內窺鏡裝置以及彎曲驅動控制方法
2023-04-28 04:31:11
專利名稱：內窺鏡裝置以及彎曲驅動控制方法
技術領域：
本發明涉及以電氣方式對內窺鏡的彎曲部進行彎曲驅動的內窺鏡裝置以及彎曲驅動控制方法。
背景技術：
在插入部的前端側設置攝像單元和彎曲自如的彎曲部的內窺鏡被廣泛用於體腔內的檢查和診斷等。並且，在將插入部順暢地插入大腸等複雜屈曲的體腔內的情況下，有時需要熟練的技術。例如，大腸內的橫行結腸由於撓曲而難以在原來的狀態下插入深部側的肝彎曲側， 因此，一般進行所謂的撩起，該撩起是去除橫行結腸的翹曲而使其直線化的插入技法。但是，難以從內窺鏡圖像中得知是橫行結腸朝哪個方向延伸的面等，所以難以決定應該彎曲的方向，並且難以進行順暢的插入。另一方面，例如在日本特開2006-116289號公報中公開了如下的內窺鏡裝置為了容易地使插入部順暢地插入，除了通過設置在插入部的前端部的攝像單元而得到的攝像圖像以外，還利用根據在插入部的長度方向上配置的位置檢測線圈的位置檢測而計算出的插入部的前端側的插入形狀(屈曲形狀)的信息。但是，僅利用上述公報的現有例的插入形狀，無法進行如下的彎曲控制向去除例如大腸內的橫行結腸中的翹曲的適當方向撩起，使得高精度地進行彎曲驅動。因此，優選根據插入部的前端側的插入形狀，以向去除橫行結腸中的翹曲的方向撩起的方式進行彎曲驅動等，向適當方向高精度地對彎曲部進行彎曲驅動。該情況下，不需要上述現有例中的內窺鏡圖像，能夠對彎曲部進行彎曲驅動，是更加有效的。本發明是鑑於上述問題點而完成的，其目的在於，提供如下的內窺鏡裝置以及彎曲驅動控制方法能夠根據插入部的前端側屈曲的插入形狀，向適當方向高精度地對彎曲部進行彎曲驅動。
發明內容
用於解決課題的手段本發明的內窺鏡裝置的特徵在於，該內窺鏡裝置具有插入部，其在前端側設有彎曲自如的彎曲部；彎曲驅動部，其以電氣方式對所述彎曲部進行彎曲驅動；插入形狀檢測部，其檢測所述插入部的前端側的插入形狀；以及彎曲控制部，其根據所述插入形狀檢測部所檢測的所述插入部的前端側的屈曲信息，估計包含被插入到屈曲的管狀體腔內的狀態下的所述插入部的前端側在內的屈曲的屈曲平面，利用估計出的屈曲平面的信息，進行對所述彎曲部進行彎曲驅動的控制。本發明的彎曲驅動控制方法的特徵在於，該彎曲驅動控制方法具有以下步驟屈曲平面估計步驟，估計屈曲平面，該屈曲平面包含在設有彎曲自如的彎曲部的插入部的前端側沿著管狀體腔內屈曲的屈曲形狀插入時的所述插入部的前端側；假想平面設定步驟，在所述插入部的前端附近設定將所述插入部的前端側的軸方向作為法線方向的假想平面； 以及彎曲驅動方向決定步驟，根據所述屈曲平面與所述假想平面的交叉線，決定對所述彎曲部進行彎曲驅動的彎曲驅動方向。
圖1是示出本發明的第1實施方式的內窺鏡裝置的整體結構的圖。圖2是示出內窺鏡和彎曲控制裝置的結構的圖。圖3是示出將插入部插入大腸內時的處理順序的流程圖。圖4是示出決定規定區域的情況下的彎曲驅動方向的處理順序的流程圖。圖5是示出插入部經由大腸內的脾彎曲而插入到橫行結腸側的狀態的說明圖。圖6是示出在圖5的狀態下估計屈曲平面等的處理順序的流程圖。圖7A是示出針對通過主成分分析在屈曲平面上設定的5個點而計算出的第1主成分方向和第2主成分方向的圖。圖7B是示出針對通過主成分分析在屈曲平面上設定的5個點而與第1主成分方向和第2主成分方向垂直的第3主成分方向的圖。圖8是示出在滑輪角的坐標系上從當前的彎曲位置起對彎曲部進行彎曲驅動的方向的說明圖。圖9示出本發明的第2實施方式的彎曲控制裝置的結構。圖10是對第2彎曲部進行彎曲驅動時的說明圖。圖11是示出第2實施方式的彎曲驅動處理的順序的流程圖。圖12是將第2實施方式的插入部的前端側插入大腸內部時的說明圖。圖13示出本發明的第3實施方式的彎曲控制裝置的結構。圖14是示出第3實施方式的彎曲驅動處理的順序的流程圖。圖15是將第3實施方式的插入部的前端側插入大腸內部時的說明圖。圖16示出本發明的第4實施方式的彎曲控制裝置的結構。圖17是對第1和第2彎曲部進行彎曲驅動時的說明圖。圖18是將第4實施方式的插入部的前端側插入大腸內部時的說明圖。
具體實施例方式
下面，參照
本發明的實施方式。(第1實施方式)如圖1所示，本發明的第1實施方式的內窺鏡裝置1具有內窺鏡2，其被插入體腔內等；光源部3，其對該內窺鏡2供給照明光；信號處理部4，其對內置於內窺鏡2中的攝像單元進行信號處理；以及視頻處理器6，其內置有對內窺鏡2的彎曲部進行彎曲控制的彎曲控制部5等。該內窺鏡裝置1還具有傳感線圈單元7，其進行設置於內窺鏡2中的位置檢測用的源線圈的位置檢測；插入形狀檢測裝置8，其根據來自該傳感線圈單元7的檢測信號檢測內窺鏡2的插入部11的插入形狀並生成其圖像；以及監視器IOA和10B，它們分別顯示攝像單元拍攝的內窺鏡圖像和基於插入形狀檢測裝置8的插入形狀檢測圖像。
5
