JP4128505B2 - カプセル型内視鏡 - Google Patents

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Description

本発明は生体内を検査する飲み込み型のカプセル型内視鏡に関する。
近年、内視鏡は医療用分野及び工業用分野で広く採用されるようになった。また、最近、内視鏡における挿入部を必要としないで、カプセル形状にしたカプセル型内視鏡を患者が飲み込むことにより、挿入部による挿入の苦痛を軽減できるようにしたものが医療用分野で使用される状況になった（例えば、特許文献１、特許文献２）。
特許文献１の従来例では、略半球状の透明カバーの内部に対物レンズと、これを挟むように対称に設けた発光ダイオードによる照明手段とを内蔵し、発光ダイオードにより照明された被写体は観察範囲となる部分が対物レンズによりイメージセンサ上に結像するようにしている。
また、特許文献２の従来例でも、ほぼ同様の構成となっている。
特開２００１−９１８６０号公報（第１図） ＷＯ ０１／６５９９５ Ａ２（第１図）
これらの従来例では、略半球状の透明カバーとカプセルの中心軸上に対物レンズを配置しているが、対物レンズの視野中心部分と視野周辺部分で透明カバーの曲率半径が等しい場合は、カプセル外径によって透明カバーの曲率半径が決まるため、外径が太くなってしまう不具合があった。
また、これらの従来例では、カプセル内視鏡として必要な観察視野を確保するための条件については、なんら述べられていなかった。
本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、透明カバーとカプセルの中心軸上に対物レンズを配置したカプセル内視鏡において、カプセルサイズを小型化して飲み込み性も向上できるカプセル内視鏡の条件を提供することを目的とする。さらに、カプセル内視鏡に最適な被写界深度を確保する条件を明らかにすることを目的とする。これらの条件は常に併用して使用されるものではなく、どちらか一方の条件を達成するだけでも十分な効果を発揮する。
生体内を照明する照明手段と、該照明手段によって照明された部位を撮像する撮像手段と、該撮像手段前方の対物光学系と、該対物光学系前方の透明カバーと、を密閉カプセルに内蔵したカプセル内視鏡において、
前記透明カバーの少なくとも前記対物光学系の視野中心が入る部分の曲率半径よりも、視野周辺部分の曲率半径を小さくなるように構成したことにより、観察の視野を確保して、カプセルサイズを小さくしている。
または、透明カバーの形状によらず、下記条件を満足することで、カプセル内視鏡に最適な被写界深度を確保している。
(1)
Figure 0004128505
(2)
Figure 0004128505
(3)0.4＜Imax/f
(4) 0＜aO かつ θ/2＝40°からθmax/2の範囲で aP ≦0
ここで
P：下記の式で表現されるペッツバール和
Figure 0004128505
ｆ：対物光学系の合成焦点距離
θmax：対物光学系の最大画角
θ：画角
D：カプセル内視鏡の外径
ΔI：は対物光学系先端から物体面までの距離をD/2とした時の、平面物体観察時における像面湾曲量を表し、近軸像面上での最大画角におけるメリジオナル方向の像面湾曲量と、サジタル方向の像面湾曲量を平均した値
Imax：撮像素子面上での最大像高
I：像高
aO ：軸上におけるR=D/2の仮想球面から被写界深度の近点までの距離。光学系から離れる方向が正
aP ：軸外におけるR=D/2の仮想球面から被写界深度の近点までの距離。光学系から離れる方向が正
本発明によれば、カプセルサイズを小さくできる。また、R＝D/2の仮想球面を物体面とした時に、像面がレンズ側に凹となるような条件を満たすことで、ドーム形状によらずカプセル内視鏡に最適な被写界深度分布を形成し、管空臓器を見落としなく観察することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１及び図２は本発明の第１の実施の形態に係り、図１は第１の実施の形態を備えたカプセル型内視鏡装置等の構成を示し、図２は第１の実施の形態のカプセル型内視鏡の構成を示す。
図１（Ａ）に示すように本発明の第１の実施の形態を備えた内視鏡検査を行うカプセル型内視鏡装置１は、患者２の口部から飲み込まれることにより体腔内管路を通過する際に体腔内管路内壁面を光学的に撮像した画像信号を無線で送信するカプセル型内視鏡３と、このカプセル型内視鏡３で送信された信号を患者２の体外に設けたアンテナユニット４により受け、画像を保存する機能を有する、（患者２の体外に配置される）体外ユニット５とから構成される。
この体外ユニット５には、画像データを保存するために、容量が例えば１ＧＢのコンパクトフラッシュ（Ｒ）サイズのハードディスクが内蔵されている。
そして、体外ユニット５に蓄積された画像データは検査中或いは検査終了後に図１（Ｂ）の表示システム６に接続して、画像を表示することができる。
つまり、図１（Ｂ）に示すようにこの体外ユニット５は、表示システム６を構成するパーソナルコンピュータ（以下、パソコンと略記）７とＵＳＢケーブル８等の通信を行う通信ケーブルで着脱自在に接続される。
