可食用无线胶囊内窥镜:进展和技术挑战

文摘

无线胶囊内窥镜(WCE)提供了一种可行的非侵入性的方法来检测整个胃肠道(GI)束和变革了诊断技术。然而,与有线相比内窥镜检查,工作时间有限,低帧率和较低的图像分辨率限制更广泛的应用。这种新技术的进展综述,和演化趋势分析图像分辨率高,高帧速率和漫长的工作时间。不幸的是,电源的胶囊内窥镜(CE)是瓶颈。无线电力传输(WPT)是有前途的解决这个问题,但也的技术挑战。活跃的CE的另一个趋势,并将成为下一个geneion WCE。然而,不久它不会成真,除非实际运动机制活跃CE的消化道。运动机制是其他技术的挑战,除了WPT的挑战。WPT的进展和活跃的胶囊技术研究进展。

1。介绍

大多数疾病,如出血,溃疡,肿瘤可以被治愈或控制在他们的早期阶段,或者他们会恶化成癌症或其他一些重要疾病(1]。诊断这些疾病在早期阶段是非常重要的,但它是不容易的。许多间接的技术已经开发检测胃肠道疾病,如血管造影,超声、x射线(包括CT),和闪烁扫描法。不幸的是,据报道,他们低诊断收益率甚至出血检测(2,3]或很少有帮助,除非是活跃的严重出血4]。

最好的方法来检测胃肠道疾病和发现直接查看胃肠道内工作,因此,内镜是一种直接有效的诊断技术(5]。有线内镜的发明使人们有可能把整个胃,上小肠和结肠。因为允许临床医生的能力直接查看胃肠道、内窥镜检查已经成为标准方法和标准在临床诊断胃肠道疾病。然而,受限于物理原因,传统的入侵连接整个消化道内镜不能检查,使小肠死区。他们不方便,给病人带来剧烈的疼痛。此外,他们可以增加肠穿孔的风险和交叉污染的可能性。

2000年,一种新的内镜、无线胶囊内窥镜(WCE),由给定的成像公司报道。WCE系统构成的四个部分,包括胶囊内窥镜(CE),数据接收盒,工作站,应用软件。CE 11毫米直径30毫米的长度,这是足够小,容易被患者吞下。在其旅行穿越胃肠道的蠕动,CE胃肠道的图片。病人的身体之外的无线图像传输和接收的接收盒与病人的腰部。特首是由一个电池,可以保持连续工作6小时6,7]。在2001年首次进行了临床试验(8]。WCE技术的使用方便和安全,和整个消化道检查没有死区。这样的内镜是一种现实的替代传统的入侵内镜和变革了诊断消化道疾病的方法。

WCE盛开成一个重要的诊断技术在临床上根据其资产。它有不可替代的作用,尤其是对小肠诊断和主要是用于诊断出血、溃疡、肿瘤等。多种WCE已经发展到目前为止,和一些商业WCE产品在市场上是可用的。然而,有限的工作时间,低帧率,图像分辨率低WCE限制更广泛的应用。因此,这部小说的倾向技术向高帧速率,图像分辨率高,长的工作时间。同时,现在的CE运动是被动的,所以它的位置不能被控制,WCE技术的主要缺点。活跃的CE,即胶囊机器人,是下一个WCE的重要趋势。针对倾向,科学家正在从事的研究工作可分为四个技术:CE技术,图像处理的技术,无线电力传输技术(WPT),和技术的运动机制活跃CE。图像处理技术可以分开WCE的技术,所以它将不会在这里介绍。摘要WCE技术的进步将会总结。 The tendencies of WCE evolution and the relevant technical challenges will be analyzed. Finally, the progress of WPT and locomotion mechanisms of active CE is reviewed.

