JP5523713B2

JP5523713B2 - 生体内撮像システム

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Publication number: JP5523713B2
Application number: JP2008551269A
Authority: JP
Inventors: カン−ホワイワン，; ゴードンウィルソン，
Original assignee: Capso Vision Inc
Current assignee: Capso Vision Inc
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2026-12-19
Also published as: JP2009531072A; EP1974240A2; EP1974240B1; WO2007126429A2; CN101449573A; EP1974240A4; JP5695142B2; CN101449573B; WO2007126429A3; JP2013255820A

Description

胃腸管（ＧＩ）内の管路や管腔等の生体内管路や体腔内で撮像すべく構成された各種の自律的装置が開発されている。これらの装置は通常、照明用の光源と共にカプセル内に収納されたデジタルカメラを含んでいる。当該カプセルは、電池、または体外からの誘導電力により電力供給することができる。当該カプセルはまた、撮像された画像を格納するメモリおよび／または体外にある体外受信器へデータを送信する無線送信器を含んでいてよい。

一般的な診断手順には、患者がカプセルを嚥下するステップを含み、嚥下したらすぐにカメラが撮像を開始し、蠕動の作用によりカプセルが胃腸管の内側組織壁からなる体腔を通って受動的に移動するのに伴い間隔を置いて撮像し続ける。カプセルの診断ツールとしての価値は、当該カプセルが注目する器官または器官群の内側面全体を撮像することによるものである。医師が機械的に操作する内視鏡とは異なり、カプセルカメラの向きと動きは操作者の制御下になく、単にカプセルのサイズ、形状、重量、表面の粗さ等の物理的特性、および身体の体腔の物理的特性および動作だけで決定される。カプセルの物理的特性並びにその内部の撮像システムの設計および動作は、カプセルが体腔を透過する際に対象内腔の一部の領域が撮像されないリスクを最小化するために最適化されなければならない。

撮像される器官のサイズに応じて二通りの一般的な撮像シナリオが考えられる。食道や小腸のように比較的くびれた管路では、長円形であって長さが通過径より短いカプセルは自然に管路内で長軸に沿う方向を向く。通常、カメラはカプセルの一端（または両端）で透明なドームの下側に配置されている。カメラは管路を下に見るため、画像の中央は暗い穴を含んでいる。注目する領域は画像の周辺にある腸壁である。

図１のカプセル１００は、生体内の食道や小腸等の器官１０２の内側の体腔１０４内を移動できるように筐体１０１に収納されている。カプセルは器官の内側面１０６、１０８と接触していてよく、カメラレンズ開口部１１０はその視野範囲１１２内にある画像を撮像することができる。カプセルは、画像データを出力する出力ポート１１４、カメラの構成要素に電力を供給する電源１１６、画像を格納するメモリ１１８、メモリに保存する画像を圧縮する画像圧縮回路１２０、画像データを処理する画像プロセッサ１２２、および表面から散乱する光により撮像できるように表面１０６、１０８を照らすＬＥＤ１２６を含んでいてよい。

各画像において、撮像された領域において腸壁の割合がより多く、中央の窪んだ穴の割合が少ないことが望ましい。従って、視野が大きいことが望ましい。典型的な視野は１４０°である。残念ながら、簡単な広角レンズでは、大きい視野角で歪みが増大し、解像度および開口数が減少する。高性能の広角および”魚眼”レンズは通常、開口および焦点距離に比べて大きく、複数のレンズ素子からなる。カプセルカメラは小型且つ低価格であることを求められ、そのような構成は費用対効果が良くない。更に、これらの従来型装置は、これらのレンズの正面領域で照明を浪費するため、そのような照明に使用される電力も浪費される。電力消費は常に関心事であるため、そのような照明の浪費は問題である。また更に、視野内の腸壁はカプセルから遠ざかる方向へ伸びるため、奥行きが短縮されて撮像されると共に、全体を明瞭に撮像するには相当の被写界深度を要する。被写界深度は露出感度の犠牲を伴う。

第２のシナリオは、直径がカプセルのどの寸法よりも大きい結腸等の体腔にカプセルがある場合に生じる。このシナリオでは、カプセルの向きは、何らかの機構がこれを安定させない限りはるかに予測し難い。器官内に食物、糞便、および流体が存在しないと仮定すれば、カプセルに作用する主要な力は重力、表面張力、摩擦、およびカプセルを押し付ける体腔壁の力である。体腔は、カプセルを体腔に押し付ける重力等の他の力に対する受動的な反応として、および蠕動の周期的な能動的圧力として、圧力をカプセルに対して加える。これらの力は、カプセルの動きおよび静止している間の向きを決定する。これらの各々の力の強さおよび方向はカプセルと体腔の物理的特性の影響を受ける。例えば、カプセルの質量が大きいほど、重力はより強くなり、カプセルが円滑であるほど、摩擦力は弱まる。結腸壁のうねりは、カプセルの長軸が結腸の長軸と平行にならないようにカプセルを傾ける傾向がある。

また、体腔の大小に拘わらず、前方しか見ないカプセルからは見ることが困難な小嚢形成が存在することは公知である。例えば、小腸、大腸その他の器官の壁に隆起が存在する。これらの隆起は、器官の壁に対してやや垂直に伸びていて、背後を見ることが困難である。組織表面を適切に見るには、横からまたは反対側からみることが必要である。従来の装置は、それらの視野が実質的に前方を見ているため、このような表面を見ることが不可能である。正確な診断のためにポリープその他の不規則性を完全に観察することが必要なため、医師がこれらの器官の全領域を見ることは重要である。従来のカプセルは隆起の周囲の隠れた領域を見ることができないため、不規則性を見落とす恐れがあり、深刻な病状の重大な診断を誤る恐れがある。従って、カプセルを用いて、これらの見落としがちな領域をより正確に見る必要がある。

