Capsule endoscopy with lateral and axial camera

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In this study was analyzed present capsule endoscope, was found advantages and disadvantages modern wireless capsule systems. According this analysis was offered functional diagram of wireless capsule endoscope with radio antenna and with rechargeable battery with wireless charge. Also here was evaluated effectiveness of radio chan-nel to communication and to charge. Was offered optimal compact element base. Was described work algorithm of major modules. Study formulated advantage this solution over modern analogs.

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

№ п/п

Показатель

Значение

Единицы измерения

Примечание

1

глубина резкости

0-6

см

(не менее)

2

разрешение

256x256

пикс.

 

3

угол обзора латерально

360

град.

 

4

угол обзора аксиально

156

град.

(не менее)

5

кол-во часов в автономном режиме

8

ч

(не менее)

6

кадров в секунду

10

кадров/сек

(не менее)

7

габариты

13x30

мм

(не более)

8

передача информации на внешнее устройство

9

бесконтактный заряд аккумуляторов

 

Таблица 2

Параметры КМОП матрицы

Параметр

значение

размерность

Размеры

1x1

мм

Разрешение

249x250

пикс.

Способ передачи сигнала

LVDS

 

Интерфейс

I2C

 

Частота восходящего потока

2,5

МГц

Частота нисходящего потока

30

МГц

Потребление

4,7

мВт

Глубина цвета

10

бит

 

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]

Параметр

Значение

Размерность

КПД

До 75 %

 

диапазон частот

100 MHz–6 GHz

диапазон мощности

-17...20

Дбм

входное сопротивление

50

Ом

размер

1x0.6x0.3

мм

выходное напряжение

4,2

В

выходной ток

100

мА

 

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 Pповерх зависит от коэффициента отражения Kотраж.дб=17,5 Дб (рис. 6) и от поглощения радиоволн тканями Kпоглощ.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 P1Pполн. с помощью Фурье-преобразования P1Pполн.=4Uπ22U2=0.8.

Тогда учитывая все изложенные выше факторы мощность сигнала на поверхности ткани будет Pповерх=PLVDS×Kпоглощ.×1Kотраж.×P1Pполн.=9,43нВт, где PLVDS=ILVDS2×R=1,225мВт

В таком случае приемник должен обладать чувствительностью:S=10logPповерх1мВт=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

Параметр

Значение

Размерность

Размер

1x0.5x0.45

мм

Прямой номинальный ток

20

мА

Номинальное напряжение

3,6

В

Угол излучения

120

град.

Цвет

белый

Мощность рассеивания

100

мВт

Рабочая температура

-40…+85

°С

 

Таблица 5

Характеристики аккумуляторов

Параметр

Значение

Размерность

Ёмкость

55

мАч

Напряжение

3,8

В

Габариты (∅ x h)

10x10

мм

Максимальное напряжение заряда

4,35

В

Максимальный ток заряда

60

мА

Максимальный ток разряда

120

мА

 

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 Kотраж.дб=17,5Дб (рис. 6). Мощность заряда Pзаряд..  в этом случае составит 100мВт ×0,62=62мВт .  (рис. 8).

Тогда время заряда составит:  tзаряд.=Cакк.×Uакк.×2Pзаряд.=7.2 часа., где Cакк.=53мАч., Uакк.=3,6В.  [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

Samara University

Author for correspondence.
Email: ssaufadeev@gmail.com

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

Russian Federation, 443086, Russia, Samara, Moskovskoye Shosse, 34

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2020 Proceedings of young scientists and specialists of the Samara University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Proceedings of young scientists and specialists of the Samara University

ISSN 2782-2982 (Online)

Publisher and founder of the online media, journal: Samara National Research University, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086, Russian Federation.

The online media is registered by the Federal Service for Supervision of Communications, Information Technology and Mass Communications, registration number EL No. FS 77-86495 dated December 29, 2023

Extract from the register of registered media

Regulation of the online media

Editor-in-chief: Andrey B. Prokof'yev, Doctor of Science (Engineering), associate professor,
head of the Department of Aircraft Engine Theory

2 issues a year

0+. Free price. 

Editorial address: building 22a, room 513, Soviet of Young Scientists and Specialists, 1, Academician Pavlov Street, Samara, 443011, Russian Federation.

Address for correspondence: room 513, building 22a, 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086, Russian Federation.

Tel.: (846) 334-54-43

e-mail: smuissu@ssau.ru

Domain name: VMUIS.RU (Domain ownership certificate), Internet email address: https://vmuis.ru/smus.

The previous certificate is a printed media, the journal “Bulletin of Young Scientists and Specialists of Samara University”, registered by the Office of the Federal Service for Supervision of Communications, Information Technologies and Mass Communications in the Samara Region, registration number series PI No. TU63-00921 dated December 27, 2017.

© Samara University

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies