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JP7352996B2 - カプセル内視鏡システム - Google Patents

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Description

本発明は、永久磁石を内在したカプセル状体を駆動するシステムに関するものであり、特に、永久磁石を有するカプセル内視鏡とそれを駆動するための外部磁場発生装置とを具備したシステムに関するものである。
体内に経口投与され、体内の情報を得ることができるカプセル内視鏡システムが実用化されている。
カプセル内視鏡は、体内を撮像するための照明や撮像装置、および撮像画像を送信するための無線送信装置等を備えている。このカプセル内視鏡の駆動方法としては、磁場を用いる方法が広く知られている。
例えば、被検体内部のカプセル内視鏡に最適な条件の磁場を印加して高精度に磁気誘導するため、磁場印加部と、カプセル内視鏡の磁気誘導に関する物理情報を取得する情報取得部と、情報取得部が取得した物理情報をもとに磁場条件を設定し、この設定した磁場条件に対応する磁場をカプセル内視鏡に印加するように磁場印加部を制御して、カプセル内視鏡の磁気誘導を制御する制御部とを備えた装置が提案されている(例えば、特許文献1)。
特許第5199020号
特許文献1に記載の装置は、カプセル内視鏡の磁気誘導に関する物理情報を取得する情報取得部が取得した前記物理情報をもとに磁場条件を設定することで、高精度にカプセル内視鏡を誘導することができるとしている。
しかしながら、カプセル内視鏡を誘導する磁場発生源である磁場印加部についての具体的な開示は無く、したがって、カプセル内視鏡を効率良く移動させることができるか、あるいは、良好な操作性が得られるかについては不明である。
医療装置は、医師が簡便に使いこなせることが非常に重要であり、操作に熟練していなくとも、誤操作のリスクがないものが望まれる。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、高い操作性を有するとともに、高速でのカプセル内視鏡の移動を可能にしたカプセル内視鏡システムを提供するものである。
本発明のカプセル内視鏡システムは、永久磁石を有するカプセル内視鏡と、上記カプセル内視鏡を駆動するための外部磁場発生装置とを具備するカプセル内視鏡システムであって、前記外部磁場装置は、直交する3軸において対向する位置に設けられた3組の電磁石を備え、上記各組の電磁石は、対向するそれぞれの電磁石に異なる任意の電流を流すことが可能なことを特徴とするものである。
医療装置は、医師が簡便に使いこなせることが非常に重要であり、操作に熟練していなくとも、誤操作のリスクがないものが望まれる。すなわち、カプセル内視鏡を簡便に移動させることが必要である。このためには、カプセル内視鏡が直感的に違和感のない動きをすることが大事であり、本発明においては、磁場印加装置を工夫することで、カプセル内視鏡が自然な動きをすることを担保している。
また、患者(被検者)の負荷を軽減するため、迅速に検査が完了することも大切である。本発明においては、抵抗の大きい液体内でもカプセル内視鏡が迅速に動くことを可能にし、検査時間の短縮を可能としている。
本発明のカプセル内視鏡の(a)上面概略図と(b)側面概略図である。 本発明の別の構成のカプセル内視鏡の(a)上面概略図と(b)側面概略図である。 本発明のさらに別の構成のカプセル内視鏡の(a)上面概略図と(b)側面概略図である。 本発明のカプセル内視鏡システムの磁場印加装置の(a)上面概略図と(b)側面概略図である。 本発明のカプセル内視鏡システムの磁場印加装置の発生磁場を説明するための図であり、(a)は磁石配置図、(b)は発生磁場である。 本発明のカプセル内視鏡システムの印加磁場の一例であり、鋸歯状に時間変化する磁場を示す図である。 本発明の実施の形態2のカプセル内視鏡システムの外部磁場発生装置の構成例である。
実施の形態1.