そして、パソコン７により体外ユニット５に保存した画像を取り込み、内部のハードディスクに保存したり、表示するため等の処理を行い表示部９により保存した画像を表示できるようにしている。このパソコン７にはデータ入力操作等を行う操作盤としての例えばキーボード１０が接続されている。
ＵＳＢケーブル８としては、ＵＳＢ１．０、ＵＳＢ１．１、ＵＳＢ２のいずれの通信規格でも良い。また、この他にＲＳ−２３２Ｃ、ＩＥＥＥ１３９４の規格のシリラルのデータ通信を行うものでも良いし、シリアルのデータ通信を行うものに限定されるものでなく、パラレルのデータ通信を行うものでも良い。
図１（Ａ）に示すようにカプセル型内視鏡３を飲み込んで内視鏡検査を行う場合には、患者２が着るシールド機能を持つシールドシャツ１１の内側には複数のアンテナ１２が取り付けられたアンテナユニット４が装着され、カプセル型内視鏡３により撮像され、それに内蔵されたアンテナから送信された信号を受け、このアンテナユニット４に接続された体外ユニット５に撮像した画像を保存するようにしている。この体外ユニット５は、例えば患者２のベルトに着脱自在のフックにより取り付けられる。
また、この体外ユニット５は例えば箱形状であり、前面には画像表示を行う表示装置としての例えば液晶モニタ１３と、制御操作を行う操作ボタン１４とが設けてある。また、体外ユニット５の内部には、送受信回路（通信回路）、制御回路、画像データ表示回路、電源を備えている。
図２に示すようにカプセル型内視鏡３は、筒状でその先端側をほぼ半球形状にした透明な前カバー１６と、筒形状でその後端をほぼ半球形状にした後カバー１７との後端及び前端を嵌合させてその内部に水密的な密閉構造のカプセル容器を形成し、その内部に対物光学系１８等を収納している。
前カバー１６に対向する中央位置には、第１レンズ枠２０と第２レンズ枠２１とにそれぞれ第１レンズと第２レンズを取り付けて形成した対物光学系１８が配置され、その結像位置には基板２２の前面に取り付けたＣＭＯＳイメージャ２３が配置されている。
また第１レンズ枠２０に嵌合するようにして固定された基板２には白色ＬＥＤ２５が取り付けられている。
ＣＭＯＳイメージャ２３を取り付けた基板２２は接続部２６で駆動処理回路２７を形成し、電気部品を実装した基板に電気的に接続されている。また、この駆動処理回路２７を形成する基板の背面にはメモリ等を実装し、画像データを記憶する処理を行う記憶回路２８を構成する基板が接続部２９で接続するようにして配置されている。
この記憶回路２８を構成する基板の背面には無線通信を行う無線通信回路３０を構成する基板が接続部３１で接続するようにして配置されている。
さらにこの無線通信回路３０を構成する基板の背面にはボタン型の２つの電池３２が配置されている。
また、駆動処理回路２７を形成する基板に隣接する側部にはアンテナ３３が配置され、無線通信回路３０と接続されている。
また、電池３２は、例えばその負極が無線通信回路３０等のグランドに接続され、無線通信回路３０等の（正の）電源端にはバネ状接点部材３５のリード部の一端と接続されている。
このバネ状接点部材３５は電池３２の背面で接点部３６ａとなり、この接点部３６ａに近接するようにして電池３２の正極に接続された他方の接点部３６ｂが配置され、通常はその間に絶縁性のひも状部材３７が介挿されて、ＯＦＦの状態に設定されている。
この絶縁性のひも状部材３７の一部は後カバー１７に設けた弁部（或いはゴム栓部）３８の小さな切り欠きを通して外部に露出し、この絶縁性のひも状部材３７を引き抜くことにより接点部３６ａ、３６ｂは接触してＯＮとなる。また、弁部３８は閉じて水密を保持する。
前カバー１６におけるその前面となるドーム形状部分の内面及び外面は、その視野範囲（その範囲内の角度をθで示す）の周辺付近までは一定の曲率半径Ｒｉ及びＲｏに設定されている。本実施の形態では、例えばＲｉ＝６．０ｍｍ及びＲｏ＝６．５ｍｍに設定されている。
また、曲率半径Ｒｉ及びＲｏの中心位置が対物光学系１８の入射瞳４０の位置となるように設定されている。なお、本実施の形態では前カバー１６の肉厚は均一にしている。
また、視野範囲の周辺付近では、例えば外面の曲率半径Ｒｐを曲率半径Ｒｉ及びＲｏより小さい値（具体的にはＲｐ＝４．０ｍｍ）に設定してその外径部分側と滑らかに繋ぐようにしている。なお、本実施の形態ではこのカプセル型内視鏡３の外径Ｄを１１ｍｍに設定している。
また、第１のレンズ枠２０の円錐形状の前面はその表面を粗面４１等にすることにより反射防止する機能を持たせている。
また、本実施の形態では、視野範囲の角度θは例えば９０°〜１１０°程度に設定されている。
このように本実施の形態のカプセル型内視鏡３においては、図２に示すようにその前カバー１６の前面側を略半球面形状にしているが、その場合対物光学系１８の視野範囲の中心側の曲率半径（具体的には内面の曲率半径Ｒｉ、外面の曲率半径Ｒｏ）よりも、周辺側の曲率半径（具体的には外面の曲率半径Ｒｐ）を小さくしていることが特徴となっている。
