JP2012086029A - カプセル内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、広角化、広配光化が可能なカプセル内視鏡を提供する。
【解決手段】対物レンズ４と、対物レンズ４の物体側を覆う透明ドーム２と、対物レンズ４の周辺の外周部に配置された発光素子５とを備えたカプセル内視鏡において、前後に２つの対物レンズ４と、対物レンズ４の物体側を覆う透明ドーム２と、対物レンズ４の周辺の外周部に配置された発光素子５が配置されており、前後に配置した発光素子５の配光が前後で周辺で交わるように、前後の発光素子５が各対物レンズ４先端より後退した位置に各対物レンズ４の中心軸に対して外側に傾けて斜めに配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、カプセル内視鏡に関し、特に、カプセル内視鏡の広視野観察のための最適構造に関するものである。

現状のカプセル内視鏡は、従来の内視鏡スコープと異なり、体内で視野方向を自由に走査する機能を持っていない。そのため、同じ視野範囲の内視鏡スコープと比較して、カプセル内視鏡は、視野変換ができない範囲に死角が発生し、病変の見落としの確率が高くなると言える。

そのため、視野範囲の走査機能のないカプセル内視鏡においては、広角で前後二眼の撮像系（特許文献１）とすることで死角をなくすことができ、病変の見落としの低減ができるので、二眼の撮像系とすることは非常に必要性の高い機能であると言える。

ただし、光学系の広角化達成のため、多数のレンズ枚数を用いてしまうと、全長が伸び、また、原価高にもつながるため、レンズ枚数は極力減らした上で広角化することが求められる（特許文献２）。

また、対物系の視野範囲を広げるのみで、従来と同様の照明系を用いた場合は、広角化により広がった視野範囲部分の明るさが不十分となり、病変の発見率が低下することが想定される。

そのため、撮像系の広角化による性能向上を活かすためには、照明の広配光化も同時に必要とされる（特許文献３、特許文献４）。

特表２００５−５０３１８２号公報 特開２００５−８０７１３号公報 再公表特許ＷＯ２００４／０９６０２９号公報 特開２００４−２７５５４２号公報

本発明は従来技術のこのような現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、カプセル内視鏡の低バラツキで小型化、広角化、広配光化が可能なカプセル内視鏡のレイアウト構成を提供することである。

上記目的を達成する本発明のカプセル内視鏡は、対物レンズと、該対物レンズの物体側を覆う透明ドームと、該対物レンズの周辺の外周部に配置された発光素子とを備えたカプセル内視鏡において、
前記対物レンズを保持し、かつ、前記発光素子を前記対物レンズの周辺の前記対物レンズ先端より後退した位置で前記対物レンズの中心軸に対して外側に傾けて斜めに保持する一体の保持部材を備えることを特徴とするものである。

この場合に、前記保持部材は、円錐状あるいは角錐状の面を備え、その中心部に前記対
物レンズの外形と同形の開口部が、その側面に前記発光素子の外形と同形の開口部が設けられており、前記開口部に前記対物レンズと前記発光素子が嵌合して位置出しされているようにすることが望ましい。

すなわち、発光素子の配置角度を傾けるためには、発光素子がフレキシ基板に取り付けられるが、何かの保持構造がないと、配置位置が不安定になる。また、傾け角を精度良く保たないと、配光バラツキ、フレアが発生したりすることが起こる。一体の保持部材を用いることで、フレキシ基板に付けられた発光素子を固定し、対物レンズと発光素子の位置を高精度に定めることができ、配光バラツキ、不要光の低減を可能とすることができる。

一体の保持部材に対物レンズを保持し、発光素子取り付け部にテーパーを付けて配光を広げ、対物レンズを中心部に配置することで、１８０°以上の広角の対物レンズであっても周辺の発光素子及びその取り付け部で視野ケラレが起こらない。また、対物レンズを透明ドーム内に突き出すことにより、ドーム内部に対物レンズを配置でき、全長の短縮化を同時に達成できる。

