JPWO2017191685A1 - 形状センサシステム - Google Patents

Abstract

形状センサシステムは、被検出部を有する２本以上の光ファイバを含む細径湾曲部材が芯材を軸に互いに反対方向で螺旋状に巻かれて編み込まれた編み込み構造又は、光ファイバ、ダミーの光ファイバ又は金属細線を含む３本以上の細径湾曲部材が編み込まれた編み込み構造を有し、複数の被検出部が芯材の軸回り方向に分配され、各々の湾曲方向を合成してプローブ部の湾曲形状を検出し、編み込み構造より編み込み周期内でのファイバ長さの調整機能が働き、位置ずれが生じない。

Description

本発明は、形状が変化する被検体に装着し、被検体の形態を検出する形状センサシステムに関する。

内視鏡等で知られている可撓性を有する挿入部を備えた管状挿入システムに対して、変化する挿入部の形状を検出するために、挿入部内に組み込まれる形状センサがある。この形状センサの一例として、例えば、特許文献１には、被検出部となる光変調部が設けられた光ファイバを用いた形状検出プローブが開示されている。この形状検出プローブには、内視鏡の挿入部と一体的に曲がるように、光ファイバが組み付けられている。この光ファイバは、互いに異なる波長成分を有する光束を伝達し、光変調部は、伝達する光束の波長成分の強度等を変調する。この形状検出プローブは、光変調部により検出された変調の前後の波長成分の強度等に基づいて、光変調部の配置箇所における光ファイバの形状、延いては光ファイバと一体的に曲がった内視鏡の形状を検出する。

また、特許文献２には、一方の回転方向に螺旋状に巻かれた第１のファイバの組けと、反対の回転方向に螺旋状に巻かれた第２のファイバの組とを互いに織り合わせて編んだ構造例が提案されている。

特開２００７−１４３６００号公報 特表２００４−５１７３３１号公報

前述したファイバセンサの様な細径湾曲形状を成す形状センサを用いて、被検体の形状を検出する際に、形状センサが被検体の形状に追従した湾曲形状となるため、主として以下の２つの課題が生じる。
第１の課題は、ファイバ等からなる形状センサや形状センサの構成要素にねじれが生じることである。内視鏡等の挿入部内に組み込まれると、湾曲時に形状センサが挿入部を構成する部位と干渉し合ったり、形状センサ自体を構成する部位、例えばファイバや保護用の外装部材等が互いに干渉し合ったりして、ファイバにねじれが発生することが想定される。形状センサ自体を構成要素にねじれが発生した場合、形状センサに設けられている被検出部に位置ずれや向きのずれが生じて、挿入部の湾曲方向を誤って認識することとなる。

第２の課題は、形状センサのセンサプローブが湾曲する時のファイバ等の形状センサ自体を構成要素の長手軸方向への移動が生じることである。被検体の湾曲形状が変化する際に、内視鏡等の被検体における長軸中心から形状センサのセンサプローブが偏心していると、長軸中心とセンサプローブの長さにずれが生じる。また、被検体に長軸中心が存在しない配置、例えば、人体の表面にセンサプローブを貼り付けた配置であれば、表面形状が変化することによって、貼り付けた表面とセンサプローブの長さにずれが生じる。

さらに、センサプローブ自体が一定の太さを有し、光ファイバ等のセンサ構成要素がセンサプローブの長手方向の中心から一定の方向に偏心して配置されていると、センサプローブを湾曲させたときに、センサプローブの長手方向の中心軸と光ファイバ等のセンサ構成要素の長さにずれが生じる。

こうした被検体とセンサプローブの長さの差やセンサプローブの長手方向の中心軸とファイバの長さの差が生じると、光ファイバにねじれや検出位置のずれによる検出誤差が生じたり、たわみ及び、このたわみによる座屈が生じたり、引っ張りや圧縮の力が作用して、ファイバが破損する可能性がある。
特に、ガラスを素材に用いた光ファイバを用いたファイバセンサは、長手軸方向の伸縮性が低く且つ脆いため、大きな形状変化や力の印加は、破損につながりやすい。

本出願の発明は、形状センサや光ファイバ等のセンサ構成要素に生じるねじれや長手軸方向の移動による被検体の形状検出の誤差やセンサプローブ、特に、ファイバセンサにおける光ファイバに加わる力による破損を防止する形状センサシステムを提供する。

本発明に従う実施形態に係る形状センサシステムは、被検体の湾曲状態又は、湾曲形状を検出するための形状センサであって、前記形状センサは、前記被検体の対象部位の形状に倣って湾曲可能な細長い形状を有するプローブ部と、前記プローブ部の形状を検出するためのセンサ駆動回路と、前記被検体の形状に伴う信号を検出するための信号検出回路と、検出された信号から前記被検体の形状を推定するための信号処理部と、を備え、前記プローブ部は、該プローブ部の形状を検出するための情報を検出する被検出部が一箇所以上設けられた１本以上の細径湾曲プローブ要素が含まれる、複数の細径湾曲部材が、２つ以上の束が二分され、一方の束が前記プローブ部の長手方向に時計回りの螺旋状に巻回され、他方の束が前記長手方向に左回りの螺旋状に巻回されて、前記束同士が複数の位置で交差させて、記被検出部が前記長手方向周りに回転しないように保持される編み込み構造を有する。

本出願の発明は、形状センサや光ファイバ等のセンサ構成要素に生じるねじれや長手軸方向の移動による被検体の形状検出の誤差やセンサプローブ、特に、ファイバセンサにおける光ファイバに加わる力による破損を防止する形状センサシステムを提供することができる。

図１Ａは、第１の実施形態に係る形状センサシステム全体の概念的な構成を示し、直接、被検体に装着した例を示す図である。 図１Ｂは、第１の実施形態に係るプローブ部を挿入装置に組み付けて被検体に挿入する形状センサシステムの全体の概念的な構成例を示す図である。 図１Ｃは、図１Ａに対して、光ファイバに形状センサを設けたシステムの概念的な構成を示す図である。 図１Ｄは、図１Ｂに対して、光ファイバに形状センサを設けた概念的な構成を示す図である。 図２は、内視鏡システム（管状挿入システム）の概念的な外観構成を示す図である。 図３Ａは、内視鏡の挿入部・把持部・ユニバーサルコードが一体となった構成例を示す図である。 図３Ｂは、鉗子チャネルから着脱可能なプローブ部を挿入して内視鏡に装着する構成例を示す図である。 図４は、プローブ部を挿入部内に組み込む構成の縦断面を拡大して示す図である。 図５は、プローブ部を鉗子チャネルから着脱可能に装着する構成の縦断面を拡大して示す図である。 図６は、プローブ部を鉗子チャネルから着脱可能に装着する構成の横断面を拡大して示す図である。 図７は、プローブ部の構成を示す図である。 図８は、先端部と芯材や外装部材の配置関係の一例を示す図である。 図９は、先端部と芯材や外装部材の配置関係の他の例を示す図である。 図１０は、複数の光ファイバを有する形状センサシステムの構成例を示す図である。 図１１Ａは、形状センサシステムの基本構成を示す図である。 図１１Ｂは、上方に湾曲する光ファイバにおける湾曲検出部への光束の入射について説明するための図である。 図１１Ｃは、真っ直ぐな光ファイバにおける湾曲検出部への光束の入射について説明するための図である。 図１１Ｄは、下方に湾曲する光ファイバにおける湾曲検出部への光束の入射について説明するための図である。 図１２は、外装部材の外観形状を示す図である。 図１３Ａは、直線状態の時のプローブ部の断面構造を示す図である。 図１３Ｂは、湾曲時のプローブ部の断面構造を示す図である。 図１４Ａは、第１の芯材有りの編み込み構造例を示す図である。 図１４Ｂは、第２の芯材有りの編み込み構造例を示す図である。 図１４Ｃは、第３の芯材有りの編み込み構造例を示す図である。 図１５は、本実施形態の形状センサシステムよる被検体の湾曲形状の生成及び出力を行う手順について説明するためのフーチャートである。 図１６Ａは、光ファイバを保持する第１の保持構成例を示す図である。 図１６Ｂは、光ファイバ１３を保持する第２の保持構成例を示す図である。 図１７Ａは、ピッチｐよりも長い周期状態における２束毎に芯材に接着する保持部を設けた構成例を示す図である。 図１７Ｂは、ピッチｐと同じ又はよりも長い周期状態における４束毎にまとめて芯材に接着する保持部を設けた構成例を示す図である。している。 図１８は、芯材有りの編み込み構造における被検出部の配置例を示す図である。 図１９は、ダミーの細径湾曲部材を含む芯材有りの編み込み構造例を示す図である。 図２０Ａは、プローブ部が真っ直ぐな状態における芯材有りの編み込み構造例を示す図である。 図２０Ｂは、プローブ部が湾曲した状態における芯材有りの編み込み構造例を示す図である。 図２０Ｃは、２つの光ファイバを互いに異なるピッチで交互に編み込んだ構成例を示す図である。 図２０Ｄは、２つの光ファイバを左側から右側に編み込んだ場合に、右側に進むにつれて、ピッチが徐々に大きくなるように編み込む構成例を示す図である。 図２１Ａは、第２の実施形態に係る形状センサシステムにおける三つ編みの編み込み構造例を示す図である。 図２１Ｂは、紐による三つ編みを概念的に示す図である。 図２２は、第１の変形例の細径湾曲部材にダミーの光ファイバを含む三つ編みの構造例を示す図である。 図２３は、第２の変形例の細径湾曲部材のうちの１本に金属線の縒り線を用いた三つ編みの構造例を示す図である。 図２４は、第２の変形例において被検出部近傍を接着で固定した状態を示す図である。 図２５は、２本の細径湾曲部材を平結びで芯材に結びつけた、平結びの三つ編の構造例を示す図である。 図２６Ａは、四つ編みの構造例を示す図である。 図２６Ｂは、六つ編みの構造例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
長尺の形状を検出する形状センサには、ファイバセンサや歪センサ等がある。この形状センサの中で、ファイバセンサは、細径で、多点（複数点）での湾曲検出が可能であり、光の供給以外に給電等が不要で、電磁ノイズの影響を受けにくいことから、細長い形状を有する被検体の形状を検出するには有効である。

