JP2005095602A - 温度変化検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、環境における温度変化を検知する方法およびシステムを提供する。
【解決手段】 温度変化を測定するには、ある環境において画像センサ２０の温度を計算し、１つのサンプルについて画像センサの計算した温度から環境の温度を導き出し、次いで１つのサンプルにおける環境温度を、直前のサンプルの環境温度と比較する。本方法およびシステムは、医療機器に組み込むことができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、体内のような、環境において温度変化を測定する方法およびシステムに関する。

多くの状況において、物質本体の内側の温度を測定することは重要である。このような状況は、地球物理探査または身体内部の医療診断および処置のような、工業プロセスまたは探索および分析プロセスにおいて生ずる場合がある。

従来の温度測定および絶対温度測定は、温度を測定する公知の方法である。
従来の温度測定は、抵抗や機械的膨張のような、物質の特性の温度係数に基づいている。

絶対温度測定は、センサ抵抗の温度エネルギを直接測定する方法である。この方法は、抵抗内のイオン化分子のブラウン運動から発生する自発的熱雑音の公知の物理的現象に基づいている。

熱雑音は、熱電流(thermal current)に関して論ずることができるが、熱力学目盛上に温度の直接測定値を与え、したがってボルツマン定数が温度を規定する。熱雑音の現象は、例えば、Holst G.C.によるCCD arrays cameras and displays（ＣＣＤアレイ・カメラおよびディスプレイ）、 p.128、第２版、SPIE PRESS, 1998という書籍から得られる。熱電流を規定するために用いる式は、
（数１）
＜ｉ_n ²＞ = ｋＴＣ
である。ここで、ｋはボルツマン係数、Ｔはセンサの温度、Ｃはセンサの容量である。このように、熱電流によって生成される信号の大きさは、センサの温度の平方根に直接比例する。実験によって、７℃（摂氏）上昇する毎に信号は二倍になることが示されており、これは０．１℃よりも高い分解能が得られることを意味する。

画像センサでは、動作中の光検出素子において生成される熱電流は、検出器に光線が入射していないときには、「暗電流」と呼ばれている。ＣＣＤカメラでは、暗電流は、基本的に、熱雑音によってＣＣＤ画素に蓄積する電荷である。暗電流の効果は、各画素内の電子数に付加される量を生成することである。

von Thunaの米国特許第３，９３７，０８６号、Seppa et al.の米国特許第５，３５４，１３０号、およびShepard et al.の米国特許第５，０９８，１９７号は、全て、物体材料の熱雑音を受け、分析することによって、物体材料の絶対温度を測定する装置について記載している。

Bowenの米国特許第４，２４６，７８４号は、測定する身体の音響熱雑音スペクトルを用いて、身体内部の非侵襲的温度測定方法について記載している。
Glukhovskyの米国特許第６，６０７，３０１号は、生体内素子(in vivo device)の画像検知モジュールの闇電流雑音を検知することによって、温度を測定することを記載している。
米国特許第３，９３７，０８６号明細書 米国特許第５，３５４，１３０号明細書 米国特許第５，０９８，１９７号明細書 米国特許第４，２４６，７８４明細書 米国特許第６，６０７，３０１号明細書 Holst G.C.，"CCD arrays cameras and displays", 第２版，SPIE PRESS, 1998，p.128

本発明の実施形態は、身体内部のような、環境内における温度変化を検知する方法および装置を提供する。

一実施形態によれば、温度変化を測定するには、環境において画像センサの温度を計算し、１つのサンプルについて画像センサの計算した温度から環境の温度を導き出し、次いで１つのサンプルにおける環境の温度を、直前のサンプルの環境温度と比較する。画像センサの温度は、それが発生する暗電流雑音を測定することによって計算することができる。

本発明の方法およびシステムは、熱雑音を容易に検出可能な画像センサを利用して物質本体の温度を導き出すことができるという利点がある。更に、本発明の実施形態によれば、単一のセンサを利用して、視覚データおよび環境の温度に関するデータを取得することができる。つまり、単一の検知素子を利用して、環境に関する様々な情報を取得することができる。

