Capsule endoscopy with lateral and axial camera

Full Text

На современном этапе развития медицины существует ряд методов позволяющих визуально оценить заболевания тонкого кишечника. К ним относят: колоноскопия, компьютерная томография, баллонная эндоскопия, капсульная эндоскопия.

Обзор существующих решений

Видеокапсульная эндоскопия чаще всего используется при диагностике кровотечений неясной этиологии (obscure gastrointestinal bleeding). Показанием к проведению капсульной эндоскопии также являются подозрение на болезнь Крона, опухоли тонкой кишки, повреждение тонкой кишки в результате приёма нестероидных противовоспалительных медикаментов, целиакии, а также наследственные полипозы [1]. Видеокапсульная эндоскопия является информативным способом диагностики тонкого кишечника, длина которого не позволяет исследовать его классическими эндоскопическими средствами. На современном этапе существует множество видеокапсул, которые можно разделить на капсулы с аксиально расположенными и латерально расположенными объективами [2].

В [3–5] отмечается, что низкая чувствительность видеокапсул с аксиально расположенными объективами к ангиэкстазиям, дивертикулам и др. получается из-за возникновения большого числа слепых зон в процессе перемещения по извилистым каналам тонкого кишечника. Пример случаев возникновения подобных зон представлен на рисунке 1.

Исследования [7-9] показывают, что диагностический выход капсул с латеральными объективами на 32% больше выхода капсул с аксиально расположенными объективами.

Изображения, полученные с помощью панорамных систем высокоинформативны, но крайне тяжело анализируемы, поскольку в них отсутствует визуализация просвета полого органа [10]. Это требует долгой адаптации врача-эндоскописта и, соответственно, ведет к увеличению времени интерпретации результатов анализа, что увеличивает временные и финансовые затраты на исследование. Поэтому существует потребность в фиксации одновременно панорамного изображение и изображения просвета кишечника.

Рис. 1. Малоинформативные кадры классической аксиальной видеокапсулы [6]

Рис. 2. Положение объектов в пространстве и на изображении для разных типов объективов [2]

Параметры пространства изображения важны при 3-D реконструкции, при локализации капсулы и особенно при определении размеров объектов на изображении [2]. Всего существуют несколько типов объективов видеокапсул (рис. 2) a , b – капсулы с аксиально расположенными объективами, с – с возможностью вращения матрицы вокруг неподвижной оси, d – объектив представляет собой  несколько латерально расположенных матриц,  e –изображение на матрице формируется с помощью конусообразного зеркала . По данным [2] минимум аберраций и соответственно наименьшее число ошибок характерно для случая – d. Поэтому формирование панорамного изображения с помощью нескольких матриц предпочтительнее.

Реализация высокоточной оптической системы, состоящей из линз, зеркал и матриц требует значительных финансовых затрат. Требования к качеству изготовления линз, зеркал, к допускам во время сборки конструкции увеличивают стоимость медицинского диагностического изделия. С развитием технологий печати систем на кристалле, КМОП матрицы становятся все более миниатюрными и доступными [11, с. 5-6]. Поэтому объектив панорамных капсул, состоящий из нескольких матриц экономически выгоднее конструкции с конусным зеркалом.

Предлагаемое решение

Учитывая преимущество и недостатки имеющихся решений, предлагается вариант конструкции видеокапсулы (рис. 3), с характеристиками, представленными в таблице 1. Глубина резкости достигается с помощью линз, расположенных на стенках капсулы.

Рис. 3. Функциональная схема видеокапсулы

Таблица 1

Технические характеристики проектируемого устройства

Таблица 2

Параметры КМОП матрицы

Выбор КМОП матриц

Основными критериями в выборе КМОП матриц в данном случае являются: размер и потребляемая мощность. Система на кристалле NanEye – матрица размером 1x1 мм и потреблением 4,2мВт имеет 4 вывода. Два вывода для питания и два вывода LVDS - линия низковольтной дифференциальной связи, по которой осуществляется связь с внешними устройствами. NanEye произведена для применения в эндоскопических устройствах. Технические параметры представлены в таблице 2 [12].

Матрица работает по алгоритму, представленному на рисунке 4. При подаче питания происходит инициализация и начинается передача синхронизирующего пакета. После синхронизации NanEye отправляет пакетами в 12 bit (start bit + 10 bit + stop bit) значения каждого пикселя слева направо в строке, и сверху вниз по строкам. После этого камера принимает управляющие биты по интерфейсу I2C используя ту же линию LVDS и цикл повторяется. Таким образом происходит последовательная отправка кадров с частотой 44-62 fps. Матрица полностью автономна, управление позволяет задать, усиление АЦП, уровень черного, а также сбрасывать строки, задавая тем самым время экспозиции.

Рис. 4. Алгоритм работы NanEye [12]

Рис. 5. Экспериментальные зависимости и зависимости, полученные в результате симуляции потерь сигнала в Дб от толщины ткани в мм, при различной ориентации антенны [14]

Рис. 6. Коэффициент отражения антенны в среде организма [14]

Рис. 7 - a - петлевая антенна и ее параметры, b – петлевая антенна, нанесенная на поверхность капсулы [14]

Таблица 3

Характеристики PCC114 [15]

Выбор блока управления

Для реализации управления капсулой используется ПЛИС. Основные требования — это наличие достаточного количества портов LVDS, компактные размеры кристалла. Необходимо иметь буфер емкостью в 1 кадр матрицы т.е. 249x250 * 10 = 623 килобит, а также внутреннюю память программ.

