(57)【要約】  本発明は、磁気作動式カプセル内視鏡であって、上部筐体部および下部筐体部を有する本体と、上部筐体部内に配置された永久磁石と、上部筐体部から下部筐体部の端部まで延在する複数の変形可能部材と、上部筐体部から下部筐体部に向けて突出し、複数の変形可能部材によって取り囲まれた針とを備え、複数の変形可能部材は、前記針の先端を覆うように伸張し、露出させるように収縮するのを繰り返し行うように構成される、磁気作動式カプセル内視鏡に関する。本発明はさらに、磁気作動式カプセル内視鏡用の磁場発生・検知装置、および磁気作動式カプセル内視鏡の作動方法に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気作動式カプセル内視鏡（１０）であって、
上部筐体部（１４）および下部筐体部（１６）を有する本体（１２）と、
前記上部筐体部（１４）の内部に配置された永久磁石と、
前記上部筐体部（１４）から前記下部筐体部（１６）の端部（２２）まで延在する複数の変形可能部材（２０）と、
前記上部筐体部（１４）から前記下部筐体部（１６）に向けて突出し、前記複数の変形可能部材（２０）で取り囲まれた針（２６）と、
を備え、
前記複数の変形可能部材（２０）は、前記針（２６）の先端（３６）を覆うように伸張し、露出させるように収縮するのを繰り返し行うように構成される、磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項２】
前記下部筐体部（１６）の前記端部（２２）は、位置決めパッド（２４）をさらに備え、
任意で、前記位置決めパッド（２４）は、前記下部筐体部（１６）の前記端部（２２）において凹形状を有する、請求項１に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項３】
前記位置決めパッド（２４）は、前記下部筐体部（１６）の前記端部（２２）を形成し、その内部に前記針（２６）のための開口部（２４’’）を有し、および／または、
前記位置決めパッド（２４）は、前記下部筐体部（１６）の前記端部（２２）を表面に取り付ける手段を備える、請求項２に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項４】
前記位置決めパッド（２４）は、摩擦増大コーティング（２４’’’）および複数の繊維（２４’）のうちの少なくとも１つを備える、請求項３に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項５】
少なくとも１つのカメラまたはカメラシステム（２８；２８、３０）をさらに備え、
第１のカメラまたはカメラシステム（２８）は、前記上部筐体部（１４）の端部（１４’）に設けられ、前記磁気作動式カプセル内視鏡（１０）の環境の画像および／または動画を記録するように構成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項６】
前記針（２６）の領域内に配置され、前記針（２６）の前記先端（３６）付近の領域から画像および／または動画を記録するように構成された第２のカメラまたはカメラシステム（３０）をさらに備える、請求項５に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項７】
力を加えることによって、前記磁気作動式カプセル内視鏡（１０）を取り出すように構成されたテザー（３２）をさらに備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項８】
前記テザー（３２）は、前記磁気作動式カプセル内視鏡（１０）の、少なくとも１つのカメラまたはカメラシステム（２８；２８、３０）などのコンポーネントに信号および／またはエネルギーを伝送および／または受信するように構成された電気ケーブル用の導管として構成される、請求項７に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項９】
前記複数の変形可能部材（２０）の各々は、所定の外部印加磁場の印加の際に収縮するように構成される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項１０】
前記外部印加磁場は、前記複数の変形可能部材（２０）において、０．４Ｎより大きい収縮力、特に、０．４５Ｎよりも大きい収縮力を誘起する、請求項９に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項１１】
前記複数の変形可能部材（２０）の各々は、最大０．４５Ｎの固有復元力を有し、前記複数の変形部材（２０）の各々において外部磁場が印加されない場合に完全伸張状態を取り、または０．４５Ｎ未満の収縮力を誘起する外部磁場が印加された場合に部分的に伸張状態を取るように構成される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項１２】
前記磁気作動式カプセル内視鏡（１０）は、外部印加磁場内で移動されるように構成され、
前記複数の変形可能部材（２０）は、所定の磁場（空間）勾配の印加の際に収縮するように構成され、
前記複数の変形可能部材（２０）の変形に利用される磁場勾配は、前記磁気作動式カプセル内視鏡（１０）を移動させるのに使用される磁場勾配よりも大きい、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項１３】
前記磁気作動式カプセル内視鏡（１０）は、シェル（３４）によってカプセル封入され、
前記シェル（３４）は、所定時間経過後に液体環境内で溶解するように構成される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項１４】
前記所定時間は、１０秒〜１０分の範囲で選択される、請求項１３に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項１５】
前記針（２６）の前記先端（３６）は、完全に露出した状態では、すなわち、前記変形可能部材（２０）の完全収縮状態では、前記下部筐体部（１６）の前記端部（２２）から、少なくとも５ｍｍ突出する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）。
【請求項１６】
特に請求項１〜１５のいずれか一項に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）内に特に組み込まれた少なくとも１つの永久磁石（１８）を備える磁気作動式内視鏡（１０）用の磁場発生・検知装置（５０）であり、
作業領域（５４）内で前記磁気作動式内視鏡（１０）を移動させるために、前記磁気作動式内視鏡（１０）の前記少なくとも１つの永久磁石（１８）上で時間的に変化する磁力およびトルクを発生させるように構成され、１つの平面内に配置された複数の電磁石（５２）と、
別の平面内に配置され、前記複数の電磁石（５２）に対して前記作業領域（５４）の反対側に配置された磁気センサアレイ（５６）と、
を備え、
前記複数の電磁石（５２）は、時間的に変化する不均一磁場を発生させるように構成され、
前記磁気センサアレイ（５６）は、前記作業領域内の前記磁気作動式内視鏡（１０）の位置および向きを追跡するように構成され、
前記磁場発生・検知装置（５０）は、前記磁気作動式内視鏡（１０）の位置および向きの少なくとも１つを変化させるために、前記磁気作動式内視鏡（１０）の追跡位置および向きに従って、時間的に変化する不均一磁場を適合させるように構成された制御手段（６２）をさらに備える、磁場発生・検知装置（５０）。
【請求項１７】
２Ｄ平面内の異なる位置に配置された複数の磁気センサをさらに備える、請求項１６に記載の磁場発生・検知装置。
【請求項１８】
表示装置（５８）と少なくとも１つの入力装置（６０）とをさらに備え、
前記表示装置（５８）は、前記磁気作動式内視鏡（１０）の少なくとも１つのカメラ（２８；２８、３０）によって記録された画像および／または前記磁気センサアレイ（５６）によって出力された信号を図示し、ユーザは、前記少なくとも１つのカメラ（２８；２８、３０）および／または前記磁気センサアレイ（５６）によって記録された図示画像に基づいて、前記磁気作動式内視鏡（１０）の所望の向きで所望の位置に前記磁気作動式内視鏡（１０）を方向付けるように前記制御手段（６２）を作動させるために前記少なくとも１つの入力装置（６０）を介してコマンドを入力することができる、請求項１６または１７に記載の磁場発生・検知装置。
【請求項１９】
前記表示装置は、前記複数の磁気センサによって検出されたパラメータを示す、請求項１７および１８に記載の磁場発生・検知装置。
【請求項２０】
