本發(fā)明涉及推測(cè)彎曲部件的規(guī)定的范圍中的彎曲形狀的彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)及彎曲部件的彎曲形狀推測(cè)方法。

進(jìn)而，本發(fā)明涉及應(yīng)用了上述彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)的、以軟性鏡及導(dǎo)管為代表的、用來(lái)插入到管空間內(nèi)進(jìn)行觀察或用來(lái)進(jìn)行修理、治療、提取等的處置的管狀插入系統(tǒng)。具體而言，本發(fā)明涉及醫(yī)療內(nèi)視鏡(上部消化管內(nèi)視鏡、大腸內(nèi)視鏡、超聲波內(nèi)視鏡等)、工業(yè)用內(nèi)視鏡、一部分具有彎曲機(jī)構(gòu)的硬性鏡、機(jī)械手(機(jī)器人手臂)、導(dǎo)管等的長(zhǎng)度方向的至少一部分的形狀能夠變化的管狀插入系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

內(nèi)視鏡那樣的向體腔內(nèi)插入的設(shè)備如果插入部前端進(jìn)入到體內(nèi)，則醫(yī)生或操作者不能直接用眼睛確認(rèn)設(shè)備的狀態(tài)。因此，由內(nèi)視鏡看到的觀察部位或圖像的上下左右與內(nèi)臟等的配置的關(guān)系變得不明確，有操作者弄錯(cuò)插入方向或彎曲方向的情況。此外，通過(guò)操作者進(jìn)行與目標(biāo)不同的操作，還有可能操作者不知不覺(jué)中給內(nèi)臟施加負(fù)荷。

對(duì)于這樣的問(wèn)題，進(jìn)行了如下嘗試：在內(nèi)視鏡的插入部中裝入彎曲量傳感器，在插入部的多個(gè)點(diǎn)檢測(cè)內(nèi)視鏡的插入部的曲率或彎曲量，并進(jìn)行插入部的形狀檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)由操作者進(jìn)行的插入部的插入及操作的改善。

例如，在特開(kāi)2007－044412號(hào)公報(bào)(以下記作專(zhuān)利文獻(xiàn)1)中，公開(kāi)了一種檢測(cè)內(nèi)視鏡的插入部的多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處的彎曲狀態(tài)、根據(jù)這些檢測(cè)出的彎曲狀態(tài)的信息再現(xiàn)插入部的彎曲形狀的內(nèi)視鏡插入形狀檢測(cè)探頭。即，在該專(zhuān)利文獻(xiàn)1中，通過(guò)利用在各檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)出的檢測(cè)角度、基于各檢測(cè)點(diǎn)間的距離將各檢測(cè)點(diǎn)用帶有角度的折線連結(jié)，來(lái)表示插入部的彎曲形狀。

醫(yī)生或操作者基于這樣的內(nèi)視鏡插入部的形狀狀態(tài)等的各種各樣的信息，進(jìn)行安全且容易的插入操作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

但是，即使求出插入部的各檢測(cè)點(diǎn)處的局部的曲率或彎曲角和彎曲方向，如果不以希望的解析力及精度求出插入部的實(shí)際的彎曲形狀，也有可能不能得到充分的效果。在上述專(zhuān)利文獻(xiàn)1所公開(kāi)的例子中，如將內(nèi)視鏡形狀作為折線的組合推測(cè)那樣，關(guān)于實(shí)際的形狀的推測(cè)沒(méi)有詳細(xì)地記載。折線的組合是將彎曲形狀粗略地表現(xiàn)的，結(jié)果，發(fā)生從實(shí)際的插入部的形狀發(fā)生偏差、或前端位置偏差的問(wèn)題。

另一方面，內(nèi)視鏡插入部的形狀在診察、治療等的處置中實(shí)時(shí)地需要的情況較多。因此，需要基于簡(jiǎn)便的計(jì)算規(guī)則的彎曲形狀的推測(cè)。

本發(fā)明是鑒于上述問(wèn)題而做出的，目的是提供一種能夠簡(jiǎn)便地進(jìn)行內(nèi)視鏡插入部等的彎曲部件的規(guī)定的范圍中的彎曲形狀的推測(cè)的彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)及彎曲部件的彎曲形狀推測(cè)方法、和具有這樣的彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)的管狀插入系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的一技術(shù)方案，提供一種彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，具有形狀推測(cè)部，所述形狀推測(cè)部當(dāng)將彎曲部件的規(guī)定的范圍劃分為在長(zhǎng)度方向上依次相鄰、并且至少具有作為用來(lái)推測(cè)上述彎曲部件的彎曲形狀的長(zhǎng)度、曲率、形狀、朝向的信息的推測(cè)單位的多個(gè)段時(shí)，使用關(guān)于各段的由1個(gè)以上的曲率信息構(gòu)成的段信息推測(cè)各段的形狀，以使得推測(cè)出的相鄰的兩個(gè)段的形狀彼此相互的端部的切線方向一致、并且繞上述切線方向的朝向匹配的方式，將上述相鄰的兩個(gè)段的端部彼此接合，推測(cè)上述彎曲部件的上述規(guī)定的范圍中的彎曲形狀。

此外，根據(jù)本發(fā)明的另一技術(shù)方案，提供一種管狀插入系統(tǒng)，其特征在于，具有：插入部，向被檢體的管空間內(nèi)插入而進(jìn)行規(guī)定的作業(yè)，具有撓性；本發(fā)明的一技術(shù)方案的彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)，將上述插入部作為上述彎曲部件，用來(lái)推測(cè)上述插入部的彎曲形狀；形狀傳感器，在各段中具有用來(lái)得到各段的上述段信息的1個(gè)以上的被檢測(cè)部。

此外，根據(jù)本發(fā)明的再另一技術(shù)方案，提供一種彎曲部件的彎曲形狀推測(cè)方法，其特征在于，在將彎曲部件的有撓性的規(guī)定的范圍劃分為在長(zhǎng)度方向上依次相鄰的多個(gè)段、使用關(guān)于各段的由1個(gè)以上的曲率信息構(gòu)成的段信息推測(cè)各段的形狀、基于推測(cè)出的各段形狀推測(cè)上述彎曲部件的形狀的彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)中，由以下步驟構(gòu)成：分段步驟，將上述彎曲部件的上述規(guī)定的范圍劃分為在長(zhǎng)度方向上依次相鄰的多個(gè)段，以使沿著上述彎曲部件的長(zhǎng)度方向配置的多個(gè)被檢測(cè)部分別有1個(gè)以上屬于該段；分段信息獲得步驟，獲得包括各段的配置及長(zhǎng)度的、作為上述曲率信息以外的形狀推測(cè)所需要的信息的分段信息；段信息獲得步驟，獲得由用上述多個(gè)被檢測(cè)部檢測(cè)出的上述曲率信息構(gòu)成的段信息；段形狀推測(cè)步驟，基于上述分段信息及上述段信息，推測(cè)各段的包括曲率、彎曲量、彎曲方向及彎曲形狀的至少1個(gè)的段形狀；彎曲部件形狀推測(cè)步驟，將被推測(cè)出段形狀的相鄰的段連接，推測(cè)上述彎曲部件的上述規(guī)定的范圍的整體形狀；以及形狀推測(cè)結(jié)束的判斷步驟，確認(rèn)是否繼續(xù)形狀推測(cè)，在繼續(xù)的情況下反復(fù)進(jìn)行上述段信息獲得步驟、上述段形狀推測(cè)步驟及上述彎曲部件形狀推測(cè)步驟，在結(jié)束形狀推測(cè)的情況下從反復(fù)中脫離而結(jié)束。

根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種能夠簡(jiǎn)便地進(jìn)行內(nèi)視鏡插入部等的彎曲部件的規(guī)定的范圍中的彎曲形狀的推測(cè)的彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)及彎曲部件的彎曲形狀推測(cè)方法、和具有這樣的彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)的管狀插入系統(tǒng)。

附圖說(shuō)明

圖1是表示作為有關(guān)本發(fā)明的一實(shí)施方式的管狀插入系統(tǒng)的內(nèi)視鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。

圖2是表示使用纖維傳感器的情況下的傳感器的結(jié)構(gòu)的圖。

圖3A是用來(lái)說(shuō)明纖維傳感器的檢測(cè)原理的、表示光纖沒(méi)有彎曲的情況的圖。

圖3B是用來(lái)說(shuō)明纖維傳感器的檢測(cè)原理的、表示光纖向紙面上方彎曲的情況的圖。

圖3C是用來(lái)說(shuō)明纖維傳感器的檢測(cè)原理的、表示光纖向紙面下方彎曲的情況的圖。

圖4是有關(guān)本發(fā)明的一實(shí)施方式的彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)的塊結(jié)構(gòu)圖。

圖5是表示用于方向檢測(cè)的被檢測(cè)部配置的圖，表示將兩個(gè)被檢測(cè)部配置在光纖的同一處的情況。

圖6是用來(lái)說(shuō)明用于方向檢測(cè)的計(jì)算的坐標(biāo)系的圖。

圖7是表示用于方向檢測(cè)的被檢測(cè)部配置的圖，表示將兩個(gè)被檢測(cè)部稍稍離開(kāi)而配置在光纖上的情況。

圖8是用來(lái)說(shuō)明方向檢測(cè)的計(jì)算方法的圖，表示彎曲量及彎曲方向的檢測(cè)的例子。

圖9是表示彎曲和檢測(cè)形狀的具體例的圖。

圖10是用來(lái)說(shuō)明分段的圖，表示劃分之前。

圖11是用來(lái)說(shuō)明分段的圖，表示分段結(jié)果。

圖12是表示段彎曲形狀的連接例的圖。

圖13是表示使段邊界為兩個(gè)被檢測(cè)部的中點(diǎn)的情況下的分段的圖。

圖14A是表示使段邊界為彎曲特性的變化點(diǎn)的情況下的分段的圖。

圖14B是圖14A中的段邊界附近的放大圖。

圖15是表示使段邊界為與剛體的連接部的情況下的分段的圖。

圖16是表示以彎曲量決定段邊界的情況下的分段的圖。

圖17是表示用來(lái)說(shuō)明以使用上的最小R的比或使用上的最小R的順序決定段邊界的情況下的分段的表的圖。

圖18是表示用來(lái)說(shuō)明以彎曲剛性EI的比或彎曲剛性EI的順序決定段邊界的情況下的分段的表的圖。

圖19是用來(lái)說(shuō)明被檢測(cè)部進(jìn)行分段以包含多組的情況下的分段的圖。

圖20是表示用來(lái)說(shuō)明彎曲形狀推測(cè)方法的流程圖的圖。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖說(shuō)明用來(lái)實(shí)施本發(fā)明的一實(shí)施方式。

另外，以下的說(shuō)明取醫(yī)療用內(nèi)視鏡為例，但本發(fā)明只要是將插入部操作而進(jìn)行插入及處置的插入系統(tǒng)，就能夠通用地應(yīng)用。例如，在醫(yī)療用內(nèi)視鏡(上部消化管內(nèi)視鏡、大腸內(nèi)視鏡、超聲波內(nèi)視鏡、膀胱鏡、腎盂鏡、氣管支鏡等)以外，也能夠應(yīng)用到導(dǎo)管中，還能夠應(yīng)用到機(jī)械手、工業(yè)用內(nèi)視鏡等中。

如圖1所示，作為有關(guān)本發(fā)明的一實(shí)施方式的管狀插入系統(tǒng)的內(nèi)視鏡系統(tǒng)10具有內(nèi)視鏡12、圖像處理裝置(視頻處理器)14和顯示部(監(jiān)視器)16。內(nèi)視鏡12拍攝觀察對(duì)象物。圖像處理裝置14將內(nèi)視鏡12的攝像結(jié)果進(jìn)行圖像處理。顯示部16與圖像處理裝置14連接，將由內(nèi)視鏡12拍攝、由圖像處理裝置14圖像處理后的觀察圖像進(jìn)行顯示。

此外，內(nèi)視鏡系統(tǒng)10具有光源裝置18、光射出檢測(cè)裝置20、控制裝置22及形狀推測(cè)部24。光源裝置18朝向內(nèi)視鏡12射出照明光。光射出檢測(cè)裝置20射出與照明光不同的、后述的形狀傳感器的檢測(cè)用的光，檢測(cè)該光?？刂蒲b置22控制內(nèi)視鏡系統(tǒng)10。形狀推測(cè)部24基于光射出檢測(cè)裝置20中的檢測(cè)結(jié)果，推測(cè)安裝有后述的形狀傳感器的彎曲部件的規(guī)定的范圍中的彎曲形狀。形狀推測(cè)部24經(jīng)由線纜CA連接在未圖示的顯示部上，能夠用該顯示部將推測(cè)出的彎曲形狀進(jìn)行顯示輸出?；蛘?，可以經(jīng)由上述線纜CA連接到未圖示的網(wǎng)絡(luò)通信部上，將推測(cè)出的彎曲形狀通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)通信部經(jīng)由LNA或因特網(wǎng)等的網(wǎng)絡(luò)向其他設(shè)備發(fā)送輸出。

這里，該觀察對(duì)象物是被檢體(例如體腔(管腔))內(nèi)的患部或病變部等。

在內(nèi)視鏡12中，配設(shè)作為彎曲部件的細(xì)長(zhǎng)的插入部26和與該插入部26的基端部連結(jié)的操作部28。內(nèi)視鏡12是將管狀的插入部26向體腔內(nèi)插入的管狀插入裝置。

插入部26從插入部26的前端部側(cè)朝向基端部側(cè)具有前端硬質(zhì)部30、彎曲的彎曲部32和撓性管部34。這里，前端硬質(zhì)部30的基端部與彎曲部32的前端部連結(jié)，彎曲部32的基端部與撓性管部34的前端部連結(jié)。

前端硬質(zhì)部30是插入部26的前端部及內(nèi)視鏡12的前端部，為較硬的部件。

彎曲部32通過(guò)根據(jù)設(shè)在操作部28上的彎曲操作部36的由內(nèi)視鏡12操作者(醫(yī)生等的作業(yè)者)進(jìn)行的操作，向希望的方向彎曲。操作者通過(guò)操作該彎曲操作部36，使彎曲部32彎曲。通過(guò)該彎曲部32的彎曲，前端硬質(zhì)部30的位置和朝向被改變，能夠?qū)⒂^察對(duì)象物捕捉到觀察視野內(nèi)。對(duì)于這樣捕捉到的觀察對(duì)象物掃照來(lái)自光源裝置18的照明光，使觀察對(duì)象物照明。彎曲部32通過(guò)將未圖示的多個(gè)節(jié)輪沿著插入部26的長(zhǎng)軸方向連結(jié)而構(gòu)成。

撓性管部34具有希望的撓性，在外力下彎曲。撓性管部34是從操作部28的后述的主體部38延伸出的管狀部件。

操作部28具有主體部38、把持部40和通用線纜42。主體部38從其前端部延伸出撓性管部34。把持部40與主體部38的基端部連結(jié)，被操作內(nèi)視鏡12的操作者把持。通用線纜42將把持部40與圖像處理裝置14、光源裝置18及光射出檢測(cè)裝置20之間連接。

在把持部40上，如圖1所示，為了將彎曲部32彎曲而配設(shè)有將未圖示的多個(gè)操作線操作的彎曲操作部36。彎曲操作部36具有使彎曲部32向左右彎曲操作的左右彎曲操作旋鈕36LR、使彎曲部32向上下彎曲操作的上下彎曲操作旋鈕36UD、和將彎曲的彎曲部32的位置固定的固定旋鈕36c。

在左右彎曲操作旋鈕36LR上，連接著被左右彎曲操作旋鈕36LR驅(qū)動(dòng)的未圖示的左右方向的彎曲操作驅(qū)動(dòng)部。此外，在上下彎曲操作旋鈕36UD上，連接著由上下彎曲操作旋鈕36UD驅(qū)動(dòng)的未圖示的上下方向的彎曲操作驅(qū)動(dòng)部。上下方向的彎曲操作驅(qū)動(dòng)部和左右方向的彎曲操作驅(qū)動(dòng)部例如配設(shè)在把持部40內(nèi)。

左右方向的彎曲操作驅(qū)動(dòng)部與將操作部28、撓性管部34和彎曲部32插通的未圖示的1根左右方向操作線連接，該左右方向操作線的兩端與彎曲部32的前端部連接。

此外，上下方向的彎曲操作驅(qū)動(dòng)部與將操作部28、撓性管部34和彎曲部32插通的未圖示的1根上下方向操作線連接。上下方向操作線與左右方向操作線是分體，能夠進(jìn)行相互獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)。上下方向操作線的兩端與彎曲部32的前端部連接。

左右彎曲操作旋鈕36LR經(jīng)由左右方向的彎曲操作驅(qū)動(dòng)部和左右方向操作線將彎曲部32在左右方向上彎曲。此外，上下彎曲操作旋鈕36UD經(jīng)由上下方向的彎曲操作驅(qū)動(dòng)部和上下方向操作線將彎曲部32在上下方向上彎曲。

這樣的彎曲操作部36(左右彎曲操作旋鈕36LR和上下彎曲操作旋鈕36UD)、左右方向的彎曲操作驅(qū)動(dòng)部、左右方向操作線、上下方向的彎曲操作驅(qū)動(dòng)部和上下方向操作線是為了將彎曲部32彎曲而操作彎曲部32的彎曲操作機(jī)構(gòu)。

此外，內(nèi)視鏡系統(tǒng)10具有檢測(cè)包括彎曲部32的插入部26的規(guī)定的范圍內(nèi)的多個(gè)部分處的彎曲狀態(tài)(彎曲量)的形狀傳感器。