図２に、人の結腸等の管路１３４が隆起１３６を除いて比較的水平であって、カメラの光軸が結腸の長軸と平行になるようにカプセルが底面１３２に位置している比較的直裁な例を示す。隆起は、上述の問題含みの撮像領域を例示しており、カプセル１００が隆起に接近するにつれて、正面１３８がカプセル１００によって視認および観測可能になる。しかし、カプセルの背後１４０は、視野１１０が限られていて当該表面を捕捉しないため、カプセルのレンズからは見えない。具体的には、視野１１０は、表面の一部を見落とし、更にポリープ１４２として示す不規則性を見落とす。

視野１１０内の３個の被写体点にＡ、ＢおよびＣとラベル付けしている。これら３個の点までの被写体距離は全く異なり、視野範囲１１２は、カプセルの一方の側がもう一方の側より広いため、３点全てに同時に十分焦点を合わせるために大きい被写界深度が必要とされる。また、ＬＥＤ（発光ダイオード）照明装置が角視野全体にわたり均一な光束を提供する場合、点Ａは点Ｂよりも、点Ｂは点Ｃよりも明るく照らされる。従って、点Ｂに対する最適露出は結果的に点Ａでは露出過多になり、点Ｃでは露出不足となる。各画像に対して、視野の比較的僅かな部分しか適切な焦点および露出を有しないため、システムが非効率的になる。電力は、フラッシュ、およびＣＭＯＳまたはＣＣＤピクセルのアレイからなる撮像装置によって、画像のあらゆる部分で消費される。更に、画像圧縮が無ければ、情報内容の乏しい画像部分を保存または送信するために更なるシステム資源が消費されるであろう。結腸内の全ての表面が十分に撮像されている可能性を最大にするために、相当の冗長性、すなわち、複数の重なり合う画像が必要である。

これらの問題を軽減する一つのアプローチは、瞬間視野を狭めながら一方で視野を可変にすることである。特許出願第２００５／０１４６６４４号は、回転する視野を有する生体内センサーを開示している。照明光源もまた、瞬間視野の外側の領域が無駄に照明されないように視野と共に回転することができる。このアプローチでは無駄な照明の問題は完全にはなくならず、更に回転時に別の電力需要が生じる。また、この新方式自体は上述の被写界深度および露出制御の問題を解決しない。

従って、視野角が適切であるほど組織表面の観察精度が向上する、より改良されたカプセル利用器官撮像システムおよび方法が当分野において必要とされている。以下で明らかになるように、本発明は従来技術による問題を洗練された仕方で解決するシステムおよび方法を提供する。

パノラマカメラを利用するカプセルカメラを提示する。パノラマカメラは１８０°を超える視野を提供するがながら視野中心がぼやける。例えば視野は、経度が１６０°〜２００°の範囲で緯度が完全３６０°であってよい。パノラマ環状レンズは最初に米国特許第４，５６６，７６３号に記載されており、改良型が米国特許第５，４７３，４７４号に記載されている。パノラマ視野は、たとえカメラの向きが変わりやすくても、カメラが器官内を通過する際にその一部の撮像に失敗する可能性を減らす。また、直径がカプセルの直径より大きい結腸等の体腔の中心の近くにカプセルを配置してカプセルの長軸方向の向きを維持すべくカプセルに取り付けられた風船または風船群を利用することも開示する。パノラマ視野内の結腸壁は従ってカメラから実質的に等距離にあり、必要な被写界深度を減らして露出を簡素化する。

本発明はパノラマ生体内カメラシステムに関する。一実施形態において、本システムはカプセルとして構成されており、パノラマカメラがカプセル内に収納されていて、カプセル近辺または周囲の組織表面のパノラマ画像を撮像すべく構成されている。光学システムが、カプセルの外側にある注目領域をカメラシステムに対して照明すべく構成されている。より一般的には、本発明は、例えばカプセル等の送達システムとして機能する筐体を含む遠隔撮像システムを提供する。当該筐体は、遠隔撮像システムを機能させるべくそして保護すべく、封入する。カメラが筐体内に封入されていて、被験者の食道、結腸や小腸その他の器官内に、筐体のすぐ外側を囲む環境のパノラマ画像を撮像すべく構成されている。カメラに照明光源を提供すべく光源も含まれている。少なくとも１個の電源が光源および処理システムに電子的に結合され各々に電力を供給することができる。

光学システムは、パノラマカメラへ画像を露出させるための透明な窓を含んでいてよい。パノラマカメラは、経度方向の視野および緯度方向の視野をもつことができ、カメラは器官のパノラマ画像を撮像すべく構成されている。

一実施形態において、本発明は生体内撮像システムを目的としており、本システムは入射瞳を有するカメラを含み、当該カメラは当該カメラを囲む環境のパノラマ画像を撮像すべく構成されていて、当該パノラマ画像が単一の画像平面上へ撮像される。本システムは更に、カメラに対して照明光源を提供する光源、およびカメラと光源を封入する閉じた筐体を含んでいる。本システムは更に、光源とカメラに電力を供給する電源を含んでいてよく、電源はカプセル内に配置された電池であってよい。電源は、カプセルの外側に配置された誘導電源であって、カプセル内に電力を誘導し、カメラと照明光源に電力を供給すべく構成されていてよい。閉じた筐体は、パノラマカメラ内へ光を透過させる透明な窓を含んでいてよく、パノラマカメラは、カプセルの長軸に対してある範囲の視野角により画定される経度方向の視野および長軸回りの方位角のパノラマ範囲により画定される緯度方向の視野をもつことにより、カメラは、実質的に３６０度の緯度方向視野、および０度超の角度から９０度超の角度の範囲にわたる経度方向視野をカバーするパノラマ画像を撮像することができる。