以下においては、形状センサとして、主にファイバセンサを例にとって説明するが、ファイバセンサ以外のセンサであっても、被検体の形状を検出可能な細長いプローブ部からなる形状センサであれば、どのようなものでもよい。

形状センサシステム１は、長尺で可撓性を有する被検体の長手方向に沿って取り付けられ、管状部材の変化する形状を検出する。この被検体としては、医療内視鏡（上部消化管・大腸・超音波等）、工業用内視鏡、一部湾曲機構を有する硬性鏡、カテーテルに代表される、管空内に挿入して観察及び修理・治療・採取等の処置を行うための挿入装置（又は、管状挿入システム）があり、他には、関節を有するマニピュレータ（例：ロボットアーム）、関節を有する人体・動物などの一部といったものでも、被検体として適用することができる。

以下の実施形態では、ファイバセンサを有するプローブ部を装着する被検体として挿入装置を例とし、具体的には、内視鏡の挿入部を一例として説明する。また、後述するプローブ部の長手方向と芯材の長手方向は一致するものとする。
図２に示すように、内視鏡システム（管状挿入システム）２００は、観察対象物を挿入部先端に設けた撮像部にて撮像する内視鏡２０１と、撮像結果を画像処理する画像処理装置２０２（ビデオプロセッサ）と、画像処理装置２０２と接続し、撮像され、画像処理された観察画像を表示する表示部であるモニタ２０３とを有している。

内視鏡システム２００は、内視鏡２０１にむけて照明光を出射する光源装置２０４と、照明光とは異なる、後述する形状センサの検出用の光を出射し、この光を検出する光出射検出装置２０５と、内視鏡システム２００を制御する制御装置２０６とを有している。この観察対象物とは、被検体（例えば体腔（管腔））内における患部や病変部等である。

内視鏡２０１には、細長い挿入部２１０と、挿入部２１０の基端部と連結した操作部２１１とが配設される。内視鏡２０１は、管状の挿入部２１０を体腔内に挿入する管状挿入装置である。挿入部２１０は、挿入部２１０の先端部側から基端部側に向かって、先端硬質部２１２と、湾曲する湾曲部２１３と、可撓管部２１４とを有している。先端硬質部２１２の基端部は湾曲部２１３の先端部と連結し、湾曲部２１３の基端部は可撓管部２１４の基端部と連結している。

先端硬質部２１２は、挿入部２１０の先端部及び内視鏡２０１の先端部であり、硬く、ここに撮像部が配置される。湾曲部２１３は、２つのノブからなる湾曲操作部２１８を操作し、所望の方向に湾曲する。湾曲部２１３を湾曲させ、先端硬質部２１２の位置と向きを変え、観察対象物を観察視野内に捉えて、照明光を観察対象物に照明する。湾曲部２１３は、図示しない節輪が挿入部２１０の長手軸方向に沿って連結され、構成される。

可撓管部２１４は、所望な可撓性を有しており、外力によって曲がる。可撓管部２１４は、操作部２１１の本体部２１５から延出されている管状部材である。可撓性があることによって、湾曲部２１３を湾曲操作したり、ねじったりしながら、被検体である患者の消化器や気管支や泌尿器等の管空へ挿入していくことが可能となる。
操作部２１１は、可撓管部２１４が延出している本体部２１５と、本体部２１５の基端部と連結し、内視鏡２０１を操作するオペレータ（医師らの作業者）によって把持される把持部２１６と、把持部２１６と接続しているユニバーサルコード２１７を有している。

図３Ａは、内視鏡の挿入部、把持部及びユニバーサルコードが一体となった構成である。形状センサであるプローブ部５の具体的な配置としては、図３Ａに示すように、可撓管部２１４内に組み込んだ内蔵タイプとしてもよいし、図３Ｂに示すように、鉗子チャネル等に着脱可能なプローブ部５を必要に応じて内視鏡２０１に装着するようにしてもよい。図示しないセンサ駆動回路や被検体形状に伴う信号を検出するための信号検出回路は、上記部材に配置してもよいし、内視鏡本体側に配置してもよい。

図４及び図５は、着脱可能なプローブ部５を被検体６又は挿入部６となる湾曲部２１３内に組み込む構成の断面を拡大して示している。図６は、湾曲部２１３の先端硬質部２１２を正面から見た構成を示す図である。プローブ部５が着脱可能な構成であれば、必要に応じて、固定具や固定機構を適宜用いる。

図４及び図５には、湾曲部２１３内に装着された際に、プローブ部５を湾曲部２１３内に固定する固定候補位置５ａ，５ｂ，５ｃを示している。それぞれの固定箇所に固定するか否かについては、プローブ部５の機械的特性や形状検出性能などに応じて、最適な結果を示すよう、決定するものとする。例えば、プローブ部５を湾曲部２１３内の先端側の固定候補位置５ａと後端側の固定候補位置５ｂに固定する構成は、図４に示す組込みタイプにおいて、安定性の確保と製造の容易さから有効である。
また、図５に示すような着脱可能タイプのプローブ部５においては、湾曲部２１３内の先端側にプローブ部５の先端を固定する構成が有効である。

これらの以外の固定は、安定性向上が必要な場合に適宜追加することにするも製造上、有効な方法である。固定については、組込みタイプにおいては、接着・締め付け・ねじ止めのような恒久的な安定な手法が望ましい。一方、着脱可能なタイプのプローブ部５においては、鉗子チャネル等のガイド穴にスペーサをはさんだり、ガイド穴内でバルーンを膨らませてプローブ部５が動かないようにしたりするといった構成例が挙げられる。

まず、形状センサシステムの基本構成について説明する。
図１１Ａに示す形状センサシステム１００は、光ファイバを含むプローブ部１０１と、光接続部１０２と、光源１０３と、光検出部１０４と、信号処理回路１０５とで構成される。

プローブ部１０１は、少なくとも挿入部２１０と同じ長さを有する光ファイバ１１１の周面に、湾曲状態を検出するための被検出部（湾曲検出部）１１２が設けられ、先端には反射部材１１４が配置されて構成されている。光源１０３は、例えば、所望の波長特性を有する検出光となる光束を出射するＬＥＤ光源やレーザ光源である。また、光検出部１０４は、フォトダイオード等の受光素子を用いることができ、受光した検出光を光電変換し光量として示す電気信号を出力する。

光接続部１０２は、出射路側がコリメータレンズ１１５と、偏光フィルタ又はλ／４波長板１１６と、偏光ビームスプリッタ１１７と、対物レンズ１１８とで構成され、入射路側が、出射路側と共用される対物レンズ１１８及び偏光ビームスプリッタ１１７と、集光レンズ１１９とで構成される。信号処理回路１０５は、反射部材１１４の反射により戻る光束から湾曲検出部１１２における光量の損失の変動によって湾曲量を検出する。

図１１Ｂ、図１１Ｃ及び図１１Ｄに示すように、１つの被検出部１１２が光ファイバ１１１に設けられていた場合に、湾曲する方向によって被検出部１１２が通過する光束（レーザ光）の光量を損失させる。

被検出部１１２は、光ファイバ１１１の周面から被覆及びクラッドの一部が除去されて、コアが露出されるように光開口部が形成され、この光開口部に光特性変換部材を充填して形成されている。この光特性変換部材は、光ファイバ１１１に導光された光束の光量や特性を変換させる導光損失部材（光吸収体）や波長変換部材（蛍光体）等である。以下の実施形態では、光特性変換部材として導光損失部材を用いる例で述べている。

形状センサシステム１００において、光源１０３から出射された光束１１３は、光接続部１０２を介して光ファイバ１１１に導光され、途中の被検出部１１２の光特性変換部材に光束１１３の一部が吸収されて、光量の損失が発生する。この導光損失量は、光ファイバ１１１の湾曲量や湾曲方向によって変化する。

例えば、図１１Ｃに示すように、光ファイバ１１１が直線状態であっても、導光される光束１１３の一部が被検出部１１２に入射して、ある程度の光量が損失する。この光量の損失量を基準として、光ファイバ１１１が直線状態であると判断する。

