JP2021526438A - カプセル内視鏡制御設備 - Google Patents

Abstract

本発明は、バランスアーム装置（１１０）、永久磁石（１３０,２３０）、及び検査ベッド（１５０,２５０）を備えるカプセル内視鏡制御設備（１００,２００）であって、バランスアーム装置（１１０）は、底部が固定され、可動端がブーム（１１１，２１１）を有し、永久磁石（１３０,２３０）はブーム（１１１，２１１）の下方に設けられ、検査ベッド（１５０,２５０）は永久磁石（１３０,２３０）の下方に設けられ、検査ベッド（１５０,２５０）と永久磁石（１３０,２３０）との間の領域は検出対象領域であるカプセル内視鏡制御設備（１００,２００）を提供する。【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）

本発明は、２０１８年６月２日付で出願された米国特許仮出願第６２／６７９，７９０号に基づく優先権を主張する。当該優先権の基礎とされた米国特許仮出願は、その全文が本願に組み込まれる。

本発明は、医療機器の分野に関し、特にカプセル内視鏡制御設備に関する。

カプセル内視鏡は、痛みのない非侵襲的なモニタリングや診断ができるという利点があり、さまざまな病症の臨床的診断に用いられている。カプセル内視鏡は通常に小磁石を含み、検査対象により飲み込まれると、人体の消化管に入り、該小磁石が外部磁気誘導により制御され、カプセル内視鏡の消化管内での位置や姿態が効果的に制御され、これにより、消化管内の検査領域の状況が正確に判定され得る。

従来のカプセル内視鏡制御設備は、フレーム、回動装置、移動アーム、永久磁石、及び駆動装置を備える。回動装置はフレームに設けられ、移動アームは回動装置に固定され、移動アームの末端には永久磁石が設けられる。カプセル内視鏡が検査対象により飲み込まれると、カプセル内視鏡は永久磁石で制御される。駆動装置は回動装置、移動アームに電気的に接続され、外部移動制御指令を受信して、回動装置、移動アーム及び永久磁石の移動を制御し、永久磁石の磁力でカプセル内視鏡の人体内での位置や姿態を制御する。検査対象が簡便に検査を受けることができるように、回動装置及び移動アームの下方には、検査対象を載置するための、押し動かすことが可能な検査ベッドが設けられる。該カプセル内視鏡制御設備は、電気制御方式を用いて、駆動装置によって回動装置及び移動アームの動きを制御する。移動アームが回動装置に固定されているので、回動装置が回転すると、移動アームも回動させられ、また移動アームの姿態を調整することで、永久磁石の位置や姿態を変化させ、永久磁石が検出領域のすべての位置に到達できることが確保される。

通常、検査対象により消化管に飲み込まれたカプセル内視鏡を効果的に制御することを確保するために、該移動アームの下方に吊られた永久磁石には、一定の体積及び重量、たとえば３０〜５０キロが必要とされる。この場合、移動アームが常に重い永久磁石を負荷する。しかしながら、精密機械としての移動アームは、荷重制限があるとともに高価であり、重い永久磁石を長期間負荷すると、変形したり壊れたりして、検出精度に悪影響を及ぼしてしまう。

さらに、上記発明では、該カプセル内視鏡制御設備において、カプセルへの制御には、「人−制御端末装置−コンピュータ−サーバ−モータ−永久磁石」という一連の伝達が必要とされ、その結果、システム全体の構造が複雑になり、操作されにくくなる。また、該移動アームは、回動装置の所定の位置での回転につれて回動することによって、永久磁石を駆動して所定の円形領域内で回転させることしかできないため、検出領域が制限される。

このため、構造を簡素化させ、簡単に操作でき、コストが低く、効率が高いカプセル内視鏡制御設備を提供することが期待される。

以上に鑑み、本発明は、バランスアーム装置、永久磁石、２自由度回転プラットフォーム及び検査ベッドを備えるカプセル内視鏡制御設備であって、前記バランスアーム装置は、底部が固定され、可動端がブームを有し、前記２自由度回転プラットフォームは、前記ブームの下方に設けられ、前記永久磁石は、前記２自由度回転プラットフォーム内に設けられ、該検査ベッドは前記２自由度回転プラットフォームの下方に設けられ、前記検査ベッドと前記２自由度回転プラットフォームとの間の領域は、検出対象領域である、カプセル内視鏡制御設備を提供する。

また、本発明は、バランスアーム装置、永久磁石、及び検査ベッドを備えるカプセル内視鏡制御設備であって、前記バランスアーム装置は底部が固定され、可動端がブームを有し、前記永久磁石は、前記ブームの下方に設けられ、前記検査ベッドは前記永久磁石の下方に設けられ、前記検査ベッドと前記永久磁石との間の領域は、検出対象領域である、カプセル内視鏡制御設備を提供する。

本発明の一実施例によれば、前記バランスアーム装置は、空気圧バランスアーム又はスプリング式バランスアームである。

本発明の別の一実施例によれば、前記２自由度回転プラットフォームは、完全手動型回転プラットフォーム又は電気制御型回転プラットフォームである。

本発明の別の一実施例によれば、カプセル内視鏡制御設備において、前記バランスアーム装置と前記２自由度回転プラットフォームを併用することによって、５自由度の運動範囲を提供し、そして、永久磁石を制御することによって、カプセル内視鏡を自由に制御することを実現しうる。