このように、本発明の実施形態によれば、環境における温度変化を検知する方法を提供する。この方法は、画像検知モジュールを有する画像センサを環境に導入するステップと、１つのサンプルについて、画像センサの暗電流雑音を検知するステップと、画像センサの温度を計算するステップと、環境の温度を計算するステップと、１つのサンプルの環境の温度を、恐らくは連続して取り込んだ別のサンプルのそれと比較するステップとから成る。オプションとして、計算した環境温度および／または変化、あるいは環境温度において検知した変化または変動を表示することもできる。

尚、本発明における「環境」という用語は、壁に囲まれた空間であって、当該空間および／または壁の温度を測定することが望ましい空間に関することは認められよう。
画像センサの温度は、その至近周囲の温度を示し、熱分布、画像センサからの距離等のような公知の因子に基づき、更に別の区域の温度も計算することができる。

本発明において利用する画像センサは、ディジタル・カメラ、あるいはビデオコン(videocon)、ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラのようなビデオ・カメラとすることができる。

本発明の実施形態は、更に、環境の温度を検知するシステムを提供する。一実施形態によれば、このシステムは、統合ユニットと通信する画像検知モジュールを有する画像センサを備え、画像センサの画像検知モジュールの暗電流を検出し、更にオプションとして画像センサの温度を計算する。統合ユニットは、更に、環境の温度を計算することができる。あるいは、環境の温度は、統合ユニットからのデータに基づいて、統合ユニットと通信する別個のユニットによって計算することもできる。また、異なるサンプル間でデータを比較する変化検出器も含む。

統合ユニットは、画像センサから受信した信号を増幅する増幅機能を有することもできる。
画像センサと統合ユニットとの間の通信は、照明状態に応じて、オプションとして、センサが照明されていない間だけ通信を可能にするセンサによって、オプションとして制御することができる。

本発明は、図面と関連付けた以下の詳細な説明から一層深く理解され、認識されよう。

画像センサを利用して環境を測定する分析および診断プロセスは、温度の局部変化が不規則的な事象を示すことができるので、環境の温度に関する情報が得られるという利点を受けることができる。

例えば、米国特許第５，６０４，５３１号は、本願と同一譲受人に譲渡されているが、飲み込むことができるカプセルについて記載しており、このカプセルは消化管全体を通過し、自律ビデオ内視鏡として動作することができる。米国特許第５，６０４，５３１は、ここで引用したことにより、本願にも含まれることとする。飲み込み可能なカプセルは、ａ）カメラ・システム、ｂ）対象区域をカメラ・システム上に撮像するための光学システム、およびｃ）カメラ・システムのビデオ出力を送信する送信機を含む。飲み込み可能なカプセルによって取得した視覚データは、特に、消化管における病変位置を示すことができる。また、消化管における局部温度変化は、病変を表す可能性がある。このように、視覚カメラによって取り込んだ情報は、消化管における局部温度に関する情報によって補充し、明確化(focus)することができる。

本発明の実施形態による方法は、視覚的監視および温度変動検知を同時に可能にする。
実施形態の一部によれば、前述の飲み込み可能なカプセルにおけるような画像センサは、消化管のような環境内に挿入することができる。

画像センサ自体に接続されているエレメントまたは外部光源のいずれかによって、間欠的に照明を与えることができる。照明を与えているときには、視覚データのみが取得され表示される。視覚データを取得し表示するプロセスは、例えば、前述の米国特許第５，６０４，５３１号に記載されている。

間欠的な暗期間では、統合ユニットを活性化し、画像センサから暗電流データを取り込むことができるが、暗電流雑音に関するデータを取り込むために照明を切ることは、必ずしも必要ではない。