這里，形狀傳感器的類(lèi)型沒(méi)有限制，但優(yōu)選的是使用光纖根據(jù)特定部位的曲率檢測(cè)彎曲的作為彎曲傳感器的纖維傳感器。作為其理由，可以舉出(1)細(xì)徑而容易裝入到內(nèi)視鏡中，(2)不易受到其他構(gòu)成要素的影響或電磁性的影響。作為形狀傳感器，也可以是除了纖維傳感器以外還組合多個(gè)應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)等。

另外，求出特定部位的曲率，如果其周?chē)軌蚩醋飨嗤那?，即如果曲率是恒定，則能夠求出包括該特定部位的某個(gè)范圍的彎曲量。此外，彎曲量也可以是指包括該特定部位的某個(gè)范圍的平均性的曲率。因此，曲率和彎曲量嚴(yán)格地講是不同的，但僅限于形狀傳感器的檢測(cè)值，實(shí)質(zhì)上可以看作等價(jià)。以下，將形狀傳感器檢測(cè)的曲率或彎曲量稱(chēng)作曲率信息。

纖維傳感器如圖2所示，包括光射出檢測(cè)裝置20、光纖44、被檢測(cè)部46和反射部48。

光射出檢測(cè)裝置20包括光源20A、投光透鏡20B、隔離器20C、反射鏡20D、聚光透鏡20E、聚光透鏡20F和彎曲量檢測(cè)部20G。

光源20A例如是LED等，并射出光。在從光源20A射出的光的光路上，配置有投光透鏡20B、隔離器20C、反射鏡20D和聚光透鏡20E。在反射鏡20D的反射光路上，配置有聚光透鏡20F和彎曲量檢測(cè)部20G。

投光透鏡20B將從光源20A射出的光投光。

隔離器20C使來(lái)自一方向的光透過(guò)，將來(lái)自另一方向的光遮光。隔離器20C使從光源20A射出的光透過(guò)，將來(lái)自反方向的光遮光。由此，透過(guò)隔離器20C的光被聚光透鏡20E聚光，向光纖44入射。

聚光透鏡20E配設(shè)在光源20A與光纖44之間。聚光透鏡20E將該光向光纖44聚光，以使從光源20A射出的光向光纖44入射。

聚光透鏡20F由反射部48反射而在光纖44中返回，穿過(guò)聚光透鏡20E，將由反射鏡20D反射的光向彎曲量檢測(cè)部20G聚光。

反射部48配置在設(shè)在光纖44的前端處的前端硬質(zhì)部30，將從光纖44射出的光反射，使其向光纖44再入射。

反射鏡20D使來(lái)自一方向的光透過(guò)，將來(lái)自另一方向的光反射。即，反射鏡20D使從光源20A射出、穿過(guò)了投光透鏡20B及隔離器20C的光向聚光透鏡20E側(cè)透過(guò)，并將從光纖44射出、穿過(guò)了聚光透鏡20E的返回光反射。

彎曲量檢測(cè)部20G包括例如受光元件等的受光部。彎曲量檢測(cè)部20G將入射的光接收，輸出與接收的光量等對(duì)應(yīng)的受光信號(hào)。彎曲量檢測(cè)部20G基于受光信號(hào)，輸出與彎曲部32的彎曲的大小(彎曲量)對(duì)應(yīng)的受光信號(hào)。

光纖44使通用線纜42、操作部28、撓性管部34、彎曲部32從光射出檢測(cè)裝置20插通到前端硬質(zhì)部30，將從光源20A射出、被聚光透鏡20E聚光的光如圖1所示那樣經(jīng)由操作部28向插入部26的前端硬質(zhì)部30導(dǎo)光。光纖44由線狀部件形成。

并且，在光纖44的與上述插入部26的規(guī)定的范圍對(duì)應(yīng)的位置，至少設(shè)有1個(gè)上述被檢測(cè)部46。被檢測(cè)部46如果隨著插入部26的彎曲而光纖44彎曲，則使在光纖44內(nèi)導(dǎo)光的光對(duì)應(yīng)于該光纖44的彎曲狀態(tài)而朝向該光纖44的外部射出或吸收。

朝向光纖44的外部射出或吸收的光量對(duì)應(yīng)于該光纖44的彎曲量。被檢測(cè)部46被實(shí)施了將與光纖44的彎曲量對(duì)應(yīng)的光量的光向光纖44的外部漏出或吸收那樣的加工。換言之，被檢測(cè)部46使被光纖44導(dǎo)光的光的光學(xué)特性例如光量對(duì)應(yīng)于插入部26的彎曲狀態(tài)而變化(光學(xué)特性變化部)。被檢測(cè)部46配設(shè)在至少插入部26的規(guī)定的范圍的應(yīng)檢測(cè)彎曲的部位或該部位的附近、特別是彎曲部32。

參照?qǐng)D3A至圖3C，進(jìn)一步說(shuō)明纖維傳感器的檢測(cè)原理。纖維傳感器沿著插入部26設(shè)置光纖44、并且在插入部26的規(guī)定的范圍內(nèi)的特定部位設(shè)置被檢測(cè)部46而成。纖維傳感器是用來(lái)根據(jù)光纖44的曲率求出彎曲量的。

光纖44如果從如圖3A所示那樣不彎曲的第1狀態(tài)(筆直的狀態(tài))變化為例如如圖3B或圖3C所示那樣彎曲的狀態(tài)，則向設(shè)在光纖44上的被檢測(cè)部46入射的光量變化。圖3B表示光纖44以設(shè)有被檢測(cè)部46的一側(cè)為彎曲的內(nèi)側(cè)而彎曲的第2狀態(tài)。圖3C表示光纖44以設(shè)有被檢測(cè)部46的一側(cè)為彎曲的外側(cè)而彎曲的第3狀態(tài)。如果將第1至第3狀態(tài)比較，則圖3B所示的第2狀態(tài)由光纖44帶來(lái)的光的傳遞量最大，圖3C所示的第3狀態(tài)由光纖44帶來(lái)的光的傳遞量最小。

如果使用這樣的纖維傳感器，則形狀推測(cè)部24能夠基于來(lái)自該纖維傳感器的信息和預(yù)見(jiàn)信息計(jì)算出插通有光纖44的插入部26的規(guī)定的范圍中的彎曲形狀。即，來(lái)自纖維傳感器的信息是從彎曲量檢測(cè)部20G輸出的受光信號(hào)的變化、即由設(shè)在光纖44上的被檢測(cè)部46在光纖44內(nèi)導(dǎo)光的光的光學(xué)特性的變化、例如光量的變化表示的彎曲量。預(yù)見(jiàn)信息是根據(jù)被檢測(cè)部46設(shè)在光纖44上的朝向知道的彎曲方向、和被檢測(cè)部46設(shè)在光纖44上的長(zhǎng)度方向位置。

纖維傳感器是如上述那樣通過(guò)彎曲而穿過(guò)光纖44內(nèi)的光量變化的光量變化檢測(cè)方式的傳感器。該方式的傳感器由于輸出與插入部26的彎曲(光纖44的彎曲)對(duì)應(yīng)而變化的光量、即穿過(guò)光纖44內(nèi)的光量對(duì)應(yīng)的受光信號(hào)，所以檢測(cè)系統(tǒng)能夠廉價(jià)地構(gòu)成，所以成為面向量產(chǎn)商品的傳感器。

纖維傳感器除了該光量變化檢測(cè)方式以外，還有在稱(chēng)作FBG方式的光纖上形成格柵的方式。該方式雖然檢測(cè)系統(tǒng)容易變得復(fù)雜而昂貴，但能夠高精度地檢測(cè)彎曲。

圖4是表示在內(nèi)視鏡系統(tǒng)10中搭載的有關(guān)本發(fā)明的一實(shí)施方式的彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)50的結(jié)構(gòu)的圖。該彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)50由上述形狀推測(cè)部24、上述纖維傳感器那樣的形狀傳感器52、存儲(chǔ)部54和顯示部(監(jiān)視器)55構(gòu)成。

形狀傳感器52是在內(nèi)視鏡12的插入部26的規(guī)定的范圍中設(shè)有多個(gè)被檢測(cè)部46的結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)部54存儲(chǔ)有用來(lái)將設(shè)有這些被檢測(cè)部46的光纖44虛擬地分割為多個(gè)段的分段信息。另外，在本說(shuō)明書(shū)中，所謂段，是指在作為對(duì)象物的棒狀彎曲部件(這里是內(nèi)視鏡12的插入部26)的上述規(guī)定的范圍中虛擬地在長(zhǎng)度方向上依次相鄰的推測(cè)單位。該推測(cè)范圍至少具有用來(lái)推測(cè)該彎曲部件的彎曲形狀的長(zhǎng)度、曲率、形狀、朝向的信息。關(guān)于段的分割的方式在后面敘述。