本発明に係るカプセル内視鏡システムは、体内において、例えば、胃や腸の中において、外部から印加される磁場によりカプセル内視鏡を操作するものである。
まず、カプセル内視鏡システムの構成について、図1と図2を用いて説明する。
<カプセル内視鏡システムの構成>
本発明のカプセル内視鏡システムは、永久磁石3を有するカプセル内視鏡1と、カプセル内視鏡1を駆動するための外部磁場発生装置10とを具備する。そして、外部磁場発生装置10は、直交する3軸において対向する位置に設けられた3組の電磁石11、12,21、22、31、32を備え、X軸方向において対向する電磁石11と12には異なる任意の電流を流すことができる。Y軸方向において対向する電磁石21と22についても、Z軸方向において対向する電磁石31と32についても同様である。
<カプセル内視鏡の構成>
図1は、本発明のカプセル内視鏡1の(a)上面概略図と(b)側面概略図である。カプセル状の筐体2内に、その長手方向に磁極を持つ永久磁石3が設けられている。筐体2の大きさは、経口にて体内に取り込むことができる程度の大きさであり、材質は人体に悪影響が無く、且つ胃液等によって溶解しない材料で構成されている。
永久磁石3は、図1、図2に示すような1個の磁石であっても良いし、磁化方向に分割した複数の磁石であっても良い。磁化方向に分割することで、磁極間距離を大きくし、磁気モーメントを大きくすることができる。
従来のカプセル内視鏡と同様に、胃壁等を撮像し、撮像した画像データを外部に送信できる無線送信器等の送信機能を有している。すなわち、LED等の照明、CCD等の撮像装置、送信手段、それらを駆動するためのバッテリー等の電源を備えている。なお、これらについては、本発明の本質的要素ではないため、図1においては、図示を省略している。
また、駆動力を向上させるために、カプセルの長手方向の一端にヒレ4を設けても良い。ヒレ4は、図1(b)の矢印で示すように、カプセル内視鏡1の長手方向に直交する回転軸を有するものであり、矢印のように往復回動運動するものである。
ヒレ4は、筐体2に接着、はめこみ等により固定しても良い。
あるいは、図2に示すように、ヒレ4と筐体2の一部を包み込むラバー4a等とを一体にし、カプセル体を覆うようにして装着することもできる。ヒレ4を設けられた例えば円筒ラバーを筐体2にはめ込ようにしても良い。
さらに、カプセル内視鏡1全体の比重は、被検査部の流体の比重と略同一にすることが望ましい。被検査部の流体の比重と略同一にすれば、浮力がほとんど働かず、したがって、任意の方向にほぼ同じ力でカプセル内視鏡1を移動させることができるからである。
なお、永久磁石3を用いずに、ヒレ4の構成材料に筐体2の長手方向に磁極を持つ磁性粉を混合しても良いし、磁石でヒレ4を構成しても良い。あるいは、図3に示すように、永久磁石3を用いずに、筐体2の長手方向に磁極を持つ磁性粉を含むラバー等からなるカバー30で筐体2を覆っても良いし、磁石でカバー30を構成しても良い。例えば、希土類磁石の磁石粉をエラストマー樹脂等に混ぜて成形する等により、ヒレ4やカバー30を作製し、それを用いることで棒磁石等の永久磁石が不要にできる。
このように磁性粉を含むラバー等の材料を用いることで、棒磁石等の永久磁石を用いる必要がなくなり、カプセル内視鏡の軽量化や小型化が図れる。被検査部の流体の比重と略同一にすることも容易になる。また、従来から使用されている小腸や大腸用の内視鏡カプセル内には磁石が設けられていない。そういった内視鏡カプセルを胃や腸の検査用の内視鏡カプセルに変えることも可能になる。あるいは、カプセル内に磁石が設けられていないどのようなタイプのカプセル内視鏡であっても、磁石を設けたカプセル内視鏡とすることが容易にできる。
<電磁石の構成>
図4は、本発明のカプセル内視鏡システムの磁場印加装置の(a)上面概略図と(b)側面概略図である。中央には、被試験者用空間40が設けられ、被試験者用空間40内には、例えば、被試験者が横たわることができるベッドが配置されている。被試験者用空間40を取り囲むように、直交する3軸において対向する位置に設けられた3組の電磁石11、12,21、22、31、32が配置されている。ひとつの水平方向に磁場を印加するための対向する一組のX方向電磁石11、12と、それに略直交する水平方向に磁場を印加するための対向する一組のY方向電磁石21、22と、鉛直方向に磁場を印加するための対向する一組のZ方向電磁石31、32である。
