胶囊式内窥镜调研报告

人体腔道诊断技术,关于胶囊式内窥镜的调研报告胡春光2002.11.30,肠胃诊断的几种方法（一）,内窥镜只能看见肠道的1/3部分（全胃，小肠上端，结肠）需要镇定药物，风险大，有副作用诊断不方便，潜在危险有疼痛感，不舒适放射（钡餐）暴露在X射线之下不舒服,肠胃诊断的几种方法（二）,超声波图像不清晰CT 扫描暴露在X射线之下价格昂贵,胶囊式内窥镜的产生,虽然肠道诊断的方法种类很多，但仍以内窥镜为主。尽管传统内窥镜取得了很大的发展（如光纤内窥镜和电视内镜的出现），但其对较粗导线的依赖和较差的柔韧性依然给患者的诊断带来了不便和危险。人们急需一种功能强大，使用方便，且舒适安全的新型诊断仪器，来弥补或替代现有的诊断手段。新型仪器应具备以下特征：小体积，高度集成；无线控制和实时传输；低成本，低能耗；一次性使用等。,胶囊式内窥镜的组成,主要有三部分组成：胶囊体（体内）数据记录仪（体外）工作站（体外）,胶囊体的组成,传感器 用于获取肠胃生理参数，如：溶解氧传感器、PH值传感器、温度传感器，压强传感器以及图像传感器等信息处理系统（ASIC） 负责多路信号的获取、放大、转换、调制和传输等。它包括：前置放大器、信号多路复用、ADC、DAC，以及系统控制单元。无线发射接收装置电力供应系统,胶囊式内窥镜全貌,ASIC结构图,两种传感器芯片,M2A式无线内窥镜胶囊（以色列Given Imaging公司）,2001.5发布产品，同年8月获美国FDA批准已获欧美等许多国家批准，用于临床诊断，日本也即将引进。目前主要用于回肠癌和回肠疾病的早期诊断。,,Given 诊断系统（M2A）,组成部分：M2A一次性摄像胶囊：患者吞服后，在胃的蠕动和肠道的正常运动中，胶囊平滑地、无痛苦地通过肠胃通道，其间，将图像信号传输给外部记录单元存储。信号也可用于跟踪胶囊运动的物理过程。胶囊最后自然排出体外。无线记录仪：系于腰部，通过安置在身体上的天线接收、记录体内胶囊传输的信号。这种灵活的装置可舒适的携带，不妨碍患者的其它正常活动。计算机工作站：安装Given 专用软件RAPID（Reporting and Processing of Images and Data)，向医师提供数据处理，观看、编辑、获取录像，存储单副图像和短视频录像等功能。,M2A,组成：COMS图像传感器，光源（LED），透镜，ASIC，发射器/天线，电池等。规格：11mm(D)X26mm,重4g,视场角140度，分辨率0.01mm/1mm,存储图像数57000 images/8h,平均2 images/s,工作时间8小时，记录仪下载数据到工作站需1.5小时，分析处理图像需45分钟-2小时。技术：采用超高频（UHF）代式天线遥测的方法，将人体内捕获的图像用视频图像输出，胶囊在体内的位置可由其信号强度计算得出。,M2A结构示意图,RAPID软件操作界面,无线记录仪,工作过程（病人方面）,带好记录仪，空腹伴水吞服借助肠胃运动，自然穿过人体肠道具有防酸功能自然排泄回收记录仪,工作过程（技术方面）,通过摄像机获取图像通过无线方式传输信号采用数字化 获取的图像放入 RAPID 工作站中处理,M2A遇到的问题及缺点,目前，胶囊还不能用于食道、胃、大肠的诊断，因为这些部位空间太大，且患者吞服时胶囊下去的速度太快，来不及检查。较难实现对胶囊在体内姿态和运动状况的实时控制，以及对特定部位的检查。能耗和能源提供问题突出。照明光源（白色LED）耗电量较大，仍使用了纽扣电池，使用时间短，存在安全隐患，如果发生拥塞，电池内有毒化学物质可能损害人体健康。图像质量一般，分辨率较低，传输速度慢。只能实现离线诊断，没有在线实时控制和治疗等功能。