內窺鏡2具有被插入體腔內的細長的插入部11、設置在該插入部11的後端的操作部12、以及從該操作部12延伸出的通用軟線13，該通用軟線13的後端的連接器14以裝卸自如的方式與視頻處理器6連接。並且，插入部11具有設置在其前端的硬質的前端部15 ；彎曲部16，其與該前端部15的後端相鄰且彎曲自如地設置；以及長條的具有撓性的撓性管部17，其從該彎曲部16 的後端延伸到操作部12的前端。在操作部12中設有作為彎曲指示操作單元的彎曲用操縱杆18，其對所述彎曲部 16進行彎曲方向和彎曲角度的指示操作；模式選擇開關19，其進行自動彎曲(自動插入) 模式和手動彎曲(手動插入)模式的選擇；以及鏡體開關20，其進行靜態圖像的顯示指示寸。另外，在選擇了自動彎曲模式的情況下，彎曲控制部5自動決定彎曲部16的彎曲驅動方向，手術操作者僅進行向深部側推入插入部11的作業。在選擇了手動彎曲模式的情況下，手術操作者操作操縱杆18進行彎曲部16的彎曲驅動方向的指示操作，彎曲驅動部5 將依據指示操作的彎曲驅動方向決定為針對彎曲部16的彎曲驅動方向。然後，手術操作者進行向深部側推入插入部11的作業。在該內窺鏡2的插入部11內等貫穿插入有傳送照明光的光導21，該光導21的後端從連接器14突出而成為入射端面。內置於光源部3中的燈22的照明光經由光圈23和聚光透鏡24入射到該入射端面。另外，燈22通過由燈驅動電路25供給的燈驅動電源而點亮，產生照明光。並且，光圈23由光圈控制電路26控制供照明光通過的開口量(光圈量)。由光導21傳送的照明光從固定於插入部11的前端部15上的光導前端面，進一步經由安裝在照明窗上的照明透鏡27(參照圖2)向外部射出，對體腔內的患部等被攝體進行照明。如圖2所示，在前端部15 (與照明窗相鄰地)設有觀察窗，在該觀察窗上安裝有攝像單元31。該攝像單元31具有物鏡32，其安裝在未圖示的透鏡框上，對被攝體的光學像進行成像；以及作為攝像元件的電荷耦合元件(簡記為CCD) 33，其攝像面配置在該物鏡32的成像位置。而且，與CXD 33連接的電纜貫穿插入在插入部11內等，如圖1所示，其後端側經由連接器14的電接點與構成信號處理部4的CXD驅動電路36和影像處理電路37連接。CXD驅動電路36產生CXD驅動信號，將該CXD驅動信號施加給CXD 33。CXD 33通過CCD驅動信號的施加對成像在攝像面上的光學像進行光電轉換，作為CCD輸出信號輸出。該CXD輸出信號被輸入到影像處理電路37，影像處理電路37生成將CXD 33的攝像面的光學像顯示為內窺鏡圖像的影像信號，將其輸出到監視器10A，從而在監視器IOA的顯示畫面上顯示內窺鏡圖像。另外，CXD 33被配置成與前端部15內的彎曲部16的彎曲方向具有規定關係。具體而言，設CXD 33的攝像面的上方向為彎曲部16的上下左右的彎曲方向中的上方向。並且，影像信號被輸入到光圈控制電路26，該光圈控制電路26以規定周期對該影像信號的亮度信號成分進行積分等，計算平均明亮度。將從該平均明亮度的信號中減去與適當明亮度相當的基準值而得到的差分信號作為光圈控制信號，對光圈23的開口量進行調整。然後，進行自動調光使得通過光圈23的照明光量成為基準值。
並且，影像處理電路37具有通過圖像處理來檢測內窺鏡圖像中有無暗部的暗部檢測電路37a。該暗部檢測電路37a進行的有無暗部的檢測(判定)信息被發送到彎曲控制部5。 在選擇了自動彎曲插入部11的自動彎曲模式的情況下，彎曲控制部5通常將暗部作為插入時的目標位置，按照使前端部15朝向(指向)暗部方向的方式，對彎曲部16的彎曲驅動方向和彎曲量(彎曲角)進行控制。並且，在手動插入模式中，手術操作者將暗部作為插入時的目標位置，按照使前端部15朝向暗部方向的方式，操作操縱杆18來設定彎曲部16的彎曲驅動方向和彎曲量(彎曲角)。在插入部11內設有未圖示的處置器械用通道，該處置器械用通道的後端側與設置在操作部12的前端附近的處置器械插入口 39連通。並且，與插入部11的前端部15的後端相鄰地設有彎曲部16，設置在視頻處理器6 的內部的彎曲控制部5構成為進行圖2所示的電動方式的彎曲驅動機構50的控制。通過圖2的彎曲驅動機構50和彎曲控制部5構成彎曲控制裝置40。構成彎曲部16的多個彎曲塊51被連接成在彎曲部16的長度方向上分別相鄰的部分通過鉚釘52而轉動自如。各彎曲塊51的彎曲方向由設置鉚釘52的位置來確定，鉚釘52交替或按照適當周期配置在左右位置和上下位置，除了上下方向和左右方向以外，彎曲部16還能夠向任意方向彎曲。另外，在圖2中，僅簡化示出向上下方向彎曲的鉚釘52。並且，在插入部11內貫穿插入有向上下方向和左右方向彎曲的角度線(彎曲線)53u、53d和531、53r，這些角度線 53u、53d和531、53r的前端固定在前端部15上。並且，角度線53u、53d和531、53r的後端固定於配置在操作部12內的上下彎曲用滑輪54a和左右彎曲用滑輪54b上。滑輪54a、54b通過電動馬達55a、55b而正反自如地旋轉，該電動馬達55a、55b構成以電氣方式對彎曲部16進行彎曲驅動的彎曲驅動單元。通過馬達驅動部56的馬達驅動信號對電動馬達55a、55b進行驅動。馬達驅動部56由彎曲控制部5控制。另外，在圖1中，示出在視頻處理器6的內部設置彎曲控制部5的結構例，但是，也可以在操作部12內部等內窺鏡2的內部設置彎曲控制部5。由馬達驅動部56的馬達驅動信號驅動的電動馬達55a、55b使滑輪54a、54b旋轉， 通過滑輪54a、54b的旋轉來牽引角度線53u、53d、531、53r，對彎曲部16進行彎曲驅動。