KR102528417B1 - Capsule endoscope - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시 형태는, 투명 케이스와, 상기 투명 케이스의 내부에 형성되며 관통 홀을 가지는 제1반사부와, 상기 제1 반사부와 마주보게 배치되고, 상기 제1반사부로부터 입사된 광을 반사시키는 제2반사부, 및 상기 제2반사부에서 반사된 광을 수광하여 이미지 센서에 광을 전달하는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈계를 포함하는 캡슐 내시경을 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, a transparent case, a first reflector formed inside the transparent case and having a through hole, disposed to face the first reflector, and incident light from the first reflector It may include a capsule endoscope including a lens system including a second reflector that reflects light, and at least one lens that receives light reflected from the second reflector and transmits light to an image sensor.

Description

캡슐 내시경{CAPSULE ENDOSCOPE}Capsule Endoscopy {CAPSULE ENDOSCOPE}

본 발명은 캡슐 내시경에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전방위 촬영이 가능한 광학계가 구비된 캡슐 내시경에 관한 것이다.The present invention relates to a capsule endoscope, and more particularly, to a capsule endoscope equipped with an optical system capable of omnidirectional imaging.

인체의 내장 기관은 식도, 위장, 소장, 대장, 간 및 췌장 등과 같이 복수 개의 기관으로 구성된다. 인체의 내장 기관 중 식도, 위장, 소장 및 대장은 소화기관으로 분류된다. 이러한 소화 기관의 검사를 통한 병변 확인은 초음파 검사, 단층 촬영 검사 및 내시경 검사 등과 같은 다양한 검사 방법이 사용된다. 초음파 검사, 단층 촬영검사 및 내시경 검사 등과 같은 다양한 검사 방법 중 시각적으로 직접 관찰할 수 있는 검사로 내시경 검사가 많이 사용된다.The internal organs of the human body consist of a plurality of organs such as the esophagus, stomach, small intestine, large intestine, liver and pancreas. Among the internal organs of the human body, the esophagus, stomach, small intestine, and large intestine are classified as digestive organs. To confirm lesions through examination of the digestive organs, various examination methods such as ultrasound examination, tomography examination, and endoscopy are used. Among various inspection methods such as ultrasound examination, tomography examination, and endoscopy, endoscopy is widely used as an examination that can be observed directly visually.

내시경 검사를 전후로 환자들은 불편함과 검사 중 내시경 기구물에 의해 장 속의 출혈로 천공과 같은 합병증들을 유발한다는 단점이 있으며, 이를 보완하기 위해 캡슐 내시경이 개발되었다. 캡슐 내시경은 알약 크기로 환자들의 검사 진행 중 고통 부담을 줄이며 검사를 진행하면서도 일상생활이 가능하다는 장점이 있다. 캡슐 내시경은 일반 내시경으로 관찰이 어려운 소장 관찰을 목적으로 개발이 되었으나 식도, 위, 대장까지 활용영역이 넓어지고 있다. Before and after endoscopy, patients have the disadvantage of causing discomfort and complications such as perforation due to bleeding in the intestine by endoscopic instruments during the examination, and capsule endoscopy was developed to compensate for this. The capsule endoscope is the size of a pill and has the advantage of reducing the burden of pain for patients during the examination and enabling daily life while conducting the examination. The capsule endoscope was developed for the purpose of observing the small intestine, which is difficult to observe with a general endoscope, but its application is expanding to include the esophagus, stomach, and large intestine.

선행문헌 : 한국 공개특허 10-2020-0102267Prior literature: Korean Patent Publication 10-2020-0102267

도 1은, 선행문헌에 나타난 캡슐 내시경의 구조도이다. 선행문헌에 따른 캡슐 내시경(1)은 케이싱(30), 케이싱 내부에 수용되어 인체 내부에 투입되고 인체 내부를 촬영하여 영상을 생성하는 영상 모듈(50), 영상 모듈과 동일한 축선 방향으로 상기 케이싱 내부에 수용되며 영상 모듈에 전원을 제공하는 배터리 모듈(70) 및 케이싱의 내부에 형성되어 각각 영상 모듈과 배터리 모듈에 접촉되어 영상 모듈과 배터리 모듈 사이를 전기적으로 연결하는 회로 연결부를 포함할 수 있다. 1 is a structural diagram of a capsule endoscope shown in prior literature. The capsule endoscope 1 according to the prior literature includes a casing 30, an imaging module 50 that is accommodated inside the casing and inserted into the human body and generates an image by photographing the inside of the human body, and the inside of the casing in the same axial direction as the imaging module It may include a battery module 70 accommodated in the image module and providing power to the image module, and a circuit connection portion formed inside the casing and contacting the image module and the battery module to electrically connect the image module and the battery module.

선행문헌에 개시된 캡슐 내시경은 일방향을 향하도록 카메라가 배치되어 캡슐 내시경의 진행방향을 촬영하도록 되어 있다. 따라서, 장 내벽의 질병 유무를 판단하기에는 화각이 적절하지 않은 문제점이 있다. In the capsule endoscope disclosed in the prior literature, a camera is arranged to face in one direction so as to photograph the traveling direction of the capsule endoscope. Therefore, there is a problem in that the angle of view is not appropriate for determining the presence or absence of a disease in the intestinal wall.

상기한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 일실시 형태에서는 초소형 전방위 광학계를 이용하여 캡슐내시경의 측면영상을 360°촬영이 가능한 캡슐 내시경을 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the above problems, an object of one embodiment of the present invention is to provide a capsule endoscope capable of taking 360° side images of the capsule endoscope using a compact omnidirectional optical system.

