許多現(xiàn)有的內(nèi)窺鏡檢查方法可能會使患者非常不舒服，甚至可能會感到痛苦。同時，使用常規(guī)內(nèi)窺鏡的可用范圍也受到限制，無法進入大部分小腸。

LED，光學(xué)設(shè)計和MEMS（微機電系統(tǒng)）技術(shù)的最新發(fā)展提供了創(chuàng)建無線內(nèi)窺鏡的能力。自成立以來，膠囊內(nèi)窺鏡在現(xiàn)有技術(shù)和新組件的引入上均取得了進步。隨著膠囊內(nèi)窺鏡的不斷發(fā)展，更多的應(yīng)用可能性也會增加。

什么是膠囊內(nèi)窺鏡？

內(nèi)窺鏡檢查是一種程序，其中使用裝有照相機的長撓性管進入人體，以調(diào)查在食道，胃，小腸小部分和結(jié)腸中出現(xiàn)的異常癥狀。該過程可能具有很高的侵入性，因為它涉及將內(nèi)窺鏡通過患者的口腔或肛門插入。內(nèi)窺鏡的性質(zhì)還導(dǎo)致受累器官受損或病變的機會增加。

膠囊內(nèi)窺鏡的開發(fā)和應(yīng)用解決了傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡中常見的許多問題。這種可消化的相機是在稱為膠囊內(nèi)窺鏡的過程中使用的主要醫(yī)療設(shè)備，是一種能夠?qū)颊叩奈改c道成像的小型無線設(shè)備。

圖1：普通膠囊內(nèi)窺鏡

膠囊內(nèi)窺鏡包裝了傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡的許多功能，并將其置于可吞服的藥丸形式。

第一臺膠囊內(nèi)窺鏡設(shè)備是由一家以色列公司Given于2000年推出的。Given Imaging最初將其內(nèi)窺鏡命名為“M2A”或“口對肛門”，但后來將其更改為“PillCam?”。膠囊裝置包含幾個組件，包括外部膠囊，透明光學(xué)窗口，LED（發(fā)光二極管），透鏡，圖像傳感器，電池，射頻發(fā)射器和天線?；颊邤y帶的接收器收集從藥丸攝像機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。然后，使用帶有專用軟件的計算機對信息進行處理和存儲。

膠囊內(nèi)窺鏡組件

典型的膠囊內(nèi)窺鏡包含幾個主要組件。外殼，光學(xué)窗口，LED陣列，光學(xué)透鏡，CMOS圖像傳感器，射頻發(fā)射器，天線和電源。以下是對膠囊內(nèi)窺鏡組件中每個組件用途的大致分析。

圖2：普通膠囊內(nèi)窺鏡中包含的組件的分解圖

內(nèi)窺鏡的最外部是外殼和光學(xué)窗。光學(xué)窗口允許集成LED發(fā)出的光照亮局部環(huán)境。外殼可防止電氣組件接觸任何可能損壞的體液。在膠囊內(nèi)部，LED陣列圍繞攝像頭鏡頭放置。LED的數(shù)量因型號而異，但通常在4-8之間。成像系統(tǒng)的第一個組件是光學(xué)透鏡。透鏡是將光線聚焦到圖像傳感器上的手段。膠囊內(nèi)窺鏡利用短焦距（透鏡中心與圖像傳感器之間的距離），從而提供了寬廣的視角。

膠囊內(nèi)窺鏡中最常用的圖像傳感器是CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器。CMOS傳感器可以在一個芯片上包含多個電子組件，使其成為首選。CMOS芯片在同一芯片上包含曝光和定時控制等功能的能力使其特別優(yōu)于CCD（電荷耦合器件）傳感器，后者需要多個單獨的芯片才能實現(xiàn)相同的功能。CMOS傳感器的集成曝光控制使其可以更好地適應(yīng)弱光環(huán)境。CMOS的低功耗也使其成為該應(yīng)用的絕佳選擇。

射頻發(fā)射器和天線從內(nèi)窺鏡發(fā)射數(shù)據(jù)。射頻發(fā)射器和天線的組合使內(nèi)窺鏡和接收器之間可以進行通信。接收器是戴在患者腰部的設(shè)備，由于內(nèi)窺鏡沒有板載存儲設(shè)備，因此需要收集圖像。兩個氧化銀電池為膠囊內(nèi)窺鏡的電氣系統(tǒng)供電。

