CN101283902A - 可主动改变拍照角度的电子胶囊 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可主动改变拍照角度的电子胶囊，它由壳体、内置在壳体内的成像拍照单元、微处理器、电机、无线发射器、天线构成等；其特征在于：所述电机为微型扁平偏心电机或扁平振动电机。本发明利用偏心电机或扁平振动电机的旋转改变拍照角度，完成不同角度的拍照。本发明特别适用于对没有自然导向作用的部位如胃或者大肠等内腔空间较大的人体器官进行检查。本发明的优点是：将胃镜的微创检测变为无创检测，除去了人们对胃镜的恐惧、避免了检查前的麻醉、排除了检查过程中人们的各种不良反应，对不适合传统胃镜检查的人群是一个可选择的手段。本发明每拍照完一张或多张照片后，在微处理器的控制下使偏心电机旋转，改变拍照位置，再进行后续的拍照，直到对整个胃部完成拍照。

Description

可主动改变拍照角度的电子胶囊

技术领域

本发明涉及一种用于检查人体器官内部情况的电子胶囊，具体地说，本发明涉及一种特别适合对消化系统中那些没有类似小肠、食道等可以对胶囊的拍照方位进行自然导向作用的部位进行检查，并可自动改变拍照角度的电子胶囊。该可自动改变拍照角度的电子胶囊通过吞服进入人体消化道，在消化道中可自主改变拍照角度进行全方位的拍照。

本发明属于医疗器械，机电类产品。

背景技术

研究发现，胃癌患者的病情发展主要取决于癌灶的深度，当癌侵润到肌层，甚至穿透肌层到了胃表面以及相邻器官时，病情就相当严重了。为了及时掌握胃癌患者的病情发展情况，以及发现早期胃癌需要通过胃镜检查胃部情况。传统的内镜检查虽然属于非创伤性技术，但是由于内镜需要经过口咽部插入食管以及胃腔，所以内镜检查属于一种介入性的诊断器械，而采用麻醉等手段时，会产生一系列潜在的问题。将管子插入食道和胃肠道，局部刺激所致的咽喉反应，还会使病人感到恶心、不适、甚至不良的精神创伤，所以属于微创手术范围，一般需要进行局部麻醉甚至全身麻醉和镇静，因而很多人不愿意做胃镜检查。做胃镜给人带来的痛苦主要是管子太粗，会引起吞咽反射，产生不适感，人们研制出了超细电子胃镜，减轻了普通胃镜的痛苦，但是仍然会产生对人的刺激。胃镜检查会给人带来不适，而人的紧张情绪有时会使胃酸增多，影响探测结果。麻醉胃镜是在麻醉状态下做胃镜检查的，目的是减少局部反应，但是这里需要采取麻醉(比如咽喉部的麻醉)手段，而且仍无法摆脱胃镜检查对患者生理和心理带来的不适，而且严重高血压、严重脑肺疾病、咽喉疾病、以及体制比较敏感不能忍受胃镜检查、幼儿等都是禁止进行胃镜检查的。

随着人们对减轻检查中痛苦的要求逐年强烈，对可吞服的胶囊内镜有着迫切的需求。目前，国际上已经出现了一种用于辅助治疗的医疗器械类胶囊，它可以进行人体内拍照，并以无线的方式将拍摄的图片发送出来，供医生诊断疾病时参考。通过胶囊胃镜对胃部进行检测是一种无痛苦的检测方式。病人将胶囊吞入胃中，经肠道排出，毫无痛苦。但是，目前国际上已出现的胶囊系统，比如以色列的M2A胶囊，主要是进行小肠的检测，一般不用胶囊来检测胃，而且因为目前已经发明的胶囊内窥镜的分辨率不高，不能有效检查胃部的实际情况，所以目前利用胶囊系统还不能正式作为胃部的检测手段。这是因为胃镜检测具有特殊性，胃是一个囊状器官，上贲门与食管相连，下经过幽门连接十二指肠；分为胃底部、胃体上部、胃体中部、胃体下部、胃角部和胃窦部，胃部的空腔远比肠道的横切面面积大，没有小肠对胶囊的自然导向作用机制；而且，目前世界上已经出现的可吞服的电子拍照胶囊吞入后，不能主动变换拍照角度，等到胶囊随着消化系统的自然蠕动进入肠道后，出现胃部部分区域被漏拍的现象。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种特别适合对检查消化系统中那些没有类似小肠、食道等可以对胶囊的拍照方位进行自然导向作用的部位进行检查，并可自主改变拍照角度的电子胶囊。该可自动改变拍照角度的电子胶囊通过吞服进入到人体消化道后，在消化道中可自主改变拍照角度进行全方位的拍照，大幅度降低漏拍概率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可主动改变拍照角度的电子胶囊，它由壳体、内置在壳体内的微型成像拍照单元、微处理器、电机、无线发射器、电池、照明用LED、天线构成；其特征在于：所述电机为微型扁平偏心电机，本发明利用偏心电机的旋转改变拍照角度，完成不同角度的拍照。

