JP2015181643A - 湾曲形状推定システム、管状挿入システム、及び、湾曲部材の湾曲形状推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内視鏡挿入部等の湾曲部材の所定の範囲における湾曲形状の推定を簡便に行えるようにすること。【解決手段】湾曲部材である挿入部２６の所定の範囲が、長手方向に順に隣接してなり、湾曲部材の湾曲形状を推定するための、長さ、曲率、形状、向きの情報を少なくとも有する推定単位である、複数のセグメントに分けられているときに、形状推定部２４が、各セグメントについての、１つ以上の曲率情報からなるセグメント情報を用いて各セグメントの形状を推定し、隣接する２つのセグメントの形状同士を、互いの端部の接線方向が一致し、かつ、接線方向回りの向きが合致するように、隣接する２つのセグメントの端部同士をつなぎ合わせて、湾曲部材の所定の範囲における湾曲形状を推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、湾曲部材の所定の範囲における湾曲形状を推定する湾曲形状推定システム及び湾曲部材の湾曲形状推定方法に関する。

さらに、本発明は、上記湾曲形状推定システムを適用した、軟性鏡、カテーテルに代表される、管空内に挿入して観察や、修理、治療、採取等の処置を行うための管状挿入システムに関する。具体的には、医療内視鏡（上部消化管内視鏡、大腸内視鏡、超音波内視鏡など）、工業用内視鏡、一部湾曲機構を有する硬性鏡、マニピュレータ（ロボットアーム）、カテーテルなどの長手方向の少なくとも一部の形状が変化し得る管状挿入システムに関するものである。

内視鏡のような体腔内に挿入する機器は、挿入部先端が体内に入ってしまうと、直接目で機器の状態を確認することができない。そのため、内視鏡で見ている観察箇所や画像の上下左右と臓器等の配置の関係が不確かとなり、挿入方向や湾曲方向を誤ることがある。また、狙いと違った操作をすることで、さらには、知らぬうちに臓器に負荷を掛けたりする恐れもある。

こうした問題に対して、内視鏡の挿入部に湾曲量センサを組み込んで、内視鏡の挿入部の曲率、または、湾曲量を挿入部の複数の点で検出し、挿入部の形状検出を行い、挿入、操作の改善を図る試みがなされている。

例えば、特許文献１には、内視鏡の挿入部の複数の検出点での湾曲状態を検出し、それら検出した湾曲状態の情報から挿入部の湾曲形状を再現する内視鏡挿入形状検出プローブが開示されている。すなわち、この特許文献１では、各検出点で検出した検出角度を利用して、各検出点間の距離に基づいて各検出点を角度を付けた折れ線で結ぶことで、挿入部の湾曲形状を示すようにしている。

医師らオペレータは、こうした内視鏡挿入部の形状状態などの様々な情報を基に、安全、かつ、容易な挿入操作を行なう。

特開２００７−０４４４１２号公報

しかしながら、挿入部の各検出点における部分的な曲率あるいは湾曲角や湾曲方向が求められても、挿入部の実際の湾曲形状を所望の分解能、精度で求められないと十分な効果を得られない可能性がある。上記特許文献１に開示された例では、内視鏡形状を折れ線の組合せで推定するといったように、実際の形状の推定については詳細に記載されていない。折れ線の組合せでは、曲がり形状を粗略に表現した結果、実際の挿入部の形状からずれが生じたり、先端位置がずれたりする問題が生じる。

一方で、内視鏡挿入部の形状は、診察、治療などの処置においてリアルタイムに必要となる場合が多い。そのため、簡便な算出ルールに基づく湾曲形状の推定が必要となる。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、内視鏡挿入部等の湾曲部材の所定の範囲における湾曲形状の推定を簡便に行うことができる湾曲形状推定システム及び湾曲部材の湾曲形状推定方法と、こうした湾曲形状推定システムを有する管状挿入システムを提供することを目的とする。

本発明の湾曲形状推定システムの一態様は、
湾曲部材の所定の範囲が、長手方向に順に隣接してなり、前記湾曲部材の湾曲形状を推定するための、長さ、曲率、形状、向きの情報を少なくとも有する推定単位である、複数のセグメントに分けられているときに、
各セグメントについての、１つ以上の曲率情報からなるセグメント情報を用いて各セグメントの形状を推定し、
隣接する２つのセグメントの形状同士を、互いの端部の接線方向が一致し、かつ、前記接線方向回りの向きが合致するように、前記隣接する２つのセグメントの端部同士をつなぎ合わせて、前記湾曲部材の前記所定の範囲における湾曲形状を推定する形状推定部、
を有することを特徴とする。

また、本発明の管状挿入システムの一態様は、
被検体の管空内に挿入して所定の作業を行う、可撓性を有する挿入部と、
前記挿入部を前記湾曲部材とし、前記挿入部の湾曲形状を推定するための本発明の一態様の湾曲形状推定システムと、
各セグメントの前記セグメント情報を得るための１つ以上の被検出部を各セグメントに有するセンサと、
を有することを特徴とする。

また、本発明の湾曲部材の湾曲形状推定方法の一態様は、
湾曲部材の可撓性を有する所定の範囲を、長手方向に順に隣接してなる複数のセグメントに分けて、各セグメントについての、１つ以上の曲率情報からなるセグメント情報を用いて各セグメントの形状を推定し、推定された各セグメント形状を基に前記湾曲部材の形状を推定する、湾曲形状推定システムにおいて、
前記湾曲部材の前記所定の範囲を、前記湾曲部材の長手方向に沿って配置された複数の被検出部がそれぞれ１つ以上入るように長手方向に順に隣接してなる複数のセグメントに分ける、セグメント分けステップと、
各セグメントの配置及び長さを含む、前記曲率情報以外の形状推定に必要な情報であるセグメント分け情報を入手するセグメント分け情報入手ステップと、
前記複数の被検出部で検出した前記曲率情報からなるセグメント情報を入手するセグメント情報入手ステップと、
前記セグメント分け情報及び前記セグメント情報に基づいて、各セグメントの曲率、湾曲量、湾曲方向、湾曲形状の少なくとも１つを含むセグメント形状を推定する、セグメント形状推定ステップと、
セグメント形状が推定された隣接するセグメントを接続し、前記湾曲部材の前記所定の範囲の全体形状を推定する、湾曲部材形状推定ステップと、
形状推定を続けるか確認し、継続する場合には前記セグメント情報入手ステップ、前記セグメント形状推定ステップ及び前記湾曲部材形状推定ステップを繰り返し、終了する場合には、繰り返しから抜けて終了する、形状推定終了の判断ステップと、
からなることを特徴とする。

本発明によれば、内視鏡挿入部等の湾曲部材の所定の範囲における湾曲形状の推定を簡便に行うことができる湾曲形状推定システム及び湾曲部材の湾曲形状推定方法と、こうした湾曲形状推定システムを有する管状挿入システムを提供することができる。

図１（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る管状挿入システムとしての内視鏡システムの構成を示す図であり、図１（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る湾曲形状推定システムのブロック構成図である。 図２は、ファイバセンサを用いた場合のセンサの構成を示す図である。 図３は、ファイバセンサの検出原理を説明するための図である。 図４は、方向検出ための被検出部配置を示す図であって、特に、図４（Ａ）は、２つの被検出部を光ファイバの同一ヶ所に配置した場合、図４（Ｂ）は、２つの被検出部をわずかに離して光ファイバに配置した場合、をそれぞれ示している。 図５は、方向検出の算出方法を説明するための図であって、特に、図５（Ａ）は、座標系を説明するための図であり、図５（Ｂ）は、湾曲量及び湾曲方向の検出の例を示す図である。 図６は、湾曲と検出形状の具体例を示す図である。 図７は、セグメント分けを説明するための図であって、特に、図７（Ａ）は、分ける前を示す図であり、図（Ｂ）は、セグメント分け結果を示す図である。 図８は、セグメント湾曲形状の接続例を示す図である。 図９は、セグメント境界を２つの被検出部の中点とした場合のセグメント分けを示す図である。 図１０（Ａ）は、セグメント境界を湾曲特性の変化点とした場合のセグメント分けを示す図であり、図１０（Ｂ）は、セグメント境界付近の拡大図である。 図１１は、セグメント境界を剛体との接続部とした場合のセグメント分けを示す図である。 図１２は、セグメント境界を曲げ量で決定する場合のセグメント分けを示す図である。 図１３は、使用上の最小Ｒの比または使用上の最小Ｒ順でセグメント境界を決定する場合のセグメント分けを説明するための表を示す図である。 図１４は、曲げ剛性ＥＩの比または曲げ剛性ＥＩの順でセグメント境界を決定する場合のセグメント分けを説明するための表を示す図である。 図１５は、被検出部が複数組含むようにセグメント分けした場合のセグメント分けを説明するための図である。 図１６は、湾曲形状推定方法を説明するためのフローチャートを示す図である。

