JP7032609B2 - カプセル内視鏡制御システム - Google Patents

Description

本発明は、医療機器の分野に関し、特にカプセル内視鏡制御システムに関する。

＜関連出願の相互参照＞
本発明は、２０１８年６月２日付で出願された米国特許仮出願第６２／６７９，７９１号に基づく優先権を主張する。当該優先権の基礎とされた米国特許仮出願は、その全文が本願に組み込まれる。

カプセル内視鏡（Ｃａｐｓｕｌｅ ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ）は、カプセル状とされた内視鏡であり、人体の腸管を検査するための医療機器である。通常、カプセル内視鏡は、患者により体内に飲み込まれ、外部の磁場制御デバイスによりガイドされて人体の腸管内を移動する。これによって、人体の胃腸や食道の部位の健康状態を検査し、医者の患者に対する診断を助ける。

従来技術のカプセル内視鏡制御システムは、内部に永久磁石が設けられた、被検者の消化管情報を収集するためのカプセル内視鏡と、永久磁石によりカプセル内視鏡の移動を制御するカプセル制御デバイスと、消化管情報、カプセル内視鏡の位置情報を受信して表示し、カプセル制御デバイスの作動を制御する制御端末装置と、を備える。カプセル内視鏡は、カプセル制御デバイスにより制御されて第１の検査対象位置に移動された後、検出した第１の検査対象位置の消化管情報を制御端末装置に送信して表示させ、これによって、医療関係者が被検者の消化管の状況を明確に観察できる。次に、カプセル内視鏡は第２の検査対象位置に移動されて検出を行い、消化管情報を制御端末装置に送信する。このようにして、すべての検査対象位置で検出を行う。

該カプセル内視鏡制御システムに含まれるロボットは、キャスター付き制御キャビネットに固定され、制御キャビネットの移動につれて動き回ることができる。しかし、このような移動方式では、該検出用ロボットが周辺の検査ベッドや制御端末装置に衝突して、患者の体験を損ない、ひいては、精密機器を損壊することもある。

また、該カプセル内視鏡制御システムのロボットは、アームの下方にはアクティブ磁石が吊り下げられる。ロボットのアームが所定の位置に達した後に、アクティブ磁石の移動を制御する。アクティブ磁石は、カプセル内視鏡内の永久磁石に作用力を加え、そして、カプセル内視鏡内の永久磁石により該カプセル内視鏡を消化管内において移動する。しかし、該ロボットのアームの下方に設けられるアクティブ磁石が重いため、垂直方向に移動するのに重力の作用に抵抗する必要があるが、精密機械としてのロボットのアームは荷重限界があるとともに高価であり、重いアクティブ磁石を長期間負荷すると、変形したり壊れたりして、検出精度に悪影響を及ぼしてしまう。

さらに、上記形態では、該カプセル内視鏡制御システムにおいて、カプセルへの制御には、「人－制御端末装置－コンピュータ－サーバ－モータ－永久磁石」という一連の伝達が必要とされ、その結果、システム全体の構造が複雑になり、操作されにくくなり、また、検査対象位置が固定されているので、全方位的な走査や制御を実施できない。

又は、前記カプセル内視鏡制御システムでは、カプセル内視鏡の制御は、メカニカルアームが永久磁石を制御することによって行われる。この場合、該永久磁石の重量が極めて大きいため、メカニカルアームのモータの負荷が高くなり、製造コストが上がる。

このため、構造を簡素化させ、簡単に稼働でき、また、全方位的な走査や制御が可能であり、且つコストが低いカプセル内視鏡制御システムを提供することが期待されている。

以上に鑑み、本発明は、バランスアーム装置、メカニカルアーム装置、永久磁石及び２自由度回転プラットフォームを備えるカプセル内視鏡制御システムであって、該バランスアーム装置は、底部が固定され、可動端がブームを有し、該メカニカルアーム装置は、底部が固定され、可動端が球状ヒンジを有し、該２自由度回転プラットフォームは、該ブームの下方に設けられ、該永久磁石が該２自由度回転プラットフォーム内に設けられ、該球状ヒンジが該ブームに接続され、該永久磁石が被検者の周辺領域で移動するのを補助するカプセル内視鏡制御システムを提供する。

本発明の一実施例によれば、前記バランスアーム装置は、空気圧バランスアーム又はスプリング式バランスアームである。

本発明の一実施例によれば、前記バランスアーム装置と前記メカニカルアーム装置とは、それぞれ異なる固定部材に固定されてもよく、同一の固定部材に固定されてもよい。

本発明の一実施例によれば、該制御システムにおいて、前記バランスアーム装置と前記メカニカルアーム装置を併用することによって、５自由度の運動範囲を提供し、そして、永久磁石を制御することによって、カプセル内視鏡を自由に制御することを実現しうる。