본 발명의 일실시 형태는, 투명 케이스와, 상기 투명 케이스의 내부에 형성되며 관통 홀을 가지는 제1반사부와, 상기 제1 반사부와 마주보게 배치되고, 상기 제1반사부로부터 입사된 광을 반사시키는 제2반사부, 및 상기 제2반사부에서 반사된 광을 수광하여 이미지 센서에 광을 전달하는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈계를 포함하는 캡슐 내시경을 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, a transparent case, a first reflector formed inside the transparent case and having a through hole, disposed to face the first reflector, and incident light from the first reflector It may include a capsule endoscope including a lens system including a second reflector that reflects light, and at least one lens that receives light reflected from the second reflector and transmits light to an image sensor.

상기 제1 반사부는 상기 제2 반사부를 향해 볼록한 구면 거울일 수 있다. The first reflector may be a spherical mirror that is convex toward the second reflector.

상기 제2 반사부는 평면 거울일 수 있다. The second reflector may be a flat mirror.

상기 렌즈계는, 상기 제1 반사부의 관통홀을 통해 상기 제2반사부에서 반사된 광을 수광할 수 있다. The lens system may receive light reflected from the second reflector through the through hole of the first reflector.

상기 렌즈계의 적어도 하나의 렌즈는, 비구면 렌즈일 수 있다. At least one lens of the lens system may be an aspherical lens.

상기 캡슐 내시경은, 상기 제2 반사부 후면에 배치되는 조명부를 더 포함할 수 있으며, 상기 조명부는, 상기 제1 반사부의 반화각(HFOV : Half Field of View)을 조명할 수 있다. The capsule endoscope may further include a lighting unit disposed on a rear surface of the second reflecting unit, and the lighting unit may illuminate a half field of view (HFOV) of the first reflecting unit.

상기 조명부는, 상기 제2 반사부를 향하는 제1 면, 상기 제1 면에 대향하는 제2 면 및 상기 제1 면과 제2 면을 연결하는 복수의 측면을 포함하는 기판부, 및 상기 기판부의 복수의 측면에 배치되는 LED 소자를 포함할 수 있다. The lighting unit includes a substrate including a first surface facing the second reflector, a second surface facing the first surface, and a plurality of side surfaces connecting the first surface and the second surface, and a plurality of substrate parts. It may include an LED element disposed on the side of.

본 발명의 일실시 형태에 따르면, 캡슐내시경의 진행방향에서 장 정면을 바라보도록 배치할 경우 캡슐내시경의 측면영상을 촬영할 수 있는 캡슐내시경을 얻을 수 있다. According to one embodiment of the present invention, when the capsule endoscope is disposed so as to face the front of the intestine in the moving direction of the capsule endoscope, a capsule endoscope capable of capturing side images of the capsule endoscope can be obtained.

도 1은, 선행문헌에 개시된 캡슐 내시경의 구조도이다.
도 2는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경의 구조도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 캡슐 내시경의 구조도이다.
도 4는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서, 주경 끝으로부터 물체까지의 거리에 대한 스폿 다이어그램이다.
도 5는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서, 각 반화각에 대한 MTF(modulation transfer function)를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서의 초점심도(DOF : depth of focus)를 나타낸다.
도 7은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서 광학계에서 주어진 공차에 따른 MTF에 따른 누적확률을 분석한 그래프이다.
도 8은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경의 조명부에 사용된 LED의 배광곡선(도 8의 (a)) 및 LED의 배열 예시(도 8의 (b))이다.
도 9는 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경이 내장에 배치된 형태를 나타내는 도면이다.
도 10은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서, 전방위 광학계의 HFOV에서 보이는 내장의 내벽 범위를 계산하기 위한 기하학적 모식도이다.
도 11은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서, z 축을 중심으로 장 내벽을 θ방향을 따라 360°로 조도 분포를 시뮬레이션한 결과이다. 1 is a structural diagram of a capsule endoscope disclosed in prior literature.
2 is a structural diagram of a capsule endoscope according to an embodiment of the present invention.
3 is a structural diagram of a capsule endoscope according to another embodiment of the present invention.
4 is a spot diagram of a distance from the tip of the main mirror to an object in the capsule endoscope according to one embodiment of the present invention.
5 shows a modulation transfer function (MTF) for each half-angle of view in the capsule endoscope according to an embodiment of the present invention.
6 shows depth of focus (DOF) in a capsule endoscope according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph analyzing the cumulative probability according to the MTF according to the tolerance given in the optical system in the capsule endoscope according to an embodiment of the present invention.
8 is a light distribution curve of LEDs used in the lighting unit of the capsule endoscope according to an embodiment of the present invention (FIG. 8(a)) and an exemplary arrangement of LEDs (FIG. 8(b)).
9 is a view showing a form in which a capsule endoscope according to an embodiment of the present invention is disposed in the intestine.
FIG. 10 is a geometric schematic diagram for calculating the range of the inner wall of the intestine viewed from the HFOV of the omnidirectional optical system in the capsule endoscope according to one embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a result of simulating the distribution of illuminance at 360° along the θ direction on the inner wall of the intestine centered on the z-axis in the capsule endoscope according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경의 구조도이다. 2 is a structural diagram of a capsule endoscope according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경(200)은, 투명 케이스(210), 제1 반사부(220), 제2 반사부(230), 및 렌즈계(240)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2 , the capsule endoscope 200 according to the present embodiment may include a transparent case 210, a first reflector 220, a second reflector 230, and a lens system 240. .

