JP2008173395A - 内視鏡システム及びそれに用いられる内視鏡挿入部形状検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光カプラーを用いずにファイバブラッググレーティングからの歪み情報を得て、挿入部の立体形状を検出することのできる安価で且つ小型化が可能で組立性の優れた内視鏡システム及びそれに用いられる内視鏡挿入部形状検出方法を提供する。
【解決手段】内視鏡システム１は、検査対象空間内に挿入される挿入部５と、挿入部５内に挿通され、複数のブラッグ格子部４２が形成されたＦＢＧセンサλを構成する光ファイバ１２と、光ファイバ１２の一端に入射光を入射する光源装置２３と、入射光が光ファイバ１２内で伝送されてブラッグ格子部４２を透過し、光ファイバ１２の他端から透過光として出射され、その透過光を受光する検出部２６と、透過光におけるブラック波長欠陥情報及びそのブラック波長の偏移量を求め、光ファイバ１２の歪み量を検出する制御装置３とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、内視鏡の挿入部を体腔内又は検査対象物内に挿入した状態で、その曲がり形状を検出して、挿入部の三次元的な立体形状を表示部に表示させることのできる内視鏡システム及びそれに用いられる内視鏡挿入部形状検出方法に関する。

従来より、医療用具として内視鏡は、幅広く利用されている。内視鏡は、細長の挿入部を体腔内に挿入することにより、体腔内臓器などを観察したり、必要に応じて処置具チャンネル内に挿通した処置具を用いて各種治療処置ができる。また、工業分野においても、内視鏡は、細長の挿入部を挿入することにより、ボイラ、タービン、エンジン、化学プラント等の内部の傷や腐蝕などを観察したり検査することができる。

このような内視鏡は、挿入部の先端側に湾曲自在な湾曲部を備えている。内視鏡は、湾曲操作ノブが操作されることにより湾曲部が上下または左右方向に湾曲動作される。そして、内視鏡は、入り組んだ体腔内管路、例えば大腸などのように３６０°のループを描く管腔に挿入される際、湾曲操作ノブの操作により湾曲部が湾曲動作されると共に、捻り操作が行われて挿入部が観察目的部位に向けて挿入されていく。

しかしながら、内視鏡操作は、複雑に入り組んだ大腸内の深部まで挿入部を短時間でスムーズに挿入することができるようになるまでに熟練を要する。経験の浅い術者においては、挿入部を大腸内の深部まで挿入していく際に、挿入方向を見失うことによって手間取ったり、腸の走行状態を大きく変化させてしまったりする虞れがあった。

このため、従来から、挿入部の挿入性を向上させるための提案が各種なされている。例えば、特許文献１には、挿入部の体腔内への挿入状態での形状を立体的に把握できるようにした装置が開示されている。

この特許文献１に記載の装置では、２本の光ファイバを対として、これら２本の光ファイバの端面を斜めに切断して、相互に所定の開き角となるように接続したものを用い、この光ファイバ端面の開き角を演算することによっても曲がり状態を検出するように構成している。

ところが、特許文献１に記載の装置では、接合した光ファイバ対を用いる場合、挿入部において、ある一カ所の断面位置での曲がりを検出するために、４本の光ファイバが必要となり、長さ方向に接合部の位置を違えてそれぞれ４本の光ファイバ対を配置しなければならない。したがって、挿入部の長さ方向における距離分解機能を高くしようとすると、つまり、検出カ所の断面位置多くする場合には、極めて多数の光ファイバ対を設けなければならなくなる。

そこで、このような問題点に鑑み、簡単且つコンパクトな構成で、長尺可撓部材の三次元形状を検出できるようにした長尺可撓部材の三次元形状検出装置が特許文献２によって開示されている。

この特許文献２に記載の三次元検出装置では、２本のファイバブラッググレーティングを対として、このファイバブラッググレーティング対を２組、センサケーブルに設け、光源部によってセンサケーブルのファイバブラッググレーティングに信号光を出射した場合に、信号処理部によって、各ファイバブラッググレーティングからの反射回析光を受光して、この反射回析光の波長と基準となる反射回析光の波長とを比較して、ファイバブラッググレーティングの歪み測定することによって、長尺可撓部材の三次元的な形状を検出するようにしている。

また、光ファイバにファイバブラッググレーティングを備えた関連技術しては、例えば、特許文献３に示すように、少なくとも１つのファイバブラッググレーティングを光ファイバに設け、この光ファイバをカテーテルに挿入して、ファイバブラッググレーティングの物理的性質の変化から、カテーテルの曲げ角度を導出するようにした光ファイバ・ナビゲーションシステムに関する技術が開示されている。
特開平５−９１９７２号公報 特開２００４−２５１７７９号公報 特表２００３−５１５１０４号公報

