体内情報伝送装置
【課題】人体への影響を考慮しつつ、かつ装置を大型化することなく、体内で取得した情報を体外へ高効率で伝送する。
【解決手段】送信電源２１、及び送信電源２１と電気的に接続されて送信電源を挟むように配置され、かつ各々の全体または一部が絶縁フィルム２３で覆われた一対の送信電極２２ａ、２２ｂで構成された送信部２０が体内に配置される。送信部２０が、周辺の生体組織を利用してダイポールアンテナのように振る舞うことにより、電界を発生する。受信部４０は、体表面に配置される一対の受信電極４１ａ、４１ｂ、及び受信電極４１ａ、４１ｂ間を電気的に接続するワイヤ４３と共に、及び受信電極４１ａ、４１ｂ間の生体組織を利用してループアンテナのように振る舞うことにより、送信部２０から発生して体内を伝播した電界を受信し、受信電極４１ａ、４１ｂ間の受信信号電圧を検出する。
【解決手段】送信電源２１、及び送信電源２１と電気的に接続されて送信電源を挟むように配置され、かつ各々の全体または一部が絶縁フィルム２３で覆われた一対の送信電極２２ａ、２２ｂで構成された送信部２０が体内に配置される。送信部２０が、周辺の生体組織を利用してダイポールアンテナのように振る舞うことにより、電界を発生する。受信部４０は、体表面に配置される一対の受信電極４１ａ、４１ｂ、及び受信電極４１ａ、４１ｂ間を電気的に接続するワイヤ４３と共に、及び受信電極４１ａ、４１ｂ間の生体組織を利用してループアンテナのように振る舞うことにより、送信部２０から発生して体内を伝播した電界を受信し、受信電極４１ａ、４１ｂ間の受信信号電圧を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、体内情報伝送装置に係り、特に、体内で取得された情報を体外に送信するための体内情報伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療機器の発展に伴いカプセル内視鏡や人工心臓、ペースメーカー、神経刺激装置など数多くの体内に埋め込む医療デバイスの研究及び開発が進められている。これらの体内埋め込み機器は、体内で得た情報を体外に送る必要がある。カプセル内視鏡などによって撮影された写真などの情報は機器本体から無線で体外の受信機に送られるが、通信の際の消費電力が大きいと大容量のバッテリーが必要となり、その結果、機器の大型化につながる。そのため、できる限り小さな消費電力で通信を行うことが望まれる。
【０００３】
従来、人体を伝送媒体として利用した人体通信の技術が提案されている。例えば、体内の脂肪の部分に螺旋状の送信用ダイポールアンテナを埋め込み、体外にある受信電極に対して情報等を送る技術や、マグネチックループアンテナを体内深部の膵臓付近に埋め込むことで通信する技術などが提案されている（例えば、非特許文献１及び２参照）。
【０００４】
また、体内で使用される電子機器等に非接触で電力を供給する非接触電力伝送システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の技術では、カプセルの外面に一対の体内電極を配置し、カプセル内に電子機器を封入し、体内に配置する。そして、体表面に体内電極と誘電結合する一対の体外電極を装着し、体外電極に交流電圧を印加することにより、体内電極に交流電圧を誘起させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１１５０２５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】H. Mizuno, M. Takahashi and K. Saito, "A Helical Folded Antenna for Implantable Communication Device", Proc.40th Antennas and Propagation Society International Symposium, pp.1-4, 2010.
【非特許文献２】小林健太、利根川恵一、柴建次、越地耕二、島田光功、直野義昭、妙中義之、「体内埋込型インスリン注入システム経皮通信システム」、平成１５年電気学会全国大会、237-A3, 2002
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記非特許文献１及び２のような技術では、送信アンテナを体内に収める必要があるため、大型の送信アンテナを用いることはできない。このため、必然的にアンテナの長さが短い高周波用のアンテナを用いるが、反面、高周波になるほど人体による電界減衰率が増大するため、アンテナの小型化と高効率化との両立は困難である、という問題がある。
【０００８】
また、特許文献１の技術は、体内で使用される電子機器に非接触で電力を供給する技術であるが、電子機器を体内で使用する場合における、人体への影響が考慮されていない。
【０００９】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、人体への影響を考慮しつつ、かつ装置を大型化することなく、体内で取得した情報を体外へ高効率で伝送することができる体内情報伝送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の体内情報伝送装置は、送信電源、及び該送信電源と電気的に接続されて該送信電源を挟むように配置され、かつ各々の全体または一部が絶縁体で覆われた複数の送信電極を含み、体内に配置された状態で電界を発生させる送信手段と、体表面に配置される一対の受信電極、及び前記送信手段から発生された電界により前記一対の受信電極間に生じる電位差を検出する検出部を含む受信手段と、を含んで構成されている。
【００１１】
本発明の体内情報伝送装置によれば、送信手段は、送信電源、及び送信電源と電気的に接続されて送信電源を挟むように配置され、かつ各々の全体または一部が絶縁体で覆われた複数の送信電極を含んで構成されている。この送信手段が、体内に配置された状態で電界を発生させる。この送信手段は、結果的に、送信手段周辺の体組織と協働して電界を発生させるものである。すなわち、送信手段が体組織と協働してダイポールアンテナのような振る舞いをする。送信手段は、体内で取得した情報を発生した電界にのせて体外へ送信する。また、受信手段は、体表面に配置される一対の受信電極、及び送信手段から発生された電界により一対の受信電極間に生じる電位差を検出する検出部を含んで構成されている。検出部で検出された電位差に基づいて、送信手段により電界にのせて送信された体内の情報を受信することができる。
【００１２】
このように、全部または一部が絶縁体で覆われた送信電極で送信電源を挟んで構成した送信手段により、送信手段周辺の体組織が結果として利用されて電界を発生させ、体外に配置された受信手段でこの電界を検出するため、人体への影響を考慮しつつ、かつ装置を大型化することなく、体内で取得した情報を体外へ高効率で伝送することができる。
【００１３】
また、前記受信手段は、前記一対の受信電極間を電気的に接続するワイヤを含み、前記送信手段から発生された電界を受信することができる。これにより、受信手段は、体組織と協働してループアンテナのような振る舞いをするため、効率良く送信手段により発生した電界を検出することができる。
【００１４】
また、前記電位差、及び前記送信電源の電力に対する前記電位差で表される伝送効率の少なくとも一方が最大となる前記電界の周波数に応じて前記ワイヤの長さを設定することができる。最も効率良く情報を伝送することができる周波数は、ワイヤの長さで変化するため、このワイヤの長さを適切に設定することにより、より高効率に情報を伝送することができる。また、ワイヤの長さを長くするために、模擬的に一カ所にスパイラル形状を形成してワイヤの長さを長くしたり、ドーナツ状や棒状の小型のフェライトにワイヤを巻き付けることでインダクタンスをしたりすることによっても、周波数を調整することができる。
【００１５】
また、前記電位差、及び前記送信電源の電力に対する前記電位差で表される伝送効率の少なくとも一方が最大となる前記電界の周波数に応じて前記検出部の抵抗値を設定することができる。最も効率良く情報を伝送することができる周波数は、検出部の抵抗値で変化するため、この検出部の抵抗値を適切に設定することにより、より高効率に情報を伝送することができる。
【００１６】
また、前記受信電極の平面視面積を、前記電位差、及び前記送信電源の電力に対する前記電位差で表される伝送効率の少なくとも一方が最大となるように設定することができる。受信電極の平面視面積を適切な値とすることにより、より高効率に情報を伝送することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明の体内情報伝送装置によれば、全部または一部が絶縁体で覆われた送信電極で送信電源を挟んで構成した送信手段により、送信手段周辺の体組織が結果として利用されて電界を発生させ、体外に配置された受信手段でこの電界を検出するため、人体への影響を考慮しつつ、かつ装置を大型化することなく、体内で取得した情報を体外へ高効率で伝送することができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）本実施の形態の体内情報伝送装置を人体に装着した場合の概略側面図、及び（ｂ）概略正面図である。
【図２】本実施の形態の体内情報伝送装置の概略を示す構成図である。
【図３】送信電源周辺の等価回路を示す図である。
【図４】体内情報伝送装置全体の等価回路を示す図である。
【図５】第１の実施の形態の体内情報伝送装置の送信部を示す概略図である。
【図６】第１の実施の形態の体内情報伝送装置の送信電極の例を示す斜視図である。
【図７】第１の実施の形態の体内情報伝送装置の受信部を示す概略図である。
【図８】第１の実施の形態の体内情報伝送装置の受信電極の例を示す斜視図である。
【図９】各実施の形態の解析で用いた人体モデルを示す図である。
【図１０】（ａ）解析で用いた送信部の概略図、及び（ｂ）受信電極の概略図である。
【図１１】解析で用いた電気定数を示すグラフである。
【図１２】（ａ）第１の実施の形態における解析で用いた絶縁フィルム付き受信電極を含む受信部、（ｂ）絶縁フィルムなし受信電極を含む受信部、（ｃ）受信電極なし受信部を示す概略図である。
【図１３】第２の実施の形態における解析結果を示すグラフである。
【図１４】第４の実施の形態における解析で用いた受信電極を示す概略図である。
【図１５】生体組織が異なる解析を説明するためのグラフである。
【図１６】送信電極の面積を変えた場合のＳ２１の解析結果を示すグラフである。
【図１７】受信電極の面積を変えた場合のＳ２１の解析結果を示すグラフである。
【図１８】絶縁フィルムの厚さを変えた場合のＳ２１の解析結果を示すグラフである。
【図１９】絶縁フィルムの材料を変えた場合のＳ２１の解析結果を示すグラフである。
【図２０】人体の体型によるＳ２１を解析するためのモデルを示す図である。
【図２１】人体の体型を変えた場合のＳ２１の解析結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
［本実施の形態の概略及び原理］
まず、本実施の形態の概略について説明する。
【００２１】
本実施の形態の体内情報伝送装置１０を人体５０に装着した場合の概略側面図を図１（ａ）に、概略正面図を同図（ｂ）に示す。また、図２に、図１（ａ）のＡＡ’線断面における体内情報伝送装置１０の概略構成を示す。図１及び図２に示すように、体内情報伝送装置１０は、体内に埋め込むことにより、または飲み込まれることにより人体５０内部に配置される送信部２０と、人体５０表面に配置される受信部４０とを含んで構成されている。
【００２２】
送信部２０は、高周波電流を放出する送信電源２１と、送信電源２１と電気的に接続され、かつ送信電源２１を挟んで対向する位置に配置された一対の送信電極２２ａ、２２ｂとを含んで構成されている。なお、送信電源２１の電圧をＶ１ａとする。送信部２０は、送信電源２１から高周波電流を放出することにより、送信電極２２ａ、２２ｂ周辺の体組織を利用して電界を発生する。発生した電界に、体内で取得されたデータをのせて体外へ送信する。
