JP4251819B2 - 生体内信号源の位置を探知するアレーシステム及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、生体内カメラシステムに係わり、特に、そのような生体内カメラシステムの位置を特定するためのシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
様々な生体内測定システムが従来から知られている。これらのシステムは、データを収集してそのデータを受信システムに送信する服用可能な電子カプセルを有している。蠕動によって消化系を通過して移動するこれらのカプセルは、ｐＨを測定する“ハイデルベルク”（Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ）カプセル、温度を測定する“コア・テンプ”（ＣｏｒｅＴｅｍｐ）カプセル、腸内の圧力を測定する他のカプセルを含んでいる。また、これらのカプセルは、食物が胃および腸を通過するために要する時間である胃の滞留時間および腸の通過時間を測定するために使用されてきた。
【０００３】
一般に、腸カプセルは、測定システムおよび送信システムを有しており、送信システムは、無線周波数で測定されたデータを受信システムに送信する。他のシステムでは、カプセル内の記憶装置に全てのデータを記憶することができる。その後、カプセルが胃−腸（ＧＩ）系を出た後、データを読み取ることができる。
【０００４】
生体内カメラシステムが知られており、そのような公知のカメラシステムの１つは、飲み込むことができるカプセルによって運ばれる。生体内カメラシステムは、カプセルが胃−腸内腔を通過する間に、ＧＩ系の画像を捕らえて送信する。システムは、消化系の全体を通過することができ且つ自律ビデオ内視鏡として動作することができるカプセルを有している。
【０００５】
胃内および子宮内の送信カプセルの位置を探知する従来の試みでは、受信器を有する移動しない患者を空間的に走査する。受信器および走査システムは、受信率が最高の位置を探知するとともに、カプセルの経路をプロットする、この場合、最も強い信号が受信される場所にカプセルがあることが前提である。これらの試みでは、携帯できず且つ市販されていない実験室の装置が使用される。
【０００６】
生体内カプセルの位置を探知する他の試みでは、カプセルがＧＩ系を通過する間の信号変化の統計が解析される。カプセルが内腔の特定の重要な場所を通過する間に、大きな信号レベル変化を観測することができ、これらの変化は、特定の解剖学的な特徴に関連付けられる。この方法は、本質的に不正確である、というのは、ＧＩ系の解剖学的に重要な場所が、基準となる固定のフレームに対して強く位置付けられていないからである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一部として、複数のアンテナ素子を有するアンテナアレーがある。アンテナアレーは体に固定でき、２つ以上のアンテナ素子は、生体内信号源から信号を受信できる。受信信号の信号強度が測定でき、信号強度の測定値から、信号源の推定位置が得られる。
【０００８】
本発明の主題は、特に、明細書のはじめの部分で指摘され、明確に主張されている。しかしながら、容器を伴う構成と動作方法に関する本発明、その特徴および利点は、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことによって最も良く理解できる。
【０００９】
図を簡単且つ明瞭にするため、図面に示される要素は、必ずしも一定の寸法で描かれていないことは理解されよう。例えば、明確にするため、幾つかの要素の寸法は、他の要素に対して誇張されている場合がある。また、適当であると見なされる場合には、対応するまたは類似の要素を示すために、図面間で参照符号が繰り返される場合がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以下の詳細な説明においては、本発明を完全に理解できるように、多数の特定の細目が示されている。しかしながら、当業者であれば分かるように、本発明は、これらの特定の細目がなくても、実施できる。他の例では、本発明が曖昧とならないように、良く知られた方法、手続き、構成部品および回路を詳細に説明していない。
