JP3943353B2 - Flexible ultrasound endoscope device - Google Patents
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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 an
左にねじったときの比例定数を bn
上に曲げたときの比例定数を cn
下に曲げたときの比例定数を dn
センサ対の出力電圧を V1n ,V2n
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】
(an or bn )×T+(cn or dn )×B=V1n --(1)
(an or bn )×T+(cn or dn )×B=V2n --(2)
式(1)(2)においてan とbn 、cn とdn のどちらの値を使うかは電圧V1n ,V2n 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Sn とSn+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 en
X方向に曲げたときのYセンサ比例定数を fn
Y方向に曲げたときのXセンサ比例定数を gn
Y方向に曲げたときのYセンサ比例定数を hn
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 Vxn
Yセンサの電圧変化を Vyn
とすると、以下の式が成り立つ。
【0056】
θx =en ×Vxn + fn ×Vyn --(5)
θy =gn ×Vxn + hn ×Vyn --(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Sn 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、Sn の位置座標(xn ,yn ,zn )は
xn =L sinθx --(7)
yn =L sinθy --(8)
zn =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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flexible ultrasonic endoscope apparatus that can be inserted into a body to obtain an ultrasonic tomographic image and an optical observation image.
[0002]
[Prior art]
In an ultrasonic endoscope using a so-called convex type ultrasonic probe, an ultrasonic signal transmitted and received from the ultrasonic probe is scanned on a plane including the axis of the distal end of the insertion portion.
[0003]
Therefore, it is easy to project a treatment instrument such as a puncture needle protruding from the distal end portion of the insertion portion along the scanning surface of the ultrasonic signal, and the protruding state of the puncture needle can be detected in real time using an ultrasonic tomographic image. Since the puncture procedure can be performed while confirming with the above, safety is high.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the blood vessel in the vicinity where the puncture needle is passed does not necessarily travel on the ultrasonic scanning surface, and the blood vessel is displayed only in a small granularity on the ultrasonic tomographic screen. It is not possible to confirm the running state of the car.
[0005]
Therefore, for example, as in the invention described in JP-A-6-261900, if a three-dimensional ultrasonic tomographic image is constructed, the running state of the blood vessel can be confirmed three-dimensionally.
[0006]
However, since the ultrasonic endoscope of the invention described in Japanese Patent Laid-Open No. 6-261900 performs so-called radial scanning that emits and receives ultrasonic waves in the direction around the axis of the distal end of the insertion portion, While it is relatively easy to construct an acoustic tomographic image, it is extremely difficult to project the treatment tool from the distal end of the insertion portion onto the ultrasonic scanning surface. For this reason, the protruding state of the treatment tool cannot be confirmed in real time, and there is a risk that a blood vessel may be accidentally pierced to cause a bleeding accident.
[0007]
In addition, the ultrasonic endoscope according to the invention described in Japanese Patent Laid-Open No. 6-261900 detects the position and posture of an ultrasonic probe with a magnetic sensor arranged in the vicinity of the ultrasonic probe, so that posture detection accuracy is high. Low, there is a large error in the directionality of the constructed three-dimensional ultrasonic tomogram.
[0008]
Therefore, the present invention can construct a three-dimensional ultrasonic tomographic image with high accuracy using an ultrasonic probe of a convex type or the like, and puncture while confirming the running state of the blood vessel and the protruding state of the puncture needle in real time. It is an object of the present invention to provide a flexible ultrasonic endoscope apparatus that can safely perform treatment and the like.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the flexible ultrasonic endoscope apparatus of the present invention includes an ultrasonic probe that transmits and receives an ultrasonic signal for obtaining an ultrasonic tomographic image, and an observation for obtaining an optical observation image. In a flexible ultrasonic endoscope apparatus in which a window is provided at the distal end portion of a flexible insertion portion, a bending detection portion in which the amount of transmitted light changes in accordance with the angle of the bent angle is formed. Probe position / posture detection that detects the position and posture of an ultrasonic probe based on detection values obtained from a plurality of bend detection units, with each bend detection unit of a plurality of flexible bend detection optical fibers being dispersedly arranged in the insertion unit And the two-dimensional ultrasonic tomographic image data obtained from the ultrasonic probe is combined with the ultrasonic probe position and posture data obtained from the probe position / posture detection means to obtain a three-dimensional data. It is provided with a three-dimensional image constructing means for constructing a three-dimensional image of tomographic images.
[0010]
It is preferable that the ultrasonic probe emits and receives an ultrasonic signal on a plane including the axis of the distal end of the insertion portion, and the treatment instrument protrudes from the distal end of the insertion portion on the scanning surface.