2。可食用胶囊内镜的概述

2.1。早期的有线和无线可食用胶囊内窥镜检查

胃肠道的主要生理参数,关注医生、pH值、温度、压力、氧气和电导率。这些生理参数略有变化,定期在某个值范围内。因此,生理参数的信息可以反映病理变化,从而有助于早期诊断。

第一个参数可食用胶囊是在1950年代开发的测量压力信息痢疾患者的小肠9- - - - - -11]。之后,温度参数胶囊(12)和pH参数胶囊(13)开发。然而,电子技术的限制,这些参数胶囊整体水平较低、糟糕的性能,和高昂的成本。因此,他们很难被应用在诊所。

德国海德堡医疗公司开发的第一个商业pH参数胶囊检测系统。胶囊,直径7.1毫米,15.4毫米长,可以保持在胃肠道工作了6个小时。这个设备是用于诊断胃酸,anachlorhydria [14]。2002年,美国美敦力公司发布了另一个无线胶囊pH值系统,名叫布拉沃。该系统主要用于诊断胃酸返流性疾病(15]。一个新的多参数胶囊系统命名SmartPill是美国SmartPill公司开发的。SmartPill有能力测量压力,温度和pH值的消化道。现在,这个产品已经FDA(美国食品和药物管理局)许可证。

胶囊的生理参数测量设备有助于早期诊断和预防性治疗。然而,这些类型的可食用胶囊是间接诊断技术可靠性较低。诊断胃肠道疾病的最好方法是直接观察消化道壁。的发明有线内窥镜可视化的整个胃,上层小肠和结肠。自1950年以来,各种连线内窥镜被发明和使用在临床领域,如胃镜,esophagoduodenoscope,结肠镜。有线内窥镜的发展历史可分为四个阶段:rigid-wire内镜,半柔性的镜头内镜,光纤内窥镜,数字内窥镜检查。现在,光纤内窥镜检查和数字内窥镜检查仍然是主要的胃肠道疾病的诊断技术。

光纤内窥镜的关键部分是纤维束,用于执行图像。纤维束是由成千上万的非常细玻璃纤维和玻璃纤维可以携带反射影像。从1963年开始,日本企业开始使光纤胃镜产品,并提高了胃镜更可行的。此外,这个光纤内窥镜活检设备嵌入,所以被广泛的功能扩展。数字内窥镜牵引灵活,长电缆,携带能力,视频信号和照明。这些电缆的顶端,一个微型摄像机组装。在考试过程中,数字有线推入消化道内窥镜,这些电缆。通过光纤束灯光照明源胃肠道和微型摄像机获取图像进行检查。与有线内窥镜早些时候相比,数字内窥镜可以得到更清晰的图像分辨率较高的图像。此外,图像可以存储和处理计算机。 This kind of wire endoscope is now popular in clinic. Now, Welch Allyn Company, Olympus and Fujinon are successful vendors of digital wired endoscopes.

2.2。WCE和商业产品

有线内镜为医生提供了一个实用技术查看消化道。然而,受限于物理原因,这些传统入侵整个消化道内窥镜检查不能推动,使小肠死区。他们不方便,造成剧烈的疼痛。此外,他们可以增加肠穿孔和交叉污染的风险。

技术突破,包括半导体、集成电路、照明,和更大的对人类生理的理解,可能发展的一种新型endoscopy-wireless胶囊内镜(WCE)。典型的WCE系统包含四个部分:胶囊内窥镜(CE),接收盒,图像工作站和软件应用程序,如图1(16]。CE电子微系统,在胃肠道可以摄取图像,传输图像在病人的身体。

2000年报告第一WCE系统后,给定的图像公司发布了第一个商业WCE产品系统M2A Yoqneam,以色列(6]。系统的CE是11毫米直径和26毫米长,小到可以吞下的病人。特首是由7个主要模型包括光学穹顶,短焦距镜头,CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器,RF(射频)发射机,单片机(microcontrol单位),LED(发光二极管)照明、太阳能电池,如图2。特首是由患者吞下后,它会通过与自然整个胃肠道蠕动。在这个过程中,光学穹顶可以鼓起肠道壁不需要充气。同时,消化道微型CMOS图像传感器的图像,和射频模型传输图像以外的病人身体2 f / s的帧率(每秒帧数)。接收到的图像是通过接收框外,在PC工作站。考试后,CE自然而然地发泄出来了。特首是由太阳能电池,它允许超过6小时的连续工作。第一个人类临床试验是在2001年,2001年8月,FDA发布M2A [7,8,17]。这样WCE考试提供了一个方便的用最少的准备和立即复苏。这是一个现实的替代传统的有线入侵内镜和变革了检查胃肠道的方法。