在使滑輪54a、54b旋轉的情況下，對應於滑輪54a、54b的旋轉角來確定角度線 53u、53d、531、53r的牽引量，並且彎曲部16對應於牽引量而彎曲。因此，通過檢測電動馬達 55a、55b或滑輪54a、54b的旋轉角或角度線53u、53d、531、53i 的牽引量(移動量)，能夠檢測彎曲部16的彎曲角。在本實施方式中，例如採用如下結構通過安裝在電動馬達55a、55b的軸部的旋轉編碼器(以下簡記為編碼器)57a、57b，藉助滑輪54a、54b的旋轉角來檢測彎曲部16的彎曲角。S卩，根據編碼器57a、57b的輸出信號，能夠檢測滑輪54a、54b的旋轉角，換言之，能夠檢測與滑輪54a、54b的旋轉角對應的彎曲部16的彎曲角。因此，編碼器57a、57b形成對彎曲部16的彎曲形狀進行檢測的彎曲形狀檢測單元。基於編碼器57a、57b的輸出信號的滑輪角或彎曲角的檢測信號(檢測值)被輸入到馬達驅動部56。經由彎曲控制部5對該馬達驅動部56輸入作為彎曲指示操作單元的操縱杆18的彎曲驅動方向和彎曲角的指示值。然後，該馬達驅動部56對電動馬達55a、55b進行旋轉驅動，使得編碼器57a、57b 的檢測值追隨指示值(與其一致)。彎曲控制部5對馬達驅動部56賦予彎曲指示操作單元的指示值，馬達驅動部56 對電動馬達55a、55b進行旋轉驅動，使得彎曲角的檢測值成為指示值，從而使彎曲部16彎曲到所指示的規定彎曲角度。手術操作者通過設置在操作部12上的操縱杆18進行向上下、左右的任意彎曲方向傾動的操作，由此，傾動的方向成為彎曲驅動方向的指示值，並且其傾動角成為彎曲角的指示值。手術操作者通過進行使操縱杆18向上下、左右的任意方向傾動的指示操作，上下方向操縱杆馬達58a和左右方向操縱杆馬達58b對應於傾動的方向進行旋轉。編碼器59a、59b檢測該旋轉角，編碼器59a、59b的檢測信號作為彎曲驅動方向和彎曲角的指示值被輸入到彎曲控制部5。另外，操縱杆馬達58a、58b由彎曲控制部5控制， 並且，編碼器59a、59b的檢測信號也被輸入到彎曲控制部5。然後，彎曲控制部5對馬達驅動部56輸出作為編碼器59a、59b的檢測信號的彎曲驅動方向和彎曲角的指示值，控制其動作。並且，在插入部11內，沿著其長度方向例如以規定間隔配置有源線圈41，如圖1所示，與源線圈41連接的信號線經由連接器14的電接點與設於視頻處理器6內的源線圈驅動電路43連接。該源線圈驅動電路43經由信號線對各源線圈41依次施加交流的驅動信號，在各源線圈41的周圍產生交流磁場。並且，如圖1所示，在插入有插入部11的未圖示的患者所躺的床的周邊部等規定位置配置有由多個傳感線圈44構成的傳感線圈單元7，通過多個傳感線圈44，檢測由配置於插入部11內的源線圈41產生的磁場。然後，傳感線圈44的檢測信號由插入形狀檢測裝置8內的放大器45放大後，被輸入到源線圈位置計算電路46，通過該源線圈位置計算電路46，根據由傳感線圈44檢測到的信號中的振幅值和相位值計算各源線圈41的位置。由該源線圈位置計算電路46計算出的位置信息被輸入到插入形狀計算電路47。 該插入形狀計算電路47根據將計算出的各源線圈41的位置連接起來而得到的形狀，檢測被插入到體腔內的插入部11的(屈曲的屈曲形狀等的)插入形狀，對檢測到的插入形狀進行建模，生成插入形狀圖像信號。即，插入形狀計算電路47具有插入形狀檢測部47a的功能，該插入形狀檢測部47a 至少檢測包含插入部11的前端側的屈曲形狀的情況在內的插入形狀。
由插入形狀計算電路47生成的插入形狀圖像信號被輸入到監視器IOB中，在其顯示畫面上顯示插入部15的前端側屈曲時等的插入形狀圖像。並且，通過彎曲控制部5取得由插入形狀計算電路47計算出的包含插入部11的前端側的屈曲形狀的情況在內的插入形狀的坐標信息。如後所述，彎曲控制部5在進行對彎曲部16彎曲驅動的控制的情況下，特別利用插入部11的前端側屈曲狀態下的(作為插入形狀的坐標信息的)屈曲坐標的信息。另外，如圖2所示，在前端部15內安裝有源線圈41，源線圈位置計算電路46根據安裝在前端部15上的多個源線圈41的位置，除了計算前端部15的位置以外，還計算前端部15的周方向中的上下、左右等方向中的特定方向。在前端部15內，多個源線圈41以偏離直線的配置關係配置，使得能夠檢測前端部15的周方向。通過前端部15內的多個源線圈41的配置，除了能夠檢測前端部15的位置和長度方向(也稱為前端部方向)以外，還能夠檢測前端部15的繞軸的基準方位。在該前端部15內在固定狀態下配置有CXD 33，還能夠檢測其攝像面的上方向(這與從彎曲的下方向朝向上方向的鐘表的12點方向一致)。即，源線圈位置計算電路46具有檢測前端部15的位置及其基準方位的位置/方位檢測部46a的功能。另外，位置/方位檢測部46a具有檢測彎曲部16的基準方位的方位檢測單元的功能。而且，源線圈位置計算電路46對彎曲控制部5輸出前端部15的位置和基準方位的信息。彎曲控制部5例如由CPU 5a構成，CPU 5a利用所輸入的前端部15的位置和基準方位的信息，進行對彎曲部16彎曲驅動的控制。