は、本発明第１の実施例のカプセル内視鏡制御設備の構造模式図である。

は、図１に示される空気圧バランスアームの構造模式図である。

は、図１に示される２自由度回転プラットフォームの構造模式図である。

は、本発明第２の実施例のカプセル内視鏡制御設備の構造模式図である。

は、図４に示される２自由度回転プラットフォームの構造模式図である。

は、永久磁石が空気圧バランスアームにより制御されて移動する場合の、被検者の上方の空間移動領域の模式図である。

は、被検者の一側から観察された、空気圧バランスアーム及び２自由度回転プラットフォームの作用による永久磁石の有効到達領域図である。

は、被検者の身体の上方から観察された、永久磁石の有効到達領域の模式図である。

は、上面視における永久磁石の有効到達領域の模式図である。

は、永久磁石の変位に基づく２自由度回転プラットフォームの補償角度の算出法の模式図である。

、 は、カプセル内視鏡が胃壁の上部にある場合、永久磁石の回転及び移動により制御されたカプセル内視鏡の移動の模式図である。

、 は、カプセル内視鏡が胃壁の下部にある場合、永久磁石の回転及び移動により制御されたカプセル内視鏡の移動の模式図である。

は、スプリング式バランスアーム装置の構造模式図である。

は、別の実施例のスプリング式バランスアーム装置の構造模式図である。

は、別の実施例のスプリング式バランスアーム装置の構造模式図である。

は、第１のモータ、第２のモータの接続構造図である。

は、通常のスプリング、ガススプリング又はコイルスプリングが変形して生じた力の方向の模式図である。

は、本発明の一実施例のカプセル内視鏡制御設備の構造模式図である。

は、永久磁石とブームの接続の一例の模式図である。

は、永久磁石とブームの接続の一例の模式図である。

説明を簡潔かつ明確にするため、異なる図面における対応するまたは同一の要素には同一の符号を付していることが理解される。また、ここで説明する実施形態について全面的な理解を容易にするために、多くの具体的な細部が記載されている。しかしながら、ここで開示された実施形態は、これらの具体的な細部を有さなくても実施可能であることは、当業者にとって理解されることである。他の実施例において、方法、手順及び構成要素について詳細に説明していないのは、説明対象とする主な特徴を強調するためである。図面は、必ずしも各部材の間の比例を厳密に示すものではなく、細部と特徴をより明確に示すように、ある部分の比例を放大する場合がある。なお、以下の説明は、本明細書に記載の実施形態の範囲を限定するものではないと認識されるべきである。

図１は、本発明第１の実施例のカプセル内視鏡制御設備の構造模式図である。図示するように、カプセル内視鏡制御設備１００は、バランスアーム装置１１０、永久磁石１３０、２自由度回転プラットフォーム１４０、検査ベッド１５０及び磁気センサアレイ１６０を備える。バランスアーム装置１１０は、底部が固定され、可動端がブーム１１１を有し、２自由度回転プラットフォーム１４０はブーム１１１の下方に設けられ、永久磁石１３０は２自由度回転プラットフォーム１４０内に設けられる。検査ベッド１５０は、被検者が横になって検査を受けることができるように、２自由度回転プラットフォーム１４０の下方に設けられる。検査ベッド１５０と２自由度回転プラットフォーム１４０との間の領域が検出対象領域である。前記磁気センサアレイ１６０は、複数の磁気センサを備え、該複数の磁場センサによって三次元位置と二次元方向とを含む永久磁石１３０の空間的位置を検出する。検出時に、小磁石を有するカプセル内視鏡が被検者の消化管に入り、永久磁石１３０がバランスアーム装置１１０の作動によって該カプセル内視鏡の小磁石に作用し、該カプセル内視鏡を消化管内で移動させる。

一実施例では、図２０に示すように、カプセル内視鏡制御設備１００は、２自由度回転プラットフォーム１４０を備えなくてもよい。つまり、カプセル内視鏡制御設備１００は、バランスアーム装置１１０、永久磁石１３０及び検査ベッド１５０を備え、バランスアーム装置１１０は、底部が固定され、可動端がブーム１１１を有し、永久磁石１３０は、該ブーム１１１の下方に設けられ、検査ベッド１５０は永久磁石１３０の下方に設けられ、検査ベッド１５０と永久磁石１３０との間の領域は、検出対象領域である。永久磁石１３０は１つ以上の自由度で回転できる。一実施例では、前記永久磁石１３０はボルトを通じてブーム１１１（図２１）に固定されるか、又は球状ヒンジを通じてブーム１１１（図２２）に固定される。永久磁石１３０は手動で制御される。

前記磁気センサアレイ１６０は、磁気双極子モデルに従って前記複数の磁場センサを用いて永久磁石１３０の空間的位置を検出し、非線形最小二乗アルゴリズムにより解を求め、永久磁石１３０の三次元位置と二次元方向とを取得する。

例えば、永久磁石１３０の中心位置が（ａ，ｂ，ｃ）で示され、磁化方向が（ｍ，ｎ，ｐ）で示されると、磁気双極子モデルに従って、位置（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）での磁場センサが検知する磁場強度Ｂｌｘ、Ｂｌｙ、Ｂｌｚは以下のように示される。