形狀推測(cè)部24基于存儲(chǔ)在該存儲(chǔ)部54中的分段信息，根據(jù)由形狀傳感器52檢測(cè)出的多個(gè)被檢測(cè)部46處的曲率信息(曲率或彎曲量)，推測(cè)各段的彎曲形狀。并且，通過(guò)將這些推測(cè)出的各段的彎曲形狀結(jié)合，推測(cè)配設(shè)有多個(gè)被檢測(cè)部46的作為彎曲部件的插入部26的規(guī)定的范圍中的彎曲形狀，使顯示部55顯示其推測(cè)結(jié)果。另外，顯示部55構(gòu)成為與內(nèi)視鏡系統(tǒng)10的顯示部16不同的專(zhuān)用的監(jiān)視器，能夠與由內(nèi)視鏡系統(tǒng)10的顯示部16得到的內(nèi)視鏡觀察圖像并列來(lái)提示插入部26的規(guī)定的范圍中的彎曲形狀。

圖5是作為形狀傳感器52而使用能夠檢測(cè)彎曲量和彎曲方向的纖維傳感器的例子。在繞光纖44的軸錯(cuò)開(kāi)90°的位置配置有被檢測(cè)部46A、46B。

這樣將被檢測(cè)部配置在繞光纖44的軸相差90°(即正交)的位置的理由，是為了在使用圖6所示那樣的坐標(biāo)系時(shí)檢測(cè)在x軸方向及y軸方向上分別彎曲多少。另外，z軸是光纖44的長(zhǎng)度方向，即插入部26的長(zhǎng)度方向。也可以是90°以外的配置，例如每隔120°為3點(diǎn)。但是，在3點(diǎn)中，彎曲量及彎曲方向的運(yùn)算變復(fù)雜，或每1點(diǎn)需要3方向以上的被檢測(cè)部46。因此，圖5那樣的向相差90°的位置的2點(diǎn)配置為最簡(jiǎn)便的結(jié)構(gòu)。此外，如果設(shè)為這樣的配置，則能夠測(cè)量光纖44的長(zhǎng)度方向的相同位置處的彎曲特性。結(jié)果，當(dāng)將插通著光纖44的對(duì)象物(例如內(nèi)視鏡12的插入部26)如后述那樣分割為段時(shí)，在全部的段中，關(guān)于兩個(gè)以上的不同彎曲的檢測(cè)方向容易共通化。并且，在這些段的中心有全部不同方向的被檢測(cè)部46x、46y，在全部的段中，能夠進(jìn)行使檢測(cè)曲率信息(曲率或彎曲量)的位置一致那樣的段分割的方式。

并且，由于在各段內(nèi)，關(guān)于1個(gè)彎曲方向各分配1個(gè)檢測(cè)段的彎曲的被檢測(cè)部46，所以成為沒(méi)有冗余度的有效率的彎曲檢測(cè)。

另外，在繞光纖44的軸不同的位置設(shè)置被檢測(cè)部46的配置方法可以各種各樣地設(shè)定，使用怎樣的配置方法都可以。例如，也可以將被檢測(cè)部46設(shè)在不同的光纖44上，或如圖7所示那樣將被檢測(cè)部46A、46B的位置稍稍在光纖44的長(zhǎng)度方向上錯(cuò)開(kāi)。

通過(guò)如圖7所示那樣將兩個(gè)被檢測(cè)部46A、46B的位置在光纖44的長(zhǎng)度方向上稍稍錯(cuò)開(kāi)，被檢測(cè)部的寬度較大而能夠避免兩個(gè)被檢測(cè)部46A、46B重疊。進(jìn)而，能夠避免因設(shè)置兩個(gè)被檢測(cè)部46A、46B造成的構(gòu)造上的強(qiáng)度不足、光纖44的彎曲特性的變化、可靠性的劣化等。而且，能夠測(cè)量光纖44的長(zhǎng)度方向的大致相同位置處的彎曲特性。結(jié)果，當(dāng)將插通著光纖44的對(duì)象物(例如內(nèi)視鏡12的插入部26)如后述那樣分割為段時(shí)，容易在全部的段中關(guān)于兩個(gè)以上的不同的彎曲的檢測(cè)方向進(jìn)行共通化。并且，全部的不同方向的被檢測(cè)部46處于這些段的大致中心，能夠進(jìn)行在全部的段中使檢測(cè)曲率信息(曲率或彎曲量)的位置一致那樣的段分割的方式。

作為彎曲量及彎曲方向的檢測(cè)的例子可以舉出圖8。在該例中，通過(guò)使用向x軸方向及y軸方向的彎曲量的檢測(cè)結(jié)果，如果設(shè)x方向及y方向的彎曲量為θx、θy，設(shè)彎曲量為θ，設(shè)彎曲方向與X軸所成的角為α，則可以表示為

θ＝sqrt(θx²+θy²)，

θcosα＝θx，θsinα＝θy (式1)

因而，形狀推測(cè)部24“在從x軸旋轉(zhuǎn)了α的彎曲方向上彎曲了θ”，檢測(cè)彎曲量及彎曲方向。

另外，彎曲的量及方向的檢測(cè)方法并不需要一定限定于該方法。

此外，也可以代替彎曲量而使用彎曲的曲率。表示此時(shí)的彎曲方向和曲率的求出方式的一例。

當(dāng)設(shè)x方向及y方向的曲率為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)

時(shí)，為“在從x軸旋轉(zhuǎn)了α的方向上以曲率1/R彎曲”。

因而，通過(guò)如圖5或圖7所示那樣使用配置有被檢測(cè)部46A、46B的纖維傳感器作為形狀傳感器52，能夠做成檢測(cè)內(nèi)視鏡12的插入部26的希望的范圍的彎曲形狀的形狀傳感器52。

將由纖維傳感器等的形狀傳感器52檢測(cè)出的被檢測(cè)部46處的彎曲特性、即被檢測(cè)部46處的曲率信息(曲率或彎曲量)向形狀推測(cè)部24輸入。在形狀推測(cè)部24中，根據(jù)檢測(cè)出的彎曲特性，求出對(duì)象物的局部的彎曲形狀即段的彎曲形狀。

在圖9中表示由這樣的形狀傳感器52檢測(cè)的具體的彎曲形狀的例子。

如果設(shè)檢測(cè)的被檢測(cè)部46處的曲率為1/R，設(shè)檢測(cè)的范圍(段)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則在推測(cè)彎曲為圓弧狀的情況下，由于在半徑R、長(zhǎng)度L和彎曲角度θ(θ的單位是弧度)間有“L＝Rθ”的關(guān)系，所以彎曲角度θ為“θ＝L/R”。

這樣，通過(guò)將對(duì)象物的形狀推測(cè)為圓弧，能夠如上述式1或式2那樣簡(jiǎn)便地進(jìn)行形狀推測(cè)。在后述的通過(guò)段的接合進(jìn)行的形狀推測(cè)中，當(dāng)進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算處理時(shí)，也能夠僅通過(guò)移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)的處理的組合來(lái)計(jì)算另一端相對(duì)于一端的位置及朝向等，處理較容易。

在圖9的例子中，將被檢測(cè)部46的周邊的彎曲形狀看作圓弧而進(jìn)行推測(cè)，但也可以進(jìn)行其以外的形狀推測(cè)。在圓弧中，彎曲的朝向和曲率不論場(chǎng)所都是一定的，但例如也可以是彎曲的朝向或曲率的至少一方根據(jù)場(chǎng)所而變化的形狀。此外，也可以將形狀看作直線(線段)，推測(cè)與相鄰的其他的被檢測(cè)部46周邊的形狀的連接部分處的線段彼此所成的角及朝向。此外，在根據(jù)被檢測(cè)部46中的檢測(cè)結(jié)果推測(cè)彎曲形狀時(shí)也可以使用參照表。

以下表示使圖5的彎曲形狀的推測(cè)進(jìn)一步發(fā)展、在多個(gè)部位設(shè)有被檢測(cè)部46的光纖傳感器中的彎曲形狀檢測(cè)的例子。

<段的說(shuō)明>

圖10是使用能夠進(jìn)行多個(gè)部位處的彎曲檢測(cè)的纖維傳感器的例子。

在繞光纖44的軸錯(cuò)開(kāi)90°的位置有各兩個(gè)部位，將它們?cè)陂L(zhǎng)度方向上配置到3個(gè)部位，將共計(jì)6個(gè)被檢測(cè)部46A1、46B1、46A2、46B2、46A3、46B3配置到1根光纖44上。另外，即使被檢測(cè)部46的數(shù)量相等，也可以使用多根光纖44或改變被檢測(cè)部46的位置等，被檢測(cè)部46的配置方法能夠各種各樣地設(shè)定，使用怎樣的配置方法都可以。

另外，繞光纖44的軸的彎曲方向如圖10那樣在光纖44的長(zhǎng)度方向軸筆直的狀態(tài)下定義。關(guān)于對(duì)象物的彎曲方向也是同樣的。

這里，考慮包括纖維傳感器以外的形狀傳感器的通常的情況。如圖6那樣設(shè)推測(cè)彎曲形狀的對(duì)象物是直線狀態(tài)下的、作為直線方向的長(zhǎng)度方向?yàn)閦軸、與其正交的方向?yàn)閤軸、以及與z軸和x軸正交的方向?yàn)閥軸。對(duì)象物上的任意的點(diǎn)處的坐標(biāo)系(xyz軸)在彎曲時(shí)也始終將長(zhǎng)度方向設(shè)為z軸，x軸及y軸僅受因彎曲帶來(lái)的旋轉(zhuǎn)的影響。即，在直線狀態(tài)下，處于x軸方向的被檢測(cè)部46x即使彎曲也處于x軸方向上。例如，如果在對(duì)象物或光纖44的x軸方向上進(jìn)行標(biāo)記，則即使彎曲，標(biāo)記的方向也為x軸方向。彎曲時(shí)的彎曲方向根據(jù)上述對(duì)象物的直線狀態(tài)或彎曲時(shí)的x軸及y軸的朝向來(lái)判斷。特別是，在段間比較彎曲方向的情況下采取該方法。

此外，x軸及y軸的方向也可以按照對(duì)象物上的點(diǎn)的每一個(gè)任意地設(shè)定。但是，當(dāng)對(duì)象物是直線狀態(tài)時(shí)，在對(duì)象物上的全部的點(diǎn)中x軸及y軸的朝向一致的話方便性較高，在本例中假設(shè)在對(duì)象物上的全部的點(diǎn)中x軸及y軸的朝向一致。

在全部的段中，為了求出彎曲方向，需要用來(lái)檢測(cè)與z軸垂直的朝向、并且向兩個(gè)以上的不同朝向的曲率信息(曲率或彎曲量)的被檢測(cè)部46x、46y對(duì)應(yīng)。在本例中，以錯(cuò)開(kāi)90°的朝向配置被檢測(cè)部46x、46y。

對(duì)于該圖10，為了應(yīng)用圖5或圖7、圖6及圖8、還有圖9所示的1部位處的彎曲檢測(cè)的例子，表示如圖11所示那樣將被插通了光纖44的對(duì)象物(例如內(nèi)視鏡12的插入部26)分段為3個(gè)段56(56－1、56－2、56－3)的例子。

在圖11中，在各段56－1、56－2、56－3中，分別包括朝向相差90°的被檢測(cè)部46A1、46B1、被檢測(cè)部46A2、46B2、被檢測(cè)部46A3、46B3。根據(jù)這些被檢測(cè)部46A1、46B1、46A2、46B2、46A3、46B3處的曲率，能夠如圖6、圖8及圖9那樣求出各段56－1、56－2、56－3的彎曲量及彎曲形狀。

通過(guò)將求出的各段56－1、56－2、56－3的彎曲量及彎曲形狀連接，能夠推測(cè)作為上述規(guī)定的范圍的檢測(cè)有效區(qū)域整體的彎曲形狀。

連接時(shí)的條件是以下的3個(gè)。

1)在段彼此的連接部，段連續(xù)被連接。

2)在段彼此的連接部，各自的段端部的朝向(切線方向)一致。

3)在段彼此的連接部，沒(méi)有段56的扭轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)而將段連接。

關(guān)于上述條件，在圖6中，假設(shè)在連接的端部不僅是2)的z軸的朝向、x軸及y軸的朝向也一致，以使得繞z軸的x軸及y軸的方向在將段56連接時(shí)不偏差。

圖12是按照該連接方法將兩個(gè)段56(第n個(gè)段56n與第n+1個(gè)段56n+1)連接的例子。為了簡(jiǎn)便，設(shè)為相同的平面內(nèi)的彎曲例。在3個(gè)連接點(diǎn)58表示坐標(biāo)系xyz中的x軸和z軸。在本例中，在全部的連接點(diǎn)58中，y軸的方向是紙面上方。

在第n個(gè)段56n中，兩端的連接點(diǎn)58的位置為Pn和Pn+1，長(zhǎng)度為L(zhǎng)n，曲率半徑為Rn，彎曲量(彎曲角度)為θn，曲率中心為Cn。此時(shí)，在位置Pn和位置Pn+1，朝向位置Cn的方向與段56n的切線正交。

同樣，在第n+1個(gè)段56n+1中，兩端的連接點(diǎn)58的位置為Pn+1和Pn+2，長(zhǎng)度為L(zhǎng)n+1，曲率半徑為Rn+1，彎曲量(彎曲角度)為θn+1，曲率中心為Cn+1。此時(shí)，在位置Pn+1和位置Pn+2，朝向位置Cn+1的方向與段56n+1的切線正交。

根據(jù)3個(gè)連接條件中的1)的條件，位置Pn+1對(duì)兩個(gè)段56n、56n+1為共通的。此外，根據(jù)2)的條件，位置Pn+1處的兩個(gè)段56n、56n+1的切線方向一致。進(jìn)而，根據(jù)3)的條件，以在連接點(diǎn)58不會(huì)扭轉(zhuǎn)(繞切線方向沒(méi)有旋轉(zhuǎn)偏差)、即繞切線方向的朝向一致的方式連接。

另外，在兩個(gè)段56n、56n+1的彎曲方向不同的情況下，彎曲形狀為3維的構(gòu)造，位置Pn、Pn+1、Pn+2不進(jìn)入到同一平面內(nèi)。此外，位置Pn+1、位置Cn和位置Cn+1為不越到同一直線上的配置。

這樣，使用能夠檢測(cè)其自身的多個(gè)部位的曲率或彎曲角度的纖維傳感器等的形狀傳感器52，至少將其一部分分為段56，將各段56的彎曲形狀作為圓弧狀求出，將各段56接合，求出形狀傳感器52的至少一部分的彎曲形狀，由此能夠簡(jiǎn)便地求出形狀傳感器52的彎曲形狀。結(jié)果，只要在知道彎曲形狀的范圍中設(shè)置作為基準(zhǔn)的位置，就能夠求出距該基準(zhǔn)的位置及距離等。

特別是，在各段56中，通過(guò)如圖6的x軸及y軸那樣使用不同的兩個(gè)方向的曲率信息(曲率或彎曲量)，不僅是各段56的彎曲量，還能夠檢測(cè)彎曲的方向，所以也能夠進(jìn)行3維的彎曲形狀的檢測(cè)。此時(shí)，在不同的兩方向是正交的方向的情況下，能夠如上述式1及式2所示那樣用簡(jiǎn)便的數(shù)式計(jì)算各段56的彎曲量。特別是，如圖11所示，在各段56－1、56－2、56－3中具有正交兩方向的被檢測(cè)部46A1、46B1、46A2、46B2、46A3、46B3的情況下，裝入有直接測(cè)量各段56－1、56－2、56－3的曲率信息(曲率或彎曲量)的傳感器，能夠不進(jìn)行彎曲量的推測(cè)等而進(jìn)行可靠的形狀檢測(cè)。

關(guān)于這樣的分段的彎曲部件(插入部26)的規(guī)定的范圍，將各段56的推測(cè)的彎曲形狀接合、推測(cè)彎曲部件的規(guī)定的范圍的彎曲形狀的處理也由圖1所示的形狀推測(cè)部24進(jìn)行。

<分段的說(shuō)明>

到此為止，說(shuō)明了分段的各段56的彎曲方向和曲率的推測(cè)方法。在將形狀傳感器52組裝到實(shí)際的內(nèi)視鏡12的插入部26等的管狀插入系統(tǒng)的彎曲部件上的情況下，需要根據(jù)彎曲部件的彎曲方式?jīng)Q定分段的方式。

分段的目的是使計(jì)算彎曲形狀(曲率和彎曲方向)的單位變明確。

<段邊界是中間點(diǎn)>

圖13表示段56的邊界的決定方式。

假設(shè)有兩個(gè)相鄰的段56－1、56－2，被檢測(cè)部46A1、46B1與被檢測(cè)部46A2、46B2的間隔離開(kāi)了L。此時(shí)，作為段56－1與56－2的邊界的段邊界60為從各個(gè)被檢測(cè)部46A1、46B1及46A2、46B2離開(kāi)了L/2的中間點(diǎn)。

此外，如圖10那樣，關(guān)于最靠端部的被檢測(cè)部46具有的部分，也可以將到傳感器端部為止作為段56的邊界。進(jìn)而，例如在纖維傳感器中沒(méi)有被檢測(cè)部46的光纖44較長(zhǎng)地連續(xù)的情況下，也可以將段邊界60設(shè)為與從被檢測(cè)部46到相反側(cè)的段邊界60相同的長(zhǎng)度。從該段邊界60到之前的沒(méi)有被檢測(cè)部46的范圍為形狀傳感器52的形狀檢測(cè)范圍外。

這樣，通過(guò)將相鄰的段56的被檢測(cè)部46的中間點(diǎn)作為段邊界60，不僅是作為彎曲形狀的測(cè)量對(duì)象物的彎曲部件的彎曲特性不論長(zhǎng)度方向的地方如何都大致為一定的情況，在根據(jù)使用狀況而變化的情況、或彎曲特性本身不清楚的情況下等，該段邊界60的決定方式也很簡(jiǎn)便。并且，通過(guò)設(shè)想哪個(gè)段56都能夠同樣彎曲，能夠?qū)⒏鱾€(gè)段56的每一個(gè)的彎曲形狀以大致相同的檢測(cè)感度及檢測(cè)范圍測(cè)量。

