WO2019187025A1

WO2019187025A1 - 応力推定システム、応力推定装置及び内視鏡システム

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Abstract

応力推定システム（１；１ａ）は、可撓性部材（１２，１４）を被検体（２００，２０２）に挿入しているときに被検体に生じる応力を推定する。応力推定システムは、可撓性部材と、可撓性部材にかかる力に関する力情報を算出して、応力を推定する対象領域である被検体における所定の応力推定領域の外周の長さと応力推定領域における被検体の厚みとを含む被検体情報を取得して、力情報に基づいて、応力推定領域において被検体に加わる力の大きさ及び向きを算出して、算出した力の大きさ及び向きと、応力推定領域の外周の長さと、被検体の厚みとに基づいて、応力推定領域の外周における応力の情報を算出する。

Description

応力推定システム、応力推定装置及び内視鏡システム

　本発明は、応力推定システム、応力推定装置及び内視鏡システムに関する。

　内視鏡の挿入部、医療用又は工業用の細径マニピュレータのアームなどの可撓性部材を被検体に挿入する際、可撓性部材が被検体に接触して被検体を押圧することがある。このような押圧による被検体への影響を推定するために、可撓性部材に加わる外力の情報を算出することが知られている。

　例えば、日本国特表２００９－５２２０１６号公報には、挿入部にひずみゲージを設け、挿入部が被検体の表面に接触した際に被検体から受ける力量を当該ひずみゲージで測定することが開示されている。日本国特開平６－１５４１５３号公報には、内視鏡の挿入部の先端に設けられた感圧センサで体腔内の臓器から受ける力量を検出する検出装置が開示されている。日本国特開２０１３－０９４３３７号公報には、挿入部に複数の湾曲センサを設け、これら湾曲センサの検出情報の組合せ演算により、挿入部に加わる外力に関する外力情報を含む操作支援情報を演算することが開示されている。

　可撓性部材と被検体の内部又は表面とが接触したときの被検体の負担を正確に評価するためには、可撓性部材からの力が作用したときに被検体に生じる応力を推定することが望ましい。上述の文献では、可撓性部材に加わる力を算出することは可能であるが、被検体に生じる応力を求めることはできない。それ故、被検体の負担を正確に評価することができない。

　そこで、本発明は、被検体に生じる応力を精度よく容易に推定することができる応力推定システム、応力推定装置及び内視鏡システムを提供することを目的とする。

　本発明の一実施形態は、可撓性を有し、被検体の内部に挿入されて前記被検体の内面に力を加える可撓性部材と、前記可撓性部材にかかる力に関する力情報を取得する力情報取得部と、応力を推定する対象領域である前記被検体における所定の応力推定領域の外周の長さと前記応力推定領域における前記被検体の厚みとを含む被検体情報を取得する被検体情報取得部と、前記力情報に基づいて、前記応力推定領域において前記被検体に加わる力の大きさ及び向きを算出し、算出した前記力の大きさ及び向きと、前記応力推定領域の外周の長さと、前記被検体の厚みとに基づいて、前記応力推定領域の外周における応力の情報を算出する応力推定部と、を具備する、応力推定システムである。また、本発明の一実施形態は、このような内視鏡システムである。

　本発明の一実施形態は、被検体の内面に力を加える可撓性部材にかかる力に関する力情報を取得する力情報取得部と、応力を推定する対象領域である前記被検体における所定の応力推定領域の外周の長さと前記応力推定領域における前記被検体の厚みとを含む被検体情報を取得する被検体情報取得部と、前記力情報に基づいて、前記応力推定領域において前記被検体に加わる力の大きさ及び向きを算出し、算出した前記力の大きさと向きと、前記応力推定領域の外周の長さと、前記被検体の厚みとに基づいて、前記応力推定領域の外周における応力の情報を算出する応力推定部と、を具備する、応力推定装置である。

　本発明によれば、被検体に生じる応力を精度よく容易に推定することができる応力推定システム、応力推定装置及び内視鏡システムを提供することができる。

図１は、第１の実施形態に係る力覚評価システムの主要な構成の一例を概略的に示す図である。図２は、内視鏡システムの構成の一例を示す図である。図３は、内視鏡の挿入部の操作方向の一例を示す図である。図４は、挿入部に組み込まれた位置センサの一例を示す図である。図５は、挿入部に組み込まれた位置センサ及び形状センサの一例を示す図である。図６は、磁気式の位置センサの構成の一例を示す図である。図７は、挿入部のセグメント分けの概念を説明するための図である。図８は、１つのセグメントの湾曲形状の一例を示す図である。図９は、被検体から挿入部に加わる押圧力Ｆと、セグメントＳＧ_ｉ中心から押圧力Ｆの加わった位置までのベクトルｄ_ｉとを示す図である。図１０は、挿入部が腸管及び臓器を押し上げている状態の一例を示す図である。図１１は、挿入部が腸管を押す際に被検体に生じる力の一例を示す図である。図１２Ａは、挿入部が腸管を押している接触状態において働く力の一例を示す図である。図１２Ｂは、挿入部が腸管を押している接触状態を挿入部先端の上から見た断面の一例を示す図である。図１２Ｃは、挿入部が腸管を押している接触状態を挿入部の軸方向から見た断面の一例を示す図である。図１３Ａは、腸管において応力が集中する領域の一例を示す断面図である。図１３Ｂは、腸管において応力が集中する領域における応力の分布の一例を示す、図１３Ａに対応する図である。図１４Ａは、腸管固定部を引っ張る力の一例を示す図である。図１４Ｂは、肛門付近にある腸管固定部の手前の部分に働く応力の分布の一例を示す図である。図１４Ｃは、肛門付近にある腸管固定部の手前の部分に働く応力の分布の一例を示す図である。図１５は、挿入部先端がＳ状湾曲部にかける力を説明するための図である。図１６は、挿入部先端がＳ状湾曲部にかける力を説明するための図である。図１７は、挿入部の中間部がＳ状湾曲部にかける力を説明するための図である。図１８Ａは、挿入部の中間部がＳ状湾曲部にかける力を説明するための図である。図１８Ｂは、腸管の断面の一例を示す図である。図１９は、挿入部先端が腸管に接触している状態を内視鏡上方から見た一例を示す図である。図２０は、挿入部の中間部が腸管に接触している状態を内視鏡上方から見た一例を示す図である。図２１は、第１の実施形態に係る力覚評価システムの主要な構成の他の例を概略的に示す図である。図２２は、第１の実施形態に係る力覚評価システムによる処理の一例を示す図である。図２３は、第１の実施形態の変形例に係る力覚評価システムの主要な構成の一例を概略的に示す図である。図２４は、第１の実施形態の変形例に係る力覚評価システムの主要な構成の他の例を概略的に示す図である。図２５は、第２の実施形態に係る力覚評価システムにおける作業用システムの構成の一例を概略的に示す図である。図２６は、第２の実施形態に係る力覚評価システムの主要な構成の一例を概略的に示す図である。図２７は、第２の実施形態に係る力覚評価システムの主要な構成の他の例を概略的に示す図である。図２８は、第２の実施形態に係る力覚評価システムによる処理の一例を示す図である。

　以下、本発明の各実施形態に係る力覚評価システムについて説明する。力覚評価システムは、可撓性部材を含む挿入機器、例えば医療用内視鏡、に汎用的に適用される。力覚評価システムは、上部消化管内視鏡、大腸内視鏡、超音波内視鏡、膀胱鏡、腎盂鏡等の医療用内視鏡以外にも、カテーテル、医療用マニピュレータなどにも適用可能である。

　操作者が可撓性部材を被検体に挿入して観察、診断、治療、処置などの作業を行う際、可撓性部材が被検体に接触して力を加えることで、被検体、例えば管空、に力又は応力が生じる。ここで、応力とは、単位面積当たりにかかる力である。可撓性部材から被検体に力が加わったとき、被検体にはその内部の構造等に応じてさまざまな力又は応力が生じる。力覚評価システムは、被検体に生じるこのような力又は応力を推定する。なお、被検体に生じる力の合力は、可撓性部材から被検体に加えられた力とつり合う。すなわち、当該合力は、被検体に加えられた力の反力である。

　＜第１の実施形態＞　
　図１は、第１の実施形態に係る力覚評価システム１、すなわち応力推定システムの主要な構成の一例を概略的に示す図である。力覚評価システム１は、被検体２００の内部に挿入されて被検体２００の内面に力を加える可撓性部材１２によって被検体２００に生じる応力を推定することができる応力推定システムである。第１の実施形態に係る力覚評価システム１は、被検体２００の管空に可撓性部材１２が挿入されて診断、治療などの作業が行われることを想定している。

　本実施形態における力覚評価システム１は、被検体２００に対して動作する可撓性部材１２の形状情報及び被検体２００に対する配置情報を含む形状及び配置情報を演算する。被検体２００に対する動作は、例えば、被検体２００への挿入、表面走査、観察、修理、診断、治療等である。力覚評価システム１は、形状及び配置情報に基づいて、可撓性部材１２にかかる力に関する第１の力覚情報、すなわち力情報を算出する。力覚評価システム１は、形状及び配置情報と第１の力覚情報と被検体２００に関する被検体情報とに基づいて、被検体２００に生じる力又は応力に関する第２の力覚情報を算出する。ここで、力覚情報とは、力の位置、向き及び大きさの少なくとも１つを含む情報である。第２の力覚情報は、被検体２００の内部又は表面で起こっている力、すなわち、被検体２００の内部又は表面に生じる力又は応力に関する情報である。

　特に、本実施形態における力覚評価システム１は、応力推定システムとして、可撓性部材１２にかかる力に関する力情報を取得して、応力を推定する対象領域である被検体２００における所定の応力推定領域の外周の長さと応力推定領域における被検体２００の厚みとを含む被検体情報を取得して、前記力情報に基づいて、応力推定領域において被検体２００に加わる力の大きさ及び向きを算出し、算出した力の大きさ及び向きと、応力推定領域の外周の長さと、被検体２００の厚みとに基づいて、応力推定領域の外周における応力の情報を算出する。

　図１に示される力覚評価システム１は、内視鏡システム２と、制御装置１００とを含む。内視鏡システム２は、内視鏡１０を含む。内視鏡１０は、可撓性部材１２として挿入部１４を有している。挿入部１４は、被検体２００の管空内に挿入される。

　（被検体と管空）　
　本実施形態では、被検体２００は、主に、診断又は治療をされる患者又は患者の臓器を想定している。なお、被検体２００は、患者又は臓器の代わりに、シミュレーション用の患者モデル又は臓器モデルでもよい。あるいは、被検体２００は、哺乳類、爬虫類、鳥類等の動物でもよい。また、医療に特化せずとも、被検体２００は、内部に管空又は空間を有する機器、ワーク等でもよい。

　本実施形態に係る力覚評価システム１の対象である被検体２００の管空は、主に、消化器、気管支、泌尿器等である。管空以外にも、手術等で開腹した臓器なども対象としてよい。以下の説明では、被検体２００の管空として大腸を例に挙げる。大腸は、人によって形状、配置などが異なり、時間の経過、機器の挿入等によって形状が特に変化しうる臓器である。例えば、大腸には可動腸管と固定腸管とがあり、直腸、下行結腸及び上行結腸は自由に動きうる可動腸管、Ｓ状結腸、横行結腸及び盲腸は固定腸管である。

　（内視鏡システム）　
　図２を参照して、内視鏡システム２について説明する。　
　内視鏡システム２は、内視鏡１０と、画像処理装置１８、すなわちビデオプロセッサと、表示装置２０と、光源装置２２と、光出射検出装置２４と、内視鏡制御装置２６とを有している。内視鏡１０は、上述したように、可撓性部材１２として挿入部１４を有している。内視鏡１０は、挿入部１４に内蔵された不図示の撮像素子で観察対象物を撮像する。観察対象物は、被検体２００内における患部、病変部等であってよい。画像処理装置１８は、内視鏡１０の撮像素子で観察対象物からの光を変換した電気信号を画像処理する。表示装置２０は、画像処理装置１８で画像処理された観察画像を表示する。光源装置２２は、照明光を出射し、内視鏡１０の不図示のライトガイドに照明光を供給する。光出射検出装置２４は、照明光とは異なる、後述するセンサ４６、ここではファイバセンサである形状センサ５０、の検出用の光を出射し、センサ４６を経由した光を検出する。内視鏡制御装置２６は、内視鏡システム２全体の動作を制御する。これら装置１８、２０、２２、２４、２６は、ラック７６に搭載されてよい。

　内視鏡１０は、可撓性部材１２としての細長い管状の挿入部１４と、挿入部１４の基端部と連結された操作部１６とを有している。挿入部１４は、挿入部１４の先端から基端へと順に、先端硬質部３０と、湾曲部３２と、可撓管部３４とを有している。先端硬質部３０の基端部は、湾曲部３２の先端部と連結している。湾曲部３２の基端部は、可撓管部３４の基端部と連結している。

　先端硬質部３０は、挿入部１４の先端部であって、かつ内視鏡１０の先端部である。先端硬質部３０は、硬く、ここに撮像素子、照明光学系、観察光学系等が内蔵されている。照明装置２２からの照明光が、前記ライトガイドを介して先端硬質部３０の先端面の照明光学系から観察対象物に照射される。

　湾曲部３２は、図示しない節輪が挿入部１４の長手軸方向に沿って連結されることにより構成されている。湾曲部３２は、操作部１６に設けられた湾曲操作部３６に入力される操作に応じて、所望の方向に湾曲する。例えば操作者である医師等の作業者が操作部１６を操作することにより湾曲部３２が湾曲されて、先端硬質部３０の位置及び向きが変えられる。これにより、内視鏡１０は、観察対象物を観察視野内に捉える。

　可撓管部３４は、所望の可撓性を有しており、外力によって曲がる。可撓管部３４は、操作部１６の本体部３８から延出した管状部材である。

　内視鏡１０では、操作者が湾曲部３２を湾曲操作したり可撓管部３４を捻ったりしながら、被検体である患者の消化器、気管支、泌尿器等の管空へ挿入部１４を挿入していくことが可能である。

　なお、挿入部１４は先端硬質部３０及び湾曲部３２を含むが、先端硬質部３０は極短い部分であること、及び、湾曲部３２は湾曲可能な構成であることから、本明細書中における可撓性部材１２との用語は、概ね挿入部１４を指すものとして用いられる。

　図３は、挿入部１４の操作方向として、挿抜方向、湾曲方向及び回転方向を概略的に示す図である。挿入部１４の操作方向として、図３に双方向矢印Ａ１で示されるような、管空内に挿入された挿入部１４の挿抜方向と、双方向矢印Ａ２で示されるような、挿入部１４の捻り方向、すなわち回転方向とがある。また、挿入部１４の操作方向として、双方向矢印Ａ３で示されるような、湾曲操作部３６の操作による湾曲部３２の上下方向と、双方向矢印Ａ４で示されるような、湾曲操作部３６の操作による湾曲部３２の左右方向とがある。

　操作部１６は、可撓管部３４が延出している本体部３８と、本体部３８の基端部と連結している把持部４０とを有している。把持部４０は、内視鏡１０を操作する操作者によって把持される。把持部４０には、湾曲操作部３６が配置されている。また、操作部１６からユニバーサルコード４２が延びている。ユニバーサルコード４２は、挿入部１４内から延びた撮像用電気ケーブル、ライトガイド等を含む。内視鏡１０は、ユニバーサルコード４２を介して、画像処理装置１８、光源装置２２、光出射検出装置２４、内視鏡制御装置２６、制御装置１００などの各種装置に接続されている。

　（センサ）　
　力覚評価システム１は、センサ４６を含む。本実施形態におけるセンサ４６は、位置センサ４８と形状センサ５０の少なくとも一方である。位置センサ４８は、挿入部１４の位置を検出するセンサである。形状センサ５０は、挿入部１４の形状を検出するセンサである。例えば、図２には、センサ４６として、挿入部１４の長手方向に沿って配置された形状センサ５０が示されている。例えば、図４には、センサ４６として、挿入部１４の長手方向に沿って互いに離間して配置された複数の位置センサ４８が示されている。例えば、図５には、形状センサ５０と複数の位置センサ４８とを含むセンサ４６が示されている。

　センサ４６は、制御装置１００の後述する形状及び配置情報演算部１０２とともに、形状及び配置情報検出部５２を構成している。

　図４及び図５に示される位置センサ４８は、例えば、磁気式である。このような位置センサ４８では、図６に示されるように、挿入部１４に磁気コイル５４が設けられている。また、受信機となる磁気アンテナ７０が室内に固定して設置されている。磁気コイル５４は、不図示の信号生成部から出力される磁界発生信号としての電流を受けて磁界を発生させる。磁気アンテナ７０は、発生した磁界を検出する。検出した磁界に基づいて、形状及び配置情報演算部１０２は、磁気コイル５４が配置された挿入部１４の位置を算出する。なお、磁気アンテナ７０を被検体２００に取り付ければ、被検体２００に対する挿入部１４の相対位置が検出可能である。磁気アンテナ７０を送信アンテナとし、挿入部１４に受信コイルを設けて、送受信を逆にしても構わない。

　また、磁気式の位置センサ４８を含む形状及び配置情報検出部５２は、向きも検出可能である。挿入部１４の長手方向に関して同じ位置で周方向に関して異なる位置に複数の磁気コイル５４を配置することにより、形状及び配置情報検出部５２は、位置だけでなく挿入部１４の配置及び姿勢も検出可能となる。

　位置センサ４８は、磁気式に限定されるものではなく、超音波方式、光学式、加速度センサを用いた方式などであってよい。位置センサ４８を含む形状及び配置情報検出部５２は、被検体２００に対する、あるいは、被検体２００が置かれた室内などの場所に対する挿入部１４の位置又は相対位置を検出できるものであればよい。また、被検体２００に対する挿入部１４の相対位置を検出するための位置センサとして挿入部１４の挿入量と回転量とを検出する挿入部センサを用いてもよい。例えば、被検体２００の入口に配置した挿入部センサと位置センサ４８とを組み合わせることで、被検体２００に対する挿入部１４の相対位置が検出可能である。

　例えば、図４及び図５に示されるように、複数の位置センサ４８を含む形状及び配置情報検出部５２において、位置センサ４８が挿入部１４の長手方向に沿って互いに離間して配置されている場合には、検出位置間が補間されることにより、挿入部１４の形状が検出可能である。

　図２及び図５に示される形状センサ５０は、例えば、光ファイバを用いて特定箇所の曲率から曲げ形状を検出するように構成されたファイバセンサである。ファイバセンサは、細径で挿入部１４に組み込みやすく、また、他の構成の影響を受けにくいため、形状センサ５０として好適である。ファイバセンサである形状センサ５０は、例えば、挿入部１４の長手方向に沿って配置された光ファイバを有している。光ファイバには、長手方向に沿って互いに離間して配置された複数の被検出部が設けられている。ファイバセンサでは、上述の光出射検出装置２４から光ファイバに検出用の光が供給される。供給された光が光ファイバを伝達したときの各被検出部における光の変化量に基づいて、形状及び配置情報演算部１０２が挿入部１４の形状を算出する。なお、形状及び配置情報演算部１０２は、光出射検出装置２４に含まれてもよい。

　形状センサ５０は、ファイバセンサに限定されるものではなく、機能、サイズ等を満足するものであれば、どのようなセンサであってもよい。例えば、１つ以上のカメラ画像から、挿入部１４の形状を算出してもよい。

　このように、センサ４６と形状及び配置情報演算部１０２とを含む形状及び配置情報検出部５２は、機能面で十分な性能、サイズ等の仕様を有するものであれば、具体的な検出方法、組込み方法等は特に限定されない。

　（制御装置）　
　制御装置１００は、上述の形状及び配置情報演算部１０２と、第１の力覚情報算出部１０４と、第２の力覚情報算出部１０８と、被検体情報推定部１１０と、接触状態推定部１１２と、被検体影響判断部１１４と、情報出力部１１６と、を有している。これら各部は、ＣＰＵなどの１又は複数の集積回路を含むプロセッサにより構成されている。例えば、プロセッサをこれら各部として機能させるためのソフトウェアプログラムを図示しないメモリ内に準備しておき、そのプログラムをプロセッサが実行することで、各部としての機能をプロセッサが実施してよい。制御装置１００はまた、機械特性記憶部１０６と、出力情報記憶部１１８とを有している。各記憶部１０６、１１８は、不揮発性の半導体メモリ等のストレージである。

　制御装置１００の上述の各部は、例えば、図２に示される１つの筐体８０内に収容されている。制御装置１００は、他の装置１８、２０、２２、２４、２６と同様にラック７６に搭載されてよい。

　制御装置１００の上述の各部は、制御装置１００とは別の制御装置に含まれてもよい。例えば、上述の各部は、画像処理装置１８又は内視鏡制御装置２６に含まれてよい。あるいは、上述の各部の各々が画像処理装置１８及び内視鏡制御装置２６とは異なる制御装置に含まれてもよい。すなわち、制御装置１００の上述の各部として機能するプロセッサあるいはＦＰＧＡなどのハードウェア回路は、各部としての機能を実施可能である限り、１つの筐体に含まれてもよいし、複数の筐体に含まれてもよい。例えば、上述の各部が挿入部１４内に配置されてもよいし、通信で接続された遠隔地にあってもよい。各記憶部１０６、１１８も同様に、１又は複数の記憶部であってよいし、制御装置１００とは別体の外部記憶装置であって通信で接続されるものであってよい。

　（形状及び配置情報演算部）　
　形状及び配置情報演算部１０２は、上述したように、センサ４６による検出結果に基づいて、挿入部１４の形状情報及び被検体２００に対する配置情報を含む形状及び配置情報を演算する。形状及び配置情報演算部１０２は、センサ４６から直接得られる情報が座標又は形状の形式になっていない場合、得られた情報を所望の形式に加工する処理を行う。形状情報は曲率を含むこと、また、配置情報は慣性座標系の座標に基づくものであることが望ましい。しかしながら、被検体２００に生じる力又は応力に関する力覚情報を最終的に得られるものであればどのような表現方法でも構わない。

　形状及び配置情報演算部１０２は、センサ４６から得られる情報から挿入部１４全体の形状及び配置情報を直接求められなくても、センサ４６が検出した位置の情報又は形状の情報に対して挿入部１４の位置又は形状を補間するなどして、被検体２００に生じる力又は応力に関する力覚情報の算出に必要な情報を適宜算出する。具体的には、形状及び配置情報演算部１０２は、後述する第１の力覚情報及び第２の力覚情報の演算等に用いることを目的に、挿入部１４を仮想的にセグメント分けし、セグメントごとの位置、向き、湾曲量等を求める。

　形状及び配置情報演算部１０２で算出された形状及び配置情報は、第１の力覚情報算出部１０４及び第２の力覚情報算出部１０８に出力される。

　（機械特性記憶部）　
　機械特性記憶部１０６は、挿入部１４の機械特性を表す機械特性情報を記憶している。機械特性記憶部１０６は、例えば、挿入部１４をセグメント分けした各セグメントの機械特性に関する値を記憶している。言い換えれば、機械特性記憶部１０６は、可撓性部材１２の長手方向の複数の位置における機械特性を表す機械特性情報を記憶している。機械特性は、挿入部１４の各セグメントの機械的な特性を示す指標である。機械特性として、例えば、各セグメントのヤング率、質量、一定のねじり量を生じさせるのに必要なねじりモーメントの大きさ、一定の伸縮に必要な圧縮力／引っ張り力の大きさ、曲げ剛性等が挙げられる。曲げ剛性は、挿入部１４の各セグメントの曲げにくさを示す指標である。機械特性は、後述する処理を行って第１の力覚情報を得ることができれば、他の量的表現に置き換えられてもよい。

