JPWO2012114811A1 - 位置情報推定システム - Google Patents

Abstract

複数の受信アンテナを有し、カプセル型内視鏡からの情報を周期的に取得する取得用アンテナと、複数の受信アンテナから得られた信号強度と前回複数の受信アンテナから得られた信号強度との差分値を算出する算出部（６２）と、差分値と閾値とを比較して位置情報を推定するか否かを判断する判断部（６３）と、判断部（６３）が位置情報を推定すると判断した場合、カプセル型内視鏡の位置情報を推定する位置情報推定部（６４）と、を備えた。

Description

本発明は、例えば、被検体内に導入されたカプセル型内視鏡の位置情報を推定する位置情報推定システムに関するものである。

従来から、被検体内に導入されて体腔内を観察する医用観察装置として、内視鏡が広く普及している。また、近年では、カプセル型の筐体内部に撮像装置やこの撮像装置によって撮像された画像データを無線送信する通信装置等を備えた飲み込み型の内視鏡（カプセル型内視鏡）が開発されている。カプセル型内視鏡は、体腔内の観察のために被検体の口から飲み込まれた後、被検体から自然排出されるまでの間、たとえば食道、胃、小腸などの臓器の内部をその蠕動運動にしたがって移動し、順次撮像する機能を有する。

体腔内を移動する間、カプセル型内視鏡によって体腔内で撮像された画像データは、順次無線通信により体外に送信され、体外の受信装置の内部もしくは外部に設けられたメモリに蓄積されるか、または受信装置に設けられたディスプレイに画像表示される。医師もしくは看護師においては、メモリに蓄積された画像データを、受信装置を差し込んだクレードルを介して情報処理装置に取り込んで、この情報処理装置のディスプレイに表示させた画像、あるいは受信装置が受信してディスプレイに表示させた画像に基づいて診断を行うことができる。

ところで、カプセル型内視鏡から無線信号を受信する場合、一般に受信装置では、複数の受信アンテナを被検体の外部に分散配置し、受信する受信強度が最も強い１つの受信アンテナを選択し、その選択した受信アンテナによって無線信号を受信している。このような受信装置として、被検体の外部に配置された複数の受信アンテナの受信切り替えを行い、各受信アンテナが受信する電界強度をもとに、無線信号の発信源であるカプセル型内視鏡の位置を推定する受信装置が知られている。

上述したようなカプセル型内視鏡の位置を推定する位置情報システムとして、被検体の内部を移動するとともに、伝搬距離に応じて減衰するセンサ信号を出力するカプセル型内視鏡の移動状態を検出する移動状態検出システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この移動状態検出システムは、受信アンテナがセンサ信号を受信して、その受信強度に基づいてカプセル型内視鏡の移動状態を導出する移動状態導出手段を備えている。

また、この移動状態検出システムは、センサ信号を受信する受信アンテナの選択状況からカプセル型内視鏡の移動状態を判定する判定手段を備える。判定手段は、その時点でのカプセル型内視鏡が低速移動状態であるか通常移動状態であるかを判定する。この移動状態検出システムによれば、カプセル型内視鏡が撮像した画像を確認する際、低速移動状態と判定されたカプセル型内視鏡に該当する画像群に対して一部の画像を確認することによって、効率的に診断を行うことが可能となる。

特開２００６−２６１６３号公報

しかしながら、特許文献１が開示する移動状態検出システムでは、受信アンテナがセンサ信号を受信する度に各画像に対応してカプセル型内視鏡の位置情報を導出するため、処理に時間を要していた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、カプセル型内視鏡の位置情報の導出に要する時間を短縮することが可能な位置情報推定システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、被検体に導入され、該被検体の内部を移動する被検体内導入装置と、前記被検体内導入装置からの情報を受信する受信ユニットと、前記受信ユニットから得られた情報の処理を行う情報処理装置とを備えた位置情報推定システムであって、複数の受信アンテナを有し、前記被検体内導入装置からの情報を周期的に取得する取得用アンテナと、前記複数の受信アンテナから得られた各信号強度と前回前記複数の受信アンテナから得られた各信号強度との差分値を算出する算出手段と、前記差分値と閾値とを比較して位置情報を推定するか否かを判断する判断手段と、前記判断手段が位置情報を推定すると判断した場合、前記被検体内導入装置の位置情報を推定する位置情報推定手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる位置情報推定システムは、上記の発明において、前記位置情報推定手段が行う推定処理を簡略化した簡略推定処理を行う位置情報簡略推定手段をさらに備え、前記判断手段は、第１閾値によって推定処理の要否を判断し、前記第１閾値より大きい値の第２閾値を用いて、前記被検体内導入装置の位置情報の推定を前記位置情報推定手段または前記位置情報簡略推定手段のどちらで推定処理を行うかを判断することを特徴とする。

また、本発明にかかる位置情報推定システムは、上記の発明において、前記取得用アンテナは、前記複数の受信アンテナの位置関係が、１枚のシート上に固定されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる位置情報推定システムは、上記の発明において、前記複数の受信アンテナは、平面上の基準点から等距離で、前記基準点を介して対向する位置にそれぞれ配置される第１および第２の受信アンテナと、前記第１および第２の受信アンテナに対して前記基準点を中心として前記平面内でそれぞれ９０度回転した位置に配置される第３および第４の受信アンテナと、前記第１および第２の受信アンテナより前記平面内の外周側の位置であって、前記第１および第２の受信アンテナに対して前記基準点を中心として前記平面内でそれぞれ４５度回転した位置に配置される第５および第６の受信アンテナと、前記第５および第６の受信アンテナに対して前記基準点を中心として前記平面内でそれぞれ９０度回転した位置に配置される第７および第８の受信アンテナと、を有することを特徴とする。

