JP2011030735A - 内視鏡形状検出装置及び内視鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】内視鏡挿入部に挿通された光ファイバに生じる歪を、分光器による分光分析を行うことなく安価でしかも小型化に適した構成で確実に検出し、内視鏡挿入部の形状を簡単な手順で正確に検出する。
【解決手段】複数のＦＢＧ１，・・・を形成した光ファイバ４１Ａ，・・・と、光ファイバに入射光を導入する光源部４９と、入射光がＦＢＧ１で回折して戻り来る反射回折光を取り出す光路分離部５５と、取り出された反射回折光を検出する光検出部５９と、光路分離部５５と光検出部５９との間に配置された光シャッタ５７と、回折反射光が光検出部５９に到達するタイミングに同期して光シャッタ５７を開き、特定のＦＢＧからの回折反射光を選択的に検出し、該検出された反射回折光の入射光に対する波長遷移量に基づいてＦＢＧ１の歪量を求めて、この歪量に基づいて内視鏡挿入部の形状を検出する制御部５１を備えた。
【選択図】図７

Description

本発明は、内視鏡挿入部の形状を検出する内視鏡形状検出装置及びこれを備えた内視鏡システムに関する。

一般的に、内視鏡は、例えば体腔内の管腔に長尺状の内視鏡挿入部を外部から挿入して被観察部位を観察したり、必要に応じて処置が行なえるようになっている。ところが、体腔内の管腔の形状は大腸や小腸等のように複雑に曲がりくねっており、挿入した内視鏡挿入部がどのような形状になってどの位置まで挿入されたかを、術者は容易に把握することができない。そこで、内視鏡挿入部の体腔内に挿入された状態における形状を把握できるようにする装置が種々提案されている。

例えば特許文献１には、歪センサであるファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Greating:ＦＢＧ)を有する光ファイバを内視鏡挿入部に埋め込み、この光ファイバの一端側から光を入射して、ＦＢＧから生じる反射回折光の波長遷移量から歪を検出し、この歪によって内視鏡挿入部の形状を求める装置が記載されている。また、特許文献２には、同様にＦＢＧを有する光ファイバを内視鏡挿入部に埋め込み、この光ファイバの一端側から光を入射して、ＦＢＧを通過した透過光に対する特定波長成分の欠落部の波長遷移量から歪を検出し、内視鏡挿入部の形状を求める装置が記載されている。

図１６に特許文献１の測定光学系を示した。上側が無歪状態における光ファイバ１の測定光学系、下側が歪が生じた状態における光ファイバ１の測定光学系を表している。各測定光学系では、光源からの白色入射光Ｌ₀がカプラを介して光ファイバ１に導入され、光ファイバ１の光導入側から距離ｄ_１のＦＢＧ１で波長λ₁の反射回折光が光ファイバ１の光入射側に戻される。次の距離ｄ₂のＦＢＧ２には、波長λ₁成分の欠落した透過光Ｌ₁が入射され、波長λ₂の反射回折光が光ファイバ１の光入射側に戻される。さらに次の距離ｄ₃のＦＧＢ３には、波長λ₁，λ₂成分の欠落した透過光Ｌ₂が入射され、波長λ₃の反射回折光が光ファイバ１の光入射側に戻される。そして、ＦＢＧ３の下流側には波長λ₁，λ₂，λ₃成分の欠落した透過光Ｌ₃が導光される。

一方、各反射回折光は、光ファイバ１からカプラを介して分光検出器に導光され、分光検出器により波長毎に切り出される。そして、歪の生じていたＦＢＧ２からの反射回折光は、無歪状態における波長λ₂から微少量Δだけ波長遷移しており、この波長遷移量を測定することで光ファイバ１の歪量を検出している。

また、特許文献２の測定光学系は、図１６の測定光学系における透過光を測定して、特定波長成分の欠落した部分の波長遷移量から光ファイバ１の歪量を検出している。

このように、いずれの装置においても、ファイバに生じる歪に応じてＦＢＧによる反射光の波長が遷移する特性を利用しており、この波長遷移を検出するためには複雑な光学系を有する高価な分光器が必要となる。また、分光器による分光分析を行うため、歪量を得るための手順が複雑になり、装置が大型化することも避けられない。また、反射回折光や透過光の波長成分によりＦＢＧの位置を間接的に識別する構成であるため、検出されたデータが確かに測定対象となるＦＢＧによるデータであるかどうかの検証ができない。

特開２００４−２５１７７９号公報 特開２００８−１７３３９５号公報

本発明は、内視鏡挿入部に挿通された光ファイバに生じる歪を、分光器による分光分析を行うことなく安価でしかも小型化に適した構成で検出して、各光ファイバのファイバブラッググレーティングの配置位置における歪量を確実に求め、内視鏡挿入部の形状を簡単な手順で正確に検出できる内視鏡形状検出装置及び内視鏡システムを提供することを目的とする。