それぞれの電磁石11、12,21、22、31、32は、例えばヘルムホルツコイルであり、空芯コイルであっても良いし、鉄等の磁芯を持ったコイルであっても良い。また、過熱を防止するために冷却ファンを設けても良いし、水冷しても良い。
6個の電磁石11、12,21、22、31、32それぞれに、電源装置(図示せず)が独立して接続され、それぞれの電磁石11、12,21、22、31、32に任意の大きさの電流を独立して流すことができる。
また、6個の電源装置をコントロールするためのコントローラー(図示せず)が設けられ、6個の電磁石11、12,21、22、31、32に流す電流を制御することができる。
通常の電磁石装置においては、対向する1組の電磁石には同方向で同じ大きさの電流を流すが、本発明においては、対向するX方向電磁石11と12には、それぞれ異なる任意の電流を流すことができる。対向するY方向電磁石21と22、対向するZ方向電磁石31と32についても同様である。
<カプセル内視鏡システムの動作>
次に、このカプセル内視鏡システムの動作について説明する。
上述したように、対向するそれぞれの電磁石に異なる任意の電流を流すことが可能である。この構成のメリットについて説明する。
図5は、本発明のカプセル内視鏡システムの磁場印加装置の発生磁場を説明するための図であり、(a)は対向するX方向電磁石11と12の磁石配置図、(b)は発生磁場である。発生磁場については、X方向電磁石11が発生する磁場H11、X方向電磁石12が発生する磁場H12、および、磁場H11と磁場H12の合成磁場Htotal=H11+H12を示している。各発生磁場は、X方向電磁石11とX方向電磁石12の中心軸上での磁場である。
また、図5(c)はそれぞれの発生磁場のX方向の微係数である。
図5(a)で磁力線が右向きとなる方向を正方向と定義する。
発生磁場が正の時にカプセル内視鏡の永久磁石のN極が図において右方向を向き、一方、発生磁場が負の時にカプセル内視鏡の永久磁石のN極が図において左方向を向く。そして、発生磁場のX方向の微係数が正の場合には、永久磁石のN極が右を向いている場合には右に進み、永久磁石のN極が左を向いている場合には左に進む。また、発生磁場のX方向の微係数が負の場合には、永久磁石のN極が右を向いている場合には左に進み(後進)、永久磁石のN極が左を向いている場合には右に進む(後進)。結果として、カプセル内視鏡の進行方向は以下のようになる。
Figure 0007352996000001
図5(b)に示す合成磁場Htotal=H11+H12は、X方向電磁石11とX方向電磁石12に同方向で同じ大きさの電流を流した場合の発生磁場であり、X方向電磁石11の位置X1からX方向電磁石12の位置X2のすべての場所で正である。
図5(c)に示す合成磁場HtotalのX方向の微係数は、X方向電磁石11の位置X1近傍、X方向電磁石12の位置X2近傍、および、その中央Xcでゼロになる。そして、X1近傍からXc間では負、XcからX2近傍間では正になる。したがって、カプセル内視鏡がXcよりも右側にいるときは右に進み(右向き前進)、左側にいるときは左に進む(右向き後進)。このように、X方向電磁石11とX方向電磁石12に同方向で同じ大きさの電流を流した場合には、カプセル内視鏡は中央Xcを超えて移動することができない。
一方、本発明のカプセル内視鏡システムにおいては、X方向電磁石11とX方向電磁石12は独立に制御できる。例えば、X方向電磁石12には電流を流さず、X方向電磁石11にだけ電流を流すこともできる。この際には、図5(b)におけるH11だけが印加される。H11の発生磁場はX1からX2間で正、そのX方向の微係数は、X1からX2間で負であるため、X1からX2間の任意の位置にあるカプセル内視鏡1は左方向に進み(右向き後進)、中央Xcを超えることができる。また、X方向電磁石11には電流を流さず、X方向電磁石12にだけ電流を流すと右方向に進むことができる(右向き前進)。