本発明のもう１つのカプセル内視鏡は、対物レンズと、該対物レンズの物体側を覆う透明ドームと、該対物レンズの周辺の外周部に配置された発光素子とを備えたカプセル内視鏡において、
前後に２つの対物レンズと、該対物レンズの物体側を覆う透明ドームと、該対物レンズの周辺の外周部に配置された発光素子が配置されており、前後に配置した発光素子の配光が前後で周辺で交わるように、前後の発光素子が各対物レンズ先端より後退した位置に各対物レンズの中心軸に対して外側に傾けて斜めに配置されていることを特徴とするものである。

広角対物光学系を前後に二眼配置し全周観察を達成するためには、前後に配置した発光素子の配光が前後で周辺で交わるようすることで、照明の届かない部分をなくすことができる。

以上において、前記対物レンズの視野範囲が１４０°以上であり、下記条件式（１）を満足することが望ましい。

条件式（１） ０°＜θ≦６０°
ただし、θは対物レンズの中心軸に対する発光素子の放射方向中心軸がなす角度である。

また、前記対物レンズが、物体側から順に、負の屈折力を有する物体側に凸のメニスカスレンズと、負の屈折力を有するレンズと、絞りと、正の屈折力を有するレンズの３枚構成からなることが望ましい。

また、前記発光素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）から構成することができる。

前者は、安く、明るい。後者はフレキシ基板に付けられ、厚みは薄く、狭い箇所にも取り付けることができる。また、応答速度が速い。

また、下記条件式（２）を満足することが望ましい。

条件式（２） Ｒａ＞Ｌ
ただし、Ｒａは前記透明ドームの前記対物レンズ側面の曲率半径、Ｌは前記透明ドームの前記対物レンズ側面の頂点から前記対物レンズの最も物体側の面までの距離である。

このように、広角対物系を用いて透明ドーム内部へ対物レンズを入り込むようにしても、視野範囲が狭くならないため、カプセル内視鏡全体の全長短縮を可能とし、患者への負担を低減することに貢献することができる。

また、本発明のもう１つのカプセル内視鏡において、前記発光素子各々から球面物体上に光を出射したときにその放射方向中心軸方向に出射される強度を１００％とし、前後の発光素子からの出射強度が１０％以上の光が交わるように前記発光素子が配置されているものとすることができる。

さらに、本発明のもう１つのカプセル内視鏡において、以下の条件式（３）を満足するものとすることが望ましい。

条件式（３） （Ｎ／２）／ｔａｎ（β−９０°）
≧（Ｍ／２）／ｔａｎ（α＋θ−９０°）
ただし、Ｎは前後に配置した発光素子中心間の長手方向の距離、Ｍは前後に配置された対物レンズ先端中心間の長手方向の距離、αは発光素子の放射方向中心軸方向に出射される強度強度に対して１０％の強度になる中心軸に対する角度、βは対物レンズの視野角の半分、θは対物レンズの中心軸に対する発光素子の放射方向中心軸がなす角度である。

以上の本発明によると、対物レンズを広角化することで、従来のカプセル内視鏡の照明系レイアウトでは周辺部の明るさが不十分となり、観察に支障をきたすことが想定されるが、発光素子を光学系の周辺部に傾けて配置することで、広角光学系にも対応できる広配光照明系を作ることが可能となり、広視野角化、広配光化によるスクリーニング性が向上する。

また、視野角１４０°以上の対物レンズを前後方向に２個配置し二眼構成することで、３６０°に近い全周観察が可能となり、死角を略なくすことが可能となる。これにより、視野方向を自由に変更する機能がないカプセル内視鏡においても死角がなくなり、スクリーニング性を向上させることが可能となる。

本発明のカプセル内視鏡の先端部の構成を示す断面図である。 図１の先端構造を前後に配置してなる二眼配置のカプセル内視鏡の断面図である。 図２のカプセル内視鏡が小腸内を観察診断ができる様子を示す模式図である。 本発明のカプセル内視鏡の先端部の構成例の断面図（ａ）と保持枠の正面図（ｂ）である。 対物レンズの中心軸に対する発光素子の放射方向中心軸がなす角度の例とその場合の配光特性を例示する図である。 発光素子の１例の配光特性を示す図である。 図６の発光素子を使用した本発明のカプセル内視鏡の概略図である。 従来のカプセル内視鏡の先端構造を示す断面図である。 従来の二眼配置のカプセル内視鏡の断面図である。

