JP6701590B2 - カプセル型内視鏡及びカプセル型内視鏡の駆動システム - Google Patents
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Description
本発明者は、非接触給電方法により給電する方法として、人体の外部に給電コイル、カプセル型内視鏡の内部に受電コイルをそれぞれ配し、磁界共振結合方式によって給電する方法を提案した(非特許文献1、2)。また、被検者の一方側(背面側等)に給電コイルを配して給電することにより、検査等の医療操作が容易にできるようにする非接触給電システムを提案した(特許文献3)。
本発明は、受電コイルと誘導用の磁石の双方を内蔵したカプセル型内視鏡に対して確実に非接触給電と誘導動作が行えるようにすることができるカプセル型内視鏡と、このカプセル型内視鏡を用いる駆動システムを提供することを目的とする。
前記受電コイルと前記磁石とが離間する空隙内に、給電用あるいは撮像等の制御用の回路基板を設置することで、受電コイルと磁石との間の空隙を有効に活用することができる。
なお、カプセル型内視鏡の誘導機構に用いる磁界発生手段は、永久磁石による磁界を利用して誘導する方法、コイルに電流を印加することで生じる磁界を利用して誘導する方法が利用できる。
図1は本発明に係るカプセル型内視鏡の駆動システムの全体構成を示す。カプセル型内視鏡の駆動システムは、被検者に内服されたカプセル型内視鏡に対して、非接触給電により給電する給電機構と、磁界を利用してカプセル型内視鏡を遠隔的に誘導させる誘導機構とを備える。
外部からの磁界をカプセル型内視鏡に作用させてカプセル型内視鏡20を誘導動作する誘導機構は、支持フレーム10に設置した誘導用コイル14により、カプセル型内視鏡20に内蔵した磁石22に磁界を作用させて行う。
これらの給電コイル12と誘導用コイル14は、それぞれ給電と誘導を行う専用のコイルとして設置することもできるし、給電用と誘導用に適宜切り替えて使用することもできる。給電コイル12と誘導用コイル14を給電用と誘導用に共通に使用することができれば、給電作用、誘導作用の際に適宜位置のコイルを選択して所要の作用を行うことができ、カプセル型内視鏡20の給電、誘導動作をきめ細かく調整することができる利点がある。
また、カプセル型内視鏡の誘導機構として、図1では、誘導用コイル14を使用しているが、誘導用コイル14によらずに永久磁石の磁界を利用してカプセル型内視鏡を誘導することも可能である。カプセル型内視鏡に作用させる磁界源として誘導用コイル14を用いる場合も永久磁石を用いる場合も、内服されたカプセル型内視鏡の体内における位置を検知しながら、カプセル型内視鏡に磁界を作用させ、カプセル型内視鏡の姿勢を制御したり、カプセル型内視鏡の移動動作を誘導する操作を行う。
カプセル型内視鏡20は、両端が封止された円筒状のカプセル(容器)の内部に、前述した受電コイル20と磁石22とが内蔵され、撮影機構としてカメラ23、画像の送信用の通信機構(受送信用の回路)24が内蔵されている。カプセルの透視窓を備える前部側にカメラ23が配置され、カメラ23の背面側に通信機構24の回路基板が配置され、通信機構24の背面側に、受電コイル21、給電用の回路基板、自走用の磁石22が配置される。図2において、コントローラ35は給電あるいは誘導動作の制御と、カメラ23等の撮影機構の制御をなす。
このため、非接触給電の実験においては、30mW,3V以上の出力を得るようにするため、それぞれのコイルに接続する負荷抵抗を300Ωとし、各コイルの出力電力を、倍電圧回路を用いて昇圧し、平滑コンデンサにより整流する構成とした。
コイルA,B,Cに接続する共振用のコンデンサCA、CB、CCのキャパシタンスはコイルA、B、Cのインダクタンスと電力伝送周波数により設定し、整流用コンデンサCのキャパシタンスは1μFとした。コンデンサCA、CB、CC、Cとダイオードには、小型化、薄型化を図るため表面実装用の素子を使用した。
図5は、カプセル内に装着した状態の受電コイル21と磁石22の配置を示す。図5(a)は受電コイル21と磁石22とを端面を相互に当接させて配置した状態、図5(b)は受電コイル21と磁石22の端面を若干離間させて(ギャップG)配置した状態を示す。なお、磁石22は厚さ方向に着磁されている。
