JP2010119456A - 無線給電装置および送電アンテナ部 - Google Patents

無線給電装置および送電アンテナ部 Download PDF

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Abstract

【課題】被検者30の胃30Aに導入されて被検者30の体内情報を取得するカプセル型内視鏡20に対して、被検者30の外部から安定した効率的な電力供給をする無線給電装置10を提供する。
【解決手段】長軸方向の端部に配設されたCCD23と長軸方向の磁界変化により受電する受電コイル21とを有するカプセル型内視鏡20が胃30A内に滞留した水31の液面に対して長軸方向を垂直に浮遊する構造を有し、被検者30に配設する互いに直交する方向の磁界を発生する3組のヘルムホルツコイル13〜15と、被検者30に配設する重力方向を検知する重力センサ16と、重力センサ16が検知した重力方向に磁界を発生するヘルムホルツコイルを選択するコイル選択部12と、コイル選択部が選択したヘルムホルツコイルに電流を印加する駆動部11とを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、被検体内に導入されたカプセル型医療機器、例えば飲み込み型のカプセル型内視鏡に、被検体の外部から電力を供給する無線給電装置、および、前記無線給電装置の送電アンテナ部に関する。
近年、内視鏡の分野では、撮像機能と無線機能とが装備されたカプセル型内視鏡が登場している。このカプセル型内視鏡は、観察(検査)のために被検体である被検者に飲み込まれた後、被検者から自然排出されるまでの間、胃、小腸などの臓器の内部をその蠕動運動に伴って移動し、撮像機能を用いて臓器の内部を順次撮像する構成である。
また、これら臓器内を移動する間にカプセル型内視鏡によって被検者内で撮像された画像データは、順次無線通信などの無線機能により、被検体の外部に設けられた外部装置に送信され、メモリに蓄積される。被検者がこの無線機能とメモリ機能を備えた外部装置を携帯することにより、被検者は、カプセル型内視鏡を飲み込んだ後、排出されるまでの観察期間、不自由を被ることなく行動が可能になる。カプセル型内視鏡による観察後は、医者によって、外部装置のメモリに蓄積された画像データに基づいて、臓器の画像をディスプレイなどの表示手段に表示させて診断を行うことができる。
この種のカプセル型内視鏡に電力を供給するシステムとしては、例えば特開2001−231186号公報に示すものがある。このシステムでは、ラジオカプセル(カプセル型内視鏡に相当)が被検者内に留置されるため、被検者外部からカプセル型内視鏡内部に電力を送信することにより、そのカプセル型内視鏡内部に電力を供給する。このシステムでは、外部装置に電力送信用アンテナである送電コイルを、カプセル型内視鏡内部に電力受信アンテナである受電コイルをそれぞれ設け、外部装置から送信用アンテナおよび受信用アンテナを介してカプセル型内視鏡内に電力を供給して、被検者内に長時間留置されたカプセル型内視鏡の観察動作を可能にしていた。
さらに、特開2007―175448号公報には、被検者の胃内部で、カプセル型内視鏡を液体に浮遊することにより所望の観察部位を観察するカプセル型内視鏡が開示されている。
外部装置の送電コイルからカプセル型内視鏡に効率良く給電を行うためには、カプセル型内視鏡の受電コイルの受電方向に合わせて外部から印加する磁界の方向を制御する必要がある。このため、特許4089778号公報には、受電コイルと送電コイルとの結合度を検知して結合度の強い方向の送電コイルを駆動する方法が用いられていた。しかし、通常のトランス等と異なり、受電コイルと送電コイルとの結合度は非常に弱いため、効率の良い給電を行うことは容易ではないことがあった。
特開2001−231186号公報 特開2007―175448号公報 特許4089778号公報