　力覚の検出精度によるが、各セグメントの機械特性を厳密に記憶させておく必要は必ずしもない。挿入部１４全体のある機械特性の値を１つの値で代表したり、セグメント数よりも少ない数の値を用いたりしてもよい。また、機械特性の値は、セグメントごとの値ではなく、挿入部１４の先端又は基端からの距離に応じた値の配列、関数などであっても構わない。また、機械特性の値は、第１の力覚情報算出部１０４での定数として、例えばプログラムの一部として、又は、第１の力覚情報算出部１０４に一緒に記憶されてもよい。

　例えば、挿入部１４の個体ごとに機械特性の値を設定できると力覚の検出精度の向上が図れる。また、機械特性の値を変更可能にしておくことで、挿入部１４の経時変化等に対応した最新の値を第１の力覚情報算出部１０４で使用することができる。

　（第１の力覚情報算出部）　
　第１の力覚情報算出部１０４は、形状及び配置情報演算部１０２から挿入部１４の形状及び配置情報を取得する。第１の力覚情報算出部１０４は、機械特性記憶部１０６から挿入部１４の機械特性情報を取得する。第１の力覚情報算出部１０４は、形状及び配置情報と機械特性情報とに基づいて、挿入部１４の長手方向の１つ以上の位置にかかる力についての力覚情報である第１の力覚情報を算出する。なお、第１の力覚情報の算出に用いる情報は、挿入部１４の形状及び配置情報は、形状及び配置情報演算部１０２から取得される挿入部１４の形状及び配置情報に限定されない。第１の力覚情報算出部１０４は、挿入部１４にかかる力を取得することが可能な他のセンサあるいは演算部を用いて第１の力覚情報を算出してよい。

　力覚情報は、上述したように、力のかかる位置、力の向き、大きさの少なくとも１つ以上を含む、力の情報である。位置、向き、大きさのうち既知のものは、ここで演算する第１の力覚情報から除外して構わない。また、不要な情報、例えば、操作者らへの呈示情報としない情報、も除外して構わない。

　第１の力覚情報の算出は、例えば、力学的な原理に基づいて行われる。第１の力覚情報の算出の一例が以下に示される。　
　（検出原理１）各セグメントにおいて、「変形状態から推定される第１の内力Ｆｓ」と「外部から印加される力から推定される第２の内力Ｆｆ」とがほぼ等しい。　
　（検出原理２）各セグメントにおいて、「形状情報から推定される第１の曲げモーメントＭｂ」と「外部から印加される力から推定される第２の曲げモーメントＭｆ」とがほぼ等しい。

　これらは、静的なつり合いに基づくもので、挿入部１４及び被検体２００の動きが緩やかであることを前提とする。内視鏡１０などの挿入機器による挿入、診断、治療等では、挿入部１４及び被検体２００は概ね緩やかに動くから、当該前提に当てはまる。それ故、精度の高い結果が想定される。

　第１の力覚情報の算出には、こうした静的な力のつり合い以外の力学的な原理、例えば、動的な運動方程式、を用いてもよいし、静的な力のつり合いと他の力学的な原理の組合せを用いてもよい。また、物理的な表現の仕方を変えた式を用いてもよい。

　以下、検出原理１の具体例である、検出原理２についての第１の力覚情報の算出の概略を説明する。

　図７は、内視鏡１０の挿入部１４をセグメント分けした様子を示している。図７では、挿入部１４の先端側のセグメント１から手元側のセグメントＮまでのＮ個のセグメントがあるものとする。これらのうち、セグメントＳＧ_ｓからセグメントＳＧ_ｅまでのＮ_ｓ個のセグメントが算出対象である。

　静的なつり合いに基づく第１の力覚情報の算出では、第１の力覚情報算出部１０４は、セグメントごとに、形状情報から推定される第１の曲げモーメントＭ_ｂと、外部から印加される力から推定される第２の曲げモーメントＭ_ｆとを算出する。これによって、第１の曲げモーメントＭ_ｂと第２の曲げモーメントＭ_ｆとがほぼ等しいという条件式が計算を行った挿入部１４のセグメントの数Ｎ_ｓだけできる。

　一方、算出する第１の力覚情報では、力の数Ｎ_ｆと求める情報内容の数Ｎ_ｃの積、つまりＮ_ｆ×Ｎ_ｃだけ変数がある。

　以下が成立するとき、変数の値は一意的に求めることができる。　
　条件式の数（Ｎ_ｓ）＝変数の数（Ｎ_ｆ×Ｎ_ｃ）

　また、以下が成立するとき、変数の値は一意的に求めることができず、適切と思われる変数の解の組合せを求める。通常、特定の評価式を最小、又は、最大とする最適化手法によって解の組合せを求める。　
　条件式の数（Ｎ_ｓ）＞変数の数（Ｎ_ｆ×Ｎ_ｃ）

　第１の力覚情報算出部１０４は、挿入部１４の各セグメントにおける、機械特性情報、例えば曲げ剛性値、と、形状情報とから、第１の曲げモーメントＭ_ｂを求める、言い換えれば、推定する。機械特性情報は、機械特性記憶部１０６から取得される。形状情報は、形状及び配置情報演算部１０２から取得される。

　単純化のために２次元の場合における算出方法について説明する。　
　各セグメントは、曲げモーメントが加わらない場合、真っ直ぐであるとする。ただし、湾曲部３２の部分は、湾曲操作によって湾曲可能であり、外力による曲げモーメントがない場合の形状が真っ直ぐではないことがある。したがって、この部分については、外力が加わっていない状態を基準とし、この状態からの変化によって第１の曲げモーメントＭ_ｂが求められる。なお、単純化のためには、湾曲部３２は演算対象のセグメントから除外してもよい。

　ｉ番目のセグメントであるセグメントＳＧ_ｉの湾曲形状が図８に示される。ここでは、セグメントＳＧ_ｉの形状を円弧に近似している。

　ここで、以下のように定義を行う。なお、以下で「ｉ」はセグメントＳＧ_ｉに対応する添え字である。　
　　形状から推定される曲げモーメント：　Ｍｂ_ｉ
　　ヤング率：　Ｅ_ｉ
　　断面２次モーメント：　Ｉ_ｉ
　　セグメントＳＧ_ｉの方向ベクトル：　ｅ_ｉ
　ここで、方向ベクトルｅ_ｉは、セグメントＳＧ_ｉ＋１とセグメントＳＧ_ｉとの接続部での方向ベクトルであり、セグメントＳＧ_ｉ－１側に向く。　
　　紙面に垂直な方向ベクトル：　Ｖ_ｉ
　　曲率：　χ_ｉ（＝１／ρ_ｉ）
　ここで、ρ_ｉは曲率半径である。　
　　曲げ剛性：　Ｇ_ｉ（＝Ｅ_ｉ・Ｉ_ｉ）

　このとき、任意のセグメントＳＧ_ｉについて、材料力学から以下の関係が成り立つ。　
　　Ｍｂ_ｉ＝Ｅ_ｉ／ρ_ｉ・Ｉ_ｉ　　　・・・式１
　　α_ｉ＝Ｌ_ｉ／ρ_ｉ　　　・・・式２
　ここで、α_ｉは角度［ｒａｄ］である。

　式１及び式２から、以下の関係が導かれる。　
　　Ｍｂ_ｉ＝（α_ｉ／Ｌ_ｉ）・（Ｅ_ｉ・Ｉ_ｉ）＝χ_ｉ・Ｇ_ｉ　　　・・・式３
　ここで、「Ｅ_ｉ・Ｌ_ｉ＝Ｇ_ｉ」が曲げ剛性と呼ばれる。

　式３から、湾曲形状又は形状情報から推定される、セグメントＳＧ_ｉでの第１の曲げモーメントＭｂが求められる。

　Ｇ_ｉは曲率χ_ｉの大きさに伴って若干変化しうる。そのため、Ｇ_ｉを定数とみなして扱ってもよいし、厳密さを求めるのであれば、曲率χ_ｉの変数とみなして扱ってもよい。

　２次元では、挿入部１４の先端に近いセグメントＳＧ_ｉ－１側が左回りに曲がるとき、曲げモーメントＭｂ_ｉ＞０及び角度α_ｉ＞０とする。

　また、第１の力覚情報算出部１０４では、挿入部１４の各セグメントに生じる、外部から印加される力による第２の曲げモーメントＭ_ｆを求める又は推定する。

　具体的な算出について、単純化のために挿入部１４に１つの力が働く場合から説明する。図９において、外力によってセグメントＳＧ_ｉに印加される第２の曲げモーメントＭｆ_ｉは、力学的に以下のようになる。

　＜＜２次元（ＸＹ座標）の場合＞＞
　ここではベクトルである押圧力Ｆのかかる位置がセグメントＳＧ_ｉの位置よりも先端側にある場合には、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉは、以下の通りである。なお、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉはスカラーであり、左回りの曲げモーメントのとき値＋とする。　
　　Ｍｆ_ｉ＝（ｄ_ｉ×Ｆ）のｚ成分　　　・・・式４ａ
　ここで、
　「×」：　外積
　ｄ_ｉ：　セグメントＳＧ_ｉの中心から押圧力Ｆのかかった位置までのベクトル
である。　
　　Ｍｆ_ｉ＝｜ｄ_ｉ×Ｆ｜（絶対値）　
としてもよい。

　また、押圧力Ｆのかかる位置がセグメントＳＧ_ｉの位置よりも手元側にある場合には、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉは、以下の通りである。　
　　Ｍｆ_ｉ＝０　　　・・・式４ｂ
　これはスカラーである。

　＜＜３次元の場合＞＞
　ここではベクトルである押圧力Ｆのかかる位置がセグメントＳＧ_ｉの位置よりも先端側にある場合には、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉは、以下の通りである。なお、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉはベクトルである。　
　　Ｍｆ_ｉ＝ｄ_ｉ×Ｆ　　　・・・式４ｃ

　また、押圧力Ｆのかかる位置がセグメントＳＧ_ｉの位置よりも手元側にある場合には、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉは、以下の通りである。　
　　Ｍｆ_ｉ＝０　　　・・・式４ｄ
　これは０ベクトルである。０ベクトルとは、大きさ０のベクトルのことである。

　複数の力が働く場合には、力のかかる位置がセグメントＳＧ_ｉの位置よりも先端側にある押圧力Ｆ_ｊについて、複数の力の合力を計算すればよい。力が分布荷重の場合、後述するように、特定の複数点に集中しているものとみなせばよい。

　＜＜２次元（ＸＹ座標）の場合＞＞
　この場合、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉは、以下の通りである。　
　　Ｍｆ_ｉ＝［Σ（ｄ_ｉｊ×Ｆ_ｊ）］のｚ成分
　ただし、セグメントＳＧ_ｉの位置よりも先端側にある力のみ計算する。　・・・式５ａ
　ここで、
　　Ｆ_ｊ：　外力（ベクトル）
　　「×」：　外積
である。　
　　Ｍｆ_ｉ＝｜Σ（ｄ_ｉｊ×Ｆ_ｊ）｜（絶対値）
　としてもよい。

　＜＜３次元の場合＞＞
　この場合、第２の曲げモーメントＭｆ_ｉは、以下の通りである。　
　　Ｍｆ_ｉ＝Σ（ｄ_ｉｊ×Ｆ_ｊ）
　ただし、セグメントＳＧ_ｉの位置よりも先端側にある力のみ計算する。　・・・式５ｂ

　第１の力覚情報算出部１０４では、第１の力覚情報として、力の位置と向きと大きさとのうち、少なくとも必要なものを、第１の曲げモーメントＭｂｉと第２の曲げモーメントＭｆｉとの関係Ｍｆｉ≒Ｍｂｉに基づいて算出する。例えば、押圧力Ｆ又はＦ_ｊのかかる位置と、向きと、大きさとの少なくとも１つが算出される。