図１１Ｂに示すように、光ファイバ１１１が、内周面上（内側）に被検出部１１２が配置される湾曲状態であれば、特性変換部材に入射する光束が少なくなり、基準とした導光損失量よりも少ない導光損失量が生じる。反対に、図１１Ｄに示すように、光ファイバ１１１が、外周面上（外側）に被検出部１１２が配置される湾曲状態であれば、特性変換部材に入射する光束が多くなり、基準とした導光損失量よりも多い導光損失量が生じる。

これらの導光損失量の変化は、光検出部１０４で受光される検出光量、即ち出力信号に反映される。従って、信号処理回路１０５により、光検出部１０４の出力信号に基づき、被検出部１１２が配置された箇所の湾曲形状（湾曲方向及び湾曲角度）を想定することができる。

以上のように、形状センサシステム１００は、光ファイバ１１１の被検出部１１２による光量変調を光検出部１０４で検出し、その検出された信号値から湾曲量（曲がり具合）が検出できる。また、複数の被検出部１１２を光ファイバ１１１の軸回り方向に分配し、それぞれの湾曲方向を合成することにより、プローブ部１０１の湾曲形状を検出し、延いては被検体の湾曲形状を認識することができる。この形状センサシステム１００を内視鏡の挿入部に備え付けることにより、挿入部の現在の湾曲形状等の物理的状態を認識できるため、人体に挿入して観察、診断及び処置などを行うことができる。

［第１の実施形態］
次に、図１Ａ乃至図１Ｄ、及び図７を参照して、第１の実施形態に係る形状センサシステムについて説明する。
図１Ａは、形状センサシステム全体の概念的な構成を示し、直接、被検体に装着した例を示している。図１Ｂは、形状センサシステムの全体の概念的な構成を示し、プローブ部を挿入装置（又は、挿入部）に組み付けて、被検体に挿入する例を示している。図１Ｃは、図１Ａに対して、光ファイバに形状センサを設けたシステムの概念的な構成を示し、図１Ｄは、図１Ｂに対して、光ファイバに形状センサを設けた概念的な構成を示している。図７は、プローブ部の構成を示す図である。

本実施形態の形状センサシステム１は、図１Ａに示すように、センサ駆動回路３２、信号検出回路３３及び信号処理３４とを備える形状センサ制御部３１と、形状センサ３０が設けられと、後述する芯材有りの編み込まれた細径湾曲部材からなるプローブ部５と、により構成される。この構成において、センサ駆動回路３２、信号検出回路３３及び信号処理部３４は、図１１Ａにおける前述した光源１０３、光検出部１０４及び信号処理回路１０５と同等である。

センサ駆動回路３２は、プローブ部５に設けた被検出部である形状センサ３０の形状信号を取得するために必要なセンサ駆動、例えば、電源供給や電源の供給波形・供給タイミングや供給対象の制御など、を行う。信号検出回路３３は、プローブ部５に設けた形状センサ３０の信号を個別に検出、または、複数分をまとめて検出する。信号処理部３４では、検出信号から、必要に応じて、個々の形状センサ３０の信号を分離し、その上で、個々の形状センサ３０での湾曲量を算出し、さらには、プローブ部５の形状を算出する。尚、図１Ａに示す構成と図１Ｂに示す構成の違いは、使用する形態が異なり、プローブ部５を直接的に被検体６に装着するか、プローブ部５を挿入装置である内視鏡の挿入部９に組み付けて、被検体６に挿入するかの違いであり、プローブ部５は同じ構成である。センサ駆動回路、信号検出回路及び信号処理部は、図２に示す、内視鏡システムの操作部２１１、または、本体側の一方に搭載、または、双方に分けて搭載するものとする。

本実施形態の、ファイバセンサを形状センサとして用いた形状センサシステム１は、光源２と、光カプラ４を搭載する光接続部３と、後述する芯材有りの編み込まれた光ファイバ１３を含むプローブ部５と、光検出器７と、信号処理回路８で構成される。この構成で、光源２、光検出器７及び信号処理回路８は、前述した光源１０３、光検出部１０４及び信号処理回路１０５と同等であり、ここでの詳細な説明は省略する。尚、図１Ｃに示す構成と図１Ｄに示す構成の違いは、図１Ａと図１Ｂの違いと同様であって、使用する形態が異なり、プローブ部５を直接的に被検体６に装着するか、プローブ部５を挿入装置である内視鏡の挿入部９に組み付けて、被検体６に挿入するかの違いであり、プローブ部５は同じ構成である。

光接続部３は、公知な構造の光カプラ４を搭載しており、光源２から出射された光束をプローブ部５へ光学的に伝達し、またプローブ部５の先端で反射された光束を光検出器７へ伝達するように、導光、分岐及び合波を行っている。尚、本実施形態では、光カプラ４を用いた構成であるが、前述した偏光ビームスプリッタ１１７を用いた構成であってもよい。また、形状センサであるファイバセンサの光源２、光接続部３、光検出器、信号処理回路８は、図２に示す、内視鏡システムの操作部２１１、または、本体側の一方に搭載、または、双方に分けて搭載するものとする。

図７に示すように、プローブ部５は、芯材１２と、芯材１２に２束以上の細径湾曲部材（例えば、光ファイバ）１３を後述するように螺旋状に巻き付け又は、芯材有りの編み込まれた細径湾曲部材（光ファイバ）編み込み部１４と、外装部材１５とによって形成される。細径湾曲部材の例としては、光ファイバの他に、歪センサなどの、形状センサや形状センサの配線材などが挙げられる。

芯材１２は、細径の曲げ易い部材が用いられ、捻れや伸縮に対する剛性が高い部材が好適する。即ち、芯材１２は、捻れ及び伸縮に対する剛性を有し、可撓可能である。例えば、金属材料であれば、ステンレス合金やＮｉＴｉ等の線材やこれらを撚った撚り線を用いることができ、樹脂材料であれば、カーボン等の強化繊維に繊維強化樹脂を含浸した樹脂部材であってもよい。また、芯材１２は、中実構造だけではなく、例えば、ステンレス合金からなる管にスエージング加工を用いて細長い管形状に伸長加工した中空構造の部材であってもよい。また、この中空構造の中に別の部材を差し入れ、又は充填して一体化させた層構造であってもよい。

本実施形態の光ファイバ編み込み部１４は、芯材１２の長手方向に沿って列状に配置され、芯材１２に固定された複数の被検出部１６が設けられている。通常、湾曲方向も検出するには、２つ以上の被検出部１６が必要であり、検出範囲も数１００ｍｍ以上となると長手方向にも複数の被検出部１６が必要となる。通常、被検出部１６は、被検体６が取り得る形状や検出精度によって予め決められており、概ね数１０ｍｍから数１００ｍｍの範囲内の間隔で配置されている。

図７に示す例では、プローブ部５の先端近傍は、上述の範囲内のうちの狭い間隔で被検出部１６が配置され、それ以外の基端側は、これよりも広い間隔で配置されている。これは、プローブ部５が組み付けられる挿入部先端には湾曲機構が設けられており、湾曲機構が特に湾曲する、即ち、曲率半径が小さくなるためである。従って、プローブ部５の先端近傍とは、操作者が操作する上で、湾曲形状を認識しなければならない先端からの検出範囲であり、少なくとも挿入部先端に設けられている湾曲機構の箇所を含む範囲となる。これらの被検出部１６は、湾曲状態検出のための前述した導光損失部材又は波長変換部材等を用いた構成である。

この様な被検出部１６は、１本の光ファイバ１３上に配置してもよいし、複数の光ファイバ１３上に配置してもよい。１本の光ファイバ１３上に全ての被検出部１６を配置すれば、プローブ部５の細径化や検出系の単純化等により構成の小型化を実現する。その反面、数多くの被検出部１６からそれぞれに取得された湾曲情報を分離抽出することが難しくなり、高精度な光検出器７や信号処理回路８を用いることでシステムの高コスト化を招く。他方、複数の光ファイバ１３上に分配すれば、光ファイバ１３の個数が増加することによって、プローブ部５の径が増大したり、複数の光接続部３や光検出器７が必要となったりするが、１本当たりに設けられる被検出部１６の個数が減ることで、被検出部１６から取得された湾曲情報を分離し抽出することが容易となる。

図１０は、上述したように、複数の光ファイバ１３上に被検出部１６を配置した場合に、複数の光接続部３や複数の光検出器７を備える形状センサシステム１の構成例を示している。
被検出部１６が設けられた光ファイバ１３による光源から光検出器までの光束の導光経路は、同一経路反射型、同一経路透過型又は、別経路反射型等が知られている。本実施形態に適用できる被検出部１６が設けられた光ファイバ１３の本数や光束の導光経路のタイプは、特に限定されるものではない。尚、図７においては一列に並ぶ被検出部１６が示されているが、実際には、プローブ部５の左右上下方向の湾曲状態を検出するために、周方向に任意角度、例えば９０°を空けた位置に図示しない列状に並ぶ被検出部１６が存在する。勿論、２列に限定されるものではなく、さらに、光ファイバ編み込み部１４の長手軸方向に沿って３列以上の被検出部１６が配置された構成であってもよい。

