Беспроводная управляемая расширяющаяся эндоскопическая капсула для проведения обследования желудочно-кишечного тракта

Все вышеперечисленные заболевания уносят миллионы жизней ежегодно, и эта цифра увеличивается с каждым годом. Основная причина приведенной ситуации заключается в трудности диагностики упомянутых заболеваний. Эндоскопические устройства являются одним из ключевых видов устройств, обеспечивающих клинические решения для растущего спроса, позволяя тщательно изучать внутренние органы и структуры. В отличие от других диагностических устройств, таких как рентгеновские лучи и УЗИ, эндоскопы вводятся непосредственно в исследу- емый орган, что позволяет получить подробные и актуальные сведения.

Однако традиционные методы эндоскопии не всегда могут эффективно справиться с диагностикой заболеваний ЖКТ. Неудобство в использовании, болезненность процедуры, а также трудность в анализе заболевания – вот далеко не полный список причин, из-за которых сегодня требуется новое и качественное решение для эндоскопической диагностики. В то же время широкое развитие научных и технических достижений в большинстве направлений деятельности человека позволяет решить значительную часть существующих проблем путем внедрения современных высокотехнологичных методов и средств диагностики.

Беспроводная капсульная эндоскопия получила широкое распространение в начале XXI века [2]. В 2001 г. были проведены первые клинические испытания видеокапсульной эндоскопии и получены положительные отзывы от многих пациентов и врачей [3]. Сегодня капсульная эндоскопия является самой передовой технологией в области обследования ЖКТ.

Капсульная эндоскопия – это способ получения изображений желудочнокишечного тракта для медицинского обследования и диагностики [3]. Капсула имеет размер крупной таблетки и содержит миниатюрную камеру. После того как пациент проглатывает капсулу, камера начинает фиксировать снимки в процессе прохождения по ЖКТ пациента. В первую очередь, капсульная эндоскопия используется для обследования области тонкого кишечника, что недоступно другим видам эндоскопии, таким как колоноскопия или эзофагогастродуоденоскопия (ЭГДС). Для проведения эндоскопического обследования верхних отделов ЖКТ (ЭГДС) используется камера, прикрепленная к длинной гибкой трубке. С ее помощью возможно исследовать пищевод, желудок и двенадцатиперстную кишку (duodenum). Колоноскоп, введенный через прямую кишку, позволяет осматривать толстую кишку и дистальную часть тонкой кишки, подвздошную кишку. К сожалению, этим двум видам эндоскопии не доступна большая часть тонкой кишки.

Таким образом, капсульная эндоскопия может быть использована для на-

Внешний слой

Эндоскопическая капсула имеет внешний слой, выполненный из электроак-тивного полимерного материала (например, в виде усиков длиной около 10 мм, как показано на рис. 2 ).

Электроактивный полимерный материал расширяется под воздействием приложенного напряжения или изменяет свою угловую ориентацию. Элек-троактивные полимерные материалы широко используются для создания искусственных мышц в робототехнике [5] и производятся несколькими

Рис. 2. Расширяющиеся усики, выполненные из электроактивного полимера

Фосфоресцирующее вещество

компаниями, например Environmental Robots Inc [6].

Расширяющийся модуль может быть выполнен из электроактивных полимеров в форме кольца (тора) вокруг капсулы, которое значительно увеличивается в диаметре за счет изменения угловой ориентации.

Электроактивный полимер, покрывающий капсулу, может увеличиваться в размере на 30 – 50% и превращаться в сферический объект с диаметром при-

Гофрированное

Рис. 3. Фосфоресцирующий слой для дополнительного освещения ЖКТ

Еще одна уникальная особенность управляемой капсулы – это усики, которые простираются от поверхности корпуса капсулы. Это может быть использовано в качестве альтернативы расширяющемуся модулю, описанному выше, или усики могут быть внутри расширяющегося модуля (могут быть выполнены из ПВХ и использоваться для «надувания» расширяющегося модуля).

Усики ( рис. 2 ) также выполнены из электроактивного полимера, который активируется электрическим сигналом. Усики расположены вдоль поверхности капсулы, чтобы капсулу было легко проглатывать. После того как пациент проглатывает капсулу, она получает радиосигнал, создается напряжение и усики расширяются (изменяют угловую ориентацию), управляя движением капсулы таким образом, чтобы движущийся поток пищи не смещал капсулу вниз по ЖКТ.

На рис. 2 показана капсула, в которой используется четыре расширяющихся усика для управления движением. Тем не менее число усиков может варьироваться в зависимости от целей исследования. После того как получены все необходимые изображения, капсула получает сигнал, напряжение снимается, после чего усики возвращаются в исходное положение.

Капсула покрыта фосфоресцирующим слоем для дополнительного освещения, что позволяет получать более четкие снимки и, следовательно, поставить более точный диагноз. На рис. 3 показано фосфоресцирующее покрытие эндоскопической капсулы.

Для того чтобы излучать как можно больше света в направлении продвижения и съемки, покрытие капсулы имеет гофрированную форму, как показано на рис. 3 , и находится в боковой плоскости капсулы. Следует отметить, что в случае если фосфоресцирующее покрытие используются в комбинации со светоизлучающими диодами, частота светового излучения диодов и фосфоресцирующего покрытия должны быть синхронизированы.