　以上のような手法を用いて、第１の力覚情報算出部１０４は、可撓性部材１２である挿入部１４にかかる力に関する第１の力覚情報を算出する。第１の力覚情報は、第２の力覚情報算出部１０８に出力される。

　（被検体情報推定部）　
　被検体情報推定部１１０は、被検体情報を推定する。被検体情報は、被検体２００の形状及び配置、解剖学的配置、引っ張り強度、固定部の領域又は位置等を含む。ここで、固定部とは、被検体２００が被検体２００の外部の構造物に固定されている部分である。

　被検体情報は、内視鏡挿入中にリアルタイムで取得した被検体２００の情報、被検体２００に対してＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）等の他の機器で事前に測定した情報、その被検体２００に対する前回の内視鏡挿入時の測定情報、前回使用した情報などであってよい。しかしながら、被検体情報は、必ずしも事前、又はリアルタイムに得ることはできない。そのため、被検体２００の管空の形状及び配置、引っ張り強度、固定位置等の情報について、予め決められた値を一般的な値として用いたり、身長、体重、腹囲、年齢、性別等の身体的特徴に応じて予め決められた値として用いたりしてもよい。すなわち、被検体情報は、被検体２００のパーソナルデータを含む入力情報から推定された推定情報、一般的な人体モデル情報などであってよい。また、被検体２００への内視鏡挿入中に、被検体情報を適宜更新することも有効である。被検体２００が人体及び動物以外の機器、構造物などである場合には、被検体情報は、当該機器、構造物などの構造的配置等の情報である。

　例えば、可撓性部材１２である挿入部１４の形状及び配置から、被検体２００の管空である腸管の形状及び配置、固定位置の情報を推定したり測定したりすることで、腸管に働く力の向き、大きさを推定することが可能となる。

　挿入部１４が挿入されている腸管の部分では、挿入部１４の形状及び配置情報を得ることで、その部分における腸管の形状及び配置情報を得ることができる。また、挿入部１４の先端よりも先の腸管の部分についても、挿入部１４の先端付近の形状及び配置情報から、ある程度推定を行うことが可能である。その際には、腸管の配置に関する情報を適宜得て推定の精度向上につなげてよい。例えば、前回の内視鏡挿入履歴があれば、その履歴に基づく挿入経路から、腸管の形状及び配置、固定位置を推定できる可能性がある。腸管の固定部の情報は、推定、測定などにより与えるものとする。腸管の厚みに関しても同様である。

　（第２の力覚情報算出部）　
　第２の力覚情報算出部１０８は、第１の力覚情報算出部１０４から、挿入部１４にかかる力に関する第１の力覚情報を取得する。すなわち、第２の力覚情報算出部１０８は、力情報取得部として、可撓性部材１２にかかる力に関する力情報を取得する。第２の力覚情報算出部１０８は、被検体情報取得部として、被検体情報推定部１１０から被検体情報を取得する。第２の力覚情報算出部１０８は、接触状態推定部１１２から、挿入部１４と被検体２００との接触状態情報を取得する。第２の力覚情報算出部１０８は、取得したこれらの情報に基づいて、被検体２００の管空に生じる力又は応力に関する第２の力覚情報を算出する。例えば、第２の力覚情報算出部は、応力推定部として、被検体２００に生じる応力を算出する。

　第２の力覚情報を算出するにあたっては、特に、被検体情報が必要である。被検体２００の管空の形状及び配置、固定位置等に依存して、被検体２００に発生する力が変わるためである。また、被検体２００へのダメージを考える際には、被検体２００の管空の引っ張り強度等の情報も重要となる。

　被検体２００の管空内にある挿入部１４が被検体２００に力を与える場合には２通りある。１つは、挿入部１４が管空を介して、主に臓器を押す場合である。もう１つは、挿入部１４が主に腸管を押したり、押し当てた部分の周囲を引っ張ったりする場合である。

　図１０には、挿入部先端１４ａが腸管２０２を介して主に臓器２０４を押している状態が示されている。臓器２０４は、例えば横隔膜である。図１１には、Ｓ字結腸の屈曲部の１つであるＳ－ｔｏｐ２１２付近において、挿入部先端１４ａが腸管２０２を押す力Ｆと、押したときに腸管２０２が引っ張られる力Ｆ１、Ｆ２とが示されている。

　もし腸管２０２が弛んだ状態であれば、腸管２０２を引っ張る力はほとんど発生しない。つまり、そのような状態において被検体２００に影響を及ぼす力は、腸管２０２又はこれを介して臓器２０４にかかる力である。この力が、患者の痛みの原因となっている可能性がある。

　挿入部１４が管空を介して臓器２０４を押す場合について、断面積Ｓの範囲を力Ｆで押すとすると、生じる圧力ｐは以下のように表される。　
　ｐ＝Ｆ／Ｓ　　　　・・・式８
　この圧力ｐが、挿入部１４との接触箇所において腸管２０２、及び、腸管２０２を介した臓器２０４に発生し、被検体２００へのダメージ、痛み等の由来となりうる。

　例えば、図１０では、内視鏡１０の可撓性部材１２である挿入部１４の半径をｒとすると、接触箇所において挿入部先端１４ａが臓器２０４を押す面積ＳはＳ＝πｒ^２となる。ここで臓器２０４に単位面積当たりに働く圧力ｐは、以下のように表される。　
　ｐ＝Ｆ／Ｓ＝Ｆ／πｒ^２　　　・・・式９

　なお、この圧力の値ｐは平均値であり、挿入部先端１４ａの角又はエッジの部分が押し当てられると、この値よりも大きな圧力が局所的に発生しうる。

　挿入部１４の中間部、言い換えれば、挿入部１１の先端と基端との間の、挿入部１４の長手方向の中間部における所定の長さ部分、が被検体２００を押す場合には、第２の力覚情報算出部１０８は、当該中間部と被検体２００との接触状態を示す接触状態情報を接触状態推定部１１２から取得する。第２の力覚情報算出部１０８は、例えば、取得した接触状態情報を参照して当該中間部と被検体２００との接触面積を求め、式９と同様にして圧力を算出する。

　内視鏡１０の挿入部１４が腸管２０２を押したり、押し当てられた部分の周辺が引っ張られたりする場合、被検体２００への影響が特に大きく生じうるいくつかのパターン、言い換えれば、いくつかの箇所、が考えられる。例えば、以下の通りである。　
　ｉ）挿入部１４が押し当てられた部分
　ｉｉ）腸管２０２の力又は応力が集中する部分
　ｉｉｉ）腸管固定部２０８、２１０、２１６周辺部分　・・・図１１に矢印で示される力Ｆ３、Ｆ４参照
　上記ｉ）からｉｉｉ）の箇所がつぶされたり、伸ばされたり、引っ張られたりすることで、被検体２００にダメージが与えられたり患者が痛みを感じたりする。

　本実施形態では、第２の力覚情報算出部１０８は、これら箇所における力又は応力に関する第２の力覚情報を算出する。以下、これら箇所における力及び応力の算出について説明する。

　挿入部１４が腸管２０２に押し当てられたことによる影響の１つとして、腸管２０２の穿孔が挙げられる。上記ｉ）で挙げた接触箇所で腸管２０２の穿孔が起こりうる。また、それ以外の箇所であっても例えば上記ｉｉ）のような箇所で腸管２０２が破れてしまうことがしばしばある。特に、上記ｉｉ）のような箇所の破れには、操作者がすぐには気付かないことがある。

　挿入部１４が腸管２０２に押し当てられた場合に、例えば、厚さｔの腸管２０２の、挿入部１４が腸管２０２に接触する部分の外周の長さである周囲長Ｃの範囲を力Ｆで押す場合に、被検体２００に生じる応力σについて、図１２Ａ乃至図１２Ｃを参照して説明する。

　図１２Ａに示されるような、挿入部１４が腸管２０２と接触していて腸管２０２を押している面を考える。挿入部１４が腸管２０２を押す力Ｆに対して、腸管２０２を肛門側に引っ張る力Ｆ１と盲腸側に引っ張る力Ｆ２とが発生する。力Ｆ１、Ｆ２は外力Ｆの反力であるから、これら３つの力Ｆ、Ｆ１、Ｆ２はつり合う。

　単純な例を想定して、力Ｆ１の大きさと力Ｆ２の大きさとが等しく、ＦとＦ１とのなす角度がθ１、ＦとＦ２とのなす角度がθ２である場合、３つの力Ｆ、Ｆ１、Ｆ２がつり合うためには、以下の２式が成り立つ。　
　Ｆ１ｃｏｓθ１＋Ｆ２ｃｏｓθ２＋Ｆ＝０　　　・・・式１０
　Ｆ１ｓｉｎθ１＝Ｆ２ｓｉｎθ２　　　・・・式１１

　例えば、腸管２０２が腸管固定部２０８、２１０、２１６から引っ張られる程度の力が働く場合、被検体情報推定部１１０から取得した被検体２００の体内の構造に基づく被検体情報から、あるいは、接触状態推定部１１２から取得した接触状態情報から、角度θ１、θ２の値が推定される。式１０及び式１１から、力Ｆ１、Ｆ２が、力Ｆ及び角度θ１、θ２を用いて表されることができる。

　図１２Ａ乃至図１２Ｃに示される力Ｆ１、Ｆ２が腸管２０２を引っ張る力として働くが、挿入部１４が腸管２０２に接触する部分の周囲長Ｃに力Ｆ１、Ｆ２が働く。腸管２０２の厚みをｔとして、周囲長Ｃに対して平均的な力が働くとすると、断面積ｔ・Ｃの面で腸管２０２が引っ張られる力Ｆ１、Ｆ２を受ける。このとき、腸管２０２の周囲長Ｃに働く応力σは、以下のように表される。　
　σ＝（Ｆ１＋Ｆ２）／（ｔ・Ｃ）　　　・・・式１２

　図１２Ａには、腸管２０２に働く応力σの分布が矢印で概略的に示されている。腸管２０２に対する応力は、力Ｆに近い側と力Ｆ１、Ｆ２に近い側とにかかり、両方の側にかかる力がつり合う。式１２の応力σは、これらの応力分布が腸管２０２に対して均一にかかったと想定した場合の平均的な値である。

　例えば挿入部先端１４ａの周囲が被検体２００に押し当てられているとき、腸管２０２の上記周囲長Ｃは、挿入部先端１４ａの外周の長さに等しい。挿入部１４の断面が半径ｒの円形である場合には、以下の式が成り立つ。　
　Ｃ≒２πｒ　　　・・・式１３
　よって、式１２及び式１３から、応力σが算出される。

　以下、上記ｉｉｉ）で挙げた、腸管固定部２０８、２１０、２１６周辺で被検体２００に生じる力及び応力について説明する。腸管２０２が固定されている部分としては、肛門、下行結腸、上行結腸などがある。図１１では、腸管固定部２０８、２１０は、肛門２０６付近に位置している。腸管固定部２１６は、下行結腸に位置している。挿入部１４が腸管２０２を押圧して腸管２０２が引っ張られることで腸管固定部２０８に、及び、Ｓ状結腸と下行結腸との境界部であるＳＤ－Ｊ（ＳＤ－Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）２１４付近の腸管固定部２１６に力が働く際の状況が図１１に示される。

　例えば、図１１において、挿入部１４によって腸管２０２が引っ張られる力がＦ１である。このとき、腸管の部分２１３に力Ｆがかかることで、腸管２０２にたるみがある場合にはその部分２１３は移動し、図１１に斜め上向きの矢印で示されるような腸管２０２の動きにより腸管２０２のたるみが点線に示すように減少する。途中での引っかかりがなければこの力Ｆ１に相当する力Ｆ３が腸管固定部２０８にかかる。また、途中で抵抗があれば、力Ｆ１よりも減少した力Ｆａが腸管固定部２０８にかかる（Ｆａ＜Ｆ３）。この様子を表したのが、図１４である。