（式中、ＢＴは、永久磁石１３０の体積及び磁化強度に関連する定数であり、Ｒｌは磁気センサの位置と永久磁石１３０の位置とのユークリッド距離である。）

磁気センサアレイ１６０が複数の磁場センサからなる場合、各磁場センサの位置（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）及び磁場センサの測定値Ｂｌｘ、Ｂｌｙ、Ｂｌｚが既知であり、永久磁石１３０の位置（ａ，ｂ，ｃ）及び方向ベクトル（ｍ，ｎ，ｐ）が未知数であれば、複数の等式を作成して方程式グループとし、等式から目的誤差関数を構築し、非線形最小二乗最適化法により永久磁石１３０の位置及び方向を求めることができる。

本実施例では、操作者が永久磁石１３０の回転角度を簡単に判断できるように、永久磁石１３０は２自由度回転プラットフォーム１４０内で二次元的に自転し、このとき、２自由度回転プラットフォーム１４０の初期化された方向が一定に維持されなければならない。バランスアーム装置１１０は、空間的位置を調整する際に２自由度回転プラットフォーム１４０の偏向を引き起こし、該偏向角度が永久磁石１３０の回転角度に加える。カプセル内視鏡に対する永久磁石１３０の制御精度を高めるために、２自由度回転プラットフォーム１４０の偏向角度を補償する必要がある。

本実施例では、磁気センサアレイ１６０は、永久磁石１３０の位置及び方向を検出し、永久磁石１３０の変位に基づいて２自由度回転プラットフォーム１４０の補償角度を計算する。図１０に示すように、バランスアーム装置１１０、永久磁石１３０及び２自由度回転プラットフォーム１４０が位置Ａから位置Ｂに移動し、永久磁石１３０のｘ、ｙ方向の変位がそれぞれ△ｘ、△ｙであると、補償角度αの計算式はｔａｎα＝△ｙ／△ｘである。

本実施例では、２自由度回転プラットフォーム１４０及び永久磁石１３０は、バランスアーム装置１１０の末端に位置する。２自由度回転プラットフォーム１４０を水平移動する場合、永久磁石１３０は測地座標系に対して偏向し、測地座標系に対する永久磁石１３０の偏向を解消するために、永久磁石１３０の水平偏向角度を補償する。磁気センサアレイ１６０により永久磁石１３０のある水平移動方向が検知されると、水平である場合の磁性体のＮＳ極の向きが水平移動方向と一致し、この場合、永久磁石１３０が、元の水平角度から、検知された移動方向の角度に回転し、次に、移動過程中に測地座標系に対する永久磁石１３０の偏向を補償する。永久磁石１３０の補償偏向角度は、負の２自由度回転プラットフォーム１４０の偏向角度である。

カプセル内視鏡が胃の下壁にある場合、永久磁石１３０におけるその回転中心より胃の下壁から離れる点の回転の接線方向は、永久磁石１３０の移動方向と反対であり、カプセル内視鏡が胃の上壁にある場合、永久磁石１３０におけるその回転中心より胃の上壁から離れる点の回転の接線方向は、永久磁石１３０の移動方向と一致する。永久磁石１３０の回転と移動の速度は、条件式：ｖ＝ω×Ｌ（式中、ｖは永久磁石１３０の平均移動速度であり、ωは永久磁石１３０の平均回転角速度であり、Ｌはカプセル内視鏡の長さである。）を満たす。

図１１及び図１２は、カプセル内視鏡が胃壁の上部にある場合、永久磁石１３０の回転及び移動により制御されたカプセル内視鏡の移動の模式図である。図１１に示すように、永久磁石１３０が右に移動し、右に回転する（時計回り）場合、カプセル内視鏡が右に移動し、左に回転する（反時計回り）。図１２に示すように、永久磁石１３０が左に移動し、左に回転する（反時計回り）場合、カプセル内視鏡が左に移動し、右に回転する（時計回り）。つまり、カプセル内視鏡の移動方向は、永久磁石１３０の移動方向と一致し、且つカプセル内視鏡の回転方向は、永久磁石１３０の回転方向と反対である。

図１３及び図１４は、カプセル内視鏡が胃壁の下部にある場合、永久磁石１３０の回転及び移動により制御されたカプセル内視鏡の移動の模式図である。図１３に示すように、永久磁石１３０が左に移動し、右に回転する場合、カプセル内視鏡が左に移動し、左に回転する。図１４に示すように、永久磁石１３０が右に移動し、左に回転する（反時計回り）場合、カプセル内視鏡が左に移動し、右に回転する（時計回り）。つまり、カプセル内視鏡の回転方向は、永久磁石１３０の回転方向と反対である。

本発明では、カプセル内視鏡制御設備１００を使用する際に、バランスアーム装置１１０が永久磁石１３０及び２自由度回転プラットフォーム１４０の重量をバランスするため、２自由度回転プラットフォーム１４０及び永久磁石１３０は、重力方向に移動するときにバランスアーム装置１１０の回転軸における機械摩擦力だけに抵抗し、水平方向に移動するときにも回転軸における摩擦力だけに抵抗することができる。回転軸における摩擦力が重力よりもはるかに小さいため、２自由度回転プラットフォーム１４０及び永久磁石１３０が手軽に操作でき、操作者により永久磁石１３０の三次元座標に関する位置を決め、２自由度回転プラットフォーム１４０により永久磁石１３０の回転角度に関する位置を決めることによって、永久磁石１３０によりカプセル内視鏡の位置や姿勢を制御することができる。カプセル内視鏡制御設備１００の占めるスペースが大幅に減少し、横になったり座ったり立ったりするなど、検査者の姿勢に対する制限がなくなり、またコストがさらに低減することを実現しうる。