本発明にかかる位置情報推定システムは、取得した画像に対応する各アンテナの信号強度と前回取得した信号強度との差分値が閾値と比して小さい場合、カプセル型内視鏡の位置情報の推定（導出）処理を行わずに、前回推定されたカプセル型内視鏡の位置情報を今回取得した画像に対応するカプセル型内視鏡の位置情報として用いるようにしたので、位置情報の導出にかかる時間を短縮することが可能であるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる被検体内導入システムの全体構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態１にかかる被検体内導入システムの情報処理装置の構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態１にかかる被検体内導入システムの取得用アンテナの構成を示す模式図である。 図４は、本発明の実施の形態１にかかる被検体内導入システムの取得用アンテナの要部の構成を示す模式図である。 図５は、本発明の実施の形態１にかかる被検体内導入システムの位置推定の要否判断処理を示すフローチャートである。 図６は、本発明の実施の形態１にかかる被検体内導入システムのカプセル型内視鏡のアンテナを基準として直交座標系を示す図である。 図７は、電磁波が媒質中を伝搬する際に減衰する様子を示す図である。 図８は、図６に示すアンテナが発生する磁界を体表面に取り付けられたアンテナが受信した際に検出される起電力を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態１にかかる被検体内導入システムの位置情報推定処理を示すフローチャートである。 図１０は、本発明の実施の形態１にかかる被検体内導入システムの位置情報推定処理を説明する図である。 図１１は、本発明の実施の形態１にかかる被検体内導入システムの位置情報推定処理を説明する図である。 図１２は、本発明の実施の形態２にかかる被検体内導入システムの情報処理装置の構成を示すブロック図である。 図１３は、本発明の実施の形態２にかかる被検体内導入システムの位置情報推定処理を説明する図である。 図１４は、本発明の実施の形態２にかかる被検体内導入システムの位置推定の要否判断処理を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、位置情報推定システムの例として被検体内導入システムを説明する。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１にかかる位置情報推定システムについて、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる被検体内導入システムの全体構成を示す模式図である。また、図２は、本発明の実施の形態１にかかる被検体内導入システムの情報処理装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、被検体内導入システム１は、被検体２内の体内画像を撮像する被検体内導入装置としてのカプセル型内視鏡３と、被検体２内に導入されたカプセル型内視鏡３から送信された無線信号を受信する取得用アンテナ４と、取得用アンテナ４から入力された無線信号に所定の処理を行って記憶する受信装置５と、カプセル型内視鏡３によって撮像された被検体２内の画像データに対応する画像を処理および／または表示する情報処理装置６と、を備える。取得用アンテナ４および受信装置５が、受信ユニットを構成する。

カプセル型内視鏡３は、被検体２内を撮像する撮像機能と、被検体２内を撮像して得られた画像データを受信装置５に送信する無線通信機能とを有する。また、カプセル型内視鏡３内には、円形コイル或いは円形ループによるアンテナ３１（図６参照）が配置されている。カプセル型内視鏡３は、被検体２に飲み込まれることによって被検体２内の食道を通過し、消化管腔の蠕動運動によって体腔内を移動する。カプセル型内視鏡３は、体腔内を移動しながら微小な時間間隔、例えば０．５秒間隔で被検体２の体腔内を逐次撮像し、撮像した被検体２内の画像データを生成して受信装置５に順次送信する。この場合、カプセル型内視鏡３は、画像データと、受信電界強度を検出し易くする位置情報（ビーコン）等を含む受信電界強度検出データとを含む送信信号を生成し、この生成した送信信号を変調することによって得られる無線信号を受信装置５に無線送信する。

取得用アンテナ４は、周期的にカプセル型内視鏡３から無線信号を受信し、アンテナケーブル５１を介して無線信号を受信装置５に出力する。なお、取得用アンテナ４は、検査を行う際に被検体２に対してベルト等で固定することによって装着される。

受信装置５は、取得用アンテナ４を介してカプセル型内視鏡３から無線送信された無線信号をもとに被検体２内の画像データを取得する。受信装置５は、位置情報および時刻を示す時刻情報等を、受信した画像データに対応付けてメモリに記憶する。受信装置５は、カプセル型内視鏡３により撮像が行われている間、たとえば被検体２の口から導入され、消化管内を通過して被検体２から排出されるまでの間、被検体２に携帯される。受信装置５は、カプセル型内視鏡３による検査の終了後、被検体２から取り外され、カプセル型内視鏡３から受信した画像データ等の情報の転送のため、情報処理装置６に接続される。

情報処理装置６は、液晶ディスプレイ等の表示部を備えたワークステーションまたはパーソナルコンピュータを用いて構成される。情報処理装置６は、受信装置５を介して取得した被検体２内の画像データに対応する画像を表示する。情報処理装置６には、受信装置５のメモリから画像データを読み取るクレードル６ａと、キーボード、マウス等の操作入力デバイス６ｂとが接続される。

また、情報処理装置６は、図２に示すように、情報処理装置６全体の制御を行う制御部６１と、取得用アンテナ４が取得した信号強度の差分値を算出する算出部６２と、差分値から位置情報推定処理を行うか否かを判断する判断部６３と、判断部６３が位置情報推定を行うと判断した場合に、カプセル型内視鏡３の位置情報を推定する位置情報推定部６４と、カプセル型内視鏡３から受信した画像データおよび信号強度を記憶する記憶部６５と、ディスプレイ、プリンタ、スピーカー等を用いて構成される出力部６６と、キーボード、マウス等を用いて構成される操作入力デバイス６ｂ等からの情報を取得する入力部６７と、備える。なお、記憶部６５は、情報を磁気的に記憶するハードディスクと、被検体内導入システム１が処理を実行する際にその処理にかかわる、本実施の形態にかかる各種プログラムをハードディスクからロードして電気的に記憶するメモリとを用いて構成される。

位置情報推定部６４は、取得用アンテナ４の各受信アンテナが受信した信号強度のうちの最大の信号強度を取得して、この信号強度からカプセル型内視鏡３の位置情報（アンテナ位置および向き）を導出してカプセル型内視鏡３の位置を推定する（位置情報推定処理）。

クレードル６ａは、受信装置５が装着された際に受信装置５のメモリから、画像データと、この画像データに関連付けされた受信信号強度情報、時刻情報およびカプセル型内視鏡３の識別情報等の関連データと、を取得し、取得した各種データを情報処理装置６に転送する。