は、本発明のカプセル内視鏡制御システムの構造模式図である。 は、図１の空気圧バランスアームの構造模式図である。 は、図１のメカニカルアーム装置の構造模式図である。 は、図１の２自由度回転プラットフォームの構造模式図である。 は、該カプセル内視鏡制御システムの使用時の状態模式図である。 は、永久磁石が空気圧バランスアームだけにより制御されて移動する場合の被検者の上方における空間的移動領域の模式図である。 は、被検者の一側から観察された、空気圧バランスアーム及びメカニカルアーム装置の共同作用による永久磁石の有効到達領域図である。 は、被検者の身体の上方から観察された、永久磁石の有効到達領域の模式図である。 は、被検者の身体の上方から観察された、永久磁石の有効到達領域の模式図である。 は、永久磁石の変位に基づく２自由度回転プラットフォームの補償角度の算出法の模式図である。 は、カプセル内視鏡が胃壁の上部に位置する場合、永久磁石の回転及び移動により制御されたカプセル内視鏡の移動の模式図である。 は、カプセル内視鏡が胃壁の上部に位置する場合、永久磁石の回転及び移動により制御されたカプセル内視鏡の移動の模式図である。 は、カプセル内視鏡が胃壁の下部に位置する場合、永久磁石の回転及び移動により制御されたカプセル内視鏡の移動の模式図である。 は、カプセル内視鏡が胃壁の下部に位置する場合、永久磁石の回転及び移動により制御されたカプセル内視鏡の移動の模式図である。 は、スプリング式バランスアーム装置の構造模式図である。 は、別体式構造を有するバランスアーム装置及びメカニカルアーム装置の構造模式図である。 は、別体式構造を有するバランスアーム装置及びメカニカルアーム装置の構造模式図である。 は、別体式構造を有するバランスアーム装置及びメカニカルアーム装置の構造模式図である。 は、別体式構造を有するバランスアーム装置及びメカニカルアーム装置の構造模式図である。 は、一体式構造を有するバランスアーム装置及びメカニカルアーム装置の構造模式図である。 は、ガススプリング付きメカニカルアーム装置の構造模式図である。 は、第１のモータ、第２のモータ及び第３のモータの接続構造模式図である。 は、第１のモータ、第２のモータ及び第３のモータの接続構造模式図である。 は、第４のモータ、第５のモータの接続構造模式図である。 は、スプリングが変形して生じた力の方向の模式図である。

説明を簡潔かつ明確にするため、異なる図面における対応するまたは同一の要素には同一の符号を付していることが理解される。また、ここで説明する実施形態について全面的な理解を容易にするために、多くの具体的な細部が記載されている。しかしながら、ここで開示された実施形態は、これらの具体的な細部を有さなくても実施可能であることは、当業者にとって理解されることである。他の実施例において、方法、手順及び構成要素について詳細に説明していないのは、説明対象とする主な特徴を強調するためである。図面は、必ずしも各部材の間の比例を厳密に示すものではなく、細部と特徴をより明確に示すように、ある部分の比例を放大する場合がある。なお、以下の説明は、本明細書に記載の実施形態の範囲を限定するものではないと認識されるべきである。

図１は、本発明のカプセル内視鏡制御システムの構造模式図である。図示したように、該カプセル内視鏡制御システム１００は、バランスアーム装置１１０、メカニカルアーム装置１２０、永久磁石１３０及び２自由度回転プラットフォーム１４０を備える。バランスアーム装置１１０は、底部が固定され、可動端がブーム１１１を有し、メカニカルアーム装置１２０は、底部が固定され、可動端が球状ヒンジ１２１を有する。球状ヒンジ１２１は、ブーム１１１に接続され、ブーム１１１が被検者の身体の側部及び上方を隅々まで移動するのを補助して、ブーム１１１を正確に所定の位置に設置する。２自由度回転プラットフォーム１４０はブーム１１１の下方に設けられ、永久磁石１３０は２自由度回転プラットフォーム１４０内に設けられる。２自由度回転プラットフォーム１４０の下方には被検者が横たわって検査を受けるための検査ベッド１５０が設けられる。検出時に、小磁石付きのカプセル内視鏡が被検者の消化管に入り、メカニカルアーム装置１２０がバランスアーム装置１１０と協力して作動することによって、永久磁石１３０が前記カプセル内視鏡の小磁石に作用して該カプセル内視鏡を消化管内で移動させる。

本実施例において、前記カプセル内視鏡制御システム１００は、コンソール（未図示）をさらに備えてもよい。該コンソールは、メカニカルアーム装置１２０の移動を駆動してブーム１１１の空間的位置を調整することによって、永久磁石１３０を三次元空間で移動させる。該コンソールはまた、三次元位置と二次元方向とを含む永久磁石１３０の空間的位置を決めることもできる。

別の実施例において、前記カプセル内視鏡システム１００がコンソールを備えない場合、前記メカニカルアーム装置１２０は手動で移動されてブーム１１１の空間的位置を調整することによって、永久磁石１３０を三次元空間で移動させる。この場合、前記カプセル内視鏡システム１００は複数の磁気センサを含む磁気センサアレイ（未図示）を備え、該磁気センサアレイは該複数の磁場センサによって永久磁石１３０の空間的位置を検出する。

本実施例において、永久磁石１３０は２自由度回転プラットフォーム１４０内で二次元的に自転し、同時に２自由度回転プラットフォーム１４０の初期化された方向が一定に維持されなければならない。バランスアーム装置１１０及びメカニカルアーム装置１２０は、空間的位置を調整するときに２自由度回転プラットフォーム１４０の偏向を引き起こし、該偏向角度が永久磁石１３０の回転角度に加える。カプセル内視鏡に対する永久磁石１３０の制御精度を高めるために、２自由度回転プラットフォーム１４０の偏向角度を補償する必要がある。