並且，本實施方式的彎曲控制部5判定體腔內的前端部15的位置是否到達規定區域。為了進行該判定，彎曲控制部5根據從前端部15被放置在體腔內的插入口位置的位置到被插入體腔內部的前端部15的位置的插入形狀，檢測插入長度。例如，通過預先存儲前端部15被放置在肛門位置時的配置在前端部15內部的源線圈41的位置，能夠檢測前端部15被插入大腸內部的插入長度。並且，在本實施方式中，為了順暢地插入到作為管狀體腔內的大腸內的橫行結腸的深部側，作為彎曲控制單元的彎曲控制部5估計適於進行撩起的平面(後述的屈曲平面)，進行對彎曲部16彎曲驅動的控制。更具體而言，構成彎曲控制部5的CPU 5a具有屈曲平面估計部5b的功能，該屈曲平面估計部5b估計(生成)經由脾彎曲而插入撓曲的橫行結腸內的插入部11中的彎曲部 16或撓性管部17部分屈曲的平面，作為屈曲平面。並且，CPU 5a具有假想平面設定部5c 的功能，該假想平面設定部5c在前端部15的位置臨時設定將該前端部15的前端部方向作為法線方向的假想平面，以便沿著上述屈曲平面(更廣義地講為與屈曲平面平行的平面) 決定使彎曲部16彎曲的彎曲方向。並且，CPU 5a具有角度計算部5d的功能，該角度計算部5d進行如下處理如後所述求出上述屈曲平面與該假想平面的交叉線，並且將前端部15或彎曲部16的特定彎曲方向作為基準方位，計算該基準方位與交叉線所成的角度。而且，CPU 5a具有彎曲驅動方向決定部5e的功能，該彎曲驅動方向決定部5e將沿著該交叉線的方向決定為彎曲驅動方向。接著，參照圖3的流程圖說明本實施方式的作用。
當接通圖1所示的內窺鏡裝置1的電源後，內窺鏡裝置1的各部動作。如圖3的步驟Sl所示，手術操作者將內窺鏡2的插入部11的前端側從肛門插入作為進行內窺鏡檢查的檢查對象的大腸內。當開始向大腸內部插入後，如步驟S2所示，彎曲控制部5的CPU 5a取得基於插入形狀檢測裝置8的插入部11的插入形狀的信息。並且，在接著的步驟S3中，CPU 5a取得彎曲部16的彎曲坐標的信息。並且，在接著的步驟S4中，CPU 5a取得基於暗部檢測電路37a的來自內窺鏡圖像的暗部的信息。然後，如步驟S5所示，將暗部的位置作為插入目標方向，將插入部11的前端側插入大腸的深部側。並且，如步驟S6所示，CPU 5a監視插入長度，判定前端部15是否通過作為規定區域的脾彎曲而到達橫行結腸內。該情況下，大腸中的脾彎曲的部位急劇屈曲，所以不僅是插入長度，CPU 5a還可以監視彎曲部16的彎曲角度的信息，利用有無規定角度以上的彎曲的信息，判定是否到達規定區域。CPU 5a在判定為未到達規定區域的情況下，返回步驟S2的處理，重複進行步驟 S2 S6的處理。另一方面，在前端部15通過脾彎曲而到達橫行結腸內的情況下(即，成為插入部 11的前端側在脾彎曲處屈曲的狀態的情況下)，CPU 5a進行步驟S7的彎曲驅動方向決定處理，在接著的步驟S8中，決定所決定的彎曲驅動方向中的彎曲驅動目標位置，進行對彎曲部16彎曲驅動的控制。即，在插入部11的前端側到達規定區域的情況下，CPU 5a通過在後述的圖4和圖6中說明的彎曲驅動控制方法，進行對彎曲部16彎曲驅動的控制。在接著的步驟S9中，在將彎曲部16彎曲驅動到彎曲驅動目標位置的狀態下，將前端部側插入橫行結腸的深部側。然後，前端部15經由肝彎曲而被插入到上行結腸或盲腸附近，結束插入該插入部 11的技法。然後，手術操作者例如一般拔出插入部11 一邊進行內窺鏡檢查。圖4示出步驟S7的彎曲驅動方向決定處理的順序。根據以下說明可知，實質的彎曲驅動方向決定處理是由圖4中的框F包圍的步驟S16-S18。而且，步驟S16-S18是對彎曲部16進行彎曲驅動的驅動控制方法的主要處理順序。當彎曲驅動方向決定處理開始後，在最初的步驟Sll中，CPU 5a取得基於插入形狀檢測裝置8的插入部11的插入形狀的信息。並且，在接著的步驟S12中，CPU 5a取得彎曲部16的彎曲坐標的信息。另外，步驟Sll和S12是與圖3的步驟S2和S3相同的處理，在插入部11的前端側的狀態不變化或者變化量較小的情況下，也可以沿用步驟S2和S3的信息。在接著的步驟S13中，CPU 5a判定是否是自動彎曲模式。在不是自動彎曲模式 (即，是手動彎曲模式)的情況下，在步驟S14中，CPU 5a針對操縱杆18的彎曲指示，經由編碼器59a、59b取得與該彎曲指示對應的信息。然後，在接著的步驟S15中，CPU 5a依據操縱杆18的彎曲指示來決定彎曲驅動方向，進入步驟S19的處理。另一方面，在步驟S13中判定結果為選擇了自動彎曲模式的情況下，進入構成作為自動彎曲驅動處理的一個形式的實質彎曲驅動方向決定處理的步驟S16的處理，在該步驟S16中，CPU 5a進行屈曲平面的估計(生成)處理。如後所述，在估計出該屈曲平面後，在接著的步驟S17中，CPU 5a進行假想平面的生成(設定)處理。進而，在接著的步驟S18中，CPU 5a進行基於屈曲平面與假想平面的交叉線的彎曲驅動方向的決定處理，進入接著的步驟S19的彎曲驅動目標位置的決定處理。接著，參照圖5和圖6說明上述彎曲驅動方向決定處理中的估計屈曲平面等的詳細處理順序。圖5示出內窺鏡2的插入部11的前端側經由作為規定區域的大腸61中的脾彎曲62而被插入到橫行結腸63側的狀態。