,NORIK V3 胶囊式内窥镜（日本RF公司，RF SYSTEM LAB.）,2002.3发布，已完成动物实验，正进行临床测试，12月将预售200套（$18000/unit, $120/capsule)第一个battery-free胶囊内窥镜，能量通过微波传输，采用CCD摄像技术，分辨率高，图像质量好，可探测胶囊在体内的位置，并适当调整姿态，实现远程诊断和简单治疗。尺寸：10mm(D)X23mm,较M2A小30左右。,,NORIKA V3 技术亮点（一）,无线电力传输：通过载波频率将能量传输给胶囊，并于相机自身时钟频率同步，操作信号为数字多路复用信号。利用微波技术，从体外将电力输送到体内的胶囊。CCD驱动时钟频率与DSP时钟频率同步。数字化、多路复用的操作信号可同时控制胶囊内部的不同设备。,技术亮点（二）,强大的外部单元控制能力：利用多路复用微波技术，传输相机驱动信号和胶囊操作信号，实现了胶囊的类机器人的动作。实时检测胶囊相机的能级水平，可获得胶囊的位置和方向信息。肠道图像及时传输到外部显示器上。利用这些图像，医生可控制胶囊，直接在患处实施治疗。,技术亮点（三）,CCD技术的应用：CMOS图像传感器具有小型化、低成本、低功耗、高灵敏性等特点，但其图像质量，特别是色彩再现和亮度水平较CCD逊色。克服这些缺点需加照明设备，同时，耗电量将是CCD的2倍。CCD的一大缺点便是电量消耗大。RF利用微波技术，成功地将DSP与CCD分离，使得相机94的电力消耗分布在体外，总耗电量降低了20倍，体积也缩小了4倍胶囊的图像质量可与市场上高分辨率的家庭摄像机媲美，视频信号适用于标准的广播系统，传输速度30images/s，可观察到肠内的微小移动。,技术亮点（三）,CCD技术的应用（续）：胶囊图像兼容家庭视频产品，如VCR和视频打印机，也可通过图像采集卡，将图像传输给计算机。胶囊CCD在数字肖像中提供了“Profound dynamic range”技术，提高图像质量。一次性的胶囊有以下几部分组成：CCD图像传感器，CCD微驱动芯片，微波发射器，转子环，以及电容器。这些器件占据了胶囊体积的60。,无线电力传输与控制示意图,技术亮点（四）,体外控制胶囊方向：胶囊的旋转机理类似于三脚马达原理和闪光灯闪光技术（如恒流电池的充电和快速放电的反复）。胶囊作为转子，外部控制单元中背心形状的专用环作转子。胶囊的电容器由无线传输获得能量，进行充电。当蓄积的能量迅速释放到转子上时，瞬间将产生强磁力，通过协调两转子间的磁力，胶囊产生旋转。只要维持电流同步，胶囊便可实现控制。,NORIKA 内部结构图,技术亮点（五）,3D图像：在照明中，有4个LED位于相机透镜周围：2个白光LED，1个红外LED，1个可调波长的LED。在观察图像中，可通过4个独立的光源的合成，调整光线，使患处的影像亮暗分明。深度的三维图像可用红外线LED获得。 LED的亮度由外部控制单元调节。位于CCD传感器左右两端的LED亮度，可独立控制，产生的亮光和阴影的融合，使单目CCD图像传感器获得了三维图像效果。,LED方位图及简单三维成像示意图,技术亮点（六）,附余空间：有两个相互独立的附余空间可供医生使用，大约占胶囊体积的40。医生可利用压缩空气的技术，实现胶囊精确喷洒药物和直接组织取样等功能。这些空间也可用来放置各种专用传感器，如PH值分析仪；也可安装切割组织的微型操作手。,胶囊式内窥镜关键技术,各种专用传感器的开发与研制：图像传感器的选用和开发；可测生理参数的传感器件的研制。系统集成技术：专用集成芯片的开发，传感器芯片的集成。包含接口设计、信号调节、数字信号处理、微处理器单元等。驱动与控制技术：无线通讯和传输技术，巧妙的驱动原理和机械结构，灵活的微