【００２３】
受信部４０は、人体５０表面の腹部及び背中に各々配置される受信電極４１ａ、４１ｂと、受信電極４１ａ、４１ｂ間を接続する導電性のワイヤ４２と、受信電極４１ａ、４１ｂ間の電圧を検出するための受信回路４３とを含んで構成されている。受信回路４３の負荷抵抗はＲＬとする。受信回路４３において、送信部２０から発生した電界により受信電極４１ａ、４１ｂ間に生じた端子間電圧（受信信号電圧に相当）Ｖ２を検出する。
【００２４】
次に、本実施の形態の体内情報伝送装置１０の原理について説明する。
【００２５】
まず、体内に配置された送信電源２１周辺（図３中破線内）の等価回路は、体組織が結果的に利用されて、図３に示すようになると思われる。Ｌｈは送信電源２１（Ｅ）と送信電極２２ａ、２２ｂとを接続するワイヤのインダクタンスを表している。このインダクタンスＬｈと、生体組織のキャパシタンスＣｈ及び抵抗Ｒｈとがそれぞれ直列につながる。ここで、キャパシタンスＣｈとインダクタンスＬｈとの直列共振が生じることがわかる。直列共振時に送信電源２１から大きな電流が周辺の体組織に向かって流れ、電界が放射されると考えられる。すなわち、送信部２０は、送信電極２２ａ、２２ｂ周辺の体組織を利用して、体内において効率の良いダイポールアンテナのように振る舞う。
【００２６】
次に、装置全体の等価回路を図４に示す。ここで、ＬＬ及びｒはそれぞれ受信電極４１ａ、４１ｂと接続されるワイヤ４２によるインダクタンス及び抵抗であり、ＲＬは受信回路４３の抵抗成分である。また、Ｃｂ及びＲｂは受信電極４１ａ、４１ｂ間に挟まれている生体組織によるキャパシタンス及び抵抗である。電源Ｅ’は、送信部２０及びその周辺において結果的に生体組織を利用して発生された電界によって、受信電極４１ａ、４１ｂに誘導された電圧を示している。ここでは、インダクタンスＬＬとキャパシタンスＣｂで並列共振が起こる。すなわち、受信部４０は、受信電極４１ａ、４１ｂ間の体組織を利用して、ループアンテナのように振る舞う。
【００２７】
このように、人体の一部をアンテナとして利用することで、装置を大型化することなく、体内から体外へ高効率に情報を伝送することができる。
【００２８】
［第１の実施の形態］
次に、第１の実施の形態に係る体内情報伝送装置１１について説明する。なお、上記概略で説明した構成（図１及び図２）と同様の構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２９】
第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１は、送信部２０と、受信部４０とを含んで構成されている。図５に示すように、送信部２０は、送信電源２１と、送信電極２２ａ、２２ｂと、送信電極２２ａ、２２ｂ各々の全体を被覆する絶縁フィルム２３と、送信部２０が埋め込まれた体内の情報を取得するセンサ２４、センサ２４で取得した情報を送信部２０が発生する電界に乗せて送信するように制御する制御部２５とを含んで構成されている。
【００３０】
送信電極２２ａ、２２ｂには、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス銅、チタン、白金、銀等の導電性物質を用いることができる。送信電極２２ａ、２２ｂのサイズは、厚さ１ｍｍ前後×横５〜１５ｍｍ×縦１５〜２５ｍｍ程度（図５の例では、１ｍｍ×１０ｍｍ×２０ｍｍ）とすることができる。また、送信電極２２ａ、２２ｂ間の間隔は、８ｍｍ程度とすることができる。なお、送信電極２２ａ、２２ｂのサイズはこれに限定されず、送信部２０全体のサイズが体内への埋め込み、または飲み込み可能となるサイズであって、送信電極２２ａ、２２ｂ間に送信電源２１、センサ２４及び制御部２５を配置可能なサイズであればよい。送信電極２２ａ、２２ｂの平面視形状は、図６に示すように、長方形、正方形、円形、楕円形等とすることができる。
【００３１】
絶縁フィルム２３は、厚さ０．１〜２ｍｍ程度（図５の例では、１ｍｍ）の絶縁性物質を用いることができる。第１の実施の形態では、絶縁フィルム２３は、送信電極２２ａ、２２ｂ各々の全面を覆うように貼付される。なお、絶縁フィルム２３による送信電極２２ａ、２２ｂ各々の被覆範囲は全面に限定されず、例えば、送信電極２２ａ、２２ｂ各々の外側の面（送信電源２１が配置される側と反対側の面）のみを被覆するなど、送信電極２２ａ、２２ｂ各々の一部であってもよい。
【００３２】
センサ２４は、例えば、撮像装置及び撮像された画像を記憶するメモリを備えたカメラ装置や血糖値センサなど、体内情報伝送装置１１が取得対象とする体内情報を取得可能なセンサで構成されている。
【００３３】
制御部２５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータで構成することができる。例えば、予め定めた時間、または体外から情報取得の指示が送信されたときに、センサ２４により体内情報を取得して送信するようなプログラムをＲＯＭに記憶しておき、このプログラムをＣＰＵにより実行するようにするとよい。
【００３４】
受信部４０は、受信電極４１ａ、４１ｂと、ワイヤ４２と、受信回路４３とを含んで構成されている。受信電極４１ａ、４１ｂは、上記原理で述べたように、ワイヤ４２及び受信電極４１ａ、４１ｂ間の体組織と協働してループアンテナのように振る舞う。そのため、図７に示すように、受信電極４１ａと受信電極４１ｂとは、人体５０を挟んで対向する位置に配置する。人体表面へは粘着シート等により貼付される。また、受信電極４１ａ、４１ｂは、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス、チタン、白金、銀等の導電性物質を用いることができる。また、導電性のゲルシートや導電性のプラスチックを用いてもよい。受信電極４１ａ、４１ｂのサイズは、厚さ１ｍｍ前後×横１００〜１４０ｍｍ×縦１４０〜１８０ｍｍ程度（図７の例では、１ｍｍ×１２０ｍｍ×１６０ｍｍ）とすることができる。なお、受信電極４１ａ、４１ｂのサイズはこれに限定されず、体内に配置された送信部２０が受信電極４１ａ、４１ｂ間に概ね位置することを保証できるサイズであればよい。受信電極４１ａ、４１ｂの平面視形状は、図８に示すように、長方形、正方形、円形、楕円形、ドーナツ形状、またはこれらの形状に複数の穴を開けた穴開き形状とすることができる。ドーナツ形状や穴開き形状とすることで軽量化が図れ、人体への負担を軽減することができる。
【００３５】
次に、第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１の作用について説明する。
【００３６】
まず、送信部２０は、体内の所定位置に配置されるように、体内に埋め込まれるか、または飲み込まれる。そして、受信電極４１ａ，４１ｂを腹部及び背中の体表面に貼付することにより、受信部４０を人体５０に装着する。この状態で、制御部２５は、予め定めた時間になったか否か、または体外から送信された情報取得の指示を受信したか否かを監視する。予め定めた時間になった場合、または情報取得の指示を受信した場合には、制御部２５が、体内の情報を取得するようにセンサ２４を制御する。そして、センサ２４により取得された情報は一旦メモリに記憶される。
【００３７】
次に、制御部２５が、送信電源２１から高周波電流を放出するように制御する。これにより、送信電源２１と送信電極２２ａ、２２ｂとを接続するワイヤのインダクタンスと、送信部２０周辺の生体組織のキャパシタンスとの直列共振が生じ、電界が発生する。制御部２５は、送信部２０から発生した電界に、メモリに記憶しておいた情報をのせて送信するように制御する。
【００３８】
一方、受信部４０では、送信部２０が発生した電界により変化する受信信号電圧を、受信回路４３により検出する。また、図示しない制御回路により、受信回路４３で検出された受信信号電圧の変化に基づいて、電界にのせて送信された体内情報を抽出する。
【００３９】
次に、第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１の有用性について、以下の解析を参照しながら説明する。まず、後述する第２〜第４の実施の形態も含めた本解析の共通事項について説明する。
【００４０】
ここでは、電磁界解析ソフト（SemCad X, Var.14.4,Schmid & partner Engineering AG,PTT Inc.）を用い、ＦＤＴＤ法による電磁界解析を行った。使用した人体モデルを図９に示す。本解析で使用した人体モデルはＮＩＣＴモデルの全身モデルから、頭や手及び足の部分を除いた高さ３９０ｍｍの胴体部分のみのモデルである。筋組織のみで構成した均一組織の人体モデルを用いた。ＲＬ＝１ＭΩとし、他の部分のワイヤの抵抗は０．１Ωとした。また、図１０（ａ）に送信部２０を示す。本解析では、センサ２４及び制御部２５を除いた構成としている。また、同図（ｂ）に受信電極４１ａ、４１ｂを示す。受信電極４１ａ、４１ｂを階段状にしている理由は、受信電極４１ａ、４１ｂを人の腹や背中の斜面につけるためであり、また、ＦＤＴＤ法で用いる格子に沿った形状にしているためである。また、周波数によって筋の導電率及び比誘電率の値が変わるので、図１１に示す電気定数を用いて解析した。
【００４１】
解析によって測定したパラメータは、送信電源２１の電源出力電力Ｐ１ａ、送信電源２１の入力インピーダンスＩｍ（Ｚ１ａ）、及び受信信号電圧Ｖ２である。また、本発明の目的は高効率に情報伝送することであるため、より小さい電源出力電力Ｐ１ａで大きな受信信号電圧Ｖ２を得ることが望ましい。これを評価するための指標としてＶ２／Ｐ１ａ（伝送効率：電源出力電力Ｐ１ａに対する受信信号電圧Ｖ２）も求めている。Ｖ２／Ｐ１ａは値が大きいほど小さなエネルギーで大きな出力電力が得られ、効率よく体内から体外へ信号電圧を誘導できることを示している。
【００４２】
また、生体安全性を示す指標ＳＡＲ（Specific Absorption Rate、比吸収率）も求めた。電磁界による生体への作用として、刺激作用及び熱的作用がある。特に１００ｋＨｚ以上の高周波電磁界においては熱的な作用を考える必要がある。熱作用を示す物理的な量としてＳＡＲがあり、体重１ｋｇあたりに吸収されるエネルギーで定義できる。人体の生体組織の密度をρ、導電率をσとすると、ＳＡＲは下記（１）式で定義できる。
【００４３】
ＳＡＲ＝σＥ２／ρ （１）
【００４４】
ＳＡＲは国際非電離放射線防護委員会（ＩＣＮＩＲＰ）によって規格化されている。本解析では局所ＳＡＲの基本制限を採用している。使用した周波数帯においては１０ｇ平均あたり職業的暴露では１０Ｗ／ｋｇ、公衆の暴露では２Ｗ／ｋｇである。
【００４５】
また、解析条件である最大・最小格子サイズ、計算領域、吸収境界条件を表１に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
次に、第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１に関する解析として、送信電極２２ａ、２２ｂに絶縁フィルム２３を付けた場合の効果に関する解析結果について説明する。
【００４８】
本解析では、図１２（ａ）に示すように、送信電極２２ａ、２２ｂに厚さ１ｍｍの絶縁フィルム（比誘電率：３、導電率：１０−１７）をつけたモデル（Insulation model、第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１に相当）、同図（ｂ）に示すように、送信電極に絶縁フィルムをつけていないモデル（Original model）、及び同図（ｃ）に示すように、送信電極を外したモデル（Deletion model）について解析した。Original model 及びDeletion modelは、第１の実施の形態に相当するInsulation modelに対する比較例である。ワイヤ４２の長さはｙ＝８９５ｍｍ、生体組織は筋、ＲＬ＝１ＭΩとした。解析結果を表２に示す。表２において、中央の列は、各パラメータ毎に最大値が得られた周波数を示し、右側の列は、Ｖ２及びＶ２／Ｐ１ａの最大値を示す。