　腸管固定部２０８を力Ｆａで図１４Ａに示される矢印の方向、すなわちおおよそ肛門から結腸へと向かう方向に引っ張っているとする。このとき、図１２Ａを参照して説明したのと同様に、腸管固定部２０８での腸管２０２の厚さをｔａ、力がかかる範囲の長さをＣａとすると、腸管固定部２０８における応力σａは、以下のように表される。　
　σａ＝Ｆａ／（ｔａ・Ｃａ）　　　・・・式１４

　図１４Ｂには、肛門２０６付近の腸管固定部２０８の手前の部分に働く応力σａの分布の一例が示されている。腸管２０２に対する応力は、肛門２０６周辺で挿入部先端１４ａに近い側と腸管固定部２０８に近い側とにかかり、両方の側にかかる力がつり合う。式１４の応力σａは、これらの応力分布が腸管２０２に対して均一にかかったと想定した場合の平均的な値である。応力σａは、腸管２０２に接触する挿入部先端１４ａと、腸管２０２が被検体２００に固定される肛門付近の腸管固定部２０８との２方向を向く。

　なお、肛門付近の腸管固定部２０８が比較的大きい範囲に及ぶとき、応力は、腸管２０２の肛門付近の小さな部分について、その部分に近い腸管固定部２０８と挿入部先端１４ａとを結ぶ向きに働く。そのため、図１４Ｃに示されるように、応力σａの向きが、図１４Ｂに示される向きとは若干異なる。

　応力σａは、後述する被検体影響判断部１１４で、肛門周辺で起きる又は起こりうるダメージ、例えば、腸管の断裂、を判断するために用いられる。

　以下、第２の力覚情報算出部１０８における、応力最大値算出について説明する。　
　腸管の周囲に働く応力σは、目安としては上式のようにして算出されてよいが、安全性の観点から、ある値を超えない、というように大きめに見積もることが望ましい。以下に、応力最大値算出をする３つの理由を挙げる。

　第１の理由は、応力が集中する部分があることである。例えば、図１２Ａの囲み領域Ｃ１１、Ｃ１２、及び、図１３に示される領域Ｃ１３、Ｃ１４の応力が大きくなる。

　第２の理由は、例えば、図１２Ａに示す、挿入部先端１２ａで腸管２０２を押す場合のように、腸管２０２の特定の部分に応力が集中している場合、力が加えられた部分により近いところでは、同じ力を受ける応力の範囲が狭まる、すなわち、周囲長Ｃの値が小さくなることで、応力σの値が式１２で示したものよりも大きくなるからである。

　例えば、図１３Ａに示されるように、腸管２０２の一部、例えば、挿入部先端１４ａに近い側と腸管２０２の肛門及び下行結腸入口であるＳＤ－Ｊ付近の固定部側を結んだ途中にある領域Ｃ１３、Ｃ１４に応力が集中する場合、応力の値は式１２によるσの値よりも大きくなる。例えば、腸管２０２の領域Ｃ１３において力Ｆ１が集中する範囲の長さをＣ１としたとすると、そこに働く応力σ１の平均値は、以下のように表される。
　σ１＝Ｆ１／（ｔ・Ｃ１）　　　・・・式１５

　同様に、腸管２０２の領域Ｃ１４において力Ｆ２が集中する範囲の長さをＣ２としたとすると、そこに働く応力σ２の平均値は、以下のように表される。　
　σ２＝Ｆ２／（ｔ・Ｃ２）　　　・・・式１６

　図１３Ｂには、腸管２０２に働く応力σ１、σ２の分布の一例が示されている。

　第３の理由は、外力Ｆ又はその反力Ｆ１、Ｆ２が時間的に変動し、ある瞬間に大きな値を取る可能性があるからである。

　このような応力が増大する可能性から、管空の穿孔等の被検体２００へのダメージを考えた場合、応力の最大値を見積もるためには、安全係数をかけるなどすることが有効である。この際の安全率は、実験統計的に導き出してもよいし、理論的に導いてもよいし、これらを組み合わせてもよい。この結果が下式で表される。　
　σ＝α・（Ｆ１＋Ｆ２）／（ｔ・Ｃ）　　　・・・式１７
　ここで、α：安全率≧１である。このように、式１７は、式１２の右辺に安全率αを乗じたものである。

　再三述べているように、腸管に加わる力又は応力が大きくなると、患者は痛みを感じたり、腸管にダメージを受けたりする可能性がある。例えば、宇野良治らによる論文「Colonic perforation and serosal tears associated with colonoscopy」、Lancet、１９９７年６月２８日、第３４９巻、第９０６９号、ｐ．１８８８には、３ｋｇｆ/ｃｍ^２以上が穿孔危険領域とされている。また、宇野良治、外５名、「大腸内視鏡における偶発症を起こさないための注意点、起きてしまったときの対処法」、消化器内視鏡、２０００年、第１２巻、第２号、ｐ２０１～２０６では、内視鏡等の管状湾曲機構を挿入する際に機械的に痛み、穿孔を生じる場合としては、挿入部先端によるものと、スティック現象の頂部で起こるものと、ループ又は鋭角部によるものとの３つが挙げられている。すなわち、上記論文によると、挿入部先端あるいはそれ以外の中間部の鋭角な部分による腸管への加圧により、腸管の応力が一定以上になることで穿孔が生じる。また、山田博、「人体の強度と老化－生物強弱学による測定結果」、日本放送出版協会、１９７９年９月、９０～１１７頁には、動物及び人の消化管の、部位ごとの一部を横方向に帯状に切り出した試験片を用いて、引っ張り強度、圧裂強さなどを測定、評価した結果が記載されている。応力の最大値は、このような論文等を参考にして設定されてよい。

　具体的な応力の発生の例としては、大きく２つに分けられる。図１５及び図１６に示される、挿入部先端１４ａで腸管２０２を押す場合と、図１７及び図１８Ａに示される、挿入部１４の中間部で腸管２０２を押す場合とである。図１５では、挿入部先端１４ａの周囲が腸管２０２と接触しており、挿入部先端１４ａは腸管２０２の内壁から力Ｆ５を受けている。図１６では、挿入部先端１４ａの先端面全体が腸管２０２と接触しており、挿入部先端１４ａは腸管２０２の内壁から矢印Ｆ５で示される力を受けており、さらに、矢印Ｆ６、Ｆ７で示される方向に腸管２０２が引っ張られている。図１７及び図１８Ａでは、挿入部１４の中間部が腸管２０２とさまざまな接触具合で接触しており、挿入部１４は接触箇所において腸管２０２の内壁から矢印Ｆ８、Ｆ９、Ｆ１０で示される力を受けている。図１８Ａでは、さらに、矢印Ｆ１１、Ｆ１２で示される方向に腸管２０２が引っ張られている。

　挿入部先端１４ａで腸管２０２を押す場合と、挿入部１４の中間部で腸管２０２を押す場合との大きな違いは、挿入部１４と腸管２０２との接触具合である。以下、これら２つの場合の応力σの算出について説明する。

　（先端部による応力算出）　
　挿入部先端１４ａで腸管２０２を押す場合について説明する。被検体の内部又は表面から挿入部１４にかかる力が挿入部先端１４ａにかかる場合には、挿入部先端１４ａの形状と挿入部先端１４ａの向く方向と力のかかる方向とのなす角度θとを含む接触状態を用いて、応力が求められる。

　図１２Ａにおいてθ１＝θ２とすると、応力σは、図１２Ａに示されるように分布する。式１２と同様の設定において、応力σを計算する腸管２０２の周囲長Ｃは、挿入部先端１４ａの断面が半径ｒの円形として、２πｒとなる。応力が働く方向に垂直な長さは２ｒとなるため、２ｒの幅に図１２Ａ乃至図１２Ｃを参照して説明したような力Ｆ１、Ｆ２が働くと考えることができる。このとき、応力σは、以下のように表される。　
　σ＝α・Ｆ／（ｔ・２ｒ・｜ｃｏｓθ｜）　　　・・・式１８
　ここで、ｔは式１２と同様に腸管２０２の厚みであり、αは式１７と同様に安全率であり、θは上述の角度であり、Ｆは挿入部１４が腸管２０２を押す力である。

　ここで、式１２と式１８との関係について補足する。図１２Ａに示される腸管２０２のような腸管の特定の範囲にかかる力は、外向きの力Ｆ１と力Ｆ２とであり、さらにこれとつりあう力がＦから生じている。逆に力Ｆを基準に考えると、力Ｆ１、Ｆ２は、力Ｆとなす角をθ１、θ２として、
　Ｆ１＝α・Ｆ／｜ｃｏｓθ１｜
　Ｆ２＝（１－α）Ｆ／｜ｃｏｓθ２｜
となる。θ１＝θ２＝θのとき、以下のようになる。
　Ｆ１＋Ｆ２＝Ｆ／｜ｃｏｓθ｜
　これらを用いて、式１２から式１８が導ける。

　腸管２０２の引っ張られる２つの力の向きと大きさが不揃いの場合には、それぞれの力が計算されてもよい。特に、２つのうち大きいほうを考慮することで被検体２００へのダメージを想定し、対策等を実施することができる。

　（中間部による応力算出）　
　挿入部１４の中間部で腸管２０２を押す場合について説明する。挿入部１４にかかる力が挿入部１４の長手方向の中間部にかかる場合には、力がかかる位置周辺での挿入部１４の断面形状と挿入部１４の中心軸方向とかかる力の方向とのなす角度θとを含む接触状態を用いて、応力が求められる。

　挿入部１４の中間部で腸管２０２を押す場合、腸管２０２の周囲長Ｃの部分に働く応力σは、周囲長さＣの部分に均等にかかるものとして、以下のように表される。
　σ＝α・Ｆ／（ｔ・Ｃ・｜ｃｏｓθ｜）　　　・・・式１９
　ここで、ｔは式１２と同様に腸管２０２の厚みであり、αは式１７と同様に安全率であり、θは上述の角度であり、Ｆは挿入部１４が腸管２０２を押す力である。

　応力σを計算する腸管２０２の周囲長Ｃは、挿入部１４の断面形状や湾曲形状と腸管２０２が引っ張られる方向により、様々な形を取り得る。そのため、詳細な検討を行うには、個々の状況に応じた検討が必要である。ここでは、形状の一例について、単純化して検討を行うこととする。

　図１８Ｂに示されるように、挿入部１４の断面形状を半径ｒの円形状とし、腸管２０２の周囲長Ｃの部分の短手方向の長さを２ｒとする。例えば、周囲長Ｃの形状を楕円だとする。腸管２０２の周囲長Ｃの長手方向の長さをＬとし、周囲長Ｃの部分は短軸２ｒ、長軸Ｌの楕円形状とする。このとき、周囲長Ｃは、ｒとＬを用いて、以下のようになる。

　挿入部先端１４ａによる応力算出の場合と同様に、腸管２０２の引っ張られる２つの力の向きと大きさが不揃いの場合には、それぞれの力が計算されてもよい。特に、２つのうち大きいほうを考慮することで被検体２００へのダメージを想定し、対策等を実施することができる。

　以上のようにして、第２の力覚情報算出部１０８は、被検体２００の管空に生じる力又は応力に関する第２の力覚情報として、挿入部先端１４ａ又は挿入部１４の中間部が押し当てられたことにより被検体２００の内部又は表面に生じる応力を算出する。

　（接触状態推定部）　
　接触状態推定部１１２は、挿入部１４と被検体２００との接触状態を推定する。上述したように、第２の力覚情報の算出、特に応力情報の算出、にあたっては、挿入部１４が被検体２００の管空にどのように接触しているかに関する情報、例えば、応力を計算する際に用いる腸管の周囲長Ｃ、が必要である。接触状態推定部１１２は、例えば、周囲長Ｃを想定／算出するために、挿入部１４が被検体２００の管空にどう接触しているのか推定する。言い換えれば、接触状態推定部１１２は、接触領域推定部として、可撓性部材１２と被検体２００との接触が生じている領域である接触領域の外周の長さを推定し、さらに、接触領域を応力推定領域、すなわち、応力を推定する対象領域として設定する。