M2A的名字改为药丸摄像头(意味着药丸和相机)。2005年,鉴于发达两个截然不同的WCE成像系统:药丸摄像头ESO专门为食道(18和药丸摄像头某人专门为小肠19),如图3。CEs的两种相同的体系结构和工作原理M2A。药丸摄像头某人是11×26毫米的轮廓和权重小于4 g,和它的连续工作时间是7±1小时。药丸摄像头ESO相同维度药丸摄像头某人,两端装有微型摄像机。五分钟的考试中通过食道,药丸摄像头ESO每秒捕获18图像的能力,和它的连续工作时间是20±5分钟。药丸摄像头某人和药丸摄像头ESO现在取代第二代,整合先进的光学和自动灯光控制,所以可以提供最佳的图像质量和照明。

药丸摄像头结肠是另一个产品给成像,专门针对可视化的结肠粘膜和检测息肉。2008年美国FDA拒绝药丸摄像头结肠应用程序后,鉴于药丸摄像头成像发展第二代结肠2,并在2009年获得了CE标志,并于2010年在欧洲商用。药丸摄像头结肠2两端设有两个图像传感器和提供了一个近360°的结肠视图。它措施11×31毫米。最杰出的药丸摄像头结肠2是CE之间的双向通信和数据记录器。因此,实时图像捕获率可以调整从4 f / s 35 f / s最大化结肠组织覆盖和可以继续工作大约10个小时。

Given Imaging旁边,奥林巴斯光学公司是WCE的另一个主要供应商。奥林巴斯收到第一次重大专利,1981年发布了名为EndoCapsule WCE汉堡,德国在2005年(20.),衡量11×26毫米。M2A不同,这个CE配备了六个白色发光二极管和超灵敏的CCD(电荷耦合器件)图像传感器,所以据报道生成高分辨率图像,胃肠道的工作时间8小时。据报道,最新的胶囊内窥镜从奥林巴斯激活和停用本身的能力,但这种胶囊内窥镜市场上并不是免费的。

M2A初始发射以来,几种WCE发达,都是基于同样的原理。OMOM公布了中国重庆景山公司和接收其sFDA 2005年3月。CE大小是11×25.4毫米140°的视野。帧率是2 f / s,操作时间最长是6 ~ 8小时。现在,它广泛用于中国医院21,22]。公布了MicroCam IntroMedic公司在首尔,韩国,2007年4月。CE大小是11×24毫米的视野150°。帧率最高可以3 f / s,最长运行时间达到11小时以上23,24]。公元2001年,射频系统实验室发布了一个最优的Norika模式。在设计模型中,Norika 9×23毫米的轮廓和配备CCD图像传感器的帧速率30 f / s。四个照明led光波长不同,可以产生模拟3 d图像。镜头的焦点可以调整,以获得更清晰的图像。Norika的最显著特征在活的有机体内药物输送和样本提取。解决电力需求,Norika是进行无线充电25]。

2.3。优势和局限性

WCE应用越来越多,不仅因为它的方便和没有痛苦,但也因为它的临床效果。比较WCE和内窥镜检查,胃肠道的外表被WCE通常是类似于内窥镜检查,和WCE明显优于推内镜在小肠出血来源的识别(26]。WCE也显著优于推时内镜诊断总收益率进行了分析包括其他消化道异常出血(2,4,5,27- - - - - -30.]。总体来说,WCE是诊断胃肠道的有效手段诊断产量和高可靠性。此外,它是唯一的成像方法,可以提供彩色图像的小肠无痛。此外,不考虑成本,病人更喜欢WCE传统的推动内窥镜。

然而,WCE有局限性。首先,图像质量最好的质量不如灵活有线视频内窥镜检查。胶囊的帧率较低(最近v 25 f / s)。图像的分辨率为256×256是不满意,而光强度还不能应对改变的需求。其次,大多数现有的CEs是由电池供电,因为有限的电源,其中一些CEs可以继续工作超过8小时。然而,对于胃肠道疾病患者,需要大大超过8 h诊断;否则,小肠还没有检查当电池耗尽了力量。最后,CE的举动是被动的,它的位置不能控制,所以不能反复检查病变。因此,WCE仍然是一个不成熟的技术,需要鼓励和技术改进。

