JP4339798B2 - 人体を通じた通信システムにおけるデータ受信方法及び受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、人体を通じた通信システムにおけるデータ受信方法及び受信装置に関し、特に、複数の受信電極を使用することで、受信する情報の質を高め、人体内部にある感知装置の位置情報を把握し得る、人体を通じた通信システムにおけるデータ受信方法及び受信装置に関する。

人体の内部から医療情報を収集するための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転送する技術も非常に重要である。

一般の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が、内視鏡施術を受ける患者にひどい苦痛を与えるという深刻な問題があった。

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だけで、内視鏡のカメラが捉えた人体の内部の映像データを、外部の受信装置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及び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。そこで、本出願人は、人体を導体として低周波電流により人体内部のデータを人体の外部に送信し得る人体を通じた通信システムを開発した。

前記人体を通じた通信システムにおいては、人体の内部に投入されたカプセル型内視鏡の表面に形成された送信電極間の電位差により電流が発生する。この電流が人体を通して流れると、人体の表面に装着された２つの受信電極間に電圧が誘起され、これによって、受信装置が人体内部のデータを受信する。

図１は、カプセル型内視鏡と、２つの受信電極を有する受信装置とを含む人体を通じた通信システムを示す。図１に示したように、カプセル型内視鏡１０は人体の内部１に位置し、受信装置２０は人体の外部に位置する。カプセル型内視鏡１０の両端の表面には送信電極１１がそれぞれ形成されており、受信装置２０は、人体の表面に接触している２つの受信電極３０と接続されている。カプセル型内視鏡１０により収集された医療情報が信号処理された後、２つの送信電極１１間に電位差が発生すると、体液に接触している送信電極１１が、閉ループを形成して、人体２を通して電流を流す。この電流は、人体の表面を流れて、人体の表面に装着された２つの受信電極３０間に電圧を誘起する。この誘起電圧は、受信電極３０間の距離及び電流の大きさに比例する。このように誘起電圧が誘起されることで、人体の内部からカプセル型内視鏡１０が送信した信号を、人体外部の受信装置が感知することができるようになる。

しかしながら、このように２つの受信電極のみを使用する場合、電流の方向が受信電極の配置方向に対して垂直になると、受信電極間に電圧が、誘起されないか、又は非常に小さな電圧総量しか誘起されないことになる。このため、人体内部のカプセル型内視鏡から送信された信号を、人体外部の受信装置が正確に受信しできないという問題があった。

即ち、カプセル型内視鏡１０が図１の（Ａ）方向に位置すると、２つの受信電極３０が配列された方向と送信電極１１の方向とが一致する。この場合、２つの受信電極３０間に最大の電流が流れるため、受信感度は良好である。一方、カプセル型内視鏡１０が（Ｂ）方向に位置すると、２つの受信電極３０が配列された方向と送信電極１１の方向とが垂直になる。この場合、２つの受信電極３０間に電流が流れないため、受信装置２０は、カプセル型内視鏡１０が送信した信号を受信することができない。従って、受信電極３０は固定されているが、送信電極１１の配列方向は随時変更するため、受信感度が時間経過と共に変化して、送信された信号が消失するなど、受信情報の質が低下するという問題があった。

また、２つの受信電極のみを使用する場合、カプセル型内視鏡が、人体内部のどの位置にいるのか等、その位置情報を検出することができないため、カプセル型内視鏡を効率的に使用できないという問題があった。例えば、カプセル型内視鏡が消化器官内の異常徴候を検出したとき、その検出時点でのカプセル型内視鏡の位置を把握することで、正確な手術が可能になる。

