JP5203958B2 - 生体内画像化装置 - Google Patents

Description

本発明は生体内画像化装置に関し、特に改善した光学設計による生体内画像化装置に関する。

公知の装置は、生体内画像化の提供に有用な場合がある。飲込可能もしくは摂取可能なカプセルまたは他の装置のような自律型の生体内画像化装置は、身体内腔を通じて移動し、移動時に画像化可能である。これらの装置のうちの幾つかは、画像データを送信するように無線接続を使用する。
国際公開第ＷＯ０１／６５９９５号パンフレット 米国特許第５，６０４，５３１号明細書

現在の生体内画像化装置は、特定の身体内腔に限定されることがある画像化能力を提供する。しかし身体内腔の変化するサイズに適合するためには、異なる光学設計が必要な場合がある。

本発明によれば、少なくとも１つの画像化器と、付随する光学システムを備える生体内画像化装置が提供される。少なくとも光学システムは、画像化装置の光学ドーム内に位置する。光学ドームは先端を有する。光学システムは光学レンズを具備する。光学システムは所定の有効焦点距離ｆを有する。光学レンズは先端から距離Ｄ’に位置する。Ｄ’／ｆ≧６に設定される。

幾つかの実施形態によれば、少なくとも１つの画像化器は画素アレイを具備する。各々の画素は、所定の画素サイズｂを有する。ｂ／ｆ＝０．０１ラジアンである。
幾つかの実施形態によれば、少なくとも１つの画像化器は画素アレイを具備する。各々の画素は所定の画素サイズｂを有する。ｂ／ｆは、０．０１−０．００１５ラジアンから０．０１＋０．００１５ラジアンの範囲内にある。

幾つかの実施形態によれば、光学システムは第１光学レンズ、第２光学レンズ、第３光学レンズ、および開口絞りを備える。
幾つかの実施形態によれば、第１光学レンズは対物レンズであり、先端から距離Ｄ’に位置する。

幾つかの実施形態によれば、開口絞りは、第１光学レンズと第２光学レンズの間に位置する。第３光学レンズは、第２光学レンズと少なくとも１つの画像化器の間に位置する。
本発明は、添付の図面に関連して得られる次の詳細な記述からより完全に理解および評価されるであろう。

当然のことながら、例示の単純さおよび明瞭さに対して、図中に示される要素は、必ずしも実測するためには描かれていない。たとえば要素のうちの幾つかの寸法は、明瞭さのために他の要素に比べて誇張されている場合がある。

次の詳細な記述では、多数の特定の詳細が、本発明についての完全な理解を与えるため
に述べられる。しかし当業者には、本発明が、これらの特定の詳細なしに、実行可能であることは理解されるであろう。他の例では、本発明を不明瞭にしないように、周知の方法、手順、および構成要素は、詳細には記述されていない。

本発明の幾つかの実施形態が、自律型の、典型的には摂取可能な生体内装置に向けられることがあることを注記しておく。他の実施形態は、摂取可能である必要はない。本発明の実施形態にかかる装置またはシステムは、特許文献１または特許文献２に記述された実施形態と同様の場合があり、各々は本発明の共通の譲受人に譲渡され、各々は全体的に援用される。更に本発明の実施形態による使用に適した受信および／または表示システムもまた、特許文献１または特許文献２に記述された実施形態と同様の場合がある。ここに記述されるような装置およびシステムは、他の構成および他の構成要素の組を具備可能である。

図１は、本発明の実施形態にかかる生体内画像化装置４０、外部受信器９０、および送受信器３１の実施形態の模式図を示す。一実施形態では本システムの画像化装置４０は画像化器３６，３６’、光学システム（２４，２０４）、および照明源３４を具備可能である。画像化器３６，３６’はたとえばＣＭＯＳやＣＣＤである。光学システム（２４，２０４）は、レンズホルダ３２，３２’、レンズ（２０８，２０８’，２０８’’；２０９，２０９’，２０９’’）、および他の光学要素を具備することがある。照明源３４は、一または複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、または他の適切な光源である。