このように、対向する2つの電磁石に流す電流を独立に制御することで、カプセル内視鏡の位置を所望の位置まで動かすことができる。
また、本発明のカプセル内視鏡システムにおいては、例えば、X方向電磁石12に電流を流すと同時に、直交した方向、例えば、Z方向電磁石31と32に電流を流すことも可能である。10Hz程度の交流電流をZ方向電磁石31と32に単独または同時に流し、z方向に交流磁場を発生させることもできる。そうすると、カプセル内視鏡1は、その重心位置を中心としz方向に振動する。カプセル内視鏡は検査する臓器の内壁に沿って使用することが多い。例えば、胃の検査の際には、胃壁に沿ってカプセル内視鏡を移動させて、胃内部を観察する。胃壁に沿わすことで、カプセル内視鏡の位置は安定し観察が容易になる。一方で、胃壁との摩擦抵抗により、カプセル内視鏡を動かすことが困難になるというデメリットもある。しかし、カプセル内視鏡1を胃壁と直交した方向に振動させることで、胃壁との摩擦抵抗を大幅に低減することが可能になり、スムース且つ迅速に胃壁に沿ってカプセル内視鏡を動かすことができる。
あるいは、カプセル内視鏡が胃壁の襞等の間に入り込んだ際にも、振動磁場を与えながら動かすことで、脱出が容易になる。この場合には、進行方向に平行な方向に振動磁界を与えることで、脱出が容易になる場合がある。
また、図1等に示したヒレ4を設けた場合には、このヒレ4が振動運動をすることで、さらに大きな駆動力を得ることが可能となる。
なお、上記のように、駆動力を上げるためには、移動方向と直交した方向に振動磁場を印加するのが効率的であるが、直交した方向に限らず、移動方向と異なる任意の方向に振動磁場を与えても、駆動力は向上する。
また、電磁石に流す電流を小さくし、胃液等に対する液体抵抗よりもカプセル内視鏡に与える推進力を小さくすれば、カプセル内視鏡を所望の位置にほぼ停止させることができる。そして、互いに直交する電磁石に電流を流すことで、任意の方向の合成磁界を形成することが可能となり、任意の位置で任意の角度にカプセル内視鏡を向けることができる。
(本実施の形態のまとめ)
本発明は、医療装置、特に検査装置として操作が容易であり、かつ迅速な検査を可能としたカプセル内視鏡システムを提供するものである。医師による誤操作のリスクを低減し、且つ検査時間を短縮することで被検者に対する負荷低減も可能としている。
以下において、本発明の有する特長について列挙する。
第一に、直交する3軸において対向する位置に設けられた3組の電磁石を備え、上記各組の電磁石において、対向するそれぞれの電磁石に異なる任意の電流を流すことを可能としたことで、直感的に理解しがたい動きが生じることが無くなり、短時間で操作に習熟できる。誤操作が起こりにくく、また、カプセル内視鏡を所望の位置に止めやすいため、検査時間を短縮できる。
第二に、カプセル内視鏡の進行方向と異なる方向、特に略直交する方向に振動磁場を与えることができるため、粘膜(臓器壁)との摩擦を減らし、カプセル内視鏡の移動がより容易になる。これにより、粘性の高い流体中であっても、高速にカプセル内視鏡を移動させることができる。また、小腸のような狭い流路の場合、小腸壁に接触しながらでも十分な推進力が得られる。したがって、検査時間の短縮、および検査可能箇所の拡大といった大きな特長が得られる。
さらに、ヒレを設けることで、より大きな駆動力が得られる。
なお、駆動力を有しないカプセル内視鏡の場合、消化器の蠕動により消化器経路をゆっくりと前進する。本発明のように、駆動力を有するカプセル内視鏡の場合であっても、消化器の蠕動は推進力を増加させる。特に、カプセル内視鏡の進行方向と異なる方向に振動磁場を与えた場合には、消化器系の臓器壁を刺激することで、蠕動を活性化させる効果がある。この効果が顕著になるのは、小腸や大腸といった長い経路の臓器内でカプセル内視鏡が進行する場合である。カプセル内視鏡の進行方向と異なる方向の振動が小腸や大腸の臓器壁を強く刺激し、蠕動を活性化させることで、カプセル内視鏡を加速させる。また、小腸は細くて複雑に曲がりくねっており、静磁場だけで駆動することは困難である。曲がりくねった細長い経路に合わせて、静磁場の方向を制御することは極めて難しいためである。他方、振動磁場を与えて、それを駆動力にすると、前進方向の駆動力になるため、蠕動による推進力と併せて、複雑な経路に沿って進むことが可能になる。