【００４９】
【表２】
【００５０】
表２に示すように、Insulation modelにおいて、Ｖ２は１２０ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数１ＧＨｚで最大となった。また、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は周波数８００Ｍ〜１ＧＨｚで０になり、ＳＡＲは１ＧＨｚで最大になった。Ｖ２／Ｐ１ａは１２０ＭＨｚのとき最大値１６４８を得た。また、Deletion modelにおいて、Ｖ２は１５０ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数１ＧＨｚで最大となった。また、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は０になることはなく、ＳＡＲは１ＧＨｚで最大になった。Ｖ２／Ｐ１ａは１５０ＭＨｚのとき最大値１８１０を得た。なお、本解析では、図１１に示す電気定数を用いているため、表２中の「1000 and over」は、周波数が１ＧＨｚより小さい範囲では、Ｉｍ（Ｚ１ａ）＝０とならないことを表している。
【００５１】
以上より、Ｐ１ａ及びＳＡＲが最大をとる周波数とＩｍ（Ｚ１ａ）＝０になる周波数は、Insulation model及びDeletion modelのいずれのモデルもOriginal modelと比べ大きく変化した。Ｖ２及びＶ２／Ｐ１ａが最大となる周波数は、Insulation modelとDeletion modelとで３０ＭＨｚ程度変化した。
【００５２】
このように、Ｐ１ａ及びＳＡＲが最大をとる周波数とＩｍ（Ｚ１ａ）＝０になる周波数は、生体組織と電源とのインピーダンス整合によって変化した。これは、絶縁フィルムを付けたり、送信電極をはずしたりすることで電源のリアクタンスが変化し、そのためインピーダンス整合を起こす周波数が変化し、表２に示すような結果になったと思われる。
【００５３】
表２より、Ｖ２及びＶ２／Ｐ１ａが最大になった周波数は、Insulation modelのみにおいて、３０ＭＨｚ程度の小さい変化が見られた。これは、送信電極２２あ、２２ｂで挟まれた部分が絶縁物として見なされ、Ｃｂに変化が生じたためと考えられる。Deletion modelは、Insulation modelやOriginal modelよりも、Ｖ２／Ｐ１ａの値が大きいので効率が高いように思える。しかし、Ｖ２の値を見ると、Deletion modelはOriginal modelよりも３桁小さい値であり、実際には、非常に大きい電圧が信号源として必要になることがわかる。つまり、送信電極を外したモデルは、電源の消費電力が小さいため、Ｖ２／Ｐ１ａが大きくなっただけであり、実使用には困難があると考えられる。一方、Insulation modelにおいては、Ｖ２の値はOriginal modelよりも１桁下がるものの、信号源の電圧もそれほど大きくする必要もない上、Ｖ２／Ｐ１ａは１６４８と大きな値を得ることができた。体内に配置される送信電極２２ａ、２２ｂに絶縁フィルム２３を付けることで、電極の金属が直接生体組織に触れないため、人体への影響も考慮することができる。
【００５４】
従って、第１の実施の形態の体内情報伝送装置によれば、送信電極を絶縁フィルムで被覆することにより、人体への影響を考慮しつつ、体内から体外への情報の伝送効率を向上させることができる。
【００５５】
［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態について説明する。
【００５６】
第２の実施の形態の体内情報伝送装置１２の基本的な構成は、第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１と同様である。第２の実施の形態の体内情報伝送装置１２では、体内から体外への情報の伝送が高効率に行えるように、受信部４０のワイヤ４２の長さが適切に設定されている。
【００５７】
ここで、第２の実施の形態の体内情報伝送装置１２に関する解析として、ワイヤ４２の長さの違いによる解析結果について説明する。本解析では、ワイヤ４２の長さについて特に着目するため、第１の実施の形態の解析におけるOriginal model（送信電極に絶縁フィルムをつけていないモデル）を用いて解析を行っているが、本解析結果は送信電極に絶縁フィルムをつけたモデル（Insulation model）にも適用できる。解析に関する共通事項は、第１の実施の形態で述べたとおりである。
【００５８】
本解析では、受信電極４１ａ、４１ｂ間をつなぐワイヤ４２の長さｙを、ｙ＝８９５ｍｍ、及びｙ＝１１３５ｍｍとした場合について解析を行った。解析結果を図１３に示す。
【００５９】
図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、ワイヤの長さが短いとき（ｙ＝８９５ｍｍ）には、Ｖ２は１５０ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数３５０ＭＨｚで最大となった。また、同図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は周波数３００〜３３０ＭＨｚで０になり、ＳＡＲは３５０ＭＨｚで最大になった。そして、同図（ｅ）に示すように、Ｖ２／Ｐ１ａは１５０ＭＨｚのとき最大値１１８を得た。
【００６０】
また、同図（ａ）及び（ｂ）に示すように、ワイヤの長さが長いとき（ｙ＝１１３５ｍｍ）にはＶ２は１００ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数３５０ＭＨｚで最大となった。また、同図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は周波数３００〜３３０ＭＨｚで０になり、ＳＡＲは３５０ＭＨｚで最大になった。そして、同図（ｅ）に示すように、Ｖ２／Ｐ１ａは１００ＭＨｚのとき最大値１４２を得た。
【００６１】
以上より、電源出力電力Ｐ１ａ及びＳＡＲが最大をとる周波数とＩｍ（Ｚ１ａ）＝０になる周波数は、ワイヤの長さを変えても変化しなかった。しかし、Ｖ２及びＶ２／Ｐ１ａはワイヤの長さを変えると最大となる周波数は変化した。
【００６２】
これは、図４に示すように、生体組織のキャパシタンスＣｂとワイヤ４２によるインダクタンスＬＬとの並列共振により、回路のインピーダンスは最大となるため、Ｖ２は最大となる。ワイヤ４２の距離が長い方が、インダクタンスが大きくなると考えられるため、Ｖ２の最大値を得ることができる周波数が低下したと思われる。そして、情報伝送するための最適周波数は、Ｖ２／Ｐ１ａが最大になった周波数（並列共振が起きた周波数）と考えられる。ｙ＝８９５ｍｍでは１５０ＭＨｚ、ｙ＝１１３５ｍｍでは１００ＭＨｚとなった。
【００６３】
従って、第２の実施の形態の体内情報伝送装置によれば、受信部のワイヤの長さを適切に設定することにより、体内から体外へより高効率に情報を伝送することができる。
【００６４】
［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態について説明する。
【００６５】
第３の実施の形態の体内情報伝送装置１３の基本的な構成は、第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１と同様である。第３の実施の形態の体内情報伝送装置１３では、体内から体外への情報の伝送が高効率に行えるように、受信部４０の受信回路４３の抵抗値ＲＬが適切に設定されている。
【００６６】
ここで、第３の実施の形態の体内情報伝送装置１３に関する解析として、受信回路４３の抵抗値ＲＬの違いによる解析結果について説明する。本解析では、受信回路４３の抵抗値ＲＬについて特に着目するため、第１の実施の形態の解析におけるOriginal model（送信電極に絶縁フィルムをつけていないモデル）を用いて解析を行っているが、本解析結果は送信電極に絶縁フィルムをつけたモデル（Insulation model）にも適用できる。解析に関する共通事項は、第１の実施の形態で述べたとおりである。
【００６７】
本解析では、第２の実施の形態での解析で用いたワイヤ４２の長さが短い（ｙ＝８９５ｍｍ）場合のモデルにおいて、体内から送られた情報などを受け取ると仮定した部分（受信回路４３）の抵抗ＲＬの抵抗値を５０Ωに変えたモデルを用いて解析した。本解析では、生体組織は筋とした。解析結果を表３に示す。
【００６８】
【表３】
【００６９】
表３に示すように、ＲＬ＝５０ΩにするとＶ２は１０ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数３５０ＭＨｚで最大となった。また、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は周波数３００〜３３０ＭＨｚで０になり、ＳＡＲは３５０ＭＨｚで最大になった。Ｖ２／Ｐ１ａは１０ＭＨｚのとき最大値５．７４を得た。
【００７０】
以上より、電源出力電力Ｐ１ａ及びＳＡＲが最大をとる周波数とＩｍ（Ｚ１ａ）＝０になる周波数はＲＬの抵抗値を変えても変化しなかった。しかし、Ｖ２及びＶ２／Ｐ１ａが最大となる周波数は、ＲＬの大きさを変えるとそれぞれ大きく変化した。
【００７１】
これは、図４の抵抗ＲＬが変化したことによって、並列共振する周波数が変化したためであると思われる。図４の回路全体のアドミタンスの虚部は、下記（２）式で表される。（２）式より、ＲＬによって並列共振周波数が変わることがわかる。ここで、ωは周波数を表している。
【００７２】
【数１】
【００７３】
従って、第３の実施の形態の体内情報伝送装置によれば、受信回路の抵抗値を適切に設定することにより、体内から体外へより高効率に情報を伝送することができる。
【００７４】
［第４の実施の形態］
次に、第４の実施の形態について説明する。
【００７５】
第４の実施の形態の体内情報伝送装置１４の基本的な構成は、第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１と同様である。第４の実施の形態の体内情報伝送装置１４では、体内から体外への情報の伝送が高効率に行えるように、受信電極４１ａ、４１ｂの面積を適切なサイズに設定している。
【００７６】
ここで、第４の実施の形態の体内情報伝送装置１４に関する解析として、受信電極４１ａ、４１ｂの面積の違いによる解析結果について説明する。本解析では、受信電極４１ａ、４１ｂの面積について特に着目するため、第１の実施の形態の解析におけるOriginal model（送信電極に絶縁フィルムをつけていないモデル）を用いて解析を行った。また、ワイヤ４２の長さは短い（ｙ＝８９５ｍｍ）場合のモデルを用いた。解析に関する共通事項は、第１の実施の形態で述べたとおりである。
【００７７】
本解析では、図１４に示すように、受信電極４１ａ、４１ｂの面積を変えた場合について検討した。図１４（ａ）に示す受信電極４１ａ、４１ｂは、縦及び横のサイズを共に図１０（ｂ）に示した受信電極４１ａ、４１ｂの面積を半分にしたモデル（1/4modelである。また、図１４（ｂ）に示す受信電極４１ａ、４１ｂは、面積を１／１０にしたモデル（1/100model）である。本解析では、生体組織は筋とした。解析結果を表４に示す。
【００７８】
【表４】
【００７９】
表４に示すように、1/4model及び1/100model共に、Ｖ２は１５０ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数３５０ＭＨｚで最大となった。また、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は周波数３００〜３３０ＭＨｚで０になり、ＳＡＲは３５０ＭＨｚで最大になった。Ｖ２／Ｐ１ａは１５０ＭＨｚのとき最大となり、1/4modelでは最大値１７７、1/100modelでは最大値１２２を得た。
