WO2006126350A1

WO2006126350A1 - カプセル型医療装置

Info

Publication number: WO2006126350A1
Application number: PCT/JP2006/308346
Authority: WO
Inventors: Jun Hasegawa; Tetsuo Nonami
Original assignee: Olympus Medical Systems Corp
Current assignee: Olympus Medical Systems Corp
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2007-11-26
Also published as: US20080312501A1; EP1884184B1; KR20080007627A; AU2006250691B2; JP4813190B2; EP1884184A1; CN101179979B; JP2007000608A; CN101179979A; EP1884184A4; AU2006250691A1; KR100954650B1

Abstract

　生体内で撮像する等による生体情報を取得した位置を精度良く検出できるカプセル型医療装置を提供する。体内を移動するカプセル型内視鏡３に内蔵された円形ループのアンテナ２３は、高周波信号を送信し、これを体表に配置された複数のアンテナ１１ａ～１１ｉで受信し、ＣＰＵ３６は、アンテナ２３の初期状態の位置及び向きを設定して、それに対して位置及び向きの推定処理を行い、新たに推定された位置及び向きを算出し、初期状態の位置及び向きを更新する。この更新された位置及び向きに対して同様に推定処理を行う。そして、推定処理により更新される位置のずれ量が十分小さな値以下になるまでこの処理を繰り返す事により、精度の良い位置推定を行う。

Description

明細書

カプセル型医療装置

技術分野

[0001] 本発明は、生体内に挿入され、撮像等を行うカプセル型医療装置に関する。

背景技術

[0002] 挿入部を体腔内に挿入することにより、体腔内を診断或いは必要に応じて処置を行うことができる内視鏡は、医療用分野等において広く普及している。

また、最近においては、口から飲み込むことにより、体腔内を撮像して内視鏡検査を行うことができるカプセル形状にしたカプセル型医療装置も実用化される状況になつている。

カプセル型医療装置は、体腔内に挿入された場合には、通常は蠕動運動などにより体腔内を移動する。そのため、ユーザは、カプセル型医療装置により得られる情報力体腔内のどの位置に相当するものであるかを知ることが望ましい場合がある。このため、例えば特開 2003— 135389号公報〖こは、体腔内のカプセノレからアンテナを介して無線送信した信号を体外に配置した複数のアンテナで受信して、その受信信号の強度等によりカプセルの位置を算出するものが開示されている。

[0003] また、特許第 3571675号公報には、体腔内に挿入される内視鏡の挿入部の長手方向に複数のソースコイルを配置し、これらのソースコイルにより発生する磁界を体外に配置した複数のコイルを用いて、その位置又は Z及び向きを検出する装置及び方法が開示されている。

[0004] し力し、特開 2003— 135389号公報〖こは、カプセルの位置を具体的に検出する方法が開示されておらず、さら〖こ、無線送信した信号カゝらカプセル或いはカプセル内のアンテナの向きを検出する方法もまた開示されて、な、。

[0005] また、特許第 3571675号公報に開示されている方法は、体腔内に挿入される挿入部を有する内視鏡における、該揷入部の形状検出に利用されるものであり、カプセル型医療装置に適用されるものではない。

[0006] 本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、生体内において撮像された被写体の像等の、生体情報を取得した位置及び Z又は向きを精度良く検出できるカプセル型医療装置を提供することを目的とする。

発明の開示

課題を解決するための手段

[0007] 本発明のカプセル型医療装置は、生体内に挿入され、アンテナを備えたカプセル型体内装置と、前記カプセル型体内装置のアンテナ力電磁波の信号を無線で送信する無線送信手段と、前記生体外に配置される複数の体外アンテナと、前記複数の体外アンテナによって受信した前記電磁波の信号力前記アンテナの位置及び

Z又は向きを推定する推定手段と、前記推定手段により推定された位置及び Z又は向きの値より算出される推定値と実際に検出される検出値を比較し、その比較した値力算出される前記位置及び Z又は向きの更新値が所定値以下になるように前記推定手段による位置及び Z又は向きに対する更新を繰り返して補正する更新補正手段と、を具備したことを特徴とする。

上記構成により、カプセル型体内装置に内蔵されたアンテナの位置及び Z又は向きに対して、その推定値を更新する補正を繰り返し行うことにより、そのアンテナの位置及び Z又は向きを精度良く推定できるようにして、る。

図面の簡単な説明

[0008] [図 1A]本発明の第 1の実施の形態に係るカプセル型医療装置が有する要部の一例を示す図。

[図 1B]図 1Aの体外装置がクレードルを介して端末装置に接続された状態を示す図 [図 2]図 1 Aのカプセル型内視鏡の内部構成を示す図。

[図 3]図 1 Aのアンテナユニットを構成する複数のアンテナの配置例とそのアンテナに設定した座標系を示す図。

[図 4]図 1 Aのカプセル型内視鏡装置の、概略の内部構成を示すブロック図。

[図 5A]図 1のカプセル型内視鏡から、 1フレーム期間中に送信される信号の一例を示す図。

[図 5B]図 1のカプセル型内視鏡から、 1フレーム期間中に送信される信号の、図 5Aとは異なる例を示す図。

[図 6]図 2のアンテナが存在する位置を原点とした場合の、任意の位置 Pにおける電磁界の成分を示す図。

[図 7]図 6における電界の成分を、直交座標系の成分を用いて示した図。

[図 8]電磁波が媒質中を伝搬する際に減衰する様子を示す図。

[図 9]図 6のアンテナが発生する電界を体表に取り付けられた棒状のアンテナで受けた時に検出される起電力を示す図。

[図 10]図 2のアンテナが存在する位置及び向きの推定処理の手順を示す図。

[図 11A]図 1Aのカプセル型内視鏡により撮像された画像と、推定された位置の軌跡とが併せて表示される場合の、一の表示例を示す図。

[図 11B]図 1Aのカプセル型内視鏡により撮像された画像と、推定された位置の軌跡とが併せて表示される場合の、他の表示例を示す図。

[図 12]本発明の第 3の実施の形態におけるアンテナユニットに採用されるアンテナの形状を示す図。

[図 13]第 3の実施の形態の第 2変形例におけるカプセル型内視鏡の、概略の内部構成を示す図。

[図 14A]図 13のカプセル型内視鏡力も送信される信号の一例を示す図。

[図 14B]図 13のカプセル型内視鏡力も送信される信号の、図 14Aとは異なる例を示す図。

発明を実施するための最良の形態

[0009] 以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

[0010] (第 1の実施の形態）

図 1から図 11は本発明の第 1の実施の形態に係るものである。図 1Aは、本発明の第 1の実施の形態に係るカプセル型医療装置が有する要部の一例を示す図である。図 1Bは、図 1Aの体外装置がクレードルを介して端末装置に接続された状態を示す図である。図 2は、カプセル型内視鏡の内部構成を示す図である。図 3は、アンテナユニットを構成する複数のアンテナの配置例とそのアンテナに設定した座標系を示す図である。図 4は、図 1Aのカプセル型内視鏡装置の、概略の内部構成を示すブロック図である。