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、人体を通じた通信システムにおいて、最適な受信感度でデータを受信することができ、人体の内部にあるカプセル型内視鏡の位置情報を導き出して、医療情報として活用し得る、人体を通じた通信システムにおけるデータ受信方法及び受信装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するための本発明に係る人体を通じた通信システムにおけるデータ受信方法は、人体の内部を移動して人体内部の情報を収集する感知装置から送信される信号を人体を通じて受信する人体通信システムにおけるデータ受信方法であって、人体の表面に装着される複数の受信電極から、前記感知装置により信号電圧が誘起される受信電極対を順次選択する段階と、前記選択された受信電極対の信号電圧値を処理してメモリに保存する段階と、前記メモリに保存された信号電圧値に対して所定の演算を行って、最適な受信電極対を選択する段階と、前記メモリに保存された信号電圧値のうち、前記最適な受信電極対に対応する信号電圧値に対して画像処理を行う段階と、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通信システムにおける受信装置は、人体の内部を移動して人体内部の情報を収集する感知装置から送信される信号を人体を通じて受信する人体通信システムにおけるデータ受信装置であって、人体の表面に装着される複数の受信電極と、前記複数の受信電極から、前記感知装置により信号電圧が誘起される受信電極対を順次選択するスイッチング手段と、前記スイッチング手段により選択された受信電極対の信号電圧値を処理する処理手段と、前記処理された信号電圧値を保存するメモリと、前記メモリに保存された信号電圧値から最大値を算出する比較演算手段と、前記スイッチング手段及び前記比較演算手段を制御して、前記最大値を発生する受信電極対を通信用電極として選択する制御手段と、前記制御手段により選択された受信電極対の信号電圧値を画像処理する画像処理手段と、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２は、人体の表面に装着された複数の受信電極の平面図である。図２に示したように、８個の受信電極が、人体の表面、例えば、胸、ヘソ部位、背中の上側、背中の下側、両脇、両横腹などにそれぞれ装着されている。前述したように、カプセル型内視鏡１０の送信電極１１間の電位差により発生した電流が、人体を通して複数の受信電極に届くと、任意の２つの受信電極間における電流の大きさと距離に比例した電圧が誘起される。

図２を参照して、例えば、受信電極対として、受信電極１、２を考慮すると、その受信電極１、２間で、最大電圧が検出される。これは、カプセル型内視鏡１０の送信電極１１の配列方向と、受信電極１、２の配列方向とが一致しており、カプセル型内視鏡１０と受信電極との距離が最も近接しているいためである。一方、受信電極対として、受信電極３、４又は受信電極７、８考慮すると、その各受信電極間では電圧が検出されない。これは、送信電極の配列方向と受信電極の配列方向とが垂直をなしているからである。また、受信電極対として、受信電極５、６を考慮すると、その受信電極間の電圧は受信電極１、２よりも小さい。これは、送信電極の配列方向と受信電極の配列方向とが一致しているが、カプセル型内視鏡１０との距離が受信電極１、２に比べて遠いためである。

前述のように、全ての受信電極対の電圧を測定及び比較することによって、本発明の一実施形態に係る方法及びデータ受信装置は、受信電極１、２間の電圧が最大であるという事実から、良好な受信感度を示す受信電極１、２を選択する。また、受信電極１、２の電圧が受信電極５、６の電圧よりも大きいという事実から、カプセル型内視鏡が受信電極１、２に最も近接していることを知ることができる。

人体の内部でのカプセル型内視鏡の正確な位置は、所定の時間間隔で各受信電極対において感知される電圧を比較及び演算して導き出すことができる。また、その導き出した内視鏡の位置を連続的に表示することで、カプセル型内視鏡１０が、人体の内部を移動した経路、速度及び方向などを知ることができるようになる。

本発明の一実施形態においては、平面的に配列された複数の受信電極を一例に挙げて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。複数の受信電極を人体の上下、前後及び左右に分布配置することで、カプセル型内視鏡の３次元的位置及び方向を導き出すこともできる。

図３は、本発明の一実施形態に係る複数の受信装置を有する受信装置を示したブロック図である。図３に示したように、Ｎ個の受信電極が受信装置３０の第１スイッチング回路２１及び第２スイッチング回路２２にそれぞれ接続されている。第１スイッチング回路２１の出力線は、差動増幅器２３の＋端子に接続され、第２スイッチング回路２２の出力線は、差動増幅器２３の−端子に接続されている。スイッチング回路２１、２２は、制御回路２８の制御下でＮ個の受信電極からの入力のうち、それぞれ１つのみを選択する。