3所示。发展趋势和技术挑战

WCE技术已成功应用于临床,尤其是在小肠的诊断。然而,与有线内镜相比,有限的工作时间不到8 h, 2 f / s的低帧率和较低的图像分辨率为256×256限制更广泛的应用。不仅工作时间绝对是有限的电力供应的CE,但图像分辨率和帧速率也有限的电源。部分消耗最大的权力,包括图像传感器、单片机和射频模块。现在鉴于中国Hitron成像公司,公司在杭州不使用通用集成电路芯片设计CE。他们独家定制集成电路芯片集成单片机模块和射频模块。因此,大量的集成电路芯片是显著降低,CE的电力消费大幅下降,因此CE延长的工作时间超过15小时。然而,这是不够的。如果提高图像分辨率和帧速率,电力消费将显著增加,工作时间将大幅下降。因此,电力供应限制仍然是成熟WCE系统的瓶颈。

这个新技术的一个趋势是向高帧率和高分辨率的图像。活着的胃肠道器官不断移动,所以2 f / s的帧速率显然是不够诊断消化道器官的细节。理想的帧速率WCE WCE高达视频。现在,一些视频WCE系统已经开发出来,CE可以传输消化道图像的帧速率30 f / s NTSC视频格式(31日]。另一方面,图像分辨率为256×256是不满意与有线内镜相比,和图像分辨率不能太高等。然而,高帧率和高图像分辨率因此带来了更多权力需要超出任何电池可以供应。为了减少图像数据的图像分辨率和帧率高,一些新的图像压缩算法是视频CE (32,33]。然而,复杂的压缩算法不适合小和低功耗CE和影响是有限的。无线电力传输(WPT)是正确的解决这个问题,但它是不容易的,所以这是一个巨大的技术挑战。

无线电力传输系统是基于电磁感应。这样WPT系统已成功应用于春节(经皮的能源传输)系统提供电力对于一些植入人造器官(34- - - - - -36]。但春节系统的现有技术是不适合WCE。在春节系统中,发射线圈(TCs)和接收线圈(RC)放置尽可能近,和它们之间的距离不超过20毫米。然而,TC和RC WCE系统放置在体内,和它们之间的距离是50 mm ~ 150毫米。距离越长,较弱的发射电磁场,因此产生的电力在RC非常有限。此外,RC和TC在春节系统放置固定不动地,所以他们的相对位置和RC的方向是固定的,而位置和姿态的RC WCE系统不断变化的推进在胃肠道CE。因此,移动RC和TC的失配将减少引起的电力。理论上可以生成更强大的磁场通过增加电力的TC所以在RC增加电力。虽然这种设备是用于人体,并增加高度的磁场会对人体造成危害。

WCE进展的另一个趋势是活跃的CE,即胶囊机器人。现在在现有WCE系统中,被吞下后,CE旅行在胃肠道推进自然蠕动,所以CE运动是被动的。因此,位置无法控制,这是WCE技术的主要缺点。因为被动运动的CE,疾病不能被反复的焦点。此外,小说的被动运动是瓶颈CE与各种功能包括活检和药物输送。活跃的CE将被动CE的下一代。然而,活跃CE在消化道的运动的另一个巨大的挑战除了供电困难。胃肠道是一个非常困难的环境积极的运动。组织通常是柔软和粘弹性,它是非常困难的移动活跃CE不伤害组织。GI沿着消化道形态各不相同,因此,将上下运动的方向,除了提前和回来。 Moreover, the surface is slippery and varies in thickness and viscosity along the different tracts. Therefore, the locomotion mechanism is the other technical challenge. Some researchers embedded a magnetic actuator in the CE and used a strong magnetic field outside to control the CE to move [37- - - - - -39]。这种自航CE需要复杂的传动系统和很难在诊所使用。此外,考试是有限的和专业,这与方便WCE冲突。因此,它只是一个过渡,不是一个真正的活跃的CE。

