JP7429921B2 - カプセル内視鏡位置検出装置 - Google Patents

Description

本開示は、経口投与により対象者の消化器官内に導入されたカプセル内視鏡の位置を正確に検知する、カプセル内視鏡位置検出装置に関する。

医療現場において消化管の診断に消化管内視鏡が広く用いられている。その例として経口内視鏡や経鼻内視鏡などが挙げられる。例えば、経口・経鼻上部消化管内視鏡や大腸内視鏡により、上部消化管および大腸の粘膜面の詳細な観察が可能となり、早期がんの内視鏡治療も可能である。

しかし、これらの内視鏡はチューブ型であるために患者に対し苦痛や不快感を与える場合が多い。また、小腸は口からも肛門からも遠くしかも複雑に迂曲しているため、通常の上部消化管・大腸内視鏡を用いて検査することが困難である。そこで、近年、嚥下可能なサイズのいわゆる、カプセル内視鏡が注目されている（非特許文献１）。カプセル内視鏡は、飲み込むだけで、内部に搭載されたカメラにより消化管を診察できる利点 がある。しかも低侵襲な医療機器であり、さらに有効長という概念を持たないため、小腸の診察も可能というメリットがある。

その一方で、カプセル内視鏡は体内での移動が内蔵の蠕動運動に依存しており、消化管内での滞留や病変部の通過が発生するといった懸念がある。しかし、カプセル内視鏡の撮像画像がカプセル内視鏡の正確な位置と常に紐づけされていれば、通過した病変部を、マッピング処理等により、あたかもリアルタイムで観察しているかのように医師が確認することができる。

カプセル内視鏡の位置を検出する装置としては、例えば、対象者の胴体に複数のセンサを装着し、それぞれのセンサの出力に基づいてカプセル内視鏡の位置を特定する装置（特許文献１）や、医師や医療技師等の操作者が対象者の腹部をセンサで走査し、センサ強度が最大のポイントをカプセル内視鏡の位置と推定するハンディ型の装置（特許文献２、非特許文献２）がある。いずれもカプセル内視鏡から送信される画像データを載せた電磁波をループアンテナで受信し、その強度を測定するものである。

特開２００５－０５２２５２号公報 特開２００７－３２５８６６号公報

ＩＫＥＤＡ Ｋｅｉｉｃｈｉ，ＳＷＡＩＮ Ｃ．Ｐａｕｌ, ＴＡＪＩＲＩ Ｈｉｓａｏ，"Ｔｈｅ Ｃｕｔ－ｔｉｎｇ Ｅｄｇｅ ｏｆ Ｃａｐｓｕｌｅ Ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｉｎｎｏｖａ－ｔｉｏｎｓ－Ｐａｓｔ，Ｐｒｅｓｅｎｔ，ａｎｄ Ｆｕｔｕｒｅ"，Ｃａｐｓｕｌｅ Ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ Ｃａｐｓｕｌｅ Ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ，Ｖｏｌ． １７，ｐｐ．４８１－４９１，２００５ 湯澤凌芽、増田良健、佐藤光秀、水野勉、田代晋久、大宮直木、"カプセル内視鏡リアルタイム位置検出器の検討"、電気学会研究会資料、ＯＱＤ－１９－０３６、ｐｐ．１－６、２０１９

しかし、カプセル内視鏡から送信される電磁波はもともと指向性を有しており、また、これを受信するセンサ（ループアンテナ）の指向性も完全に回転対象ではないため、ループアンテナの受信強度最大のポイントと、実際のカプセル内視鏡の位置とがずれるといった課題があった。特にハンディ型の装置（特許文献２、非特許文献２）の場合、操作者は常にセンサ強度最大のポイントを探査しなければならず、体内でのカプセル内視鏡の回転等による最大検出強度の位置ずれが、正確な探査の障害となっていた。

本開示の一態様に係るカプセル内視鏡位置検出装置は、カプセル内視鏡が送信する電磁波を受信するアンテナと、前記アンテナを支持するとともに、前記アンテナの出力信号の強度を検出する信号処理回路を含む信号検出部を有するカプセル内視鏡位置検出装置であって、前記アンテナはループアンテナであり、前記ループアンテナの全体を覆い、前記ループアンテナの指向性の最大点付近に非導電性の窓を有する導電性部材より成る開口シールドが設けられた装置である。。

