JP2014057898A - Monitoring of esophageal arrangement of capsule endoscope with tether - Google Patents

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ジェイ.ザイベル エリック
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a better technique for monitoring an axial direction position of a capsule endoscope.SOLUTION: A scan soft endoscope includes a tether (22) attached to a capsule (20). The tether (22) controls the arrangement of the capsule (20) in a body cavity such as an esophagus. When the capsule (20) is caused to pass and move in the body cavity in an axial direction, a scanner (26) in the capsule (20) optically scans a neighborhood tissue on an internal surface in the body cavity. In response to a marker on the tether (22), a non-contact sensor (638) measures relative positions in the body cavity of the tether (22) and the capsule (20). The form of the marker can be either analog or digital, and the sensor (638) can be either magnetic or optical. A wiper (670) is selectively provided, and when the tether (22) has passed through the sensor (638) and is pulled out from the body cavity, a body fluid is removed from the tether (22). A fluid pulse is supplied to a far end of the tether (22) to cause the expansion of the body cavity so that the free movement of the capsule in the body cavity is promoted.

Description

バレット食道(BE)は食道の前癌状態、食道癌の前駆体である。バレット食道を診断する標準的な慣行では、しばしば食道管腔へ空気を吹き込んで、軟性内視鏡手技が使用される。正常な食道は、通常は明るいピンク色であり、一方、胃はやや暗いピンク色を呈する。通常、バレット食道は、食道から胃を分離している下部食道括約筋(LES)より上方でやや暗いピンク色の領域として現れる。   Barrett's esophagus (BE) is a precancerous state of the esophagus, a precursor of esophageal cancer. The standard practice of diagnosing Barrett's esophagus often uses a soft endoscopic procedure by blowing air into the esophageal lumen. The normal esophagus is usually light pink, while the stomach has a slightly dark pink color. Barrett's esophagus usually appears as a slightly darker pink area above the lower esophageal sphincter (LES) that separates the stomach from the esophagus.

この状態は食道腺癌の前兆であることが判明しているため、BEは早期に診断することが好ましい。したがって、慢性の胸焼けおよび胃逆流がある数百万人の食道の状態評価が必要になるとしても、この状態に対する一般的なスクリーニング手技を提供することが望ましい。しかし、バレット食道および初期癌は、はっきりわかる症状無しに発症することがあるため、状態をできるだけ早期に特定して治療を可能にし、発症を防ぐすなわち癌性症状の治癒的治療を提供するために、集団検診が唯一の実行可能な方法として提案されてきた。残念ながら、食道スクリーニングの予測候補者の数、および集団検診に関連する診療報酬と比べた医師による軟性内視鏡検査実施に関わる現在の費用が、伴う費用のため、現状このソリューションを非現実的にしている。   Since this condition has been found to be a precursor to esophageal adenocarcinoma, BE is preferably diagnosed early. Therefore, even if millions of esophageal conditions with chronic heartburn and gastric reflux are needed, it is desirable to provide a general screening procedure for this condition. However, because Barrett's esophagus and early stage cancer can develop without obvious symptoms, the condition can be identified and treated as early as possible to prevent the onset, ie provide a curative treatment for cancerous symptoms Mass screening has been proposed as the only viable method. Unfortunately, the current cost of conducting flexible endoscopy by physicians compared to the number of predictive candidates for esophageal screening, and the medical fees associated with mass screening, is currently unrealistic due to the associated costs I have to.

求められるのは、バレット食道を有する人を特定する、より効率的かつ費用効果の高い方法である。医師だけが、従来の軟性内視鏡を用いる食道検査を実施することができ、したがってこの手技は比較的高額である。医師による実施を必要とせず、代わりに、訓練を受けた医療技術者または看護師によって実施可能な別の走査技術を開発することが好ましい。実際には、バレット食道の存在を、走査操作中にリアルタイムまたはその直後に自動的に検出できように、LESのすぐ近位の食道内部表面を撮像して生成される画像の評価を自動化することも望ましい。   What is needed is a more efficient and cost effective way to identify people with Barrett's esophagus. Only a physician can perform an esophageal examination using a conventional flexible endoscope, and thus this procedure is relatively expensive. It would be preferable to develop another scanning technique that does not require implementation by a physician and instead can be performed by a trained medical technician or nurse. In fact, automating the evaluation of images generated by imaging the inner surface of the esophagus immediately proximal to the LES so that the presence of Barrett's esophagus can be automatically detected in real time or immediately after the scanning operation. Is also desirable.

バレット食道を患っている可能性がある個人の集団検診を促進するには、咽頭反射を何ら起こさず容易に食道内へ導入可能な検診機器を使用することが望ましい。理想的には、この検診機器はカプセル形状筐体で実現すべきであり、そうすればコップ1杯の水で簡単に嚥下できる。したがって、この機器は、ほとんどの患者が嚥下できるように十分に小型にしなければならない。さらに、かかる機器は適切に滅菌が行われれば再使用が可能であるが、一回の使用で廃棄できるように十分低価格の検診機器を使用することが望ましいであろう。   To facilitate mass screening of individuals who may have Barrett's esophagus, it is desirable to use a screening device that can be easily introduced into the esophagus without causing any pharyngeal reflexes. Ideally, this screening device should be realized in a capsule-shaped housing so that it can be easily swallowed with a glass of water. Therefore, this device must be small enough for most patients to swallow. Furthermore, although such devices can be reused if properly sterilized, it would be desirable to use a screening device that is sufficiently low in price so that it can be discarded after a single use.

上記の初期の関連アプリケーションは、食道の状態評価に使用可能な画像を提供しそれによりBEを検出するのに十分適する内視鏡による、患者の食道内の位置を監視する方法を開示している。この初期の方法では、カプセルが食道内を軸方向に移動するとき回転するホイール上を、撮像機器を含むカプセル内視鏡に取り付けられたテザー(thether)が通過して、食道内のカプセルの相対位置が連続的に監視されるようにしている。食道の内部表面画像で関心領域の位置が特定され、撮影された全ての全景画像の軸方向の目盛付け(scaling)を可能にするには、カプセルの軸方向位置が重要である。しかし、軸方向位置の測定は、テザーと測定ホイールの間の摩擦接触に依存している。この方法が十分正確な結果を生成できない3つの理由がある。説明したこの初期の方法では、テザーは緊張状態を保つ必要がありかつ、この測定技術は、測定ホイールと可動テザーの間の滑りがない摩擦に依存する。ヒトの口腔および食道内の滑りやすい唾液および粘液がテザーに付着して、回転する測定ホイールとテザー間の滑りを引き起こすことがある。さらに、手技を実施する医師は、カプセル内視鏡が下部括約筋および食道の他の部分を通過するとき、テザー付きカプセル内視鏡の進みを感じたい場合があり、測定ホイール(ピンチホイールとして開示されている)によって生成された追加の付加張力がその感触の邪魔をし易い。同様に医師は、カプセル内視鏡を食道内で繰り返し上下動させたい場合があり、測定ホイールとテザーの間の摩擦に基づく測定誤差を機械系に取り込み易い。測定中の全てのヒステリシスが誤差の追加源になり得る。   The earlier related application discloses a method of monitoring a patient's position in the esophagus with an endoscope that is well suited to provide images that can be used for esophageal condition assessment and thereby detect BE. . In this initial method, a tether attached to a capsule endoscope containing an imaging device passes over a wheel that rotates as the capsule moves axially in the esophagus, and the capsules in the esophagus The position is continuously monitored. The axial position of the capsule is important in order to be able to locate the area of interest in the esophageal internal surface image and to axially scale all of the captured panoramic images. However, the measurement of the axial position depends on the frictional contact between the tether and the measuring wheel. There are three reasons why this method cannot produce sufficiently accurate results. In this earlier method described, the tether needs to remain in tension and the measurement technique relies on friction without friction between the measurement wheel and the movable tether. Slippery saliva and mucus in the human oral cavity and esophagus can adhere to the tether and cause slippage between the rotating measuring wheel and the tether. In addition, the physician performing the procedure may want to feel the progress of the tethered capsule endoscope as it passes through the lower sphincter and other parts of the esophagus, and is disclosed as a measurement wheel (pinch wheel). The additional applied tension generated by the) is likely to disturb the feel. Similarly, the doctor may want to repeatedly move the capsule endoscope up and down in the esophagus, and easily incorporates a measurement error based on friction between the measurement wheel and the tether into the mechanical system. Any hysteresis during the measurement can be an additional source of error.

「AutoStitch」、マシューブラウン(Matthew Brown)、http://www.cs.ubc.ca/mbrown/autostitch/autostitch.html"AutoStitch", Matthew Brown, http://www.cs.ubc.ca/mbrown/autostitch/autostitch.html

したがって、カプセル内視鏡の軸方向位置を監視するためのより良い技術が望まれる。使用される方法は、テザーと軸方向位置監視機器の間が実際に接触せず、テザーの動きを検出することによって、カプセルの動きを監視すべきである。唾液および粘液の存在が、使用される監視技術に与える影響は最小でなければならず、カプセル内視鏡が上下動するときの感触は、カプセル位置の監視に使用される機器から干渉されることなく、医師によって容易に体験することができなければならない。   Therefore, a better technique for monitoring the axial position of the capsule endoscope is desired. The method used should monitor the movement of the capsule by detecting the movement of the tether without actually making contact between the tether and the axial position monitoring device. The presence of saliva and mucus should have minimal impact on the monitoring technique used, and the feel when the capsule endoscope moves up and down will be interfered with by the equipment used to monitor the capsule position It must be easily experienced by a doctor.

SFE(光学式走査内視鏡)は、走査機器を有する走査カプセルと、体腔内の走査カプセルの位置を制御するためにカプセルに結合されたテザーとを含む。テザーの表面を体液が覆う結果、誤差を取り込むことがなく、走査カプセルの少なくとも相対位置を監視し、体腔内の走査カプセルの位置を制御している医師の「感触」を邪魔することを避けることが重要であるため、本機能を実現する新規の方法が開発された。したがって、本方法は、体腔内の走査カプセルの相対位置監視を可能にする。カプセルに連結された遠位端を有するテザーが、体腔の外部へ延び、このテザーが、体腔の内部表面の画像を生成するのに便利な走査カプセル内に生成される走査信号を運ぶ。本方法は、テザーの少なくとも一部の軸方向長さに沿って、位置を示す標識(indicia)を設けるステップを含む。テザーに物理的に接触する必要なしに、標識に応答するセンサを用いて、標識が自動的に感知され、テザーの位置すなわち走査カプセルの体腔内軸方向の配置を示す位置信号が生成される。   An SFE (optical scanning endoscope) includes a scanning capsule having a scanning device and a tether coupled to the capsule to control the position of the scanning capsule within a body cavity. As a result of bodily fluid covering the surface of the tether, no error is introduced and at least the relative position of the scanning capsule is monitored to avoid disturbing the “feel” of the doctor controlling the position of the scanning capsule within the body cavity Therefore, a new method to realize this function has been developed. Thus, the method allows for relative position monitoring of the scanning capsule within the body cavity. A tether having a distal end coupled to the capsule extends out of the body cavity and carries the scanning signal generated within the scanning capsule that is convenient for generating an image of the interior surface of the body cavity. The method includes providing an indication of position along the axial length of at least a portion of the tether. Without requiring physical contact with the tether, the sensor is responsive to the marker, and the marker is automatically sensed to generate a position signal indicative of the position of the tether, i.e., the axial placement of the scanning capsule in the body cavity.

予測参照位置を示すために、少なくとも1つの非数値可視参照マークがテザー上に設けられる。したがって本参照マークは、テザー上の非数値可視参照マークによって提供される可視指示に基づいて、ユーザが手操作で、カプセルを所望の位置付近に位置決めすることを可能にする。必須ではないが、体腔は食道を含むことができる。食道の場合、この予測参照位置は、いつカプセルが食道内の胃食道接合部付近に配置されるかを示すテザー上の位置に対応する。この少なくとも1つの非数値可視参照マークの遠位および近位両方に、追加の複数の非数値可視参照マークを備えて、予測参照位置の両側の位置または距離を可視的に示すことができる。   At least one non-numeric visible reference mark is provided on the tether to indicate the predicted reference position. The reference mark thus allows the user to manually position the capsule near the desired position based on the visual indication provided by the non-numeric visual reference mark on the tether. Although not required, the body cavity can include the esophagus. In the case of the esophagus, this predicted reference position corresponds to a position on the tether that indicates when the capsule is placed near the gastroesophageal junction in the esophagus. An additional plurality of non-numeric visible reference marks can be provided both distally and proximally of the at least one non-numeric visible reference mark to visually indicate positions or distances on either side of the predicted reference position.

例示的一実施形態では、テザー上の標識によって生成される磁界の変動パラメータに応答して、位置信号を生成するため、標識を自動的に感知するステップは、磁気センサを用いるステップを含むことができる。生成される位置信号は、デジタル位置信号またはアナログ位置信号のどちらでもよく、そのどちらも、磁気センサ近傍の、テザーの軸方向長さに沿った現在位置を示す。   In an exemplary embodiment, automatically sensing a sign to generate a position signal in response to a magnetic field variation parameter generated by the sign on the tether may include using a magnetic sensor. it can. The generated position signal may be either a digital position signal or an analog position signal, both of which indicate a current position along the axial length of the tether near the magnetic sensor.

別の例示的一実施形態では、テザーの軸方向長さに沿って変化する標識の光学パラメータに応答して位置信号を生成するために、光学式センサを使用することができる。この場合も同様に、位置信号を生成するステップは、デジタル位置信号またはアナログ位置信号のどちらを生成してもよく、そのどちらも、光センサ近傍の、テザーの軸方向長さに沿った現在位置を示す。標識は、複数パラメータの群から選択された少なくとも1つのパラメータに応答して位置信号を生成する、光学コードを含むことができる。これらのパラメータは、光センサによって感知される光学コードの色と、光学コードによって示されるデジタル値と、背景領域から反射される光強度と対比した光学コードから反射される光強度と、デジタル情報を伝達する光学コードのパターンと、光学コードを備えるマークの相対寸法と、光学コードを備えるマークの形状と、背景領域から分散する光と対比した光学コードによって分散する光と、光学コードによって反射される、または吸収される光の波長とを含む。   In another exemplary embodiment, an optical sensor can be used to generate a position signal in response to an optical parameter of the marker that varies along the axial length of the tether. Again, the step of generating the position signal may generate either a digital position signal or an analog position signal, both of which are the current position along the axial length of the tether near the photosensor. Indicates. The indicator can include an optical code that generates a position signal in response to at least one parameter selected from the group of parameters. These parameters are the optical code color sensed by the optical sensor, the digital value indicated by the optical code, the light intensity reflected from the optical code compared to the light intensity reflected from the background area, and the digital information. The pattern of the optical code to be transmitted, the relative dimensions of the mark with the optical code, the shape of the mark with the optical code, the light dispersed by the optical code in contrast to the light dispersed from the background area, and reflected by the optical code Or the wavelength of light absorbed.

さらに別の例示的一実施形態では、テザー上の標識を監視するために追加のセンサを備えて、体腔内のカプセルの相対位置がそれによって決定される分解能を上げることができる。   In yet another exemplary embodiment, an additional sensor can be provided to monitor the label on the tether to increase the resolution by which the relative position of the capsule within the body cavity is determined.

標識を設けるステップは、標識を長手方向に延びるテープとしてテザーに添付することによって、または、標識を長手方向に延びる被膜としてテザーに適用することによって、標識を適用するステップを含むことができる。任意選択で、標識を、その上に適用される保護被膜によって保護することができる。いくつかの例示的実施形態では、本方法は、テザーが体腔から抜去され位置センサを通過する前に、テザーから体液を優しく拭き取るためのスクレーパを備えるステップを含むことができる。   Providing the indicator can include applying the indicator by attaching the indicator to the tether as a longitudinally extending tape, or by applying the indicator to the tether as a longitudinally extending coating. Optionally, the label can be protected by a protective coating applied thereon. In some exemplary embodiments, the method can include providing a scraper to gently wipe body fluid from the tether before the tether is removed from the body cavity and passes through the position sensor.

いくつかのアプリケーションでは、例示的方法は、体腔内のカプセルの参照位置を、標識に対して相対的に決定するステップを含んで、カプセルの体腔内の位置を決定する。例えば、体腔の内部表面の画像に基づいて、体腔内の既知の位置へカプセルを移動することによって、参照位置を決定することができる。既知の位置にカプセルを配置することが、つまり参照位置を示し、次にその参照位置を使用して、カプセルを体腔内で移動させるためにテザーが使用されるときにカプセルの次の位置を決定する。   For some applications, the exemplary method includes determining a reference position of the capsule within the body cavity relative to the marker to determine the position of the capsule within the body cavity. For example, the reference position can be determined by moving the capsule to a known position within the body cavity based on an image of the internal surface of the body cavity. Placing the capsule in a known position, i.e. indicating the reference position, then uses that reference position to determine the next position of the capsule when the tether is used to move the capsule within the body cavity To do.

本技術の他の態様は、体腔の内部表面を走査して画像を生成するために使用されるカプセルの、体腔内相対位置を測定する例示的機器を対象とする。本機器は、全体に上記方法と一致するテザーおよび非接触位置センサを含む。   Another aspect of the present technology is directed to an exemplary device for measuring the relative position of a capsule used to scan an internal surface of a body cavity to generate an image. The instrument includes a tether and a non-contact position sensor that are generally consistent with the above method.

さらに本技術の他の態様は、体腔の外側へ延びる近位端を有しカプセルを移動させるために使用されるテザーに連結されたカプセル内の、走査機器によって生成される画像に関して、体腔内関心領域の軸方向範囲を測定するための例示的方法を対象とする。本方法は、カプセルがテザーによって体腔内を通って移動する距離を、体腔外側に配置されたセンサを通過したテザーの移動を監視することによって測定するステップを含む。体腔の内部表面の一連の画像は、テザーを使用してカプセルを体腔内軸方向に移動させるときに撮影される。体腔の内部表面の関心領域は一連の画像の中で検出され、軸方向の関心領域の開始に対応する体腔内のカプセルの第1の位置と、軸方向の関心領域の終了に対応する第2の位置とに基づいて、テザーがカプセルを移動させる第1の位置と第2の位置の間の距離を参照して、関心領域の軸方向範囲が測定される。また、以下の開示は、この距離測定機能を実行するための機器である。   Yet another aspect of the present technology is directed to intracavity interests regarding images generated by a scanning device in a capsule having a proximal end extending outwardly of the body cavity and coupled to a tether used to move the capsule. It is directed to an exemplary method for measuring the axial extent of a region. The method includes the step of measuring the distance that the capsule moves through the body cavity by the tether by monitoring the movement of the tether past a sensor located outside the body cavity. A series of images of the internal surface of the body cavity is taken when the capsule is moved in the body cavity axis direction using a tether. A region of interest on the interior surface of the body cavity is detected in the series of images, and a first position of the capsule in the body cavity corresponding to the start of the axial region of interest and a second corresponding to the end of the axial region of interest. The axial extent of the region of interest is measured with reference to the distance between the first position and the second position at which the tether moves the capsule. The following disclosure is an apparatus for executing this distance measurement function.

さらに本技術の他の態様は、食道の内部表面を撮像する走査装置を有するカプセルを使用する方法を対象とし、その方法では、カプセルは、カプセルを食道内および胃食道接合部を通過して移動させるためのテザーに結合されている。本方法では(および対応機器に関して)、カプセルを食道内を胃食道接合部近傍の位置へ移動するためにテザーが使用される。次に、加圧流体パルスが、カプセル近傍の領域へ供給される。加圧流体パルスは、食道下部の自主的な膨張を引き起こし、それによって、カプセルの胃食道接合部の通過および患者の胃への出入りの移動を促進すると同時に、カプセル内の走査装置を使用して食道の内部表面を撮像する。   Yet another aspect of the present technology is directed to a method of using a capsule having a scanning device that images the interior surface of the esophagus, where the capsule moves the capsule through the esophagus and through the gastroesophageal junction. Combined with a tether for letting. In this method (and with respect to corresponding devices), a tether is used to move the capsule through the esophagus to a location near the gastroesophageal junction. Next, a pressurized fluid pulse is delivered to the area near the capsule. Pressurized fluid pulses cause voluntary dilatation of the lower esophagus, thereby facilitating the passage of the capsule through the gastroesophageal junction and movement into and out of the patient's stomach, while using a scanning device within the capsule. Imaging the internal surface of the esophagus.

この概要では、以下の説明でさらに詳細に説明されるいくつかの概念を簡単な形態で紹介してきた。しかし、この概要は、特許請求されている主題の主要なまたは必須の特徴を特定するものでも、特許請求されている主題の範囲を決定する助けとして使用されるものでもない。   This summary has introduced in a simplified form some concepts that are described in further detail in the following description. This summary is not, however, intended to identify key or essential features of the claimed subject matter or to assist in determining the scope of the claimed subject matter.

1つまたは複数の例示的実施形態およびそれに対する変更形態の種々の態様および付随する利点が、添付の図面と併せて以下の詳細説明を参照することによってより理解されるとき、より容易に評価されよう。   Various aspects and attendant advantages of one or more exemplary embodiments and modifications thereto will be more readily appreciated as the same becomes better understood by reference to the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. Like.

食道および胃を示し、本発明を用いて1つの体腔をどのように容易に操作することができるかを説明する概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the esophagus and stomach, and illustrating how one body cavity can be easily manipulated using the present invention. BE状態を検知するために食道の所望の位置を操作するために本発明がどのように制御可能に配置されるかを示す、図1Aの食道および胃の一部の概略図である。1B is a schematic diagram of a portion of the esophagus and stomach of FIG. 1A showing how the present invention is controllably positioned to manipulate a desired position of the esophagus to detect a BE condition. FIG. 本発明の一実施形態の拡大斜視図であり、その中に使用される走査装置によって提供されるFOV(相対広角視野)の図である。FIG. 2 is an enlarged perspective view of an embodiment of the present invention, and is a view of a FOV (relative wide angle field of view) provided by a scanning device used therein. 患者体内の管腔の内部表面を監視し、診断を出し、治療を提供するのに便利な、本発明による走査システム内の信号の機能的流れのブロック図である。1 is a block diagram of the functional flow of signals within a scanning system according to the present invention useful for monitoring an internal surface of a lumen in a patient, providing a diagnosis, and providing treatment. FIG. 本発明に連結して、走査レンズ付き光ビーム走査装置として使用される、微小レンズ付き走査光ファイバ駆動用アクチュエータを有する走査装置実施形態の図である。FIG. 2 is a diagram of a scanning device embodiment having a scanning optical fiber drive actuator with a microlens used in connection with the present invention as a light beam scanning device with a scanning lens. 本発明に使用される走査装置に連結して、異なる走査角度の結像スポット直径の変化を説明する、点光源撮像実施形態の概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a point light source imaging embodiment illustrating a change in imaging spot diameter at different scanning angles in connection with a scanning device used in the present invention. 本発明の走査装置に使用する、時系列光検出器と撮像レンズとを装備する走査点光源照明装置の概略図である。It is the schematic of the scanning point light source illuminating device equipped with the time series photodetector and imaging lens used for the scanning apparatus of this invention. 本発明の走査装置に使用する、走査レンズと検出器を備えた走査光ビーム照明装置の概略図である。It is the schematic of the scanning light beam illuminating device provided with the scanning lens and detector used for the scanning apparatus of this invention. 光ファイバのバンドルおよび単一同心光ファイバを使用する走査装置用構成の概略図である。1 is a schematic diagram of a configuration for a scanning device that uses a bundle of optical fibers and a single concentric optical fiber. FIG. 遠位の赤緑青(RGB)光フィルタおよび立体幾何学を用いる検出と、前面および側面を向いた空間配置の検出器を用いてバックグラウンド散乱を差し引きする能力とを有する走査装置の側面概略図である。In a side schematic view of a scanning device having detection using a distal red green blue (RGB) light filter and stereo geometry and the ability to subtract background scatter using front and side facing spatial detectors. is there. 遠位の赤緑青(RGB)光フィルタおよび立体幾何学を用いる検出と、前面および側面を向いた空間配置の検出器を用いてバックグラウンド散乱を差し引きする能力とを有する走査装置の端面概略図である。FIG. 5 is a schematic end view of a scanning device having detection using a distal red green blue (RGB) light filter and stereo geometry and the ability to subtract background scatter using front and side facing spatial detectors. is there. 遠位の光偏向フィルタと立体幾何学を用いる検出と、前面および側面を向いた空間配置の検出器を用いて管腔内部表面上の表面組織からの信号を強化する能力とを有する走査装置の側面概略図である。Of a scanning device having detection using distal light deflection filters and volumetric geometry and the ability to enhance signals from surface tissue on the inner surface of the lumen using front and side spatially spaced detectors FIG. 遠位の光偏向フィルタと立体幾何学を用いる検出と、前面および側面を向いた空間配置の検出器を用いて管腔内部表面上の表面組織からの信号を強化する能力とを有する走査装置の端面概略図である。A scanning device having detection using distal light deflection filters and volumetric geometry and the ability to enhance signals from surface tissue on the inner surface of the lumen using front and side facing spatially located detectors It is an end surface schematic. 光ファイバ位置センサを遠位に備え、近位光ファイバ収光器を備える光検出器を近位に配置し、擬似立体画像を取得する能力がある走査装置の構成の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a configuration of a scanning apparatus that is capable of acquiring a pseudo-stereoscopic image by disposing a photodetector having a fiber optic position sensor distally and a proximal optical fiber collector proximally; 二色性フィルタと結合した可視およびUVレーザ光源からの放射を使用する、本発明と共に使用するための光ファイバ走査システムの概略図である。1 is a schematic diagram of a fiber optic scanning system for use with the present invention using radiation from visible and UV laser sources combined with a dichroic filter. FIG. 光ファイバ結合器と直列に結合した可視およびIRレーザ源からの放射を使用する、本発明と共に使用するための光ファイバシステムの概略図である。1 is a schematic diagram of a fiber optic system for use with the present invention using radiation from visible and IR laser sources coupled in series with a fiber optic coupler. FIG. 本発明に使用可能な、薄膜すなわちMEMS(微小電気機械)システム走査装置の一実施形態の上面図である。1 is a top view of one embodiment of a thin film or MEMS (microelectromechanical) system scanning device that can be used in the present invention. FIG. 本発明に使用可能な、薄膜すなわちMEMS(微小電気機械)システム走査装置の一実施形態の、図8Aの断面線8B−8Bに沿った側面断面図である。8B is a side cross-sectional view of one embodiment of a thin film or MEMS (microelectromechanical) system scanning device that can be used in the present invention, taken along section line 8B-8B in FIG. 8A. FIG. 本発明に使用可能な、薄膜すなわちMEMS(微小電気機械)システム走査装置の一実施形態の、図8Aの断面線8C−8Cに沿った端面図である。FIG. 8B is an end view of one embodiment of a thin film or MEMS (microelectromechanical) system scanning device that can be used with the present invention, taken along section line 8C-8C in FIG. 8A. 管腔の内部表面を照明するための一対の薄膜平行片持ち梁を含む他の実施形態の端面図である。FIG. 6 is an end view of another embodiment including a pair of thin film parallel cantilevers for illuminating the interior surface of the lumen. BEを対象とした一般集団の集団検診中に発生する可能性がある、本発明を用いて患者の食道の自動走査および診断的評価を実行する医師の図である。FIG. 4 is a diagram of a physician performing automatic scanning and diagnostic evaluation of a patient's esophagus using the present invention that may occur during mass screening of a general population targeting BE. 本発明と共に使用するための光ファイバ走査装置システムの機能的入出力要素のブロック図である。1 is a block diagram of functional input / output elements of a fiber optic scanning system for use with the present invention. FIG. 本発明によるカプセルおよび走査装置を用いる、光学的治療の供給および監視の機能を備える、癌撮像、検診、および生検が統合されたシステムの機能的ブロック図である。1 is a functional block diagram of an integrated cancer imaging, screening and biopsy system with optical therapy delivery and monitoring capabilities using a capsule and scanning device according to the present invention. FIG. 本発明によるカプセルおよび走査装置を用いる、立体写真手術支援および表示機能を備える、癌撮像、検診、および診断が統合されたシステムの機能的ブロック図である。1 is a functional block diagram of an integrated cancer imaging, screening, and diagnosis system with stereographic surgery support and display capabilities using a capsule and scanning device according to the present invention. FIG. テザー上に備えられた光学標識に応答して、テザーの位置すなわちテザーに連結された走査カプセルの患者食道内の位置を測定するために使用される非接触光センサの例示的一実施形態の側面概略図である。A side view of an exemplary embodiment of a non-contact optical sensor used to measure the position of the tether, i.e., the position of the scanning capsule coupled to the tether within the patient's esophagus, in response to an optical marker provided on the tether. FIG. テザー上に備えられた磁気標識に応答して、テザーおよび走査カプセルの患者食道内の位置を測定するために使用される非接触磁気センサの例示的一実施形態の側面概略図である。2 is a side schematic view of an exemplary embodiment of a non-contact magnetic sensor used to measure the position of a tether and a scanning capsule within a patient's esophagus in response to a magnetic marker provided on the tether. FIG. テザーおよびカプセルの配置を監視する非接触センサが、SFE(走査ファイバスコープ)親機の機能的構成要素にどのように結合されているかを説明する例示的概略ブロック図である。FIG. 2 is an exemplary schematic block diagram illustrating how a non-contact sensor that monitors tether and capsule placement is coupled to functional components of an SFE (scanning fiberscope) master. テザーが患者の食道から抜去され、食道内のテザーおよびカプセルの位置を測定する非接触センサを通過するとき、例示的弾性スクレーパがどのように使用されて、テザーから唾液および粘液を拭い取るかを示す、テザーの一部の概略正面図である。How an exemplary elastic scraper is used to wipe saliva and mucus from the tether when the tether is removed from the patient's esophagus and passes through a non-contact sensor that measures the position of the tether and capsule in the esophagus It is a schematic front view of a part of a tether shown. 取り付けられたバルーンを有し、管腔内で膨らませられたバルーンが示されているカプセルの概略図である。FIG. 3 is a schematic view of a capsule with an attached balloon and showing a balloon inflated in the lumen. 管腔を通り抜けてカプセルを前進させる筋肉組織の蠕動を引き起こす電極を有するカプセルの概略図である。1 is a schematic view of a capsule having electrodes that cause peristalsis of muscle tissue that advances the capsule through the lumen. FIG. 細胞診ブラシなどの生検用器具が通過前進して、管腔の内部表面から生体組織を取る環状チャネルを含むテザーを有するカプセルの概略図である。1 is a schematic view of a capsule having a tether that includes an annular channel through which a biopsy instrument, such as a cytology brush, passes and advances to take biological tissue from the inner surface of the lumen. FIG. 管腔の内部表面の全景を網羅する必要があるとき、テザーをどのように使用してカプセルを回転させることができるかを示す、対向する管腔内部表面を同時に横方向に撮像するためのピラミッド型ミラーを有するカプセルの概略図である。Pyramid for simultaneous lateral imaging of opposing lumen inner surfaces, showing how the tether can be used to rotate the capsule when a complete view of the lumen inner surface needs to be covered 1 is a schematic view of a capsule having a mold mirror. 例えばアナログパターンに応答する光センサによって生成されるアナログ信号に基づいて、非接触センサが、食道内のテザーおよび取り付けられたカプセルの位置を決定できるようにする、テザーに適用される例示的アナログパターンの一表現の図である。An exemplary analog pattern applied to a tether that allows a non-contact sensor to determine the position of the tether and attached capsule within the esophagus, for example based on an analog signal generated by an optical sensor responsive to the analog pattern FIG. 例えばデジタルパターンに応答する光センサによって生成されるデジタル信号に基づいて、非接触センサが、食道内のテザーおよび取り付けられたカプセルの位置を決定できるようにする、テザーに適用される例示的デジタルパターンの一表現の図である。An exemplary digital pattern applied to a tether that allows a non-contact sensor to determine the position of the tether and attached capsule within the esophagus, for example based on a digital signal generated by a light sensor responsive to the digital pattern FIG. 食道など、体腔内のテザー/カプセルの相対位置を決定するために、テザーに適用される2色光学パターンに応答するための、レンズを備える2重の光センサを含む例示的一実施形態の概略図である。Schematic of an exemplary embodiment that includes a dual light sensor with a lens to respond to a two-color optical pattern applied to the tether to determine the relative position of the tether / capsule within a body cavity, such as the esophagus. FIG. 透明被覆によって保護されたデータ層上に適用されたデータを備える、一例示的テザーの概略破断図である。1 is a schematic cut-away view of an exemplary tether with data applied on a data layer protected by a transparent coating. FIG. 図22Aの断面線22Bに沿った、テザー、データ層、および保護皮膜の横断面図である。FIG. 22B is a cross-sectional view of the tether, data layer, and protective coating taken along section line 22B of FIG. 22A. 食道が胃に結合される胃食道接合部付近にカプセルが配置されるように、食道内へ挿入されなければならないテザーの予測部分を示す可視マークを備えるテザーの例示的図である。FIG. 5 is an exemplary view of a tether with visible marks that indicate the predicted portion of the tether that must be inserted into the esophagus so that the capsule is positioned near the gastroesophageal junction where the esophagus is coupled to the stomach. 食道が自発的に拡張するように、空気(または他の液体)の加圧パルスを、カプセルの近位の点へ搬送する通路を含む例示的一実施形態の概略図である。FIG. 6 is a schematic illustration of an exemplary embodiment including a passage that carries a pressurized pulse of air (or other liquid) to a proximal point of the capsule so that the esophagus spontaneously expands. 空気(または他の液体)の加圧パルスを、カプセルの近位の点へ搬送するために使用される近傍の外部チューブを含む、他の例示的一実施形態の概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of another exemplary embodiment including a nearby outer tube used to deliver a pressurized pulse of air (or other liquid) to a proximal point of the capsule. 外部チューブが、テザー上を摺動し、空気(または他の液体)の加圧パルスをカプセルの近位の点へ搬送するために使用される、他の例示的一実施形態の概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of another exemplary embodiment in which an outer tube is used to slide over a tether and carry a pressurized pulse of air (or other liquid) to a proximal point of the capsule. .

図および開示された実施形態は限定的なものではない。   The figures and disclosed embodiments are not limiting.

例示的実施形態が図面の参照図に説明されている。本明細書に開示された実施形態および図は、限定するものではなくむしろ事例と理解すべきである。本技術の範囲および後出の特許請求の範囲に関するいかなる限定も、図面に示された事例および本明細書内の議論には帰属しない。   Exemplary embodiments are illustrated in the referenced figures of the drawings. The embodiments and figures disclosed herein are to be understood as illustrative rather than limiting. No limitation with respect to the scope of the present technology or the following claims shall be attributed to the examples shown in the drawings or the discussion within this specification.

走査カプセルの例示的アプリケーション
走査カプセルの例示的一実施形態は、当初、医師との対話を必要とせずにBEを検出するための、比較的低コストの一般集団の集団検診を提供するためのソリューションとして考え出されたが、この実施形態が、走査、診断の提供、治療の提供、およびそのように患者の体のほぼ全ての管腔の内部表面に提供された治療状況の監視にも、一般的に適用可能であることは明らかであろう。したがって以下の議論は、しばしば、BEの検出における走査カプセルのアプリケーションを強調するが、本機器のアプリケーションは、何らその特定アプリケーションに限定されものではない。
Exemplary Application of Scanning Capsule An exemplary embodiment of a scanning capsule is a solution for providing a relatively low-cost general population mass screening for initially detecting BE without requiring physician interaction However, this embodiment is also useful for scanning, providing diagnostics, providing treatment, and monitoring the treatment status so provided on the inner surface of almost all lumens of the patient's body. It will be clear that this is applicable. Thus, the following discussion often emphasizes the application of scan capsules in the detection of BE, but the application of the instrument is not limited to that particular application.

図1Aは、胃12、食道14、および下部食道括約筋(LES)16を示す概略図10を含む。LES16は通常は逆止弁の役目を果たし、開放して食道14に嚥下された食物が胃12へ自由に通過できるようにするが、通常は酸および食物が胃12内部から食道14内へ逆行するのを防止している。しかし、「発明の背景」に述べたように、慢性の胸焼けおよび胃食道逆流で苦しむ人達は、LES16を通過して食道14の下部へ入る胃酸の結果として、しばしばBEを経験する。BEで苦しむ患者は、食道14を含む管腔の内部表面が、LES16のすぐ上の領域18で、その通常の薄いピンク色から暗いピンク色に変わっているかどうかを判定することによって検出することができる。例示的走査カプセルは、食道14内の領域18の容易な走査を可能にし、BEをはっきり示す内部表面の暗いピンク色がその中に存在する画像を生成する。より重要なことは、以下にさらに詳細に議論するように、走査カプセルは、走査工程が自動化した方法で実行されるようにできる可能性があるため、手技の訓練を受けた技術者または看護師などの医療実施者によってBEの検出が完遂でき、通常は何ら医師との直接対話が不要ということが意図されている。   FIG. 1A includes a schematic diagram 10 showing the stomach 12, the esophagus 14, and the lower esophageal sphincter (LES) 16. The LES 16 normally serves as a check valve, allowing the food swallowed to the esophagus 14 to pass freely into the stomach 12, but normally acid and food go back from the stomach 12 into the esophagus 14. Is prevented. However, as mentioned in “Background of the Invention”, those suffering from chronic heartburn and gastroesophageal reflux often experience BE as a result of gastric acid passing through the LES 16 and into the lower part of the esophagus 14. A patient suffering from BE can be detected by determining whether the inner surface of the lumen, including the esophagus 14, has changed from its normal light pink color to a dark pink color in the region 18 just above the LES 16. it can. The exemplary scanning capsule allows easy scanning of the region 18 in the esophagus 14 and produces an image in which a dark pink color of the internal surface clearly showing BE is present. More importantly, as discussed in more detail below, a scanning capsule may allow the scanning process to be performed in an automated manner, so that a technician or nurse trained in the procedure It is intended that the detection of BE can be completed by a medical practitioner such as that, and usually no direct interaction with a doctor is required.

食道を走査できる方法が図1Bに説明されている。その中に示したように、本目的に適した寸法および構成であるカプセル20が、食道14内部を通って進められ、ちょうど胃12の内へ通過している。カプセル20は食道14を通って上へ延び、患者の口腔から出るテザー22に連結されている。カプセルの筐体24は、大きなビタミン錠剤位の寸法例えば長さ15mm×直径7mm位で生体適合性があり、胃酸または他の生物学的液体に影響を受けないプラスチック材料からなる。テザー22は極めて柔軟で、直径が比較的小さく、例えば約1mmである。筐体24内で、カプセル20は、走査装置26を駆動的に移動してFOV(視野)30内の管腔内部表面を走査するアクチュエータ28を含む。患者にBEがあるかどうかを判定するために使用されるとき、カプセル20は、一般にLES16を通過して抜去されるため、FOV30は領域18を網羅する。すなわち走査装置26により提供される領域18の画像が評価されて、食道14の内部表面上の組織が、BEを示す暗いピンク色に変わっているかどうかが示される。カプセル20が最初に胃12の方へ下降するとき、食道14の内部表面が走査され、画像化されることも明らかであろう。   A method that can scan the esophagus is illustrated in FIG. 1B. As shown therein, a capsule 20 of a size and configuration suitable for this purpose has been advanced through the esophagus 14 and has just passed into the stomach 12. Capsule 20 extends upward through esophagus 14 and is connected to a tether 22 that exits the patient's mouth. The capsule housing 24 is made of a plastic material that is biocompatible with dimensions about the size of a large vitamin tablet, eg, 15 mm long by 7 mm in diameter, and is not affected by gastric acid or other biological fluids. The tether 22 is very flexible and has a relatively small diameter, for example about 1 mm. Within the housing 24, the capsule 20 includes an actuator 28 that drives the scanning device 26 to scan the inner surface of the lumen in the FOV (field of view) 30. When used to determine whether a patient has BE, the capsule 20 is typically removed through the LES 16 so that the FOV 30 covers the area 18. That is, the image of the region 18 provided by the scanning device 26 is evaluated to indicate whether the tissue on the inner surface of the esophagus 14 has turned to a dark pink color indicating BE. It will also be apparent that when the capsule 20 is first lowered toward the stomach 12, the internal surface of the esophagus 14 is scanned and imaged.

図2は、カプセル20の本実施形態のさらに詳細を説明している。カプセルの他の例示的実施形態のいくつかは以下に議論される。筐体24の前方すなわち遠位端32は光学的に透明であるため、本例示的実施形態内の走査装置26を含む振動式光ファイバによって放射される光は、複数のレンズを含む光学システム34を通過することができ、その光が、カプセル20が配置される食道または他の管腔の内部表面に到達する。内部表面は、他の波長帯の光を使用する走査装置26によって照明されることができるが、本例示的実施形態では、管腔の内部表面は白色光を使用して照明される。内部表面から反射された光は、RGB(赤、緑、および青)の複数のセンサ36r、36g、および36bそれぞれによって検出される。食道すなわち管腔の内部表面を照明するために使用される白色光は、テザー22内に配置された光ファイバ(個別に図示せず)を通って、走査装置26へ伝達される。複数のRGBセンサによって生成される信号は、走査された内部表面の部分に対応する画像を生成する処理のために、テザー22内の導線(図示せず)を通って送り戻される。以下に議論される代わりの例示的実施形態では、内部表面から反射された光は、テザー内の光ファイバを通って患者の体外の検出器まで近位に伝達される。   FIG. 2 illustrates further details of this embodiment of the capsule 20. Some of the other exemplary embodiments of the capsule are discussed below. Because the front or distal end 32 of the housing 24 is optically transparent, the light emitted by the oscillating optical fiber including the scanning device 26 in the exemplary embodiment is an optical system 34 that includes a plurality of lenses. And the light reaches the inner surface of the esophagus or other lumen where the capsule 20 is placed. The inner surface can be illuminated by the scanning device 26 using light in other wavelength bands, but in the exemplary embodiment, the inner surface of the lumen is illuminated using white light. The light reflected from the inner surface is detected by a plurality of RGB (red, green, and blue) sensors 36r, 36g, and 36b, respectively. White light used to illuminate the inner surface of the esophagus or lumen is transmitted to the scanning device 26 through an optical fiber (not shown separately) disposed within the tether 22. Signals generated by the plurality of RGB sensors are sent back through leads (not shown) in the tether 22 for processing to generate an image corresponding to the portion of the scanned internal surface. In an alternative exemplary embodiment discussed below, light reflected from the internal surface is transmitted proximally through an optical fiber in the tether to a detector outside the patient's body.

