(57)【要約】【課題】特殊な動作環境用に最適化されたカプセルカメラを提供する。【解決手段】視野からの光に露光される画素セルの画素セルアレイと、視野を照明する照明システムと、画素セルアレイからデータを受信し、受信したデータを処理するシグナルプロセッサと、改良されたスキャン方法を用いて画素セルアレイを読み出すための制御モジュールとを備えるカプセルカメラである。前記改良されたスキャン方法は、画素セルアレイの画素セルをプリチャージし、画素セルの視野を所定の露光時間にわたって照明し、視野を照明することが完了した後になって、画素セルからデータを読み出すことを含む。画素セルのプリチャージは、視野が照明されるより前に所定の期間にわたって行われる。画素セルの行がそれぞれ異なった時間にてプリチャージされる。各画素セルの行のプリチャージから読み出しまでの時間の間隔は実質的に同じである。【選択図】図８
2009517139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素セルアレイの中の複数の画素セルにてキャプチャされた画像を読み出すための方法であって、
前記画素セルアレイの中の前記画素セルをプリチャージし、
前記画素セルの視野を所定の露光時間にわたって照明し、
前記視野を照明することが完了した後になって、前記画素セルからデータを読み出すことを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記画素セルをプリチャージすることが、前記視野を照明するより前に、所定の期間にわたって行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記画素セルの第１の部分及び前記画素セルの第２の部分が、それぞれ異なった時間にてプリチャージされることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記画素セルの前記第１の部分におけるプリチャージから読み出しまでの時間の間隔が、実質的に、前記画素セルの前記第２の部分におけるプリチャージから読み出しまでの時間の間隔であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記画素セルからデータを読み出すことが、前記所定の露光時間の３倍より長い所定の期間にわたって行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記画素セルからデータを読み出すことが、前記画素セルアレイにて画像がキャプチャされるときのフレームレートの実質的に逆数である所定の期間にわたって行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記画素セルからデータを読み出すことが、前記データを処理し、前記処理されたデータをワイヤレスで受信器へ送信することをさらに含み、
前記送信の平均データ送信速度が、ＦＣＣのＭＩＳＣ帯域の下にて送信が許容される帯域幅の範囲内に実質的に収まる速度であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記画素セルからデータを読み出すことが、５０ｍｓより長い所定の期間にわたって行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記画素セルアレイにおいて、光から遮蔽される画素セルを提供し、
前記視野の範囲内の前記画素セルから読み出されたデータを、前記光から遮蔽された画素セルから読み出されたデータによって調整することを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記視野を照明する時間が、実質的に各画素セルにおける露光時間であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
カプセルカメラであって、
視野からの光に露光される複数の画素セルを有する画素セルアレイと、
前記視野を照明する照明システムと、
前記画素セルアレイからデータを受信し、前記受信したデータを処理するシグナルプロセッサと、
制御モジュールとを備え、
前記画素セルアレイの中の前記画素セルをプリチャージし、
前記画素セルの視野を所定の露光時間にわたって照明し、
前記視野を照明することが完了した後になって、前記画素セルからデータを読み出すことを行うことを特徴とするカプセルカメラ。
【請求項１２】
前記画素セルをプリチャージすることが、前記視野を照明するより前に、所定の期間にわたって行われることを特徴とする請求項１１に記載のカプセルカメラ。
【請求項１３】
前記画素セルの第１の部分及び前記画素セルの第２の部分が、それぞれ異なった時間にてプリチャージされることを特徴とする請求項１２に記載のカプセルカメラ。
【請求項１４】
前記画素セルアレイが、複数の画素セルの行を含み、
前記画素セルの前記第１及び第２の部分が、前記複数の画素セルの行のうちの異なる行に備えられることを特徴とする請求項１３に記載のカプセルカメラ。
【請求項１５】
前記画素セルの前記第１の部分におけるプリチャージから読み出しまでの時間の間隔が、実質的に、前記画素セルの前記第２の部分におけるプリチャージから読み出しまでの時間の間隔であることを特徴とする請求項１２に記載のカプセルカメラ。
【請求項１６】
前記画素セルからデータを読み出すことが、前記所定の露光時間の３倍より長い所定の期間にわたって行われることを特徴とする請求項１１に記載のカプセルカメラ。
【請求項１７】
前記画素セルからデータを読み出すことが、前記画素セルアレイにて画像が読み取られるときのフレームレートの実質的に逆数である所定の期間にわたって行われることを特徴とする請求項１１に記載のカプセルカメラ。
【請求項１８】
前記シグナルプロセッサからの処理されたデータを送信するための送信器をさらに含み、
前記処理されたデータが、ＦＣＣのＭＩＳＣ帯域の下にて送信が許容される帯域幅の範囲内に実質的に収まる平均データ速度にて送信されることを特徴とする請求項１１に記載のカプセルカメラ。
【請求項１９】