このような構成にすることにより、周辺側の曲率半径を中心側の曲率半径と同じにした場合よりも、カプセル型内視鏡３を小型化できる。
次に本実施の形態の作用を説明する。
図２において、周辺側も中心側と同じ曲率半径にすると、外径が太くなって大型化してまい、飲み込みにくくなったり、挿入（移動）性が低下する欠点が生じるが、本実施の形態の構造にすることにより、小さなサイズにして飲み込み性を向上できると共に、円滑な移動性等も確保できる。
具体的に説明すると、図２の場合には外径Ｄ（＝１１ｍｍ）を、前カバー１６の視野中心付近での外径の曲率半径Ｒｏ（＝６．５ｍｍ）の２倍よりも小さくできる（これに対して、周辺側も中心側と同じ曲率半径にすると、外径Ｄは１３ｍｍになって、本実施の形態よりも太くなってしまう）。
また、周辺側に対して中央側の曲率半径を大きくすること（その極端な場合として、図３に示すように曲率半径を無限大にした平面の場合がより分かり易い）により、中央部分の突出量を抑えることができ、全長を短くして飲み込み性を向上できる。
従って、本実施の形態はカプセル内視鏡の外径や全長を小さくでき、飲み込み易くする効果を有する。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態を図３を参照して説明する。図３は本発明の第２の実施の形態のカプセル型内視鏡５１を示す。
このカプセル型内視鏡５１は、筒状でその後端を丸くして閉塞した外装カバー５２の前端に略半球形状の透明カバー５３を嵌合させて接着等して、その内部を水密構造にし、対物光学系５４等を収納している。
透明カバー５３に対向する中央位置には、第１レンズ枠５５と第２レンズ枠５６とにそれぞれ第１レンズと第２レンズを取り付けて形成した対物光学系５４が配置され、その結像位置には基板５７の前面に設けた凹部の平面部にＣＭＯＳイメージャ５８が実装配置されている。
また、第１レンズ枠５５に嵌合する第２レンズ枠５６の筒部に（嵌合して接着剤等で）固定された基板６０には、白色光を出射する白色ＬＥＤ６１が複数取り付けられている。
また、ＣＭＯＳイメージャ５８を取り付けた基板５７の背面に駆動処理＆記憶回路６２を形成する基板が配置され、さらにその背面には無線通信回路６３を構成する基板が配置されている。この基板の両面にはチップ部品６４等が実装されている。
この無線通信回路６３を構成する基板の背面側にはボタン型の２つの電池３２が配置されている。
また、駆動処理回路６２を形成する基板に隣接する側部にアンテナ６５が配置され、無線通信回路６３と接続されている。
また、電池３２は、図２で説明した場合と同様にバネ状接点部材３５と接続され、絶縁性のひも状部材３７が介挿されて、ＯＦＦの状態に設定され、この絶縁性のひも状部材３７を引き抜くことにより接点部３６ａ、３６ｂは接触してＯＮとなり、弁部３８は閉じて密閉状態を維持する。
本実施の形態では透明カバー５３のドーム形状部分の内面及び外面は、その視野範囲の周辺付近まではほぼ平面に近い形状（従って、その曲率半径ＲａはＲａ≒∞）に設定されている。なお、視野範囲は、例えば９０°〜１１０°程度に設定されている。
また、視野範囲θの境界付近から外側（周辺側）はその曲率半径Ｒｐ１或いはＲｐ２に示すように中心側よりも小さな曲率半径にして滑らかに外径部分（の透明カバー５３）に繋ぐようにしている。
この場合の曲率半径Ｒｐ１或いはＲｐ２としては、例えば１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内に設定されている。なお、本実施の形態でも透明カバー５３の肉厚は均一にしている。
このように透明カバー５３の視野の中心側を平面状にすることにより、中心部分での突出量を抑制でき、カプセル型内視鏡５１の全長を短くできる。従って、飲み込み性を向上できる。
次に本発明の第３の実施の形態を図４を用いて説明する。図4-1に示すカプセル型内視鏡７１は、円筒形状でその後端を半球状に丸くして閉塞した外装ケース７２の先端側となる開口する端部にほぼ半球とみなせる形状の透明カバー７３を水密的に接続固定してその内側を密閉している。また、図4-2に示すカプセル型内視鏡は、図4-1カプセル型内視鏡の透明カバー形状を、視野中心が入る部分の曲率半径よりも視野周辺部分の曲率半径が小さくなるように変更したものであり、それぞれのカプセル型内視鏡はその内部に以下の内臓物を収納している。
透明カバー７３に対向する中央部には、レンズ枠７５に取り付けられた対物光学系７６が配置され、その結像位置にはカバーレンズ７７で保護されたＣＭＯＳイメージャ７８が配置されている。このＣＭＯＳイメージャ７８は例えば基板７９の前面に実装されている。なお、ＣＭＯＳイメージャ７８の代わりにＣＣＤでも良い。
また、対物光学系７６は２枚の凸平レンズで構成され、その後レンズとなる凸平レンズの後面をカバーガラス７７に接着して固定されている。そして、ピント出しを行う場合には、後レンズに対してその外径に嵌合する内径のレンズ枠７５側を光軸Ｏ方向に移動して調整し、調整後には接着剤などで固定される。