本発明は、被検体の内部に導入されて被検体内情報を取得するカプセル型医療機器に対して、被検体の外部から安定した効率的な電力供給をする無線給電装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成すべく、本発明の無線給電装置は、長軸方向の端部に配設された撮像手段と、前記長軸方向の磁界変化により受電する受電コイルとを有する前記カプセル型内視鏡が、前記体内に滞留した液体の液面に対して前記長軸方向を垂直に浮遊する構造を有し、前記被検者に配設する互いに直交する方向の磁界を発生する3組のヘルムホルツコイルと、前記被検者に配設する重力方向を検知する重力センサと、前記重力センサが検知した重力方向に磁界を発生する前記ヘルムホルツコイルを選択するコイル選択手段と、前記コイル選択手段が選択した前記ヘルムホルツコイルに電流を印加する駆動手段とを有することを特徴とする無線給電装置である。
また、本発明の送電アンテナ部は、被検者の体内に導入するカプセル型内視鏡に無線給電する無線給電装置の送電アンテナ部であって、長軸方向の端部に配設された撮像手段と、前記長軸方向に平行方向の磁界の変化により受電する受電コイルとを有する前記カプセル型内視鏡が、前記体内に滞留した液体の液面に対して前記長軸方向を垂直に浮遊する構造を有し、前記被検者に配設する互いに直交する方向の前記磁界を発生する3組のヘルムホルツコイルと、前記被検者に配設する重力方向を検知する重力センサとが、前記被検者が着用する着衣に配設されていることを特徴とする送電アンテナ部である。
本発明は、被検体の内部に導入されて被検体内情報を取得するカプセル型医療機器に対して、被検体の外部から安定した効率的な電力供給をする無線給電装置および送電アンテナ部を提供するものである。
<第1の実施の形態>
以下、図面を参照して本発明の第1の実施の形態の無線給電装置10について説明する。図1は第1の実施の形態の無線給電装置の使用状態を説明するための説明図であり、図2は第1の実施の形態の無線給電装置の構成を示した構成図であり、図3はカプセル内視鏡の構成を説明するための断面模式図であり、図4は第1の実施の形態の無線給電装置の送電コイルの構成を説明するための模式図である。
図1に示すように、本実施の形態の無線給電装置10の送電アンテナ部1は、被検者30が着用する着衣であるベスト17に互いに直交する方向の前記磁界を発生する3組のヘルムホルツコイル13、14、15により構成された送電コイルと、重力センサ16とが配設されている。被検者30の体内に導入されたカプセル型内視鏡20は、送電コイルからの磁界により電力を受電する。重力センサ16は重力方向を検知するセンサであり、例えば3軸加速度センサである。
図1および図2に示すように、ヘルムホルツコイル13はベスト17の前面に配された螺旋型コイル13Aと、ベスト17の後面に配された螺旋型コイル13Bとから構成されているX軸用コイルである。X軸用コイルはX軸方向平行に磁界を発生する。そして、ヘルムホルツコイル14はベスト17の右面に配された螺旋型コイル14Aと、ベスト17の左面に配された螺旋型コイル14Bとから構成されているY軸用コイルである。Y軸用コイルはY軸方向平行に磁界を発生する。そして、ヘルムホルツコイル15はベスト17の上部に配された螺旋型コイル15Aと、ベスト17の下部に配された螺旋型コイル15Bとから構成されているZ軸用コイルである。Z軸用コイルはZ軸方向平行に磁界を発生する。
それぞれのヘルムホルツコイルは電流が印加されると、被検者30の体内においてはコイル対向方向に平行な磁界を発生する。
なお、図1および図2では説明のため、矩形のコイルを図示しているが、コイルの外形は円形または楕円形等であってもよく、曲面に形成されたコイルであってもよい。また、被検者30の外形等に合わせて変形が可変な可撓性を有するコイルであってもよい。また、ヘルムホルツコイル13、14、15の各コイルの巻数は適宜選択される。
さらに図3に示すように、無線給電装置10は、コイルを駆動する駆動部11と、駆動するコイルを選択するコイル選択部12とを有している。駆動部11はコイル選択部12が選択したコイルに交流電流を印加し駆動する。コイル選択部12は、送電アンテナ部1の重力センサ16が検出した重力方向に平行な方向に磁界を発生するヘルムホルツコイルを選択する。例えば、図1に示すように、被検者30が立位の姿勢の場合、重力方向はZ軸方向であるため、コイル選択部12は、ヘルムホルツコイル15を選択する。ここで、コイル選択部12が選択する重力方向と平行な方向に磁界を発生するコイルとは、3組のヘルムホルツコイル13、14、15の中で、重力方向と平行な方向に最も近い方向に磁界を発生するコイルを意味する。すなわち、コイル選択部12は3組のヘルムホルツコイル13、14、15のいずれかを選択する。
