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JP2003528688A - 内視鏡を較正するための装置および方法 - Google Patents

内視鏡を較正するための装置および方法

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JP2003528688A
JP2003528688A JP2001572014A JP2001572014A JP2003528688A JP 2003528688 A JP2003528688 A JP 2003528688A JP 2001572014 A JP2001572014 A JP 2001572014A JP 2001572014 A JP2001572014 A JP 2001572014A JP 2003528688 A JP2003528688 A JP 2003528688A
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JP
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endoscope
holder
pattern
lens
tracking
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ラズール カデム，
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Leland Stanford Junior University
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Leland Stanford Junior University
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 内視鏡のレンズ位置および視野を較正する際に使用するための装置が開示される。この装置は、内視鏡のシャフトの固定位置に取り付けられている複数の追跡要素、内視鏡によって見られる物体またはパターンを提供するホルダーを備える（この内視鏡がホルダー内に配置され、該位置決め要素が、既知の位置でホルダーに取り付けられる場合）。この装置のプロセッサは、ホルダーガイドに内視鏡シャフトが受け入れらた状態で、追跡要素および位置決め要素の位置を決定し、そしてこの決定された位置から、追跡要素に対する内視鏡レンズの座標、およびレンズの視野を計算する。この装置を使用する較正方法がまた、開示される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の分野） 本発明は、内視鏡上の追跡要素に対して、内視鏡のレンズ位置および視野を較
正するための装置および方法に関する。
【０００２】 （参考文献）
【０００３】
【表１】 （発明の背景） コンピュータ補助方法は、現在、手術手順の間のリアルタイムナビゲーション
を提供し、これは、磁気共鳴（ＭＲ）およびコンピュータ連動断層撮影法（ＣＴ
）データからの３次元（３Ｄ）診断画像の分析および検査を含む（Ｖｉｅｒｇａ
ｖｅｒ）。内視鏡技術はまた、急速に発達し、小さな体腔において使用されるこ
とが可能な軽量の内視鏡を提供した。しかし、内視鏡は、可視な表面のみを表示
することが可能であり、そしてまた、不透明な組織の内部の光景を提供すること
の不可能性によって制限されている。内視鏡画像およびコンピュータ生成３Ｄ画
像の両方の組み合わせは、容量測定的に再構築された患者の画像を手術領域の内
視鏡での光景と重ねる、以前には利用可能ではなかった能力を提供する可能性を
有する。この技術は、外科医師が、可視表面を超えて見ることを可能にし、そし
て計画およびナビゲーション目的のための、「オンザフライ（ｏｎ−ｔｈｅ−ｆ
ｌｙ）」３Ｄ情報および２次元（２Ｄ）情報を提供し得る（Ｓｈａｈｉｄｉ、Ｖ
ｉｎｉｎｇ）。しかし、内視鏡の機能に関係する多くのパラメーターに起因して
、これらのデバイスの設定における複数の小さなエラーは、重ねられた内視鏡画
像の位置と患者の解剖的構造との間の最終的な相違に対する比較的大きくかつ蓄
積的な影響を有し得る。この理由のために、内視鏡の正確な較正および較正され
た内視鏡の正確な試験が、手術の質を保証するために必要とされる。本発明は、
この目的に関する。
【０００４】 （発明の要旨） 本発明は、１つの局面において、細長いシャフトおよび遠位端レンズを有する
内視鏡のレンズ位置および視野を較正する際に使用するための装置を包含する。
この装置は、内視鏡のシャフト上の固定位置に取り付けられた複数の追跡要素、
ホルダー内の内視鏡を整列し、そしてホルダー内の標的領域に含まれる３次元物
体を見るために内視鏡レンズを配置するように内視鏡が収容され得るガイドを有
するホルダー、ガイドおよび３次元物体またはパターンに対して既知の位置でホ
ルダー上に取り付けられた位置決め要素、ならびに追跡要素および位置決め要素
を感知するための感知デバイスを備える。これらの要素は、空間内の既知の物体
の位置および内視鏡の位置で既知の３次元物体を見る際に使用される。
【０００５】 この装置内のプロセッサは、以下の操作を行うために、感知デバイスおよびデ
ィスプレイデバイスに作動可能に連結される：（ｉ）追跡要素および位置決め要
素の位置を、ホルダーガイド内に収容される内視鏡シャフトを用いて決定する工
程、（ｉｉ）この追跡要素および位置決め要素の決定された位置を使用して、内
視鏡およびホルダーを共通の参照フレーム内に配置する工程、（ｉｉｉ）このデ
ィスプレイデバイスに、このホルダーガイド内に収容された内視鏡シャフトを有
する内視鏡により見えるような三次元ホルダー物体のビデオ画像を投影する工程
、（ｉｖ）三次元物体のモデル画像をこのディスプレイデバイスに投影し、この
三次元物体を既知のレンズ位置および視野から見えるように表示する工程、なら
びに（ｖ）２つの画像の相対的なサイズ、位置および配向についての情報を使用
して、追跡要素に対する内視鏡レンズの座標、およびこのレンズの視野を算出す
る工程。
【０００６】 好ましい実施形態において、２つの画像の相対的なサイズ、位置および配向に
ついての情報を使用する工程は、一方または両方の画像を、平行移動、回転及び
／または縮尺することによって、内視鏡およびモデル画像を手動で一致させ、そ
してこのような調節の方向および程度から追跡要素に対する内視鏡レンズの座標
およびレンズの視野を決定する工程を包含する。この情報は、レンズのゆがみを
補正するためにさらに使用され得る。
【０００７】 このホルダーは、このホルダー内またはホルダー上に内視鏡を収容して、この
ホルダーに対して既知の軸方向位置にこの内視鏡を配置するための構造体（例え
ば、ボア）を備え、そして好ましくは、既知の選択された内視鏡位置におけるホ
ルダー構造体内の内視鏡の軸方向位置を阻止するためのストップを備える。
【０００８】 この装置は、本発明の別の局面によると、内視鏡のレンズ位置および視野を較
正する際に使用される。この方法は、以下の工程を包含する：（ａ）上記のタイ
プのホルダー内に内視鏡を配置する工程、ならびに（ｂ）感知デバイスを用いて
、内視鏡追跡要素およびホルダー位置決め要素の位置を検出する工程であって、
ここで内視鏡シャフトはこのホルダー内に収容される、工程。
【０００９】 感知デバイスおよびディスプレイデバイスに作動可能に連結されたプロセッサ
は、（ｉ）内視鏡シャフトがホルダーガイド内に収容された状態で、この感知デ
バイスにより提供される入力から、追跡要素および位置決め要素の位置を決定し
、（ｉｉ）この追跡要素および位置決め要素の決定された位置を使用して、共通
の参照フレーム内に内視鏡及びホルダーを配置し、（ｉｉｉ）ホルダーガイド内
に収容された内視鏡シャフトを用いて、内視鏡により見られるような三次元ホル
ダー物体のビデオ画像をディスプレイデバイスに投影し、そして（ｉｖ）三次元
物体のモデル画像をディスプレイデバイスに投影して、既知のレンズ位置および
視野から見られるような三次元物体を表示し、そして（ｖ）２つの画像の相対的