また、レンズ枠７５には白色ＬＥＤ８０を取り付けた基板８１がその中央に設けた孔をレンズ枠７５に嵌合させて固定されている。この基板８１はチップ部品が実装されており、白色ＬＥＤ８０を間欠的にフラッシュ発光させるように駆動する駆動回路を形成している。
また、ＣＭＯＳイメージャ７８を取り付けた基板７９の背面には、基板７９とでＣＭＯＳイメージャ７８を駆動すると共に、出力信号に対する処理を行う駆動＆処理回路８２を構成する基板が配置されている。
この駆動＆処理回路８２を構成する基板の背面には画像信号を無線で行う処理をする無線回路８３を構成する基板が配置され、この無線回路８３を構成する基板の背面にはボタン型の電池８４が配置されている。
また、このボタン型の電池８４の背面側でカプセル状容器の後端となる内側には電源のＯＮを外部から行うスイッチ８５が収納されている。
また、無線回路８３の側面に隣接してアンテナ８６が配置されている。なお、これらの内臓物のうち、発明の本質と関係のないものについては自由に置き換えるできることは言うまでもない。
本実施の形態を用いて、カプセル型内視鏡に最適な被写界深度を考えるため、カプセル型内視鏡と、消化管などの管空臓器の内壁の関係について説明する。カプセル型内視鏡は、従来の内視鏡とは異なり、観察・診断時に臓器内に空気を送気する機構を有していない。このため、カプセルの進路となる消化管内部は収縮してカプセルの視野を塞いでいると考えられる。また、カプセル型内視鏡の体内での移動がこの管空臓器の蠕動運動で行われるとすると、カプセルは管空臓器の内壁から均等に圧力を受けていると想定される。このような環境条件の下では、周囲からの圧力に抗して管空内壁を押し広げる作用はカプセルの外径Dと密接に関係している。
このことについて以下に説明する。図4-1は曲率半径R=D/2の球面に近い形状の透明カバーを有するカプセル内視鏡と、その周囲の管空内壁を示している。また、この図におけるDをカプセル内視鏡の外径と定義する。このとき、管空内壁は最も安定的に透明カバーを含むカプセル外面に密着、追従しているため、画角が大きい視野周辺ではカバー表面付近に臓器の壁面が位置する。そして、視野中心方向に向かうにしたがって、管空内壁はカバー表面から離れていくと考えられる。
また、図４-2はカバー形状を視野中心が入る部分の曲率半径よりも視野周辺部分の曲率半径が小さくなるように変更し、カバー表面がR=D/2の球面から大きく乖離した時のカプセル型内視鏡とその周囲の管空内壁を示している。さらにR=D/2の仮想球面を点線で示している。このような場合にも上記環境条件の下では、管空内壁は視野周辺において透明ドーム前方のR=D/2の仮想球面におおむね沿うように分布すると考えてよく、視野中心に向かうに従って、仮想球面から大きく離れていく。このため、以後はカバーの形状によらず、R=D/2の仮想球面を視野周辺でのおおよその観察対象面として考えることにする。
以上のことから、カプセル内視鏡において、病変の見落としがない観察を行うには、視野周辺ではR=D/2の仮想球面を被写界深度内に保ちつつ、視野中心では十分遠方までが被写界深度に入っていることが必要となる。しかし、像面湾曲がある程度補正された通常の対物光学系では、視野中心と周辺の被写界深度に大きな差はないため、それらを使用したカプセル型内視鏡においてこのような被写界深度を達成することは困難である。
この点に関して、図7-1を用いてもう少し詳細に説明することにする。一般的な内視鏡において、対物光学系の結像性能がベストとなる物体距離（以後はベスト距離と呼ぶ、また同様に対物光学系の結像性能がベストとなる物体位置をベスト位置と呼ぶ）をＸＢとした場合の像面位置ＸＢ‘に、画素ピッチＰを有する固体撮像素子（ＣＣＤなど）を配置する撮像ユニットを考える。固体撮像素子を固定した条件において、物体をＸＮまで近接すると、近接時の像面位置ＸＮ’は固体撮像素子の撮像面位置からずれることになるが、撮像面における許容錯乱円径が、ＣＣＤの分解能ＫＰ（ただしＫはＣＣＤと回路系の特性によって決まる係数）よりも小さいと認識できる場合、ＸＢからＸＮまでの物体像はピントが合っていると見なすことができる。即ち、許容錯乱円形がＫＰと一致するまでの範囲を近点側の被写界深度と定義することが出来る。
このとき、ニュートンの結像式から、以下の式が成立する。
被写界深度の近点側の式：
１／ＸＮ − １／ＸＢ ＝ ＫＰFno／ｆ2
同様に被写界深度の遠点側の式も定義される。
１／ＸＢ − １／ＸＦ ＝ ＫＰFno／ｆ2
これら２つの式をあわせると、被写界深度の一般式：
１／ＸＮ − １／ＸＦ ＝ ２ＫＰFno／ｆ2
が導出される。
ただし、ベスト距離をＸＢ、被写界深度近点までの距離をXN、被写界深度遠点までの距離をXF、固体撮像素子の画素ピッチをＰ、対物光学系の焦点距離をｆ、対物光学系の開口をFno、ＣＣＤと回路系の特性によって決まる係数をＫとしている。
この式は軸上に関する一般式であるが、この対物光学系の像面湾曲収差が十分に除去された条件下においては、軸外に関しても成立する。
図5-1と図5-2は、像面湾曲がある程度補正された対物光学系が取りうる被写界深度を示した図である。外径Dが数mm〜10mm程度のカプセ型ル内視鏡においては、対物光学系から仮想球面までの距離が非常に短くなる。このため、像面湾曲が十分補正された対物光学系を用いると、視野周辺で仮想球面が被写界深度内に入るようにした時、視野中央では遠点側の被写界深度が不足する。