そして、図3に示すように、被検者30の体内に導入するカプセル型内視鏡20は、長軸方向の端部に配設された撮像手段であるCCD23と、長軸方向に平行方向の磁界の変化により受電する受電コイル21と、受電回路22とを有する。
すなわち、図4に示すように、カプセル型内視鏡20は長軸方向(LD)と短軸方向とを有し、長軸直交方向の断面が略円形の細長いカプセル型形状である。そして、カプセル筐体28の内側に長軸平行方向に磁路を有するソレノイド型の受電コイル21が配設されている。受電コイル21は磁路方向、すなわち、カプセル型内視鏡20の長軸方向(LD)に平行な磁界の変化による電磁誘導効果により受電する。
受電コイル21が受電、すなわち、受電コイルに電磁誘導により流れた電流は受電回路22において整流され、CCD23等の駆動電力となる。
そして、本実施の形態の無線給電装置10から受電するカプセル型内視鏡20は重心が長軸方向(LD)の後端側、言い換えれば、CCD23と反対側の端部側、に扁心しており、かつ、全体の比重が水よりも小さい。このため、後述のように、カプセル型内視鏡20は、滞留した液体の液面に対して長軸方向を垂直に浮遊する。重心を扁心した重量バランスとするためには、カプセル型内視鏡20は例えば、比較的重い構成要素である2次電池24を後端側に配置したり、図示しない錘を後端側に配置したりすればよい。
CCD23が配設された端部側のカプセル筐体部28Aは透明であり、CCD23はレンズ25を介して導入された被検者30の体内を撮像し、画像処理回路26で処理された画像は送受信回路27と図示しない送信アンテナを経て被検者30の体外に送信される。
次に図5、図6、および図7を用いて、本実施の形態の無線給電装置10の動作について説明する。図5、図6、および図7は被検者の姿勢とカプセル型内視鏡の姿勢との関係を説明するための断面模式図である。
まず、観察に先立ち、被検者30はベスト形状の送電アンテナ部1を着用する。そしてカプセル型内視鏡20からの信号を受信するための受信アンテナと受信装置本体とを被検者30の近傍の所定位置に配置する。そしてカプセル型内視鏡20は、液体、例えば水31と共に飲み込まれることで、被検者30の体内である胃30A内に導入される。なお、カプセル型内視鏡10が浮遊するための液体は、被検体30に無害であれば水に限られるものではない。
なお、カプセル型内視鏡20は水31と同時に飲み込むことは必須ではないが、一緒に飲み込むことでカプセル型内視鏡20を飲み込みやすくなる。その後、胃30A内において液面31Aが安定するまで数分程度待機する。
図5(A)および(B)に示すように、被検者30が立位の姿勢の場合、胃30Aの内部に滞留した水31の液面に対して長軸方向を垂直に浮遊しているカプセル型内視鏡20のCCD23は視野Sが胃30Aの上部を向いているため、胃30Aの上部(噴門部)を撮像することができる。
そして、無線給電装置10のコイル選択部12Aは重力方向に磁界を発生するZ軸用コイルであるヘルムホルツコイル15を選択し、駆動部11はヘルムホルツコイル15に交流電流を印加する。受電コイル21の磁路方向はカプセル型内視鏡20の長軸方向であるため、重力センサ16が検出した重力方向Gと一致しているため、受電コイル21はヘルムホルツコイル15が発生した磁界による磁気誘導効果により受電することができる。前記状態ではX軸用コイルであるヘルムホルツコイル13およびY軸用コイルであるヘルムホルツコイル14が磁界を発生しても、その磁界は受電コイル21に送電することはできない。
本実施の形態の、無線給電装置10では受電コイルが受電できるヘルムホルツコイル15にのみ電流を印加するため、安定した効率的な電力供給をすることができる。
次に、図6(A)および(B)に示すように、被検者30が仰臥位の姿勢の場合、胃30Aの内部に滞留した水31の液面に対して長軸方向を垂直に浮遊しているカプセル型内視鏡20のCCD23は視野Sが胃30Aの前側面、すなわち、臍30B側を向いているため、胃30Aの前側面を撮像することができる。なお、立位から仰臥位への姿勢変化には、例えば体位変換装置32を用いてもよいし、被検者30が自ら体位を変化することでもよい。