好ましくは請求項１〜１５のいずれか一項に記載の磁気作動式カプセル内視鏡（１０）であり、
上部筐体部（１４）および下部筐体部（１６）を有する本体（１２）と、
前記上部筐体部（１４）内に配置された永久磁石（１８）と、
前記上部筐体部（１４）から前記下部筐体部（１６）の端部（２２）まで延在する複数の変形可能部材（２０）と、
前記上部筐体部（１４）から突出し、前記複数の変形可能部材（２０）で取り囲まれた針（２６）と、を備え、
前記複数の変形可能部材（２０）は、前記針（２６）の先端（３６）を覆うように伸張し、露出させるように収縮するのを繰り返し行うように構成された、磁気作動式カプセル内視鏡（１０）を作動させる方法であって、
作業領域（５４）内で前記磁気作動式カプセル内視鏡（１０）を移動させるために磁場を印加するステップと、
前記作業領域（５４）内の所望の位置に前記磁気作動式カプセル内視鏡（１０）を位置決めするステップと、
前記針（２６）の前記先端（３６）を前記下部筐体部（１６）の前記端部（２２）から繰り返し突出させるために、異なる磁場強度および／または異なる磁場勾配を有するように磁場を変化させるステップと
を含む、方法。
【請求項２１】
前記作業空間（５４）内で前記磁気作動式カプセル内視鏡（１０）を移動させるために印加される前記磁場は、５ｍＴ〜９ｍＴの範囲で選択された磁場強度を有し、および／または
前記磁気作動式カプセル内視鏡（１０）を所望の位置に位置決めする際に、３０ｍＴ〜７０ｍＴの範囲で選択された所望の強度および所望の向きを有する磁場が選択され、前記所望の向きは前記所望の位置で前記針（２６）の向きの所望の方向に従って選択される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記針を前記下部筐体部（１６）の前記端部（２２）を越えて繰り返し移動させるために前記複数の変形可能部材（２０）を変形させるように印加される磁場は、３０ｍＴ〜７０ｍＴの範囲で選択された磁場強度と、０．５Ｎ〜０．８Ｎの範囲で選択された前記変形可能部材（２０）に印加される力を誘起する磁場とを有する、請求項２０または２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気作動式カプセル内視鏡に関し、かかる内視鏡は、上部筐体部および下部筐体部を有する本体と、上部筐体部内に配置された永久磁石と、上部筐体部から下部筐体部の端部まで延在する複数の変形可能部材と、上部筐体部から下部筐体部に向けて突出し、複数の変形可能部材によって取り囲まれた針と、を備え、複数の変形可能部材は、前記針の先端を覆うように伸張し、露出させるように収縮するのを繰り返し行うように構成される。本発明はさらに、磁気作動式内視鏡用の磁場発生・検知装置、および磁気作動式カプセル内視鏡の作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の医療技術は、侵襲性の低い診断および治療に集中している。消化器（ＧＩ）疾患の診断では、患者の不快感を軽減する努力がカプセル内視鏡の開発をもたらした。錠剤の形のワイヤレスカプセル内視鏡については、患者があまり痛みを感じることがなく、現在では疑わしい病変の同定のために診断画像や動画を収集するために使用されている。ワイヤレスカプセル内視鏡は、原因不明の消化管出血の調査のようないくつかの診断法のための標準治療にもなっている。カプセル内視鏡は、臨床における消化器疾患の診断に革命を起こしつつあるが、カプセル内視鏡によってもたらされる可能性は依然として検討されている。市販されている装置の主な限界の１つは、疑わしい病変が同定された後、生検試料を採取できないことである。生検試料を採取するには、現在では、正確な診断を下すにかかる全体の時間と費用に加えて、追加の内視鏡処置が必要である。したがって、生検試料を採取する能力がカプセル内視鏡の特徴セットに追加されることが、非常に望ましい。
【０００３】
生検試料を採取するためのいくつかのカプセル設計が既に提案されている。電磁生検装置が最初に提案された１９６７年に、カプセル型の小型の嚥下可能な装置を用いて消化管で生検試料を採取するという考えが出現した。カプセルは、下部消化管の蠕動運動、テザーを介する空気圧、および組織を切断するためのロボット内の電磁作動式カミソリを利用する。
【０００４】
さらに、ねじりばね（熱的またはＳＭＡにより誘発される）を利用して、カプセル内の回転カミソリを用いて試料組織を切断することができる回転式マイクロ生検装置が開発された。他の提案として、鉗子またはカミソリ式生検器具をカプセルの側面の狭い穴を通して使用する方法が提案されている。提案されている他の鉗子型の生検器具は、形状記憶合金トリガーを用いてねじりばねによって作動される、またはダブルバルーン小腸内視鏡式移動を用いたコイル式ワイヤレス動力伝達システムによって駆動される。例えば、磁気ねじりばねは、外部磁場が除去されたときにブレードが組織を切断することができる生検カプセルに組み込まれていた。
【０００５】
生検カプセル設計の大半は、下部消化管への適用を念頭に入れて作成されているが、一部の生検カプセルは、さらに上部消化管内で動作し得る可能性もある。上部消化管処置について、１つの上記の設計が特に研究されてきたが、この点に関して、マイクログリッパを用いた磁気作動式軟カプセル内視鏡（ＭＡＳＣＥ）が使用された。ＭＡＳＣＥは、胃の中へ感温性マイクログリッパを運んで配置し、マイクログリッパが自己折り畳み機構を用いて胃組織を掴んだ後、接着パッチでマイクログリッパを回収する。しかしながら、実験では、マイクログリッパ回収の収率が低い（３％）ことが示されており、場合によっては、医師が、マイクログリッパによって実行される確率的サンプリングよりも標的生検を好む場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
消化管の位置に関係なく、全ての先行技術の設計の主な限界の１つは、表面の生検試料しか採取できないことである。先行技術の設計は、消化管の粘膜層上の組織を引き込むのに有用であるが、消化管内部の深部の塊に到達するのは難しい。これらの機構は、粘膜下腫瘍（ＳＭＴ）を見逃す可能性があり、診断精度を低下させ得る。
【０００７】
このため、本発明の目的は、上部消化管または胃の状態を示す画像を記録することができ、内視鏡によって記録された画像に基づいて病変または腫瘍が想定された場合に、深部にある塊でさえも生検を確実に実行することができる、少なくとも上部消化管または胃内で操作可能なカプセル内視鏡を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、請求項１に記載の特徴を有する磁気作動式カプセル内視鏡によって達成される。
【０００９】
このような磁気作動式カプセル内視鏡は、好ましくは、
上部筐体部および下部筐体部を有する本体と、
上部筐体部の内部に配置された永久磁石と、
上部筐体部から下部筐体部の端部まで延在する複数の変形可能部材と、
上部筐体部から下部筐体部に向けて突出し、複数の変形可能部材で取り囲まれた針とを備え、複数の変形可能部材は、前記針の先端を覆うように伸張し、露出させるように収縮するのを繰り返し行うように構成される。
【００１０】
このようにして、Ｂ−ＭＡＳＣＥと呼ばれる細針吸引生検（ＦＮＡＢ）機能を有する新奇な磁気作動式軟カプセル内視鏡が提供される。ＦＮＡＢは、細針を用いて組織試料を抽出する生検法の一種である。細針吸引生検法は、消化管に合併症がない状態であれば、鉗子またはブラシのような他の生検法よりも精度が高いと報告されている。針は病変の塊の内部深くまで貫入することができるので、この生検法では、ＳＭＴの場合でも診断精度が向上する。
【００１１】
そのためには、薄い中空針がカプセルに取り付けられ、針は組織の中深くに貫入して表面下の生検試料を採取することができる。この設計は、外部磁場の印加の際に針を案内する追従機構として軟質エラストマー体を使用して、変形可能部材を収縮させ、そのことによって上部筐体部を下部筐体部に対して移動させて、針が上部筐体部に固定された状態で下部筐体部に対して針を移動させる。内部永久磁石は、作動および追跡の両方の手段を提供する。カプセルは、標的に向かって転がり、その後、生検針を標的領域として選択された正確な位置に配置するように設計される。
【００１２】
Ｂ−ＭＡＳＣＥは、複数のカスタム設計された電磁石によって制御されると同時に、その位置と向きは磁気センサアレイによって追跡される。ｉｎ  ｖｉｔｒｏ試験では、Ｂ−ＭＡＳＣＥは、転がり移動および解剖学的なヒト胃モデルの内部に位置決めされたブタ組織モデルの生検を実証した。実験の結果、組織試料が針の内部に保持されていることが確認された。
【００１３】