なサイズ、位置および配向についての情報を使用して、追跡要素に対する内視鏡
レンズの座標およびレンズの視野を算出するように機能する。
【００１０】 好ましくは、この２つの画像は、使用者によって整列され、そして整列調整か
ら、プロセッサは、追跡要素に対する内視鏡レンズの座標およびレンズの視野を
算出する。このディスプレイデバイスは、第１および第２のスクリーン領域にビ
デオ画像およびモデル画像を別々に表示するための分割スクリーンまたは２つの
スクリーンを備え得、そしてこの整列工程は、以下の工程を包含し得る：（ｉ）
画像の一方を、他方の画像のおおよその配向の回転位置まで回転させる工程、（
ｉｉ）画像の一方を他方の画像のおおよそのサイズにサイズ決めする工程、（ｉ
ｉｉ）この２つの画像を重ね合わせる工程、ならびに（ｉｖ）この２つの画像が
重なるまで、画像の配向およびサイズの最終調整を実施する工程。
【００１１】 別の局面において、較正装置は、内視鏡レンズの位置、視野、および必要に応
じてビューベクトル（ｖｉｅｗ ｖｅｃｔｏｒ）および／またはレンズの歪みの
自動較正のために設計される。この装置は、内視鏡のシャフト上の固定位置で取
り付けられた複数の追跡要素、ホルダーの標的領域内に含まれる特徴パターンを
有するパターン支持体、このパターンに関して既知の位置においてこのパターン
支持体に取り付けられた位置決め要素、ならびにこの追跡要素および位置決め要
素を検出するための感知デバイス、を備える。
【００１２】 この装置内のプロセッサは、（ｉ）三次元のパターンの特徴を観察するために
選択された位置に配置された内視鏡を用いて、追跡要素および位置決め要素の位
置を決定し、（ｉｉ）この追跡要素および位置決め要素の決定された位置を使用
して、内視鏡およびホルダーを、共通の参照フレーム内に配置し、（ｉｉｉ）こ
の選択された位置において内視鏡により見られるような、このパターンの特徴の
画像座標を決定し、そして（ｉｖ）レンズ投影アルゴリズムを使用して、パター
ン特徴の画像座標およびこの共通参照フレームにおけるパターン特徴の既知の位
置から、この追跡要素に対する内視鏡レンズの座標およびレンズの視野を算出す
るように機能する。プロセッサは、レンズの歪みの影響を補正するようにさらに
操作可能であり得、その結果、ディスプレイデバイスに表示される内視鏡の画像
は、正確な透視画像である。
【００１３】 この装置は、ユーザーコントロールを備え得、このコントロールは、作動され
た場合、感知デバイスが、追跡要素および位置決め要素を検出し、そしてプロセ
ッサが内視鏡で見える画像を記録するように同時に信号を送る。このコントロー
ルにより、使用者は、内視鏡をホルダーに対して選択された観察位置に配置し、
そしてこの内視鏡が物理的にホルダー内に保持されていてもいなくても、内視鏡
の視野、ならびに内視鏡およびホルダーの位置の同時スナップショットを撮り得
る。
【００１４】 ホルダーパターンが平面である場合、この内視鏡ビューベクトルは、パターン
平面に対して垂直から少なくとも約３０°であり、プロセッサにビュー深さの情
報を提供しなければならない。あるいは、このホルダーは、湾曲した平面（例え
ば、半球状シェル）を含み得、この平面上にパターンが配置され、その結果、こ
のパターンは、内視鏡がパターンを観察し得る任意の選択された位置においてパ
ターン深さの情報を提供する。代表的なパターンは、比較的小さいスポットおよ
び比較的大きなスポットのアレイからなり、このアレイは、アレイの各領域が、
この中の小さなスポットおよび大きなスポットのパターンによって独自に同定さ
れ得るように配置される。
【００１５】 関連の局面において、本発明は、上記の装置を使用する内視鏡レンズの位置、
視野、ならびに必要に応じて、ビューベクトルおよび／またはレンズの歪みの自
動較正のための方法を包含する。この方法は、以下の工程を包含する：（ａ）パ
ターン支持体に関して選択された位置に内視鏡を配置する工程、ならびに（ｂ）
この選択された位置に配置された内視鏡と共に、感知デバイスを用いて、内視鏡
追跡要素およびホルダー位置決め要素の位置を検出する工程。感知デバイスおよ
びディスプレイデバイスに作動可能に連結されたプロセッサは、この方法におい
て、（ｉ）三次元のこのパターンの観察特徴について選択された位置に配置され
た内視鏡で、追跡要素および位置決め要素の位置を決定し、（ｉｉ）この追跡要
素および位置決め要素の決定された位置を使用して、共通参照フレームに内視鏡
およびホルダーを配置し、（ｉｉｉ）この選択された位置において内視鏡により
見られる、このパターンの特徴の画像座標を決定し、そして（ｉｖ）カメラ較正
アルゴリズムを使用して、このパターン特徴の画像座標および共通参照フレーム
のパターン特徴の既知の位置から、この追跡要素に対する内視鏡レンズの座標お
よびレンズの視野を算出するように作動する。
【００１６】 本発明のこれらおよび他の目的および特徴は、以下の本発明の詳細な説明を添
付の図面と共に読む場合、より十分に明らかとなる。
【００１７】 （発明の詳細な説明） 本発明の装置および方法は、２つの一般的な実施形態を参照して記載される。
第１の実施形態は、例えば、使用者による画像整合を用いて、実際の内視鏡画像
をモデル画像と整列する。内視鏡が選択された配向および位置においてホルダー
内に保持される場合、この内視鏡から見て、この内視鏡画像は、内視鏡ホルダー
により提供される三次元物体の画像である。モデル画像は、これが既知の視野を
有する内視鏡により見られ、そして物体からの所定の距離に配置される場合の三
次元物体の表示画像である。２つの画像を整列するために使用者により行われる
調整、およびホルダー物体に対する内視鏡の既知の位置から、プロセッサは、内
視鏡上の追跡要素に対する内視鏡のレンズ座標および回転座標、ならびに内視鏡
の視野および必要に応じてレンズの歪みを較正する。この一般的な実施形態は、
第１の較正装置および方法と本明細書中で称される。
【００１８】 第２の一般的な実施形態において、ホルダーは、内視鏡がホルダーに関して選
択された位置に配置される場合、例えば、深さ特徴を有する三次元で観察され得
る特徴パターンを提供する。次いで、このパターンの内視鏡画像は、所定の内視
鏡位置および配向から見られるような、モデルパターンとカメラ較正アルゴリズ
ムによって整合されて、内視鏡上の追跡要素に対して内視鏡レンズの位置および
配向、ならびに内視鏡の視野およびレンズの歪みを較正する。この実施形態はま
た、本明細書中で、第２の較正装置および方法と称される。
【００１９】 （Ａ．第１の較正装置および方法） 図１Ａおよび１Ｂは、本発明に従って構築される内視鏡較正装置を例示する。
例示的な内視鏡８は、中心軸１０を規定する細長シャフト１６、および遠位レン
ズ１２（このビューベクトル、すなわちビューの方向は軸１０と整列される）を
有する。
【００２０】 較正手順は、部分的に、内視鏡に取り付けられた位置決め追跡アセンブリ１４
と内視鏡のシャフト１６および先端部１８との間の幾何学的関係を確立する工程
を包含する。手術において内視鏡８を使用する間、追跡システム２０は、追跡ア
センブリのみの位置および配向を追跡する。従って、（１）表示される３Ｄ容量
斜視画像の位置、配向および視野（ＦＯＶ）角を正確に選択し、そして（２）内
視鏡から得られる実際の画像と操作前の２Ｄスキャンから得られる３Ｄ容量透視
画像とを正確に合わせるために、追跡アセンブリ１４と内視鏡のシャフトおよび
先端部との間の相対位置は、内視鏡の使用前に決定されなければならない。
【００２１】 図１Ａおよび１Ｂは、内視鏡８に取り付けられた追跡アセンブリ１４を示す。
このアセンブリは、クリップ２２のような取り外し可能デバイスを使用すること
によって取り付けられ得る。図１Ａおよび１Ｂに示されるように、このアセンブ
リは、好ましくは、内視鏡８の近位端２４、例えば、この内視鏡のハンドル２６
に取り付けられる。このアセンブリは、アセンブリ上の固定された直線位置に位
置する少なくとも３つの直線状追跡要素２８（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ
））を提供する。この追跡要素は、図１Ａおよび１Ｂに示されるように、平面に
非同一直線上に配置される。この配置は、例にすぎない。デバイスの三次元座標
、ならびに接続された内視鏡の迎え角θ２およびねじれ角αを決定するためには
、６の自由度を有するデバイスの運動に関する情報を提供し得る他のタイプの追
跡アセンブリが適切である（以下に記載されるように）。
【００２２】 例示される実施形態において、追跡要素２８（例えば、ＬＥＤ）は、内視鏡８
から見えるところに感知デバイス３２に取り付けられた複数の赤外線検出器３０
により検出されるパルス化した赤外線シグナルの連続ストリームを放射する。内
視鏡および感知デバイスの両方は、追跡コントローラ３１と連絡しており、この
コントローラ３１は、ＬＥＤによるパルス放出のタイミングおよび同期化を制御
し、検出器３０により受信される赤外線シグナルの記録および処理を制御する。
追跡コントローラは、ＣＰＵ３４と連絡しており、このＣＰＵ３４は、追跡コン
トローラから受信したデジタルシグナルを処理する。追跡デバイス１４、感知デ
バイス３２および追跡コントローラ３１は、光学追跡システム（ＯＴＳ）の一部
を形成する。このＯＴＳは、ソフトウェアにより制御され得、このソフトウェア
は、メモリー５６に常駐し、そして追跡コントローラからの入りシグナルを処理
するためのＣＰＵにより実行されて、内視鏡の位置および配向を示すデータおよ
び画像を生成する。このＯＴＳは、連続的なリアルタイムベースで、位置データ
および配向データを生成し得、その結果、本明細書中で記載されるように、較正
の間、または内視鏡８が手術の間に移動される場合、その位置および配向は、感
知デバイス３２によって連続的に追跡され、そしてメモリー５６に記録される。
このＯＴＳは、「フラッシュポイント３−Ｄ光学ローカライザー」（これは、Ｇ
ｕｉｄｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ Ｂｏｕｌｄｅｒ、Ｃｏｌｏｒａ
ｄｏから市販され、米国特許第５，６１７，８５７号および同第５，６２２，１
７０号に記載されるシステムと類似している）として知られるタイプであり得る
。しかし、上記のように、本発明は、いずれの特定のＯＴＳにも限定されず；他
の位置追跡システム（例えば、音響位置検出システム、磁気追跡システム、また
は無線送信機）もまた使用され得る。
【００２３】 図１Ａおよび１Ｂにおいて、ベースプレート３８を備えるホルダー３６もまた
示される。このホルダーは、位置決め要素４０を備え、この要素４０は、ガイド
４２に関して既知の位置に取り付けられたＬＥＤの形態であり得る。示される実
施形態において、このガイドは、図１Ａに示されるように、内視鏡をスライド可
能に収容するためのこのガイドを通るチャネル４４を有する。内視鏡８がガイド
４２内に保持される場合、図１Ｂに示されるように、内視鏡上の選択された基準
点は、ガイド４２内の既知の位置に配置される。例えば、位置決め要素４０に関
してガイドの低い方の末端部４６の位置が予め決定され、そして内視鏡８がこの
ガイドに挿入される場合、この先端部１８の位置が、既知の基準点になる。この
位置は、例えば、選択した位置で内視鏡の軸移動を阻止するストップをこのホル
ダー内に設けることによって、または内視鏡上にリングまたは他のストップ部材
を配置して、ホルダーガイド内の内視鏡の軸方向の移動を同様に阻止することに
よって、確立され得る。
【００２４】 従って、機器上の先端部または他の基準点が位置決め要素４０に関して固定さ
れるように、この機器がガイド内にぴったりとフィットすることが、較正手順お
よび補正手順に重要である。好ましくは、この機器の先端部は、ガイド内で中心
に配置される。従って、チャネルは、特定の機器または機器のタイプを収容する
ために、専用の直径を有し得る。あるいは、チャネルホルダーは、手動で（例え
ば、ネジ、チャックまたは等価なデバイスを用いて）または自動で（例えば、モ
ーター−ギアアセンブリを用いて）調節され得る可変直径を有し得る。
【００２５】 例示される実施形態のうちの１つにおいて、このチャネルは、較正を必要とす
る多くの異なるタイプの医療機器を収容するのに十分大きな固定された直径を有
し得る。この場合では、小さい方の直径の機器は、内視鏡シャフトにわたってシ
ースなどを用いることにより、大きい方の直径のチャネルホルダーを使用して較
正され得る。このようなシースは、ホルダーチャネルの直径よりわずかに小さい
外径、および内視鏡シャフトの直径よりわずかに大きい内径を有する。
【００２６】 較正の前に、内視鏡−シースアセンブリは、矢印４８の方向でガイド４２に挿
入され、そして角度θ２でガイド内でぴったりと保持され、この角度θ２は、位
置決め要素４０に関して予め規定されている。迎え角θ２は、図１Ｃに示され、
この角度で、内視鏡８は座標系内に矢印５０により表される。
【００２７】 較正手順は、任意の従来の入力デバイス５４（例えば、フットペダル、ボイス
コマンド、マウス、スタイラス、またはキーボード）によって実行され得るユー
ザーコマンドにより開始される。
【００２８】 較正の間、この内視鏡は、ガイド４２内に入れられたままであり、この時間の
間に、ＬＥＤ２８および４０は、内視鏡上の位置決め要素４０および追跡デバイ
ス１４の両方から見て、感知デバイス３２の上に取り付けられた検出器３０によ
り追跡される。次いで、これらのシグナルは、追跡コントローラに中継され、こ
の追跡コントローラは、図１および２に示されるように、感知デバイス３２と連
絡しており、ここで、追跡デバイス１４および位置決め要素１４の相対的な位置
よび配向が決定される。より詳細には、追跡コントローラまたはＣＰＵは、それ
ぞれ、追跡要素２８および位置決め要素４０の相対的な位置および配向を決定し
、そしてこれらの相対的な位置から、内視鏡８上の基準点に対する追跡要素２８
の位置を決定する。例えば、この追跡システムまたはＣＰＵは、先端部１８の位
置に対する追跡デバイス１４の位置および配向、ならびに内視鏡のシャフト１６
の配向を決定する。これらの関係は、手術中に後の使用のために、メモリー５６
に保存される。追跡デバイスおよび内視鏡に関する幾何学的データは、コンピュ
ーターメモリー５６に保存され、そして引き続く手術手順の間全体にわたって不
変である。同じ追跡デバイス１４が取り出され、そして別の医療機器に配置され
る場合、別の較正手順が実行される。
【００２９】 上記のように医療機器を較正することは、引き続く手術手順の間のこの機器の
より正確な追跡を可能にするだけでなく、内視鏡レンズ１２のＦＯＶ角θ１を確
立するプロセスを改良して、手術手順の間の内視鏡画像と手術前または手術中の
スキャンデータから構築された３Ｄ斜視容積画像との正確な融合も可能にする。
これら２つのタイプの画像を融合する際、画像が一緒に登録され得るように、内
視鏡生成画像およびコンピューター生成画像の両方によって、同じＦＯＶ角を使
用することが重要である。
【００３０】 このために、ホルダー３６は、内視鏡が、ホルダー３８内に配置される場合、
三次元較正パターン、または内視鏡レンズ１２により観察するための、ホルダー
内のステージ６２上で支持された物体６０（ここでは、正角錐）を含む。すなわ
ち、この物体またはパターンは、チャネルの基部に形成されるキャビティ内に配
置され、好ましくは、この物体またはパターンがチャネル４４に挿入され、そし
てこのパターン（このパターンの位置および配向は、位置決め要素４０に対して
正確に知られている）を目的とする場合に、挿入された内視鏡の中心軸１０と整
列されるように、中心に配置される。１つの好ましい実施形態において、この物
体は、三次元形状の物体（例えば、正角錐）である。別の場合、この物体は、持
ち上がった物体の格子である。いずれの場合においても、物体の内視鏡画像は、
三次元の深さ特徴を有する。
【００３１】 図２Ａは、ホルダー内の選択した位置に配置された場合の物体が内視鏡により
見られる場合に、ステージ６２上で支持される正角錐６０の上面図である。レン
ズにより見られるような画像（「ビデオ画像」または「内視鏡画像」と呼ばれる
）は、図２Ｂの６０ａに示される。本発明を実施する際、図３Ａ〜３Ｅを参照す
