人体消化道无创检测胶囊定位系统的研究进展.docx
- 文档编号:8255622
- 上传时间:2023-01-30
- 格式:DOCX
- 页数:17
- 大小:25.49KB
人体消化道无创检测胶囊定位系统的研究进展.docx
《人体消化道无创检测胶囊定位系统的研究进展.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《人体消化道无创检测胶囊定位系统的研究进展.docx(17页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
人体消化道无创检测胶囊定位系统的研究进展
PD
XCF-
hangeVi
ew
er
Click
to
buyw.do
NO
.cckcu-traW
!
o
m
w
w
生物医学工程学杂志
V01.251竺!
堡!
旦』呈塑鲤堡垒!
竺墅墼型曼墅塑里堡人体消化道无创检测胶囊定位系统的研究进展*
何文辉1,2颜国正2△综述郭旭东2审校
l(中国计量学院质量与安全分院,杭,I{310018)
2(上海交通大学电信学院820研究所,上海200240)
摘要人体消化道无创检测系统在国内外取得了较大的成功,随着研究的深入,它必将得到广泛的应用。
但对无创检测系统的胶囊定位还没有一个完美的解决方案。
本文对国内外的胶囊定位系统的研究现状及其最新进展情况作了介绍,并对每一种定位方法的优缺点作了分析。
关键词消化道无创检测系统胶囊定位中图分类号R318.03
文献标识码A
文章编号1001.5515(2008)01-0196-04
TheLatestDevelopmentoftheLocalizationforNoninvasive
Monitoring
He
CapsuleinGastrointestinalTract
Yan
Wenhuil・2
Gnozhen矛GuoXudon矿
1(InstituteofQuality&SafetyEngineeringofChinaJiLiangUniversity-Hang畦ou310018.China)2(820Institute。
&hagofElearonics&Information-ShanghaiJiaotongUniversity.Shanghai200240.Offna)
Abstract
TheworkofresearchanddevdopmentofnoninvasivemonitoringsystemforhumanGI(gast商ntestinal
in
tract)hasbeenvery驯:
cesdulallowel-theworld-andwithoutquestions,thesystemas,suchwillextensivelybeapplied
thefuture.H㈣竹口。
themethodforlocalizationofthernoratora.19capsuleinthesystemisthe
status
not
perfect.nlispaperrl蕞x)rt¥
quooftheresearchprocessforthecapsulelocalizationsystem-andanalyzestheiradvantagesandddects.Gastrointestinal
tract
Keywolds
Noninvasive
monitoringsystdn
QIpsule
Localization
1引言
人体消化道无创检测系统的研制近年来取得了
长足的进步,2002年我国一些大医院已经开始引进
参数,如pH值、温度、肠道压力或图像等用无线射
频信号发送到置于患者腰间的数据接收器中,待胶囊排出体外后,再将数据接收器中记录的数据传到PC工作站分析处理【3,4|。
在整个过程中,胶囊定位装置对胶囊在人体消化道中的位置进行定位,即对
胶囊在人体消化道内所处位置进行准确检测,其意
以色列的这种检测系统为消化道患者做临床检查,
并取得了较好的效果[1,21。
我国目前有上海交通大
学、重庆大学等在国家863计划的资助下开始了持续数年的研究,并研制出了样品,有的已经完成了初
步的动物实验和人体实验,正在逐步完善并走向产
义在于将胶囊位置与胶囊检测的生理参数准确对应起来,并得出胶囊运动轨迹,从而使生理参数更有意
义,并为消化道的动力分析提供便利条件。
实际上,对胃肠道内容物的定位,国内外已研究
业化。
然而,无论国内国外,人体消化道无创检测系统都主要由胶囊、数据接收器、胶囊定位等系统装置
组成。
胶囊可以由患者用温水服入,随着消化道的
