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胶囊内镜(四)

在这一期,我们以 “胶囊内镜”为题,专门收集了2019年以来有这关方面的科技文献与资料并汇集成汇编提供给大家,希望对“胶囊内镜”方面有兴趣的朋友和有意愿开发此类技术的朋友起到借鉴与参考作用。由于近几年这方面的文献资料较多,我们将其分四部分提供给大家。这是第四部分。

 

胶囊内镜简介

【摘自中华消化杂志, 2019,39(6) : 361-363 戈之铮吴姗胶囊内镜技术现状与展望》一文】

 

胶囊内镜技术作为一种无创、便携、可视化的检查方式,近年来得到患者和业界的广泛认可,目前其已经不局限于小肠疾病的诊断,日益成为覆盖全胃肠道疾病诊断的重要武器。

一、胶囊内镜技术的发展与现状

为减少传统机械插入内镜检查给患者带来的痛苦,以色列导弹制造工程师Gavriel Iddan博士于1992年率先提出了胶囊内镜概念,英国胃肠病学家Paul Swain医师也在同年世界胃肠病会议上展示了胶囊内镜的设计理念,2人随后组建Given影像有限公司并设计开发胶囊内镜。20005Paul Swain医师在"美国消化疾病周"上对首例胶囊内镜应用情况进行汇报和展示[1]20018月胶囊内镜即通过美国FDA审核批准上市,宣告无创内镜检查时代的到来。

胶囊内镜系统设计的成功得益于多项技术的突破,互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS)影像仪、特定用途集成电路(application specific integrated circuit, ASIC)发送装置和发光二极管(light-emitting diode, LED)照明系统均可在有限的体积和低耗能下取得高质量图像的摄制和传输,减少了功率和耗能困扰。

胶囊内镜设计之初主要为解决小肠特殊的解剖结构对插入性内镜、X线和造影等检查的影响,提升小肠相关疾病的诊疗水平。随着无创内镜理念的推进,为适应消化道各部位的解剖特点,胶囊内镜逐步推进技术革新,逐渐成为全消化道疾病诊断的重要方式。如为适应吞咽动作和重力作用对胶囊内镜通过食管速度的影响,食管胶囊内镜将拍摄帧数和视野进行提升,拍摄帧数由14/s提升至最高35/s,视野角度由标准的140°扩大至超宽(169°)视角,同时结合食管的运动状态可自动调节光照强度,扩大了食管的可视度。由于胃腔空间较大,传统胶囊内镜存在视觉盲区,无法观察到胃各部位黏膜的情况,磁控导航胃镜通过外部磁场控制胶囊在胃内运动,成功解决了临床难题。考虑结肠腔较大,胶囊内镜在结肠中滞留时间较长,传统小肠胶囊内镜的单摄像头恒速拍摄难以全面显示结肠病变,结肠胶囊内镜双镜头172°视野可大大提高肠腔拍摄覆盖率,同时其拍摄频率在静止情况下为4/s,而在运动状态下可自动调整至35/s,极大提高了结肠病变的检出率。

二、胶囊内镜技术在临床中的应用

1.小肠胶囊内镜:

目前已经成为小肠疾病诊断的首选检查方法。小肠胶囊内镜的适应证主要包括不明原因消化道出血,不明原因缺铁性贫血,疑似CD或监测并指导CD的治疗,疑似小肠肿瘤,监控小肠息肉病综合征的发展,疑似或难以控制的吸收不良综合征(如乳糜泻等),检测NSAID相关性小肠黏膜损害,以及临床上需要排除的小肠疾病者[2]。其对小肠疾病的总体诊断率达60%,与相对有创的气囊辅助式小肠镜相当[3],具有重要临床价值。

2.食管胶囊内镜:

目前食管胶囊内镜主要应用于疑似Barrett食管、疑似食管炎,以及疑似食管静脉曲张和需要食管内镜检查但不愿接受和()不能耐受传统胃食管镜检查者。由于无法注气扩张食管腔,考虑到其通过食管的可控性和显示范围,目前仍不推荐替代传统胃镜检查作为检测和诊断的首选方案。