そして、無線給電装置10のコイル選択部12Aは重力方向Gに磁界を発生するX軸用コイルであるヘルムホルツコイル13を選択し、駆動部11はヘルムホルツコイル13に交流電流を印加する。受電コイル21の磁路方向はカプセル型内視鏡20の長軸方向であるため、重力センサ16が検出した重力方向Gと一致しているため、受電コイル21はヘルムホルツコイル13が発生した磁界による磁気誘導効果により受電することができる。
次に、図7(A)および(B)に示すように、被検者30が右側を下にした側臥位の姿勢の場合、胃30Aの内部に滞留した水31の液面に対して長軸方向を垂直に浮遊しているカプセル型内視鏡20のCCD23は視野Sが胃30Aの左側面を向いているため、胃30Aの左側面を撮像することができる。なお、仰臥位から側臥位への姿勢変化には、例えば体位変換装置32を用いてもよいし、被検者30が自ら体位を変化することでもよい。
そして、無線給電装置10のコイル選択部12Aは重力方向Gに磁界を発生するY軸用コイルであるヘルムホルツコイル14を選択し、駆動部11はヘルムホルツコイル14に交流電流を印加する。受電コイル21の磁路方向はカプセル型内視鏡20の長軸方向であるため、重力センサ16が検出した重力方向Gと一致しているため、受電コイル21はヘルムホルツコイル14が発生した磁界による磁気誘導効果により受電することができる。
さらに、被検者30が前側を下にした腹臥位の姿勢の場合、胃30Aの内部に滞留した水31の液面に対して長軸方向を垂直に浮遊しているカプセル型内視鏡20のCCD23は視野Sが胃30Aの背面を向いているため、胃30Aの背面を撮像することができる。被検者30が腹臥位の姿勢では無線給電装置10のコイル選択部12Aは重力方向Gに磁界を発生するZ軸用コイルであるヘルムホルツコイル13を選択し、駆動部11はヘルムホルツコイル13に交流電流を印加する。受電コイル21の磁路方向はカプセル型内視鏡20の長軸方向であるため、重力センサ16が検出した重力方向Gと一致しているため、受電コイル21はヘルムホルツコイル13が発生した磁界による磁気誘導効果により受電することができる。
そして、被検者30が左側を下にした側臥位の姿勢の場合、胃30Aの内部に滞留した水31の液面に対して長軸方向を垂直に浮遊しているカプセル型内視鏡20のCCD23は視野Sが胃30Aの右側面を向いているため、胃30Aの右側面を撮像することができる。無線給電装置10のコイル選択部12Aは重力方向Gに磁界を発生するY軸用コイルであるヘルムホルツコイル14を選択し、駆動部11はヘルムホルツコイル14に交流電流を印加する。受電コイル21の磁路方向はカプセル型内視鏡20の長軸方向であるため、重力センサ16が検出した重力方向Gと一致しているため、受電コイル21はヘルムホルツコイル14が発生した磁界による磁気誘導効果により受電することができる。
以上の説明のように、被検者30が姿勢を変化することにより、カプセル型内視鏡20は胃30Aの胃壁全体の画像情報を取得することができる。そして、本実施の形態の無線給電装置10では送電アンテナ部1の重力センサ16が検出した重力方向Gをもとに、被検者30の姿勢変化に応じて効率良く駆動するコイルを切り替えることができる。すなわち、送電アンテナ部1は本発明の無線給電装置10に使用されて効果を奏する専用品である。
<第2の実施の形態>
以下、図面を参照して本発明の第2の実施の形態の無線給電装置10Aについて説明する。本実施の形態の無線給電装置10Aは、第1の実施の形態の無線給電装置10と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。
図8は第2の実施の形態の無線給電装置の構成を示した構成図である。
図8に示すように、本実施の形態の無線給電装置10Aのコイル選択部12Aは2組のヘルムホルツコイルを選択し、選択された2組のヘルムホルツコイルを同期制御する同期制御部18を有する。