ると、このビデオ画像は、２スクリーンディスプレイデバイスの一方のスクリー
ンＡに表示され、この２スクリーンディスプレイデバイスは、分割領域Ａおよび
Ｂを有する一分割スクリーンまたは２つの別のディスプレイスクリーンＡおよび
Ｂのいずれかである。同じ物体のモデル画像６５ａは、第２スクリーンまたはス
クリーン部分Ｂに表示され、そして物体に対して既知のレンズ位置および既知の
ビューベクトル（代表的には、内視鏡シャフトと整列される）において、既知の
視野を有するレンズにより見えるものと同じ物体のスクリーン画像である。以下
に例示および記載される方法において、使用者は、両方の画像の一方を操作して
、この画像を整列する。これらの操作は、以下の工程を包含する：（ｉ）一方ま
たは両方の画像を平行移動する工程、すなわち、この画像を横方向（ｘ）または
上下方向（ｙ）に移動する工程；（ｉｉ）固定された軸のまわりで画像の一方ま
たは両方を回転させる工程；および（ｉｉｉ）例えば、ｘ方向およびｙ方向のい
ずれかまたは両方で、この画像を拡大または縮小するために、一方または両方の
画像の縮尺を変える工程。次いで、両方の画像を整列させるためにこの両方の画
像に対して行われる調整の程度は、モデル画像とビデオ画像との間の位置、回転
および視野の変換についての適切な変換を決定し、従って、図４および５を参照
して記載されるように、追跡要素に対するレンズ位置および内視鏡回転位置、な
らびに内視鏡レンズの視野を決定するために使用される。
【００３２】 図３Ａ〜３Ｅは、ビデオ画像６０ａとモデル画像６５ａとの整列のためにユー
ザによって用いられる、画像調節の型を示す。最初に、ビデオ画像（例えば、図
３Ａに示される）が、ｘ，ｙ調節によって、図３Ｂに示されるように、スクリー
ンの中央に向けて移動される。次いで、この画像は拡大されて、このスクリーン
の大部分を満たす（図３Ｃにおいて拡大画像６０ａ’によって示される）。図３
ＤのスクリーンＢは、スクリーンの中央部で、所定の回転位置にあるモデル画像
６５ａを示す。ユーザは、図３Ｃにおける画像６０ａ’の位置と類似の位置にこ
の画像を回転させ、次いでこの画像をおおよそ画像６０ａの大きさに拡大して、
図３Ｅに示す回転された拡大画像６５ａ’を与える。これら２つの画像（これら
はここで、ｘ，ｙ位置、回転位置、および縮尺がおおよそ一致している）は、図
に示されるように重ねられて、ユーザが最終的な位置および縮尺の調節を行い、
これら２つの画像を整列させることを可能にする。
【００３３】 ここで記載した画像一致操作を、図４に流れ図の形態で示す。最初に、８２に
あるように、スクリーン（図３Ａおよび３Ｂ）においてｘ，ｙ調節を制御するこ
とによって、ビデオ画像が中心合わせされ、次いで８４にあるように、そして図
３Ｃに示されるように、ビデオの視野を最大にするように倍率変更される。次い
で、８６にあるように、これら２つの画像の一方（この場合には、モデル画像）
が他方に一致するよう回転され、８８にあるように、これら２つの画像におおよ
そ同じ大きさを与えるよう倍率変更され、そして９０にあるように、これら２つ
の画像をスクリーンの中央に配置するよう並進される。これら２つの画像（これ
らはここで、スクリーン上での位置、大きさおよび配向がおおよそ同じである）
は、９２にあるように、ここで重ねられて、これら２つの画像が正確に整列する
まで、さらなる微調節を可能にする。
【００３４】 図５は、本発明の装置を用いる、較正方法を実施する際の工程を示す。好まし
くは、較正（ＦＯＶ角度の決定を含む）は、内視鏡がホルダ３６内に保持されて
いる間に、他の任意のこのような手術前器具調節手順と同時に実施される。
【００３５】 図５の６６に示されるように、パターンおよび内視鏡が適切に位置した後に、
内視鏡上での追跡要素の位置およびホルダ上での配置要素の位置は、６８にある
ように、感知デバイスによって記録され、そしてＣＰＵ（またはプロセッサ）に
格納される。同時に、内視鏡は、パターンの画像を捕獲し、この画像が、図１Ａ
に概略的に示す適切なビデオケーブルを通してＣＰＵに送信される。このビデオ
画像が処理され、そして上記のように、そして図５の７２に示されるように、デ
ィスプレイスクリーン６２に、コンピュータによって作製された、同じ物体また
はパターンのモデルと並べて、表示される。上記のように、このモデル画像は、
光学特性（例えば、焦点距離、ＦＯＶ角度、およびパターンまたは物体までの距
離）が変化し得るカメラ画像をシミュレートする。コンピュータにより作成され
た透視モデルについてのデータが、コンピュータメモリ５６から検索される。適
切なディスプレイデバイスの例は、図１Ａに示すような、ＣＲＴモニタ６４であ
る。
【００３６】 これら２つの画像は、７４にあるように、上に記載しそして図３および４に関
して説明される方法に従って、調節される。これらの調節から、７８にあるよう
な、計算されたｘ，ｙ座標およびＦＯＶ角度を有する内視鏡によって見える画像
を再構築するための、画像再構成システムによる使用のための、レンズのｘ，ｙ
位置、視野、および必要に応じてレンズの歪みが、７６にあるように、計算され
る。
【００３７】 感知デバイスによって記録される、追跡要素および配置要素の位置は、８０に
あるように、内視鏡レンズのｚ位置（内視鏡の軸に沿った位置）を決定するため
に使用される。ビデオ画像をモデル画像と整列させるために必要とされる回転の
量から、追跡要素に対する内視鏡の回転位置もまた、決定される。視線ベクトル
もまた、内視鏡のシャフトと整列していない場合には、追跡要素に対して決定さ
れ得る。
【００３８】 上記組み合わせた較正を用いて、このシステムはここで、内視鏡追跡要素に対
する内視鏡レンズの座標、回転位置および視線ベクトル、ならびに内視鏡レンズ
の視野を知っている。従って、空間中の任意の所定の位置に配置された内視鏡、
および追跡要素の座標の知見を用いて、このシステムは、視覚的画像（例えば、
内視鏡によって見られた場合の表面下画像）を、既知の較正されたレンズの座標
、回転位置、視線ベクトル、および内視鏡の視野に基づいて、再構築し得る。
【００３９】 画像の一致は、手動で実施され得るか、または以下の「第二の装置および方法
」に関して記載されるように、自動化手順を包含し得る。上で議論したように、
画像の手動での一致は、シミュレートされたカメラのＦＯＶ角度を変化させて、
ビデオがモデル画像と同じ大きさを現すようにすることを包含する。自動一致は
、ＣＰＵによって、画像内に見られる格子の数の計算または計数、ならびに格子
の数およびパターンと内視鏡との間の距離に基づくＦＯＶの決定を包含する。一
致の後に、３Ｄ透視画像のＦＯＶ角度が決定され、そしてメモリ５６に格納され
、そして引き続いて表示される全ての適切な３Ｄ透視画像に適用される。
【００４０】 本発明の別の局面において、ＣＰＵはさらに、表示される内視鏡画像が真の透
視画像であるように、２つの画像の大きさおよび配向を一致させるユーザによっ
て、内視鏡レンズの歪み効果について補正するために操作可能である。例えば、
全ての実際のレンズから生成される画像は、このレンズの湾曲した表面に起因し
て、球状に歪むことが公知である。
【００４１】 例えば、内視鏡レンズ１２によって得られた画像６０は、魚眼歪みまたは糸巻
き型歪みのような様式で、歪んで見え得る。本発明によって、この歪み効果を補
償するために、３Ｄ透視画像が、内視鏡８によって得られた歪んだ画像６０に一
致するように改変されてモーフィングされ得る。
【００４２】 記載される実施形態において、３Ｄ透視画像は、内視鏡によって生成されたビ
デオ画像に一致するように、調節される。しかし、代替の実施形態において、内
視鏡によって生成された画像６ｏ自体が、当業者に公知の画像処理手段によって
、調節され得る。内視鏡によって得られた画像は、球形の歪み（例えば、ガウス
座標系（平面画像）において見られるように見える）を最小化または排除するよ
うに、調節され得、その後、３Ｄ透視画像と一致され得る。
【００４３】 レンズの歪みの補正は、画像６０内の格子点の各々の座標を決定および記録す
ること、ならびに更新された歪みモデルに対する費用関数を反復して最小化する