操作入力デバイス６ｂは、ユーザによる入力を受け付ける。ユーザは、操作入力デバイス６ｂを操作しつつ、情報処理装置６が順次表示する被検体２内の画像を見ながら、被検体２の生体部位、たとえば食道、胃、小腸および大腸等を観察し、被検体２を診断する。

つぎに、図３に示した取得用アンテナ４の詳細な構成について説明する。図３は、本発明の実施の形態１にかかる被検体内導入システムの取得用アンテナの構成を示す模式図である。図３に示すように、取得用アンテナ４は、プレート部４０と、第１の受信アンテナ４１と、第２の受信アンテナ４２と、第３の受信アンテナ４３と、第４の受信アンテナ４４と、第５の受信アンテナ４５と、第６の受信アンテナ４６と、第７の受信アンテナ４７と、第８の受信アンテナ４８と、コネクタ部４９と、を備える。第１の受信アンテナ４１〜第８の受信アンテナ４８は、コネクタ部４９にそれぞれ接続され、一つのプレート部４０上に設けられる。

プレート部４０は、フレキシブル基板を用いて構成される。プレート部４０の主面は、略八角形をなす。プレート部４０は、被検体２の腹部表面全体を覆う大きさで形成される。プレート部４０は、開口部４０ａを有する。開口部４０ａは、中心がプレート部４０の基準点Ｏと一致するように形成される。開口部４０ａは、被検体２に装着される際に被検体２に対して装着位置を決める位置決め部として機能する。これにより、取得用アンテナ４は、プレート部４０を被検体２へ装着する際に容易に位置決めを行うことができる。なお、開口部４０ａに、透明部材、たとえばビニールシート等を設けてもよい。また、プレート部４０の主面は、略八角形の必要はなく、たとえば四角形等であってもよい。

第１の受信アンテナ４１および第２の受信アンテナ４２は、基準点Ｏを介して対向する位置にそれぞれ配置される。第１の受信アンテナ４１および第２の受信アンテナ４２は、基準点Ｏから等距離離れた位置にそれぞれ配置される。具体的には、第１の受信アンテナ４１および第２の受信アンテナ４２は、基準点Ｏまでの距離がそれぞれ最短距離となる点ＰａおよびＰｂと基準点Ｏとの間がそれぞれ距離ｒ_１離れたプレート部４０上の位置に配置される。第１の受信アンテナ４１および第２の受信アンテナ４２は、エレメント部４１ａおよびエレメント部４２ａがそれぞれプリント配線によってプレート部４０に形成される。第１の受信アンテナ４１および第２の受信アンテナ４２は、エレメント部４１ａ，４２ａそれぞれに接続される能動回路４１ｂ，４２ｂを有する。能動回路４１ｂ，４２ｂは、平面回路によってそれぞれプレート部４０に形成される。能動回路４１ｂ，４２ｂは、第１の受信アンテナ４１および第２の受信アンテナ４２それぞれのインピーダンスマッチング、受信した無線信号の増幅や減衰を含む増幅処理および平衡から不平衡に変換する変換処理等を行う。第１受信アンテナ４１および第２の受信アンテナ４２は、平面型の伝送線路（ストリップライン）によってプレート部４０に設けられたコネクタ部４９に接続される。

第３の受信アンテナ４３および第４の受信アンテナ４４は、第１の受信アンテナ４１および第２の受信アンテナ４２に対して基準点Ｏを中心として平面内でそれぞれ９０度回転した位置に配置される。第３の受信アンテナ４３および第４の受信アンテナ４４は、点ＰｃおよびＰｄと基準点Ｏとの間がそれぞれ距離ｒ_１離れたプレート部４０上の位置に配置される。第３の受信アンテナ４３および第４の受信アンテナ４４は、エレメント部４３ａ，４４ａがそれぞれプリント配線によってプレート部４０に形成される。第３の受信アンテナ４３および第４の受信アンテナ４４は、エレメント部４３ａ，４４ａそれぞれに接続される能動回路４３ｂ，４４ｂを有する。第３の受信アンテナ４３および第４の受信アンテナ４４は、平面型の伝送線路によってそれぞれコネクタ部４９に接続される。

第５の受信アンテナ４５および第６の受信アンテナ４６は、第１の受信アンテナ４１および第２の受信アンテナ４２に対して基準点Ｏを中心として平面内でそれぞれ４５度回転した位置に配置される。第５の受信アンテナ４５および第６の受信アンテナ４６は、第１の受信アンテナ４１および第２の受信アンテナ４２より平面内の外周側の位置にそれぞれ配置される。具体的には、第５の受信アンテナ４５および第６の受信アンテナ４６は、点ＰｅおよびＰｆと基準点Ｏとの間がそれぞれ距離ｒ_２（ｒ_１＜ｒ_２）離れたプレート部４０上の位置にそれぞれ配置される。第５の受信アンテナ４５および第６の受信アンテナ４６は、エレメント部４５ａ，４６ａがそれぞれプリント配線によってプレート部４０に形成される。第５の受信アンテナ４５および第６の受信アンテナ４６は、エレメント部４５ａ，４６ａそれぞれに接続される能動回路４５ｂ，４６ｂを有する。第５の受信アンテナ４５および第６の受信アンテナ４６は、平面型の伝送線路によってそれぞれコネクタ部４９に接続される。

第７の受信アンテナ４７および第８の受信アンテナ４８は、第５の受信アンテナ４５および第６の受信アンテナ４６に対して基準点Ｏを中心として平面内でそれぞれ９０度回転した位置に配置される。第７の受信アンテナ４７および第８の受信アンテナ４８は、第１の受信アンテナ４１および第２の受信アンテナ４２より平面内の外周側の位置にそれぞれ配置される。具体的には、第７の受信アンテナ４７および第８の受信アンテナ４８は、点ＰｇおよびＰｈと基準点Ｏとの間がそれぞれ距離ｒ_２離れたプレート部４０上の位置にそれぞれ配置される。第７の受信アンテナ４７および第８の受信アンテナ４８は、エレメント部４７ａ，４８ａがそれぞれプリント配線によってプレート部４０に形成される。第７の受信アンテナ４７および第８の受信アンテナ４８は、エレメント部４７ａ，４８ａそれぞれに接続される能動回路４７ｂ，４８ｂを有する。第７の受信アンテナ４７および第８の受信アンテナ４８は、平面型の伝送線路によってそれぞれコネクタ部４９に接続される。

