出装置3が直接電子内視鏡6の不揮発性メモリ103に格納されている演算/設定数値データを取り込むようにしても良い。
また、電子内視鏡6の不揮発性メモリ103に記憶させていた演算/設定数値データを別体のメモリカード(図示せず)に格納し、その電子内視鏡を使用する際、図15に示すように、内視鏡形状検出装置に設けられたスロット151にメモリカードを差込み、演算/設定数値データを読み出すようにしてもよく、不揮発性メモリ103を持たない電子内視鏡でも本実施例が適用可能となり、また、ビデオプロセッサ10を介さなくてもスロット151により演算/設定数値データを取り込むことができる。
本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
本発明の実施例1に係る内視鏡システムの構成を示す構成図 図1のコイルユニットに内蔵されたコイルの配置例を示す図 図1の内視鏡形状検出装置の構成を示す構成図 図3の受信ブロック及び制御ブロックの構成を示す図 図3の受信ブロックの詳細な構成を示す図 図4の2ポートメモリ等の動作を示すタイミング図 図1の電子内視鏡の構成を示す図 図5の第2のRAMのメモリマップを示す図 図4のソースコイル駆動回路部のコイル駆動部の構成を示す図 図3の内視鏡システムの作用を説明するフローチャート 図9のコイル駆動部の第1の変形例を示す図 図9のコイル駆動部の第2の変形例を示す図 図5の第2のRAMのメモリマップの変形例を示す図 図5の第2のRAMに格納するデータの変形例を説明する図 図1の内視鏡システムの変形例を示す図
符号の説明
1…内視鏡システム
2…内視鏡装置
3…内視鏡形状検出装置
4…ベッド
5…患者
6…電子内視鏡
7…挿入部
8…操作部
10…ビデオプロセッサ
12…鉗子チャンネル
14i…ソースコイル
15…プローブ
16…ケーブル
21…検出装置
23…コイルユニット
22j…センスコイル
24…操作パネル
26…送信ブロック
27…受信ブロック
28…制御ブロック
31…ソースコイル駆動回路
32…CPU
42…2ポートメモリ
42a…ローカルコントローラ
42b…第1のRAM
42c…第2のRAM
42d…バススイッチ
100…ライトガイド
101…CCD
102…バッファ回路
103…不揮発性メモリ
110…発振器
111…GCA
112…データ変換部
113…コイル駆動部
代理人 弁理士 伊藤 進

Claims (2)

  1. 被検体に挿入される内視鏡の挿入部の内部に複数の磁界発生素子及び複数の磁界検出素子の一方の素子を配置し、被検体の外部に他方の素子を配置して、前記挿入部の内部に配置された一方の素子の各位置を前記他方の素子の位置を基準に用いて検出する検出手段と、
    前記検出手段を制御すると共に、内視鏡挿入部の形状を推定するものであって、前記被検体に挿入される内視鏡毎に前記磁界発生素子の配置の情報を読み出し、前記検出手段の検出結果及び前記配置の情報に基づいて前記内視鏡挿入部の形状を推定する形状推定手段と
    を備えたことを特徴とする内視鏡形状検出装置。
  2. 前記形状推定手段は、前記内視鏡に設けられている記憶手段から読み出された前記磁界発生素子の個数及び間隔の情報に基づいて前記形状の推定を行う
    ことを特徴とする請求項1に記載の内視鏡形状検出装置。
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