以下、図面を参照にして本発明のカプセル内視鏡を実施例に基づいて説明する。

図８は、従来のカプセル内視鏡１の先端構造を示す図であり、カプセル内視鏡１先端には透明半球状のドーム２が配置され、カプセル内視鏡１内部には枠部材３の中心に対物レンズ４が取り付けられており、対物レンズ４周辺の枠部材３の平面先端には、照明用として複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）あるいはエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）からなる発光素子５が中心軸に対称に配置されてなる。このような構成において、対物レンズ４の視野範囲（破線）が発光素子５の照明範囲（実線）内に含まれるように構成されている。

このような構成の先端構造を前後に配置してなる二眼配置のカプセル内視鏡１０にすると、図９に示すように、両側の発光素子５の照明範囲間に非照明範囲（領域）が発生するため、各対物レンズ４の視野範囲（破線）を広げても、その非照明範囲では明るさが不十分で病変の発見率が低下する。

そこで、本発明においては、図１に示すように、カプセル内視鏡１において対物レンズ４周辺の枠部材３の先端面３１を、中心に取り付ける対物レンズ４先端がドーム２内に突き出て、その周辺に発光素子５を取り付ける位置が対物レンズ４先端より後退した円錐状の面あるいは角錐状の面として、対物レンズ４の中心軸に対して発光素子５が斜め外方を向くようにこの円錐状あるいは角錐状の先端面３１に取り付けることで、対称に配置する複数の発光素子５による照明範囲が広くなり、それに伴って対物レンズ４の視野範囲を広げることで広視野化を図ることができる。

ここで、対物レンズ４の視野範囲が１４０°以上であることが望ましい。そして、対物レンズ４の中心軸に対する発光素子５の放射方向中心軸がなす角度をθとするき、
条件式（１） ０°＜θ≦６０°
なる条件を満足することが望ましい。この条件式（１）の下限の０°の場合は、図８の従来の場合と同様であり、周辺部の照明が不足し、病変の発見率が低下する。逆に上限の６０°を越えると、中心軸上の照明が不足する恐れが出てくる。

さて、図１のような先端構造を前後に配置してなる二眼配置のカプセル内視鏡１０にする場合は、図２に示すように、前後の発光素子５による配光範囲（照明範囲）が相互に交わるように各端部の複数の発光素子５による照明範囲を１８０°より広くすることで（各端部の複数の発光素子５による軸方向の配光範囲も相互に交わるようにするのはもちろん）、カプセル内視鏡１０周囲を略全て照明することができるようになり、図３に模式的に示すように、例えば小腸Ｃ内を死角がなく病変の見落としの確率が極めて小さく観察診断ができるようになる。

図４（ａ）にカプセル内視鏡１の一方の先端部の構成例の断面図を示す。カプセル内視鏡の円筒状本体１５の先端に、図４（ｂ）に正面図を示すような保持枠３０を固定し、その上に透明半球状のドーム２を被せてカプセル内視鏡１の先端部を構成する。保持枠３０は、頂部の面の中心に対物レンズ４を取り付ける開口３２を有する六角錐台の形状をした板金部材からなり、六角錐台の各側面には発光素子５を固定する開口３３が設けられている。保持枠３０の六角錐台の頂部の面の開口３２に同軸に対物レンズ４の鏡筒を固定し、フレキシ基板２０の前面に所定間隔で発光素子５が取り付けられたフレキシ基板２０を保持枠３０の内側面（裏面側の面）に押圧固定することで、保持枠３０の各側面の開口３３に各発光素子５が保持枠３０の内側から挿入固定される。