<在段邊界處彎曲特性較大地變化(1)：主動(dòng)及被動(dòng)彎曲>

這里，說(shuō)明在段邊界60處彎曲特性較大地變化的部分處的段56的邊界的決定方式。

圖14A將內(nèi)視鏡12的插入部26做成形象，圖中左側(cè)是插入部26的前端側(cè)，是能夠由彎曲操作部36操作的彎曲部32等的主動(dòng)彎曲部62，右側(cè)是在從操作者或管空間受到的外力下彎曲的撓性管部34等的被動(dòng)彎曲部64。在主動(dòng)彎曲部62和被動(dòng)彎曲部64間特性不同，主動(dòng)彎曲部62特別容易向至少一方向彎曲。

將這樣的彎曲特性較大地不同的部分設(shè)為第2段邊界60s。當(dāng)該第2段邊界60s處于與圖13所示那樣的由相鄰的段彼此的被檢測(cè)部46的中點(diǎn)決定的段邊界60m不同的位置時(shí)，如圖14B所示，優(yōu)先選擇第2段邊界60s作為實(shí)際的段邊界60。

此外，在主動(dòng)彎曲部62中，較細(xì)且大致為相同寬度的段56－1、56－2、56－3在長(zhǎng)度方向上配置，在被動(dòng)彎曲部64中，比主動(dòng)彎曲部62的段長(zhǎng)且大致為相同寬度的段56－4、56－5、56－6、56－7在長(zhǎng)度方向上配置。

在這樣的彎曲特性不同的部分連接的部分處、在連接部的兩側(cè)彎曲特性較大地不同的情況下，如果連接部處于1個(gè)段的內(nèi)部，則彎曲形狀的推測(cè)變復(fù)雜。相反，如果將作為第2段邊界60s的連接部作為段邊界60，則能夠在連接部的兩側(cè)配置彎曲特性大致為一定的段56－1、56－2、56－3及56－4、56－5、56－6、56－7，形狀推測(cè)較容易，并且能夠期待高精度的形狀推測(cè)。特別是，通過(guò)與圖13所示的以相鄰的段56的被檢測(cè)部46的中間點(diǎn)為段邊界60c的段邊界60的應(yīng)用組合，能夠期待這樣的效果。

此外，具有主動(dòng)彎曲部62和被動(dòng)彎曲部64的彎曲部件能夠在內(nèi)視鏡12的插入部26等中被特別好地使用，通過(guò)采用這樣的分段方法，能夠?qū)崿F(xiàn)插入部26的形狀的容易且高精度的推測(cè)，所以能夠期待插入及操作性的提高。

進(jìn)而，通過(guò)將光纖44的直徑為φ0.1～0.5(mm)左右的纖維傳感器作為形狀傳感器52如圖1那樣裝入使用，能夠不使作為彎曲部件的插入部26實(shí)質(zhì)上變粗、沒(méi)有外界干擾的影響、沒(méi)有外部天線等而進(jìn)行形狀推測(cè)。結(jié)果，能夠不改變內(nèi)視鏡12的功能及規(guī)格而進(jìn)行彎曲部件的規(guī)定的范圍中的形狀推測(cè)。

<在段邊界處彎曲特性較大地變化(2)：剛體的連接部>

進(jìn)一步說(shuō)明在段邊界60處彎曲特性較大地變化的部分處的段的邊界的決定方式的另一例。

在圖15中，圖中左側(cè)是前端彎曲部66，右側(cè)是手邊彎曲部68，在前端彎曲部66和手邊彎曲部68的連接部分存在剛體部70。在這樣的結(jié)構(gòu)中，以剛體部70為邊界，在前端側(cè)和手邊側(cè)插入的管空間的形狀不同、或在前端側(cè)和手邊側(cè)用途不同的情況較多。例如，在手邊側(cè)被配置在用來(lái)向目的的內(nèi)臟到達(dá)的路徑中、前端側(cè)處于路徑中的情況下，能夠進(jìn)行插入方向的切換、在目的的內(nèi)臟部分中進(jìn)行更細(xì)致的路徑的選擇、觀察及治療等的處置。這樣，在作為剛體的連接部的前后，用途及管空間內(nèi)容的配置不同，即使是相同的彎曲特性、在形狀上出現(xiàn)差別的情況也較多。

所以，將作為彎曲特性較大地不同的部分的剛體部70的兩端作為第2段邊界60s。另外，如果剛體部70的長(zhǎng)度很短，則也可以僅將剛體部70的中央作為段邊界60。相反，當(dāng)剛體部70的長(zhǎng)度不是很短時(shí)，也可以作為不變形的段56而稱(chēng)作剛體段。當(dāng)?shù)?段邊界60s處于與圖13所示那樣的由相鄰的段彼此的被檢測(cè)部46的中點(diǎn)決定的段邊界60c不同的位置時(shí)，優(yōu)先選擇第2段邊界60s，作為實(shí)際的段邊界60。

這樣，在作為剛體的連接部的前后取不同的形狀的情況下，將連接部作為段邊界60。這樣，能夠在連接部的兩側(cè)配置彎曲特性大致為一定的段56－1、56－2、56－3及56－4、56－5、56－6、56－7、56－8，能夠期待容易且高精度的形狀推測(cè)。此外，通過(guò)在連接部的前后，與圖13所示的以相鄰的段的被檢測(cè)部46的中間點(diǎn)為段邊界60c的段邊界60的應(yīng)用組合，能夠期待這樣的效果。

<以彎曲量決定段邊界>

在圖16中，有等間隔地排列的被檢測(cè)部46，在將一定的長(zhǎng)度的部分分為3個(gè)段56－1、56－2、56－3的情況下，根據(jù)怎樣決定段56－1、56－2、56－3的段長(zhǎng)而決定彎曲形狀的檢測(cè)精度。

作為分段的具體的指標(biāo)，例如可以舉出以下的3個(gè)特性。

(1)使用上的最大曲率1/R(使用上的最小彎曲半徑R的倒數(shù))，

(2)應(yīng)檢測(cè)的最大曲率1/R(要檢測(cè)的最小彎曲半徑R的倒數(shù))，

(3)彎曲剛性EI。

這些指標(biāo)的值有呈根據(jù)設(shè)置段56的部分而較大地不同的分布的情況。當(dāng)決定作為呈不同的彎曲特性的分布的對(duì)象物的彎曲部件、例如內(nèi)視鏡12的插入部26的段56的邊界時(shí)，優(yōu)選的是根據(jù)彎曲部件的指標(biāo)來(lái)決定段長(zhǎng)。

在哪種情況下，都使用這些(1)～(3)的指標(biāo)或指標(biāo)的倒數(shù)((1)、(2)是倒數(shù)，(3)是指標(biāo)原樣)，以這些值的比的順序或這些值的順序設(shè)定段邊界60。

<其1：基于使用上的最小彎曲半徑R決定段長(zhǎng)>

關(guān)于上述指標(biāo)(1)使用上的最大曲率1/R(最小彎曲半徑R的倒數(shù))，如果規(guī)格上或?qū)嶋H彎曲的范圍中的曲率1/R較大，即如果半徑R較小，則需要將段長(zhǎng)設(shè)定得較短。通過(guò)與(1)的指標(biāo)的值的大小的倒數(shù)成比例設(shè)定段長(zhǎng)，能夠進(jìn)行與指標(biāo)匹配的分段。

例如如圖17所示，當(dāng)段56－1、56－2、56－3的使用上的最大曲率1/R是1/20mm、1/10mm、1/5mm時(shí)，使用上的最大曲率1/R的倒數(shù)(使用上的最小R)的比為4：2：1。設(shè)段長(zhǎng)是全長(zhǎng)90mm、被檢測(cè)部46的間隔是30mm，此時(shí)，在圖16中，為L(zhǎng)1a：L2a＝4：2，L2b：L3b＝2：1。由于L1a+L2a＝L2b+L3b＝30mm，所以為L(zhǎng)1a＝20mm，L2a＝10mm，L2b＝20mm，L3b＝10mm。將其結(jié)果表示在圖17的段長(zhǎng)A的欄中。

此外，通過(guò)以(1)的指標(biāo)的值的大小的倒數(shù)的順序設(shè)定段長(zhǎng)，能夠進(jìn)行與各個(gè)指標(biāo)某種程度匹配的分段。在圖17的例子中，作為單純的均等劃分(3等分)與(1)的指標(biāo)的倒數(shù)的比的中間的值，能夠分配段長(zhǎng)B的行所示那樣的值的組合。

<其2：基于應(yīng)檢測(cè)的最小彎曲半徑R決定段長(zhǎng)>

同樣，關(guān)于上述指標(biāo)(2)應(yīng)檢測(cè)的最大曲率1/R(要檢測(cè)的最小彎曲半徑R的倒數(shù))，如果應(yīng)檢測(cè)的范圍中的曲率1/R較大，即如果半徑R較小，則需要將段長(zhǎng)設(shè)定得較短。