図2の例示的実施形態は位置センサ38も含み、患者の体内のカプセル20の位置および任意選択で向きを示す信号を生成することによって、患者の体外にある信号源(図示せず)によって提供される外部信号に応答する。電磁気信号に応答する適切な位置センサは、例えばアセンションテクノロジ社(Ascension Technology)から入手可能である。位置センサ38は、電磁界、RF信号、組織を貫通し管腔まで通過するよう選択された波長の光信号、または他の適切な信号に応答することができる。代替として、位置センサ38は信号源で置換することができ、これが外部センサ(図示せず)と連結して使用されて、患者体内のカプセル20の位置および任意選択で向きを決定することも意図されている。外部信号源または位置センサは、信号源または位置センサを患者の胴体の特定位置に包帯で縛ることによって、患者の体上の特定位置に配置されて参照を提供する。   The exemplary embodiment of FIG. 2 also includes a position sensor 38, provided by a signal source (not shown) external to the patient's body by generating a signal indicating the position and optionally orientation of the capsule 20 within the patient's body. Respond to external signals. Suitable position sensors that are responsive to electromagnetic signals are available, for example, from Ascension Technology. The position sensor 38 may be responsive to an electromagnetic field, an RF signal, an optical signal of a wavelength selected to pass through tissue and to the lumen, or other suitable signal. Alternatively, the position sensor 38 can be replaced with a signal source, which is also used in conjunction with an external sensor (not shown) to determine the position and optionally the orientation of the capsule 20 within the patient. Has been. An external signal source or position sensor is placed at a specific location on the patient's body to provide a reference by bandaging the signal source or position sensor to a specific location on the patient's torso.

化学センサ40が任意選択で含まれ、化学的パラメータを感知する。例えば、化学センサ40は、管腔内の水素イオン濃度すなわちpHを検出できる。代替として、または追加で、化学センサは温度センサを含んで、管腔の内部温度を監視することができる。同様に、圧力センサを化学センサに追加またはその代わりに使用することができ、したがって、これはこれらセンサのどれか1つまたは全てを代表することが意図されている。   A chemical sensor 40 is optionally included to sense chemical parameters. For example, the chemical sensor 40 can detect the hydrogen ion concentration in the lumen, that is, the pH. Alternatively or additionally, the chemical sensor can include a temperature sensor to monitor the internal temperature of the lumen. Similarly, a pressure sensor can be used in addition to or instead of a chemical sensor, and thus it is intended to represent any one or all of these sensors.

追加の選択肢として、選択的に解放できる連結42が備えられ、望むときに、テザーからカプセルの連結を空圧的あるいは電気的に解放することができる。このように、テザーとの連結を解かれると、カプセルは体腔を通って搬送されることになり、管腔が消化管と関連している場合、カプセルは通過して排泄されることになる。解放可能な連結は加圧パルスによって作動され、加圧パルスは、外部発生源(図示せず)からテザー22内の管腔(図示せず)を通って伝播される、または電気信号によって作動させることができ、電気信号はテザー内の導線を通って提供される電流を用いて、解放可能な連結42を磁気的に作動させる。同様の解放可能な継手をも、または代替としてテザーの近位端近くに備えて、テザーおよびカプセルを解放して共に管腔を通って通過させることができる。
システム処理概要
As an additional option, a selectively releasable connection 42 is provided, allowing the capsule connection to be pneumatically or electrically released from the tether when desired. Thus, when disconnected from the tether, the capsule will be transported through the body cavity, and if the lumen is associated with the digestive tract, the capsule will pass through and be excreted. The releasable connection is activated by a pressurization pulse that is propagated from an external source (not shown) through a lumen (not shown) in the tether 22 or is actuated by an electrical signal. The electrical signal can be used to magnetically actuate the releasable connection 42 using a current provided through a lead in the tether. A similar releasable coupling, or alternatively, near the proximal end of the tether can be provided to release the tether and capsule together and pass through the lumen.
System processing overview

図3は、カプセル内部の種々の構成要素によって生成された信号を処理するための、外部機器類を備えるシステム50を説明し、システムを制御するために使用される信号がどのようにこれら構成要素に入力されるかを示している。統合された撮像機能および他の機能性を提供するために、システム50は、このように、患者の体外にあるこれら構成要素と、カプセル内にある構成要素(すなわち、そのいくつかが本発明が使用されるアプリケーションに応じて任意選択である点線52内の構成要素)とに分割される。ブロック54は、このように、カプセル内に配置することができる機能的構成要素を記載している。図に示したように、これら構成要素は、照明光学系、1つまたは複数の電子機械式走査アクチュエータ、1つまたは複数の走査装置制御アクチュエータ、走査装置動作制御用の1つまたは複数の走査装置動作検出器、関心領域(ROI)を撮像するための光検出器(管腔の内部表面から外部検出器へ反射される光を伝達するために、テザー内に光路が備えられていれば、これらの光検出器は代替として外部に配置可能)、ならびに任意選択で、診断目的および治療と監視目的用の追加の光検出器(これらも、カプセルおよび患者の外部に配置可能)を含む。システム50に関しては、食道の撮像など特定のアプリケーションに実際に必要な機能的構成要素のみが含まれてもよいことに留意されたい。また、撮像の他の追加機能は、診断または治療、あるいはこれらの機能の組合せとすることができ、内部部位の組織の生検の実施を含んで、適切な検査法を実施することによって引き続き評価することができる。各々異なる走査装置に関連する複数のアクチュエータを含むカプセルの具体的な実施形態は図示されないが、本明細書に開示された走査装置が比較的小型であることから、そのような走査装置の配列を提供して、走査される総面積を増やすことが可能であることは明らかであろう。そのような走査装置はそれぞれ、独自のアクチュエータ、ならびにその走査装置によって走査された領域からの光を検出する検出器、または1つもしくは複数の外部検出器へその光を伝達するための導波管のどちらかを備えることになる。   FIG. 3 illustrates a system 50 with external equipment for processing the signals generated by the various components inside the capsule, and how the signals used to control the system are these components. Indicates whether it is input. In order to provide integrated imaging functionality and other functionality, the system 50 thus allows these components that are external to the patient and components that are in the capsule (ie, some of which are The components in the dotted line 52 are optionally divided according to the application used. Block 54 thus describes the functional components that can be placed within the capsule. As shown, these components are comprised of illumination optics, one or more electromechanical scanning actuators, one or more scanning device control actuators, and one or more scanning devices for scanning device operation control. Motion detectors, photodetectors for imaging the region of interest (ROI) (if there is an optical path in the tether to transmit light reflected from the inner surface of the lumen to the outer detector, these As well as, optionally, additional photodetectors for diagnostic and therapeutic and monitoring purposes (which can also be placed outside of the capsule and patient). It should be noted that with respect to system 50, only functional components that are actually needed for a particular application, such as esophageal imaging, may be included. Also, other additional functions of imaging can be diagnosis or treatment, or a combination of these functions, and continue to be evaluated by performing appropriate tests, including performing biopsies of internal tissue. can do. Although a specific embodiment of a capsule that includes a plurality of actuators, each associated with a different scanning device, is not shown, the scanning device disclosed herein is relatively small, so that the arrangement of such scanning devices is It will be apparent that it is possible to provide and increase the total area scanned. Each such scanning device has its own actuator and detector for detecting light from the area scanned by the scanning device, or a waveguide for transmitting the light to one or more external detectors. You will have either.

照明光学系は、ブロック56に示すように、照明光源および変調器から外部的に供給された光である。光ファイバシステムの遠位端へ伝達されるRGB、UV、IR、および/または高強度光を生成する外部光源システムの種々の好ましい実施形態に関するさらに詳細が、以下に開示される。ブロック58は、照明光源、変調器、フィルタ、および検出器が、カプセル内の電気機械式走査アクチュエータおよび/またはカプセル内に備えられた走査装置制御アクチュエータへ任意選択で結合されることを示す。走査装置動作検出器は走査制御に任意選択で使用され、走査装置アクチュエータ、照明光源、および変調器へフィードバックされる信号を生成して、必要であればより精密な走査を実行する。   The illumination optical system is light supplied externally from an illumination light source and a modulator as indicated by block 56. Further details regarding various preferred embodiments of external light source systems that generate RGB, UV, IR, and / or high intensity light that are transmitted to the distal end of the fiber optic system are disclosed below. Block 58 indicates that the illumination source, modulator, filter, and detector are optionally coupled to an electromechanical scanning actuator in the capsule and / or a scanning device control actuator provided in the capsule. The scanner motion detector is optionally used for scan control and generates signals that are fed back to the scanner actuator, illumination source, and modulator to perform more precise scanning if necessary.

ブロック60では、撮像光検出器および診断/治療および監視目的のために使用される他の光検出器によって生成された電子信号を用いて、画像信号フィルタリング、バッファリング、走査変換、増幅、および他の処理機能が実行される。ブロック56、58、および60は、双方向的に相互接続されて、各ブロックそれぞれによって実行される機能を促進する信号を伝達する。同様に、これらブロックのそれぞれは双方向的に接続されてブロック62と通信しており、その中で、アナログ/デジタル(A/D)およびデジタル/アナログ(D/A)変換器が備えられて、画像取得と処理、関連プログラム実行、および他の機能に使用されるコンピュータワークステーションユーザインタフェースへ供給される信号を処理する。コンピュータワークステーションは一般集団の集団検診に使用可能で、そのとき、ほぼリアルタイムの結果が提供され、通常は医師による評価が要らないように、食道内を走査することによって生成される画像を処理するようにプログラムされて、BEを検出する。   In block 60, image signals are filtered, buffered, scan converted, amplified, and others using electronic signals generated by the imaging photodetector and other photodetectors used for diagnostic / therapeutic and monitoring purposes. The processing function is executed. Blocks 56, 58, and 60 are interconnected bi-directionally to convey signals that facilitate the functions performed by each block. Similarly, each of these blocks is connected bi-directionally and in communication with block 62, in which analog / digital (A / D) and digital / analog (D / A) converters are provided. Process signals supplied to computer workstation user interfaces used for image acquisition and processing, related program execution, and other functions. Computer workstations can be used for mass screening of the general population, when they process images generated by scanning the esophagus so that near real-time results are provided and usually do not require evaluation by a physician Programmed to detect BE.

コンピュータワークステーションからの制御信号はブロック62へフィードバックされ、ブロック56、58、および60内に備えられた各機能を制御するまたは作動させるのに適したアナログ信号に変換される。ブロック62内のA/D変換器およびD/A変換器も、データストレージが備えられたブロック64、およびブロック66に双方向的に接続されている。ブロック66は、走査装置を備えたカプセルを患者の体内の管腔の中で操作、位置決め、および安定させるためのユーザインタフェースを示す。管腔内のカプセルの位置を決めるための種々の例示的技術の追加の記述が以下に議論される。管腔内のカプセルの位置を操作、位置決めするための技術は、以下にさらに詳細に議論される。また、管腔内のカプセルの位置を安定させるための技術も議論される。   Control signals from the computer workstation are fed back to block 62 and converted to analog signals suitable for controlling or operating the functions provided in blocks 56, 58, and 60. The A / D converter and the D / A converter in the block 62 are also bidirectionally connected to the block 64 and the block 66 provided with data storage. Block 66 illustrates a user interface for manipulating, positioning, and stabilizing a capsule with a scanning device within a lumen in a patient's body. Additional descriptions of various exemplary techniques for locating the capsule within the lumen are discussed below. Techniques for manipulating and locating the capsule within the lumen are discussed in further detail below. Also discussed are techniques for stabilizing the position of the capsule within the lumen.

ブロック64では、データストレージは、患者の体内の検出器によって生成される画像を保存するために、およびカプセル内の走査装置によって実行される撮像および機能に関連する他のデータを保存するために使用される。ブロック64もまた、コンピュータワークステーションおよびブロック70内の対話型表示モニタに双方向的に接続されている。ブロック70はブロック60から入力を受け取り、管腔内部表面上のROIの画像を対話形式で表示可能にする。さらに、1つまたは複数の受動画像表示モニタを、ブロック72に示すようにシステム内に含んでもよい。他の種類の表示機器、例えばヘッドマウントディスプレイ(HMD)システムを備えて、医療実施者が管腔内のROIを擬似立体画像として見ることができるようにすることもできる。   In block 64, the data storage is used to store images generated by the detector in the patient's body and other data related to imaging and functions performed by the scanning device in the capsule. Is done. Block 64 is also bi-directionally connected to the computer workstation and the interactive display monitor in block 70. Block 70 receives input from block 60 and enables interactive display of an image of the ROI on the inner lumen surface. In addition, one or more passive image display monitors may be included in the system as indicated at block 72. Other types of display devices, such as a head mounted display (HMD) system, may also be provided to allow medical practitioners to view the ROI in the lumen as a pseudo-stereoscopic image.

図4は、カプセル内で使用可能な走査装置120の例示的一実施形態を説明している。走査装置120は、電気機械式機器または圧電セラミックチューブアクチュエータ122を含み、これが片持ちの光ファイバ124内に第1のモードの振動共鳴を引き起こす。本例示的実施形態では、片持ちの光ファイバは、その遠位端のコリメータレンズ126、および走査レンズ128を含み、走査レンズ128は、コリメータレンズを通って通過した光ビームを、一般に管腔の内部表面上の領域を含むことになる照明平面132上に直接集光させる。走査レンズ128によって集光された光は、照明平面132上にPSF(点広がり関数)134を形成し、片持ちの光ファイバが移動すると、PSF134’は照明平面上を移動する。片持ちの光ファイバ124は、矢印130によって示されるように、単一軸に沿って走査するように制限されることができるが、光ファイバが例えば螺旋パターンに二次元的に走査するように光ファイバを移動させるアクチュエータを使用するのが一般には好ましい。しかし、線形単軸アクチュエータによって生成される高増幅共鳴振動では、その結果得られる光ファイバの動作は、機械的力の非線形クロスカップリングのため二次元になることがある。すなわち、二次元(2−D)走査には2軸アクチュエータは必要ない。   FIG. 4 illustrates an exemplary embodiment of a scanning device 120 that can be used within a capsule. The scanning device 120 includes an electromechanical instrument or piezoceramic tube actuator 122 that causes a first mode of vibrational resonance in the cantilevered optical fiber 124. In the exemplary embodiment, the cantilevered optical fiber includes a collimator lens 126 at its distal end, and a scanning lens 128 that scans the light beam that has passed through the collimator lens, generally in the lumen. Focus directly onto the illumination plane 132 that will include the area on the inner surface. The light collected by the scanning lens 128 forms a PSF (point spread function) 134 on the illumination plane 132, and when the cantilevered optical fiber moves, the PSF 134 'moves on the illumination plane. The cantilevered optical fiber 124 can be constrained to scan along a single axis, as indicated by arrow 130, but the optical fiber can be scanned two-dimensionally, for example, in a spiral pattern. It is generally preferred to use an actuator that moves the. However, for highly amplified resonant vibrations generated by linear single-axis actuators, the resulting optical fiber motion can be two-dimensional due to nonlinear cross coupling of mechanical forces. That is, a biaxial actuator is not required for two-dimensional (2-D) scanning.

図5は、本発明に使用される走査装置の利点を図式説明している。そのような光ファイバ走査装置は、走査された点光源被写体面を、拡大画像面に撮像することによって120度FOVを容易に実現でき、これが管腔の内部表面上の領域を一般に含む。光ビーム走査を説明している図4と対比して、図5は、微小レンズと走査レンズの組合せではなく撮像レンズを使用する点光源撮像の例示的一実施形態を表している。図5はまた、レンズ142および144を含む光学システム140の例示的一実施形態に対して、照明に使用される光の相対ガウスビーム直径を、0から45度の間の異なる複数の角度で、説明している。本実施形態では、反射光の検出は、レンズ144の外表面上および周り(レンズのこの部分は照明光を透過しない)に配置された光検出器146を使用して行われ、または代替として、走査されている領域から反射された光を集め、光ファイバを通って外部検出器(図示せず)へ伝達することもできる。断面に示したが、光検出器146は、レンズ144の全周囲周りを包み、図示のように網掛けを施したその光感知部によって、その前側表面上および全側面上の両方の光を積極的に検出することが理解されよう。   FIG. 5 schematically illustrates the advantages of the scanning device used in the present invention. Such an optical fiber scanning device can easily implement a 120 degree FOV by imaging the scanned point source object surface on an enlarged image plane, which generally includes a region on the inner surface of the lumen. In contrast to FIG. 4 describing light beam scanning, FIG. 5 represents an exemplary embodiment of point source imaging using an imaging lens rather than a combination of microlenses and scanning lenses. FIG. 5 also illustrates, for an exemplary embodiment of an optical system 140 that includes lenses 142 and 144, the relative Gaussian beam diameter of the light used for illumination at different angles between 0 and 45 degrees. Explains. In this embodiment, the detection of reflected light is performed using a photodetector 146 located on and around the outer surface of the lens 144 (this part of the lens does not transmit illumination light), or alternatively, Light reflected from the area being scanned can also be collected and transmitted through an optical fiber to an external detector (not shown). Although shown in cross-section, the light detector 146 wraps around the entire periphery of the lens 144 and actively light both on its front surface and on all sides by its light sensitive area, which is shaded as shown. It will be understood that detection is performed automatically.

図6Aおよび6Bは、カプセル内で使用するための2D走査点光源照明装置240および光ビーム照明装置240’の実施形態を説明している。図6Aでは、点光源照明装置240は、患者体内の管腔内部表面のROIを走査する、カプセル内の光ファイバ242を通る点光源照明を供給することができる。カプセル(図示せず)内で、走査光ファイバによって、提供される点光源の所望パターンの移動が引き起こされると、走査光ファイバによって放射された光は、撮像レンズ244a、244b、および244cを通って透過して、ROIの異なる複数の点を照明する。実線で図示した位置では、光ビーム246が、ROIの特定の部分を照明し、一方点線で説明した部分では、走査光ファイバはROIの異なる部分を照明する光ビーム246’を生成する。走査光ファイバによって照明された一連の点のそれぞれから反射された光は、反射されて像レンズ244c、244b、および244aを通って戻り、それぞれRGB光検出器245r、245g、および245bによって受けられ、対応する電気信号が生成されて患者の体外へ送信され、ROIのフルカラー画像を表示するのに使用される。代替として、テザーを通って患者の体外に配置された外部光検出器へ、光を伝達してもよい。   6A and 6B describe an embodiment of a 2D scanning point source illumination device 240 and a light beam illumination device 240 'for use in a capsule. In FIG. 6A, the point source illuminator 240 can provide point source illumination through an optical fiber 242 in the capsule that scans the ROI of the lumen interior surface within the patient. When the scanning optical fiber causes the desired pattern of the provided point light source to move within a capsule (not shown), the light emitted by the scanning optical fiber passes through the imaging lenses 244a, 244b, and 244c. A plurality of points with different ROIs are illuminated. In the position illustrated by the solid line, the light beam 246 illuminates a specific portion of the ROI, while in the portion described by the dotted line, the scanning optical fiber produces a light beam 246 'that illuminates a different portion of the ROI. The light reflected from each of the series of points illuminated by the scanning optical fiber is reflected back through image lenses 244c, 244b, and 244a and received by RGB photodetectors 245r, 245g, and 245b, respectively. Corresponding electrical signals are generated and transmitted outside the patient's body and used to display a full color image of the ROI. Alternatively, the light may be transmitted through the tether to an external photodetector located outside the patient's body.

さらに、走査光ファイバ242を使用して、管腔の内部表面に治療を提供することができる。例えば、走査光ファイバ242によって走査される点を、比較的高出力のレーザを使って照明することによって、薬物活性化(drug activation)またはPDT(光治療(photpdymanic therapy))、または温熱治療用の高強度光をROIに適用することができる。RGB光検出器によって生成された信号はROI内の一連の点に対応するため、それらが生成する信号によって生じる画像は、画素データの時系列累積に基づいている。走査光ファイバ242は、好ましくは通信グレードまたはそれ以上の単一モードまたは中空光ファイバである。本統合システムの1つの重要な利点は、視覚画像を生成するために使用される機構が、診断、治療、および手術手技で使用されるものと同じであることである。画像取得用に使用される有向光照明が、高度な診断および治療のほとんどを、体腔を通過する寸法大のカプセル内のこの単一撮像システムに統合することを可能にする(走査エンジン、表示器、およびユーザインタフェースを共有することによって)。   Further, the scanning optical fiber 242 can be used to provide treatment to the inner surface of the lumen. For example, by illuminating the point scanned by the scanning optical fiber 242 with a relatively high power laser, for drug activation or PDT (photodynamic therapy), or for thermotherapy High intensity light can be applied to the ROI. Since the signals generated by the RGB photodetectors correspond to a series of points in the ROI, the images produced by the signals they generate are based on time series accumulation of pixel data. Scanning optical fiber 242 is preferably a communication grade or better single mode or hollow optical fiber. One important advantage of the present integrated system is that the mechanisms used to generate visual images are the same as those used in diagnostic, therapeutic, and surgical procedures. Directed light illumination used for image acquisition allows most advanced diagnostics and treatments to be integrated into this single imaging system within a large sized capsule that passes through a body cavity (scan engine, display And by sharing the user interface).