[0011]
Also provided are a two-dimensional tomographic image display means for displaying a two-dimensional ultrasonic tomographic image obtained by the ultrasonic probe and a three-dimensional tomographic image display means for displaying a three-dimensional image obtained by the three-dimensional image construction means. It is good to have.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an overall configuration of a flexible ultrasonic endoscope apparatus, in which a proximal end of an insertion portion
[0013]
The
[0014]
FIG. 2 shows the distal end portion
[0015]
The ultrasonic probe 6 is a convex type that emits and receives an ultrasonic signal sideways so as to scan in a fan shape on a plane including the axis 4x of the
[0016]
Then, the position and orientation of the treatment instrument protrusion 4a are set so that the
[0017]
By such an ultrasonic probe 6, a two-dimensional ultrasonic tomographic image U2 of a portion located in the ultrasonic scanning range U of the target organ is obtained, and the
[0018]
The flexible ultrasonic endoscope apparatus of this embodiment is configured so that such a three-dimensional image U3 of the ultrasonic tomographic image can be observed simultaneously with the two-dimensional ultrasonic tomographic image U2 and the optical observation image. There will be described in detail below the configuration and the like.
[0019]
Returning to FIG. 1, an imaging signal of an observation image projected on the imaging surface of the solid-state imaging device by an objective optical system (not shown) arranged in the
[0020]
An input / output signal to / from the ultrasonic probe 6 is input / output to / from an ultrasonic signal input /
[0021]
A flexible synthetic
[0022]
As shown in FIG. 4, the plurality of bending detection
[0023]
For example, about 5 to 30
[0024]
The bending
[0025]
The principle is as described in US Pat. No. 5,633,494, but will be briefly described below.
In FIG. 5,
[0026]
Then, as shown in FIG. 6, when the bending detection
[0027]
On the contrary, as shown in FIG. 7, when the bending detection
[0028]
Since the bending amount of the bending detection
[0029]
Therefore, when a plurality of bending
[0030]
Then, as schematically shown in FIG. 8A, the flexible belt-
[0031]
As a result, by measuring the light transmission amount of each bending
[0032]
Accordingly, the three-dimensional bending state of the entire belt-shaped member 20 (that is, the bending state of the insertion portion flexible tube 1) can be detected by detecting and comparing the light transmission amount in each of the bending
[0033]
Further, as shown in FIG. 8B, even if two belt-
[0034]
In the first embodiment of the present invention, a belt-
[0035]
FIG. 9 shows a state in which the bending detection
[0036]
Further, by arranging at least one simple reference
[0037]
FIG. 10 shows an optical signal input /
[0038]
A
[0039]
Returning to FIG. 1, an insertion amount / rotation angle detection unit 40 is attached to a so-called mouthpiece or the like at an entrance portion (for example, mouth or anus) in a patient's body where the insertion portion
[0040]
The insertion amount / rotation angle detection unit 40 is formed from a reflection mark formed on the surface of the insertion portion
[0041]
Then, the detection signal of the three-dimensional bending state of the insertion portion
[0042]
Such calculation of the position and orientation of the ultrasonic probe 6 is performed as follows, for example.
The positions of the bending
[0043]
The relationship between the bending angle, the twisting angle, and the output voltage of the n-th sensor pair (that is, the bending
The proportionality constant when twisted to the right a n
The proportionality constant when twisted to the left is b n
The constant of proportionality when bent upward c n
The proportional constant when bent down is dn
The output voltage of the sensor pair is V1 n , V2 n
The twist angle defined in FIG.
The bending angle defined in FIG.
Then, the following equation holds.
[0044]
(A n or b n ) × T + (c n or d n ) × B =
(A n or b n ) × T + (c n or d n ) × B =
A n and b n in formula (1) (2), whether to use the value of c n and d n is the voltage V1 n, uniquely determined by the change in the sign and voltage value V2 n.
[0045]
In FIG. 11, (X 0 , Y 0 , Z 0 ) is the original coordinate system, and (X 1 , Y 1 , Z 1 ) is the rotational coordinate system after T rotation. Further, (X 2 , Y 2 , Z 2 ) in FIG. 12 is a rotation coordinate system after B rotation.
[0046]
11 and 12, the (X 0 , Y 0 , Z 0 ) coordinates are rotated about the Y axis by T and then rotated about the X axis by B (X 2 , Y 2 , Z 2 ) can be expressed by the following relational expression.
[0047]
[Expression 1]
[0048]
In FIG. 13, the sensor distance between two points can be calculated using the angle B. Since the belt-
[0049]
The spatial linear distance D between the two points is D = 360 × L × sin (B / 2) / (π × B) — (4)
Therefore, the torsional and bending values in each sensor pair are integrated from the endoscope insertion portion reference position to the distal end portion, the sensor interval is calculated using Equation (4), and the coordinate transformation of Equation (3) is continuously performed. By doing so, it is possible to calculate the position coordinates of the tip (that is, the ultrasonic probe 6) with respect to the reference coordinate system.