ことによって、実施され得る。費用関数は、記録された座標と、作業中の歪みモ
デルに対して予測された座標との間の誤差の、根平均自乗（ＲＭＳ）値であり得
る。歪みモデルは、半径方向歪み、非点収差歪み、角の歪みなどを含み得る。
【００４４】 本明細書中に記載される較正手順の間になされる補償は、メモリ５６内に残り
、そして引き続いて表示される全ての適切な３Ｄ透視画像または内視鏡画像に適
用される。
【００４５】 先に記載したように、本発明の種々の局面は、ＣＰＵ３４によって実行される
命令のプログラム（例えば、ソフトウェア）によって実行され得る。１つのこの
ような局面は、ユーザ入力データ、ならびに追跡要素２８および位置要素４０の
それぞれの相対位置および配向を決定するデータを処理すること、ならびにこれ
らの相対位置から、内視鏡上の参照点（すなわち、チップ１８）に対する追跡要
素２８の位置を決定することを含む。ソフトウェアに依存しないものであり得る
、本発明の別の局面は、ＦＯＶ角度θ１の決定、ならびに歪みとオフセットとの
補償手順に関連して、画像を作成し、そして表現するための、データの処理であ
る。
【００４６】 このような作業のためのソフトウェアは、ＣＰＵによる実効のために、メモリ
５６からフェッチされ得る。メモリ５６は、ＣＰＵと通信しており、そしてラン
ダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）および／またはリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）
を含み得る。このソフトウェアは、メモリに運ばれ得るか、あるいは実施のため
のＣＰＵに直接、ＣＰＵ３４と通信する適切なディスクドライブ、モデムなどを
介して、送信され得る。より広義には、ソフトウェアは、ＣＰＵによって読み取
り可能な任意の媒体によって運ばれ得る。このような媒体としては、例えば、デ
ィスクまたはテープのような種々の磁気媒体、コンパクトディスクのような種々
の光媒体、ならびにソフトウェアに送信するようコードされた搬送波を含む、ネ
ットワークまたはインターネットを介して送信される信号を含む、電磁スペクト
ルにわたる種々の通信経路が挙げられ得る。
【００４７】 ソフトウェアの実行の代替として、本発明の上記局面は、別個のコンポーネン
ト、用途特定集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号処理回路などを使用する、機
能的に等価なハードウェアを用いて実行され得る。このようなハードウェアは、
ＣＰＵと物理的に統合され得るか、またはコンピュータの利用可能なカードスロ
ットに挿入され得るコンピュータカードに埋め込まれ得る、別個の要素であり得
る。
【００４８】 従って、本発明の上記局面は、ソフトウェア、ハードウェア、またはこれらの
組み合わせを使用して、実行され得る。説明および図面は、当業者に、システム
を実行して必要な処理を実施するために必要な機能的情報を提供する。
【００４９】 （Ｂ．第二の較正装置および方法） 図６は、本発明の別の一般的な実施形態に従って構成された、内視鏡８２のレ
ンズの位置、配向、視野、および必要に応じてレンズの歪みを較正するための、
内視鏡較正装置を示す。上記のように、内視鏡８２は、遠位端のレンズ８６で終
結する細長シャフト８４を備え、このレンズは、内視鏡シャフトの軸に沿って見
るために設置され得るか、または角度の付いた視線ベクトル（例えば、このシャ
フト軸に対して３０°の角度である）を有し得る。本発明のこの実施形態の重要
な特徴によれば、そして以下に見られるように、この内視鏡は、視線ベクトルが
このシャフト軸と整列している場合には、ホルダに物理的に接続されることなく
較正され得る。
【００５０】 内視鏡のハンドル８８は、このスコープを好都合にガイドするために使用され
、そしてこの内視鏡が装置上に配置されるかまたはこの装置に対して選択された
位置でユーザによって保持される場合にユーザが起動させて較正操作を開始する
、制御ボタン（図示せず）を備える。このボタンは、示されるように、制御要素
を装置に接続する。最後に、この内視鏡は、上記のように、手術環境の座標系に
おける内視鏡の位置を追跡するための、４つの追跡要素（例えば、要素９５）を
有する追跡アセンブリ９０を備える。上記のように、少なくとも３つの非線形追
跡要素が必要とされる。
【００５１】 装置８０は、ここに記載した内視鏡追跡アセンブリに加えて、ホルダ９４およ
び特徴パターン９８を備え、このホルダ９４は、クレイドル９６（シャフトをホ
ルダに対して既知の配向に保持するために、このクレイドルの中に内視鏡のシャ
フトが配置され得る）を提供し、そしてこの特徴パターン９８は、第一の実施形
態において使用した三次元物体と類似の、この方法において使用される較正パタ
ーンである。平坦かまたは湾曲した種々の表面パターンが、図７および８に関し
て以下に説明される。この点において、好ましくは、このパターンの任意の領域
がその領域のパターンによって独特に同定されることを可能にし、そして（ｉｉ
）このパターンが、パターン深さ情報を提供するように、内視鏡レンズによって
観察される、特徴（例えば、点または異なる大きさのパターン）のアレイをこの
パターンが有することのみが、注目される。以下に見られるように、このことは
、平坦なパターン（図７Ａおよび７Ｂ）をある角度において観察すること、また
は湾曲した表面（例えば、半球シェル）上に形成されたパターン（図８Ａおよび
８Ｂ）を観察することによって、達成され得る。
【００５２】 ホルダー９４はまた、上記もされているように、外科環境の座標系においてホ
ルダーの位置を追跡するため、４つの位置決め要素（例えば、要素１０２）を有
する追跡アセンブリ１００を設けられる。このホルダーおよび内視鏡の位置は、
本発明の第１の実施形態について記載されたように、内視鏡較正操作の間、２つ
の追跡アセンブリからのシグナルを受容するために、または２つの追跡アセンブ
リにシグナルを放射するために適切な固定位置に固定されている、検知デバイス
１０４によって、追跡される。この検知デバイスは、追跡コントローラー１０６
に作動可能に接続され、このコントローラーが次にＣＰＵ１０８およびメモリー
１１０を有するプロセッサー１０７に作動可能に接続され、ディスプレイデバイ
スまたはモニター１１４に接続され、そして入力デバイス１１２から選択された
ユーザー入力を受け取る。本発明の較正方法を実行するにおいて、プロセッサー
の操作上の特徴は、下記の操作方法から明白である。
【００５３】 図７Ａは、本発明における使用に適切な、そして上記の型のホルダーにおいて
平坦表面上に支持されている平面特徴パターン１２０を示す。詳細には、このパ
ターンは、内視鏡シャフトがホルダークレイドル中に配置される場合、内視鏡の
視野ベクトルの軸から好ましくは少なくとも約３０°の角度で平坦表面上に保持
される。従って、例えば、視野ベクトルが内視鏡ハンドルと整列されている場合
、ハンドルの軸は、このパターンの表面に対して垂直な線と少なくとも約３０°
の角度をなす。このパターンは、比較的小さいドットまたはスポット１２２、お
よび比較的大きいドット１２４のアレイから構成され、２つのクラスのドットが
、異なるサイズ（示すように）、異なる色、または異なる形状によって特徴付け
られ得ることが認識される。
【００５４】 図７Ｂは、例えば、内視鏡がホルダー内に揺籃され、そして視野ベクトルがこ
の内視鏡シャフトと整列される場合、内視鏡レンズを通してみられるように、そ
れぞれ大きいドットおよび小さいドット１２４ａ、１２２ａの同じパターン１２
０ａを示す。理解され得るとおり、この小さいドットおよび大きいドットのパタ
ーンによって、みられている各々の特定の領域およびみられている各々のパター
ンスポットが、この平坦パターンにおける特定のドットで同定されることができ
るようになる。さらに、隣接するドットの間の間隔が、みられるように、パター
ン−深度およびレンズ歪曲の両方の情報を提供する。
【００５５】 図８Ａは、ホルダー中の半球状シェル１３２の内部上に形成された特徴パター
ン１３０を示す。このパターンは、大きいドットおよび小さいドット（例えば、