図6Bは、カプセル(図示せず)内で使用するための走査光ビーム照明装置240’を説明しており、ちょうど図6Aに示した例示的実施形態のように、走査光ファイバ242を含んでいる。しかし、走査光ビーム照明装置240’は、撮像レンズを使用する代わりに、走査光ファイバの遠位端に取り付けられたコリメートレンズ243、および走査レンズ244’を使用している。光ファイバ242を通って伝達された光は、それがカプセル内を移動すると、コリメートレンズ243によって平行にされ、その後患者体内の管腔内部表面のROIに応じて、平坦な照明平面233bまたは湾曲した照明面233c上に集光される。走査光ファイバが移動するとき走査される一連の点のそれぞれから反射された光は、走査レンズ244’を通って戻り、RGB光検出器245r、245g、および245bによって検出され、それぞれライン248上にRGB信号を提供し、画素ごとに累積されたデータによって画像を生成するのに使用される。   FIG. 6B illustrates a scanning light beam illuminator 240 ′ for use in a capsule (not shown), including a scanning optical fiber 242 just as in the exemplary embodiment shown in FIG. 6A. Yes. However, instead of using an imaging lens, the scanning light beam illumination device 240 'uses a collimating lens 243 and a scanning lens 244' attached to the distal end of the scanning optical fiber. Light transmitted through the optical fiber 242 is collimated by the collimating lens 243 as it travels through the capsule, and then a flat illumination plane 233b or curved, depending on the ROI of the lumen internal surface within the patient. It is condensed on the illumination surface 233c. The light reflected from each of the series of points scanned as the scanning optical fiber travels returns through the scanning lens 244 'and is detected by RGB photodetectors 245r, 245g, and 245b, each on line 248. An RGB signal is provided and used to generate an image with data accumulated pixel by pixel.

照明面では、光放射のビームが集光して、走査の全モードの目的である最大強度および/または光学品質を実現する。組織が照明面に一致するとき、光放射照度は、屈折力および組織上の光スポット寸法の関数である。すなわち、撮像、診断、および治療に関して、カプセル内に配置された走査装置の分解能は、画像面におけるこの点の寸法によって決まり、およびサンプリング密度(すなわち組織の単位面積あたりのサンプル)によって制限されることもあり、これはより高い分解能が、単位面積あたりにもっと多い走査線を供給することによって達成されるからである。画像取得に関しては、画像分解能は、照明スポット寸法、検出器帯域幅(および走査速度)、および信号対イズ比(照明強度および集光効率)によって決まるが、物理的寸法または光検出器の数には制限されない。   At the illumination surface, the beam of light radiation is collected to achieve the maximum intensity and / or optical quality that is the objective of all modes of scanning. When the tissue coincides with the illumination surface, the light irradiance is a function of the refractive power and the light spot size on the tissue. That is, for imaging, diagnosis, and treatment, the resolution of the scanning device placed in the capsule is determined by the size of this point in the image plane and limited by the sampling density (ie, samples per unit area of tissue). This is because higher resolution is achieved by providing more scan lines per unit area. For image acquisition, image resolution depends on the illumination spot size, detector bandwidth (and scan speed), and signal-to-noise ratio (illumination intensity and collection efficiency), but depends on physical dimensions or number of photodetectors. Is not limited.

診断および治療は、正確な空間識別を必要とするため、有向照明を供給前に前もって較正する必要性がある。光学撮像を、カプセル内に提供された診断および治療的走査と統合することによって、医療実施者は、表示された画像を見ることによって容易に光学走査の空間識別ができ、次に、カプセルが配置される管腔内の診断的および治療的アプリケーションに進むことができる。最後に、コンピュータ画像キャプチャ回路および画像処理ソフトウェアの統合によって、画像、診断、および治療データを画素ベースで解析することが可能になる。各画素は、組織の同じ面積または体積に対応するため、単一ファイバ統合システムは、全3機能すなわち撮像、診断、および治療用の空間登録を維持する。全3機能に対する同じ観点からの一貫した空間登録が、管腔を通過するカプセル内に提供される単一光ファイバ走査システムを高精度にし、かつ医療実施者が使い易いものにする。   Since diagnosis and treatment require accurate spatial identification, there is a need to calibrate the directed illumination prior to delivery. By integrating optical imaging with diagnostic and therapeutic scans provided within the capsule, medical practitioners can easily identify the optical scan spatially by viewing the displayed image, and then the capsule is placed Can proceed to intraluminal diagnostic and therapeutic applications. Finally, the integration of computer image capture circuitry and image processing software allows image, diagnostic, and treatment data to be analyzed on a pixel basis. Since each pixel corresponds to the same area or volume of tissue, a single fiber integrated system maintains all three functions: spatial registration for imaging, diagnosis, and treatment. Consistent spatial registration from the same point of view for all three functions makes the single fiber optic scanning system provided within the capsule passing through the lumen highly accurate and easy for medical practitioners to use.

比較的小さいカプセル内に統合された本走査機器を使用することによって与えられる利点は以下の通りである。
統合によるより小さな寸法、
患者のセデーション(sedation)がわずか、または不要、
テザー付きカプセルを患者の食道内へ挿入するのに医師が不要、
統合および低価格構成要素により低費用、
低屈曲剛性によって、体の種々多様な管腔内により優れた挿入が可能、
より迅速な手技時間、特に繰り返し治療が必要な場合、
統合型高分解能撮像装置および対話型ディスプレイによるより高い精度、
可変分解能(リアルタイムズーム)および強化立体効果(陰影付けなど)など、走査光学システムによる追加機能、
統合された非可視光源および検出器による追加機能性、
複数器具または管腔内複数回挿入による患者の感染リスクが低い、
健康な組織の損傷が少なく患者の回復時間が速い、および
慢性疾患の監視用に長期間体内留置が可能。
The advantages afforded by using the present scanning instrument integrated in a relatively small capsule are as follows.
Smaller dimensions by integration,
Little or no patient seedation,
No need for a doctor to insert a tethered capsule into the patient's esophagus,
Low cost due to integration and low price components
Low bending stiffness allows for better insertion into various body lumens.
If you need faster procedure times, especially repeated treatments,
Higher accuracy with integrated high-resolution imaging device and interactive display,
Additional functions with scanning optical systems, such as variable resolution (real-time zoom) and enhanced stereo effects (such as shading),
Additional functionality with integrated invisible light source and detector,
Low risk of patient infection due to multiple instruments or multiple intraluminal insertions,
There is little damage to healthy tissue, fast patient recovery time, and long-term indwelling for chronic disease monitoring.

図6Cは、共焦点走査装置として使用するための、本発明のカプセルと一緒に容易に使用される同心光ファイバアセンブリ280の一部を説明している。光ファイバアセンブリ280は比較的小さい中心光ファイバ284を含み、これがクラッド286によって取り囲まれている。直径が大きい光ファイバが小さい光ファイバを取り囲む。ROIの照明は小さい直径の光ファイバ284を通って提供され、それによって照射された光は、レンズ288a、288b、および288cを通過してROIを照明する。反射されたまたはさもなければROIから受けた光は、これらのレンズによって集光され、光ファイバアセンブリ289内へ戻され、受けた光は、テザーを通って検出器および患者の体外に配置された他の機器類へ伝達される。単一の光ファイバは、このいわゆる同心共焦撮像の中で、ROIの照明およびROIからの光の外部機器類への伝達を行うことができることに留意されたい。同心光ファイバ幾何形状は単一機械ユニットであり、プレフォームから加熱引抜きされたとき共に溶融されるか、あるいは、ガラスファイバを半径方向にドーピングすることによって、屈折率差がある同心領域を製造可能である。管状の圧電アクチュエータ282は、複数の同心光ファイバを一緒に移動させ、そのようにして上記のモードの1つでROIを走査する。周辺の光ファイバ内に集光された光は、反射された共焦点から半径方向に増加する距離にある検出器または光ファイバからの信号と共に使用されて画像解析を強化し、診断、撮像、および治療用の光の貫入深さを改善する。極端に高い利得または識別検出設定の場合は、後方散乱光を導波管の同じ部分に集光してもよい(例えば、光ファイバのコア)。そのようなアプリケーションは、光学コヒーレント特性を使用して小さい信号レベルを増幅し、光学コヒーレントOCR(反射率測定)またはOCT(光学コヒーレント断層撮影)、あるいはレーザ励起フィードバックに基づいて診断マップを生成する。   FIG. 6C illustrates a portion of a concentric fiber optic assembly 280 that is readily used with the capsule of the present invention for use as a confocal scanning device. The optical fiber assembly 280 includes a relatively small central optical fiber 284 that is surrounded by a cladding 286. A large diameter optical fiber surrounds a small optical fiber. ROI illumination is provided through a small diameter optical fiber 284, and the light emitted thereby illuminates the ROI through lenses 288a, 288b, and 288c. Light reflected or otherwise received from the ROI is collected by these lenses and returned into the fiber optic assembly 289, where the received light is placed outside the detector and the patient's body through the tether. It is transmitted to other devices. It should be noted that a single optical fiber can provide ROI illumination and transmission of light from the ROI to external equipment in this so-called concentric confocal imaging. Concentric fiber optic geometry is a single mechanical unit that can be melted together when hot drawn from a preform, or can concentric regions with refractive index differences by radially doping glass fibers It is. Tubular piezoelectric actuator 282 moves a plurality of concentric optical fibers together, thus scanning the ROI in one of the above modes. Light collected in the surrounding optical fiber is used with signals from detectors or optical fibers at increasing distances from the reflected confocal to enhance image analysis, diagnostics, imaging, and Improve the penetration depth of therapeutic light. For extremely high gain or discriminating detection settings, the backscattered light may be collected in the same part of the waveguide (eg, the core of the optical fiber). Such applications use optical coherent properties to amplify small signal levels and generate diagnostic maps based on optical coherent OCR (reflectometry) or OCT (optical coherent tomography) or laser excitation feedback.

図6Dおよび6Eは、本発明のカプセル内で便利な走査装置の実施形態を説明しており、RGB、UV(紫外)、およびIR(赤外)のスペクトル要素用の検出器を含む。光ファイバアセンブリ295は、カプセル(図示せず)内の担体293上に取り付けられた内部アクチュエータ291を含む。開口298を有する筐体内に封入された光ファイバ300は、アクチュエータ291の遠位に延び、内部アクチュエータ、好ましくは管状圧電タイプ、によって移動されて、螺旋または渦巻き型走査など所望の走査パターンを実現する。図6Eに説明されているように、RGB検出器292および294は、光ファイバ300の上下に配置される一方、RGB検出器306および308は、光ファイバの左右に配置される。さらに、これらの図に示されているように、RGB検出器290および296は、アセンブリの外表面上、その上部および底部に配置される。同様な方法で、RGB検出器302および304は、図6Eに説明されているように、検出器の左右側面に取り付けられている。UV検出器310および312は、RGB検出器の一方の対角線上に取り付けられている一方、IR検出器314および316は他の対角線上に取り付けられている。したがって、本発明のカプセル内から管腔の内部表面上の組織を撮像するとき、このアセンブリ上に含まれる種々の検出器によって受光されたRGB、UV、またはIRスペクトル要素に対して、擬似立体画像が生成される。複合的なRGB検出器からの信号を比較し、テザー付きカプセルの管腔内の向きを知ることによって、鏡面反射および複合的分散による信号のレベルが推定され、適切な信号処理によってこれを低減することができる。   6D and 6E illustrate an embodiment of a scanning device useful within the capsule of the present invention, including detectors for RGB, UV (ultraviolet), and IR (infrared) spectral elements. The fiber optic assembly 295 includes an internal actuator 291 mounted on a carrier 293 in a capsule (not shown). An optical fiber 300 enclosed in a housing having an opening 298 extends distal to the actuator 291 and is moved by an internal actuator, preferably a tubular piezoelectric type, to achieve a desired scanning pattern, such as a spiral or spiral scan. . As illustrated in FIG. 6E, RGB detectors 292 and 294 are disposed above and below the optical fiber 300, while RGB detectors 306 and 308 are disposed on the left and right of the optical fiber. Further, as shown in these figures, RGB detectors 290 and 296 are located on the outer surface of the assembly, at the top and bottom thereof. In a similar manner, RGB detectors 302 and 304 are attached to the left and right sides of the detector as described in FIG. 6E. UV detectors 310 and 312 are mounted on one diagonal of the RGB detector, while IR detectors 314 and 316 are mounted on the other diagonal. Thus, when imaging tissue on the inner surface of the lumen from within the capsule of the present invention, a pseudo-stereoscopic image for RGB, UV, or IR spectral elements received by the various detectors included on this assembly. Is generated. By comparing the signals from complex RGB detectors and knowing the orientation of the tethered capsule in the lumen, the level of the signal due to specular reflection and complex dispersion is estimated and reduced by appropriate signal processing be able to.

図6Fおよび6Gはファイバアセンブリ295’を説明しており、その中に平行偏向光および直行偏向光検出器がその中に含まれている。光ファイバ300は、参照番号328によって示されるように、平行方向に偏向された光を伝達する。図6Gに示すように、光ファイバ300の対向する側面上に平行偏向光検出器334および336が配置される一方、光ファイバ300の上下に直行偏向光検出器324および326が配置される。さらに、直行偏向光検出器320および322が直行偏向光検出器324および326の上下に配置される一方、平行偏向光検出器329および330が平行偏向光検出器334および336の左右に配置される。すなわち、光ファイバアセンブリ295’は、カプセル内で両方向の偏向光を検出するのに便利であり、患者の体外に配置され、カプセルに結合されたテザーを通って検出器出力信号を受け取る機器類(これらの図には図示せず)による解析のため、光が管腔の内部表面上のROIから反射されるまたは受光する。種々の偏向光検出器によって生成される信号は、特定種類の偏向に対応して、外部表示用に、管腔内側の組織の画像を生成するために使用することができる。組織との相互作用によって偏向の中で偏移(shift)された光を記録することによって、鏡面反射は最小化される。組織からの偏向の程度は、組織の光学特性に一部は依存するため、偏向の両軸を測定することによって、種々の組織の種類および深さを識別することができる。   FIGS. 6F and 6G illustrate a fiber assembly 295 ', in which parallel and light beam detectors are included. The optical fiber 300 transmits light deflected in a parallel direction, as indicated by reference numeral 328. As shown in FIG. 6G, parallel deflected light detectors 334 and 336 are disposed on opposite side surfaces of the optical fiber 300, while direct deflected light detectors 324 and 326 are disposed above and below the optical fiber 300. Further, the orthogonal deflection light detectors 320 and 322 are disposed above and below the orthogonal deflection light detectors 324 and 326, while the parallel deflection light detectors 329 and 330 are disposed on the left and right of the parallel deflection light detectors 334 and 336. . That is, the fiber optic assembly 295 ′ is useful for detecting bi-directional deflected light within the capsule and is positioned outside the patient's body and receives instrument output signals through a tether coupled to the capsule ( For analysis by (not shown in these figures), light is reflected or received from the ROI on the inner surface of the lumen. The signals generated by the various deflection photodetectors can be used to generate an image of the tissue inside the lumen for external display corresponding to a particular type of deflection. By recording light that is shifted in deflection by interaction with tissue, specular reflection is minimized. Since the degree of deflection from the tissue depends in part on the optical properties of the tissue, various tissue types and depths can be identified by measuring both axes of deflection.

図7Aは、管腔内部表面上のROIの擬似立体画像を提供すること、および管腔の外部で分光光度計を使って解析することができるスペクトル画像を取得することの両方を目的とした、カプセルと共に使用することができる例示的な走査および検出システム266を説明している。このシステムでは、管腔を通って患者の体外へ延びるテザーを備える光ファイバアセンブリ250は、遠位端が先細りで、かつ圧電アクチュエータ254によって取り囲まれる光ファイバ256を含む。アクチュエータ254は、光ファイバ256に振動とROIの走査を引き起こし、レンズ258aおよび258bを通過する放射光に管腔(図示せず)の内部表面を照明させる。この組織のROIから反射された光、または別の形でそれらから受光した光(リン光または蛍光発光など)が、光ファイバ256の周りに円周配列に配列された12本の光ファイバ252によって集光される。本例示的実施形態に説明されているように、参照番号260で集合的に参照される光ファイバ1、2、および3は、それぞれテザーを通って、円周配列の左側に対応する外部のRGB撮像検出器に結合される。同様に、参照番号262によって集合的に参照される光ファイバ7、8、および9は、それぞれテザーを通って、円周配列の右側の外部RGB撮像検出器に結合される。光ファイバ264の他の組は、テザーを通って分光光度計270に連結される。分光光度計は、スペクトル分析、およびUV、可視、および/またはIR光を使用するスペクトル画像取得に使用される。円周配列の左右側面のRGB検出器は、ROIからの光を、配列の相隔たる2つの部分(すなわち左右側面)で受け取るため、それらはHMDディスプレイ(図示せず)を使用して容易に見ることができる擬似立体フルカラー画像を生成する。   FIG. 7A aimed at both providing a pseudo-stereoscopic image of the ROI on the inner surface of the lumen and acquiring a spectral image that can be analyzed using a spectrophotometer outside the lumen. An exemplary scanning and detection system 266 that can be used with a capsule is described. In this system, an optical fiber assembly 250 comprising a tether that extends through a lumen and out of a patient's body includes an optical fiber 256 that is tapered at the distal end and surrounded by a piezoelectric actuator 254. Actuator 254 causes optical fiber 256 to vibrate and scan for ROI, causing the emitted light passing through lenses 258a and 258b to illuminate the interior surface of the lumen (not shown). Light reflected from the tissue ROI or otherwise received from it (such as phosphorescence or fluorescence) is transmitted by twelve optical fibers 252 arranged in a circumferential array around the optical fiber 256. Focused. As described in this exemplary embodiment, optical fibers 1, 2, and 3 collectively referred to by reference numeral 260 are external RGB corresponding to the left side of the circumferential array, each through a tether. Coupled to the imaging detector. Similarly, optical fibers 7, 8, and 9 collectively referred to by reference numeral 262 are each coupled through a tether to an external RGB imaging detector on the right side of the circumferential array. Another set of optical fibers 264 is coupled to the spectrophotometer 270 through a tether. Spectrophotometers are used for spectral analysis and spectral image acquisition using UV, visible, and / or IR light. Since the RGB detectors on the left and right sides of the circumferential array receive light from the ROI in two spaced apart parts of the array (ie, the left and right sides), they are easily viewed using an HMD display (not shown) A pseudo-stereo full color image that can be generated is generated.

テザーを通ってカプセル内に配置された光ファイバ360内へ結合される、異なるスペクトル構成の光を生成するための例示的光源システム340を説明する概略図が、図7Bに説明されている。本実施形態では、赤色光源342、緑色光源344、青色光源346、およびUV光源348がそれぞれ選択的に光ファイバ360に結合されている。光ファイバ360は、光ファイバの遠位端が光を放射して、光ファイバの遠位端を含むカプセルがそこを通過する管腔の内部表面上の組織を照明するように、テザーを通って延びる。各光源に対し光ファイバの近位端に、減衰器350が備えられるため、光源が生成する光の強度が選択的に制御される。対応する緑、青、およびUV光源のそれぞれによって放射される光の色に特異な皮膜を含む3つの二色性鏡352、354、および356が光路内に位置決めされて、緑色、青色、およびUV光をそれぞれ、光ファイバ360の近位端内へ反射する。これら二色性鏡のそれぞれの反射波長帯を外れる光は、二色性鏡を通過し、レンズ358によって光ファイバ360の近位端内へ集光される。   A schematic diagram illustrating an exemplary light source system 340 for generating light of different spectral configurations that is coupled through a tether into an optical fiber 360 disposed within the capsule is illustrated in FIG. 7B. In this embodiment, a red light source 342, a green light source 344, a blue light source 346, and a UV light source 348 are each selectively coupled to the optical fiber 360. The optical fiber 360 passes through the tether so that the distal end of the optical fiber emits light and the capsule containing the distal end of the optical fiber illuminates tissue on the inner surface of the lumen through which it passes. Extend. An attenuator 350 is provided at the proximal end of the optical fiber for each light source so that the intensity of the light generated by the light source is selectively controlled. Three dichroic mirrors 352, 354, and 356 containing coatings specific to the color of the light emitted by each of the corresponding green, blue, and UV light sources are positioned in the optical path to provide green, blue, and UV Each of the light reflects into the proximal end of the optical fiber 360. Light outside the respective reflection wavelength bands of these dichroic mirrors passes through the dichroic mirror and is collected by the lens 358 into the proximal end of the optical fiber 360.

本発明と共に使用する代わりの光源システム362が図7Cに説明されている。本実施形態では、赤色、緑色、および青色光源342、344、および346が、それぞれ任意選択の減衰器350を通って、レンズ364を通って、一連のすなわち連続する光結合器366に結合されている。レンズ364は、異なる色の光源のそれぞれからの光を光ファイバ365内へ集光させ、光を光結合器366へ伝達する。さらに、IR光源368は、任意選択の減衰器350およびレンズ364を通って光ファイバ365内へ光を伝達し、IR光を、順番に最終の光結合器へ伝達する。光検出器369が、異なる光源のそれぞれの光強度レベルすなわち出力レベルを監視するために、備えられ、種々の光源の強度が制御されるのを可能にする。最終の光結合器から、光ファイバ367が、光検出器369の入力へ光を伝達する一方、最終の光結合器の出力は、患者体内の管腔内のカプセル内に配置された走査装置まで入力されるように、光ファイバ360の近位端に入力される(光ファイバ360を含むテザーまたはカプセルは、図の簡略化のためどちらも図示せず)。   An alternative light source system 362 for use with the present invention is illustrated in FIG. 7C. In this embodiment, red, green, and blue light sources 342, 344, and 346 are coupled to a series or continuous optical coupler 366, through optional attenuator 350, through lens 364, respectively. Yes. The lens 364 collects light from each of the light sources of different colors into the optical fiber 365 and transmits the light to the optical coupler 366. Further, the IR light source 368 transmits light through the optional attenuator 350 and lens 364 and into the optical fiber 365, which in turn transmits the IR light to the final optical coupler. A photodetector 369 is provided to monitor the respective light intensity levels or power levels of the different light sources, allowing the intensity of the various light sources to be controlled. From the final optical coupler, an optical fiber 367 transmits light to the input of the photodetector 369, while the output of the final optical coupler is to a scanning device placed in a capsule within the lumen of the patient. as input, and are inputted to the proximal end of the optical fiber 360 (the tether or capsules containing optical fiber 360, both for ease of illustration not shown).