过多种方法。
比如利用X射线对生物遥测胶囊定位,但定位时需要间隔一定的时间进行X线照射,间隔时间太长则定位不够精确,太短又易造成放射性危害,所以不宜作为胶囊的定位工具。
放射性核素可以标记固体和液体食物,当受试者摄入被核素
标记的试餐后,用7照相机连续摄取其通过胃肠道的动态变化图像可以确定目标在消化道中的位置,但同样存在上述问题。
核磁共振成像与标记物结合
蠕动,胶囊沿着消化道自然运动,直至从肛门排出体外,在此期间,胶囊上的各种传感器将消化道的生理
*国家863计划资助项目(2004AA404013);国家自然科学基金资助项目(30270382)
△通讯作者。
E-mail:
gzhyan(园situ.edu.∞
万方数据
yub
ot
kcilw
Cw
wm
.do
cu-track
.o
c
可以用来研究胃肠道的运输过程,但其设备昂贵,操
作复杂,检查费用较高,不可能连续数十小时对消化道进行监测。
实时B型超声波或三维实时超声也
可以用来确定目标在消化道内的位置【5・61,但须解决便携性问题。
20世纪90年代初,Lambert等【7】提
出了一种称为“自主探测胶囊”方法以检测消化道的运输过程,其原理是在胶囊上安装一个可伸缩的齿轮,当胶囊进入小肠后,齿轮及基架从胶囊外壳中弹出,齿轮即可压紧在肠壁上,胶囊在小肠中运动时,带动齿轮旋转,从而可以计算出胶囊在小肠中经过的长度。
这种方法只能应用于小肠,因为胶囊进入
内径较大的结肠后,定位齿轮将无法和肠壁可靠接
触,而且这种方法只能大概估算运动长度,还要在胶
囊中嵌入一套复杂的齿轮和旋转检测机构,所以并
不可行。
Weitschies等[8,9]研究了一种被称之为“磁标记物监测(MagneticMarkerMonitoring,M^心嗄)”
的方法,利用37通道超导量子干涉仪(Supereon.
ductingQuantumInterface
Device,s(!
UID)对消化
道内磁性标记物的磁感应强度进行检测,采用磁偶极子理论计算磁标记物在体内的位置和方位角,获得了磁标记物沿消化道运动的位置轨迹,其空间分辨率可达几个毫米【10】。
由于Weitschies等的方法
必须在屏蔽室中进行,而且要使用多通道s(WID,
定位精度虽高,但仪器体积庞大,价格昂贵,测量时
需要专人操作,并不适合便携式应用。
Andra
等[11--13】对此研究了另外一种检测磁标记物的方
法,此方法检测传感器位置处由磁偶极矩引起的杂散场的三个坐标分量,从而计算磁标记物的位置。
这种方法虽然只使用一个传感器即可定位,但需要三个尺寸较大的线圈对磁标记物进行方向校准,使
其磁矩的方向与设定的z坐标轴方向平行,实际应用这种方法比较困难,因为磁标记物在消化道内时,很难将其移动以使其磁矩的方向与Z坐标轴平行。
由此可见,虽然定位问题在整个系统中占有举足轻重的作用,但要准确对胶囊进行定位,确实是一个非
常困难的问题,主要表现在如下几个方面:
定位系统要求轻便,患者使用时,要能活动自如,基本上不能
影响正常的生活;定位系统要求有足够的精度,最好
达到毫米级,而这是比较难于实现的,因为人体本身是柔性的,在人体上不易找到相对固定的位置参考点和传感器的布置点;为便于患者从口中吞服,要求
胶囊体积足够小,定位系统不得占用胶囊太大的宝
贵空间;使用要安全可靠,不影响人体健康;胶囊在人体消化道内,欲在体外对它准确定位,很难找到比
万
方数据较好的定位手段。
也正因为有这些难点,所以到目前国内外都还没有很好地解决这一问题。
2国外胶囊定位的实用技术
以色列的M2A人体消化道无创检测系统实际
上是一个胶囊内镜,它通过在胶囊上装微型摄像头,
将图像从消化道内通过射频(RF)信号发送到挂在
患者腰间的数据接收器存贮,待胶囊自然排出体外
后,再将数据接收器的数据传人PC机进行处理。
他们通过胶囊发射的RF信号进行定位,具体操作时,在人体胸腹部布置3~8个传感器构成传感器阵列,这些传感器能检测出RF信号的强度变化,利用RF三角测量法,解算出胶囊相对于传感器的位置坐标。
这种定位方法基本上较好地解决了定位问题。
他们的实验结果也验证了这种方法的可行性。
其实验结果是平均位置误差为3.77CITI,其中
87.0%的样本定位误差在6锄以下,有7%的样本
定位误差为6--7cm。
他们靠这一定位方法实现了
M2A胶囊的较准确定位,从而使该系统的商品化成为可能[14,15】。
显然,从定位技术上看,利用RF射频信号定位是一个不错的选择。
它不会增加胶囊的
体积,也不会对胶囊的工作产生不良影响,但是,三