高帧率和高图像分辨率CE进步的趋势,但WPT是最大的技术挑战。活跃的CE是另一个发展趋势,积极CE可以很容易地集成新的活组织检查和药物传输等功能。然而,WPT旁边,CE在消化道的运动机制是另一个巨大的技术挑战。

4所示。WPT的进步和运动机制

一个典型的无线电力传输系统如图4,这是视频WCE系统的电源(31日]。没有电池在公元视频。无线供电系统包含外部电力传输设备和接收子系统的内在力量。外部电力传输设备由定时脉冲发生器,电路驱动和亥姆霍兹线圈传输(TC)。定时脉冲发生器产生的信号放大的电路驱动程序和用于驱动亥姆霍兹TC,在人体生成统一的电磁场。power-receiving子系统是嵌入在CE和由整流稳压电路和一个三维正交接收线圈(RC)铁氧体磁芯。在电磁场的变化,三维正交RC生成诱导电流,就像一个变压器的工作。感应电流的整流和电压调节CE。

3线圈互相垂直使钢筋混凝土产生足够的权力在任何方向。铁氧体多维数据集的核心,可以显著提高传输效率40),是由Mn-Zn材料高初始磁导率和低损耗系数。亥姆霍兹线圈的TC是一对,由两个相同的圆形磁线圈放置对称和分离的距离等于半径的线圈。每个线圈携带相同的同一方向流动的电流。亥姆霍兹TC合作和3 d RC,无线供电系统可以产生稳定的权力CE,无论取向CE的是(41]。提供的无线电力,CE的能力胃肠道的图像的图像分辨率320×240,和身体以外的传输视频帧速率30 f / s。

WPT体系CE的最显著特征是移动RC和TC的失配。Soma摩尼提出的详细理论分析偏差效应在WPT系统中,包括横向和角失调(42]。Kopparthi WPT系统开发了一个实验。power-receiving装置固定在TC,最高权力得到RC = 1 W当设备处于最佳状态43]。然而,在这WPT系统,CE的位置和姿态的变化,引入电流消失,因为钢筋混凝土之间的失配和TC。

Ryu等人在Hallym大学和他的团队专注于RC线圈转动的影响和负载阻抗匹配的接收功率RC (41,44]。旨在CE无线,他们首先3 d设计的钢筋混凝土,这可以减少RC的姿态的影响。接收系统,如图5,可以产生300兆瓦的电力无论RC的磁场的方向。Lenaerts等人,法令等人在比利时Katholieke项目鲁汶发现铁氧体磁芯可以显著提高传输效率。他们开发了一种无线电力传输系统活跃的CE,和3 d RC步履蹒跚在一个立方体铁氧体磁芯。使用这个系统,330 mW电力成功了RC (45- - - - - -50]。

鑫等人和Guan-ying等人研究了无线电力传输效率的耦合系数,理论和WPT系统开发视频CE。他们做了一些研究工作的安全无线电磁波(51,52]。

甚至许多创造性的WPT系统开发,取得了一些成绩,但它仍然是一个巨大的技术为WCE挑战者。RC的发电和传输效率稳步上升的电磁波的频率和强度。电磁强度越大,频率越高,钢筋混凝土可以生成更多的权力。然而,作为一种导体,身体也吸收电磁波的生物组织,和吸收有相同的普通法律的RC。因此,电磁强度越大,频率越高,人体更大的破坏会(53]。总之,传输效率仍然与安全发生冲突,但是很少有关于安全研究的成果。因此,更多的创意WPT和安全性研究之前,必须取得WPT适用于诊所。

现有的运动CE是被动的。因此,CE的运动不能控制,和疾病的焦点不能反复观看。此外,活组织检查的功能,药物输送,和其他显微手术不能集成在CE。活跃的胶囊,即胶囊机器人,是一种新的准仪器将代替传统内窥镜胶囊内窥镜。活性胶囊可以前进、后退、或站控制。