前記窓の形状は円または多角形であり、前記円の直径および前記多角形の対角線の長さは前記電磁波の波長の０．０１～０．０４倍であってもよい。

前記ループアンテナと前記窓との距離は前記電磁波の波長の０．０４～０．０８倍であってもよい。

前記電磁波の周波数は３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚであってもよい。

前記ループアンテナは、外径が３０ｍｍ～６０ｍｍであり、前記窓の直径または対角線長が１０ｍｍ～２０ｍｍであり、さらに前記ループアンテナと前記窓との距離が３０ｍｍ～６０ｍｍであってもよい。

本開示の一態様によれば、カプセル内視鏡から放射される電磁波のニアフィールド領域において鋭い指向性を得ることができ、その結果、高い位置探知精度を有するカプセル内視鏡位置検出装置が実現できる。

カプセル内視鏡位置検出装置の基本構成と使用形態を示す概念図である。 本開示の一実施の形態のカプセル内視鏡の構成図である。 本開示の一実施の形態の動作を示す概念図である。 本開示の一実施例（実施例１）のアンテナの形状図と周辺回路図である。 本開示の実施例１のアンテナの周波数特性図である。 本開示の実施例１の信号検出部のブロック構成図である。 本開示の実施例１の試作機の外観写真である。 比較例の試作機の外観写真である。 本開示の実施例１における評価実験説明図である。 比較例における評価実験説明図である。 比較例における受信強度分布図である。 本開示の実施例１における受信強度分布図である。 本開示の他の実施例（実施例２）の斜視図である。 本開示の他の実施例（実施例３）の斜視図である。 本開示の他の実施例（実施例４）の正面図である。

以下、本開示の一態様に係る実施の形態（以下、本実施の形態）について図面を参照しながら詳細に説明する。

まず図１に、一般的な（例えば非特許文献２の）ハンディ型のカプセル内視鏡位置検出装置の基本構成と使用形態を示す。経口投与されたカプセル内視鏡（Ｃａｐｓｕｌｅ ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ）は消化器官内で撮像した映像を外部に伝送するため、電磁波を送信する。電磁波の周波数はカプセル内視鏡に内蔵されるアンテナのサイズや体内での吸収を考慮し、ＵＨＦ帯が用いられることが多い。位置検出装置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）はループ状のアンテナ（Ａｎｔｅｎｎａ）を有しており、カプセル内視鏡からの電磁波を受信する。この電磁波はカプセル内視鏡の位置検出にも用いられる。例えば、受信電磁波の強度に応じてスピーカ音（Ｓｏｕｎｄ）の高さを変化させることで、カプセル内視鏡の位置を操作者（医師等）がリアルタイムに判断することができる。

図２に本実施形態のカプセル内視鏡（１）の構成図を示す。図２において、２はループ状のアンテナでありカプセル内視鏡（図示せず）の電磁波を受信する機能を有する。電磁波の周波数は人体への影響も考慮してＵＨＦ帯の比較的低周波領域である４００ＭＨｚ～６００ＭＨｚが好ましい。アンテナ２は波長程度に大きい方が受信感度は高くなるが、ハンディ型であることを考慮し、直径で３０ｍｍ～５０ｍｍが好ましい。

３は信号検出部であり、アンテナ２が受信した電磁波から信号成分を抽出し、その振幅強度を検出する信号処理回路を含むものである。信号処理回路の詳細は後述の実施例に示す。本実施の形態においては、検出された信号強度はスピーカ３２が発する音の高さに変換される。また、ＬＥＤ３１の発光強度や波長に変換されてもよい。

４は開口シールドであり、アンテナ２を覆うように設けられている。開口シールド４は導電性部材より成る。この導電性部材はアルミや銅などの金属を素材とするものであってもよい。また導電性の樹脂であってもよい。また、樹脂表面に金属がメッキされたものであってもよい。開口シールド４には窓４０が設けられている。窓の位置は、アンテナ２の指向性の最大点付近であることが好ましい。ループアンテナの場合は、その中心軸上に位置するのが好ましい。

窓４０は、非導電性であれば単なる開口（空気）であってもよいし、非導電性の樹脂で形成されたものであってもよい。またその形状は該円形であってもよいし多角形であってもよい。また、後述の実施例４で示すように、絞構造を有するものであってもよい。位置検出時、窓の大きさは、直径または対角線の寸法で前記電磁波の波長の０．０１～０．０４倍であればよい。さらに、ループアンテナの直径を４０ｍｍとしたとき、直径１～２ｃｍであるのが好ましい。