以下、前記受信装置３０の動作を詳細に説明する。まず、第１スイッチング回路２１が受信電極１を選択し、第２スイッチング回路２２が受信電極２を選択すると、受信電極１、２間の信号電圧が、差動増幅器２３に入力されて、増幅される。その増幅された信号は、帯域通過フィルタ２４を通過することによってノイズが除去される。帯域通過フィルタ２４を通過した信号は、Ａ／Ｄコンバータ２５でデジタル信号に変換されてメモリ２７に保存される。次に、第１スイッチング回路２１が受信電極１の選択を維持したままで、第２スイッチング回路２２が受信電極３を選択し、前述の過程を通じて、受信電極１、３間の信号電圧がメモリ２７の他のアドレスに保存される。引き続き、第１スイッチング回路２１が受信電極１の選択を維持したままで、第２スイッチング回路２２が受信電極４、５、．．．、Ｎを選択することによって、受信電極１と他の受信電極間の信号電圧がメモリ２７にそれぞれ保存される。

同様に、第１スイッチング回路２１が受信電極２を選択し、第２スイッチング回路２２が他の受信電極１、３、．．．、Ｎを順次選択することによって、受信電極２と他の受信電極間の信号電圧がメモリ２７にそれぞれ保存される。このように、第１スイッチング回路２１が受信電極３、４、．．．、Ｎを順次選択し、第２スイッチング回路２２が他の受信電極を順次選択することによって、最終的に（Ｎ−１）^２個の信号電圧がメモリ２７に保存される。もちろん、受信電極間の信号電圧を、数回（２回以上）サンプリングして平均値を保存するようにしてもよく、又は所定時間の間の電圧波形の平均値を保存することもできる。また、メモリの容量と時間を節約するため、１回選択された受信電極対を、再び選択しないようにすることで、_ｎＣ_２個の受信電極対を選択することもできる。

比較演算回路２９は、メモリ２７に保存された信号電圧値を比較して、最大値を検出する。この演算回路２９の結果から、カプセル型内視鏡の方向が、最大値を発生した受信電極対の配列方向と相似していることを知ることができる。また、比較演算回路２９は、メモリ２７に保存された信号電圧値を比較及び演算して、カプセル型内視鏡１０の３次元的位置を導き出し、これを再びメモリ２７に保存することができる。

制御回路２８は、最大の受信電圧を発生する受信電極対を通信用電極として選択することで、最も良好な受信感度で人体内部のカプセル型内視鏡１０が送信する信号を受信することができるようになる。さらに詳細には、最大の受信電圧を発生する受信電極対の信号電圧値が、画像処理回路２６で処理されるようになる。

前述したような受信電極対の組み合わせ過程、信号電圧の処理過程、比較及び演算過程、最適な受信電極対の選択過程などが、非常に高速度（１０ｍｓｅｃ以内）且つ所定の時間間隔（５秒毎に）で繰り返し行われる。従って、カプセル型内視鏡１０が送信する情報を常に最適な受信電極対を通じて受信することができるようになる。また、計算された位置情報をメモリ２７に順次保存することで、カプセル型内視鏡１０の人体内部での移動経路、速度及び方向などを測定することができるようになる。

以上説明したように、本発明は、複数の受信電極を有する受信装置において、人体を通信用導体として利用するカプセル型内視鏡から送信される情報を、最適な受信感度で受信することができる。従って、受信情報の質を高めるだけでなく、カプセル型内視鏡の人体内部における移動経路、速度及び方向を把握することができ、これを有用な医療情報として活用し得るという効果がある。

人体を通じた通信システムにおいて、データの受信時に発生する問題点を示した説明図。 本発明の一実施形態に係る人体の表面に装着された複数の受信電極を示した平面図。 本発明の一実施形態に係る受信装置を示したブロック図。

