胶囊内窥镜技术的现状及未来趋势分析

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。

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。

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。

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。

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。

（编辑：东莞站长网）

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