すなわち、第1の実施の形態の無線給電装置10では、コイル選択部12は3組のヘルムホルツコイル13、14、15の中から重力方向と平行な方向に最も近い方向に磁界を発生する1組のコイルを選択した。これに対して、本実施の形態の無線給電装置10Aでは、コイル選択部12Aは3組のヘルムホルツコイル13、14、15の中から重力方向と、より平行な方向に磁界を発生するため2組のコイルを選択する。
このため、重力方向に対して、いずれのヘルムホルツコイル13、14、15も斜め方向の磁界を発生する場合であっても、選択された2組のコイルに、それぞれ所定の電流を印加することで合成磁界として重力方向と平行な方向に磁界を発生することができる。
すなわち、本実施の形態の無線給電装置10Aは、第1の実施の形態の無線給電装置10と同じ効果を有し、さらに、それぞれの3組のヘルムホルツコイル13、14、15が発生する磁界の方向が重力方向と異なる場合であっても確実に安定した効率的な電力供給をすることができる。
<第2の実施の形態の変形例>
以下、本発明の第2の実施の形態の変形例の無線給電装置について説明する。本変形例の無線給電装置は、第2の実施の形態の無線給電装置10Aと類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。
第2の実施の形態の無線給電装置10Aでは、コイル選択部12Aは2組のヘルムホルツコイルを選択し、選択された2組のヘルムホルツコイルを同期制御する同期制御部18を有していた。これに対して本変形例の無線給電装置では、コイル選択部12Aは同じく2組のヘルムホルツコイルを選択するが、駆動部11は、選択された2組のヘルムホルツコイルを単に直列接続して同時に駆動する。
すなわち、本変形例の無線給電装置では、2組のヘルムホルツコイルが選択された場合、それぞれの対向コイルに対して45度方向の磁界を発生する。
このため、本変形例の無線給電装置は、第2の実施の形態の無線給電装置10Aよりも簡単な構造および制御であるが、さらに、それぞれの3組のヘルムホルツコイル13、14、15が発生する磁界の方向が重力方向と異なる場合であっても、第1の実施の形態の無線給電装置10よりも、より確実に安定した効率的な電力供給をすることができる。
なお、上記説明の本実施の形態および変形例のコイル13〜15は、2つのコイルを対向配置したヘルムホルツ型であるが、1つのコイルからなるソレノイド型でも良い。
また、上記説明は、カプセル型内視鏡を例に説明したが、本発明の無線給電装置は、カプセル型内視鏡への無線給電に限られるものではなく、消化液採取用カプセル型医療機器、嚥下型のpHセンサ、またはドラッグデリバリーシステムのような各種カプセル型医療機器に適用可能である。
すなわち、本発明は、上述した実施の形態または変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
第1の実施の形態の無線給電装置の使用状態を説明するための説明図である 第1の実施の形態の無線給電装置の送電コイルの構成を説明するための模式図である。 第1の実施の形態の無線給電装置の構成を示した構成図である。 カプセル型内視鏡の構成を説明するための断面模式図である。 被検者の姿勢とカプセル型内視鏡の姿勢との関係を説明するための断面模式図である。 被検者の姿勢とカプセル型内視鏡の姿勢との関係を説明するための断面模式図である。 被検者の姿勢とカプセル型内視鏡の姿勢との関係を説明するための断面模式図である。 第2の実施の形態の無線給電装置の構成を示した構成図である。
符号の説明
1…送電アンテナ部
10、10A…無線給電装置
11…駆動部
12、12A…コイル選択部
13、14、15…ヘルムホルツコイル
13A、13B、14A、14B、15A、15B…螺旋型コイル
16…重力センサ
17…ベスト
18…同期制御部
20…カプセル型内視鏡
21…受電コイル
22…受電回路
23…CCD
24…2次電池
25…レンズ
26…画像処理回路
27…送受信回路
28…カプセル筐体
28A…カプセル筐体部
30…被検者
30A…胃
30B…臍(へそ)
31…水
31A…液面
32…体位変換装置

Claims (14)

  1. 被検者の体内に導入するカプセル型内視鏡に無線給電する無線給電装置であって、