実際のカプセル型内視鏡では、給電用の回路を搭載する必要がある。受電コイル21と磁石22との間にギャップを設けることにより、この空隙内に給電用の基板を搭載することができる。
カプセル型内視鏡に受電コイル21と磁石22とを内蔵させると、磁石22による磁界が受電コイル21に作用し、また、ネオジウム磁石等の磁石では磁石の表面にニッケルめっきなどの保護めっきが施されていることから、磁石の表面部分(被膜部分)で渦電流が生じ、受電コイル21の共振周波数が変化する。
本実施形態の給電機構では、磁界共振結合方式、すなわち給電コイル12と受電コイル21とを共振させて給電する。したがって、受電コイル21の共振周波数が変動すると、給電効率が減退するという問題が生じる。また、受電コイル21はコア21aを備えていることから給電機構が磁界による誘導動作にも影響する。
受電コイル21と磁石22がともに搭載されているカプセル型内視鏡20についての給電特性を調べるため、まず、受電コイル21のコイルA、B、C自体のインピーダンス特性を測定した。コイルA、B、Cには上述した磁性めっき線を使用し、コイルA、B、Cの巻数はそれぞれ、NMA=102、NMB=110、NMC=115である。前述したように、コイルA,B、Cは若干コイルの巻線の形態が異なる。コイルA、B、Cの巻数を若干変えているのは、コイルのQ値が最大となるときの周波数が大きく相違しないように設定するためである。
コイルA、B、CのQ値に着目すると、コイルAについては、最大となるQ値が657kHz QMA=151、コイルBについては669kHz QMB=148、コイルCについては682 kHz QMC=118である。
なお、コイルA、B、Cのいずれについても特定の周波数でQ値が急激に下がる現象が見られた。これらの現象はいずれもそれぞれのコイルの自己共振周波数で生じていることから、自己共振による影響であると考えられる。
受電コイル21と磁石22とを組み合わせた実験用のサンプルを作製し、一様な磁界を発生する磁界発生装置を利用して実験用のサンプルに給電し、受電コイル21によって受電される電力を測定する実験を行った。
受電コイル21と磁石22との組み合わせとして、受電コイル21のみを使用し磁石22を組み合わせない場合、受電コイル21と磁石22とを組み合わせ受電コイル21と磁石22とを相互に当接させた場合(ギャップ無し)、受電コイル21と磁石22との間にギャップを設けた場合について測定した。
磁石22にはネオジウム磁石(厚さ5mm、径9mm、表面磁束密度427mT)を使用した。
受電コイル21に接続した回路は図3に示したものと同一で、負荷抵抗(300Ω)にパワーアナライザ47を接続して受電した電力を測定した。
給電用として、発振器(NF Electronic Instruments,WF1974)と増幅器(NF Electronic Instruments,4055 HIGH SPEED Power Amplifier)を使用し、発振器45の出力信号を増幅器46で増幅し、増幅器46からの出力を一様磁界発生装置40に印加した。
縦軸に表示されている受電コイルの電力としては30mWが目安となる。30mW程度の電力が得られれば、撮像機構や通信機構の駆動が可能である。
これに対して、磁石22を組み合わせない受電コイル21のみの場合には、きわめて大きな電力が得られている。
この測定結果は、受電コイル21と磁石22とを単に組み合わせると、磁石22の作用により受電電力が顕著に減退する(-97%)ことを示している。本実験結果のように、受電コイル21と磁石22とを近接させて配置したときに受電電力が大きく減退する理由は、磁石22の磁界により受電コイル21のコアが磁気飽和してしまい、コイルの誘導起電力が減少するためである。
図12からわかるように、この実験条件による場合は、受電コイル21と磁石22とをギャップなしとして配置した場合でも、磁界強度80(A/m)で、100mWというカプセル型内視鏡の駆動に十分な電力が得られた。この実験結果は、磁石の表面の保護用のめっき被膜(金属被膜)を除去して渦電流損による影響を排除することと、給電周波数を調整する方法が給電効率を向上させる上で有効であることを示している。