3.磁控胶囊胃镜:

我国自主研发的体外磁控的胶囊胃镜系统已于2013年正式投入临床使用。2014年全国共有7家中心协作完成了350例胃镜与磁控胶囊胃镜的对比研究,系统评估了磁控胶囊胃镜的应用情况,结果显示胃清洁程度满意度达到85%,总体胃腔显示满意度为83.3%,与胃镜相比,其灵敏度达86.9%,特异度为94.9%,诊断准确度可达92.8%,阳性预测值为85.9%,阴性预测值为95.3%,证实其在胃部疾病检查中具有较好的临床应用前景[4]

4.结肠胶囊内镜:

与传统结肠镜相比,结肠胶囊内镜的腺瘤检出灵敏度可达88%92%[5],此外在无法耐受或未能完成全结肠镜检查的患者中,结肠胶囊内镜的结肠息肉检出率也显著高于CT仿真结肠镜检查[6]。因而目前结肠胶囊内镜的适应证为需要接受结肠镜检查但不能耐受或条件不允许者,结肠镜检查无法到达回盲瓣同时无消化道梗阻者,UC的随访以指导治疗,以及非高危人群的结肠病变筛查。

三、胶囊内镜面临的机遇与挑战

随着大数据时代人工智能技术的崛起,计算机辅助诊断为胶囊内镜提供了新的机遇,缓解了胶囊内镜诊断读片时间长、易漏诊、诊断标准不明确、学习与应用成本较高的问题。基于色彩和形态特征的病灶识别系统可识别97%左右的血管畸形和淋巴管扩张病灶[7]。基于深度卷积网络的人工智能系统可对较小的黏膜糜烂和阿弗他溃疡进行识别,灵敏度达90.9%,特异度达90.8%[8]。根据形态学变化、色彩差异和对比度进行图像数据提取,同时进行远程网络诊断等技术进一步节省了诊断时间[9],为规范胶囊内镜诊疗创造了有利条件。

目前胶囊内镜在临床应用中仍存在一些问题,亟需工程学发展带来新一轮胶囊内镜革新。首先,胶囊内镜由于自身机械和电池功率限制,仅能依靠肠腔蠕动和重力作用完成检查,极易出现视觉盲区,影响观察。目前在胃部检查中,磁控胶囊系统已可通过外部磁场控制完成胃部检查,其安全性和稳定性得到临床认可,但进一步的全胃肠道巡航机器人自动化诊疗可能更依赖如划桨装置、螺旋桨结构、自推进翅片结构、电动腿结构等主动驱动系统的创新。其次,由于小肠结构复杂,缺乏固定解剖标记,给病变定位带来很大难题。传统的胃肠镜操作可通过止血夹、染色剂等定位病变,受此思路启发,有研究通过弹簧定位释放装置,使胶囊内镜也可标记病灶,更精准地引导外科手术中对病灶的定位。通过磁控切割刀等进行病变活组织检查的技术也有望为小肠病理诊断提供强有力的支撑[10]。在体外定位方面,目前的胶囊内镜外部传感器系统可以通过胶囊运动情况和运行时间大致估测胶囊内镜的位置,磁控手柄可定位胶囊所在的大致腹腔位置。随着图像处理技术的进步,计算机辅助定位系统通过自动识别连续每帧图像间的像素差异,模拟运动距离和角度,可进一步将位置精度提高至2‰,角度精度提高至[11]。最后,在胶囊内镜辅助治疗方面,目前基于磁控活塞释放系统(magnetic active agent release system, MAARS)和自动电容控制器(IntelliCap®system)的药物投放系统均已进入临床试验阶段,靶向给药可以最大程度提高局部药物浓度,减少全身不良反应。胶囊内镜集诊断、活组织检查和治疗为一体的多合一功能发展也可为胃肠道疾病的诊疗带来新的活力。