Ｂ−ＭＡＳＣＥの設計は、ＦＮＡＢのための必要な動作（針の軸方向のジャブ動作）および胃の表面における転がり移動の両方を可能にする。Ｂ−ＭＡＳＣＥは、外部磁場制御による内部磁石上の磁力およびトルクによって制御される。カプセルの両端を接続する軟質材料ベースの脚部（変形可能部材）は、ばねとして、また針のガイドとして機能する。その設計は、ＦＮＡＢの適切な針ゲージおよび貫入深さを示唆する臨床データに基づいている。ｉｎ  ｖｉｔｒｏ実験および実証試験がブタ組織モデルを用いて実行され、生検試料が正常に捕捉されたことが確認された。
【００１４】
細針吸引細胞診としても知られている細針吸引生検法は、細い中空針を通して疑わしい組織病変から細胞を吸引する方法のことである。処置中に、中空針が塊に挿入されて、組織の試料が抽出される。試料は、除去された後、さらなる検査のために検査室に送られる。細針吸引生検法は、一般に、甲状腺または乳房に位置するしこりを調べるために用いられ、消化管にも成功のうちに適用されてきた。
【００１５】
ロボットの上部の組み込まれている細針は、病変に貫入して、標準的な臨床診断法と同様の手法を使用して中空針内部の試料を捕捉することが可能である。ロボット内部の永久磁石は、外部磁場との相互作用を通して磁力およびトルクを発生させ、同時に追跡源として使用される。変形可能部材の軟質材料ベースのサラスリンク機構は、針ガイド、ばね、およびカプセルの胴体部として機能する。このことにより、ロボットは圧潰して、針を標的組織に配置することができ、また外部磁場が除去されたときに針の引き戻しのための復元力が提供される。
【００１６】
有利には、下部筐体部の端部は、位置決めパッドをさらに備え、任意で、位置決めパッドは、下部筐体部の端部において凹形状を有する。
【００１７】
位置決めパッドは、消化管の内面、すなわち胃壁への内視鏡の取り付けおよび位置決めを容易にするために利用され得る。
【００１８】
好ましくは、位置決めパッドは下部筐体部の端部を形成し、その内部に針のための開口部を有し、および／または位置決めパッドは、下部筐体部の端部を表面に取り付ける手段を備え、任意で、位置決めパッドは、摩擦増大コーティングおよび複数の繊維のうちの少なくとも１つを備える。
【００１９】
位置決めパッドにさらなる手段を設けることによって、内視鏡が取り付けられる表面に対して内視鏡をよりしっかりと接着することができ、繊維またはコーティングは、位置決めパッドの付着特性を高めるための有益な種類の方法である。
【００２０】
磁気作動式カプセル内視鏡がさらに少なくとも１つのカメラまたはカメラシステムを備え、第１のカメラまたはカメラシステムは上部筐体部の端部に設けられ、磁気作動式カプセル内視鏡の環境の画像および／または動画を記録するように構成されるのであれば、好ましい。このようにして、消化管の診断画像および動画を取得することができる。
【００２１】
有利には、磁気作動式カプセル内視鏡は、針の領域内に配置された第２のカメラまたはカメラシステムをさらに備え、針の先端付近の領域から画像および／または動画を記録するように構成される。生検を行うことが意図されている領域から画像および動画を記録する第２のカメラを設けることは、針の配向のように生検を行う動作を監視することができ、第２のカメラを通して針の向きが正確でないまたは理想的でないことがわかった場合に、内視鏡を再調整できることを意味する。
【００２２】
好ましくは、磁気作動式カプセル内視鏡は、力を加えることによって磁気作動式カプセル内視鏡を除去するように構成されたテザーをさらに備え、任意で、テザーは磁気作動カプセル内視鏡の少なくとも１つのカメラまたはカメラシステムのようなコンポーネントに信号および／またはエネルギーを伝送および／または受信するよう構成された電気ケーブル用の導管として構成される。
【００２３】
テザーは、例えば、テザーを単純に引っ張ることによって、例えば、食道を通って内視鏡を引き戻すことができる単純な紐であり得る。他の実施形態では、テザーは、カメラを外部に接続するために使用される導管またはダクトであり得、これによって、エネルギーを供給し、カメラから画像を取得することができる。また、テザーは、さらに配設され得る別のセンサ用のケーブルを収容することも考えられる。この点に関して、腫瘍の密度は、人体に存在する臓器とは異なり得るので、密度を示す信号を測定することができるセンサが含まれ得ることに留意すべきである。
【００２４】
複数の変形可能部材の各々が所定の外部印加磁場が印加された際に収縮するように構成され、好ましくは、外部印加磁場が複数の変形可能部材において０．４Ｎより大きい、特に０．４５Ｎより大きい収縮力を誘起することにより、複数の変形可能部材が圧潰し始めて針を本体の外側に配置するのであれば、好ましい。
【００２５】
内視鏡は、本体内に存在する永久磁石により、作業領域内を移動する。そのためには、永久磁石を移動させ配向するために印加される外部磁場は、５ｍＴ〜９ｍＴの範囲内で選択される。変形可能部材を収縮させるために、０．５Ｔ／ｍ〜２Ｔ／ｍの範囲で選択された磁場勾配が印加され、３０ｍＴ〜７０ｍＴの範囲で選択された磁場が配向安定化のために印加される。
【００２６】
変形可能部材を有意に大きな磁場強度で収縮させるように調整することによって、針の先端が偶発的に外れることが回避され得る。
【００２７】
好ましくは、複数の変形可能部材の各々は、少なくとも０．４５Ｎの固有復元力を有し、複数の変形可能部材の各々において０．４５Ｎ未満の収縮力を誘起する外部磁場が印加されると、完全な伸張状態を取るように構成される。変形可能部材に固有復元力を付与することによって、弱い磁場勾配が印加された場合に、針の先端を変形可能部材によって覆う必要があり、したがって変形可能部材は固有の安全機能を有することを意味する。
【００２８】
有利には、磁気作動式カプセル内視鏡は、外部印加磁場内で移動するように構成され、複数の変形可能部材は、所定の磁場空間勾配の印加の際に収縮するように構成され、複数の変形可能部材の変形に利用される磁場勾配（空間）勾配は、磁気作動式カプセル内視鏡を移動させるのに使用される磁場勾配よりも大きい。
【００２９】
磁気作動式カプセル内視鏡はシェルによってカプセル封入され、シェルは定時間経過後に液体環境内で溶解するように構成され、所定時間は、好ましくは、１０秒〜１０分の範囲で選択されるのであれば、好ましい。
【００３０】
このシェルは、内視鏡がヒトまたは動物の体内に挿入されたときに、内視鏡、特に、針の先端が、例えば、食道と接触するのを回避する保護層である。
【００３１】
好ましくは、針の先端は、完全に覆われていない状態では、すなわち、変形可能部材の完全な収縮状態では、下部筐体部の端部から、少なくとも５ｍｍ、好ましくは、８ｍｍ〜１２ｍｍだけ突出する。
【００３２】
胃壁は、典型的な厚さ５ｍｍを有し、胃壁の下にある腫瘍を生検するために、針は胃壁のみに貫入するだけでなく腫瘍にも入ることができなければならない。
【００３３】
さらに別の態様によれば、本発明は、特に上述したように、特に磁気作動式カプセル内視鏡に組み込まれた少なくとも１つの永久磁石を備える磁気作動式カプセル内視鏡用の磁場発生・検知装置に関し、
磁場発生・検知装置は、
作業領域内で磁気作動式内視鏡を移動させるために、磁気作動式内視鏡の少なくとも１つの永久磁石上で時間的に変化する磁力およびトルクを発生させるように構成され、１つの平面内に配置された複数の電磁石と、
別の平面内に配置され、前記複数の電磁石に対して前記作業領域の反対側に配置された磁気センサアレイとを備え、
複数の電磁石は、時間的に変化する不均一磁場を発生させるように構成され、
磁気センサアレイは、作業領域内の磁気作動式内視鏡の位置および向きを追跡するように構成され、
磁場発生・検知装置は、磁気作動式内視鏡の位置および向きの少なくとも１つを変化させるために、磁気作動式内視鏡の追跡位置および向きに従って、時間的に変化する不均一磁場を適合させるように構成された制御手段をさらに備える。
【００３４】
外部磁場を正確に制御するために、コンピュータ制御電磁システムおよび磁気センサアレイが利用された。転がり移動および生検は、ブタ脂肪組織モデルと共にプラスチック胃モデルにおいてｉｎ  ｖｉｔｒｏで実証された。実証試験の後、生検試料が成功裏に捕捉されたことが確認された。精密制御技術、胃の位置合わせとマッピング、および生検器具を備えたこのようなカプセルロボットのｉｎ  ｖｉｖｏ実証は、依然として残っているシステム開発の領域である。
【００３５】
磁場発生・検知装置が２Ｄ平面内の異なる位置に配置された複数の磁気センサをさらに備えるのであれば、有利である。このようなセンサは、一般に、磁場の変化を検知することによって、標的領域内の内視鏡カプセルの移動の２Ｄにおける３Ｄベクトル場マップを生成することができる。
【００３６】