前記バランスアーム装置１１０は、図２に示すように、バランスシリンダ１１５を用いてブーム１１１の負荷をバランスする空気圧バランスアーム１１０であってもよく、図１５に示すように、通常のスプリング又はガススプリングを用いてブーム１１１の負荷をバランスするスプリング式バランスアーム３１０であってもよい。

図２は、図１に示される空気圧バランスアーム１１０の構造模式図である。該空気圧バランスアーム１１０は、支持のための立柱１１２と底板１１９を備える。立柱１１２の頂端には、該立柱１１２と一定の角度をなす上部バランスアーム１１３及び下部バランスアーム１１４が設けられる。該上部バランスアーム１１３と該下部バランスアーム１１４は互いに平行である。バランスシリンダ１１５は立柱１１２の一方側に設けられ、ピンを通じて該立柱１１２に固定され、且つ上部バランスアーム１１３及び下部バランスアーム１１４の下方に設けられる。バランスシリンダ１１５の気管ピストンは、ピンを通じて上部バランスアーム１１３、下部バランスアーム１１４に接続され、上部バランスアーム１１３及び該下部バランスアーム１１４に上向き又は下向きの動力を提供する。上部バランスアーム１１３及び下部バランスアーム１１４は、バランスシリンダ１１５の気管ピストンの伸縮により牽引されて、垂直方向に上下移動可能である。つまり、バランスシリンダ１１５の気管ピストンが収縮すると、上部バランスアーム１１３及び該下部バランスアーム１１４が上向きに動き、バランスシリンダ１１５の気管ピストンが伸長すると、上部バランスアーム１１３及び下部バランスアーム１１４が下向きに動く。この場合、前記磁気センサアレイ１６０は立柱１１２に取り付けられる。

立柱１１２の一方側には制御盤１１６がさらに設けられる。制御盤１１６は回路を通じてバランスシリンダ１１５に接続され、バランスシリンダ１１５のピストンの上下移動を制御する。バランスシリンダ１１５のピストンは、制御盤１１６の制御によって上下移動し得、上部バランスアーム１１３及び下部バランスアーム１１４を垂直方向に上下移動させる。

該上部バランスアーム１１３、下部バランスアーム１１４の他端は、後末端アーム１１８及び前末端アーム１１７に接続され、後末端アーム１１８は、前末端アーム１１７と上部バランスアーム１１３、下部バランスアーム１１４との間に位置する。後末端アーム１１８と上部バランスアーム１１３及び該下部バランスアーム１１４とは枢軸を通じて互いに接続され、後末端アーム１１８は枢軸を中心に３６０度水平回転することが可能である。前末端アーム１１７と後末端アーム１１８も枢軸を通じて互いに接続され、前末端アーム１１７は枢軸を中心に３６０度水平回転することが可能である。具体的には、後末端アーム１１８又は前末端アーム１１７は、手動又はメカニカルアームにより駆動されて枢軸を中心に３６０度水平回転することができる。前記ブーム１１１は前末端アーム１１７の他端に垂直に接続される。本発明では、該上部バランスアーム１１３、下部バランスアーム１１４、後末端アーム１１８及び前末端アーム１１７は、いずれも剛性アームである。本発明の一実施例では、後末端アーム１１８と前末端アーム１１７の長さが同じである。本発明の別の一実施例では、後末端アーム１１８と前末端アーム１１７の長さが異なる。

このように、該空気圧バランスアーム１１０の剛性アームは、ブーム１１１の末端に固定された永久磁石１３０を常に負荷し、重力に抵抗して該永久磁石１３０を上下、左右の隅々まで全方位的に移動させ、そして重力平衡を達成することができる。

前記底板１１９は図２に示される固定底板であってもよいし、底部にホイールが付いた可動底板（未図示）であってもよい。可動底板の場合、前記ホイールが動いたりロックされたりすることができ、且つ可動底板には、カプセル内視鏡制御設備１００の重量をバランスするためにバランスウェイトが配置されてもよく、これによって、永久磁石１３０の過大の重量により可動底板が固定できないことを防ぐ。

図３は、図１に示される２自由度回転プラットフォーム１４０の構造模式図である。２自由度回転プラットフォーム１４０は、上部エンクロージャー１４１を備える完全手動型回転プラットフォームである。該上部エンクロージャー１４１は、中心軸に対して対称的であり、水平部と水平部に垂直な２つの垂直部とを有する。一つの軸受け１４３は、該中心軸に貫通されて該水平部に設けられ、水平方向における３６０度の回転を提供する。前記垂直部のそれぞれには別の軸受け１４４が設けられる。水平棒１４５は、該別の軸受け１４４を貫通し、水平棒１４５の両端のそれぞれにはハンドル１４２が設けられる。永久磁石１３０が該水平棒１４５に貫通されている。２自由度回転プラットフォーム１４０は完全手動型であり、軸受けが存在するため、ハンドル１４２を垂直に回すと、永久磁石１３０を垂直に回転させることができ、常に垂直角度位置を保持でき、この２つのハンドル１４２を水平に回すと、永久磁石１３０を水平に回転させ、常に角度位置を保持することができる。使用時に、移動位置が手動で調整される。２自由度回転プラットフォーム１４０が完全手動型回転プラットフォームである場合、２自由度回転プラットフォーム１４０の補償角度αは操作者により操作中に手動で補償される。