[0011] 図 5Aは、図 1のカプセル型内視鏡から、 1フレーム期間中に送信される信号の一例を示す図である。図 5Bは、図 1のカプセル型内視鏡から、 1フレーム期間中に送信される信号の、図 5Aとは異なる例を示す図である。図 6は、図 2のアンテナが存在する位置を原点とした場合の、任意の位置 Pにおける電磁界の成分を示す図である。図 7 は、図 6における電界の成分を、直交座標系の成分を用いて示した図である。図 8は、電磁波が媒質中を伝搬する際に減衰する様子を示す図である。図 9は、図 6のアンテナが発生する電界を体表に取り付けられた棒状のアンテナで受けた時に検出される起電力を示す図である。

[0012] 図 10は、図 2のアンテナが存在する位置及び向きの推定処理の手順を示す図である。図 11Aは、図 1Aのカプセル型内視鏡により撮像された画像と、推定された位置の軌跡とが併せて表示される場合の、一の表示例を示す図である。図 11Bは、図 1A のカプセル型内視鏡により撮像された画像と、推定された位置の軌跡とが併せて表示される場合の、他の表示例を示す図である。

[0013] 図 1Aに示すように、本発明の第 1の実施の形態のカプセル型内視鏡装置 1は、患者 2がロカ飲み込むことにより体腔内を検査するカプセル型体内装置としてのカブセル型内視鏡 3と、この患者 2の体外に配置され、カプセル型内視鏡 3で撮像した画像情報を無線で受信するアンテナユニット 4と、アンテナユニット 4に接続される体外装置 (或いは外部装置） 5とを要部として備えて、る。

[0014] 図 1Bに示すように、この体外装置 5はクレードル 6に装着することにより、パーソナルコンピュータ等により構成される端末装置 7に電気的に接続される。そして、端末装置 7は体外装置 5に蓄積した画像をキーボード 8aやマウス 8b等の入力'操作デバィスの操作によりこの端末装置 7内に取り込み、取り込んだ画像をモニタ部 8cで表示すること等ができる。

図 1Aに示すように、カプセル型内視鏡 3を飲み込んで内視鏡検査を行う場合に使用される、患者 2が着るジャケット 10には、複数のアンテナ 11が取り付けられたアンテナユニット 4が設けてある。

[0015] カプセル型内視鏡 3により撮像され、カプセル型内視鏡 3に内蔵されたアンテナ 23 (図 2参照)から送信された信号は、アンテナユニット 4の複数のアンテナ 11で受信される。そして、体外装置 5は、アンテナユニット 4に接続された状態において、カプセル型内視鏡 3により撮像された画像を保存することができるようにしている。

[0016] また、この体外装置 5は、例えば箱形状であり、その前面には画像表示を行う液晶モニタ 12と、指示操作等を行う操作部 13とが設けてある。

なお、体外装置 5には、ノッテリ残量に関する警告表示用の LEDや操作部 13としての電源スィッチなどのみが設けられている構成としてもよい。また、第 2の体外装置として、カプセル型内視鏡 3から送信される画像信号を処理し、備え付けの液晶モ- タ画像表示させるような図示しな、携帯型の表示装置 (ビュヮ一）が接続されるようにしても良い。

[0017] 図 2に示すように、カプセル型内視鏡 3は、円筒の後端側を閉塞した形状を有する外装部材 14と、この円筒の先端側に接着剤によって接続されて閉塞する略半球形状に丸みを付けたドーム型カバー 14aとを有し、全体としてカプセル形状で水密構造となっている。

この透明なドーム型カバー 14a内で、円筒の中央付近には、ドーム型カバー 14aを介して入射された像を結像する対物レンズ 15がレンズ枠 16に取り付けられて配置されている。そして、対物レンズ 15の結像位置には、撮像素子としてここでは CCDィメージャ 17が配置されている。

[0018] また、対物レンズ 15の周囲には、照明系として、ここでは白色 LED18が 4つ、同一平面上に配置されている。また、例えば CCDイメージャ 17の裏面側には、白色 LED 18を発光駆動させると共に、 CCDイメージャ 17を駆動して CCDイメージャ 17から入力される撮像信号から画像信号を生成する信号処理を行う処理回路 19と、画像信号を送信すると共に、体外装置 5からの信号を受信する機能を持つ送受信回路 20と、処理回路 19及び送受信回路 20に電源を供給するボタン型電池 21とが外装部材 1 4の内部に配置されている。

[0019] また、ボタン型電池 21の後端側、つまり他方の半球形状内側には送受信回路 20と接続され、電波を送受信する円形コイル（円形のループコイル)状のアンテナ 23が配置されている。なお、 CCDイメージャ 17、白色 LED18、処理回路 19及び送受信回路 20の各部は、図示しない基板上に設けられ、各基板はフレキシブル基板にて接続されている。

[0020] カプセル型内視鏡 3の処理回路 19は、 CCDイメージャ 17の撮像のタイミングを制御する制御信号を発生し、通常の撮像では 1秒間に 2フレームの画像を撮像する。また、処理回路 19は、食道のようにカプセル型内視鏡 3が比較的高速に移動するような部位では、例えば、 1秒間に 15から 30フレームの画像を撮像する。

[0021] また、アンテナ 23は、体外装置 5から送られてく信号を受信する。そして、アンテナ 23が受信した信号は送受信回路 20により処理され、処理回路 19に送られる。処理回路 19は送られてきた信号によって CCDイメージャ 17の撮像のタイミングや白色 L ED18の点灯の ONZOFF等を制御する。カプセル型内視鏡 3の処理回路 19に磁石等の磁性体を近づけるとカプセル型内視鏡 3内の電源が ONZOFF可能な回路を組み込み、患者がカプセル型内視鏡 3を飲み込む前にカプセル型内視鏡 3の電源を入れて画像を撮影しても良ヽ。

[0022] 図 1Aに示した患者 2が着るジャケット 10に取り付けたアンテナユニット 4は、拡大して示すと、図 3に示すようにアンテナ l la、 l ib, · ··、 l liによって構成される。

[0023] カプセル型内視鏡 3及び体外装置 5における送受信する部分の構成は、図 4に示すようになる。図 4に示すようにカプセル型内視鏡 3は、白色 LED 18及び CCDィメージャ 17からなる撮像回路 31を有している。そして、撮像回路 31により撮像され、処理回路 19により処理された信号は、送受信回路 20を経て高周波で変調され、円形のループコイル力もなるアンテナ 23から電波で送信される。

[0024] このアンテナ 23から送信される信号は、体外のアンテナユニット 4を構成する複数のアンテナ l la、 l ib,…ゝ l liにより受信され、複数のアンテナ l la、 l ib,…ゝ l li に接続された送受信回路 33により復調され、信号処理回路 34に入力される。信号処理回路 34に入力された信号は、画像信号に変換されて液晶モニタ 12で表示される。また、信号処理回路 34に入力された信号に基づく画像データ等カモリ 35に格納される。

また、メモリ 35に格納された画像データは、ユーザによる操作部 13からの指示操作により液晶モニタ 12に送ることができる。これにより、液晶モニタ 12の表示面に過去の画像を表示させることができる。

[0025] また、本実施の形態においては、体外装置 5には、例えば CPU36を用いて構成されるアンテナ位置 &向き推定部が設けてある。アンテナ位置 &向き推定部としての C PU36は、カプセル型内視鏡 3に内蔵されたアンテナ 23の位置及び向きを推定する推定処理を行い、その位置及び向きを算出する。

[0026] 後述するようにこの推定処理は、初期状態では適宜に位置及び向きを設定して、それらに対して Gauss— Newton法で位置及び向きの推定処理を反復して行う。その際、推定処理により、推定前の値とのずれ量力、さい値以下となるまで反復推定する

[0027] 換言すると、 CPU36は、推定処理を行う推定手段と、その推定手段により推定された推定値 (具体的には位置及び向き)が推定前の値と比較してその差分値が所定値以下となるように推定値を更新補正する更新補正手段とを備えている。尚、後述するように位置及び向きを算出する実施の形態に限定されるものでなぐ位置のみ或いは向きのみを算出するようにしても良、。

[0028] また、体外装置 5に設けられた操作部 13を操作して、撮像周期を変更させる等の指示信号を信号処理回路 34に入力すると、この信号処理回路 34は、送受信回路 3 3に指示信号を送り、送受信回路 33は指示信号を変調してアンテナ l la、 l ib, · ··、 l liから送信する。アンテナ l la、 l lb、 · ··、 l から送信された信号は、アンテナ 23 により受信され、送受信回路 20により復調される。そして、送受信回路 20は、指示信号に対応して、例えば撮像周期を変更する動作等を行う。

[0029] 本実施の形態においては、カプセル型内視鏡 3のアンテナ 23から体外装置 5に撮像回路 31で撮像した画像信号を送信する場合には、例えば図 5Aに示すように画像信号と共に、受信強度を検出し易くする受信強度検出信号を送る。

[0030] つまり、各 1フレーム期間中には、受信強度検出用信号を送信する検出期間 Taと、画像信号を送信する画像信号期間 Tbを設けており、強度検出期間 Taには一定の強度 (振幅)の受信強度検出用信号を送信する。なお、本実施の形態において、撮像回路 31は、例えば、図 5Bに示すように、各 1フレーム期間中に画像信号のみを送信するものであっても良い。 [0031] そして、この受信強度検出用信号はアンテナユニット 4のアンテナ l la、 l ib, · ··、 1 liにより受信され、送受信回路 33に入力される。送受信回路 33は、受信強度検出用信号を復調して信号処理回路 34に送る。また、信号処理回路 34は各アンテナ l is ( s = a、 b、 · ··、 i)により受信された受信強度検出用信号の強度を比較し、比較結果からカプセル型内視鏡 3が送信した画像信号を受信するのに適したアンテナを選択して受信する。

[0032] また、信号処理回路 34は、受信するのに適したアンテナによって得られた画像信号及び各アンテナ l isの受信強度検出用信号を信号処理回路 34に接続されているコンパクトフラッシュ（登録商標）等の不揮発性のメモリ 35に送り、メモリ 35に格納 (記憶)する。

[0033] この場合、信号処理回路 34は、画像信号を受信するアンテナとして、複数、例えば 2つのアンテナを選択して、同時に同じ内容の画像信号をメモリ 35に 2つ記録するようにしても良い。また、その際、信号処理回路 34は、記録する画像信号の強度を 1フレーム分積算してその積算結果の大き、方をメモリ 35に残し、他方を消去する処理を行うようにしても良い。

[0034] また、信号処理回路 34は、受信に最も適したアンテナによって得られた画像信号を信号処理回路 34に接続される液晶モニタ 12に送る。これにより、カプセル型内視鏡 3で撮影された画像が液晶モニタ 12に表示される。

[0035] 本実施の形態においては、上記のように体外装置 5にアンテナ位置 &向き推定部としての CPU36が設けられている。そして、このアンテナ位置 &向き推定部により、カプセル型内視鏡 3に内蔵されたアンテナ 23の位置及び向きが算出される。このァンテナ位置 &向き推定部は、後述するようにアンテナ 23の初期状態の位置及び向きの初期値を設定する（例えば、測定空間の中心位置と XYZ軸方向の、ずれかの方向を初期値として設定する)。

[0036] そして、 CPU36は、その初期値（0番目の更新値）を用いて体外アンテナ l la、 11 b、 · ··、 l liに発生する電磁界の検出値を推定し、実際に検出 (測定)される検出値との差の二乗和から 0番目の位置及び向きに対する更新量を算出する。また、 CPU36 は、 0番目の位置、向きの更新値から 1番目の位置及び向きを算出する。 CPU36は、この 1番目の位置及び向きに対して同様の推定処理を繰り返し行い、推定後の更新値が十分に小さな値以下 (例えば、位置の更新値（Δχ、 Δγ、 Δζ)の大きさ I Ad I =(Δχ²+ Ay²+ Δζ²)^1/2が十分に小さな値を示した場合）になった更新値をアンテナ 23の位置及び向きとする推定値補正処理を行う。このようにして、 CPU36は、精度の高い位置及び向きを算出する。

[0037] 次に本実施の形態の作用を説明する。

[0038] 本実施の形態における、アンテナユニット 4の複数のアンテナ lla、 llb、 ···、 lliを用いて検出した受信強度信号力カプセル型内視鏡 3の位置と向きを推定する推定手法について説明する。

[0039] 図 6に示すようにカプセル型内視鏡 3内に配置された円形コイル或ヽは円形ループによるアンテナ 23を基準とした座標系 X Y Zにおいて、任意の位置 P(x 、 y 、 z )

ししししししにおける電磁界 (静電界、放射電磁界、誘導電磁界の成分を含む) H、 H 、 E は次

τ θ

の各式で表される。

[0040] H = (IS/2 π ) (jk/r²+ 1/r³) exp (— jkr) COS Θ

H = (IS/4 π ) (-k²/r+jk/r²+ 1/r³) exp (-jkr) sin Θ (1)

Θ

E ic μ IS/4 π ) (jk/r+ 1/r²) exp (-jkr) sin Θ

Φ

ここで、 H及び H は磁界成分、 E は電界成分を表し、また Iと Sはアンテナ 23に流 r θ φ

れる電流とそのアンテナ 23を構成する円形コイルの面積である。また、 rは、アンテナ 23と任意の位置までの距離 r= (x²+y² + z²)^1/2、 kは k= ω ( ε μ )^1/2( εは誘電率、 μは透磁率）、； jは虚数単位である。

[0041] カプセル型内視鏡 3内に配置されたアンテナ 23により発生する電磁界の周波数が高ぐ図 1Aに示すようにカプセル型内視鏡 3と、患者 2の体表に取り付けられたアンテナ 1 Isとの距離が十分離れてヽる場合には、アンテナ 1 Isに到達する電磁界 (電磁波）は、放射電磁界の成分が最も大きくなる。従って、静電界及び誘導電磁界の成分は、放射電磁界の成分より小さくなり、これらを無視することができる。よって、式（1 )の各式は、次の式（2)のようになる。

H =0

H = (IS/4 π ) (-k²/r) exp (Hkr) sin Θ (2) E =— (j ω μ IS/4 π ) (jk/r) exp ~]krj sin Θ

Φ

患者 2の体表に取り付けられたアンテナ lisが電界を検出する電界検出用のアンテナであるとすると、式（2)の各式のうち、その検出に必要な式は電界 E となる。

Φ

[0042] 式（2)の電界 E は、放射電界を表し、交流理論による結果と考えられる。従って、

Φ

電界 E の瞬時値は、式（2)の電界 E に両辺に exp (j cot)を掛けて実部を抽出するこ

Φ Φ

とにより求められる。

[0043] E exp (j ω t) = ij ω μ IS/4 π ) Ο /r exp、― jkr) sin Θ exp y ω t)

Φ

=(ω μ ISk/4 π r) (cosU+jsinU) sin Θ (3) 但し、 U=cot— krである。

[0044] ここで、式（3)の実部を抽出すると、電界の瞬時値 E' は次のようになる。

Φ

Ε' =(ω μ ISk/4 π r) cosUsin θ (4)

Φ

また、式 (4)を図 7に示すように極座標系（r, θ , φ)から直交座標系（X , Υ , Z )

しししに変換すると、その X , Υ , Zの電界成分 E 、 E 、 E

しししし X は、

E =E sin = ( ω jtz ISk/4 πτ )cosU^e (— y )

し

E =E cos φ = ( ω μ ISk/ 4 π r²) cosU · x (5)

し

E =0

となる。

[0045] 図 8に示すように電磁波が媒質中を伝搬する場合、媒質の特性 (導電率など）により電磁波のエネルギーが伝搬していく媒質により吸収される。電磁波が例えば方向に伝搬していくに従って減衰因子 αで指数関数的に減衰する様子は、以下に示す式 d

(6)で表すことができる。

[0046] A = exp (- a r) (6)

Κ ²/(ω² ε ²))^{1 2}-ΐ]^{1 2}

但し、 ε = 。:真空の誘電率、 :媒質の誘電率)、 = μ 。: の透磁率、 μ ：媒質の透磁率）、 ωは角周波数、 _Κは導電率である。

[0047] 従って、生体内の特性を考慮した場合の電界の瞬時値 Εは、次のようになる。

し

[0048] A E sin φ = exp (- r) \ ω μ I k/ 4 π r ) cosU · (— y )

A E cos φ = exp (- a r) (ω μ ISk/ 4 π r ) cosU · x

d し E =0

Lz

となる。

また、カプセル型内視鏡 3のアンテナ 23を基準とした座標系 X Y Zにおいて、位ししし

置 P(x、y、z )を患者 2の体を基準とした座標系 X Y Z に変換する式は、

ししし W W W

[数 1]

となる。ただし、（x 、y 、z )と (x 、y 、z )は座標系 X Y Z での位置 P及

WP WP WP WG WG WG W W W

びアンテナ 23の位置をそれぞれ表す。また、式 (8)における右辺第 1項に用いられる Rは、座標系 X Y Z と座標系 X Y Zの回転マトリクスを表し、次の式で求められる

[数 2] 广

ただし、 a、 j8は極座標系の回転量である。

従って、患者 2の体を基準とした座標系 X Y Z における任意の位置 P(x 、y 、

W W W WP WP

z )の電界 E は、

WP w

[数 3]

となり、式（7)、（8)、（9)を式（10)に代入することにより以下のような電界 E の式 (

W

11)が得られる。

[数 4]

但し、 kは定数、（g g g )は、アンテナ 23の向きを表す。

1

上記アンテナ 23が発生した電界 E を、アンテナユニット 4を構成する例えばアンテ

W

ナ l la、例えば図 9に示すような棒状のアンテナ、つまりダイポールアンテナで受けたとき検出される起電力 Vaは、以下の式で算出できる。

[0052] Va= k E cos y k ( (E D E D E D (12)