经过多年临床与科研的反复探索,胶囊内镜已成为全消化道诊断的重要检查方式,为未来便携无创的全消化道内镜诊疗方式奠定了坚实基础。同时也看到,虽然与传统插入式内镜相比胶囊内镜检查的痛苦显著减少,但每种胶囊内镜在临床应用中仍有不同程度的欠缺,目前胶囊内镜还处在计算机辅助人工诊断与控制操作阶段。期待临床医师与工程技术人员的通力合作,使得胶囊内镜实现全自动诊疗一体化,带来消化疾病诊疗的新革命。

 

胶囊内镜(四)

 

37一种超声胶囊内窥镜及其成像方法研究

【作者】黄耀才

【机构】中国科学院深圳先进技术研究院

【文献出处】《中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)》 2020年硕士论文

【摘要】食管癌是一种恶性程度较高的消化道肿瘤,早期的症状不明显,患者就医时多已发展至中晚期,临床治疗收效甚微。因此,实现食管癌早期的准确诊断是制定有效治疗方案的重要前提,也是提高食管癌治愈率的必要手段。目前,临床上常使用X线钡餐造影、食管镜活检、内镜超声检查和CT等手段进行食管癌诊断和分期。它们在一些病例的诊断中具有良好的准确性和可靠性,但在进行症状不明显的食管癌早期诊断时,就会暴露出难以获取微小癌变特征的问题。高频超声(20MHz)具有5mm以上的成像穿透深度和约40μm的成像分辨率,以及超声自身的无辐射、低成本等优点,可以为食管癌早期的诊断提供新思路。本文提出了一种基于高频超声(30-50MHz)的胶囊内窥镜,它由胶囊壳体、超声换能器、微型电机、电磁环和同轴电缆组成。高频超声换能器提供高分辨率的图像,直径不超过1mm的同轴电缆使内窥镜细径化,提高耐受性,该设备还支持三维成像,以上功能可用于弥补现有诊断技术的不足。超声换能器放置于胶囊壳体前端,在微型电机的带动下进行机械旋转,电磁环用于旋转的换能器和静止的信号线之间的信号传输,内窥镜的工作由外围的成像系统控制,微型电机的供电以及内窥镜和成像系统之间的数据传输均通过同轴电缆实现。为了验证该超声胶囊内窥镜设备的可行性,分别进行了线仿体成像实验、在体猪实验、离体猪小肠三维成像实验和在体非人灵长类动物实验。计算线仿体图像得出的空间分辨率值表明超声胶囊内窥镜具有高分辨率的成像性能;采集到的猪小肠和食管超声图像具有清晰的腔壁结构分层;采用一种机械扫描方法实现了离体猪小肠的超声三维成像,使消化道疾病的诊断更准确;选择猴子作为模型动物进行了在体实验,获得了具有良好层次和形态的猴子食管图像,为超声胶囊内窥镜提供了新数据,并为下一步的临床应用奠定了基础。

 

38基于专利文献的胶囊内窥镜图像诊断技术进展

【作者】陈淑珍  

【机构】国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心福建分中心,

【文献出处】《软件》 2019年07期

【摘要】胶囊内窥镜所拍摄的图像通常由医生进行阅片获得诊断结果,为了便于医生诊断,对胶囊内窥镜拍摄的图像进行处理以辅助诊断具有重要意义。为了分析胶囊内窥镜图像诊断技术的发展现状,本文首先分析了胶囊内窥镜领域全球专利申请人分布,进而选取全球专利申请量最大的申请人作为分析对象,对其在胶囊内窥镜图像诊断方面的技术进行深入分析。通过本文的分析,希望有助于本领域人员进行胶囊内窥镜的研制。

 

39肠道胶囊内镜的研究进展

【作者】田壮黄俊华

【机构】西北农林科技大学机械与电子工程学院;

【文献出处】《数码世界》 2019年07期

【摘要】随着医学界对消化道胶囊内镜的需求越来越迫切,最初的随胃肠道蠕动的被动移动式胶囊内镜已无法满足医学的要求.本文重点介绍了胶囊内镜的研究进展,提出了现如今几种胶囊内镜的机械结构和驱动类型,指出各种类型的胶囊内镜的优缺点,为胶囊内镜的进一步智能化研究提供参考.