図４は、本発明第２の実施例のカプセル内視鏡制御設備の構造模式図である。図示するように、カプセル内視鏡制御設備２００は、空気圧バランスアーム２１０、永久磁石２３０、２自由度回転プラットフォーム２４０及び検査ベッド２５０を備える。空気圧バランスアーム２１０は、底部が固定され、可動端がブーム２１１を有する。２自由度回転プラットフォーム２４０は、ブーム２１１の下方に設けられ、永久磁石２３０は２自由度回転プラットフォーム２４０内に設けられる。被検者が横になって検査を受けることができるように、検査ベッド２５０は２自由度回転プラットフォーム２４０の下方に設けられる。検出時に、小磁石を有するカプセル内視鏡が被検者の消化管に入り、永久磁石２３０が空気圧バランスアーム２１０の作動により、カプセル内視鏡の小磁石に作用し、カプセル内視鏡を消化管内で移動させる。図４に示されていないが、カプセル内視鏡制御設備２００は、磁気センサアレイ１６０をさらに備えてもよい。

図５は、図４に示される２自由度回転プラットフォーム２４０の構造模式図である。回転プラットフォーム２４０は、電気制御型回転プラットフォームであり、互いに連結されている第１のエンクロージャー２４１と第２のエンクロージャー２４２を備える。第１のエンクロージャー２４１内には、縦軸を中心とする３６０度の回転を提供する第１のモータ２４３が設けられ、第２のエンクロージャー２４２内には、水平軸を中心とする３６０度の回転を提供する第２のモータ２４４が設けられる。具体的な接続構造は、図１８に示されるように、第１のモータ２４３は、ハーモニックドライブ減速機１８４５、カップリング１８４６を介して主軸１８４７の一端に接続され、主軸１８４７の他端は第２のエンクロージャー２４２に接続され、この接続構造によって、第１のモータ２４３は、第２のエンクロージャー２４２を縦軸を中心に３６０度回転させる。第２のモータ２４４はハーモニックドライブ減速機１８４５、同期プーリ及びタイミングベルト２４９を通じて永久磁石２３０に接続され、第２のモータ２４４は永久磁石２３０を水平軸を中心に３６０度回転させる。ここで、同期プーリは主同期プーリ２４８ａ及び副同期プーリ２４８ｂを含む。また、該第１のエンクロージャー２４１の一方側には、水平回転ボタン２４６と垂直回転ボタン２４７を有する制御ハンドル２４５が設けられる。回転プラットフォーム２４０における制御ハンドル２４５により永久磁石２３０を制御してその空間的位置を調整することができ、具体的に、制御ハンドル２４５の水平回転ボタン２４６及び垂直回転ボタン２４７では、それぞれ永久磁石２３０の水平回転及び垂直回転を制御し、これによって、２自由度で回転して位置決めすることが実現できる。該電気制御型回転プラットフォームによって、作業負荷をさらに低下することができる。また、空気圧バランスアーム２１０は、ブーム２１１に接続された永久磁石２３０を三次元空間において移動して位置決めし、これにより、消化管内のカプセル内視鏡を５自由度で移動させる。２自由度回転プラットフォーム２４０が電気制御型回転プラットフォームである場合、２自由度回転プラットフォーム２４０の補償角度αは第１のモータ２４３及び第２のモータ２４４によって自動的に補償される。

図６は、永久磁石２３０が空気圧バランスアーム２１０により制御されて移動する場合の被検者の上方の空間移動領域の模式図である。この場合、永久磁石２３０が検出可能な範囲は、図示するように、被検者の所在する領域２９９の上方の永久磁石の移動範囲２３９が所在する領域である。ここで、被検者の消化管の長さをＬ１、消化管の幅をＷ１、消化管の高さをＨ１とする。該永久磁石の移動範囲２３９は、幅Ｗ２が消化管の幅Ｗ１とほぼ等しく、長さＬ２が消化管の長さＬ１に相当し、高さＨ２が人体の表面から人体内のカプセル内視鏡の磁性体が永久磁石１３０による制御を逸脱しうる位置までの距離を意味する。

図７は、被検者の一側から観察された、本発明の一実施例における空気圧バランスアーム１１０、２１０及び２自由度回転プラットフォーム１４０、２４０の共同作用による、永久磁石の有効到達領域の模式図である。三角形領域は永久磁石が到達不能な領域である。図面から分かるように、空気圧バランスアーム１１０、２１０及び２自由度回転プラットフォーム１４０、２４０の共同作用下では、永久磁石は人体の消化管領域を囲む領域全体に到達することができ、従来技術に比べて、検出可能な領域が明らかに広がり、検出精度の向上及び検出範囲の拡大に有利である。