磁場発生・検知装置はさらに、表示装置と少なくとも１つの入力装置とを備え、表示装置は、磁気作動式内視鏡の少なくとも１つのカメラによって記録された画像および／または磁気センサアレイによって出力された信号を図示し、ユーザは、少なくとも１つのカメラおよび／または磁気センサアレイによって記録された図示画像に基づいて、磁気作動式内視鏡の所望の向きで所望の位置に磁気作動式内視鏡を方向付けるように制御手段を作動させるために少なくとも１つの入力装置を介してコマンドを入力することができる。このようにして、ユーザは、効率的な方法で、撮影画像および／または動画に基づいて、内視鏡を腫瘍のような標的部位に方向付けることができる。
【００３７】
表示装置が複数の磁気センサによって検出されたパラメータ、すなわち、磁気パラメータの２Ｄにおける３Ｄベクトル場マップを図示するのであれば、好ましい。
【００３８】
さらに別の態様によれば、本発明は、好ましくは上述したように、
上部筐体部および下部筐体部を有する本体と、
上部筐体部の内部に配置された永久磁石と、
上部筐体部から下部筐体部の端部まで延在する複数の変形可能部材と、
上部筐体部から突出し、複数の変形可能部材で取り囲まれた針とを備え、複数の変形可能部材は、前記針の先端を覆うように伸張し、露出させるように収縮するのを繰り返し行うように構成された、磁気作動式カプセル内視鏡を作動させる方法であって、
作業領域内で磁気作動式カプセル内視鏡を移動させるために磁場を印加するステップと、
作業領域内の所望の位置に磁気作動式カプセル内視鏡を位置決めするステップと、
針の先端を下部筐体部の端部から繰り返し突出させるために、異なる磁場強度および／または異なる磁場勾配を有するように磁場を変化させるステップとを含む、作動方法に関する。
【００３９】
本発明に係る内視鏡に関する上述の利点は、本発明に係る方法についても同じことが言える。
【００４０】
好ましくは、空間内で磁気作動式カプセル内視鏡を移動させるために印加される磁場は、５ｍＴ〜９ｍＴの範囲で選択された磁場強度を有する。有利には、磁気作動式カプセル内視鏡を所望の位置に位置決めする際に、３０ｍＴ〜７０ｍＴの範囲で選択された所望の強度および所望の向きを有する磁場が選択され、所望の向きは所望の位置で針の向きの所望の方向に従って選択される。好ましくは、針を下部筐体部の端部を越えて繰り返し移動させるために複数の変形可能部材を変形させるように印加される磁場は、３０ｍＴ〜７０ｍＴの範囲で選択された磁場強度と、０．５Ｎ〜０．８Ｎの範囲で選択された変形可能部材に印加される力を誘起する磁場とを有する。これらの設計パラメータは、特に良好な生検結果をもたらすことがわかった。
【００４１】
実施形態に基づいて、図面を参照しながら、本発明について詳細に後述する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１ａは、サラスリンク機構がカプセルの軸方向圧潰動作を拘束した状態の磁気作動式カプセル内視鏡（Ｂ−ＭＡＳＣＥ）の外観図であり、図１ｂは、磁力がサラスリンク機構に沿って細針の軸方向運動を誘起し、滑り止めパッドが胃の表面にさらなる摩擦を付与する、Ｂ−ＭＡＳＣＥの断面図である。
【図２】磁気作動式カプセル内視鏡（Ｂ−ＭＡＳＣＥ）の別の断面図である。
【図３】図３ａは、解剖学的胃モデルおよびサイズ比較用の１ユーロ硬貨と共に磁気作動式カプセル内視鏡（Ｂ−ＭＡＳＣ）を示した図であり、図３ｂは、Ｂ−ＭＡＳＣを外部磁場に合わせることによってＢ−ＭＡＳＣＥが胃壁に対向する様子を示した図であり、図３ｃは、Ｂ−ＭＡＳＣが外部磁場の強い勾配により圧潰する様子を示した図である。矢印は露出した細針を示している。
【図４】細いテザーで繋がれたＢ−ＭＡＳＣの適用シナリオであり、図４（１）は、Ｂ−ＭＡＳＣが氷でカプセル封入され、飲み込まれる様子を示しており、図４（２）は、氷融解後のＢ−ＭＡＳＣＥであり、Ｂ−ＭＡＳＣＥが胃内を移動し、診断が可能である状態を示しており、図４（３）は、病変が見つかった場合に、Ｂ−ＭＡＳＣが転がり移動によって病変部位へ移動して、細針吸引生検を実行することができる状態を示しており、図４（４）は、全てのタスクが完了した後に、Ｂ−ＭＡＳＣが細いテザーによって引き戻される様子を示している（背景の胃の図：ＢｒｕｃｅＢｌａｕｓ／ＣＣ  ＢＹによる「胃潰瘍」）。
【図５】図５ａは、貫入深さによるカプセルの復元力を推定するための図であり、反力および逆モーメントは見やすくするために省略された図であり、図５ｂは、針が引き戻されている間の組織抵抗力を克服するように設計された脚部による、貫入深さに沿った復元力を示す図である。
【図６】図６ａは、作動システムの概略図であり、磁気センサアレイが上部に配置され、電磁石が下に配置され、電磁石からの磁場がＢ−ＭＡＳＣＥ内部の磁石上で磁力およびトルクを発生させて作業領域内部でロボットを移動させる様子を示した図であり、図６ｂは、製造された作動機構の図であり、概略図によれば６４個の３軸磁気センサが上部に配置され、９個の電磁石が底に配置され、座標系は作業領域の原点および向きを示す図である。
【図７】Ｂ−ＭＡＳＣＥの圧潰動作を示した図であり、磁力がカプセルを圧潰させて、細針が組織内部に貫入することができる様子を示した図である。
【図８】Ｂ−ＭＡＳＣＥの転がり移動および水中における生検機能（複数の画像が重なっている）の実証試験の図であり、図８ａはＢ−ＭＡＳＣＥが転がり移動（黒色矢印）によって偽腫瘍（灰色矢印）の部位に近づく様子を示した図である。ブタ脂肪は浮揚性を有するためテープで固定され、図８ｂはＢ−ＭＡＳＣＥが反復圧潰動作（９回）によって細針生検を実行する様子を示した図であり、図８ｃはＢ−ＭＡＳＣＥが次の処置待ちの他の場所に移動する様子を示した図である。
【図９】細針内部の生検試料を示した図であり、図９ａは、組織を排出する前の光学顕微鏡画像であり、ブタ脂肪が針の内部にある画像を示した図であり、図９ｂは、採取したブタ脂肪の試料を示しており、抽出された生検試料が明確に観察される図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
２種類の細針吸引生検（ＦＮＡＢ）がある。いわゆる吸引ＦＮＡＢの間、細針は組織に通され、針に取り付けられたシリンジによって負圧が加えられる。第２の方法は、細針毛細管（ＦＮＣ）法と呼ばれ、針は組織に通され、組織を出入りする５回〜１０回の連続的な高速ジャブ運動が行われる。
【００４４】
ＦＮＣの間、針内の毛細管力は、管腔内部の剥離細胞を保持する。臨床研究では、２つの手法の間には診断精度の差がないことが示されており、技術的に容易であることから、ＦＮＣ法を用いることが推奨されている。ＦＮＡＢは、消化管に適用した場合に鉗子生検およびブラシ細胞診よりも高い診断精度を有する。臨床研究では、ＦＮＡＢが上部消化管に適用した場合に他の２つの手法よりも優れていることが示されている（全体的な診断精度：ＦＮＡＢ＝９４％、ブラシ＝８５％、鉗子＝８８％）。特に、粘膜下腫瘍、浸潤悪性腫瘍、および潰瘍壊死悪性腫瘍の場合、ＦＮＡＢでは針は腫瘤深くに貫入することができるが、他の方法では胃の表面組織のみを採取するので、ＦＮＡＢの方がはるかに優れている（例えば、ＳＭＴの診断制度：ＦＮＡＢ＝９３％、ブラシ＝７％、鉗子＝１４％)。
【００４５】
以下に、ＦＮＣ法を用いて操作される磁気作動式カプセル内視鏡（Ｂ−ＭＡＳＣＥ）について説明する。この点に関して、図１は、Ｂ−ＭＡＳＣＥ（磁気作動式カプセル内視鏡１０）のプロトタイプを示す図である。内視鏡１０は、上部筐体部１４および下部筐体部１６を有する本体１２と、上部筐体部１４内に配置された永久磁石１８と、上部筐体部１４から下部筐体部１６の端部２２まで延在する複数の変形可能部材２０と、上部筐体部１４から下部筐体部１６に向けて突出し、複数の変形可能部材２０によって取り囲まれた針２６とを備える。複数の変形可能部材２０は、前記針２６の先端３６を覆うように伸張し、露出させるように収縮するのを繰り返し行うように構成される（この点に関して、さらに図４を参照）。針２６は、永久磁石１８に取り付けられた針ハブ内に収容される。
【００４６】
図１に示されている永久磁石１８は、直径が８ｍｍ、高さが８ｍｍの円筒形である。図１の例における永久磁石は、ネオジム−鉄−ホウ素（ＮｄＦｅＢ）４２グレードで構成されている。
【００４７】
一般に、永久磁石１８の大きさおよび強度は、カプセル内視鏡１０の大きさに応じて変化する。例えば、永久磁石１８の直径は、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で選択され得る。永久磁石１８の高さは、１〜２０ｍｍの範囲で選択され得る。磁石の材料は、ＮｄＦｅＢまたは類似の材料を含むように選択され得る。
【００４８】
