JP3943353B2 - 可撓性超音波内視鏡装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、体内に挿入されて超音波断層像と光学観察像とを得ることができる可撓性超音波内視鏡装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆるコンベックスタイプの超音波プローブが用いられた超音波内視鏡においては、超音波プローブから発受信される超音波信号が挿入部の先端の軸線を含む平面上で走査される。
【０００３】
したがって、挿入部の先端部分から突出される穿刺針等のような処置具類を超音波信号の走査面に沿って突出させるのが容易であり、穿刺針の突出状態を超音波断層像によりリアルタイムで確認しながら穿刺処置を行うことができるので安全性が高い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、穿刺針が通される付近の血管は必ずしも超音波走査面上を走行しているわけではなく、超音波断層画面上では血管が小さな粒状にしか表示されないので、超音波断層画面上で血管の走行状態を確認することはできない。
【０００５】
そこで、例えば特開平６−２６１９００号公報に記載された発明等のように、三次元の超音波断層像を構築すれば血管の走行状態を立体的に確認することができる。
【０００６】
しかし、特開平６−２６１９００号公報に記載された発明の超音波内視鏡は、挿入部の先端の軸線周り方向に超音波を発受信走査するいわゆるラジアル走査を行うものなので、三次元の超音波断層像の構築が比較的容易である反面、挿入部の先端から超音波走査面上に処置具を突出させることが極めて困難である。そのため、処置具の突出状態をリアルタイムで確認することができず、誤って血管を刺して出血事故を起こすおそれがある。
【０００７】
また、特開平６−２６１９００号公報に記載された発明の超音波内視鏡は、超音波プローブ付近に配置された磁気センサーによって超音波プローブの位置と姿勢を検出するものなので、姿勢検出精度が低く、構築された三次元の超音波断層像の方向性についての誤差が大きい。
【０００８】
そこで本発明は、コンベックスタイプ等の超音波プローブを用いて三次元の超音波断層像を高精度に構築することができ、血管の走行状態と穿刺針の突出状態等をリアルタイムで確認しながら穿刺処置等を安全に行うことができる可撓性超音波内視鏡装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の可撓性超音波内視鏡装置は、超音波断層像を得るための超音波信号を発受信する超音波プローブと、光学観察像を得るための観察窓とが、フレキシブルな挿入部の先端部分に併設された可撓性超音波内視鏡装置において、曲げられた角度の大きさに対応して光の伝達量が変化する曲がり検出部が形成された複数のフレキシブルな曲がり検出用光ファイバーの各曲がり検出部が挿入部に分散配置されて複数の曲がり検出部から得られる検出値に基づいて超音波プローブの位置と姿勢を検出するプローブ位置・姿勢検出手段と、超音波プローブから得られる二次元の超音波断層像データをプローブ位置・姿勢検出手段から得られる超音波プローブの位置と姿勢のデータと組み合わせることにより三次元化して超音波断層像の三次元像を構築する三次元像構築手段を設けたものである。
【００１０】
なお、超音波プローブが超音波信号を挿入部の先端の軸線を含む平面上に発受信走査し、その走査面上に挿入部の先端から処置具類が突出されるようにするとよい。
【００１１】
また、超音波プローブによって得られる二次元の超音波断層像を表示する二次元断層像表示手段と、三次元像構築手段によって得られる三次元像を表示する三次元断層像表示手段とが併設されているとよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は可撓性超音波内視鏡装置の全体構成を示しており、操作部２の一端に挿入部可撓管１の基端が連結され、挿入部可撓管１の先端付近の部分は、操作部２に配置された操作ノブ３を回転操作することによって任意の方向に屈曲する湾曲部１ａになっている。
【００１３】
挿入部可撓管１の先端に連結された先端部本体４には、光学観察像を得るための観察窓５と超音波断層像を得るための超音波信号を発受信する超音波プローブ６とが配置されている。Ｖは観察窓５から外方に向かう観察光軸、Ｕは超音波走査範囲である。
【００１４】
図２は、先端部本体４部分を示しており、超音波プローブ６の直後に配置された観察窓５と並んで、処置具１００が突出される処置具突出口４a（処置具挿通チャンネルの出口）が配置されており、例えば穿刺針等のような処置具１００の先端部分が、斜め前方に向かって突出される。
【００１５】
超音波プローブ６は、先端部本体４の軸線４ｘを含む平面上で扇状に走査するように超音波信号を側方に向けて発受信するコンベックスタイプのものである。Ｕがその超音波走査範囲である。
【００１６】
そして、超音波信号の走査面上に処置具１００が突出されるように処置具突出口４aの位置と向きが設定され、観察窓５も観察光軸が超音波信号の走査面にほぼ沿うように位置と向きが設定されている。
【００１７】
このような超音波プローブ６により、目標とする臓器の超音波走査範囲Ｕに位置する部分の二次元の超音波断層像Ｕ２が得られ、先端部本体４をその軸線４ｘ周りに回転させることにより、その臓器の異なる位置の二次元の超音波断層像Ｕ２が順に得られるので、それらを合成することにより超音波断層像の三次元像Ｕ３を得ることができる。
【００１８】
この実施例の可撓性超音波内視鏡装置は、そのような超音波断層像の三次元像Ｕ３を、二次元の超音波断層像Ｕ２及び光学観察像と同時に観察できるようにしたものであり、以下にそのための構成等について詳述する。
【００１９】
図１に戻って、観察窓５内に配置された図示されていない対物光学系によって固体撮像素子の撮像面に投影された観察像の撮像信号が、外部のビデオプロセッサ７に送られて、撮像信号処理部７１、ビデオ信号処理部７２及び観察像表示回路７３等で信号処理され、観察窓５を通して得られる光学観察像が、図３に示されるように観察像表示装置７０に表示される。
【００２０】
超音波プローブ６への入出力信号は、外部の超音波信号処理装置８の超音波信号入出力部８１に入出力されて、超音波信号処理部８２及び断層像表示回路８３等で信号処理され、超音波プローブ６によって得られる二次元の超音波断層像Ｕ２が、図３に示されるように断層像表示装置８０に表示される。
【００２１】
挿入部可撓管１には、後述する複数の曲がり検出用光ファイバーが配置されたフレキシブルな合成樹脂製の帯状部材２０が、例えば操作部２の後面の延長方向（即ち、観察画面における下方向）の位置に取り付けられていて、その基端部が光信号入出力装置３０に接続されている。
【００２２】
図４に示されるように、帯状部材２０に取り付けられた複数の曲がり検出用光ファイバー２１は順に位置を変えて滑らかなＵ字状に後方に曲げ戻されている。そして、各曲がり検出用光ファイバー２１の曲げ戻し部の近傍に曲がり検出部２２が形成されている。
【００２３】
曲がり検出部２２は、挿入部可撓管１の軸線方向に例えば数センチメートル程度の間隔をあけて、挿入部可撓管１の全長にわたって例えば５〜３０個程度が分散配置されている。
【００２４】
曲がり検出部２２は、プラスチック製のコアにクラッドが被覆された曲がり検出用光ファイバー２１の途中の部分に、光吸収部分が所定の方向（例えば上方向又は下方向）にだけ形成されたものであり、曲がり検出部２２が曲げられた程度に対応して光の伝達量が変化するので、それを検出することによって曲がり検出部２２が配置された部分の曲がり角度を検出することができる。
【００２５】
その原理については米国特許第５６３３４９４号等に記載されている通りであるが、以下に簡単に説明をする。
図５において、２１ａと２１ｂは、一本の曲がり検出用光ファイバー２１のコアとクラッドであり、曲がり検出部２２には、コア２１ａ内を通過してきた光をコア２１ａ内に全反射せずに吸収してしまう光吸収部２２ａが、クラッド２１ｂの特定方向（ここでは「下方向」）の部分に形成されている。
【００２６】
すると、図６に示されるように、曲がり検出用光ファイバー２１が上方向に曲げられると、コア２１ａ内を通る光のうち光吸収部２２ａにあたる光の量（面積）が増えるので、曲がり検出用光ファイバー２１の光伝達量が減少する。
【００２７】
逆に、図７に示されるように、曲がり検出用光ファイバー２１が下方向に曲げられると、コア２１ａ内を通る光のうち光吸収部２２ａにあたる光の量（面積）が減少するので、曲がり検出用光ファイバー２１の光伝達量が増加する。
【００２８】
このような、光吸収部２２ａにおける曲がり検出用光ファイバー２１の曲がり量と光伝達量とは一定の関係（例えば一次関数的関係）になるので、曲がり検出用光ファイバー２１の光伝達量を検出することにより、光吸収部２２ａが形成されている曲がり検出部２２部分の曲がり角度を検出することができる。
【００２９】
したがって、挿入部可撓管１の軸線方向に間隔をあけて複数の曲がり検出部２２が配列されている場合には、各曲がり検出部２２間の間隔と検出された各曲がり検出部２２の曲がり角度から、挿入部可撓管１全体の上下方向の屈曲状態を検出することができる。
【００３０】
そして、図８の（Ａ）に略示されるように、可撓性のある帯状部材２０に、上述のような曲がり検出部２２に対して左右に位置をずらして第２の曲がり検出部２２′を配置して、二つの曲がり検出部２２，２２′の光伝達量を比較すれば、左右方向に捩れがない場合には双方の光伝達量に差がなく、左右方向の捩れ量に応じて双方の光伝達量の差が大きくなる。
【００３１】
その結果、各曲がり検出部２２，２２′の光伝達量を計測してその計測値を比較することにより、曲がり検出部２２，２２′が配置された部分の左右方向の捩れ量を検出することができる。
【００３２】
したがって、各曲がり検出部２２，２２′における光伝達量を検出、比較することにより帯状部材２０全体の三次元の屈曲状態（即ち、挿入部可撓管１の屈曲状態）を検出することができる。この原理は、米国特許第６１２７６７２号等に記載されている通りである。
【００３３】
また、図８の（Ｂ）に示されるように、各々に複数の曲がり検出部２２が一列に配置された二つの帯状部材２０′，２０″を直角の位置関係に配置しても、同様にして三次元の屈曲状態を検出することができる。
【００３４】
本発明の第１の実施例においては、図８の（Ａ）に示されるような帯状部材２０が挿入部可撓管１に取り付けられており、曲がり検出用光ファイバー２１を挿入部可撓管１に直接取り付けてもよいし、挿入部可撓管１内の内蔵物等に曲がり検出用光ファイバー２１を取り付けても差し支えない。
【００３５】
図９は帯状部材２０に対する曲がり検出用光ファイバー２１，２１′の取り付け状態を示しており、帯状部材２０の長手方向に一定の間隔で曲がり検出部２２が位置するように、複数の曲がり検出用光ファイバー２１を帯状部材２０の表面側に取り付けると共に、表側の各曲がり検出部２２の横に第２の曲がり検出部２２′が並ぶように、帯状部材２０の裏面側に第２の複数の曲がり検出用光ファイバー２１′が取り付けられている。
【００３６】
また、光吸収部２２ａが形成されていないシンプルなリファレンス用光ファイバー２１Ｒを少なくとも一本配置して、各曲がり検出用光ファイバー２１の光伝達量をリファレンス用光ファイバー２１Ｒの光伝達量と比較することにより、曲がり検出用光ファイバー２１の光伝達量に対する温度や経時劣化等の影響を除くことができる。
【００３７】
図１０は、帯状部材２０の基端が接続された光信号入出力装置３０を示しており、一つの発光ダイオード３１からの射出光が全部の光ファイバー２１，２１′，２１Ｒに入射される。３２は、発光ダイオード３１の駆動回路である。
【００３８】