統合ユニットは、必要であれば、取得したデータを増幅し、熱雑音のために導出された公知の式を用いて画像センサの温度を計算することができる。尚、これらの式は、複雑な現象の近似であり、適用する実際の計算を推論するためには較正を用いた方がよいことは認められよう。一部の実施形態では、例えば、図１に概略的に示すように、画像センサの温度および／または環境温度を計算する必要はない。代わりに、暗電流測定値（通例温度変化を表す）の差を判定すればよい。本発明の一実施形態によれば、暗電流データ・サンプルを、例えば、所定のスケジュールまたはその他の適切な方法（例えば、以下で論ずる）によって取得することができる（５０１）。各暗電流データ・サンプルは、例えば、変化検出器を用いることによって、直前の暗電流サンプルと比較することができる（５０２）。２つのサンプル間の差は、温度変化を示すことができる。一部の実施形態によれば、サンプルを、数個の以前のサンプルの平均値またはその他の操作と比較することができる。このように、画像センサおよび／または身体内腔環境の実際の温度を図る必要はない。

一部の実施形態によれば、暗電流データの変化を表示することができる（５０３）。別の実施形態によれば、所定の閾値よりも高い変化のみを表示すればよい。更に別の実施形態によれば、所定の閾値よりも大きい変化を、システムの他のエレメントの活動(activity)を変化させるためのトリガとして用いることができる。例えば、前述の米国特許第５，６０４，５３１号に記載されているような飲み込み可能カプセルは、統合ユニットを含むことができ、前述のように、暗電流の変化を検出することができる。統合ユニットは、カプセルの他のエレメント、カプセルの電源または照明システムまたは送信機等と通信することができ、通例では、統合ユニットによって、検出した暗電流変化に応じて、これらのエレメントのいずれにもＯＮまたはＯＦＦ信号を発生することができる。このように、生体内センサの動作モードまたは設定値を、生体内温度に応答して、変化させたり、または活性化することができる。ある種の実施形態によれば、飲み込み可能なカプセルは、統合ユニットからの信号に応答して、カプセルを活性化したり、あるいはその動作モードまたは設定値を変更するコントローラを含むことができる。このような実施形態は、場合によっては、例えば、エネルギを節約するために、有用なこともある。一実施形態によれば、カプセルを飲み込んだ後、患者は、規則的な間隔である量の冷水または温水を摂取するようにする。１実施形態によれば、患者は、ある期間であってこの期間内にカプセルが胃から出ていく可能性が最も高くなるようなそのような期間、例えば、数時間の期間にわたって冷水または温水を摂取する。カプセルが胃の中にある場合、摂取した冷水または温水の量によって、胃の環境において温度変化が生ずる可能性がある。一旦小腸に入ったなら、冷水または温水を飲んだ影響はもはや残っていない。本発明の一実施形態によれば、温度変化は、所定の間隔でチェックするとよい。温度変化（通例では、所定の閾値よりも高い）を検出している間は、カプセルはインアクティブのままであってよい。温度変化を検知したなら、カプセルをトリガして、カプセルを活性化する。このように、カプセルは、大腸の近くにあるときにのみ、データを収集し始めることによって、エネルギを節約し、大腸においてカプセルの効果的かつ完全な作用が可能となる。

環境温度の計算は、画像センサと環境との間の熱平衡の存在に基づく。これらの計算は、画像センサからのエネルギ消散を考慮に入れる。特定の要件に応じて、環境内の局部温度または平均温度も計算することができる。次いで、計算した温度または温度差を表示することができる。

尚、種々の計算および／または検出は、コンピュータまたは同様のデータ・プロセッサ、マイクロプロセッサ、埋め込みプロセッサ、マイクロコンピュータ、マイクロコントローラ等のような計算手段上で実行可能なソフトウェアまたはソフトウェア手段によって実行する。

統合ユニットは、ソフトウェア・プロセッサを備えることができ、これらは、物理的に接続する必要は全くない。画像センサ温度の計算や環境温度の計算というような、統合ユニットによって実行する機能の一部は、環境外部にあるプロセッサによって実行することができ、ＩＲまたは無線のような通信によって統合ユニットからデータを供給する。実際、操作者が環境の温度に注目すべき場合、少なくとも計算した温度を表示する機能は、環境外部において実行しなければならない。