一実施形態によれば、画像化器３６，３６’、光学システム（２４，２０４）、および照明源３４は、覗き窓３０の後方に位置する。覗き窓３０は、透明な細長いドームであることが可能である。本装置は、酸化銀電池、リチウム電池、高エネルギ密度などを有した他の適切な電気化学電池のような動力源を具備可能である。他の動力源も使用可能である。たとえば内部動力源の代わりに、またはそれに加えて外部動力源が、画像化装置４０に電力を送るために使用可能である。幾つかの実施形態では、たとえばｐＨセンサ、温度センサ、圧力センサ、または他の生理学的特性センサのような付加的なセンサが、本装置に具備可能である。他の構成要素またはセンサも具備可能である。

内部プロセッサが画像化装置４０に備えられることも可能である。内部プロセッサはたとえば画像化装置４０によって受信される信号によって、たとえば本装置に具備可能な構成要素の動作状態を制御するか、作動させるか、停止させるか、またはそうでなければ変更可能であるコマンドまたは制御信号に処理できる。送受信器３１は、無線信号を受信する受信器と、無線信号を送信可能な送信機とのうちの一方または両方であることが可能である。幾つかの実施形態では、たとえば画像化器３６，３６’からの画像データの送信のように送信だけを行う場合がある。送受信器３１は、更に他の機能を具備可能である。幾つかの実施形態では、送受信器３１と内部プロセッサは、単一の集積回路に具備可能である。

画像化装置４０は、送受信器３１に操作可能に取付けられたアンテナを具備可能である。幾つかの実施形態では、アンテナは、送受信器３１による無線信号の受信と送信の両方、またはその動作に使用可能である。他の実施形態では、一または複数のアンテナが存在可能である。幾つかの実施形態では、画像化装置４０は、信号を送信するが、受信しないことも可能である。付加的なセンサまたは他の構成要素は、必ずしも備えられる必要はない。

本発明の一実施形態によれば、画像化装置４０は、２つの光学ユニットを具備可能である。各々の光学ユニットは、たとえば透明な細長いドーム３０を具備可能であり、後方に
は照明源３４、レンズホルダ３２，３２’、および画像化器３６，３６’が位置する。本発明の幾つかの実施形態によれば、画像化装置４０は、本装置の２つの端部から、たとえば消化管のような身体内腔の画像を同時に得ることができる。たとえば本発明の一実施形態によれば、画像化装置４０は、前方端部および後方端部を有した円筒状のカプセルであることが可能である。カプセルは消化管全体を通過できる。前方端部と後方端部は、画像化装置４０の長手方向および長手方向軸を規定可能である。レンズホルダ３２，３２’と画像化器３６，３６’は、長手方向軸に沿って位置可能である。それぞれの画像化器３６，３６’は、長手方向軸に対して垂直であることが可能である。円筒状のカプセルにおける本システムは、カプセルの前方および後方の消化管を画像化できる。画像は、同時にまたは連続的に送信され、別々にまたは単一の組合わせた画像として表示可能である。

「上端」、「下端」、「前方」、「後方」、「に亘る」、「上」などのような用語は、たとえば画像化装置４０が、見る人に対して特定の向きにあるとき、または本装置の構成要素の相対的位置について記述する相対的な用語であると考えられる。

本発明の幾つかの実施形態によれば、画像化装置４０は光ブロッカ３３，３３’のような一または複数の光ブロッカを具備可能である。これら光ブロッカ３３，３３’は、後方散乱を低減するのに適した構造を具備可能である。幾つかの実施形態において光ブロッカ３３，３３’は、迷光を画像化器３６，３６’に到達または氾濫することからブロックするように形成され、ブロックするための形状を有する。

幾つかの実施形態によれば、画像化装置４０における光学システムは、広い視野３７を可能にすることがある。
画像化装置４０の外部には、外部受信器９０と恐らく外部送信器が存在可能である。外部受信器９０と外部送信器は、同一のハウジングまたはユニットに収容または包含可能であるか、または一または複数の別個のユニットに収容可能である。外部受信器９０と外部送信機は、典型的にはアンテナもしくはアンテナアレイを備えるか、またはこれらを付随する。外部受信器９０と外部送信機は、たとえば患者によって携帯または着用されるか、または一体化可能な携帯ユニットに収容可能である。