 

40胶囊内窥镜微型机器人仿真电路的设计

【作者】钟鸣川 湛慧苗

【机构】湖北科技学院生物医学工程学院

【文献出处】产业与科技论坛2019年15期 69-70

【摘要】胶囊内窥镜的诞生及发展给消化道疾病患者带来福音,为医生提供了一种全新的诊断方式,快速而有效地找到病灶并及时对症下药。胶囊在人体肠道内的运动是不规则的,通过外部磁场的精确控制,根据利用ProtuesKeil软件仿真结果进行微驱动的控制实验。胶囊内窥镜具有重要的临床应用价值和商业价值,开发胶囊内窥镜对我国生物医学工程产业发展有着积极和深远的意义。 

 

41浅谈如何提高胶囊内窥镜领域的检索效率

【作者】涂燕君

【文献出处】《科技风》 2019年23期

【摘要】本文从IPCFT以及CPC分类体系出发,研究了其在胶囊内窥镜中各分类体系的特点,以及针对胶囊内窥镜领域专利申请,合理选择分类体系对胶囊内窥镜的专利进行检索,提高检索效率。

 

42基于超声电机的肠道胶囊内窥镜的设计

【作者】田壮黄俊华

【机构】西北农林科技大学机械与电子工程学院;

【文献出处】《山东工业技术》 2019年20期

【摘要】随着医疗器械的不断发展,目前固定式镜头胶囊内窥镜视野非常有限,同时肠道崎岖多变、蠕动和肠液也会导致镜头视野局限,无法精确定位,很难准确捕捉病灶部位。本文设计了一种基于多自由度超声电机的胶囊内窥镜,具体来说是一种以多自由度超声电机为致动器,驱动胶囊内窥镜镜头实现多自由度摆动和精准定位的新型智能胶囊内窥镜。本文阐述了该胶囊内窥镜的结构特点与工作过程,并分析了其工作特点,为胶囊内窥镜的智能化设计提供了新的思路。

 

43消化道内窥镜的常见故障分析及预防方法

【作者】石树强  强华  杨婷婷  

【机构】中国中医科学院望京医院设备处 巴彦淖尔市医院医学工程科

【文献出处】《中国医学装备》 2019年12期

【摘要】消化道内窥镜是一种光学装置,通过导入人体消化道进行检查,诊断及治疗.消化内窥镜的发展历经了纤维内窥镜,电子内窥镜,超声内窥镜以及胶囊内窥镜进程,在临床中电子消化内窥镜使用较多[1].奥林巴斯消化道内窥镜型号系列主要包括有胃镜(GIF),十二指肠镜(JF,TJF),超声镜(CF,GF,JF),结肠镜(CF,PCF),小肠镜(SIF)以及胶囊内窥镜(Endo Capsule),其中胃镜和肠镜使用较为广泛,主要型号包括70系列,260系列以及290系列等.

 

44一种胶囊机器人结构设计

【作者】陈义平孙珍军柯旭锟高舒凯

【机构】福建农林大学

【文献出处】《南方农机》 2019年16期

【摘要】为了实现胶囊内窥镜的自主行走,笔者设计了一种胶囊机器人的行走机构。该胶囊机器人采用两个直流电机作为动力源,可以完成一般三个动力源才能完成的动作。文章主要讨论了该胶囊机器人的结构和运动原理。

 