開口シールドの形状は、箱型でもよいが、後述の実施例２、３で示すように円柱状や円錐台状であってもよい。ただし、アンテナ２と窓４０との距離は電磁波の波長の０．０４～０．０８倍であることが好ましい。離れている方が高い指向性が得られるが、一方で検出感度が落ちる。アンテナ２のサイズとほぼ同等であることが好ましい。ループアンテナの場合、直径を４０ｍｍとしたとき、窓４０との距離は３０ｍｍ～６０ｍｍ、さらに好ましくは４０ｍｍ～５０ｍｍであることが好ましい。

図３にカプセル内視鏡からの電磁波を受信する動作の概念図を示した。カプセル内視鏡はＭｅｄｔｒｏｎｉｃ社のＰｉｌｌＣａｍ ＣＯＬＯＮ２を想定している。同製品において、寸法はφ１１．６ｍｍ×３１．５ｍｍであり、両端に照明用のＬＥＤと撮像用のカメラが搭載されている。内部には1 回巻きのループアンテナ（Ｌｏｏｐ ａｎｔｅｎｎａ）が搭載されており、電界（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）と磁界（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）より成る電磁波を放射する。

本実施の形態におけるカプセル内視鏡位置検出装置はこの放射源のニアフィールド領域に位置する。電磁波のうち窓４０を通過した磁界をアンテナ２が受信することで電圧ｖが発生する。開口シールド４の窓４０以外に照射される電磁波はほぼすべて遮蔽される。言い換えれば、アンテナ２から窓４０を通して“見える”電磁波しかアンテナ２に到達しない。その結果、開口シールド４を備えたカプセル内視鏡位置検出装置はニアフィールド領域において鋭い指向性を有することになる。

以下、本開示の実施例について説明する。図４に、本開示の一実施例（実施例１）のアンテナの形状図（同図（ａ））と回路図（同図（ｂ））を示す。本実施例において、アンテナ２は一重のループアンテナであり、その外径は４０．０ｍｍ、内径は３６．０ｍｍである。また線幅は２．０ｍｍ、厚さは０．１０５ｍｍである。出力端には２．０ｍｍのギャップが設けられている。

本実施例において、電磁波の周波数は４３４．１ＭＨｚとしている。その波長は６９１ｍｍであり、全波長アンテナを作成しようとするとエレメント長が６９１ｍｍにもなる。操作者（医師等）が手に持って位置検出を行うには大きすぎるため、図４に示すような微小ループアンテナを採用した。しかし微小ループアンテナは誘導性リアクタンス成分のインピーダンスを持つため、共振コンデンサ（Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）を挿入して（同図（ｂ））、４３４．１ＭＨｚにおいてリアクタンス成分がゼロとなるようにした。当該共振コンデンサとして０．４２ｐＦのセラミックコンデンサを用いた。

また、受信電力を最大効率で後段回路へと送電できるように、ＬＣで構成される整合回路を設けた。回路定数（５７ｎＨ、９．６ｐＦ）は、アンテナ２の出力インピーダンスが５０Ωとなるようスミスチャートを用いて決定した。図５に本実施例のアンテナ２の周波数特性図を示した。測定にはネットワークアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｅ５０６１Ｂ）を用いた。図４の整合回路の出力部をテストフィクスチャに接続し，反射法を用いてＳパラメータ、インピーダンスについて測定を行った。同図に示したように４３４．１ＭＨｚにけるインピーダンスＺは５０．７Ωとなり、ほぼ５０Ωであることが確認された。

図６に本実施例の信号検出部３のブロック構成図を示した。信号検出部３はその筐体中に上述の整合回路（Ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＡＴＡ８２０４（レシーバＩＣ）等で構成される信号処理回路、スピーカ３２を有する。本実施例において、受信信号は、まずＡＴＡ８２０４内部のミキサによりｆ_ＲＦ＝４３４．１ＭＨｚからｆ_ＩＦ＝１ＭＨｚに周波数変換される。局部発振周波数４３３．１ＭＨｚは、１３．５３４３７５ＭＨｚ水晶発振周波数をＰＬＬで逓倍して得ている。周波数変換を受けた受信信号は同ＩＣのＲＳＳＩ端子（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ、受信信号強度）から出力され（Ｖ_Ｒ）、差動増幅回路によって増幅・オフセット除去された後にＶＦ変換回路によって電圧周波数変換が行われ、最終的にスピーカ３２により音の高低に変換される。