外部受信器９０は、外部プロセッサ９２に接続されるか、または外部プロセッサ９２と電気的通信可能な状態にある。外部受信器９０は、たとえば画像化装置４０から受信した知覚データ信号または画像データ信号と、画像化装置４０から受信した制御データ信号とを処理可能である。幾つかの実施形態では、外部受信器９０は、モニタディスプレイ９３と格納器９１に操作可能に接続可能である。モニタディスプレイ９３は、画像化装置４０によって収集および送信された画像または他の知覚データを表示可能であり、格納器９１はそのようなデータを格納可能である。外部プロセッサ９２は、外部受信器９０によって受信されたデータを解析し、格納器９１と通信可能状態にあることが可能である。

外部プロセッサ９２は、格納器９１との間で画像データまたは他のデータを転送する。画像データは、たとえばフレームデータとして格納および転送可能である。外部プロセッサ９２は、ユーザが画像を見るためのディスプレイ９３に、解析データを提供可能である。ディスプレイ９３は、たとえば消化（ＧＩ）管または他の身体内腔のたとえば画像フレームデータまたは動画データのようなデータを提示または表示可能である。一実施形態において外部プロセッサ９２は、リアルタイム処理または事後処理のために構成可能である。他の監視および受信システムも使用可能である。

外部送信器は、典型的には外部プロセッサ９２に接続されるか、または外部プロセッサ９２と電気的通信可能状態にあることが可能である。外部プロセッサ９２は、外部コントローラとして少なくとも部分的に機能する。つまり外部プロセッサ９２は、たとえば送信
器を介した画像化装置４０への制御コマンドを処理する外部コントローラを具備可能である。本発明の他の実施形態では、制御コマンド以外の信号は、たとえば外部コントローラと外部プロセッサ９２によって処理され、外部送信器を介して送信可能である。更に他の実施形態では、外部コントローラと外部プロセッサ９２は、互いに電気的通信可能状態にあることが可能な別個のユニット同士であることが可能である。

本発明の幾つかの実施形態では、たとえば外部コントローラによって生成される制御コマンドは、外部受信器９０によって受信されて外部プロセッサ９２によって処理されたデータに基づくものであることが可能である。他の実施形態では、外部コントローラによって生成される制御コマンドは、ユーザ入力データに基づくものであることが可能である。たとえば患者または外部オペレータは、外部送信器から送受信器３１への無線信号またはコマンドの送信を開始可能である。更に他の実施形態では、制御コマンドは、ユーザ入力データと、外部プロセッサ９２によって受信または処理されたデータとの両方に基づくものであることが可能である。

幾つかの実施形態では、送受信器３１は、半二重送受信器であることが可能である。送受信器３１は、たとえば時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）を介して受信から送信へと交互に行う。典型的には外部受信器９０への送信速度は、外部送信器から送受信器３１への送信速度よりも著しく速いことがある。たとえば画像化装置４０は、１〜１０Ｍｂｉｔｓ／ｓの速度、たとえば２．７Ｍｂｉｔｓ／ｓの速度で外部受信器９０に画像フレームデータを送信可能である。一方、外部送信器は、１０〜３０Ｋｂｉｔｓ／ｓの速度で送受信器３１に制御コマンドを送信する場合がある。

図２は、本発明の幾つかの実施形態にかかる生体内画像化装置４０の模式図である。本発明の一実施形態によれば、画像化装置４０は、部分的または全体的に透明であることが可能である。たとえば画像化装置４０は、前方透明光学ドーム２３０と後方透明光学ドーム２３０’のような領域を具備可能である。透明光学ドーム２３０，２３０’は、画像化装置４０内部の構成要素が画像化装置４０の外部環境の非阻害視野を有することを可能にすることがある。他の形状の透明領域が使用可能である。前方透明光学ドーム２３０と後方透明光学ドーム２３０’は、画像化装置４０の長手方向と長手方向軸を規定可能である。