[0050]
FIG. 14 is a two-dimensional ultrasonic tomographic image obtained by the ultrasonic probe 6. P1 and P2 correspond to the start point and end point position of scanning by the ultrasonic probe 6, and P3 and P4 correspond to the depth. When the screen magnification is set, the distance is uniquely determined. That is, the positional relationship between the graphic memory address for displaying the two-dimensional ultrasonic tomogram and the subject is determined with correlation.
[0051]
The coordinate position of the distal end from the insertion amount / rotation angle detection unit 40, which is the insertion reference position of the endoscope, can be known from the detection value from the bending
[0052]
In order to make it a three-dimensional image, the insertion amount / rotation angle detection unit 40 detects the rotation angle R of the insertion portion
[0053]
Even if the component rotated at hand is not correctly transmitted to the tip, the bending detection
[0054]
As shown in FIG. 8B, the pair of bending
[0055]
In this case, the relationship between each bending angle of the nth sensor pair and the output voltage is
The X sensor proportionality constant when bent in the X direction e n
Y sensor proportional constant when bent in the X direction is f n
X sensor proportional constant when bent in the Y direction g n
Y sensor proportional constant when bent in the Y direction h n
The bending angle element in the X direction is θx
The bending angle element in the Y direction is θy
X sensor voltage change Vx n
The voltage change of the Y sensor Vy n
Then, the following equation holds.
[0056]
θx = e n × Vx n + f n × Vy n - (5)
θy = g n × Vx n + h n × Vy n - (6)
It is.
[0057]
In an ideal state in which X and Y are completely orthogonal, the voltage change component of the Y sensor should be negligible when bent in the X direction, but it is assumed that variations will occur in the actual sensor built-in state. It is thought that the influence which an ingredient has on both cannot be ignored. Each proportionality constant is a unique value for each endoscope and is acquired in advance by calibration.
[0058]
16, when taking the insertion direction of the endoscope on the z-axis, the angle of the vector of the sensor S n makes with the y-z plane is [theta] x, since the angle between the x-z plane is [theta] y, S n position coordinates (x n, y n, z n) is 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)
Therefore, the position coordinates of the ultrasonic probe 6 can be specified.
[0059]
In this manner, the observation
[0060]
Therefore, it is possible to confirm the puncture state of the
[0061]
【The invention's effect】
According to the present invention, the two-dimensional tomographic image data obtained from the ultrasonic probe is three-dimensionalized by combining the ultrasonic probe position and posture data obtained from the probe position / orientation detecting means, and the ultrasonic tomographic image is obtained. By providing 3D image construction means for constructing 3D images, it is possible to construct 3D ultrasound tomograms with high accuracy using a convex type ultrasonic probe, etc. A puncture treatment or the like can be performed safely while confirming in real time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a flexible ultrasonic endoscope apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a distal end portion of an insertion portion of the flexible ultrasonic endoscope apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view of a display screen simultaneously obtained by the flexible ultrasonic endoscope apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a partial perspective view of an insertion portion flexible tube of the flexible ultrasonic endoscope apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a bending detection unit of a bending detection optical fiber used in an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a bent state of a bending detection portion of a bending detection optical fiber used in the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a state in which a bend detection portion of a bend detection optical fiber used in an embodiment of the present invention is bent in a reverse direction.
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the principle of three-dimensional bending state detection by a bending detection optical fiber used in an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a plan view of a belt-like member to which a bending detection optical fiber according to an embodiment of the present invention is attached.
FIG. 10 is a circuit diagram of an optical signal input / output device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a coordinate diagram for explaining the contents of calculation performed in the computer according to the embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a coordinate diagram for explaining the contents of calculation performed in the computer according to the embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a coordinate diagram for explaining the contents of calculation performed in the computer according to the embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic view illustrating a two-dimensional ultrasonic tomographic image of an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a partial cross-sectional view of an insertion portion flexible tube according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a coordinate diagram for explaining the contents of calculation performed in the computer according to the second embodiment of the present invention;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
20 Band-shaped
Claims (3)
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。A flexible ultrasonic endoscope in which an ultrasonic probe for transmitting and receiving an ultrasonic signal for obtaining an ultrasonic tomographic image and an observation window for obtaining an optical observation image are provided at the distal end portion of the flexible insertion portion. In the mirror device,
A plurality of flexible bending detection optical fibers are arranged in a distributed manner. A light source that is embedded in the outer shell of the insertion portion flexible tube that forms the insertion portion, and that detects the intensity of the emitted light for each of the optical fibers, and a single light source for allowing light to enter all the optical fibers. A probe position / posture detection unit that is disposed outside the insertion portion flexible tube and detects the position and posture of the ultrasonic probe based on a detection value obtained by the light intensity detection unit;
The two-dimensional ultrasonic tomographic image data obtained from the ultrasonic probe is combined with the ultrasonic probe position and posture data obtained from the probe position / posture detection means to form a three-dimensional image to obtain the ultrasonic tomographic image. A flexible ultrasonic endoscope apparatus comprising a three-dimensional image construction means for constructing a three-dimensional image.
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