角测量法的计算比较复杂,RF射频信号能量的衰减不仅与信号源(胶囊位置)到传感器的距离有关,
而且跟人体组织有关,因为RF信号通过人体不同
组织时能量衰减程度不同,也就是说,这一算法需要一个精确的人体组织与RF信号衰减的数学模型,而这并不是一件容易做到的事。
从实验来看,M2A
胶囊的定位误差最大达到11.4era,若只是传递消
化道内的图像,也许可以满足精度要求,但若要测量
消化道的生理参数,并对消化道作动力学分析,可能还需要进一步提高它的精度。
美国的smartpill胶囊能够测量人体消化道的压力、pH值和转运时间,他们在2004年3月左右完成了第一阶段的实验,主要是通过胶囊测量从胃到
小肠、结肠的pit值和压力,取得了初步成功,目前
正在征集第二阶段实验的自愿者,计划的实验内容
是进一步测量十二指肠的pH值和压力、胶囊的滞留时间和转运时间,并将在美国各地进行不同地域
的实验。
但他们胶囊的定位问题还没有得到很好解决,他们也计划用RF射频信号的三角测量法实现,
但还没有到达一个可用的精度。
日本的NORIKA胶囊目前是与以色列的M2A相近的胶囊内窥镜,但结构却有很大的不同,其中一
yub
ot
kcilw
Cwm
w
.o
do
cu-track
.c
个重要区别是NORIKA胶囊端部布置了三个线圈,人体外部也有三个线圈固定在衣服上。
胶囊上的三个线圈可以通过胶囊内部的电容快速通电,相当于电机的转子,衣服上的三个直流线圈相当于电机的定子,通过调整衣服上线圈电流的时序能够控制胶囊的姿态,与此同时,通过对线圈电流的监测能推算出胶囊相对于衣服上固定线圈的位置。
采用这种方法定位,位置误差不超过5n'ln'l,胶囊角度误差不超过15。
(见网站www.rfnorika.tom)。
这种定位和姿
态控制方法在NORIKA的内窥镜胶囊中已经实现
了,对生理参数的监测和药物注射及组织切片胶囊的研究也正在进行中。
从定位原理和结构上看,采用这种方法定位精度是很高的,但结构和控制比较
复杂,胶囊上的线圈及其充电电路会占用胶囊宝贵的空间。
线圈发热也是一个需要考虑的因素,所以欲
在其它类型的胶囊中推广还有许多困难要克服。
3国内的胶囊定位研究成果4讨论
目前,国内对胶囊的定位也还没有完美的解决方法。
上海交通大学电信学院820研究所研制的人
体胃肠道无创检测胶囊采用了超声定位法【16】,其基本原理在于结肠上有一些“关键点”,这里的“关键
点”是指结肠上的某些关键位置,这些位置由于肠系膜的牵制,它们的位置相对比较固定,在这些点对应
的腹部表面处设置微型超声探头,超声探头发射一
定频率的超声波,通过检测超声回波的变化来判断
生物遥测胶囊是否通过该探头所能探测的区域。
这种超声定位法能比较准确地探测到胶囊是否通过了这些关键点,即能对胶囊在肠道内分段定位。
目前,这种定位系统的样品已经研制出来,他们将定位系
统集成在一件衣服上,使用非常方便。
但用这种方
法定位,当胶囊不在这些关键点时,并不能对胶囊准
确定位。
除此之外,这种方法在实用中还存在如下问题:
超声探头与皮肤的接触需要耦合剂,而耦合剂可能导致人体皮肤不适;超声信号受肠道内容物性质的影响很大,如果肠道内气体较多,则很难分辨出生物遥测胶囊的回波信号;这种方法只能应用于结
肠,对于小肠则无能为力,因为小肠上不存在关键点;这种方法的定位精度很低,只能大概定位在某一
个较长的肠段,因为只能检测是否通过关键点;无法进行实时位置跟踪,对于胶囊在消化道内究竟是如何运动的则无法得知。
重庆大学生物工程学院研究了利用永久磁铁对胶囊进行定位【17,18】。
具体做法是首先将永久磁铁
万
方数据置于胶囊内部,在体表布置了8个三轴霍尔传感器,由霍尔传感器检测出磁铁的磁场强度和方向,通过单片机对传感信号进行采样和相应的数据处理,并将永久磁铁简化为一个磁偶极子进行计算,在PC机上可求出永久磁铁相对于体表固定的传感器的位
置。
这种定位方法在理论上是可行的,但在实现时
仍有不少困难,比如永久磁铁体积不能太大,否则将导致胶囊重量和体积偏大,如此则磁场信号将很弱,尤其是胶囊距传感器距离较远时,有可能检测不到磁场信号,从而留下胶囊位置坐标的空白;又如当胶囊离传感器较近时,磁偶极子理论可能带来较大误差。
而且这种方法抗干扰能力较差。
显然,这种方法
还需进一步完善,才能达到实用的程度。
为了解决这种利用永久磁铁定位的不足,上海交通大学正在
研究通过线圈交流激磁产生的交变磁场定位的方
法,这种方法有望实现胶囊的较准确定位。
总体来看,对胶囊定位国内外研究得比较多的是磁标记法,即在胶囊内放置磁标记物,利用体外磁传感器对胶囊进行位置检测,所使用的磁传感器大致有SC!