また、光ファイバ編み込み部１４の先端１４ａは、先端部１８を用いて、芯材１２の先端側に固定される。この先端部１８は、光ファイバ編み込み部１４の先端を封止したり、被検体６へプローブ部５を固定したりするために利用される。挿入部９や被検体６へプローブ部５を固定する場合、芯材１２も先端部１８と共に固定されるため、湾曲による位置移動が生じ難くなり、安定した固定状態が得られる。尚、芯材１２の先端側の反対側となる基端側において、光ファイバ編み込み部１４の基端側が固定される場合もある。

図１２、図１３Ａ及び図１３Ｂを参照して、プローブ部５の外装部材１５について説明する。
図１２は、外装部材１５の外観形状を示し、図１３Ａは、直線状態の時のプローブ部５の断面構造を示し、図１３Ｂは、湾曲時のプローブ部５の断面構造を示している。
外装部材１５は、光ファイバ編み込み部１４の外周面上に複数の光ファイバ１３を内包するようにチューブ状に覆形成される。外装部材１５は、光ファイバ編み込み部１４の曲がりを阻害しない弾性部材が好適する。

外装部材１５は、円筒形状を成して、内部に収容して光ファイバ編み込み部１４を保護すると共に、外部からの影響で、プローブ部５の長手方向の軸周りに、光ファイバ編み込み部１４が回転したりぶ長手方向に移動したり、又は光ファイバ１３が長手軸方向に移動しないように設けられている。

さらに、プローブ部５の先端に先端部１８を設けて、外装部材１５と芯材１２を、必要に応じて適宜、固定している。また、先端部１８は、光ファイバ編み込み部１４を封止し、図１Ｂに示す構成であれば、挿入部９にプローブ部５を組み付ける機能を含んでいる。挿入部９へプローブ部５を組み付ける場合、芯材１２も先端部１８に固定されることで、光ファイバ編み込み部１４の先端においては、挿入部９に対して安定的に固定される。

図８は、先端部１８と芯材１２や外装部材１５における第１の配置例を示している。
この配置例でにおいて、芯材１２と先端部１８を、芯材・先端部間の固定可能箇所Ａに固定し、さらに、その先端部１８を（図示しない）被検体へ固定する構成であれば、被検体に対して芯材を固定することと同じになる。この形態であれば、被検体に対する芯材１２の配置の安定性が向上する。

この様に、外装部材１５を先端部１８に固定すれば、外装部材１５も被検体に対して安定性が向上する。一方で、外装部材１５が外部から大きな外力やモーメントを受けやすい場合、外装部材１５を先端部１８に固定しないようにすることで、外部からの大きな外力やモーメントの影響が芯材１２や芯材１２に編み込んだ光ファイバ編み込み部１４にも伝わり難くなり、被検体に対する芯材１２の配置の安定性の向上が図れる。

また、芯材１２と先端部１８を、芯材・先端部間の固定可能箇所Ａで固定しない場合、芯材１２は、先端において先端部１８や外装部材１５から影響を受けにくくなり、芯材自身がねじれにくければ、芯材１２の配置の安定性の向上が図れる。この場合、外装部材・先端部間の固定可能箇所Ｂのように外装部材１５と先端部１８を接着固定して、隙間を無くすことで、形状センサのプローブ部５として封止性が向上する。

さらに、図９は、後端部（基端側）と芯材１２や外装部材１５における第２の配置例を示している。
芯材１２と後端部１９を、図中の芯材・後端部間の固定可能箇所Ｃで固定し、さらに、後端部１９を（図示しない）被検体６に挿入する挿入部９へ固定する。この場合、芯材１２は、挿入部９に対してを固定したことと同じになる。この形態は、内視鏡などの挿入部に対して、形状センサの芯材の配置の安定性が向上する。

また、外装部材１５と後端部１９とを外装部材・後端部間の固定可能箇所Ｄで固定すれば、外装部材１５も挿入部に対して安定性が向上する。一方で、外装部材１５が外部から大きな外力やモーメントを受けやすい場合、外装部材１５を後端部１９に固定しないようにすることで、外部からの大きな外力やモーメントの影響が芯材１２や芯材１２に編み込んだ光ファイバ編み込み部１４にも伝わりにくくなり、挿入部に対する芯材１２の配置の安定性の向上が図れる。

また、芯材１２と後端部１９を芯材・後端部間の固定可能箇所所Ｃで固定しなかった場合、後端での後端部１９や外装部材１５から影響を受けにくくなり、芯材１２は自身がねじれにくければ、芯材の配置の安定性の向上が図れる。
尚、芯材１２は後端部１９の途中までの配置となっているが、後端部１９をつきぬけてもよい。また、光ファイバ編み込み部１４は、後端部１９より先端側までの配置となっているが、後端部１９の内径を適宜調整した上で、後端部１９の途中、または、後端部１９より手前側まで配置してもよい。

これらのように、芯材１２の捻り剛性が高く、外部からの大きな外力やモーメントの影響が比較的小さい場合には、芯材１２と外装部材１５を先端部１８及び後端部１９の両方で固定することで、プローブ部５（モジュール）としてのねじり剛性が向上し、封止性も向上する。

次に、図１３Ａに示す直線状態のプローブ部５の断面構造は、外装部材１５が円形形状である。しかし、プローブ部５が湾曲した時には、外装部材１５が扁平形状となって、内部に設けられた光ファイバ編み込み部１４の厚みよりも薄くなる部分が発生する。この薄くなった変形部分は、光ファイバ編み込み部１４に外力を直接的に加えてしまい、光ファイバ編み込み部１４を変形させたり、破損させたりする虞が生じる。また、プローブ部５の長手方向の軸周りへの回転や移動、又は光ファイバ１３の長手軸方向への移動も生じやすくなる。

そのため、プローブ部５に最大曲率（または、最小曲げ半径）が定められている場合には、最大曲率とする湾曲時に、外装部材内面が、束ねられた複数のファイバ１３を押さないように、湾曲における最小曲げ半径を下回らないように隙間の間隔を考慮して形成することで、図１３Ｂに示す様に、扁平となっても隙間が生じている状態を保持するため、扁平による問題を回避することができる。この隙間は、空間として扱っているが、プローブ部５の光ファイバ編み込み部１４を覆い、柔らかく伸縮の大きい弾性部材や衝撃吸収部材が充填された状態であってもよい。

（第１の芯材有りの編み込み構造例）
図１４Ａを参照して、第１の芯材有りの編み込み構造例について説明する。本実施形態を含む以下の実施形態で説明する芯材有りの編み込み構造及び、芯材無しの編み込み構造においては、芯材の周囲に細径湾曲部材を巻き付けた芯材有りの編み込み構造と称し、芯材無しで細径湾曲部材同士で三つ編み等に編み込んだ構造を単に編み込み構造と称している。

また、細径湾曲部材である光ファイバ１３は、１本又は１本以上を束ねて束の単位として扱い、この束を２束以上を組として扱っている。ここでは、１本の細径湾曲部材であっても１束として扱っている。よって、例えば、２本の細径湾曲部材を１束として、２束を１組とする。これで２組の細径湾曲部材による編み込み構造を形成した場合には、４本の細径湾曲部材を用いた構成となる。また、細径湾曲部材に光ファイバ１３を用いた場合において、編み込みに必要となる本数（組数）に、光ファイバ１３の数が満たなかった場合には、不足する数の数合わせに、別途異なる細径湾曲部材を代用するように補われる。代用する細径湾曲部材としては、例えば、同径の光ファイバの素線を後述するようにダミーとして用いる場合がある。このダミーの光ファイバは、実際には、光束が導光されない光ファイバであるため、被検出部１６を設ける必要は無い。尚、本実施形態の編み込み構造では、複数の細径湾曲部材を１束として扱い、複数束で組を構成した場合に、束間及び組間における細径湾曲部材の本数をそれぞれ等しくすることで、編み込んだ際に、プローブ部５の径の変化が均一的であり、プローブ部５に均等に負荷が掛かるようにすることが好ましい。但し、芯材１２に巻き付ける際に周期（巻き間隔）を工夫することで、異なる本数の束を用いて編み込むことも可能である。特に、編み込む光ファイバやダミーの光ファイバが複数の種類・断面構造からなる場合には、適宜、編み込み強度や曲げの柔軟性・信頼性などの機械的側面や編み込み作業の時間低減などの目的に合わせて、編み込む本数の組合せを調整したり、強度補強・湾曲性向上・細径化などの目的に合わせた適切なダミーファイバと用いる本数を選択して編み込んだりすることが可能である。

図１４Ａに示す第１の編み込み構造例では、２束１組とする２組（第１組と第２組）の被検出部１６が設けられた光ファイバ２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂによる編み込み構造について説明する。
まず、芯材１２の周囲に長手方向に沿って、第１組の光ファイバ２１ａを螺旋状に時計回り（ＣＷ）で巻き付けると共に、光ファイバ２１ｂを螺旋状に反時計回り（ＣＣＷ）に同等に巻き付けて、半周する毎に交差する、即ち、１８０°毎に交差する複数の交差箇所ｘ１で交差する周期（＝ピッチ）ｐで編み込まれている。