本実施例では、前記コンソール又は磁気センサアレイは、永久磁石１３０の位置及び方向を決め、永久磁石１３０の変位に基づいて２自由度回転プラットフォーム１４０の補償角度を算出する。図１０に示すように、永久磁石１３０及び２自由度回転プラットフォーム１４０が位置Ａから位置Ｂに移動し、永久磁石１３０のｘ、ｙ方向の変位がそれぞれ△ｘ、△ｙであると、補償角度αの計算式がｔａｎα＝△ｙ／△ｘである。

本実施例では、２自由度回転プラットフォーム１４０及び永久磁石１３０は、バランスアーム装置１１０及びメカニカルアーム装置１２０の末端にある。２自由度回転プラットフォーム１４０を水平移動させる場合、永久磁石１３０は測地座標系に対して偏向し、測地座標系に対する永久磁石１３０の偏向を解消するために、永久磁石１３０の水平偏向角度を補償する。永久磁石１３０がある水平方向に移動する場合、磁性体の水平時のＮＳ極の向きが水平移動方向と一致し、この時、永久磁石１３０が元の水平角度から移動方向の角度に回転し、次に、移動中に測地座標系に対する永久磁石１３０の偏向を補償する。永久磁石１３０の補償偏向角度は、負の２自由度回転プラットフォーム１４０の偏向角度である。

カプセル内視鏡が胃の下壁にある場合、永久磁石１３０におけるその回転中心より胃下壁から離れる点の回転の接線方向が、永久磁石１３０の移動方向と反対であり、カプセル内視鏡が胃の上壁にある場合、永久磁石１３０におけるその回転中心より胃上壁から離れる点の回転の接線方向が、永久磁石１３０の移動方向と一致する。永久磁石１３０の回転と移動の速度が、条件式：ｖ＝ω×Ｌ（式中、ｖは永久磁石１３０の平均移動速度であり、ωは永久磁石１３０の平均回転角速度であり、Ｌはカプセル内視鏡の長さである。）を満たす。

図１１及び図１２は、カプセル内視鏡が胃壁の上部にある場合、永久磁石１３０の回転及び移動により制御されたカプセル内視鏡の移動の模式図である。図１１に示すように、永久磁石１３０が右に移動し、右に回転する（時計回り）場合、カプセル内視鏡が右に移動し、左に回転する（反時計回り）。図１２に示すように、永久磁石１３０が左に移動し、左に回転する（反時計回り）場合、カプセル内視鏡が左に移動し、右に回転する（時計回り）。つまり、カプセル内視鏡の移動方向が永久磁石１３０の移動方向と一致し、且つカプセル内視鏡の回転方向が永久磁石１３０の回転方向と反対である。

図１３及び図１４は、カプセル内視鏡が胃壁の下部にある場合、永久磁石１３０の回転及び移動により制御されたカプセル内視鏡の移動の模式図である。図１３に示すように、永久磁石１３０が左に移動し、右に回転する場合、カプセル内視鏡が左に移動し、左に回転する。図１４に示すように、永久磁石１３０が右に移動し、左に回転する（反時計回り）場合、カプセル内視鏡が左に移動し、右に回転する（時計回り）。つまり、カプセル内視鏡の回転方向が永久磁石１３０の回転方向と反対である。

本発明では、バランスアーム装置１１０は、メカニカルアーム装置１２０と組み合わせて２自由度回転プラットフォーム１４０を制御し、永久磁石１３０を所定の空間的位置に到達させるとともに垂直・水平に回転させることによって、カプセル内視鏡を駆動してさまざまな移動状態にさせる。メカニカルアーム装置１２０の主なコストが大負荷の高精度モータにある。バランスアーム装置１１０が作動過程に亘って負荷する重力がバランスを取るなどの利点により、メカニカルアーム装置１２０への荷重要求が大幅に低減し、メカニカルアーム装置１２０のコストが大幅に低下しうる。それに、メカニカルアーム装置１２０が空間的位置に正確に移動したり設置したりする利点と相まって、カプセル内視鏡制御システム１００全体の低コスト及び高精度が達成される。

前記バランスアーム装置１１０は、図２に示すように、バランスシリンダ１１５を用いてブーム１１１の負荷をバランスする空気圧バランスアーム１１０であってもよく、図１５、図１６、図１９に示すように、通常のスプリング又はガススプリング又はコイルスプリングを用いてブーム１１１の負荷をバランスするスプリング式バランスアーム２１０であってもよい。

図２は、図１に示す空気圧バランスアーム１１０の構造模式図である。該空気圧バランスアーム１１０は、支持のための立柱１１２と底板１１９を備える。立柱１１２の頂端には、該立柱１１２と一定の角度をなす上部バランスアーム１１３及び下部バランスアーム１１４が設けられ、該上部バランスアーム１１３と該下部バランスアーム１１４は互いに平行である。バランスシリンダ１１５は立柱１１２の一方側に設けられ、ピンにより立柱１１２に固定され、且つ上部バランスアーム１１３及び下部バランスアーム１１４の下方に位置する。バランスシリンダ１１５の気管ピストンがピンにより上部バランスアーム１１３、下部バランスアーム１１４に接続され、上部バランスアーム１１３及び下部バランスアーム１１４に上向き又は下向きの動力を提供する。上部バランスアーム１１３及び下部バランスアーム１１４は、バランスシリンダ１１５の気管ピストンの伸縮により牽引されて、垂直方向に上下移動可能である。つまり、バランスシリンダ１１５の気管ピストンが収縮すると、上部バランスアーム１１３及び下部バランスアーム１１４が上向きに移動し、バランスシリンダ１１５の気管ピストンが伸長すると、上部バランスアーム１１３及び下部バランスアーム１１４が下向きに移動する。