以上のように、カプセル内視鏡の進行方向と異なる方向に振動磁場を与えることで、粘膜(臓器壁)との摩擦を減らし、且つ蠕動を活性化させる。これらの効果により、小腸や大腸といった狭くて長く、且つ曲がりくねった経路の臓器であっても、通過時間を大幅に短縮できる。
さらに、小腸等の狭窄部や大腸の襞部分においては、カプセル内視鏡が引っかかって滞留する場合がある。表1に示したように逆走も可能であるため、蠕動方向とは逆方向に戻ることもできる。特に、カプセル内視鏡の進行方向と異なる方向に振動磁場を与えれば、摩擦を減らすことで滞留地点から脱出することがより容易になる。例えば、小腸から十二指腸に戻れれば、手術等を行うことなく、内視鏡を用いてカプセル内視鏡を回収することも可能になる。
例えば、図6に示すような鋸歯状の振動磁場を与えることも極めて有効である。時間的に急峻な立ち上がり(図6 A)となだらかな立下り(図6 B)の波形の振動磁場を印加することで、小腸等の狭窄部や大腸の襞部分において滞留した場合に、強い推進力で脱出を行うことができる。磁場の急峻な立ち上がりは、所望の方向に大きな推進力を生み出すからである。
このように、本発明のカプセル内視鏡は胃においても好適に使用できるが、小腸や大腸の検査に特に適している。
第三に、カプセル内視鏡の比重を被検査部の流体の比重と略同一にすることで、任意の方向に同じ推進力で進むことができる。これにより、より直感的且つスムースな動作が可能となり、より操作性が向上する。例えば、カプセル内視鏡の比重が被検査部の流体の比重よりも大きければ、カプセル内視鏡は沈降しやすくなり臓器壁の近接観察ができるが、胃等の底部壁に当たり、接触抵抗で動きにくくなる。しかし、比重を略同一とすれば、このようなことはなくなり、小さな上昇推進力を与えることで水面に浮かんで走行することが可能となり、安定な走行および撮影が可能となる。撮影箇所あるいは使用者の目的に応じて、被検査部近くでも、水面からでも、どちらからも撮影できる。
実施の形態2.
実施の形態1においては、外部磁場装置の直交する3軸において対向する位置に設けられた3組の電磁石に流す電流発生手段については、特に記載していなかった。通常は、コントローラからの信号を増幅器で大きな電力に増幅し、この増幅器からの出力が各電磁石に大きな電流を流す。したがって、6個の電磁石に対して各1個の増幅器が必要であった。しかし、電磁石に流す電流は大きなときには20アンペアにもなるため、非常に大きく且つ高価な増幅器を6個も用いる必要があった。
本実施例においては、3組の電磁石のうちの少なくとも1組の電磁石については、増幅器を1つだけで済ますことができる構成について、図7を用いて説明する。
外部磁場発生装置は、直交する3軸において対向する位置に設けられた3組の電磁石と、上記3組の電磁石それぞれに流す電流を決めるためのコントローラ101と、当該コントローラ101の出力を増幅する複数の増幅器とを備えている。本実施例において特徴的なことは、上記直交する3軸において対向する位置に設けられた3組の電磁石の少なくとも1組の電磁石91,92に対しては、より簡易な構成を取ることにある。具体的には、増幅器102は一つであり、且つこの増幅器の出力電流をいずれの電磁石91または92に対して流すかを切り替えるための切り替え器103を有し、上記コントローラからは当該1組の電磁石のいずれの電磁石に電流を流すかを決める信号が上記切り替え器に出力され、その電磁石に流す電流を決める信号が上記一つの増幅器に出力されるものである。
電磁石91,92は対抗する1組の電磁石であり、X軸、Y軸、あるいはZ軸のいずれの軸上の対向する1組の磁石であっても良い。
図7(a)においては、コントローラ101から増幅器102に対して、電磁石に流す電流に比例する出力Iが増幅器102に出力され、増幅器102はa倍に増幅した電流を切り替え器103に出力する。コントローラ101からは、切り替え器103に対して、91の電磁石に出力を指定する切り替え信号が出力され、増幅器102から出力された電流aIは電磁石91に出力される。