カメラは、角視野が実質的に平面全体を含むように長軸を有していてよく、当該平面は軸に垂直であって瞳と交差する。本システムは、画像の焦点を単一の画像平面に合わせるべく構成されたパノラマ環状レンズを備えた光学システムを含んでいてよい。カプセルは、長円形の本体を有し、本体の長さに沿った長軸を有すべく構成されていてよく、本システムは更に、パノラマカメラにより長軸の回りに放射状に単一画像平面上へ撮像可能にするパノラマ環状レンズを有する光学システムを含んでいる。カメラは、カプセル内で長軸の回りに放射状に撮像すべく向けられていて、カプセルの移動の主方向と平行な向きにある組織表面の視認を可能にし、且つ単一画像平面上への組織表面の撮像を可能にすべくカプセルに対して実質的に垂直な視野を有する。カプセルは長円形の筐体を有していてよく、カメラは筐体内で、長軸の回りを放射状に、且つ本体の軸に沿って撮像すべく向けられていて、本システムは更に、パノラマ環状レンズと、物体からの光線を当該パノラマ環状レンズ内へ受光すべく長円形の本体の領域を実質的に囲むように配置された窓を有する光学システムを含んでいる。長軸はパノラマ環状レンズの同心対称軸であってよい。

パノラマ環状レンズは、同心対称軸を有していてよく、入射光が第１の屈折面を通って透明な媒体に入射できるように構成された２個の屈折面および２個の反射面を含んでいる。あるいは、パノラマ環状レンズは同心対称軸を有していてよく、入射光が第１の屈折面を通って透明な媒体に入射して第１の反射面により反射され、次いで第２の反射面により反射され、次いで第２の屈折面を通って媒体から出射できるように構成された２個の屈折面および２個の反射面を含んでいる。パノラマ環状レンズは、同心軸上の視点から円筒状の視野を有する画像を生成すべく構成されていてよい。反射および屈折面は、回転尖円面であってよく、第１反射器の円錐定数は−０．６〜＋２の範囲にある。反射および屈折面はまた、回転尖円面であってよく、第１反射面の円錐定数は−０．６〜＋２の範囲にあり、第２反射面の円錐定数は第１反射面の円錐定数より小さくなるように選ばれている。反射および屈折面は、回転尖円面、回転楕円面、または回転非楕円面のうち一つであってよい。

本システムは更に、撮像された複数の画像からなる連続画像を生成すべく構成されたデータプロセッサを含んでいてよい。本データプロセッサは、カプセルの外側に配置されていてよい。本データプロセッサは、撮像された複数の隣接する画像からなる連続画像を生成すべく構成されていてよい。本システムは更に、撮像された画像を格納すべく構成されたメモリを含んでいてよく、メモリは電子メモリその他の種類のメモリである。メモリはカプセル内に配置されていてよい。メモリはカプセル内に配置されていてよく、プロセッサは画像データを圧縮し、圧縮された画像データを電子メモリに格納すべく構成されている。

メモリは、カプセルの外側に配置されていてよく、画像データは後続する処理のためにメモリに格納され、本システムは更に、画像データを圧縮して、圧縮された画像データをメモリに格納すべく構成された遠隔プロセッサを含んでいてよい。

本システムは更に、パノラマカメラにより撮像された画像を、撮像された画像を受信すべく構成された遠隔受信器へ送信すべく構成された送信モジュールを含んでいてよい。送信モジュールは、パノラマカメラにより撮像された画像を、撮像された画像を画像プロセッサで処理するために格納すべく構成されたデータ格納部を有する遠隔受信器へ送信すべく構成されていてよい。

本システムは、単一の画像平面上へ胃腸管のパノラマ生体内撮像を行なう装置を提供することにより、動作時に生体内撮像の方法を実行することができる。本方法は更に、カプセルから電磁放射線の放射を行なうステップと、胃腸管内の移動の主方向に垂直な方向の全方向を実質的に含む視野から組織のパノラマ画像を形成するのに用いるために、組織表面からの電磁放射線の反射を受信するステップと、を含んでいる。

本方法は更に、圧縮された画像データを処理すべくホストコンピュータにアップロードするステップを含んでいてよく、画像センサーにより検知された画像の圧縮を最初に実行して圧縮された画像データを生成することができる。本処理は更に、カプセル内の画像センサーにより検知された画像の圧縮を実行して圧縮された画像データを生成し、圧縮された画像データをカプセル内のメモリに格納し、次いで圧縮された画像データをホストコンピュータにアップロードするステップを含んでいてよい。画像をホストコンピュータにアップロードするステップは更に、カプセルの筐体を回収して、カプセルをホストコンピュータに接続することにより画像をアップロードするステップを含んでいてよい。画像をホストコンピュータにアップロードするステップは更に、カプセルからホストコンピュータへ画像を送信することにより画像をアップロードするステップを含んでいてよい。

無線システムにおいて本方法は更に、圧縮された画像データを無線信号によりホストコンピュータにアップロードするステップを含んでいてよい。本方法はまた、画像センサーにより検知された画像の圧縮を実行して圧縮された画像データを生成し、次いで圧縮された画像データをホストコンピュータに無線通信信号を介してアップロードすることができる。本方法は、カプセル内の画像センサーにより検知された画像の圧縮を実行して圧縮された画像データを生成し、圧縮された画像データをカプセル内のメモリに格納し、次いで圧縮された画像データを、無線通信信号を介してホストコンピュータにアップロードすることにより処理を実行することができる。より具体的には、カプセル内に収納されているカメラを用いる生体内撮像方法は、所与の波長範囲での電磁放射に対して少なくとも部分的に透明な部分を有するカプセル筐体を提供し、患者が前記カプセルを摂取し、前記カプセルから前記波長範囲の電磁放射線を放射し、パノラマカメラを用いて画像センサーにより前記電磁放射線の反射から画像を検知し、前記カプセル内の画像センサーにより検知された画像の圧縮を、前記画像を前記カプセル内のトランジスタメモリに保存する前に実行し、前記カプセルを前記患者から回収し、次いで前記画像をホストコンピュータにアップロードするステップを含んでいてよい。