ここで、図３で説明した第１の受信アンテナ４１の構成について詳細に説明する。図４は、第１の受信アンテナ４１の構成を示すブロック図である。

図４に示すように、第１の受信アンテナ４１は、平衡型のアンテナを用いて構成される。具体的には、第１の受信アンテナ４１は、エレメント部４１ａが２本の直線状の導線を有するダイポールアンテナを用いて構成される。第１の受信アンテナ４１は、エレメント部４１ａの２本の直線状の導線が左右対称に一直線上に同じ長さで形成される。これにより、第１の受信アンテナ４１は、主偏波に対して交差偏波のロスが大きくなる。なお、上述した第２の受信アンテナ４２〜第８の受信アンテナ４８は、第１の受信アンテナ４１と同様の構成を有するので、説明を省略する。また、本実施の形態１では、受信アンテナの数を８個に限定して解釈する必要はなく、８個より多くてもよい。

以上の構成により取得用アンテナ４は、被検体２内におけるカプセル型内視鏡３がどのような向きや位置であっても、カプセル型内視鏡３が送信する全ての偏波を受信することができる。なお、第１の受信アンテナ４１〜第８の受信アンテナ４８の配置は、図３に限定されることはなく、例えば、基準点Ｏからの距離ｒ_１が、距離ｒ_２と等しくてもよい。また、取得用アンテナは、１枚のシートに固定配置されているものでなくてもよく、それぞれの受信アンテナが別個被検体２に固定されるものであってもよい。

次に、上述した位置情報推定部６４による位置情報の推定処理を行うか否かを判断する処理について、図５を参照して説明する。図５は、本実施の形態１にかかる被検体内導入システムの位置推定の要否判断処理を示すフローチャートである。まず、制御部６１は、第１の受信アンテナ４１〜第８の受信アンテナ４８が取得した各信号強度を取得する（ステップＳ１０２）。

その後、算出部６２は、前回取得した第１の受信アンテナ４１〜第８の受信アンテナ４８の各信号強度と、今回取得した第１の受信アンテナ４１〜第８の受信アンテナ４８の各信号強度との差分の絶対値（差分値）をそれぞれ算出する（ステップＳ１０４）。なお、今回取得した信号強度が、検査を開始して最初に得られたものであれば、前回取得した信号強度をゼロとして差分の算出を行う。

判断部６３は、算出された差分値と、予め設定された閾値と比較する（ステップＳ１０６）。ここで、判断部６３が、少なくとも１つの差分値が閾値より大きいと判断した場合（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、制御部６１は、後述する位置情報推定処理を行う（ステップＳ１０８）。

一方、判断部６３が、すべての差分値が閾値以下であると判断した場合（ステップＳ１０６：Ｎｏ）、制御部６１は、記憶部６５を参照して前回推定された推定位置を取得し、判定処理対象の画像データに対して関連付けを行う。差分値が閾値以下の場合は、カプセル型内視鏡３が位置推定を再度行うほど移動していないと判断することができるため、制御部６１は、前回の推定位置を取得する（ステップＳ１１０）。

次に、取得用アンテナ４の第１の受信アンテナ４１〜第８の受信アンテナ４８を用いて検出した受信強度信号からカプセル型内視鏡３の位置と向きを推定する位置情報推定処理について、図６〜９を参照して説明する。図６は、本発明の実施の形態１にかかる被検体内導入システムのカプセル型内視鏡のアンテナを基準として直交座標系を示す図である。図７は、電磁波が媒質中を伝搬する際に減衰する様子を示す図である。図８は、図６に示すアンテナが発生する磁界を体表面に取り付けられたアンテナが受信した際に検出される起電力を示す図である。

以下の説明では、図６に示すようにカプセル型内視鏡３内に配置された円形ループ状をなすアンテナ３１の重心を原点（Ｏ_Ｌ）とし、円形ループの開口面の法線方向をＺ_Ｌ軸とする直交座標系Ｘ_ＬＹ_ＬＺ_Ｌを考える。このとき、アンテナ３１を流れる電流が任意の位置Ｐに形成する電磁界の極座標成分は、次の式で表される。
Ｈ_ｒ＝（ＩＳ/２π）（ｊｋ/ｒ^２＋１/ｒ^３）exp（-ｊｋｒ）cosθ
Ｈ_θ＝（ＩＳ/４π）（-ｋ^２/ｒ＋ｊｋ/ｒ^２＋１/ｒ^３）exp（-ｊｋｒ）sinθ ・・・（１）
Ｅ_ψ＝−（ｊωμＩＳ/４π）（ｊｋ/ｒ＋１/ｒ^２）exp（-ｊｋｒ）sinθ
ここで、Ｈ_ｒおよびＨ_θは磁界成分、Ｅ_ψは電界成分を表し、またＩとＳはアンテナ３１に流れる電流とそのアンテナ３１を構成する円形ループの開口面の面積である。また、ｋ＝ω（εμ）^１／２（εは誘電率、μは透磁率）は波数、ｊは虚数単位である。ここで、式（１）中、ｒ^−１の項は放射電磁界、ｒ^−２の項は誘導電磁界、ｒ^−３の項は静電磁界の成分である。

カプセル型内視鏡３内に配置されたアンテナ３１により発生する電磁界の周波数が高く、図１に示すようにカプセル型内視鏡３と、被検体２の体表面に取り付けられた各受信アンテナとの距離が十分離れている場合には、受信アンテナに到達する電磁界（電磁波）は、放射電磁界の成分が最も大きくなる。従って、静電磁界および誘導電磁界の成分は、放射電磁界の成分より小さくなり、これらを無視することができる。よって、式（１）は、次の式（２）のようになる。
Ｈ_ｒ＝０
Ｈ_θ＝（ＩＳ/４π）（-ｋ^２/ｒ）exp（-ｊｋｒ）sinθ ・・・（２）
Ｅ_ψ＝−（ｊωμＩＳ/４π）（ｊｋ/ｒ）exp（-ｊｋｒ）sinθ