上部バランスアーム１１３、下部バランスアーム１１４は、他端に後末端アーム１１８及び前末端アーム１１７に接続され、前記後末端アーム１１８は前記前末端アーム１１７と上部バランスアーム１１３、下部バランスアーム１１４との間に位置する。後末端アーム１１８は、枢軸を通じて上部バランスアーム１１３及び下部バランスアーム１１４に接続され、後末端アーム１１８は、枢軸を中心に３６０度水平回転することが可能である。前末端アーム１１７と後末端アーム１１８の間にも、枢軸を通じて互いに接続され、前末端アーム１１７は、枢軸を中心に３６０度水平回転することが可能である。具体的には、後末端アーム１１８又は前末端アーム１１７を手動又はメカニカルアームにより駆動して枢軸を中心に３６０度水平回転させることができる。ブーム１１１は前末端アーム１１７の他端に垂直に接続される。本発明では、上部バランスアーム１１３、下部バランスアーム１１４、後末端アーム１１８及び前末端アーム１１７は、いずれも剛性アームである。

本願では、バランスアーム装置は、負荷の重量をバランスし、操作者の作業負荷や、メカニカルアームのモータ出力への要求を低減させる役割を果たす。

立柱１１２の一方側には制御盤１１６がさらに設けられ、該制御盤１１６は、回路を通じてバランスシリンダ１１５に接続され、バランスシリンダ１１５のピストンの上下移動を制御する。バランスシリンダ１１５のピストンは、制御盤１１６によって上下移動するように制御され、上部バランスアーム１１３及び下部バランスアーム１１４を垂直方向に上下移動させ、最終的にブーム１１１を上下移動させる。このように、該空気圧バランスアーム装置１１０の剛性アームは、ブーム１１１の末端に固定された永久磁石１３０の重量を常に負荷し、且つ重力に抵抗して該永久磁石１３０を上下移動させ、重力平衡を達成することができる。

前記底板１１９は図２に示す固定された底板であってもよいし、底部にホイールが付いた可動底板（未図示）であってもよい。可動底板の場合、そのホイールが動いたりロックされたりすることができ、且つ可動底板には、カプセル内視鏡制御システム１００の重量をバランスするためにバランスウェイトが配置されてもよく、それによって、永久磁石１３０の過大の重量により可動底板が固定できないことを防ぐ。

前記カプセル内視鏡制御システム１００が磁気センサアレイを備える場合、該磁気センサアレイは立柱１１２に取り付けられる。

図３は、メカニカルアーム装置１２０の構造模式図を示している。メカニカルアーム装置１２０は、空気圧バランスアーム装置１１０のブーム１１１に接続された球状ヒンジ１２１を備える。メカニカルアーム装置１２０は、支持のための立柱１２２と底板１２３をさらに備える。立柱１２２の頂端には第１のモータ１２４と第２のモータ１２５を有し、リアアーム１２６が該第２のモータ１２５に接続される。第１のモータ１２４は、第２のモータ１２５及びリアアーム１２６を底板１２３と平行である水平方向に回転させ、第２のモータ１２５は、リアアーム１２６を垂直方向に回転させる。メカニカルアーム装置１２０は、第３のモータ１２８及びフロントアーム１２７をさらに備える。リアアーム１２６の他端が第３のモータ１２８を介してフロントアーム１２７に接続され、第３のモータ１２８は該フロントアーム１２７を駆動して３６０度回転させることができる。フロントアーム１２７の他端は球状ヒンジ１２１に接続される。本実施例では、第１のモータ１２４、第２のモータ１２５及び第３のモータ１２８によってメカニカルアーム装置１２０の移動を駆動する。

具体的には、図２２、図２３に示すように、第１のモータ１２４は立柱１２２内に固定され、第１のモータ１２４の出力軸が第２のモータ１２５に連結される。第２のモータ１２５はモータブラケットを通じで立柱１２２に固定され、且つ第２のモータ１２５の出力軸が軸受けを通じてリアアーム１２６に接続される。第３のモータ１２８は、モータブラケットを通じてリアアーム１２６に固定され、且つ第３のモータ１２８の出力軸がフロントアーム１２７に連結される。

前記底板１２３は、図３に示す固定された底板であってもよく、底部にホイールが付いた可動底板（未図示）であってもよい。可動底板の場合、そのホイールが動いたりロックされたりすることができ、且つ可動底板には、カプセル内視鏡制御システム１００の重量をバランスするためにバランスウェイトが配置されてもよく、それによって、メカニカルアーム１２０の過大の重量により可動底板が固定できないことを防ぐ。

別の実施例では、前記立柱１２２と底板１２３の代わりに基台が使用されてもよい。該基台は、底部が固定され、壁に掛けられて固定された壁掛け式、又は天井に吊り下げられて固定された天井吊り式であってもよい。この場合、該基台の頂部には、前記第１のモータ１２４及び第２のモータ１２５が設けられる。