また別の実施形態において、本発明は生体内撮像用のカメラを収納すべく構成されたカプセルを提供し、当該カプセルはパノラマカメラおよび照明光源を含んでいる。当該カプセルは、カメラ視野内の入射画像光線と窓の内側および外側面との交差により境界が画定された内側および外側の透明な窓表面領域の第１の組と、カプセルの内側から外側へ透過する光線と窓の内側および外側面との交差により境界が画定された内側および外側の透明な窓表面領域の第２の組とを有する閉カプセルであってよく、各組の内側面の領域と各組の外側面の領域とが十分にずれていることにより、窓表面の共通位置のどこで入射画像光線と出射照明光線が交差するかに関わらず、出射光線と当該表面の法線との間の角度が入射光線と当該表面の法線との間の角度を上回るため、当該表面からの出射光線の反射がカメラ視野内に入らない。各組の内側面の領域は重なり合わない。あるいは、各組の外側面の領域は重なり合わない。カプセルは更に、照明光源からの照明光をカメラから遠さかる方向へ、且つ被写体面へ向けて反射すべく構成された反射器を含んでいてよい。カメラは、被写体面から反射された照明光を受光すべく構成されたレンズを含んでいてよく、カプセルは、迷光が被写体面により散乱されることなくカメラレンズに直接入射するのを防止するように、照明光源からの照明光をカメラから遠ざかる方向へ反射すべく構成された反射器を有する。

パノラマ環状レンズ（ＰＡＬ）３０２を有するカプセルカメラ３００の別の実施形態を図３に模式的に示す。レンズ３０２は同心対称軸を有して、２個の屈折面および２個の反射面を含んでいることにより、入射光が第１の屈折面を通って透明な媒体へ入射して、第１の反射面、次いで第２の反射面により反射され、次いで第２の屈折面を通って媒体から出射する。

カプセルカメラ３００は、撮像されている組織表面等、カプセルの外側の被写体を照明すべく構成されたＬＥＤ出力３０４を含んでいる。ＬＥＤは、いかなるＬＥＤ迷光もレンズ３０２から遠ざかる方へ反射すべく構成されたＬＥＤ反射器３０６を含んでいる。ＬＥＤ光線の目的は、画像が記録できるように、組織表面から反射されてレンズ３０２に入射することである。反射器は、光源、ＬＥＤからのあらゆる光をレンズ３０２から遠ざかる方へ反射することにより組織表面から反射された光線だけが撮像される働きをする。ＬＥＤは、導線またはプレート３０７を介して互いに接続されていて各ＬＥＤに電力を分配する印刷回路基板（ＰＣＢ）３０５に接続されている。レンズ３０２は、組織表面等の外側面から反射光線３０８を受光して撮像すべく構成されていて、反射された光線を第１の屈折器３１０を介して受光する。屈折光線３１２は第１の反射器３１４へ伝送され、第１の反射器３１４は反射光線３１６を第２の反射器３１８の表面へ伝送する。第２の反射器は次いで、第２の屈折器３２２を介して反射光線３２０を反射し、開口部３２６を通して屈折光線３２４をリレーレンズシステム３２７へ送る。

図に示すシステムはクック・トリプレット・リレー・レンズであり、第２の屈折器３２２からの屈折光線３２４を受光する第１のレンズ３２８を含んでいる。第１のレンズは、光線３３０の焦点を第２のレンズ３３２に合わせる。これらの焦点を合わされた光線３３４は第３のレンズ３３６へ送られ、第３のレンズ３３６は光線３３８の焦点をセンサー３４０に合わせる。センサーは、カプセルの外壁３４４に接続されたＰＣＢ３４２に搭載されている。

カプセル３００は更に、センサーを保持しているＰＣＢ３４２を、導体プレート即ち導線３０７に接続する導電体３４６を含んでいる。導電体３４６は、ＬＥＤ３０４を保持する導体プレート３０７およびＰＣＢ３０５を介してＬＥＤ３０４に電力を供給すべく構成されている。当業者は、添付の請求項により規定される本発明の概念および範囲から逸脱することなく、他の構成が可能であることを理解されよう。

ＰＡＬレンズ３０２は、円筒状の視野により同心軸上の視点からの画像を生成する。レンズ３０２の表面は錐状回転面であっても、あるいは、他の回転楕円体または非楕円回転体形状であってもよい。好適な実施形態において、第１の反射器の円錐定数は、−０．６〜＋２の範囲にあるのが最適であって、第２の反射器の円錐定数は第１の円錐定数よりも小さくなるように選ばれている。例えば、第１の反射器は楕円体であって、第２の反射器は双曲面であってよい。

ＰＡＬレンズ３０２の後側のリレー撮像装置は、ＣＭＯＳまたはＣＣＤアレイとして一般に知られる２次元光センサー３４０上に画像を形成する。図３にクック・トリプレット・リレー・レンズ３２７を示す。当分野で公知であってダブルガウス構成を含む構成がある。