ドット１３４、１３６）から構成され、このパターンの各領域において２つの異
なってサイズ決めされたドットの特有の整列を有する。図８Ｂの１３０ａに示さ
れる内視鏡レンズを通じて見えるものと同じパターンが示される。理解され得る
ように、異なるサイズ決めされたドット（例えば、大きいドット１３６ａおよび
さらに小さいスポット）の整列に基づいて、および画像において、このパターン
における各ドットとこの画像におけるドットスポットとの間の対応は、容易に決
定され得、従って、この画像におけるドットの間およびドットの中での距離の関
係は、内視鏡レンズを通してみられる場合、そしてまたレンズ歪曲によって影響
される場合、容易に定量され得る。
【００５６】 図９は、この装置においてユーザーおよびプロセッサによって実行される、本
発明の方法における工程のフローチャートである。最初に、ユーザーは、ホルダ
ー中の特徴のパターンの内視鏡視のために、１５０のように、このホルダーに関
して選択された位置に内視鏡を配置する。上記のように、この視野ベクトルが、
内視鏡シャフトと整列される場合、このホルダーのクレイドル中に内視鏡シャフ
トを配置する必要はなく、深度情報を提供する位置でこのホルダーパターンを見
るために内視鏡を配置する必要しかない。このホルダーが平坦パターンを提供す
る場合、この内視鏡は、パターン平面に対して垂直な線に対して少なくとも３０
°の角度で配置されるべきである；湾曲した表面上に形成されたパターンについ
て、種々の視角度が選択され得る。内視鏡内に同時に生じない視野ベクトルを有
する内視鏡について、この内視鏡シャフトは、既知の内視鏡シャフト方向を提供
するように、このホルダークレイドルに配置されなければならない。
【００５７】 次に、ユーザーは、１５２のように、装置にシグナルを伝達して、内視鏡トラ
ッカー（追跡装置）要素およびホルダー位置決め要素の位置を記録し、そして同
時に、１５４のように、記録された位置で内視鏡画像を記録する。図７Ａおよび
８Ｂに示されるような生成されたビデオ画像は、１５６のように、このプロセッ
サによって自動的に強化され、次いでこのプロセッサは、１５８のように、画像
内の各ドットのサイズ（特徴検出）およびｘ、ｙ座標を記録する。このシグナル
伝達はまた、内視鏡およびホルダーが、いくつかの所定の期間で固定された較正
位置で保持される場合に生じるように設計され得る。
【００５８】 ビデオ画像は、１６０に示されるプロセッサカメラ較正アルゴリズムによって
処理され、以下：（ｉ）内視鏡レンズのｘ、ｙ、ｚ座標、および内視鏡追跡要素
に関する内視鏡視野ベクトルの方向、ならびに（ｉｉ）内視鏡レンズにおける視
野、および必要に応じてレンズ歪曲、を決定する。用いられるアルゴリズムはい
わゆるカメラ較正アルゴリズム（例えば、Ｔｓａｉによって報告されたアルゴリ
ズム）である（Ｔｓａｉ）。このアルゴリズムへの入力パラメーターは、内視鏡
ビデオ画像における、１セットの既知のポイントの世界座標（ｘ，ｙ，ｚ）およ
びその対応するｕ、ｖ座標である。この特徴は、カメラ画像において同定され、
そして参照パターンに対してマッピングされる；この方法で、この特徴の実世界
座標が見出され得る。ポイントの収集が世界座標においてｘ、ｙ、およびｚを横
切って分布され、そして可能な限り大きいカメラ画像を満たす場合、最良の結果
が得られる。
【００５９】 例えば、図７Ａおよび７Ｂの平坦ドットパターンを有する装置において、この
ドットの世界座標は、この較正ユニットに剛性に接続された追跡ツールに対して
規定される。次いで、普遍的なトラッカー（追跡装置）を装備された内視鏡は、
このパターンの中心から選択された距離、例えば、１５ｍｍでそのレンズを有す
るホルダー中に配置される。ｚ方向においてこのポイントの十分な分布を達成す
るために、望遠鏡レンズ視野方向は、パターン平面に垂直から３０°の角度に制
約されている。
【００６０】 図９に示すように、このアルゴリズムは、最初に、１６０のように、カメラ座
標系における多数のカメラパラメーターを算出する。この装置の追跡特徴からの
位置情報を用いて、レンズ座標および視野方向が次いで、１６２のように、追跡
システムの座標系に配置される。さらなる特徴として、パターンに対する垂直方
向と視野ベクトルとの角度が算出され、そして３０°未満の場合、（平坦パター
ンに関して）ユーザーは、第二記録の選択を有し、さらに正確かつ信頼性のある
較正を達成し得る。このシステムからの較正情報は、次いで、画像ガイド内視鏡
手順における使用のための画像システムに供給され、これによって内視鏡の位置
およびＦＯＶからの３次元画像の再構成が可能になる。
【００６１】 このアルゴリズムによって決定されるパラメーターのうち１つは、立体ラジア
ル（ｃｕｂｉｃ ｒａｄｉａｌ）レンズ歪曲モデルの係数である、レンズ弯曲パ
ラメーターκ１である。３次元（３Ｄ）透視レンダリングエンジンへのこの非曲
線モデルの取り込みは、能力の低下を生じ；このレンズ歪曲補正が省かれる場合
、バーチャル（仮想）内視鏡の有効ＦＯＶに関して選択がなされるべきである。
このＦＯＶが、物理的な内視鏡のＦＯＶに適合するように設定される場合、この
結果は、仮想画像の中央部分がビデオ画像の中央部分よりも小さいことである。
この効果は、所望されない。なぜなら、これは、外科医にとって目的の主な領域
であるからである。ここで、「一定半径線形補正（ｃｏｎｓｔａｎｔ−ｒａｄｉ
ｕｓ ｌｉｎｅａｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）」と名付けられた別の方法は
、各画像における目的の領域の半径が等しくなるように、バーチャル（仮想）Ｆ
ＯＶの倍率を変更することである。
【００６２】 図１０は、線形補正方法における工程を示すフローチャートである。第一工程
として、ユーザーは、１７０のように、画像の中心に最も近いＰ１ポイントを見
出す。次いで１７２のように、内視鏡画像にとって主な目的の画像領域を示す画
像野内の円、およびこの円の端に最も近い第二のＰ２ポイントを選択する。例え
ば、Ｐ１からの距離が画像の総半径の約半分である、ポイントＰ２を位置決めし
得る。１７４のように、物理的なＰ１ポイントおよびＰ２ポイントの２つのポイ
ントの正確な座標を用いて、較正アルゴリズムを用いて、このカメラの物理的位
置を算出し、これから１７６のように、カメラと２つの選択された物理的ポイン
トとの間の角度を算出する。次いで、内視鏡の視野は、１７８のように、完全画
像半径／Ｒ×２（算出した角度）の比として算出される。
【００６３】 例えば、最初に算出されたＦＯＶが６０°と仮定すると、全画像の半径は１０
インチであり、縮小された画像の半径は５インチであり、そしてＰ１ポイントと
Ｐ２ポイントとの間のＦＯＶは１２°である。従って、較正されたまたは補正さ
れたＦＯＶは、１０／５×２４°、すなわち４８°である。実際の６０°のＦＯ
Ｖではなく、４８°のＦＯＶを有する内視鏡によって示されるように、画像を再
構築することによって、この再構築された実際の画像は、この画像の中央領域に
密接に一致し得る。
【００６４】 本発明の種々の目的および特徴を満たす方法は、前述から理解され得る。両方
の実施形態において、内視鏡は、容易に較正され、その結果以下：（ｉ）追跡要
素によって決定される場合、その位置は空間であり、このレンズの３次元座標、
視野角度および内視鏡のねじれ、ならびにレンズのＦＯＶと正確に相関され得る
。このことは、記載されたタイプの３次元画像再構築システムを用いて、医師が
、再構築した表面の表面下画像を見ることを可能にする。なぜならこれらは、体
の外側または体のオリフィスの内側のいずれかで、所望の視野位置に配置され方
向付けされた内視鏡を用いて、内視鏡によってみられるからである。別の内視鏡
およびバーチャル画像を、重ね合わせてまたは横に並べてみることができる。こ
のことによって、ユーザーは、内視鏡のレンズが曇っているか邪魔されている場
合、バーチャルな表面画像を用いて、内視鏡画像を増強するか、または内視鏡画
像と置き換えること、ならびに表面下視野を用いて実際の内視鏡視野を「見通す
（ｓｅｅ ｂｅｙｏｎｄ）」することが可能になる。例えば、透視図がＸ線映像