本発明は、下記構成からなる。
（１） 互いに回折格子周期の異なる複数のファイバブラッググレーティングを形成した光ファイバと、
前記光ファイバの一端側から、前記ファイバブラッググレーティングそれぞれの回折格子周期に対応した波長の入射光を導入する光源部と、
前記光ファイバに導入した入射光が前記ファイバブラッググレーティングで回折して戻り来る反射回折光を前記入射光の光路から取り出す光路分離部と、
前記光路分離部から取り出された前記反射回折光を検出する光検出部と、
前記光路分離部と前記光検出部との間の光路途中に配置された光シャッタと、
前記回折反射光が前記光検出部に到達するタイミングに同期して前記光シャッタを開閉駆動し、特定の前記ファイバブラッググレーティングからの回折反射光を前記光検出部により選択的に検出させ、該検出された反射回折光の前記入射光に対する波長遷移量に基づいて前記ファイバブラッググレーティングの歪量を求める制御部と、
を備え、
前記光ファイバが、被検体内に挿入され可撓性を有する内視鏡挿入部に少なくとも一対挿通され、前記制御部が前記検出された歪量に基づいて前記内視鏡挿入部の形状を検出する内視鏡形状検出装置。

（２） 内視鏡挿入部の先端側に設けた撮像手段から被検体の撮像画像情報を取得する内視鏡システムであって、
前記内視鏡形状検出装置と、
前記内視鏡挿入部の形状の検出情報及び前記撮像画像情報を表示する表示部と、
を備えた内視鏡システム。

本発明の内視鏡形状検出装置及び内視鏡システムは、光ファイバに生じる歪を、分光器による分光分析を行うことなく安価でしかも小型化に適した構成で検出でき、更に、光ファイバの各ファイバブラッググレーティングの配置位置における歪量がそれぞれ検出されるので、内視鏡挿入部の形状を簡単な手順で正確に検出できる。

本発明の実施形態を説明するための図で、内視鏡形状検出装置を含む内視鏡システムの全体構成図である。 内視鏡挿入部の先端部付近の概略図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 光ファイバに形成されたファイバブラッググレーティングの模式的な構成説明図である。 ファイバブラッググレーティングに生じる歪と反射回折光を示す説明図である。 波長に対する反射回折光の強度の関係を示すグラフである。 形状検出部と光ファイバによる測定光学系を示すブロック構成図である。 光シャッタの構成図である。 光源部から出射されるパルス光の分光強度を示すグラフである。 制御部による制御タイムチャート図である。 対向配置された一対の光ファイバの歪分布と内視鏡挿入部の変形状態を示す説明図である。 内視鏡挿入部の湾曲状態の一例を示す説明図である。 形状検出部の他の構成例を示すブロック構成図である。 内視鏡挿入部の鉗子孔に挿通される処置具を示す斜視図である。 図１４のＢ−Ｂ断面図である。 従来のファイバブラッググレーティングによる歪の検出原理を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態を説明するための図で、内視鏡形状検出装置を含む内視鏡システム１００の全体構成図である。
内視鏡システム１００は、内視鏡１１と、この内視鏡１１に接続される制御装置１３とを備え、制御装置１３にはモニタ等の表示部１５や、図示しない入力手段としてのキーボード等が接続されている。この制御装置１３は、内視鏡１１に照明光を供給する光源部と、内視鏡１１からの撮像信号に各種画像処理を施して映像信号に変換するプロセッサ部を有し、更に、詳細を後述する形状検出部１０を内蔵している。

内視鏡１１は、本体操作部１７と、本体操作部１７に連設され体腔内に挿入される内視鏡挿入部１９とを備える。本体操作部１７には、各種管路と信号ケーブルが内包されたユニバーサルコード２１が接続され、このユニバーサルコード２１の先端には制御装置１３に着脱自在に連結されるコネクタ２３が取り付けられている。コネクタ２３は、複合タイプのコネクタとし、制御装置１３の光源部及びプロセッサ部にそれぞれ個別のコネクタで接続する構成としてもよい。

制御装置１３の光源部からの出射光は、コネクタ２３とユニバーサルコード２１を通じて内視鏡１１に供給され、内視鏡挿入部１９の先端に設けられた照明光学系に照明光として伝送される。

また、内視鏡挿入部１９の先端に設けられた撮像光学系は、照明光学系で照明された観察部位を撮像する撮像素子を有し、撮像素子から得られる観察像の撮像信号を制御装置１３に出力する。そして、制御装置１３のプロセッサ部は、入力された撮像信号を画像処理した画像情報を表示部１５に表示する。これらの一連の処理は、制御装置１３に接続されたキーボード等から指示が入力可能になっている。撮像光学系の撮像素子としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが用いられる。

また、内視鏡１１の本体操作部１７には、送気・送水ボタン、吸引ボタン、シャッターボタン、機能切替ボタン等の各種ボタン２５が並設されるとともに、内視鏡の先端側を湾曲操作させる一対のアングルノブ２７が設けてある。

内視鏡挿入部１９は、本体操作部１７側から順に軟性部３１、湾曲部３３、先端部（内視鏡先端部）３５で構成される。軟性部３１は可撓性を有して湾曲部３３の基端側に連設され、湾曲部３３は、本体操作部１７のアングルノブ２７を回動操作することで内視鏡挿入部１９内に挿設されたワイヤ（図視略）が牽引されて湾曲動作するようになっている。これにより、内視鏡先端部３５を所望の方向に向けることができる。