そして、各光ファイバー２１，２１′，２１Ｒの射出端毎に、光の強度レベルを電圧レベルに変換して出力するフォトダイオード３３が配置されていて、各フォトダイオード３３からの出力が、アンプ３４で増幅されてからアナログ／デジタル変換器３５によりデジタル信号化されてコンピュータ９に送られる。
【００３９】
図１に戻って、挿入部可撓管１が挿入される患者の体内の入口部分（例えば口又は肛門）には、いわゆるマウスピース等に挿入量／回転角度検出部４０が取り付けられ、挿入部可撓管１はその挿入量／回転角度検出部４０内を通される。
【００４０】
挿入量／回転角度検出部４０は、例えば特開昭５６−９７４２９号や特開昭６０−２１７３２６号等に記載されているように、挿入部可撓管１の表面に形成された反射マークからの反射光の変化等から、挿入部可撓管１の挿入長さと軸線周りの回転角度を検出するものであり、そのデジタルの検出信号がエンコーダ出力装置４１から出力される。
【００４１】
そして、光信号入出力装置３０から出力される挿入部可撓管１の三次元の屈曲状態の検出信号と、エンコーダ出力装置４１から出力される挿入部可撓管１の挿入長と回転角度の検出信号が、コンピュータ９に入力されて、超音波プローブ６の位置と姿勢が算出され、そのデータと超音波信号処理部８２から出力される二次元の超音波断層像Ｕ２とが合成されて三次元像Ｕ３が構築され、その像が図３に示されるように三次元像表示装置９０に表示される。
【００４２】
そのような超音波プローブ６の位置と姿勢の算出は、例えば次のようにして行われる。
一枚の帯状部材２０の表面と裏面に配置された曲がり検出部２２，２２′は、曲がる方向によって出力電圧の変化が相反するように曲がり検出部２２，２２′の位置が設定されている。曲げのない状態をゼロ電圧として規格化すると出力電圧の正負符号で曲がった方向を判別することができる。
【００４３】
ｎ番目のセンサ対（即ち、曲がり検出部２２，２２′）の曲げ角度、捩れ角度、出力電圧の関係は、
右にねじったときの比例定数を ａ_n
左にねじったときの比例定数を ｂ_n
上に曲げたときの比例定数を ｃ_n
下に曲げたときの比例定数を ｄ_n
センサ対の出力電圧を Ｖ1_n ，Ｖ2_n
図１１に定義したねじれ角度を Ｔ
図１２に定義した曲げ角度を Ｂ
とすると、以下の式が成り立つ。
【００４４】
（ａ_n or ｂ_n ）×Ｔ＋（ｃ_n or ｄ_n ）×Ｂ＝Ｖ1_n --（１）
（ａ_n or ｂ_n ）×Ｔ＋（ｃ_n or ｄ_n ）×Ｂ＝Ｖ2_n --（２）
式（１）（２）においてａ_n とｂ_n 、ｃ_n とｄ_n のどちらの値を使うかは電圧Ｖ1_n ，Ｖ2_n の符号および電圧値の変化により一意に決まる。
【００４５】
図１１における（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ，Ｚ₀ ）は元の座標系であり、（Ｘ₁ ，Ｙ₁ ，Ｚ₁ ）はＴ回転後の回転座標系である。また、図１２における（Ｘ₂ ，Ｙ₂ ，Ｚ₂ ）はＢ回転後の回転座標系である。
【００４６】
そして、図１１及び図１２において、（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ，Ｚ₀ ）座標をＹ軸を中心にＴ回転した後、Ｘ軸を中心にＢ回転した後の回転座標系（Ｘ₂ ，Ｙ₂ ，Ｚ₂ ）は、次の関係式で表すことができる。
【００４７】
【数１】

【００４８】
また、図１３において、二点間のセンサ距離は角度Ｂを用いて算出することができる。二点間の帯状部材２０は円弧Ｌを描いていると見ることができるので、角度ＢはセンサＳ_n とＳ_n+1の接線がなす角度に他ならない。
【００４９】
二点間の空間直線距離Ｄは
Ｄ＝３６０×Ｌ×sin （Ｂ／２）／（π×Ｂ） --（４）
であるから、各センサ対におけるねじりと曲がりの値を内視鏡挿入部基準位置から先端部にかけて積算し、センサ間隔を（４）式を用いて算出し、（３）式の座標変換を連続することによって基準座標系に対する先端部（即ち、超音波プローブ６）の位置座標を算出することができる。
【００５０】