上に示したように、比較的低価格かつ大量製造可能な、断面積が小さい走査機器を開発して、内視鏡的カプセル走査システムを確実に経済的にし、それによって使用の広がりを促進することが望ましい。経済的な走査装置を製造するとき、統合された薄膜機器を使用するMEMS(微小電気機械システム)技術を有効利用して、この目的をもっと容易に実現することができる。図8A、8B、および8Cは、走査アプリケーションに使用するためのカプセル内の走査装置として使用するために適応可能な例示的薄膜光学システム370を説明している。図8Dに説明されている追加の例示的な代替370’は、走査および検出器用平行片持ち薄膜光学導波管を含む。   As indicated above, the development of a relatively low-cost, mass-manufacturable scanning device with a small cross-sectional area ensures the endoscopic capsule scanning system is economical and thereby promotes the spread of use It is desirable. When manufacturing economical scanning devices, this objective can be more easily realized by making effective use of MEMS (microelectromechanical system) technology using integrated thin film equipment. FIGS. 8A, 8B, and 8C illustrate an exemplary thin film optical system 370 that can be adapted for use as a scanning device in a capsule for use in scanning applications. An additional exemplary alternative 370 'described in FIG. 8D includes a parallel cantilevered thin film optical waveguide for scanning and detector.

この薄膜の走査装置の例示的実施形態では、静電気アクチュエータ386が、一段高い出っ張り378上に担持された薄膜光学導波管380上で作動する。薄膜光学導波管は、直径が約0.003mmしかない。薄膜光学導波管の遠位部382は、図8Aおよび8Bの曲がった矢印によって示された2つの直行する方向の走査が引き起こされる。走査動作は1次元にすることができ(すなわち、単一軸に沿う)、または図示したように、2次元にすることもできる(例えば、ラスタパターンまたは螺旋パターンのいずれかに従う)ことに留意されたい。任意選択で、薄膜光学機器は、カプセル内の棒373上に取り付けることができ、手動でまたは機械的に回転または振動させて、方向を変えるまたは単一軸走査を変位させることができる。また、備えられているのは、シリコン基板376(または他の基板材料)に取り付けることができるレンズ384である。代替えとして、基板の外部であるがカプセル内に静配置されたアクチュエータ (図示せず)が、静電気アクチュエータの代わりに使用でき、その場合、光ファイバ374およびレンズ384は、シリコン基板376によって担持されることになる。光ファイバは、外部アクチュエータによって振動を引き起こされ、片持ちの薄膜光学導波管に所望のパターンの共鳴的走査を引き起こす。   In the exemplary embodiment of this thin film scanning device, an electrostatic actuator 386 operates on a thin film optical waveguide 380 carried on a raised ledge 378. Thin film optical waveguides are only about 0.003 mm in diameter. The distal portion 382 of the thin film optical waveguide is caused to scan in two orthogonal directions indicated by the curved arrows in FIGS. 8A and 8B. Note that the scanning motion can be one-dimensional (ie, along a single axis) or, as shown, can be two-dimensional (eg, according to either a raster pattern or a spiral pattern). . Optionally, the thin film optical instrument can be mounted on a rod 373 in the capsule and can be rotated or vibrated manually or mechanically to change direction or displace a single axis scan. Also provided is a lens 384 that can be attached to a silicon substrate 376 (or other substrate material). Alternatively, an actuator (not shown) that is external to the substrate but statically placed in the capsule can be used in place of the electrostatic actuator, in which case the optical fiber 374 and lens 384 are carried by the silicon substrate 376. It will be. The optical fiber is caused to vibrate by an external actuator, causing a desired pattern of resonant scanning in the cantilevered thin film optical waveguide.

光ファイバ374は、シリコン基板376の心出しV字切込み390内に取り付けられて、光ファイバが薄膜光学導波管380と確実に芯合わせされるようにすることができる。光ファイバは直径がほぼ0.1mmであるため、光ファイバの端部と薄膜光学導波管の間を正確に芯合わせするのに注意しなければならない。図8Aおよび8Bは、光ファイバ374と薄膜光学導波管380の間にバットエンド結合(butt−end coupling)を使用した例示的一実施形態を示す。光ファイバと薄膜光学導波管の間の適切な芯合わせを確実に行うために、V字切込み390が、光ファイバの薄膜光学導波管に対する相対的な配置を実現している。屈折率合わせジェル375または液体を使用して、光ファイバ374を薄膜光学導波管380に結合することができる。屈折率合わせジェル375によって充填される間隙を減らすために、光ファイバの先端を先細り形状にエッチング処理することができる。さらに先端の長さおよび表面を、取付け前にCO2レーザ加工によって調整することができる。下記のMEMS走査装置の他の実施形態が、芯合わせの問題をさらに軽減する。 The optical fiber 374 can be mounted within a centering V-cut 390 in the silicon substrate 376 to ensure that the optical fiber is aligned with the thin film optical waveguide 380. Since the optical fiber is approximately 0.1 mm in diameter, care must be taken to accurately align the end of the optical fiber and the thin film optical waveguide. FIGS. 8A and 8B show an exemplary embodiment using a butt-end coupling between the optical fiber 374 and the thin film optical waveguide 380. To ensure proper alignment between the optical fiber and the thin film optical waveguide, a V-cut 390 provides a relative placement of the optical fiber with respect to the thin film optical waveguide. Refractive index matching gel 375 or liquid can be used to couple optical fiber 374 to thin film optical waveguide 380. In order to reduce the gap filled with the refractive index matching gel 375, the tip of the optical fiber can be etched into a tapered shape. In addition, the length and surface of the tip can be adjusted by CO 2 laser machining prior to attachment. Other embodiments of the MEMS scanning device described below further reduce the alignment problem.

図8A、8Bおよび8Bに示した実施形態では、ROI内の標的から反射された光は、レンズ384を通過し、RGB検出器392r、392g、および392bによってそれぞれ受けられる。カプセル内に配置されたこれらの検出器は対応する色の光に応答し、上記のように、外部の構成要素近位に伝達される信号を生成する。図8Dでは、分かれた画像および診断/治療薄膜光学導波管が相隔てられ、平行に走査される。この例示的実施形態は診断「DIAG」検知器392dを使用する。
集団検診用自動システム
In the embodiment shown in FIGS. 8A, 8B, and 8B, light reflected from the target in the ROI passes through lens 384 and is received by RGB detectors 392r, 392g, and 392b, respectively. These detectors located within the capsule are responsive to the corresponding color light and, as described above, produce a signal that is transmitted proximal to the external component. In FIG. 8D, separate images and diagnostic / therapeutic thin film optical waveguides are spaced apart and scanned in parallel. This exemplary embodiment uses a diagnostic “DIAG” detector 392d.
Automated system for mass screening

本発明の意図する1つの使用は、本発明が最終的に、ほぼ自動の食道検診工程を医療実施者によって実行できるようにして、BEの患者を検診することである(医師によって手技が行われることを必要としない)。図9は、患者がBE(または、食道の何らかの他の状態)を患っていないか判定するため、医療実施者408によって患者395の食道内部表面の走査を行う、本発明と関連して使用される自動システムを説明している。本システムはコンピュータプロセッサ394を含み、上記機能の多くを図3と関連しておよび以下の追加の詳細の中で実行する。   One intended use of the present invention is to screen a BE patient (manually performed by a physician), allowing the present invention to ultimately perform a substantially automated esophageal screening process by a medical practitioner. Don't need that). FIG. 9 is used in conjunction with the present invention to perform a scan of the esophageal interior surface of patient 395 by medical practitioner 408 to determine if the patient suffers from BE (or some other condition of the esophagus). It describes an automated system. The system includes a computer processor 394 that performs many of the above functions in conjunction with FIG. 3 and in the following additional details.

テザー22は、テザー22の動きを監視するために使用される非接触軸方向動作測定装置396を通過した後、コンピュータプロセッサ394に接続される。上記のように、テザー22は、患者395の食道内のカプセルを引っ込める、または前進を可能にするために使用される。電気ケーブル402が、テザーの位置または軸方向の動きを示す非接触軸方向動作測定装置396によって生成された信号を、コンピュータプロセッサ394に伝達する。1つまたは複数の光ファイバと、カプセル(本図には図示せず)内に配置された走査装置へあるいは走査装置から光および電気信号を伝達する1つまたは複数の導線とを含むテザー22は、カプセルと共に格納されるまたは食道内を前進することが可能になる。テザーは口唇404の間を延び、患者の食道を下る。標識(例えば以下に詳細に説明するように磁気または光学的)によって、テザーが装置396を通過するときに、テザーの位置および移動が検出されるようになる。患者395には、最初にコップ406の水などの液体が与えられて、カプセルおよび取り付けられているテザー22の嚥下を促進する。液体は、カプセルが患者の口腔内へ挿入された後に嚥下され、患者が液体を嚥下するときに、カプセルが食道壁を含む筋肉の通常の蠕動によって食道内を前進するのを助ける。   The tether 22 is connected to the computer processor 394 after passing through a non-contact axial motion measurement device 396 that is used to monitor the movement of the tether 22. As described above, the tether 22 is used to retract or advance the capsule within the esophagus of the patient 395. An electrical cable 402 communicates a signal generated by the non-contact axial motion measurement device 396 indicating the tether position or axial movement to the computer processor 394. A tether 22 that includes one or more optical fibers and one or more conductors that carry optical and electrical signals to and from a scanning device disposed within a capsule (not shown in the figure). It can be stored with the capsule or advanced in the esophagus. The tether extends between the lips 404 and down the patient's esophagus. A sign (eg, magnetic or optical as described in detail below) causes the position and movement of the tether to be detected as the tether passes through the device 396. Patient 395 is initially given a liquid, such as water, in cup 406 to facilitate swallowing of the capsule and attached tether 22. The liquid is swallowed after the capsule is inserted into the patient's oral cavity, helping the capsule to advance through the esophagus by normal peristalsis of muscles including the esophageal wall as the patient swallows the liquid.

カプセルは、患者の胃の中へ進むままにされ、次に、ハンドル402を握りリール396を回す医療実施者408によって、LESを通って抜去される。また、コンピュータ制御のカプセル抜去はモータ駆動のリール(図示せず)を使用して、カプセルを食道の上まで抜去することによって、検診工程を完全に自動化することが可能である。すなわち、コンピュータは、カプセルによってリアルタイムに走査されている画像の品質および内容を判定する基準に応答して、および非接触軸方向動作測定装置396から出力される信号に応答して、カプセルをいかに速く抜去するかを決定することができる。カプセルの抜去速度の制御に加えて、コンピュータは、走査用に提供される光の強度および患者固有の変数を制御することができ、自動画像ステッチング(stitching)を実行して管腔の長さに沿った内部表面の全景画像を形成することができる。現在入手できる自動画像ステッチングソフトウェアの例が開示されている(例えば、非特許文献1参照)。そのような画像を、画像認識ソフトウェアと接続して使用して、LESの位置を判定することができ、および患者にBEまたは何らかの他の医学的問題がないかの判定を自動化することができる。また、自動的に綴じ合わされて完全な360度全景視野を形成した画像を較正して、患者の食道内のカプセルの位置を明確にする代わりの測定器として、LESからのカプセルの長さの、画素単位の定規のような測定器を形成することができる。追加の代替えとして、非接触軸方向動作測定機器396によって生成された信号を使用して、食道などの管腔の連続した軸方向画像を綴じ合わせる工程を高速化し、管腔の完全に連続した全景画像を形成することができる。   The capsule is left to advance into the patient's stomach and then withdrawn through the LES by the medical practitioner 408 who grasps the handle 402 and rotates the reel 396. Computer controlled capsule removal can be fully automated by using a motor driven reel (not shown) to remove the capsule over the esophagus. That is, the computer responds to the criteria for determining the quality and content of the image being scanned by the capsule in real time and in response to the signal output from the non-contact axial motion measurement device 396 how fast the capsule is. You can decide whether to remove. In addition to controlling the removal speed of the capsule, the computer can control the intensity of the light provided for the scan and patient specific variables, perform automatic image stitching and length of the lumen A panoramic image of the internal surface along the line can be formed. An example of currently available automatic image stitching software is disclosed (see, for example, Non-Patent Document 1). Such images can be used in conjunction with image recognition software to determine the location of the LES and to automate the determination of whether the patient has BE or some other medical problem. Also, as an alternative instrument to calibrate images that have been automatically stitched together to form a complete 360 degree panoramic field to clarify the position of the capsule in the patient's esophagus, the length of the capsule from the LES A measuring device such as a ruler in pixel units can be formed. As an additional alternative, the signal generated by the non-contact axial motion measurement device 396 is used to speed up the process of stitching together successive axial images of a lumen such as the esophagus, resulting in a complete continuous panoramic view of the lumen. An image can be formed.

コンピュータプロセッサ394に接続された表示器398を見ることによって、医療実施者は胃の画像を容易に観察することができ、次にリールがテザーを巻き取って、テザーをLES上部に待避させるとき、医療実施者は、食道の内部表面の画像を表示器上で観察することができる。表示器400bがディスプレイの一方に表示されて、カプセルが食道を通って移動する相対速度および位置を示す。   By looking at the display 398 connected to the computer processor 394, the medical practitioner can easily observe the stomach image, and then when the reel winds up the tether and retracts the tether on top of the LES, A medical practitioner can observe an image of the inner surface of the esophagus on a display. A display 400b is displayed on one of the displays to indicate the relative speed and position at which the capsule moves through the esophagus.

コンピュータプロセッサ394は、画像399内の変化に基づいてLESを検出し、LESからのカプセルの距離400aを表示することができ、LESの直上の食道内部表面部の画像を自動的に評価するようにプログラムして、患者のその場所に、BEを示す特徴的な暗いピンク色がないか判定することができる。画像走査工程の結果がこのように十分に自動化されて、食道の状態をリアルタイムで検出することができ、患者がBEを患っているかどうか直ちに示すので、医療実施者には、テザー22の走査、および最初にカプセルの嚥下時に患者を補助することしか要求されないはずである。そのようなシステムの効率によって、一般集団の集団検診が最少の費用で実施できるようなり、BEがしばしばその前兆である食道癌が、BEの早期検出によって避けられるようになるであろう。
機能ブロック図
The computer processor 394 can detect the LES based on changes in the image 399, display the capsule distance 400a from the LES, and automatically evaluate the image of the internal surface of the esophagus directly above the LES. It can be programmed to determine if the patient has a characteristic dark pink color indicating BE. The results of the image scanning process are thus fully automated so that esophageal conditions can be detected in real time and immediately indicate whether the patient is suffering from BE, so that the medical practitioner can scan the tether 22, And it should only be required to assist the patient during the initial swallowing of the capsule. The efficiency of such a system will allow mass screening of the general population to be performed with minimal expense, and esophageal cancer, where BE is often a precursor, will be avoided by early detection of BE.
Functional block diagram

図10は、患者の体の管腔内にカプセルが配置されるときに、例示的走査システムによって実行可能な様々の機能の少なくともいくつかを説明している。診断、治療、および監視のような機能が、点線で形成されたブロック中に示されている一方、実線は、カプセルおよび関連する構成要素と共に実行されるシステム410の撮像機能に使用されている。図に示したように、撮像レーザ412が、テザー経由で患者の体内へ向けられかつ、カプセル内に配置された走査光ファイバと共に使用される撮像光学系を通って、カプセル内の走査装置によって方向付けされる光を生成する。さらに、ブロック418中の遠隔光スイッチおよび減衰器によって制御されるブロック416中の診断、治療、および監視のレーザがコヒーレント光を生成し、これが、光結合機構420を通って、患者体内の管腔内で使用されるカプセル内に配置された追加の光学構成要素422へ伝達される。RGB光検出器430は、管腔の内部表面上のROIから受光した光に応答し、電気信号を生成し、これが、テザー内の導電体を通って、またはそれと並走して、患者の体外に配置された機器類へ伝達される。代替として、RGB光が、テザー内の光ファイバを通って体外の外部光検出器426へ伝達される、または、他の種類の例えばフォトダイオードおよび関連回路を含む光検出器424まで伝達される。   FIG. 10 illustrates at least some of the various functions that can be performed by an exemplary scanning system when a capsule is placed in a lumen of a patient's body. Functions such as diagnosis, treatment, and monitoring are shown in blocks formed by dotted lines, while the solid lines are used for the imaging function of system 410 that is performed with the capsule and associated components. As shown, the imaging laser 412 is directed by the scanning device within the capsule through the imaging optics that is directed through the tether into the patient's body and used with the scanning optical fiber disposed within the capsule. Generate light to be attached. In addition, the diagnostic, therapeutic, and monitoring lasers in block 416 controlled by the remote light switch and attenuator in block 418 generate coherent light that passes through the optical coupling mechanism 420 to the lumen in the patient's body. Transmitted to an additional optical component 422 located within the capsule used therein. The RGB photodetector 430 is responsive to light received from the ROI on the interior surface of the lumen and generates an electrical signal that passes through or in parallel with the conductor in the tether and is external to the patient. Is transmitted to the devices arranged in Alternatively, the RGB light is transmitted through an optical fiber in the tether to an external photodetector 426 outside the body, or to other types of photodetectors 424 including, for example, photodiodes and associated circuitry.

ボックス432に示したように、1つまたは複数の分光光度計もしくはスペクトルアナライザによって使用するための集光ファイバと関連する追加の高出力または低出力のUV光検出器および/または可視光検出器および/またはIR光検出器を、例示的システムは含むことができる。例えば、ブロック434に示した分光光度計およびスペクトルアナライザは、集光光ファイバを通って伝達された光、および/またはブロック436に示した導電体上を伝達される信号を受けることができる。システムは、患者の体内のカプセル内に配置された追加の光検出器を、追加オプションとして含むことができる。信号は、ブロック432と434とコンピュータプロセッサ(またはワークステーション)とブロック440内のデータ取得構成要素との間で双方向的に交換される。コンピュータプロセッサは、非直線走査パターンを提供するアルゴリズムを実行、制御することができ、また、また強度データ取得、画像マッピング、全景画像ステッチング、およびデータ保存を実行するようにプログラムされることができる。加えて、リアルタイムフィルタリング(例えば動作および走査装置アーチファクトの修正)、比率のリアルタイム判定およびバックグラウンド除去、解析、擬似立体強調、および種々の検出器によって生成された信号の処理がコンピュータプロセッサによって実行される。コンピュータプロセッサによって供給される信号は、画像表示機器(図9に示したようなもの)および不揮発性ストレージ(図示せず)上のデータストレージへ出力される。画像表示機器は、ブロック442に記載したように、ブラウン管、液晶表示器、およびHMD機器、または他の種類の立体画像表示器を含むことができる。   As shown in box 432, an additional high or low power UV and / or visible light detector associated with a collection fiber for use by one or more spectrophotometers or spectrum analyzers and An exemplary system may include / or an IR photodetector. For example, the spectrophotometer and spectrum analyzer shown at block 434 can receive light transmitted through the collection optical fiber and / or a signal transmitted over the electrical conductor shown at block 436. The system may optionally include an additional photodetector located within a capsule within the patient's body. Signals are exchanged bi-directionally between blocks 432 and 434, the computer processor (or workstation), and the data acquisition components in block 440. The computer processor can execute and control algorithms that provide non-linear scan patterns and can also be programmed to perform intensity data acquisition, image mapping, panoramic image stitching, and data storage. . In addition, real-time filtering (eg, correction of motion and scanner artifacts), real-time ratio determination and background removal, analysis, pseudo-stereo enhancement, and processing of signals generated by various detectors are performed by a computer processor. . The signal supplied by the computer processor is output to a data storage on an image display device (as shown in FIG. 9) and a non-volatile storage (not shown). The image display device can include a cathode ray tube, a liquid crystal display, and an HMD device, or other type of stereoscopic image display, as described in block 442.

市販の表示器は一般に直線ビデオフォーマットを必要とするため、非直線光学走査パターンはどれもデータバッファ(メモリ)に保存し、表示モニタ用に標準ラスタ走査フォーマットへ変換して、例示的カプセル内の1つまたは複数のスキャナで使用される非直線走査の多くの利点(単純単一アクチュエータ、円筒走査装置寸法、および低走査速度など)を利用しなければならない。この信号調整およびマッピングにおける追加ステップは、プログラム可能な演算機器では技術的に些細なことである。   Since commercially available displays generally require a linear video format, any non-linear optical scan pattern is stored in a data buffer (memory) and converted to a standard raster scan format for display monitoring and contained in an exemplary capsule. Many of the advantages of non-linear scanning used in one or more scanners (such as simple single actuator, cylindrical scanner dimensions, and low scanning speed) must be utilized. This additional step in signal conditioning and mapping is technically trivial with programmable computing equipment.