以下、本発明を実施するための一実施形態を、図面を参照して説明する。

なお、以下の説明は、医療用内視鏡を例にとるが、挿入部を操作して挿入及び処置を行う挿入システムであれば、汎用的に適用できる。例えば、医療用内視鏡（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、気管支鏡、等）以外にも、カテーテル、さらには、マニピュレータや工業用内視鏡などにも適用できる。

図１（Ａ）に示すように、本発明の一実施形態に係る管状挿入システムとしての内視鏡システム１０は、観察対象物を撮像する内視鏡１２と、撮像結果を画像処理する画像処理装置（ビデオプロセッサ）１４と、画像処理装置１４と接続し、撮像され、画像処理された観察画像を表示する表示部（モニタ）１６と、を有している。

また内視鏡システム１０は、内視鏡１２に向けて照明光を出射する光源装置１８と、照明光とは異なる、後述する形状センサの検出用の光を出射し、この光を検出する光出射検出装置２０と、内視鏡システム１０を制御する制御装置２２と、光出射検出装置２０での検出結果に基づいて、後述する形状センサが取り付けられた湾曲部材の所定の範囲における湾曲形状を推定する形状推定部２４と、を有している。

ここで、この観察対象物とは、被検体（例えば体腔（管腔））内における患部や病変部等である。

内視鏡１２には、湾曲部材である細長い挿入部２６と、該挿入部２６の基端部と連結した操作部２８と、が配設される。内視鏡１２は、管状の挿入部２６を体腔内に挿入する管状挿入装置である。

挿入部２６は、挿入部２６の先端部側から基端部側に向かって、先端硬質部３０と、湾曲する湾曲部３２と、可撓管部３４と、を有している。ここで、先端硬質部３０の基端部は、湾曲部３２の先端部と連結し、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２６の先端部及び内視鏡１２の先端部であり、硬い部材となっている。

湾曲部３２は、操作部２８に設けられた湾曲操作部３６の内視鏡１２オペレータ（医師らの作業者）による操作に応じて、所望の方向に湾曲する。オペレータは、この湾曲操作部３６を操作することで、湾曲部３２を湾曲させ、先端硬質部３０の位置と向きを変え、観察対象物を観察視野内に捉えて、光源装置１８からの照明光を観察対象物に照明させる。湾曲部３２は、図示しない節輪が挿入部２６の長手軸方向に沿って連結され、構成される。

可撓管部３４は、所望な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２８の後述する本体部３８から延出されている管状部材である。

操作部２８は、可撓管部３４が延出している本体部３８と、該本体部３８の基端部と連結し、内視鏡１２を操作するオペレータによって把持される把持部４０と、該把持部４０と接続しているユニバーサルコード４２と、を有している。

把持部４０には、図１（Ａ）に示すように、湾曲部３２を湾曲するために、図示しない操作ワイヤを操作する湾曲操作部３６が配設されている。湾曲操作部３６は、湾曲部３２を左右に湾曲操作させる左右湾曲操作ノブ３６ＬＲと、湾曲部３２を上下に湾曲操作させる上下湾曲操作ノブ３６ＵＤと、湾曲した湾曲部３２の位置を固定する固定ノブ３６ｃと、を有している。

左右湾曲操作ノブ３６ＬＲには、左右湾曲操作ノブ３６ＬＲによって駆動する図示しない左右方向の湾曲操作駆動部が接続している。また、上下湾曲操作ノブ３６ＵＤには、上下湾曲操作ノブ３６ＵＤによって駆動する図示しない上下方向の湾曲操作駆動部が接続している。上下方向の湾曲操作駆動部と左右方向の湾曲操作駆動部とは、例えば把持部４０内に配設されている。

左右方向の湾曲操作駆動部は、操作部２８と可撓管部３４と湾曲部３２とを挿通する図示しない左右方向操作ワイヤと接続しており、この左右方向操作ワイヤは、湾曲部３２の先端部と接続している。

また、上下方向の湾曲操作駆動部は、操作部２８と可撓管部３４と湾曲部３２とを挿通する図示しない上下方向操作ワイヤと接続している。上下方向操作ワイヤは、左右方向操作ワイヤとは別体であり、互いに独立な動きが可能である。上下方向操作ワイヤは、湾曲部３２の先端部と接続している。

左右湾曲操作ノブ３６ＬＲは、左右方向の湾曲操作駆動部と左右方向操作ワイヤとを介して湾曲部３２を左右方向に湾曲する。また、上下湾曲操作ノブ３６ＵＤは、上下方向の湾曲操作駆動部と上下方向操作ワイヤとを介して湾曲部３２を上下方向に湾曲する。

このような湾曲操作部３６（左右湾曲操作ノブ３６ＬＲと上下湾曲操作ノブ３６ＵＤ）と、左右方向の湾曲操作駆動部と、左右方向操作ワイヤと、上下方向の湾曲操作駆動部と、上下方向操作ワイヤとは、湾曲部３２を湾曲するために、湾曲部３２を操作する湾曲操作機構である。

また、内視鏡システム１０は、湾曲部３２を含む挿入部２６の所定の範囲内の複数の部分での湾曲状態（湾曲量）を検出する形状センサを有している。

ここで、形状センサのタイプは問わないが、光ファイバを用いて特定箇所の曲率から曲げを検出する曲げセンサであるファイバセンサが好適である。その理由としては、（１）細径で内視鏡に組み込み易い、（２）他の構成要素の影響や電磁的な影響を受け難い、ということが挙げられる。形状センサとしては、ファイバセンサ以外にも、歪みセンサを複数組合せる構成等でもよい。

なお、特定箇所の曲率が求まり、その周囲が同じ曲率とみなすことができれば、即ち、曲率が一定であれば、その特定箇所を含むある範囲の湾曲量を求めることができる。また、湾曲量は、この特定箇所を含むある範囲の平均的な曲率ということもできる。そのため、曲率と湾曲量は、厳密には異なるものであるが、形状センサの検出値に限っては、実質的に等価とみなすことができる。以下、形状センサ検出される曲率または湾曲量を曲率情報と称する。

ファイバセンサは、図２に示すように、光出射検出装置２０と、光ファイバ４４と、被検出部４６と、反射部４８と、を含む。

光出射検出装置２０は、光源２０Ａと、投光レンズ２０Ｂと、アイソレータ２０Ｃと、反射ミラー２０Ｄと、集光レンズ２０Ｅと、集光レンズ２０Ｆと、湾曲量検出部２０Ｇと、を含む。

光源２０Ａは、例えばＬＥＤ等であり、光を出射する。光源２０Ａから出射される光の光路上には、投光レンズ２０Ｂと、アイソレータ２０Ｃと、反射ミラー２０Ｄと、集光レンズ２０Ｅと、が配置されている。反射ミラー２０Ｄの反射光路上には、集光レンズ２０Ｆと、湾曲量検出部２０Ｇと、が配置されている。

投光レンズ２０Ｂは、光源２０Ａから出射された光を投光する。

アイソレータ２０Ｃは、一方向からの光を透過し、他方向からの光を遮光する。アイソレータ２０Ｃは、光源２０Ａから出射された光を透過し、逆方向からの光を遮光する。これにより、アイソレータ２０Ｃを透過した光は、集光レンズ２０Ｅによって集光されて光ファイバ４４に入射する。

集光レンズ２０Ｅは、光源２０Ａと光ファイバ４４との間に配設されている。集光レンズ２０Ｅは、光源２０Ａから出射された光を光ファイバ４４に入射させるように、当該光を光ファイバ４４に集光する。

集光レンズ２０Ｆは、反射部４８で反射して光ファイバ４４を戻り、集光レンズ２０Ｅを通り、反射ミラー２０Ｄにより反射した光を湾曲量検出部２０Ｇに集光する。

反射部４８は、光ファイバ４４の先端に設けられた先端硬質部３０に配置され、光ファイバ４４から出射した光を反射し、光ファイバ４４に再入射させる。

反射ミラー２０Ｄは、一方向からの光を透過し、他方向からの光を反射する。すなわち、反射ミラー２０Ｄは、光源２０Ａから出射され、投光レンズ２０Ｂ、アイソレータ２０Ｃを通った光を集光レンズ２０Ｅ側に透過し、かつ、光ファイバ４４から出射され、集光レンズ２０Ｅを通った戻り光を反射する。

湾曲量検出部２０Ｇは、例えば受光素子等の受光部を含む。湾曲量検出部２０Ｇは、入射した光を受光し、受光した光量等に応じた受光信号を出力する。湾曲量検出部２０Ｇは、受光信号に基づいて湾曲部３２の湾曲の大きさ（湾曲量）に応じた受光信号を出力する。