膠囊越小，總體患者舒適度越高。但是，內(nèi)部組件的大小有一定的局限性。當(dāng)前所有可用的PillCam?膠囊的外徑均為11mm。整體長度存在差異，介于26mm和32mm之間。

膠囊內(nèi)窺鏡特性

幾種不同的特性定義了膠囊內(nèi)窺鏡的性能。膠囊尺寸，圖像質(zhì)量（分辨率），視野（視角），幀頻和電池壽命。

圖像的質(zhì)量會嚴重影響醫(yī)生做出正確診斷的能力。PillCam?SB（小腸）的第一次迭代具有256x256像素的圖像傳感器分辨率。在SB的最新迭代SB3之前，此分辨率一直是所有PillCam?膠囊的標準。SB3將分辨率提高到340x340像素。競爭的膠囊內(nèi)窺鏡還使用了各種傳感器分辨率，例如Olympus的ENDOCAPSULE分辨率為512x512，或IntroMedic的MiroCam?分辨率為320x320像素。

內(nèi)窺鏡的視角取決于通過透鏡的光量。較寬的視角可提供更大的觀察范圍。原始的PillCam?SB的視角為140度。在以后的型號（SB2和SB3）中，視角增加到156度。

膠囊與接收器之間的通信對于數(shù)據(jù)收集至關(guān)重要。膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部沒有任何數(shù)據(jù)存儲手段，這意味著必須將信息傳輸出去。射頻發(fā)射器和天線的結(jié)合使之成為可能。發(fā)射器的工作頻率約為432 MHz，不斷向外發(fā)送以與接收器通信。PillCam?SB的幀速率為2 fps，電池壽命為8小時，理論上可以在整個過程中傳輸57,600張圖像。

膠囊內(nèi)窺鏡最困難的挑戰(zhàn)之一是有限的電源。決定電池壽命的方面包括傳感器分辨率，幀速率，光量和傳輸頻率。當(dāng)比較表1中的PillCam?SB和PillCam?ESO時，這種折衷是顯而易見的。兩臺內(nèi)窺鏡均具有256x256像素分辨率的CMOS圖像傳感器。但是，ESO的幀速率為每秒14幀，而SBs的每秒為2幀。ESO還使用雙攝像頭設(shè)置，每側(cè)包含6個LED或總共12個LED。這種更高的幀頻和雙攝像頭設(shè)置使得ESO的電池壽命比SB的電池壽命短24倍。

該設(shè)備利用多種不同的優(yōu)化技術(shù)來降低功耗。一種技術(shù)是使用針對特定應(yīng)用進行了優(yōu)化的專用膠囊內(nèi)窺鏡。例如，PillCam?ESO僅用于查看食道。短暫的旅行時間和立即進入食道使PillCam?ESO的電池壽命大大縮短，幀速率更高。延長電池壽命的另一種技術(shù)是在LED和圖像傳感器之間連續(xù)切換。此開關(guān)可防止LED穩(wěn)定地消耗功率，同時仍提供足夠的照明以捕獲清晰的圖像。

膠囊內(nèi)窺鏡的發(fā)展現(xiàn)狀

自從2001年膠囊內(nèi)窺鏡首次發(fā)布以來，腸胃鏡的使用量不斷增加。在患者舒適度方面，膠囊內(nèi)窺鏡已被證明優(yōu)于標準內(nèi)窺鏡。常規(guī)的內(nèi)窺鏡檢查對于患者可能是痛苦的，并且通常需要中度至深度的鎮(zhèn)靜作用。然而，另一種選擇可以在患者清醒時完成。常規(guī)內(nèi)窺鏡的可用范圍也受到限制，通常只能可視化小腸的一小部分。但是，膠囊內(nèi)窺鏡能夠?qū)φ麄€胃腸道成像。

圖3：幾種不同的PillCam?型號的視角。SB和SB2使用單攝像機設(shè)置，ESO2和COLON 2具有雙攝像頭設(shè)置。

盡管膠囊內(nèi)窺鏡具有許多優(yōu)點，但也有其局限性。

膠囊內(nèi)窺鏡的缺點之一是可能會保留在體內(nèi)。在不到2％的檢查中，患者保留了該設(shè)備。膠囊內(nèi)窺鏡的另一個問題是它不能被引導(dǎo)或控制。