【００１１】
特に具体的に述べられていない場合、以下の説明から明らかなように、明細書の全体にわたって、“処理”、“計算”、“演算”、“決定”等の用語を使用した説明は、計算システムのレジスタそして／またはメモリ内の電子的などの物理量として表わされたデータを操作および／または、そのようなデータを計算システムのメモリ、レジスタあるいはそのような他の情報記憶・送信・表示装置の物理量として表わされる類似の他のデータに変換するコンピュータ、計算システム、あるいは類似の電子計算装置の動作および／または処理を示していると考えられる。
【００１２】
本発明の実施形態は、種々の動作を実行する装置を有することが出来る。この装置は、特に、所望の目的のために構成されていても良く、あるいは、コンピュータに記憶されたコンピュータプログラムによって選択的に動作されまたは再構成される汎用コンピュータを備えていても良い。そのようなコンピュータプログラムは、以下に限定されないが、フロッピー（登録商標）ディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスクを含む任意のタイプのディスク、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、電気的にプログラム可能な読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的に消去可能且つプログラム可能な読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、磁気カードまたは光カード、あるいは、電子命令を記憶するのに適し且つコンピュータシステムバスに接続可能な他の任意のタイプの媒体等のコンピュータで読み取ることができる記憶媒体に記憶される。
【００１３】
本明細書に示されたプロセスや表示は、本質的に、任意の特定のコンピュータや他の装置に関するものではない。本明細書の教示に従うプログラムとともに、様々な汎用システムが使用されても良く、あるいは、所望の方法を実行する特定の装置を構成しても好都合である。これら様々なシステムの所望の構造は、以下の説明から明らかになる。また、本発明の実施形態は、任意の特定のプログラム言語に関して説明されない。様々なプログラム言語を使用して本明細書に記述する本発明の教示を実施しても良いことは理解されよう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１Ａおよび図１Ｂを参照する。図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、本発明の一部として、装着型アンテナアレーすなわちアンテナアレーベルト１０を使用して、生体内信号源の位置を探知できる。アンテナアレーベルト１０は、患者に巻き付けられて信号レコーダ２０に取り付けられるようになっている。別の実施形態は、接着剤を有するアンテナ素子を含んでおり、アンテナ素子を生体上の部位に接着することができる。アレーの各アンテナ素子１０ａから１０ｚは、同軸ケーブルを介して、レコーダ２０に接続するコネクタに接続できる。各アンテナ素子１０ａから１０ｚは、ループアンテナであっても良く、あるいは、当該分野で知られた他の任意の構成でも良い。
【００１５】
一実施形態において、アンテナアレーベルトは、一般に、被検者の中央部分に位置する８個のアンテナ素子を有している。例えば、アンテナ素子を以下のように位置させることができる。第１のアンテナ素子は、右第７肋間筋と右中央鎖骨線との交差部上に位置し、第２のアンテナ素子は、剣状突起上に位置し、第３のアンテナ素子は、左第７肋間筋と左中央鎖骨線との交差部上に位置し、第４のアンテナ素子は、臍の高さにある右腰領域上に位置し、第５のアンテナ素子は、臍の上側に位置し、第６のアンテナ素子は、臍の高さにある左腰領域上に位置し、第７のアンテナ素子は、右中央領域上に位置し、第８のアンテナ素子は、左中央領域上に位置する。他の位置にアンテナを配置しても良く、また、アンテナを別の個数使用しても良い。例えば、アンテナアレーを被検者の背中に配置しても良い。