【００８０】
以上より、受信電極４１ａ、４１ｂの面積を変えてもＶ２／Ｐ１ａの最大値を得る周波数は変わらなかったが、Ｖ２／Ｐ１ａの最大値は変化した。
【００８１】
これは、図４に示すように、受信電極４１ａ、４１ｂの面積は並列共振の周波数に関係しないと考えられるためである。しかし、受信電極４１ａ、４１ｂの面積によってＶ２／Ｐ１ａの最大値は変化した。受信電極４１ａ、４１ｂを1/4modelとした場合が最も効率よく情報伝送できる結果が得られたが、この理由として、２点が考えられる。まず、面積を変えていないOriginal modelよりも、受信電極４１ａ、４１ｂの面積が小さい1/4model及び1/100modelの場合に、Ｖ２／Ｐ１ａの最大値が大きくなった理由としては、図４に示す受信電極４１ａ、４１ｂ間に、キャパシタンスＣｂと抵抗Ｒｂとを介した短絡電流が流れるが、受信電極４１ａ、４１ｂの面積が小さくなることによりこの短絡電流が小さくなり（Ｃｂ／／Ｒｂが小さくなり）、ＲＬ側に流れる電流が増加することで、Ｖ２／Ｐ１ａの最大値が大きくなったと考えられる。次に、1/4modelよりも1/100modelの方がＶ２／Ｐ１ａの最大値が小さくなった理由としては、1/100modelは受信電極４１ａ、４１ｂの面積が小さすぎるために、単に受信電極４１ａ、４１ｂに誘導される電圧が小さくなったためと考えられる。
【００８２】
従って、第４の実施の形態の体内情報伝送装置によれば、受信電極の面積を適切に形成することにより、体内から体外へより高効率に情報を伝送することができる。
【００８３】
［その他の実施の形態］
上記各実施の形態における解析では、生体組織を筋とする場合について説明したが、生体素性の種類が異なると、解析対象の各パラメータは異なる値を示す。以下に解析結果を用いて具体的に説明する。
【００８４】
本解析では、図１５に示すように、生体組織を筋（Muscle model）から脂肪（Fat model）または脳脊髄液（CSF model）に変えて解析した。本解析では、ワイヤ４２の長さは短い（ｙ＝８９５ｍｍ）場合のモデルを用い、ＲＬ＝１ＭΩとした。解析に関する共通事項は、第１の実施の形態で述べたとおりである。解析結果を表５に示す。
【００８５】
【表５】
【００８６】
表５に示すように、Fat modelでは、Ｖ２は１６０ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数１ＧＨｚで最大となった。また、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は０になることはなく（１ＧＨｚ以上のため）、ＳＡＲは１ＧＨｚで最大になった。Ｖ２／Ｐ１ａは１６０ＭＨｚのとき最大値１５８８を得た。また、CSF modelでは、Ｖ２は１５０ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数９５ＭＨｚで最大となった。また、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は０になることはなく（１０ＭＨｚ以下のため）、ＳＡＲは９５ＭＨｚで最大になった。また、Ｖ２／Ｐ１ａの最大値は、筋、脂肪、脳脊髄液の順にそれぞれ１１８、１５８８、１４．７であり、この分母に相当するＰ１ａの値は、筋、脂肪、脳脊髄液の順に、それぞれ２．２２Ｅ−４、９．１４Ｅ−６、４．７９Ｅ−４であった。なお、本解析では、図１１に示す電気定数を用いているため、表５中の「1000 and over」は、周波数が１ＧＨｚより小さい範囲では、Ｉｍ（Ｚ１ａ）＝０とならないことを表している。同様に、表５中の「10 and less」は、周波数が１０ＭＨｚより大きい範囲では、Ｉｍ（Ｚ１ａ）＝０とならないことを表している。
【００８７】
以上より、Ｐ１ａ及びＳＡＲが最大をとる周波数とＩｍ（Ｚ１ａ）＝０になる周波数は、生体組織が変わると変化した。一方、Ｖ２及びＶ２／Ｐ１ａが最大となる周波数は、生体組織が変わることにより１０ＭＨｚ程度変化した。また、このときのＶ２／Ｐ１ａの値も、生体組織が変わると大きく変化した。
【００８８】
これは、図３のように、送信電源２１のＬｈと生体組織のＣｈとの直列共振がおき、この周波数においてＩｍ（Ｚ１ａ）＝０が生じたと考えられる。また、同時に、送信電源２１から見ると、インピーダンス整合がとれた状態になり、この付近の周波数で、Ｐ１ａ及びＳＡＲが最大になったと考えられる。また、この周波数は生体組織によって変化し、周波数の高い順に、脂肪、筋、脳脊髄液であった。脂肪は筋より比誘電率が小さいので、Ｃｈは小さくなり、筋より大きな周波数で最大となり、一方、脳脊髄液は筋より比誘電率が大きいのでＣｈは大きくなり、筋より小さな周波数で最大となったと考えられる。
【００８９】
Ｖ２及びＶ２／Ｐ１ａにおいて最大値が得られる周波数も、生体組織によって１０ＭＨｚ程度変化した。これも、図４に示すＣｂが変化したためと考えられる。
【００９０】
次に、Ｖ２／Ｐ１ａの最大値に関して考察する。脂肪の場合は筋より導電率が小さいので、生体組織でジュール熱になる分がほとんどなくＰ１ａが小さい。脳脊髄液の場合は、筋より導電率がさらに小さいので、Ｐ１ａは筋や脂肪よりも大きくなる。このため、Ｖ２／Ｐ１ａの最大値においては、Ｐ１ａの値が支配的になり、脂肪において最大値１５８８を得、脳脊髄液において最低値１４．７を得られたと考えられる。
【００９１】
本解析により、情報伝送するための最適周波数（Ｖ２／Ｐ１ａが最大になった周波数）は、生体組織の種類によって少ししか変わらないが、受信する信号電圧の大きさは生体組織によって大きく変化することが確認できた。
【００９２】
従って、上記各実施の形態において、対象とする人体の生体組織（送信部が配置される体内の生体組織、受信電極間の生体組織）の種類によって、ワイヤの長さ、受信回路の抵抗値、受信電極の面積を適切な値とすることにより、体内から体外へより高効率に情報を伝送することができる。
【００９３】
なお、上記各実施の形態では、送信電極が２つの場合ついて説明したが、３つ以上の送信電極を用いてもよい。この場合、３つ以上の送信電極の中から２つの送信電極を時分割で順次選択しながら、電界を発生させるようにするとよい。受信部４０では、最も効率よく伝送された情報を抽出するようにするとよい。これにより、電界が生じる向きを変化させることができるため、例えば、カプセル内視鏡のような体内で送信部の向きが不定となるような場合でも、体内から体外へ安定して情報を伝送することができる。
【００９４】
また、上記のワイヤの長さ、受信回路の抵抗値、受信電極の面積以外にも、絶縁フィルムの種類、厚さ、送信電極の面積等を適切に設定することによっても、体内から体外へより高効率に情報を伝送することができる。以下、解析結果を用いて、これらの絶縁フィルムの種類、厚さ、送信電極の面積等の値を変えることで、Ｓ２１（Ｖ２／Ｐ１ａ（電源出力電力Ｐ１ａに対する受信信号電圧Ｖ２）に相当するパラメータ、詳細は後述）が変化することを示す。
【００９５】
ここでは、電磁界解析ソフト（CST Microstripes）を用いて、ＴＬＭ法によりＳパラメータを求めた例を示す。解析モデルは、図５に示した送信部２０、及び図７に示した受信部４０を含んで構成されたモデルとし、送信電極２２及び受信電極４１はいずれも銅とした。受信回路４３の負荷抵抗ＲＬ＝５００Ωとし、人体部分は筋組織のみで構成された均一組織を用いた。周波数によって筋の導電率及び比誘電率は変わらず一定とし、導電率：０．７２、比誘電率：６２とした（人の１５０ＭＨｚの筋に値に相当）。また、絶縁フィルム２３の導電率及び比誘電率も、周波数によって変わらず一定とし、導電率：１Ｅ−１７、比誘電率：３とした。
【００９６】
本解析では、パラメータとしてＳ２１を測定した。Ｓ２１は、入力から出力への電力の利得の平方根（Ｐ２ａ／Ｐ１ａ）１／２に対応するパラメータであり、Ｖ２／Ｐ１ａ１／２の比例に相当する値である。Ｖ２／Ｐ１ａ（電源出力電力Ｐ１ａに対する受信信号電圧Ｖ２）とは値が異なるが、傾向は同じものを示す。
【００９７】
上記の条件において、送信電極２２の面積を変えた場合のＳ２１の結果を図１６に、受信電極４１の面積を変えた場合のＳ２１の結果を図１７に、送信電極２２につけた絶縁フィルム２３の厚さを変えた場合のＳ２１の結果を図１８に示す。
【００９８】
また、絶縁フィルム２３には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリメタクリル酸メチル（アクリル）、ポリエチレンテレフタレート（ポリエステル）、シリコーン、ポリ塩化ビニルポリウレタン系などが考えられるが、ポリウレタン系においては比誘電率が高く、導電率が大きくなる傾向にあるため、導電率：５Ｅ−１５（Ｓ／ｍ）、比誘電率：７．５とした場合についても解析した。その結果を図１９に示す。
【００９９】
さらに、人体の体型が変わった場合についても解析した。図２０（ａ）に示すように、腹部の奥行きを１８００ｍｍのモデル（標準モデル）、及び同図（ｂ）に示すように、腹部の奥行きを２倍（３６００ｍｍ）に変更したモデル（肥満モデル）について、送信電極２２の面積を変えた場合におけるＳ２１の比較結果を図２１に示す。Ｓ２１が最大になる電極面積の値は、モデルによって異なることがわかる。つまり、人体のサイズの違いによっても、効率が最大になる送電電極面積の値は変化することがわかる。
【符号の説明】
【０１００】
１０、１１、１２、１３、１４ 体内情報伝送装置
２０ 送信部
２１ 送信電源
２２ａ、２２ｂ 送信電極
２３ 絶縁フィルム
２４ センサ
２５ 制御部
４０ 受信部
４１ａ、４１ｂ 受信電極
４２ ワイヤ
４３ 受信回路
５０ 人体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、体内情報伝送装置に係り、特に、体内で取得された情報を体外に送信するための体内情報伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療機器の発展に伴いカプセル内視鏡や人工心臓、ペースメーカー、神経刺激装置など数多くの体内に埋め込む医療デバイスの研究及び開発が進められている。これらの体内埋め込み機器は、体内で得た情報を体外に送る必要がある。カプセル内視鏡などによって撮影された写真などの情報は機器本体から無線で体外の受信機に送られるが、通信の際の消費電力が大きいと大容量のバッテリーが必要となり、その結果、機器の大型化につながる。そのため、できる限り小さな消費電力で通信を行うことが望まれる。
【０００３】
従来、人体を伝送媒体として利用した人体通信の技術が提案されている。例えば、体内の脂肪の部分に螺旋状の送信用ダイポールアンテナを埋め込み、体外にある受信電極に対して情報等を送る技術や、マグネチックループアンテナを体内深部の膵臓付近に埋め込むことで通信する技術などが提案されている（例えば、非特許文献１及び２参照）。
【０００４】
また、体内で使用される電子機器等に非接触で電力を供給する非接触電力伝送システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の技術では、カプセルの外面に一対の体内電極を配置し、カプセル内に電子機器を封入し、体内に配置する。そして、体表面に体内電極と誘電結合する一対の体外電極を装着し、体外電極に交流電圧を印加することにより、体内電極に交流電圧を誘起させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１１５０２５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】H. Mizuno, M. Takahashi and K. Saito, "A Helical Folded Antenna for Implantable Communication Device", Proc.40th Antennas and Propagation Society International Symposium, pp.1-4, 2010.