図８は、別の一実施例では、被検者の身体の上方から観察された、永久磁石の有効到達領域の模式図である。図示するように、長方形領域は被検者の消化管の長さＬ１と幅Ｗ１からなる平面領域である。円形領域及び長方形領域のハッチング領域は永久磁石の有効到達領域である。

図９は、別の一実施例では、上面視における永久磁石の有効到達領域の模式図である。図示するように、中心線を通るものは、空気圧バランスアームの上部バランスアーム、後末端アーム及び前末端アームであり、図面における点線の円は上記各部材がそれぞれ到達し得る領域である。上部バランスアームと後末端アームとは３６０度回転可能な枢軸を通じて互いに接続され、後末端アームと前末端アームとは３６０度回転可能な枢軸を通じて互いに接続されるので、空気圧バランスアームにより駆動される永久磁石の有効到達領域は、最外側の大円形領域となる。図９に示すように、後末端アームの長さをＤ２、前末端アームの長さをＤ１とする場合、本発明の一実施例では、Ｄ１＝Ｄ２であり、即ち、前末端アームと後末端アームの長さが等しい。よって、後末端アームと前末端アームがそれぞれ到達し得る領域は、実質的には軸心に対して対称的であり、人の消化管のすべての領域を覆うことができ、不適切な長さの原因で一部の領域が検出できないことはない。

本発明のカプセル内視鏡制御設備の検出領域が広いため、図６〜図９に示されるように、臨床的に使用するに当たり、人体の体位については検査ベッドに横たわることに制限されず、座ったり立ったりして検査を受けることも可能である。座って検査を受ける場合、操作者は２自由度回転プラットフォームを手動で操作して被検者の消化管の周辺で検出を行うことができ、この場合にも、検出目的を達成できる。

図１５は、スプリング式バランスアーム装置３１０の構造模式図である。スプリング式バランスアーム装置３１０は支持用基台３１２を備え、該基台は、底部が固定されたものであり、図面における壁掛け式であってもよく、又は天井に固定されてもよい（未図示）。該スプリング式バランスアーム装置３１０は、基台の頂端に接続された水平揺動アーム３１３をさらに備える。該水平揺動アーム３１３の他端には、水平揺動アーム３１３と一定の角度をなす上部バランスアーム３１４、下部バランスアーム３１５及びスプリング３１６が設けられる。上部バランスアーム３１４と下部バランスアーム３１５は互いに平行であり、スプリング３１６は変形により上部バランスアーム３１４及び下部バランスアーム３１５に上向き又は下向きの動力を提供する。上部バランスアーム３１４及び下部バランスアーム３１５は、スプリング３１６の作用により上下方向及び水平方向において３６０度移動することが可能である。前記スプリング３１６は、図１６に示すように、通常のスプリング又はガススプリングであってもよい。

該水平揺動アーム３１３と該基台３１２は枢軸を通じて互いに接続され、且つ該水平揺動アーム３１３と上部バランスアーム３１４及び下部バランスアーム３１５も枢軸を通じて互いに接続され、該水平揺動アーム３１３は軸に沿って３６０度で水平回転可能である。該ブーム３１１は、該上部バランスアーム３１４、下部バランスアーム３１５及びスプリング３１６の他端に垂直に接続される。本発明では、該上部バランスアーム３１４、下部バランスアーム３１５及び水平揺動アーム３１３はすべて剛性アームである。

このように、スプリング式バランスアーム装置３１０の剛性アームは、ブーム３１１の末端に固定された永久磁石１３０の重量を常に負荷し、重力に抵抗して該永久磁石１３０を上下、左右の隅々まで全方位的に移動させ、そして重力平衡を達成することができる。

図１７に示すように、本発明は別の一実施形態をさらに開示する。本実施形態では、スプリング式バランスアーム装置３１０は、底部が固定された支持用基台３１２を備える。スプリング式バランスアーム装置３１０は、基台３１２の頂端に接続された水平揺動アーム３１３をさらに備え、水平揺動アーム３１３の他端には、水平揺動アーム３１３と一定の角度をなす上部バランスアーム３１４、下部バランスアーム３１５、上部コイルスプリング３１７、及び下部コイルスプリング３１８が設けられる。上部バランスアーム３１４と下部バランスアーム３１５は互いに平行であり、上部コイルスプリング３１７は水平揺動アーム３１３の一端に設けられ、下部コイルスプリング３１８はブーム３１１の一端に設けられる。この接続構造によって、上部コイルスプリング３１７及び下部コイルスプリング３１８の変形により、上部バランスアーム３１４及び下部バランスアーム３１５に上向き又は下向きの動力を提供することができる。上部バランスアーム３１４及び下部バランスアーム３１５は、上部コイルスプリング３１７及び下部コイルスプリング３１８の作用により上下方向、及び水平方向において３６０度偏向することができる。

本願では、前記通常のスプリング、上部コイルスプリング、下部コイルスプリング又はガススプリングはいずれも荷重の平衡に用いられ、手動の労力又はメカニカルアームのモータ出力への要求を低減させる。図１９に示すように、各スプリングが変形すると、２つの方向の弾性力Ｆ１及びＦ２が生じて、弾性力Ｆ１及びＦ２が上部バランスアーム及び下部バランスアームに作用し、関係式：Ｆ２＝ｓｉｎα×Ｆ１を満たし、その中で、Ｆ２は荷重を平衡するためのものである。