加えて、スペクトル分析および多変量解析を実行し、関心領域の境界を位置決めおよび算出する画像解析ソフトウェアは、コンピュータプロセッサまたは他の演算機器を用いて実行される。管腔の内部表面上のROIに関しては、計算結果により、その範囲、境界、体積、色、および吸光度を決定することができ、ROIから収集したデータに基づいて、BEなどの組織疾患状態、および病期を判定するほか、治療投与量の計算および監視を行うことができる。これら全ての機能がブロック444に示されており、ブロック440の通常の撮像コンピュータプロセッサを使用することができる。ブロック444は、ブロック446に接続されており、ここで追加の対話型表示器および画像オーバレイフォーマットが提供される。ブロック444に関連するのはブロック448であり、電気機械的走査装置を作動させかつブロック450内のサーボセンサからの信号を受けるために走査装置電源および制御回路が設けられ、これが検診、監視、および診断、ならびに管腔内の所望の部位への画素レベル精度の治療の供給に関わる通常の画像取得および強調の両方に使用されることが示されている。   In addition, image analysis software that performs spectral analysis and multivariate analysis to locate and calculate the boundaries of the region of interest is executed using a computer processor or other computing device. For the ROI on the inner surface of the lumen, the calculation results can determine its range, boundary, volume, color, and absorbance, and based on data collected from the ROI, a tissue disease state such as BE, and In addition to determining stage, treatment doses can be calculated and monitored. All these functions are shown in block 444, and a conventional imaging computer processor in block 440 can be used. Block 444 is connected to block 446 where an additional interactive display and image overlay format is provided. Associated with block 444 is block 448, which provides scanning device power and control circuitry for operating the electromechanical scanning device and receiving signals from the servo sensors in block 450, which provide screening, monitoring, and It has been shown to be used for both diagnosis and normal image acquisition and enhancement involving the delivery of pixel-level accurate therapy to a desired site within a lumen.

光ファイバ走査アクチュエータの実施形態が、カプセル内に配置された走査装置を移動させて管腔内のROIを撮像することに関連して、ここまで説明されてきた。ブロック454は、走査光ファイバの遠位端を手動で制御して、走査光ファイバを含むカプセルを患者の体内へ挿入し、ROI近傍の所望の位置に位置決めするようにする準備がされていることを示している。手動制御にはおそらく、テザーの向きを変えてカプセルを回転させること、および/またはカプセルおよび走査装置を管腔内のROIに対して相対的に軸方向に位置決めすることが含まれるであろうし、ブロック456に示したように、自動サーボセンサを使用して、カプセルおよび1つまたは複数の走査装置の所望の位置への位置決めを容易にすることが含まれる可能性がある。一旦位置決めしたら、走査装置用の自動振動補償が提供されて、ブロック452に記載のように、生物学的動き(呼吸および心臓の動作)および患者の物理的動きに対して画像を安定させる。加えて、患者の体の管腔内の所望の場所にカプセルを安定させるために、少なくとも1つの例示的実施形態に他の機構を備えることができる。   Embodiments of fiber optic scanning actuators have been described so far in connection with moving a scanning device disposed within a capsule to image an ROI in a lumen. Block 454 is prepared to manually control the distal end of the scanning optical fiber so that the capsule containing the scanning optical fiber is inserted into the patient and positioned at a desired location near the ROI. Is shown. Manual control will likely include rotating the capsule with a tether orientation and / or axially positioning the capsule and scanning device relative to the ROI in the lumen; As indicated at block 456, an automatic servo sensor may be used to facilitate positioning the capsule and one or more scanning devices to a desired position. Once positioned, automatic vibration compensation for the scanning device is provided to stabilize the image against biological motion (breathing and heart motion) and physical patient motion, as described in block 452. In addition, other mechanisms can be provided in at least one exemplary embodiment to stabilize the capsule in a desired location within the lumen of the patient's body.

本カプセル撮像システムによって実行可能な種々の機能の詳細は以下の通りである。
統合された撮像、検診、および診断
UV、可視、およびIR波長を使用する光学的組織撮像、
UV、可視、およびIR波長を使用する蛍光組織撮像、
IR波長を使用する熱的撮像、
IR波長を使用する深部組織撮像、
同心共焦点撮像および真正共焦点撮像、
IR波長を使用する血液透過撮像、
偏向コントラスト撮像、
レーザフィードバック顕微鏡検査、
OCT(光コヒーレント断層影像法)およびOCR(反射率測定法)、
光学的擬振動音響解析、
高分解能拡大組織接触撮像、
LIF(レーザ励起蛍光)撮像および蛍光比撮像および検出、
多光子励起蛍光撮像、
蛍光寿命撮像および解析、
立体および距離測定オプションを用いた画像化構造の実寸再現、
LIFS(レーザ励起蛍光分光)、
ラマン分光分析法、
ESS(弾性散乱分光法)解析、
吸収分光分析法、
化学発光と細胞生存率の検出とマッピング、
光センサデータの空間マッピング(酸素濃度、pH、イオン濃度、他)、
温度測定とフィードバック制御、
圧力測定(検圧法)および食道、下部食道括約筋、胃、幽門、小腸、および他の体腔の目視観察と検圧法所見の相関の案内、および
監視およびフィードバック制御用の、色、レーザ出力供給、組織特性、光退色、複合体の発色など他の測定、
治療、手術、および監視
PTD(光治療)、
組織および/または腫瘍の加熱(例えば温熱治療)、
光照明によるレーザ手術(UV、熱、および/または切除)、
光活性化分析、光重合、および生体材料移植、
レーザ焼灼、および
光学的パルス放射の吸収によって生成される衝撃波を使う組織の機械的破壊。
対話型双方向表示器および先進のユーザインタフェース設計
表示モニタ上の擬似立体、擬似色オーバレイを使用する立体画像マッピング、および真正3D表示フォーマット(注、個々の表示器方式および能力は具体的なアプリケーションに依存)、および
対話型タッチ/ポイントスクリーン。
Details of various functions that can be executed by the capsule imaging system are as follows.
Integrated imaging, screening and diagnosis Optical tissue imaging using UV, visible and IR wavelengths,
Fluorescent tissue imaging using UV, visible, and IR wavelengths,
Thermal imaging using IR wavelengths,
Deep tissue imaging using IR wavelengths,
Concentric confocal imaging and true confocal imaging,
Blood transmission imaging using IR wavelengths,
Deflection contrast imaging,
Laser feedback microscopy,
OCT (optical coherent tomography) and OCR (reflectance measurement),
Optical pseudo-vibration acoustic analysis,
High resolution enlarged tissue contact imaging,
LIF (laser excited fluorescence) imaging and fluorescence ratio imaging and detection,
Multiphoton excitation fluorescence imaging,
Fluorescence lifetime imaging and analysis,
Full-scale reproduction of imaging structure using 3D and distance measurement options,
LIFS (laser excitation fluorescence spectroscopy),
Raman spectroscopy,
ESS (elastic scattering spectroscopy) analysis,
Absorption spectroscopy,
Chemiluminescence and cell viability detection and mapping,
Spatial mapping of optical sensor data (oxygen concentration, pH, ion concentration, etc.),
Temperature measurement and feedback control,
Color, laser power supply, tissue for pressure measurement (pressure measurement) and guidance of correlation between visual observation and pressure detection findings of the esophagus, lower esophageal sphincter, stomach, pylorus, small intestine and other body cavities, and monitoring and feedback control Other measurements such as properties, photobleaching, complex color development,
Treatment, surgery, and monitoring PTD (light therapy),
Heating the tissue and / or tumor (eg hyperthermia),
Laser surgery with light illumination (UV, heat and / or ablation),
Photoactivation analysis, photopolymerization, and biomaterial transplantation,
Mechanical destruction of tissue using laser ablation and shock waves generated by absorption of optical pulsed radiation.
Interactive interactive display and advanced user interface design Pseudo-stereoscopic on display monitor, stereoscopic image mapping using pseudo-color overlay, and true 3D display format (Note, individual display methods and capabilities are specific to specific applications) Dependent), and interactive touch / point screen.

図11Aおよび11Bは、走査システム内で使用される機器類に応じて、本カプセルによって実行可能な種々の機能を説明している。図11Aは、撮像、試料採取診断、および治療の実施に使用される単一走査導波管を示し、一方図11Bでは、単一走査導波管が3D撮像、生検組織の採取、内視鏡手術の監視に使用されている。これらの2つ図では、多くの同じ構成要素が備えられており、システムの一部として使用される構成要素に小さな変更を行うことによって、異なる機能性が備えられることを認識することが有用である。図11Aに示したシステム460では、双方向コンピュータワークステーションモニタ462によって、医療実施者が走査光ファイバを制御し、撮像、診断(例えば、光学的生検)、および治療の実施に使用されるソフトウェアアルゴリズムを実行することが可能になる。高分解能カラーモニタ464は、光ファイバシステム488上を分配コンソール472まで伝達された走査光ファイバ484からの信号を受信する。走査光ファイバ484近傍の患者体内に内部的に含まれていない場合、任意選択のRGB検出器を備えることができる。ROI486は、光ファイバによって走査されて、ユーザに表示される高解像度カラー画像を生成する。例示的受動表示器の一実施形態では、2つのCRT(ブラウン管モニタ)表示器が、2つの異なるコントラストモードを使用して画像を表示して、同じ対象(例えば組織)の画像を生成する。例えば、同じ共鳴駆動走査光ファイバは、CRT上にフルカラー光学画像を、および他のCRTモニタ上にグレースケール蛍光画像を、両方生成することができる。励起および信号の光学特性に重なりが無ければ、2つ以上の画像を、同時に生成させることができる。重なり合う場合は、2つの画像は、面順次法または高速共鳴走査装置の線順次法のどちらかで保存される。画像コントラストモード間(フルカラー光学および蛍光)を切り替えるには、光源のシャッタを閉じる、または電源を直接OFF/ONする。照明強度およびスペクトル範囲両方の変調中に時間の同期を取って、光検出器からの信号が記録され、個別の画像として表示される。この例では、同一のROIの第2の蛍光画像を得て、医療実施者が、標準の白色光画像上では見えるかどうかわからない小さな病変または前癌期病変を確実に特定することができる。   11A and 11B illustrate various functions that can be performed by the capsule, depending on the equipment used in the scanning system. FIG. 11A shows a single scanning waveguide used to perform imaging, sampling diagnostics, and treatment, while in FIG. 11B the single scanning waveguide is 3D imaging, biopsy tissue sampling, endoscopy Used to monitor mirror surgery. In these two figures, it is useful to recognize that many of the same components are provided and that different functionality is provided by making minor changes to the components used as part of the system. is there. In the system 460 shown in FIG. 11A, the interactive computer workstation monitor 462 allows the medical practitioner to control the scanning optical fiber to be used for imaging, diagnosis (eg, optical biopsy), and performing the therapy. It becomes possible to execute the algorithm. High resolution color monitor 464 receives signals from scanning optical fiber 484 transmitted over optical fiber system 488 to distribution console 472. An optional RGB detector can be provided if not internally contained within the patient near the scanning optical fiber 484. The ROI 486 is scanned by an optical fiber to produce a high resolution color image that is displayed to the user. In one embodiment of an exemplary passive display, two CRT (CRT monitor) displays display images using two different contrast modes to generate images of the same object (eg, tissue). For example, the same resonant drive scanning optical fiber can generate both a full color optical image on a CRT and a grayscale fluorescent image on another CRT monitor. If there is no overlap in excitation and signal optical properties, two or more images can be generated simultaneously. In the case of overlap, the two images are stored either by the surface sequential method or the line sequential method of the fast resonant scanning device. To switch between image contrast modes (full color optics and fluorescence), close the shutter of the light source or turn the power off and on directly. In time synchronization during modulation of both illumination intensity and spectral range, the signal from the photodetector is recorded and displayed as a separate image. In this example, a second fluorescent image of the same ROI can be obtained to ensure that the medical practitioner identifies small or pre-cancerous lesions that are not visible on a standard white light image.

例えば、医療実施者がレーザ手術のためにROIを選択(輪郭線を引く)できるようにする、タッチスクリーンモニタまたは対話型フットマウスもしくはペダルを使用することによってなど、2つの表示器の1つは対話型にできることが意図されている。画像は動いている場合もあるため、タッチスクリーンモニタは、画像が保存され、同時に停止されることを必要とする。しかし、ROIの輪郭が一旦引かれたら、画像分割および被写体認識アルゴリズムが実行されて、リアルタイム画像取得および表示中にROIを強調したままにする。対話型モニタは、出力レベルおよびレーザ放射暴露の継続時間など、レーザ治療用のパラメータを設定するための、実施者用サイドバーメニューを設けることができる。第2の表示器は、対話的には使用されないであろうが、リアルタイム光学画像をフルカラーまたはグレースケールで表示する高解像度モニタが好ましい。IR光検出器が内視鏡内に統合される場合、擬似色を備える高解像度表示器によって、実施者が、レーザ手術中の組織加熱および/または組織放射など、組織レーザ治療の進行を監視することができるようになる。   One of the two indicators is, for example, by using a touch screen monitor or an interactive foot mouse or pedal that allows the medical practitioner to select (outline) the ROI for laser surgery. It is intended to be interactive. Since the image may be moving, the touch screen monitor requires the image to be saved and stopped at the same time. However, once the ROI outline is drawn, image segmentation and subject recognition algorithms are executed to keep the ROI highlighted during real-time image acquisition and display. The interactive monitor may provide a practitioner sidebar menu for setting parameters for laser therapy, such as power level and duration of laser radiation exposure. The second display will not be used interactively, but a high resolution monitor that displays real-time optical images in full color or gray scale is preferred. When the IR photodetector is integrated into the endoscope, the practitioner monitors the progress of the tissue laser treatment, such as tissue heating and / or tissue emission during laser surgery, with a high resolution display with pseudo colors Will be able to.

カプセル内の走査光ファイバは、ブロック466内に示したように、テザーおよび先端の操縦および安定化を促進する任意選択の手動制御器を使用して、患者体内の、ROI486に対向した所望の位置に位置決めされる。管腔内のカプセルの配置は、位置センサ信号に基づいて、または、図13と関連して以下に議論されるようにテザー上に備えられた目盛を参照することによってテザーが管腔内へ延びる距離を単純に監視することによって、自動的に決定される。ROI486内では、光学的生検「箇所」485が、疾患を診断するための一点分光測定の時空分布が説明されている。これらの箇所は、体外生検分析用に侵襲的に組織サンプルを採取する現在の慣行どおり多数分布している。各箇所は、t1およびt2を例えば約1/30秒で隔てて、光学走査装置のフレームサイクル中に分光分析的に解析される。走査光ファイバによって提供される画像の他、ブロック468に示したように、IR信号をROIから受けるためにIR温度光検出器(および任意選択の温度モニタ)を含むことができる。 The scanning optical fiber in the capsule is positioned in the desired position in the patient opposite the ROI 486 using a tether and an optional manual controller that facilitates steering and stabilization of the tip, as shown in block 466. Is positioned. The placement of the capsule in the lumen is based on the position sensor signal or the tether extends into the lumen by referring to a scale provided on the tether as discussed below in connection with FIG. It is determined automatically by simply monitoring the distance. Within ROI 486, the optical biopsy “location” 485 describes the spatio-temporal distribution of single point spectroscopic measurements for diagnosing disease. These locations are distributed in large numbers according to current practice of taking tissue samples invasively for in vitro biopsy analysis. Each location is analyzed spectroscopically during the frame cycle of the optical scanner, with t 1 and t 2 separated by, for example, about 1/30 second. In addition to the image provided by the scanning optical fiber, an IR temperature photodetector (and optional temperature monitor) may be included to receive the IR signal from the ROI, as shown in block 468.

走査光ファイバまたは光導波管の動作制御を促進するため、ブロック470に示すように、小型センサの電力および制御回路が備えられる。制御回路によって供給される信号は、光ファイバの走査を引き起こすアクチュエータがブロック470内の電気的ハードウェアおよびソフトウェアの両方によって制御されるとき、光ファイバの振幅および変位量制御を可能にする。分光光度計および/またはスペクトルアナライザ474が診断目的で含まれ、その理由は、R0I486から受けた光のスペクトル要素および光学的生検箇所485の分布が、スペクトル測光分析に基づいて管腔のROIの状態を評価する医療実施者によって、癌などの疾病の検診および診断のために使用されることができるからである。ROIが画像化されるようにROIを照明するために、赤、緑、および青の光源476、478、および480が結合され、それらが生成する光が、光ファイバシステムを通ってカプセル内の走査光ファイバ484へ伝達される。スペクトル分析に使用される光源は、外部RGB光源(例えばレーザ)の1つの高出力パルスでもよく、第2のレーザまたは白色光源でもよい。信号強度、時間、および照明強度には制限があるため、反復1点スペクトル分析法が、フラッシュ照明を使用して最初に使用されることになる。加えて、同じまたは別の高出力レーザ光源482を使用して、PTD、形成異常のレーザ切除、新生組織、および腫瘍などの治療、および高強度光源を使って提供される他の種類の治療などを実施することができる。   To facilitate operation control of the scanning optical fiber or optical waveguide, a small sensor power and control circuit is provided, as shown in block 470. The signal provided by the control circuit allows optical fiber amplitude and displacement control when the actuator that causes the optical fiber scan is controlled by both electrical hardware and software in block 470. A spectrophotometer and / or spectrum analyzer 474 is included for diagnostic purposes because the spectral components of the light received from R0I 486 and the distribution of the optical biopsy site 485 can be determined based on spectral photometric analysis. This is because it can be used for screening and diagnosis of diseases such as cancer by medical practitioners who evaluate the condition. To illuminate the ROI so that the ROI is imaged, the red, green, and blue light sources 476, 478, and 480 are combined and the light they generate is scanned through the fiber optic system into the capsule. It is transmitted to the optical fiber 484. The light source used for spectral analysis may be one high power pulse of an external RGB light source (eg, a laser), a second laser or a white light source. Since signal strength, time, and illumination intensity are limited, an iterative one-point spectral analysis method will be used first using flash illumination. In addition, the same or another high power laser light source 482 may be used to treat PTDs, laser ablation of dysplasia, neoplasia, and tumors, and other types of treatment provided using high intensity light sources, etc. Can be implemented.

システム460を使用するとき、医療実施者は、標準フルカラー内視鏡画像を表示する高解像度カラーモニタを見ながら、軟性のテザー、および走査装置を含む付属カプセルを、患者体内管腔の適切な領域へ操縦および操作する。管腔内の腫瘍、新生組織、および/または前癌期病変の探査は、単純にモニタを見ることによって開始することができる。分光光度計およびスペクトルアナライザ474に含まれる第2のモニタ(個別に図示せず)は、カプセル内の走査装置によって生成されるグレースケール画像上の擬似カラーの蛍光マッピングを表示する。外観が異常な組織が見つかると、カプセルは任意選択で機械的に安定化される(例えば、以下に説明するように、付属バルーンを膨らませることによって)。管腔壁上のROIは走査装置のFOV内の中心に置かれ、次に、走査装置によって提供される多解像度機能を使用して拡大される。ROIまたは癌の寸法が評価され、可視光画像または蛍光画像どちらかの画像処理によって画素境界が決定される。LIFSなど、分光分析診断が必要な場合、光学的生検点の分布が照明レベルと一緒に見積もられる。多数の撮像フレーム上に照明を自動的に繰り返し供給することによって、診断測定が行われる。ユーザは診断を中断することができ、または、カプセル内の走査装置によって、管腔内部表面の生成された画像から明確な診断ができるまで、ワークステーションに、信号対ノイズ比および/またはサンプリングの密度を改良し続けさせることができる。診断の結果はリアルタイムで、かつ標準画像の上に重ね合わせられることが期待される。   When using the system 460, the medical practitioner looks at a high-resolution color monitor displaying standard full-color endoscopic images while attaching a soft tether and an attached capsule containing a scanning device to the appropriate area of the patient's body lumen. Maneuver and operate. Exploration of intraluminal tumors, neoplasia, and / or precancerous lesions can be initiated by simply looking at the monitor. A second monitor (not separately shown) included in the spectrophotometer and spectrum analyzer 474 displays a pseudo-color fluorescence mapping on the grayscale image generated by the scanning device in the capsule. If tissue with an abnormal appearance is found, the capsule is optionally mechanically stabilized (eg, by inflating an attached balloon, as described below). The ROI on the lumen wall is centered within the scanning device FOV and then magnified using the multi-resolution capabilities provided by the scanning device. ROI or cancer dimensions are evaluated, and pixel boundaries are determined by image processing of either visible or fluorescent images. If spectroscopic diagnosis is required, such as LIFS, the distribution of optical biopsy points is estimated along with the illumination level. Diagnostic measurements are made by automatically and repeatedly providing illumination on multiple imaging frames. The user can interrupt the diagnosis or the signal to noise ratio and / or sampling density at the workstation until a clear diagnosis can be made from the generated image of the lumen internal surface by the scanning device in the capsule. Can continue to improve. The result of diagnosis is expected to be superimposed on a standard image in real time.

PDTなど、光学的治療が認可されると、光学的放射暴露が決定され、カプセル内の走査装置システムを制御する双方向コンピュータワークステーションにプログラムされる。PTD処置は、一般に、PDT蛍光染色用に予め選択された高出力レーザ光源482による高強度レーザ照明の光学的走査であり、上記のように二色性フィルタ、減衰器、および電気機械式シャッタを使用して制御される。面順次法では、蛍光画像および可視光画像は共に、カプセル内の走査装置を使用して提供されるPDT治療中に取得される。医療実施者は、走査装置によって取得されるこれらの画像を両方の表示器上で見ることによって、PDT治療の進行を監視する。   When optical therapy is approved, such as PDT, optical radiation exposure is determined and programmed into an interactive computer workstation that controls the scanning device system within the capsule. A PTD procedure is generally an optical scan of high intensity laser illumination with a high power laser light source 482 preselected for PDT fluorescence staining, and includes a dichroic filter, attenuator, and electromechanical shutter as described above. Controlled using. In the frame sequential method, both the fluorescence image and the visible light image are acquired during a PDT treatment provided using a scanning device in the capsule. The medical practitioner monitors the progress of the PDT treatment by viewing these images acquired by the scanning device on both displays.