統合ユニットは、他のユニットと通信すれば、それによって取得したデータを更に処理して使用することができる。例えば、米国特許５，６０４，５３１号に記載されているような、飲み込み可能なカプセルは、消化管の環境からサンプルを収集するサンプル・チャンバを備えることができる。サンプルを収集するプロセスは、所定の温度が大勢である消化管、または温度変化が検出された消化管に沿った部位からのみサンプルを収集するように、統合ユニットによって制御可能である。

図２を参照すると、本発明によるシステムの概略図が示されている。このシステムは、統合ユニット２２と通信する画素アレイ（図３に示すような）を含む画像検知モジュールを有する画像センサ２０を備えている。通信は、温度検知スイッチ２４によって可能となり、暗期間中のみ通信を可能とするように、温度検知スイッチ２４を照明インディケータ２６によって制御する。

画像センサ２０と統合ユニット２２との間の通信が確立されると、統合ユニット２２は、画像センサ２０から暗電流データを受信する。
代替実施形態では、スイッチおよび／または照明インディケータを用いる必要はない。一部の実施形態によれば、暗電流データは、画像センサ２０から連続的に、または所定の時間スケジュールに応じて受信することができる。例えば、２５ｍｓの閃光の後に４７５ｍｓの暗期間が来るシステムをプログラムすれば、暗期間毎に１回暗電流データをサンプリングすることができる。代替実施形態では、システムは、非常に沢山のフレーム毎に１回暗フレームを含むこともできる。例えば、２５６フレーム毎に１つのフレームを照明しない。一部の実施形態によれば、暗フレーム中に暗電流データをサンプリングするようにシステムをプログラムすることもできる。

以下で論ずるが、画像センサの画素アレイの単一の画素から取得する暗電流データに基づいて、画像センサの２０の温度を計算することができるが、データを取得する画素数が多い程、一層正確な結果が得られる。したがって、画素アレイの画像センサの２０個の画素の一部を、常に照明に曝さないようにすれば、曝さない画素から暗電流データを取得することができ、照明を切る必要がなくなる。

このように、画素アレイの画素の一部を覆うことによって、または画像フィールドの外側に画像アレイ画素の一部を有することによって、例えば、画素アレイの周辺に画素を有することによって、一定照明の間にも暗電流データを取得することができる。

統合ユニット２２は、暗電流信号を増幅し、暗電流信号から画像センサ温度を計算することができるプロセッサである。これは、更に、画像センサ温度から環境温度を計算することができ、計算した環境温度２１を表示することができる。統合ユニット２２は、前述のサンプル・チャンバのように、異なる感温ユニット２８を、所定の温度と対応付けて制御することができる。

また、システムは、変化検出器２２２（通例では、統合ユニット２２と通信する）と、カプセルの動作モードまたは設定値を、統合ユニットからの信号に応答して活性化または変更するコントローラ２２５も含むことができる。

次に図３を参照すると、本発明による画像センサの機能ブロック・レイアウトの概略図が示されている。画像センサは、画像検知モジュール４２と制御回路区域４４とを有する単一チップ４０から成る。画像検知モジュール４２は、画像を取り込む画素アレイ４８を含む。制御回路区域４４は、タイミングおよび論理回路４７と、Ａ／Ｄ回路４６とを含む。

信号は、画素アレイ４８の全画素から受信することができる。暗電流は、照明されていない画素、または暗期間中の画素から受信することができ、一方照明されている画素から受信した電流信号は、画素の暗電流および明電流(light current)の和である。全ての画素からの信号の蓄積をデータに変換し、送信機によって統合ユニットに伝達し、デコードして、視覚表現および／またはこのデータから得た温度を表示する。