下部筐体部１６の端部２２は、摩擦パッド２４とも呼ばれる位置決めパッド２４をさらに備える。図１ａおよび図１ｂにおいて、位置決めパッド２４は、繊維２４’が存在する平坦面を備える。図２に示されている実施形態では、位置決めパッド２４は下部筐体部１６の端部２２では凹形状を有する。
【００４９】
図２の右側の断面図から明らかなように、位置決めパッド２４は下部筐体部１６の端部２２を形成し、その内部に針２６のための開口部２４’’を有し、すなわち、収縮および伸張が繰り返される際に、針２６の上部３６は開口２４’’を通って下部筐体部１６に入ったり出たりする。
【００５０】
また、位置決めパッド２４は、下部筐体部１６の端部２２を表面に取り付けるための手段を備える。この例では、この手段は、複数の繊維２４’および摩擦増大コーティング２４’’’である。
【００５１】
摩擦増大コーティング２４’’’’は、パッドと消化管粘膜表面との間の摩擦を増大させるように設計された粘膜付着性物質としての材料を有し得る。
【００５２】
図１ａの実施形態では、第１のカメラまたはカメラシステム２８は、上部筐体部１４に設けられる。第１のカメラまたはカメラシステム２８は、磁気作動式カプセル内視鏡１０の環境の画像および動画を記録するように構成される。
【００５３】
図２に示されている実施形態は、針２６の領域内に配置され、針２６の先端３６の付近の領域から画像および動画を記録するように構成された第２のカメラまたはカメラシステム３０を有する。第２のカメラ３０は、針２６を受容するように構成された針ハブ内に配置される。第２のカメラ３０の視野は、針２６の先端３６に向けて針に沿って、すなわち、内視鏡１０の長手方向に沿って方向付けられる。
【００５４】
第１のカメラまたはカメラシステム２８では、ＣＭＯＳベースの高品質カメラが使用され得る。第２のカメラまたはカメラシステム３０では、省スペース型のＣＭＯＳベースのカメラが使用され得る。第２のカメラシステムは、スペースが限られているため、解像度や品質が低下する可能性がある。
【００５５】
図１および図２の実施形態には、さらにテザー３２が示されている。テザー３２は、食道を通して操作した後に、磁気作動式カプセル内視鏡１０を取り出すように構成される。
【００５６】
好ましくは、テザー３２はさらに、磁気作動式カプセル内視鏡１０の少なくとも１つのカメラまたはカメラシステム２８、３０のようなコンポーネントに信号および／またはエネルギーを伝送および／または受信するように構成された電気ケーブル用の導管として構成される。
【００５７】
内視鏡１０は、典型的には、２０ｍｍ〜３２ｍｍの範囲で選択された長さ、および８ｍｍ〜１２ｍｍの範囲で選択された直径を有する。
【００５８】
好ましくは、変形可能部材の材料は、ポリウレタンまたはポリジメチルシロキサンのような生体適合性弾性軟質材料および生体適合性弾性軟質シリコーンの組み合わせからなる部材群から選択される。
【００５９】
以下でさらに詳細に説明するように、複数の変形可能部材２０の各々は、所定の外部印加磁場が印加されたときに収縮するように構成される。外部印加磁場は、複数の変形可能部材２０において、０．４Ｎより大きい収縮力、特に、０．４５Ｎよりも大きい収縮力を誘起するように選択される。
【００６０】
この点に関して、複数の変形可能部材２０の各々は最大０．４５Ｎの固有復元力を有し、複数の変形部材２０の各々において０．４５Ｎ未満の収縮力を誘起する外部磁場が印加されたときに、完全伸張状態を取るように構成されることに留意すべきである。
【００６１】
さらに、磁気作動式カプセル内視鏡１０は、外部印加磁場内で移動されるように構成されることに留意すべきである。複数の変形可能部材２０は、所定の磁場勾配の印加時に収縮するように構成され、複数の変形可能部材２０を変形させるのに利用される磁場勾配は、磁気作動式カプセル内視鏡１０を移動させるのに使用される磁界勾配よりも大きい。
【００６２】
図４に示されているように、磁気作動式カプセル内視鏡１０は、シェル３４によってカプセル封入される。シェル３４は、所定時間経過後に、胃内に存在する流体のような液体環境内で溶解するように構成される。図４の実施形態では、シェル３４は氷で形成されるが、薬物の時間遅延放出に使用されるようなカプセルでも形成され得る。この点に関して、所定時間は、磁気作動式カプセル内視鏡１０が患者の胃４０（図３を参照）に到達するまで磁気作動式カプセル内視鏡１０が確実にカプセル封入された状態のまま維持することができるように選択されることに留意すべきである。この点に関して、所定時間は、１０秒〜１０分の範囲で選択され得る。
【００６３】
針先端３６は、完全に露出した状態では、すなわち、変形可能部材２０の完全収縮状態では、下部筐体部１６の端部２２から、少なくとも５ｍｍ、好ましくは少なくとも１０ｍｍ突出している。
【００６４】
細針２６は、内視鏡１０の上部１４に取り付けられ、カプセルは、カプセルの下部１６から針２６を通すために、最長寸法に沿って圧潰する。
【００６５】
設計の詳細について、以下に発明者の言葉を使用して説明する。
【００６６】
図１は、細針２６、永久磁石１８、四脚サラスリンク機構２０、上部筐体１４、および滑り防止パターン２６を有する下部筐体１６から構成されたＢ−ＭＡＳＣＥ１０の設計特徴を示している。磁石１８は、制御された外部磁場に応答して、ロボットに対して磁力およびトルクを加える。磁気トルクはカプセルを配向するのに使用され、磁力はサラスリンク機構２０を圧潰させて、カプセルの底部の穴に針を通すのに使用される。
【００６７】
サラスリンク機構２０からの復元力は、磁力が除去されたときにカプセルの形状を復元する。軸方向の磁力の正弦波変動は、ＦＮＣ法に必要な動作である、組織を出入りする針２６の滑らかな反復動作を引き起こす。サラスリンク機構２０はまた、カプセル１０の軸方向に沿って針２６を案内するための圧潰動作を制限し、このことにより、圧潰動作は、印加された磁場のわずかな変動の影響を受けなくなる。下部１６上の滑り止めパターン２４は、針貫入の前に意図しないカプセルの動作を防止するために、圧潰動作中の摩擦を増大させる。
【００６８】
表Ｉは、Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０の設計パラメータを示している。このプロトタイプでは、設計パラメータは、臨床要件を満たすように、そして初期実現可能性を証明するように選択されている。臨床研究では、組織への貫入および生検試料の採取には１９ゲージ（Ｇ）から２５Ｇが推奨されており、その範囲には性能の差異がないことが示されている。カプセル用に、外径が０．５６５２ｍｍ、内径が０．３１１ｍｍの２４Ｇの皮下注射針が選択された。
【００６９】
平均的な胃壁４２（例えば、図３を参照）の厚さは５．１０７ｍｍであり、平均的な上部消化管腫瘍サイズは５８ｍｍ（直径）であり、上部消化管腫瘍は直径が２０ｍｍより大きい大きさで視覚的に同定可能である。ＳＭＴの場合、針貫入深さは壁の厚さよりも大きくすべきであるが、全厚を貫通するほど深くはない。貫入深さは、両方の基準を満たすために１０ｍｍに選択される。
【表１】
2020521527.tif 000003
【００７０】
磁石１８は、十分な磁力およびトルクを発生させるのに十分な大きさでなければならない。カプセル１０のサイズが制限されるので、磁石１８のサイズは、カプセルの上部本体の内部で可能な最大サイズとなるように選択される。磁力およびトルクは、外部磁場によって制御されるが、これについて以下で説明する。磁力は、サラスリンク機構２０の復元力と標的組織の貫入抵抗との和よりも大きくすべきである。貫入抵抗は組織ごとに異なり、胃腫瘍組織に関する臨床データは存在しない。しかしながら、磁力は外部磁場によって容易に調節され得るので、これは組織ごとに調整する問題である。研究の現状では、針の貫入抵抗は肝組織と共に使用されている。この貫入抵抗は、１８Ｇ（Φ１．２７ｍｍ）の針を使用した１０ｍｍの貫入でほぼ０．０５Ｎである。
【００７１】
サラスリンク機構脚部２０の設計は、生検機能を実行するために採用され、リンク機構は、結合した磁力と連結力が針２６の挿入および引き戻しのための十分な正味の力となるように調整される必要がある。リンク機構２０の設計に関して、挿入力はより強い外部磁場勾配を生成することによって安全に増大され得るので、挿入力よりも引き戻し力が重要である。しかしながら、カプセル１０は、追従脚部２０の復元力のみを使用して針２６を引き戻すように設計される。これは安全のために行われ、磁場勾配が針２６を引き戻すのに使用される場合、磁場勾配によりカプセル１０が不意に胃壁４２から離れて、結果として瞬間的に制御不能になる可能性がある。したがって、脚部２０は、組織の退縮抵抗（１０ｍｍ貫入で０．４Ｎ）に対してカプセル形状を回復させるのに十分な硬さになるように設計された。