45基于IPMC驱动的胶囊机器人运动控制研究

【作者】范敏 

【机构】南京航空航天大学

【文献出处】《南京航空航天大学》 2019年硕士论文

【摘要】离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)是一种电致动智能材料,具有驱动电压低、变形位移大、柔性好、可以在充水环境下工作等优点。当沿厚度方向给IPMC施加电压,IPMC会产生较大的弯曲变形,可用作驱动器。本文针对临床应用的胶囊内窥镜不能自主控制位置和姿态的问题,设计了一种基于IPMC驱动的可主动运动的胶囊机器人及其控制系统,实现了对胶囊机器人前进、转弯、钳位的运动控制。主要内容包括:1、设计加工胶囊壳体结构,结合仿生学对胶囊尾鳍进行设计;确定胶囊机器人驱动方案,包括在消化道内的前进、转弯和定点钳位功能的实现;对胶囊机器人的前进和转弯模式进行力学计算,分析影响胶囊游动和转弯的参数,为实验寻找最优参数奠定基础。2、设计了胶囊机器人控制系统,可输出4通道双极性大电流的正弦波、方波和组合波形,并且各通道输出信号的幅值、频率和占空比可调。通过示波器对控制系统的输出波形进行检测,验证了信号输出的正确性。3、提出了一种用于IPMC的开环控制方法,通过改变控制信号的幅值、占空比和频率,实现了IPMC在初始平衡位置单侧摆动和弯曲变形后相对保持位移。研究结果表明,通过使用非对称幅值信号和改变占空比,可以实现IPMC单侧摆动;通过施加直流电压使IPMC弯曲后再施加高频信号,IPMC可以相对保持弯曲状态。4、利用本文设计的控制系统和控制信号控制胶囊完成了前进、转弯和定点钳位运动,并研究了控制信号参数对胶囊游动速度和转弯角度的影响。实验结果表明,胶囊的游速可达4.83mm/s,转弯角度可达45°,通过改变控制信号的幅值、占空比和频率,可以调节游速和转弯角度。

 

46消化道磁悬浮胶囊机器人模型及控制系统

【作者】郑齐冯久奎

【机构】福州大学至诚学院 福州大学物理与信息工程学院

【文献出处】《医疗装备》20193217

【摘要】通过分析现有胶囊内窥镜的功能及工作方式,发现传统胶囊内窥镜存在可控性差,图像分析工作量大,运动模式及功能单一等缺点.本研究提出一种基于磁悬浮控制技术的胶囊机器人,并介绍配套的检测平台模型,该模型能够实现胶囊机器人悬浮于设定高度并可调整角度.该胶囊机器人有望应用于人体消化道图像筛查,病变部位活检取样,小剂量针对性定点释药等.

 

47磁控胶囊胃镜:开启消化内镜新时代

【作者】廖专李兆申

【机构】海军军医大学长海医院消化内科

【文献出处】中华消化杂志, 2019,39(6) : 363-366

【摘要】磁控胶囊胃镜诊断准确性高,与电子胃镜高度一致,已在国内外千余家单位应用50余万例,成为被广泛接受的舒适化胃镜检查新方法。与此同时,针对胶囊胃镜的循证医学研究也得到了全面开展。从应用的安全有效性到对胃癌的诊断效能评价,从检查技术的优化到胃肠道准备方案,不断的探索研究必将促使磁控胶囊胃镜的革新与突破,从而更好地为人类服务。

 

48胃肠道诊疗微型机器人系统研究与设计

【作者】刘伟 任思璟 贾红丹 刘拯廷 徐晓鹏 韩颜光 董宏达

【机构】黑龙江科技大学电气与控制工程学院

【文献出处】 科技风 201928

【摘要】设计在胃肠道胶囊机器人的内部嵌入一个永磁性体,通过麦克斯韦对和亥姆霍兹线圈的组合线圈产生的磁场为机器人提供动力,通过调整加载电流的大小获得合适的驱动磁场.在磁转矩和磁力的作用下,机器人可以获得更好的控制.实现了对机器人的前进和方向上的控制,减少了病人的痛苦,对提高手术的安全性有着重要意义.