前記画素セルからデータを読み出すことが、５０ｍｓよりも長い所定の期間にわたって行われることを特徴とする請求項１１に記載のカプセルカメラ。
【請求項２０】
前記視野の外にある画素セルの群をさらに含み、
前記デジタルシグナルプロセッサが、前記視野の範囲内の前記画素セルから読み出されたデータを、前記視野の外にある前記画素セルから読み出されたデータによって調整することを特徴とする請求項１１に記載のカプセルカメラ。
【請求項２１】
前記視野を照明する時間が、実質的に各画素セルにおける露光時間であることを特徴とする請求項１１に記載のカプセルカメラ。
【請求項２２】
前記制御モジュールとともにプリチャージ及び読み出しを行うための、センサが組み込まれた制御回路をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のカプセルカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、胃腸（ＧＩ）管を撮像するための飲み込み式カプセルカメラに関するものである。より詳しくは、本発明は、カプセルカメラに使用するのに適した光学センサアレイに関するものである。
【０００２】
＜関連出願の相互参照＞
【０００３】
本発明は、以下に示すものに関連し、また優先権を主張する。（１）米国仮特許出願番号第６０／７３９，１６２号の２００５年１１月２３日付出願の「InVivo Autonomous Sensor with On-Board Data Storage」と称する米国仮特許出願、（２）米国仮特許出願番号第６０／７６０，０７９号の２００６年１月１８日付出願の「InVivo Autonomous Sensor with Panoramic Camera」と称する米国仮特許出願、（３）米国仮特許出願番号第６０／７６０，７９４号の２００６年１月１９日付出願の「InVivo Autonomous Sensor with On- Board Data Storage」と称する米国仮特許出願、及び（４）米国非仮特許出願番号第１１／５６２，９３２号の２００６年１１月２２日付出願の「FCC-Compliant, Movement Artifact-Free Image Sensor Array with Reduced Lighting Requirement」と称する米国非仮特許出願。これらの米国特許出願（１）〜（４）（まとめて、「特許出願」と呼ぶ）は、それに言及することをもって、あらゆる意味で、その内容の全体を本出願の一部とするものとする。本発明は、以下に示すものにも関連する。（１）米国特許出願番号第１１／５３３，３０４号の２００６年９月１９日付出願の「In Vivo Autonomous Camera with On-Board Data Storage or Digital Wireless Transmission In Regulatory Approved Band」と称する米国特許出願、及び（２）米国特許出願番号第１１／５５２，８８０号の２００６年１０月２５日付出願の「On-Board Data Storage and Method」と称する米国特許出願。これらの米国特許出願は、それに言及することをもって、あらゆる意味で、その内容の全体を本出願の一部とするものとする。米国の指定では、本出願は、上述の２００６年１１月２２日付出願の米国非仮特許出願番号第１１／５６２，９３２号の継続出願である。
【背景技術】
【０００４】
体腔又は生体内の通路を撮像するためのデバイスとして、内視鏡及び自律的なカプセルカメラが良く知られている。内視鏡は、人体の開口部又は外科的開口部を介して体内へ進入させるフレキシブルなチューブ又は剛性の高いチューブであり、通常は、口から食道へ又は直腸から結腸へ進入させる。画像は、先端にてレンズを用いて撮像され、レンズリレーシステム又はコヒーレント光ファイバー束によって体外の近位端へ送信される。ＣＣＤやＣＭＯＳアレイなどを用いて先端にて電気的に画像を記録し、その画像データを電気信号としてケーブルを通じて近位端へ送信する概念的に類似する器具もある。内視鏡は、医師が視野全体を観察することができ、診断用手段として広く受け入れられている。しかしながら、内視鏡には多数の制限があり、患者に対するリスクが存在し、侵襲的であり、患者にとって不快なものである。これら手法にはかなりの費用がかかることから、定期的な精密検査手段としての用途が制限されている。
【０００５】
内視鏡は回旋状の通路を移動することが難しいため、小腸の主要部に到達することができない。結腸全体へ到達することができるようにするには、特別な技術及び措置が必要になるため追加の費用がかかる。内視鏡検査のリスクには、横断する肉体組織を穿孔する可能性や、麻酔によって生じる合併症などが含まれる。さらに、治療中の患者の痛み及び患者の健康上のリスク及び麻酔に関連する治療後の動作不能時間のトレードオフをしなければならない。内視鏡検査は入院患者へのサービスであり、必然的に医師がかなりの時間をとられてしまい、従って、かなりのコストがかかることになる。
【０００６】
これら多くの問題に対処するための代替的な生体内画像センサが、カプセル型内視鏡である。カメラは、飲み込むことが可能なカプセルの中に、主にデジタルカメラによって記録される画像を含むデータを体外のベースステーションの受信器又はトランシーバ、及びデータレコーダへ送信するための無線送信器とともに格納されている。カプセルは、ベースステーションの送信器からの指示又は他のデータを受信するための無線受信器を含むこともある。高周波送信の代わりに、低周波電磁信号が用いられるようにすることもできる。電源は、外部にあるインダクタからカプセル内の内部インダクタへ誘導的に供給されるようにすることもでき、カプセル内のバッテリから供給されるようにすることもできる。
【０００７】