また、別の実施例では、図２１に示すように、該メカニカルアーム装置１２０は、フロントアーム１２７に接続されたガススプリング１２９をさらに備える。ガススプリング１２９はリアアーム１２６に固定して設けられ、ガススプリング１２９のピストンロッドがフロントアーム１２７に接続され、フロントアーム１２７の上下移動を駆動し、それにより、第３のモータ１２８の出力への要求を低減する。ただし、別の実施形態では、ガススプリング１２９は他の適切な部材に固定して設けられてもよく、その可動端がフロントアーム１２７に接続され、フロントアーム１２７の移動を駆動できればよい。

図４は、図１に示される２自由度回転プラットフォーム１４０の構造模式図を示している。２自由度回転プラットフォーム１４０は、互いに接続されている第１のエンクロージャー１４１及び第２のエンクロージャー１４２を備える。第１のエンクロージャー１４１内には、縦軸を中心とする３６０度の回転を提供する第４のモータ１４３が設けられ、第２のエンクロージャー１４２内には、水平軸を中心とする３６０度の回転を提供する第５のモータ１４４が設けられる。２自由度回転プラットフォーム１４０の補償角度αが第５のモータ１４４により自動的に補償される。

具体的な接続構造は、図２４に示されるように、第４のモータ１４３は、ハーモニックドライブ減速機１４５、カップリング１４６を通じて主軸１４７の一端に接続される。主軸１４７の他端は第２のエンクロージャー１４２に接続され、第４のモータ１４３により第２のエンクロージャー１４２を縦軸を中心に３６０度回転させることができる。第５のモータ１４４はハーモニックドライブ減速機１４５、同期プーリ及びタイミングベルト１４９を通じて永久磁石１３０に接続され、第５のモータ１４４により永久磁石１３０を水平軸を中心に３６０度回転させることができる。ここで、同期プーリは主同期プーリ１４８ａ及び副同期プーリ１４８ｂを含む。

このようにして、回転プラットフォーム１４０を水平に回転させる第５のモータ１４４及びそれを垂直に回転させる第４のモータ１４３によって、回転プラットフォーム１４０に担持される永久磁石１３０を２自由度で回転させて位置決めする。メカニカルアーム装置１２０及び空気圧バランスアーム装置１１０の共同作用により、ブーム１１１に接続された永久磁石を三次元空間で移動させて位置決めすることができる。よって、永久磁石１３０の５自由度の運動が可能になる。

使用に先立って、回転プラットフォーム１４０、検査ベッド１５０及び制御盤１１６をできる限り水平に配置するように調整する。具体的には、回転プラットフォーム１４０及び検査ベッド１５０について、最大許容地面平坦度が±２．５ｍｍであり、地面粗さが水平度をその許容範囲内に確保可能であればよく、制御盤１１６について、最大許容地面平坦度が±５ｍｍであり、地面粗さが水平度をその許容範囲内に確保可能であればよく、他の地面について、最大許容地面平坦度が±１０ｍｍである。

図５は、カプセル内視鏡制御システム１００の使用時の状態模式図を示している。図示するように、作動状態では、検査ベッド１５０の高さはＨ０とされ、検査ベッド１５０上の領域１９９は検査者が横たわる領域であり、該領域の高さはＨ１とされる。該領域１９９の上方は、回転プラットフォーム１４０及び永久磁石１３０の移動領域である。

図６は、永久磁石１３０が空気圧バランスアーム１１０のみの制御により移動する場合、被検者の上方での空間的移動領域の模式図を示している。この場合、永久磁石１３０による検出可能な範囲は、図示するように、被検者の所在する領域１９９の上方における永久磁石の移動範囲１３９が所在する領域である。ここで、該被検者の消化管の長さをＬ１、消化管の幅をＷ１、消化管の高さをＨ１とする。該永久磁石の移動範囲１３９は、幅Ｗ２が消化管の幅Ｗ１とほぼ等しく、長さＬ２が消化管の長さＬ１に相当し、高さＨ２が人体の表面から、人体内のカプセル内視鏡の磁性体が永久磁石１３０による制御を逸脱しうる位置までの距離を意味する。

図７には、一実施例では、被検者側から観察された、空気圧バランスアーム１１０及びメカニカルアーム装置１２０の共同作用による本発明における永久磁石１３０の有効到達領域の模式図が示されている。ここで、三角形領域は永久磁石が到達不能な領域である。図面から分かるように、空気圧バランスアーム１１０及びメカニカルアーム装置１２０の共同作用では、永久磁石１３０は人体の消化管領域を囲む領域全体に到達することができ、従来技術に比べて、検出可能な領域が明らかに広がり、検出精度の向上及び検出範囲の拡大に有利である。

図８には、別の実施例では、被検者の身体の上方から観察された、永久磁石の有効到達領域の模式図が示されている。図示するように、長方形領域は被検者の消化管の長さＬ１と幅Ｗ１からなる平面領域である。円形領域のハッチング領域は永久磁石の有効到達領域である。

図９には、別の実施例では、被検者の身体の上方から観察された、永久磁石有効到達領域の模式図が示されている。図示するように、外側の大円形領域は永久磁石の有効到達領域であり、各小円は、永久磁石が各検出部位に移動したときに検出可能な領域である。図面から分かるように、空気圧バランスアーム１１０及びメカニカルアーム装置１２０の共同作用により、人体の消化管での永久磁石１３０の検出領域の範囲が広がる。