次に、第２組の光ファイバ２２ａを螺旋状に時計回り（ＣＷ）で巻き付けると共に、光ファイバ２２ｂを螺旋状に反時計回り（ＣＣＷ）に同等に巻き付けて、光ファイバ同士が半周するごとに交差する、即ち、ｐ／２ピッチである１８０°ずれた位置で交差する複数の交差箇所ｘ２で交差するように編み込む。この時、第１組の光ファイバ２１ａ，２１ｂの交差箇所ｘ１と、第２組の光ファイバ２２ａ，２２ｂの交差箇所ｘ２の関係は、同一周上で芯材１２の中心を挟んで対向する位置に配置されている。即ち、図１４Ａに示す芯材１２の正面側に交差箇所ｘ１が存在した場合には、交差箇所ｘ２は、芯材１２の裏面側に存在する。これは、長い編み込み構造を形成する場合には、周期的な構造を取ることにより、形状検出の演算処理に有利に働く。尚、光ファイバ２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂにおける芯材１２への巻き付けの順序は、上述した順序に限定されたものではなく、適宜、変更してもよい。

（第２の編み込み構造例）
図１４Ｂを参照して、第２の編み込み構造例について説明する。本例は、前述した第１の編み込み構造例と同様な２束１組とする２組（第１組と第２組）の光ファイバ２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂによる編み込み構造である。
第２の編み込み構造例は、芯材１２の周囲に長手方向に沿って、第１組、第２組の光ファイバ２１ａと光ファイバ２２ａがｐ／４ピッチを空けて螺旋状で時計回り（ＣＷ）に巻き付けられ、第１組、第２組の光ファイバ２１ｂと光ファイバ２２ｂがｐ／４ピッチを空けて螺旋状で反時計回り（ＣＣＷ）に編み込まれて、それぞれの組の光ファイバが半周する毎に交差するように構成される。

この時、第１組の光ファイバ２１ａ，２１ｂの交差箇所ｘ１と、第２組の光ファイバ２２ａ，２２ｂの交差箇所ｘ２の関係は、ｐ／４ピッチの位置ずれで配置されている。この巻き付けにおける位置ずれ量は、製造の容易さ、形状、サイズ及び機能等の違いによって、適宜変更してもよい。

（第３の編み込み構造例）
図１４Ｃを参照して、第３の編み込み構造例について説明する。本例は、２本の光ファイバを１束として、２束１組とする光ファイバ２５ａ，２５ｂと光ファイバ２５ｃ，２５ｄによる編み込み構造である。ここでは、４本全てが被検出部１６が設けられた光ファイバを用いて形状検出に使用することを想定しているが、束と組の本数が同じであれば特に限定されるものではなく、この例においては、３本が被検出部を有する光ファイバであり、１本が被検出部が設けられていない、後述する同径のダミーの光ファイバを用いた組み合わせであってもよい。

この第３の編み込み構造例においては、光ファイバ２５ａ，２５ｂを合わせて、芯材１２の周囲に長手方向に沿って、螺旋状に時計回り（ＣＷ）に巻き付けられ、第１組、第２組の光ファイバ２５ｃと光ファイバ２５ｄが螺旋状で、反時計回り（ＣＣＷ）に同等に巻き付けられて構成され、半周するごとに交差するように同じ周期（＝ピッチ）ｐで編み込まれている。この時、光ファイバ２５ａ，２５ｂの束による交差箇所ｘ１と、光ファイバ２５ｃ，２５ｄの束による交差箇所ｘ２は、一致している。光ファイバ２５ａ，２５ｂと光ファイバ２５ｃ，２５ｄの束は、それぞれに縒ってもよい。

図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１４Ｃの編み込み構造は、芯材１２に編み込まれた複数の細径湾曲部材が、逆巻きである鏡像配置であることを除き、全て共通の編み込みパターン（構造）を有している。

さらに、図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１４Ｃの編み込み構造例において、細径湾曲部材の１組当たり束の”２”は、交差を有する編み込み構造を実現する最小の数である。つまり、１組に含まれる束の数をｍ（≧２）、同じ位置で一度に交差する束の数をｎ（≧２）とすると、１周期ｐ当たりの交差の数は、ｍＣｎとなる。
ここで、交差する位置の間隔が一定でＬだとすると、ｐ＝ｍＣｎ・Ｌとなる。編み込み構造に寄らずＬの最小値は、ほぼ一定と考えられるので、ｍＣｎの値が小さい程、１周期ｐの長さが小さくなる。ｍＣｎを最小にするｍとｎの組合せは、ｍ＝ｎ＝２であり、ｍＣｎ＝１となる。この時、ｐ＝ｍＣｎ・Ｌ＝Ｌとなる。
以上のことから、芯材を用いた編み込み構造において、２束による編み込み構造は、周期（＝ピッチ）ｐを最小にすることができる。

次に、図１Ａ、図７及び図１５に示すフーチャートを参照して、前述した、ファイバセンサを形状センサとして用いた本実施形態の形状センサシステム１よる被検体の湾曲形状の生成及び出力（表示）を行う手順について説明する。
まず、光源２を駆動し、所望の波長特性を有する検出光となる光束を出射する（ステップＳ１）。光源２からの光束を導光路によって光接続部３の光カプラ４へ導光する（ステップＳ２）。さらに、光カプラ４から光束を導光路によって、プローブ部５の光ファイバ１３へ導光する（ステップＳ３）。光ファイバ１３に設けられた被検出部１６によって光束を変調（波長変動・光量変動等）する（ステップＳ４）。

次に、プローブ部５からの戻り光束を導光路によって光カプラ４へ戻すように導光する（ステップＳ５）。光カプラ４から導光路によって戻り光束を光検出器７へ導光する（ステップＳ６）。光検出器７によって、各被検出部１６によって変調されたそれぞれの戻り光束を検出する（ステップＳ７）。

その検出された各被検出部１６による戻り光束の変調度合いを求め、各被検出部１６近傍における湾曲方向・湾曲量を推定する（ステップＳ８）。これらの推定された各被検出部１６近傍における湾曲方向・湾曲量から、被検体６又は挿入部９の湾曲形状を求める。求められた被検体６又は挿入部９の湾曲形状を出力／表示する（ステップＳ１０）。そして、さらに形状の検出を継続するか否かを判断して（ステップＳ１１）、継続するのであれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１に戻り、形状の検出を継続しないのであれば（ＮＯ）、一連の形状検出を終了する。

次に、図１６Ａ、図１６Ｂを参照して、前述した編み込み構造の細径湾曲部材、被検出部及びその近傍に形成される複数の保持部の構成例について説明する。
本実施形態のプローブ部５は、プローブ部５の湾曲に伴い、細径湾曲部材である光ファイバ１３に対して、ねじれの力が働いた時に、被検出部１６に移動やねじれが生じないように保持及び固定する必要がある。光ファイバ１３を保持させる対象部位としては、光ファイバ１３同士の重なり箇所、被検出部１６同士の重なり箇所、光ファイバ１３と芯材１２との間、光ファイバ１３と外装部材１５との間、等が考えられる。

図１６Ａは、光ファイバ１３を保持する第１の保持構成例を示している。第１の保持構成例は、接着剤を用いて、被検出部１６の中央部分を個別に芯材１２へ接着する保持部４１と、及び被検出部１６の近傍の光ファイバ１３を芯材１２に接着する保持部４２とがある。

図１６Ｂは、光ファイバ１３を保持する第２の保持構成例を示している。第２の保持構成例は、編み込み構造を補強するために、接着剤を用いて、被検出部１６の交差箇所を芯材１２に接着する保持部４３と、及び被検出部１６の交差箇所における芯材１２に接着する保持部４４とがある。

これらの保持部４１乃至保持部４４を設けることにより、プローブ部５が湾曲されたとしても、細径湾曲部材である光ファイバ１３、及び被検出部１６が芯材１２に対して保持されているため、プローブ部５に対する移動やねじれは発生しない。また、前述したプローブ部５の先端部１８を挿入部９や被検体６へプローブ部５を固定することもできるため、挿入部９や被検体６に対しても、被検出部１６の位置ずれや移動が発生せず、正確な位置検出が可能である。

次に、図１７Ａ，１７Ｂを参照して、図１６Ａ、図１６Ｂに示した保持部に対して光ファイバ１３の編み込みの周期（ピッチ）ｐが短いピッチの時の保持部の形成について説明する。

図１７Ａに示すように、ピッチｐよりも長い周期（間隔）の一定の間隔（ピッチ）ｐｃを空けた状態で、２束毎に芯材１２に接着する複数の保持部を設けた構成である。ここでは、隣接する組の光ファイバ１３の交差箇所ｘ１（ｘ２）、被検出部１６の交差箇所ｙ１及び、被検出部１６の近傍で光ファイバ１３の交差箇所ｙ２を個々に芯材１２に接着して保持部４３，４４，４５を設けている。

図１７Ｂに示すように、ピッチｐと同じ又はよりも長い周期（間隔）の一定の間隔（ピッチ）ｐｃを空けた状態で、４束毎にまとめて芯材１２に接着する複数の保持部を有する構成である。ここでは、光ファイバ１３の交差箇所ｘ１、ｘ２をそれぞれ芯材１２へ接着する保持部４７を設けている。

光ファイバ１３の交差箇所ｘ１と被検出部１６の交差箇所ｙ１をそれぞれ芯材１２へ接着する保持部４８を設けている。さらに、光ファイバ１３の交差箇所ｘ２と被検出部１６の近傍で光ファイバ１３の交差箇所ｙ２をそれぞれ芯材１２へ接着する保持部４９を設けている。これらの保持部においては、光ファイバ１３の編み込みの周期ｐと光ファイバ１３の保持ピッチｐｃの関係は、ｐｃ≧ｐとしている。