【００１６】
また、図２に示されるように、データレコーダ２０は、データ記憶装置２２を有する他、受信機２１、信号強度測定装置２４、処理装置２６およびアンテナセレクタ２５を有することが出来る。他の実施形態において、データレコーダ２０は、他の構成要素の組み合わせを有していても良く、前述した構成要素が他の装置間で分割されても良い。信号強度測定装置２４は、１０ａから１０ｚまでの各アンテナ素子より受信器２１によって受信した信号の信号強度を測定することができ、処理装置２６は、受信した信号と信号源の推定場所とを関連付ける演算を行なうことができる。アンテナセレクタ２５は、受信機２１が信号を受信する単一のアンテナ素子への信号経路を開くことができる。アンテナセレクタ２５を、アンテナ部材１０ａから１０ｚの全て又は一部を走査するように調整することが出来る。走査速度および走査パターンを、受信信号の信号対雑音比が最大となるように調整できる。
【００１７】
図３には、本発明の一実施形態に係る生体内信号源１００の例が示されている。信号源１００は服用可能なカプセルである。カプセル１００は、温度センサ１１０ａ、ｐＨセンサ１１０ｂ、光センサ１１０ｃ等の複数のセンサを有することが出来る。他のセンサまたはセンサのセットを使用しても良い。センサ１１０は、例えばデータ送信機１２０にデータを供給することができる。ビーコン１３０は、断続的なビーコン信号を送信することができ、また、ビーコン１３０に、データ送信器１２０がデータ信号を送信すると同時もしくは略同時に送信するように指示することが出来る。一般に、データ送信機１２０は、ビーコン１３０よりも高い周波数で送信するが、そうでなくても良い。本発明の一実施形態において、データ送信機１２０は、変調されていない信号をビーコン信号として送信することができる。一実施形態において、カプセルは、当該分野で記載された実施形態に類似し、あるいは、類似する構成要素を備えていても良い。
【００１８】
図４には、ベルト１０すなわち本発明の実施形態に係る粘着性のアンテナアレーを装着した人間の胴の拡大図が示されている。また、生体内信号源１００の推定場所が現われている。この場所は、半径がＲ１、Ｒ２、Ｒ３の３つの円の交点として示されている。各半径の値はそれぞれ、各アンテナ素子１０ｋ、１０ｆ、１０ｇからの信号源１００の推定距離の値である。距離の値を、信号強度測定装置２４によって実行された信号強度測定に基づいて処理装置２６によって計算できる。例えば、定位信号データの処理に使用される伝搬条件として、放射減衰が体内でリニアであることを前提としている。これは、以下の方程式に等しい。
【数１】

【００１９】
ここで、ｒはカプセルとアンテナとの間の距離（ｃｍ）であり、Ｉ_０はカプセルでの信号レベル（ｄＢｍ）であり、Ｉｒはｒでの信号レベル（ｄＢｍ）であり、αは吸収係数（ｄＢ／ｃｍ）である。動作周波数範囲（２００から５００ＭＨｚ）において、また、送信機と受信機との間の中間距離においては、すなわち、２から２．５波長の半分の波長距離においては、線形減衰を前提とすることは妥当である。信号源での信号レベルおよび各アンテナで測定される信号レベルが分かれば、信号源とアンテナとの間の距離を得ることができる。
【００２０】
図４に示される一般的な信号源三角測量技術は、良く知られている。しかしながら、完全を期すため、本発明に係る生体内信号源の位置を推定する方法の更なる他の例を以下に示す。
【００２１】
図５には、３つのアンテナ素子１０ｄ、１０ｐ、１０ｑで受信した信号に関する３つの信号ベクトルが示されている。臍に中心を持つ３つの座標系の原点を始点として、各信号ベクトルは各アンテナ素子の方向を示し、受信信号強度に関連する大きさを有している。各信号ベクトルは、原点から各アンテナ素子が位置する点までの方向性ベクトルと、正規化された受信信号値との積として計算できる。正規化された信号強度値は、測定された各信号強度値を最も強い測定値で除算することによって計算できる。これによって、最も強い測定値が１に正規化され、残りが１よりも小さい値に正規化される。したがって、最も強い信号レベルを受信するアンテナ素子を指し示す信号ベクトルが、方向性ベクトルと同一のように見える。他の信号ベクトルは、方向性ベクトルよりも短い。