図１４は超音波プローブ６によって得られる二次元の超音波断層像である。Ｐ１，Ｐ２は超音波プローブ６による走査の始点と終点位置に対応し、Ｐ３，Ｐ４は深さに対応しており、画面倍率を設定すると一義的に距離が決まる。即ち、二次元の超音波断層像を表示するグラフィックメモリアドレスと被検体の位置関係は相関性を持って決まる。
【００５１】
内視鏡の挿入基準位置である挿入量／回転角度検出部４０から先端部の座標位置は曲がり検出部２２からの検出値によって知ることができ、超音波プローブ６が走査する画像は二次元座標系で全てのピクセル位置が分かっているので、これを合成することによって一つの平面上の全ての画像は、挿入基準座標系で表現することができる。
【００５２】
それを三次元画像にするためには、挿入量／回転角度検出部４０において挿入部可撓管１の回転角Ｒを検出する。その軸線方向をＺ軸とすると、Ｚ軸を中心としたＲ回転座標系に変換することができる。
【００５３】
仮に手元で回転させた成分が先端部まで正しく伝わらない場合でも、曲がり検出用光ファイバー２１は途中でねじれ角度成分として検出するので先端部の位置座標をほぼ正しく検出することができる。
【００５４】
なお、図８の（Ｂ）に示されるように、一対の曲がり検出部２２，２２′を直交して配置してもよい（第２の実施例）。図１５はそのような帯状部材２０′，２０″が挿入部可撓管１に組み込まれた状態を示している。
【００５５】
この場合、ｎ番目のセンサ対の各曲げ角度と出力電圧の関係は、
Ｘ方向に曲げたときのＸセンサ比例定数を ｅ_n
Ｘ方向に曲げたときのＹセンサ比例定数を ｆ_n
Ｙ方向に曲げたときのＸセンサ比例定数を ｇ_n
Ｙ方向に曲げたときのＹセンサ比例定数を ｈ_n
Ｘ方向の曲げ角度要素を θx
Ｙ方向の曲げ角度要素を θy
Ｘセンサの電圧変化を Ｖｘ_n
Ｙセンサの電圧変化を Ｖｙ_n
とすると、以下の式が成り立つ。
【００５６】
θx ＝ｅ_n ×Ｖｘ_n ＋ ｆ_n ×Ｖｙ_n --（５）
θy ＝ｇ_n ×Ｖｘ_n ＋ ｈ_n ×Ｖｙ_n --（６）
である。
【００５７】
Ｘ，Ｙが完全に直交した理想状態において、Ｘ方向へ曲げたときはＹセンサの電圧変化成分は無視できるはずであるが、実際のセンサ組込み状態ではバラツキが生じることが想定され、Ｘ，Ｙ成分が双方に及ぼす影響を無視できないと考えられる。各比例定数は内視鏡ごとに固有の値となり、予めキャリブレーションにて取得する。
【００５８】
図１６において、内視鏡の挿入方向をｚ軸上にとると、センサＳ_n のベクトルがｙ−ｚ平面となす角度がθxであり、ｘ−ｚ平面となす角度がθyであるので、Ｓ_n の位置座標（ｘ_n ，ｙ_n ，ｚ_n ）は
ｘ_n ＝Ｌ sinθx --（７）
ｙ_n ＝Ｌ sinθy --（８）
ｚ_n ＝Ｌ｛ (cosθx)² −(sinθy)² ｝^1/2
＝Ｌ｛ (cosθy)² −(sinθx)² ｝^1/2 --（９）
となるので超音波プローブ６の位置座標を特定することができる。
【００５９】
このようにして、図１に示される観察像表示装置７０と断層像表示装置８０と三次元像表示装置９０に、図３に示されるように、観察窓５からの光学観察像と、超音波プローブ６による二次元の超音波断層像と、帯状部材２０及び挿入量／回転角度検出部４０からの検出値を組み合わせて二次元の超音波断層像を処理して得られた三次元像とが同時に観察される。
【００６０】
したがって、三次元像によって血管の走行状態を確認しながら、二次元の超音波断層像で処置具１００による穿刺状態をリアルタイムで確認して、血管を突き刺さないように安全に穿刺処置を行うことができる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、超音波プローブから得られる二次元の断層像データを、プローブ位置・姿勢検出手段から得られる超音波プローブの位置と姿勢のデータと組み合わせることにより三次元化して超音波断層像の三次元像を構築する三次元像構築手段を設けたことにより、コンベックスタイプ等の超音波プローブを用いて三次元の超音波断層像を高精度に構築することができ、血管の走行状態等をリアルタイムで確認しながら穿刺処置等を安全に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の可撓性超音波内視鏡装置の全体構成図である。