本体操作部１７と内視鏡挿入部１９との間の連設部３７には、鉗子等の処置具が挿入される鉗子挿入部３９が設けられ、鉗子挿入部３９から挿入された処置具は、内視鏡先端部３５の不図示の鉗子口から導出される。

本内視鏡システム１００においては、上記の内視鏡の基本構成に加えて、内視鏡先端部３５から内視鏡挿入部１９、本体操作部１７、ユニバーサルコード２１を通じたコネクタ２３までの間に、内視鏡挿入部１９の区間における歪を検出する光ファイバ４１が挿通されている。この光ファイバ４１は以下に示す構成となっている。

図２に内視鏡挿入部１９の先端部３５付近の概略図、図３に図２のＡ−Ａ断面図を示した。内視鏡挿入部１９の内部には、互いに回折格子周期の異なる複数のファイバブラッググレーティングＦＢＧ１，ＦＢＧ２，・・・が形成された光ファイバ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄが挿通されている。ファイバブラッググレーティングＦＢＧ１，ＦＢＧ２，・・・は、内視鏡挿入部１９の区間内で、各光ファイバ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄの長手方向に対してそれぞれ同じ位置に配置され、各配置位置における歪検出を行う歪センサとして機能する。

これらの光ファイバ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄは、内視鏡挿入部１９の外周側で直径方向に少なくとも一対、図示例では互いに直交する２つの直径方向の合計４箇所に配置され、検出される歪量の情報に基づいて、内視鏡挿入部１９の上下方向及び左右方向に変位した形状を検出可能にしている。

まず、ファイバブラッググレーティングを有する光ファイバの構成及び歪の測定原理について説明する。
図４は光ファイバに形成されたファイバブラッググレーティングの模式的な構成説明図である。光ファイバ４１は、クラッド４３、コア４５、及び図示しない外皮により形成され、内視鏡挿入部１９の区間内においては、周期的な屈折率構造のブラッグ回折格子からなるファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧと略記する）がコア４５内に形成されている。

ＦＢＧは、例えば特開２０００−２５８１９０号公報にその製法が示されるように、光ファイバ４１のコア４５内に、屈折率が特定の周期δで変化した屈折率変調構造を有する。この特定の周期δとコア４５の平均屈折率ｎとによって規定されるブラッグ波長（λ＝２ｎδ）の光がＦＢＧによって選択的に反射されることになる。また、ＦＢＧは、直径０．１ｍｍ程度のクラッド４３に対して、コア４５の軸方向に５〜２０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍ程度の大きさに形成され、コア４５の軸方向に所定の一定間隔で配置されている。

図５に示すように、上記構成の光ファイバ４１の一端側から光を導入すると、ＦＢＧの回折格子周期に対応した波長の入射光成分がある場合に、その入射光成分が回折して反射回折光（波長λ_ｒ0）となり、光ファイバ４１の光導入側に戻される。そして、光ファイバ４１内のＦＢＧに歪が生じると、ＦＢＧの回折格子周期δ_ｐが変化して、これにより反射回折光の波長がシフトする。具体的には、反射回折光の波長λ_ｒ1は、λ_ｒ1＝λ_ｒ0＋２ｎ（δ_ｐ−δ）で表される波長に遷移する。

つまり、図６に波長に対する反射回折光の強度の関係を示すように、反射回折光のピーク波長はＦＢＧに生じた歪に応じて遷移し、無歪状態下の基準回折格子周期に対応する反射回折光のピーク波長λ_ｒ0から増減する。このときのピーク波長λ_ｒ0からの波長遷移量を求めることで、このＦＢＧの配置位置における光ファイバ４１に発生した歪が検出される。また、光ファイバ４１には反射回折光のピーク波長が異なる複数のＦＢＧが配置されるが、各ＦＢＧからの反射回折光は、光ファイバ４１内の光導入側からの光路長が異なるため、光検出部（詳細は後述）に到達するまでの時間差に応じて選択的に取り出すことで、各ＦＢＧに生じた歪を個別に検出できる。

このように、光ファイバ４１の各ＦＢＧからの反射回折光をそれぞれ個別に検出し、各反射回折光の波長遷移量を求めることで、光ファイバ４１上の各ＦＢＧの配置位置における歪がそれぞれ検出される。更に、内視鏡挿入部１９の直径方向に並設された光ファイバ対同士で、内視鏡挿入部１９の同じ軸方向位置における歪を比較することで、この直径方向のＦＢＧの配置位置における内視鏡挿入部１９の形状、即ち、湾曲状態を検出できる。