【００２２】
信号源１００の推定点すなわち場所は、全ての信号強度ベクトル、位置ベクトルのベクトル和として測定できる。信号ベクトルは、２つ以上のアンテナ素子１０ａから１０ｚに関して計算できる。信号ベクトルは、図６に示されるように、胴の前面に配置されたアンテナ素子のみに関して計算することができる。また、信号ベクトルは、体の背中に配置されたアンテナ素子に関しても計算できる（図１Ｂ）。図６において、信号源１００の位置である推定された点は、体内にある。一般に、位置ベクトルは、３次元系の原点を始点とし、体内の点で終端する。
【００２３】
本発明の一部として、絶対座標の組を使用して、例えばセンチメートルやインチ等の標準的な単位で体における点を測定しても良い。あるいは、体における解剖学的な点に対して値を割り当て、その後、結果を正規化することもできる。例えば、臍に配置されたアンテナ素子に座標組０、０を与えても良く、臍の高さにある胴の右端に配置されたアンテナ素子に座標組５、０を与えても良く、胴の左端に配置されたアンテナ素子に−５、０であっても良い。距離の値すなわちベクトルの大きさは、これらの座標組を使用して計算することができる。そして、その後、値は、体の実際の寸法に適合するように比例的に調整できる。例えば、前述した座標に基づいて２．５インチの距離の値を計算したが、後に、臍から右端まで実際に体が７単位であることを測定した場合、２．５の距離の値を同じ割合７／５に調整することができる。
【００２４】
最も強い２つ又は３つの信号源だけを使用して、それよりも弱い信号強度値を拒絶し、信号ベクトルすなわち位置の推定の基本となる距離の値を計算できる。最も強い信号のグループを特定すると、第２の信号強度測定を行なっても良い。処理装置は、最も大きな一部のベクトルに関して従来のベクトル和演算を行い、比較的小さい信号ベクトルに関して加重和演算を行なうようにしても良い。他の演算を用いて、収集された信号の他の操作を行なっても良い。
【００２５】
アンテナセレクタ２５は、最も強い信号を受信したアンテナ素子だけの走査を行ない、他の全てのアンテナを排除するように調整しても良い。弱い信号を供給するアンテナからの信号情報を排除または拒絶することによって、一般に、信号対雑音比が増大する。
【００２６】
しかしながら、他の実施形態において、多くのアンテナ素子に関して位置ベクトルすなわち距離の値を計算でき、図７に示すように大きさが比較的小さい信号ベクトルに削減／加重因子を掛け合わせても良い。
【００２７】
生体内信号源の推定位置は、連続的または半連続的に探知できる。信号源に対する瞬間的速度ベクトルは、位置情報を使用して計算できる。例えば、速度ベクトルは、第１の位置ベクトルの先端を始点とし且つ連続する位置ベクトルの先端で終端するベクトルである。あるいは、信号源の速度は、位置の導関数として計算でき、方向は、データレコーダ２０に機能的に関連付けられたディスプレイまたはグラフ上にプロットできる。
【００２８】
本発明の実施形態においては、不良のアンテナ素子を検出するための付加的な手続きが実行できる。アンテナ素子が不良であると判断された場合には、全体の経路を無効として良い。そのような手続きの例においては、各アンテナに関して、全てのフレーム（廃棄されていない場合）に対する読み取りが２つのビンに集められ、例えば、ビン１＝０から４０の範囲の読み取り数、ビン２＝４１から２５５の範囲の読み取り数、あるいは、ビン１＝０から１０７の範囲の読み取り数、ビン２＝１０８から２５５の範囲の読み取り数となる。結果は、２つのビンの８ヒストグラムであり、各アンテナに関して１つである。ビン１／（ビン１＋ビン２）＞０．７５である場合、アンテナは不良である。それ以外、アンテナは良好である。全てのアンテナが良好の場合、経路は妥当であると判断される。また、ｔｈＲｅｃｅｐｔｉｏｎ（ｎ）＜６０（第１の例の場合）あるいは、ｔｈＲｅｃｅｐｔｉｏｎ（ｎ）＜１１７（第２の例の場合）の場合、そのセンサの読み取りを廃棄することができる。
【００２９】