図４を参照するに、リレー撮像システム用の総トラック長が減少されたレンズ設計３５０を示す。レンズ３５０は、組織表面等の外側面から反射光線３５２を受光して撮像すべく構成されていて、反射された光線を第１の屈折器３５４を介して受光する。屈折光線３５６は第１の反射器３５８へ伝送され、第１の反射器３５８は反射光線３６０を第２の反射器３６２の表面へ伝送する。第２の反射器は次いで、反射光線３６４を第２の屈折器３６６を介して反射し、開口部３２６を通して屈折光線３６５をリレーレンズシステム３６８へ送る。リレーレンズシステムは、光線の焦点をセンサー３４０に合わせるべくレンズ３７０，３７２，３７４，３７６で構成されている。撮像システムの総光路が減少していることにより、撮像カプセル内のカメラのより小型に設計および製造することができ、異なる設計および構成が可能になる。

図３または図４に示す実施形態のいずれにおいても、カプセルカメラは、円筒状視野を画像平面にマッピングすべく、リレーレンズと合わせて、放物面、回転楕円体、円錐、または四面体の形状をなす単一の反射器を利用するものを含む、他のパノラマレンズ設計を代わりに用いてよい。他の設計では単一の凹楕円体反射器を利用する場合がある。

再び図３を参照するに、図は内視鏡カプセル内のＰＡＬレンズ３０２を図示している。当該カプセルは、半球状の端部を有するシリンダとして示されている。好適な実施形態において、少なくともカプセル筐体の円周帯は、照明光がカプセルから出射して、画像光がカプセルに入射できるように透明でなければならない。好適な実施形態において、レンズの光軸は、シリンダの長軸（図５）に沿った、あるいは楕円体カプセル構成では楕円体の主軸に沿った向きに合わせられている。

図５を参照するに、ＬＥＤ３０４は、組織表面等の被写体面１３０上に光線Ａ、Ｂ、Ｃを放射すべく構成されている。カプセル壁３１１は、各々が第１の屈折器３１０で受光される入射光線Ａ”、Ｂ”、Ｃ”に対して透過的である。ＬＥＤ光線Ａ’、Ｂ’、Ｃ’はレンズ３０２から反射されることにより、ＬＥＤ光線はセンサー３４０により撮像された画像を歪ませない。

上で述べたように、レンズ３０２は、組織表面等の外側面から反射光線３０８を受光して撮像すべく構成されていて、反射された光線を第１の屈折器３１０を介して受光する。屈折光線３１２は第１の反射器３１４へ伝送され、第１の反射器３１４は反射光線３１６を第２の反射器３１８の表面へ伝送する。第２の反射器は次いで、反射光線３２０を第２の屈折器３２２を介して反射し、開口部３２６を通して屈折光線３２４をリレーレンズシステム３２７へ送る。

しかし、カプセルは任意の長円または球面形状であってよく、光軸はカプセル内で任意の方向を向いていてよい。第２の反射器上方のレンズの端と第１の反射器下方の領域との間に電気的接続があればある程度視野が不明瞭になる。センサーは必然的にレンズの下方にある。従って、レンズの上方に配置された電子部品とセンサーは、導線接続が錯綜することなしには共通の電力供給および制御回路を共有するができない。従って、第２の反射器がカプセルの一端に隣接する状態でレンズを配置することが好都合である。同様に、ＰＡＬの準球面形状がカプセルの半球の端に無駄なくはまり込む。しかし、レンズ上方のカプセルの端に風船が取り付けられている場合、風船が視野に入らないようにレンズを下げることが望ましいであろう。レンズの上方に電池が配置されている場合、導線が細いか、またはインジウム酸化物等の透明な導電材料である場合、レンズの上方から下方まで最小限の口径食（ケラレ）で電気的接続を行なうことができる。

再び図３ａを参照するに、発光ダイオード（ＬＥＤ）照明光源が、ＰＡＬの外側且つ第１の屈折面の下方の多層印刷回路基板（ＰＣＢ）に存在する。ＬＥＤは、その低コスト、高効率性、小型であること、および低コヒーレンス（スペックルを防止する）により魅力的光源である。レーザー、白熱灯、アーク灯、または蛍光光源等の他の照明光源も同様に考えられる。カラー写真は白色光源を必要とする。ＬＥＤにより励起され、より長い波長で光子を発する、燐光発光材料と共に青色または紫色ＬＥＤを含む白色ＬＥＤが利用できる。白色光源は、可視スペクトル内の赤、緑、青等の異なる色で発光し、連続スペクトル白色光源と同様に、センサー（特定の色帯域に感応するピクセルを有する）から同じスペクトル応答を共に生成するＬＥＤまたはレーザーの組合せを含んでいてよい。

ＬＥＤを保持するＰＣＢはまた、ＬＥＤの取り付け台、リレーレンズ用のバッフルおよび／または開口絞りとしても機能することができる。あるいは、これらの機能を実行する構造は、リレーレンズバレルと共にＰＣＢに取り付けたり、ＰＣＢを支持することができる。ＬＥＤ駆動回路は、同一ＰＣＢ上に、または他のＰＣＢ上に配置されていてよい。いずれの場合も、ＬＥＤに制御信号を渡さなければならない。従って、ＬＥＤ−ＰＣＢと他のＰＣＢ、例えばセンサーを保持するＰＣＢ、との間で何らかの電気的接続が必要である。このコネクタは、フレキシブルＰＣＢ、一連の導電性ピンまたは導線であっても、あるいは他の何らかのコネクタの形状であってもよい。

カプセルカメラに伴う潜在的な問題は、カプセル本体の外側面および内側面により反射された照明光がセンサーに影響を及ぼす恐れがあることである。反射防止コーティングによりこれらの反射を減らすことができるが、カプセルにこれらのコーティングを施すことでシステムのコストが増加する。しかし、正しい幾何学的形状は、反射がセンサー上の画像と重ならないことを保証する。米国特許第６，８３６，３７７号および米国特許第６，９１８，８７２号に、非パノラマカプセルカメラのそのような２個の幾何学的形状を開示している。第１の形状では、カプセルのドームは楕円であり、中心にセンサーがあってＬＥＤが焦曲線上にある。第２の形状では、ドームは球状であり、中心にセンサーがあって同一平面内のＬＥＤが球の端側にある。