自2001年推出PillCam?SB以來，Given Imaging已進行了多次迭代。PillCam?SB具有兩個后續(xù)型號；SB2和SB3，分別是對最后一個的改進。Given Imaging還生產(chǎn)結(jié)腸膠囊和小腸膠囊。PillCam?COLON包含兩個攝像頭，使其能夠從其正面和背面捕獲視頻。PillCam?COLON也比同類產(chǎn)品更長，外形尺寸為31 mm x 11 mm。PillCam?ESO的尺寸和形狀與SB模型相似。但是，ESO還包含一個雙攝像頭設(shè)置。PillCam?ESO有助于發(fā)現(xiàn)和調(diào)查食道組織中的眼淚。

Given Imaging的PillCam?并非市場上唯一的膠囊內(nèi)窺鏡。一些競爭對手的模型包括：奧林巴斯的膠囊。

膠囊內(nèi)窺鏡在過去的20年中取得了長足的進步，但仍顯示出巨大的未來改進潛力。這些潛在的改進之一包括設(shè)備的可操縱性。

使膠囊能夠在患者體內(nèi)全程引導(dǎo)，可以進行有針對性的檢查。這一功能也為直接將藥物輸送到感興趣的區(qū)域提供了可能。從外部控制膠囊內(nèi)窺鏡可以幫助減少設(shè)備的整體功耗。從外部控制設(shè)備節(jié)省下來的功率隨后可用于改善功能，例如圖像收集和傳輸。

IntroMedic的MiroCam?Navi提供了這種功能的良好示例。MiroCam?Navi是一種膠囊內(nèi)窺鏡，能夠在整個患者中進行引導(dǎo)，該設(shè)備通過一個外部磁力控制器來進行操縱。

為了安全攝取，膠囊內(nèi)窺鏡必須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?內(nèi)窺鏡還使用無汞氧化銀電池，以避免膠囊受到任何危險的污染。內(nèi)窺鏡還可以抵抗2至8個pH范圍內(nèi)的酸度水平，從而可以抵抗人體內(nèi)部的大多數(shù)酸度水平。

與常規(guī)內(nèi)窺鏡相比，處于當(dāng)前狀態(tài)的膠囊型內(nèi)窺鏡具有許多優(yōu)勢。膠囊內(nèi)窺鏡能夠無創(chuàng)地通過人體，這與傳統(tǒng)常規(guī)內(nèi)窺鏡有明顯區(qū)別。

但在某些方面，常規(guī)內(nèi)窺鏡仍然占據(jù)優(yōu)勢。一方面，常規(guī)內(nèi)窺鏡的操縱能力允許對關(guān)注點進行更直接的檢查；另一方面，常規(guī)內(nèi)窺鏡的外部布線在使用過程中為內(nèi)窺鏡提供了連續(xù)的電源，從而使其具有更高的電壓。這種外部布線也導(dǎo)致內(nèi)窺鏡無法被留在體內(nèi)——膠囊內(nèi)窺鏡殘留在體內(nèi)是該設(shè)備最顯著的缺點之一，并且常常需要額外的步驟才能將其取出。

膠囊內(nèi)窺鏡未來的發(fā)展趨勢

CMOS圖像傳感器等MEMS技術(shù)和無線射頻發(fā)射器等其他小技術(shù)的使用，在很多方面都使該設(shè)備比傳統(tǒng)的同類設(shè)備更具通用性。

目前膠囊內(nèi)窺鏡還沒有發(fā)揮出最大的潛力，科學(xué)家們每天都在研究創(chuàng)新技術(shù)。膠囊內(nèi)窺鏡在電池壽命、幀率和可控性方面的局限性仍有很多不足之處。

此外，膠囊內(nèi)窺鏡執(zhí)行諸如活檢等能力可能是該設(shè)備的另一個潛在的未來應(yīng)用。這些功能的實現(xiàn)將有助于進一步減少侵入性手術(shù)的總體數(shù)量。

隨著技術(shù)的進步，膠囊內(nèi)窺鏡的功能也在不斷提升。其新穎、無創(chuàng)、安全的內(nèi)窺鏡檢查方法使其受到消化科醫(yī)生的歡迎。未來膠囊內(nèi)窺鏡的功能，如自動移動和靶向藥物輸送，甚至可以進一步擴大該設(shè)備的應(yīng)用范圍。雖然它還不是理想的分析設(shè)備，但膠囊內(nèi)窺鏡的不斷改進和創(chuàng)新將有助于它最終成為所有消化道診斷程序的首選。

來源：《（2020）膠囊內(nèi)窺鏡技術(shù)的當(dāng)前和未來技術(shù)分析》，作者：Brown AP，Jayatissa AH

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