與上述(1)的指標(biāo)的情況同樣，通過(guò)實(shí)際與(2)的指標(biāo)的值的倒數(shù)的大小成比例設(shè)定段長(zhǎng)，能夠進(jìn)行與各個(gè)指標(biāo)匹配的分段。此外，通過(guò)實(shí)際以(1)、(2)、(3)的指標(biāo)的值的倒數(shù)的大小的順序設(shè)定段長(zhǎng)，能夠與各個(gè)指標(biāo)某種程度匹配而進(jìn)行分段。

<其3：基于彎曲剛性EI決定段長(zhǎng)>

關(guān)于作為上述(3)的指標(biāo)的彎曲剛性EI，首先進(jìn)行E和I的說(shuō)明。E是楊氏模量，是由材料的物性決定的難以彎曲的指標(biāo)。I是截面2次力矩，是由截面形狀決定的、對(duì)于彎曲力矩的物體的難以變形度的指標(biāo)。由E和I的積EI，成為由部件和截面形狀決定的難彎曲度的指標(biāo)，如果EI較小則容易彎曲，所以需要將段長(zhǎng)設(shè)定得較小。

與上述(1)及(2)的指標(biāo)的情況同樣，通過(guò)實(shí)際與(3)的指標(biāo)的值的大小成比例設(shè)定段長(zhǎng)，能夠進(jìn)行與各個(gè)指標(biāo)匹配的分段。

例如，如圖18所示，當(dāng)段56－1、56－2、56－3的使用上的彎曲剛性EI是5、3、2[×10⁸Nm²]時(shí)，剛性的比為5：3：2。假設(shè)段長(zhǎng)是全長(zhǎng)90mm，被檢測(cè)部46的間隔是30mm，此時(shí)，在圖16中，為L(zhǎng)1a：L2a＝5：3，L2b：L3b＝3：2。由于L1a+L2a＝L2b+L3b＝30mm，所以為L(zhǎng)1a＝18.75mm，L2a＝11.25mm，L2b＝18mm，L3b＝12mm。將該結(jié)果表示在圖18的段長(zhǎng)A的欄中。

此外，如圖18的段長(zhǎng)B的欄所示，通過(guò)實(shí)際以段56－1、56－2、56－3的(3)的指標(biāo)的值的大小的順序設(shè)定段長(zhǎng)，能夠與各個(gè)指標(biāo)某種程度匹配而進(jìn)行分段。

這樣，在將能夠檢測(cè)其自身的多個(gè)部位的曲率或彎曲角度的纖維傳感器等的形狀傳感器52搭載在彎曲部件上的內(nèi)視鏡系統(tǒng)10等的管狀系統(tǒng)中，至少將其一部分分為段56，將各段56的彎曲形狀作為圓弧狀求出，將各段56接合，來(lái)求出形狀傳感器52的至少一部分的彎曲形狀。這樣，能夠簡(jiǎn)便地求出管狀系統(tǒng)的彎曲部件、例如內(nèi)視鏡系統(tǒng)10的插入部26的規(guī)定的范圍中的彎曲形狀。特別是，在纖維傳感器中，由于是細(xì)徑且不需要配線等，所以適合于搭載到管狀系統(tǒng)中。

此外，關(guān)于分段，為了使段56及形狀傳感器52的被檢測(cè)部46的數(shù)量成為最優(yōu)，優(yōu)選的是根據(jù)彎曲部件、例如內(nèi)視鏡12的插入部26的彎曲容易度及彎曲的量來(lái)決定段長(zhǎng)。作為具體的指標(biāo)，可以舉出(1)使用上的最大曲率1/R、(2)要檢測(cè)的最大曲率1/R、(3)彎曲剛性EI的3個(gè)。

在(1)使用上的最大曲率1/R及(2)要檢測(cè)的最大曲率1/R中，通過(guò)基于這些指標(biāo)設(shè)定各段56的被檢測(cè)部46的間隔，設(shè)定段邊界60以成為彎曲量一致或接近的量的段長(zhǎng)，能實(shí)現(xiàn)形狀傳感器52的檢測(cè)感度的改善。如果與指標(biāo)一致而設(shè)定段邊界60，則在沒(méi)有對(duì)段長(zhǎng)起作用的其他因素的情況下為最優(yōu)的段長(zhǎng)。此外，在與其他因素復(fù)合地決定檢測(cè)感度的情況下，通過(guò)使各段56的彎曲量成為接近的值，能夠進(jìn)行更適當(dāng)?shù)膹澢鷻z測(cè)。

此外，在(3)彎曲剛性EI中，通過(guò)基于該指標(biāo)設(shè)為使各段56的彎曲量為一致或接近的量的段長(zhǎng)，能實(shí)現(xiàn)與彎曲部件、例如內(nèi)視鏡12的插入部26的彎曲容易度對(duì)應(yīng)的段長(zhǎng)的優(yōu)化。

如果使施加了相同的彎曲力矩時(shí)的各段56的彎曲量一致，則在沒(méi)有對(duì)段長(zhǎng)起作用的其他因素的情況下為最優(yōu)的段長(zhǎng)。此外，在與其他因素復(fù)合地決定檢測(cè)感度的情況下，通過(guò)使各段56的彎曲量成為接近的值，能夠進(jìn)行更適當(dāng)?shù)膹澢鷻z測(cè)。

<段內(nèi)的被檢測(cè)部的數(shù)量>

在不僅是彎曲量、還想要檢測(cè)彎曲方向的情況下，需要朝向不同的兩個(gè)方向以上的方向的被檢測(cè)部46。例如，如果如圖6那樣在與彎曲機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度方向正交的方向上，沿著相互相差90°方向的x軸和y軸配置被檢測(cè)部46x、46y，則需要的被檢測(cè)部46的數(shù)量最少就足夠。此外，也可以隔開(kāi)120°而配置在3個(gè)方向上，或隔開(kāi)90°配置在4個(gè)方向上等。在此情況下，只要基于3個(gè)或4個(gè)被檢測(cè)部46中的曲率檢測(cè)值求出各段56的彎曲方向和曲率信息(曲率或彎曲量)就可以。通過(guò)用來(lái)檢測(cè)段的彎曲方向和彎曲量的被檢測(cè)部46的數(shù)量的增加，能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的精度及穩(wěn)定性的提高。

此外，在1個(gè)段內(nèi)有檢測(cè)相同彎曲方向的多個(gè)被檢測(cè)部46的情況下，既可以使用1個(gè)被檢測(cè)部46中的檢測(cè)值，也可以進(jìn)行與從代表段的彎曲形狀的位置(特別在沒(méi)有指定的情況下設(shè)為長(zhǎng)軸方向的中心)到各被檢測(cè)部46的距離成反比例的加權(quán)來(lái)決定。

使用圖19說(shuō)明具體的加權(quán)的方法。

在段56－1內(nèi)有x軸方向用的被檢測(cè)部46A1、46A2、y軸方向用的被檢測(cè)部46B1、46B2的合計(jì)4個(gè)被檢測(cè)部46。這里，設(shè)從被檢測(cè)部46A1、46B1和被檢測(cè)部46A2、46B2到代表該段56－1的點(diǎn)(圖中黑圈)72的距離為L(zhǎng)1、L2，設(shè)被檢測(cè)部46A1、46A2、46B1、46B2中的檢測(cè)值分別為CA1、CA2、CB1、CB2，設(shè)x軸方向的檢測(cè)值為CA，設(shè)y軸方向的檢測(cè)值為CB。此時(shí)，如以下這樣進(jìn)行加權(quán)，求出設(shè)想的檢測(cè)值。

CA＝L2/(L1+L2)·CA1+L1/(L1+L2)·CA2，

CB＝L2/(L1+L2)·CB1+L1/(L1+L2)·CB2。

<檢測(cè)有效區(qū)域外的段配置>

如上述那樣，在作為檢測(cè)對(duì)象物的彎曲部件(例如內(nèi)視鏡12的插入部26)的規(guī)定的范圍即檢測(cè)有效區(qū)域中，段彼此以相鄰的方式排列。作為該規(guī)定的范圍的有效檢測(cè)區(qū)域例如如果是內(nèi)視鏡12的插入部26，則彎曲部32的整體是必須的，但撓性管部34只要從與彎曲部32連接的其前端側(cè)起僅包含任意的長(zhǎng)度就可以。這是因?yàn)?，撓性管?4的整體不會(huì)被插入到被檢體的管空間內(nèi)，此外，即使是插入到撓性管部34的管空間內(nèi)的部分，除了彎曲部32附近以外也不怎么需要知道其彎曲形狀。因而，不需要特別在作為該規(guī)定的范圍的有效檢測(cè)區(qū)域外設(shè)置被檢測(cè)部46。