図６に、ＬＥＤが第１の反射器の下方且つ外側に配置されたパノラマカプセルカメラの幾何学的形状を示す。反射プリズム５０２が、プリズムの１個の面が長軸に対して概ね４５°の角度にある状態で各ＬＥＤ５０４の上方に配置されている。この面には、ＬＥＤから光を物体または被写体面へ反射する金属または誘電体反射コーティングが施されていてよい。一実施形態において、各ＬＥＤに別々のプリズムを使用するのではなく、断面が三角形の連続リングを単一の反射器５０２内に形成してもよい。好適な実施形態において、当該リングは屈折率がカプセル筐体５０６の屈折率と実質的に同じである材料で作られていて、リングと筐体の間の界面での反射が最小化されるように、屈折率整合接着剤を用いて筐体に接着してもよい。図に、ＬＥＤ５０４から腸壁５０８まで到達する光線Ａ、Ｂ、およびＣを示す。散乱光は、経路Ａ’、Ｂ’、およびＣ’に沿って進行し、レンズ５１０により集光されてセンサー（図示せず）上に撮像される。反射５１２は、カプセルの外側面で生じる。しかし、破線で示すこれらの反射は、プリズム（またはリング）内へ反射されて戻り、レンズにより集光することはできない。

引き続き図６を参照するに、２個の追加的な光線ＤおよびＥを示す。光線Ｄは反射器５０２からの光であって、鋭角で屈折して、壁がより近い場合、視野内の腸壁を照明する。光線Ｄの反射もまたリング内へ逆向きに戻る。光線Ｅは、リングの上端を越えて行く。しかし、筐体の外壁への入射角は、全内部反射の臨界角を上回る。カプセルの壁は、反射光を中に収容する光パイプとして機能し、光の大部分は第２の反射器とカプセルの上端の間に配置されたブロックから散乱してレンズから遠ざかる。

図６に隆起５２０も示す。背景技術の項で議論したように、そのような隆起は従来の装置を使用した場合に視認における問題が生じる。すなわち、従来技術カプセルは、カプセルが隆起に接近するにつれて前方５２２を視認して観察することができるが、視野が制限されるため後方５２４を見落とす。ポリープ５２６またはポリープの後の領域は通常、従来型装置では観察不可能である。一方、本発明は、後方５２４およびポリープ５２６を観察するのにより有用且つ正確な手段を提供する。すなわち、カメラは、図に示すような光線Ｃによりこれらの表面を見ることが可能である。光線Ｃは次いで反射されて、カプセルのシェルを通ってカメラへ戻ってレンズ５１０へ入射する光線Ｃ’となる。従って、本発明は、従来技術によるカプセルカメラではこれまで視認できなかったこれらの遠隔表面を観察するための極めて有用且つ効果的な手段を提供する。

図７において、光線Ａはカメラの開口部が撮像する最大視野角で位置Ｐからカプセルに入射する。筐体の本体内で、光線は表面の法線に対して角度α_２をなす。ＬＥＤから位置Ｐへα_２以下の角度で透過できる光線が存在しない場合、筐体の外壁から反射されたＬＥＤ光は一切カメラ開口部に入射しない。プリズムの頂点と、面の法線に対し角度−α_２で点Ｐから伸びる線分の筐体内壁との交点との距離ｇが存在する限り、プリズム下方のＬＥＤの正確な位置に拘らずこの条件が満たされる。

図８に、パノラマカプセルカメラ７０２およびＬＥＤ照明装置７０４の同様の実施形態を示す。この場合、ＬＥＤ、筐体、および第１の反射器の外側の間の領域は、屈折率整合ポッティング材７０６で満たされている。この領域は本質的に、図７のプリズムまたはリング６０２と同等の照明装置として機能を果たす。しかし、この方式は、図７の間隙ｇを除去する。光線Ａはカメラの開口部が撮像する最大視野角で位置Ｐからカプセルに入射する。光線は、筐体表面の法線に対して角度α_１をなす。表面の法線は、水平方向に対して角度βをなす。光線Ａは、筐体壁内の表面の法線に対して角度α_２をなし、ｎｓｉｎα_２＝ｓｉｎα_１、ｎは筐体の屈折率である。ＬＥＤから発せられて、第１の反射器の遠端から反射された光線は、筐体に入射して位置Ｐで外壁と交差する。この光線が表面の法線に対して角度−α_２をなす場合、壁から反射された光線がカメラの視野内に入る。そのような光線が存在しないことを保証するために、ＬＥＤは、第１の反射器の最外端での接線と、ＬＥＤ発光面の平面との交点から距離ａ以上離して配置されなければならない。次式が示される。