Wy y

ただし、 kは定数、 Da (図 9参照）は患者を基準とした座標系でのアンテナユニット

2

4のアンテナ 11aの向き（D D D )を表す。

xa ya za

[0053] 図 3に示すように、アンテナユニット 4の各アンテナ l isが患者の体に複数配置された状態において、アンテナ 23の位置と向きを反復改良により求める（Gauss— Newt on法を用いる）。 Xをアンテナ 23の位置 (X y z )と、向き (g g g )のパラメ

WG WG WG y z ータとし、そのパラメータの初期値を x^(G)とする。

[0054] いま、反復改良により k次の推定値 x^(k)が得られ、アンテナ l isのコイルに発生する起電力のモデル関数 V (x)を x(^k)のまわりで Taylor展開すると、その一次近似は、 [数 5]

V ( X) =V ( X ) + (x-x ^w) ( 1 3 )

3 x " となる。

このとき、 Vmをアンテナ l isのコイルによって測定された起電力とすると、観測方程式は、

[数 6]

と表される。ここで、近似等号は誤差 σを含む

等式 (8)の右辺第 1項を左辺に移動すると、

[数 7]

(15) となる。但し、

AVm^(k)=Vm-V(x^(k)) =Vm-Vm^(k) (16)

Δ Λχ ^(k)—— χ— χ ^(k) , (,ι1τ7；

A = [3V(x)/3x] (^k)(j = l〜n、 s=l〜i) (18)

js j s x=x

(行方向）：未知数の数 n、列方向：アンテナ lisのコイルの数 i)

である。解 Δχ^ωは、式（18)より

Ax^(k)= (A^t(k)WA^(k))^_1A^t(k)WAVm^(k) (19)

と表される。ただし、は Aの転置行列、 Wは重み行列である。

[0056] よって、式（14)より改良したパラメータの推定値は、

(k+l)_ (k)丄 _Λ (k) /_or\

x —x 十 Δχ (,20；

と求められる。

[0057] 図 3に示すように、患者 2に 9個のアンテナ lla、 lib, ···、 lliを設置した場合、行列 Aは、

[数 8]

重み行列 Wは、

[数 9]

(22)

と表される。ただし、重み行列 Wの σ (j -、 8)は、アンテナ 11の測定電圧の変動量で、例えば環境ノイズ等である。

また、第 k番目の AVmは、

[数 10]

厶 Vm

となることから、カプセル型内視鏡 3内のアンテナ 23の位置と向きは、次の手順（a) 〜（d)で求められる。

[0059] (a) k = 0とし、アンテナ 23の初期値を位置 (x ⁽⁰⁾、y ⁽⁰⁾、 z ⁽⁰⁾)、向き (g ⁽⁰⁾、 g (°)

Wg Wg Wg x y

、 g ）とする（例えばアンテナ 23を測定する空間の中心位置と Z軸方向のベクトル（ z

0、 0、 1)とする）。

[0060] (b)式 (21)、（22)、（23)により第 k番目の行列を計算する。

(c)式（19)により第 k番目更新量 Δχ^ωを計算する。

(d)更新量 Δ x^(k)が小さくなるまでの処理 (b)力も (d)を繰り返す。

このような推定処理を行うことにより、精度の高い位置及び向きの推定 (算出）がでさることになる。

この推定処理のフローは、図 10に示すようになる。

[0061] ステップ S1に示すように CPU36は、アンテナ 23の初期値の位置及び向きの設定を行う。また、 CPU36は、アンテナ 23の位置及び向きの推定処理を行う際の k番目の推定処理を表すパラメータ kを k=0に、カプセル型内視鏡 3により得られる画像のフレーム番号 Nfを Nf= lに設定する。なお、 CPU36は、患者 2の体表に着脱自在で取り付けられるアンテナユニット 4を構成する複数のアンテナ l la〜l liの位置情報もメモリ 35等に格納しておく。

[0062] そして、次のステップ S2において CPU36は、アンテナ l isにより得られた最初の画像のフレーム F1に対応する起電力 Vmを用いて、上記 (b)のように行列 A、重み行列 W、起電力の更新量行列 AVmの算出、式（19)の更新量 Δχ^ωの算出処理 (k番目の推定処理)を行う。

[0063] そして、次のステップ S3において、 CPU36は算出された例えば更新量 Δχ^ωの絶対値が予め設定された小さな値 Vth以下力否かの判定を行う。なお、この判定に用いる値 Vthとして、位置と向きに対して異なる値に設定しても良い。

そして、この条件を満たさない場合には、 CPU36は、ステップ S4に示すようにパラメータ kを 1つ大きくしてステップ S2に戻り、ステップ S3の条件を満たすまで推定処理を繰り返す。

[0064] このようにして、ステップ S3の条件を満たす更新量 Δχ^(ϋが得られた場合には、ステップ S5に示すように CPU36は、そのパラメータ kの場合でのアンテナ 23の位置及び向きの情報（図面中ではアンテナの位置情報と略記）をメモリ 35に、フレーム番号 Nf に関連付けて格納する。

[0065] なお、カプセル型内視鏡 3はフレーム番号 Nfと共に撮像を行った時刻のデータを記録し、そのデータも送信するようにしても良い。また、体外装置 5は、実際に信号を受信した時刻のデータもメモリに格納しても良ヽ。撮像した時刻と送信した時刻とが殆ど同じ場合には、一方の情報のみとしても良い。この時刻の情報カゝらカプセル型内視鏡 3の概略の (局所的な)移動速度を検出することができ、位置推定に利用しても良い。

[0066] 次のステップ S6において CPU36は、フレーム番号 Nfを 1つ増大させると共に、ステツプ S5で得られたアンテナ 23の位置及び向きの情報をアンテナ 23の初期値の位置及び向きに設定した後、ステップ S2に戻り、次のフレームに相当する場合の起電力 Vmを用 V、て同様の処理を繰り返す。

[0067] このようにして体外装置 5のメモリ 35には、カプセル型内視鏡 3により撮像された画像データと各画像データのフレーム番号 Nfと共に、そのアンテナ 23の位置及び向きの情報が順次 (経時的）に格納される。順次格納されたアンテナ 23の位置から、アンテナ 23の生体内での移動軌跡を推定 (算出）することができる。このアンテナ 23の位置は、カプセル型内視鏡 3の位置と見なすことができ、生体内でのカプセル型内視鏡 3の移動軌跡を推定するための情報力メモリ 35に格納される。