図１５はスプリング式バランスアーム２１０の構造模式図である。スプリング式バランスアーム２１０は、支持用基台２１２を備える。該基台は、底部が固定され、図面に示される壁掛け式、又は天井に吊り下げられて固定された天井吊り式（未図示）であってもよい。スプリング式バランスアーム装置２１０は、基台の頂端に接続された水平揺動アーム２１３をさらに備える。水平揺動アーム２１３の他端に、水平揺動アーム２１３と一定の角度をなす上部バランスアーム２１４、下部バランスアーム２１５及びスプリング２１６が設けられる。上部バランスアーム２１４と下部バランスアーム２１５は互いに平行であり、スプリング２１６は変形により上部バランスアーム２１４及び下部バランスアーム２１５に上向き又は下向きの動力を提供する。スプリング２１６の作用により、上部バランスアーム２１４及び該下部バランスアーム２１５は、上下方向及び水平方向において３６０度移動可能である。前記スプリング２１６は、通常のスプリング又はガススプリング又はコイルスプリングであってもよい。

本願では、前記通常のスプリング、コイルスプリング、及びガススプリングは、いずれも荷重の平衡に用いられ、手動の労力又はメカニカルアームのモータ出力への要求を低減させる。図２５に示されるように、各スプリングが変形すると、２つの方向の弾性力Ｆ１及びＦ２が生じて、弾性力Ｆ１及びＦ２が上部バランスアーム及び下部バランスアームに作用し、関係式：Ｆ２＝ｓｉｎα×Ｆ１を満たし、その中で、Ｆ２は荷重を平衡するためのものである。

別の実施例では、上記基台２１２の代わりに立柱を用いてスプリング式バランスアームを支持してもよい。該立柱の底部における底板は地面に固定されるか、又はホイール付き可動底板であってもよい。

水平揺動アーム２１３と該基台２１２は、枢軸を通じて互いに接続され、且つ水平揺動アーム２１３と上部バランスアーム２１４、下部バランスアーム２１５とも、枢軸を通じて互いに接続される。水平揺動アーム２１３は枢軸を中心に３６０度水平回転することが可能である。ブーム２１１は、上部バランスアーム２１４、下部バランスアーム２１５及びスプリング２１６の他端に垂直に接続される。本発明では、上部バランスアーム２１４、下部バランスアーム２１５及び水平揺動アーム２１３はいずれも剛性アームである。

このように、スプリング式バランスアーム２１０の剛性アームは、ブーム２１１の末端に固定された永久磁石１３０の重量を常に負荷し、重力に抵抗して永久磁石１３０を上下、左右の隅々まで全方位的に移動させ、そして重力平衡を達成する。

前記カプセル内視鏡制御システム１００が磁気センサアレイを備える場合、該磁気センサアレイの取り付け位置が基台２１２の取り付け位置により決まる。基台２１２が壁掛け式のものである場合、磁気センサアレイは基台２１２付近の壁面に取り付けられ、基台２１２が天井吊り式のものである場合、磁気センサアレイは基台２１２付近の天井に取り付けられる。

本実施例では、前記バランスアーム装置１１０及びメカニカルアーム装置１２０は別体式の構造とされてもよい。この場合、バランスアーム装置１１０及びメカニカルアーム装置１２０は、それぞれ、異なる固定部材に固定される。前記バランスアーム装置１１０は、空気圧バランスアーム１１０又はスプリング式バランスアーム２１０である。二者の固定部材が異なる場合、前記空気圧バランスアーム１１０は立柱に固定されてもよく、前記スプリング式バランスアーム２１０、前記メカニカルアーム装置１２０は立柱、壁面に固定された基台又は天井に固定された基台に固定されてもよい。該立柱の底部における底板は、地面に固定されるか、又はホイール付き可動底板であってもよい。図１に示されるように、空気圧バランスアーム１１０及びメカニカルアーム装置１２０は、それぞれ、異なる立柱に固定される。図１６に示されるように、スプリング式バランスアーム２１０は壁面に固定された基台に固定される一方、メカニカルアーム装置１２０は立柱に固定される。図１７に示されるように、スプリング式バランスアーム２１０及びメカニカルアーム装置１２０は、それぞれ、壁面の異なる位置における基台に固定される。図１８に示されるように、スプリング式バランスアーム２１０及びメカニカルアーム装置１２０は、それぞれ、天井の異なる位置における基台に固定される。

別の実施例では、前記バランスアーム装置１１０及びメカニカルアーム装置１２０は一体式構造であってもよい。この場合、バランスアーム装置１１０及びメカニカルアーム装置１２０は同一の固定部材に固定される。前記バランスアーム装置１１０は空気圧バランスアーム１１０又はスプリング式バランスアーム２１０である。前記空気圧バランスアーム１１０は立柱に固定されてもよく、前記スプリング式バランスアーム２１０、前記メカニカルアーム装置１２０は立柱、壁面に固定された基台又は天井に固定された基台に固定されてもよい。前記立柱の底部における底板は、地面に固定されるか、又はホイール付き可動底板であってもよい。図２０に示されるように、スプリング式バランスアーム２１０及びメカニカルアーム装置１２０は同一の立柱に固定され、ここで、該立柱の底部はホイール付き可動底板である。