図１８を用いて、被検出部１６の配置例について説明する。
前述した被検出部１６の配置例（例えば、図１６Ａ）では、光ファイバ１３を芯材に螺旋状に編み込んでいるため、被検出部１６は、芯材１２の長手方向に対して斜めに配置されている。図１８に示す配置例では、被検出部１６がプローブ部５の長手方向と平行になるように保持部５０により固定されている。この様に配置することで、被検出部１６が検出している湾曲方向とプローブ部５の湾曲形状が一致するようになる。よって、斜めに配置した被検出部１６が検出した方向は補正する必要があるが、長手方向と平行に被検出部１６を配置することにより、補正無しで正確な湾曲状態を容易に検出することができる。

このような配置は、被検出部１６近傍のみプローブ長手方向に対して平行に配置してもよいし、編み込みの周期を被検出部１６近傍で長くすることで、平行配置と同等、または、平行配置に近い形状センサの特性を得ることができる。
被検出部１６における芯材１２の中心に対する装着の向きについて説明する。
被検出部１６は、元々、特定の方向への湾曲を検出する。被検出部１６は、光ファイバ１３と共に芯材１２周りに編み込まれており、各々の被検出部１６は、芯材１２に対して、螺旋状の配置となる。そのため、芯材１２中心に対する被検出部１６の向きが変わると、プローブ部５が真っ直ぐな状態において基準として検出されている被検出部近傍における湾曲量と湾曲方向が変化する。

こうしたことから、被検出部１６の、芯材１２中心に対する向きを揃えることができれば、各被検出部１６の検出特性のばらつきを抑え、同様の傾向を持つ特性を得ることができる。
さらに、ファイバセンサの湾曲特性に応じて、芯材中心に対する向きを指定することで、湾曲特性のダイナミックレンジや線形性、検出精度などを向上させることができる。

（ダミーの光ファイバ）
次に、図１９を参照して、細径湾曲部材の代用として用いるダミーの細径湾曲部材又は光ファイバについて説明する。
通常、図１６Ａに示したような被検出部１６が設けられた検出用の光ファイバの本数は、湾曲量を測定したい箇所に設けられる被検出部１６の個数と、検出系部位における物理的な制約（検出器の個数や配置されるスペース等）によって決まる。一方、編み込みに用いる細径湾曲部材の数は、編み込み構造に応じて、例えば、２の倍数や３の倍数といった特定の数になる。そのとき、以下の（１）式が成り立つ必要がある。
検出用の光ファイバの本数≦編み込みに用いる細径湾曲部材の数 …（１）
前述したように、編み込みに必要な細径湾曲部材の本数が、検出に使用する検出用光ファイバ１３の本数よりも多い場合の対応として、その不足する差分をダミーの細径湾曲部材、ここでは、ダミーの光ファイバを加えて補うことができる。

また、細径湾曲部材に光ファイバ１３を用いた場合において、編み込みに必要となる本数（組数）に、光ファイバ１３の数が満たなかった場合には、不足する数の数合わせに、別途異なる細径湾曲部材を代用するように補われる。代用する細径湾曲部材としては、例えば、同径で被検出部１６が設けられていない光ファイバをダミーとして用いる場合がある。

例えば、図１９に示す編み込み構造においては、光ファイバの２束１組とする２組（第１組と第２組）の図１４Ａに示した螺旋状に巻き付けた構成と同等であり、被検出部１６が設けられた光ファイバ２１ａ，２１ｂを第１組とし、光ファイバ２２ａ及びダミーの光ファイバ２３を第２組としている。

ダミーの光ファイバ２３は、検出用の光ファイバ２１ａ，２１ｂ，２２ａと同等、又はより耐久性の高い材料を用いて、他の光ファイバの被検出部１６に影響を与えないように形成される。このダミーの光ファイバ２３は、同材質で同径の光ファイバの素線であり、検出のための光束が導光されない光ファイバであるため、被検出部１６を設ける必要は無い。

次に、図２０Ａ、図２０Ｂを参照して、編み込み構造のプローブ部５が真っ直ぐな状態と湾曲した状態おける光ファイバの長さについて説明する。
図２０Ａは、プローブ部５が真っ直ぐな状態における編み込み構造を示し、図２０Ｂは、プローブ部５が湾曲した状態における編み込み構造を示している。

編み込まれた細径湾曲部材である光ファイバ１３が芯材中心から半径ｒだけ離れた位置で芯材の周りに巻き付いているとする。交差している部分の影響を無視すると、１周期ｐ当たりの光ファイバの長さｌは、
ｌ＝ｓｑｒｔ｛ｐ＾２＋（２πｒ）＾２｝
となる。

図２０Ｂにおいて、光ファイバ編み込み部１４を湾曲させた時の光ファイバ１３の湾曲の外側の部分をａ、内側の部分をｂとする。湾曲前は、部分ａも部分ｂも、ｌ／２の長さとなる。プローブ部５が湾曲すると、部分ａは、外側に配置されるため長くなり、部分ｂは内側に配置されるため、短くなる。しかしながら、部分ａの伸び量と部分ｂの縮み量がほぼ等しくなることによって、１周期ｐあたりの光ファイバ１３の長さはほぼ変化せず、ｌのままとなる。このように、１周期ｐあたりの光ファイバ１３の長さが変化しないことは、どちらの向きに曲げても、複数の箇所で曲げても成り立つということである。

従って、曲げの有無にかかわらず、１周期ｐあたりの光ファイバ１３の長さが変化しないことによって、光ファイバ１３を周期的な間隔（長さ）を空けた位置で固定することができるため、複数箇所で保持（固定）することが可能となる。このとき、保持（固定）間隔は、１周期ｐ以上であればよく、反対に、１周期ｐ未満の間隔であると、１周期ｐあたりの光ファイバ１３の長さの調整機能が働かなくなる可能性が生じる。

また、編み込みの周期（ピッチ）ｐの値は、プローブ部５が最大どれ位湾曲してもプローブ部５が安定した形状を保てるかに影響する。即ち、湾曲量が大きい場合には編み込みピッチｐを小さくする必要があり、湾曲量が小さい場合には、編み込みピッチを大きくしてもよい。

一方で、編み込みピッチが小さく、被検出部近傍が大きく捩れた状態となると、検出信号の変化量が減少し、検出感度が低下する可能性がある。また、編み込みピッチを大きくすれば、細径湾曲部材が真っ直ぐの状態に近くなり、編み込まない状態での検出に近い検出結果が得られる。

これらのことから、編み込みの周期（ピッチ）ｐの値は、最大湾曲量に応じて、適切な値を選ぶ必要がある。プローブ全体での最大湾曲量から込みの周期（ピッチ）ｐの値を決定すれば、一定の編み込みピッチで編み込むことが出来、製造が容易となる。一方で、プローブ部の特定の部位の湾曲量が大きい場合や先端に近づくほど湾曲量が大きくなる場合には、図２０Ｃ、図２０Ｄに示すように、複数の編み込み周期（ピッチ）ｐを用いたり、段階的に変化させたりすることも有効である。ここで、図２０Ｃは、２つの光ファイバ１３を互いに異なるピッチｐ１、ピッチｐ２（ｐ１＜ｐ２）で交互に編み込んだ構成例である。また、図２０Ｄは、２つの光ファイバ１３を左側から右側に編み込んだ場合に、右側に進むにつれて、ピッチが徐々に大きくなるように編み込む構成例である。

以上、説明した第１の実施形態の形状センサシステム１は、以下の作用効果を要している。
プローブ部５は、被検出部１６が設けられた１本以上の光ファイバ１３を含む細径湾曲部材からなる束の複数の束を１組として、芯材１２に交差を有するように螺旋状に巻き付けた編み込み構造を設けている。この編み込み構造を有するプローブ部５は、曲げられた時に、プローブ部５の径やプローブ内での光ファイバ１３の配置に関わらず、光ファイバ１３に長手方向への移動やプローブ周りの回転が生じにくい。そのため、検出用の光ファイバ１３の本数が多くなってとしても、高精度で、高い信頼性を持つ形状センサを提供できる。また、編み込み構造を採用することで、編み込み周期内でのファイバ長さの調整機能が働くようになり、プローブ部５の中心軸から外れた位置に配置した光ファイバ１３を複数箇所で保持／固定することも可能となる。

この編み込み構造は、２束以上の細径湾曲部材がプローブ部５の芯材１２の長手方向に、ほぼ一定の周期で螺旋状に巻き付けられるため、編み込みよる被検出部の位置の特定や編み込み構造に必要な光ファイバの長さの特定が容易となり、製造が容易になる。

また、編み込み構造で編みこまれた複数の細径湾曲部材が、（周期ずれ、）鏡像配置の場合を含めると、全て共通の編み込みパーン（構造）を有する単純な構造を取ることによって、製造が容易になる。また、編み込みによる被検出部１６の位置の特定や編み込み構造に必要な光ファイバ１３の長さの特定も同様に容易となる。

