JP2007181669A - 生体内を照明するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 生体内撮像装置の視界の中で照度を均一にする。
【解決手段】 光源２１１と光ビーム形状調整ユニット２０７とからなる照明ユニット２１０、を有する生体内撮像装置２４０である。光ビーム形状調整ユニット２０７は高照度の集光された照明範囲を有し、撮像装置２４０の全視界範囲でその照度が均一である。
【選択図】 図２

Description

本発明は生体内撮像用の装置、特には、生体内を照明するための装置および方法に関する。

飲み込めるカプセルあるいは他の装置のような生体内の撮像装置は、生体内を動きながら撮像し得る。ある視界（ＦＯＶ）を有する照明システムが組込まれた生体内撮像装置では、ある照明範囲（ＦＯＩ)を有する光源によって照明が得られる。

図１Ａは、先行技術の実施例による光学系の概要の２次元表示を示す。図１Ａの光学系１００は生体内の撮像装置であるが、内視鏡、トロカールあるいは他の生体内撮像装置のような他の適切な装置を備えてもよい。光学系１００は例えば、目標あるいは目的物１１５を見るために、例えば、光源１４２、１４３、撮像装置１４６、および１つ以上のレンズ１４９が、光学のドーム１５４のような窓の後方に配置される。１つか２つ、あるいは２つ以上照明源が使用されてもよい。ＦＯｌ １４２’（ドットによって示す）は光源１４２によって照らされたエリアを画定し、ＦＯｌ（クロスによって示された）１４３’は光源１４３によって照らされたエリアを画定する。

光源１４２および１４３のような各光源によって照らされたＦＯｌは比較的広域一帯に拡がり、照明の強度は光源からの距離の２乗に逆比例する。
図１Ｂは、例えば市販の白色ＬＥＤのような１４２あるいは１４３等の単一の光源による、ＦＯｌ内の照明分布の典型的なグラフである。光源のＦＯＩの内の照明分布はガウス曲線１８０のようなガウス分布で表現される。例えば、生体内撮像装置の光学系内に４つの光源が使用される場合は、４つのオーバーラップするエリアが、個々の光源のＦＯＩの間で生成する。例えば、光源が１４２、１４３、１４４および１４５の場合は、 図１Ｃに描かれるように、４つのＦＯｌ’１４２’、１４３’、１４４’およびｌ４５’がそれぞれ存在する。
個々の光源のＦＯｌの間の部分的な４つのオーバーラップ部分の照度は、他のエリアの照度に比較して強くなる。例えば４つのオーバーラップするＦＯＩである１４２’、１４３’、１４４’および１４５’の境界で作られたエリア（４つの斜線部分）は、他のエリアよりも照度が強い。
米国特許出願第２００６／０００４２５７号、 米国特許出願第２００４／０１、７１９１４号 米国特許第５，６０４，５３１号 米国特許第７，００９，６３４号

生体内撮像装置の視界の中で均一の照度を提供する、生体内撮像装置の必要がある。

本発明のいくつかの実施例に従って、均一照度の照明ユニットを有する生体内の撮像装置が提供される。本発明の１つの実施例によれば、照明ユニットは、例えば、１つ以上の照明ユニットを保持するための支持体を含んでもよい。本発明のいくつかの実施例によれば、照明ユニットは例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）あるいは他の適切な照明源等の光源、および生体内撮像装置の所与の視野範囲や深さに亘って、出力される光源を均一化するための、ビームの形状を制御するユニットを含む。

本発明によるシステム、装置および方法の理論および操作は、図面および次の記述を参照すれば、よりよく理解されるであろう。図は説明の目的だけのためであって、限定する目的ではない。実例を単純化して明確にするために、図中で示される要素は必ずしもスケール通りではない。例えば、要素のうちのいくつかの寸法は、明確化ために他の要素と比較して誇張されている。更に、適切であると考えられた場合、図全体にわたって、対応する、或いは類似する要素の参照番号は図の中で繰り返される。