[0068] 従って、図 1Bに示すように、体外装置 5がクレードル 6に接続された状態において、この体外装置 5のメモリ 35に格納された、画像データと、フレーム番号 Nfと、アンテナ 23の各位置及び向きの情報との各情報が端末装置 7に転送される。これにより、端末装置 7は、モニタ部 8cにおいて前記各情報を表示させることができる。

[0069] 図 11A及び図 11Bは、モニタ部 8cでの表示例を示す。図 11Aでは、モニタ部 8cの表示面における左側には、体外装置 5により推定された、カプセル型内視鏡 3の体腔内における各位置が直線により接続された状態として、体腔内を移動したカプセル型内視鏡 3の軌跡が表示される。一方、モニタ部 8cの表示面の右側には、（例えば左側でカーソルなどにより）指定された推定位置 Piで撮像された画像が表示される。

[0070] また、表示面の左側の、推定された位置による軌跡の右側に示す符号 A, B, ま体腔内における臓器の概略の位置を示すものである。具体的には、符号 Aは食道、 Bは小腸、 Cは大腸を表す。

[0071] 図 1Aに示す表示法の他に、例えば図 11Bに示すように表示しても良い。この場合には、隣接する各位置間をスプライン補間のような補間処理を行い、各フレームで推定されたカプセル型内視鏡 3の各位置が滑らかな曲線により接続された状態として表示される。

[0072] 前述したように、モニタ部 8cには、体外装置 5により推定された、カプセル型内視鏡 3の体腔内における各位置と、該各位置に対応する位置において撮像された画像とが表示される。そのため、ユーザは、カプセル型内視鏡 3により撮像された画像が体腔内におけるどの位置で撮像されたかを容易に判断することができ、その結果、効率良く診断を行うことができる。

[0073] また、得られた画像力病変部の可能性があり、その部位をより詳細に内視鏡検査する必要があるような場合にも、その位置を精度良く推定できるため、円滑かつ短時間にその部位にアプローチすることができ、再検査や処置等を効率良く行うことができる。

[0074] 従って、本実施の形態は以下の効果を有する。

[0075] 本実施の形態によれば、体腔内に存在するカプセル型内視鏡 3の位置を正確に推定することができる。さらに、本実施の形態においては、電磁波が生体内を伝搬する場合に、電磁波のエネルギーが吸収される影響を考慮した電界の式を定式ィ匕して位置及び向きを推定しているので、カプセル型内視鏡 3の位置及び向きを高い精度で推定或いは算出できる。

[0076] また、本実施の形態においては、体外装置 5により推定された各位置力カプセル型内視鏡 3の軌跡を求め、この軌跡を表示することにより、体腔内の臓器内におけるどの位置で撮像された画像であるかの判断をユーザが行ヽ易、ようにして!/、る。その結果、ユーザは、病変部の診断や、さらに詳細に検査を行う必要がある場合に、該診断または該検査を効率良く行うことができる。

[0077] また、本実施の形態にお!、ては、カプセル型体内装置としてのカプセル型内視鏡 3 に設けたアンテナ 23により発生する電磁界における電界成分のみを検出する棒状のアンテナを用いて!/、るので、アンテナ 23 (或いはカプセル型内視鏡 3)の位置及び向きの推定を行う処理を (電界及び磁界を検出するアンテナを用いた場合と比較して )より簡単に行うことができる。

[0078] なお、カプセル型内視鏡 3により撮像されながら移動する生体内臓器、具体的には食道、胃、大腸、小腸などの典型的な形状データを、例えば、メモリ 35に予め記録しておき、カプセル型内視鏡 3の移動の軌跡を表示する場合に比較し易いようにしても良い。

[0079] なお、上述の説明は、アンテナ 23 (或いはカプセル型内視鏡 3)の位置及び向きの推定を行う場合で説明したが、位置及び向きの一方のみを推定 (算出)するようにしても良い。つまり、第 1の実施の形態の変形例として、アンテナ 23 (或いはカプセル型内視鏡 3)の位置又は向きのみを推定 (算出）するようにしても良!、。

[0080] この場合においても、上述した方法により位置又は向きを精度良く算出できる。この場合には両方を算出する場合よりも演算量が少なくなるため、アンテナ 23 (或いは力プセル型内視鏡 3)の位置を高速に算出できる。従って、第 1の実施の形態及びその変形例の場合を含めて、アンテナ 23 (或いはカプセル型内視鏡 3)の位置及び Z又は向きの推定を行うようにしても良い。この場合には、図 4に示した CPU36はアンテナ位置 &Z向き推定部として機能する。

[0081] なお、以下に説明する他の実施の形態においても位置及び向きを推定する場合で説明するが、同様に位置及び Z又は向きを推定するようにしても良い。

[0082] (第 2の実施の形態）

次に本発明の第 2の実施の形態を説明する。本実施の形態のハードウェア上の構成は、第 1の実施の形態と同様である。本実施の形態は、第 1の実施の形態において、さらに、カプセル型内視鏡 3が患者 2の体表に取り付けられたアンテナ l isとの距離が接近した場合の影響も考慮した電界を用いるようにしたものである。

[0083] 次に本実施の形態の作用を説明する。

カプセル型内視鏡 3内に配置されたアンテナ 23により発生する電磁界の周波数が高ぐ図 1Aに示すようにカプセル型内視鏡 3と、患者 2の体表に取り付けられたアンテナ l isとの距離が十分に離れている場合には、アンテナ l isに到達する電磁界は、放射電磁界の成分が最も大きくなる。しかし、アンテナ lisとの距離が近接している

(つまり距離が小さくなる）と、誘導電磁界の影響を受けるようになり、その誘導電磁界を無視することができなくなる。

[0084] このため、式（1)において、静電界の影響のみを無視する（つまり、放射電磁界と誘導電磁界の成分を残す）と、式（1)の各式は、次の式（24)のようになる。

[0085] H = (IS/2 π ) (jk/r²) exp (― jkr) cos θ

H = (IS/4 π ) (-k²/r+jk/r²) exp (-jkr) sin Θ (24)