しかしながら、前記従来の特許文献２に記載の三次元装置では、ファイバブラッググレーティングを用いて長尺可撓部材である挿入部の湾曲形状などの三次元的形状を検出するための手段を備えているが、前記ファイバブラッググレーティングの反射光を検出するためには、光源部からの入射光と反射光を分離するためのビームスプリッタ等の光カプラーや分光器が必要となってしまう。

このため、この光カプラーは高価であり、また、高精度な光学部材であるため、その位置出し調整等が難しい。したがって、このような高価な光カプラーや分光器を用いているので、装置全体のコストが高価になってしまい、また装置が大型化になったり、装置の組立性についても困難であるといった問題点があった。

また、前記特許文献３に記載のシステムでは、少なくとも１つのファイバブラッググレーティングを光ファイバに設けているが、この光ファイバはあくまでカテーテル内に設けられたもので、前記問題点を解消するための構成要素については何等開示も示唆もされていない。

そこで、本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、光カプラーを用いずにファイバブラッググレーティングからの歪み情報を得て、挿入部の立体形状を検出することのできる安価で且つ小型化が可能で組立性の優れた内視鏡システム及びそれに用いられる内視鏡挿入部形状検出方法を提供することを目的とする。

本発明の内視鏡システムは、検査対象空間内に挿入される挿入部と、前記挿入部内に挿通され、複数のブラッグ格子部が形成されたファイバブラッググレーティングと、前記ファイバブラッググレーティングの一端に入射光を入射する光源部と、前記入射光が前記ファイバブラッググレーティング内で伝送されて前記ブラッグ格子部を透過し、前記ファイバブラッググレーティングの他端から透過光として出射され、その透過光を受光する検出部と、前記透過光におけるブラック波長欠陥情報及びそのブラック波長の偏移量を求め、前記ファイバブラッググレーティングの歪み量を検出する制御部と、を有している。

また、本発明の内視鏡システムに用いられる内視鏡挿入部形状検出方法は、複数のブラッグ格子部を含み、検査対象空間内に挿入される挿入部内に挿通されたファイバブラッググレーティングの一端に、光源部によって入射光を入射する手順と、前記入射光が前記ファイバブラッググレーティング内で伝送されて前記ブラッグ格子部を透過し、前記ファイバブラッググレーティングの他端から透過光として出射され、その透過光を、検出部によって受光する手順と、前記透過光におけるブラック波長欠陥情報及びそのブラック波長の偏移量を求め、前記ファイバブラッググレーティングの歪み量を、制御部によって検出する手順と、を含んだことを特徴とする。

本発明によれば、光カプラーを用いずにファイバブラッググレーティングからの歪み情報を得て、挿入部の立体形状を検出することのできる安価で且つ小型化が可能で組立性の優れた内視鏡システム及びそれに用いられる内視鏡挿入部形状検出方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

（実施例）
図１から図９は本発明の内視鏡システムの一実施例に係り、図１は本実施例の内視鏡システム全体の構成を示すシステム構成図である。

図１に示すように、本実施例に係る内視鏡システム１は、挿入部５の先端部９内に撮像手段（例えばＣＣＤ１８、図２参照））を備え、例えば操作部６内に挿入部５の湾曲部１０を湾曲させるための駆動部（具体的にはモータ）１４を備えた電子内視鏡（以下、単に内視鏡）２と、内視鏡２に着脱自在に接続され、この内視鏡２に入射光を供給する光源装置２３、及び内視鏡２の撮像手段を制御すると共に、この撮像手段から得られた信号を処理して標準的な映像信号を出力する信号処理部とを備えた制御装置３と、制御装置３の信号処理部で信号処理して得られた映像信号に基づく内視鏡画像等の画像を表示するモニタ４と、を有している。
尚、制御装置３に、図示しないプリンタ、ビデオディスク、或いは画像記録装置等を電気的にそれぞれ接続可能なコネクタ部を設けても良い。

内視鏡２は、観察対象部位へ挿入する細長の挿入部５と、この挿入部５の基端部に連設され、ビデオスイッチや湾曲操作スイッチ等の操作ノブ１３を有する操作部６と、この操作部６の側面より延設され、撮像手段に接続する信号ケーブルや後述する光ファイバ１２等を内蔵したユニバーサルコード７と、このユニバーサルコード７の端部に設けられ、前記制御装置３に着脱自在に接続されるコネクタ部８と、を有している。

挿入部５は、先端側に設けられた先端部９と、この先端部９の手元側に設けられた湾曲自在の湾曲部１０と、この湾曲部１０の手元側に設けられ、軟性の管状の部材より形成される長尺で可撓性を有する可撓管部１１とが連設されることで構成されている。
また、挿入部５内には、後述するがファイバブラッググレーティングを構成する光ファイバ１２が挿通されている。

先端部９は、撮像手段として、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)１８ 等のイメージセンサ、又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補性金属酸化膜半導体）等のイメージセンサを有している。