［数１］
ａ＝ｈ[ｃｏｔ（γ）−ｃｏｔ（２γ−α_２−β）]
ここに、ｈはＬＥＤ平面から光線反射器の切片までの距離、γは接線がＬＥＤ平面となす角度である。

図９を参照するに、カプセルの直径８０６と同等のまたはより小さい直径８０４を有する体腔８０２を有する小腸その他の器官を撮像するパノラマカプセルカメラ８００を示す。直径が同等である場合、カプセルは体腔壁に密着する。従って、体腔壁はカプセルの外壁に接触するかまたはその近くにある。体腔の直径がカプセルの直径よりも小さい場合、カプセルが体腔を透過する際に、カプセルにより体腔の内側面がカプセルの回りで拡張してカプセルに寄りかかる。図に示す態様において、入射瞳は、光線８１０がＬＥＤ光源８１２の出力８１４から発せられ、体腔の内壁８１６から反射されて、反射光線８１８としてカプセルへ戻る領域８０８である。本実施形態において、パノラマカメラ８００の瞳８０８は、半球状または同様に形成された透明なカプセル端ドーム８２０の湾曲中心またはその近傍に配置されている。ＬＥＤ出力８１４は、ＬＥＤ出力８１４から発せられた光線８１０がカメラへ逆向きに入射して、ＬＥＤ光線８１０が第１の反射器８２２、８２４上へ、次いで第２の反射器の表面８２６，８２８上へ各々、およびセンサー（図９に示さず）上へ反射されないように配置されている。従って、カプセルの内側または外側面のいずれかから反射されたＬＥＤ光は一切、カメラ入射瞳により集光されず、且つセンサーへ伝送されて撮像された画像の品質に歪みその他の影響を及ぼすことがない。オプションとして、屈折率整合ポッティング接着剤８３０をカメラレンズ反射面８２８、８２６とカプセル筐体８２０との間に配置してもよい。あるいは、レンズ自体をカプセル筐体に対して間隙が殆どまたは全くないようにぴったり合わせることができる。引き続き図９を参照するに、本実施形態は、入射瞳８０８を透過する各種の照明光線のうち、腸壁の表面により散乱されて反射されたＬＥＤ光線８１０を示す。

本発明は、例えば、画像処理機能をソフトウェアアプリケーション（オペレーティングシステム要素として）、専用プロセッサ、または専用コードを有する専用プロセッサとして構成されることにより実装することができる。カプセル内に配置された小型の専用プロセッサがセンサーと連動して限定された機能を実行して画像の撮像および送信を行なうようにしてもよい。一実施形態において、プロセッサは、簡単な論理回路、専用マイクロプロセッサ、集積回路、あるいは画像データを担持する画像信号を受信すべく構成された近接配置された受信器のように単に画像信号を遠隔位置へ送信すべく構成された他のプロセッサであってよい。そこから、画像データを格納、処理、転送、他のプロセッサへのアップロード、または別途利用することができる。

画像データは最初に、カプセル内で圧縮することができるため、より少ないデータ量を遠隔位置へ送信することができる。これにより、情報の送信に要する電力を減らせる。本発明は、カプセルによるパノラマ画像の撮像に関する。従って、送信される情報の量がかなりの量であり、送信量を減らすにはそのようなデータの圧縮が望ましい。送信には相当の電力を必要とするため、電力節減は極めて重要である。従って、送信前に圧縮により送信されるデータの量を減らすことが望ましい。多くの圧縮技術が当業者に公知であるが、本発明はいかなる特定の方法または技術に限定されない。

ソフトウェアは、コードとも呼ばれる一連の機械可読命令を実行する。これらの命令は、各種の信号担持媒体に格納されていてよい。この点で、本発明の一態様は、上で述べた本発明に関する処理方法および他の機能を実行すべくデジタル処理装置により実行可能な機械可読命令のプログラムを具体的に実装している信号担持媒体または信号担持媒体群を含む、プログラム製品に関する。

この信号担持媒体は、例えば、特定の構成に応じてカプセル内に配置されたメモリ、ホストコンピュータまたはサーバ内のメモリを含んでいてよい。メモリは、不揮発性記憶装置、データディスク、またはインストール用にプロセッサにダウンロードする専用サーバまたはベンダーサーバ上のメモリであってもよい。あるいは、これらの命令は光データ記憶ディスク等の信号担持媒体に実装されていてもよい。あるいは、これらの命令は、各種の機械可読データ記憶媒体または媒体群のいずれかに格納されていてもよく、これらには例えば、”ハードディスクドライブ”、ＲＡＩＤアレイ、ＲＡＭＡＣ、磁気データ記憶ディスケット（フロッピーディスク等）、磁気テープ、デジタル光テープ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、光磁気記憶、紙穿孔カード、あるいは、電気、光および／または無線の、デジタルおよび／またはアナログ通信リンク等の送信媒体を含む他の任意の適当な信号担持媒体を含んでいてよい。一例として、機械可読命令は、”Ｃ＋＋”等の言語からコンパイルされたソフトウェアオブジェクトコードを含んでいてよい。

更に、プログラムコードは例えば、圧縮、暗号化、またはその両方がなされていてよく、実行可能ファイル、スクリプトファイルおよびインストール用のウィザードをＺｉｐファイルおよびｃａｂファイルとして含んでいてよい。本明細書で用いる、信号担持媒体に格納されている機械可読命令またはコードという用語は、上述の配信手段の全て含んでいる。

上の開示内容は本発明の多くの例示的実施形態を示すが、添付の請求項により規定される本発明の範囲から逸脱することなく各種の変更および改造が可能であることは当業者には明らかであろう。更に、本発明の要素が単数形で記述または権利請求されている場合があるが、単数への限定を明示的に述べていない限り複数の場合も考慮されている。

小腸内のカプセルカメラの視野を示す。大腸内のカプセルカメラの視野を示す。内視鏡カプセル内のパノラマ環状レンズ（ＰＡＬ）を示す。内視鏡カプセル内のパノラマ環状レンズ（ＰＡＬ）を示す。レンズの光軸がシリンダの長軸に沿って向けられているカプセルを示す。ＬＥＤが第１の反射器の下方且つ外側に配置されたパノラマカメラの幾何学的形状を示す。カプセルに入射する光線経路を示す。ＬＥＤ、筐体、および第１の反射器の外側の領域の間が屈折率整合ポッティング材で満たされたパノラマカプセルカメラおよびＬＥＤ照明装置の別の実施形態を示す。図８の実施形態の光線経路を更に例示する。