対物レンズ４は、例えば特許文献２に示されているように、物体側から順に、負の屈折力を有する物体側に凸のメニスカスレンズＬ１と、負の屈折力を有するレンズＬ２と、絞りＳと、正の屈折力を有するレンズＬ３の３枚構成からなるものを用いて、観察できる視野角を１４０°以上、好ましくは１８０°以上にして死角範囲をなくし、病変の見落としを低減させる。そして、対物レンズ４の像面にＣＣＤ等の撮像素子２１が配置され、この
撮像素子２１はフレキシ基板２０に接続される。

このように、カプセル内視鏡１の先端部の構造として、対物レンズ４と発光素子５の配置位置を定めて位置を正確に決めることができる保持枠３０を用いることで、撮像系と照明系を一体に保持する構造となり、対物レンズ４と発光素子５の配置を高精度に定めることが可能となる。また、発光素子５は自由に素子の方向を定められるフレキシ基板２０に取り付けられているが、その発光素子５は何等かの保持構造がないと配置位置が不安定となり、配光バラツキやフレアの発生要因となってしまうが、上記のように、フレキシ基板２０に付けられた発光素子５を固定し、対物レンズ４と発光素子５の位置を高精度に定めることができる一体の保持枠３０を用いることで、配光バラツキ、不要光の低減を可能とすることが可能となると共に、組立性も向上する。

とろで、本発明のカプセル内視鏡１においては、発光素子５を対物レンズ４周辺の保持枠３０の斜めの側面に取り付ける構成とするため、対物レンズ４を透明半球状のドーム２内に突き出すような配置にすることができ、広視野化、広配光だけでなく、対物レンズ４のドーム２内への移動量分、ドーム２内のデットスペースを低減し、カプセル内視鏡１全体の全長を短くすることが可能となる。カプセル内視鏡１の全長が短くなることで、患者への負担を低減し、安全性も向上する。そのためには、次の条件式を満足することが望ましい。

条件式（２） Ｒａ＞Ｌ
ただし、Ｒａは透明ドーム２の対物レンズ４側面の曲率半径、Ｌは透明ドーム２の対物レンズ４側面の頂点から対物レンズの最も物体側の面（メニスカスレンズＬ１の物体側の面）までの距離である。

この条件式（２）の範囲外では、上記全長短縮の効果を得ることができなくなる。

次に、対物レンズ４の中心軸に対する発光素子５の放射方向中心軸がなす角度θの例とその場合の配光特性を図５に例示する。各発光素子５の配光特性はθ＝０の場合が対応し、θが１５°、３０°、４５°の配置角度における対物レンズ４の中心軸に対する角度０〜９０°における配光特性は図５に示す通りである。配置角度θ＝４５°になると、対物レンズ４の中心軸に対して９０°をなす周辺部においても明るく照明されていることが分かる。

図６に、本発明で使用した発光素子の１例の物体が球面形状のときの配光特性を示す。発光素子の放射方向中心軸方向に出射される強度に対して１０％の強度になる中心軸に対する角度は８０°である。

図７に、この発光素子５を使用した本発明のカプセル内視鏡１０の概略図を示す。前後に配置した発光素子５中心間の長手方向の距離Ｎは１０ｍｍ、前後に配置された対物レンズ４先端中心間の長手方向の距離Ｍは１１ｍｍ、発光素子５の放射方向中心軸方向に出射される強度強度に対して１０％の強度になる中心軸に対する角度αは８０°、対物レンズ４の中心軸に対する発光素子５の放射方向中心軸がなす角度θは３５°、対物レンズ４の視野角の半分βは１１０°である。

（Ｎ／２）／ｔａｎ（β−９０°）＝１３．７
（Ｍ／２）／ｔａｎ（α＋θ−９０°）＝１１．８
となり、（Ｎ／２）／ｔａｎ（β−９０°）の方が大きくなっている。

条件式（３） （Ｎ／２）／ｔａｎ（β−９０°）
≧（Ｍ／２）／ｔａｎ（α＋θ−９０°）
この条件式（３）を満たすことで、視野内に入る発光素子５からの出射光は１０％以上になるため、対物レンズの視野角を広角にした際にも周辺まで明るい画像を観察することができる。