這樣，在插入部11的前端側被插入規定區域內的狀態下，如圖6的步驟S21所示， 彎曲控制部5的CPU 5a確定(插入部11的前端側的彎曲部16或撓性管部17的)插入形狀部分的位置信息中的曲率半徑最小的位置P3。如圖5所示，插入部11的屈曲角度在(急劇屈曲的)脾彎曲62的部分中最大，所以通過確定曲率半徑最小的位置P3，能夠確定脾彎曲62內側的屈曲的插入部11中的基準位置。在接著的步驟S22中，CPU 5a將屈曲的插入部11的插入形狀部分中的曲率半徑最小的位置P3作為基準位置，取得在該位置P3的前後(即，關於插入部11的長度方向的前後)以適當間隔相鄰的2個點的位置P1、P2和P4、P5的坐標，取得合計5個點的坐標。另夕卜，圖5的0表示坐標系的原點。該情況下，也可以利用在插入部11的長度方向上以規定間隔配置的源線圈41的坐標。另外，5個點是一個代表例，不限於該數量。在接著的步驟S23中，CPU 5a對所取得的5個點的位置Pl P5的坐標實施主成分分析(PCA)，估計(導出)與5個點的坐標分布對應的作為相互正交的坐標軸的第1主成分方向Pel、第2主成分方向Pc2、第3主成分方向Pc3。該情況下，第1主成分方向Pcl為插入部11上的5個點的坐標數據的分散情況 (方差)最大的方向，第2主成分方向Pc2為與該第1主成分方向Pcl正交且方差次大的方向。而且，第3主成分方向Pc3為與第1主成分方向Pcl和第2主成分方向Pc2(包含第1 主成分方向Pcl和第2主成分方向Pc2的平面)正交的方向。圖7A示出估計出的第1主成分方向Pcl和第2主成分方向Pc2，包含該第1主成分方向Pcl和第2主成分方向Pc2的平面為估計出的屈曲平面64。並且，圖7B示出估計出的第3主成分方向Pc3，該第3主成分方向Pc3為與插入部11的前端側部分在脾彎曲62處屈曲的狀態下的該屈曲的屈曲平面64垂直的法線方向。 換言之，不是僅估計屈曲平面64，還估計與其垂直的法線方向，由此，能夠估計精度更高的屈曲平面64。因此，步驟S21 S23成為估計屈曲平面64的屈曲平面估計處理。在接著的步驟S24中，CPU 5a調查旋轉方向(屈曲方向)，該旋轉方向是指從估計出的屈曲平面64中的插入部11的基端側朝向前端側沿著插入部11的屈曲形狀進行追蹤時的屈曲的插入部11在脾彎曲62處、(相對於與該屈曲平面64垂直的軸)向順時針方向 (右旋方向)或逆時針方向(左旋方向)的任意一個方向旋轉(屈曲)。然後，CPU 5a將該旋轉方向的相反方向設定為彎曲驅動方向的目標方向。作為該情況下的旋轉方向或相反的旋轉方向，通過2個矢量的外積的符號，區別右旋/左旋。具體而言，沿著插入部11的插入形狀，通過以隔著脾彎曲62的方式設定在其基端側的第1矢量與設定在前端側的第2矢量的外積的符號，設為彎曲驅動方向的目標方向。通過矢量的外積處理，進行彎曲驅動方向的目標方向的設定(估計)。當設圖5的屈曲的插入形狀的情況為左旋時，設其相反的右旋方向為彎曲驅動方向的目標方向。在接著的步驟S25中，CPU 5a進行圖4的步驟S17的假想平面的設定。因此，CPU 5a在前端部15的位置(在圖5中為CO)設定將前端部方向(在圖5中為矢量V)作為法線方向的假想平面65。該情況下，將彎曲的上方向(與CXD 33的攝像面的上方向一致，在圖5中為矢量 R)等基準方位設定為假想平面65的基準方向。換言之，使假想平面65中的基準方向與基準方位一致，或者對應為規定關係。在接著的步驟S26中，CPU 5a計算該假想平面65與(實施主成分分析而估計出的)屈曲平面64的交叉線L。在圖5的左側示出與(彎曲部16或攝像面的)上下、左右方向對應的狀態下的假想平面65中的交叉線L。在接著的步驟S27中，CPU 5a計算(估計)交叉線L與左右方向所成的角度θ， 作為彎曲驅動方向。在這樣計算為彎曲驅動方向後的接著的步驟S28中，CPU 5a從當前的彎曲位置起向角度θ的方向對彎曲部16進行彎曲驅動，由此，針對鬆弛狀態下的橫行結腸63，能夠高精度地進行適當的撩起。然後結束圖6的處理。圖8示出基於滑輪角的坐標系中的彎曲部16的當前的彎曲位置(彎曲驅動位置) W等。CPU 5a藉助馬達驅動部56對電動馬達55a、55b進行驅動控制，電動馬達55a、55b從當前的彎曲位置W起向上述角度θ的方向對彎曲部16進行彎曲驅動，通過前端部15側進行撩起。通過前端部15側使上述鬆弛狀態下的橫行結腸63撩起，由此，能夠將橫行結腸63 設定為近似直線的狀態，手術操作者容易順暢地將插入部11插入。根據具有這種作用的本實施方式，利用插入部11的前端側經由脾彎曲62在橫行結腸63側屈曲並插入鬆弛狀態下的橫行結腸63的屈曲形狀的信息，能夠高精度地估計記載該屈曲形狀的屈曲平面64。而且，在估計出的該屈曲平面64上向屈曲方向的相反方向對彎曲部16進行彎曲驅動，能夠高精度地進行將橫行結腸63設定為近似直線的狀態的撩起，容易順暢地將插入部11插入。另外，不限於在屈曲平面64上對彎曲部16進行彎曲驅動的情況，也可以沿著與屈曲平面64平行的平面對彎曲部16進行彎曲驅動。並且，本實施方式不限於在將插入部11的前端側從脾彎曲62插入到橫行結腸63 側時進行撩起的情況，也可以應用於插入到其他部位的情況。