図5-１はこのことを示した図である。網掛けの部分が、被写界深度を示しており、撮像ユニットの最大画角において、仮想球面が被写界深度に含まれるようにすると、視野周辺と視野中心での被写界深度はほぼ等しいため、視野中心で必要な被写界深度を得ることができない。また、視野中心で十分な遠点側の被写界深度を確保しようとすると、今度は逆に視野周辺で仮想球面を被写界深度内に入れることができなくなる。図5-2はこのことを説明した図である。被写界深度を伸ばすには、明るさ絞りの開口を制限してFナンバーを大きくするという方法もあるが、被写体を観察するのに十分な明るさが得られなくなる。
このような理由から、カプセル内視鏡に適した観察状態を達成するには、画角によって被写界深度の範囲が変わるように撮像ユニットを構成する必要がある。すなわち、像面湾曲を故意に発生させた対物光学系を採用し、適切にピント調整することで、視野周辺では仮想球面を被写界深度内に保ちつつ、撮像面上の光軸中心から中間像高に対応する画角の範囲では十分な遠点側の被写界深度が確保されるように撮像ユニットを構成するのが望ましい。
図6-1は画角によって被写界深度の範囲を変えた場合の被写界深度範囲を示している。さらに、太い実線は仮想球面、太い点線は管空臓器でカプセル内視鏡を実際に使用した場合に想定される管空内壁を示している。図6-2と図6-3はそれぞれ、図6-1ような被写界深度を持つ光学系で仮想球面と管空内壁を見たときに、画面上でピントが合っている範囲を示している。図6-1のような深度範囲を設定することで、実使用状態において、視野中心から周辺までが被写界深度内に入った、良好な観察状態を得ることができる。
このような深度範囲を達成するには、仮想球面を物体面とした時に、対物光学系の結像面における像高が高くなるほど結像面が物体側に倒れて、全体としては凹型の結像面となるように大きな像面湾曲を故意に発生させる必要がある。図7-2はR=D/2の仮想球面を物体面とした時の対物光学系の結像面の形状と、撮像ユニットのピント出しを説明した図である。ここでいうピント出しとは、必要とする被写界深度が得られるように撮像面を光軸と平行に動かして、撮像面の位置を決める作業である。仮想球面を物体面とした時に、対物光学系の結像面が物体側に向かって凹型であると、視野周辺で仮想球面が被写界深度内に入るようにピント出しをすると、撮像面は仮想球面の軸上の共役点から、物体側にずれることになる。内視鏡の対物光学系は一般に、被写体の像を縮小して結像する光学系であり、撮像面のずれ量は物体側に拡大して投影されるので、軸上での撮像面に対する共役点は、透明カバー面から大きく遠方に振られることになる。したがって、図6-1に示したような被写界深度を達成することが可能になる。
広い画角を有する対物光学系においては、対物光学系の先端面と入射瞳はほぼ一致する。また、カプセル内視鏡において対物光学系の先端はおおよそ仮想球面の球心付近に位置するため、上記に示した対物光学系の像面湾曲発生量と撮像ユニットのピント出し条件は以下のような条件式として表すことができる。
R=D/2の仮想球面を物体面として、軸上で対物光学系先端面から仮想球面までの光学的距離をD/2とした時、軸上と最大像高で物点位置が変化することによる像面位置の差Δsは、
軸上での像位置：
ZO'=f2/(D/2+fF)
最大像高(半画角=θmax/2)での像位置：
ZE'=f2/[D/2・cos(θmax/2)+ fF]
ここでfF<<Dとなることから、
Δs=ZE'−ZO'=2f2(1-cos(θmax /2))/Dcos(θmax /2)
となる。
よって、仮想球面を物体面とした時に、対物光学系の結像面が物体側に向かって凹型となるには、最大像高での像面湾曲量をΔIとすると
Δs＋ΔI≦0
すなわち、

Figure 0004128505
…(１)

を満たせばよい。
ｆ：対物光学系の合成焦点距離
fF：前側焦点位置
θmax：最大像高での画角
D：カプセルの直径
ΔIは平面物体観察時における像面湾曲量を表し、ベスト距離をD/2とした時の近軸像面での最大像高におけるメリジオナル方向の像面湾曲量と、サジタル方向の像面湾曲量を平均した値
ここで、(1)式は、対物光学系のペッツバール和が小さくても、大きな非点収差を発生させることで達成することができる。しかし、非点収差が大きすぎると、3次収差の領域では非点隔差（メリジオナル方向とサジタル方向の像面のズレ）も大きくなり、仮想球面を見た時に視野周辺で良好な観察性能を確保することが困難になる。このため、非点収差を過大に発生させずに(1)式を満たすための条件を考える。
非点収差がほとんど発生していない状態においては、(1)式のΔIはペッツバール湾曲による湾曲量とほぼ等しいと考えられるため、ΔI =-Imax 2Pとすることができる。ここでImaxは最大像高、Pは以下に定義するペッツバール和である。この時(1)式は以下のようになる。
Figure 0004128505