生体内撮像装置の視界の中で均一の照度を提供する。

次の記述は、当業者が特定のアプリケーションとその必要条件のコンテキスト中で提供される発明を実施し、使用し得るように示されている。記述された実施例への様々な修正は当業者にとって可能であろう。また、ここに定義された一般的な理論は、他の実施例にも適用され得る。したがって、本発明は、示された特定の実施例には限定されず、ここに記載された理論と新規の特徴に沿う最も広い範囲を示す。下記の多数の特定の詳細は、本発明についての完全な理解を提供するために述べられる。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細以外でも実行され得ることを当業者は理解するだろう。他の例では、本発明を不明瞭にしないように、周知の方法や手順および部品は詳細には記述されていない。

図２は、本発明の実施例による、生体内の撮像装置を概略的に示す。
１つの実施例によれば、装置２４０はハウジング２９０、ドームあるいは観察窓２２１を含んでもよい。ハウジング２９０は、ＧＩ地域のような生体の内部から画像を得るための画像システムを含んでもよい。撮像システムは１つ以上の照明ユニット２１０、例えば撮像器２０８のようなイメージ・センサ、および撮像器２０８上に画像の焦点を合わせる光学ユニット２２２、を含んでもよい。照明ユニット２１０は、観察窓２２１を通って生体内部の部分を照らす。本発明のいくつかの実施例によれば、照明ユニット２１０は、白色ＬＥＤおよび／また）ＯＬＥＤのような光源２１１、および、場合によれば装置２４０中で１つの光源のみで使用し得るための、装置の視界内での光の均一な分布を保証するビーム形状調整ユニット２０７を含む。装置２４０は更に、制御装置２１４、送信機２１２、装置２４０の電気部品へ電力を提供するための酸化銀バッテリーのような電源２０２、および、信号を送受信するためのアンテナ２１３を含んでもよい。例えば、アンテナ２１３は撮像器２０８から画像信号を送信するために使用されてもよい。適切な撮像器２０８は、例えば、「ワンチップカメラ」タイプのＣＭＯＳ撮像器でもよい。他の適切なタイプの撮像器は例えばＣＣＤ撮像器でもよい。シングルチップ・カメラはモノクロ、あるいはカラー画像のいずれかの信号を送ることができる。適切な送信機は、ＣＭＯＳ撮像カメラから、ディジタルかアナログのいずれかの画像信号を受け取る変調器、無線周波数（ＲＦ）増幅器、インピーダンス整合器およびアンテナを含んでもよい。画像データの処理のために、例えばプロセッサが装置に含まれていてもよい。プロセッサまたは処理回路は、センサや発信機中に組み込まれてよい。
いくつかの実施例によれば、装置２４０はカプセル形状でもよいし、ＧＩトラクトの撮像のために自律の内視鏡として作動することができる。しかしながら、内視鏡、カテーテル、ステント、針などを組み込むように設計された装置のような他の装置も、本発明の実施例によって使用され得る。更に、装置２４０は、上述されたすべての要素を含んでいる必要があるとは限らない。例えば、装置２４０は内部電源を含んでいる必要はない。電源は外部から提供されてもよい。

本発明の１つの実施例によれば、装置２４０の様々な部品は、剛体や柔軟体を含む、例えば回路基板のような基体２０９上に配置されてもよい。構成要素は垂直に積層されて配
置されるのが望ましい。他の実施例では、構成要素の他の配置は柔軟な部分に接続している剛体部分を有する回路基板上に配置されてもよい。そのような回路基板は、ＩＮ ＶＩＶＯ ＤＥＶＩＣＥ ＷＩＴＨ ＦＬＥＸＩＢＬＥ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＯＡＲＤ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＡＳＳＥＭＢＬＹ ＴＨＥＲＥＯＦ、という名称の米国特許出願Ｎｏ．２００６／０００４２５７号、および、米国特許出願Ｎｏ．２００４／０１、７１９１４号のＩＮ ＶＩＶＯ ＳＥＮＳＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ ＷＩＴＨ、Ａ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＯＡＲＤ ＨＡＶＩＮＧ ＲＩＧＩＤ ＳＥＣＴＩＯＮＳ ＡＮＤ ＦＬＥＸＩＢＬＥ ＳＥＣＴＩＯＮＳＳＥＣＴＩＯＮＳ、に記述された実施例に似ているのでその全体を参照する。他の実施例では、剛体部分および柔軟な部分がある回路基板は、上述の実施例以外にも、ｐＨ、温度あるいは圧力を測定するための飲み込めるカプセルのような、他の生体内の検出装置の部品を配置し保持するためにも使用され得る。また、上述されたもの以外の構成要素を有する飲み込める撮像カプセル中の構成要素を配置し保持するためにも使用され得る。