【非特許文献２】小林健太、利根川恵一、柴建次、越地耕二、島田光功、直野義昭、妙中義之、「体内埋込型インスリン注入システム経皮通信システム」、平成１５年電気学会全国大会、237-A3, 2002
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記非特許文献１及び２のような技術では、送信アンテナを体内に収める必要があるため、大型の送信アンテナを用いることはできない。このため、必然的にアンテナの長さが短い高周波用のアンテナを用いるが、反面、高周波になるほど人体による電界減衰率が増大するため、アンテナの小型化と高効率化との両立は困難である、という問題がある。
【０００８】
また、特許文献１の技術は、体内で使用される電子機器に非接触で電力を供給する技術であるが、電子機器を体内で使用する場合における、人体への影響が考慮されていない。
【０００９】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、人体への影響を考慮しつつ、かつ装置を大型化することなく、体内で取得した情報を体外へ高効率で伝送することができる体内情報伝送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の体内情報伝送装置は、送信電源、及び該送信電源と電気的に接続されて該送信電源を挟むように配置され、かつ各々の全体または一部が絶縁体で覆われた複数の送信電極を含み、体内に配置された状態で電界を発生させる送信手段と、体表面に配置される一対の受信電極、及び前記送信手段から発生された電界により前記一対の受信電極間に生じる電位差を検出する検出部を含む受信手段と、を含んで構成されている。
【００１１】
本発明の体内情報伝送装置によれば、送信手段は、送信電源、及び送信電源と電気的に接続されて送信電源を挟むように配置され、かつ各々の全体または一部が絶縁体で覆われた複数の送信電極を含んで構成されている。この送信手段が、体内に配置された状態で電界を発生させる。この送信手段は、結果的に、送信手段周辺の体組織と協働して電界を発生させるものである。すなわち、送信手段が体組織と協働してダイポールアンテナのような振る舞いをする。送信手段は、体内で取得した情報を発生した電界にのせて体外へ送信する。また、受信手段は、体表面に配置される一対の受信電極、及び送信手段から発生された電界により一対の受信電極間に生じる電位差を検出する検出部を含んで構成されている。検出部で検出された電位差に基づいて、送信手段により電界にのせて送信された体内の情報を受信することができる。
【００１２】
このように、全部または一部が絶縁体で覆われた送信電極で送信電源を挟んで構成した送信手段により、送信手段周辺の体組織が結果として利用されて電界を発生させ、体外に配置された受信手段でこの電界を検出するため、人体への影響を考慮しつつ、かつ装置を大型化することなく、体内で取得した情報を体外へ高効率で伝送することができる。
【００１３】
また、前記受信手段は、前記一対の受信電極間を電気的に接続するワイヤを含み、前記送信手段から発生された電界を受信することができる。これにより、受信手段は、体組織と協働してループアンテナのような振る舞いをするため、効率良く送信手段により発生した電界を検出することができる。
【００１４】
また、前記電位差、及び前記送信電源の電力に対する前記電位差で表される伝送効率の少なくとも一方が最大となる前記電界の周波数に応じて前記ワイヤの長さを設定することができる。最も効率良く情報を伝送することができる周波数は、ワイヤの長さで変化するため、このワイヤの長さを適切に設定することにより、より高効率に情報を伝送することができる。また、ワイヤの長さを長くするために、模擬的に一カ所にスパイラル形状を形成してワイヤの長さを長くしたり、ドーナツ状や棒状の小型のフェライトにワイヤを巻き付けることでインダクタンスをしたりすることによっても、周波数を調整することができる。
【００１５】
また、前記電位差、及び前記送信電源の電力に対する前記電位差で表される伝送効率の少なくとも一方が最大となる前記電界の周波数に応じて前記検出部の抵抗値を設定することができる。最も効率良く情報を伝送することができる周波数は、検出部の抵抗値で変化するため、この検出部の抵抗値を適切に設定することにより、より高効率に情報を伝送することができる。
【００１６】
また、前記受信電極の平面視面積を、前記電位差、及び前記送信電源の電力に対する前記電位差で表される伝送効率の少なくとも一方が最大となるように設定することができる。受信電極の平面視面積を適切な値とすることにより、より高効率に情報を伝送することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明の体内情報伝送装置によれば、全部または一部が絶縁体で覆われた送信電極で送信電源を挟んで構成した送信手段により、送信手段周辺の体組織が結果として利用されて電界を発生させ、体外に配置された受信手段でこの電界を検出するため、人体への影響を考慮しつつ、かつ装置を大型化することなく、体内で取得した情報を体外へ高効率で伝送することができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）本実施の形態の体内情報伝送装置を人体に装着した場合の概略側面図、及び（ｂ）概略正面図である。
【図２】本実施の形態の体内情報伝送装置の概略を示す構成図である。
【図３】送信電源周辺の等価回路を示す図である。
【図４】体内情報伝送装置全体の等価回路を示す図である。
【図５】第１の実施の形態の体内情報伝送装置の送信部を示す概略図である。
【図６】第１の実施の形態の体内情報伝送装置の送信電極の例を示す斜視図である。
【図７】第１の実施の形態の体内情報伝送装置の受信部を示す概略図である。
【図８】第１の実施の形態の体内情報伝送装置の受信電極の例を示す斜視図である。
【図９】各実施の形態の解析で用いた人体モデルを示す図である。
【図１０】（ａ）解析で用いた送信部の概略図、及び（ｂ）受信電極の概略図である。
【図１１】解析で用いた電気定数を示すグラフである。
【図１２】（ａ）第１の実施の形態における解析で用いた絶縁フィルム付き受信電極を含む受信部、（ｂ）絶縁フィルムなし受信電極を含む受信部、（ｃ）受信電極なし受信部を示す概略図である。
【図１３】第２の実施の形態における解析結果を示すグラフである。
【図１４】第４の実施の形態における解析で用いた受信電極を示す概略図である。
【図１５】生体組織が異なる解析を説明するためのグラフである。
【図１６】送信電極の面積を変えた場合のＳ２１の解析結果を示すグラフである。
【図１７】受信電極の面積を変えた場合のＳ２１の解析結果を示すグラフである。
【図１８】絶縁フィルムの厚さを変えた場合のＳ２１の解析結果を示すグラフである。
【図１９】絶縁フィルムの材料を変えた場合のＳ２１の解析結果を示すグラフである。
【図２０】人体の体型によるＳ２１を解析するためのモデルを示す図である。
【図２１】人体の体型を変えた場合のＳ２１の解析結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
［本実施の形態の概略及び原理］
まず、本実施の形態の概略について説明する。
【００２１】
本実施の形態の体内情報伝送装置１０を人体５０に装着した場合の概略側面図を図１（ａ）に、概略正面図を同図（ｂ）に示す。また、図２に、図１（ａ）のＡＡ’線断面における体内情報伝送装置１０の概略構成を示す。図１及び図２に示すように、体内情報伝送装置１０は、体内に埋め込むことにより、または飲み込まれることにより人体５０内部に配置される送信部２０と、人体５０表面に配置される受信部４０とを含んで構成されている。
【００２２】
送信部２０は、高周波電流を放出する送信電源２１と、送信電源２１と電気的に接続され、かつ送信電源２１を挟んで対向する位置に配置された一対の送信電極２２ａ、２２ｂとを含んで構成されている。なお、送信電源２１の電圧をＶ１ａとする。送信部２０は、送信電源２１から高周波電流を放出することにより、送信電極２２ａ、２２ｂ周辺の体組織を利用して電界を発生する。発生した電界に、体内で取得されたデータをのせて体外へ送信する。
【００２３】
受信部４０は、人体５０表面の腹部及び背中に各々配置される受信電極４１ａ、４１ｂと、受信電極４１ａ、４１ｂ間を接続する導電性のワイヤ４２と、受信電極４１ａ、４１ｂ間の電圧を検出するための受信回路４３とを含んで構成されている。受信回路４３の負荷抵抗はＲＬとする。受信回路４３において、送信部２０から発生した電界により受信電極４１ａ、４１ｂ間に生じた端子間電圧（受信信号電圧に相当）Ｖ２を検出する。
【００２４】
次に、本実施の形態の体内情報伝送装置１０の原理について説明する。
【００２５】
まず、体内に配置された送信電源２１周辺（図３中破線内）の等価回路は、体組織が結果的に利用されて、図３に示すようになると思われる。Ｌｈは送信電源２１（Ｅ）と送信電極２２ａ、２２ｂとを接続するワイヤのインダクタンスを表している。このインダクタンスＬｈと、生体組織のキャパシタンスＣｈ及び抵抗Ｒｈとがそれぞれ直列につながる。ここで、キャパシタンスＣｈとインダクタンスＬｈとの直列共振が生じることがわかる。直列共振時に送信電源２１から大きな電流が周辺の体組織に向かって流れ、電界が放射されると考えられる。すなわち、送信部２０は、送信電極２２ａ、２２ｂ周辺の体組織を利用して、体内において効率の良いダイポールアンテナのように振る舞う。
【００２６】
次に、装置全体の等価回路を図４に示す。ここで、ＬＬ及びｒはそれぞれ受信電極４１ａ、４１ｂと接続されるワイヤ４２によるインダクタンス及び抵抗であり、ＲＬは受信回路４３の抵抗成分である。また、Ｃｂ及びＲｂは受信電極４１ａ、４１ｂ間に挟まれている生体組織によるキャパシタンス及び抵抗である。電源Ｅ’は、送信部２０及びその周辺において結果的に生体組織を利用して発生された電界によって、受信電極４１ａ、４１ｂに誘導された電圧を示している。ここでは、インダクタンスＬＬとキャパシタンスＣｂで並列共振が起こる。すなわち、受信部４０は、受信電極４１ａ、４１ｂ間の体組織を利用して、ループアンテナのように振る舞う。
【００２７】
このように、人体の一部をアンテナとして利用することで、装置を大型化することなく、体内から体外へ高効率に情報を伝送することができる。
【００２８】
［第１の実施の形態］
次に、第１の実施の形態に係る体内情報伝送装置１１について説明する。なお、上記概略で説明した構成（図１及び図２）と同様の構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２９】
第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１は、送信部２０と、受信部４０とを含んで構成されている。図５に示すように、送信部２０は、送信電源２１と、送信電極２２ａ、２２ｂと、送信電極２２ａ、２２ｂ各々の全体を被覆する絶縁フィルム２３と、送信部２０が埋め込まれた体内の情報を取得するセンサ２４、センサ２４で取得した情報を送信部２０が発生する電界に乗せて送信するように制御する制御部２５とを含んで構成されている。
【００３０】
