JP4166220B2 - 人体を通じたデータ通信方法、人体を通じたデータ通信システム、及びこれに使用される感知装置 - Google Patents

Description

本発明は、様々な医療情報の収集を目的として人体の内部に投入された感知装置が、人体の外部にデータを送信する方法及びシステムに関し、より詳細には、感知装置から発生した電流が人体を導体として流れることにより、人体の外部にデータを送信し得る人体を通じたデータ通信方法、人体を通じたデータ通信システム、及びこれらに使用される感知装置に関する。

人体の内部の医療情報を収集する様々な感知装置が開発され、使用されているが、このような情報収集技術だけでなく、収集した情報を人体の外部に送信する技術も非常に重要である。

一般的なデータ送信方法としては、胃腸の内部状態を観察するための目的で開発された内視鏡に適用される通信ケーブル方式がある。この通信ケーブル方式においては、導線又は光ファイバーからなるケーブルを、主に患者の喉を通して人体の内部に挿入する。このような通信ケーブル方式は、信頼性が高く、人体の内部で収集されたデータの品質に優れるという利点がある。しかし、内視鏡施術を受ける患者にひどい苦痛を与えるという問題があった。

このような問題を解決するために、近年、イスラエルのギブン・イメージング（Given Imaging）社が、カプセル型内視鏡「Ｍ２Ａ」を開発した。前記カプセル型内視鏡は、患者が錠剤のように飲み込むと、カプセル型内視鏡が、内視鏡のカメラに捉えた人体の内部の映像（ビデオ）データを外部の受信器に送信して、モニタで再生することができる。

しかしながら、前記カプセル型内視鏡は、信号送信方式として無線電波方式を採用するため、消費電力が大きくて動作時間が短い。また、人体の外部の各種電波干渉により受信感度が劣化する。さらに、映像信号を高周波信号に変調する変調回路や信号を送信するためのアンテナなどの無線送信器を備えなければならないので、サイズが大きくなり、かつ生産コストが上昇する。さらにまた、高周波の使用により、人体に有害な影響を及ぼす恐れがあるという問題があった。

従って、本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、人体の内部に投入された感知装置が発生する電流を、人体を導体として流し、人体の外部にデータを送信できるようにした人体を通じたデータ通信方法及び人体を通じたデータ通信システムを提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、人体の内部で電流を発生し、人体を通して電流を流すことにより人体の外部にデータを送信する送信電極を含む感知装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に係る人体を通じたデータ通信方法は、人体の内部に口から投入された感知装置から、信号を、人体の外部へ送信する人体を通じたデータ通信方法において、前記感知装置の周表面を囲むように設置された送信電極間に電位差を発生させる段階と、相対的に高い電位を有する送信電極から、電流を、人体の内部へ供給して、人体の表面に流した後、再び人体の内部に流れ込む電流を、相対的に低い電位を有する送信電極にシンク（ｓｉｎｋ）させる段階と、前記人体の表面を流れる電流により、人体の表面に装着された受信電極間に電圧を誘起する段階と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る人体を通じたデータ通信システムは、人体の内部に口から投入されて電位差を発生する送信電極対を備える感知装置と、人体の表面に装着されて前記電位差により発生した電流を人体を通して受信する受信器と、を含み、前記送信電極対が前記感知装置の周表面を囲むように設置されていることを特徴とする。

また、本発明に係る人体の内部に口から投入されるカプセル型内視鏡は、人体の内部を照射する照明素子と、人体の内部から入射した光を集束するレンズと、前記レンズにより集束された光から電気信号を生成するＣＭＯＳイメージセンサと、前記照明素子、前記レンズ及び前記ＣＭＯＳイメージセンサを収容するハウジングと、前記ハウジングの周表面を囲むように設置されて前記電気信号が印加される送信電極対と、を含むことを特徴とする。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい一実施形態を説明する。

図１は、本発明に係る人体を通じたデータ通信方法及び人体を通じたデータ通信システムを説明するための一実施形態を示した図である。図１に示したように、人体の内部１（例えば、消化器官）に位置した感知装置１０は、人体２を通して人体の表面に設置された受信器２０に、人体の内部の情報を送信する。

