胶囊内窥镜技术的现状及未来趋势分析

LED,光学设计和MEMS(微机电系统)技术的最新发展提供了创建无线内窥镜的能力。自成立以来,胶囊内窥镜在现有技术和新组件的引入上均取得了进步。随着胶囊内窥镜的不断发展,更多的应用可能性也会增加。

  许多现有的内窥镜检查方法可能会使患者非常不舒服,甚至可能会感到痛苦。同时,使用常规内窥镜的可用范围也受到限制,无法进入大部分小肠。

  LED,光学设计和MEMS(微机电系统)技术的最新发展提供了创建无线内窥镜的能力。自成立以来,胶囊内窥镜在现有技术和新组件的引入上均取得了进步。随着胶囊内窥镜的不断发展,更多的应用可能性也会增加。

  什么是胶囊内窥镜

  内窥镜检查是一种程序,其中使用装有照相机的长挠性管进入人体,以调查在食道,胃,小肠小部分和结肠中出现的异常症状。该过程可能具有很高的侵入性,因为它涉及将内窥镜通过患者的口腔或肛门插入。内窥镜的性质还导致受累器官受损或病变的机会增加。

  胶囊内窥镜的开发和应用解决了传统内窥镜中常见的许多问题。这种可消化的相机是在称为胶囊内窥镜的过程中使用的主要医疗设备,是一种能够对患者的胃肠道成像的小型无线设备。

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  图1:普通胶囊内窥镜

  胶囊内窥镜包装了传统内窥镜的许多功能,并将其置于可吞服的药丸形式。

  第一台胶囊内窥镜设备是由一家以色列公司Given于2000年推出的。Given Imaging最初将其内窥镜命名为“M2A”或“口对肛门”,但后来将其更改为“PillCam™”。胶囊装置包含几个组件,包括外部胶囊,透明光学窗口,LED(发光二极管),透镜,图像传感器,电池,射频发射器和天线。患者携带的接收器收集从药丸摄像机传输的数据。然后,使用带有专用软件的计算机对信息进行处理和存储。

  胶囊内窥镜组件

  典型的胶囊内窥镜包含几个主要组件。外壳,光学窗口,LED阵列,光学透镜,CMOS图像传感器,射频发射器,天线和电源。以下是对胶囊内窥镜组件中每个组件用途的大致分析。

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  图2:普通胶囊内窥镜中包含的组件的分解图

  内窥镜的最外部是外壳和光学窗。光学窗口允许集成LED发出的光照亮局部环境。外壳可防止电气组件接触任何可能损坏的体液。在胶囊内部,LED阵列围绕摄像头镜头放置。LED的数量因型号而异,但通常在4-8之间。成像系统的第一个组件是光学透镜。透镜是将光线聚焦到图像传感器上的手段。胶囊内窥镜利用短焦距(透镜中心与图像传感器之间的距离),从而提供了宽广的视角。

  胶囊内窥镜中最常用的图像传感器是CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器。CMOS传感器可以在一个芯片上包含多个电子组件,使其成为首选。CMOS芯片在同一芯片上包含曝光和定时控制等功能的能力使其特别优于CCD(电荷耦合器件)传感器,后者需要多个单独的芯片才能实现相同的功能。CMOS传感器的集成曝光控制使其可以更好地适应弱光环境。CMOS的低功耗也使其成为该应用的绝佳选择。

  射频发射器和天线从内窥镜发射数据。射频发射器和天线的组合使内窥镜和接收器之间可以进行通信。接收器是戴在患者腰部的设备,由于内窥镜没有板载存储设备,因此需要收集图像。两个氧化银电池为胶囊内窥镜的电气系统供电。

  胶囊越小,总体患者舒适度越高。但是,内部组件的大小有一定的局限性。当前所有可用的PillCam™胶囊的外径均为11mm。整体长度存在差异,介于26mm和32mm之间。

  胶囊内窥镜特性

  几种不同的特性定义了胶囊内窥镜的性能。胶囊尺寸,图像质量(分辨率),视野(视角),帧频和电池寿命。

  图像的质量会严重影响医生做出正确诊断的能力。PillCam™SB(小肠)的第一次迭代具有256x256像素的图像传感器分辨率。在SB的最新迭代SB3之前,此分辨率一直是所有PillCam™胶囊的标准。SB3将分辨率提高到340x340像素。竞争的胶囊内窥镜还使用了各种传感器分辨率,例如Olympus的ENDOCAPSULE分辨率为512x512,或IntroMedic的MiroCam®分辨率为320x320像素。

  内窥镜的视角取决于通过透镜的光量。较宽的视角可提供更大的观察范围。原始的PillCam™SB的视角为140度。在以后的型号(SB2和SB3)中,视角增加到156度。

  胶囊与接收器之间的通信对于数据收集至关重要。胶囊内窥镜内部没有任何数据存储手段,这意味着必须将信息传输出去。射频发射器和天线的结合使之成为可能。发射器的工作频率约为432 MHz,不断向外发送以与接收器通信。PillCam™SB的帧速率为2 fps,电池寿命为8小时,理论上可以在整个过程中传输57,600张图像。