なお、光源部４９からの出射光の波長は４００ｎｍ〜２２００ｎｍが好適に使用できる。

次に、内視鏡挿入部１９の形状を検出するための具体的な測定光学系の構成例及び作用を説明する。
図７は形状検出部と光ファイバによる測定光学系を示すブロック構成図である。内視鏡挿入部１９（図１参照）に挿通される光ファイバ４１Ａは、制御装置１３（図１参照）内の形状検出部１０の光学ユニット４７Ａに接続される。光学ユニット４７Ａは、光源部４９からの出射光を光ファイバ４１Ａに導入し、各ＦＢＧ１，ＦＢＧ２，・・・からの反射回折光を検出して、反射回折光の検出信号ＯＵＴを制御部５１に出力する。また、光ファイバ４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄについても同様に、形状検出部１０の光学ユニット４７Ｂ，４７Ｃ，４７Ｄにそれぞれ接続され、反射回折光の検出信号ＯＵＴがそれぞれ制御部５１に入力される。

光ファイバ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄと、光学ユニット４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃ，４７Ｄはそれぞれ同一の構成であり、ここでは説明を簡略化するため、光ファイバ４１Ａ、光学ユニット４７Ａを例に説明する。光ファイバ４１Ａには、光ファイバ４１Ａの光導入端５３から距離Ｄ₁／２、距離Ｄ₂／２、距離Ｄ₃／２の位置にＦＢＧ１，ＦＢＧ２，ＦＢＧ３，・・・がそれぞれ配置されている。各ＦＢＧ１，ＦＢＧ２，ＦＢＧ３，・・・は、それぞれ互いに異なる回折格子周期を有し、発生する反射回折光の波長はそれぞれ異なる波長λ₁，λ₂，λ₃，・・・とされている。

一方、光ファイバ４１Ａが接続される形状検出部１０の光学ユニット４７Ａは、光源部４９と光ファイバ４１Ａを結ぶ光路途中に光路分離部として機能するビームスプリッタ５５が配設され、ビームスプリッタ５５により分離された光路途中には光シャッタ５７が配置され、光シャッタ５７の光路前方に光検出部５９が配置されている。

また、光源部４９は、制御部５１からの制御信号ＲＯを受けて、光学ユニット４７Ａを介して光ファイバ４１ＡにＦＢＧ１，ＦＢＧ２，ＦＢＧ３，・・・の回折格子周期に対応する異なる波長のパルス光を時系列的に出射する。光源部４９としては、例えば波長スイープが可能なレーザ光源、白色光源にバンドパスフィルタ等の光学フィルタを接続して特定波長成分のみ選択的に出射させる光源等、公知の光源が使用できる。

光学ユニット４７Ａの光シャッタ５７は、高速な光変調が可能な電気光学効果を有する光学機能材料で形成された電気光学シャッタであり、光学機能材料として、例えば、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）や非線形光学結晶であるＫＤＰ(２水素リン酸カリウム)結晶等が利用可能である。図８に光シャッタ５７の構成例を示した。電気光学効果を有する光学機能材料６１は、駆動回路６３からの駆動電圧により結晶の配向方向が変化することを利用して、クロスニコル配置された偏光板６５，６７と組み合わせることで、透過／遮光をｎｓｅｃオーダで高速に制御できる。

この光シャッタ５７を透過した光は、フォトダイオードやフォトトランジスタ、或いは光電管等の光電効果を利用した図７に示す光検出部５９により、制御部５１の制御信号を受けたタイミングで検出される。

つまり、ＦＢＧ１，ＦＢＧ２，ＦＢＧ３，・・・から戻り来る反射回折光は、光学ユニット４７Ａのビームスプリッタ５５により、光源部４９からの入射光路から取り出され、光シャッタ５７を通じて光検出部５９で検出されるようになっている。

次に、光ファイバ４１Ａと形状検出部１０による光ファイバの歪検出手順について説明する。なお、ここでは、光ファイバ４１Ａの光入射端から、光源部４９、ビームスプリッタ５５、光シャッタ５７、光検出部５９までの各光路長については省略して説明する。

まず、制御部５１は、光源制御信号ＲＯを光源部４９に出力して光源部４９から複数の狭帯域波長のパルス光を順次出射させる。パルス光は、図９に一例を示すように、特定のＦＢＧの無歪状態における回折格子周期に対応した波長（中心狭帯域波長）λ_ｉを中心に、その波長の前後に、所定の変化分Δを異ならせた波長（近接狭帯域波長）λ_ｉ−２Δ、λ_ｉ−Δ、λ_ｉ＋Δ、λ_ｉ＋２Δの合計５種類のパルス光であり、これらが１つのＦＢＧに対応して光源部４９から順次出射される。これら複数のパルス光は、前述の図６に示すＦＢＧの歪状態に応じた波長遷移量を検出するためのパルス光であり、ＦＢＧが反射回折光を発生するいずれかのパルス光の波長から、ＦＢＧの歪状態を検出する。

ＦＢＧ１に対しては、中心狭帯域波長をλ_１とし、その波長の前後に波長λ_１−２Δ、λ_１−Δ、λ_１＋Δ、λ_１＋２Δのパルス光を光源部４９から順次出射する。出射された各パルス光は、光学ユニット４７Ａのビームスプリッタ５５を通過して光ファイバ４１Ａの光入射端に照射され、光ファイバ４１Ａ内に入射光として順次導入される。