 

49胃肠镜的未来展望

【作者】曾利芬

【机构】 华润武钢总医院消化内镜室

【文献出处】《现代医学与健康研究》2019 第5

【摘要】最近几十年,随着医学技术的发展,胃肠内窥镜技术取得了举世瞩目的进展,胃肠病学和胃肠外科也被重新定义。展望未来,胃肠内窥镜检查对人类健康的贡献可能有更加深远的意义:一方面新技术使患者更加适应胃肠镜检查,进而扩大了此项技术的受用人群;另一方面,新技术使得健康护理的价格成本降低。

 

50曲面仿生复眼成像系统设计及微加工技术研究

【作者】王元元

【机构】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

【文献出处】《中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)》 2019年博士论文

【摘要】随着光学应用范围越来越广泛,人们对光学成像系统的性能要求越来越高。单孔径的成像系统因其视场等特点的局限性,已经无法满足人们对大视场成像、目标精确定位和测量等应用需求。受启于昆虫复眼的小体积、大视场及对快速运动物体敏感等优点,人们开始了对仿生复眼的研究。复眼是由很多个小眼紧密规则排列构成,具备多个小眼同时对目标物体进行成像及很高的神经网络集中处理能力,因而可以实现在大视场成像的前提下对移动物体进行高精度定位和探测的能力。随着人们对仿生复眼的持续关注和探索研究,发现受传统基于平面微加工技术能力的制约,很难实现曲面微透镜阵列及基于曲面微透镜阵列的仿生复眼成像系统加工。针对该问题,本文创新性地提出了一系列解决方法,在实现曲面微透镜阵列加工的基础上,设计和加工出了基于曲面微透镜阵列的仿生曲面复眼成像系统,主要研究工作包括以下几个方面:首先,针对曲面微透镜阵列的加工难题,本文提出了一种新型基于柔性基底的软光刻复制方法,实现了在半球形基底上曲面微透镜阵列的制作。而后对所制作的曲面微透镜阵列进行了光学性能检测及成像实验,为后面的曲面仿生复眼成像系统的设计及应用提供了关键核心器件。其次,提出通过引入中继转像系统,配合制作得到的曲面透镜阵列和图像传感器,搭建了仿生复眼成像原型系统。中继转像系统的主要功能是像面变化,通过设计中继转像系统,将曲面透镜阵列所成的焦曲面像变换到探测器的焦平面上进行接收,同时对光学系统的像差进行了有效的校正。通过对仿生复眼成像系统进行成像效果实验,表明其可获得良好的成像质量。最后,针对胶囊内窥镜的应用需求,重新进行了仿生复眼成像系统的光学设计,实现了100°大视场的清晰成像,以满足胶囊内窥镜成像系统对微小型大视场光学成像系统的需求。本论文阐述的曲面微透镜阵列制作方法和曲面仿生复眼成像系统在包括医疗、军事、航空航天等领域都有很广泛的应用潜力。

 

51复方聚乙二醇电解质散与西甲硅油在胶囊内镜肠道检查中的应用

【作者】SU Xiao-yiBAO Jie

【文献出处】《现代消化及介入诊疗2019(024),005

【摘要】目的 探讨复方聚乙二醇电解质散(PEG)与西甲硅油在胶囊内镜肠道检查前肠道准备应用效果.方法 201610月至201810月于江苏大学附属昆山市第一人民医院行胶囊内镜肠道检查的90例患者随机分为A(PEG)B(PEG+西甲硅油),45.比较两组肠道清洁程度、肠道内气泡存在程度、胶囊通过胃及小肠的时间和不良反应发生率.结果 两组肠道清洁程度比较,差异无统计学意义(P0.05).B组肠道内气泡存在程度显著低于A(P0.05).B组胶囊通过胃、小肠的时间分别为(37.60±8.28)min(280.62±56.33)min,显著短于A组的(45.80±9.13)min(333.58±67.52)min,差异均有统计学意义(P0.05).B组不良反应发生率为6.67,显著低于A组的22.22(P0.05).结论 胶囊内镜检查前联合应用PEG与西甲硅油可有效祛除肠腔内气泡,获得良好的视野,缩短胶囊通过胃及小肠的时间,且不良反应发生率低,具有较高的应用安全性.