【図２】本発明の実施例の可撓性超音波内視鏡装置の挿入部先端部分の斜視図である。
【図３】本発明の実施例の可撓性超音波内視鏡装置によって同時に得られる表示画面の略示図である。
【図４】本発明の実施例の可撓性超音波内視鏡装置の挿入部可撓管の部分斜視図である。
【図５】本発明の実施例に用いられる曲がり検出用光ファイバーの曲がり検出部の略示断面図である。
【図６】本発明の実施例に用いられる曲がり検出用光ファイバーの曲がり検出部が屈曲した状態の略示断面図である。
【図７】本発明の実施例に用いられる曲がり検出用光ファイバーの曲がり検出部が逆方向に屈曲した状態の略示断面図である。
【図８】本発明の実施例に用いられる曲がり検出用光ファイバーによる三次元の屈曲状態検出の原理を説明するための略示図である。
【図９】本発明の実施例の曲がり検出用光ファイバーが取り付けられた帯状部材の平面図である。
【図１０】本発明の実施例の光信号入出力装置の回路図である。
【図１１】本発明の実施例のコンピュータにおいて行われる演算の内容を説明する座標図である。
【図１２】本発明の実施例のコンピュータにおいて行われる演算の内容を説明する座標図である。
【図１３】本発明の実施例のコンピュータにおいて行われる演算の内容を説明する座標図である。
【図１４】本発明の実施例の二次元の超音波断層像を例示する略示図である。
【図１５】本発明の第２の実施例の挿入部可撓管の部分断面図である。
【図１６】本発明の第２の実施例のコンピュータにおいて行われる演算の内容を説明する座標図である。
【符号の説明】
１ 挿入部可撓管
４ 先端部本体
５ 観察窓
６ 超音波プローブ
９ コンピュータ（三次元像構築手段）
２０ 帯状部材
２１，２１′ 曲がり検出用光ファイバー
２２，２２′ 曲がり検出部
３０ 光信号入出力装置
４０ 挿入量／回転角度検出部
７０ 観察像表示装置
８０ 断層像表示装置
９０ 三次元像表示装置

Claims (3)

1. 超音波断層像を得るための超音波信号を発受信する超音波プローブと、光学観察像を得るための観察窓とが、フレキシブルな挿入部の先端部分に併設された可撓性超音波内視鏡装置において、
   曲げられた角度の大きさに対応して光の伝達量が変化する曲がり検出部が光ファイバーの途中の部分に形成された複数のフレキシブルな曲がり検出用光ファイバーの上記各曲がり検出部が分散配置されて、上記挿入部を形成する挿入部可撓管の外皮中に埋設されると共に、上記全光ファイバーに光を入射させるための一つの光源と上記各光ファイバー毎の射出光の強度を検出するための光強度検出手段とが上記挿入部可撓管外に配置されて、上記光強度検出手段で得られる検出値に基づいて上記超音波プローブの位置と姿勢を検出するプローブ位置・姿勢検出手段と、
   上記超音波プローブから得られる二次元の超音波断層像データを上記プローブ位置・姿勢検出手段から得られる上記超音波プローブの位置と姿勢のデータと組み合わせることにより三次元化して上記超音波断層像の三次元像を構築する三次元像構築手段を設けた
   ことを特徴とする可撓性超音波内視鏡装置。
2. 上記超音波プローブが超音波信号を上記挿入部の先端の軸線を含む平面上に発受信走査し、その走査面上に上記挿入部の先端から処置具類が突出される請求項１記載の可撓性超音波内視鏡装置。
3. 上記超音波プローブによって得られる二次元の超音波断層像を表示する二次元断層像表示手段と、上記三次元像構築手段によって得られる三次元像を表示する三次元断層像表示手段とが併設されている請求項１又は２記載の可撓性超音波内視鏡装置。

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