ここで、図１０に制御部による制御タイムチャートを示した。まず、制御部５１からの光源制御信号ＲＯをトリガとして光源部４９は波長λ_１−２Δのパルス光を光ファイバ４１Ａに導入する。すると、光ファイバ４１Ａ内では、波長λ_１−２Δのパルス光が、入射端から距離Ｄ₁／２の位置のＦＢＧ１にｔa（ｔa＝Ｄ₁／（２Ｃ））の時間で到達し（ただし、Ｃは光速）、ここで発生した反射回折光Ｐ１が、同じ時間ｔaで光ファイバ４１Ａの入射端に戻る。戻された反射回折光Ｐ２は、図７に示すビームスプリッタ５５により光シャッタ５７に導かれる。

そして、制御部５１は、光源制御信号ＲＯを出力してＲＯがアクティブ状態になってから、光ファイバ４１Ａのパルス光導入側からＦＢＧ１までの、パルス光片道通過時間ｔaの２倍の往復通過時間に相当する遅延時間後に、光シャッタ５７を開状態にするシャッタ制御信号ＯＣを光シャッタ５７に出力する。これにより、光シャッタ５７は、反射回折光Ｐ２が戻り来たときに、そのタイミングでは光シャッタ５７が遮光状態から透光状態になっており、光検出部５９に反射回折光Ｐ２が照射される。

そして、光検出部５９は、制御部５１から出力されるリセット制御信号ＲＳのＬｏ期間で信号電荷を蓄積し、Ｈｉ期間で電荷リセットする制御を行い、リセット制御信号ＲＳのＬｏ期間に照射された反射光回折光Ｐ２の信号電荷を選択的に検出する。

上記の波長λ_１−２Δのパルス光に対する検出を終了すると、続いて、波長λ_１−Δのパルス光に対する検出を行う。波長λ_１−Δのパルス光は制御部５１からの光源制御信号ＲＯに同期して光源部４９から出射され、シャッタ制御信号ＯＣに同期して光検出部５９により検出される。このように各パルス光は、周期ｔpの間隔で順次光ファイバ４１Ａに導入されて、光検出部５９による反射回折光の検出が繰り返し行われる。

図１０に示す例では、波長λ_１−２Δ、λ_１−Δ、λ_１、λ_１＋Δ、λ_１＋２Δの各パルス光を光ファイバ４１Ａに周期ｔpで順次導入して、各周期ｔp毎に光検出部５９で検出する際、２回目の波長λ_１−Δのパルス光のみＦＢＧ１から反射回折光Ｐ３が発生した様子を示している。光ファイバ４１Ａ内のＦＢＧ１の位置は変化しないため、それぞれのパルス光に対する反射回折光が光シャッタ５７、光検出部５９に到達する時間は同一となる。図示例では、パルス光の波長がλ_１−Δ以外では、パルス光がＦＢＧ１で回折することなくＦＢＧ１を通過するため、反射回折光がビームスプリッタ５５に戻ることはない。パルス光の波長がλ_１−Δの場合のみ、出射から２ｔa（Ｄ₁／ｃ）の時間後に反射回折光の信号電荷が検出される。上記の場合では、ＦＢＧ１の回折格子周期は１／λ_１−Δであり、基準回折格子周期１／λ_１から周期１／（−δ）だけずれる歪が生じていたことがわかる。

次に、上記のＦＢＧ１の歪状態の検出と同様に、光入射端からＤ₂／２の位置にあるＦＢＧ２、Ｄ₃／２の位置にあるＦＢＧ３、・・・に対してもそれぞれ異なる波長のパルス光を光ファイバ４１Ａに順次導入し、反射回折光をそれぞれ検出する。この手順により、光ファイバ４１ＡのＦＢＧ１，ＦＢＧ２，ＦＢＧ３，・・・からそれぞれの歪状態が検出でき、光ファイバ４１の長手方向に対する歪分布が求められる。なお、上記例では一つのＦＢＧに対して５種類の波長のパルス光を用いているが、更に多種の波長のパルス光を用いることで、歪測定レンジの拡大や検出精度の向上が図れる。

また、同様にして光ファイバ４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄに対しても、光学ユニット４７Ｂ，４７Ｃ，４７Ｄにより反射回折光を検出することで、各光ファイバ４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄの歪分布を求めることができる。

いま、対向配置された一対の光ファイバ４１Ａ，４１Ｂの歪分布が図１１に示す状態であったとすると、それぞれの歪分布から内視鏡挿入部１９の変形状態（内視鏡挿入部の中立線６９）が推測できる。例えば、ＦＢＧ２の配置位置において、光ファイバ４１Ａの歪ε₂が＋δ（伸張）、光ファイバ４１Ｂの歪ε₂が−δ（圧縮）であると、ＦＢＧ２の配置位置では、図１１において上側に凸となる湾曲状態であることがわかり、歪値が大きい程、湾曲の曲率が大きくなる。なお、内視鏡挿入部１９の直径方向外周側に光ファイバ４１Ａ，４１Ｂをそれぞれ配置することで、内視鏡挿入部１９の変形による歪みが大きくなり、歪の検出精度を向上できる。