を通して内視鏡によってみられるように。さらに、両方の実施形態によって、レ
ンズ歪曲補正に関して、特に視野の中心領域で、内視鏡映像およびバーチャル映
像により正確にフィットすることが可能になる。
【００６５】 さらに、第二の実施形態は、較正プロセスを促進およびスピードアップすると
いう、いくつかの特有の利点を提供する。この方法は、迅速であり、そして、６
つ全てのレンズの座標、視野ベクトル、ＦＯＶ、およびレンズ歪曲効果を決定す
るために、例えば、画像適合について、ユーザーの入力をほとんど、または全く
必要としない。
【００６６】 使用されるカメラ較正アルゴリズムは、内視鏡レンズの３つの（ｘ，ｙ，ｚ）
座標の全て、および内視鏡の３つの回転座標の全てを見出し得るので、内視鏡は
、ホルダー、例えば、ホルダーの回転座標の２つを拘束するホルダー腔またはク
レイドル（内視鏡視野ベクトルがシャフト軸と整列される場合）中に配置されな
くてもよいし、またはｚ位置を拘束するホルダー中のスポットに突き当てて配置
されなくてもよい。従って、ユーザーは、単に片手で内視鏡を、もう一方の手で
ホルダーを保持でき、較正プロセスを開始するためには、この２つの所望の視野
関係に持ってくればよい。
【００６７】 レンズ歪曲効果に関する補正は、特に画像の中心領域において、全視野および
減少した視野で、アルゴリズムからのＦＯＶ調節を用いることによって容易に達
成される。
【００６８】 本発明を、種々の実施形態に関して記載してきたが、前述の記載に照らせば、
多くのさらなる代替、改変、およびバリエーションが可能であることが当業者に
明白である。本明細書において記載した本発明は、添付の特許請求の精神および
範囲内におさまる場合、このような代替、改変およびバリエーションの全てを包
含することが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 図１Ａは、本発明の第１の一般的な実施形態に従って構築された内視鏡較正装
置を例示し、使用中における、この装置のホルダー内における内視鏡の配置の前
（１Ａ）および後（１Ｂ）の内視鏡を示す。
【図１Ｂ】 図１Ｂは、本発明の第１の一般的な実施形態に従って構築された内視鏡較正装
置を例示し、使用中における、この装置のホルダー内における内視鏡の配置の前
（１Ａ）および後（１Ｂ）の内視鏡を示す。
【図１Ｃ】 図１Ｃは、迎え角θ２を示し、この角度で、内視鏡８は、座標系内に矢印５０
により表される。
【図２】 図２Ａおよび２Ｂは、ホルダー内に配置された場合、装置ホルダーにより提供
され、そして内視鏡により見られるような固体物体を例示する。
【図３】 図３Ａ〜３Ｅは、本発明の方法に従う、モデル画像とビデオ画像の整合の間の
様々な例示的な画像を例示する。
【図４】 図４は、図３Ａ〜３Ｅの画像整合工程のフローチャートである。
【図５】 図５は、第１の実施形態における、この装置により実施される較正操作のフロ
ーチャートである。
【図６】 図６は、本発明の別の一般的な実施形態に従って構築される内視鏡較正装置を
例示し、内視鏡シャフトのシャット（ｓｈａｔ）がこの装置のホルダーに挟まれ
ている。
【図７】 図７Ａおよび７Ｂは、この装置ホルダーにより提供される平面ドットパターン
（７Ａ）および約３０°より大きな角度でパターンを見るためにホルダー内に配
置される場合の、内視鏡により見える平面ドットパターン（７Ｂ）を例示する。
【図８】 図８Ａおよび８Ｂは、別の実施形態における、装置ホルダーにより提供される
半球状ドットパターン（８Ａ）、およびホルダー内に配置される場合の内視鏡に
より見える半球状ドットパターン（８Ｂ）を例示する。
【図９】 図９は、第２の実施形態における、この装置により実施される較正操作のフロ
ーチャートである。
【図１０】 図１０は、レンズ歪みの補正が所望されない場合の、ＦＯＶを調整するための
較正操作におけるさらなる工程のフローチャートである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ， ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 カデム， ラズール アメリカ合衆国 カリフォルニア 94303， パロ アルト， ウエスト ベイショア 2456， アパートメント ナンバー６ Ｆターム(参考） 2H040 BA00 EA00 4C061 GG11 5B047 AA07 AA17 AB02 BC14 BC20 BC23 CB23 DC09 5B057 AA07 BA02 BA17 CD02 CD03 CD05 DA07 DA20 DB02 DC03 DC08 【要約の続き】

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 細長いシャフトおよび遠位端レンズを有する内視鏡のレンズ
    位置および視野を較正する際に使用するための装置であって、以下： 複数の追跡要素であって、該追跡要素が、該内視鏡のシャフト上の固定位置に
    取り付けられている、複数の追跡要素； ガイドを有するホルダーであって、該ホルダーにおいて、該ホルダー内の標的
    範囲に含まれる３次元の物体またはパターンを見るために、該内視鏡が、該ホル
    ダー内の該内視鏡シャフトを整列させ、そして該内視鏡レンズを、配置するよう
    に受け入れられ得る、ガイドを有する、ホルダー； 位置決め要素であって、該位置決め要素は、該ガイドおよび該３次元物体また
    はパターンに対して、既知の位置で該ホルダー上に取り付けられる、位置決め要
    素； 該追跡要素および該位置決め要素を感知するための、感知デバイス； ディスプレイデバイス；および プロセッサであって、該プロセッサは、以下の操作： （ｉ）該ホルダーガイドに受け入れられた該内視鏡シャフトを用いて、該追
    跡要素および該位置決め要素の位置を決定すること； （ｉｉ）該追跡要素および該位置決め要素の該決定された位置を使用して、
    共通の参照フレームに該内視鏡および該ホルダーを配置すること； （ｉｉｉ）該ディスプレイデバイス上に、該ホルダーガイド内に収容された
    該内視鏡シャフトを有する該内視鏡によって見られる場合の該３次元ホルダー物
    体またはパターンのビデオ画像を投影すること； （ｉｖ）既知のレンズ位置および視野から見られる場合該３次元物体を表す
    、該３次元物体またはパターンのモデル画像を該ディスプレイデバイスに投影す
    ること；そして （ｖ）該２つの画像の相対的なサイズ、位置および配向に関する情報を使用
    して、該追跡要素に対する該内視鏡レンズの座標および該レンズの視野を計算す
    ること、 を実行するために、該感知デバイスおよび該ディスプレイデバイスに操作可能に
    接続された、プロセッサ、 を備える、装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の装置であって、前記２つの画像の相対サイ
    ズ、位置および配向に関する情報を使用することが、一方または両方の画像を、
    平行移動、回転、および／または拡大することによって、前記内視鏡の画像およ
    びモデル画像を手動で整合すること、そしてこのような調節の方向および程度か
    ら、前記追跡要素に対する該内視鏡レンズの座標および前記レンズの視野を決定
    することを含む、装置。
  3. 【請求項３】 前記２つの画像の相対的サイズ、位置、および配向に関する
    情報が、レンズ歪み効果を修正するために使用される、請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記ホルダーが、既知で選択された内視鏡位置で、ボア内の
    前記内視鏡の軸方向の位置に保持するためのストップを備え、前記内視鏡の視野
    が前記内視鏡シャフトと軸方向に整列している、請求項２に記載の装置。
  5. 【請求項５】 細長いシャフトおよび遠位端レンズを有する内視鏡のレンズ
    位置および視野を較正する方法であって、以下： （ａ）ガイドを有するホルダーに、該内視鏡を配置する工程であって、該ホル