本発明に係る人体を通じたデータ通信システムにおいて、人体の内部１の感知装置１０から、信号を、人体の外部の受信器２０へ送信する人体を通じたデータ通信方法を、図１を参照して具体的に説明する。感知装置１０により収集された各種情報（例えば、人体の内部の画像、ＰＨ、温度又は電気的インピーダンスなど）は、感知装置内部の信号処理回路により電気信号に変換された後、前記信号処理回路の出力線を通して送信電極１１に印加されて、２つの送信電極１１間に電位差が発生する。これは、送信電極１１が、人体の内部１と接触しているためであり（即ち、送信電極が消化器官内の体液により人体と電気的に接続されている）、２つの送信電極１１間の電位差により、人体２に電流３が流れるからである。電流３は、相対的に高い電位を有する送信電極から流されて、人体２の表面を流れた後、再び人体の内部１へと戻り、相対的に低い電位を有する送信電極にシンクされる。このとき、人体の表面を流れる電流が２つの受信電極２１間に電圧を誘起することにより、人体の内部１に位置した感知装置１０から送信された信号が人体の外部の受信器２０で感知できるようになる。受信器２０は、受信信号を処理して映像信号に復元し、これをリアルタイムでモニタにディスプレイするか、又はメモリに保存する。

図２は、本発明に係る人体を通じたデータ通信システムに使用される感知装置１０の表面上に設置される送信電極１１のいくつかの実施形態を示す。後述するように、感知装置１０の表面には、感知装置の内部に設けられた信号処理回路の出力線にそれぞれ接続された２つの金属板、即ち、送信電極が形成されている。

２つの送信電極が、電気的に絶縁されており、互いの距離が十分に離れていれば、送信電極を、感知装置の表面のあらゆる位置に形成することができる。また、常に人体と接触しやすくするために、感知装置を覆う形状、即ち、３次元の曲線形状に形成することが好ましい。

図２において、（ａ）は、図１で使用した感知装置の送信電極の構造を示したもので、送信電極が感知装置の両端をそれぞれ囲む第１電極及び第２電極を含んで構成されている。（ｂ）における送信電極は、感知装置の一端を囲む第１電極と、感知装置の他端を帯状に覆う第２電極と、を含んで構成されている。（ｃ）における送信電極は、感知装置の両端をそれぞれ帯状に覆う第１電極及び第２電極を含んで構成されている。また、（ｄ）における送信電極は、感知装置の長軸を中心に対称的に形成された第１電極及び第２電極を含んで構成されている。

送信電極は、人体の内部に露出しているため、消化液などの反応性物質に耐えることができるように、耐腐食性に優れ、かつ、人体に無害な金属でなければならない。本発明の一実施形態においては、耐腐食性に優れ人体に無害な金属として、ＳＵＳ３１６Ｌ又は金を使用した。また、感知装置の表面に形成された送信電極を電気的に絶縁させるために、感知装置の表面を、人体に無害で、かつ、電気を通さない絶縁体で構成しなければならない。人体に無害な絶縁体としては、プラスチック系のピーク（ｐｅｅｋ）、ポリエチレン又はポリプロピレンを使用することができる。また、人体に対する無害性をさらに向上させるために、ピーク、ポリエチレン又はポリプロピレンで形成した感知装置の表面にパリレンをコーティングすることもできる。

図３は、本発明に係る人体を通じたデータ通信システムに使用される、感知装置の一実施形態であるカプセル型内視鏡の内部構造を示した断面図である。図３に示したカプセル型内視鏡は、直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍ程度のサイズである。カプセル型内視鏡の外形を形成するハウジングの一端はドーム状の受光窓１７で形成され、他端は矩形の収納体１８で形成されている。従って、全体的に弾丸形状をなしている。