光ファイバ４４は、光出射検出装置２０から先端硬質部３０まで、ユニバーサルコード４２、操作部２８、可撓管部３４、湾曲部３２を挿通されており、光源２０Ａから出射され、集光レンズ２０Ｅによって集光された光を、図１に示すように操作部２８を介して挿入部２６の先端硬質部３０に導光する。光ファイバ４４は、線状部材により形成されている。

そして、光ファイバ４４の上記挿入部２６の所定の範囲に対応する位置には、上記被検出部４６が少なくとも１つ設けられている。被検出部４６は、挿入部２６の湾曲に従って光ファイバ４４が湾曲すると、光ファイバ４４内を導光する光を、当該光ファイバ４４の湾曲状態に応じて当該光ファイバ４４の外部に向けて出射させる、あるいは、吸収する。光ファイバ４４の外部に向けて出射するあるいは吸収する光量は、当該光ファイバ４４の湾曲量に対応する。被検出部４６は、光ファイバ４４の湾曲量に対応した光量の光を光ファイバ４４の外部に漏らす又は吸収するような加工が施されている。換言すれば、被検出部４６は、光ファイバ４４によって導光される光の光学特性、例えば光量を挿入部２６の湾曲状態に応じて変化させるものとなる（光学特性変化部）。被検出部４６は、少なくとも挿入部２６の所定の範囲の、湾曲を検出すべき箇所又は当該箇所の近傍に、特には湾曲部３２に、配設される。

図３を参照して、ファイバセンサの検出原理を更に説明する。ファイバセンサは、挿入部２６に沿って光ファイバ４４を設け、かつ、挿入部２６における所定の範囲内の特定箇所に被検出部４６を設けて成る。ファイバセンサは、光ファイバ４４の曲率から湾曲量を求めるためのものである。

光ファイバ４４が図３（Ａ）に示すように湾曲していない第１状態（真っ直ぐな状態）から例えば図３（Ｂ）又は（Ｃ）に示すように湾曲した状態に変化すると、光ファイバ４４に設けられた被検出部４６に入射する光量が変化する。図３（Ｂ）は、光ファイバ４４が被検出部４６を設けた側を湾曲の内側として湾曲した第２状態を示す。図３（Ｃ）は、光ファイバ４４が被検出部４６を設けた側を湾曲の外側として湾曲した第３状態を示す。第１乃至第３状態を比較すると、図３（Ｂ）に示す第２状態が光ファイバ４４による光の伝達量が最も大きく、図３（Ｃ）に示す第３状態が光ファイバ４４による光の伝達量が最も小さい。

このようなファイバセンサを用いれば、形状推定部２４は、湾曲量検出部２０Ｇから出力される受光信号の変化、すなわち光ファイバ４４に設けられた被検出部４６によって光ファイバ４４内を導光される光の光学特性の変化、例えば光量の変化、で示される湾曲量と、先見情報として提供される被検出部４６が光ファイバ４４に設けられた向きによって知られる湾曲方向と光ファイバ４４に設けられた長手方向位置と、に基づいて、光ファイバ４４が挿通された挿入部２６の所定の範囲における湾曲形状を算出することができる。

ファイバセンサは、上記のように曲げによって光ファイバ４４内を通る光量が変化する、光量変化検出方式のセンサである。この方式は、挿入部２６の湾曲（光ファイバ４４の曲げ）に応じて変化する光量、すなわち光ファイバ４４内を通る光量に対応する受光信号を出力するので、検出系が安価に構成できるため、量産製品に向いたセンサとなっている。

ファイバセンサは、この光量変化検出方式の他にも、ＦＢＧ方式と言われる光ファイバにグレーティングを形成した方式がある。この方式は、検出系が複雑で高価になりがちだが、高精度に曲げを検出することができる。

図１（Ｂ）は、内視鏡システム１０に搭載される本発明の一実施形態に係る湾曲形状推定システム５０の構成を示す図である。この湾曲形状推定システム５０は、上記形状推定部２４と、上記ファイバセンサのような形状センサ５２と、記憶部５４と、表示部（モニタ）５５と、から構成される。

形状センサ５２は、内視鏡１２の挿入部２６の所定の範囲に複数の被検出部４６を設けたものであり、記憶部５４は、それら被検出部４６が設けられた光ファイバ４４を仮想的に複数のセグメントに分割するためのセグメント分け情報を記憶している。なお、本明細書において、セグメントとは、対象物である棒状湾曲部材（ここでは内視鏡１２の挿入部２６）の上記所定の範囲が仮想的に、長手方向に順に隣接してなり、該湾曲部材の湾曲形状を推定するための、長さ、曲率、形状、向きの情報を少なくとも有する、推定単位を意味するものとする。セグメントの分割の仕方については、後述する。

形状推定部２４は、この記憶部５４に記憶されたセグメント分け情報に基づいて、形状センサ５２で検出した複数の被検出部４６での曲率情報（曲率または湾曲量）から各セグメントの湾曲形状を推定する。そして、それら推定した各セグメントの湾曲形状を結合することで、複数の被検出部４６が配された、湾曲部材である挿入部２６の所定の範囲における湾曲形状を推定して、その推定結果を表示部５５に表示させる。なお、表示部５５は、内視鏡システム１０の表示部１６とは別の専用のモニタとして構成し、内視鏡システム１０の表示部１６による内視鏡観察画像と並べて挿入部２６の所定の範囲における湾曲形状を提示することができるようにしている。

図４（Ａ）は、形状センサ５２として、湾曲量と湾曲方向とを検出可能なファイバセンサを用いた例である。光ファイバ４４の軸回りに９０°ずらした位置に、被検出部４６Ａ，４６Ｂを配置している。

このように光ファイバ４４の軸回りに９０°異なる（つまり直交した）位置に配置している理由は、図５（Ａ）に示すような座標系を用いた時に、ｘ軸方向及びｙ軸方向にそれぞれどれだけに湾曲しているかを検出するためである。９０°以外の配置、例えば、１２０°置きに３点、でも構わないが、湾曲量及び湾曲方向の演算が複雑になったり、１点当たり３方向以上の被検出部４６が必要になったりすることから、９０°異なる位置への配置が最も簡便な構成となる。また、光ファイバ４４の長手方向の同一位置での湾曲特性を測定することができる。その結果、後述するセグメントの分割の仕方を、２つ以上の異なる湾曲の検出方向について共通化し易くなり、セグメントの中心に全ての異なる方向の被検出部４６ｘ，４６ｙがあり、曲率情報（曲率または湾曲量）を検出する位置が揃えることができるようになる。

しかも、各セグメント内に、セグメントの湾曲を検出する被検出部４６が、１つの湾曲方向につき、１つずつ割り当てられていることから、冗長さの無い、効率的な湾曲検出となっている。

なお、光ファイバ４４の軸回りに異なる位置に被検出部４６を設けるには、被検出部４６を異なる光ファイバ４４に設けたり、図４（Ｂ）に示すように被検出部４６Ａ，４６Ｂの位置を若干光ファイバ４４の長手方向にずらしたりするなど、被検出部４６の配置方法は様々に設定できるが、どのような配置方法を用いてもよい。

図４（Ｂ）に示すように２つの被検出部４６Ａ，４６Ｂの位置を光ファイバ４４の長手方向に若干ずらすことで、被検出部の幅が大きく２つの被検出部４６Ａ，４６Ｂが重なってしまったりすることや、２つの被検出部４６Ａ，４６Ｂを設けることによる構造的な強度不足、光ファイバ４４の湾曲特性の変化、信頼性の劣化などを回避することができる。その上で、光ファイバ４４の長手方向のほぼ同一位置での湾曲特性を測定することができる。その結果、後述するセグメントの分割の仕方を、２つ以上の異なる方向について共通化し易くなる。そして、セグメントのほぼ中心に全ての異なる方向の被検出部４６があり、曲率情報（曲率または湾曲量）を検出する位置をほぼ揃えることができるようになる。

湾曲量及び湾曲方向の検出の例として図５（Ｂ）を挙げる。この例では、ｘ軸方向及びｙ軸方向への湾曲量の検出結果を用いることで、ｘ方向及びｙ方向の湾曲量をθｘ，θｙ、湾曲量をθ、湾曲方向のＸ軸になす角αとすると、
θ＝ｓｑｒｔ（θｘ２＋θｙ２）、
θｃｏｓα＝θｘ、θｓｉｎα＝θｙ （式１）
と表すことができ、「ｘ軸からα回転した湾曲方向にθだけ湾曲している」というようにして、湾曲量及び湾曲方向を検出する。