Микроконтроллер

Эндоскопическая капсула включает в себя микроконтроллер, который управляет светочувствительной матри-

цей (может быть использована КМОП-матрица разрешением 640х480 пикселей) и оптикой (т.е. миниатюрной камерой). Микроконтроллер управляет светочувствительной матрицей и светодиодной панелью таким образом, чтобы синхронизировать процессы освещения ЖКТ и фиксации изображения. Рабочий цикл светодиодной подсветки может составлять две вспышки в секунду (6,6%), длительностью 1/30 с каждая.

Камера

Проходя через ЖКТ, встроенная камера фиксирует два изображения в секунду, после чего они сжимаются и передаются на компьютер врача. Так как срок службы аккумуляторной батарейки и скорость передачи данных ограничены, то в обычных эндоскопических капсулах изображения передаются в разрешении 240х240 пикселей и в 8-битном цвете, что часто является недостаточным для медицинских целей.

Описываемая управляемая капсула позволяет передавать изображения в 16-битном цвете с разрешением 320х320 или даже 480х480 пикселей.

Анализ полученных данных может выполняться локально (в капсуле), чтобы избежать передачи изображений, которые не отличаются от предыдущих. Если изображения не являются идентичными, но имеют высокую степень сходства (например, 90 или 95%), или оказываются слишком темными, чтобы содержать полезные данные, они могут отсеиваться и не передаваться на считыватель.

Светодиодная панель

Эндоскопическая капсула оснащена светодиодной панелью, которая обеспечивает освещение для светочувствительной матрицы.

Для того чтобы изображения содержали как можно более детализированную информацию для постановки диагноза, используются светоизлучающие диоды с 16-разрядным кодированием цвета, которые активируются в момент, когда камера фиксирует изображение. Панель светоизлучающих диодов включает в себя белые, красные, желтые и синие диоды (на рис. 4 эти цвета отображены соответственно: белый, черный, серый, синий). Светодиоды одного цвета расположены попарно, что обеспечивает равномерное распре-

Рис. 4. Светодиоды различных цветов (вид сверху)

деление света. Для более равномерного распределения света в сочетании с диодами могут быть использованы специальные зеркала. Цветные светодиоды позволяют значительно сократить расходование заряда батареи.

Камера фиксирует изображения ЖКТ в белом, красном, синем и желтом освещении (в таком порядке). Следует отметить, что может использоваться большее количество диодов (например, 8, 12).

Цветные светодиоды используются для того, чтобы повысить эффективность обследования. Например, голубое освещение позволяет улучшить качество изображений кровеносных сосудов, красное освещение увеличивает эффективность обнаружения кровотечений, а желтое – аденомы. Также могут быть использованы многоцветные диоды.

Антенна

Для улучшения качества приема/пере-дачи данных в капсулу может быть интегрирована антенна. Приемопередатчик посылает сигнал микроконтроллеру для активации электромагнитного покрытия и расширения капсулы.

Аккумуляторная батарейка

Аккумуляторная батарейка питает микросхемы внутри капсулы. Батарейка может иметь форму круглой таблетки диаметром 4 – 8 мм и толщиной 9 мм

(или, как правило, 5 – 10 мм). Заряд батарейки может быть 360 (300 – 400) мА, 3,3 В. Заряда аккумуляторной батарейки хватает на 12 ч автономной работы эндоскопической капсулы.

В случае когда требуется более длительное наблюдение, аккумуляторную батарейку возможно подзарядить дистанционно посредством магнитных катушек, одна из которых находится внутри капсулы, а другая (другие) – вне.

Портативное запоминающее устройство, передача и обработка изображения

Капсула подключается к портативному запоминающему устройству по беспроводному каналу связи Bluetooth. Запоминающее устройство, которое пациент носит с собой во время процедуры, получает изображения с капсулы и записывает их на встроенную память для дальнейшего изучения их специалистом. Врач анализирует полученные данные с помощью специальных медицинских приложений для обработки полученных изображений [7].

Специалист может просматривать изображения в режиме реального времени. Гастроэнтеролог также может поставить предварительный диагноз путем анализа цвета и текстуры аномалии, которые соответствуют визуальным проявлениям болезни.

Дополнительные функции управляемой эндоскопической капсулы В качестве дополнительного клинического применения электроактивные полимеры капсулы могут быть использованы для расширения суженных областей ЖКТ (например, из-за рубцов, инфекции, воспаления и аналогичных процессов).

Капсула может быть дополнительно оснащена:

• ♦    системой построения траектории движения (основанной на гироскопе и/или акселерометре внутри капсулы). Данные с этих сенсоров вместе с информацией об изображениях передаются на внешний считыватель, что облегчает определение местоположения конкретного изображения, полученного капсулой, и локализации заболевания (то есть участок ЖКТ, где непосредственно может потребоваться хирургическое вмешательство);

• ♦    нагревательным элементом, который активируется оператором, ког-

• да капсула находится вблизи места, где происходит процесс свертывания крови, просачивающейся из порезов или ран;

• ♦    двумя камерами, одна из которых предназначена для исследования ЖКТ при движении капсулы «вперед», вторая – при движении «назад», что может быть особенно полезно при осмотре кишечника;

• ♦    дополнительными сенсорами, такими, например, как рН-датчик, для определения кислотности;

• ♦    магнитной катушкой, которая может быть использована для улучшения разрешения МРТ-изображений. Катушка может быть расположена в любом месте капсулы и иметь произвольную ориентацию