被検体２の体表面に取り付けられた受信アンテナが電界を検出する電界検出用のアンテナであるとすると、式（２）でその検出に必要な式は電界Ｅ_ψとなる。式（２）の電界Ｅ_ψは、放射電界を表し、交流理論による結果と考えられる。したがって、電界Ｅ_ψの瞬時値は、式（２）の電界Ｅ_ψの両辺にexp（ｊωｔ）を掛けて実部を抽出することにより求められる。
Ｅ_ψexp（ｊωｔ）
＝−（ｊωμＩＳ/４π）（ｊｋ/ｒ）exp（-ｊｋｒ）sinθexp（ｊωｔ）
＝（ωμＩＳｋ/４πｒ）（cosＵ＋ｊsinＵ）sinθ ・・・（３）
但し、Ｕ＝ωｔ−ｋｒである。ここで、式（３）の実部を抽出すると、電界の瞬時値Ｅ′_ψは次のようになる。
Ｅ′_ψ＝（ωμＩＳｋ/４πｒ）cosＵsinθ ・・・（４）
また、式（４）を直交座標系Ｘ_ＬＹ_ＬＺ_Ｌで表示すると、成分Ｅ_Ｌｘ，Ｅ_Ｌｙ，Ｅ_Ｌｚは、
Ｅ_Ｌｘ＝Ｅ′_ψsinψ＝（ωμＩＳｋ/４πｒ^２）cosＵ・（-ｙ_Ｌ）
Ｅ_Ｌｙ＝Ｅ′_ψcosψ＝（ωμＩＳｋ/４πｒ^２）cosＵ・ｘ_Ｌ ・・・（５）
Ｅ_Ｌｚ＝０
となる。

電磁波が媒質中を伝搬する場合、図７に示すように、媒質の特性（導電率など）により電磁波のエネルギーが伝搬していく媒質により吸収される。電磁波が例えばｘ方向に伝搬していくに従って減衰因子α_ｄで指数関数的に減衰し、以下に示す式（６）で表すことができる。
Ａ_ｒ＝exp（-α_ｄｘ） ・・・（６）
α_ｄ＝（ω^２εμ／２）^１／２［（１＋κ^２／（ω^２ε^２））^１／２−１］^１／２
但し、ε＝ε_ｏε_ｒ（ε_ｏ：真空の誘電率、ε_ｒ：比誘電率）、μ＝μ_ｏμ_ｒ（μ_ｏ：真空の透磁率、μ_ｒ：比透磁率）、ωは角周波数、κは導電率である。

従って、生体内の特性を考慮した場合の電界の瞬時値Ｅ_Ｌの直交座標系Ｘ_ＬＹ_ＬＺ_Ｌの各成分Ｅ_Ｌｘ，Ｅ_Ｌｙ，Ｅ_Ｌｚは、次のようになる。
Ｅ_Ｌｘ＝Ａ_ｒＥ′_ψsinψ＝exp（-α_ｄｘ）（ωμＩＳｋ/４πｒ^２）cosＵ・（-ｙ_Ｌ）
Ｅ_Ｌｙ＝Ａ_ｒＥ′_ψcosψ＝exp（-α_ｄｘ）（ωμＩＳｋ/４πｒ^２）cosＵ・ｘ_Ｌ ・・・（７）
Ｅ_Ｌｚ＝０
となる。

また、カプセル型内視鏡３のアンテナ３１を基準とした座標系Ｘ_ＬＹ_ＬＺ_Ｌにおいて、位置Ｐを被検体２の重心を原点とする座標系Ｘ_ＷＹ_ＷＺ_Ｗに変換する式は、

となる。ただし、（ｘ_ＷＰ，ｙ_ＷＰ，ｚ_ＷＰ）と（ｘ_ＷＧ，ｙ_ＷＧ，ｚ_ＷＧ）とは座標系Ｘ_ＷＹ_ＷＺ_Ｗでの位置Ｐおよびアンテナ３１の位置Ｇをそれぞれ表す。また、式（８）の右辺Ｒは、座標系Ｘ_ＷＹ_ＷＺ_Ｗと座標系Ｘ_ＬＹ_ＬＺ_Ｌとの回転マトリクスを表し、次の式で求められる。

ただし、αはＺ軸まわりの回転角、βはＹ軸まわりの回転角である。

したがって、被検体２の重心を原点とした座標系Ｘ_ＷＹ_ＷＺ_Ｗにおける任意の位置Ｐ（ｘ_ＷＰ，ｙ_ＷＰ，ｚ_ＷＰ）の電界Ｅ_Ｗは、

となり、式（７）〜（９）を式（１０）に代入することにより以下のような電界Ｅ_Ｗの式（１１）が得られる。

但し、ｋ_１は定数、ベクトル（ｇ_ｘ，ｇ_ｙ，ｇ_ｚ）は、アンテナ３１の向きを表す。

また、アンテナ３１が発生した電界Ｅ_Ｗを取得用アンテナ４を構成する第１の受信アンテナ４１で受信したときに検出される起電力Ｖ_１は、電界Ｅ_Ｗと、被検体を基準とした座標系での取得用アンテナ４の第１の受信アンテナ４１（エレメント部４１ａ）の向きを表すベクトルＤ_１＝（Ｄ_ｘ１，Ｄ_ｙ１，Ｄ_ｚ１）（図８参照）との内積を用いて以下の式で算出できる。
Ｖ_１＝ｋ_２（Ｅ_ＷｘＤ_ｘ１＋Ｅ_ＷｙＤ_ｙ１＋Ｅ_ＷｚＤ_ｚ１） ・・・（１２）
ただし、ｋ_２は定数。同様に、被検体２の体に複数配置された取得用アンテナ４の各受信アンテナについて、第２の受信アンテナ４２〜第８の受信アンテナ４８で受信したときの起電力Ｖ_２、・・・、Ｖ_８も求められる。