本構成例では、内視鏡挿入部１９の互いに直交する２つの直径方向の外周側で合計４箇所に配置されており、従って、図１２に内視鏡挿入部の湾曲状態の一例を示すように、例えば光ファイバ４１Ａ，４１Ｂの対によりＯーＸ平面上の内視鏡挿入部１９の形状がトレースでき、光ファイバ４１Ｃ，４１Ｄの対によりＯ−Ｙ平面上の内視鏡挿入部１９の変形形状がトレースできる。

得られた内視鏡挿入部１９の形状は、図１に示す表示部１５等に出力され、内視鏡１１の術者に内視鏡挿入部１９の形状が通知される。これにより、内視鏡１１の術者は、体腔内に挿入された操作中の内視鏡挿入部１９の３次元的な形状を把握でき、検査対象部位の特定や、内視鏡挿入部１９の進退操作を円滑に行うことができる。

なお、形状検出部１０の光学系は上記例に限らず、適宜変更が可能である。例えば図１３に示すように、４本の光ファイバ４１Ａ、４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄからの反射回折光をビームスプリッタ５５でそれぞれ取り出した後、ハーフミラー７５により光路を合流させて光シャッタ５７に投入する構成としてもよい。この場合には、光シャッタ５７と光検出部５９が１系統のみ配置するだけで済み、構成を簡略化できる上、制御も簡単に行える。

次に、内視鏡形状検出装置の他の構成例を説明する。
上記の内視鏡システム１００においては、形状検出部１０と接続される光ファイバ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄを内視鏡挿入部１９内に設けていたが、ここでは、図１４に示すように、内視鏡挿入部１９の長手方向に沿って連通する鉗子孔７７に挿入される処置具７９に設けている。

内視鏡挿入部１９には、鉗子孔７７が図１に示す鉗子挿入部３９から内視鏡先端部３５まで形成されており、長尺状の処置具７９が鉗子孔７７に抜き差し自在に挿通される。そして、処置具７９のＢ−Ｂ断面を図１５に示すように、前述と同様の光ファイバ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄが、処置具７９の外周側で互いに直交する直径方向に２対配置されている。

各光ファイバ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄは、前述の図７、図１３に示すように、それぞれ形状検出部１０，１０Ａに接続されて各ＦＢＧの歪が検出されるようになっている。この構成によれば、内視鏡挿入部１９を設計変更することなく、単純に処置具７９を挿入するだけで内視鏡挿入部１９の変形を検出することができる。

以上説明した内視鏡形状検出装置によれば、簡単な光学系により内視鏡挿入部の歪が検出でき、低コストでしかも高精度な形状検出が可能となる。例えば、光ファイバ内のＦＢＧから戻り来た反射回折光を検出する際に、ＦＧＢからの反射回折光と参照反射面からの反射光との干渉による光強度変換からＦＢＧの位置を特定するＯＦＤＲ(Optical Frequency Domain Reflectometry)方式も使用できるが、この方式では高価な光スペクトルアナライザが必要となってしまい、また装置を煩雑化させることになる。一方、本構成の内視鏡形状検出装置によれば、高速駆動可能な光シャッタにより各ＦＢＧからの反射回折光を選択的に取り出す構成であるため、分光特性計測を行うことなく、安価でしかも小型化に適した構成で光ファイバに生じる歪を検出できる。さらに、光ファイバ内の各ＦＢＧの配置位置における歪量がそれぞれ確実に検出されるので、内視鏡挿入部１９の形状を簡単な手順で正確に検出できる。

また、内視鏡挿入部１９に挿通する光ファイバは、断面上で互いに直交する直径方向に配置された４本（二対）の構成に限らず、更に多数対の光ファイバを配置してもよく、その場合には内視鏡挿入部１９の形状検出精度を一層向上できる。

また、光ファイバ内のＦＢＧの配置位置は、内視鏡挿入部１９の領域において均等な間隔で配置する以外にも、内視鏡先端部ほど密に配置してもよい。内視鏡先端部のＦＢＧの配置間隔が狭くなることで、変形の検出精度が高くなり、特に形状検出に重要となる内視鏡先端部の状態を正確に把握することができる。

なお、ＦＢＧからの反射回折光により歪を検出する際は、内視鏡挿入部１９が体腔内に挿入されて体腔内の粘膜を介して体温付近の温度に保たれ、環境温度の変化の影響を受けにくくなり、歪検出値の温度誤差を小さく抑えられる。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 互いに回折格子周期の異なる複数のファイバブラッググレーティングを形成した光ファイバと、
前記光ファイバの一端側から、前記ファイバブラッググレーティングそれぞれの回折格子周期に対応した波長の入射光を導入する光源部と、
前記光ファイバに導入した入射光が前記ファイバブラッググレーティングで回折して戻り来る反射回折光を前記入射光の光路から取り出す光路分離部と、
前記光路分離部から取り出された前記反射回折光を検出する光検出部と、
前記光路分離部と前記光検出部との間の光路途中に配置された光シャッタと、
前記回折反射光が前記光検出部に到達するタイミングに同期して前記光シャッタを開閉駆動し、特定の前記ファイバブラッググレーティングからの回折反射光を前記光検出部により選択的に検出させ、該検出された反射回折光の前記入射光に対する波長遷移量に基づいて前記ファイバブラッググレーティングの歪量を求める制御部と、
を備え、
前記光ファイバが、被検体内に挿入され可撓性を有する内視鏡挿入部に少なくとも一対挿通され、前記制御部が前記検出された歪量に基づいて前記内視鏡挿入部の形状を検出する内視鏡形状検出装置。
この内視鏡形状検出装置によれば、複数種の波長の入射光を光ファイバに順次導入して、ファイバブラッググレーティングから戻り来る反射回折光を光シャッタを介して所定のタイミングで検出することで、検出タイミングの違いから、複数のファイバブラッググレーティングそれぞれを識別しつつ、個別に歪量を検出できる。つまり、光ファイバに生じる歪を、分光器による分光分析を行うことなく安価でしかも小型化に適した構成で検出して、各光ファイバのファイバブラッググレーティングの配置位置における歪量を確実に求め、内視鏡挿入部の形状を簡単な手順で正確に検出できる。