従来技術に比べると、まず、本発明では、メカニカルアーム装置１２０の主な荷重が大負荷の高精度モータ（第１のモータ、第２のモータ、第３のモータ）であり、２自由度回転プラットフォーム１４０及び永久磁石１３０の重力が常にバランスアーム装置１１０により負荷されるため、メカニカルアーム装置１２０への荷重要求が大幅に低減する。これによって、メカニカルアーム装置１２０を単独で使用する場合に、モータの荷重が大きく、製造コストが高いことが避けられ、メカニカルアーム装置１２０のコストを大幅に低減することができる。

次に、本発明では、バランスアーム装置１１０によって、永久磁石１３０が被検者の上方領域で昇降したり前後左右に移動したりすることを実現しうる。メカニカルアーム装置１２０は、バランスアーム装置１１０のブーム１１１の回転を駆動し、その下方の永久磁石１３０を被検者の消化管領域の前後左右及び上方の領域全体の所々に全方位的に正確に位置決めすることができ、検出精度を向上する。

さらに、２自由度回転プラットフォーム１４０は、該永久磁石１３０を駆動して水平方向及び垂直方向に回転させることで、水平方向及び垂直方向における２自由度の回転・位置決めが実現される。

したがって、該カプセル内視鏡制御システム１００は、バランスアーム装置とメカニカルアーム装置とを併用することによって、２自由度回転プラットフォームの空間的位置を制御し、５自由度の運動範囲を可能とする。また、メカニカルアーム装置によって空間的位置の正確な変更や設置が実現され、システム全体のコストダウン及び高精度が達成される。

また、本発明のカプセル内視鏡制御システム１００は、２自由度回転プラットフォームと組み合わせることによって、「人－永久磁石」、又は「人－コンソール－永久磁石」という簡単な伝達を実現し、システムをより簡素化させ、永久磁石が人体により一層フィットして作動することになり、人体の周辺領域で移動することができ、これによって、カプセル内視鏡をより直接且つ効果的に制御できる。

最後に、本発明のバランスアーム装置１１０及びメカニカルアーム装置１２０はいずれも使用前に安定的に水平面に配置され、使用中には移動することがなく、メカニカルアームによって位置を調整するので、従来技術のように装置の移動を利用して位置を調整する際に衝突する可能性があるという問題を解消し、また、永久磁石１３０の５自由度の運動を実現し、有効検出領域を広げる。

以上で示されて説明された実施態様は、本発明の実施例に過ぎない。本発明における詳細な構造と機能を含む大量な特徴及び利点が上記内容で説明されたが、当業者によって自明なように、上記内容は、本発明を説明するためだけであり、本発明の細部、特に部材の形状、大きさ及び配置方式の特徴は、本発明の主旨を逸脱せず、特許請求の範囲に記載の用語の広義で通常の意味により決められる全範囲内で変更可能である。

Claims (28)