ここで、アンテナ３１の位置と向きは、反復改良により求められる（Ｇａｕｓｓ−Ｎｅｗｔｏｎ法を用いる）。以下、Ｘ_ＷＹ_ＷＺ_Ｗ座標系におけるアンテナ３１の位置（ｘ_ＷＧ，ｙ_ＷＧ，ｚ_ＷＧ）と向き（ｇ_ｘ，ｇ_ｙ，ｇ_ｚ）とをパラメータとするベクトルｘ＝（ｘ_ＷＧ，ｙ_ＷＧ，ｚ_ＷＧ，ｇ_ｘ，ｇ_ｙ，ｇ_ｚ）を定義する。このとき、各パラメータの初期値からなるベクトルをｘ^（０）とする。

いま、反復改良によりｆ次（ｆ＝０、１、・・・）の推定値ｘ^（ｆ）が得られたときに続けて行う処理を説明する。このとき、第１の受信アンテナ４１〜第８の受信アンテナ４８に発生する起電力Ｖ_１（ｘ）、Ｖ_２（ｘ）、・・・、Ｖ_８（ｘ）を成分とするモデル関数Ｖ（ｘ）をｘ^（ｆ）のまわりでＴａｙｌｏｒ展開すると、その一次近似は、

となる。このとき、Ｖｍ^（ｆ）を受信アンテナによって測定された起電力とすると、観測方程式は、

と表される。ここで、近似等号は誤差σを含む。

等式（１４）の右辺第１項を左辺に移項し、
ΔＶｍ^（ｆ）＝Ｖｍ^（ｆ）−Ｖ（ｘ^（ｆ）） ・・・（１５）
Δｘ^（ｆ）＝ｘ−ｘ^（ｆ） ・・・（１６）

とおくと、

となる。式（１８）の解Δｘ^（ｆ）は、更新量として、
Δｘ^（ｆ）＝（Ａ^（ｆ）ｔＷＡ^（ｆ））^−１Ａ^（ｆ）ｔＷΔＶｍ^（ｆ）・・・（１９）
と表される。ただし、Ａ^（ｆ）は、式（１７）を成分とする行列であり、Ａ^ｔはＡの転置行列である。また、Ｗは重み行列であり、

と表される。ただし、重み行列Ｗのσ_ｉ（ｉ＝０、１、・・・、７）は、受信アンテナの測定電圧の変動量で、例えば環境ノイズ等である。このとき、更新量Δｘ^（ｆ）の大きさが所定の閾値以下の場合、反復改良を終了し、推定値ｘ^（ｆ）の成分をアンテナ３１の位置および向きとする。

一方で、更新量Δｘ^（ｆ）が所定の閾値より大きい場合、次数を１つ足して反復改良を継続する。このとき、（ｆ＋１）次の推定値を、
ｘ^{（ｆ＋１）}＝ｘ^（ｆ）＋Δｘ^（ｆ） ・・・（２１）
と求めて、上記同様に更新量Δｘ^{（ｆ＋１）}を求める。

このような推定処理を行うことにより、精度の高い位置および向きの推定（算出）ができることになる。また、位置情報推定処理のフローは、図９に示すようになる。図９は、本発明の実施の形態１にかかる被検体内導入システムの位置情報推定処理を示すフローチャートである。

まず、制御部６１は、アンテナ３１の初期値の位置および向きの設定を行う（ステップＳ２０２）。また、アンテナ３１の位置および向きの推定処理を行う際のｆ番目の推定処理を表すパラメータｆをｆ＝０に設定する。また、カプセル型内視鏡３により得られる画像のフレーム番号ＮをＮ＝１に設定する。なお、被検体２の体表面に着脱自在で取り付けられる取得用アンテナ４を構成する複数の第１の受信アンテナ４１〜第８の受信アンテナ４８の位置情報も記憶部６５等に格納しておく。そして、制御部６１は、アンテナにより得られた最初の画像のフレームに対応する起電力Ｖｍ^（ｆ）を用いて、上記のように行列Ａ^（ｆ）、更新量Δｘ^（ｆ）の算出処理（ｆ番目の推定処理）を行う（ステップＳ２０４）。

そして、制御部６１は算出された例えば更新量Δｘ^（ｆ）の大きさ｜Δｘ^（ｆ）｜が予め設定された閾値Ｖｔｈ以下か否かの判定を行う（ステップＳ２０６）。そして、更新量Δｘ^（ｆ）の大きさ｜Δｘ^（ｆ）｜が閾値Ｖｔｈより大きい場合（ステップＳ２０６：Ｎｏ）、ステップＳ２０８に移行してパラメータｆを１つ大きくしてステップＳ２０４に戻り、ステップＳ２０６の条件を満たすまで推定処理を繰り返す。このようにして、ステップＳ２０６の条件を満たす更新量Δｘ^（ｆ）が得られた場合（ステップＳ２０６：Ｙｅｓ）、制御部６１は、そのパラメータｆの場合でのアンテナ３１の位置および向きの位置情報（図面中ではアンテナの位置情報と略記）をフレーム番号Ｎに関連付けて記憶部６５に記憶する（ステップＳ２１０）。なお、判定に用いる値Ｖｔｈとして、位置と向きでそれぞれ異なる値に設定してもよい。

また、カプセル型内視鏡３はフレーム番号Ｎとともに、撮像を行った時刻のデータを記録し、そのデータも送信するようにしてもよい。情報処理装置６は、実際に信号を受信した時刻のデータもメモリに格納してもよい。撮像した時刻と送信した時刻とが殆ど同じ場合には、一方の情報のみとしてもよい。この時刻の情報からカプセル型内視鏡３の概略の（局所的な）移動速度の検出に利用してもよい。その後、制御部６１は、ステップＳ２０８で得られたアンテナ３１の位置および向きの位置情報をアンテナ３１の初期値の位置および向きに設定した後、ステップＳ２０４に戻り、判断部６３が位置情報推定を行うと判断したフレーム番号Ｎに対応する画像の位置情報の推定処理を行う。