Θ

E = -(} ω μ IS/4 π ) (jk/r + 1/r²) exp (-jkr) sin Θ

Φ

患者 2の体表に取り付けられたアンテナ lisが電界を検出するアンテナであるとすると、式（24)の各式のうち、必要な式は、電界 E となる (磁界成分は検出されないた

Φ

め）。この電界 E は、誘導電界と放射電界の各成分を表し、交流理論による結果と考

Φ

えられる。

[0086] 従って、電界 E の瞬時値は、式（24)の電界 E の両辺に exp (j cot)をかけて実部

Φ Φ

の成分を取ることにより求められる。つまり、

E exp (j cot)

Φ

=~U ω μ IS/4 π ) (jk/r + 1/r )exp、一 jkrvsin Θ exp (j ω t)

=(ω μ ISk/4 πτ²) {sinU+RcosU-j (cosU-RsinU) }sin Θ (25)

但し、 U= cot— kr、 R=krである。

ここで、式（25)の実部を抽出すると、電界の瞬時値 E' は次のようになる。

Φ

Ε' =(ω /zISk TurSMsinU+RcosUjsine (26)

Φ

また、式（26)を図 7に示すように極座標系（r, θ , φ)から直交座標系（X , Υ , Z ししし

)に変換すると、その X , Υ , Zの電界成分 E 、 E 、 E は、

しししし

Ε =Ε' sin = ( ω ,u ISk/4 π r³) {sinU+RcosU} (-y )

φ し

E =E^f cose) =(ω /zISk urSMsinU+RcosUjx (27)

し

E =0

となる。

[0087] また、第 1の実施の形態のように生体の媒質中を電磁波が伝搬する場合、媒質中での減衰を考慮した場合には、式（27)の各式は、以下の式（28)のようになる。 [0088] E = exp (- v) ( ω μ ISk/4 7u r³) {sinU+RcosU} (— y )

Lx d し

E = exp (- a v) ( ω μ ISk/4 7u r³) {sinU +RcosU}x (28)

Ly d し

E = 0

Lz

式（27)或いは式（28)に対して、第 1の実施の形態で説明したように患者 2の体を基準とした座標系 X Y Z における任意の位置 P (x , y , ζ )の電界 Ewの式を

W W W WP WP WP

回転マトリックス Rを用いて求める。

[0089] すると、第 1の実施の形態の式（11)に対応する電界 Eを得ることができる。また、 w

図 9に示した棒状のアンテナで形成したアンテナ 11aで、電界 Eを受けた時の起電力 Vaは、式（12)で表される。その式（12)で検出される起電力 Vaを用いて第 1の実施の形態と同様に Gauss— Newton法を適用することにより、カプセル型内視鏡 3 ( 或いはその内部のアンテナ 23)の位置及び向きを精度良く算出することができる。

[0090] 本実施の形態によれば、カプセル型体内装置としてのカプセル型内視鏡 3と、患者 2の体表に取り付けられたアンテナ l i sとの距離が近接した場合においても、誘導電磁界の影響を考慮した電界の式を定式化してヽるため、その場合にもカプセル型内視鏡 3の位置と向きを精度よく算出 (推定)できる。

[0091] (第 3の実施の形態）

図 12に基づいて本発明の第 3の実施の形態を説明する。まず、本実施の形態の構成を説明する。本実施の形態のカプセル型内視鏡装置の構成は、第 1の実施の形態におけるアンテナユニット 4に用いられるアンテナ 11とその構造 (形状）が異なっている。

[0092] そして、そのためにアンテナ 11によって検出される電界の式が異なる。具体的には、本実施の形態に用いられるアンテナ 11は、図 12に示すように切れている円形アンテナ（閉ループでない円形アンテナ） 11が用いられている。その他の構成は第 1の実施の形態と同様である。

[0093] 次に本実施の形態の作用を説明する。

第 1の実施の形態では直線的なダイポールアンテナ 11によって電界を検出したが、本実施の形態では図 12に示すように円形に曲げられたアンテナを用いて、カプセル型内視鏡 3に内蔵されたアンテナ 23が発生する電界を検出する。図 12に示す円形のアンテナ 11を用いた場合には、第 1の実施の形態における式（ 1)から式（11)をそのまま適用できる。そして、第 1の実施の形態におけるアンテナ 11 aで検出される起電力 Vaとしては式（12)の代わりに、以下に示す式（29)となる。

[0094] Va = k Esin y =k E | E X D | / | E | | D | (29)

3 3

ここで、 kは、式（12)の kに相当する定数である。

3 2

この後の処理は第 1の実施の形態の式（13)〜式（23)に沿った処理を行うことにより、アンテナ 23の位置及び向きを精度良く推定できる。本実施の形態では、第 1の実施の形態における直線状のアンテナ 11を円形にすることで、その指向性を緩和できる。

従って、本実施の形態は、以下の効果を有する。

[0095] アンテナ 23より発生する電界を受信する場合、アンテナを円形にすることによって第 2の実施の形態のような直線的なアンテナよりもアンテナ 23の向きによる影響を小さくでさる。

[0096] 次に本実施の形態の第 1変形例を以下に説明する。上述の説明では、受信側となるアンテナユニット 4の複数のアンテナ 11に誘起される起電力に基づ!/、てカプセル型内視鏡 3に内蔵されたアンテナ 23の位置及び向きを推定するようにしていた。本変形例ではアンテナ 11に誘起され、実際に検出されるパワー（電力）を用いてアンテナ 23の位置及び向きを推定する処理を行う。

[0097] 本変形例のアンテナ 11を用いて検出されるパワーは

Va² = k ²E²sin² y =k ¾² | E X D |ソ

3 3 I E | ² | D | ²

=k ² I E X D I ² (30)

3

となる。

[0098] この式（30)は、式（29)を用いた場合よりも簡単な表式となる。そして、偏微分が容易になり、この式（30)を用いて位置推定を行うことにより、より高速に位置推定の処理を行うことができる効果がある。

[0099] また、本実施の形態における第 2変形例を以下に説明する。

本実施の形態の第 2変形例におけるカプセル型内視鏡 3Bを図 13に示す。本変形例のカプセル型内視鏡 3Bは、図 2に示したカプセル型内視鏡 3において、アンテナ 23を構成する円形コイル 23aの他に、例えばこの円形コイル 23aの軸方向（円形コィル面に直交する方向）と垂直方向にその軸方向が設定された第 2のアンテナとなる円形コイル 23bを設けている。なお、円形コイル 23aの軸方向は、例えばカプセル型内視鏡 3Bのほぼ中心軸の方向と一致するように配置されている。