また、先端部９は、ＣＣＤ１８を駆動するための回路基板等が組み込まれた撮像部、体腔内等の観察対象部位を照明するための照明光を照射する例えばＬＥＤ１８Ａ、及びこのＬＥＤ１８ＡのＬＥＤ駆動線３９等を内蔵して構成されている。

湾曲部１０は、操作部６の操作ノブ１３の操作によって駆動部であるモータ１４が駆動されることによって湾曲するようになっている。尚、湾曲部１０の湾曲動作は、モータ１４等の電動駆動手段を用いずに、手動操作によって湾曲させても良い。

操作ノブ１３は、例えばジョイスティック等で構成される。この操作ノブ１３は、図示しない信号線を介して制御装置３内のコントローラ（図示せず）に電気的に接続され、この操作ノブ１３を操作することによって湾曲部１０を湾曲動作させるための操作信号を図示しないコントローラに出力する。そして、図示しないコントローラは、供給された操作信号に基づきモータ１４を制御することで、湾曲部１０が所望の方向へと湾曲するようになっている。

内視鏡２のユニバーサルコード７のコネクタ部８は、制御装置３に設けられたコネクタ部１６に着脱自在に接続される。
コネクタ部８は、ＣＣＤ１８に電気的に接続された駆動信号線２１、２２及びＬＥＤ駆動線３９（図２参照）を制御装置３と電気的に接続するためのコネクタ８ａと、後述する、内視鏡２の挿入部５内及びユニバーサルコード７内に挿入される光ファイバ１２を制御装置３と光学的に接続するための光コネクタ８ｂとを有している。

これに対して、制御装置３のコネクタ部１６は、前記コネクタ８ａと制御装置３内の対応する信号処理部とを電気的に接続するためのコネクタ１６ａと、前記光コネクタ８ｂと制御装置３内の後述する光源装置２３及び検出部２６とを光学的に接続するための光コネクタ１６ｂとを有している。

制御装置３の上部には、例えばＬＣＤ等のモニタ４が設けられている。このモニタ４は、例えば、ＣＣＤ１８により撮像されて制御装置３の信号処理部で信号処理して得られた映像信号（Video信号）に基づく内視鏡画像４Ｂと、後述する光ファイバ１２のファイバブラッググレーティングより検出されて、制御装置３の信号処理部で信号処理して得られた形状ＣＧ信号に基づく挿入部５の湾曲形状画像４Ｃとを左右に合成して画面４Ａに表示する。

このことにより、術者は、内視鏡画像４Ｂを見ながら観察・処置を行うことができ、また、挿入部５の湾曲形状画像４Ｃを見ることにより、挿入部５の進退操作を円滑に行うことができる。尚、モニタ４は、手術中のあらゆるデータを選択的に表示することが可能である。

また、制御装置３の前面側の操作パネルには、例えば、電源ボタン、モニタスイッチ、光源装置２３の電源ボタン等の操作スイッチ１９が設けられている。

次に、本実施例の内視鏡システム１の特徴となる主要部の構成について、図２から図８を参照しながら説明する。
図２は本実施例の内視鏡システムの主要部を含むシステム全体の電気的な構成を示すブロック図である。
図２に示すように、内視鏡２の挿入部５及びユニバーサルコード７内部には、複数のファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Gratingで、以降、ＦＢＧセンサと称す）λ１、λ２、λ３、…λｎ（ｎは整数） を配置した光ファイバ１２が挿通されている。

また、内視鏡２の挿入部５及びユニバーサルコード７内部には、先端部９内のＣＣＤ１８の入出力端子にそれぞれ接続されるドライブバッファ１９Ａ及び撮像信号バッファ２０からの駆動信号線２１、２２と、先端部９内のＬＥＤ１８ＡからのＬＥＤ駆動線３９とが挿通されている。
尚、先端部９の先端面には、ＣＣＤ１８の撮像範囲をカバーするカバーレンズ１７と、ＬＥＤ１８ＡよりＬＥＤ照明光を照射する照明レンズ１８ａとが設けられている。

光ファイバ１２の各ＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎは、入射光の波長を変化させて前記入射光の反射光及び透過光を得るとともに、各特定波長に対応するブラッグ格子部４２（図４参照）をそれぞれ有している。尚、この光ファイバ１２の構成及びＦＢＧセンサによる検出原理については後述する。

光ファイバ１２の手元側の入射端（具体的には光コネクタ８ｂ）には、後述する制御装置３内の光源装置２３により入射光４０が入射されて、この光ファイバ１２上に直線的に配置された各ＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎを透過する。

各ＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎを透過した光は、透過光４１として、光コネクタ８ｂを介して制御装置３内の検出部２６に到達するようになっている。
例えば、挿入部５が湾曲したことにより歪みストレスが生じると、各ＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎは、その歪み量を透過光４１の各波長欠落偏移に変換する特性を有している。そして、この波長欠落情報（ブラッグ波長欠落情報ともいう）を有する透過光４１が制御装置３内の検出部２６に供給され、この検出部２６によって波長欠落情報が検出されるようになっている。
尚、制御部を構成する制御装置３の具体的な構成については、後述する。

ここで、光ファイバ１２の具体的な構成、及び内視鏡挿入部形状検出方法を行うためのＦＢＧセンサλによる検出原理について、図３から図８を参照しながら説明する。
図３は光ファイバを内部に挿通して配置された挿入部の構成を示す一部破断した斜視図、図４から図６は光ファイバとＦＢＧセンサの構成及び原理を説明するもので、図４はＦＢＧセンサを有する光ファイバの構成及び原理を説明するための説明図、図５は光ファイバに供給される入射光の光強度−波長特性を示すスペクトル分布グラフ、図６は光ファイバが出力する透過光の光強度−波長特性を示すスペクトル分布グラフ、図７及び図８は光ファイバの透過光のスペクトル偏移の状態と変化からの偏移量の判定を説明するもので、図７は透過光のスペクトル偏移を示す光強度−波長特性のスペクトル分布グラフ、図８は透過スペクトルの偏移量を検出し欠落波長を判定する方法を説明するための特性図、である。

図３に示すように、光ファイバ１２は、１本の光ファイバ１２が挿入部５の手元側から挿入部５の先端側で折り返して挿入部５の手元側まで挿入されている。

そして、光ファイバ１２に設けられた各ＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎは、光ファイバ１２の挿入部５の先端側で折り返してなる折り返し部分、つまり、先端部９と湾曲部１０との境界部分までの長手方向、又は前記境界部分から挿入部５の手元側までの長手方向に所定間隔毎に配置されている。
すなわち、光ファイバ１２は、１本で、挿入部５の手元側から前記境界部分までの入射光側部と、前記境界部分から挿入部５の手元側までの透過光側部とを備えている。尚、各ＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎは、光ファイバ１２の入射光側部と、透過孔側部との少なくとも一方に設ければ良い。

そして、本実施例では、このような光ファイバ１２は、図３に示すように、挿入部５のＵＰ方向の検出用と、挿入部５のＤＯＷＮ方向検出用として、それそれ２本設けられており、これらの光ファイバ１２は、挿入部５内の上下方向に対向配置されるようになっている。

この場合、ＵＰ方向用の光ファイバ１２には、ブラッグ格子部４２を有する複数のＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎが設けられ、またＤＯＷＮ方向用の光ファイバ１２には、ブラッグ格子４３を有する複数のＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎが設けられている。

ＵＰ方向用の光ファイバ１２は、手元側からＵＰ用入射光４０ａが入射され、そして、入射光側部、透過光側部を介してＵＰ用透過光４１ａを制御装置３に供給する。同時に、ＤＯＷＮ方向用の光ファイバ１２は、手元側からＤＯＷＮ用入射光４０ｂが入射され、そして、入射光側部、透過光側部を介してＤＯＷＮ用透過光４１ｂを制御装置３に供給するようになっている。

尚、光ファイバ１２の挿入部５の先端側の折り返し部分は、先端部９と湾曲部１０との境界部分に配置することが望ましいが、これに限定されるものではない。

また、本実施例では、図３に示すように、挿入部５のＵＰ方向とＤＯＷＮ方向との２方向の検出方向について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば挿入部５のＵＰ、ＤＯＷＮ、ＬＥＦＴ、ＲＥＧＨＴの４方向の検出を行う場合には、４本の光ファイバ１２（ファイバブラッググレーティング）を挿入部５内の上下左右方向に配置して構成すれば良い。

このような光ファイバ１２の具体的な構成が図４に示されている。
図４に示すように、光ファイバ１２は、クラッド部１２Ｂと、このクラッド部１２Ｂ内部に配されるコア部１２Ａとを有して構成される。そして、この光ファイバ１２に設けられたＦＢＧセンサλは、シングルモード光ファイバの光が伝播するコア部１２Ａにおいて、軸方向に屈折率を周期的に変化させてブラッグ格子部４２を形成している。
尚、ブラッグ格子部４２の格子間隔は、例えば約０．４〜０．５ミクロン程度であり、センサ長は約数ｍｍ〜数十ｍｍ程度の大きさで構成されている。
また、本実施例では、複数のブラッグ格子部４２は、ファイバブラッググレーティングを構成する光ファイバ１２の基端側から先端側に向かうにつれて徐々に密になるように配置しても良い。このことにより、より精度良くＦＢＧセンサλの歪み量の検出を行うことが可能となる。