上述した処理を繰り返すことによって、情報処理装置６の記憶部６５には、カプセル型内視鏡３により撮像された画像データと各画像データのフレーム番号Ｎとともに、そのアンテナ３１の位置および向きの位置情報が順次（経時的に）格納される。順次格納されたアンテナ３１の位置から、アンテナ３１の生体内での移動軌跡を推定（算出）することができる。このアンテナ３１の位置は、カプセル型内視鏡３の位置と見なすことができ、生体内でのカプセル型内視鏡３の移動軌跡を推定するための情報が記憶部６５に格納される。したがって、図１に示すように情報処理装置６をクレードル６ａに接続し、この情報処理装置６の記憶部６５に格納された画像データおよびフレーム番号Ｎおよびアンテナ３１の各位置および向きの位置情報を表示させることができる。

また、本実施の形態１にかかるカプセル型内視鏡３の位置情報の推定処理では、図１０に示すように、取得アンテナ４の各受信アンテナのエレメント部４１ａ〜４８ａに対して、カプセル型内視鏡３が存在し得る空間７が設定されている。この空間７では、図１１に示すように、空間７が８等分され、分割された各空間の頂点が、推定処理をスタートするスタート位置７１（初期値の位置）として設定されている。すなわち、図１１に示す場合では、２７箇所のスタート位置７１が設定されている。また、各スタート位置７１においては、ＸＹＺ軸方向のいずれかの方向がスタート時の方向として設定されているため、１つのスタート位置７１につき互いに独立な３パターン（ＸＹＺ軸方向）の推定処理を行う。したがって、カプセル型内視鏡３から取得した１つの画像データ（フレーム番号）に対して８１回の推定処理を行って位置情報が推定される。

上述した実施の形態１によれば、取得した画像に対応する各アンテナの信号強度と前回取得した信号強度との差分値が閾値と比して小さい場合、カプセル型内視鏡の位置情報の推定（導出）処理を行わずに、前回推定されたカプセル型内視鏡の位置情報を今回取得した画像に対応するカプセル型内視鏡の位置情報として用いるようにしたので、位置情報の導出処理を効率的に削減し、位置情報の導出にかかる時間を短縮することが可能となる。

なお、上述した位置推定の要否判断処理において、判断部６３が、少なくとも１つの差分値が閾値より大きいか否かを判断するものとして説明したが、２つ以上の差分値が閾値より大きい場合に、差分値が閾値より大きい旨の判断を行ってもよいし、差分値の最大値と閾値とを比較するものであってもよい。

また、図５のステップＳ１０４で用いる前回取得の信号強度は、１フレーム前のものであってもよいし、２フレーム前の信号強度等、２つ以上前のフレーム番号に対応する信号強度であってもよい。

また、上述したカプセル型内視鏡３の存在空間において、空間の分割が８等分されるものとして説明したが、空間を１６等分してもよいし、１２等分（縦横比２：３）してもよい。

上述した実施の形態１では、上述した差分値の算出、推定処理の要否判断等を情報処理装置６が行うものとして説明したが、受信装置５がこれらの処理を行うものであってもよい。

（実施の形態２）
図１２は、本発明の実施の形態２にかかる被検体内導入システムの情報処理装置の構成を示すブロック図である。また、図１３は、本発明の実施の形態２にかかる被検体内導入システムの位置情報推定処理を説明する図である。なお、図２等で上述した情報処理装置６と同じ構成要素には同じ符号を付してある。

本実施の形態２にかかる情報処理装置６０は、上述した制御部６１、算出部６２、記憶部６５、出力部６６および入力部６７と、判断部６３ａ、位置情報推定手段としての第１位置情報推定部６４ａおよび位置情報簡略推定手段としての第２位置情報推定部６４ｂと、を備える。判断部６３ａは、記憶部６５が記憶する第１閾値および第２閾値（＞第１閾値）を参照して差分値との比較を行い、位置情報の推定処理の要否について判断する。

第１位置情報推定部６４ａおよび第２位置情報推定部６４ｂは、予め設定される閾値に応じて、カプセル型内視鏡３の位置情報を導出して、カプセル型内視鏡３の位置を推定する。本実施の形態２では、第１位置情報推定部６４ａが、上述した位置情報推定処理のように、２７箇所（各位置においてＸＹＺ軸方向の３方向をスタート方向とする）のスタート位置において位置情報の推定処理を行う（図１１参照）。また、第２位置情報推定部６４ｂは、図１３に示すように、空間７において、ある特定箇所７１ａ，７１ｂ，７１ｃ（３箇所）において位置情報の推定処理を行う。

第２位置情報推定部６４ｂは、受信アンテナにおいて信号強度が大きいアンテナ群と信号強度が小さいアンテナ群とに分け、信号強度の大きいアンテナ群から最も大きい受信アンテナを選択し、選択された受信アンテナに近いスタート位置を特定箇所とする。例えば、選択された受信アンテナに近い特定箇所７１ａとする。また、特定箇所７１ａに対して、その空間７の受信アンテナ側からみた奥行き方向のスタート位置（特定箇所７１ｂおよび７１ｃ）を特定箇所として選択して推定処理を行う。

次に、本実施の形態２にかかる位置情報を推定するか否かを判断する処理について図１４を参照して説明する。図１４は、本実施の形態２にかかる被検体内導入システムの位置推定の要否判断処理を示すフローチャートである。まず、制御部６１が第１の受信アンテナ４１〜第８の受信アンテナ４８が取得した各信号強度を取得すると（ステップＳ３０２）、算出部６２が、前回取得した第１の受信アンテナ４１〜第８の受信アンテナ４８の各信号強度と、今回取得した第１の受信アンテナ４１〜第８の受信アンテナ４８の各信号強度との差分の絶対値（差分値）をそれぞれ算出する（ステップＳ３０４）。