ここでは、本発明の特定の特徴について図示して説明してきたが、当業者であれば、多くの変形、置換、変更、等価物を想起し得る。したがって、頭書の請求の範囲がそのような全ての変形や変更を本発明の精神の範囲内にあるものとして含むことを意図していると考えるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明の実施形態によるアンテナアレーを装着した人物を示している。
【図１Ｂ】本発明の実施形態によるアンテナアレーを装着した人物を示している。
【図２】本発明の実施形態によるデータレコーダを示している。
【図３】本発明の実施形態による生体内信号源を示している。
【図４】本発明の実施形態によるアンテナアレーを装着した胴体および信号源の推定点を示している。
【図５】２次元平面の３つの信号ベクトルを示している。
【図６】３次元空間の３つの信号ベクトルを示している。
【図７】信号ベクトルに対する加重関数のグラフを示している。
【符号の説明】
１０ アンテナアレーベルト
１０ａ、１０ｂ、 １０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、１０ｏ、１０ｐ、１０ｑ、１０ｒ、１０ｓ、１０ｔ、１０ｕ、１０ｖ、１０ｗ、１０ｘ、１０ｙ、１０ｚ アンテナ素子
２０ 信号レコーダ
２１ 受信機
２２ データ記憶装置
２４ 信号強度測定装置
２５ アンテナセレクタ
２６ 処理装置
１００ 生体内信号源
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ センサ
１２０ データ送信機
１３０ ビーコン

Claims (11)

1. 生体内胃腸カプセル信号源の位置を体の寸法に適合するように探知するシステムであって、
   アンテナ素子が、臍の上側に位置する１つのアンテナ素子を含み、
   さらに、右第７肋間筋と右中央鎖骨線との交差部上に位置するアンテナ素子と、剣状突起上に位置するアンテナ素子と、左第７肋間筋と左中央鎖骨線との交差部上に位置するアンテナ素子、臍の高さにある右腰領域上に位置するアンテナ素子と、臍の高さにある左腰領域上に位置するアンテナ素子と、右中央領域上に位置するアンテナ素子と、左中央領域上に位置するアンテナ素子からなるアンテナ素子のグループから選択された一つ以上のアンテナ素子からなるアンテナアレーと、
   前記アンテナアレーに接続され、２つ以上の前記アンテナ素子で前記カプセル信号源から受信した信号の信号強度を測定するようになっている信号強度検出器と、
   該信号強度検出器によって測定された前記信号の信号強度に基づいて前記カプセル信号源の位置を判断する処理装置とを備えるシステム。
2. アンテナセレクタを更に備える請求項１に記載のシステム。
3. 前記複数のアンテナ素子の各サブセットが、体の近傍に中心を持つ座標系の中に既知の座標の組を有する点の近傍に配置されている請求項２に記載のシステム。
4. 前記処理装置が、各信号強度の測定に関連付けられた距離の値を計算するようになっている請求項３に記載のシステム。
5. プロセスが、距離の値に基づいて、信号源の位置を推定するようになっている請求項４に記載のシステム。
6. 前記処理装置が、受信した各信号に関して信号ベクトルを計算するようになっている請求項３に記載のシステム。
7. 前記処理装置が、計算されたベクトルのベクトル和を実行するようになっている請求項６に記載のシステム。
8. 前記処理装置が、計算されたベクトルのサブセットに対して、従来のベクトル和演算を実行するようになっており、サブセットは最大のベクトルから成り、処理装置は、サブセットのベクトルよりも比較的小さい信号ベクトルに対して加重和演算を実行するようになっている請求項７に記載のシステム。
9. 信号源のおおよその座標の組を表示するようになっている表示装置を更に備える請求項８に記載のシステム。
10. 表示装置が、体の描写と、信号源のおおよその座標の組を示すポインタを表示するようになっている請求項９に記載のシステム。
11. アンテナアレーが８個のアンテナ素子を備える請求項１に記載のシステム。

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