以上、本発明のカプセル内視鏡を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。

以上の本発明によると、対物レンズを広角化することで、従来のカプセル内視鏡の照明系レイアウトでは周辺部の明るさが不十分となり、観察に支障をきたすことが想定されるが、発光素子を光学系の周辺部に傾けて配置することで、広角光学系にも対応できる広配光照明系を作ることが可能となり、広視野角化、広配光化によるスクリーニング性が向上する。

また、視野角１４０°以上の対物レンズを前後方向に２個配置し二眼構成することで、３６０°に近い全周観察が可能となり、死角を略なくすことが可能となる。これにより、視野方向を自由に変更する機能がないカプセル内視鏡においても死角がなくなり、スクリーニング性を向上させることが可能となる。

１…カプセル内視鏡
２…透明ドーム
３…枠部材
４…対物レンズ
５…発光素子
１０…二眼配置のカプセル内視鏡
１５…円筒状本体
２０…フレキシ基板
２１…撮像素子
３０…保持枠
３１…枠部材の先端面
３２…対物レンズを取り付ける開口
３３…発光素子を固定する開口
Ｃ…小腸
Ｌ１…負の屈折力を有する物体側に凸のメニスカスレンズ
Ｌ２…負の屈折力を有するレンズ
Ｌ３…正の屈折力を有するレンズ
Ｓ…絞り

Claims (8)

1. 対物レンズと、該対物レンズの物体側を覆う透明ドームと、該対物レンズの周辺の外周部に配置された発光素子とを備えたカプセル内視鏡において、
   前後に２つの対物レンズと、該対物レンズの物体側を覆う透明ドームと、該対物レンズの周辺の外周部に配置された発光素子が配置されており、前後に配置した発光素子の配光が前後で周辺で交わるように、前後の発光素子が各対物レンズ先端より後退した位置に各対物レンズの中心軸に対して外側に傾けて斜めに配置されていることを特徴とするカプセル内視鏡。
2. 前記対物レンズの視野範囲が１４０°以上であり、下記条件式（１）を満足することを特徴とする請求項１記載のカプセル内視鏡。
   条件式（１） ０°＜θ≦６０°
   ただし、θは対物レンズの中心軸に対する発光素子の放射方向中心軸がなす角度である。
3. 前記対物レンズが、物体側から順に、負の屈折力を有する物体側に凸のメニスカスレンズと、負の屈折力を有するレンズと、絞りと、正の屈折力を有するレンズの３枚構成からなることを特徴とする請求項２記載のカプセル内視鏡。
4. 前記発光素子が発光ダイオード（ＬＥＤ）からなることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のカプセル内視鏡。
5. 前記発光素子がエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）からなることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のカプセル内視鏡。
6. 下記条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載のカプセル内視鏡。
   条件式（２） Ｒａ＞Ｌ
   ただし、Ｒａは前記透明ドームの前記対物レンズ側面の曲率半径、Ｌは前記透明ドームの前記対物レンズ側面の頂点から前記対物レンズの最も物体側の面までの距離である。
7. 前記発光素子各々から球面物体上に光を出射したときにその放射方向中心軸方向に出射される強度を１００％とし、前後の発光素子からの出射強度が１０％以上の光が交わるように前記発光素子が配置されていることを特徴とする請求項１記載のカプセル内視鏡。
8. 以下の条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１記載のカプセル内視鏡。
   条件式（３） （Ｎ／２）／ｔａｎ（β−９０°）
   ≧（Ｍ／２）／ｔａｎ（α＋θ−９０°）
   ただし、Ｎは前後に配置した発光素子中心間の長手方向の距離、Ｍは前後に配置された対物レンズ先端中心間の長手方向の距離、αは発光素子の放射方向中心軸方向に出射される強度強度に対して１０％の強度になる中心軸に対する角度、βは対物レンズの視野角の半分、θは対物レンズの中心軸に対する発光素子の放射方向中心軸がなす角度である。

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