【００７２】
図３ａは、胃壁４２を有する解剖学的胃モデル４０内の磁気作動式カプセル内視鏡１０を示す図である。サイズ比較のために、１ユーロ硬貨４４が含まれている。図３ｂは、外部磁場に揃えることによって天井を向いたＢ−ＭＡＳＣＥ１０を示している。図３ｃは、外部磁場の強い勾配が印加された、圧潰状態、収縮状態のＢ−ＭＡＳＣＥ１０が圧潰する様子を示している。矢印は露出した細針２６を示している。
【００７３】
磁気作動式カプセル内視鏡１０を作動させる方法において、胃４０のような作業領域５４（図６を参照）内で磁気作動式カプセル内視鏡を移動させるために、磁場が印加される。磁気作動式カプセル内視鏡１０は、例えば、図３ｂに示されているように、作業領域５４内の所望の位置に位置決めされる。磁気作動式カプセル内視鏡１０が所望の位置に位置決めされると、針先端２６を下部筐体部１６の端部２２から繰り返し突出させる、すなわち、生検試料４６（図９を参照）が針２６の先端３６内に採取され得るように針２６を下層組織に突き刺すために、外部印加磁場が磁気作動式カプセル内視鏡１０に印加される異なる磁場強度および／または異なる磁場勾配を有するように変更される。
【００７４】
この点に関して、磁気作動式カプセル内視鏡を空間内で移動させるために印加される磁場は、５ｍＴ〜９ｍＴの範囲で選択された磁場強度を有する。磁気作動式カプセル内視鏡を空間内で位置付けるための好ましい動作は、転がり移動である。
【００７５】
磁気作動式カプセル内視鏡１０を所望の位置に位置決めする際に、３０ｍＴ〜７０ｍＴの範囲で選択された所望の強度および所望の向きを有する磁場が選択されて印加されることにさらに留意すべきである。磁気作動式カプセル内視鏡１０の所望の向きは、所望の位置における針２６の方向の所望の方向に従って選択される。すなわち、例えば、病変または腫瘍がカメラ２８、３０の１つによって検出された場合に、磁気作動式カプセル内視鏡１０が病変または腫瘍の部位に方向付けられ得るということである。病変または腫瘍の生検の準備のため、針２６を腫瘍または病変に繰り返し貫入させ、そのように変形可能部材２０を収縮させ伸張させるために、複数の変形可能部材２０を変形させるように外部磁場が変更され印加され、そのことにより、針先端３６は下部筐体部１６の端部２２を越えている、またはその逆の状態であると認識される。収縮を引き起こすために印加される外部磁場は、３０ｍＴ〜７０ｍＴの範囲で選択された磁場強度と、０．５Ｎ〜０．８Ｎの範囲で選択された変形可能部材２０において印加される力を誘起する磁場とを有する。
【００７６】
図４は、全体の適用シナリオを示している。まず、Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０が患者によって飲み込まれる。食道を保護するために、ロボット１０は氷３４によってカプセル封入される。氷が溶けた後、カプセルは胃の内部を動き回って、搭載カメラ２８、３０を使用して胃壁を目視検査することができる。胃４０に炭酸水が吹き込まれることにより、確実にカプセルが自由に移動して、胃４０の表面がはっきりと見えるようになる。疑わしい病変が見つかった場合、Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０は病変の表面に位置決めされ、ＦＮＣを実行する。複数の病変が見つかった場合には、それぞれ順番に生検を行うことができる。オペレータが処置を完了すると、カプセル１０は、その上部本体１４に取り付けられた細いテザー３２によって引き戻される。引き戻された後、針２６が外され、シリンジに取り付けられて、針２６内部の組織４６が除去される。除去された組織４６は、顕微鏡スライド上で塗抹染色され、固定されて、病院内の細胞診センターに送られる。
【００７７】
図１および図２に示されているように、４つのサラスリンク機構脚部２０には、合計１２個のヒンジが存在する。各ヒンジの回転剛性を計算することができる。上部ヒンジと下部ヒンジは、Ｖ字形の撓みヒンジと見なされ、中央のヒンジは円形ヒンジと見なされる。表１の値を使用すると、無次元回転剛性は次のように表される。
【数１】
2020521527.tif 000004
ここで、ＫｖおよびＫｃはそれぞれＶ字形撓みヒンジおよび円形ヒンジ用の経験的フィッティングデータを用いた無次元回転剛性値であり、Ｅは材料のヤング率であり、ｂは深さ（図５ａのヒンジのｚ方向）であり、ｔはヒンジの最小厚さであり、Ｍはヒンジ上のモーメントあり、θは回転角である。単位は全て、ＳＩ単位およびｒａｄである。
【００７８】
圧縮力は、ヒンジ上にトルクを誘起し、その結果、ヒンジに角度変化が生じて、上部本体１４の垂直移動が生じる。リンク機構の運動学に基づいて、貫入深さとカプセルの復元力との関係は次のように表される。
【数２】
2020521527.tif 000005
ここで、Ｆｒは復元力である。（２）を用いて、図５ｂでは、復元力が貫入深さと共に示されている。復元力は、常に、最大針引き戻し抵抗力（０．４Ｎ、１０ｍｍの貫入）よりも大きく、外部磁力が除去されたときに針２６は引き戻される。現在の設計はＦＮＡＢの要件を満たすのに十分であるが、追加機能のために、脚部２０に磁気形状プログラミング技法を適用することが有用である場合がある。
【００７９】
Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０は、３Ｄ印刷成形技術で製造される。上部筐体１４および下部筐体１６は、直接３Ｄ印刷される（Ｏｂｊｅｔ２６０  Ｃｏｎｎｅｘ３、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ社製）。サラスリンク機構脚部が最初に３Ｄ印刷され、成形用のマスタ部品として使用される。この点に関して、軟質ポリウレタンエラストマー（ＳＴ−１０６０、ＢＪＢ  Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ社製、ヤング率：２．０７ＭＰａ）がプロトタイプの脚部の最終材料として使用された。
【００８０】
カプセル内視鏡１０の材料は、例えば、０．５ＭＰａ〜５ＭＰａの範囲のヤング率を有する任意の軟質タイプのエラストマーを含み得る。さらに、カプセル内視鏡１０は、様々な生体適合性シーラント、例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、Ｅｃｏｆｌｅｘ（商標）、紫外線（ＵＶ）硬化性ゲル（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ）、または類似の材料でコーティングされ得る。
【００８１】
上部筐体部１４は、例えば、３Ｄ印刷材料（Ｖｅｒｏｃｌｅａｒ−ＲＧＤ８１０）で作製されて、第１のカメラ２８および永久磁石１８用のレセプタクルを形成し、場合により、さらに針ハブ用のレセプタクルをも形成する。位置決めパッド２４は、例えば、３Ｄ印刷材料（Ｖｅｒｏｃｌｅａｒ−ＲＧＤ８１０）で作製される。
【００８２】
このような脚部２０の製造方法は、例えば、Ｓ．ＹｉｍおよびＭ．Ｓｉｔｔｉの「Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  ｒｏｌｌｉｎｇ  ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  ａｃｔｕａｔｅｄ  ｓｏｆｔ  ｃａｐｓｕｌｅ  ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ」（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ、ｖｏｌ．２８、Ｎｏ．１、ｐｐ１８３〜１９４、２０１２年）および米国特許出願公開第２０１３／０３０３８４７（Ａ１）号明細書に記載されており、これらは共に、脚部の製造方法に関して参照によって本願明細書に引用したものとする。
【００８３】
製造された筐体１４、１６および脚部２０は、シアノアクリレート接着剤（ＬＯＣＴＩＴＥ４０６、Ｈｅｎｋｅｌ社製）を用いて結合される。皮下注射針２６（２４Ｇ×１’’、 Ｂ．Ｂｒａｕｎ社製）は、ニッパで１５ｍｍの長さに切断された後、上部筐体１４に挿入される。針２６の切断部は、開口状態のままになっている。針２６が挿入された後、永久磁石１８およびダミーカメラ２８が上部筐体１４に挿入される。
【００８４】
Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０は、外部磁場によって操作されるので、磁束密度および磁束密度の勾配を制御するための正確な手段が必須である。電磁システム５０（図６を参照）は、磁場を正確に制御するように、そして磁気操作の安全性を高めるように設計された。