初期の飲み込み式カプセルのカメラの実施例は、イスラエル国の防衛省によって開示された米国特許第５，６０４，５３１号に記載されている。ギブン・イメージング（Given Imaging）社によって開示された多数の特許が、カメラの画像を、送信器を用いて外部の受信器へ送信するシステムについて詳細に記載している。そのような実施例には、米国特許第６，７０９，３８７号及び同第６，４２８，４６９号がある。オリンパス社（Olympus Corporation）の複数の特許も、類似する技術を開示している。例えば、米国特許第４，２７８，０７７号は、胃用のカメラを備えたカプセルを開示しており、そのカメラにはフィルムが含まれている。米国特許第６，８００，０６０号は、画像データを極小の原子分解能記憶（ＡＲＳ）デバイスに保存するカプセルを開示している。
【０００８】
内部バッテリを備える自律的なカプセルカメラの利点は、外来患者の測定や病院外での測定が行えるようになることであり、また活動の制限を緩やかなものにすることができる。ベースステーションは、人体の対象となる領域の周囲を取り囲むアンテナアレイを含み、このアレイは、一時的に皮膚に取り付けることもできるし、或いは装着型ベストに組み込むこともできる。データレコーダがベルトに取り付けられ、データレコーダには、記録された画像及び他のデータを保存し、またそれらを後で診断用コンピュータシステムへアップロードするためのバッテリ電源及びデータ記憶媒体が含まれる。
【０００９】
典型的な方法は、午前中に入院患者を往診し、その際、医師が患者にベースステーション装置を取り付け、その患者がカプセルを飲み込むことを含む。そのシステムは、カプセルを飲み込むよりも前に画像の記録を開始し、カプセルのバッテリが完全になくなるまでＧＩ管内部の画像を記録する。カプセルは、蠕動によってＧＩ管の中を進む。通過速度は運動性の程度に依存する。通常、小腸は４〜８時間で横断する。所定の期間の後、患者はデータレコーダを医師へ返却し、その後、医師が観察及び分析のためにデータをコンピュータへアップロードする。カプセルは、やがて直腸を通過するが、回収する必要はない。
【００１０】
カプセルカメラは、食道から小腸の末端に至るＧＩ管の全体を撮像することができるが、胃の中の異常を検出するように最適化されているわけではない。視覚的に認識可能な小さな特徴を有する異常を検出する必要があり、トポグラフィーではなく、カラー画像がキャプチャされる。その方法は無痛なものであり、麻酔を必要としない。穿孔のリスクの確度を最小限にするため、人体を通過するカプセルに関連するリスクは、従来の内視鏡検査と比較してかなり減少する。その方法は医師及び病院の設備を必要とする時間が少なく、麻酔を使用しないため、従来の内視鏡検査よりコストがかからない。
【００１１】
カプセルカメラは、胃腸管を検査するための有望な技術であり、画像データを保存するための様々な方法が開発されている。例えば、米国特許第４，２７８，０７７号は、画像データを化成皮膜に保存するカプセルカメラを開示している。米国特許第５，６０４，５３１号は、画像データを人体に取り付けられたアンテナアレイ又は患者が装着したベストの内部に備えられたアンテナアレイへワイヤレスで送信するカプセルカメラを開示している。米国特許第６，８００，０６０号は、画像データを高価な原子分解能記憶（ＡＲＳ）デバイスに保存するカプセルカメラを開示している。保存された画像データは、次に、ワークステーションへダウンロードされる。ワークステーションは、通常、分析及び処理をするためのパーソナルコンピュータである。その結果は、次に、ユーザフレンドリーなインターフェースを用いて医師が精査する。しかしながら、これらの方法はすべて、データ転送プロセスの間に物理的な媒体変換をする必要がある。例えば、化成皮膜上の画像データは、パーソナルコンピュータで読み出し可能な物理的なデジタル媒体に変換する必要がある。電磁信号によるワイヤレス送信は、コンピュータで保存することができる画像を生成するため、アンテナ及び高周波電子回路によって様々な処理をする必要がある。また、ＡＲＳデバイスの読み書き動作は、荷電粒子ビームに依存する。
【００１２】
揮発性又は不揮発性に関係なく半導体メモリ装置を用いるカプセルカメラは、画像がキャプチャされるＣＭＯＳ又はＣＣＤ画像センサ、及び画像が分析されるパーソナルコンピュータの両者とダイレクトインターフェースが可能であるという利点を有する。近年、半導体メモリは、高密度化及び製造コストの低減がなされていることから、カプセルカメラの画像の保存に最も期待できる技術である。いまだその正当さが信じられているムーアの法則によれば、集積回路の密度は、２４ヶ月ごとに２倍になる。一方、ＣＭＯＳ又はＣＣＤセンサの解像度も改良され続けており、数年ごとに２倍になっている。近年の電子工学の進歩は、カプセルカメラの技術の発展も促している。例えば、（ａ）発光ダイオード（ＬＥＤ）の小型化及び省電力化により、カプセルカメラの光源としてＬＥＤの使用が進んでいる。（ｂ）新規のＣＭＯＳ画像センサは、省電力化され、部品数も減少している。（ｃ）集積回路の継続的な小型化により、１つのシリコン基板上に多くの機能を集積することができるようになり（すなわち、System-on-a-chip又はＳＯＣ）、結果として、小型化及び電力の低減がなされている。
【００１３】
ワイヤレス送信によって画像を送信するカプセルカメラの技術的な課題には、データ送信帯域幅の要件というものがある。カプセルカメラは、４０２〜４０５ＭＨｚに割り当てられているＦＣＣ認証のメディカル・インプラント・コミュニケーション・サービス（ＭＩＣＳ、Medical Implant Communication Service）帯域内で、画像の送信をしなければならない。この帯域は、医療機器に割り当てられたものである。なぜなら、人体に吸収されるこれら周波数のワイヤレス信号の悪影響は対処可能なものだからである。しかしながら、この帯域で使用可能なデータ帯域幅は、画像解像度及びフレームレートを制限する。実際、このデータ帯域幅では、カプセルカメラに期待される１秒当り数フレームというフレームレートにしたとき、適当な画像解像度を得ることが難しい。
【００１４】