几个原型开发的研究在过去的20年。达里奥和他的团队在意大利罪犯(微观工程学的研究中心)实验室开发了一个inchworm-like机器人结肠镜,这是由一些气动执行机构必须携带一个空气管移动时在胃肠道54- - - - - -60]。活动机器人结肠镜直径22毫米和153毫米的长度。前面有许多小孔,阻碍部分。细孔能吸收胃肠道壁的气动执行机构的气举采油,所以部分可以控制停止。中间部分将阻碍部分的前部分和吸引阶段,所以活动机器人结肠镜前移动。不幸的是,这种机制适用于异常压力的胃肠内壁足够的摩擦力,这可能会伤害薄而脆弱的人体组织。在2004年,这个团队开发了另一个活跃的内窥镜是由形状记忆合金(SMA)致动器(61年,62年]。机器人胶囊有八个敏捷bioinspired腿的SMA。活跃的胶囊和缩微图像传感器组装在一个扩大透明的装置,可以一定程度上的视图。然而,运动机制不能应用在诊所,因为活跃内窥镜压电线性致动器,或一个微型电动机,必须拖一个电缆。电缆或空气管不仅降低了机器人的灵活性,还可以防止机器人进入胃肠道的更深的地方。

金等人韩国科学技术研究所开发的另一个earthworm-like活跃CE使用microbrushless直流电机,离子聚合物金属复合传动装置、和SMA。原型,四个弹簧SMA驱动器选择为活跃的CE,各层和四个仿生接线板选择停止设备。它总共是13毫米直径33毫米长度、直径7.6毫米的中空空间,房子的其他部分CE (63年,64年]。然而,这些类型的SMA驱动器经常需要加热或冷却。胃肠道的在一个封闭的环境,致动器的冷却速度是非常低的,所以机器人发展速度很低。

提出了另一个小说paddling-based机车机制(65年- - - - - -67年),这是源于独自划着一只小船。公元同步多个活跃的腿就像独木舟的桨。线性致动器,它由微电机和丝杠,选择各层。两个移动气缸内的胶囊是停止设备。腿之间的运动关系和移动气缸,胃肠道的微型机扑可以前进。还有其他的小说在[机车earthworm-like机制和inchworm-like提议68年- - - - - -72年]。

提出了几种新颖的运动机制,和一些活跃的胶囊内窥镜原型开发。然而,没有人可以移动顺利,稳健的步伐在胃肠道迄今为止,因此,没有运动机制,可以应用在临床上作为WCE不久作为替代。因此,有必要探索一种安全可靠的运动机制之前活跃CE在临床应用是可行的。WCE系统具有高分辨率和高帧率是可行的非侵入性诊断技术在诊所。然而,积极的医疗机器人产品描述是最优的诊断和治疗胃肠道疾病的工具。这种积极的医疗机器人的功能不仅限于内窥镜检查,但也有活组织检查的功能,参数传感器、药物输送、显微外科等。与MEMS(微机电系统),它可能会成为现实。概念原型这种医疗机器人,如图6提出的,是韩国IMC(智能微系统中心)。只有10毫米直径20毫米的长度。原型概念集光学图像模块、生理参数传感器、微机械臂和活组织检查泵,药物输送和显微外科,运动部分。它有能力推进向前和向后,定位,停止,和锚定到胃肠道墙外的控制。它配备了显微操纵器臂,能够执行治疗程序,如采取活检显微手术和注射。

5。结论

WCE提供了一种可行的非侵入性的方法来检测整个消化道,并带来了一场革命在胃肠道疾病的诊断技术。不幸的是,与有线相比内窥镜检查,工作时间有限,低帧率和较低的图像分辨率限制更广泛的应用。因此,WCE进步的倾向是WCE图像分辨率高、高帧速率和漫长的工作时间。然而,CE的电源是这种趋势的瓶颈。WPT承诺解决这个问题,但也的技术挑战。取得了许多成就WPT技术,但研究工作仍然需要在安全性和传输效率。

活跃CE是另一种倾向,将WCE的下一代,但不是很快。医疗机器人,集多重的内镜、活检、药物输送、显微外科,是最佳的诊断和治疗胃肠道疾病的工具。然而,在胃肠道的运动机理,是其他技术的挑战,除了WPT的挑战。提出一些新奇的和富有想象力的运动机制,但没有一个是可行的在临床应用。因此,小说和可行的活跃CE在消化道的运动机理,以及WPT技术,必须实现在临床应用前,活跃CE的前提或医疗机器人。

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