装置２４０は、自律の飲み込めるカプセルを含んでもよい、装置２４０は他の形状でもよいし、飲み込み可能や自律である必要もない。装置２４０の実施例は典型的には自律で自己完結型である。例えば、構成要素がすべてコンテナかシェル内に本質的に含まれている場合、または、装置２４０が外部から電力を受けたり情報を送信するためのワイヤーまたはケーブルを必要としない場合は、装置２４０はカプセルあるいは他のユニットでもよい。装置２４０は、外部の受信およびディスプレイ・システムと通信して、データのディスプレー制御あるいは他の機能も提供し得る。他の実施例では他の配置および能力も有し得る。例えば構成要素は多数のサイトあるいはユニット上に分配されてもよい。
制御情報は外部源から受け取ってもよい。

本発明の実施例で使用するのに適した、撮像、受信、処理、記憶および／またはディスプレー装置を含む本発明の実施例による装置は、米国の特許５，６０４，５３１号、ＩＮ
ＶＩＶＯ ＶＩＤＥＯ ＣＡＭＥＲＡ ＳＹＳＴＥＭおよび、米国特許第７，００９，６３４号の、Ａ ＤＥＶＩＣＥ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＩＮ ＶＩＶＯ ＩＭＡＧＩＮＧ、に記述された実施例に似ている。それらの両方の特許は本発明の共通の譲受人には譲渡されているので、参照のために組込まれる。もちろん、ここに記述されるような装置およびシステムには他の配置および構成要素の他のセットがある。

１つの実施例では、構成要素はすべて装置内に密閉され得る。装置やシェルは１個以上の部品を含んでいてよい。例えば制御装置２１４、撮像器２０８、照明ユニット２１０、電源２０２、および送信２１２、制御２１２ユニットは装置本体内に密閉されてもよい。

図３Ａは、発明の１つの実施例による、照明ユニット３１０近傍の概略図である。いくつかの実施例によると、照明ユニット３１０は、ＬＥＤ（単色か白色）あるいはＯＬＥＤのような光源３１１、および、例えば光源３１１の出力の均一化やビーム形状調整をするための、マイクロ光学ユニット３１２のようなビームの形状調整ユニット、を含んでもよい。
１つの実施例によれば、マクロ光学ユニット３１２は光源３１１のすぐ近くに位置しており、例えばレンズ３２４および回折光学部品（ＤＯＥ）３２６のような光屈折用部品を含んでもよい。レンズ３２４の目的は、光源３１１から放射された光ビームを形状調整して、ＤＯＥ３２６に当たる前に、照明ユニット３１０の縦軸Ｌに関してビームを平行にすることである。例えば、光源３１１から放射されたビーム（例えば分岐したビーム３２７）はレンズ３２４に当たって曲がり、例えば、平行な光ビーム３２７’になる。平行になった光ビーム３２７’のような、方向が再調整された光ビームはＤＯＥ３２６に当ってもよいし、照明ユニット３１０の縦軸Ｌに関して角度が変えられてもよい。

図３Ｂは本発明の別の実施例による照明ユニット３６０の例である。
いくつかの実施例によると、照明ユニット３６０は、ＬＥＤあるいはＯＬＥＤのような白色光源や単色光源のような光源３１１、および、例えばレンズ３２８のようなマイクロ光学素子であるビーム形状調整ユニットでもよい。レンズ３２８は、各側で異なる表面を含んでいてもよい。例えば、レンズ３２８は、光源３１１に直面するレンズ側は屈折表面３２５で、反対側がＤＯＥ面３２９でもよい。屈折表面３２５は、光源３１１から放射された光ビームの方向を再調整するために使用されてもよい。したがって、屈折表面３２５に当たる光源３１１から放射されたビームは、発散ビームから平行ビームに変わる。ＤＯＥ表面３２９は、平行にされたビームを均質化し、ビーム形状調整するために使ってもよい。