別の技術的な課題には、アーチファクトを回避するというものがある。従来のＣＭＯＳセンサアレイでは、各画素セルの行は読み出しが終わるまで露光される。各行の読み出しは、共通のセンス回路を共用するため連続的に実施される（すなわち、各行が異なる時点にて読み出される）。各行は、実質的に同一の時間の長さにわたって露光されなければならないため、読出時間を順にずらすには、各画素セルの行を異なる時点から露光し始める必要がある。しかしながら、画像の対象がカメラに対して、センサアレイの行の方向と平行に移動する場合、視野内のその方向に対して垂直な線が、傾斜した線のように見えることがある（すなわち、対象の角度位置が正しく維持されない）。対象が不均一な速度で移動する場合、その線は曲線として現れることがある。このアーチファクトを避けるため、１秒当りわずか数フレームが読み出されるだけであっても、センサアレイの画素はすべて、約５０ｍｓ以内に読み出されなければならない。ＭＩＣＳ帯域が数ＭＨｚ拡張されたとしても、その帯域幅の増加が役に立つことはあまりない。なぜなら、技術の進歩によって、センサアレイの解像度をより高くすることができるため、画像の解像度を高くすることが求められているからである。
【００１５】
カプセルカメラは、もっぱらＧＩ管の中で用いられるものであるため、その動作環境は、汎用カメラの動作環境とは著しく異なる。したがって、カプセルカメラの設計を、その特別な動作環境に最適化するべきである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、カプセルカメラは、視野からの光に露光される画素セルを備える画素セルアレイと、前記視野を照明する照明システムと、前記画素セルアレイからデータを受信し、前記受信したデータを処理するシグナルプロセッサと、改良されたスキャン方法を用いて画素セルアレイが読み出されるようにする制御モジュールとを含む。前記改良されたスキャン方法は、前記画素セルアレイの中の前記画素セルをプリチャージし、前記画素セルの視野を所定の露光時間にわたって照明し、前記視野を照明することが完了した後になって、前記画素セルからデータを読み出すことを含む。
【００１７】
一実施形態では、画素セルのプリチャージは、視野が照明されるより前に、所定の期間にわたって行われる。また画素セルの行は、それぞれ異なった時間にてプリチャージされることがある。一実施形態では、各画素セルの行のプリチャージから読み出しまでの時間の間隔は、実質的に同じである。一実施形態では、画素セルアレイの読み出しが、画像データの連続する次のフレームを読み取る時間まで実質的に広げられて行われる。したがって、画像データが、画素セルから実質的に５０ｍｓの期間にて読み出される。
【００１８】
一実施形態では、送信器は処理された画像データを、ＦＣＣのＭＩＳＣ帯域の下にて送信が許容される帯域幅の範囲内に実質的に収まる平均データ送信速度にて送信する。
【００１９】
一実施形態では、画素セルの行はそれぞれ、照明システムのオン状態が持続している時間全体にわたって露光される。
【００２０】
一実施形態では、画素セル又はセンサアレイの外縁にて、或る画素セルの群が不透明材料によって光から遮蔽される。視野の外にあるこの画素の群から読み出されるデータは、視野の範囲内のデータの熱雑音及びシステム雑音を補償するのに使用されることがある。
【００２１】
本発明の一実施形態では、カプセルカメラのセンサアレイにて予想される漏れ電流を利用する。漏れ電流は、すべての半導体デバイスに存在し、ＣＭＯＳ画像センサの特性に関して支配的な要因をなすものである。カプセルカメラの動作温度は主として体温によって定められるため、そのＣＭＯＳ画像センサの漏れ電流に対する仕様は、汎用カメラにおける漏れ電流に対する仕様よりも小さいものである。結果として、画素セルの電荷が、汎用カメラよりもゆっくりと徐々に漏れ出していくことが予想されるため、カプセルカメラの画素セルのプリチャージ、露光及び読み出しに関するタイミング要件は比較的厳しくないものである。さらに、外部から与えられる変化する照明条件に合致しなければならない汎用カメラとは異なり、カプセルカメラが動作する際の照明条件は、主としてカプセルカメラ自体のＬＥＤによって制御される。本発明は、カプセルカメラの設計におけるこれら及び他の要因を利用して、性能を改良した専用のＣＭＯＳセンサを提供するものであり、システムにかかる全体のコストも低減させている。
【００２２】
従来技術のＣＭＯＳの設計は、センサアレイの露光時間及び読出時間の両方で、ＬＥＤを均一に点灯させておく必要がある。本発明の一実施形態は、このＬＥＤのオン状態の時間を短くし、それによって、バッテリ電源を節約する。
【００２３】
本発明の一実施形態は、特定用途のカプセルカメラ又は内視鏡に使用するのに適した新規のＣＭＯＳセンサを設計するものであり、ＬＥＤのオン状態の持続要件を軽減することによって電力を節約し、「傾斜」アーチファクトを回避する。さらに、ＣＭＯＳセンサは、ＦＣＣが割り当てた医療用途用のＭＩＳＣ帯域の範囲内で画像を送信することを可能にする。
【００２４】
本発明は、添付の図面とともに以下の詳細な説明を考察することによってより良く理解することができるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
同時継続の特許出願は、従来技術の様々な不具合を解決するカプセルカメラについて開示している。本発明は、その特殊な動作環境用に最適化されたカプセルカメラを提供する。
【００２６】
図面を相互に参照しやすくするため、図面内の類似する要素には、同様の参照符号が付与されている。
【００２７】
図１は、人体内腔００の中にある本発明の一実施形態に係る飲み込み式カプセルシステム０１を示す。内腔００は、例えば、結腸、小腸、食道、又は胃である。カプセルシステム０１は、体内にある間は全体に自律的に動作する。その要素はすべて、内部の構成要素を体液から保護するための防湿バリヤを提供するカプセルハウジング１０内に封入されている。カプセルハウジング１０は透明なものであり、照明システム１２の発光ダイオード（ＬＥＤ）からの光が、カプセルハウジング１０の壁を通過して、内腔１０の壁まで達するようにし、また内腔００の壁からの散乱光がカプセル内に集められ、撮像されるようにする。またカプセルハウジング１０は、カプセルハウジング１０内の異物が内腔００と直接接触しないように保護する。カプセルハウジング１０は、カプセルハウジング１０を容易に飲み込むことができ、その後にＧＩ管を通過することができるような形状をしている。一般に、カプセルハウジング１０は非毒性の材料で作られ、滅菌されたものであり、内腔の中で止まってしまう可能性を最小限にするために十分に滑らかなものである。
【００２８】
図１で示すように、カプセルシステム０１は、照明システム１２と、光学系１４及び画像センサ１６を備えるカメラとを含む。画像センサ１６でキャプチャされた画像は、画像プロセッサ１８によって処理される。画像プロセッサ１８は、デジタル信号処理部（ＤＳＰ）又は中央処理装置（ＣＰＵ）で実行されるソフトウェアにて、ハードウェアにて、或いはソフトウェア及びハードウェアの両者の組み合わせにて実装されるようにすることができる。処理された画像は、画像圧縮サブシステム１９（実施形態によっては、ＤＳＰ１８で実行されるソフトウェアに実装されることもある）によって圧縮される。圧縮されたデータは、アーカイブシステム２０に保存される。システム０１は、バッテリ電源２１及び出力ポート２６を含む。カプセルシステム０１は、蠕動によってＧＩ管の中を進むことができる。
【００２９】
照明システム１２は、ＬＥＤが実装されるようにすることもできる。図１では、ＬＥＤはカメラの開口に近接して配置されているが、他の配置も可能である。光源が、例えば、開口の後ろに備えられることもある。レーザダイオードのような他の光源が使用されることもある。別の方法として、白色光源又は２つ以上の狭い波長帯域の光源を組み合わせたものが用いられることもある。長い波長の光を放射するため、ＬＥＤの光によって励起されるリン光性材料とともに、白色ＬＥＤを使用することも可能である。白色ＬＥＤには、青色ＬＥＤ又は紫ＬＥＤが含まれることがある。光を通過させるためのカプセルハウジングの所定の部分は、生物学的に適合したガラス又はポリマから作られる。
【００３０】
光学系１４は、画像センサ１６に内腔の壁の画像が読み取られるようにするものであり、複数の屈折レンズ要素、回折レンズ要素、又は反射レンズ要素を含むものであって良い。画像センサ１６は、受光した光強度を対応する電気信号に変換するものであり、電荷結合素子（ＣＣＤ）又は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）型デバイスによって提供されるようにすることができる。画像センサ１６は、単色に反応するものであって良く、或いは（例えば、ＲＧＢ又はＣＹＭ表現を用いて）カラー画像をキャプチャすることができるカラーフィルタアレイを含むこともある。画像センサ１６からのアナログ信号は、デジタル形式で処理することができるようにデジタル形式に変換されることが好ましい。そのような変換は、センサ内（今回の実施形態の場合）、又はカプセルハウジング１０の別の部分に備えられるアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータを用いて実施される。Ａ／Ｄユニットは、画像センサ１６とシステムの他の部分との間に備えられるようにすることもできる。照明システム１２のＬＥＤは、画像センサ１６の動作と同期化される。制御モジュール２２には、機能の１つとして、画像のキャプチャ動作中にＬＥＤを制御するというものがある。
【００３１】
図１で図示の出力ポート２６は、体内で使用するものではなく、カプセルが人体を通過して回収された後に、ワークステーションへデータをアップロードするためのものである。カプセルは、人体を通過した後に回収される。保存及び分析用のコンピュータワークステーションへデータを転送するため、カプセルハウジング１０が開かれ、出力ポート２６がアップロード装置に接続される。
【００３２】
コンピュータへ画像を保存するための別の望ましい方法として、画像をワイヤレスリンクで送信するものがある。本発明の一実施形態では、データは、ワイヤレスデジタル送信を介して、レコーダを備えたベースステーションへ送信される。そのような実装では、使用可能なメモリスペースをあまり考慮する必要がなく、より品質の高い画像を得るために、より解像度の高い画像が用いられるようにすることができる。さらに、プロトコルの符号化スキームを用いて、例えば、より確実に、耐ノイズ性のある方法で、データがベースステーションへ送信されるようにすることができる。解像度が高いことによる不利益には、高出力及び高帯域幅が必要になるというものがある。後述の本発明の一実施形態では、画像の送信を行うために、実質的により小さい帯域幅を必要とする。その方法では、結果として生じるデジタルワイヤレス送信が、規制当局に認証されたメディカル・インプラント・サービス・コミュニケーション（ＭＩＳＣ、Medical Implant Service Communication）帯域の狭い帯域幅制限の範囲内に収まるように、より低いデータ速度を実現することができる。その結果として、人体から外部へより遠い距離（例えば、６フィート）まで送信することが可能になり、その送信を受信するためのアンテナを、不便なベスト、又は人体に取り付ける必要がなくなる。送信される信号は、ＭＩＳＣの要件に適合していることから、その送信がＦＣＣ又は他の規則に違反することなく戸外で行われるようにすることもできる。
【００３３】
図２は、本発明の一実施形態に係る飲み込み式カプセルシステム０２を示す。カプセルシステム０２は、アーカイブメモリシステム２０及び出力ポート２６を必要としていないという点を除いて、図１のカプセルシステム０１と実質的に同様な構成にすることができる。カプセルシステム０２は、ワイヤレス送信に使用される通信プロトコルエンコーダ１３２０及び送信器１３２６も含む。カプセル０１及びカプセル０２の要素のうち、実質的に同一の要素は同じ参照符号が付与されている。したがって、それらの構造及び機能はここでは再び説明しない。通信プロトコルエンコーダ１３２０は、ＤＳＰ又はＣＰＵで実行されるソフトウェアにて、ハードウェアにて、又はソフトウェア及びハードウェアの組み合わせにて実装される。送信器１３２６は、キャプチャされたデジタル画像を送信するためのアンテナシステムを含む。
【００３４】