カプセル型内視鏡の受光窓１７は、光が通過する部分であり、人体に無害で光を通過させる材質で形成される。収納体１８は、後述するいくつかの素子を含んで形成される部分であり、人体に無害な絶縁体で構成される。受光窓１７と収納体１８とは、シールされており、例えば、消化器官の粘液などがカプセル型内視鏡の内部に浸透したり、又はカプセル型内視鏡内の物質が人体の内部に漏れないようになっている。

図３に示したように、カプセル型内視鏡は、受光窓１７と収納体１８とを含で構成されるハウジングの外形を有している。収納体１８の内部には、照明素子１２、レンズ１３、ＣＭＯＳイメージセンサ１４、バッテリー１５、及び収納体１８の表面に電気的に絶縁されて形成された送信電極１１を含んでいる。

受光窓１７の後方にレンズ１３が配置され、レンズ１３の後方に各種回路が集積されているＣＭＯＳイメージセンサ１４が配置されている。レンズ１３とＣＭＯＳイメージセンサ１４間の距離は、受光窓１７を通じて入射した光がＣＭＯＳイメージセンサ１４の表面に集束されるように調整される。レンズ１３とＣＭＯＳイメージセンサ１４との間には、ドーナツ状の配列で複数の照明素子１２が配置されている。本発明の一実施形態においては、照明素子１２として４つのＬＥＤを使用した。照明素子１２から照射された光が受光窓１７を円滑に通過して対象物を照らすことができるように、受光窓１７の内面及び外面には、非反射コーティングが施されている。ＣＭＯＳイメージセンサ１４の後方には、電源を供給するバッテリー１５が配置されている。本発明の一実施形態においては、バッテリー１５として、放電電圧が平坦で人体に対する害の少ない酸化銀電池を使用した。

カプセル型内視鏡の内部動作を以下に簡単に説明する。照明素子１２が光を照射している間、ＣＭＯＳイメージセンサ１４が、レンズ１３を通して対象物の映像を捕捉（キャプチャ）し、該捕捉した映像信号を内部の各種回路により加工した後、該加工処理した信号を２つの出力線１６にそれぞれ接続された送信電極に印加する。これによって、前述したように、人体を導体として人体の外部の受信電極が信号を感知できるようになる。

図４は、カプセル型内視鏡の動作原理をより詳しく説明するための前記ＣＭＯＳイメージセンサ１４の回路構成図を示したものである。

図４に示したように、ＣＭＯＳイメージセンサ１４は、映像信号を捕捉して保存するピクセルアレイ１００と、各ピクセルの信号を順次引き出すリード回路１１０と、リード回路１１０の出力信号を符号化する符号化回路１２０と、符号化回路１２０で符号化された信号を２つの出力線に伝達するスイッチング回路１３０と、人体に有害な大きさの電流が流れないように電流値を調整する電流制限回路１４０と、信号処理及び照明素子１２の動作を制御する制御回路１５０と、動作周波数を決定する発振回路１６０と、を含んで構成される。

本発明の一実施形態において、ピクセルアレイ１００は、ピクセルの数が３２０×２４０であり、高解像度の映像信号を捕捉及び保存することができる。この保存された映像信号は、リード回路１１０によって１秒当たり１フレームずつ順次処理される。従って、コスト及びサイズの面で不利なメモリを不要とすることができる。また、制御回路１５０は、ピクセルアレイ１００に入射した光の明るさから人体の内部の明暗度を判定して、照明素子１２を５〜２００ｍｓｅｃの間で可変させて、その動作を制御する。その間の映像信号はピクセルアレイ１００で捕捉されている。これにより、それぞれの映像フレームが瞬間的に捕捉され、かつ、明るさが向上する。また、符号化方式としては、簡単でかつ耐ノイズ特性を有するＰＳＫ方式を採用した。

スイッチング回路１３０は、符号化回路１２０から送信された信号が「１」であると、第１出力線１６ａに「＋」電圧を印加して第２出力線１６ｂを接地し、符号化回路１２０から送信された信号が「０」であると、第１出力線１６ａを接地して第２出力線１６ｂに「＋」電圧を印加する。このように、信号を電圧の大きさではなく、電圧の極性で伝達するようにしたことにより、さらに耐ノイズ性を強化することができる。