なお、湾曲の量及び方向の検出方法は、必ずしもこの方法に限定する必要は無い。

また、湾曲量の代わりに、湾曲の曲率を用いてもよい。この時の湾曲方向と曲率の求め方の一例を示す。

ｘ方向及びｙ方向の曲率を１／Ｒｘ，１／Ｒｙ、
１／Ｒ＝ｓｑｒｔ｛（１／Ｒｘ）２＋（１／Ｒｙ）２｝、
１／Ｒ・ｃｏｓα＝１／Ｒｘ、１／Ｒ・ｓｉｎα＝１／Ｒｙ （式２）
としたときに、「ｘ軸からα回転した方向に曲率１／Ｒだけ湾曲している」ものとする。

従って、図４（Ａ）または（Ｂ）に示すように被検出部４６Ａ，４６Ｂを配置させたファイバセンサを形状センサ５２として用いることで、内視鏡１２の挿入部２６の所望の範囲の湾曲形状を検出する形状センサ５２とすることができる。

ファイバセンサ等の形状センサ５２で検出された被検出部４６での湾曲特性、つまり被検出部４６での曲率情報（曲率または湾曲量）は、形状推定部２４に入力される。形状推定部２４では、検出された湾曲特性から、対象物の部分的な湾曲形状つまりセグメントの湾曲形状が求められる。

このような形状センサ５２で検出される具体的な湾曲形状の例を図６に示す。

検出される被検出部４６での曲率を１／Ｒとし、検出する範囲（セグメント）の長さをＬとすると、円弧状に湾曲していると推定した場合、半径Ｒと長さＬと湾曲角度θ（θの単位はラジアン）には、「Ｌ＝Ｒθ」の関係があることから、湾曲角度θは、「θ＝Ｌ／Ｒ」となる。

このように、対象物の形状を円弧として推定することで、上記式１や式２のように簡便に形状推定を行うことができる。後述する、セグメントのつなぎ合わせによる形状推定においても、数値演算処理を行う際に、移動や回転の処理の組合せのみで一端に対する他端の位置や向きなどを計算することができ、処理が容易である。

図６の例では、被検出部４６の周辺の湾曲形状を円弧にみなして推定しているが、これ以外の形状推定を行っても構わない。円弧では、湾曲の向きと曲率が場所によらず一定であるが、例えば、湾曲の向き、または、曲率の少なくとも一方が場所によって変化する形状でもよい。また、形状を直線（線分）とみなし、隣接する、他の被検出部４６周辺の形状との接続部分での線分同士のなす角や向きを推定するようにしてもよい。また、被検出部４６での検出結果から湾曲形状を推定するのに参照テーブルを用いる方式を用いても良い。

図４（Ａ）の湾曲形状の推定を更に発展させて、複数ヶ所に被検出部４６を設けた光ファイバセンサでの湾曲形状検出の例を次に示す。

＜セグメントの説明＞
図７（Ａ）は、複数ヶ所での湾曲検出が可能なファイバセンサ用いた例である。

光ファイバ４４の軸回りに９０°ずらした位置に２箇所ずつ、これらを長手方向３箇所に、計６つの被検出部４６Ａ１，４６Ｂ１，４６Ａ２，４６Ｂ２，４６Ａ３，４６Ｂ３を１本の光ファイバ４４に配置している。なお、被検出部４６の数が等しくても、複数本の光ファイバ４４を用いたり、被検出部４６の位置を変えたりするなど、被検出部４６の配置方法は様々に設定できるが、どのような配置方法を用いてもよい。

なお、光ファイバ４４の軸回りの湾曲方向は、図７（Ａ）のように光ファイバ４４の長手方向軸が真っ直ぐな状態で定義するものとする。対象物の湾曲方向についても同様である。

ここで、ファイバセンサ以外の形状センサを含めた一般的な場合を考える。図５（Ａ）のように湾曲形状を推定する対象物が直線状態での、直線方向である長手方向をｚ軸、これに直交する方向をｘ軸、および、ｚ軸とｘ軸に直交する方向をｙ軸とする。対象物上の任意の点での座標系（ｘｙｚ軸）は、湾曲時にも長手方向を常にｚ軸とし、ｘ軸及びｙ軸は湾曲による回転の影響のみ受けるものとする。即ち、直線状態でｘ軸方向にある被検出部４６ｘは、湾曲してもｘ軸方向にあるものとする。例えば、対象物や光ファイバ４４のｘ軸方向にマーキングがしてあれば、湾曲させてもマーキングしてある方向がｘ軸方向となる。湾曲時の湾曲方向は、前記対象物の、直線状態、または、湾曲時のｘ軸、および、ｙ軸の向きから判断するものとする。特にセグメント間で湾曲方向を比較する場合、この方法を取るものとする。

また、ｘ軸、ｙ軸の方向は、対象物上の点ごとに任意に設定することも可能であるが、対象物が直線状態の時に、対象物上の全ての点でｘ軸及びｙ軸の向きが合致している方が利便性が高く、本例でも対象物上の全ての点でｘ軸及びｙ軸の向きが合致するものとする。

全てのセグメントには、湾曲方向を求めるために、ｚ軸に垂直な向きで、かつ、２つ以上の異なる向きへの曲率情報（曲率または湾曲量）を検出するための被検出部４６ｘ，４６ｙが対応する必要があるが、本例では、９０°ずれた向きに被検出部４６ｘ，４６ｙを配置する。

この図７（Ａ）に対し、図４（Ａ）または（Ｂ）、図５（Ａ）及び（Ｂ）、更に図６に示した１箇所での湾曲検出の例を適用するために、図７（Ｂ）に示すように、光ファイバ４４が挿通された対象物（例えば内視鏡１２の挿入部２６）を３つのセグメント５６（５６−１，５６−２，５６−３）にセグメント分けする例を示す。

図７（Ｂ）では、各セグメント５６−１，５６−２，５６−３には、９０°向きの異なる被検出部４６Ａ１，４６Ｂ１、被検出部４６Ａ２，４６Ｂ２、被検出部４６Ａ３，４６Ｂ３がそれぞれ含まれ、これらの被検出部４６Ａ１，４６Ｂ１，４６Ａ２，４６Ｂ２，４６Ａ３，４６Ｂ３での曲率から、各セグメント５６−１，５６−２，５６−３の湾曲量及び湾曲形状を図５（Ａ），（Ｂ）及び図６のように求めることができる。

求められた各セグメント５６−１，５６−２，５６−３の湾曲量及び湾曲形状を接続することで、上記所定の範囲である検出有効領域全体の湾曲形状を推定することができる。

接続する時の条件は、以下の３つである。
１）セグメント同士の接続部で連続して接続される。
２）セグメント同士の接続部でそれぞれのセグメント端部の向き（接線方向）が合致している。
３）セグメント同士の接続部でセグメント５６のねじれ及び回転が無く接続される。

上記条件については、図５（Ａ）において、ｚ軸回りのｘ軸やｙ軸の方向がセグメント５６を接続する際にずれないよう、接続する端部で２）のｚ軸の向きだけでなく、ｘ軸及びｙ軸の向きも合わせるものとする。

図８は、この接続方法に従って２つのセグメント５６（ｎ番目のセグメント５６ｎとｎ＋１番目のセグメント５６ｎ＋１）を接続した例である。簡便にするため、同じ平面内での湾曲例としている。３つの接続点５８で、座標系ｘｙｚの内、ｘ軸とｚ軸を示している。本例においては、全ての接続点５８でｙ軸の方向は紙面上方向である。

ｎ番目のセグメント５６ｎは、両端の接続点５８の位置がＰｎとＰｎ＋１、長さがＬｎ、曲率半径がＲｎ、湾曲量（湾曲角度）がθｎ、曲率中心がＣｎとなっている。このとき、位置Ｐｎと位置Ｐｎ＋１において位置Ｃｎへ向かう方向とセグメント５６ｎの接線は直交している。

同様に、ｎ＋１番目のセグメント５６ｎ＋１は、両端の接続点５８の位置がＰｎ＋１とＰｎ＋２、長さがＬｎ＋１、曲率半径がＲｎ＋１、湾曲量（湾曲角度）がθｎ＋１、曲率中心がＣｎ＋１となっている。このとき、位置Ｐｎ＋１と位置Ｐｎ＋２において位置Ｃｎ＋１へ向かう方向とセグメント５６ｎ＋１の接線は直交している。

３つの接続条件の内、１）の条件から、位置Ｐｎ＋１は２つのセグメント５６ｎ，５６ｎ＋１に共通となっている。また、２）の条件から、位置Ｐｎ＋１での２つのセグメント５６ｎ，５６ｎ＋１の接線方向は一致している。さらに、３）の条件から、接続点５８ではねじれることなく（接線方向回りに回転ずれが無く）、つまり接線方向回りの向きが合致するように接続される。