判断部６３ａは、算出された差分値と、予め設定された第１閾値と比較する（ステップＳ３０６）。ここで、判断部６３ａは、少なくとも１つの差分値が第１閾値より大きいと判断した場合（ステップＳ３０６：Ｙｅｓ）、差分値と第２閾値との比較を行う（ステップＳ３０８）。判断部６３ａが、少なくとも１つの差分値が第２閾値より大きいと判断した場合（ステップＳ３０８：Ｙｅｓ）、第１位置情報推定部６４ａが、カプセル型内視鏡３の位置情報の推定処理を行う（ステップＳ３１０）。

また、判断部６３ａが、すべての差分値が第２閾値以下と判断した場合（ステップＳ３０８：Ｎｏ）、第２位置情報推定部６４ｂがカプセル型内視鏡３の位置情報の推定処理を行う（ステップＳ３１２）。差分値が第２閾値以下の場合、カプセル型内視鏡３は、位置推定が必要な位置に移動したものの、比較的短い距離しか移動していないものと判断できるため、図１３の特定箇所７１ａ〜７１ｃのように、前回の推定位置をもとにしてスタート位置を決めて位置情報推定を行う。これにより、推定処理にかかる時間を一段と短縮することが可能となる。

一方、判断部６３ａが、すべての差分値が第１閾値以下と判断した場合（ステップＳ３０６：Ｎｏ）、制御部６１は、前回推定された推定位置を取得し、対応する画像データに対して関連付けを行う。このとき、差分値が第１閾値以下の場合は、カプセル型内視鏡３が位置推定を再度行うほど移動していないと判断することができるため、制御部６１は、前回の推定位置を取得する（ステップＳ３１４）。

上述した実施の形態２によれば、実施の形態１と同様、取得した画像に対応する各アンテナの信号強度と前回取得した信号強度との差分値が閾値と比して小さい場合、カプセル型内視鏡の位置情報の推定（導出）処理を行わずに、前回推定されたカプセル型内視鏡の位置情報を今回取得した画像に対応するカプセル型内視鏡の位置情報として用いるようにしたので、位置情報の導出処理を効率的に削減し、位置情報の導出にかかる時間を短縮することが可能となる。加えて、信号強度の変化量に応じて推定処理を簡略化することによって、推定処理にかかる時間を一段と短縮させることが可能となる。

ここで、第２位置情報推定部６４ｂは、前回の位置情報をもとに、前回推定された位置に最も近いスタート位置、例えば特定箇所７１ｂに対して、隣り合う所定方向のスタート位置（特定箇所７１ａおよび７１ｃ）を選択して推定処理を行ってもよい。また、第２位置情報推定部６４ｂは、図１３に示すような３箇所を特定箇所として選択するものとして説明するが、図１１に示すような空間７においては、２６箇所以下が特定箇所として選択されるものであればよい。

なお、上述した実施の形態２では、１つの閾値に対する差分値の大小関係に応じて第１位置情報推定部６４ａまたは第２位置情報推定部６４ｂで位置情報の推定処理を行うようにしてもよい。

また、上述した実施の形態１，２では、位置情報推定の機能を受信装置に持たせ、受信装置に設けた表示部にリアルタイムでカプセル型内視鏡の位置表示を行うようにしてもよい。

以上のように、本発明にかかる位置情報推定システムは、カプセル型内視鏡の位置情報の導出に要する時間を短縮することに有用である。

１ 被検体内導入システム
２ 被検体
３ カプセル型内視鏡
４ 取得用アンテナ
５ 受信装置
６ 情報処理装置
４１ 第１の受信アンテナ
４２ 第２の受信アンテナ
４３ 第３の受信アンテナ
４４ 第４の受信アンテナ
４５ 第５の受信アンテナ
４６ 第６の受信アンテナ
４７ 第７の受信アンテナ
４８ 第８の受信アンテナ
５１ アンテナケーブル
６１ 制御部
６２ 算出部
６３ 判断部
６４ 位置情報推定部
６４ａ 第１位置情報推定部
６４ｂ 第２位置情報推定部
６５ 記憶部
６６ 出力部
６７ 入力部

Claims (4)

1. 被検体に導入され、該被検体の内部を移動する被検体内導入装置と、前記被検体内導入装置からの情報を受信する受信ユニットと、前記受信ユニットから得られた情報の処理を行う情報処理装置とを備えた位置情報推定システムであって、
   複数の受信アンテナを有し、前記被検体内導入装置からの情報を周期的に取得する取得用アンテナと、
   前記複数の受信アンテナから得られた各信号強度と前回前記複数の受信アンテナから得られた各信号強度との差分値を算出する算出手段と、
   前記差分値と閾値とを比較して位置情報を推定するか否かを判断する判断手段と、
   前記判断手段が位置情報を推定すると判断した場合、前記被検体内導入装置の位置情報を推定する位置情報推定手段と、
   を備えたことを特徴とする位置情報推定システム。
2. 前記位置情報推定手段が行う推定処理を簡略化した簡略推定処理を行う位置情報簡略推定手段をさらに備え、
   前記判断手段は、
   第１閾値によって推定処理の要否を判断し、
   前記第１閾値より大きい値の第２閾値を用いて、前記被検体内導入装置の位置情報の推定を前記位置情報推定手段または前記位置情報簡略推定手段のどちらで推定処理を行うかを判断することを特徴とする請求項１に記載の位置情報推定システム。
3. 前記取得用アンテナは、前記複数の受信アンテナの位置関係が、１枚のシート上に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の位置情報推定システム。
4. 前記複数の受信アンテナは、
   平面上の基準点から等距離で、前記基準点を介して対向する位置にそれぞれ配置される第１および第２の受信アンテナと、
   前記第１および第２の受信アンテナに対して前記基準点を中心として前記平面内でそれぞれ９０度回転した位置に配置される第３および第４の受信アンテナと、
   前記第１および第２の受信アンテナより前記平面内の外周側の位置であって、前記第１および第２の受信アンテナに対して前記基準点を中心として前記平面内でそれぞれ４５度回転した位置に配置される第５および第６の受信アンテナと、
   前記第５および第６の受信アンテナに対して前記基準点を中心として前記平面内でそれぞれ９０度回転した位置に配置される第７および第８の受信アンテナと、
   を有することを特徴とする請求項３に記載の位置情報推定システム。

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