表面に金属被膜が形成されていない磁石として、樹脂で磁石の表面を被覆した製品がある。カプセル型内視鏡に用いる磁石として、表面を保護する金属被膜にかえて樹脂被膜により表面を保護した磁石を使用するのがよい。
図13はカプセル型内視鏡の動きを誘導する誘導用コイル14を利用してカプセル型内視鏡を誘導させる際の推進力を測定する実験に用いた測定装置のブロック図を示す。
測定対象であるサンプルは、水平に設置したアクリル樹脂からなる平板51の上に支持プレート52を固定し、この支持プレート52の上に移動自在に配置した。
推進力の測定は、サンプルのカプセルの一端側の端部と、平板51上に固定したバネ秤54の検出用のフックとをビニル紐により連結し、バネ秤54の指針位置を読み取ることで測定した。
コイル56には、発振器57から出力された電流を増幅器58により増幅し、直流電流をコイル56に印加する構成とした。実験では、コイル56に印加する電流を1〜5Aの範囲で変化させて推進力を測定した。
実験では、推進力を比較するため、厚さlPMが異なる4種類の磁石を使用した。使用した磁石はネオジウム磁石で、径9mm×厚さ5mm:表面磁束密度427 mT、径9mm×厚さ4mm:表面磁束密度384mT、径9mm×厚さ3mm :表面磁束密度306mT、径9mm×厚さ2mm:表面磁束密度241mTのものである。
フェライトコアは径10mm、厚さ5mmのものを使用した。
いずれの測定結果も、磁石22を単独で使用した場合と比較してフェライトコア21bを使用した場合は、ギャップを設けた場合であっても、推進力が向上する結果が得られた。この実験結果は、フェライトコア21bが磁石22により着磁され磁石とみなせる容量が大きくなり、フェライトコア21bを使用することの優位性を示す。
なお、上記例では誘導動作用としてカプセル型内視鏡に磁石を内蔵した例について説明したが、カプセル型内視鏡に内蔵する磁石は誘導動作用に限らず、体内におけるカプセル型内視鏡の位置を検知する目的(センシング用)として用いる場合もある。この場合も上記例と同様に受電コイルに対する磁石による磁界の影響を考慮して設計することができる。
12 給電コイル
14 誘導用コイル
20 カプセル型内視鏡
21 受電コイル
21a コア
21b フェライトコア
22 磁石
30 コントローラ
31 処理部
32 増幅器
40 一様磁界発生装置
44 実験サンプル
50 サンプル
54 バネ秤
56 コイル
57 発振器
58 増幅器
Claims (5)
- 非接触給電用の受電コイルと厚み方向に着磁された円板状の磁石とを内周径に合わせて挿入した内服用のカプセル型内視鏡であって、
前記受電コイルは、磁性体からなるコアの外面に、相互に直交する3軸方向にそれぞれコイルが巻回して設けられ、
前記受電コイルと前記磁石とが相互に2.73mm以上5.46mm以下の範囲で離間して設けられていることを特徴とするカプセル型内視鏡。 - 前記受電コイルと前記磁石とが離間する空隙内に、回路基板が配置されていることを特徴とする請求項1に記載のカプセル型内視鏡。
- 前記コアは円板状に形成され、前記受電コアに巻回される3個のコイルのうち、2個のコイルは、コアの平面内を通過し、コアの平面内で十字形に交差する配置に巻回され、他の1 個のコイルは、コアの円周外面に巻回されていることを特徴とする請求項1または2に記載のカプセル型内視鏡。
- 前記磁石は、外面に金属被膜を備えないことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のカプセル型内視鏡。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のカプセル型内視鏡を有する駆動システムであって、
前記受電コイルに給電する給電機構として、磁界共振結合方式により前記受電コイルに給電する給電コイルを備え、
前記カプセル型内視鏡の誘導機構として、前記磁石に磁力を作用させてカプセル型内視鏡を誘導移動させる磁界発生手段を備えていることを特徴とするカプセル型内視鏡の駆動システム。
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