これを変形すると、
Figure 0004128505
…(2)
ｆ：対物光学系の合成焦点距離
Imax：最大像高
θmax：最大像高での画角
D：カプセル内視鏡の外径
P：以下の式で定義されるペッツバール和
Figure 0004128505
上記の(2)式の条件を満足していないと、非点収差を発生させて(1)式を達成する必要があるため、仮想球面を見た時に視野周辺で良好な観察性能を確保することが困難になる。また、(2)式の中のImax/fは、後に(3)式の説明で示すように、最大画角が決まるとおおよそ見積もることができるため、最大画角とカプセルの外径Dが決まると、(2)式を用いて必要なペッツバール和Pを見積もることができる。
上記（1）式、(2)式でカプセル型内視鏡に最適な観察領域を達成するために、最低限必要となる対物光学系の像面湾曲量を明らかにした。実際のカプセル型内視鏡においては、視野中央で必要となる被写界深度と、達成可能なFナンバー、撮像素子の性能等から必要となる像面湾曲量が決まる。
ここで、視野の中心から中間までの領域では、視野中心とほぼ同等の深度を確保する必要があるため、撮像ユニットのピント出しで決まる視野中心でのベスト位置に置いた平面を物体面とした場合、それと共役な結像面が撮像面と一致することが望ましい。しかし実際はペッツバール和で決まる像面湾曲（ペッツバール像面）が発生しているため、非点収差を発生させて、像面を撮像面に近付けることになる。図8-2は、ピント出しをした後、視野中心でのベスト位置に置いた平面を物体面とした場合の、像面と撮像面の関係を示した図である。この時、3次収差の領域では像高が大きくなるにつれて非点隔差も大きくなるが、軸上から中間像高までの非点隔差が十分に補正されていれば大きな問題にはならない。なぜなら、像高が大きい視野周辺ではこれまでに述べたように、主に仮想球面を物体面とするからである。図8-1はピント出しをした後、仮想球面を物体面とした場合の、像面と撮像面の関係を示した図である。視野周辺での仮想球面を物体とした時の非点隔差は、上記(2)式が満たされていれば十分補正されていると考えられる。このような設計を行うことで、実使用状態において視野中央から周辺までのすべての範囲で良好な観察性能を得ることができる。
さらに、カプセル内視鏡では、観察する向きを制御することが難しいため、広画角で一度にできるだけ多くの情報を得ることが必要である。この時、周辺光量を確保するために、一般的に像高と画角をI =ｆ・Kd・sin(θ/2Kd)の関係にする場合が多い。ここでKdはディストーションタイプで決まる係数である。このような関係から、最大画角が決まるとImax /fをおおよそ見積もることができる。カプセル内視鏡として最低限必要な画角を得るためには下記の条件を満たす必要がある。
0.4＜Imax /f …(3)
Imax ：最大像高
f：焦点距離
(3)式の下限を超えると十分な画角が確保できなくなるため、病変を見落とす可能性がある。
これまでに述べたような対物光学系は、撮像ユニットのピント出しによって被写界深度を様々な状態に設定することができるが、適切なピント調整を行うための条件を以下に示す。
0＜aO かつ θ/2=40°からθmax/2の範囲で aP≦0 …(4)

図4-2はこのことを説明する図である。aO及びaPは軸上及び軸外での仮想球面に対する対物光学系の被写界深度の近点の位置であり、仮想球面を基準点0とした場合に、仮想球面から離れる方向を正、仮想球面から光学系に向かってめり込む方向を負と定義する。また、aPは画角によって変化する。条件式（４）を満たすように被写界深度を設定すると、以下のような効果を得ることができる。
1.遠点画質の確保
カプセル型内視鏡の小型化を達成しようとすると、対物光学系と仮想球面との距離が小さくなる。このため、軸上で仮想球面を深度に入れるためにaO≒0とすると、被写界深度の遠点までの距離が非常に短くなり、遠くの物体が観察できない。被写界深度を伸ばすためには、対物光学系の明るさ絞りの開口を制限してFナンバーを大きくするという方法があるが、画像が暗くなるという不具合が発生する。また、カプセル型内視鏡においては軸上で消化管の内壁が仮想球面に接することは少なく、比較的遠くを観察すると考えられるため、aO ＞0とすることで、軸上で最適な深度範囲が得られる。
2.近点画質の確保
一方、体内においては視野周辺の少なくとも一部は仮想球面付近に位置しているため、より多くの情報を得るためには中間像高から最大像高までの範囲は仮想球面が被写界深度に入っていることが望ましい。少なくとも画角が40°から最大画角の範囲でaP≦0とすることで、視野周辺に位置する病変を見落とし無く観察することができる。
カプセル型内視鏡が(4)式を満足しているかどうかを、簡易的に検査して品質チェックを行うためには以下のようにすればよい。透明カバー形状がR=D/2の球面に近い場合、透明カバー表面に沿うように解像力チャートなどの物体を押し当てて、視野中心は被写界深度から外れているため解像しないこと、および視野の周辺では被写界深度内にあるため解像していることを、モニター画面に映した物体の画像を通して確認すればよい。また、透明カバー形状が球面から大きく乖離する場合、R=D/2の球面をもつ評価治具を作成し、光学系の先端から評価治具の評価面までの光学的距離がD/2となるように評価治具を配置して、同様の確認作業を行えばよい。