電流制限回路１４０は、人体に５ｍＡ以上の電流が流れないようにする役割を果たす。本発明の一実施形態においては、スイッチング回路１３０の２つの出力線１６に、それぞれ直列に抵抗を接続して電流制限回路１４０を実現した。即ち、電源電圧が３Ｖの場合、２つの出力線にそれぞれ直列に３００Ωの抵抗を接続して電流制限回路を構成すると、人体への抵抗が非常に小さいため、送信電極が短絡しても人体に流れる電流は５ｍＡを超過しない。さらに、各抵抗にキャパシタを並列に接続して、人体に送信される信号の高周波成分を除去し、人体との電気的な整合を図ることにより、一層優れた信号送信が行われるようにした。

電流制限回路１４０を経た信号は、最終的に２つの送信電極１１に印加され、人体を通して、その外部に送信される。既存の電波通信方式においては、数百ＭＨｚの高周波信号が必要であったが、本発明においては、１０ＭＨｚの低周波信号によってもカプセル型内視鏡が捕捉した映像信号を人体の外部に送信することができる。

以上説明したように、本発明は、アンテナを通しての高周波の無線方式ではなく、人体を導体として低周波及び低電流で通信するため、人体に無害でかつ消費電力を小さくすることができ、人体における信号減衰を少なくし、人体の外部の電波干渉を受けないだけでなく、電圧の極性で信号を送信するため、一層ノイズに強く、受信感度が格段に優れるという効果がある。

また、本発明に係る感知装置は、無線送信器及びアンテナを必要としないだけでなく、映像信号を時間経過によって順次処理するため、別途のメモリを必要とせず、サイズが小さくて安価なカプセル型内視鏡を提供し得るという効果がある。

本発明の一実施形態に係る人体を通じたデータ通信方法を説明するための一実施形態を示した図。 本発明の一実施形態に係る人体を通じたデータ通信システムに使用される感知装置の表面に設置された送信電極のいくつかの実施形態を示した斜視図。 本発明の一実施形態に係る人体を通じたデータ通信システムに使用される感知装置の断面図。 感知装置のＣＭＯＳイメージセンサの内部を示した回路構成図。

Claims (42)