[0100] 上記円形コイル 23bの軸方向は、例えば CCDイメージャ 17の撮像面における所定の方向、具体的には上下方向（図 13中において、撮像面の上方向を Upで示している）と一致するように外装部材 14内に配置されて、る。

[0101] なお、円形コイル 23bの軸方向の情報のみからは、 CCDイメージャ 17の撮像方向となる上方向か或いは逆の下方向かは決定できないが、両コイル 23a、 23b間の位置情報を参照することにより撮像方向を決定することができるようにしている。換言すると、両コイル 23a、 23b間の位置情報を参照することにより、カプセル型内視鏡 3B の長手方向の軸の回りの（基準角からの）回転量或いは回転角を検出することができるようにしている。その場合、例えば、図 14Aに示すように、円形コイル 23bと 23aとにより位置及び向き (方向）推定用の信号が送信され、その後に例えば円形コイル 23a により画像信号が送信される。

[0102] 一方、体外装置 5は、 2つの円形コイル 23a、 23bにより、受信した信号強度から、画像信号を受信するのに適したアンテナを選択する。

[0103] また、 2つの直交する円形コイル 23a、 23bを用いることにより、体外装置 5は、カプセル型内視鏡 3Bの位置及び向きを精度良く算出することができる。なお、円形コィル 23a、 23bの各位置及び向きの推定処理は、 1つの円形コイル 23aの算出の場合と同様に行うことができる。

[0104] また、体外装置 5は、本変形例における 2つの円形コイル 23a、 23bの位置及び特に円形コイル 23bの軸方向の情報から、撮像面の上方向を決定できる。体外装置 5 は、この情報を画像に関連付けて記録する。これにより、撮像された画像が表示される場合には、例えば撮像面の上方向が常時上方向となるように、撮像された画像の向きがある方向に揃えられた状態として表示される。

[0105] 例えば、体表に着脱自在で取り付けたアンテナ 11の面に対して、カプセル型内視鏡 3Bが食道内等を移動した場合、仮にカプセル型内視鏡 3Bが軸方向の周りで回転した場合には、撮像された画像が回転する。しかし、本変形例において、体外装置

5は、撮像面の例えば上方向を検出することができる。そのため、体外装置 5は、カブセル型内視鏡 3Bにより撮像された画像に前述したような回転が存在したとしても、該回転が存在して、な、状態として該画像が表示されるように制御を行うことができる。

[0106] 換言すると、体外装置 5は、カプセル型内視鏡 3Bにより撮像された画像が表示される際に、その画像を、カプセル型内視鏡 3Bの長手方向の軸の回りにおける回転角が一定である状態として表示されるように制御を行う。このように表示すると、上記のようにカプセル型内視鏡 3Bが回転を伴って体内を移動するような場合においても、画像の向きが揃えられて表示されるので、ユーザが見やす、或いは診断しやす、画像となる。

[0107] このように本変形例によれば、ユーザが診断等をより行い易い画像の表示が可能となる。なお、図 14Aのように、円形コイル 23bと 23aとにより位置及び方向推定用の信号を送信した後に例えば円形コイル 23aにより画像信号を送信する代わりに、図 14B に示すように、円形コイル 23bと 23aとにより交互に画像信号を送信する、または、同じ画像信号を 2回ずつ送信し、その際に位置及び方向推定が行われるようにしても良い。

[0108] また、本変形例は、第 1の実施の形態、或いは第 2の実施の形態に適用しても良い。なお、上述した各実施の形態を部分的に組み合わせて構成される実施の形態も本発明に属する。また、上述した実施の形態では、生体内での生体情報として、体腔内を光学的に撮像した画像情報を取得する場合で説明したが、本発明はこれに限定されるものでなぐ例えば pHセンサを設けて pHを算出するようなカプセル型医療装置にも適用できる。この他に、薬液とその薬液を散布する手段を設けて医療行為を行えるようにしても良い。

[0109] なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなぐ発明の趣旨を逸脱しな、範囲内にお、て種々の変更や応用が可能であることは勿論である。

[0110] 本出願は、 2005年 5月 26日に日本国に出願された特願 2005— 154371号、及び、 2006年 1月 24日に日本国に出願された特願 2006— 15612号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。

産業上の利用可能性

口から飲み込まれることにより体内を撮像等して生体情報を取得するカプセル型医療装置において、内部に設けたアンテナから電磁波で体外に信号を送信し、その信号を体外に設けた複数のアンテナを用いて受信することにより、生体情報を取得した体内での位置などを精度良く推定できる構成にしているので、診断に有効利用できる。

Claims

請求の範囲

[1] 生体内に挿入され、アンテナを備えたカプセル型体内装置と、

前記カプセル型体内装置のアンテナ力電磁波の信号を無線で送信する無線送信手段と、

前記生体外に配置される複数の体外アンテナと、

前記複数の体外アンテナによって受信した前記電磁波の信号力前記アンテナの位置及び Z又は向きを推定する推定手段と、

前記推定手段により推定された位置及び Z又は向きの値より算出される推定値と実際に検出される検出値を比較し、その比較した値力算出される前記位置及び Z 又は向きの更新値が所定値以下になるように前記推定手段による位置及び Z又は向きに対する更新を繰り返して補正する更新補正手段と、

を具備したことを特徴とするカプセル型医療装置。

[2] 前記カプセル型体内装置は、生体情報を取得する生体情報取得手段を有し、前記無線送信手段は、前記生体情報取得手段により取得した生体情報を前記信号で送信することを特徴とする請求項 1に記載のカプセル型医療装置。

[3] 前記更新補正手段により推定された前記アンテナの位置から、前記生体内における前記カプセル型体内装置の移動した軌跡を算出する軌跡算出手段を有することを特徴とする請求項 1に記載のカプセル型医療装置。

[4] 前記推定手段は、前記複数の体外アンテナによって受信した前記電磁波の信号から前記アンテナの位置を、前記生体内での減衰を考慮した理論式を用いて推定することを特徴とする請求項 1に記載のカプセル型医療装置。

[5] 前記複数の体外アンテナは、前記電磁波における電界成分を検出する電界検出用アンテナであることを特徴とする請求項 1に記載のカプセル型医療装置。