送信電極２２ａ、２２ｂには、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス銅、チタン、白金、銀等の導電性物質を用いることができる。送信電極２２ａ、２２ｂのサイズは、厚さ１ｍｍ前後×横５〜１５ｍｍ×縦１５〜２５ｍｍ程度（図５の例では、１ｍｍ×１０ｍｍ×２０ｍｍ）とすることができる。また、送信電極２２ａ、２２ｂ間の間隔は、８ｍｍ程度とすることができる。なお、送信電極２２ａ、２２ｂのサイズはこれに限定されず、送信部２０全体のサイズが体内への埋め込み、または飲み込み可能となるサイズであって、送信電極２２ａ、２２ｂ間に送信電源２１、センサ２４及び制御部２５を配置可能なサイズであればよい。送信電極２２ａ、２２ｂの平面視形状は、図６に示すように、長方形、正方形、円形、楕円形等とすることができる。
【００３１】
絶縁フィルム２３は、厚さ０．１〜２ｍｍ程度（図５の例では、１ｍｍ）の絶縁性物質を用いることができる。第１の実施の形態では、絶縁フィルム２３は、送信電極２２ａ、２２ｂ各々の全面を覆うように貼付される。なお、絶縁フィルム２３による送信電極２２ａ、２２ｂ各々の被覆範囲は全面に限定されず、例えば、送信電極２２ａ、２２ｂ各々の外側の面（送信電源２１が配置される側と反対側の面）のみを被覆するなど、送信電極２２ａ、２２ｂ各々の一部であってもよい。
【００３２】
センサ２４は、例えば、撮像装置及び撮像された画像を記憶するメモリを備えたカメラ装置や血糖値センサなど、体内情報伝送装置１１が取得対象とする体内情報を取得可能なセンサで構成されている。
【００３３】
制御部２５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータで構成することができる。例えば、予め定めた時間、または体外から情報取得の指示が送信されたときに、センサ２４により体内情報を取得して送信するようなプログラムをＲＯＭに記憶しておき、このプログラムをＣＰＵにより実行するようにするとよい。
【００３４】
受信部４０は、受信電極４１ａ、４１ｂと、ワイヤ４２と、受信回路４３とを含んで構成されている。受信電極４１ａ、４１ｂは、上記原理で述べたように、ワイヤ４２及び受信電極４１ａ、４１ｂ間の体組織と協働してループアンテナのように振る舞う。そのため、図７に示すように、受信電極４１ａと受信電極４１ｂとは、人体５０を挟んで対向する位置に配置する。人体表面へは粘着シート等により貼付される。また、受信電極４１ａ、４１ｂは、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス、チタン、白金、銀等の導電性物質を用いることができる。また、導電性のゲルシートや導電性のプラスチックを用いてもよい。受信電極４１ａ、４１ｂのサイズは、厚さ１ｍｍ前後×横１００〜１４０ｍｍ×縦１４０〜１８０ｍｍ程度（図７の例では、１ｍｍ×１２０ｍｍ×１６０ｍｍ）とすることができる。なお、受信電極４１ａ、４１ｂのサイズはこれに限定されず、体内に配置された送信部２０が受信電極４１ａ、４１ｂ間に概ね位置することを保証できるサイズであればよい。受信電極４１ａ、４１ｂの平面視形状は、図８に示すように、長方形、正方形、円形、楕円形、ドーナツ形状、またはこれらの形状に複数の穴を開けた穴開き形状とすることができる。ドーナツ形状や穴開き形状とすることで軽量化が図れ、人体への負担を軽減することができる。
【００３５】
次に、第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１の作用について説明する。
【００３６】
まず、送信部２０は、体内の所定位置に配置されるように、体内に埋め込まれるか、または飲み込まれる。そして、受信電極４１ａ，４１ｂを腹部及び背中の体表面に貼付することにより、受信部４０を人体５０に装着する。この状態で、制御部２５は、予め定めた時間になったか否か、または体外から送信された情報取得の指示を受信したか否かを監視する。予め定めた時間になった場合、または情報取得の指示を受信した場合には、制御部２５が、体内の情報を取得するようにセンサ２４を制御する。そして、センサ２４により取得された情報は一旦メモリに記憶される。
【００３７】
次に、制御部２５が、送信電源２１から高周波電流を放出するように制御する。これにより、送信電源２１と送信電極２２ａ、２２ｂとを接続するワイヤのインダクタンスと、送信部２０周辺の生体組織のキャパシタンスとの直列共振が生じ、電界が発生する。制御部２５は、送信部２０から発生した電界に、メモリに記憶しておいた情報をのせて送信するように制御する。
【００３８】
一方、受信部４０では、送信部２０が発生した電界により変化する受信信号電圧を、受信回路４３により検出する。また、図示しない制御回路により、受信回路４３で検出された受信信号電圧の変化に基づいて、電界にのせて送信された体内情報を抽出する。
【００３９】
次に、第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１の有用性について、以下の解析を参照しながら説明する。まず、後述する第２〜第４の実施の形態も含めた本解析の共通事項について説明する。
【００４０】
ここでは、電磁界解析ソフト（SemCad X, Var.14.4,Schmid & partner Engineering AG,PTT Inc.）を用い、ＦＤＴＤ法による電磁界解析を行った。使用した人体モデルを図９に示す。本解析で使用した人体モデルはＮＩＣＴモデルの全身モデルから、頭や手及び足の部分を除いた高さ３９０ｍｍの胴体部分のみのモデルである。筋組織のみで構成した均一組織の人体モデルを用いた。ＲＬ＝１ＭΩとし、他の部分のワイヤの抵抗は０．１Ωとした。また、図１０（ａ）に送信部２０を示す。本解析では、センサ２４及び制御部２５を除いた構成としている。また、同図（ｂ）に受信電極４１ａ、４１ｂを示す。受信電極４１ａ、４１ｂを階段状にしている理由は、受信電極４１ａ、４１ｂを人の腹や背中の斜面につけるためであり、また、ＦＤＴＤ法で用いる格子に沿った形状にしているためである。また、周波数によって筋の導電率及び比誘電率の値が変わるので、図１１に示す電気定数を用いて解析した。
【００４１】
解析によって測定したパラメータは、送信電源２１の電源出力電力Ｐ１ａ、送信電源２１の入力インピーダンスＩｍ（Ｚ１ａ）、及び受信信号電圧Ｖ２である。また、本発明の目的は高効率に情報伝送することであるため、より小さい電源出力電力Ｐ１ａで大きな受信信号電圧Ｖ２を得ることが望ましい。これを評価するための指標としてＶ２／Ｐ１ａ（伝送効率：電源出力電力Ｐ１ａに対する受信信号電圧Ｖ２）も求めている。Ｖ２／Ｐ１ａは値が大きいほど小さなエネルギーで大きな出力電力が得られ、効率よく体内から体外へ信号電圧を誘導できることを示している。
【００４２】
また、生体安全性を示す指標ＳＡＲ（Specific Absorption Rate、比吸収率）も求めた。電磁界による生体への作用として、刺激作用及び熱的作用がある。特に１００ｋＨｚ以上の高周波電磁界においては熱的な作用を考える必要がある。熱作用を示す物理的な量としてＳＡＲがあり、体重１ｋｇあたりに吸収されるエネルギーで定義できる。人体の生体組織の密度をρ、導電率をσとすると、ＳＡＲは下記（１）式で定義できる。
【００４３】
ＳＡＲ＝σＥ２／ρ （１）
【００４４】
ＳＡＲは国際非電離放射線防護委員会（ＩＣＮＩＲＰ）によって規格化されている。本解析では局所ＳＡＲの基本制限を採用している。使用した周波数帯においては１０ｇ平均あたり職業的暴露では１０Ｗ／ｋｇ、公衆の暴露では２Ｗ／ｋｇである。
【００４５】
また、解析条件である最大・最小格子サイズ、計算領域、吸収境界条件を表１に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
次に、第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１に関する解析として、送信電極２２ａ、２２ｂに絶縁フィルム２３を付けた場合の効果に関する解析結果について説明する。
【００４８】
本解析では、図１２（ａ）に示すように、送信電極２２ａ、２２ｂに厚さ１ｍｍの絶縁フィルム（比誘電率：３、導電率：１０−１７）をつけたモデル（Insulation model、第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１に相当）、同図（ｂ）に示すように、送信電極に絶縁フィルムをつけていないモデル（Original model）、及び同図（ｃ）に示すように、送信電極を外したモデル（Deletion model）について解析した。Original model 及びDeletion modelは、第１の実施の形態に相当するInsulation modelに対する比較例である。ワイヤ４２の長さはｙ＝８９５ｍｍ、生体組織は筋、ＲＬ＝１ＭΩとした。解析結果を表２に示す。表２において、中央の列は、各パラメータ毎に最大値が得られた周波数を示し、右側の列は、Ｖ２及びＶ２／Ｐ１ａの最大値を示す。
【００４９】
【表２】
【００５０】
表２に示すように、Insulation modelにおいて、Ｖ２は１２０ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数１ＧＨｚで最大となった。また、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は周波数８００Ｍ〜１ＧＨｚで０になり、ＳＡＲは１ＧＨｚで最大になった。Ｖ２／Ｐ１ａは１２０ＭＨｚのとき最大値１６４８を得た。また、Deletion modelにおいて、Ｖ２は１５０ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数１ＧＨｚで最大となった。また、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は０になることはなく、ＳＡＲは１ＧＨｚで最大になった。Ｖ２／Ｐ１ａは１５０ＭＨｚのとき最大値１８１０を得た。なお、本解析では、図１１に示す電気定数を用いているため、表２中の「1000 and over」は、周波数が１ＧＨｚより小さい範囲では、Ｉｍ（Ｚ１ａ）＝０とならないことを表している。
【００５１】
以上より、Ｐ１ａ及びＳＡＲが最大をとる周波数とＩｍ（Ｚ１ａ）＝０になる周波数は、Insulation model及びDeletion modelのいずれのモデルもOriginal modelと比べ大きく変化した。Ｖ２及びＶ２／Ｐ１ａが最大となる周波数は、Insulation modelとDeletion modelとで３０ＭＨｚ程度変化した。
【００５２】
このように、Ｐ１ａ及びＳＡＲが最大をとる周波数とＩｍ（Ｚ１ａ）＝０になる周波数は、生体組織と電源とのインピーダンス整合によって変化した。これは、絶縁フィルムを付けたり、送信電極をはずしたりすることで電源のリアクタンスが変化し、そのためインピーダンス整合を起こす周波数が変化し、表２に示すような結果になったと思われる。
【００５３】
表２より、Ｖ２及びＶ２／Ｐ１ａが最大になった周波数は、Insulation modelのみにおいて、３０ＭＨｚ程度の小さい変化が見られた。これは、送信電極２２あ、２２ｂで挟まれた部分が絶縁物として見なされ、Ｃｂに変化が生じたためと考えられる。Deletion modelは、Insulation modelやOriginal modelよりも、Ｖ２／Ｐ１ａの値が大きいので効率が高いように思える。しかし、Ｖ２の値を見ると、Deletion modelはOriginal modelよりも３桁小さい値であり、実際には、非常に大きい電圧が信号源として必要になることがわかる。つまり、送信電極を外したモデルは、電源の消費電力が小さいため、Ｖ２／Ｐ１ａが大きくなっただけであり、実使用には困難があると考えられる。一方、Insulation modelにおいては、Ｖ２の値はOriginal modelよりも１桁下がるものの、信号源の電圧もそれほど大きくする必要もない上、Ｖ２／Ｐ１ａは１６４８と大きな値を得ることができた。体内に配置される送信電極２２ａ、２２ｂに絶縁フィルム２３を付けることで、電極の金属が直接生体組織に触れないため、人体への影響も考慮することができる。