本発明の一実施形態によれば、透明ドーム２３０，２３０’は、それぞれ覗き窓２４０，２４０’を具備可能である。本発明の幾つかの実施形態によれば、覗き窓２４０，２４０’は、たとえば画像化装置４０へ内腔内壁を逸れて反射される、照明源２３４によって発せられた光に対してたとえば透明であることが可能である。本発明の幾つかの実施形態によれば、身体内腔壁の照明の適切な視野および領域が画像化器２３６，２３６’上への照明源２３４からの迷光または後方散乱のリスクを低減して達成可能であるように、透明ドーム２３０，２３０’が構成可能である。画像化器２３６，２３６’の両方は、長手方向軸に沿って位置する。それぞれの画像化器２３６，２３６’は、長手方向軸に対して垂直であることが可能である。本発明の幾つかの実施形態によれば、２つの覗き窓２４０，２４０’は、８０度〜１５０度の範囲内の視野２４１が有効であり、他の適切な視野が使用可能であるように構成可能である。本発明の一実施形態によれば、画像化装置４０の実効焦点距離は、典型的には０ｍｍ〜４０ｍｍの間であることが可能であるが、他の適切な距離が使用可能である。実効焦点距離は、有効焦点距離とも呼ばれる。

一実施形態では、画像化装置４０が身体内腔２７０を横断するときに、画像化装置４０は、位置２７１，２７３のような身体内腔２７０の一または複数の領域の画像を実質的に同時にキャプチャ可能である。本発明の幾つかの実施形態によれば、照明源２３４は、身体内腔２７０の位置２７１，２７３を照らすことが可能である。照らされた位置２７１，
２７３からの光は、レンズホルダ２３２，２３２’を具備可能な光学システムを使用して反射、集光、および偏向可能であり、そして画像化器２３６，２３６’によって受信可能である。よって位置２７１，２７３の画像をキャプチャ可能である。レンズホルダ２３２，２３２’は、長手方向軸に沿って位置可能である。

図３は、本発明の実施形態にかかる画像化装置４０の長手方向断面図を示す。画像化装置４０は動力源２７、送信器２８、およびアンテナ２９を具備可能である。本発明における光学距離は、身体内腔内の生体内要素または領域に入射する光線が従い、画像化器２６，２０６上の生体内要素または領域から再送信もしくは反射される経路であることが可能である。光学距離は、場合によっては焦点レンズとも呼ばれる対物レンズと、視野レンズのような随意の更に多くのレンズとを具備可能である。画像化装置４０は光学システム２４，２０４を具備可能である。光学システム２４，２０４は、たとえばレンズホルダ５４（３４）、開口絞り５２、および一または複数の光学レンズ２０８，２０８’，２０８’’；２０９，２０９’、２０９’’を具備可能である。開口絞り５２は、一または複数の光学レンズの間、たとえばレンズ２０８とレンズ２０８’の間、またはレンズ２０９とレンズ２０９’の間に挟まれるか、または光学レンズ間に配置される。一または複数の光学レンズ２０８，２０８’，２０８’’；２０９，２０９’、２０９’’は、たとえばＺＥＯＮＥＸ（商標）合成樹脂、ＣＯＣプラスチック、ＰＭＭＡなどのような材料からなることが可能である。そのような材料は、改善した光学品質、製造中の安定性、およびより良い透明性を提供可能である。レンズ２０８，２０８’，２０８’’；２０９，２０９’、２０９’’は、典型的には画像化器２６，２０６上へ再送信または反射された光線を導き集光可能である。

光学システム２４，２０４は、典型的にはレンズホルダ５４を具備可能である。レンズホルダ５４は、上部レンズ２０８，２０９を所定位置に保持し、画像化器２６，２０６を保持可能である。好ましい実施形態においてレンズホルダ５４は、たとえば上部レンズ（対物レンズ）２０８，２０９を所定位置にスナップ嵌めすることによって、レンズ２０８，２０８’，２０８’’；２０９，２０９’、２０９’’のいずれかを所定位置にロック可能である。