ＦＢＧセンサλに入射光４０が入射されると、ブラッグ格子部４２では、ＦＢＧ格子間隔とＦＢＧセンサλでの屈折率（透過率）に対応した特定ピーク波長のブラッグ波長成分のみが反射される。
ここで、例えば、ＦＢＧセンサλがゆがんだ場合（歪んだ場合）には、図４に示すように、ゆがみがない状態で反射してくるブラック波長に対して△λｍずれた波長成分を有する光４０ｘが反射光となる。
このことにより、この光ファイバ１２の透過光４１は、特定ピーク波長のブラッグ波長成分のみが欠落した情報として伝送されることになる。

尚、ＦＧＢ格子間隔とＦＧＢセンサλの屈折率（透過率）は、ＦＢＧセンサλの歪みと温度に依存して変化する。このため、ＦＢＧセンサλを用いて、歪み情報（歪み量）を高精度に検出する場合には、温度偏移情報を分離することが必要である。

そこで、本実施例の内視鏡システム１では、ＦＢＧセンサλを用いて、歪み情報（歪み量）を検出する場合に、温度偏移情報を分離することで、高精度な検出処理を行うことが可能である。

具体的には、光ファイバ１２が本来有している温度検出機能を用いて光ファイバ１２に設けられた複数のＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎの温度（位置も含む）を検出し、そして、この検出結果から温度変化による温度変化量を求め、この温度変化量に基づいて、検出されたＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎの各ブラッグ格子部４２に加わる歪み量を補正することで、高精度な挿入部５の湾曲形状の検出を可能にしている。

尚、光ファイバ１２本来の温度検出機能を用いずに、例えば光ファイバ１２の透過光側部（先端部９と湾曲部１０との境界部分から挿入部５の手元側までの部分）において、前記ＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎの対応する各位置に、それぞれの温度を検出する複数の温度センサを設けて構成しても良い。

以上、説明したように、このようなＦＧＢセンサλは、機械的な歪み量を光りの波長偏移として検出することが可能であり、さらに、波長多重が可能である。したがって、複数の異なった特定ピーク波長に対応するＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎを同一の光ファイバ１２上に配置すれば、１本の光ファイバ１２の伝送路で複数の部位での歪み情報（歪み量）を特定波長の偏移として検出することができるようになる。

このような光ファイバ１２には、制御装置３内の光源装置２３を介して、図５に示すようなスペクトル分布を有する入射光が供給される。このような入射光を出射するためには、例えば、自然放出（ASE:Amplified Spontaneous Emission）特性を有する広帯域光源を用いるか、又は離散的にＦＢＧセンサλのブラッグ格子部４２のブラッグ波長成分に対応する狭帯域レーザ光を発振し操作する発振器を用いても良い。
尚、前記入射光は、光ファイバ１２に設けられたＦＧＢセンサλの歪み応答周波数（波長）をカバーし安定度の高いものが望ましい。

本実施例において、光ファイバ１２を透過する透過光は、ＦＢＧセンサλのブラッグ格子部４２おいて特定ピーク波長のブラッグ波長成分のみが欠落した情報として伝送されるが、ＦＢＧセンサλの歪み量が加わりブラッグ格子間隔が変化することになる。
このような場合には、透過光は、図６に示すように、特定ピーク波長のブラッグ波長成分がΔλｍだけ波長シフトしたものとなる。

図７には、光ファイバの透過光のスペクトル偏移の状態と変化からの偏移量の判定を説明する、透過光のスペクトル偏移を示す光強度−波長特性のスペクトル分布グラフが示されている。

本実施例では、ＦＢＧセンサλに対して歪みが生じていない場合、光ファイバ１２の透過光は、図７に示すように、特定ピーク波長λｍ部分で欠落したスペクトル分布となる。すなわち、透過光は、特定ピーク波長のブラッグ波長成分１００を備えたものとなる。

これに対して、ＦＢＧセンサλに対して歪み量が生じた場合、光ファイバ１２の透過光は、図７に示すように、特定ピーク波長のブラッグ波長成分１００がΔλｍだけ波長シフトしたブラッグ波長成分１０１を備えたものとなる。このブラッグ波長成分１０１は、例えば、λｍ±Δλｍの波長シフト領域にて波長シフトされることになり、波長が欠落した部分である。

そして、本実施例では、このような光ファイバ１２からの透過光から、透過光スペクトルの偏移量を検出し欠落情報の判定を行う。図８はこのような欠落情報の判定方法を説明するためのもの特性図である。

ＦＢＧセンサλの歪み量を高精度に検出するためには、光ファイバ１２からの透過光から、特定ピーク波長が欠落した部分を正確に検出する必要がある。つまり、これは透過光での欠落波長部は有限のスペクトル帯域幅を有していることを考慮して波長を測定し判定することが必要である。