【００５４】
従って、第１の実施の形態の体内情報伝送装置によれば、送信電極を絶縁フィルムで被覆することにより、人体への影響を考慮しつつ、体内から体外への情報の伝送効率を向上させることができる。
【００５５】
［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態について説明する。
【００５６】
第２の実施の形態の体内情報伝送装置１２の基本的な構成は、第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１と同様である。第２の実施の形態の体内情報伝送装置１２では、体内から体外への情報の伝送が高効率に行えるように、受信部４０のワイヤ４２の長さが適切に設定されている。
【００５７】
ここで、第２の実施の形態の体内情報伝送装置１２に関する解析として、ワイヤ４２の長さの違いによる解析結果について説明する。本解析では、ワイヤ４２の長さについて特に着目するため、第１の実施の形態の解析におけるOriginal model（送信電極に絶縁フィルムをつけていないモデル）を用いて解析を行っているが、本解析結果は送信電極に絶縁フィルムをつけたモデル（Insulation model）にも適用できる。解析に関する共通事項は、第１の実施の形態で述べたとおりである。
【００５８】
本解析では、受信電極４１ａ、４１ｂ間をつなぐワイヤ４２の長さｙを、ｙ＝８９５ｍｍ、及びｙ＝１１３５ｍｍとした場合について解析を行った。解析結果を図１３に示す。
【００５９】
図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、ワイヤの長さが短いとき（ｙ＝８９５ｍｍ）には、Ｖ２は１５０ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数３５０ＭＨｚで最大となった。また、同図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は周波数３００〜３３０ＭＨｚで０になり、ＳＡＲは３５０ＭＨｚで最大になった。そして、同図（ｅ）に示すように、Ｖ２／Ｐ１ａは１５０ＭＨｚのとき最大値１１８を得た。
【００６０】
また、同図（ａ）及び（ｂ）に示すように、ワイヤの長さが長いとき（ｙ＝１１３５ｍｍ）にはＶ２は１００ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数３５０ＭＨｚで最大となった。また、同図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は周波数３００〜３３０ＭＨｚで０になり、ＳＡＲは３５０ＭＨｚで最大になった。そして、同図（ｅ）に示すように、Ｖ２／Ｐ１ａは１００ＭＨｚのとき最大値１４２を得た。
【００６１】
以上より、電源出力電力Ｐ１ａ及びＳＡＲが最大をとる周波数とＩｍ（Ｚ１ａ）＝０になる周波数は、ワイヤの長さを変えても変化しなかった。しかし、Ｖ２及びＶ２／Ｐ１ａはワイヤの長さを変えると最大となる周波数は変化した。
【００６２】
これは、図４に示すように、生体組織のキャパシタンスＣｂとワイヤ４２によるインダクタンスＬＬとの並列共振により、回路のインピーダンスは最大となるため、Ｖ２は最大となる。ワイヤ４２の距離が長い方が、インダクタンスが大きくなると考えられるため、Ｖ２の最大値を得ることができる周波数が低下したと思われる。そして、情報伝送するための最適周波数は、Ｖ２／Ｐ１ａが最大になった周波数（並列共振が起きた周波数）と考えられる。ｙ＝８９５ｍｍでは１５０ＭＨｚ、ｙ＝１１３５ｍｍでは１００ＭＨｚとなった。
【００６３】
従って、第２の実施の形態の体内情報伝送装置によれば、受信部のワイヤの長さを適切に設定することにより、体内から体外へより高効率に情報を伝送することができる。
【００６４】
［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態について説明する。
【００６５】
第３の実施の形態の体内情報伝送装置１３の基本的な構成は、第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１と同様である。第３の実施の形態の体内情報伝送装置１３では、体内から体外への情報の伝送が高効率に行えるように、受信部４０の受信回路４３の抵抗値ＲＬが適切に設定されている。
【００６６】
ここで、第３の実施の形態の体内情報伝送装置１３に関する解析として、受信回路４３の抵抗値ＲＬの違いによる解析結果について説明する。本解析では、受信回路４３の抵抗値ＲＬについて特に着目するため、第１の実施の形態の解析におけるOriginal model（送信電極に絶縁フィルムをつけていないモデル）を用いて解析を行っているが、本解析結果は送信電極に絶縁フィルムをつけたモデル（Insulation model）にも適用できる。解析に関する共通事項は、第１の実施の形態で述べたとおりである。
【００６７】
本解析では、第２の実施の形態での解析で用いたワイヤ４２の長さが短い（ｙ＝８９５ｍｍ）場合のモデルにおいて、体内から送られた情報などを受け取ると仮定した部分（受信回路４３）の抵抗ＲＬの抵抗値を５０Ωに変えたモデルを用いて解析した。本解析では、生体組織は筋とした。解析結果を表３に示す。
【００６８】
【表３】
【００６９】
表３に示すように、ＲＬ＝５０ΩにするとＶ２は１０ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数３５０ＭＨｚで最大となった。また、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は周波数３００〜３３０ＭＨｚで０になり、ＳＡＲは３５０ＭＨｚで最大になった。Ｖ２／Ｐ１ａは１０ＭＨｚのとき最大値５．７４を得た。
【００７０】
以上より、電源出力電力Ｐ１ａ及びＳＡＲが最大をとる周波数とＩｍ（Ｚ１ａ）＝０になる周波数はＲＬの抵抗値を変えても変化しなかった。しかし、Ｖ２及びＶ２／Ｐ１ａが最大となる周波数は、ＲＬの大きさを変えるとそれぞれ大きく変化した。
【００７１】
これは、図４の抵抗ＲＬが変化したことによって、並列共振する周波数が変化したためであると思われる。図４の回路全体のアドミタンスの虚部は、下記（２）式で表される。（２）式より、ＲＬによって並列共振周波数が変わることがわかる。ここで、ωは周波数を表している。
【００７２】
【数１】
【００７３】
従って、第３の実施の形態の体内情報伝送装置によれば、受信回路の抵抗値を適切に設定することにより、体内から体外へより高効率に情報を伝送することができる。
【００７４】
［第４の実施の形態］
次に、第４の実施の形態について説明する。
【００７５】
第４の実施の形態の体内情報伝送装置１４の基本的な構成は、第１の実施の形態の体内情報伝送装置１１と同様である。第４の実施の形態の体内情報伝送装置１４では、体内から体外への情報の伝送が高効率に行えるように、受信電極４１ａ、４１ｂの面積を適切なサイズに設定している。
【００７６】
ここで、第４の実施の形態の体内情報伝送装置１４に関する解析として、受信電極４１ａ、４１ｂの面積の違いによる解析結果について説明する。本解析では、受信電極４１ａ、４１ｂの面積について特に着目するため、第１の実施の形態の解析におけるOriginal model（送信電極に絶縁フィルムをつけていないモデル）を用いて解析を行った。また、ワイヤ４２の長さは短い（ｙ＝８９５ｍｍ）場合のモデルを用いた。解析に関する共通事項は、第１の実施の形態で述べたとおりである。
【００７７】
本解析では、図１４に示すように、受信電極４１ａ、４１ｂの面積を変えた場合について検討した。図１４（ａ）に示す受信電極４１ａ、４１ｂは、縦及び横のサイズを共に図１０（ｂ）に示した受信電極４１ａ、４１ｂの面積を半分にしたモデル（1/4modelである。また、図１４（ｂ）に示す受信電極４１ａ、４１ｂは、面積を１／１０にしたモデル（1/100model）である。本解析では、生体組織は筋とした。解析結果を表４に示す。
【００７８】
【表４】
【００７９】
表４に示すように、1/4model及び1/100model共に、Ｖ２は１５０ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数３５０ＭＨｚで最大となった。また、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は周波数３００〜３３０ＭＨｚで０になり、ＳＡＲは３５０ＭＨｚで最大になった。Ｖ２／Ｐ１ａは１５０ＭＨｚのとき最大となり、1/4modelでは最大値１７７、1/100modelでは最大値１２２を得た。
【００８０】
以上より、受信電極４１ａ、４１ｂの面積を変えてもＶ２／Ｐ１ａの最大値を得る周波数は変わらなかったが、Ｖ２／Ｐ１ａの最大値は変化した。
【００８１】
これは、図４に示すように、受信電極４１ａ、４１ｂの面積は並列共振の周波数に関係しないと考えられるためである。しかし、受信電極４１ａ、４１ｂの面積によってＶ２／Ｐ１ａの最大値は変化した。受信電極４１ａ、４１ｂを1/4modelとした場合が最も効率よく情報伝送できる結果が得られたが、この理由として、２点が考えられる。まず、面積を変えていないOriginal modelよりも、受信電極４１ａ、４１ｂの面積が小さい1/4model及び1/100modelの場合に、Ｖ２／Ｐ１ａの最大値が大きくなった理由としては、図４に示す受信電極４１ａ、４１ｂ間に、キャパシタンスＣｂと抵抗Ｒｂとを介した短絡電流が流れるが、受信電極４１ａ、４１ｂの面積が小さくなることによりこの短絡電流が小さくなり（Ｃｂ／／Ｒｂが小さくなり）、ＲＬ側に流れる電流が増加することで、Ｖ２／Ｐ１ａの最大値が大きくなったと考えられる。次に、1/4modelよりも1/100modelの方がＶ２／Ｐ１ａの最大値が小さくなった理由としては、1/100modelは受信電極４１ａ、４１ｂの面積が小さすぎるために、単に受信電極４１ａ、４１ｂに誘導される電圧が小さくなったためと考えられる。
【００８２】
従って、第４の実施の形態の体内情報伝送装置によれば、受信電極の面積を適切に形成することにより、体内から体外へより高効率に情報を伝送することができる。
【００８３】
［その他の実施の形態］
上記各実施の形態における解析では、生体組織を筋とする場合について説明したが、生体素性の種類が異なると、解析対象の各パラメータは異なる値を示す。以下に解析結果を用いて具体的に説明する。
【００８４】
本解析では、図１５に示すように、生体組織を筋（Muscle model）から脂肪（Fat model）または脳脊髄液（CSF model）に変えて解析した。本解析では、ワイヤ４２の長さは短い（ｙ＝８９５ｍｍ）場合のモデルを用い、ＲＬ＝１ＭΩとした。解析に関する共通事項は、第１の実施の形態で述べたとおりである。解析結果を表５に示す。
【００８５】
【表５】
【００８６】