  胶囊内窥镜最困难的挑战之一是有限的电源。决定电池寿命的方面包括传感器分辨率,帧速率,光量和传输频率。当比较表1中的PillCam™SB和PillCam™ESO时,这种折衷是显而易见的。两台内窥镜均具有256x256像素分辨率的CMOS图像传感器。但是,ESO的帧速率为每秒14帧,而SBs的每秒为2帧。ESO还使用双摄像头设置,每侧包含6个LED或总共12个LED。这种更高的帧频和双摄像头设置使得ESO的电池寿命比SB的电池寿命短24倍。

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  该设备利用多种不同的优化技术来降低功耗。一种技术是使用针对特定应用进行了优化的专用胶囊内窥镜。例如,PillCam™ESO仅用于查看食道。短暂的旅行时间和立即进入食道使PillCam™ESO的电池寿命大大缩短,帧速率更高。延长电池寿命的另一种技术是在LED和图像传感器之间连续切换。此开关可防止LED稳定地消耗功率,同时仍提供足够的照明以捕获清晰的图像。

  胶囊内窥镜的发展现状

  自从2001年胶囊内窥镜首次发布以来,肠胃镜的使用量不断增加。在患者舒适度方面,胶囊内窥镜已被证明优于标准内窥镜。常规的内窥镜检查对于患者可能是痛苦的,并且通常需要中度至深度的镇静作用。然而,另一种选择可以在患者清醒时完成。常规内窥镜的可用范围也受到限制,通常只能可视化小肠的一小部分。但是,胶囊内窥镜能够对整个胃肠道成像。

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  图3:几种不同的PillCam™型号的视角。SB和SB2使用单摄像机设置,ESO2和COLON 2具有双摄像头设置。

  尽管胶囊内窥镜具有许多优点,但也有其局限性。

  胶囊内窥镜的缺点之一是可能会保留在体内。在不到2%的检查中,患者保留了该设备。胶囊内窥镜的另一个问题是它不能被引导或控制。

  自2001年推出PillCam™SB以来,Given Imaging已进行了多次迭代。PillCam™SB具有两个后续型号;SB2和SB3,分别是对最后一个的改进。Given Imaging还生产结肠胶囊和小肠胶囊。PillCam™COLON包含两个摄像头,使其能够从其正面和背面捕获视频。PillCam™COLON也比同类产品更长,外形尺寸为31 mm x 11 mm。PillCam™ESO的尺寸和形状与SB模型相似。但是,ESO还包含一个双摄像头设置。PillCam™ESO有助于发现和调查食道组织中的眼泪。

  Given Imaging的PillCam™并非市场上唯一的胶囊内窥镜。一些竞争对手的模型包括:奥林巴斯的胶囊。

  胶囊内窥镜在过去的20年中取得了长足的进步,但仍显示出巨大的未来改进潜力。这些潜在的改进之一包括设备的可操纵性。

  使胶囊能够在患者体内全程引导,可以进行有针对性的检查。这一功能也为直接将药物输送到感兴趣的区域提供了可能。从外部控制胶囊内窥镜可以帮助减少设备的整体功耗。从外部控制设备节省下来的功率随后可用于改善功能,例如图像收集和传输。

  IntroMedic的MiroCam®Navi提供了这种功能的良好示例。MiroCam®Navi是一种胶囊内窥镜,能够在整个患者中进行引导,该设备通过一个外部磁力控制器来进行操纵。

  为了安全摄取,胶囊内窥镜必须使用生物相容性材料。最新的PillCam™SB3和COLON 2和UGI使用生物相容性塑料。PillCam™内窥镜还使用无汞氧化银电池,以避免胶囊受到任何危险的污染。内窥镜还可以抵抗2至8个pH范围内的酸度水平,从而可以抵抗人体内部的大多数酸度水平。

  与常规内窥镜相比,处于当前状态的胶囊型内窥镜具有许多优势。胶囊内窥镜能够无创地通过人体,这与传统常规内窥镜有明显区别。

  但在某些方面,常规内窥镜仍然占据优势。一方面,常规内窥镜的操纵能力允许对关注点进行更直接的检查;另一方面,常规内窥镜的外部布线在使用过程中为内窥镜提供了连续的电源,从而使其具有更高的电压。这种外部布线也导致内窥镜无法被留在体内——胶囊内窥镜残留在体内是该设备最显着的缺点之一,并且常常需要额外的步骤才能将其取出。

  胶囊内窥镜未来的发展趋势

  CMOS图像传感器等MEMS技术和无线射频发射器等其他小技术的使用,在很多方面都使该设备比传统的同类设备更具通用性。

  目前胶囊内窥镜还没有发挥出最大的潜力,科学家们每天都在研究创新技术。胶囊内窥镜在电池寿命、帧率和可控性方面的局限性仍有很多不足之处。

  此外,胶囊内窥镜执行诸如活检等能力可能是该设备的另一个潜在的未来应用。这些功能的实现将有助于进一步减少侵入性手术的总体数量。

  随着技术的进步,胶囊内窥镜的功能也在不断提升。其新颖、无创、安全的内窥镜检查方法使其受到消化科医生的欢迎。未来胶囊内窥镜的功能,如自动移动和靶向药物输送,甚至可以进一步扩大该设备的应用范围。虽然它还不是理想的分析设备,但胶囊内窥镜的不断改进和创新将有助于它最终成为所有消化道诊断程序的首选。

来源:《(2020)胶囊内窥镜技术的当前和未来技术分析》,作者:Brown AP,Jayatissa AH

原文地址:https://www.peertechz.com/articles/APM-5-116.php

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枭枭

集成电路设计行业资深记者,传感器专家网专栏编辑。