図11Bを参照すると、カプセル内に備えられた走査システム460’は、管腔内部表面の3D撮像、生検、および内視鏡手術の監視に使用される。ROIの擬似立体視野の3D撮像を有効にするために、HMD490が含まれる。加えてシステムは、図11Aに関連して先に説明された高解像度カラーモニタ464を含む。また、IR光位相検知器492が、管腔内の距離測定用に含まれる。IR照明の高周波変調を測定して、数ミリメートル程度の光学伝播距離による位相のずれを決定する。カプセル内の走査光ファイバまたは光導波管の遠位端とROI486との間の距離は光の強度の評価に重要であり、ROIの境界および寸法を決定するための具体的なROI487のマッピングのために、および管腔内のROIを含む形成異常の領域または腫瘍の体積などの特徴の寸法および形状を判定するために、内視鏡手術中にこの光強度を適用すべきである。UV−可視生検光源494により、光学的生検が具体的なROI487で実行されるのが可能になる。ブロック474内の分光光度計およびスペクトルアナライザは、実行されている内視鏡手術中に、ROIの状態を監視するのに便利であるが、その理由は、内視鏡手術中のROIの状態は、この機器類によって提供されるスペクトル分析に基づいてして、時に最も良く判断されるからである。他の観点では、図11Bに提供された代替機能に使用される構成要素は、図11Aの構成要素と同一である。   Referring to FIG. 11B, the scanning system 460 ′ provided in the capsule is used for 3D imaging, biopsy, and endoscopic surgery monitoring of the lumen internal surface. An HMD 490 is included to enable 3D imaging of the ROI pseudo-stereoscopic field of view. In addition, the system includes the high resolution color monitor 464 described above in connection with FIG. 11A. An IR optical phase detector 492 is also included for distance measurement within the lumen. The high frequency modulation of IR illumination is measured to determine the phase shift due to the optical propagation distance on the order of a few millimeters. The distance between the distal end of the scanning optical fiber or optical waveguide in the capsule and the ROI 486 is important for evaluating the intensity of the light, and for specific ROI 487 mapping to determine ROI boundaries and dimensions In addition, this light intensity should be applied during endoscopic surgery to determine the size and shape of features such as dysplastic regions or tumor volumes, including intraluminal ROI. UV-visible biopsy light source 494 allows optical biopsy to be performed with a specific ROI 487. The spectrophotometer and spectrum analyzer in block 474 are useful for monitoring the status of the ROI during the endoscopic procedure being performed because the status of the ROI during the endoscopic procedure is This is because it is sometimes best determined based on the spectral analysis provided by this instrument. In other respects, the components used for the alternative function provided in FIG. 11B are the same as those in FIG. 11A.

システム460’を使用するとき、医療実施者は、可視波長(フルカラー)画像を示す高解像度カラーモニタ464を見ながらテザーおよびカプセルを移動させて走査装置の位置を変え、新生組織を再度探す。ROIが見つかると、下記のように、例えば付属バルーンを膨らませてカプセルを機械的に安定化することができる。さらに、ROIはFOV内の中心に置かれ、次に多解像度機能によって拡大される。しかし、周囲の組織が動いていて、取得した画像が安定しない場合、画像のスナップショットが撮られ、対話型コンピュータワークステーションモニタへ移されるが、これは双方向表示器が好ましい。安定したROIの境界の輪郭が、対話型表示器のスクリーン上で引かれ、形成異常の面積または腫瘍の体積が、画素単位の直径測定および、距離測定用IR光位相検知器492を使用する操作装置と組織の間の距離測定から見積もられる。光学的生検は、UV−可視生検光源494によって行われるが、ESS(弾性散乱分光法)用のファイバ結合アークランプでもよい。この組織が確かに癌性または前癌期とされると、光学放射暴露が計算され、治療プロトコルが、双方向コンピュータワークステーションモニタ462にプログラムされる。デジタル画像処理アルゴリズムが較正されて、自動的にROIを分割または走査装置信号を処理して、リアルタイムで取得した画像から動きアーチファクトを見積もるが、これは表示器のフレーム速度と同等かそれより遅い。レーザ手術処置および/または焼灼は、可視光学走査装置と光学的に結合されている高強度レーザ482(IR)で発生する。IR距離測定オプションは不要であるがIR温度モニタまたはレーザモニタが望まれる場合、これらの代替監視機能のためにIR光源を代わりに使用することができる。面順次法の場合、レーザ手術および/または焼灼中にIR画像および可視画像の両方が必要である。IR画像は、レーザ照明が管腔内ROIを走査するときにレーザ照明からの後方散乱のマッピング、またはROIの温度画像のどちらかで、対話型コンピュータ表示器上にグレースケール可視画像上の擬似カラーとして表示することができる。医療実施者は、高解像度および対話型表示器モニタ両方上のこれら取得画像を観察することによって、IR放射処置の進行を監視する。   When using system 460 ', the medical practitioner moves the tether and capsule while viewing the high resolution color monitor 464 showing a visible wavelength (full color) image to reposition the scanning device and look for new tissue again. Once the ROI is found, the capsule can be mechanically stabilized, for example, by inflating the attached balloon, as described below. In addition, the ROI is centered in the FOV and then magnified by the multi-resolution function. However, if the surrounding tissue is moving and the acquired image is not stable, a snapshot of the image is taken and transferred to an interactive computer workstation monitor, preferably a bi-directional display. A stable ROI boundary outline is drawn on the screen of the interactive display and the dysplasia area or tumor volume is measured using a pixel-by-pixel diameter and distance measuring IR optical phase detector 492. Estimated from distance measurements between device and tissue. The optical biopsy is performed by a UV-visible biopsy light source 494, but may be a fiber coupled arc lamp for ESS (elastic scattering spectroscopy). If this tissue is indeed cancerous or pre-cancerous, the optical radiation exposure is calculated and the treatment protocol is programmed into the interactive computer workstation monitor 462. The digital image processing algorithm is calibrated to automatically segment the ROI or process the scanner signal to estimate motion artifacts from images acquired in real time, which is equivalent to or slower than the display frame rate. Laser surgical procedures and / or ablation occur with a high intensity laser 482 (IR) that is optically coupled to a visible optical scanning device. If an IR distance measurement option is not required but an IR temperature monitor or laser monitor is desired, an IR light source can be used instead for these alternative monitoring functions. For frame sequential methods, both IR and visible images are required during laser surgery and / or cauterization. The IR image is either a mapping of backscatter from the laser illumination as the laser illumination scans the intraluminal ROI, or a temperature image of the ROI, and a pseudo color on a grayscale visible image on an interactive computer display. Can be displayed as The medical practitioner monitors the progress of the IR radiation procedure by observing these acquired images on both the high resolution and interactive display monitors.

体腔内のカプセルの配置の判定
走査軟性内視鏡の先の例示的実施形態はホイールを使用し、そのホイールが、患者の食道内のカプセルの位置を制御するためにテザーが操作されるときに、テザーの軸方向の動きと共に回転した。しかし、この種類の接触センサを使用することは、唾液、粘液、または他の体液の存在が、テザーを回転センサホイール上で滑らせるため、食道内のカプセルの位置が正確に報告されない。さらに、テザーと回転センサホイールの間の摩擦を維持するという要求が、テザー付きカプセルを制御するときに、医療関係者が経験したいことがある「感触」を邪魔することがある。したがって、図12および13は、食道などの体腔内のカプセルの相対的配置を測定するための非接触センサの2つの代替の例示的実施形態を説明している。
Determining Capsule Placement in a Body Cavity The previous exemplary embodiment of a scanning flexible endoscope uses a wheel when the tether is manipulated to control the position of the capsule in the patient's esophagus Rotated with the axial movement of the tether. However, using this type of contact sensor does not accurately report the position of the capsule in the esophagus because the presence of saliva, mucus, or other bodily fluid slides the tether over the rotating sensor wheel. Further, the requirement to maintain friction between the tether and the rotation sensor wheel may interfere with the “feel” that medical personnel may want to experience when controlling a tethered capsule. Accordingly, FIGS. 12 and 13 illustrate two alternative exemplary embodiments of a non-contact sensor for measuring the relative placement of capsules in a body cavity such as the esophagus.

図12では、テザー630の近位端が患者636の口腔の外部に図示されている。この図(または図13)には図示しないが、テザー630の遠位端は患者636の食道内へ延びて下る。光学的標識634が、軸方向にテザー630の少なくとも一部に沿って配置され、標識の形態によって、患者636の食道内のテザーの相対的配置したがってカプセルの相対的配置のアナログ指示またはデジタル指示を提供することができる。一例示的アナログ光学パターン680の表示が図20Aに説明されており、一方、図20Bは一例示的デジタル光学パターン682の表示を説明している。   In FIG. 12, the proximal end of tether 630 is illustrated outside the oral cavity of patient 636. Although not shown in this view (or FIG. 13), the distal end of tether 630 extends down into the esophagus of patient 636. An optical marker 634 is axially disposed along at least a portion of the tether 630 and, depending on the form of the marker, provides an analog or digital indication of the relative placement of the tether within the esophagus of the patient 636 and thus the relative placement of the capsule. Can be provided. A display of an exemplary analog optical pattern 680 is illustrated in FIG. 20A, while FIG. 20B illustrates a display of an exemplary digital optical pattern 682.

当業者には、テザー上の標識の上に備えられたアナログまたはデジタルどちらかのコード化されたデータを読み取るために、多くの光センサが容易に使用できることが理解されよう。例えば、光センサ638上の光源(個別には図示せず)を標識634の方へ向けることができる。代替として、周りの光を使用して、標識を照明することができる。テザー630上の標識によって反射または散乱された光は、光センサ638によって受けられ、フォトダイオードまたは他の適切な光検出器を含むが、本図には個別には図示しない。また、1つまたは複数のレンズを光センサに含めて、標識の上に光源(使用する場合)を集光させる、および/または受けた光を光検知器上に集光させることができる。光源は、光が標識を通過するように向けることができるため、光源と反対側の標識の側面上の光検知器によって、透過した光を受けることも意図される。しかし、この方法は、テザー外周を通過する光の透過に関連する問題のため実施されそうになく、本図には図示しない。   One skilled in the art will appreciate that many light sensors can be readily used to read either analog or digital encoded data provided on a label on the tether. For example, a light source (not shown separately) on the light sensor 638 can be directed toward the sign 634. Alternatively, ambient light can be used to illuminate the sign. The light reflected or scattered by the sign on tether 630 is received by light sensor 638 and includes a photodiode or other suitable photodetector, but is not separately illustrated in this figure. Also, one or more lenses can be included in the light sensor to focus the light source (if used) on the sign and / or to focus the received light on the photodetector. Since the light source can be directed to pass light through the sign, it is also intended to receive the transmitted light by a photodetector on the side of the sign opposite the light source. However, this method is unlikely to be implemented due to problems associated with the transmission of light through the tether perimeter and is not shown in the figure.

光センサは、発光ダイオード(または他の適切な光源)からの紫外光、可視光、または赤外光を使用することができ、光ファイバ(図示せず)を使用して、光をこのような光源からテザー上の標識の方へ伝達することができる。同様に、他の光ファイバ(図示せず)を使用して、標識からの光を集光し、それを光検出器の方へ伝達することができる。より波長の短い光および開口数が大きなレンズを集光光ファイバに使用することにより、標識がテザー上で読み取られる空間分解能を改善することができる。標識は、テザーの少なくとも一部の全周囲の周りに軸方向に適用することができるため、テザーの向きがその長手方向軸周りの回転の向きを気にせず、光学検知器によって標識を読み取ることができる。   The optical sensor can use ultraviolet light, visible light, or infrared light from a light emitting diode (or other suitable light source) and uses an optical fiber (not shown) to direct the light Can be transmitted from the light source to the sign on the tether. Similarly, other optical fibers (not shown) can be used to collect the light from the sign and transmit it to the photodetector. By using a shorter wavelength light and a lens with a larger numerical aperture for the collection optical fiber, the spatial resolution at which the sign is read on the tether can be improved. The sign can be applied axially around the entire circumference of at least a portion of the tether so that the orientation of the tether does not care about the direction of rotation about its longitudinal axis and the sign can be read by an optical detector Can do.

図13では、テザー630上の標識は、磁気媒体642、例えば磁気塗料またはテープを含み、テザーの長手方向軸に沿って、少なくともその長さの一部に適用される。磁気媒体は、磁気センサ640によって検出または読み取られるときに、アナログまたはデジタルどちらかのデータの相対位置すなわち食道などの体腔内のカプセルの位置を表す変動磁界を保存することができる。磁気センサ640は、テープレコーダヘッドに使用されるもののような高感度磁気ピックアップコイル(個別には図示せず)を含むことができる。磁気媒体は、変動磁気強度、変調、周波数、またはこれらの種類のコード化の組合せを使用して、位置データをアナログまたはデジタルデータとしてコード化する。磁気コード化は磁気センサによって読み取ることができるため、その信号を使用して、カプセルの相対位置を視覚的表示器内に表示する、ならびに体腔内のカプセルの相対位置を示すために、変化する可聴音を提供することが意図されている。   In FIG. 13, indicia on tether 630 includes a magnetic medium 642, such as magnetic paint or tape, and is applied along at least a portion of its length along the longitudinal axis of the tether. When detected or read by the magnetic sensor 640, the magnetic medium can store a varying magnetic field that represents the relative position of either analog or digital data, ie, the position of the capsule in a body cavity such as the esophagus. The magnetic sensor 640 can include a high sensitivity magnetic pickup coil (not separately shown) such as those used in tape recorder heads. Magnetic media encode position data as analog or digital data using variable magnetic strength, modulation, frequency, or a combination of these types of encodings. Since the magnetic encoding can be read by a magnetic sensor, its signal can be used to indicate the relative position of the capsule in a visual indicator as well as to indicate the relative position of the capsule in the body cavity. It is intended to provide an audible sound.

体腔内のテザーおよびカプセルの相対位置は、種々の理由で重要である。まず、医療実施者が、カプセル内に含まれる画像走査装置によって生成されている画像の中で、明らかな体腔の内部表面の状態を、体腔内のカプセルの位置と関連付けることができるため、体腔内の具体的な位置のBEなどの状態がはっきりわかる。この情報を使って、体腔内の同じ位置に引き続き近づいて、さらに診断的手技または治療を提供することができる。図14は、非接触位置センサ646(図12および13の光学または磁気センサなど)が、テザー652上の標識をどのように読み取って、SFE親機394内のプロセッサに入力される位置信号を生成するかを説明している。位置判定機能648がプロセッサによって実行されて、常に体腔内のカプセル650の少なくとも相対位置を判定する。同時に、カプセルがその画像走査機器を使って画像信号を生成し、それがSFE親機内のプロセッサによって実行される画像生成機能662に入力される。カプセルの相対位置は、カプセル内の走査機器によって生成された現在の画像の位置に、索引を付けることを可能にするだけでなく、ステッチモザイク画像生成機能664を実行するSFE親機内のプロセッサを補助して、一連の軸方向画像をより効率的に綴じ合わせるためにも使用される。非接触位置センサ646によって提供される相対位置データがなくとも、これら一連の軸方向画像は綴じ合わせることができるが、相対位置データが、一連の画像の長手軸方向の端部のどこをステッチ工程内で綴じ合わせて、体腔の長さの大部分に沿って体腔の内部表面を示す軸方向に連続したモザイク画像を作るべきか判断する処理時間を減らす。   The relative position of the tether and capsule within the body cavity is important for a variety of reasons. First, the medical practitioner can correlate the apparent internal surface condition of the body cavity with the position of the capsule within the body cavity in the image generated by the image scanning device contained within the capsule. You can clearly see the state of BE at the specific location. This information can be used to continue approaching the same location within the body cavity to provide further diagnostic procedures or treatment. FIG. 14 illustrates how a non-contact position sensor 646 (such as the optical or magnetic sensor of FIGS. 12 and 13) reads a sign on the tether 652 and generates a position signal that is input to the processor in the SFE base unit 394. Explains what to do. A position determination function 648 is executed by the processor to always determine at least the relative position of the capsule 650 within the body cavity. At the same time, the capsule uses the image scanning device to generate an image signal that is input to an image generation function 662 that is executed by a processor in the SFE master. The relative position of the capsule not only allows the current image position generated by the scanning device in the capsule to be indexed, but also assists the processor in the SFE master that performs the stitch mosaic image generation function 664. Thus, it is also used to bind a series of axial images more efficiently. Even without the relative position data provided by the non-contact position sensor 646, these series of axial images can be stitched together, but the relative position data can be stitched anywhere along the longitudinal end of the series of images. To reduce the processing time for determining whether to create an axially continuous mosaic image showing the internal surface of the body cavity along most of the length of the body cavity.

位置判定機能648によって提供されるデータは、カプセルが参照位置からどこか次の位置へ移動した実距離を示すことができる。例えば、胃食道接合部におけるカプセルの配置に対応するカプセルの参照位置は、カプセルによって生成される画像から決定され、その後のカプセルの食道を上昇する動作は、非接触位置センサ646によって生成される信号を使用して、その参照位置からの実距離として表すことができる。すなわち、この参照位置が一旦決まると、参照位置から食道の内部表面上の、画像内で明らかにBE状態が観察される領域までの距離は、位置データから決定される。この領域は、参照を設定するステップと、上記の同じ距離上方へカプセルを前進させるステップとを繰り返すことによって、容易に再び見つけることができる。   The data provided by the position determination function 648 may indicate the actual distance that the capsule has moved somewhere from the reference position to the next position. For example, the reference position of the capsule corresponding to the placement of the capsule at the gastroesophageal junction is determined from the image generated by the capsule, and the subsequent movement up the capsule esophagus is a signal generated by the non-contact position sensor 646. Can be used to represent the actual distance from the reference position. That is, once this reference position is determined, the distance from the reference position to the region on the inner surface of the esophagus where the BE state is clearly observed in the image is determined from the position data. This region can be easily found again by repeating the steps of setting a reference and advancing the capsule above the same distance.

任意選択で、体腔または食道から抜去されるとき、テザー上の体液が非接触位置センサ646に達する前に、テザー652の唾液および粘液などの体液を優しく清掃するのが望ましい。図15に説明されているように、弾性体円錐670または他の種類の、テザー652にぴったり合ったスクレーパが、テザーの外表面から体液672を拭き取ることができ、テザーには、医療実施者が体腔を通るテザーの動きを感じるのを邪魔する何ら大きな摩擦を加えない。体液は、吸収材料またはスポンジ(図示せず)上へ簡単に落ちることができ、すなわち、滴674が、弾性体円錐の周囲下側端部から落ちるとき、小皿(これも図示せず)に集めることができる。   Optionally, when removed from a body cavity or esophagus, it is desirable to gently clean bodily fluids such as saliva and mucus in the tether 652 before bodily fluids on the tether reach the non-contact position sensor 646. As illustrated in FIG. 15, an elastic cone 670 or other type of scraper that fits snugly into the tether 652 can wipe the bodily fluid 672 from the outer surface of the tether, which can be Does not add any significant friction that interferes with the tether movement through the body cavity. Body fluid can easily fall onto an absorbent material or sponge (not shown), i.e., when drops 674 fall from the lower peripheral edge of the elastic cone, they collect in a small dish (also not shown). be able to.

カプセルに結合されたバルーンの使用
図16は、カプセルの近位端に結合された膨張可能なバルーン574を有するカプセル570を説明している。バルーンは、カプセルの遠位端から、カプセルが配置されている管腔の内部表面582へ向けられていている照明光572を邪魔しない。バルーン574内の容量586は、テザー576内の管腔578を通り抜けて運ばれる液体または空気によって選択的に膨らむ。液体は、テザーのバルーンによって包囲される部分に形成された少なくとも1つの開口588を通って、管腔578に存在する。
Use of a Balloon Coupled to a Capsule FIG. 16 illustrates a capsule 570 having an inflatable balloon 574 coupled to the proximal end of the capsule. The balloon does not interfere with the illumination light 572 that is directed from the distal end of the capsule to the inner surface 582 of the lumen in which the capsule is located. The volume 586 in the balloon 574 is selectively inflated by liquid or air carried through the lumen 578 in the tether 576. Liquid is present in lumen 578 through at least one opening 588 formed in the portion surrounded by the tether balloon.

バルーンは膨らんで、1つまたは複数の以下の様な顕著な目的を果たすことができる。例えば、バルーン574は膨らむことができるため、筋肉組織の蠕動運動が、バルーンおよびカプセルを、管腔を通って前進させ、バルーンの大きい方の直径によって、筋肉組織によって加えられた力が、バルーンおよび連結されたカプセルを、より効率的に管腔内を前進させる。追加の選択肢として、バルーンは膨らんだときに、それが配置されている管腔壁からの圧力を、圧力センサ(本明細には図示しないが先に議論した)に伝えることができ、圧力センサはカプセル上にある、または内部容量586と液体連通にあるため、管腔壁によって働く圧力を、管腔の外部的に監視することができる。圧力によって種々の状態を判断することができ、すなわち、医者にとって関心がある情報を提供する。   The balloon can be inflated to serve one or more of the following notable purposes. For example, since balloon 574 can inflate, the peristaltic movement of muscle tissue causes the balloon and capsule to advance through the lumen, and the larger diameter of the balloon causes the force applied by the muscle tissue to The connected capsule is advanced more efficiently in the lumen. As an additional option, when the balloon is inflated, the pressure from the lumen wall in which it is placed can be communicated to a pressure sensor (not shown here but discussed above), Because it is on the capsule or in fluid communication with the internal volume 586, the pressure exerted by the lumen wall can be monitored external to the lumen. Various conditions can be determined by pressure, i.e. providing information of interest to the physician.