次に本発明の第４の実施の形態を図9を用いて説明する。透明カバー87は半球形状をもち、外表面の曲率半径は4.5mmである。このため、カプセル外径は9mmとなる。透明カバーに対向するカプセル中央部には、レンズ枠88に取り付けられた対物光学系92が、その入射瞳が透明カバー87の外表面の球心と一致するように配置され、その結像位置にはCCDホルダ90に接着剤で固定されたCCDイメージャ93が配置されている。また、対物光学系92は２枚の凸平レンズとで構成され、間隔管89でレンズ間隔が決められており、その後レンズとなる凸平レンズの後面をレンズ枠88に接着して固定されている。また、明るさ絞り91が対物光学系92の先端に配置されているため、本対物光学系において光学系先端と入射瞳位置は一致している。さらに、ピント出しを行う場合には、レンズ枠88に対してその外径に嵌合する内径のCCDホルダ90を光軸O方向に移動して調整し、調整後には接着剤などで固定される。
図9に示した対物光学系92で、最大画角を90°に設定した場合に、R=4.5mmの仮想球面を物体面とした場合の収差図を図10に示す。図10において横軸は近軸の結像位置からの距離を符号を含めて示し、縦軸は像の高さを示す。この収差図から実線で示すサジタル像面ｓでの収差と、破線で示すメリジオナル像面ｍの収差の中間に位置するベスト像面は、明らかに物体側に凹型となっていることが分かる。この第４の実施例は、ピント出しによってaO=1.5mm、軸上で近点から遠点までの距離約30mmでカバー表面は画角約60°以上が深度内になるように設定することができる。そのため、管空臓器を見たときに、画面上で視野中心から視野周辺までピントが合っており、見落としがない観察状態を得ることが可能である。
このときの、対物光学系92の光学系データを以下に記載する。この光学系は、平凸レンズ２枚で構成している。一般的に平凸レンズは両凸レンズに比べて、球面研磨を行う工程が無いため、製作工程が短くコストを安くできるため、カプセル内視鏡のような使い捨て製品に対して大なる効果があることは言うまでもない。

（添付光学系データ１）
ｆ＝0.914 、ｆF＝-0.339、ｆB＝-0.078
ＩＨ＝0.666 、θ＝90.7 、ＸB＝-10
ｒ1＝ ∞ （絞り）
ｄ1＝0 、ｎ1＝1
ｒ2＝ ∞
ｄ2＝0.9 、ｎ2＝1.79196 、ｖ2＝47.1
ｒ3＝-1.2030
ｄ3＝0.1 、ｎ3＝1
ｒ4＝ 1.6970
ｄ4＝ 0.55 、ｎ4＝1.79196 、ｖ4＝47.1
ｒ5＝ ∞
ｄ5＝0.6235 、ｎ5＝1
ｒ6＝ ∞（撮像面）
ｄ6＝0 、ｎ6＝1
条件式の値
(1) ΔＳ＝−0.14、ΔＭ＝−0.10、｜ΔＩ｜＝｜（ΔＳ＋ΔＭ）／２｜＝−0.12
2f2(1-cos(θmax /2))/Dcos(θmax /2)＝0.08
より(1)式は0.08−0.12＝−0.04
(2)P＝0.63より
P・D＝5.67
2f2(1-cos(θmax /2))/I2cos(θmax /2)＝1.56
(3)Imax/f＝0.73

次に本発明の第5の実施の形態を図11を用いて説明する。透明カバー87は半球形状をもち、外表面の曲率半径は4.5mmである。このため、カプセル外径は9mmとなる。透明カバーに対向する中央部には、レンズ枠88に取り付けられた対物光学系92が、その入射瞳がカバー87の外表面の球心に来るように配置され、その結像位置にはCCDホルダ90に接着剤で固定されたCCDイメージャ93が配置されている。また、対物光学系92は1枚の平凹レンズと２枚の凸平レンズとで構成され、その最後尾のレンズとなる凸平レンズの後面をレンズ枠88に接着して固定されている。さらに、ピント出しを行う場合には、レンズ枠88に対してその外径に嵌合する内径のCCDホルダ90を光軸O方向に移動して調整し、調整後には接着剤などで固定される
図11に示した対物光学系92で、最大画角を90°に設定した場合に、R=4.5mmの仮想球面を物体面とした場合の収差図を図12に示す。図12において横軸は近軸の結像位置からの距離を符号を含めて示し、縦軸は像の高さを示す。この収差図から実線で示すサジタル像面ｓでの収差と、破線で示すメリジオナル像面ｍの収差の中間に位置するベスト像面は、明らかにレンズ側に凹となっていることが分かる。この第４の実施例は、ピント出しによってaO=0.5mm、軸上の近点から遠点までの距離約11mmでカバー表面は画角約60°以上が深度内になるように設定することができる。
このときの、対物光学系92の光学系データを以下に記載する。

（添付光学系データ２）
ｆ＝0.936 、ｆF＝-0.016、ｆB＝-0.012
ＩＨ＝0.666 、θ＝86.3 、ＸB＝-7.5
ｒ1＝ ∞
ｄ1＝0.24 、ｎ1＝1.51825 、ｖ2＝63.9
ｒ2＝ 1.2730
ｄ2＝0.09 、ｎ2＝1
ｒ3＝ ∞ （絞り）