    長軸方向の端部に配設された撮像手段と、前記長軸方向に平行方向の磁界の変化により受電する受電コイルとを有する前記カプセル型内視鏡が、前記体内に滞留した液体の液面に対して前記長軸方向を垂直に浮遊する構造を有し、
    前記被検者に配設する互いに直交する方向の前記磁界を発生する3組のヘルムホルツコイルと、
    前記被検者に配設する重力方向を検知する重力センサと、
    前記重力センサが検知した重力方向に磁界を発生する前記ヘルムホルツコイルを選択するコイル選択手段と、
    前記コイル選択手段が選択した前記ヘルムホルツコイルに電流を印加する駆動手段とを有することを特徴とする無線給電装置。
  2. 前記被検者が着用する着衣に前記3組のヘルムホルツコイルと前記重力センサとが配設されていることを特徴とする請求項1に記載のカプセル型内視鏡用無線給電装置。
  3. 前記重力センサが3軸加速度センサであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の無線給電装置。
  4. 前記カプセル型内視鏡が、前記長軸方向の両端部に、それぞれ配設された2つの撮像手段を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の無線給電装置。
  5. 前記コイル選択手段が、2組の前記ヘルムホルツコイルを選択し、
    前記2組のヘルムホルツコイルを同期制御する同期制御部を有することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の無線給電装置。
  6. 前記コイル選択手段が、2組の前記ヘルムホルツコイルを選択し、
    前記駆動手段が、前記2組のヘルムホルツコイルを直列接続して電流を印加することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の無線給電装置。
  7. 前記被検者の体内が、胃の内部であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の無線給電装置。
  8. 被検者の体内に導入するカプセル型内視鏡に無線給電する無線給電装置の送電アンテナ部であって、
    長軸方向の端部に配設された撮像手段と、前記長軸方向に平行方向の磁界の変化により受電する受電コイルとを有する前記カプセル型内視鏡が、前記体内に滞留した液体の液面に対して前記長軸方向を垂直に浮遊する構造を有し、
    前記被検者に配設する互いに直交する方向の前記磁界を発生する3組のヘルムホルツコイルと、
    前記被検者に配設する重力方向を検知する重力センサとが、前記被検者が着用する着衣に配設されていることを特徴とする送電アンテナ部。
  9. 前記無線給電装置が、
    前記重力センサが検知した重力方向に磁界を発生する前記ヘルムホルツコイルを選択するコイル選択手段と、
    前記コイル選択手段が選択した前記ヘルムホルツコイルに電流を印加する駆動手段とを有することを特徴とする請求項8に記載の送電アンテナ部。
  10. 前記重力センサが3軸加速度センサであることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の送電アンテナ部。
  11. 前記カプセル型内視鏡が前記長軸方向の両端部に、それぞれ配設された2つの撮像手段を有することを特徴とする請求項9から請求項10のいずれか1項に記載の送電アンテナ部。
  12. 前記コイル選択手段が、2組の前記ヘルムホルツコイルを選択し、
    前記2組のヘルムホルツコイルを同期制御する同期制御部を有することを特徴とする請求項9から請求項11のいずれか1項に記載の送電アンテナ部。
  13. 前記コイル選択手段が、2組の前記ヘルムホルツコイルを選択し、
    前記駆動手段が、前記2組のヘルムホルツコイルを直列接続して電流を印加することを特徴とする請求項9から請求項12のいずれか1項に記載の送電アンテナ部。
  14. 前記被検者の体内が、胃の内部であることを特徴とする請求項8から請求項13のいずれか1項に記載の送電アンテナ部。
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