図３Ｃは、２つの異なる照明ユニットの角度による輝度分布のグラフ表現である。点線のカーブによって示されたカーブ３１０は、光ビームの形状調整要素を含まない照明ユニットのガウス輝度分布を示す。一方、カーブ３２０は、ビームの形状調整要素を備える照明ユニット３１０（図３Ａの中で示される）のような単一の照明光源のシルクハット状の輝度分布を示す。本発明の１つの実施例によれば、ビーム形状調整ユニットは、単一の光源の輝度特性を、照度のガウス分布から、１１０°から１６０°の範囲で、ＦＷＨＭ（最大の半分値幅）の「シルクハット」照明分布に変換し得る。
以上のように、ビームの形状調整ユニットは、生体内撮像装置を観察窓から例えば０から４ｃｍの間で、撮像装置のＦＯＶ３３０の近くの全体を横切って一様な照度を有する、高強度にフォーカシングされた照明域を提供するために使用され得る。

図４Ａは、本発明の実施例による光学系の概要の２次元表示である。図４Ａの光学系４００は、生体内の撮像装置に含まれてもよいし、内視鏡、トロカールあるいは他の生体内撮像装置のような、他の適切な装置に含まれていてもよい。光学系４００は、観察窓４５４の後方に配置された撮像器４４６、および１つ以上のレンズ４４９を含んでいてもよい。本発明の１つの実施例によれば、光学系４００は例えば照明ユニット４４２および４４３のような２つの照明ユニットだけ含んでいてもよい。他の実施例によれば、含まれる照明ユニットはより少なくても多くてもよい。照明ユニット４４２および４４３は図３Ａの中で示される照明ユニット３１０に似ていてもよい。照明ユニット４４２および４４３は、例えば光学系４００の光学の窓４５４から０〜５ｃｍの範囲の中に位置した視野範囲４６０（ドットによって示された）であるＦＯＶを照らすために使用されてもよい。図４Ａの中で示されるように、照明ユニット４４２および４４３はそれぞれ高い強度の集光された光ビーム４４２’および４４３’を生成し、それは視界４６０の全フィールドを横切って一様な照度を示す。

図４Ｂは、図４Ａの中で示される２つの照明ユニット４４２および４４３のような２つの照明ユニットの角度による輝度分布のグラフ表現である。２本の曲線４５０（点線で示す）の各々は、図１Ａの中で示された光源１４２のようにビーム形状調整要素を含んでいないので照明ユニットのガウス輝度分布を描く。一方、２本の曲線４５０’の各々は、ビーム形状調整要素を含んでいる照明ユニット３１０（図３Ａの中で示される）のような照明ユニットのガウスの輝度分布を描いている。

図４Ｂ中に示すように、個々の光源の上にビーム形状調整部品を置くことによって、光源１４２のように、輝度分布のガウス曲線４５０’のピークは、それぞれＸ軸方向にバイアスされ、Ｙ軸との間に角度αを形成し、その結果、輝度分布の２つのガウス曲線は互いに近づく。

別の実施例によると、図４Ｃは、図４Ａの中で示される２つの照明ユニット４４２および４４３のような２つの照明ユニットの、角度に対する輝度分布のグラフ表現である。２
本の曲線４５０（点線によって示す）はそれぞれ、図１の中に示された光源１４２のような、ビーム形状調整部品を含まない照明ユニットの輝度分布のガウス曲線を示す。一方、２本の曲線４５０”はそれぞれ、照明ユニット３１０（図３Ａの中で示される）のような、ビーム形状調整部品を含む照明ユニットの輝度分布のガウスを示す。

図４Ｃ中に示すように、個々の光源の上にビーム形状調整部品を置くことによって、光源１４２のように、輝度分布のガウス曲線４５０’’のピークは、それぞれＸ軸方向から離れるようにバイアスされ、Ｙ軸との間に角度αを形成し、その結果、輝度分布の２つのガウス曲線は互いに離れる。それによって、互いに離れた、２つの輝度分布のガウス曲線４５０’’の光４５２の合成された輝度分布（鎖線で示す）は均一になる。いくつかの実施例によると、光４５２の合成された分布は、例えば、生体内の撮像装置の光学窓から０〜５ｃｍの範囲内にある視界４６０の領域中で均一にすることができる。