투명 케이스(210)는, 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경의 외형을 구성한다. 투명 케이스의 내부에는 상기 제1 반사부, 제2 반사부 및 렌즈계를 포함하여 캡슐 내시경 작동을 위한 전자부품등이 배치될 수 있다. 투명 케이스의 전체적인 형태는 알약과 같은 캡슐 형태를 가지며 내부에 배치되는 전자 부품 등을 보호하기 위해 밀봉될 수 있다. 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경에서 투명 케이스(210)는 제1 반사부(220)로 광을 투영시킬 수 있도록 투명한 재질로 형성될 수 있다. 상기 투명 케이스(210)는 전체가 투명한 재질로 형성될 수도 있으며, 제1 반사부(220)로 광을 투영시킬수 있는 일부 영역만 투명한 재질로 형성될 수도 있다. 상기 투명 케이스는 일부가 원기둥 형상으로 형성될 수 있으며, 단부는 둥근 반구 타입으로 형성될 수 있다. The transparent case 210 configures the external appearance of the capsule endoscope according to the present embodiment. Electronic components for operating the capsule endoscope, including the first reflector, the second reflector, and the lens system, may be disposed inside the transparent case. The overall shape of the transparent case has a capsule shape like a pill, and may be sealed to protect electronic components and the like disposed therein. In the capsule endoscope according to the present embodiment, the transparent case 210 may be formed of a transparent material to project light to the first reflector 220 . The entirety of the transparent case 210 may be made of a transparent material, or only a portion of the area through which light may be projected onto the first reflector 220 may be made of a transparent material. A portion of the transparent case may be formed in a cylindrical shape, and an end portion may be formed in a round hemispherical type.

제1 반사부(220)는, 상기 투명 케이스(210)를 통해 입사되는 광을 반사시킬 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 제1 반사부(220)는 볼록한 형태로 형성되며 중앙부에 관통홀(221)이 형성될 수 있다. 상기 제1 반사부(220)는 투명 케이스(210)를 통해 입사되는 광을 제2 반사부(230)로 반사시킬 수 있다. 상기 제1 반사부(220)는 제2 반사부(230) 방향으로 볼록한 형태의 구면거울일 수 있다. 상기 중앙부에 형성된 관통홀(221)은 제1 반사부(220)의 전면 및 후면을 관통하는 구멍일 수 있다. 상기 제1 반사부(220)는 관통 홀(221)을 중심으로 회전 대칭형일 수 있다.The first reflector 220 may reflect light incident through the transparent case 210 . In this embodiment, the first reflector 220 may be formed in a convex shape, and a through hole 221 may be formed in a central portion. The first reflector 220 may reflect light incident through the transparent case 210 to the second reflector 230 . The first reflector 220 may be a spherical mirror convex in the direction of the second reflector 230 . The through hole 221 formed in the central portion may be a hole penetrating the front and rear surfaces of the first reflector 220 . The first reflector 220 may be rotationally symmetrical about the through hole 221 .

제2 반사부(230)는, 상기 제1 반사부(220)와 마주보게 배치되고, 상기 제1반사부로부터 입사된 광을 반사시킬 수 있다. 상기 제2 반사부(230)은 평면거울일 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 제2 반사부(230)에서 반사되는 광은 상기 제1 반사부(220)에 형성된 관통홀(220)로 입사될 수 있다. 상기 제2 반사부는 오목거울 형태로 구현될 수도 있다. 이처럼, 제2 반사부(230)에서 반사되는 광이 상기 제1 반사부의 관통홀(221)로 입사되기 위해서는 상기 제1 반사부(220) 및 제2 반사부(230)의 곡률반경 및 제1 반사부와 제2 반사부의 배치 거리 등을 계산하여 배치될 수 있다. The second reflector 230 is disposed to face the first reflector 220 and may reflect light incident from the first reflector. The second reflector 230 may be a flat mirror. In this embodiment, the light reflected by the second reflector 230 may be incident into the through hole 220 formed in the first reflector 220 . The second reflector may be implemented in the form of a concave mirror. In this way, in order for the light reflected by the second reflector 230 to enter the through hole 221 of the first reflector, the curvature radii of the first reflector 220 and the second reflector 230 and the first It may be arranged by calculating a distance between the reflector and the second reflector.

렌즈계(240)는, 상기 제2반사부(230)에서 반사된 광을 수광하여 이미지 센서에 광을 전달할 수 있다. 상기 렌즈계(240)는 상기 제1 반사부(220)의 관통홀(221)의 후면에 배치되어 상기 관통홀(221)을 통해 입사되는 제2 반사부의 반사광을 수광할 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 렌즈계(240)는 복수의 렌즈(241, 242, 243, 244, 245, 246)를 포함할 수 있다. 상기 복수의 렌즈 중 적어도 하나는 비구면 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 렌즈계(240)의 구성은 전체 광학계의 길이나 화각 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. The lens system 240 may receive the light reflected by the second reflector 230 and transmit the light to the image sensor. The lens system 240 may be disposed on a rear surface of the through hole 221 of the first reflector 220 to receive light reflected from the second reflector incident through the through hole 221 . In this embodiment, the lens system 240 may include a plurality of lenses 241 , 242 , 243 , 244 , 245 , and 246 . At least one of the plurality of lenses may include an aspherical lens. The configuration of the lens system 240 may be appropriately selected in consideration of the length or angle of view of the entire optical system.

상기 렌즈계(240)의 후면에는 이미지 센서(250)가 배치될 수 있다. 이미지 센서(250)는 CCD(Charged Coupled Devide) 또는 CMOS(Complemetary Metal-Oxide Semiconductor) 타입일 수 있다. 이미지 센서는 수광된 광으로부터 영상 이미지를 생성할 수 있다. An image sensor 250 may be disposed on a rear surface of the lens system 240 . The image sensor 250 may be a Charged Coupled Device (CCD) or Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) type. The image sensor may generate a video image from received light.