1. バランスアーム装置、メカニカルアーム装置、永久磁石及び２自由度回転プラットフォームを備えるカプセル内視鏡制御システムであって、
   前記バランスアーム装置は、底部が固定され、可動端がブームを有し、
   前記メカニカルアーム装置は、底部が固定され、可動端が球状ヒンジを有し、
   前記２自由度回転プラットフォームは、前記ブームの下方に設けられ、前記永久磁石は、前記２自由度回転プラットフォーム内に設けられ、
   前記球状ヒンジは、前記ブームに接続され、前記永久磁石が被検者の周辺領域で移動するのを補助する、カプセル内視鏡制御システム。
2. 前記２自由度回転プラットフォームの下方には検査ベッドが設けられ、前記検査ベッドと前記２自由度回転プラットフォームとの間の領域は、被検部位の所在する領域である、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
3. 前記バランスアーム装置は、支持のための立柱と底板を含む空気圧バランスアームであり、前記立柱の頂端には、互いに平行である上部バランスアーム及び下部バランスアームが設けられる、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
4. 前記空気圧バランスアームは、立柱の一方側に位置するバランスシリンダ及び制御盤をさらに備え、
   前記制御盤が前記バランスシリンダに電気的に接続され、
   前記バランスシリンダがピストンにより前記上部バランスアーム及び下部バランスアームのいずれにも接続され、
   前記制御盤は、前記バランスシリンダを制御することで、前記上部バランスアーム及び下部バランスアームを駆動して垂直方向及び水平方向に移動させる、請求項３に記載のカプセル内視鏡制御システム。
5. 前記上部バランスアーム及び下部バランスアームの他端は、後末端アーム及び前末端アームに接続され、
   前記後末端アームは、前記前末端アームと前記上部バランスアーム及び下部バランスアームとの間に位置し、
   前記上部バランスアーム、前記下部バランスアーム、前記後末端アーム及び前記前末端アームは、いずれも剛性アームである、請求項３に記載のカプセル内視鏡制御システム。
6. 前記後末端アームは、枢軸を通じて前記上部バランスアーム、前記下部バランスアームに接続され、枢軸を中心に３６０度水平回転することが可能である、請求項５に記載のカプセル内視鏡制御システム。
7. 前記前末端アームと前記後末端アームとは、枢軸を通じて互いに接続され、前記前末端アームは、枢軸を中心に３６０度水平回転することが可能である、請求項５に記載のカプセル内視鏡制御システム。
8. 前記ブームは、前記前末端アームの他端に位置し、前記前末端アームに垂直に接続される、請求項５に記載のカプセル内視鏡制御システム。
9. 前記メカニカルアーム装置は、第１のモータ、第２のモータ及び第２のモータに接続されたリアアームが頂端に設けられる支持用部材を備え、
   前記第１のモータは、前記第２のモータ及び前記リアアームを水平方向に回転させることに用いられ、
   前記第２のモータは、前記リアアームを垂直方向に回転させることに用いられる、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
10. 前記リアアームの他端は第３のモータを介してフロントアームに接続され、前記第３のモータは、前記フロントアームを駆動して３６０度回転させることができ、
    前記球状ヒンジは前記フロントアームの他端に接続される、請求項９に記載のカプセル内視鏡制御システム。
11. 前記メカニカルアーム装置は、前記フロントアームに接続されるガススプリングをさらに備え、
    前記ガススプリングは、前記フロントアームを駆動して上下移動させることに用いられる、請求項９又は１０に記載のカプセル内視鏡制御システム。
12. 前記支持用部材は、底部が固定底板又はホイール付き可動底板である立柱であるか、或いは、底部が壁に固定されたか又は天井に吊り下げられて固定された基台である、請求項９に記載のカプセル内視鏡制御システム。
13. 前記２自由度回転プラットフォームは、互いに接続されている第１のエンクロージャーと第２のエンクロージャーを備え、
    前記第１のエンクロージャー内には、縦軸を中心とする３６０度の回転を提供する第４のモータが設けられ、
    前記第２のエンクロージャー内には、水平軸を中心とする３６０度の回転を提供する第５のモータが設けられる、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
14. メカニカルアーム装置の移動を駆動してブームの空間的位置を調整することによって、永久磁石を駆動して三次元空間において移動させるとともに、三次元位置と二次元方向とを含む永久磁石の空間的位置を決めるためのコンソールをさらに備える、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
15. 複数の磁気センサからなる磁気センサアレイをさらに備え、
    前記磁気センサアレイは、前記複数の磁場センサによって永久磁石の空間的位置を検出し、永久磁石の三次元位置と二次元方向とを取得する、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
16. 永久磁石の変位に基づいて２自由度回転プラットフォームの補償角度を算出する、請求項１４又は１５に記載のカプセル内視鏡制御システム。
17. 永久磁石を水平方向に移動する場合、永久磁石は元の水平角度から移動方向の角度に回転するため、移動過程中に、前記カプセル内視鏡制御システムは、測地座標系に対する永久磁石の偏向を補償する、請求項１４又は１５に記載のカプセル内視鏡制御システム。
18. ２自由度回転プラットフォームを水平移動する場合、永久磁石は、測地座標系に対して偏向するため、前記カプセル内視鏡制御システムは、永久磁石の水平偏向角度を補償することによって、測地座標系に対する永久磁石の偏向を解消する、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
19. 前記永久磁石は、カプセル内視鏡の消化管内での移動を制御し、
    カプセル内視鏡が胃の下壁にある場合、永久磁石におけるその回転中心より胃の下壁から離れる点の回転の接線方向が、永久磁石の移動方向と反対であり、
    カプセル内視鏡が胃の上壁にある場合、永久磁石におけるその回転中心より胃の上壁から離れる点の回転の接線方向が、永久磁石の移動方向と一致する、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
20. 前記永久磁石の回転と移動の速度は、条件式：ｖ＝ω×Ｌ（式中、ｖは永久磁石の平均移動速度であり、ωは永久磁石の平均回転角速度であり、Ｌはカプセル内視鏡の長さである。）を満たす、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
21. 前記バランスアーム装置は、支持用基台と基台の頂端に接続された水平揺動アームとを備えるスプリング式バランスアームであり、
    前記水平揺動アームの他端には、水平揺動アームと一定の角度をなす上部バランスアーム、下部バランスアーム及びスプリングが設けられ、
    前記上部バランスアームと前記下部バランスアームが互いに平行であり、
    前記スプリングが、変形により前記上部バランスアーム及び前記下部バランスアームに上向き又は下向きの動力を提供する、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
22. 前記スプリングは通常のスプリング、ガススプリング又はコイルスプリングである、請求項２１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
23. 前記水平揺動アームと前記基台とは、枢軸を通じて互いに接続され、且つ前記水平揺動アームと前記上部バランスアーム、前記下部バランスアームとも、枢軸を通じて互いに接続され、
    前記水平揺動アームは、枢軸を中心に３６０度水平回転することが可能である、請求項２１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
24. 前記ブームは、前記上部バランスアーム、下部バランスアーム及びスプリングの他端に垂直に接続される、請求項２１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
25. 前記上部バランスアーム、下部バランスアーム及び水平揺動アームは、いずれも剛性アームである、請求項２１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
26. 前記バランスアーム装置及びメカニカルアーム装置は、それぞれ異なる固定部材に固定されるか、又は同一の固定部材に固定される、請求項１に記載のカプセル内視鏡制御システム。
27. 前記バランスアーム装置は空気圧バランスアーム又はスプリング式バランスアームである、請求項２６に記載のカプセル内視鏡制御システム。
28. 前記空気圧バランスアームは立柱に固定され、
    前記スプリング式バランスアーム、前記メカニカルアーム装置は、立柱、壁面に固定された基台又は天井に固定された基台に固定される、請求項２７に記載のカプセル内視鏡制御システム。
    
    

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