UID(超导量子干涉器件)、磁通门和霍尔磁传感器等几种,在这方面国外有大量的文章发表,但都还没有象RF定位那样达到实用的阶段。
但RF
射频定位若要进一步提高定位精度,将会很困难。
而磁标记定位应该是一种比较有前途的方法,其磁
场源可以是永久磁铁也可以是通电线圈,磁标记物
可以放在胶囊内部,相应的磁传感器放在人体外部,
也可以将磁标记物放在人体外部,而将磁传感器放在胶囊内部,若选准合适的磁场传感器,并完善检测理论,有可能解决实践中存在的诸多问题。
在这方面。
已经有不少科研成果【19--21】。
最近瑞士科学家
Stathopoulos等[22]和德国科学家Richert等[23]在总结前人的基础上,在这方面取得了重要进展,根据胶囊定位信息,画出了胶囊在人体消化道运动的轨迹,但仍有许多地方需要改进。
磁标记法的安全性是需要研究的另外一个重要
问题,若将磁标记物跟其他传感器一起封装在胶囊
中,唯一值得担心的是封装后胶囊的比重与肠容物的比重是否协调,是否影响顺利排除体外。
从Stathopoulos等的人体实验来看,一定尺寸的磁标记物并不会影响人体的健康,但胶囊比重的上限问题仍是一个需要研究的问题,目前国内外并没有这方
面的公开研究成果的报道。
除此之外,许多实验表
PD
XCF-
hangeVi
ew
er
Click
to
buyw.do
cu-track
NO
.c
W
!
o
m
w
w
值塞簦笠。
厶签煎丝遒玉剑撞型膣囊室僮丕缠塑受塞迸屋
!
丝
明,胶囊封装的安全性是有充分保障的。
我们相信
随着相关技术的发展,我们有可能找到一种合适的
方法便捷地实现胶囊的定位目的。
参考文献
WuYL。
飙S,ClauY,露a/.studyofdigestivedi跚aiag-
∞sedbM2A
c举lule∞do鲫|py.ChinJDigEndoee。
2003;20
(4):
230[吴云林。
张曙,褚哗等.M2A胶囊内窥镜在消化病诊断中的应用研究.中华消化内镜杂志,2003;20(4):
230】
2
Ij
YH,‰刁订,Cheladi碰岫ofLD,矗a/.Evaluatingthe
valueofeapⅢleenaoscopesin
gamointestiml
disease.ChinJDigEn-
doee,2003;20(4):
234[李运红。
徐肇敏,陈隆典等.胶囊内镜对胃肠道疾病的诊断意义.中华消化内镜杂志,2003;20(4):
234】
3
WangWX,Y妇GZ。
SunF,eta/.Arion-inv商vemethodfor
gastrointestinalpnI'smetelt
rr州toring.W甜d
J‰terol。
2005;11(4):
521
4
JiangPP,YsnGZ,DingC,Q,eta/.Researches
011
a
tdm',etry
S'yStdTI
forgasta∞intestinalmotility
aridHumanScience,2003.鹏2003.PIoc∞血擎of
monitoring.MiellQmeehatronies
2003In-
ternatictudSyml瑚itma.2003:
2995
AnYJ,LeeH,C她D.da/.Applieati∞ofpulsedDopplerul—
trasoundfortheevaluationofsmallintestinalmotilityinclogs.