そこで、本実施例では、例えば図８に示すような、半値波長の考え方を用いて透過光の特定欠落ピーク値と欠落波長幅を検出する判定方法を実施している。

例えば、図８において、欠落波長部の最小波長９７をΔλｍｉｎとし、欠落波長部の最大波長９８をΔλｍａｘ、そして、欠落波長部の半値波長幅９９をｗとすると、
欠落波長部の最小波長Δλｍｉｎは、欠陥エンベロープ１０４の半値を取って規定し、同様に欠落波長部の最大波長Δλｍａｘも、欠陥エンベロープ１０４の半値を取って規定する。

この場合、欠落波長部の半値波長幅ｗは、
ｗ＝Δλｍｉｎ−Δλｍａｘ …（式１）
として定義し、
また、欠陥エンベロープ１０４の中心波長１０２は、
λｃｅｎｔ＝（Δλｍａｘ＋Δλｍｉｎ）／２ …（式２）
として定義する。

尚、本実施例では、前記中心波長λｃｅｎｔ、前記半値波長幅ｗ、前記最小波長Δλｍｉｎ、及び前記最大波長Δｍａｘのどれか少なくとも１つか、又はこれらを組み合わせて特定波長の偏移判定を行う。
また、特定波長の偏移検出方法としては、欠陥エンベロープ１０４の予測交点や近似曲線を算出し、この算出結果を基に特定波長ピークを推定する方法を用いても良い。
このことにより、光ファイバ１２からの透過光から、高精度に、特定ピーク波長１０３が欠落した部分を正確に検出することが可能となる。
このような特定波長の偏移判定は、後述する検出部２６によって行われるようになっている。

次に、図１に戻り、前記検出部２６を有する制御装置３の具体的な構成、及びこの制御装置３により制御される内視鏡挿入部形状検出方法について説明する。
図１に示すように、制御装置３は、光源装置２３と、光源素子２４と、光源制御部２５と、信号処理部を構成する、検出部２６、制御装置３全体を制御するＣＰＵ２７、映像処理部２７Ａ、カメラコントロールユニット（以下、ＣＣＵと称す）２８、及び重畳部３５と、を有している。

前記したように、光ファイバ１２の手元側の入射端（具体的には光コネクタ８ｂ）には、制御装置３内の光源装置２３により入射光４０が入射されて、この光ファイバ１２上に直線的に配置された各ＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎを透過する。

そして、各ＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎを透過した光は、透過光４１として、光コネクタ８ｂを介して制御装置３内の検出部２６に到達する。

例えば、挿入部５が湾曲したことにより歪みストレスが生じると、各ＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎは、前記したように、その歪み量を透過光４１の各欠落波長変位に変換し、この波長欠落情報を有する透過光４１を制御装置３内の検出部２６に供給する。

そして、検出部２６は、前記したような方法を用いて、透過光の波長欠落情報を検出することになる。

光源装置２３は、ランプ、ＬＥＤ、レーザなどの光源素子２４を用いて、光ファイバ１２に入射光を供給するもので、広帯域スペクトラムを発生する光源、又は狭帯域レーザを走査する光源部である。

例えば、光源装置２３は、Ｃ＋Ｌバンドではトータル光出力＋１３ｄＢｍ、光スペクトラム密度−１３ｄＢｍ／ｎｍ（波長範囲：１５３０ｎｍ〜１６０５ｎｍ）の高光出力が可能で、Ｓバンドではトータル光出力＋６ｄＢｍ、光スペクトラム密度−２５ｄＢｍ／ｎｍ以上（波長範囲：１４５０ｎｍ〜１５１０ｎｍ）の高光出力が可能なものが望ましい。 尚、このような光源装置２３に限定されることはなく、常に安定した入射光４０を光ファイバ１２に供給できるものであれば良い。

光源制御部２５は、光源装置２３の光源波長（周波数）を常に安定化させるように制御している。具体的には、光源制御部２５は、光源装置２３の光源波長（周波数）を、ｆ±Δｆとするような制御信号３０を供給して光源装置２３を制御する。

また、検出部２６は、前記したように光ファイバ１２からの透過光から、特定波長欠落情報（ブラック波長欠陥情報）を検出し、その特定波長欠落情報（周波数）をｆｄｅｄ信号３１として光源制御部２５に出力すると共に、その特定波長欠落情報（周波数）をＦｄｅｄ検出信号３２としてＣＰＵ２７に出力する。

光源制御部２５は、供給されたｆｄｅｄ信号３１に基づいて、光源装置２３を制御することになる。この場合、ＣＰＵ２７は、光源制御部２５にＦｒｅｆ設定信号３４等の制御信号を供給して、入射光の波長（周波数）を設定すると共に、検出部２６からの特定波長欠落情報（Ｆｄｅｄ信号３１）をモニタし、各ＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎに生じた歪み量を演算する。