幾つかの実施形態によれば、画像化装置４０は光ブロッカ２２，２０２を具備可能である。光ブロッカ２２，２０２ならびにレンズホルダ５４は、反射材料によって覆われることが可能であり、その結果、たとえばセンタリングレンズ２０８’’，２０９’’によって照明を所望方向へ且つ画像化器２６，２０６から離れるように方向を変える。更にレンズホルダ５４は、画像化器（画像センサ）２６，２０６に亘って光学システムを集中させるために使用可能である。レンズホルダ５４は、本装置の製造時における、プリント基板（ＰＣＢ）への画像化器（画像センサ）２６，２０６の半田付け時に移動可能である。開口絞り５２は、２つのレンズ間に挟まれているときに開口絞り５２を確実に所定位置に固定するために突起または棘を具備可能であるが、他の適切な方法も使用可能である。

所望の視野深さＤＯＶは、開口サイズの調整によって得ることが可能である。異なる視野深さＤＯＶは、たとえば摂取可能なカプセルのような画像化装置４０を内部に配置可能な身体内腔に依存して必要とされることがある。開口サイズは、典型的には対応する開口の直径に対するレンズの焦点距離の比率であるＦ値への実質的な影響を有することがある。Ｆ値は、光学システム２４，２０４に、そして画像化器２６，２０６に入ることを許容される光量を特徴づけるパラメータである。より大きな開口サイズは、光学システム２４，２０４に、そして画像化器２６，２０６に入る光量を実質的に増大可能であり、つまりＦ値を減少可能であるが、視野深さＤＯＶを減少させる。一方、より小さな開口サイズは、Ｆ値を増大させ、視野深さＤＯＶを増大可能である。より大きな開口サイズは、画像化装置４０がたとえば結腸または胃のような多量の身体内腔を画像化するように設計されて
いるときに使用可能である。一方、より小さな開口は、たとえば小腸のようなより小さな身体内腔内を画像化するために使用可能である。

身体内腔の向上した画像化のための生体内画像化装置４０の幾つかの実施形態は、細長い光学ドーム２１，２０１を具備可能であり、光学ドーム２１，２０１はそれぞれ先端２０５を有する。細長い光学ドーム２１，２０１は、生体内画像化装置４０の長手方向軸を規定可能であり、それぞれ先端は長手方向軸上に配置可能である。レンズ２０８，２０８’，２０８’’；２０９，２０９’，２０９’’および開口絞り５２は、長手方向軸上に位置し、長手方向軸に沿って分配される。２組の光学ドーム２１，２０１および付随する光学システム２４，２０４が示されるが、１組でも使用可能である。

細長い光学ドーム２１，２０１は、各々の先端２０５から対応する画像化器２６，２０６までの第１距離Ｄによって規定される長手方向寸法を有する。画像化器２６，２０６は、長手方向軸に対して垂直であることが可能である。第１距離Ｄは、典型的には対応するレンズホルダ５４の長さＥの少なくとも２倍であることが可能である。

第２距離Ｄ’は、光学ドーム２１（または２０１）の先端２０５と、付随する光学システム２４（または２０４）との間の距離によって規定される。より正確には第２距離Ｄ’は、ドーム２１（または２０１）の先端と、対物レンズ２０９（または２０８）との間の距離である。第２距離Ｄ’は、光学システム２４，２０４の設計において重要なパラメータである場合がある。広い視野ＦＯＶは、とりわけ本発明の幾つかの実施形態に包含される次の属性の組合せによって達成可能である。つまり一または複数のレンズ２０８，２０８’，２０８’’；２０９，２０９’，２０９’’、細長い光学ドーム２１，２０１、光学ドーム２１，２０１の先端から実質的な距離に配置された一または複数の照明源２３，２０３、および光学ドーム２１，２０１から実質的な距離に配置された光学経路を有した光学システムの使用の組合わせである。

たとえば胃または結腸のような多量の身体内腔を通過して移動する画像化装置のために、視野ＦＯＶと視野深さＤＯＶは、照明源２３，２０３によって改善可能であり、その結果、距離Ｄによるより大きな生体内領域の照明を提供する。照明源２３，２０３が、個々の光学ドーム２１，２０１の後方に位置することがあるため、より大きな生体内領域が照明可能である。幾つかの実施形態によれば、距離Ｄ’は、光学システム２４，２０４の有効焦点距離ｆの６倍以上であることが可能である。つまりＤ’≧６ｆが成立する。細長い光学ドーム２１，２０１は、たとえば光学システム２４，２０４を設計する場合、たとえば対物レンズ２０８，２０９と視野レンズ２０８’’，２０９’’の間の間隔を決定する場合、考慮に入れられる光学的性質を有した半球形状の光学ドーム２１，２０１であることが可能である。様々な実施形態からの複数の特徴が、一実施形態において組合わせ可能である。１組の画像化器および画像化システムでも使用可能である。