본 실시형태에서 제1 반사부(220), 제2 반사부(230) 및 렌즈계(240)는 광축을 따라 일렬로 배치될 수 있다. 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경(200)은 캡슐 내시경의 진행방향과 직각인 측면의 영상을 촬영하기 위해서, 제1 반사부(220)를 볼록 형태로 배열하고, 상기 제1 반사부와 대향하도록 제2 반사부(230)를 배치하였다. 또한, 상기 제2 반사부(230)에서 반사된 광이 제1 반사부의 관통홀(221) 뒤에 형성된 렌즈계(240)로 향하도록 배치될 수 있다. 이렇게 함으로서, 캡슐 내시경의 진행방향과 직각인 내장의 벽면에 대한 360° 촬영이 가능할 수 있다. 상기 투명 케이스(210) 내부에는 제1 반사부(220), 제2 반사부(230) 및 렌즈계(240)를 고정시키기 위한 별도의 고정기구물이 형성될 수 있다. In this embodiment, the first reflector 220, the second reflector 230, and the lens system 240 may be arranged in a line along the optical axis. In the capsule endoscope 200 according to the present embodiment, the first reflectors 220 are arranged in a convex shape to face the first reflectors 220 in order to capture images on the side perpendicular to the traveling direction of the capsule endoscope. 2 reflectors 230 are disposed. In addition, the light reflected by the second reflector 230 may be directed to the lens system 240 formed behind the through hole 221 of the first reflector. By doing so, 360° imaging of the wall of the intestine perpendicular to the moving direction of the capsule endoscope may be possible. Separate fixtures for fixing the first reflector 220 , the second reflector 230 , and the lens system 240 may be formed inside the transparent case 210 .

본 실시형태에 따른 캡슐 내시경의 촬영 영역은 반화각(HFOV : Half field of View)이 51°~ 120°가 되도록 제1 반사부 및 제2 반사부의 곡률반경이나 제1 반사부에 형성된 관통홀의 크기, 제1 반사부, 제2 반사부 및 렌즈계의 배치등을 조절할 수 있다. The imaging area of the capsule endoscope according to the present embodiment is the radius of curvature of the first reflector and the second reflector or the size of the through hole formed in the first reflector so that the half field of view (HFOV) is 51° to 120°. , the arrangement of the first reflector, the second reflector, and the lens system may be adjusted.

도 3은, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 캡슐 내시경의 구조도이다. 3 is a structural diagram of a capsule endoscope according to another embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경(300)은, 투명 케이스(310), 제1 반사부(320), 제2 반사부(330), 렌즈계(340) 및 조명부(360)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3 , the capsule endoscope 300 according to the present embodiment includes a transparent case 310, a first reflector 320, a second reflector 330, a lens system 340, and a lighting unit 360. can include

투명 케이스(310)는, 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경의 외형을 구성한다. 투명 케이스의 내부에는 상기 제1 반사부, 제2 반사부 및 렌즈계를 포함하여 캡슐 내시경 작동을 위한 전자부품등이 배치될 수 있다. 투명 케이스의 전체적인 형태는 알약과 같은 캡슐 형태를 가지며 내부에 배치되는 전자 부품 등을 보호하기 위해 밀봉될 수 있다. 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경에서 투명 케이스(310)는 제1 반사부(320)로 광을 투영시킬 수 있도록 투명한 재질로 형성될 수 있다. 상기 투명 케이스(310)는 전체가 투명한 재질로 형성될 수도 있으며, 제1 반사부(320)로 광을 투영시킬수 있는 일부 영역만 투명한 재질로 형성될 수도 있다. 상기 투명 케이스는 일부가 원기둥 형상으로 형성될 수 있으며, 단부는 둥근 반구 타입으로 형성될 수 있다. The transparent case 310 configures the external appearance of the capsule endoscope according to the present embodiment. Electronic components for operating the capsule endoscope, including the first reflector, the second reflector, and the lens system, may be disposed inside the transparent case. The overall shape of the transparent case has a capsule shape like a pill, and may be sealed to protect electronic components and the like disposed therein. In the capsule endoscope according to the present embodiment, the transparent case 310 may be formed of a transparent material to project light to the first reflector 320 . The entirety of the transparent case 310 may be formed of a transparent material, or only a partial area through which light may be projected onto the first reflector 320 may be formed of a transparent material. A portion of the transparent case may be formed in a cylindrical shape, and an end portion may be formed in a round hemispherical type.

제1 반사부(320)는, 상기 투명 케이스(310)를 통해 입사되는 광을 반사시킬 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 제1 반사부(320)는 볼록한 형태로 형성되며 중앙부에 관통홀(321)이 형성될 수 있다. 상기 제1 반사부(320)는 투명 케이스(310)를 통해 입사되는 광을 제2 반사부(330)로 반사시킬 수 있다. 상기 제1 반사부(320)는 제2 반사부(330) 방향으로 볼록한 형태의 구면거울일 수 있다. 상기 중앙부에 형성된 관통홀(321)은 제1 반사부(320)의 전면 및 후면을 관통하는 구멍일 수 있다. 상기 제1 반사부(320)는 관통 홀(321)을 중심으로 회전 대칭형일 수 있다.The first reflector 320 may reflect light incident through the transparent case 310 . In this embodiment, the first reflector 320 may be formed in a convex shape, and a through hole 321 may be formed in a central portion. The first reflector 320 may reflect light incident through the transparent case 310 to the second reflector 330 . The first reflector 320 may be a spherical mirror convex in the direction of the second reflector 330 . The through hole 321 formed in the central portion may be a hole penetrating the front and rear surfaces of the first reflector 320 . The first reflector 320 may be rotationally symmetrical about the through hole 321 .

제2 반사부(330)는, 상기 제1 반사부(320)와 마주보게 배치되고, 상기 제1반사부로부터 입사된 광을 반사시킬 수 있다. 상기 제2 반사부(330)은 평면거울일 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 제2 반사부(330)에서 반사되는 광은 상기 제1 반사부(320)에 형성된 관통홀(320)로 입사될 수 있다. 상기 제2 반사부는 오목거울 형태로 구현될 수도 있다. 이처럼, 제2 반사부(330)에서 반사되는 광이 상기 제1 반사부의 관통홀(321)로 입사되기 위해서는 상기 제1 반사부(320) 및 제2 반사부(330)의 곡률반경 및 제1 반사부와 제2 반사부의 배치 거리 등을 계산하여 배치될 수 있다. The second reflector 330 is disposed to face the first reflector 320 and may reflect light incident from the first reflector. The second reflector 330 may be a flat mirror. In this embodiment, the light reflected by the second reflector 330 may be incident into the through hole 320 formed in the first reflector 320 . The second reflector may be implemented in the form of a concave mirror. In this way, in order for the light reflected by the second reflector 330 to enter the through hole 321 of the first reflector, the curvature radii of the first reflector 320 and the second reflector 330 and the first It may be arranged by calculating a distance between the reflector and the second reflector.