磁気センサアレイ１６０の取り付け位置が基台３１２の取り付け位置により決まる。基台３１２が壁掛け式のものである場合、磁気センサアレイ１６０は基台３１２付近の壁面に取り付けられ、基台３１２が天井に固定される場合、磁気センサアレイ１６０は基台３１２付近の天井に取り付けられる。

従来技術に比べて、まず、本発明では、２自由度回転プラットフォーム１４０、２４０及び永久磁石１３０、２３０の重力が常に空気圧バランスアーム１１０、２１０又はスプリング式バランスアーム３１０で負荷されるため、従来技術における精密メカニカルアームによるコストを大幅に削減することが可能になる（通常、メカニカルアームのコストは百万人民元程度である。）。

次に、本発明では、空気圧バランスアーム１１０、２１０又はスプリング式バランスアーム３１０を利用することによって、永久磁石１３０、２３０を被検者の上方領域で昇降したり前後左右に移動したりさせる課題を解決し、具体的には、ブーム１１１の回転により、その下の永久磁石１３０、２３０が駆動されて被検者の消化管領域の前後左右及び上方の領域全体の隅々まで全方位的且つ正確に位置決めされ、これにより、検出精度が高まる。

さらに、該２自由度回転プラットフォーム１４０、２４０が該永久磁石１３０、２３０を駆動して水平及び垂直方向に回転させることで、水平方向及び垂直方向における２自由度回転・位置決めが実現できる。そして、手動で制御可能であり、構造が簡単であり、簡便に操作でき、作業負荷を低減し、また電磁放射を減少することが実現できる。

また、本発明のカプセル内視鏡制御設備は、２自由度回転プラットフォームを組み合わせることによって、「人−永久磁石」という簡単な伝達を実現し、システムをより簡素化させ、永久磁石が人体によりフィットして作動するようになり、人体の周辺領域で移動することができ、これによって、カプセル内視鏡をより直接且つ効果的に制御できる。

よって、該カプセル内視鏡制御設備は、バランスアーム装置と２自由度回転プラットフォームとを組み合わせることで、５自由度の運動範囲を提供し、永久磁石を制御することで、カプセル内視鏡を自在に制御することを実現する。また、バランスアーム装置と手動型２自由度回転プラットフォームとの組み合わせは、構造が簡単であり、簡便に操作でき、電磁放射がなく、このように、システム全体のコストダウン及び高精度が達成できる。

以上で示されて説明された実施態様は、本発明の実施例に過ぎない。本発明における詳細な構造と機能を含む大量な特徴及び利点が上記内容で説明されたが、当業者によって自明なように、上記内容は、本発明を説明するためだけであり、本発明の細部、特に部材の形状、大きさ及び配置方式の特徴は、本発明の主旨を逸脱せず、特許請求の範囲に記載の用語の広義で通常の意味により決められる全範囲内で変更可能である。

Claims (25)