すなわち、ＣＰＵ２７は、検出部２６により受信された透過光を用いて、各ＦＢＧセンサλのブラッグ格子部４２の特定周波数欠陥波長（ブラック波長欠陥情報）及びブラック波長の偏移量を求め、この求めた各ブラック格子部４２の特定周波数欠陥波長（ブラック波長欠陥情報）及びブラック波長の偏移量に基づいて、光ファイバ１２内の各ブラッグ格子部４２に加わる歪み量を検出するように演算処理を行う。

さらに、ＣＰＵ２７は、各ＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎの各ブラッグ格子部４２の歪み量から挿入部５又は湾曲部１０に生じた三次元的な形状情報を算出し、形状ＣＧ情報として映像処理部２７Ａに出力する。

この映像処理部２７Ａは、供給された形状情報ＣＧ信号に基づいて、挿入部５の立体形状をモニタ４に表示するための映像信号である形状ＣＧ信号３７に変換して重畳部３５に供給される。

一方、この重畳部３５には、ＣＣＤ１８による撮像された撮像信号がＣＣＵ２８によって映像信号処理された映像信号（Video信号）３６が供給されている。

重畳部３５は、例えば乗算器であって、供給された映像信号（Video信号）３６に形状ＣＧ信号３７を重畳して合成映像信号（ＣＧ／Video信号）３８を生成しモニタ４に出力する。

こうして、モニタ４の画面４Ａには、合成映像信号（ＣＧ／Video信号）に基づく合成映像、すなわち、映像信号（Video信号）３６に基づく内視鏡画像４Ｂと、形状ＣＧ信号３７に基づく挿入部５の湾曲形状画像４Ｃとが左右に合成された合成映像が表示される。

このときのモニタ４の画面４Ａの表示例が、図９に示されている。
例えば、図９に示すように、モニタ４の画面４Ａの左側には、内視鏡画像４Ｂが表示され、画面４Ａの右側には、湾曲形状画像４Ｃが表示される。
この場合、内視鏡画像４Ｂは、通常の被検体のライブ画像であるが、湾曲形状画像４Ｃは、例えば、被検体内における挿入分５のｘ、ｙ、ｚ方向に対応した三次元形状と、この三次元形状において被検体内における挿入部５の先端部９位置と、三次元形状において挿入部５内の光ファイバ１２に設けられた各ＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎの位置と、三次元形状の先端分９に対して上下左右の方向指示を指示するためのマーカ表示部４５と、各ＦＢＧセンサλ１、λ２、λ３、…λｎの位置を示す三次元座標データを表示した三次元座標データ表示部４６とが表示される。

このことにより、術者は、内視鏡画像４Ｂを見ながら観察・処置を行うことができ、また、挿入部５の湾曲形状画像４Ｃを見ることにより、どのような状態で内視鏡２の挿入部５が被検体内で配置されいるのかが一目で認識することができるので、検査対象部位の特定や、挿入部５の進退操作を円滑に行うことができる。

従って、本実施例によれば、従来技術で用いられた高価な光カプラーを用いずにファイバブラッググレーティングからの歪み情報を得て、挿入部５の立体形状、湾曲形状を検出することができるので、安価な挿入部５の立体形状を検出可能な内視鏡システム及びそれに用いられる内視鏡挿入部形状検出方法の提供が可能となる。

また、高価な光カプラーを用いないため、内視鏡システムの小型化、及び組立性を向上することができるといった効果も得られる。

さらに、モニタ４に内視鏡画像４Ｂと湾曲形状画像４Ｃとを、例えば２画面表示することができるので、術者は、内視鏡画像４Ｂを見ながら観察・処置を行うことができ、また、挿入部５の湾曲形状画像４Ｃを見ることにより、どのような状態で内視鏡２の挿入部５が被検体内で配置されいるのかが一目で認識することができるので、検査対象部位の特定や、挿入部５の進退操作を円滑に行うことができる。よって、内視鏡２の操作性向上に大きく寄与する。

尚、本実施例においては、湾曲形状画像４Ｃの表示例として、モニタ４の画面４Ａ上に内視鏡画像４Ｂと２画面表示した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、必要に応じて適宜切り替えて表示するようにしても良い。

また、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸
脱しない範囲で種々変形実施可能である。

本発明の内視鏡システムの一実施例の内視鏡システム全体の構成を示すシステム構成図。 本実施例の内視鏡システムの主要部を含むシステム全体の電気的な構成を示すブロック図。 光ファイバを内部に挿通して配置された挿入部の構成を示す一部破断した斜視図。 ＦＢＧセンサを有する光ファイバの構成及び原理を説明するための説明図。 光ファイバに供給される入射光の光強度−波長特性を示すスペクトル分布グラフ。 光ファイバが出力する透過光の光強度−波長特性を示すスペクトル分布グラフ。 透過光のスペクトル偏移を示す光強度−波長特性のスペクトル分布グラフ。 透過スペクトルの偏移量を検出し欠落波長を判定する方法を説明するための特性図。 内視鏡画像と湾曲形状画像とを２画面表示した場合のモニタの画面表示例を示す図。