렌즈계(340)는, 상기 제2반사부(330)에서 반사된 광을 수광하여 이미지 센서에 광을 전달할 수 있다. 상기 렌즈계(340)는 상기 제1 반사부(320)의 관통홀(321)의 후면에 배치되어 상기 관통홀(321)을 통해 입사되는 제2 반사부의 반사광을 수광할 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 렌즈계(340)는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 복수의 렌즈 중 적어도 하나는 비구면 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 렌즈계(340)의 구성은 전체 광학계의 길이나 화각 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. The lens system 340 may receive the light reflected by the second reflector 330 and transmit the light to the image sensor. The lens system 340 may be disposed on a rear surface of the through hole 321 of the first reflector 320 to receive reflected light of the second reflector incident through the through hole 321 . In this embodiment, the lens system 340 may include a plurality of lenses. At least one of the plurality of lenses may include an aspherical lens. The configuration of the lens system 340 may be appropriately selected in consideration of the length or angle of view of the entire optical system.

상기 렌즈계(340)의 후면에는 이미지 센서(350)가 배치될 수 있다. 이미지 센서(350)는 CCD(Charged Coupled Devide) 또는 CMOS(Complemetary Metal-Oxide Semiconductor) 타입일 수 있다. 이미지 센서는 수광된 광으로부터 영상 이미지를 생성할 수 있다. An image sensor 350 may be disposed on a rear surface of the lens system 340 . The image sensor 350 may be a Charged Coupled Device (CCD) or Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) type. The image sensor may generate a video image from received light.

본 실시형태에서 제1 반사부(320), 제2 반사부(330) 및 렌즈계(340)는 광축을 따라 일렬로 배치될 수 있다. 본 실시형태에 따른 캡슐 내시경(300)은 캡슐 내시경의 진행방향과 직각인 측면의 영상을 촬영하기 위해서, 제1 반사부(320)를 볼록 형태로 배열하고, 상기 제1 반사부와 대향하도록 제2 반사부(330)를 배치하였다. 또한, 상기 제2 반사부(330)에서 반사된 광이 제1 반사부의 관통홀(321) 뒤에 형성된 렌즈계(340)로 향하도록 배치될 수 있다. 이렇게 함으로서, 캡슐 내시경의 진행방향과 직각인 내장의 벽면에 대한 360° 촬영이 가능할 수 있다. 상기 투명 케이스(310) 내부에는 제1 반사부(320), 제2 반사부(330) 및 렌즈계(340)를 고정시키기 위한 별도의 고정기구물(335)이 형성될 수 있다. In this embodiment, the first reflector 320, the second reflector 330, and the lens system 340 may be arranged in a line along the optical axis. In the capsule endoscope 300 according to the present embodiment, in order to capture an image of a side perpendicular to the traveling direction of the capsule endoscope, the first reflectors 320 are arranged in a convex shape and face the first reflectors. 2 reflectors 330 are disposed. In addition, the light reflected by the second reflector 330 may be directed to the lens system 340 formed behind the through hole 321 of the first reflector. By doing so, 360° imaging of the wall of the intestine perpendicular to the moving direction of the capsule endoscope may be possible. A separate fixture 335 for fixing the first reflector 320 , the second reflector 330 , and the lens system 340 may be formed inside the transparent case 310 .

본 실시형태에 따른 캡슐 내시경의 촬영 영역은 반화각(HFOV : Half field of View)이 51°~ 120°가 되도록 제1 반사부 및 제2 반사부의 곡률반경이나 제1 반사부에 형성된 관통홀의 크기, 제1 반사부, 제2 반사부 및 렌즈계의 배치등을 조절할 수 있다. The imaging area of the capsule endoscope according to the present embodiment is the radius of curvature of the first reflector and the second reflector or the size of the through hole formed in the first reflector so that the half field of view (HFOV) is 51° to 120°. , the arrangement of the first reflector, the second reflector, and the lens system may be adjusted.

본 실시형태에 따른 캡슐 내시경(300)은, 조명부(360)를 포함할 수 있다. 상기 조명부(360)는 제2 반사부(330)의 후면에 배치될 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 조명부(360)는 상기 제1 반사부(320)의 반화각(HFOV : Half Field of View)을 조명하도록 배치될 수 있다. 상기 조명부(360)는, 상기 제2 반사부(330)를 향하는 제1 면, 상기 제1 면에 대향하는 제2 면 및 상기 제1 면과 제2 면을 연결하는 복수의 측면을 포함하는 기판부와, 상기 기판부의 복수의 측면에 배치되는 LED 소자를 포함할 수 있다. 즉, 상기 LED 소자는 상기 제1 반사부, 제2 반사부 및 렌즈계에 의해 이미지 센서(350)에 생성되는 촬영 영역을 조명하도록 배치될 수 있다. 상기 LED 소자는 상기 캡슐 내시경(300)의 측부를 조명하도록 배치될 수 있다. 이렇게 함으로써, 상기 전방위 촬영이 가능한 캡슐 내시경이 촬영하는 내장의 벽면을 조명하도록 할 수 있다. The capsule endoscope 300 according to the present embodiment may include a lighting unit 360 . The lighting unit 360 may be disposed on a rear surface of the second reflecting unit 330 . In this embodiment, the lighting unit 360 may be disposed to illuminate a half field of view (HFOV) of the first reflector 320 . The lighting unit 360 is a substrate including a first surface facing the second reflector 330, a second surface facing the first surface, and a plurality of side surfaces connecting the first surface and the second surface. and LED elements disposed on a plurality of side surfaces of the substrate unit. That is, the LED element may be arranged to illuminate a photographing area created in the image sensor 350 by the first reflector, the second reflector, and the lens system. The LED device may be arranged to illuminate the side of the capsule endoscope 300 . In this way, it is possible to illuminate the wall of the intestine to be photographed by the capsule endoscope capable of omnidirectional imaging.