プローブ部５にほぼ平行に配置される、剛性（ねじれ・伸縮）の高い芯材１２を用いているため、プローブ部５の剛性が向上し、プローブ部５の周方向回りの回転や伸縮に対して強くなる。そのため、湾曲方向の検出誤差が生じにくく、また、引っ張りによる光ファイバ１３の破断や圧縮による座屈が生じ難くなり、光ファイバのみからなるプローブ部に比べて、より高精度・高信頼性が得られる。

本実施形態の芯材を用いた編み込み構造によれば、細径湾曲部材の束が２束１組からなる構成は、編み込みピッチを最小にすることができる。そのため、局所的な湾曲に対する光ファイバ１３の長さの調整機能が向上し、同じ素材を用いた構成の場合、最も大きな曲率、即ち、最も小さな曲率半径の湾曲に対応することができる。また、編み込みピッチが最も小さいことで、編み込みピッチ以上の大きさでなければならない光ファイバ１３の固定間隔も最も小さくすることができる。

光ファイバ１３は、被検出部１６の近傍で芯材１２に対して固定されているため、被検出部１６の向きや位置が芯材からずれにくくなる。ねじれや伸縮に関わる剛性が高い芯材１２を用いることで、プローブ部５の形状検出に関わる部分のねじれが発生し難くなり、検出精度が向上する。また、被検出部１６近傍の固定は、被検出部１６の向きや位置が芯材からずれ難くするための必要最小限で最も効果的な位置の固定となる。そのため、設計・製造上、最も効率がよい。

螺旋状に芯材１２に検出用の光ファイバ１３の被検出部１６近傍が所定ピッチで固定されいるため、被検出部１６の向きや位置が芯材からずれにくくなる。ねじれや伸縮に関わる剛性が高い芯材を用いることで、プローブ部５の形状検出に関わる部分のねじれが発生しにくくなる。その結果、検出精度が向上したり、プローブ部に対する芯材の固定をプローブ部の両端、または、一端のみに限定することが可能となったりする。また、所定ピッチで光ファイバ１３の固定は、被検出部１６の位置や位置ずれに配慮する必要がなく、設計・製造が容易となる。このような光ファイバ１３の固定は、一定の範囲に限定してもよく、芯材１２への被検出部１６を固定する構成と被検出部１６の位置に関係無く所定ピッチで芯材１２へ固定する構成とをプローブ全長において範囲を分けて配置してもよいし、両方の構成を重複させた構成とすることで、両方の構成の長所を活かすことができる。また、被検出部１６が所定ピッチ上に配置されていることで、保持／固定のピッチとして共通に使うこと出来る。そのため、保持／固定の設計・製造が簡便になる。

被検出部１６をプローブ部５にほぼ平行に配置することで、プローブ部５と検出用の光ファイバ１３の湾曲形状が被検出部近傍でほぼ一致する。そのため、被検出部１６での光ファイバ１３の湾曲形状の検出値をそのまま用いてプローブ部５の検出値とすることができる。また、プローブ部５が真っ直ぐな状態で湾曲していないため、測定の誤差もプローブ部５に対して斜めに配置された被検出部１６よりも検出誤差を少なくすることが出来る。

複数の細径湾曲部材の中に、ダミーの細径湾曲部材（被検出部の無い光ファイバ）が含む構造であるため、必要な検出用の光ファイバ１３の本数と編み込み構造に必要な細径湾曲部材の本数の差が生じたときに、ダミーの細径湾曲部材を加えることで、所望する形状センサを提供することができる。また、被検出部１６の無い光ファイバ２３をダミーとすることで、編み込みに用いる細径湾曲部材間の機械的な特性の差がほぼ無くすことができ、バランスのとれた編み込み構造を実現できる。

プローブ部５は、複数の細径湾曲部材を内包するように外側に外装部材１５を設けているため、光ファイバ編み込み部を保護すると共に、外部からの影響で光ファイバ１３が長手方向周りに回転したり、長手方向に移動したりせず、確実に保持させることができる。また、プローブ部５は、最大曲率（または、最小曲げ半径）を定め、湾曲時に外装部材の断面形状が、束ねられた複数の細径湾曲部材の断面形状を内包する構造を有しており、光ファイバ編み込み部の変形や破損を防止できる。

［第２の実施形態］
次に、図２１Ａ及び図２１Ｂを参照して、第２の実施形態に係る形状センサシステムについて説明する。図２１Ａは、細径湾曲部材の光ファイバを三つ編みに編み込んだ編み込み構造例を示す図である。図２１Ｂは、紐による三つ編みの構造を概念的に示す図である。尚、本実施形態の形状センサシステムは、前述した第１の実施形態のシステム構成と同等であり、同じ参照符号を用いて、ここでの構成部位の説明は省略し、特徴部分のみについて説明する。

本実施形態の形状センサシステム１は、前述した芯材１２を用いずに、３本の細径湾曲部材、ここでは、光ファイバ１３を用いた編み込み構造を有するプローブ部５を備えている。図２１Ａに示す三つ編みの構造は、前述した図１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃと同様であり、編み込まれた複数の細径湾曲部材が全て共通の編み込みパターン（構造）を有している。この三つ編み構造は、細径湾曲部材の数は、芯材無しで交差を有する編み込み構造を取れる最小の数である。

本実施形態は、芯材を用いていないため、芯材を有するプローブ部に比べて、細径化を実現することができる。同じピッチで編み込まれているため、被検出部の位置の特定や編み込み構造に必要な光ファイバ１３の長さの特定が容易となり、製造が容易になる。

次に、図２２は、第１の変形例として、細径湾曲部材にダミーの光ファイバを含む三つ編みの編み込み構造例を示す図である。この変形例は、１本の光ファイバ１３と２本のダミーの光ファイバ２３とを三つ編みした三つ編み構造である。ダミーの光ファイバ２３は、前述したと同様に、同径で被検出部１６が設けられていない光ファイバの素線を用いることができる。

この第１の変形例は、第２の実施形態と同等の作用効果を有しており、光ファイバの素線を使用するため、第２の実施形態による三つ編み構造よりは低コストで実現することができる。

次に、図２３は、第２の変形例として、細径湾曲部材のうちの１本に金属線の縒り線を用いた三つ編みの構造を示す図である。図２４は、第２の変形例において、被検出部近傍を接着で固定した状態を示す図である
この変形例は、２本の光ファイバとダミーの細径湾曲部材となる１本の細い金属線の縒り線とを組み合わせて、三つ編み構造に編み込まれている。

この第１の変形例は、細径湾曲部材が芯材の代替えとして機能して、金属線２４を撚った形状であるため、光ファイバ１３が絡みやすくなり、被検出部１６の向きや位置ずれが発生し難くなる。また、細径湾曲部材に剛性が高い細い金属線２４を用いることで、プローブ部の形状検出に関わる部分のねじれに対して強度を有し、検出精度を低下させない。また、図２４にしめすように、被検出部の近傍で２本の光ファイバ２３が交差する箇所を金属線２４に接着剤で接着する保持部５２により固定される。

次に、図２５を参照して、第３の変形例について説明する。図２５は、２本の細径湾曲部材を平結びで芯材に結びつけた、平結びの編み込み構造（芯材を含めて三つ編の構造）を示している。
本変形例は、図２５に示すように、前述した図１４Ａに示した編み込み構造と同様に、光ファイバ２１ａと光ファイバ２１ｂが芯材１２を半周する毎に交差する、即ち、１８０°毎に交差する複数の交差箇所ｘ１で交差する周期（＝ピッチ）ｐで編み込まれている。

また、さらに三つ編み構造の他にも図２６Ａに示すように、四つ編み構造や図２６Ｂに示す六つ編み構造がある。
これらの四つ編み構造２６及び六つ編み構造２７においても、編み込みに必要とする本数の細径湾曲部材が不足していた場合でも、ダミーの細径湾曲部材（被検出部の無い光ファイバの素線や細径の金属線等）を加えることで、所望する編み込み構造が実現できる。

さらに、所定の長さの編み込みができるため、検出用光ファイバの被検出部も所定ピッチで配置されることとなり、被検出部もプローブ部の所望する位置に配置することができる。また、編み込み構造であるため、被検出部の位置ずれに配慮する必要がなく、検出精度が向上し、且つ設計・製造が容易となる。

以上説明した本発明の形状センサシステムは、以下の作用効果を含んでいる。
第１に、形状センサのプローブ部を曲げた時に、プローブ部の太さやプローブ内での光ファイバの配置に関わらず、光ファイバに長手方向への移動やプローブ周りの回転が生じにくい。そのため、検出用ファイバの本数が多くなっても、高精度で、高い信頼性を持つ形状センサを提供できる。また、芯材有りの編み込み構造又は芯材無しの編み込み構造を取ることで、編み込み周期内でのファイバ長さの調整機能が働くようになり、プローブ部の中心軸から外れた位置に配置した光ファイバを複数箇所で保持／固定することも可能となる。

第２に、編み込み構造部が少なくとも所定の範囲で一定の周期を持つことによって、製造工程が容易になる。また、編み込みによる被検出部の位置の特定や編み込み構造に必要な光ファイバの長さの特定が容易となる。また、共通の編み込みパターンを用いた単純な構造を取ることによって、請求項２の構成においても特に、製造が容易になる。さらに、編み込みよる被検出部の位置の特定や編み込み構造に必要な光ファイバの長さの特定も同様に容易となる。