　接触状態としては、図１９及び図２０に示すような例が挙げられる。図１９は、挿入部先端１４ａが腸管２０２に接触している状態の一例を内視鏡上方から見た断面の一例を示す図である。腸管２０２に働く、盲腸側に引っ張られる力Ｆ１３と、肛門側に引っ張られる力Ｆ１４とが概念的に示されている。図２０は、挿入部１４の中間部が腸管２０２に接触している状態の一例を内視鏡上方から見た断面の一例を示す図である。腸管２０２に働く、盲腸側に引っ張られる力Ｆ１５と、肛門側に引っ張られる力Ｆ１６とが概念的に示されている。各図に示される挿入部先端１４ａ及び挿入部１４が、腸管２０２の腸壁に接触している。

　接触状態推定部１１２は、このような接触状態を挿入部１４の被検体２００の管空内での配置及び形状に基づいて推定する。第２の力覚情報算出部１０８で第２の力覚情報にかかる応力を計算するのが最終的な目的であるから、接触状態推定部１１２は、接触部分での管空の厚みも含めて接触状態を推定する。

　接触状態の推定には、予め決められた又はパターン化された接触状態を用いてもよいし、身長、体重、腹囲、年齢、性別等の身体的特徴に応じて予め決められた値を用いてもよいし、その都度計算を行ってもよい。例えば、被検体情報推定部１１０で用いるのと同様の、挿入部１４の被検体２００の管空内での配置及び形状を用いて、挿入部１４と被検体２００との接触状態を推定することができる。中間部の接触状態は、湾曲状態、すなわち、曲率によって異なるため、曲率ごとに値を決めておいてもよいし、曲率を１つの変数とする関数としておいてもよい。

　（被検体影響判断部）　
　被検体影響判断部１１４は、第２の力覚情報算出部１０８から、第２の力覚情報を取得する。被検体影響判断部１１４は、第２の力覚情報と判断基準とに基づいて、被検体２００への影響を判断する。被検体影響判断部１１４での具体的な判断内容として、例えば、被検体２００に与える痛み、断裂、破損、穿孔などのダメージの有無、ダメージの内容の程度が挙げられる。

　例えば、腸管固定部２０８を力Ｆａでθａの方向に引っ張っているとする。このとき、例えば、腸管２０２が断裂する、腸管固定部２０８が断裂する、腸管２０２と腸管固定部２０８との間が剥離するなどのダメージのうち２つ以上のダメージが同時に発生することが考えられる。被検体影響判断部１１４では、肛門２０６周辺の腸管固定部２０８、２１０での上述のダメージ又は起こりうる他のダメージ、例えば、腸管－固定部間の剥離、を（Ｆａ，θａ）の組合せを入力として判断する。

　また、単位面積当たりの応力σａからダメージを判断する場合には、被検体影響判断部１１４は、肛門２０６周辺で起こる又は起こりうるダメージ、例えば、腸管２０２の断裂を、上記式１４で表される応力σａを入力として判断する。

　被検体影響判断部１１４での判断基準は、経験、実験結果、シミュレーション結果等に基づき、入力と判断結果の関係をまとめたものとする。

　肛門での被検体への影響の判断の仕方を説明したが、肛門以外にも同様の判断の仕方が適用できる。

　腸管は、肛門周辺、下行結腸、上行結腸周辺で体に対して固定されているため、挿入部が腸管を押す部分によって、例えば図１２を参照して説明したθ１、θ２の値がそれぞれ変化する。ここで、腸管の配置は体型、例えば、身長、腹囲、肥満度、腸の長さ等に依存するため、体型に基づいた推定、算出が必要となる。また、厚さｔの値、影響の度合いについては、年齢、性別も関係してくるため、こうした条件も被検体情報として考慮して被検体への影響を判断する必要がある。つまり、被検体影響判断部１１４での判断でも、被検体情報推定部１１０による被検体情報を用いることが有用である。

　例えば、上記式８、式９を参照して説明した圧力ｐがどの臓器に影響を与えているか、言い換えれば、どの臓器を押しているか、は、被検体内における挿入部１４の形状及び配置、被検体の解剖学的配置、これらの組合せ、力の変化等から判断可能である。例えば、式８の断面積Ｓは、挿入部１４又は挿入部先端１４ａが押し当てられた部分の形状に主に依存する。押し当て方が類型化又はパターン化されていれば、断面積Ｓはパターンごとに一定と見なされることができ、圧力Ｓの代わりに力Ｆで、押し当て方ごとにダメージ、痛み等の被検体への影響が判断されることができる。

　被検体影響判断部１１４は、判断基準に基づく被検体へのダメージの有無、内容、程度の判断に関する影響判断情報を情報出力部１１６に伝達する。

　（情報出力部）　
　情報出力部１１６は、第２の力覚情報と影響判断情報とを含む出力情報を制御装置１００の外部に出力する。また、情報出力部１１６は、出力情報記憶部１１８に出力情報を伝達する。

　（出力情報記憶部）　
　出力情報記憶部１１８は、情報出力部１１６からの出力情報を記憶する。出力情報は、情報呈示装置１４０にも出力される情報である。出力情報記憶部１１８は、形状及び配置情報演算部１０２で演算された形状及び配置情報、時刻、経過時間等も記録してよい。このような記録により、応力の発生箇所、応力発生時の挿入部１４の発生箇所での状況が確認可能となる。

　（情報呈示装置）　
　情報呈示装置１４０は、情報出力部１１６を介して、第２の力覚情報算出部１０８から得られた第２の力覚情報と被検体影響判断部１１４から得られた影響判断情報との少なくとも一方の情報を取得する。情報呈示装置１４０は、第２の力覚情報と影響判断情報との少なくとも一方の情報、若しくは、これらに基づいて、適宜、術者等への呈示に適するように加工された情報を呈示する。

　情報呈示装置１４０は、例えば、液晶ディスプレイ等のモニタ画面を含む表示装置、音声デバイス、内視鏡１０の操作部１６に設けた振動デバイス及び電気刺激デバイスなどの少なくとも１つであってよい。すなわち、情報呈示装置１４０は、視覚的な呈示装置、聴覚的な呈示装置、触覚的な呈示装置のいずれか、又はこれらの組合せであってよい。出力方法としては、表示装置を例に取ると、文字、記号、図形、画像などが考えられる。これらの装置又は方法は、２以上のものを同時に用いてもよいし、力覚情報、影響判断結果の程度に応じて切り替えて用いてもよい。

　図２１は、第１の実施形態に係る力覚評価システム１ａの主要な構成の他の例を概略的に示す図である。以下、力覚評価システム１ａについて、力覚評価システム１ａと力覚評価システム１との相違点のみを説明する。

　力覚評価システム１ａは、内視鏡システム２ａと、制御装置１００ａとを含む。内視鏡システム２ａは、内視鏡１０ａを含む。内視鏡１０ａは、駆動機構４４を含む。制御装置１００ａは、力覚評価システム１の情報出力部１１６、出力情報記憶部１１８及び情報呈示装置１４０に代わって、フィードバック回路１２０と、フィードバック情報記憶部１２２と、駆動回路１２４とを含む。内視鏡システム２ａでは、挿入部１４の駆動系の一部が電動化／自動化されていることが前提である。

　なお、力覚評価システム１ａが情報出力部１１６、出力情報記憶部１１８及び情報呈示装置１４０を備えてもよい。

　（駆動機構）　
　内視鏡１０ａの操作部１６は、駆動機構４４の少なくとも一部を含んでよい。駆動機構４４は、例えばモータなどの駆動系を含む。駆動機構４４は、挿入部１４に動力を与えることにより挿入部１４の湾曲形状と位置との少なくとも一方の変化を生じさせる。このように、内視鏡１０ａは、駆動系の少なくとも一部が電動化された電動内視鏡又は自動挿入内視鏡である。

　（フィードバック回路及び駆動回路）　
　フィードバック回路１２０は、第２の力覚情報算出部１０８から得られた第２の力覚情報と被検体影響判断部１１４から得られた影響判断情報との少なくとも一方に基づいて、適宜、挿入部１４の駆動機構４４へのフィードバックに適したように加工された駆動制御情報を駆動回路１２４に提供する。駆動回路１２４は、フィードバック情報等に基づいて、駆動機構４４を動作させる。

　（フィードバック情報記憶部）　
　フィードバック情報記憶部１２２は、フィードバックされる第２の力覚情報と影響判断情報と駆動制御情報との少なくとも１つを記憶する。これら情報は、フィードバック回路１２０にも出力される情報である。出力情報記憶部１１８は、形状及び配置情報演算部１０２で演算された形状及び配置情報、時刻、経過時間等も記録してよい。このような記録により、応力の発生箇所、応力発生時の挿入部１４の発生箇所などでの状況が確認可能となる。

　（力覚評価フロー）　
　図２３は、力覚評価システム１又は１ａによる処理フローの一例を示す図である。力覚評価システム１又は１ａは、例えば、制御装置１００又は１００ａのプロセッサを上述の各部の全部又は一部として機能させるためのソフトウェアプログラムをメモリ内に用意しておき、そのプログラムをプロセッサが実行することで、上述の各部の少なくとも一部の機能をプロセッサが実施するものであってよい。以下、このようなプロセッサによる処理の一例について説明する。

　ステップＳ１１において、力覚評価システム１又は１ａは、挿入部１４又は可撓性部材１２の形状及び配置情報を演算する。ステップＳ１２において、力覚評価システム１又は１ａは、ステップＳ１１で取得した形状及び配置情報に基づいて、挿入部１４にかかる力に関する第１の力覚情報を算出する。ステップＳ１３において、力覚評価システム１又は１ａは、被検体２００の管空に生じる力又は応力に関する第２の力覚情報を算出する。ステップＳ１４において、力覚評価システム１又は１ａは、被検体が受けている／受けうる影響を判断する。ステップＳ１５において、力覚評価システム１は、情報を出力する。あるいは、力覚評価システム１ａは、駆動機構４４に第２の力覚情報／影響判断情報に基づく情報をフィードバックする。

　ステップＳ１６において、力覚評価システム１又は１ａは、処理を終了するか否かを判定する。終了しないと判定された場合には（ステップＳ１６－Ｎｏ）、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１以下の処理が繰り返される。終了すると判定された場合には（ステップＳ１６－Ｙｅｓ）、処理は終了する。

　このような処理によって、可撓性部材１２である挿入部１４の配置又は変形のみを検出することで、被検体の管空に生じる力覚情報を、力又は応力を直接測定しなくても効率よく評価することができる。

　例えば、内視鏡が被検体に与える影響として、力、圧力を直接測定する試みもある。圧力を検出するには、圧力センサ等のデバイスを用いる方法がある。しかしながら、管状湾曲機構の表面に働く圧力を広い範囲で検出しようとすると多くのセンサを表面付近に配置する必要がある。そうすると、センサ又は配線の設置スペースで確保するために管状湾曲機構の外径が大きくなったり、部材費用又は実装費用がかさんだりする可能性が高い。また、力を検出する触覚センサ、ひずみゲージ、感圧抵抗体、電動ゴムといった電気式センサ、光ファイバ等の光電式センサなどのデバイスを用いて力を検出したり、検出された力と力のかかる面積から単位面積当たりにかかる力、すなわち圧力を検出したりする方法が考えられる。しかしながら、センサが接触している部分に働く力がわかっても、対象となる被検体内部に生じる力が求められなかったり、力から圧力を求めるのに必要な情報、例えば、管状湾曲機構の形状が得られなかったり、特定の条件での圧力が計算できても管状湾曲機構の形状が変化したり、力のかかる位置が変化したときに圧力を計算できなかったり、精度が極端に低下する可能性がある。

　これに対して、本実施形態によれば、被検体の体内又は体外の表面に加わる力によって生じる力又は応力に関する第２の力覚情報を、特に、応力推定領域の外周における応力の情報を、直接測定しなくても算出することができる。本実施形態では、被検体を直接測定する力センサ及び応力センサが不要で省スペース化が実現される。例えば、可撓性部材１２である挿入部１４の細径化が可能である。