符号の説明

１００カプセル
１０１筐体
１０２器官
１０４体腔
１０６、１０８内側面
１１０カメラレンズ開口部
１１２視野
１１４出力ポート
１１６電源
１１８メモリ
１２０画像圧縮回路
１２２画像プロセッサ
１２４センサー
１２６ＬＥＤ
１３０被写体面
１３２底面
１３４管路
１３６隆起
１３８正面
１４０カプセルの背後
１４２ポリープ
３００カプセルカメラ
３０２レンズ
３０４ＬＥＤ
３０５印刷回路基板
３０６ＬＥＤ反射器
３０８反射光線
３１０第１屈折器
３１１カプセル壁
３１２屈折光線
３１４第１反射器
３１６反射光線
３１８第２反射器
３２０反射光線
３２２第２屈折器
３２４屈折光線
３２６開口部
３２７リレーレンズシステム
３２８第１レンズ
３３０光線
３３２第２レンズ
３３４光線
３３６第３レンズ
３３８光線
３４０センサー
３４２印刷回路基板
３４４カプセル外壁
３４６電気コネクタ
３５０レンズ設計
３５２反射光線
３５４第１屈折器
３５６屈折光線
３５８第１反射器
３６０反射光線
３６２第２反射器
３６４反射光線
３６５屈折光線
３６６第２屈折器
３６８リレーレンズシステム
３７０，３７２，３７４，３７６レンズ
５０２反射プリズム
５０４ＬＥＤ
５０６カプセル筐体
５０８腸壁
５１０レンズ
５２０隆起
５２２前方
５２４後方
５２６ポリープ
６０２リング
７０２パノラマカプセルカメラ
７０４第１反射器
７０６ポッティング材
８００パノラマカプセルカメラ
８０２体腔
８０４体腔の直径
８０６カプセルの直径
８０８パノラマカメラ
８１０光線
８１２ＬＥＤ光源
８１４出力
８１６体腔の内壁
８１８反射光線
８２０カプセル端ドーム
８２２，８２４第１反射器
８２６，８２８第２反射器
８３０屈折率整合ポッティング接着剤

Claims

カメラを封入すると共に、前記カメラへ光を透過させる透明な窓を備えるカプセルと、
前記カプセル内に封入された光源と、
前記カプセル内に封入され、前記光源から少なくとも１つの光線を反射する反射器と、を備え、
前記反射器により反射された後の出射光線が、前記透明な窓の表面上の共通点において、入射画像光線と交差しようとも、前記反射器により反射された前記出射光線及び表面法線との間の角度が、入射光線と表面の法線との間の角度を上回ることにより、前記表面からの出射光線の反射が、前記カメラの視野内に入らないようにした、生体内撮像システム。
少なくとも１つの入射画像光線と、少なくとも１つの出射照明光線は、前記透明な窓表面上の共通点において交差する、
請求項１に記載の生体内撮像システム。
前記カプセル内に封入された反射面であって、前記反射面は、前記光源からの少なくとも１つの出射照明光線を、前記カメラから遠ざかる方向へ、且つ被写体面に向けて反射すべく構成された反射面を更に備える、
請求項１に記載の生体内撮像システム。
前記出射照明光線のいくつかは、前記光源から材料内に通過し、前記材料の反射面により反射され、前記透明な窓外側表面を通過する、
請求項１に記載の生体内撮像システム。
前記カメラの視野は１８０度を超える、
請求項１に記載の生体内撮像システム。
前記カメラは、入射瞳を有するパノラマカメラであり、前記カメラにおける単一の画像平面が、被写体面の前記画像を含むパノラマ画像を撮像する、
請求項１に記載の生体内撮像システム。
閉じた筐体が、前記パノラマカメラ内に光を透過させる透明な窓を含んでいて、前記パノラマカメラは、カプセルの長軸に対してある範囲の視野角により画定される経度方向の視野および前記長軸の回りの方位角のパノラマ範囲により画定される緯度方向の視野により構成されていることにより、前記カメラが実質的に３６０度の緯度方向視野および０度を超える角度から９０度を超える角度にわたる経度方向視野をカバーするパノラマ画像を撮像することができる、
請求項６に記載の生体内撮像システム。
パノラマ環状レンズが、同心対称軸を有し、且つ入射光が第１の屈折面を通って透明な媒体に入射できるように構成された２個の屈折面および２個の反射面を含んでいる、
請求項７に記載の生体内撮像システム。
パノラマ環状レンズが、同心対称軸を有し、且つ入射光が第１の屈折面を通って透明な媒体に入射して、第１の反射面により反射され、次いで第２の反射面により反射され、次いで第２の屈折面を通って前記媒体から出射できるように構成された２個の屈折面および２個の反射面を含んでいる、
請求項６に記載の生体内撮像システム。
前記反射面および屈折面が錐状回転面であって、前記第１の反射面の円錐定数が−０．６〜＋２の範囲にあり、前記第２の反射面の円錐定数が前記第１の反射面の円錐定数より小さくなるように選ばれている、
請求項９に記載の生体内撮像システム。
前記反射面および屈折面が、回転尖円面、回転楕円面、または回転非楕円面のうちの一つである、
請求項９に記載の生体内撮像システム。
撮像された複数の画像からなる連続画像を生成すべく構成されたデータプロセッサを更に備える、
請求項１に記載の生体内撮像システム。
前記データプロセッサが前記カプセルの外側に配置されている、
請求項１２に記載の生体内撮像システム。
前記光源および前記カメラに電力を供給するための電源と、
前記カメラに結合されて、前記カメラにより撮像された少なくとも１つの画像を格納するためのメモリと、を更に備える、
請求項１に記載の生体内撮像システム。