【００８５】
図６は、上記で説明した磁気作動式カプセル内視鏡１０のような少なくとも１つの永久磁石１８を備える磁気作動式内視鏡１０用の磁場発生・検知装置５０を示している。磁場発生・検知装置５０は、作業領域５４内で磁気作動式内視鏡１０を移動させるために、磁気作動式内視鏡１０の少なくとも１つの永久磁石１８上で時間的に変化する磁力およびトルクを発生させるように構成され、１つの平面内に配置された複数の電磁石５２と、別の平面内に配置され、前記複数の電磁石５２に対して前記作業領域５４の反対側に配置された磁気センサアレイ５６とを備える。複数の電磁石５２は、時間的に変化する不均一磁場を発生させるように構成される。磁気センサアレイ５６は、作業領域５４内の磁気作動式内視鏡１０の位置および向きを追跡するように構成される。磁場発生・検知装置５０は、磁気作動式内視鏡１０の位置および向きの少なくとも１つを変化させるために、磁気作動式内視鏡１０の追跡位置および向きに従って、時間的に変化する不均一磁場を適合させるように構成された制御手段６２をさらに備える。
【００８６】
磁場発生・検知装置５０はさらに、表示装置５８と少なくとも１つの入力装置６０とを備え、表示装置５８は、磁気作動式内視鏡１０の少なくとも１つのカメラ２８、３０によって記録された画像および／または磁気センサアレイ５６によって出力された信号を図示する。
【００８７】
ユーザは、少なくとも１つのカメラおよび／または磁気センサアレイ５６によって記録された図示画像に基づいて、磁気作動式内視鏡１０の所望の向きで所望の位置に磁気作動式内視鏡１０を方向付けるように制御手段６２を作動させるために少なくとも１つの入力装置６０を介してコマンドを入力することができる。
【００８８】
したがって、図６の概略図は、電磁システムおよび組み立てられた機構の写真を示している。システム５０は、９個の電磁石５２と、磁気センサアレイ５６とを有する。電磁石５２は、底部に位置決めされ、センサアレイ５６は、最上部に位置決めされる。これらは、磁気センサ５６の飽和を防止するために十分な距離離間される。電磁石の構成は、強いｚ方向の磁気勾配を生成するように最適化され、コイルは、電磁石をセンサシステムから十分に離れた状態で維持する平面内に位置付けられる。
【００８９】
磁気作動システムの最適化には、ＯｃｔｏＭａｇシステムの設計フレームワークが用いられる。しかしながら、より強力な磁束密度および磁場勾配を生成し、また、無駄な電力を最小限に抑えるための冗長性を使用することができるように、さらにコイルが追加された。設計フレームワークの適用において、システムが磁束密度の不均一性を使用することから、磁気マッピングは不均一な磁場およびその勾配マッピングへと変更された。センサシステムは、Ｂ−ＭＡＳＣＥの位置および向きを追跡するために使用される。作動が不均一な磁場に基づいているので、カプセルの位置および向きの情報は、電流から磁力およびトルクへの適切な作動マッピングを見つけるために重要である。センサアレイ５６は、Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０および作動システムの両方から結合磁場を読み取る。アルゴリズムを用いて、アクチュエータからのモデル化磁場が測定磁場から除去され、リアルタイムで非線形最適化アルゴリズムを使用してカプセル１０の５−Ｄ位置および向きの情報が計算される。
【００９０】
各コイルに起因する磁場の重畳は、Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０の永久磁石１８上の正味の合力およびトルクを決定する。互いに近接した複数の鉄系コアは、結合磁場を生成する。これは、１つの電磁石からの磁束密度がそれ自体のコイルからの磁場強度に加えて他方のコア内の追加の磁場強度となるためである。これらの結合効果を、提示されている機構で考察する必要がある。ここでは、マルチコアシステムの磁場および力のマッピングが使用される。ベクトル表現および行列表現を使用して、磁束密度および力は次のように表される。
【数３】
2020521527.tif 000006
ここで、ＢｉおよびＦｉは第ｉ番目の電磁石からの磁束密度および力の寄与であり、μ０は自由空間の透磁率であり、ｐｉは第ｉ番目の電磁石からＢ−ＭＡＳＣＥの磁石の中心までの変位ベクトルであり、^は単位ベクトルに対する正規化演算子であり、
【数４】
2020521527.tif 000007
は３×３単位行列であり、ｍはＢ−ＭＡＳＣＥの磁石の磁気モーメントであり、ｍｉは第ｉ番目の電磁石の磁気モーメントであり、
【数５】
2020521527.tif 000008
および
【数６】
2020521527.tif 000009
はそれぞれ第ｉ番目の電磁石の磁気モーメントからＢ−ＭＡＳＣＥ１０の磁石１８上の磁束密度および力へマッピングする３×３行列である（透磁率およびπ項なし）。
【００９１】
複数の電磁石５２の磁束密度と力の重畳は、以下のような行列形式で表される。
【数７】
2020521527.tif 000010
ここで、ＢはＢ−ＭＡＳＣＥ１０上の所望の磁束密度であり、Ｆは所望の磁力であり、Ｉは各コイル内の印加電流のベクトルである。
【数８】
2020521527.tif 000011
は、電磁石５２の得られた磁気モーメントから磁束密度および磁力へマッピングする作動マップである。
【数９】
2020521527.tif 000012
は、コア間の結合効果を符号化する磁気結合マップであり、Ｖｉは第ｉ番目のコアの体積であり、
【数１０】
2020521527.tif 000013
は第ｉ番目のコアの３×３外部磁化率行列（球形コアの場合、均等スケール行列であり、他の場合、各主軸内の指向性外部磁化率値を有するテンソル回転）であり、
【数１１】
2020521527.tif 000014
はｐｉを第ｊ番目のコアから第ｉ番目のコアへの変位ベクトルに置き換えることによる（３）における磁束密度マッピングである。
【数１２】
2020521527.tif 000015
は、各電磁石の磁気モーメントのパッキングである。各コイルにおける必要電流は、以下のように、電流ベクトルの２ノルムを最小化することによって、一般化された（Ｍｏｏｒｅ−Ｐｅｎｒｏｓｅ）擬似逆行列を用いて達成される。
【数１３】
2020521527.tif 000016
【００９２】
位置および向きの情報は追跡アルゴリズムから得られるが、推定値の直接使用は、比較的大きな向きの誤差による制御不安定性をもたらし得る。カプセル１０の向きは基板上で旋回することによって素早く変化し得、カプセルの磁気モーメントが正確に分からないために、不十分な帯域幅または向きの推定精度が不正確な計算をもたらすことになる。このような場合、制御を分割することでシステムを安定化させることがより簡単であり、カプセルの向きは、永久磁石１８が常に外部磁場と揃う形を取ることで制御され、力は、向きが完全に追従することを前提に独立に制御される。||Ｂ||=７ｍＴはカプセルの所望の向きと同じ方向で印加され、Ｆ＝［０；０；−０．０１５］Ｎは転がり移動のためにロボット１０と基板との間に十分な静止摩擦を付与するために印加された。
【００９３】
生検機能のために、所望の磁束密度および力は、Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０を圧潰させるのに必要な強い力により変化する。復元力を超える十分な圧潰動作を付与するために、０．５Ｎ〜０．８Ｎの磁力が印加された（図５ｂを参照）。針２６を用いたジャブ運動のために、印加された磁力は０．５Ｎ〜０．８Ｎの上記範囲内で正弦波的に変化した。
【００９４】
これらの値は、最初の実験の間に、製造誤差（例えば、脚部２０のヤング率の不一致、ヒンジの厚さ、不明確な組織抵抗など）を調整するために決定される。ロボット１０に非常に強い磁力が加えられるので、ロボットの向きを効果的に安定化させるために所望の磁束密度も増加する。実験中、||Ｂ||=４０ｍＴは、ＦＮＣが実行されている間にロボット１０を安定化させるのに十分であることが分かった。
【００９５】
プラスチック解剖学的ヒト胃モデル（Ｋ１６、３Ｂ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製）上の新鮮なブタ脂肪においてｉｎ  ｖｉｔｒｏ実験を行った。ブタ脂肪は、筋肉組織よりも腫瘍の構造に近い構造を有するため、消化管腫瘍のモデルとして選択される。ブタ脂肪は、直径２５ｍｍの輪切りに切断され、ペトリ皿上に配置され（最初の実験）、解剖学的ヒト胃モデル（実証試験は図４を参照）の中に入れられる。
【００９６】