도 4는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서, 제1 반사부 끝으로부터 물체까지의 거리 11.5mm 에 대한 스폿 다이어그램이다. 도 4를 참조하면, 아래로부터 위로 각각 각각 51°(0.43 필드), 65°(0.54 필드), 80°(0.67 필드), 95°(0.79 필드), 110°(0.92 필드), 120°(1 필드)의 HFOV에 대한 RMS(root mean square) 스폿 크기를 보여 주는 것으로, 그 값들은 각각 0.4 um, 0.4 um, 1.1 um, 1.5 um, 0.9 um, 2.2 um이다. 도 4에서 보듯이 모든 필드에서 상의 스폿 크기는 검은색 원으로 표기된 에어리판(Airy disk)안에 형성되는 것을 볼 수 있다. 이 결과 스폿의 크기는 센서의 픽셀크기 5.6 ㎛ 보다 충분히 작음을 확인할 수 있다. 4 is a spot diagram for a distance of 11.5 mm from an end of the first reflector to an object in the capsule endoscope according to an embodiment of the present invention. 4, 51° (0.43 field), 65° (0.54 field), 80° (0.67 field), 95° (0.79 field), 110° (0.92 field), and 120° (1 field) from bottom to top, respectively. field), and the RMS (root mean square) spot size for HFOV is shown, and the values are 0.4 um, 0.4 um, 1.1 um, 1.5 um, 0.9 um, and 2.2 um, respectively. As shown in FIG. 4, it can be seen that the spot size of the image in all fields is formed within the Airy disk marked with a black circle. As a result, it can be confirmed that the size of the spot is sufficiently smaller than the pixel size of 5.6 μm of the sensor.

도 5는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서, 각 반화각에 대한 MTF(modulation transfer function)를 나타낸다. 일반적으로 광학계의 MTF는 광학계의 해상도와 명암대비의 척도로 이미지 센서에 의해 정해진 나이퀴스트 주파수에서 MTF가 0.3을 넘는 것으로 광학계의 성능지표를 삼는다. 도 5에서 각각의 선들은 각각 반화각 51°, 65°, 80°, 95°, 110°, 120° 에 대한 MTF로, 점선은 구결광선(sagittal ray)에 대한 MTF이며 실선은 자오광선(tangential ray)에 대한 MTF이다. 본 실험예에서 사용된 CMOS의 나이퀴스트 주파수는 44.64 lp/mm이며, 최적화 설계된 광학계의 MTF의 성능은 도 5와 같이 0.3 MTF에서 130 lp/mm의 공간주파수가 나왔기 때문에 MTF의 성능은 충분하다.5 shows a modulation transfer function (MTF) for each half-angle of view in the capsule endoscope according to an embodiment of the present invention. In general, the MTF of an optical system is a measure of the resolution and contrast of the optical system, and an MTF exceeding 0.3 at the Nyquist frequency determined by the image sensor is taken as an optical system performance indicator. In FIG. 5, each line is the MTF for the half angles of view 51°, 65°, 80°, 95°, 110°, 120°, the dotted line is the MTF for the sagittal ray, and the solid line is the tangential ray. ray) is the MTF. The Nyquist frequency of the CMOS used in this experimental example is 44.64 lp/mm, and the performance of the MTF of the optimized optical system is sufficient because the spatial frequency of 130 lp/mm is obtained at 0.3 MTF as shown in FIG. .

도 6은 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서의 초점심도(DOF : depth of focus)를 나타낸다. 도 6을 참조하면, x축은 CMOS 센서면과 광축이 교차하는 지점을 x = 0으로 놓았을 때 센서면의 위치이며, y축은 MTF이다. 여기에서 각곡선은 각각 반화각 51°, 65°, 80°, 95°, 110°, 120° 에 대한 DOF로, 점선은 구결광선(sagittal ray)에 대한 DOF이며 실선은 자오광선(tangential ray)에 대한 DOF이다. 도 6에서 보듯이 DOF는 -0.097 mm ~ +0.076 mm이기 때문에 CMOS 센서의 배치 및 조립에서 문제가 없다.6 shows depth of focus (DOF) in a capsule endoscope according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6 , the x-axis is the position of the sensor surface when the intersection of the CMOS sensor surface and the optical axis is set at x = 0, and the y-axis is the MTF. Here, the angular curves are the DOFs for the half-angles of 51°, 65°, 80°, 95°, 110°, and 120° respectively, the dotted line is the DOF for the sagittal ray and the solid line is the DOF for the tangential ray. is the DOF for As shown in FIG. 6, since the DOF is -0.097 mm to +0.076 mm, there is no problem in placement and assembly of the CMOS sensor.