なお、２つのセグメント５６ｎ，５６ｎ＋１の湾曲方向が異なる場合には、湾曲形状は３次元的な構造となり、位置Ｐｎ、Ｐｎ＋１、Ｐｎ＋２が同一平面内には入らない。また、位置Ｐｎ＋１と位置Ｃｎと位置Ｃｎ＋１は同一直線上には乗らない配置となる。

このように、それ自体の複数箇所の曲率、または、湾曲角度を検出可能なファイバセンサ等の形状センサ５２を用い、少なくともその一部をセグメント５６に分けて各セグメント５６の湾曲形状を円弧状のものとして求め、各セグメント５６をつなぎ合わせて、形状センサ５２の少なくとも一部の湾曲形状を求めることで、形状センサ５２の湾曲形状を簡便に求めることができる。その結果、湾曲形状が分かる範囲に基準となる位置を設ければ、その基準からの位置や距離などを求めることができる。

特に、各セグメント５６において、図５（Ａ）のｘ軸及びｙ軸のように異なる２方向の曲率情報（曲率または湾曲量）を用いることで、各セグメント５６の湾曲量のみならず、湾曲の方向も検出可能となるため、３次元的な湾曲形状の検出も可能となる。この際、異なる２方向が直交する方向である場合、上記式１及び式２で示したように簡便な数式で各セグメント５６の湾曲量を計算することができる。特に、図７（Ｂ）に示すように、各セグメント５６−１，５６−２，５６−３に直交２方向の被検出部４６Ａ１，４６Ｂ１，４６Ａ２，４６Ｂ２，４６Ａ３，４６Ｂ３が有る場合には、各セグメント５６−１，５６−２，５６−３の曲率情報（曲率または湾曲量）を直接測定するセンサが組み込まれており、湾曲量の推定など無しに確実な形状検出が可能となる。

このような、セグメント分けされた湾曲部材（挿入部２６）の所定の範囲について、各セグメント５６の推定された湾曲形状をつなぎ合わせ、湾曲部材の所定の範囲の湾曲形状を推定することも、図１（Ａ）に示す形状推定部２４で行われる。

＜セグメント分けの説明＞
セグメント分けされた各セグメント５６の湾曲方向と曲率の推定方法を説明したが、実際の内視鏡１２の挿入部２６などの管状挿入システムの湾曲部材に形状センサ５２を組み込む場合には、湾曲部材の曲がり方に応じてセグメント分けの仕方を決定する必要がある。

セグメント分けの目的は、湾曲形状（曲率と湾曲方向）を計算する単位を明確にすることである。

＜セグメント境界が中間点＞
図９にセグメント５６の境界の決め方を示す。

２つの隣接するセグメント５６−１，５６−２があり、被検出部４６Ａ１，４６Ｂ１と被検出部４６Ａ２，４６Ｂ２との間隔がＬだけ離れているとする。このとき、セグメント５６−１と５６−２の境界であるセグメント境界６０は、それぞれの被検出部４６Ａ１，４６Ｂ１及び４６Ａ２，４６Ｂ２からＬ／２だけ離れた中間点とする。

また、図７（Ａ）のように、一番端の被検出部４６が有る部分については、センサ端部までをセグメント５６の境界としても良いが、例えばファイバセンサにおいて被検出部４６の無い光ファイバ４４が長く続く場合には、被検出部４６から反対側のセグメント境界６０までと同じ長さにセグメント境界６０を設けても良い。このセグメント境界６０から先の被検出部４６が無い範囲は、形状センサ５２の形状検出範囲外となる。

このように、隣接するセグメント５６の被検出部４６の中間点をセグメント境界６０とすることで、湾曲形状の測定対象物である湾曲部材の湾曲特性が長手方向の場所によらずほぼ一定である場合はもちろん、使用状況に応じて変化する場合や、湾曲特性そのものが不明の場合等には、このセグメント境界６０の決め方は極めて簡便であり、どのセグメント５６も同じように湾曲し得る想定で、セグメント５６ごとの湾曲形状がほぼ同じ検出感度及び検出範囲で測定できる。

＜セグメント境界で湾曲特性が大きく変化（１）：能動及び受動湾曲＞
ここで、セグメント境界６０で湾曲特性が大きく変化する部分でのセグメント５６の境界の決め方を説明する。

図１０（Ａ）は、内視鏡１２の挿入部２６をイメージしており、図中左側が挿入部２６の先端側で、湾曲操作部３６で操作可能な湾曲部３２等の能動湾曲部６２であり、右側が操作者や管空から受ける外力で湾曲する可撓管部３４等の受動湾曲部６４である。能動湾曲部６２と受動湾曲部６４では特性が異なり、能動湾曲部６２は、少なくとも一方向に特に曲がり易くなっている。

このような、湾曲特性が大きく異なる部分を第２のセグメント境界６０ｓとする。図９に示す、隣接するセグメント同士の被検出部４６の中点で決まるセグメント境界６０ｍと第２のセグメント境界６０ｓが異なる位置にあるときは、図１０（Ｂ）に示すように、第２のセグメント境界６０ｓを優先して選択し、実際のセグメント境界６０とする。

また、能動湾曲部６２では細かくほぼ同じ幅のセグメント５６−１，５６−２，５６−３が長手方向に配置され、受動湾曲部６４ではより長くほぼ同じ幅のセグメント５６−４，５６−５，５６−６，５６−７が長手方向に配置されている。

このような湾曲特性が異なる部分が接続した部分で、接続部の両側で湾曲特性が大きく異なる場合には、接続部が１つのセグメントの内部にあると、湾曲形状の推定が複雑になる。逆に、第２のセグメント境界６０ｓである接続部をセグメント境界６０とすると、接続部の両側にほぼ湾曲特性が一定したセグメント５６−１，５６−２，５６−３及び５６−４，５６−５，５６−６，５６−７が配置でき、形状推定が容易、かつ、高精度な形状推定が期待できる。特に、図９に示した、隣接するセグメント５６の被検出部４６の中間点をセグメント境界６０ｃとするセグメント境界６０の適用と組合せることで、こうした効果が期待できる。

また、能動湾曲部６２と受動湾曲部６４を有する湾曲部材は、内視鏡１２の挿入部２６などで特によく用いられており、挿入部２６の形状の容易かつ高精度な推定が図れることから、挿入及び操作性の向上が期待できる。

さらに、光ファイバ４４の径がφ０．１〜０．５（ｍｍ）程度のファイバセンサを形状センサ５２として図１（Ａ）のように組み込み用いることで、湾曲部材である挿入部２６を実質的に太くすることなく、外乱の影響なく、外部アンテナ等無しに形状推定が可能となる。その結果、内視鏡１２の機能及び仕様を変えずに、湾曲部材の所定の範囲における形状推定が可能となる。

＜セグメント境界で湾曲特性が大きく変化（２）：剛体の接続部＞
セグメント境界６０で湾曲特性が大きく変化する部分でのセグメントの境界の決め方の別の一例をさらに説明する。

図１１において、図中左側が先端湾曲部６６、右側が手元湾曲部６８で、先端湾曲部６６と手元湾曲部６８の接続部分に剛体部７０がある。このような構成では、剛体部７０を境に先端側と手元側で挿入される管空の形状が異なったり、先端側と手元側で用途が異なったりすることが多い。例えば、手元側は目的の臓器に到達するための経路に配置され、先端側は、経路にある場合には、挿入方向の切り替え、目的の臓器部分では、更に細かな経路の選択や観察や治療などの処置がなされる。このように、剛体である接続部の前後では、用途や管空内容の配置が異なり、例え、同じ湾曲特性であっても形状に差ができることが多い。

そこで、湾曲特性が大きく異なる部分である剛体部７０の両端を第２のセグメント境界６０ｓとする。なお、剛体部７０の長さが極めて短ければ、剛体部７０の中央のみをセグメント境界６０としてもよいし、長さがあるときは、変形しないセグメント５６として剛体セグメントと呼んでもよい。図９に示す、隣接するセグメント同士の被検出部４６の中点で決まるセグメント境界６０ｃと第２のセグメント境界６０ｓが異なる位置にあるときは、第２のセグメント境界６０ｓを優先して選択し、実際のセグメント境界６０とする。

このように、剛体である接続部の前後で、異なる形状を取る場合に、接続部をセグメント境界６０とすると、接続部の両側にほぼ湾曲特性が一定したセグメント５６−１，５６−２，５６−３及び５６−４，５６−５，５６−６，５６−７，５６−８が配置でき、容易、かつ、高精度な形状推定が期待できる。また、接続部の前後では、図９に示した、隣接するセグメントの被検出部４６の中間点をセグメント境界６０ｃとするセグメント境界６０の適用と組合せることで、こうした効果が期待できる。