並且，本實施方式中的估計屈曲平面64的方法等能夠廣泛應用於將插入部11插入到屈曲的管狀體腔內的情況。(第2實施方式)接著，說明本發明的第2實施方式。在第1實施方式中，在內窺鏡2的插入部11中，在前端部15的後端設有一個彎曲部16。與此相對，本實施方式的內窺鏡2B是如下的2級彎曲內窺鏡其插入部11設置有相當於第1實施方式中的彎曲部16的第1彎曲部16A，在該第1彎曲部16A的後端還設置有第2彎曲部16B。圖9示出第2實施方式的彎曲控制裝置40B周邊部的結構。第1彎曲部16A和第2彎曲部16B經由用於分別對第1彎曲部16A和第2彎曲部 16B進行彎曲驅動的角度線53A(53A代表圖2所示的53u、53d、531、53r)、53B(53B採用與 53A相同的結構)而分別與第1彎曲驅動機構50A、第2彎曲驅動機構50B連接。並且，第1彎曲驅動機構50A、第2彎曲驅動機構50B分別與由CPU 5a構成的彎曲控制部5連接，CPU 5a控制第1彎曲驅動機構50A、第2彎曲驅動機構50B的動作。在第1彎曲驅動機構50A、第2彎曲驅動機構50B中分別設有操縱杆18a、18b。另夕卜，在本實施方式中，操縱杆18b不是必不可少的。並且，在彎曲控制部5上連接有插入模式選擇開關19。另外，第1彎曲部16A中的上下、左右的彎曲方向與第2彎曲部16B中的上下、左右的彎曲方向稍微錯開安裝，以避免在插入部11內貫穿插入的兩個角度線53A、53B產生幹擾。並且，由於因與腸管壁面接觸而產生的外力，第1彎曲部16A和第2彎曲部16B被動彎曲(屈曲)，所以有時根據與第1彎曲部16A的彎曲角對應的滑輪的旋轉角和與第2彎曲部16B的彎曲角對應的滑輪的旋轉角而檢測到的彎曲驅動方向與實際的彎曲驅動方向錯開。在本實施方式中，具有如下功能對第2彎曲部16B的彎曲驅動進行控制，使其從屬於第1彎曲部16A的彎曲驅動的控制狀態。換言之，在本實施方式中，具有如下功能進行根據第1彎曲部16A的彎曲驅動方向決定針對第2彎曲部16B的彎曲驅動方向的彎曲驅動控制。因此，例如，CPU 5a具有設定部71的功能，該設定部71將第1彎曲部16A的可彎曲驅動範圍中的該第1彎曲部16A彎曲驅動範圍設定為第1彎曲驅動範圍。手術操作者通過操作其設定開關71a，設定部71將第1彎曲驅動範圍設定為所指示的值。然後，在該第1彎曲部16A到達該第1彎曲驅動範圍的邊界(簡記為彎曲邊界) 的情況下，彎曲控制部5進行控制，以便對第2彎曲部16B進行彎曲驅動。圖10示出被設定為第1彎曲部16A的可彎曲驅動範圍的彎曲邊界72以及第1彎曲部16A中的當前的彎曲位置到達彎曲邊界72的狀況。另外，彎曲邊界72內側的斜線所示的區域為設定部71所設定的第1彎曲驅動範圍73。作為本實施方式中的彎曲控制部5對第2彎曲部16B進行彎曲驅動的彎曲驅動方向，與第1實施方式同樣，與第1彎曲部16A所構成的平面平行地移動，或者在與第1彎曲部16A的彎曲驅動方向相同的方向上移動(該情況下，如上所述稍微錯開)。其他結構與第1實施方式大致相同。另外，圖9中的點劃線所示的彎曲起動開關 74在第3實施方式中使用。圖11示出本實施方式的自動彎曲模式下的彎曲驅動處理的順序。當彎曲驅動處理開始後，在最初的步驟S31中，與第1實施方式同樣，CPU 5a將針對第1彎曲部16A的彎曲驅動方向決定為第1彎曲驅動方向。 然後，CPU 5a控制第1彎曲驅動機構50A，第1彎曲驅動機構50A在第1彎曲驅動方向上對第1彎曲部16A進行彎曲驅動。 在接著的步驟S32中，CPU 5a監視第1彎曲部16A進行彎曲驅動的彎曲驅動範圍， 判定該彎曲驅動範圍是否在第1彎曲驅動範圍73以外、即是否超出彎曲邊界72。在符合該判定結果的情況下，在接著的步驟S33中，CPU 5a在彎曲邊界72保持第 1彎曲部16A，將針對第2彎曲部16B的彎曲驅動方向決定為第2彎曲驅動方向。然後，CPU 5a控制第2彎曲驅動機構50B，第2彎曲驅動機構50B在第2彎曲驅動方向上對第2彎曲部16B進行彎曲驅動。然後結束圖11的處理。並且，在不符合步驟S32 的判定結果的情況下，也結束圖11的處理。圖12示出將本實施方式的內窺鏡2B的插入部11插入大腸61內部時的動作說明圖。另外，從脾彎曲62向橫行結腸63側插入時的動作與第1實施方式大致相同，所以對與第1實施方式時的脾彎曲62周邊部不同的部位進行說明。圖12 (A)的狀態示出將第1彎曲部16A從直腸附近插入S狀結腸67側的狀況，示出在第1彎曲驅動方向上對第1彎曲部16A進行彎曲驅動使其到達第1彎曲驅動範圍73 的彎曲邊界72的狀態。然後，在CPU 5a決定了超出該彎曲邊界72的第1彎曲驅動方向的情況下，在使第 1彎曲部16A保持該彎曲邊界72的彎曲驅動狀態的狀態下，對第2彎曲部16B進行彎曲驅動。該情況下，插入部11的前端側如圖12(B)所示，容易順暢地插入。另外，如本實施方式那樣，如果不限制第1彎曲部16A的彎曲驅動範圍，則如圖12(C)所示，第1彎曲部16A 的彎曲角(以較小的曲率半徑)過大屈曲，有時難以順暢地插入。而且，本實施方式能夠消除這種情況。其他作用效果與第1實施方式相同。