1. 人体の内部に口から投入された感知装置から、信号を人体の外部へ送信する人体を通じたデータ通信方法において、
   前記感知装置の周表面を囲むように設置された送信電極間に電位差を発生させる段階と、
   相対的に高い電位を有する送信電極から、電流を、人体の内部に供給し、人体の表面を通じて人体の内部に戻るように流し、相対的に低い電位を有する送信電極にシンクさせる段階と、
   前記人体の表面を流れる電流により、人体の表面に装着された受信電極間に電圧を誘起する段階と、
   を含むことを特徴とする人体を通じたデータ通信方法。
2. 前記電位差が、前記感知装置内の電気信号が前記送信電極に印加されることによって発生することを特徴とする請求項１に記載の人体を通じたデータ通信方法。
3. 人体の内部に口から投入されて電位差を発生する送信電極対を備える感知装置と、
   人体の表面に装着されて前記電位差により発生した電流を人体を通して受信する受信器と、
   を含み、
   前記送信電極対が前記感知装置の周表面を囲むように設置されていることを特徴とする人体を通じたデータ通信システム。
4. 前記送信電極対が、前記感知装置の表面に電気的に絶縁されて設置されることを特徴とする請求項３に記載の人体を通じたデータ通信システム。
5. 前記送信電極対が、前記感知装置の内部回路と電気的に接続されており、前記内部回路から発生した電気信号が印加されることを特徴とする請求項３に記載の人体を通じたデータ通信システム。
6. 前記送信電極対が、３次元的に形成されることを特徴とする請求項４に記載の人体を通じたデータ通信システム。
7. 前記送信電極対が、前記感知装置の両端を囲む第１電極及び第２電極を含んで構成されることを特徴とする請求項６に記載の人体を通じたデータ通信システム。
8. 前記送信電極対が、前記感知装置の一端を囲む第１電極、及び他端を帯状に覆う第２電極を含んで構成されることを特徴とする請求項６に記載の人体を通じたデータ通信システム。
9. 前記送信電極対が、前記感知装置の両端をそれぞれ帯状に覆う第１電極及び第２電極を含んで構成されることを特徴とする請求項６に記載の人体を通じたデータ通信システム。
10. 前記送信電極対が、前記感知装置の長軸を中心に対称的に形成された第１電極及び第２電極を含んで構成されることを特徴とする請求項６に記載の人体を通じたデータ通信システム。
11. 前記感知装置の表面における、送信電極を絶縁する絶縁体が、ピーク、ポリエチレン及びポリプロピレンのうち何れか１つから形成されることを特徴とする請求項３に記載の人体を通じたデータ通信システム。
12. 前記感知装置の表面における、送信電極を絶縁する絶縁体は、パリレンがコーティングされることを特徴とする請求項１１に記載の人体を通じたデータ通信システム。
13. 前記送信電極が、人体に無害な導電材料で形成されることを特徴とする請求項３に記載の人体を通じたデータ通信システム。
14. 前記導電材料が、ＳＵＳ３１６Ｌ又は金であることを特徴とする請求項１３に記載の人体を通じたデータ通信システム。
15. 人体の内部に口から投入されるカプセル型内視鏡において、
    人体の内部を照射する照明素子と、
    人体の内部から入射した光を集束するレンズと、
    前記レンズにより集束された光から電気信号を生成するＣＭＯＳイメージセンサと、
    前記照明素子、前記レンズ及び前記ＣＭＯＳイメージセンサを収容するハウジングと、
    前記ハウジングの周表面を囲むように設置されて前記電気信号が印加される送信電極対と、
    を含むことを特徴とするカプセル型内視鏡。
16. 前記送信電極対が、前記ＣＭＯＳイメージセンサの出力線に接続され、前記ハウジングの表面に電気的に絶縁されて設置されることを特徴とする請求項１５に記載のカプセル型内視鏡。
17. 前記送信電極対が、３次元的に形成されることを特徴とする請求項１６に記載のカプセル型内視鏡。
18. 前記送信電極対が、前記ハウジングの両端を囲む第１電極及び第２電極を含んで構成されることを特徴とする請求項１７に記載のカプセル型内視鏡。
19. 前記送信電極対が、前記ハウジングの一端を囲む第１電極、及び他端を帯状に覆う第２電極を含んで構成されることを特徴とする請求項１７に記載のカプセル型内視鏡。
20. 前記送信電極対が、前記ハウジングの両端をそれぞれ帯状に覆う第１電極及び第２電極を含んで構成されることを特徴とする請求項１７に記載のカプセル型内視鏡。
21. 前記送信電極対が、前記ハウジングの長軸を中心に対称的に形成された第１電極及び第２電極を含んで構成されることを特徴とする請求項１７に記載のカプセル型内視鏡。