表５に示すように、Fat modelでは、Ｖ２は１６０ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数１ＧＨｚで最大となった。また、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は０になることはなく（１ＧＨｚ以上のため）、ＳＡＲは１ＧＨｚで最大になった。Ｖ２／Ｐ１ａは１６０ＭＨｚのとき最大値１５８８を得た。また、CSF modelでは、Ｖ２は１５０ＭＨｚ、Ｐ１ａは周波数９５ＭＨｚで最大となった。また、Ｉｍ（Ｚ１ａ）は０になることはなく（１０ＭＨｚ以下のため）、ＳＡＲは９５ＭＨｚで最大になった。また、Ｖ２／Ｐ１ａの最大値は、筋、脂肪、脳脊髄液の順にそれぞれ１１８、１５８８、１４．７であり、この分母に相当するＰ１ａの値は、筋、脂肪、脳脊髄液の順に、それぞれ２．２２Ｅ−４、９．１４Ｅ−６、４．７９Ｅ−４であった。なお、本解析では、図１１に示す電気定数を用いているため、表５中の「1000 and over」は、周波数が１ＧＨｚより小さい範囲では、Ｉｍ（Ｚ１ａ）＝０とならないことを表している。同様に、表５中の「10 and less」は、周波数が１０ＭＨｚより大きい範囲では、Ｉｍ（Ｚ１ａ）＝０とならないことを表している。
【００８７】
以上より、Ｐ１ａ及びＳＡＲが最大をとる周波数とＩｍ（Ｚ１ａ）＝０になる周波数は、生体組織が変わると変化した。一方、Ｖ２及びＶ２／Ｐ１ａが最大となる周波数は、生体組織が変わることにより１０ＭＨｚ程度変化した。また、このときのＶ２／Ｐ１ａの値も、生体組織が変わると大きく変化した。
【００８８】
これは、図３のように、送信電源２１のＬｈと生体組織のＣｈとの直列共振がおき、この周波数においてＩｍ（Ｚ１ａ）＝０が生じたと考えられる。また、同時に、送信電源２１から見ると、インピーダンス整合がとれた状態になり、この付近の周波数で、Ｐ１ａ及びＳＡＲが最大になったと考えられる。また、この周波数は生体組織によって変化し、周波数の高い順に、脂肪、筋、脳脊髄液であった。脂肪は筋より比誘電率が小さいので、Ｃｈは小さくなり、筋より大きな周波数で最大となり、一方、脳脊髄液は筋より比誘電率が大きいのでＣｈは大きくなり、筋より小さな周波数で最大となったと考えられる。
【００８９】
Ｖ２及びＶ２／Ｐ１ａにおいて最大値が得られる周波数も、生体組織によって１０ＭＨｚ程度変化した。これも、図４に示すＣｂが変化したためと考えられる。
【００９０】
次に、Ｖ２／Ｐ１ａの最大値に関して考察する。脂肪の場合は筋より導電率が小さいので、生体組織でジュール熱になる分がほとんどなくＰ１ａが小さい。脳脊髄液の場合は、筋より導電率がさらに小さいので、Ｐ１ａは筋や脂肪よりも大きくなる。このため、Ｖ２／Ｐ１ａの最大値においては、Ｐ１ａの値が支配的になり、脂肪において最大値１５８８を得、脳脊髄液において最低値１４．７を得られたと考えられる。
【００９１】
本解析により、情報伝送するための最適周波数（Ｖ２／Ｐ１ａが最大になった周波数）は、生体組織の種類によって少ししか変わらないが、受信する信号電圧の大きさは生体組織によって大きく変化することが確認できた。
【００９２】
従って、上記各実施の形態において、対象とする人体の生体組織（送信部が配置される体内の生体組織、受信電極間の生体組織）の種類によって、ワイヤの長さ、受信回路の抵抗値、受信電極の面積を適切な値とすることにより、体内から体外へより高効率に情報を伝送することができる。
【００９３】
なお、上記各実施の形態では、送信電極が２つの場合ついて説明したが、３つ以上の送信電極を用いてもよい。この場合、３つ以上の送信電極の中から２つの送信電極を時分割で順次選択しながら、電界を発生させるようにするとよい。受信部４０では、最も効率よく伝送された情報を抽出するようにするとよい。これにより、電界が生じる向きを変化させることができるため、例えば、カプセル内視鏡のような体内で送信部の向きが不定となるような場合でも、体内から体外へ安定して情報を伝送することができる。
【００９４】
また、上記のワイヤの長さ、受信回路の抵抗値、受信電極の面積以外にも、絶縁フィルムの種類、厚さ、送信電極の面積等を適切に設定することによっても、体内から体外へより高効率に情報を伝送することができる。以下、解析結果を用いて、これらの絶縁フィルムの種類、厚さ、送信電極の面積等の値を変えることで、Ｓ２１（Ｖ２／Ｐ１ａ（電源出力電力Ｐ１ａに対する受信信号電圧Ｖ２）に相当するパラメータ、詳細は後述）が変化することを示す。
【００９５】
ここでは、電磁界解析ソフト（CST Microstripes）を用いて、ＴＬＭ法によりＳパラメータを求めた例を示す。解析モデルは、図５に示した送信部２０、及び図７に示した受信部４０を含んで構成されたモデルとし、送信電極２２及び受信電極４１はいずれも銅とした。受信回路４３の負荷抵抗ＲＬ＝５００Ωとし、人体部分は筋組織のみで構成された均一組織を用いた。周波数によって筋の導電率及び比誘電率は変わらず一定とし、導電率：０．７２、比誘電率：６２とした（人の１５０ＭＨｚの筋に値に相当）。また、絶縁フィルム２３の導電率及び比誘電率も、周波数によって変わらず一定とし、導電率：１Ｅ−１７、比誘電率：３とした。
【００９６】
本解析では、パラメータとしてＳ２１を測定した。Ｓ２１は、入力から出力への電力の利得の平方根（Ｐ２ａ／Ｐ１ａ）１／２に対応するパラメータであり、Ｖ２／Ｐ１ａ１／２の比例に相当する値である。Ｖ２／Ｐ１ａ（電源出力電力Ｐ１ａに対する受信信号電圧Ｖ２）とは値が異なるが、傾向は同じものを示す。
【００９７】
上記の条件において、送信電極２２の面積を変えた場合のＳ２１の結果を図１６に、受信電極４１の面積を変えた場合のＳ２１の結果を図１７に、送信電極２２につけた絶縁フィルム２３の厚さを変えた場合のＳ２１の結果を図１８に示す。
【００９８】
また、絶縁フィルム２３には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリメタクリル酸メチル（アクリル）、ポリエチレンテレフタレート（ポリエステル）、シリコーン、ポリ塩化ビニルポリウレタン系などが考えられるが、ポリウレタン系においては比誘電率が高く、導電率が大きくなる傾向にあるため、導電率：５Ｅ−１５（Ｓ／ｍ）、比誘電率：７．５とした場合についても解析した。その結果を図１９に示す。
【００９９】
さらに、人体の体型が変わった場合についても解析した。図２０（ａ）に示すように、腹部の奥行きを１８００ｍｍのモデル（標準モデル）、及び同図（ｂ）に示すように、腹部の奥行きを２倍（３６００ｍｍ）に変更したモデル（肥満モデル）について、送信電極２２の面積を変えた場合におけるＳ２１の比較結果を図２１に示す。Ｓ２１が最大になる電極面積の値は、モデルによって異なることがわかる。つまり、人体のサイズの違いによっても、効率が最大になる送電電極面積の値は変化することがわかる。
【符号の説明】
【０１００】
１０、１１、１２、１３、１４ 体内情報伝送装置
２０ 送信部
２１ 送信電源
２２ａ、２２ｂ 送信電極
２３ 絶縁フィルム
２４ センサ
２５ 制御部
４０ 受信部
４１ａ、４１ｂ 受信電極
４２ ワイヤ
４３ 受信回路
５０ 人体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信電源、及び該送信電源と電気的に接続されて該送信電源を挟むように配置され、かつ各々の全体または一部が絶縁体で覆われた複数の送信電極を含み、体内に配置された状態で電界を発生させる送信手段と、
体表面に配置される一対の受信電極、及び前記送信手段から発生された電界により前記一対の受信電極間に生じる電位差を検出する検出部を含む受信手段と、
を含む体内情報伝送装置。
【請求項２】
前記受信手段は、前記一対の受信電極間を電気的に接続するワイヤを含み、前記送信手段から発生された電界を受信する請求項１記載の体内情報伝送装置。
【請求項３】
前記電位差、及び前記送信電源の電力に対する前記電位差で表される伝送効率の少なくとも一方が最大となる前記電界の周波数に応じて前記ワイヤの長さを設定した請求項２記載の体内情報伝送装置。
【請求項４】
前記電位差、及び前記送信電源の電力に対する前記電位差で表される伝送効率の少なくとも一方が最大となる前記電界の周波数に応じて前記検出部の抵抗値を設定した請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の体内情報伝送装置。
【請求項５】
前記受信電極の平面視面積を、前記電位差、及び前記送信電源の電力に対する前記電位差で表される伝送効率の少なくとも一方が最大となるように設定した請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の体内情報伝送装置。
【請求項１】
送信電源、及び該送信電源と電気的に接続されて該送信電源を挟むように配置され、かつ各々の全体または一部が絶縁体で覆われた複数の送信電極を含み、体内に配置された状態で電界を発生させる送信手段と、
体表面に配置される一対の受信電極、及び前記送信手段から発生された電界により前記一対の受信電極間に生じる電位差を検出する検出部を含む受信手段と、
を含む体内情報伝送装置。
【請求項２】
前記受信手段は、前記一対の受信電極間を電気的に接続するワイヤを含み、前記送信手段から発生された電界を受信する請求項１記載の体内情報伝送装置。
【請求項３】
前記電位差、及び前記送信電源の電力に対する前記電位差で表される伝送効率の少なくとも一方が最大となる前記電界の周波数に応じて前記ワイヤの長さを設定した請求項２記載の体内情報伝送装置。
【請求項４】
前記電位差、及び前記送信電源の電力に対する前記電位差で表される伝送効率の少なくとも一方が最大となる前記電界の周波数に応じて前記検出部の抵抗値を設定した請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の体内情報伝送装置。
【請求項５】
前記受信電極の平面視面積を、前記電位差、及び前記送信電源の電力に対する前記電位差で表される伝送効率の少なくとも一方が最大となるように設定した請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の体内情報伝送装置。
【図１】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１３−５５４２３（Ｐ２０１３−５５４２３Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９０９９２（Ｐ２０１１−１９０９９２）
【出願日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２３年３月５日 第２０回ライフサポート学会フロンティア講演会事務局発行の「第２０回ライフサポート学会フロンティア講演会予稿集」に発表 平成２３年５月１８日 日本ＡＥＭ学会主催の「第２３回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム」にて発表 平成２３年８月２６日 社団法人 日本機械学会関東支部発行の「第１９回茨城講演会 講演論文集」に発表
【出願人】（８０３０００１１５）学校法人東京理科大学 (545)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２３年３月５日 第２０回ライフサポート学会フロンティア講演会事務局発行の「第２０回ライフサポート学会フロンティア講演会予稿集」に発表 平成２３年５月１８日 日本ＡＥＭ学会主催の「第２３回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム」にて発表 平成２３年８月２６日 社団法人 日本機械学会関東支部発行の「第１９回茨城講演会 講演論文集」に発表
【出願人】（８０３０００１１５）学校法人東京理科大学 (545)
【Ｆターム（参考）】
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