這樣，除了第1實施方式的效果以外，本實施方式還能夠消除第1彎曲部16A過度彎曲而難以插入的情況。(第3實施方式)接著，說明本發明的第3實施方式。圖13示出本實施方式的彎曲控制裝置40C的結構。該彎曲控制裝置40C構成為，在圖9所示的第2實施方式的彎曲控制裝置40B中還設置有彎曲起動開關74。而且，去除設定部71和設定開關71a。在第2實施方式中，彎曲控制部5進行如下控制在第1彎曲部16A超出彎曲邊界 72的情況下，在將第1彎曲部16A保持在彎曲邊界72的狀態下，對第2彎曲部16B進行彎曲驅動。在本實施方式中，僅在彎曲起動開關74被接通的期間內，彎曲控制部5進行在針對第1彎曲部16A的第1彎曲驅動方向上對第2彎曲部16B進行彎曲驅動的控制。另外，也可以代替彎曲起動開關74而構成為根據能夠以模擬量指示輸入的操作杆等的操作，調整針對第2彎曲部16B的彎曲驅動量。接著，參照圖14說明本實施方式的自動彎曲模式下的彎曲驅動處理。當彎曲驅動處理開始後，在最初的步驟S41中，與第1實施方式同樣，CPU 5a將針
14對第1彎曲部16A的彎曲驅動方向決定為第1彎曲驅動方向。然後，CPU 5a控制第1彎曲驅動機構50A，第1彎曲驅動機構50A在第1彎曲驅動方向上對第1彎曲部16A進行彎曲驅動。在接著的步驟S42中，CPU 5a判定彎曲起動開關是否被接通。在彎曲起動開關被接通的情況下，在接著的步驟S43中，CPU 5a使第1彎曲部16A保持彎曲起動開關被接通之前的彎曲驅動狀態，將自此開始的針對第1彎曲部16A的彎曲驅動方向決定為針對第2彎曲部16B的第2彎曲驅動方向。然後，CPU 5a控制第2彎曲驅動機構50B，第2彎曲驅動機構50B在第2彎曲驅動方向上對第2彎曲部16B進行彎曲驅動。然後結束圖13的處理。並且，在不符合步驟S42 的判定結果的情況下，也結束圖13的處理。本實施方式具有與第2實施方式類似的效果。在本實施方式中，在手術操作者對第1彎曲部16A進行了彎曲驅動的情況下，在僅該第1彎曲部16A彎曲時的曲率半徑過小的情況下，接通彎曲起動開關，由此，能夠以曲率半徑不會過小的方式進行彎曲驅動。除此之外，具有與第1實施方式相同的效果。另外，作為本實施方式的第1變形例，也可以構成為具有第2實施方式和第3實施方式的功能。例如，在圖13的結構中，設置設定部71和設定開關71a，並且設置用於選擇 (切換)第2實施方式和第3實施方式的功能的選擇開關即可。該情況下，具有第2實施方式和第3實施方式的作用效果。並且，作為第2變形例，也可以在彎曲起動開關74被接通的情況下，在維持前端部 15的前端部方向的狀態下，從第1彎曲部16A的彎曲驅動狀態遷移到第2彎曲部16B的彎曲驅動狀態。該情況下，彎曲控制部5的CPU 5a進行如下控制為了維持前端部15的前端部方向，使第1彎曲部16A返回中立位置(沒有彎曲的位置)，同時使第2彎曲部16B (在可彎曲的最大角度的範圍內)彎曲。圖15示出第2變形例的動作說明圖。圖15㈧示出彎曲起動開關74被接通時的彎曲狀態。在該狀態下，僅對第1彎曲部16A進行彎曲驅動。在圖15㈧中，前端部15的前端部方向例如為右方向。彎曲控制部5的CPU 5a經過圖15⑶所示的中途階段而成為圖15(C)所示的彎曲狀態，結束該第2變形例的動作。根據本變形例，能夠在維持前端部15的前端部方向的狀態下變更彎曲部16A、16B的彎曲狀態。(第4實施方式)接著，說明本發明的第4實施方式。圖16示出本實施方式的彎曲控制裝置40D的結構。該彎曲控制裝置40D在圖13的結構中還具有調整部75，該調整部75調整(設定) 同時對第1彎曲部16A和第2彎曲部16B進行彎曲驅動時的驅動比率。另外，調整部75由 CPU 5a的處理功能實現。並且，能夠通過開關75a的選擇操作來選擇驅動比率。在本實施方式中，在彎曲起動開關74斷開的情況下，進行與第3實施方式相同的動作。另一方面，在彎曲起動開關74接通的情況下，由CPU 5a實現的調整部75按照由開關75a選擇的驅動比率同時對第1彎曲部16A和第2彎曲部16B進行彎曲驅動。
另外，基於開關75a的驅動比率被設定為默認值為1的驅動比率。手術操作者能夠通過調整部75調整對第1彎曲部16A和第2彎曲部16B進行彎曲驅動時的驅動比率的指示值。圖17示出本實施方式的彎曲控制部5的CPU 5a的控制內容的說明圖。圖17示出針對第1彎曲部16A和第2彎曲部16B的當前的第1彎曲位置Wl和當前的第2彎曲位置W2。在該狀態下，當彎曲起動開關74被接通時，CPU 5a將連接當前的第 1彎曲位置Wl和當前的第2彎曲位置W2的線上的例如中央位置，決定為作為目標彎曲位置的目標第1彎曲位置Wtl和目標第2彎曲位置Wt2。另外，這裡說明將驅動比率設為1的情況。然後，CPU 5a進行分別在目標第1彎曲位置Wtl和目標第2彎曲位置Wt2對第1 彎曲部16A和第2彎曲部16B進行彎曲驅動的控制。另外，當通過開關75a變更驅動比率時，能夠變更目標第1彎曲位置Wtl和目標第2彎曲位置Wt2。對第1彎曲部16A和第2彎曲部16B的彎曲形狀進行說明時，如圖18㈧和圖 18(B)所示。例如如圖18(A)所示，在僅對第1彎曲部16A進行彎曲驅動的情況下，有時過度地對第1彎曲部16A進行彎曲驅動。