（２） （１）の内視鏡形状検出装置であって、
前記制御部が、前記ファイバブラッググレーティングの無歪状態における基準回折格子周期に対応した回折光を発生する中心狭帯域波長と、該中心狭帯域波長の前後の他の近接狭帯域波長との複数種の狭帯域波長のパルス光を、前記光源部から異なるタイミングで前記光ファイバに順次導入させ、
前記光ファイバへの前記パルス光の導入タイミングに応じたタイミングで前記光シャッタを開閉駆動することにより、前記反射回折光を前記光検出部により選択的に検出し、
該検出された反射回折光に対応するパルス光の狭帯域波長と、前記中心狭帯域波長との差分を前記波長遷移量として求める内視鏡形状検出装置。
この内視鏡形状検出装置によれば、中心狭帯域波長と他の近接狭帯域波長との複数種のパルス光を光ファイバに順次導入して、それぞれ戻り来る反射回折光に同期して光シャッタを開き反射回折光を検出するので、複数回の検出のうちいずれかの回で反射回折光が検出でき、その回に相当する狭帯域波長の中心狭帯域波長との差分を求めることで、反射回折光の入射光に対する波長遷移量を求めることができる。

（３） （１）又は（２）の内視鏡形状検出装置であって、
前記制御部が、前記光源部から光出射させる光源制御信号を出力した後の、歪量の被検出対象となる前記ファイバブラッググレーティングの前記光ファイバ内の配置位置に応じた遅延時間後に、前記光シャッタを開状態にするシャッタ制御信号を出力する内視鏡形状検出装置。
この内視鏡形状検出装置によれば、制御部が光源制御信号出力後の所定の遅延時間後にシャッタ制御信号を出力することで、それぞれ異なる位置に配置されたファイバブラッググレーティングからの反射回折光を選択的に取り出すことができる。

（４） （１）〜（３）のいずれかの内視鏡形状検出装置であって、
前記光シャッタが、電気光学効果を有する光学機能材料を含んで構成された電気光学シャッタである内視鏡形状検出装置。
この内視鏡形状検出装置によれば、ｎｓｅｃオーダの高速駆動可能な電気光学シャッタを用いることで、光ファイバ内の各ファイバブラッググレーティングを高い分解能で検出でき、歪分布の検出精度を向上できる。

（５） （１）〜（４）のいずれかの内視鏡形状検出装置であって、
複数の前記光ファイバが、それぞれ同一構成の光ファイバである内視鏡形状検出装置。
この内視鏡形状検出装置によれば、歪検出のための光学系を同じ仕様にでき、装置の簡略化が図れる。また、同じ位置に同じ回折格子周期のファイバブラッググレーティングが設けられるので、内視鏡挿入部の軸方向同一位置における歪を検出でき、一対の光ファイバからの内視鏡挿入部の形状検出を正確に行える。

（６） （１）〜（５）のいずれかの内視鏡形状検出装置であって、
前記光路分岐部、前記光シャッタ、及び前記光検出部が、複数の前記光ファイバに対してそれぞれ個別に設けられた内視鏡形状検出装置。
この内視鏡形状検出装置によれば、各光ファイバにそれぞれ測定光学系が設けられることで、各光ファイバの歪検出をそれぞれ同時に行うことができ、形状検出のための測定時間を短縮できる。

（７） （１）〜（６）のいずれかの内視鏡形状検出装置であって、
前記光ファイバが、前記内視鏡挿入部の直径方向外周側にそれぞれ配置された内視鏡形状検出装置。
この内視鏡形状検出装置によれば、内視鏡挿入部の変形による歪が大きく発生する外周位置で検出するため、高精度で形状の検出が行える。

（８） （１）〜（６）のいずれかの内視鏡形状検出装置であって、
前記内視鏡挿入部が、該内視鏡挿入部の長手方向に沿って連通する鉗子孔が内設されるとともに、前記鉗子孔に挿通された長尺状の処置具を備え、
前記光ファイバが、前記処置具の直径方向外周側にそれぞれ配置された内視鏡形状検出装置。
この内視鏡形状検出装置によれば、処置具に光ファイバを設けることで、内視鏡の構成を変更することなく内視鏡挿入部の形状を検出できる。