本発明は、ＣＭＯＳセンサアレイを動作させるためのタイミング及び制御方式を提供する。図３Ａは、３つのトランジスタ（３Ｔ）からなる画素セルの回路図である。回路図は、説明を行う目的のためにのみ提供されるものであり、本発明のタイミング及び制御方式は、他のセル設計と併せて使用することもでき、それらは、図３Ａで図示する画素セルとは異なる数のトランジスタを有していることもある。図３Ａの画素セルは、図３Ｂの回路記号を用いてシンボルとして表示されることがある。
【００３５】
図３Ａで示すように、３Ｔの画素セルは、トランジスタ３０２を介して電源電圧ＶＲＥＦに直列に接続されたフォトダイオード３０１を含み、制御信号又は「リセット」信号ＲＳＴによって制御される。ＲＳＴがアサートされると、トランジスタ３０２が伝導し、それによって、ノードＣＸ（フォトダイオード３０１のＰＮ接合の静電容量を示す）を実質的に電圧ＶＲＥＦまでプリチャージする。光がフォトダイオード３０２に作用すると、半導体内で電荷キャリアを生成する光子のエネルギによって電流が生成される。電流によって運び去られる電荷の量は、光強度及びフォトダイオードが光にさらされる時間の長さの関数である。ＣＸの電圧は、電源電圧ＶＲＥＦと「リード（読み出し）」トランジスタ３０４との間に接続されたパストランジスタ３０３のゲートを制御する。リードトランジスタ３０４は、制御信号ＲＤによって制御される。制御信号ＲＤがアサートされると、電流が、電源電圧ＶＲＥＦからカラムデータライン３０５へ流れる。伝導しているトランジスタ３０３及び３０４の実効抵抗は、ノードＣＸにおける電圧の関数である。カラムデータライン３０５の電圧は、センスアンプによって検知される。
【００３６】
熱雑音による漏れ電流が全ての半導体デバイスに存在し、それはＣＭＯＳ画像センサの性能に関して支配的な要因をなす。漏れ電流の量は、温度の関数である。汎用カメラの予想される動作範囲において、漏れ電流が数桁以上も変化することがある。したがって、従来の汎用カメラでは、ノードＣＸにおいて電荷を流出させる大きな漏れ電流によって大きな誤差が生じないようにするために、ノードＣＸの電圧を露光が完了してすぐに読み出さなければならなかった。
【００３７】
図４は、ｎ行×ｍ列の画素セルアレイを示す。図４で示すように、画素セルアレイの各画素セルの行は、リセット信号ＲＳＴ１−ＲＳＴｎの１つを受信する。ＲＳＴ１−ＲＳＴｎのそれぞれは、その行の各画素セルにＲＳＴ信号を供給する。さらに、各画素セルの行は、読出信号ＲＤ１−ＲＤｎの１つを受信する。ＲＤ１−ＲＤｎのそれぞれは、その行の各画素セルに制御信号ＲＤを供給する。画素セルアレイの或る列にある画素セルは、共通のカラムデータライン（カラムデータライン３０５−１〜３０５−ｍの１つ）に接続される。各カラムデータラインは、定電流源（定電流源４０１−１〜４０１−ｍの１つ）に接続される。読出信号ＲＤ１−ＲＤｎのうちの１つだけがアサートされたとき、各電流源４０１−１〜４０１−ｍの電流は実質的に一定であるため、各カラムデータラインの電圧は、画素セルのカスケード接続されたパストランジスタ（すなわち、パストランジスタ３０３及び３０４）の直列抵抗の関数である。電圧は、対応する１つの読出信号ＲＤ１−ＲＤｎがアサートされたとき測定される。その電圧は、上述したように、その画素セルのノードＣＸにおける電圧に基づくものである。したがって、カラムデータラインの電圧を検知することによって、その画素セルのフォトダイオード３０１のコンデンサ内の電荷（画素セルのフォトダイオードに作用する光の量を示す）が測定される。
【００３８】
従来のＣＭＯＳ画像センサ（図４の画素セルアレイの方式で構成されたもの）では、図５の信号のタイミング図によって説明するように、回転スキャン手法によって画像がキャプチャされる。図５で示すように、照明システム１２のＬＥＤがオン状態の間、画素セルの行はそれぞれ、リセット信号ＲＳＴ１−ＲＳＴｎのパルスによって、時間ＴＳ１からＴＳｎにてリセットされる（すなわち、プリチャージされる）。各パルスＲＳＴ１−ＲＳＴｎは、対応する行の画素セルのダイオードのコンデンサの電圧（すなわち、ノードＣＸにおける電圧）が、暗視野基準値になるようにする。実質的に同一の所定の露光時間Ｔｅｘｐの後、各画素セルの行は、対応する読出信号（すなわち、ＲＤ１−ＲＤｎのうちの対応する１つ）によって読み出される。画素セルに対して再びＲＳＴ信号がアサートされるとき、時間ＴＲ１−ＴＲｎのうちの対応する１つの時間より前に、各画素セルに対するＲＤ信号がアサートされ、それはノードＣＸにて電圧を検知するのに十分長い時間にわたってアサートされる。アサートされたＲＳＴ信号は、ノードＣＸにおける電圧がＶＲＥＦとなるように充電させる。しかしながら、リセットトランジスタ３０２のスレショルド電圧及び他の要因により、ＣＸの電圧はＶＲＥＦまで達しない。ノードＣＸの電圧は、その後再び検知される。各画素セルの電圧ΔＶは、ＲＳＴ信号がアサートされる前後にノードＣＸにおいて検知された電圧の差であり、画素セルで受光された光を示す。ＲＳＴ信号のパルス幅は、通常、ナノ秒から数十ナノ秒の範囲であり、露光時間Ｔｅｘｐは、コンマ１ミリ秒から数十ミリ秒の範囲であり、ＲＳＴ信号のパルス長さによる露光時間Ｔｅｘｐへの寄与を無視することができる。
【００３９】
図５で示すように、各行が実質的に同じ露光時間（Ｔｅｘｐ）にわたって露光されるため、ＲＤｎがアサートされると、ＬＥＤは実質的に時間ＴＳ１にてオン状態にされ、時間ＴＲｎまでその状態を維持する。実際には、ＬＥＤの光を安定させるため及びオフ状態にするための所定の時間を必要とするため、ＬＥＤが時間ＴＳ１より前に十分に安定するようにし、時間ＴＲｎの後にオフ状態にするようにするためのマージンが与えられる。したがって、ＬＥＤがオン状態にある総時間は、実質的に（Ｔｅｘｐ+ＴＲｎ−ＴＲ１）に等しい。カプセルカメラのＬＥＤ照明システムの、このオン状態にある時間が長いという要件は、なくてもよいものであり、照明用に電力が非効率的に使用されていることを示している。さらに、読出時間が変化するため、カメラと視野内の対象との相対運動の速度が十分に大きい場合、上述の傾斜アーチファクトが発生することがある。その相対運動の速度が均一ではないとき、傾斜アーチファクトにより、縦方向の直線が変形した曲線のように見えることがある。