在該狀態下，難以插入S狀結腸67的深部側。在這種情況下，通過接通彎曲起動開關74，如成為作為相同目標彎曲位置的彎曲半徑(屈曲半徑)的圖18⑶所示，能夠對第1彎曲部16A和第2彎曲部16B進行彎曲驅動。當設定為圖18⑶所示的狀態時，成為容易插入S狀結腸67的深部側的狀態。這樣，根據本實施方式，能夠同時對第1彎曲部16A和第2彎曲部16B進行彎曲驅動，能夠可變地設定此時的驅動比率，所以與日本特開2006-116289號公報中僅對第1彎曲部16A進行彎曲驅動的情況相比，能夠進行適於插入部位的彎曲驅動。並且，對上述實施方式進行部分組合等而構成的實施方式等也屬於本發明。本申請以2009年9月30日在日本申請的日本特願2009-228025號為優先權主張的基礎進行申請，上述公開內容被引用到本申請說明書、權利要求書、附圖中。
權利要求
1.一種內窺鏡裝置，其特徵在於，該內窺鏡裝置具有插入部，其在前端側設有彎曲自如的彎曲部；彎曲驅動部，其以電氣方式對所述彎曲部進行彎曲驅動；插入形狀檢測部，其檢測所述插入部的前端側的插入形狀；以及彎曲控制部，其根據所述插入形狀檢測部所檢測的所述插入部的前端側的屈曲信息， 估計包含被插入到屈曲的管狀體腔內的狀態下的所述插入部的前端側在內的屈曲的屈曲平面，利用估計出的屈曲平面的信息，進行對所述彎曲部進行彎曲驅動的控制。
2.根據權利要求1所述的內窺鏡裝置，其特徵在於，所述彎曲控制部利用所述屈曲平面的信息，進行以與所述屈曲平面平行的方式對所述彎曲部進行彎曲驅動的控制。
3.根據權利要求2所述的內窺鏡裝置，其特徵在於，該內窺鏡裝置還具有方位檢測部，該方位檢測部檢測所述彎曲部的規定彎曲方向作為基準方位，所述彎曲控制部根據估計出的所述屈曲平面的信息和所述基準方位的信息，進行以與所述屈曲平面平行的方式對所述彎曲部進行彎曲驅動的控制。
4.根據權利要求3所述的內窺鏡裝置，其特徵在於，所述彎曲控制部還在所述插入部的前端附近設定以所述插入部的軸方向作為法線方向的假想平面，計算該假想平面與所述屈曲平面的交叉點，並且計算該交叉線與所述基準方位所成的角度。
5.根據權利要求4所述的內窺鏡裝置，其特徵在於，所述彎曲控制部將從所述彎曲部的當前的彎曲位置起的所述角度的方向決定為對所述彎曲部進行彎曲驅動的彎曲驅動方向，進行在所述角度的方向上對所述彎曲部進行彎曲驅動的控制。
6.根據權利要求5所述的內窺鏡裝置，其特徵在於，所述彎曲控制部在所述屈曲平面中的所述插入部的前端側屈曲的屈曲方向的相反方向上，對所述彎曲部進行彎曲驅動。
7.根據權利要求1所述的內窺鏡裝置，其特徵在於，所述彎曲控制部對包含所述屈曲平面的所述插入部的前端側中沿著該插入部的長度方向取得的多個坐標實施主成分分析，估計所述屈曲平面。
8.根據權利要求2所述的內窺鏡裝置，其特徵在於，所述彎曲控制部對包含所述屈曲平面的所述插入部的前端側中沿著該插入部的長度方向取得的多個坐標實施主成分分析，估計所述屈曲平面。
9.根據權利要求3所述的內窺鏡裝置，其特徵在於，所述彎曲控制部對包含所述屈曲平面的所述插入部的前端側中沿著該插入部的長度方向取得的多個坐標實施主成分分析，估計所述屈曲平面。
10.根據權利要求9所述的內窺鏡裝置，其特徵在於，所述彎曲控制部在所述屈曲平面中的所述插入部的前端側屈曲的屈曲方向的相反方向上，對所述彎曲部進行彎曲驅動。
11.根據權利要求7所述的內窺鏡裝置，其特徵在於，在所述插入部的前端側，在所述彎曲部的基端設有第2彎曲部。
12.根據權利要求11所述的內窺鏡裝置，其特徵在於，所述彎曲控制部進行如下控制以追隨所述彎曲部的彎曲驅動的控制狀態的方式對所述第2彎曲部進行彎曲驅動。
13.一種彎曲驅動控制方法，其特徵在於，該彎曲驅動控制方法具有以下步驟屈曲平面估計步驟，估計屈曲平面，該屈曲平面包含在設有彎曲自如的彎曲部的插入部的前端側沿著管狀體腔內屈曲的屈曲形狀插入時的所述插入部的前端側；假想平面設定步驟，在所述插入部的前端附近設定以所述插入部的前端側的軸方向作為法線方向的假想平面；以及彎曲驅動方向決定步驟，根據所述屈曲平面與所述假想平面的交叉線，決定對所述彎曲部進行彎曲驅動的彎曲驅動方向。
14.根據權利要求13所述的彎曲驅動控制方法，其特徵在於，在所述屈曲平面估計步驟中，使用針對沿著所述屈曲形狀插入的所述插入部的前端側中的多個坐標位置的主成分分析，估計相互正交的3個主成分方向，根據估計結果估計所述屈曲平面。
全文摘要
內窺鏡裝置具有插入部，其在前端側設有彎曲部；彎曲驅動部，其以電氣方式對彎曲部進行彎曲驅動；插入形狀檢測部，其檢測插入部的前端側的插入形狀；以及彎曲控制部，其根據插入部的前端側的屈曲信息，估計包含被插入到屈曲的管狀體腔內的狀態下的插入部的前端側在內的屈曲的屈曲平面，利用估計出的屈曲平面的信息，進行對彎曲部進行彎曲驅動的控制。
文檔編號A61B1/00GK102469914SQ201080032708
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月8日 優先權日2009年9月30日
發明者田中秀樹 申請人:奧林巴斯醫療株式會社