1. バランスアーム装置、永久磁石、及び検査ベッドを備えるカプセル内視鏡制御設備であって、
   前記バランスアーム装置は、底部が固定され、可動端がブームを有し、
   前記永久磁石は前記ブームの下方に設けられ、
   前記検査ベッドは前記永久磁石の下方に設けられ、
   前記検査ベッドと前記永久磁石との間の領域が検出対象領域であることを特徴とするカプセル内視鏡制御設備。
2. 前記バランスアーム装置は、支持のための立柱と底板を含む空気圧バランスアームであり、
   前記立柱の頂端には、互いに平行である上部バランスアーム及び下部バランスアームが設けられる、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御設備。
3. 前記空気圧バランスアームは、立柱の一方側に位置するバランスシリンダ及び制御盤をさらに備え、
   前記制御盤が前記バランスシリンダに電気的に接続され、
   前記バランスシリンダがピストンを通じて前記上部バランスアーム、下部バランスアームに接続され、
   前記制御盤がバランスシリンダを制御することで、前記上部バランスアーム、下部バランスアームを駆動して垂直方向及び水平方向に移動させる、請求項２に記載のカプセル内視鏡制御設備。
4. 前記上部バランスアーム及び下部バランスアームの他端は、後末端アーム及び前末端アームに接続され、
   前記後末端アームが、前記前末端アームと前記上部バランスアーム、下部バランスアームとの間に位置し、
   前記上部バランスアーム、前記下部バランスアーム、前記後末端アーム及び前記前末端アームは、いずれも剛性アームである、請求項２に記載のカプセル内視鏡制御設備。
5. 前記後末端アームと前記前末端アームとの長さが、同じであるか、又は異なる、請求項４に記載のカプセル内視鏡制御設備。
6. 前記後末端アームは、枢軸を通じて前記上部バランスアーム、前記下部バランスアームに接続され、枢軸を中心に３６０度水平回転することが可能である、請求項４に記載のカプセル内視鏡制御設備。
7. 前記前末端アームと前記後末端アームは、枢軸を通じて互いに接続され、
   前記前末端アームは、枢軸を中心に３６０度水平回転することが可能である、請求項４に記載のカプセル内視鏡制御設備。
8. 前記ブームは、前記前末端アームの他端に位置し、前記前末端アームに垂直に接続される、請求項４に記載のカプセル内視鏡制御設備。
9. 前記ブームの下方に位置する２自由度回転プラットフォームをさらに備え、
   前記永久磁石は前記２自由度回転プラットフォーム内に位置する、請求項４に記載のカプセル内視鏡制御設備。
10. 前記２自由度回転プラットフォームは、上部エンクロージャーを備える完全手動型回転プラットフォームであり、
    前記上部エンクロージャーは、中心軸に対して対称的であり、水平部と水平部に垂直な２つの垂直部とを有し、
    一つの軸受けは、前記中心軸を通り抜けて前記水平部に設けられ、水平方向における３６０度の回転を提供し、
    前記２つの垂直部のそれぞれには別の軸受けが設けられ、
    水平棒が前記別の軸受けを貫通し、
    前記水平棒の両端のそれぞれにはハンドルが設けられ、
    前記永久磁石が前記水平棒に貫通される、請求項９に記載のカプセル内視鏡制御設備。
11. 前記２自由度回転プラットフォームは、互いに接続されている第１のエンクロージャー及び第２のエンクロージャーを備え、
    前記第１のエンクロージャー内には、縦軸を中心とする３６０度の回転を提供する第１のモータが設けられ、
    前記第２のエンクロージャー内には、水平軸を中心とする３６０度の回転を提供する第２のモータが設けられる、請求項１０に記載のカプセル内視鏡制御設備。
12. 前記第１のエンクロージャーの一方側には、水平回転ボタンと垂直回転ボタンを有して、前記永久磁石を水平又は垂直に回転させるように制御するための制御ハンドルが設けられる、請求項１１に記載のカプセル内視鏡制御設備。
13. 複数の磁気センサからなる磁気センサアレイをさらに備え、
    前記磁気センサアレイは、前記複数の磁場センサによって永久磁石の空間的位置を検出し、永久磁石の三次元位置と二次元方向とを取得する、請求項９に記載のカプセル内視鏡制御設備。
14. 前記磁気センサアレイは、永久磁石の変位に基づいて２自由度回転プラットフォームの補償角度を算出する、請求項１３に記載のカプセル内視鏡制御設備。
15. 磁気センサアレイにより永久磁石の水平移動方向が検知された場合、永久磁石は、元の水平角度から、検知された移動方向の角度に回転するため、移動過程中に、前記カプセル内視鏡制御設備は、測地座標系に対する永久磁石の偏向を補償する、請求項１３に記載のカプセル内視鏡制御設備。
16. ２自由度回転プラットフォームを水平移動する場合、永久磁石は測地座標系に対して偏向するため、前記カプセル内視鏡制御設備は、永久磁石の水平偏向角度を補償することによって、測地座標系に対する永久磁石の偏向を解消する、請求項９に記載のカプセル内視鏡制御設備。
17. 前記永久磁石は、カプセル内視鏡の消化管内での移動を制御し、
    カプセル内視鏡が胃の下壁にある場合、永久磁石におけるその回転中心より胃の下壁から離れる点の回転の接線方向は、永久磁石の移動方向と反対であり、
    カプセル内視鏡が胃の上壁にある場合、永久磁石におけるその回転中心より胃の上壁から離れる点の回転の接線方向は、永久磁石の移動方向と一致する、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御設備。
18. 前記永久磁石の回転と移動の速度は、条件式：ｖ＝ω×Ｌ（式中、ｖは永久磁石の平均移動速度であり、ωは永久磁石の平均回転角速度であり、Ｌはカプセル内視鏡の長さである。）を満たす、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御設備。
19. 前記バランスアーム装置は、支持用基台と基台の頂端に接続された水平揺動アームとを含むスプリング式バランスアーム装置であり、
    前記水平揺動アームの他端には、水平揺動アームと一定の角度をなす上部バランスアーム、下部バランスアーム及びスプリングが設けられ、
    前記上部バランスアームと前記下部バランスアームが互いに平行であり、
    前記スプリングは変形により前記上部バランスアーム及び前記下部バランスアームに上向き又は下向きの動力を提供する、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御設備。
20. 前記スプリングは通常のスプリング又はガススプリングである、請求項１９に記載のカプセル内視鏡制御設備。
21. 前記水平揺動アームと前記基台は、枢軸を通じて互いに接続され、
    前記水平揺動アームと前記上部バランスアーム及び前記下部バランスアームとも、枢軸を通じて互いに接続され、
    前記水平揺動アームは、枢軸を中心に３６０度水平回転することが可能である、請求項１９に記載のカプセル内視鏡制御設備。
22. 前記ブームは、前記上部バランスアーム、下部バランスアーム及びスプリングの他端に垂直に接続される、請求項１９に記載のカプセル内視鏡制御設備。
23. 前記上部バランスアーム、下部バランスアーム及び水平揺動アームは、いずれも剛性アームである、請求項１９に記載のカプセル内視鏡制御設備。
24. 前記スプリングは、上部コイルスプリングと下部コイルスプリングを備え、
    前記上部コイルスプリングは、前記水平揺動アームの一端に設けられ、
    前記下部コイルスプリングは、前記ブームの一端に設けられ、
    前記上部コイルスプリング及び下部コイルスプリングは、変形により前記上部バランスアーム及び前記下部バランスアームに上向き又は下向きの動力を提供する、請求項１９に記載のカプセル内視鏡制御設備。
25. 前記永久磁石は１つ以上の自由度で回転する、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御設備。

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