この即時読み出しの要件は、ワイヤレスカプセルカメラに対して非常に高い帯域の伝送帯域幅を要求するものである。例えば、約７５ｋピクセルの解像度のＣＩＦ画像において、１秒当り２フレームのフレームレートにて、１ピクセル当り１バイトだけが送信される場合、１５０ＫＢのデータが送信される必要がある。傾斜アーチファクトを防止するため、フレームを読み出すための総読出時間には上限があり、それは実質的に約５０ｍｓ秒である。しかしながら、１秒当り２つの画像を送信するには、そのデータを全部で１００ｍｓ程度で一気に送信しなければならず、その所要の帯域幅は１秒当り約３ＭＢである。高スペクトル効率の送信方式を用いたとしても、この帯域幅はＭＩＣＳ帯域の範囲内で実現することはできない。１つの解決策として、フレームバッファ又は高画像圧縮を必要とするものがある。所要のフレームバッファは、ほぼ６００Ｋビットであり、カプセルカメラに適用するには材料及び電力に関してかなり大きな費用を要する。
【００４０】
データ圧縮に関しては、４２２カラーフォーマット画像の場合、データは、１５０ｋバイト又は１．２Ｍビットである。カプセルカメラの制約の範囲内で、シリコンの面積及び電力消費の両方の観点から見て、現実的に実施可能な圧縮率は制限される。圧縮率が５のカラー画像用の高圧縮率では、バッファ記憶装置の２４０ｋビットに加えて、圧縮モジュール用の１００ｋのゲートの電力及びシリコンの面積が必要になることがある。ＶＧＡ解像度を得るために、ＣＩＦ画像を４倍にすることが望ましく、所望の臨床検出レート（clinical detection rate）が得られるようにする。そのようなＶＧＡ画像の場合、シリコンに１００ｋのゲートと約１Ｍビットのバッファメモリとが加えられること、及び電力消費がＣＩＦ画像の約４倍になるというコストがかかることが推測される。
【００４１】
汎用カメラのＣＭＯＳ画像センサとは異なり、暗環境の下で使用されるＣＭＯＳ画像センサ（例えば、ＧＩ管を撮像するためのカプセルカメラ）は、漏れ電流を発生させる主要なノイズ（暗電流雑音やシステム暗騒音）の発生源となる。この環境のために、本発明は、制御されたＬＥＤ光源とともに動作する改良されたスキャン手法を提供する。この方法は、省電力及び傾斜アーチファクトの防止の両方を実現する。
【００４２】
本発明は、カプセルカメラが体温にて動作するように設計されるという事実を利用するものであり、ＣＭＯＳの画素セルの漏れ電流が、汎用カメラに対して規定される最大漏れ電流よりも実質的に小さい。したがって、汎用カメラの画素セルとは異なり、カプセルカメラの画素セルのプリチャージ、露光、及び読み出しのためのタイミング要件は、比較的厳しくないものである。なぜなら、画素セルの電荷が、汎用カメラにおいて予想されるかなり速い漏れ速度よりもゆっくりと徐々に漏れ出すことが予期されるからである。さらに、汎用カメラは、外部環境からもたらされる変化する照明条件に適合しなければならないが、それとは異なり、カプセルカメラが動作する環境の照明条件は、主にカプセルカメラに備えられたＬＥＤによって制御される。本発明は、カプセルカメラの設計においてこれら及び他の要因を利用して、性能が改良された専用のＣＭＯＳセンサを提供するものであり、システムにかかる全体のコストもより低減させている。
【００４３】
したがって、図６のスキャン手法で説明される、本発明の一実施形態によれば、改良されたスキャン手法は、実質的に同じ時間ＴＳ１にて（ＬＥＤの光が点灯した時点又はＬＥＤの光が点灯するより少し前）、全ての画素セルの行をプリチャージするようにする。露光時間Ｔｅｘｐの後、ＬＥＤの光は時間ＴＲ１にて消灯し、時間ＴＲ１−ＴＲｎにてそれぞれアサートされる読出信号ＲＤ１−ＲＤｎをアサートすることによって、画素セルの行が連続的に読み出される。このスキャン手法では、全ての画素セルが実質的に一斉に露光され、したがって、傾斜アーチファクトが避けられる。このことが可能になるのは、カプセルカメラの用途に用いられる各画素セルの熱雑音によって生じることが予想される漏れ電流が、汎用カメラの用途において規定される漏れ電流より約２０桁も小さいものだからである。さらに、画素セルアレイの中の複数の特定の画素セルが、基準暗電流を提供するため、不透明材料によって光から遮蔽される（すなわち、常に暗いままに維持される）。異なるセルが異なる時間にて測定されるため、基準暗電流を別の画素セルにおける光強度の変化を補償するために用いることができる。この補償は、異なる画素セルの行が異なる時間にて検出されるため、不均一な陰影が画像全体に現れるような他のアーチファクトを防止する。さらに、ＬＥＤの光は露光時間Ｔｅｘｐの期間中のみ点灯しているため、図５を参照しつつ説明した従来のスキャン手法よりも、かなりの電力が節約される（したがって、バッテリ寿命がより長くなる）。バッテリは、カプセルカメラがＧＩ管の中を移動するため、少なくとも数時間電力を供給することを期待される。正常なバッテリが、その寿命がくるまで均一な電力を供給することは、臨床検出レートを向上し、誤った解釈を避けるのに欠かせない高品質な画像を提供するために重要である。
【００４４】
図７は、本発明の別の実施形態に係る別のスキャン手法を図示する。図７のスキャン手法は、フォトダイオードの接合静電容量（すなわち、ノードＣＸの静電容量）が、１０ｆｆ程度であるとみなす。ＶＧＡ画像用の画素セルアレイの場合、約３００ｋの画素セルを含み、静電容量の合計が３ｎＦとなることがある。ＶＲＥＦが３．０ボルト、プリチャージ期間が１０ｎｓの場合、全ての画素セルが一斉にプリチャージされると、０．９アンペア程度の電流が生じることがある。そのような電流は、カプセルカメラの典型的な電源システムによって供給される電流よりもはるかに大きい。したがって、図７では、各画素セルの行は、ＬＥＤの光が点灯するより前に、異なる時間（時間ＴＳ１からＴＳｎのうちの１つ）にてプリチャージされる。時間ＴＳｎの後に、Ｔｅｘｐの露光時間のため、ＬＥＤの光が点灯される。１番目の行の各画素セルのノードＣＸにおける電圧が読み出される場合、ＬＥＤの光が消灯された後の任意の時間にて時間ＴＲ１が到来する。その後、各画素セルの行が、図６を参照しつつ説明した上述の場合のようにして、時間ＴＲ１−ＴＲｎにて読み出される。この場合も、プリチャージ時間及び読出時間が異なることによる電圧の変化が読み出されるが、それを基準暗電流によって補償することができる。別の方法では、不均一なシェーディングアーチファクトの更なる防止のため、プリチャージ時間から読出時間までの間隔（すなわち、ｉ番目の行の場合、時間ＴＳｉからＴＲｉまでの時間の間隔）が、各行に対して実質的に同一の間隔に定められることがある。