도 7은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서 광학계에서 주어진 공차에 따른 나이퀴스트 주파수인 44 lp/mm에서 MTF에따른 누적확률을 분석한 그래프이다. 도 7에서 각 곡선(F1, F2, F3, F4, F5, F6)은 각각 51°, 65°, 80°, 95°, 110°, 120°의 HFOV에 대한 누적 확률이다. F1 ~ F6는 0.3의 MTF에서 90.5%의 누적 확률이기 때문에 플라스틱 렌즈로 사출 후 조립 생산할 때에 광학계의 경제성이 충분하다. FIG. 7 is a graph analyzing the cumulative probability according to the MTF at the Nyquist frequency of 44 lp/mm according to the tolerance given in the optical system in the capsule endoscope according to one embodiment of the present invention. In FIG. 7, each curve (F1, F2, F3, F4, F5, F6) is a cumulative probability for HFOV of 51 °, 65 °, 80 °, 95 °, 110 °, and 120 °, respectively. Since F1 to F6 have a cumulative probability of 90.5% at an MTF of 0.3, the economic feasibility of the optical system is sufficient when assembling and producing plastic lenses after injection.

도 8은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경의 조명부에 사용된 LED의 배광곡선(도 8의 (a)) 및 LED의 배열 예시(도 8의 (b))이다. 8 is a light distribution curve of LEDs used in the lighting unit of the capsule endoscope according to an embodiment of the present invention (FIG. 8(a)) and an exemplary arrangement of LEDs (FIG. 8(b)).

본 실시예에서는, 캡슐 내시경이 조사하는 물체는 광의 분포를 개념적으로 알아보기 위해 장 내벽을 직경 30.0mm, 길이 30.0 mm의 원통으로 가정하고, LED(OSRAM, LW-Q18S)를 6개 사용하였으며, LED의 크기는 1.60 mm × 0.800 mm × 0.600 mm 이다. 여기에 사용한 LED의 광효율은 4 m/W, 광선속은 25 lm이며, 이 LED의 배광곡선은 그림 10 (a)와 같다. 그림 10 (a)의 왼쪽의 그래프는 LED를 중심으로 빛이 퍼져나가는 각도 φ에 따른 빛의 복사조도를 나타내는 배광곡선이고, 오른쪽 그래프는 x축을 각도 φ로 했을 때 y축이 복사조도가 되는 배광곡선이다. 여기에서 왼쪽 그래프의 우측 상단의 LED의 수평(horizontal)과 수직(vertical)방향에 따른 두 개의 배광곡선을 각각 보여준다. 이 LED 6개를 그림 10 (b)와 같이 정육각형 형태의 알루미늄 LED 지지대의 각 면에 한 개씩 배치할 수 있다. LED 지지대의 중심에서 정육각형 꼭지점까지의 거리는 2.50 mm이다. In this embodiment, the object irradiated by the capsule endoscope was assumed to be a cylinder with a diameter of 30.0 mm and a length of 30.0 mm, and 6 LEDs (OSRAM, LW-Q18S) were used to conceptually examine the distribution of light. The size of the LED is 1.60 mm × 0.800 mm × 0.600 mm. The light efficiency of the LED used here is 4 m/W, and the luminous flux is 25 lm, and the light distribution curve of this LED is shown in Figure 10 (a). The graph on the left of Figure 10 (a) is a light distribution curve representing the irradiance of light according to the angle φ at which light spreads around the LED, and the graph on the right shows the light distribution where the y-axis is the irradiance when the x-axis is the angle φ. it's a curve Here, the two light distribution curves along the horizontal and vertical directions of the LED at the top right of the left graph are shown respectively. Six of these LEDs can be placed, one on each side of the aluminum LED support in the form of a regular hexagon, as shown in Figure 10 (b). The distance from the center of the LED support to the vertex of the regular hexagon is 2.50 mm.

도 9는 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경이 내장에 배치된 형태를 나타내는 도면이다. 도 9의 (a)는 반지름 15.0 mm인 원형 내장의 단면을 나타내는 x-y 평면의 중심에 도 8의 (b)에서 보여준 6개의 LED와 LED 지지대를 z 축을 따라서 배치한 그림으로 지지대의 두께는 2.00 mm이다. 그러므로 8.93 mm의 광학계 전장길이, LED 지지대의 폭 2.00 mm, LED 지지대와 제2 반사부 까지의 거리 0.500 mm, 제2 반사부의 두께 0.500 mm, CMOS 두께 2.35 mm로부터 조명계가 포함된 광학계의 총 길이는 14.3 mm이다. 도 9의 (b)는 도 9의 (a)의 측면도로 LED가 조명하는 내장의 내벽의 길이를 예측할 수 있다.9 is a view showing a form in which a capsule endoscope according to an embodiment of the present invention is disposed in the intestine. 9 (a) is a figure in which six LEDs and LED supports shown in FIG. 8 (b) are arranged along the z-axis at the center of an x-y plane showing a cross section of a circular interior with a radius of 15.0 mm, and the thickness of the support is 2.00 mm. am. Therefore, the total length of the optical system including the illumination system from the total length of the optical system of 8.93 mm, the width of the LED support 2.00 mm, the distance between the LED support and the second reflector 0.500 mm, the thickness of the second reflector 0.500 mm, and the CMOS thickness 2.35 mm is It is 14.3 mm. 9(b) is a side view of FIG. 9(a), and the length of the inner wall of the intestine illuminated by the LEDs can be predicted.