    ダーの中において、該内視鏡は、該ホルダー内の標的領域に含まれる３次元物体
    を見るために、該ホルダー内の該内視鏡シャフトを整列させ、そして該内視鏡レ
    ンズを配置するように受け入れられ得、ここで、該内視鏡が、該内視鏡のシャフ
    ト上の固定位置に取り付けられた複数の追跡要素を有し、そして該ホルダーが、
    該ガイドおよび３次元物体に対する既知の位置で該ホルダーに取り付けられた位
    置決め要素を有する、工程； （ｂ）該内視鏡シャフトを該ホルダー内に受け入れた状態で、感知デバイスを
    使用して、追跡要素および位置決め要素を感知する工程； （ｃ）該感知デバイスおよびディスプレイデバイスに操作可能に接続されたプ
    ロセッサによって：（ｉ）該内視鏡シャフトを該ホルダー内に受け入れた状態で
    、該感知デバイスによって提供された入力から、該追跡要素および該位置決め要
    素の位置を決定する工程；（ｉｉ）該追跡要素および該位置決め要素の該決定さ
    れた位置を使用して、共通の参照フレームに該内視鏡および該ホルダーを配置す
    る工程；（ｉｉｉ）ディスプレイデバイス上に、該ホルダーガイド内に受け入れ
    られた該内視鏡シャフトを有する該内視鏡によって見られる場合の該３次元ホル
    ダー物体のビデオを投影する工程；（ｉｖ）既知のレンズ位置および視野から見
    られる場合の該３次元物体を表す、該３次元物体のモデル画像を該ディスプレイ
    デバイスに投影する工程；ならびに（ｖ）該２つの画像の相対的なサイズ、位置
    および配向に関する情報を使用して、該追跡要素に対する該内視鏡レンズの座標
    、および該レンズの視野を計算する工程、 を包含する、方法。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の方法であって、前記ディスプレイデバイス
    が、第一のスクリーン領域および第二のスクリーン領域に別個に、前記第一およ
    び第二の画像を表示するための、分割スクリーンまたは２つのスクリーンを備え
    、そして前記計算工程が、以下： （ｉ）該画像の一方を、他方の画像の配向に近い回転位置に回転する工程； （ｉｉ）該画像の一方を、他方の画像のサイズに近いサイズにサイジングする
    工程； （ｉｉｉ）該２つの画像を重ねる工程；および （ｉｖ）該２つの画像が重なるまで画像の配向およびサイズの最終的な調節を
    行う工程、 による、使用者による該２つの画像の整列に基づく、方法。
  7. 【請求項７】 細長いシャフトおよび遠位端レンズを有する内視鏡のレンズ
    位置および視野を較正する際に使用するための装置であって、以下： 複数の追跡要素であって、該追跡要素が、該内視鏡のシャフト上の固定位置に
    取り付けられている、複数の追跡要素； パターン支持体であって、該ホルダーの標的領域に含まれる特徴パターンを有
    する、パターン支持体； 位置決め要素であって、該位置決め要素は、該パターンに対して、既知の位置
    で該パターン支持体上に取り付けられる、位置決め要素； 該追跡要素および該位置決め要素を感知するための、感知デバイス；および プロセッサであって、該プロセッサは、以下の操作： （ｉ）３次元の該パターンの特徴を見るために選択された位置に配置された
    該内視鏡を用いて、該追跡要素および該位置決め要素の位置を決定すること； （ｉｉ）該追跡要素および該位置決め要素の該決定された位置を使用して、
    共通の参照フレームに該内視鏡および該ホルダーを配置すること； （ｉｉｉ）該選択された位置にある該内視鏡によって見られた場合の、該パ
    ターンの特徴の画像座標を決定すること； （ｉｖ）カメラ較正アルゴリズムを使用して、該パターン特徴の画像座標お
    よび該共通の参照フレーム内の該パターン特徴の既知の位置から、該追跡要素お
    よび該レンズの視野に対する該内視鏡レンズの座標を計算すること、 を実行するために、該感知デバイスおよび該ディスプレイデバイスに操作可能に
    接続された、プロセッサ、 を備える、装置。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の装置であって、前記ホルダーが、クレイド
    ルを備え、該クレイドル内に、前記内視鏡が配置され得、該クレイドルが、該内
    視鏡を、前記標的パターンに対して軸方向に整列された位置に保持する、装置。
  9. 【請求項９】 請求項７に記載の装置であって、前記ホルダーが、実質的に
    平坦な特徴パターンを備え、該パターンが、該内視鏡シャフトとに対して少なく
    とも約３０°の角度で見られ、そして該シャフトが該ホルダー内に保持されてい
    る、装置。
  10. 【請求項１０】 請求項７に記載の装置であって、前記ホルダーが、湾曲し
    た表面を有し、該表面上に、前記パターンが配置され、その結果、該パターンが
    、前記内視鏡が該パターンを見ることができる任意の選択された位置で、パター
    ンの深さ情報を提供する、装置。
  11. 【請求項１１】 請求項９または１０に記載の装置であって、前記パターン
    が、区別可能な特徴を有する２つのクラスのドットから形成されるドットのアレ
    イを含む、装置。
  12. 【請求項１２】 細長いシャフトおよび遠位端レンズを有する内視鏡のレン
    ズ位置および視野を較正する方法であって、以下： （ａ）３次元のパターン支持体の特徴パターンの特徴を見るために、該支持体
    に対して選択された位置に該内視鏡を配置する工程であって、ここで、該内視鏡
    が、該内視鏡のシャフト上の固定位置に取り付けられた複数の追跡要素を有し、
    そしてホルダーが、該支持体の該特徴パターンに対する既知の位置において該ホ
    ルダー上に取り付けられた位置決め要素を有する、工程； （ｂ）感知デバイスを使用して、該選択された位置に配置される該内視鏡を用
    いて、追跡要素および位置決め要素の位置を感知する工程； （ｃ）該感知デバイスおよびディスプレイデバイスに操作可能に接続されたプ
    ロセッサによって：（ｉ）３次元の該パターンの特徴を見るために、選択された
    位置に配置された該内視鏡を用いて、該追跡要素および該位置決め要素の位置を
    決定する工程；（ｉｉ）該追跡要素および該位置決め要素の該決定された位置を
    使用して、共通の参照フレームに該内視鏡および該ホルダーを配置する工程；（
    ｉｉｉ）該選択された位置の該内視鏡によって見られる場合、該パターンの特徴
    の画像座標を決定する工程；（ｉｖ）レンズ投影アルゴリズムを使用して、該パ
    ターン特徴の画像座標および該共通の参照フレーム内の該パターン特徴の既知の
    位置から、該追跡要素に対する該内視鏡レンズの座標および該レンズの視野を計
    算する工程、 を包含する、方法。
  13. 【請求項１３】 前記配置工程が、前記パターン支持体に対して選択された
    位置で前記内視鏡を使用者が保持する工程、および前記感知デバイスが、前記追
    跡要素および位置決め要素を感知するように、そしてプロセッサが、該内視鏡に
    よって見られる画像を記録するように、同時に信号を伝えるコントロールを作動
    させる工程を包含する、請求項１２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記配置工程が、前記支持体のクレイドルに前記内視鏡を
    配置し、それにより前記特徴パターンに対して選択されたシャフト配向で該内視
    鏡を配置する工程を包含する、請求項１２に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１２に記載の方法であって、前記内視鏡画像の中心
    領域におけるレンズ歪み効果を最小にするために、該内視鏡画像の決定された視
    野を調節する工程をさらに包含する、方法。
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