　また、力覚評価システム１は、被検体情報から被検体に加わる力の情報を推定、算出し、被検体の体内、又は、体外の表面に加わる応力を推定することで、力及び応力の検出精度を高めることができる。

　また、力覚評価システム１では、力及び応力の最大値、又は、最大値の取り得る上限を算出することが可能である。これにより、被検体の体内、又は、体外の表面に生じるダメージを推測することが容易となる。

　また、力覚評価システム１は、可撓性部材１２と被検体２００との接触状態、例えば接触領域を推定する接触領域推定部としての接触状態推定部１１２を含む。被検体に加わる力の情報から被検体の管空に加わる応力を推定するためには、可撓性部材と被検体の体内、又は、体外の表面との接触状態を仮定したり、推定したりする必要がある。その時々の接触状態を推定することで、応力の検出精度を高めることができる。

　挿入部先端１４ａなど、可撓性部材の先端は、腸管等に穿孔を生じさせるといったように、被検体の体内、又は、体外にダメージを与える部位の１つである。挿入部１４が挿入経路から外れたり、腸管等の被検体の体内、又は、体外の表面に引っかかったりする場合に、可撓性部材の先端の挿入状態、例えば、形状、体内配置、力情報、さらには、被検体の体内、又は、体外の表面の形状、配置情報、に基づいて、接触状態を推定することで、力及び応力の検出精度を高めることができる。

　また、本実施形態では、機械特性記憶部１０６に記憶された可撓性部材１２の機械特性の値が、第１の力覚情報算出部１０４で取得される。これにより、可撓性部材１２に作用する力の検出を簡便な方法で行うことができ、センサを設けて可撓性部材１２の径を太くする必要もなく、リアルタイム検出可能な実用的な力及び応力検出機能を有する力覚評価システムとなる。

　また、本実施形態では、被検体情報推定部１１０で推定された被検体情報が第２の力覚情報算出部１０８で取得される。これにより、被検体の機能への影響の程度が分かることから、操作の中断又は操作解除、すなわち、操作を戻すことをすべきか、操作を継続してもよいかの判断が可能となる。また、生じたと推定される力及び応力に基づいて、被検体への所定の処置を行うべきかの判断などを行うことも可能である。

　また、情報呈示装置１４０により、操作者へ、力及び応力の情報、又は、被検体に与える影響の程度を示す情報の少なくとも一方を提供することで、操作者が適宜対応を検討して判断した上で、操作者による安全な操作の継続、問題のある操作の中断又は問題のある状態からの復帰が可能となる。

　また、フィードバック回路１２０により、駆動機構４４へ、力及び応力の情報、又は、被検体に与える影響の程度を示す情報の少なくとも一方を提供し、力及び応力が一定値以下となるように駆動することで、駆動機構４４による安全な駆動又は操作の継続、問題のある駆動又は操作の中断又は問題のある状態からの復帰が可能となる。

　＜第１の実施形態：変形例＞　
　図２３は、第１の実施形態の変形例に係る力覚評価システム１ｂの主要な構成の一例を概略的に示す図である。図２４は、第１の実施形態の変形例に係る力覚評価システム１ｃの主要な構成の一例を概略的に示す図である。以下、力覚評価システム１ｂについて、力覚評価システム１ｂと力覚評価システム１との相違点のみを説明する。力覚評価システム１ｃについて、力覚評価システム１ｃと力覚評価システム１ａとの相違点のみを説明する。

　力覚評価システム１ｂと力覚評価システム１との相違点は、力覚発生判断部１２６の有無である。力覚評価システム１ｂは、制御装置１００ｂに力覚発生判断部１２６を含む。同様に、力覚評価システム１ｃと力覚評価システム１ａとの相違点は、力覚発生判断部１２６の有無である。力覚評価システム１ｃは、制御装置１００ｃに力覚発生判断部１２６を含む。以下、力覚発生判断部１２６について説明する。

　（力覚発生判断部）　
　力覚発生判断部１２６は、形状及び配置情報演算部１０２から挿入部１４の形状及び配置情報を取得する。力覚発生判断部１２６は、挿入部１４の形状及び配置情報に基づいて、被検体２００の管空に力が生じているか否かを判断する。

　例えば、挿入部１４が被検体への挿入前の段階だったり、位置検出又は力覚検出における誤検出が生じている状態だったりする場合には、力覚発生判断部１２６は、力覚は発生してない状態と判断する。挿入前段階であることは、被検体、特に挿入の入口となる肛門や腸管と挿入部１４先端の空間的な位置関係から判断が可能である。また、位置検出又は力覚検出においては、挿入操作スピードが平均で数ｃｍ／秒程度であることから、突然大きな力覚の値が発生することは考えられず、こうした位置検出誤差又は力覚検出誤差によって生じる場合には、ある程度誤検出として判断可能である。同様に力覚発生時にも、力覚の値が短時間に大きく変動する場合には、誤検出の可能性も考えられる。

　力覚発生判断部１２６による判断結果は、接触状態推定部１１２に伝達される。

　本変形例によれば、力覚発生判断部１２６による判断により、接触状態又は力覚情報の検出精度を向上させた、被検体の管空に生じる力又は応力に関する力覚情報を検出する力覚評価システム１ｂ、１ｃを提供することができる。

　＜第２の実施形態＞　
　本発明の第２の実施形態について、図２５乃至図２８を参照して説明する。第２の実施形態では、第１の実施形態と同様の構成要素については第１の実施形態と同様の参照符号を付してその説明を省略し、主として第１の実施形態との相違点について説明する。

　第２の実施形態では、力覚評価システム１ｄは、挿入機器として作業用マニピュレータ３００を含む。力覚評価システム１ｄは、作業システム２ｄを含む。作業システム２ｄは、作業用マニピュレータ３００と、本体３０２とを含む。作業用マニピュレータ３００は、複数の可撓性部材として、第１の作業用アーム３０４と、第２の作業用アーム３０６と、観察用アーム３０８を含む。アーム３０４、３０６、３０８は、被検体２００に挿入される。本体３０２は、制御装置１００ｄを含む。

　作業用マニピュレータの具体例としては、医療用マニピュレータや産業用マニピュレータが挙げられる。ただし、用途はこれらに限定されるものではない。

　医療用マニピュレータは、所定の部位を観察アームで観察しながら、治療用アームで把持・切開・切除・機器等の埋め込み・縫合・投薬・消毒・洗浄等を行うこと想定する。被検体は人や動植物等を想定する。所定の部位は、体腔や切開した体内が主たる用途であるが、使用か所を限定するものではなく、体表面に用いても構わない。観察系を別途有していれば、観察アームは必ずしも必要ではない。また、複数カ所を同時に観察したり、視野確保を確実にしたり、３Ｄ画像を生成したりするためなどに、複数の観察アームを有していてもよい。観察アームや治療用アームは、内視鏡挿入部のような弾性体と湾曲部を組み合わせたものや、１つ以上の関節によって屈曲可能なマニピュレータでも、これらの組み合わせや硬性アームをアームの１つとして含むものでもよい。

　産業用マニピュレータは、主に機器・配管・構造物等の点検・メンテナンス等に用いること想定する。サイズや環境の点で人が入れない部分や建物・エリアの作業に用いたり、人では出来ない作業を行うことを目的とする。被検体は、機器・配管・構造物・エリア等であり、これらが作業対象である。１つ以上の作業アームを有し、適宜、１つ以上の観察アームを有する。

　力覚評価システム１ｄの用途としては、人の手ではできない精密な作業、多くの操作を同時に行う作業、人の手の長さが足りなかったり人の手では大きすぎたりして、作業部位まで手が届かない作業、人が作業を行うことが困難だったり、危険を伴う環境での作業等が挙げられる。

　作業用マニピュレータ３００において、第１の作業用アーム３０４、第２の作業用アーム３０６及び観察用アーム３０８は、本体３０２から延びている。第１の作業用アーム３０４及び第２の作業用アーム３０６は、例えば、薄い平板状である。例えば、第１の作業用アーム３０４及び第２の作業用アーム３０６は、その断面の辺の長さａ、ｂがａ＜＜ｂとなる長方形であり、第１の作業用アーム３０４及び第２の作業用アーム３０６の長手方向の長さｃはａ＜＜ｂ＜＜ｃである。第１の作業用アーム３０４及び第２の作業用アーム３０６は、幅ｂの側面に略垂直な方向に主に湾曲する、すなわち、湾曲方向が１方向に制限されているような動きをする。図２５には、第１の作業用アーム３０４及び第２の作業用アーム３０６の動く方向が限定されているので、可動方向への操作に集中することができ、安定した作業、精密な作業が可能となる。

　第１の作業用アーム３０４及び第２の作業用アーム３０６は、物を把持したり、加工、組立等の作業を行ったりする。各アーム３０４、３０６の先端には、用途に応じた作業工具を適宜装着してよい。作業工具は、必ずしも装着しなくてもよいし、交換可能なものであってもよい。

　観察用アーム３０８は、円形状に近い横断面を有する細長いアームである。観察用アーム３０８は、その先端に内蔵された照明光学系、観察光学系、撮像素子等を含む。観察用アーム３０８は、第１の作業用アーム３０４及び第２の作業用アーム３０６の先端が対象物に作業を行う際に、湾曲形状を変えることでさまざまな方向から対象物を観察可能となっている。

　第１の作業用アーム３０４、第２の作業用アーム３０６及び観察用アーム３０８には、それぞれ、形状センサ３１０、３１２、３１４と、４本の操作ワイヤ３１６、３１８、３２０とが組み込まれている。なお、これらアーム３０４、３０６、３０８には、表面及び裏面に２本ずつ操作ワイヤが設けられているため、図２５には、それぞれ、２本の操作ワイヤのみが示されている。

　アーム３０４、３０６、３０８は、それぞれ、形状センサ３１０、３１２、３１４により、その位置及び形状が検出されるようになっている。形状センサ３１０、３１２、３１４は、第１の実施形態で説明した形状センサ５０のような構成であってよい。また、これらアーム３０４、３０６、３０８は、それぞれ、操作ワイヤ３１６、３１８、３２０により、能動的に湾曲操作が可能となっている。図２５には、第１の作業用アーム３０４の湾曲方向がＡ５で、湾曲操作可能範囲がＡ６で示されており、また、第２の作業用アーム３０６の湾曲方向がＡ７で、湾曲可能範囲がＡ８で示されている。さらに、観察用アーム３０８の湾曲方向がＡ９、Ａ１０で示されている。なお、形状センサ３１０、３１２、３１４以外の、アーム３０４、３０６、３０８の位置及び形状の検出が可能な検出機構を採用してよいし、操作ワイヤ３１６、３１８、３２０以外の、アーム３０４、３０６、３０８の湾曲操作が可能な操作機構を採用してよい。

　第１の作業用アーム３０４、第２の作業用アーム３０６及び観察用アーム３０８は、その所定の範囲における曲げ剛性が把握されているものとする。曲げ剛性が長手方向の位置、曲げ方向によって異なる場合には、長手方向の曲げ剛性の分布を、必要な曲げ方向ごとに把握されているものとする。

　第１の作業用アーム３０４、第２の作業用アーム３０６及び観察用アーム３０８を用いて、被検体２００に対する作業をする際に、アーム３０４、３０６、３０８が被検体２００に接触すると、被検体２００に力が加わる一方で、被検体２００からアーム３０４、３０６、３０８にも力が加わる。また、アーム同士が接触すると、アーム同士に力が加わる。どのアームとどのアームが接触しているかは、各アームの位置及び形状の関係から判断するものとする。