本発明のシステムについて、図４を用いて更に説明し実証する。図４は、本発明によるシステムを備えた医療機器の概略図である。
図４に示す医療機器は、前述の米国特許第５，６０４，５３１号に記載されているような、飲み込み可能なカプセルであり、全体的に３０で示す。飲み込み可能なカプセル３０は、統合ユニット３４と通信するＣＭＯＳカメラ３２を備えている。飲み込み可能なカプセル３０は、更に、照明インディケータ３３と通信する、照明エレメント３６も備えている。消化管の壁３１が照明エレメント３６によって、間欠パルス状に照明され、カメラ３２によって消化管の壁３１の連続画像を取り込み、操作者は、消化管の壁を見ることができる。カメラ３２と統合ユニット３４との間の通信は、照明パルスの間に、照明インディケータ３３が照明がないことを検知して温度センサ・スイッチ（図示せず）を活性化してＯＮ位置にしたときに可能となる。

あるいは、照明インディケータ３３を操作者によって活性化するようにすれば、照明エレメント３６をオフにすることと、温度検知スイッチをＯＮ位置に切り換えることを同時に行うことが可能となる。

一旦カメラ３２と統合ユニット３４との間に通信が確立したなら、前述のように、カメラ３２が発生した暗電流信号を統合ユニット３４が受信して処理する。計算した消化管温度は、消化管外部の表示ユニット上に表示する。

飲み込み可能なカプセル３０は、更に、消化管環境からサンプルを収集するサンプル・チャンバ３５も備えている。収集されるサンプルは、消化管の壁からの細胞、または消化管環境からの液体サンプルとすることができる。サンプルを収集する機構は、当技術分野では公知の適した機構であればいずれでも可能であり、計算した消化管環境の温度に応じて活性化するように、統合ユニット３４によって制御する。あるいは、表示された温度に基づいて、操作者が機構を制御することも可能である。

本発明は、これまで特定的に示し説明してきたことに限定される訳ではないことは、当業者には認められよう。逆に、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ規定されることとする。

図１は、本発明による方法の一実施形態を表すブロック図である。 図２は、本発明によるシステムの概略図である。 図３は、本発明による画像センサの機能ブロック・レイアウトの概略図である。 図４は、本発明によるシステムを備えている医療機器の概略図である。

符号の説明

２０ 画像センサ
２１ 環境温度
２２ 統合ユニット
２４ 温度検知スイッチ
２６ 照明インディケータ
２８ 感温ユニット
２２２ 変化検出器
２２５ コントローラ
４０ 単一チップ
４２ 画像検知モジュール
４４ 制御回路区域
４６ Ａ／Ｄ回路
４７ タイミングおよび論理回路
４８ 画素アレイ
３０ 飲み込み可能なカプセル
３１ 消化管の壁
３２ ＣＭＯＳカメラ
３３ 照明インディケータ
３４ 統合ユニット
３６ 照明エレメント

Claims (6)

1. 環境における温度変化を検知する方法であって、
   前記環境に、画像検知モジュールを有する画像センサを導入するステップと、
   前記画像検知モジュールの暗電流雑音を検知することによって、暗電流データ・サンプルを取得するステップと、
   暗電流データ・サンプルを直前のサンプルと比較するステップと、
   を備えたこと、を特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法であって、更に、前記画像センサのエレメントの動作に変化を誘起するステップを含むこと、を特徴とする方法。
3. 請求項２記載の方法において、変化の誘起は、前記比較ステップにおいて検出した変化に従うこと、を特徴とする方法。
4. 環境における温度変化を検知するシステムであって、
   画像センサと、
   統合ユニットと、
   変化検出器と、
   を備え、
   前記画像センサを環境に導入し、
   前記統合ユニットが、前記画像センサから暗電流雑音サンプルを受け、前記変化検出器が、暗電流雑音サンプル間の変化を検出すること、を特徴とするシステム。
5. 請求項４記載のシステムにおいて、前記画像センサは、画像検知モジュール、照明システム、送信機、および電源から成る群から選択した１つ以上のエレメントを備えていること、を特徴とするシステム。
6. 請求項５記載のシステムにおいて、前記統合ユニットは、前記画像センサの１つ以上のエレメントと通信することを特徴とするシステム。

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