但是，也可以比上述規(guī)定范圍內(nèi)更稀疏地設(shè)置被檢測(cè)部46，以使得即使是有效檢測(cè)區(qū)域外，也能夠看到身體空間內(nèi)的彎曲部件的大體上的彎曲形狀。在此情況下，段56并不一定需要。因此，在有效檢測(cè)區(qū)域外，也可以與其他段56隔開(kāi)間隔，彎曲部件的長(zhǎng)度方向的段長(zhǎng)度也可以較大。

<彎曲部件的彎曲形狀推測(cè)方法>

接著，對(duì)在圖4所示那樣的彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)50中推測(cè)作為檢測(cè)對(duì)象物的彎曲部件(例如內(nèi)視鏡12的插入部26)的規(guī)定范圍的彎曲形狀的方法進(jìn)行說(shuō)明。

推測(cè)方法如圖20所示，由以下的7個(gè)步驟構(gòu)成。

首先，進(jìn)行分段(步驟S1)。該步驟是將向被檢體的管空間內(nèi)插入而進(jìn)行規(guī)定的作業(yè)的、作為彎曲部件的內(nèi)視鏡12的插入部26的具有撓性的規(guī)定的范圍分為多個(gè)段56、以使沿著該彎曲部件的長(zhǎng)度方向配置的多個(gè)被檢測(cè)部46分別有1個(gè)以上屬于該段的步驟。

例如，該分段在進(jìn)行將形狀傳感器52向作為彎曲部件的插入部26安裝的設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行、或一邊觀察實(shí)際裝入了形狀傳感器52的作為彎曲部件的插入部26的特性一邊進(jìn)行。如果是商品，則分段在工廠出貨之前進(jìn)行。

分段由于能夠離線執(zhí)行，所以既可以是設(shè)計(jì)者進(jìn)行，也可以是系統(tǒng)上或系統(tǒng)外的計(jì)算機(jī)執(zhí)行。

當(dāng)對(duì)圖10那樣的被檢測(cè)部46的配置進(jìn)行圖11那樣的分段時(shí)，如圖13所示，將向相鄰的段56分配的被檢測(cè)部46間的中點(diǎn)作為段邊界60。但是，如圖14A及圖15所示，在彎曲特性較大地變化的部分中，將變化的部分優(yōu)先作為段邊界60。

此外，如圖16至圖18所示，在彎曲特性在一部分中不同的情況下，根據(jù)彎曲容易度(相對(duì)于規(guī)定的彎曲力矩的彎曲量)、最大曲率的分布等來(lái)決定向相鄰的段56分配的被檢測(cè)部46間的段邊界60。

通過(guò)該分段得到的各段56的配置、長(zhǎng)度等的曲率信息以外的形狀推測(cè)所需要的信息被作為分段信息存儲(chǔ)到存儲(chǔ)部54中。

然后，形狀推測(cè)部24從存儲(chǔ)部54獲得分段信息(步驟S2)。該步驟是獲得各段56的配置、長(zhǎng)度等的曲率信息以外的形狀推測(cè)所需要的信息的步驟。該步驟在電源投入后初次進(jìn)行彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)50的處理的情況下等執(zhí)行。此外，在將該彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)50應(yīng)用到作為管狀插入系統(tǒng)的內(nèi)視鏡系統(tǒng)10中的情況下，對(duì)應(yīng)于來(lái)自內(nèi)視鏡系統(tǒng)10的控制裝置22的對(duì)象物形狀讀出請(qǐng)求來(lái)執(zhí)行該步驟。

接著，形狀推測(cè)部24獲得由用形狀傳感器52的被檢測(cè)部46檢測(cè)出的曲率信息(曲率或彎曲量)構(gòu)成的段信息(步驟S3)。具體而言，段信息由圖8所示那樣的作為相對(duì)于規(guī)定的彎曲方向(x方法及y方向)的曲率成分(1/Rx，1/Ry)或彎曲量成分(θx，θy)的第1曲率信息構(gòu)成。

只要是推測(cè)靜止?fàn)顟B(tài)的形狀者，也可以取入1次的段信息，但為了測(cè)量時(shí)時(shí)刻刻變化的彎曲部件的形狀，需要反復(fù)進(jìn)行反復(fù)取入和以下所示的形狀推測(cè)。

接著，形狀推測(cè)部24進(jìn)行各段56的形狀推測(cè)(步驟S4)。該步驟是基于在上述步驟S2中獲得的分段信息和在上述步驟S3中獲得的第1曲率信息來(lái)推測(cè)各段56的包括曲率、彎曲量、彎曲方向及彎曲形狀的至少1個(gè)的段形狀的步驟。

作為具體的推測(cè)的例子，如圖5至圖9、以及式1及式2所示，根據(jù)被檢測(cè)部46中的第1曲率信息，計(jì)算作為各個(gè)段56的每一個(gè)的曲率(1/R)、彎曲量(θ)或彎曲方向(α)的第2曲率信息，基于該第2曲率信息推測(cè)各段56的彎曲形狀、特別是假定為圓弧的情況下的形狀。

接著，形狀推測(cè)部24進(jìn)行通過(guò)段連接實(shí)現(xiàn)的對(duì)象物的形狀推測(cè)(步驟S5)。該步驟是將相鄰的段56基于在上述步驟S4中推測(cè)出的段形狀連接、推測(cè)內(nèi)視鏡12等的彎曲機(jī)構(gòu)的插入部26等的、作為對(duì)象物的彎曲部件的規(guī)定的范圍的形狀的步驟。

在該步驟中，進(jìn)行圖12所示那樣的連接，但在連接時(shí)，按照以下的規(guī)則進(jìn)行。

1)在段彼此的連接部，將段連續(xù)連接。

2)在段彼此的連接部，各個(gè)段端部的朝向(切線方向)一致。

3)在段彼此的連接部，沒(méi)有段56的扭轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)而將段連接。

將這樣連接的彎曲形狀設(shè)為作為對(duì)象物的彎曲部件的規(guī)定范圍的彎曲形狀。

然后，形狀推測(cè)部24將上述推測(cè)出的作為對(duì)象物的彎曲部件的規(guī)定范圍的彎曲形狀向顯示部55輸出(步驟S6)。另外，關(guān)于向顯示部55的顯示形態(tài)在這里沒(méi)有限定。

并且，形狀推測(cè)部24進(jìn)行形狀推測(cè)結(jié)束的判斷(步驟S7)。在該步驟中，確認(rèn)是否繼續(xù)形狀推測(cè)，在繼續(xù)的情況下向上述步驟S3返回，重復(fù)上述步驟S3至步驟S6。此外，在判斷為結(jié)束形狀推測(cè)的情況下，從該步驟S3至步驟S6的反復(fù)中脫離而結(jié)束。

另外，在結(jié)束的情況下，例如在進(jìn)行該彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)50的電源再投入或程序的再執(zhí)行等的情況下，只要從上述步驟S2再開(kāi)始執(zhí)行就可以。

通過(guò)采取這樣的方法，沒(méi)有不需要的處理，能夠簡(jiǎn)便且有效率地進(jìn)行作為測(cè)量對(duì)象物的彎曲部件的規(guī)定的范圍中的形狀推測(cè)。

以上，基于一實(shí)施方式說(shuō)明了本發(fā)明，但本發(fā)明并不限定于上述一實(shí)施方式，當(dāng)然在本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)能夠進(jìn)行各種各樣的變形及應(yīng)用。

例如，顯示部55也可以不包含在彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)50中，而配置在其外部。這樣的外部的顯示部也可以兼用作作為應(yīng)用了該彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)的管狀插入系統(tǒng)的內(nèi)視鏡系統(tǒng)10的顯示部16。在將顯示部55配置在彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)50的內(nèi)部或外部的情況下，從形狀推測(cè)部24直接將推測(cè)結(jié)果向顯示部55輸出。相對(duì)于此，在兼用作內(nèi)視鏡系統(tǒng)10的顯示部16的情況下，通過(guò)經(jīng)由內(nèi)視鏡系統(tǒng)10的控制裝置22間接地向顯示部16輸出，能夠在顯示部16上將內(nèi)視鏡觀察圖像和插入部26的規(guī)定的范圍中的彎曲形狀并列顯示，或?qū)烧咔袚Q顯示。

標(biāo)號(hào)說(shuō)明

10內(nèi)視鏡系統(tǒng)；12內(nèi)視鏡；14圖像處理裝置；16、55顯示部；18光源裝置；20光射出檢測(cè)裝置；22控制裝置；24形狀推測(cè)部；26插入部；28操作部；30前端硬質(zhì)部；32彎曲部；34撓性管部；36彎曲操作部；44光纖；46、46A、46A1～46A8、46B、46B1～46B8、46x、46y被檢測(cè)部；48反射部；50彎曲形狀推測(cè)系統(tǒng)；52形狀傳感器；54存儲(chǔ)部；56、56－1～56－8、56n段；58連接點(diǎn)；60、60c、60m、60s段邊界；62主動(dòng)彎曲部；64被動(dòng)彎曲部；66前端彎曲部；68手邊彎曲部；70剛體部；72代表段的點(diǎn)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)1：特開(kāi)2007－044412號(hào)公報(bào)