符号の説明

１…内視鏡システム、
２…内視鏡、
３…制御装置、
４…モニタ、
４Ａ…画面、
４Ｂ…内視鏡画像、
４Ｃ…湾曲形状画像、
５…挿入部、
６…操作部、
７…ユニバーサルコード、
８…コネクタ部、
８ａ…コネクタ、
８ｂ…光コネクタ、
９…先端部、
１０…湾曲部、
１１…可撓管部、
１２Ａ…コア部、
１２Ｂ…クラッド部、
１２Ｃ…ブラッグ格子部、
１２…光ファイバ、
１３…操作ノブ、
１４…モータ、
１６ａ…コネクタ、
１６…コネクタ部、
１６ｂ…光コネクタ、
１９…操作スイッチ、
２３…光源装置、
２４…光源素子、
２５…光源制御部、
２６…検出部、
２７Ａ…映像処理部、
３３…光源制御部、
３５…重畳部、
４０…入射光、
４１…透過光、
４２、４３…ブラッグ格子部、
１００…ブラッグ波長成分、
１０２…中心波長、
１０３…特定ピーク波長、
１０４…欠陥エンベロープ、
ｗ…半値波長幅、
Δｍａｘ…最大波長、
Δλｍａｘ…最大波長、
Δλｍｉｎ…最小波長、
λ…ＦＢＧセンサ、
λｃｅｎｔ…中心波長、
λｍ…特定ピーク波長。

Claims (10)

1. 検査対象空間内に挿入される挿入部と、
   前記挿入部内に挿通され、複数のブラッグ格子部が形成されたファイバブラッググレーティングと、
   前記ファイバブラッググレーティングの一端に入射光を入射する光源部と、
   前記入射光が前記ファイバブラッググレーティング内で伝送されて前記ブラッグ格子部を透過し、前記ファイバブラッググレーティングの他端から透過光として出射され、その透過光を受光する検出部と、
   前記透過光におけるブラック波長欠陥情報及びそのブラック波長の偏移量を求め、前記ファイバブラッググレーティングの歪み量を検出する制御部と、
   を具備したことを特徴とする内視鏡システム。
2. 少なくとも１本の前記ファイバブラッググレーティングは、前記挿入部内の基端側から前記挿入部内の先端側まで挿通され、さらに前記先端側で折り返されて前記基端側まで挿通されたことを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
3. 前記ファイバブラッググレーティングが折り返される部分は、前記挿入部の先端部と湾曲部との境界に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の内視鏡システム。
4. 前記複数のブラッグ格子部は、前記ファイバブラッググレーティングの基端側から前記先端側に向かうにつれて徐々に密になるように配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の内視鏡システム。
5. 前記光源部は、
   広帯域スペクトラムを発生する光源、又は狭帯域レーザを走査するものであることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡システム。
6. 前記制御部による前記ブラッグ波長欠陥情報の検出は、前記透過光の欠陥スペクトルの光強度の半値を用いて検出することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の内視鏡システム。
7. 前記ファイバブラッググレーティングの歪み量に基づいて前記挿入部の立体形状を生成する信号処理部と、
   前記挿入部で観察した観察画像を表示する表示部とをさらに備え、
   前記制御部は、前記観察画像と前記立体形状とを２画面表示するように制御することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の内視鏡装置。
8. 前記制御部は、前記挿入部の先端部を基準とした上下方向を示すマーカーをさらに表示部に表示させるように制御することを特徴とする請求項７に記載の内視鏡システム。
9. 前記制御部、前記信号処理部、前記検出部及び前記光源部を内部に収容する本体と、前記挿入部の手元側から延設され、前記ファイバブラッググレーティング及び前記挿入部内の信号線が挿入されるユニバーサルコードとを着脱自在に接続するコネクタ部を有し、
   前記コネクタ部は、前記入射光を前記ファイバブラッググレーティングに入射できると同時に、前記ファイバブラッググレーティングからの透過光を受光できるように、前記光源部及び前記検出部と前記ファイバブラッググレーティングとが着脱自在に接続可能な光コネクタ部を有していることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の内視鏡システム。
10. 複数のブラッグ格子部を含み、検査対象空間内に挿入される挿入部内に挿通されたファイバブラッググレーティングの一端に、光源部によって入射光を入射する手順と、
    前記入射光が前記ファイバブラッググレーティング内で伝送されて前記ブラッグ格子部を透過し、前記ファイバブラッググレーティングの他端から透過光として出射され、その透過光を、検出部によって受光する手順と、
    前記透過光におけるブラック波長欠陥情報及びそのブラック波長の偏移量を求め、前記ファイバブラッググレーティングの歪み量を、制御部によって検出する手順と、
    を含んだことを特徴とする内視鏡システムに用いられる内視鏡挿入部形状検出方法。

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