図７に、試作したカプセル内視鏡位置検出装置の外観の写真を示した。同図（ａ）は上面（操作者側）、同図（ｂ）は下面（対象者側）を示す。実寸法は、長さ１９６ｍｍ、幅６０ｍｍ、高さ３７ｍｍ（図示せず）である。開口シールド４の下面は５５ｍｍ×５５ｍｍの正方形状であり、中央付近の窓４０の直径は１６ｍｍである。開口シールド４の導電性部材の素材はアルミニウムであり、窓４０は単なる開口（空気）となっている。アンテナ２は図４（ａ）に示したループアンテナであり、外径は４０ｍｍである。ループアンテナ中心と窓４０との距離は４５ｍｍである。カプセル内視鏡位置検出装置全体の質量は１４６ｇであり、医師が診療の際に片手で持てる程度となっている。

図８は図７のカプセル内視鏡位置検出装置から開口シールド４を除いたカプセル内視鏡位置検出装置の外観および内部の写真である。当該カプセル内視鏡位置検出装置は、本実施例においては、以降、比較例として扱う。なお、図８においてアンテナは透明な袋に覆われているが、以下述べる特性には何ら影響しないものである。

図９に本実施例の評価実験説明図を示した。本実施例においては、カプセル内視鏡が体内にあるときを想定して、人体組織を模擬した物質すなわちファントム（Ｐｈａｎｔｏｍ)を用いた実験により位置検出器の特性評価を行う。本実施例では表１に示した質量比率に従って塩化ナトリウムと砂糖を水に溶かすことで、筋組織と同等な誘電率および導電率を持つ筋組織模擬物質を製作した。

カプセル内視鏡を製作したファントムに入れることで、カプセルが放射する電磁波は実際にカプセルが体内にある場合と同等に減衰する。よって、電磁波が減衰している状況における位置検出精度を評価することで、カプセル内視鏡が体内にある場合を想定した特性評価が可能になる。

ここで、ファントム内に固定したカプセル内視鏡（Ｃａｐｓｕｌｅ ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ）の位置を原点（０，０）として、座標を設定する。カプセル内視鏡の方向は、カプセルの軸方向がｙ軸である場合（図９（ａ）)とｚ軸（同図（ｂ）)である場合を想定する。なお、カプセルの軸方向がｘ軸方向の場合は、アンテナ２の対称性を考慮するとｙ軸方向の場合と同等であるために省略する。カプセル内視鏡とカプセル内視鏡位置検出装置（開口シールド４下面）の距離は、成人の平均腹部半径である１０ｃｍとし、その空間をファントムで満たす。

カプセル内視鏡位置検出装置（アンテナ２、開口シールド４）をｘ方向およびｙ方向に移動させた際のＲＳＳＩ出力電圧Ｖ_Ｒ（図６参照）をオシロスコープ（Ｋｅｙｓｉｇｈｔ，ＤＳＯＳ０５４Ａ）を用いて測定し、位置検出精度を評価した。

比較例についても同様の評価実験を行った（図１０（ａ）、（ｂ））。ただ、開口シールド４が無い分、アンテナ２がファントムに直に接している。

図１１（ａ）、（ｂ）に比較例におけるＲＳＳＩ出力電圧分布図を示した。カプセル位置は原点であることから、原点（０，０）のみ出力電圧が高くなれば高精度な位置検出ができていることになる。しかし両図からは明瞭な電圧の差異は見られない。さらに、原点から数十ｃｍ離れた領域でも電圧が上昇していることから、偽のカプセル位置が判定される虞がある。また、図１１（ａ）と（ｂ）をそれぞれ比較すると、カプセルの方向が変化しても明確な傾向が示されていない。そのためにカプセルの方向も判断することができない。

図１２（ａ）、（ｂ）に本実施例のカプセル内視鏡位置検出装置のＲＳＳＩ出力電圧分布図を示した。図１１と同様に、ファントム内に固定したカプセル内視鏡の位置を原点（０，０）として座標を設定した。本実施例におけるＲＳＳＩ出力電圧は、比較例と比べて全体的に減少した。これは開口シールド４の装着により、受信可能な電磁波の量が制限され、受信電磁波強度が低下したことに起因する。