本発明の種々の実施例による、生体内の撮像装置を製作する方法（それは照明ユニット２１０のような照明ユニットを含んでいてもよい）を図５に示す。本発明のいくつかの実施例によれば、ステップ５１０はプリント回路板（ＰＣＢ）のような基板上に電気配線を印刷することからなる。ステップ５２０は光源（例えば電気配線上の白色ＬＥＤ）を配置することを含む。ステップ５３０は光源の上にビーム形成ユニットを挿入することからなり、このステップは例えば、光源の上に屈折の光学素子を挿入し、屈折の光学素子上に回折の光学素子を挿入することからなる。ステップ５４０は生体内の装置のハウジング中に基板を挿入することからなる。いくつかの実施例によれば、この方法は撮像装置を設置する、代表的には、基板上に撮像装置を設置することを含む。いくつかの実施例によれば、飲み込める撮像カプセルの他の構成要素は、発信機、制御装置および電源等である。

以上、発明の実施例について説明した。それは発明を網羅したり限定することを意図していない。本発明には、多くの修正、変化、代用、および等価物への変更が可能である。したがって添付された請求項は、発明の技術思想の範囲内での修正および変更をすべてカバーする。

先行技術の１つの実施例による光学系の概要の実例。 先行技術の１つの実施例による光源の照明分布の典型的なグラフ。 先行技術の１つの実施例による照明のフィールドの概要。 本発明の実施例による生体内の撮像装置の概要例。 本の発明の実施例による照明ユニットの概要例。 本の発明の実施例による照明ユニットの概要例。 図３Ｃは本発明の実施例による角度による輝度分布のグラフ。 本発明の実施例による光学系の概要例。 本発明の別の実施例による角度による輝度分布のグラフ。 本発明の別の実施例による角度による輝度分布のグラフ。 本発明の実施例による照明ユニットを製作する方法のフローチャート。

符号の説明

２０２…電源、２０７…光ビーム形状調整ユニット、２０８…撮像機、２０９…基体、２１０…照明ユニット、２１１…光源、２１２…送信機、２１３…アンテナ、２１４…制御装置、２２１…観察窓、２２２…光学ユニット、２４０…撮像装置、３２５…屈折光学部品、３２６…回折光学部品、２２３…集光された光ビーム、４６０…視界。

Claims (21)

1. 光源およびビーム形状調整ユニットを備えた照明ユニットを含む生体内撮像装置。
2. ハウジングおよび観察窓を含み、前記照明ユニットはハウジング内で観察窓の後方にある請求項１に記載の装置。
3. 前記ビーム形状調整ユニットは屈折光学部品を含む請求項１に記載の装置。
4. 前記ビーム形状調整ユニットは回折光学部品を含む請求項１に記載の装置。
5. 前記ビーム形状調整ユニットは、屈折表面と回折表面とからなる光学部品を含む請求項１に記載の装置。
6. 前記光源はＬＥＤと有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）との中から選択される請求項１に記載の装置。
7. 前記照明ユニットは基体の上にある請求項１に記載の装置。
8. 撮像機を含む請求項１に記載の装置。
9. 電源を含む請求項１に記載の装置。
10. 送信機を含む請求項１に記載の装置。
11. 前記生体内撮像装置は自律カプセルである請求項１に記載の装置。
12. 少なくとも２つの光源を備え、各光源はビーム形状調整ユニットを有し、それらの光源が組み合わされて照明分布が均一になる請求項１に記載の装置。
13. 光源が組み合わされて照明分布が、生体内撮像装置の視界の範囲内で均一になる請求項１２に記載の装置。
14. 前記生体内撮像装置の視界の範囲が、装置の窓から０〜５ｃｍの範囲である請求項１３に記載の装置。
15. 基板上に電気配線を印刷する工程と、
    同電気配線上に光源を配置する工程と、
    同光源上にビーム形状調整ユニットを設置する工程と、
    生体内撮像カプセルのハウジングの中に前記基板を設置する工程と、
    からなる生体内撮像カプセルの製造方法。
16. ビーム形状調整ユニットの設置が屈折光学部品の設置を含む請求項１５に記載の方法。
17. 屈折光学部品の上に回折光学部品を設置する工程を含む請求項１６に記載の方法。
18. 撮像機を形成する請求項１５に記載の方法。
19. 送信機を形成する請求項１５に記載の方法。
20. 電源を形成する請求項１５に記載の方法。
21. 制御装置を形成する請求項１５に記載の方法。

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