細長い光学ドーム２１，２０１の形状は、生体内領域の適切な照明のために必要な第１距離Ｄまたは第２距離Ｄ’と、広い視野ＦＯＶと大きな視野深さＤＯＶを達成するために適切な焦点のための必要な光学特性とを提供するように最適化可能である。幾つかの実施形態によれば、画像化器２６，２０６とレンズ２０８，２０８’，２０８’’；２０９，２０９’，２０９’’の特性は、画像化装置４０の必要な性能特性を達成するために調整可能である。

図４は、画素アレイ２１０を有した画像化器２６，２０６の模式図を示す。各々の画素２１１は、所定の画素サイズｂを有する。画像化装置４０の視野ＦＯＶは、とりわけ各々の画素２１１の角度範囲に依存する。幾つかの実施形態によれば、光学システム２４，２０４の焦点距離ｆに対する画素サイズｂの比率は、０．０１ラジアンと等しい。つまりｂ／ｆ＝０．０１ラジアンである。幾つかの実施形態によれば、ｂ／ｆは０．０１−０．００１５ラジアンから０．０１＋０．００１５ラジアンまでの範囲内にあることが可能である。つまりｂ／ｆは、０．００８５ラジアン〜０．０１１５ラジアンの範囲内にあることが可能である。非限定的且つ非拘束的な例において、ｂ＝１０μｍであり、ｆ＝１ｍｍである。

本発明の或る特徴がここで図示され記述されているが、多くの修正、代用、変更、および均等物が、これから当業者に生じるであろう。従ってそれは添付の請求の範囲が、すべてのそのような修正および変更を、本発明の本当の精神に該当すべく包含するように意図されると理解されるべきである。

本発明の一実施形態かかる生体内画像化装置の正面図とシステムのブロック図による模式図。 身体内腔に位置する図１の生体内画像化装置の斜視図。 図１の生体内画像化装置の縦断面図。 図１の画像化器の正面図。

Claims (6)

1. 生体内画像化装置であって、前記生体内画像化装置は、
   少なくとも１つの画像化器と、
   付随する光学システムと
   を備え、
   それぞれ前記画像化器は、前記生体内画像化装置の長手方向軸上に位置し、さらに前記長手方向軸に対して垂直に配置され、
   それぞれ前記光学システムは前記生体内画像化装置の光学ドーム内に位置し、
   前記光学ドームは、前記長手方向軸上に位置する先端を有し、
   前記光学システムは、前記長手方向軸上に位置する対物レンズを具備し、
   前記対物レンズは有効焦点距離ｆを有し、
   前記対物レンズは前記先端から距離Ｄ’に位置し、
   Ｄ’／ｆ≧６である、
   生体内画像化装置。
2. 前記少なくとも１つの画像化器は画素アレイを具備し、
   各々の画素は画素サイズｂを有し、
   ｂ／ｆ＝０．０１ラジアンである、
   請求項１記載の生体内画像化装置。
3. 前記少なくとも１つの画像化器は画素アレイを具備し、
   各々の画素は画素サイズｂを有し、
   ｂ／ｆは０．０１−０．００１５ラジアンから０．０１＋０．００１５ラジアンの範囲内にある、
   請求項１記載の生体内画像化装置。
4. 前記光学システムは第１光学レンズ、第２光学レンズ、第３光学レンズ、および開口絞りを備える、
   請求項１記載の生体内画像化装置。
5. 前記第１光学レンズは前記対物レンズである、
   請求項４記載の生体内画像化装置。
6. 前記開口絞りは前記第１光学レンズと前記第２光学レンズの間に位置し、
   前記第３光学レンズは、前記第２光学レンズと前記画像化器の間に位置する、
   請求項４記載の生体内画像化装置。

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