　このとき、被検体２００から作業用アーム３０４、３０６、観察用アーム３０８に加わる力は、被検体２００に加わる力の合力の反力として求めることができる。被検体２００に加わる力の合力は、式３で表される曲げモーメントの式で、曲げ剛性と曲げ量を３次元で表現し、式５ｂの結果を式７に代入することで、曲げ状態から計算される曲げモーメントと外力によって生じる曲げモーメントがつり合うことと、最適化手法を用いて求めることができる。ただし、湾曲方向と長手方向に垂直な方向に力が発生しない場合には、適宜、位置及び形状の計測、力の計算を単純化して求めてもよい。

　被検体２００に加わる合力から被検体内で生じる個々の力は、被検体２００の構造を把握することで、第１の実施の形態と同様に求めることができる。これによって得られる効果は、第１の実施の形態と同様である。

　図２６は、第２の実施形態に係る力覚評価システム１ｄの主要な構成の一例を概略的に示す図である。図２７は、第２の実施形態に係る力覚評価システム１ｅの主要な構成の一例を概略的に示す図である。以下、力覚評価システム１ｄについて、力覚評価システム１ｄと力覚評価システム１ｂとの相違点のみを説明する。力覚評価システム１ｅについて、力覚評価システム１ｅと力覚評価システム１ｃとの相違点のみを説明する。

　第２の実施形態に係る力覚評価システム１ｄと第１の実施形態の変形例に係る力覚評価システム１ｂとの相違点は、可撓性部材影響判断部１２８及び可撓性部材情報記憶部１３０の有無である。力覚評価システム１ｄは、制御装置１００ｄに可撓性部材影響判断部１２８及び可撓性部材情報記憶部１３０を含む。同様に、力覚評価システム１ｅと力覚評価システム１ｃとの相違点は、可撓性部材影響判断部１２８及び可撓性部材情報記憶部１３０の有無である。力覚評価システム１ｅは、制御装置１００ｅに可撓性部材影響判断部１２８及び可撓性部材情報記憶部１３０を含む。以下、可撓性部材影響判断部１２８及び可撓性部材情報記憶部１３０について説明する。

　（可撓性部材情報記憶部）　
　可撓性部材情報記憶部１３０は、可撓性部材である第１の作業用アーム３０４、第２の作業用アーム３０６及び観察用アーム３０８に関する情報である可撓性部材情報を記憶している。可撓性部材情報は、可撓性部材であるアーム３０４、３０６、３０８の機械特性や物理又は化学特性に関する値であってよく、例えば、上述したような、第１の作業用アーム３０４、第２の作業用アーム３０６及び観察用アーム３０８の曲げ剛性の値を含む。

　（可撓性部材影響判断部）　
　可撓性部材影響判断部１２８では、可撓性部材に加わった力又は応力についての力覚情報を、可撓性部材であるアーム３０４、３０６、３０８に基づく判断基準と照らし合わせることで、アーム３０４、３０６、３０８への影響を判断する。具体的な判断内容として、部材破損、剛性や操作性の劣化、製品寿命の短縮、といった可撓性部材に与えるダメージの有無や内容、程度、保守の必要性、緊急性等が挙げられる。

　なお、本実施形態では、３つのアームから構成される作業システム２ｄについて説明したが、アームの数は任意でよい。例えば、作業用アームが１つのみの作業システムで、観察は、肉眼、あるいは別途顕微鏡を介して行ってもよい。また、３つの作業用アーム及び３つの観察用アームとし、１つの部位を多方向から見ながら作業してもよいし、複数の部位の作業を同時に、又は、順次行ったりしてもよい。複数の作業用アーム及び複数の観察用アームがあることで、被検体を複数に分離して、それぞれを観察、作業をしたり、複数の被検体を一体化、例えば、組込み、注入等、をしたりすることも可能となる。作業用アームと観察用アームとは、機能を変更可能であったり、複数の機能を同時に有したりしてもよい。

　作業は、アームの動きや作業の操作を人がその場で、又は、離れた場所から、操作したり、内容の指示のみしたりしてもよい。

　第１の実施形態と同様に、変形例として、力覚評価システム１ｄは、図２６に示されるように、情報出力部１１６及び出力情報記憶部１１８を含む制御装置１００ｄを有してよい。また、力覚評価システム１ｅは、図２７に示されるように、フィードバック回路１２０とフィードバック情報記憶部１２２と駆動回路１２４とを含む制御装置１００ｅを有してよい。

　（力覚評価フロー）　
　図２８は、力覚評価システム１ｄ又は１ｅによる処理フローの一例を示す図である。力覚評価システム１ｄ又は１ｅは、例えば、制御装置１００ｄ又は１００ｅのプロセッサを上述の各部の全部又は一部として機能させるためのソフトウェアプログラムをメモリ内に用意しておき、そのプログラムをプロセッサが実行することで、上述の各部の少なくとも一部の機能をプロセッサが実施するものであってよい。以下、このようなプロセッサによる処理の一例について説明する。

　ステップＳ２１において、力覚評価システム１ｄ、１ｅは、可撓性部材であるアーム３０４、３０６、３０８の形状及び配置情報を演算する。ステップＳ２２において、力覚評価システム１ｄ、１ｅは、ステップＳ１１で取得した形状及び配置情報に基づいて、アーム３０４、３０６、３０８にかかる力に関する第１の力覚情報を算出する。ステップＳ２３において、力覚評価システム１ｄ、１ｅは、被検体２００の管空に生じる力又は応力に関する第２の力覚情報を算出する。ステップＳ２４において、力覚評価システム１ｄ、１ｅは、可撓性部材が受けている／受けうる影響や、被検体が受けている／受けうる影響を判断する。ステップＳ２５において、力覚評価システム１ｄは、情報を出力する。あるいは、力覚評価システム１ｅは、駆動機構４４に第２の力覚情報／影響判断に基づく情報をフィードバックする。

　ステップＳ２６において、力覚評価システム１ｄ、１ｅは、処理を終了するか否かを判定する。終了しないと判定された場合には（ステップＳ２６－Ｎｏ）、ステップＳ２１に戻り、ステップＳ２１以下の処理が繰り返される。終了すると判定された場合には（ステップＳ２６－Ｙｅｓ）、処理は終了する。

　第２の実施形態によれば、可撓性部材影響判断部１２８により、被検体、操作者、他の機器、設備、設置場所等の使用環境から受ける、可撓性部材であるアーム３０４、３０６、３０８の機能への影響の程度が分かる。これにより、操作の中断、操作解除、すなわち、操作を戻すことをすべきか、操作を継続してもよいかの判断が可能となる。また、アーム３０４、３０６、３０８に生じたと推定される力及び応力に基づいて、アーム３０４、３０６、３０８への修理、部品交換等の所定の処置を行うべきかの判断ができる。例えば、アーム３０４、３０６、３０８が被検体からの力により破損したり破壊されたりすることが防止される。

　以上説明したように、本発明による各実施形態によれば、被検体に生じる力又は応力に関する力覚情報を精度よく容易に取得することができる力覚評価システム１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ及び力覚評価装置１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅを提供することができる。このような力覚評価システム及び力覚評価装置によれば、可撓性部材の湾曲形状と可撓性部材が被検体を押す力の情報を取得し、力がかかる位置での挿入部の断面形状、湾曲形状といった情報から、被検体にかかる力又は応力を検出することができる。すなわち、被検体の中で働く種々の力を考慮して被検体にかかる力及び応力を推定することが可能である。

　なお、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適当な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。

Claims

　可撓性を有し、被検体の内部に挿入されて前記被検体の内面に力を加える可撓性部材と、
　前記可撓性部材にかかる力に関する力情報を取得する力情報取得部と、
　応力を推定する対象領域である前記被検体における所定の応力推定領域の外周の長さと前記応力推定領域における前記被検体の厚みとを含む被検体情報を取得する被検体情報取得部と、
　前記力情報に基づいて、前記応力推定領域において前記被検体に加わる力の大きさ及び向きを算出し、算出した前記力の大きさ及び向きと、前記応力推定領域の外周の長さと、前記被検体の厚みとに基づいて、前記応力推定領域の外周における応力の情報を算出する応力推定部と、
　を具備する、応力推定システム。
　前記被検体と前記可撓性部材との接触が生じている領域である接触領域の外周の長さを推定し、前記接触領域を前記応力推定領域に設定する接触領域推定部をさらに具備する、請求項１に記載の応力推定システム。
　前記被検体情報取得部は、前記被検体が前記被検体の外部の構造物に固定されている固定部の領域を前記応力推定領域とする、請求項１に記載の応力推定システム。
　前記応力推定部は、安全係数を用いて、前記応力の情報を算出する、請求項１に記載の応力推定システム。
　前記応力推定部は、前記被検体の内部又は表面から前記可撓性部材にかかる力が前記可撓性部材の先端部にかかる場合に、前記先端部の形状と前記先端部の向く方向と力のかかる方向とのなす角度とを用いて、前記応力の情報を算出する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の応力推定システム。
　前記応力推定部は、前記可撓性部材にかかる力が前記可撓性部材の長手方向の中間部にかかる場合に、力がかかる位置周辺での前記可撓性部材の断面形状と前記可撓性部材の中心軸方向と前記かかる力の方向とのなす角度とを用いて、前記応力の情報を推定する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の応力推定システム。
　前記被検体情報を推定する被検体情報推定部をさらに具備し、前記被検体情報取得部は、前記被検体情報推定部から前記被検体情報を取得する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の応力推定システム。
　前記可撓性部材の形状及び配置に関する形状及び配置情報を検出する形状及び配置情報検出部をさらに具備し、前記被検体情報推定部は、検出した前記形状及び配置情報に基づいて前記被検体情報を推定する、請求項７に記載の応力推定システム。
　前記可撓性部材の長手方向の複数の位置における機械特性を表す機械特性情報を取得する機械特性取得部と、
　前記可撓性部材にかかる力に関する力情報を算出する力情報算出部とをさらに具備し、
　前記形状及び配置情報は、前記複数の位置における変形状態の情報を含み、
　前記力情報算出部は、前記可撓性部材の長手方向の複数の位置における、前記変形状態の情報と前記機械特性情報とに基づいて、前記可撓性部材の１つ以上の位置にかかる力に関する力情報を算出する、請求項８に記載の応力推定システム。
　前記応力推定部によって算出された前記応力の情報が前記被検体に与える影響を判断する被検体影響判断部をさらに有する、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の応力推定システム。
　前記応力の情報に基づく呈示情報を示す情報呈示装置をさらに有する、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の応力推定システム。
　前記可撓性部材の形状及び位置の変化を動力により生じさせる駆動部と、
　前記応力の情報に基づく駆動情報を前記駆動部にフィードバックする情報フィードバック部と、をさらに有する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の応力推定システム。
　前記力情報が前記可撓性部材に与える影響を判断する可撓性部材影響判断部をさらに有する、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の応力推定システム。
　被検体の内面に力を加える可撓性部材にかかる力に関する力情報を取得する力情報取得部と、
　応力を推定する対象領域である前記被検体における所定の応力推定領域の外周の長さと前記応力推定領域における前記被検体の厚みとを含む被検体情報を取得する被検体情報取得部と、
　前記力情報に基づいて、前記応力推定領域において前記被検体に加わる力の大きさ及び向きを算出し、算出した前記力の大きさと向きと、前記応力推定領域の外周の長さと、前記被検体の厚みとに基づいて、前記応力推定領域の外周における応力の情報を算出する応力推定部と、
　を具備する、応力推定装置。
　可撓性を有し、被検体の内部に挿入されて前記被検体の内面に力を加える内視鏡挿入部と、
　前記内視鏡挿入部にかかる力に関する力情報を取得する力情報取得部と、
　応力を推定する対象領域である前記被検体における所定の応力推定領域の外周の長さと前記応力推定領域における前記被検体の厚みとを含む被検体情報を取得する被検体情報取得部と、
　前記力情報に基づいて、前記応力推定領域において前記被検体に加わる力の大きさ及び向きを算出し、算出した前記力の大きさと向きと、前記応力推定領域の外周の長さと、前記被検体の厚みとに基づいて、前記応力推定領域の外周における応力の情報を算出する応力推定部と、
　を具備する、内視鏡システム。