＜セグメント境界を曲げ量で決定＞
図１２において、等間隔に並んだ被検出部４６がある、一定の長さの部分を３つのセグメント５６−１，５６−２，５６−３に分ける場合、セグメント５６−１，５６−２，５６−３のセグメント長をどのように設定するかで、湾曲形状の検出精度が決まる。

セグメント分けの具体的な指標として、例えば、以下の３つの特性が挙げられる。

（１）使用上の最大曲率１／Ｒ（使用上の最小曲げ半径Ｒの逆数）、
（２）検出すべき最大曲率１／Ｒ（検出すべき最小曲げ半径Ｒの逆数）、
（３）曲げ剛性ＥＩ。

これらの指標の値は、セグメント５６を設ける部分によって大きく異なる分布をしていることがある。異なる湾曲特性の分布をしている対象物である湾曲部材、例えば内視鏡１２の挿入部２６、のセグメント５６の境界を決めるに当たり、セグメント長を湾曲部材の指標に応じて決定することが望ましい。

いずれの場合も、これら（１）〜（３）の指標または指標の逆数（（１），（２）は逆数、（３）は指標そのまま）を用いて、これらの値の比、または、これらの値の順になるようにセグメント境界６０を設定する。

＜その１：使用上の最小曲げ半径Ｒに基づいてセグメント長を決定＞
上記指標（１）使用上の最大曲率１／Ｒ（最小曲げ半径Ｒの逆数）については、仕様上、もしくは、実際に曲げる範囲での曲率１／Ｒが大きければ、即ち、半径Ｒが小さければ、セグメント長を短く設定する必要がある。（１）の指標の値の大きさの逆数に比例してセグメント長を設定することで、指標に合致したセグメント分けができる。

例えば、図１３に示すように、セグメント５６−１，５６−２，５６−３の使用上の最大曲率１／Ｒが１／２０ｍｍ，１０／ｍｍ，１／５ｍｍであるときに、使用上の最大曲率１／Ｒの逆数（使用上の最小Ｒ）の比は、４：２：１となる。セグメント長が全長９０ｍｍ、被検出部４６の間隔が３０ｍｍだとして、このとき、図１２において、Ｌ１ａ：Ｌ２ａ＝４：２、Ｌ２ｂ：Ｌ３ｂ＝２：１となる。Ｌ１ａ＋Ｌ２ａ＝Ｌ２ｂ＋Ｌ３ｂ＝３０ｍｍであることから、Ｌ１ａ＝２０ｍｍ、Ｌ２ａ＝１０ｍｍ、Ｌ２ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ３ｂ＝１０ｍｍとなる。この結果を、図１３のセグメント長Ａの欄に示す。

また、（１）の指標の値の大きさの逆数の順にセグメント長を設定することで、個々の指標にある程度合致させたセグメント分けができる。図１３の例では、単純な均等割（３等分）と（１）の指標の逆数の比の中間的な値としてセグメント長Ｂの行に示すような値の組合せを割り当てることができる。

＜その２：検出すべき最小曲げ半径Ｒに基づいてセグメント長を決定＞
同様に、上記指標（２）検出すべき最大曲率１／Ｒ（検出すべき最小曲げ半径Ｒの逆数）については、検出すべき範囲での曲率１／Ｒが大きければ、即ち、半径Ｒが小さければ、セグメント長を短く設定する必要がある。

上記（１）の指標の場合と同様に、実際に（２）の指標の値の逆数の大きさに比例してセグメント長を設定することで、個々の指標に合致したセグメント分けができる。また、実際に（１），（２），（３）の指標の値の逆数の大きさの順にセグメント長を設定することで、個々の指標にある程度合致させてセグメント分けすることができる。

＜その３：曲げ剛性ＥＩに基づいてセグメント長を決定＞
上記（３）の指標である曲げ剛性ＥＩについて、まず、ＥとＩの説明をする。Ｅはヤング率であり、材料の物性によって決まる曲げにくさの指標である。Ｉは断面２次モーメントであり、断面形状によって決まる、曲げモーメントに対する物体の変形のしにくさの指標である。ＥとＩの積ＥＩによって、部材と断面形状による曲げにくさの指標となり、ＥＩが小さければ曲げ易くなるため、セグメント長を小さく設定する必要がある。

上記（１）及び（２）の指標の場合と同様に、実際に（３）の指標の値の大きさに比例してセグメント長を設定することで、個々の指標に合致したセグメント分けができる。

例えば、図１４に示すように、セグメント５６−１，５６−２，５６−３の使用上の曲げ剛性ＥＩが５，３，２［×１０^８Ｎｍ^２］であるときに、剛性の比は、５：３：２となる。セグメント長が全長９０ｍｍ、被検出部４６の間隔が３０ｍｍだとして、このとき、図１２において、Ｌ１ａ：Ｌ２ａ＝５：３、Ｌ２ｂ：Ｌ３ｂ＝３：２となる。Ｌ１ａ＋Ｌ２ａ＝Ｌ２ｂ＋Ｌ３ｂ＝３０ｍｍであることから、Ｌ１ａ＝１８．７５ｍｍ、Ｌ２ａ＝１１．２５ｍｍ、Ｌ２ｂ＝１８ｍｍ、Ｌ３ｂ＝１２ｍｍとなる。この結果を、図１４のセグメント長Ａの欄に示す。

また、図１４のセグメント長Ｂの欄に示すように、実際にセグメント５６−１，５６−２，５６−３の（３）の指標の値の大きさの順にセグメント長を設定することで、個々の指標にある程度合致させてセグメント分けすることができる。

このように、それ自体の複数箇所の曲率、または、湾曲角度を検出可能なファイバセンサ等の形状センサ５２を湾曲部材に搭載した内視鏡システム１０等の管状システムにおいて、少なくともその一部をセグメント５６に分けて各セグメント５６の湾曲形状を円弧状のものとして求め、各セグメント５６をつなぎ合わせて、形状センサ５２の少なくとも一部の湾曲形状を求めることで、管状システムの湾曲部材、例えば内視鏡システム１０の挿入部２６、の所定の範囲における湾曲形状を簡便に求めることができる。特に、ファイバセンサでは、細径で配線等も不要なため、管状システムに搭載するには好適である。

また、セグメント分けについては、セグメント５６や形状センサ５２の被検出部４６の数を最適にするために、湾曲部材、例えば内視鏡１２の挿入部２６、の曲がり易さや曲がる量に応じてセグメント長を決定することが望ましい。具体的な指標として、（１）使用上の最大曲率１／Ｒ、（２）検出すべき最大曲率１／Ｒ、（３）曲げ剛性ＥＩの３つを挙げた。

（１）使用上の最大曲率１／Ｒ、（２）検出すべき最大曲率１／Ｒでは、これらの指標を基に各セグメント５６の被検出部４６の間隔を曲がり量を一致、または、近い量となるセグメント長となるようにセグメント境界６０を設定することで、形状センサ５２の検出感度の改善が図れる。指標に一致させてセグメント境界６０を設定した場合には、セグメント長に与える他の要因が無い場合に最適となる。また、他の要因と複合的に検出感度が決まる場合には、各セグメント５６の曲がり量を近い値とすることで、より好適な湾曲検出が可能となる。

また、（３）曲げ剛性ＥＩでは、この指標を基に各セグメント５６の曲がり量を一致、または、近い量となるセグメント長とすることで、湾曲部材、例えば内視鏡１２の挿入部２６、の曲がり易さに対するセグメント長の最適化が図れる。

同じ曲げモーメントを掛けた時の各セグメント５６の曲がり量を一致させた場合、セグメント長に与える他の要因が無い場合に最適となる。また、他の要因と複合的に検出感度が決まる場合には、各セグメント５６の曲がり量を近い値とすることで、より好適な湾曲検出が可能となる。

＜セグメント内の被検出部の数＞
湾曲量だけでなく、湾曲方向も検出しようとする場合、異なる２方向以上の方向を向いた被検出部４６が必要である。例えば、図５（Ａ）のように湾曲機構の長手方向と直交する方向で、互いに９０°方向の異なるｘ軸とｙ軸に沿って被検出部４６ｘ，４６ｙを配置すると、必要な被検出部４６の数が最も少なくて済む。また、１２０°置き３方向に配置したり、９０°置き４方向に配置するなどしても良く、被検出部４６での曲率検出値を基に各セグメント５６での湾曲方向と曲率情報（曲率または湾曲量）を求めればよい。セグメントの湾曲方向と湾曲量を検出するための被検出部４６の数の増加により、検出の精度や安定性を向上が図れる。