図7(b)においては、コントローラ101からは、切り替え器103に対して、92の電磁石に出力を指定する切り替え信号が出力され、増幅器102から出力された電流aIは電磁石92に出力される。
この構成においては、1組の対向する電磁石に流れる電流が、一方はゼロになってしまうが、内視鏡の動きとして必要最小限の動きは行うことができる。
このように、増幅器は1つで済むため、装置の小型化、低コスト化が図れる。
1.カプセル内視鏡
2.筐体
3.永久磁石
4.ヒレ
10.外部磁場発生装置
11、12.X方向電磁石
21、22.Y方向電磁石
31、32.Z方向電磁石
40 被検者用空間

Claims (10)

  1. 長手方向に磁極を持つように配置された永久磁石を有するカプセル内視鏡と、
    上記カプセル内視鏡を駆動するための外部磁場発生装置と、
    を具備するカプセル内視鏡システムであって、上記外部磁場発生装置は、
    直交する3軸において対向する位置に設けられた3組の電磁石と、
    上記3組の電磁石に流す電流を制御するコントローラと、
    を備え、
    上記コントローラは、上記対向する電磁石に独立して直流の電流を流すことが可能で、一方の電磁石に直流の電流を流すときには、他方の電磁石には直流の電流を流さないように制御する、ことが可能なことを特徴とするカプセル内視鏡システム。
  2. 上記カプセル内視鏡が有する永久磁石は、上記カプセル内視鏡の筐体を覆うように設けられた磁性粉を含んだカバー、または磁石で構成したカバーで代替した
    ことを特徴とする請求項1に記載のカプセル内視鏡システム。
  3. カプセル内視鏡の進行方向と異なる方向に振動磁場を与える
    ことを特徴とする請求項1または2に記載のカプセル内視鏡システム。
  4. カプセル内視鏡の進行方向と略直交する方向に振動磁場を与える
    ことを特徴とする請求項3に記載のカプセル内視鏡システム。
  5. 上記振動磁場は鋸歯状の振動磁場である
    ことを特徴とする請求項3または4に記載のカプセル内視鏡システム。
  6. 小腸または/および大腸の検査用カプセル内視鏡システムである
    請求項3から5のいずれかに記載のカプセル内視鏡システム。
  7. カプセル内視鏡の長手方向に直交する回転軸を有するヒレを持ち、
    上記ヒレを磁性粉を含んだ材料で構成、または上記ヒレを磁石で構成することで、上記カプセル内視鏡が有する永久磁石の代替をする
    ことを特徴とする請求項3から6のいずれかに記載のカプセル内視鏡システム。
  8. 上記カプセル内視鏡の比重は、被検査部の流体の比重と略同一である
    ことを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のカプセル内視鏡システム。
  9. 上記永久磁石は磁化方向に分割した複数の永久磁石で構成される
    ことを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のカプセル内視鏡システム。
  10. 上記外部磁場発生装置は、
    上記コントローラの出力を増幅する増幅器と、
    上記増幅器の出力電流をいずれの電磁石に対して流すかを切り替えるための切り替え器と、
    をさらに備え、
    上記直交する3軸において対向する位置に設けられた3組の電磁石の少なくとも1組の電磁石に対しては、上記増幅器は一つであり、上記コントローラからは当該1組の電磁石のいずれの電磁石に電流を流すかを決める信号が上記切り替え器に出力され、その電磁石に流す電流を決める信号が上記一つの増幅器に出力される
    ことを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のカプセル内視鏡システム。
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