（９） 内視鏡挿入部の先端側に設けた撮像手段から被検体の撮像画像情報を取得する内視鏡システムであって、
（１）〜（８）のいずれかの内視鏡形状検出装置と、
前記内視鏡挿入部の形状の検出情報及び前記撮像画像情報を表示する表示部と、
を備えた内視鏡システム。
この内視鏡システムによれば、内視鏡挿入部の形状を検出した結果と、被検体の撮像画像とを表示部に表示することで、体腔内に挿入された操作中の内視鏡挿入部の形状を把握でき、検査対象部位の特定や、内視鏡挿入部の進退操作を円滑に行うことができる。

１０，１０Ａ 形状検出部
１１ 内視鏡
１３ 制御装置
１９ 内視鏡挿入部
３１ 軟性部
３３ 湾曲部
３５ 内視鏡先端部
３９ 鉗子挿入部
４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ 光ファイバ
４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃ，４７Ｄ 光学ユニット
４９ 光源部
５１ 制御部
５３ 光導入端
５５ ビームスプリッタ（光路分離部）
５７ 光シャッタ
５９ 光検出部
６１ 光学機能材料
６３ 駆動回路
６５，６７ 偏光板
７５ ハーフミラー
７７ 鉗子孔
７９ 処置具
ＦＢＧ ファイバブラッググレーティング
１００ 内視鏡システム

Claims (9)

1. 互いに回折格子周期の異なる複数のファイバブラッググレーティングを形成した光ファイバと、
   前記光ファイバの一端側から、前記ファイバブラッググレーティングそれぞれの回折格子周期に対応した波長の入射光を導入する光源部と、
   前記光ファイバに導入した入射光が前記ファイバブラッググレーティングで回折して戻り来る反射回折光を前記入射光の光路から取り出す光路分離部と、
   前記光路分離部から取り出された前記反射回折光を検出する光検出部と、
   前記光路分離部と前記光検出部との間の光路途中に配置された光シャッタと、
   前記回折反射光が前記光検出部に到達するタイミングに同期して前記光シャッタを開閉駆動し、特定の前記ファイバブラッググレーティングからの回折反射光を前記光検出部により選択的に検出させ、該検出された反射回折光の前記入射光に対する波長遷移量に基づいて前記ファイバブラッググレーティングの歪量を求める制御部と、
   を備え、
   前記光ファイバが、被検体内に挿入され可撓性を有する内視鏡挿入部に少なくとも一対挿通され、前記制御部が前記検出された歪量に基づいて前記内視鏡挿入部の形状を検出する内視鏡形状検出装置。
2. 請求項１記載の内視鏡形状検出装置であって、
   前記制御部が、前記ファイバブラッググレーティングの無歪状態における基準回折格子周期に対応した回折光を発生する中心狭帯域波長と、該中心狭帯域波長の前後の他の近接狭帯域波長との複数種の狭帯域波長のパルス光を、前記光源部から異なるタイミングで前記光ファイバに順次導入させ、
   前記光ファイバへの前記パルス光の導入タイミングに応じたタイミングで前記光シャッタを開閉駆動することにより、前記反射回折光を前記光検出部により選択的に検出し、
   該検出された反射回折光に対応する前記パルス光の狭帯域波長と、前記中心狭帯域波長との差分を前記波長遷移量として求める内視鏡形状検出装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の内視鏡形状検出装置であって、
   前記制御部が、前記光源部から光出射させる光源制御信号を出力した後の、歪量の被検出対象となる前記ファイバブラッググレーティングの前記光ファイバ内の配置位置に応じた遅延時間後に、前記光シャッタを開状態にするシャッタ制御信号を出力する内視鏡形状検出装置。
4. 請求項1〜請求項３のいずれか１項記載の内視鏡形状検出装置であって、
   前記光シャッタが、電気光学効果を有する光学機能材料を含んで構成された電気光学シャッタである内視鏡形状検出装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の内視鏡形状検出装置であって、
   複数の前記光ファイバが、それぞれ同一構成の光ファイバである内視鏡形状検出装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の内視鏡形状検出装置であって、
   前記光路分岐部、前記光シャッタ、及び前記光検出部が、複数の前記光ファイバに対してそれぞれ個別に設けられた内視鏡形状検出装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の内視鏡形状検出装置であって、
   前記光ファイバが、前記内視鏡挿入部の直径方向外周側にそれぞれ配置された内視鏡形状検出装置。
8. 請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の内視鏡形状検出装置であって、
   前記内視鏡挿入部が、該内視鏡挿入部の長手方向に沿って連通する鉗子孔が内設されるとともに、前記鉗子孔に挿通された長尺状の処置具を備え、
   前記光ファイバが、前記処置具の直径方向外周側にそれぞれ配置された内視鏡形状検出装置。
9. 内視鏡挿入部の先端側に設けた撮像手段から被検体の撮像画像情報を取得する内視鏡システムであって、
   請求項１〜請求項８のいずれか１項記載の内視鏡形状検出装置と、
   前記内視鏡挿入部の形状の検出情報及び前記撮像画像情報を表示する表示部と、
   を備えた内視鏡システム。

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