また、１つのセグメント内に同じ湾曲方向を検出する複数の被検出部４６がある場合には、１つの被検出部４６での検出値を用いても良いし、セグメントの湾曲形状を代表する位置（特に指定が無い場合には長軸方向の中心とする）から各被検出部４６までの距離に反比例する重み付けを行って決めてもよい。

具体的な重み付けの方法を、図１５を用いて示す。
セグメント５６−１内にｘ軸方向用の被検出部４６Ａ１，４６Ａ２、ｙ軸方向用の被検出部４６Ｂ１，４６Ｂ２、の合計４つの被検出部４６があり、被検出部４６Ａ１，４６Ｂ１と被検出部４６Ａ２，４６Ｂ２から当該セグメント５６−１を代表する点（図中黒丸）７２までの距離をＬ１，Ｌ２とし、被検出部４６Ａ１，４６Ａ２，４６Ｂ１，４６Ｂ２での検出値をそれぞれ、ＣＡ１，ＣＡ２，ＣＢ１，ＣＢ２とし、ｘ軸方向の検出値をＣＡ、ｙ軸方向の検出値をＣＢとする。このとき、以下のように重み付けを行って、想定される検出値を求めるものとする。

ＣＡ＝Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）・ＣＡ１＋Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）・ＣＡ２
ＣＢ＝Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）・ＣＢ１＋Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）・ＣＢ２

＜検出有効領域外でのセグメント配置＞
上述したように、検出対象物である湾曲部材（例えば内視鏡１２の挿入部２６）の所定の範囲である検出有効領域では、セグメント同士が隣接するように並ぶ。この所定の範囲である有効検出領域は、例えば内視鏡１２の挿入部２６であれば、湾曲部３２の全体は必須であるが、可撓管部３４は湾曲部３２に繋がるその先端側から任意の長さのみを含めば良い。これは、可撓管部３４の全体が被検体の管空内に挿入されることがなく、また、可撓管部３４の管空内に挿入された部分であっても、湾曲部３２近傍を除いては、その湾曲形状を知る必要はそれほど無いからである。従って、特にこの所定の範囲である有効検出領域外に被検出部４６を設ける必要はない。

しかながら、有効検出領域外であっても、体空内での湾曲部材の大まかな湾曲形状を見ることができるように、上記所定範囲内よりも疎に被検出部４６を設けるようにしても構わない。この場合、セグメント５６は必ずしも必要ない。そのため、有効検出領域外では、他のセグメント５６との間隔が空いても良いし、湾曲部材の長手方向のセグメント長さが大きくても良い。

＜湾曲部材の湾曲形状推定方法＞
次に、図１（Ｂ）に示すような湾曲形状推定システム５０において、検出対象物である湾曲部材（例えば内視鏡１２の挿入部２６）の所定範囲の湾曲形状を推定する方法について説明する。

推定方法は、図１６に示すように、以下の７つのステップからなる。

まず、セグメント分けを行う（ステップＳ１）。このステップは、被検体の管空内に挿入して所定の作業を行う、湾曲部材である内視鏡１２の挿入部２６の可撓性を有する所定の範囲を、該湾曲部材の長手方向に沿って配置された複数の被検出部４６がそれぞれ１つ以上入るように複数のセグメント５６に分けるステップである。

例えば、このセグメント分けは、形状センサ５２を湾曲部材である挿入部２６に取り付ける設計を行う時や、実際に形状センサ５２を組み込んだ湾曲部材である挿入部２６の特性をみながら行う。製品であれば、工場出荷までに行う。

セグメント分けは、オフラインで実行することが可能なので、設計者が行っても良いし、システム上、または、システム外のコンピュータが実行しても良い。

図７（Ａ）のような被検出部４６の配置に対して図７（Ｂ）のようなセグメント分けを行うに当たり、図９に示すように、隣接するセグメント５６に割り当てる被検出部４６間の中点をセグメント境界６０とする。ただし、図１０（Ａ）や図１１に示したように、湾曲特性が大きく変化する部分では、変化する部分を優先してセグメント境界６０とする。

また、図１２乃至図１４に示したように、湾曲特性が部分部分で異なる場合、湾曲し易さ（所定の曲げモーメントに対する湾曲量）や最大曲率の分布などに応じて、隣接するセグメント５６に割り当てる被検出部４６間のセグメント境界６０を決定する。

このセグメント分けにより得られる、各セグメント５６の配置や長さなど、曲率情報以外の形状推定に必要な情報は、記憶部５４に、セグメント分け情報として記憶される。

その後、形状推定部２４は、記憶部５４からセグメント分け情報を入手する（ステップＳ２）。このステップは、各セグメント５６の配置や長さなど、曲率情報以外の形状推定に必要な情報を入手するステップであり、湾曲形状推定システム５０による処理を電源投入後に初めて行う場合などが該当する。また、この湾曲形状推定システム５０が管状挿入システムである内視鏡システム１０に適用された場合には、内視鏡システム１０の制御装置２２からの対象物形状読み出し要求に応じて、このステップが実行される。

次に、形状推定部２４は、形状センサ５２の被検出部４６で検出した曲率情報（曲率または湾曲量）からなるセグメント情報を入手する（ステップＳ３）。具体的には、セグメント情報は、図５（Ｂ）に示すような所定の湾曲方向（ｘ方法及びｙ方向）に対する曲率成分（１／Ｒｘ，１／Ｒｙ）または湾曲量成分（θｘ，θｙ）である第１の曲率情報からなる。

静止状態の形状を推定するのであれば、１回のセグメント情報取込でよいが、刻々と変化する湾曲部材の形状を測定するには、繰り返し取込と以下で示す形状推定とを繰り返す必要がある。

次に、形状推定部２４は、各セグメント５６の形状推定を行う（ステップＳ４）。このステップは、上記ステップＳ２で入手したセグメント分け情報と上記ステップＳ３で入手した第１の曲率情報とを基に、各セグメント５６の曲率、湾曲量、湾曲方向、湾曲形状の少なくとも１つを含むセグメント形状を推定するステップである。

具体的な推定の例としては、図４（Ａ），（Ｂ）、図５（Ａ），（Ｂ）、図６や式１、式２に示したように、被検出部４６での第１の曲率情報から、セグメント５６ごとの曲率（１／Ｒ）や湾曲量（θ）または湾曲方向（α）である第２の曲率情報を算出し、該第２の曲率情報に基づき各セグメント５６の湾曲形状、特に、円弧と仮定した場合の形状を推定する。

次に、形状推定部２４は、セグメント接続による対象物の形状推定を行う（ステップＳ５）。このステップは、隣接するセグメント５６を、上記ステップＳ４で推定されたセグメント形状を基に接続し、内視鏡１２などの湾曲機構の挿入部２６といった、対象物である湾曲部材の所定の範囲の形状を推定するステップである。

このステップでは、図８に示すような接続を行うが、接続に当たっては、以下の規則に則って行う。

１）セグメント同士の接続部で連続して接続される。
２）セグメント同士の接続部でそれぞれのセグメント端部の向き（接線方向）が合致している。
３）セグメント同士の接続部でセグメント５６のねじれ及び回転が無く接続される。

このようにして接続された湾曲形状を対象物である湾曲部材の所定範囲の湾曲形状とする。

その後、形状推定部２４は、上記推定した対象物である湾曲部材の所定範囲の湾曲形状を表示部５５に出力する（ステップＳ６）。なお、表示部５５への表示形態については、ここでは特定しない。

そして、形状推定部２４は、形状推定終了の判断を行う（ステップＳ７）。このステップでは、形状推定を続けるか確認し、継続する場合には上記ステップＳ３へ戻り、上記ステップＳ３乃至ステップＳ６を繰り返す。また、終了すると判断した場合には、このステップＳ３乃至ステップＳ６の繰り返しから抜け、終了する。

なお、終了する場合にも、例えば、該湾曲形状推定システム５０の電源再投入やプログラムの再実行などを行う場合には、上記ステップＳ２から実行を再開すればよい。

このような方法を取ることで、不要な処理無く、簡便かつ効率的に、測定対象物である湾曲部材の所定の範囲における形状推定が可能となる。

以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。

例えば、表示部５５は、湾曲形状推定システム５０に含まれず、その外部に配置されても良い。そのような外部の表示部は、該湾曲形状推定システムが適用された管状挿入システムである内視鏡システム１０の表示部１６を兼用することも可能である。このように表示部１６を兼用する場合、表示部５５を湾曲形状推定システム５０の内部又は外部に配置した場合、形状推定部２４から直接、推定結果を表示部５５に出力するが、内視鏡システム１０の表示部１６を兼用する場合には、内視鏡システム１０の制御装置２２を介して間接的に表示部１６に出力することで、表示部１６に内視鏡観察画像と挿入部２６の所定の範囲における湾曲形状とを並べて表示、あるいは両者を切り換え表示することができる。