Claims (12)

1. 人体の内部を移動して人体内部の情報を収集する感知装置から送信される信号を人体を通じて受信する人体通信システムにおけるデータ受信方法において、
   人体の表面に装着される複数の受信電極から、前記感知装置により信号電圧が誘起される受信電極対を順次選択する段階と、
   前記選択された受信電極対の信号電圧値を処理してメモリに保存する段階と、
   前記メモリに保存された信号電圧値に対して所定の演算を行って、最適な受信電極対を選択する段階と、
   前記メモリに保存された信号電圧値のうち、前記最適な受信電極対に対応する信号電圧値に対して画像処理を行う段階と、
   を含むことを特徴とする人体通信システムにおけるデータ受信方法。
2. 前記選択された受信電極対の信号電圧値を処理する段階が、
   前記信号電圧値を増幅する段階と、
   前記増幅された信号からノイズを除去する段階と、
   前記ノイズが除去されたアナログ信号をデジタル信号に変換する段階と、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の人体通信システムにおけるデータ受信方法。
3. 前記メモリに保存された信号電圧値が、２回以上サンプリングして得られた信号電圧値の平均、又は所定時間の間の電圧波形の平均に基づくものであることを特徴とする請求項１記載の人体通信システムにおけるデータ受信方法。
4. 前記メモリに保存された信号電圧値のうち、最大値に対応する受信電極対を、前記最適な受信電極対として選択することを特徴とする請求項１記載の人体通信システムにおけるデータ受信方法。
5. 前記最適な受信電極対の位置から前記感知装置の位置情報を計算して、該位置情報を前記メモリに順次保存する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の人体通信システムにおけるデータ受信方法。
6. 前記感知装置の移動経路、速度及び方向が、前記位置情報から導き出されることを特徴とする請求項５記載の人体通信システムにおけるデータ受信方法。
7. 人体の内部を移動して人体内部の情報を収集する感知装置から送信される信号を人体を通じて受信する人体通信システムにおけるデータ受信装置において、
   人体の表面に装着される複数の受信電極と、
   前記複数の受信電極から、前記感知装置により信号電圧が誘起される受信電極対を順次選択するスイッチング手段と、
   前記スイッチング手段により選択された受信電極対の信号電圧値を処理する処理手段と、
   前記処理された信号電圧値を保存するメモリと、
   前記メモリに保存された信号電圧値から最大値を算出する比較演算手段と、
   前記スイッチング手段及び前記比較演算手段を制御して、前記最大値を発生する受信電極対を通信用電極として選択する制御手段と、
   前記制御手段により選択された受信電極対の信号電圧値を画像処理する画像処理手段と、
   を含むことを特徴とする人体通信システムにおけるデータ受信装置。
8. 前記スイッチング手段が、前記複数の受信電極にそれぞれ接続されて異なる受信電極対を順次選択する第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路を含むことを特徴とする請求項７記載の人体通信システムにおけるデータ受信装置。
9. 前記処理手段が、
   前記スイッチング手段から出力された信号電圧値を増幅する差動増幅器と、
   前記増幅された信号からノイズを除去する帯域通過フィルタと、
   前記ノイズが除去されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、
   を含むことを特徴とする請求項７記載の人体通信システムにおけるデータ受信装置。
10. 前記メモリに保存された信号電圧値が、２回以上サンプリングして得られた信号電圧値の平均、又は所定時間の間の電圧波形の平均に基づくものであることを特徴とする請求項７記載の人体通信システムにおけるデータ受信装置。
11. 前記比較演算手段が、前記最大値を発生する受信電極対の位置から前記感知装置の位置情報を計算して、該位置情報を前記メモリに順次保存することを特徴とする請求項７記載の人体通信システムにおけるデータ受信装置。
12. 前記感知装置の移動経路、速度及び方向が、前記位置情報から導き出されることを特徴とする請求項１１記載の人体通信システムにおけるデータ受信装置。

Images