ｄ3＝0.03 、ｎ3＝1
ｒ4＝ ∞
ｄ4＝ 0.95 、ｎ4＝1.88815 、ｖ4＝40.5
ｒ5＝ -1.0730
ｄ5＝0.08 、ｎ5＝1
ｒ6＝ ∞
ｄ4＝ 0.49 、ｎ4＝1.88815 、ｖ4＝40.5
ｒ7＝ -2.1070
ｄ5＝1.06 、ｎ5＝1
ｒ8＝ ∞（撮像面）
ｄ6＝0 、ｎ6＝1
条件式の値
(1) ΔＳ＝−0.09、ΔＭ＝−0.10、｜ΔＩ｜＝｜（ΔＳ＋ΔＭ）／２｜＝−0.095
2f2(1-cos(θmax /2))/Dcos(θmax /2)＝0.08
より(1)式は0.08−0.095＝−0.015
(2)P＝0.39より
P・D＝3.51
2f2(1-cos(θmax /2))/I2cos(θmax /2)＝1.64
(3) Imax /f＝0.71
本発明の第１の実施の形態を備えたカプセル型内視鏡装置等の構成を示す図。 第１の実施の形態のカプセル型内視鏡の内部構成を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態のカプセル型内視鏡の内部構成を示す断面図。 本発明の第３の実施の形態のカプセル型内視鏡を示す断面図。 収差が十分に補正された光学系の被写界深度を示す図。 本発明の画角による被写界深度分布を示す図。 被写界深度と、仮想球面を物体面とした時の像面を説明した図。 ピント出しをした後の、像面と撮像面の関係を示した図。 本発明の第４の実施の形態のカプセル型内視鏡の撮像部分とカバーを示す断面図。 本発明の第４の実施の形態で仮想球面を見たときの収差図。 本発明の第５の実施の形態のカプセル型内視鏡の撮像部分とカバーを示す断面図。 本発明の第５の実施の形態で仮想球面を見たときの収差図。
符号の説明
１ カプセル型内視鏡装置
２ 患者
３ カプセル型内視鏡
４ アンテナユニット
５ 体外ユニット
６ 表示システム
７ パソコン
８ ＵＳＢケーブル
１１ シールドシャツ
１２ アンテナ
１３ 液晶モニタ
１６ 前カバー
１７ 後カバー
１８ 対物光学系
２０、２１ レンズ枠
２３ ＣＭＯＳイメージャ
２５ 白色ＬＥＤ
２７ 駆動処理回路
２８ 記憶回路
３０ 無線通信回路
３２ 電池
３３ アンテナ
４０ 入射瞳
４１ 粗面

Claims (8)

  1. 生体内を照明する照明手段と、該照明手段によって照明された部位を撮像する撮像手段と、該撮像手段前方の対物光学系と、該対物光学系と該撮像手段の位置を調整するための調整装置と、該対物光学系前方の透明カバーを持ち、透明カバーとカプセルの中心軸上に対物光学系を配置したカプセル内視鏡において、次の条件を満足することを特徴とするカプセル内視鏡。
    Figure 0004128505
    0.４＜Imax/f
    ただし
    ｆ：対物光学系の合成焦点距離
    θmax：最大画角
    Imax：最大像高
    D：カプセル内視鏡の外径
    ΔI：は光学系先端からの距離をD/2とした時の、平面物体観察時における像面湾曲量を表し、近軸像面での最大画角におけるメリジオナル方向の像面湾曲量と、サジタル方向の像面湾曲量を平均した値
  2. 次の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載のカプセル内視鏡。
    0＜aO かつ θ/2＝40°からθmax/2の範囲で aP ≦0
    ただし
    θ：画角
    aO ：軸上におけるR=D/2の仮想球面から被写界深度の近点までの距離。光学系から離れる方向が正
    aP ：軸外におけるR=D/2の仮想球面から被写界深度の近点までの距離。光学系から離れる方向が正
  3. 次の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載のカプセル内視鏡。
    Figure 0004128505
    ただし
    P：下記の式で表現されるペッツバール和
    Figure 0004128505
  4. 次の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載のカプセル内視鏡。
    Figure 0004128505
  5. 前記透明カバーの少なくとも前記対物光学系の視野中心が入る部分の曲率半径よりも、視野周辺部分の曲率半径を小さくなるように構成した、請求項１に記載のカプセル内視鏡。
  6. 前記透明カバーの少なくとも前記対物光学系の視野中心が入る部分の曲率半径よりも、視野周辺部分の曲率半径を小さくなるように構成した、請求項２に記載のカプセル内視鏡。
  7. 前記透明カバーの少なくとも前記対物光学系の視野中心が入る部分の曲率半径よりも、視野周辺部分の曲率半径を小さくなるように構成した、請求項３に記載のカプセル内視鏡。
  8. 前記透明カバーの少なくとも前記対物光学系の視野中心が入る部分の曲率半径よりも、視野周辺部分の曲率半径を小さくなるように構成した、請求項４に記載のカプセル内視鏡。
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