  ПЛИС семейства MachXO3 обладают габаритами от 3.5x3.5 mm до 9x9 mm, внутренней постоянной памятью до 448 килобит + 2 мегабит, SRAM до 438+73 килобит, внутренний PLL [13].

Устройство поочередно включает камеры, синхронизируется, принимает 1 кадр, записывает в буфер и выключает камеры. Одновременно с этим информация из буфера отправляется на внешний приемник с помощью радиопередачи с частотной модуляцией.

Выбор передатчика

В данном решении используется петлевая антенна, нанесенная на поверхность капсулы (рис. 7) [14]. Сигнал формируется фазовой манипуляцией, несущая частота которого 430МГц, с помощью встроенного PLL (ФАПЧ) и порта LVDS. Мощность сигнала на поверхности тканей $P_{поверх}$ зависит от коэффициента отражения $K_{отраж.дб}=-\mathrm{17,5} Дб$ (рис. 6) и от поглощения радиоволн тканями $K_{поглощ.дб}=50дБ$ (рис. 5). Поскольку сигнал управления антенной представляет собой меандр необходимо учесть, что мощность излучения антенны будет зависеть от соотношения мощностей гармоник в цифровом сигнале. Рассчитаем долю мощности 1 гармоники $\frac{P_1}{P_{полн.}}$ с помощью Фурье-преобразования $\frac{P_1}{P_{полн.}}=\frac{{\left(\frac{4U}{\pi }\right)}^2}{2U^2}=\mathrm{0.8.}$

Тогда учитывая все изложенные выше факторы мощность сигнала на поверхности ткани будет $P_{поверх}=P_{LVDS}\times K_{поглощ.}\times \left(1-K_{отраж.}\right)\times \frac{P_1}{P_{полн.}}=\mathrm{9,43}нВт,$ где $P_{LVDS}={I_{LVDS}}^2\times R=\mathrm{1,225}мВт$

В таком случае приемник должен обладать чувствительностью:$S=10log\left(\frac{P_{поверх}}{1мВт}\right)=-\mathrm{50,26} Дбм$.

Выбор схемы заряда

Заряд аккумуляторов осуществляется посредством харвестерного устройства преобразующего энергию радиоволн в энергию электрического тока. Основные критерии выбора RF-DC преобразователя это частотный диапазон, согласованный с антенной и компактность.

Харвестер PCC114 имеет характеристики, представленные в таблице 3.

Рис. 8. Зависимость КПД от частоты и входной мощности [15]

Таблица 4

Xарактеристики искусственного источника освещения

Таблица 5

Характеристики аккумуляторов

Наибольшее КПД достигается, когда на вход харвестра поступает сигнал с частотой 915 МГц (рис. 8). На этой же частоте коэффициент отражения антенны минимален и составляет $K_{отраж.дб}=-\mathrm{17,5}\text{Дб}$ (рис. 6). Мощность заряда $P_{заряд.}$.  в этом случае составит 100$\text{мВт }\times \mathrm{0,62}=62\text{мВт}$ .  (рис. 8).

Тогда время заряда составит: $t_{заряд.}=\frac{C_{акк.}\times U_{акк.}\times 2}{P_{заряд.}}=7.2 часа$., где $C_{акк.}=53мАч$., $U_{акк.}=\mathrm{3,6}В$.  [16].

Выбор источников освещения

Для реализации источника искусственного освещения применяются импульсные светодиоды SMD 0402 UWC, размером 1x0.5x0.45 мм с углом излучения 120° и номинальным напряжением 3,3В. Характеристики сведены в таблицу 4 [16].

Выбор элементов питания

Основными требования к аккумулятору – это достаточная емкость, и габариты. Аккумуляторы GP M10 - 10 имеют характеристики, представленные в таблице 5 [17].

Заключение

Таким образом, конструкция, функциональная схема которой представленная на рисунке 4, имеет следующие преимущества: Наличие как трех латеральных, так и аксиального объектива, что позволяет получать высокоинформативные кадры и одновременно сокращает время интерпретации результатов, поскольку врачу эндоскописту нет нужды адаптироваться к панорамному формату. Изображение с латеральных объективов формируется посредством трех матриц и линз т.е. не используется сложная и дорогая в производстве оптическая система. К тому же формирование изображения вышеизложенным способом уменьшает количество аберраций и ошибок при 3D реконструкции и определении размеров объектов на изображении. Информация с камер транслируется на внешнее устройство в реальном времени - преимущество которого лишены существующие панорамные решения. Капсула обладает аккумуляторами и возможностью их заряда, что позволяет использовать ее повторно и сокращает, тем самым затраты на исследование, делая процедуру доступнее.

About the authors

Nikita Ivanovich Fadeev

Author for correspondence.
Email: ssaufadeev@gmail.com

student IV course of the Faculty of Electronics and instrument engineering of the Samara University

Supplementary files