JourrullofVherinaryScience,2001;2(1):
71
6
GarayLI。
Cardidinvasiveulumaiedetector
formonltorillg
g疵motility
E,R觚髓EG.Noain
rats,using锄q日nitterbased
olla
crystall:
lseillatci".SecondJoint
Eh征玛儡怔S
C∞f豇dl∞.in
I-touston.USA.2002:
17917
1.皿,nbertA,VamnmF,CreralerF,群a/.Autoflclax燔telemetric
∞psl】k
to
explorethe
small训.Med
B弑&培Comout,1991;
29(2):
191
8
WeitschiesW,CordiniD,KaramM。
eta/.M捌gnetiemarker
monitoringof髑op}Iageal,gastric
mddmdm且ltrlUlSitofnarl-dis-
integrating
aIp9uks.Phanmzie,1999;54(6):
426
9
WeitschiesW。
WeaemeyerJ。
StehrR。
eta/.Magneticll'lmSlt.衄
rmrken
∞anoninvasive
tool∞mirror-gastrointestiml
Trmsactiom
on
1310mediad
EIlgir硪商馨,1994;41(2):
192WeitschiesW,KotitzR,CordiniD,矗a/.i-r,gh-r目olutionmoni・
toting
of
the枷testinal
trar菌tof
a唰cally
marked
cap-
sule.JournaldPlmmaeeutiealScienees,1997;%(11):
1218
ll
AndraW,Damn
H,KimmeW.矗a/.Anovelmethodforrod-
timemagneticmarkermonitoring
inthegastrointestinal
tract.
PhysicsinMedicineand
Bo蛔,2000|45(10):
3081
MsniPN,&,elm蚍FA.Localizationof
a
magneticmarkerforGI
万
方数据motility
sttlldi蕾;m
invitro
legibility
stuay.Pmeeedin爷19th
In-
tea'natiorialcollf商∞静IEEE/EMBS.in
Ql蛔p。
IL.U魄
1997:
2394
Jacx^,H。
L-m,D.ShreiberR.矗a/.Localization
ofthe
givda
Ⅳ眨A
ingestible∞psIdeintheEhdo嘲r。
2002;55(5):
135
giv∞diflglxls6c如碍gjl唱systelll.
GL鲥croIntestinal14
F'燃herD,ShreiberR。
MesaG,露a/.Loeali翻:
tionofthewire-
less
a础aldosoope
in
its球I鼬ge
tlu,oughtheGItl'aet.Gas-
trointestinal
B吐措oopy,2001;53(5):
126
JiangPP。
Y缸GZ.Localizationof
a
robotic
calveforGI
motility
inspection训tha
IXIl[T.sblqe
ulmlscIlic
systq口11.Jotml
ofDangHua
University(EnglishEaitio.)。
2004;21(3):
190
HouWS,Zheng孔,PengCL,矗a/.Studyofmicromedidde・
viceloeati∞systel31insidehumanbodybased∞pellrri∞entmagnetfield
detecting.Beijing
tl妇lediealEngineering。
2004,23(2):
81
[侯文生,郑小林,彭承琳等.基于永磁体空间磁场检测的体内微型诊疗装置定位系统的研究.北京生物医学工程,2004;23
HouWS,z町咏孔。
PengCL。
矗a/.The劬ofnil卿mlJCIoea・
(2):
81]
tion
besed由mⅢIlic
hacking佃dm蛔for
thealimentaryareal
microdrug
delivering
d目血七.BeiiingBiomedical
Engineering。
2005.24(1):
36[侯文生。
郑小林。
彭承琳等.基于磁定位的消
化道微型药物释放装置动态跟踪技术研究.北京生物医学工
程,2005;24(1):
36]
18
Wi瞄edA,I-Ierai
D,刚tet-K,露a/.Anovelmethodforreal-
timemagneticmarkermonitoringinthegastrointestinal
tract.
Phys
MedBd,20∞;45:
3081
Weit∞hies,KazamM.Cordini
D。
矗02.Mall..tiemarkel"n“.
torlngofdisintegrating
CStJ6tlIIes.EI戚pe叽Jotmdof
Pl如ma∞u.
ti‘妯Scimees,2001;13:
411
Sehlaget目V.TI踟B,Meyrat
B,露以.Non-invmiveexamina-
tiota
of
gaslacoimestimlmotilitybyusingmagnem--detectiota.Neu-
rogastroenterolMotil。
1998:
10
SchlsgeterV,B∞∞PA。
PopovieRS,甜a/.Trackingsystenl
wi出five
d嘲田瞄offreedom墒ng
a
2D
array
of舢箦疆。
幅and
a
pem-lnnemmagnet.Sereactuat,2001
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 人体 消化道 检测 胶囊 定位 系统 研究进展
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)