１０…内視鏡システム、 １２…内視鏡、 １４…画像処理装置、 １６，５５…表示部、 １８…光源装置、 ２０…光出射検出装置、 ２２…制御装置、 ２４…形状推定部、 ２６…挿入部、 ２８…操作部、 ３０…先端硬質部、 ３２…湾曲部、 ３４…可撓管部、 ３６…湾曲操作部、 ４４…光ファイバ、 ４６，４６Ａ，４６Ａ１〜４６Ａ８，４６Ｂ，４６Ｂ１〜４６Ｂ８，４６ｘ，４６ｙ…被検出部、 ４８…反射部、 ５０…湾曲形状推定システム、 ５２…形状センサ、 ５４…記憶部、 ５６，５６−１〜５６−８，５６ｎ…セグメント、 ５８…接続点、 ６０，６０ｃ，６０ｍ，６０ｓ…セグメント境界、 ６２…能動湾曲部、 ６４…受動湾曲部、 ６６…先端湾曲部、 ６８…手元湾曲部、 ７０…剛体部、 ７２…セグメントを代表する点。

Claims (16)

1. 湾曲部材の所定の範囲が、長手方向に順に隣接してなり、前記湾曲部材の湾曲形状を推定するための、長さ、曲率、形状、向きの情報を少なくとも有する推定単位である、複数のセグメントに分けられているときに、
   各セグメントについての、１つ以上の曲率情報からなるセグメント情報を用いて各セグメントの形状を推定し、
   隣接する２つのセグメントの形状同士を、互いの端部の接線方向が一致し、かつ、前記接線方向回りの向きが合致するように、前記隣接する２つのセグメントの端部同士をつなぎ合わせて、前記湾曲部材の前記所定の範囲における湾曲形状を推定する形状推定部、
   を有する湾曲形状推定システム。
2. 全てのセグメントには、前記湾曲部材の長手方向に垂直な向きで、かつ、互いに異なる向きへの曲率または湾曲量を検出するための２つ以上の被検出部があり、
   前記形状推定部は、各セグメントの曲率、湾曲量、湾曲形状のいずれかを推定する、
   請求項１に記載の湾曲形状推定システム。
3. 前記異なる向きは、前記被検出部におけるｘ軸とｙ軸によって作られるｘｙ平面内で９０°だけ異なる向きの２つの向きであり、
   前記２つの向きへの曲率を検出する被検出部をセグメント内に１つずつ有する、
   請求項２に記載の湾曲形状推定システム。
4. 前記被検出部において検出される曲率の向きを前記ｘ軸ｙ軸を用いて表したものをｘｙ座標系上での向きとし、
   前記ｘｙ座標系上での向きをセグメント内の全ての被検出部について組合せた、ｘｙ座標系上での向きの組合せは、全てのセグメントで同じ向きの組合せである、
   請求項２に記載の湾曲形状推定システム。
5. 前記異なる向きへ曲率を検出する、各セグメント内の複数の被検出部は、互いに異なる方向への曲率を検出し、
   前記湾曲部材の前記長手方向にほぼ同一の位置にある、
   請求項２に記載の湾曲形状推定システム。
6. 各セグメント内の被検出部について、
   数が１つ、または、複数ある全ての被検出部がほぼ同一の位置にあり、
   隣接するセグメント同士の境界は、それぞれのセグメント内の被検出部がある、前記ほぼ同一の位置同士の、前記長手方向に沿った中点である、
   請求項１に記載の湾曲形状推定システム。
7. 湾曲特性が大きく変わる前記湾曲部材の前記長手方向の位置を第２のセグメント境界とし、
   第２のセグメント境界を挟んで長手方向に最も近い被検出部同士の、前記中点であるセグメントの前記境界が、前記第２のセグメント境界とは前記長手方向に異なる位置にある場合、
   前記中点であるセグメントの前記境界の代わりに前記第２のセグメント境界をセグメントの境界として用いる、
   請求項６に記載の湾曲形状推定システム。
8. 前記湾曲部材は、
   前記湾曲部材の先端側にあり、操作により湾曲可能な能動湾曲部と、
   前記湾曲部材の手元側にあり、外部からの力によって受動的に湾曲する受動湾曲部と、
   から構成され、
   前記能動湾曲部と前記受動湾曲部の接続位置が前記第２のセグメント境界となる、
   請求項７に記載の湾曲形状推定システム。
9. 前記湾曲部材の前記所定の範囲は可撓性を有し、
   該可撓性を有する前記所定の範囲の内部に湾曲しない剛体部があり、
   前記剛体部の前記長手方向の両端が前記第２のセグメント境界となる、
   請求項７に記載の湾曲形状推定システム。
10. 前記湾曲部材に所定の曲げモーメントを掛けた時に、
    隣接する２つのセグメントの、一方のセグメント内の被検出部から他方のセグメント内の被検出部までの湾曲量を２等分する位置にセグメントの境界がある、
    請求項１に記載の湾曲形状推定システム。
11. 各セグメントに配置され、所定の湾曲方向に対する曲率成分または湾曲量成分である第１の曲率情報を検出する複数の被検出部を有する形状センサを更に有し、
    前記形状推定部は、前記第１の曲率情報から、各セグメントごとの湾曲方向と曲率または湾曲量である第２の曲率情報を導出し、該第２の曲率情報に基づき各セグメントの湾曲形状を推定する、
    請求項１に記載の湾曲形状推定システム。
12. 前記形状センサは、
    可撓性を有し、曲率と湾曲の向きを検出するための複数の被検出部を有する１つ以上の光ファイバと、
    前記光ファイバへ検出光を供給する光源と、
    複数の被検出部を経た光の特性に基づき、前記複数の被検出部それぞれでの曲率に対応する光特性を検出可能な光検出部と、
    前記光特性に基づき、前記セグメント情報である、前記複数の被検出部それぞれの曲率を算出する湾曲算出部と、
    を有するファイバセンサである、
    請求項１１に記載の湾曲形状推定システム。
13. 前記形状推定部は、前記各セグメントの形状が円弧状であるものとして、各セグメントの形状を推定する、
    請求項１に記載の湾曲形状推定システム。
14. 被検体の管空内に挿入して所定の作業を行う、可撓性を有する挿入部と、
    前記挿入部を前記湾曲部材とし、前記挿入部の湾曲形状を推定するための請求項１に記載の湾曲形状推定システムと、
    各セグメントの前記セグメント情報を得るための１つ以上の被検出部を各セグメントに有する形状センサと、
    を有する管状挿入システム。
15. 前記挿入部は、先端に湾曲操作可能で湾曲量の大きな能動湾曲部と、手元側に前記能動湾曲部に隣接し、軟性を有し、かつ、前記能動湾曲部と比較して単位長さ当たりの湾曲量が小さい受動湾曲部と、を有し、
    前記能動湾曲部と前記受動湾曲部の接点を第２のセグメント境界とし、
    前記能動湾曲部では細かくほぼ同じ幅のセグメントが長手方向に配置され、
    前記受動湾曲部ではより長くほぼ同じ幅のセグメントが長手方向に配置されている、
    請求項１４に記載の管状挿入システム。
16. 湾曲部材の可撓性を有する所定の範囲を、長手方向に順に隣接してなる複数のセグメントに分けて、各セグメントについての、１つ以上の曲率情報からなるセグメント情報を用いて各セグメントの形状を推定し、推定された各セグメント形状を基に前記湾曲部材の形状を推定する、湾曲形状推定システムにおいて、
    前記湾曲部材の前記所定の範囲を、前記湾曲部材の長手方向に沿って配置された複数の被検出部がそれぞれ１つ以上入るように長手方向に順に隣接してなる複数のセグメントに分ける、セグメント分けステップと、
    各セグメントの配置及び長さを含む、前記曲率情報以外の形状推定に必要な情報であるセグメント分け情報を入手するセグメント分け情報入手ステップと、
    前記複数の被検出部で検出した前記曲率情報からなるセグメント情報を入手するセグメント情報入手ステップと、
    前記セグメント分け情報及び前記セグメント情報に基づいて、各セグメントの曲率、湾曲量、湾曲方向、湾曲形状の少なくとも１つを含むセグメント形状を推定する、セグメント形状推定ステップと、
    セグメント形状が推定された隣接するセグメントを接続し、前記湾曲部材の前記所定の範囲の全体形状を推定する、湾曲部材形状推定ステップと、
    形状推定を続けるか確認し、継続する場合には前記セグメント情報入手ステップ、前記セグメント形状推定ステップ及び前記湾曲部材形状推定ステップを繰り返し、終了する場合には、繰り返しから抜けて終了する、形状推定終了の判断ステップと、
    からなる湾曲部材の湾曲形状推定方法。

Images