도 10은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서, 전방위 광학계의 HFOV에서 보이는 물체거리 15 mm로 가정한 내장의 내벽 범위를 계산하기 위한 기하학적 모식도이다. 51°의 HFOV로 zg1?纜【? 제1 반사부로 입사하는 광선과 120°의 HFOV로 zg2?翎【? 제1 반사부로 입사하는 광선이 광축과 만나는 두 지점 A, B에서 내장의 내벽(zg축)으로 수선을 내렸을 때 수선과 zg 축이 수직으로 만나는 지점이 각각 C, D이다. LED의 중심에서 zg 축으로 수직법선을 내렸을 때 zg 축과 만나는 지점이 zg =0 으로 놓으면 이 지점으로부터??zg1 , zg2 ,C 까지의 거리를 각각 L1, L2, Ld 이며, C로부터 D와 zg3 까지의 거리는 각각 a 와 c 이다. 또한 zg2 부터 D까지의 거리는 b이다. 도 10 으로부터 a, b, c, d 는 각각 3.80 mm, 12.2 mm, 8.66 mm, 2.25 mm로 계산된다. 이 결과 L1 과 L2 는 각각 6.10 mm, 10.9 mm이다. 그러므로 이 두 값의 범위 내에서 LED 조명계에 의한 조도 분포를 시뮬레이션할 수 있다.FIG. 10 is a geometric schematic diagram for calculating the inner wall range of the intestine assuming an object distance of 15 mm as seen from the HFOV of the omnidirectional optical system in the capsule endoscope according to an embodiment of the present invention. z g1 ?纜【? z g2 ?翎【? When a normal line descends from two points A and B where a light ray incident to the first reflector intersects the optical axis to the inner wall of the intestine (z g axis), the points where the perpendicular line and the z g axis meet are C and D, respectively. When the vertical normal line is lowered from the center of the LED to the z g axis, if the point where it meets the z g axis is set as z g =0, the distances from this point to??z g1 , z g2 , and C are L 1 , L 2 , L respectively d , and the distances from C to D and z g3 are a and c, respectively. Also, the distance from z g2 to D is b. 10, a, b, c, and d are calculated as 3.80 mm, 12.2 mm, 8.66 mm, and 2.25 mm, respectively. As a result, L 1 and L 2 are 6.10 mm and 10.9 mm, respectively. Therefore, it is possible to simulate the illumination intensity distribution by the LED lighting system within the range of these two values.

도 11은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 캡슐 내시경에서, z 축을 중심으로 장 내벽을 θ방향을 따라 360°로 조도 분포를 6개의 LED로부터 각 100만개의 광선을 보내어 시뮬레이션한 결과이다. 도 10에서 계산한 L1 과 L2 범위 안에서 315 lx ~ 725 lx 사이의 조도를 갖는다. 이는 국가 표준인증 통합정보시스템에 기재된 조도 분포표의 분류에 따르면, 도 9에 도시된 LED의 배치로부터 물체의 영상을 충분히 촬영할 수 있다.11 is a simulation result obtained by sending 1,000,000 light rays from each of 6 LEDs in a capsule endoscope according to an embodiment of the present invention, 360° along the θ direction on the inner wall of the intestine centered on the z-axis. It has illuminance between 315 lx and 725 lx within the range of L 1 and L 2 calculated in FIG. 10 . According to the classification of the illuminance distribution table described in the national standard certified integrated information system, it is possible to sufficiently capture an image of an object from the arrangement of LEDs shown in FIG.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시형태 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 제1 반사부 및 제2 반사부의 곡률반경이나 배치 위치, 렌즈계를 구성하는 렌즈의 갯수 등의 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다. Although the above has been described with reference to the preferred embodiments and examples of the present invention, those skilled in the art will variously modify the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. And it will be understood that it can be changed. For example, modifications such as curvature radii or arrangement positions of the first and second reflectors, and the number of lenses constituting the lens system should not be individually understood from the technical spirit or perspective of the present invention.

210 : 투명 케이스 220 : 제1 반사부
230 : 제2 반사부 240 : 렌즈계
250 : 이미지 센서210: transparent case 220: first reflector
230: second reflector 240: lens system
250: image sensor

Claims (8)

투명 케이스;
상기 투명 케이스의 내부에 형성되며 관통 홀을 가지는 제1반사부;
상기 제1 반사부와 마주보게 배치되고, 상기 제1반사부로부터 입사된 광을 반사시키는 제2반사부;
상기 제2반사부에서 반사된 광을 수광하여 이미지 센서에 광을 전달하는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈계; 및
상기 제2 반사부 후면에 배치되는 조명부
를 포함하며,
상기 조명부는, 상기 제1 반사부의 반화각(HFOV : Half Field of View)을 조명하되,
상기 조명부는,
상기 제2 반사부를 향하는 제1 면, 상기 제1 면에 대향하는 제2 면 및 상기 제1 면과 제2 면을 연결하는 복수의 측면을 포함하는 기판부; 및
상기 기판부의 복수의 측면에 배치되는 LED 소자
를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐 내시경.
transparent case;
a first reflector formed inside the transparent case and having a through hole;
a second reflector disposed to face the first reflector and reflecting light incident from the first reflector;
a lens system including at least one lens for receiving the light reflected from the second reflector and transmitting the light to an image sensor; and
A lighting unit disposed behind the second reflector
Including,
The lighting unit illuminates a half field of view (HFOV) of the first reflector,
the lighting unit,
a substrate portion including a first surface facing the second reflector, a second surface facing the first surface, and a plurality of side surfaces connecting the first surface and the second surface; and
LED elements disposed on a plurality of side surfaces of the substrate portion
Capsule endoscope comprising a.
 제1항에 있어서,
상기 제1 반사부는 상기 제2 반사부를 향해 볼록한 구면 거울인 것을 특징으로 하는 캡슐 내시경.
According to claim 1,
The capsule endoscope, characterized in that the first reflector is a spherical mirror convex toward the second reflector.
 제1항에 있어서,
상기 제2 반사부는 평면 거울인 것을 특징으로 하는 캡슐 내시경.
According to claim 1,
The capsule endoscope, characterized in that the second reflector is a flat mirror.
 제1항에 있어서,
상기 렌즈계는,
상기 제1 반사부의 관통홀을 통해 상기 제2반사부에서 반사된 광을 수광하는 것을 특징으로 하는 캡슐 내시경.
According to claim 1,
The lens system,
The capsule endoscope characterized in that the light reflected by the second reflector is received through the through hole of the first reflector.
 제4항에 있어서,
상기 렌즈계의 적어도 하나의 렌즈는,
비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 캡슐 내시경.
According to claim 4,
At least one lens of the lens system,
Capsule endoscope, characterized in that the aspherical lens.
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