第３に、プローブ部にほぼ平行に配置された剛性の高い芯材を設けることで、プローブ部の剛性が向上し、プローブ部の周方向回りの回転や伸縮に対して強くなる。そのため、湾曲方向の検出誤差が生じ難くなる。また、引っ張りによる光ファイバの破断や圧縮による座屈がしょうじにくくなる。従って、光ファイバのみからなるプローブ部に比べて、より高精度・高信頼性なプローブ部となる。

第４に、芯材有りの編み込み構造において、細径湾曲部材の束２束１組からなる構成は、編み込みピッチを最小にすることができる。そのため、局所的な湾曲に対する光ファイバの長さの調整機能が向上し、同じ素材を用いた構成の場合、最も大きな曲率、即ち、最も小さな曲率半径の湾曲に対応することができる。また、編み込みピッチが最も小さいことで、編み込みピッチ以上の大きさでなければならない光ファイバの固定間隔も最も小さくすることが出来る。

第５に、検出用光ファイバの被検出部近傍で光ファイバを芯材に固定することで、被検出部の向きや位置が芯材からずれにくくなる。ねじれや伸縮に関わる剛性が高い芯材を用いることで、プローブ部の形状検出に関わる部分のねじれが発生しにくくなり、検出精度が向上する。また、被検出部近傍の固定は、被検出部の向きや位置が芯材からずれにくくするための必要最小限で最も効果的な位置の固定となる。そのため、設計・製造上、最も効率が良い。

第６に、編み込みピッチ以上の所定ピッチで光ファイバを芯材に固定することで、被検出部の向きや位置が芯材からずれにくくなる。ねじれや伸縮に関わる剛性が高い芯材を用いることで、プローブ部の形状検出に関わる部分のねじれが発生しにくくなり、検出精度が向上する。また、所定ピッチで光ファイバの固定は、被検出部の位置や位置ずれに配慮する必要がなく、設計・製造が容易となる。このような光ファイバの固定は、一定の範囲に限定してもよく、芯材への被検出部固定の構成と範囲を分けて設けてもよいし、両方を重複した構成を設けることで、両方の長所を活かすことができる。
第７に、被検出部が所定ピッチ上に配置されていることで、保持／固定のピッチとして共通に使うこと出来る。そのため、保持／固定の設計・製造が簡便になる。

第８は、被検出部をプローブ部にほぼ平行に配置することで、プローブ部と検出用の光ファイバの湾曲形状が被検出部近傍でほぼ一致する。そのため、被検出部での光ファイバの湾曲形状の検出値をそのまま用いてプローブ部の検出値とすることができる。また、プローブ部が真っ直ぐな状態で湾曲していないため、測定の誤差もプローブ部に対して斜めに配置された被検出部よりも検出誤差を少なくすることができる。

第８に、必要な検出用ファイバの本数と編み込み構造に必要な細径湾曲部材の本数の差が生じたときに、ダミーの細径湾曲部材を加えることで、狙いのファイバセンサを提供することができる。また、被検出部の無い光ファイバをダミーとすることで、編み込みに用いる細径湾曲部材間の機械的な特性の差がほぼ無くすことができ、バランスのとれた編み込み構造を実現できる。

第９に、外装部材を設けることで、光ファイバ編み込み部を外部から保護と共に、外部からの影響で、光ファイバプローブ部長手方向周りに光ファイバ編み込み部が回転したり、長手方向に移動したりしない、又は、回転や移動をしがたくしたりすることができる。

第１０に、プローブ部に最大曲率（または、最小曲げ半径）が定められている場合には、最大曲率での湾曲時に、外装部材内面の断面形状が、束ねられた複数の細径湾曲部材の断面形状を内包する（＝どの方向にも大きい）ような外装部材とすることで、湾曲時に、光ファイバ編み込み部に力が加わることで、変形したり、破損したりすることを回避できる。その結果、光ファイバプローブ部長手方向周りの回転や長手方向の移動も生じにくくすることができる。

本発明に従う実施形態に係る形状センサシステムは、被検体の湾曲状態又は、湾曲形状を検出するための形状センサであって、前記形状センサは、前記被検体の対象部位の形状に倣って湾曲可能な細長い形状を有するプローブ部と、前記プローブ部の形状を検出するためのセンサ駆動回路と、前記被検体の形状に伴う信号を検出するための信号検出回路と、検出された信号から前記被検体の形状を推定するための信号処理部と、を備え、前記プローブ部は、該プローブ部の長手方向に沿って設けられた１つの剛性の高い芯材と、該芯材の周囲に編みこまれ、前記プローブ部の形状を検出するための情報を検出する被検出部が一箇所以上設けられた１本以上の細径湾曲プローブ要素が含まれる複数の細径湾曲部材とを有し、前記複数の細径湾曲部材は、２つ以上の束が二分され、一方の束が前記芯材の長手方向に時計回りの螺旋状に巻回され、他方の束が前記長手方向に左回りの螺旋状に巻回されて、前記束同士が複数の位置で交差されて、前記被検出部が長手方向周りに回転しないように保持される編み込み構造を形成する。

Claims (14)

1. 被検体の湾曲状態又は、湾曲形状を検出するための形状センサであって、
   前記形状センサは、
   前記被検体の対象部位の形状に倣って湾曲可能な細長い形状を有するプローブ部と、
   前記プローブ部の形状を検出するためのセンサ駆動回路と、
   前記被検体の形状に伴う信号を検出するための信号検出回路と、
   検出された信号から前記被検体の形状を推定するための信号処理部と、を備え、
   前記プローブ部は、該プローブ部の形状を検出するための情報を検出する被検出部が一箇所以上設けられた１本以上の細径湾曲プローブ要素が含まれる、複数の細径湾曲部材が、２つ以上の束が二分され、一方の束が前記プローブ部の長手方向に時計回りの螺旋状に巻回され、他方の束が前記長手方向に左回りの螺旋状に巻回されて、前記束同士が複数の位置で交差されて、記被検出部が長手方向周りに回転しないように保持される編み込み構造を有する、形状センサシステム。
2. 前記編み込み構造は、前記プローブ部の長手方向にほぼ一定の周期を有する、請求項１に記載の形状センサシステム。
3. 前記編み込み構造で編み込まれた複数の細径湾曲部材が、鏡像配置の場合を含め、全て共通の編み込みパターンを有する、請求項２に記載の形状センサシステム。
4. 前記複数の細径湾曲部材は、１つの剛性の高い芯材を含み、
   前記芯材が前記プローブ部にほぼ平行な状態で配置され、前記芯材の周囲に前記複数の細径湾曲部材が編み込まれて、前記編み込み構造を形成する請求項１乃至請求項３に記載の形状センサシステム。
5. 細径湾曲部材の１本上からなる束の２束からなる組が１組以上あり、それぞれの束が前記芯材を右回り、または、左回りに巻きつき、半周するごとに交差するよう編み込まれている、請求項４に記載の形状センサシステム。
6. 前記形状センサは、前記被検出部が形成された複数の光ファイバを前記複数の細径湾曲部材として用いたファイバセンサであって、
   前記被検出部が形成された光ファイバが、少なくとも全ての被検出部近傍において、前記芯材に対して固定されている、請求項４に記載の形状センサシステム。
7. 前記形状センサは、前記被検出部が形成された複数の光ファイバを前記複数の細径湾曲部材として用いたファイバセンサであって、
   前記被検出部が形成された複数の光ファイバが、所定ピッチで前記芯材に対して固定されている、請求項４に記載の形状センサシステム。
8. 全ての前記被検出部が前記プローブ部の長手方向にほぼ所定ピッチ上に配置され、
   前記被検出部が形成された全ての光ファイバが、全ての被検出部近傍を含む前記所定ピッチの間隔を置いた位置において、前記芯材に対して固定されている、請求項７に記載の形状センサシステム。
9. 前記被検出部が形成された全ての光ファイバが、被検出部近傍で前記芯材にほぼ平行に、固定されている、請求項６、又は請求項８に記載の形状センサシステム。
10. 前記複数の細径湾曲部材には、前記形状センサの検出用の細径湾曲部材に類似した、ダミーの細径湾曲部材が含まれる、請求項２に記載の形状センサシステム。
11. 前記プローブ部は、複数の細径湾曲部材を内包するように外側に配置された外装部材を更に有する、請求項１に記載の形状センサシステム。
12. 前記プローブ部には、最大曲率又は、最小曲げ半径の何れかが定められており、
    最大曲率での湾曲時に、前記外装部材の内面の断面形状が、束ねられた複数の細径湾曲部材の断面形状を内包する、請求項１１に記載の形状センサシステム。
13. 請求項１乃至請求項１２に記載の形状センサシステムを有する内視鏡システムであって、
    前記プローブ部が前記内視鏡システムの挿入部に組み込まれていることを特徴とする内視鏡システム。
14. 長尺であり、湾曲可能な、細径部材を通すチャネルを備えた挿入部を有する内視鏡システムの前記挿入部に、前記プローブ部が着脱可能に装着できることを特徴とする、請求項１ないし請求項１２に記載の形状センサシステム。

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