【００４５】
図８では、従来の方法及び図６〜７の改良した方法の両者の画像の読出時間を比較している。図８で示すように、従来のスキャン手法では、画像を３０ミリ秒以内で読み出す必要がある一方で、図６〜７の方法は、画像が１秒当り２フレームずつ読み取られるにもかかわらず、読出間隔が１フレーム当り０．５秒まで広げられている。これはすなわち、上述の理由のとおり、本発明の改良された方法は、約５０ｍｓという読出間隔の実質的な上限を測定する必要をなくし、傾斜アーチファクトを回避させられるということである。従来のスキャン手法とは異なり、本発明の改良されたスキャン手法は、厳密なタイミングの制約なしに画素セルを読み出し、傾斜アーチファクトを生じることもない。さらに、ＬＥＤ照明システム（例えば、図１のＬＥＤ照明システム１）は、読出間隔の間（すなわち、時間ＴＲ１からＴＲｎまでの間）は、オン状態になっている必要がない。そのうえ、読出間隔が広がることによって、５０ｍｓ以下の時間で集中的に送信する必要がなくなるため、ＦＣＣが規定した４０２〜４０５ＭＨｚまでのＭＩＣＳ帯域の範囲内で画像データをワイヤレスで送信することができる。不揮発性のアーカイブメモリを使用するカプセルカメラでは、読出時間の拡大により、フラッシュメモリの書き込み時間の長さに起因する同様の帯域幅の制限も解決する。
【００４６】
図９Ａ及び９Ｂはそれぞれ、従来のスキャン方法及び本発明の改良された方法を用いるワイヤレスカプセルカメラシステムの動作を比較するためのものである。図９Ａで示すように、従来のワイヤレスカプセルシステム９００は、画像を画像センサ９０２（例えば、図２の画像センサ１６）へ提供する結像光学系９０１（例えば、図２の光学系１４）を含む。画像センサ９０２によってキャプチャされた画像は、デジタル信号処理モジュール及びバッファメモリ９０３（例えば、図２の画像プロセッサ１８）にて、第２のセンサ９０４でキャプチャされた任意の他のデータ（例えば、温度、ｐＨ）とともに処理される。デジタル信号処理機能には、例えば、移動検出、画像補正及びデータ圧縮が実行されることが含まれる。処理されたデータは、その後、送信器９０５（例えば、図２の送信器１３２６）によって送信される。制御モジュール９０６Ａ（図２の制御モジュール２２に対応する）及びセンサが組み込まれた回路が、従来のスキャン方法を適用して、画像センサ９０２上の画像がデジタル信号処理モジュール及びバッファメモリ９０３に与えられるようにする。大型のランダムアクセスメモリにかかるコスト（例えば、材料費及び電力費の両方）を抑制するため、通常、モジュール９０１〜９０３及び９０５はパイプライン処理をさせる。図９Ａで示すように、結像光学系９０１からの１つの画像の全データは、スループットタイム又はパイプライン待ち時間という短い遅延の後に送信器９０５へ到達する。結像光学系９０１から送信器９０５までの間のバッファリングが大きくないため、その１つの画像の処理された全画像データを、３０ｍｓの期間内に送信しなければならない。
【００４７】
一方、図９Ｂは、本発明の方法の１つを実行する制御モジュール９０６Ｂを備えるワイヤレスカプセルカメラシステムを図示している。１つの画像の画像データが、０．４９秒まで広げられるため、パイプライン待ち時間があって、バッファリングがないとしても、送信器９０５は、露光から送信までの画像データの全ての処理に割り当てられる０．５秒より前に、送信される全画像を受け取ることができる。或る実施形態では、画像センサ９０２は、プリチャージの局所的な制御及び画素セルからのデータの読み出しを提供するように組み込まれた制御回路を含むことがある。
【００４８】
上述の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を説明するためのものであり、本発明を制限しようとするものではない。本発明の範囲内で様々な変更及び変形をすることが可能である。本発明は、特許請求の範囲に記載されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】体腔内のカプセルを示す図であって、ＧＩ管内にある、本発明の一実施形態に係るカプセルシステム０１を図式的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る飲み込み式カプセルシステムを示す図である。
【図３Ａ】ＣＭＯＳの画素セルの回路図である。
【図３Ｂ】図３ＡのＣＭＯＳの画素セルの回路記号を示す図である。
【図４】図３Ａ及び３Ｂで示されるようなＣＭＯＳの画素セルによって構成された従来のＣＭＯＳセンサアレイを示す図である。
【図５】ＣＭＯＳセンサアレイの従来の動作を示す図である。
【図６】全ての行の画素セルが、実質的にＬＥＤが点灯するのと同時にプリチャージされる、又はＬＥＤが点灯するより前にプリチャージされる、本発明の一実施形態に係る改良されたスキャン手法を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る別のスキャン手法を示す図である。
【図８】従来の方法及び図６〜７の改良された方法の画像読出時間を比較している図である。
【図９Ａ】従来のスキャン方法及び本発明の改良された方法のそれぞれを用いたワイヤレスカプセルカメラシステムの動作を比較するための図である。
【図９Ｂ】従来のスキャン方法及び本発明の改良された方法のそれぞれを用いたワイヤレスカプセルカメラシステムの動作を比較するための図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際調査報告】
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