22. 前記ハウジングの表面が、ピーク、ポリエチレン及びポリプロピレンのうち何れか１つから形成されることを特徴とする請求項１５に記載のカプセル型内視鏡。
23. 前記ハウジングの表面は、パリレンがコーティングされることを特徴とする請求項２２に記載のカプセル型内視鏡。
24. 前記送信電極対が、人体に無害な導電材料で形成されることを特徴とする請求項１５に記載のカプセル型内視鏡。
25. 前記導電材料が、ＳＵＳ３１６Ｌ又は金であることを特徴とする請求項２４に記載のカプセル型内視鏡。
26. 前記ハウジングの前方がドーム状の受光窓で形成され、その後方が矩形の収納体で形成されることを特徴とする請求項１５に記載のカプセル型内視鏡。
27. 前記受光窓が、人体に無害であり且つ光を通過させる材質で形成されることを特徴とする請求項２６に記載のカプセル型内視鏡。
28. 前記受光窓の内面及び外面に、非反射コーティングが施されていることを特徴とする請求項２６に記載のカプセル型内視鏡。
29. 前記照明素子が、ＬＥＤであることを特徴とする請求項１５に記載のカプセル型内視鏡。
30. 前記ＬＥＤは、動作時間が５ｍｓ〜２００ｍｓの間で可変可能であることを特徴とする請求項２９に記載のカプセル型内視鏡。
31. 前記ＣＭＯＳイメージセンサが、
    映像信号を電気信号に変換し、該電気信号を保存するピクセルアレイと、
    前記ピクセルアレイの電気信号を順次引き出すリード回路と、
    前記リード回路の出力信号を符号化する符号化回路と、
    前記符号化された信号に従って出力線の極性を変更するスイッチング回路と、
    前記スイッチング回路の出力信号が所定値以上の電流値として送信されないように制限して前記送信電極対に印可する電流制限回路と、
    前記照明素子の動作及び前記ＣＭＯＳイメージセンサの動作を制御する制御回路と、
    前記制御回路の動作周波数となるパルスを発生して前記制御回路に入力する発振回路と、
    を含むことを特徴とする請求項１５に記載のカプセル型内視鏡。
32. 前記ピクセルアレイは、前記照明素子が照射をしている間、映像信号を電気信号に変換して、該電気信号を保存することを特徴とする請求項３１に記載のカプセル型内視鏡。
33. 前記リード回路は、前記照明素子がターンオフしている間、前記電気信号を順次引き出して処理することを特徴とする請求項３１に記載のカプセル型内視鏡。
34. 前記符号化回路が、ＰＳＫ方式の符号化を実行することを特徴とする請求項３１に記載のカプセル型内視鏡。
35. 前記送信電極対が第１電極と第２電極とを含んで構成され、
    前記スイッチング回路は、前記符号化信号が「１」であると、前記第１電極から前記第２電極に電流を流し、前記符号化信号が「０」であると、前記第２電極から前記第１電極に電流を流すことにより、前記出力線の極性を変えることを特徴とする請求項３１に記載のカプセル型内視鏡。
36. 前記電流制限回路が、前記電流を５ｍＡ以下に維持することを特徴とする請求項３１に記載のカプセル型内視鏡。
37. 前記電流制限回路が、前記スイッチング回路のそれぞれの出力線に、抵抗を直列に接続して構成されることを特徴とする請求項３１に記載のカプセル型内視鏡。
38. 前記電流制限回路が、前記抵抗にそれぞれ並列に接続されたキャパシタをさらに含むことを特徴とする請求項３７に記載のカプセル型内視鏡。
39. 人体の内部に口から投入されたカプセル型内視鏡から、信号を、人体の外部へ送信する人体を通じたデータ通信方法において、
    前記カプセル型内視鏡の周表面を囲むように設置された送信電極間に電位差を発生する段階と、
    相対的に高い電位を有する送信電極から、電流を、人体の内部へ供給して、人体の表面を流した後、再び人体の内部に流れ込む電流を、相対的に低い電位を有する送信電極にシンクする段階と、
    前記人体の表面を流れる電流により、人体の表面に装着された受信電極間に電圧を誘起する段階と、
    を含むことを特徴とする人体を通じたデータ通信方法。
40. 前記カプセル型内視鏡は、送信信号がデジタル信号の「１」であると、前記送信電極の一方の電極から他方の電極に電流を流し、送信信号がデジタル信号の「０」であると、前記他方の電極から一方の電極に電流を流すことにより、前記送信電極の極性を変えることを特徴とする請求項３９に記載の人体を通じたデータ通信方法。
41. 前記電流の大きさは、前記送信電極のそれぞれに直列に接続された抵抗によって、制限されることを特徴とする請求項３９に記載の人体を通じたデータ通信方法。
42. キャパシタが、前記抵抗のそれぞれに並列に接続されることを特徴とする請求項４１に記載の人体を通じたデータ通信方法。