最初の実験は、カプセル１０が細針吸引生検を行うことができることを検証するために実施された。Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０は、垂直方向に立つことができるように、ｚ方向の磁束密度の存在下で組織試料上に配置された。磁束密度の勾配は、十分な圧潰が観察されるまでゆっくりと増加された。カプセル１０は、圧潰するのに強い磁力が必要であるので、電磁石５２に密着して配置された。カプセル１０は電磁石５２に近いが、双極子近似は、（正規化距離：１０ｃｍ／８ｃｍ＝１．２５、軸方向の円筒磁石の場合）の１％の近似誤差では依然として有効である。
【００９７】
図７は、脂肪組織に関する実験の１つを示している。磁力がサラスリンク機構脚部２０（図５ｂ）の復元力よりも大きくなると、Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０は圧潰し始めることが観察された。貫入抵抗は復元力よりも大幅に小さいので、貫入運動は、針２６がなくてもカプセル１０の圧潰運動とほぼ同じである。０．８Ｎは、現在の設計では針２６が組織内部の深部に入ることができるようにブタ脂肪上でＢ−ＭＡＳＣＥ１０を完全に圧潰させるのに十分であることが分かっている。
【００９８】
第２の実験は、適用シナリオの概念を実証するために設計されたものである。カプセル１０が解剖学的胃ファントムの内部に手動で配置された後、実証試験は、（１）転がり移動により腫瘍の部位へと移動するステップ、（２）細針毛細管生検を行うステップ、および（３）開始位置近傍の領域に戻るステップの３つのステップからなる。人間のオペレータは、Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０の向きを変えることでＢ−ＭＡＳＣＥ１０を移動させて、転がりを誘起し、針の軸に沿って力を変化させて生検を行った。オペレータは、ロボットの移動を観察し、キーボードおよびマウスを用いて視覚インターフェース（Ｌａｂ−ＶＩＥＷ、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製）上でコマンドを出した。水が吹き込まれた胃内部の環境をシミュレートするために、水中で実証試験が行われた。
【００９９】
図８は、実証試験の結果を示している。実証試験では、ロボット１０は、安定した転がり動作のために比較的ゆっくりと移動した（１８０°の回転に対して４秒）。ロボット１０が組織ファントム４０に到達し、垂直に配向されると、ロボット１０は、その形状を圧潰させ、またその形状を回復させることによって、針２６を組織試料の内外に移動させることで生検を実行した。
【０１００】
１０秒で合計９回のジャブ運動が行われ、その後、カプセル１０は開始位置の近傍の領域にうまく再配置された。実証試験の後、ロボット１０はテザー３２を用いて手で引き戻され、生検試料が顕微鏡およびマクロレンズ付きカメラで検査された。
【０１０１】
図９は、中空針２６内部のブタ脂肪からの引き戻された組織４６を示している。組織４６は、毛細管力による検査が行われるまで針２６の内部で保持された。カプセル１０を引き戻した後、シリンジが細針２６に取り付けられ、シリンジ内部に陽圧を印加することにより、慎重に試料４６が排出された。画像から、脂肪組織が針２６の内部に捕捉されていたことが明らかである。実験は１０回繰り返され、生検試料が全ての実験において採取された（収率：１００％）。
【０１０２】
本研究では、磁気作動式軟カプセル内視鏡を用いたＦＮＣ機能が提案され、実証されている。これは、細針２６の生検法をロボットカプセル内視鏡１０に適用する最初の試みであり、これにより、表面組織のみならず、粘膜下腫瘍のような胃壁を蝕む深部組織も採取することが可能になる。Ｂ−ＭＡＳＣＥは、上部消化管でのカプセル生検法の診断精度を向上させ、診断と生検とを同時に行うことで病変同定ステップを短縮する可能性がある。
【０１０３】
この新しい設計は、単純であるが、胃の組織をうまく取り出すのに頑丈な設計である。ロボット内部の単一磁石をいくつかの目的（移動、生検、および追跡）で利用することにより、システムコンポーネントの数が最小限に抑えられて、カプセル設計が頑丈になり、製造コストが安価になる。軟質ポリマーのサラスリンク機構を利用することで、カプセル本体は、ヒンジ、ばね要素、およびカプセル化構造の一体型構造になる。これらの設計要素により、Ｂ−ＭＡＳＣＥは以前に提案された生検カプセル内視鏡と比べると有意に、より単純な内視鏡になるが、依然として確実に動作することができる。
【０１０４】
一方で、Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０の安全性を考慮する必要がある。ロボットは、サラスリンク機構の復元力のため、もともと安全である。カプセルに圧潰力を付与することができる唯一の発生源は、磁力の他に、食道および胃からの蠕動運動である。食道は狭いので、カプセルが飲み込まれているときに、食道がカプセルの側面に一定の圧力を加える。ロボット１０は、通常の場合、その錠剤状の形状のために食道の方向と揃えられる。しかしながら、カプセルが食道の蠕動運動によって食道の内部で回転し、圧潰する可能性が少しだけある。カプセルの形状を固定することによるシナリオの第１のステップにおいて氷壁３４でカプセル１０を包み込むのは、そのためである。Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０を引き戻すために、カプセルに取り付けられたテザー３２が役割を果たす。テザー３２はカプセル１０の上部１４に取り付けられているので、引張力がカプセル１０を食道の方向に揃え、このことにより、Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０が引き戻し中に圧潰するのが妨げられる。
【０１０５】
胃に関しては、胃は大きい空洞であり、Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０は胃壁によって圧迫されないので、環境は食道とは異なる。上部消化管内のカプセル内視鏡１０の臨床応用では、できるだけ胃を大きく拡張するために、発泡剤と一緒に水を服用することが推奨されている。これは、胃壁の皺で隠れている可能性がある全ての病変を見る診断精度のためである。このような場合に、胃の内部の水とガスが胃の圧潰を防ぎ、Ｂ−ＭＡＳＣＥ１０を使用するのが安全になる。
【０１０６】
しかしながら、将来の作業にはいくつかの課題が残されており、つまり、実環境における制御および操作の問題、さらにオペレータへの処置状況の提示のための胃の位置合わせが残されている。生検機能は実証されたが、試験環境は実際のものとは有意に異なるものであった。実際の胃は蠕動運動を示し、これがロボットの向きおよび位置を乱す。その場合、これらの外乱をロバストに拒絶することができるコントローラ６２が設計され、実装される必要がある。さらに、胃壁は、粘膜層の影響で非常に滑りやすい。このことにより、転がり移動のピボット点および下部パッド２４の支持点が移動し得るので、別の制御問題が生じ得る。
【０１０７】
特に、パッド２４が滑ると、意図しない位置で生検が行われる可能性がある。ロボット１０を胃４０の表面に対して垂直に正確に揃えることができるコントローラ６２と、十分な静摩擦を付与することができるパッド２４とをさらに開発する必要がある。さらに、作動システムの設計は、カプセルの磁石を鉄心の一般的な方向に向けて引っ張るときに最も効果的である。したがって、この特定の配置は、胃４０の上面および下面の生検にとっては理想的ではない。コアのより複雑な配置は、この特定の用途向けにシステムを改善するために設計され得る（例えば、永久磁石のコアの場合）。
【０１０８】
さらに、システムには、胃４０の内部の位置合わせおよび位置特定の手段がさらに必要である。実証試験のために、人間のオペレータはロボット１０の位置を視覚的に観察する必要があったが、それは、カプセルが転がっているときには、内視鏡の動画のみを使用した単純な仕事ではなくなる。
【０１０９】
理想的には、システム５０は、胃４０のオンラインマップを構築し、位置特定とマッピングを同時に実行して、ロボット１０と胃４０との相対位置および同定された病変の位置の概要をオペレータに提示すべきである。カプセル１０上のカメラ２８、３０は、位置特定プロシージャおよびマッピングプロシージャのデータを収集するために使用され得る。
【０１１０】
近年、移動ロボット１０の位置特定技術を身体内部の外科シナリオに適応させる試みがなされており、これは生検用のカプセル内視鏡一式に組み込まれ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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