バルーンは、カプセルが前進できるようにする代わりに、少なくとも部分的に膨らんでバルーンの断面寸法を拡大し、それによって、カプセルが、バルーンより小さい断面寸法を有する管腔部分または他の通路を通ってさらに移動しないようにすることができる。最後に、バルーンは膨らんで、カプセルを患者の体の管腔内の概略中心に置き、安定させることができるため、画像を生成するための管腔内部表面の走査がより効率的に実行される。   Instead of allowing the capsule to advance, the balloon is at least partially inflated to enlarge the cross-sectional dimension of the balloon so that the capsule passes through a lumen portion or other passage having a smaller cross-sectional dimension than the balloon. Further movement can be prevented. Finally, the balloon is inflated so that the capsule can be centered and stabilized approximately within the lumen of the patient's body so that the inner surface scan to generate an image is performed more efficiently. .

蠕動を刺激するための電気接点
カプセル590が、図17の管腔592内に図示されており、カプセルの筐体の外側表面上に配置された複数の電気接点594を含む。電気接点594は、テザー600内に形成された通路602内を延びるリード線598に接続されている。リード線は電源(図示せず)に接続されている。電圧が、それによって選択的に、リード線598を通って電気接点594へ印加され、それによって筋肉組織604に接触し、管腔592の筋肉組織内の蠕動を刺激し、これがカプセルを管腔を通って前進させる。任意選択で、カプセル590近位のテザー600に接続されている電気接点596を、電気接点594の代わりに、または追加使用して、筋肉組織の蠕動を刺激することができる。
機械的生検
Electrical contacts for stimulating peristalsis A capsule 590 is illustrated in lumen 592 of FIG. 17 and includes a plurality of electrical contacts 594 disposed on the outer surface of the capsule housing. The electrical contact 594 is connected to a lead 598 that extends through a passage 602 formed in the tether 600. The lead wire is connected to a power source (not shown). A voltage is thereby selectively applied through lead 598 to electrical contact 594, thereby contacting muscle tissue 604 and stimulating peristalsis within the muscle tissue of lumen 592, which causes the capsule to pass through the lumen. Advance through. Optionally, electrical contacts 596 connected to tether 600 proximal to capsule 590 can be used in place of or in addition to electrical contacts 594 to stimulate muscle tissue peristalsis.
Mechanical biopsy

図18は、テザー624に結合されているカプセル620を説明している。テザー624は、環状通路622を含み、その中に1つまたは複数の細胞診ブラシ626もしくは生検鉗子(図示せず)が制御可能に進められて、カプセル620が配置された管腔の内部表面に接触する。細胞診ブラシ626は、環状通路622から進められて、内部表面の組織と接触するため、管腔内側を覆う組織の細胞がブラシの毛に移される。細胞診ブラシは次に、環状通路内へ抜去され、カプセルおよびテザーが患者体内の管腔から抜去された後、細胞試料が処理および調査のためにブラシの毛から取り除かれる。図示しないが、環状通路を使用して、カプセル上の蓋を引き戻すことができ、その蓋が、カプセルから進められるブラシの毛を露出する。環状通路の代わりに、テザー上に備えられた肩車通路(図示せず)を通って、細胞診ブラシ、細針、または他の種類の機械的生検装置を進めることができる。把持装置を環状通路または肩車通路内に使用して、管腔から試料を集め、その試料を通路内へ待避させることもできる。そのような通路はまた、液体の取入れ口として使用することもでき、液体は、通路を通って患者体外のテザーの近位端へ引き抜かれる。   FIG. 18 illustrates a capsule 620 that is coupled to a tether 624. The tether 624 includes an annular passage 622 in which one or more cytological brushes 626 or biopsy forceps (not shown) are controllably advanced so that the inner surface of the lumen in which the capsule 620 is disposed. To touch. The cytodiagnosis brush 626 is advanced from the annular passage 622 to contact tissue on the inner surface, so that tissue cells that line the lumen are transferred to the brush hair. The cytology brush is then withdrawn into the annular passage and after the capsule and tether have been withdrawn from the lumen within the patient, the cell sample is removed from the brush hair for processing and investigation. Although not shown, an annular passage can be used to pull back the lid on the capsule, which exposes the bristles of the brush that are advanced from the capsule. Instead of an annular passage, a cytological brush, fine needle, or other type of mechanical biopsy device can be advanced through a shoulder passage (not shown) provided on the tether. A gripping device can also be used in the annular or shoulder passage to collect the sample from the lumen and retract the sample into the passage. Such a passage can also be used as a liquid intake, where the liquid is drawn through the passage to the proximal end of the tether outside the patient's body.

複合的画像
上記のように、本発明に従って、複数の走査装置をカプセル内に含むことができることが意図されている。各走査装置は比較的小型であるため、相隔たる配列に構成することができ、例えば、管腔の内部表面の全360度視野を包囲する広視野を撮像できる。代替として、図19に示すように、単一の走査装置をカプセル650内に使用して、管腔672の4つの側面を撮像することができる(図示した2側面ならびにピラミッド型鏡の後およびその反対側を含む、いずれも本図では見えない)。カプセル650は、管腔672の外部へ延びるテザー652に連結されている。カプセル内の可動光ファイバ654は、レンズ656を通ってピラミッド形状の鏡658の方へ向けられた光を放射する。ピラミッド型鏡658の隣接する鏡表面は、レンズ656からの光を4つの異なる方向へ、レンズ660aおよび660bを通って反射する(他の2つのレンズは図示されていない)。管腔672の内部表面から反射された光は、環状検出器670aおよび670bによって検出される(他の2つの環状検出器は図示されていない)。カプセル650の4つの側面上に提供された画像の重なりの範囲が不完全な場合、ユーザは矢印674によって示されたようにテザー652を回転させることができ、これがカプセル650を回転させて、内部表面の走査が起こる方向を変えるため、追加の画像が生成され、任意選択で一緒に連結されて管腔の内部表面の完全立体視野を形成する。
Composite Image As mentioned above, it is contemplated that a plurality of scanning devices can be included in a capsule in accordance with the present invention. Since each scanning device is relatively small, it can be configured in a spaced array, for example, a wide field of view that encompasses the entire 360 degree field of view of the inner surface of the lumen. Alternatively, as shown in FIG. 19, a single scanning device can be used in capsule 650 to image the four sides of lumen 672 (after the two sides shown and after the pyramid mirror and its Neither can be seen in this figure, including the opposite side). The capsule 650 is connected to a tether 652 that extends outside the lumen 672. A movable optical fiber 654 within the capsule emits light that is directed through the lens 656 toward the pyramidal mirror 658. Adjacent mirror surfaces of pyramid mirror 658 reflect light from lens 656 in four different directions through lenses 660a and 660b (the other two lenses are not shown). Light reflected from the inner surface of lumen 672 is detected by annular detectors 670a and 670b (the other two annular detectors are not shown). If the extent of image overlap provided on the four sides of the capsule 650 is incomplete, the user can rotate the tether 652 as indicated by arrow 674 which causes the capsule 650 to rotate To change the direction in which surface scanning occurs, additional images are generated and optionally joined together to form a full stereoscopic field of view of the inner surface of the lumen.

複合テザー/カプセル位置センサ
テザー/カプセルの相対位置を測定する精度および正確性を上げるため、2つの光センサまたは磁気センサを同時に使用して、テザー上の標識を読み取ることができる。標識によって提供される光学的または磁気的スケーリング間の補間も使用される。これら2つ以上のセンサの間隔は正確に決められ、1つのセンサを使用して1ステップを測定し、他方のセンサは1/2ステップを測定することができる。図21は、二重センサを備えた二重カラーコード化パターン800の例示的一実施形態を説明している。テザー820上の赤色のアナログまたはデジタルマーク818を検出するために、赤色レーザ802が、自由空間のどこかに向けられる赤色波長光を生成し、すなわち本例示的実施形態に示したように、光ファイバ822を通ってレンズ806の方に向けられ、二重カラーコード化パターン818上に赤色光を集光する。二重カラーコード化パターンの赤色部分から反射された赤色光は、レンズ808を通過し、自由空間または図示したように光ファイバ824を通って赤色波長光検出器804のどちらかへ伝達される。同様に、テザー820の反対側では、緑色レーザが、緑色波長を有する光を生成し、これが自由空間または光ファイバ826を通ってレンズ814の方へ伝達され、二重カラーコード化パターン818上に光を集光する。二重カラーコード化パターンから反射された緑色光はレンズ816を通過し、自由空間または図示したように光ファイバ828を通って、緑色波長光検出器812へ緑色光を伝達する。適切な赤色および緑色の帯域通過フィルタ(図示せず)が、それぞれ赤色光および緑色光の光検出器に含まれるのが適当で、光検出器光ダイオードに達する光の波長を制限する。赤色および緑色の光検出器はそれぞれ位置信号を生成し、それらが処理されて分解能を効果的に2倍にし、その分解能によって、テザー820とそれが結合されるカプセルの相対位置がSFE親機内のプロセッサによって決定される。食道などの体腔内のカプセルの相対位置が、少なくとも1.0mmの分解能で決められることが望ましい。赤色と緑色の光コード化および検出の代わりに、色付光の他の組合せが使用可能である。例えば、赤色光源と赤外光源および光検出器が使用可能で、その理由は、赤色光と赤外光の波長がシリコンフォトダイオード(2波長光検出器として使用可能)の最大感度波長帯(700〜900nm)に入っているためである。
Combined Tether / Capsule Position Sensor To increase the accuracy and accuracy of measuring the relative position of the tether / capsule, two optical or magnetic sensors can be used simultaneously to read the label on the tether. Interpolation between the optical or magnetic scaling provided by the sign is also used. The spacing between these two or more sensors can be precisely determined and one sensor can be used to measure one step while the other sensor can measure one-half step. FIG. 21 illustrates an exemplary embodiment of a dual color coding pattern 800 with dual sensors. In order to detect red analog or digital mark 818 on tether 820, red laser 802 generates red wavelength light that is directed somewhere in free space, ie, as shown in the present exemplary embodiment, It is directed towards the lens 806 through the fiber 822 and collects red light on the double color coded pattern 818. Red light reflected from the red portion of the dual color coding pattern passes through lens 808 and is transmitted to either free space or red wavelength photodetector 804 through optical fiber 824 as shown. Similarly, on the opposite side of the tether 820, a green laser generates light having a green wavelength that is transmitted through free space or optical fiber 826 towards the lens 814 and onto the double color coded pattern 818. Collect the light. Green light reflected from the dual color coding pattern passes through lens 816 and transmits the green light to free wavelength or optical fiber 828 as shown to green wavelength photodetector 812. Appropriate red and green bandpass filters (not shown) are suitably included in the red and green light detectors, respectively, to limit the wavelength of light reaching the photodetector photodiode. The red and green photodetectors each generate position signals that are processed to effectively double the resolution, which allows the relative position of the tether 820 and the capsule to which it is coupled to be within the SFE master. Determined by the processor. Desirably, the relative position of the capsule in a body cavity such as the esophagus is determined with a resolution of at least 1.0 mm. Instead of red and green light encoding and detection, other combinations of colored light can be used. For example, a red light source, an infrared light source, and a photodetector can be used because the wavelength of red light and infrared light is a maximum sensitivity wavelength band (700 that can be used as a two-wavelength photodetector). This is because it is within ~ 900 nm.

他の選択肢として、実際の高分解能目盛は、テザー上の光学コントラスト表記中に印刷することができ、非接触センサが、SFE親機内プロセッサの目盛の高空間分解能「読み取り」を可能にする、光学特性リーダを含むことができる。さらに、医師は、テザーを使用して体腔内のカプセルを位置決めしている間にも、直接目視でテザー上の目盛を読むことができる。   As another option, the actual high resolution scale can be printed during the optical contrast notation on the tether, and the non-contact sensor enables high spatial resolution “reading” of the SFE in-core processor scale. A characteristic reader can be included. In addition, the physician can read the scale on the tether directly visually while using the tether to position the capsule in the body cavity.

図22Aおよび22Bは、テザー830の詳細を説明しており、中心領域838周りの担持構造832を含み、その中に光ファイバ、電線、管腔、等が配置されている。担持構造832の外表面上は、データ層834である(すなわちアナログまたはデジタル位置情報を伝えるテープまたはマークが適用されている)。最後に、生体適合で、データ層の切断または損傷を防ぐ保護皮膜がデータ層上を覆っている。保護皮膜は、透明高分子または他の適切な透明な生体適合材料を含むことができる。   22A and 22B illustrate details of the tether 830 and include a carrier structure 832 around a central region 838 in which optical fibers, electrical wires, lumens, etc. are disposed. On the outer surface of the carrier structure 832 is a data layer 834 (ie, a tape or mark carrying analog or digital position information is applied). Finally, a protective coating that is biocompatible and prevents the data layer from being cut or damaged covers the data layer. The protective coating can include a transparent polymer or other suitable transparent biocompatible material.

食道内のBEの検診に使用するため、医師は一般に最初に、食道が胃とつながる胃食道接合部の直上および近傍の領域を撮像するためにカプセルの走査機能を使用したい。患者の口腔から食道を下り、この領域の画像を生成する走査に適するカプセルの位置までの平均距離は、約39cmである。カプセルの最初の位置を容易にするため、図23に示したように、テザー652は可視指示を備えることができ、赤いマーク840などがカプセル650上約39cmに置かれている。すなわち、医師が、その赤いマークが患者の口唇あたりに配置されるのを観察するとき、平均的な患者では、カプセル650が食道を降りて胃食道接合部のすぐ上の点まで運ばれたことが明らかになる。医師は、その点のカプセルの近傍領域の画像を見ることによって、カプセルのこの位置を確認することができる。カプセルの位置をわずかに調整することができ、必要であれば、追加の別の色付き可視マーク842および844が赤色マーク840の両側に備えられて、医師が微調整の道を外れてしまわない様に補助する。勿論、テザー上に備えられたデータを非接触位置センサによって監視することによって生成される位置信号も、微小調整を行うのに使用できる。胃食道接合部に対する相対的な最初の位置が一旦決まったら、その位置をテザー上の位置データから決まる相対位置の参照位置とすることができる。   For use in screening for BE in the esophagus, physicians generally want to first use the capsule scanning function to image the area directly above and near the gastroesophageal junction where the esophagus connects to the stomach. The average distance from the patient's mouth down the esophagus to the position of the capsule suitable for scanning to generate an image of this region is about 39 cm. To facilitate the initial position of the capsule, as shown in FIG. 23, the tether 652 can be provided with a visual indication, such as a red mark 840, about 39 cm above the capsule 650. That is, when the doctor observes that the red mark is placed around the patient's lip, in the average patient, the capsule 650 has been taken down the esophagus to a point just above the gastroesophageal junction. Becomes clear. The doctor can confirm this position of the capsule by viewing an image of the area near the capsule at that point. The position of the capsule can be adjusted slightly, and if necessary, additional separate colored visible marks 842 and 844 are provided on either side of the red mark 840 to prevent the physician from going out of the way of fine tuning. To assist. Of course, the position signal generated by monitoring the data provided on the tether with a non-contact position sensor can also be used to make fine adjustments. Once the initial position relative to the gastroesophageal junction is determined, the position can be used as a reference position for the relative position determined from position data on the tether.

図24〜26は、3つの異なる例示的実施形態を説明しており、それらは、流体パルス(一般に空気パルス)をテザーまたはカプセルの遠位端近傍の位置へ供給するための、わずかに異なる3つの方法を説明している。空気などの流体パルスを使用して、カプセルを食道(または他の体腔)の中でもっと容易に移動させるとき、および、特に食道と胃の間のLESを通ってカプセルを移動させるときに、補助することができる。食道内およびLESを通るカプセルの自由な移動を促進するために、空気パルスが、空圧源(および、空気パルスを供給する弁)からチューブ856を介してテザー850内の管腔を降りて供給される。管腔はカプセルを通って、カプセル858の筐体に形成されたオリフィス854で体腔へ開口する。このボーラスすなわち空気パルスは、このように選択的に食道(または他の体腔)の内部へ、カプセル近傍の点で供給され、食道壁を拡張させ、胃上部のLESを自発的に開口させる。   24-26 illustrate three different exemplary embodiments, which are slightly different 3 for delivering a fluid pulse (generally an air pulse) to a location near the distal end of the tether or capsule. Explains one method. Using fluid pulses such as air to assist in moving the capsule more easily in the esophagus (or other body cavity) and especially when moving the capsule through the LES between the esophagus and stomach can do. In order to facilitate the free movement of the capsule through the esophagus and through the LES, an air pulse is delivered down the lumen in the tether 850 via a tube 856 from a pneumatic source (and a valve supplying the air pulse). Is done. The lumen passes through the capsule and opens into the body cavity at an orifice 854 formed in the capsule 858 housing. This bolus or air pulse is thus selectively delivered into the esophagus (or other body cavity) at a point near the capsule, dilating the esophageal wall and spontaneously opening the upper LES.

図25に示した空気パルスを供給するための他の例示的実施形態は肩車チューブを含み、このチューブは、テザー860の外部表面に沿って取り付けられ、テザーの遠位端近傍に配置された遠位ポート864を有しているため、空気パルスはカプセル866近傍の食道内部へ解放される。図24および25に示した例示的実施形態は共に、有向の空気パルスを提供し、これを使って、非軸対称の作用およびその空気圧に対する反作用を強制することができる。結果生じるカプセルの動きおよび組織の反作用を制御して、管腔壁に対してカプセルを操作し位置決めすることができる。これに対して図26は、テザー870を大きめのチューブ872用のガイドワイヤとして使用し、流体パルスから軸対称の圧力をかける例示的実施形態を説明している。チューブ872は、その近位端に配置されて、空圧源および弁(どちらも図示せず)からの加圧空気パルスを受けるための環状開口876と、その遠位端に配置されて、テザーの遠位端近傍かつカプセル866近傍にある他の環状開口874とを有するため、空気パルスは、LESの開口、および/またはカプセルが配置される食道または他の体腔の内部壁の自発的な外側への拡張を引き起こす。空気パルスを供給する他の技術または他の種類の流体も、この目的のために使用可能である。   Another exemplary embodiment for delivering an air pulse as shown in FIG. 25 includes a shoulder wheel tube that is mounted along the outer surface of the tether 860 and is located near the distal end of the tether. Due to the positioning port 864, the air pulse is released into the esophagus near the capsule 866. Both the exemplary embodiments shown in FIGS. 24 and 25 provide directed air pulses that can be used to force non-axisymmetric effects and their reaction to air pressure. The resulting capsule movement and tissue reaction can be controlled to manipulate and position the capsule relative to the lumen wall. In contrast, FIG. 26 illustrates an exemplary embodiment in which the tether 870 is used as a guide wire for a larger tube 872 and applies axisymmetric pressure from a fluid pulse. A tube 872 is disposed at its proximal end and is disposed at its distal end with an annular opening 876 for receiving a pressurized air pulse from a pneumatic source and a valve (both not shown). Air pulse with other annular openings 874 near the distal end of the capsule and near the capsule 866, so that the air pulse is spontaneously outside the inner wall of the esophagus or other body cavity where the capsule is placed Cause expansion to. Other techniques for supplying air pulses or other types of fluids can also be used for this purpose.

本明細書に開示された概念を、それらを実施する好ましい形態およびそれらの変更形態に関連付けて説明してきたが、当業者には、それに対する多くの他の変更形態が、以下の特許請求の範囲内で可能であることが理解されよう。したがって、これら概念の範囲は、上記説明によって何ら限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲を参照することによって完全に決定されるものである。   While the concepts disclosed herein have been described in connection with preferred embodiments for implementing them and variations thereof, those skilled in the art will recognize that many other variations thereon are within the scope of the following claims. It will be understood that this is possible within. Therefore, the scope of these concepts is not limited in any way by the above description, and is completely determined by referring to the claims below.

Claims (1)

体腔内の走査カプセルの相対位置を監視するための方法であって、前記走査カプセルは、体腔の外部に延びかつ体腔の内部表面の画像を生成するのに便利な前記走査カプセル内に生成された走査信号を搬送するテザーに結合される、方法において、
(a)前記テザーの少なくとも一部の軸方向長さに沿ってコード化された標識データを設けるステップであって、前記コード化された標識データは、前記テザーの前記軸方向長さに沿った位置のアナログデータ指示またはデジタルデータ指示のどちらかを提供する、ステップと、
(b)前記テザーに物理的に接触することを必要とせずに、前記コード化された標識データに応答するセンサを用いて、前記コード化された標識データを自動的に感知し、前記テザーの位置すなわち前記体腔内の前記走査カプセルの配置を示す位置信号を生成するステップと
を備えることを特徴とする方法。
A method for monitoring the relative position of a scanning capsule within a body cavity, wherein the scanning capsule extends outside the body cavity and is generated within the scanning capsule that is convenient for generating an image of the interior surface of the body cavity. In a method coupled to a tether carrying a scanning signal,
(A) providing sign data encoded along an axial length of at least a portion of the tether, wherein the encoded sign data is along the axial length of the tether; Providing either an analog data indication of the position or a digital data indication; and
(B) automatically sensing the encoded tag data using a sensor responsive to the encoded tag data without requiring physical contact with the tether; Generating a position signal indicative of a position, ie, an arrangement of the scanning capsule within the body cavity.
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