しかし指向性は改善され、同図（ａ）より、カプセルの軸方向がｙ軸方向である場合については、原点付近の電圧分布に着目すると（右拡大図）、原点における出力電圧と（ｘ,ｙ）＝（０，５）、（５，０）、（５，５）における出力電圧には、明瞭な電圧差が存在する。さらに表２より、原点における出力電圧は（ｘ，ｙ）＝（０，５），（５，０），（５，５）における出力電圧の４倍以上の値である。つまり，カプセル位置である原点の電圧だけが周囲より４倍以上上昇することから、悪く見積もっても、後段の信号処理回路により位置ずれの誤差５ｃｍ以下の高精度な位置検出が可能である。

一方で、図１２（ｂ）より、カプセルの軸方向がｚ軸方向である場合は、カプセル内視鏡位置検出装置の位置にかかわらず広範囲で低電圧である。これはカプセル内視鏡内部の電磁波送信用ループアンテナにも指向性が存在しており、カプセルの軸方向には電磁波が伝搬しづらいことに起因する。しかし、少し待てば体内でカプセル内視鏡が回転し、原点（０，０）付近の強度が復活する。言い換えれば、体内でカプセル内視鏡が回転した場合、最大強度の点（偽の位置）が動くのではなく、本実施例では原点（０，０）付近の強弱が変化するに止まる。また、こうなった場合、カプセル内視鏡位置検出装置の方を身体に沿って回転し、正面から側面に回り込ませることで、側面における位置も特定できる。

（実施例２）
以下本開示の他の実施例について説明する。図１３は本開示の他の実施例（実施例２）の斜視図である。同図には本実施例の特徴部分である開口シールド４と窓４０のみを示す。同図に示すように、開口シールド４は円筒形状であり、その下面（対象者側）の中心付近に窓４０が設けられている。

（実施例３）
図１４は本開示の他の実施例（実施例３）の斜視図である。同図には本実施例の特徴部分である開口シールド４と窓４０のみを示す。同図に示すように、開口シールド４は円錐台形状であり、その下面（対象者側）の中心付近に窓４０が設けられている。

（実施例４）
図１５は本開示の他の実施例（実施例４）の斜視図である。同図には本実施例の特徴部分である開口シールド４と窓４０のみを示す。同図に示すように、窓４０は開口シールド４に設けられた導電性の絞により実現している。内視鏡カプセルから放射される電磁波にはカメラが撮影した画像情報が含まれており、先述のように開口シールド４を設けたままでは受信ＳＮＲが悪化する。そこで、位置検出の際には絞を狭め、画像情報を受信するときには絞を開けるようにすればよい。

１ カプセル内視鏡位置検出装置
２ アンテナ
３ 信号検出部
４ 開口シールド
４０ 窓

Claims (5)

1. カプセル内視鏡が送信する電磁波を受信するアンテナと、前記アンテナを支持するとともに、前記アンテナの出力信号の強度を検出する信号処理回路を含む信号検出部を有するカプセル内視鏡位置検出装置であって、
   前記アンテナはループアンテナであり、
   前記ループアンテナの全体を覆い、前記ループアンテナの指向性の最大点付近に非導電性の窓を有する導電性部材より成る開口シールドが設けられたカプセル内視鏡位置検出装置。
2. 前記窓の形状は円または多角形であり、前記円の直径および前記多角形の対角線の長さは前記電磁波の波長の０．０１～０．０４倍であることを特徴とする、請求項１に記載のカプセル内視鏡位置検出装置。
3. 前記ループアンテナと前記窓との距離は前記電磁波の波長の０．０４～０．０８倍であることを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれかに記載のカプセル内視鏡位置検出装置。
4. 前記電磁波の周波数は３００ＭＨｚ～６００ＭＨｚであることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載のカプセル内視鏡位置検出装置。
5. 前記ループアンテナは、外径が３０ｍｍ～６０ｍｍであり、前記窓の直径または対角線長が１０ｍｍ～２０ｍｍであり、さらに前記ループアンテナと前記窓との距離が３０ｍｍ～６０ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載のカプセル内視鏡位置検出装置。