所述微型成像拍照单元受微处理器控制；微处理器控制电机，控制其是否转动；微处理器将数据输出给无线发射器，并通过无线发射器发送数据；

所述壳体为胶囊形状，在其靠近成像单元端的一端由透明材料制成。

所述偏心电机安装在胶囊内部与整个胶囊质量中心不重合的位置处。所述扁平偏心电机安装在胶囊内靠前/或靠后的位置处。

所述扁平偏心电机的径向尺寸与所述壳体内径尺寸接近。

该可主动改变拍照角度的电子胶囊还包括有一体外接收盒，该体外接收盒由天线、接收电路和记录单元构成；接收电路的数据输出端与记录单元的数据输入/输出端相连。

所述电子胶囊可以根据拍照顺序，通过体外或者胶囊内部微处理器发出控制指令，控制电机的启动和关闭；电机启动时，停止拍照并关断LED。

本发明利用偏心电机的旋转而产生的陀螺效应及其它效应，自动改变拍照角度，完成不同角度的拍照，大幅度降低漏拍概率。本发明的特征是利用偏心电机的陀螺效应，自动改变拍照角度以及自动换位进行拍照。每拍照完一张或多张照片后，在微处理器的直接控制或通过体外信号控制，使偏心电机旋转，主要通过陀螺效应，主动改变拍照位置，改变拍照位置，再进行后续的拍照。这个过程一直进行下去，直到对整个胃部完成拍照。

本发明特别适用于对没有自然导向作用的部位如胃或者大肠等内腔空间较大的人体器官进行检查。本发明的优点是：将胃镜的微创检测变为无创检测，除去了人们对胃镜的恐惧、避免了检查前的麻醉、排除了检查过程中人们的各种不良反应，对不适合传统胃镜检查的人群是一个可选择的手段。

附图说明

图1为本发明可主动改变拍照角度的电子胶囊实施例一内部结构示意图(扁平偏心电机位于胶囊的前部，靠近微型成像拍照单元的位置)；

图2为本发明可主动改变拍照角度的电子胶囊实施例二内部结构示意图(扁平偏心电机位于胶囊的后部，远离微型成像拍照单元的位置)；

图3为本发明可主动改变拍照角度的电子胶囊转动原理；

图4为本发明微型成像拍照单元拍照顺序。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开的可主动改变拍照角度的电子胶囊由壳体1、内置在壳体1内的微型成像拍照单元2、微处理器3、扁平偏心电机4、无线发射器5、电池6、照明LED光源7、天线8构成。成像拍照单元2受微处理器3的控制；微处理器3的电机控制端与扁平偏心电机4的控制信号输入端相连，控制其是否转动；微处理器3与无线发射器5相连；微处理器3的拍照控制端与LED 7相连。

如图1所示，构成本发明电子胶囊的壳体1为胶囊形状，其靠近微型成像拍照单元2的一端由透明材料制成。所述扁平偏心电机4可以安装在胶囊内靠前的位置即靠近成像拍照单元2处，也可以安装在胶囊内的后部，如图2所示，远离成像拍照单元2处。所述天线8可安装在壳体的尾部，还可以安装在胶囊外壳的内侧面。

本发明电子胶囊主动改变拍照角度原理是微型陀螺原理。在技术实现上，是在胶囊内安装一个微型的偏心电机，如图3所示，电机转子绕自身轴线以胶囊参考系为基准相对角速度ω旋转时，动量矩为 $\stackrel{\mathrm{\ρ}}{G}=J\stackrel{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ω}}.$ 由于构成本发明的偏心电机是质心偏心转子，转子旋转时，由于偏心转动以及与消化道的碰撞，会产生惯性力f＝mrω²，r为转子几何旋转中心与转子质心之间的偏心距，偏心距越大、旋转速度越快、转子质量m越大，则惯性力越大。

偏心转子的离心力使得胶囊与胃壁之间产生变化的相互作用力，人体消化道内壁具有良好的弹性，当转子的速度足够高时，胶囊在其自身的离心惯性力和胃内壁反作用弹性力共同作用下，使胶囊产生上下振动，而胶囊头部和胶囊尾部的振动幅度不会一样高，这主要是转子的位置可以不安装在胶囊质心处，也即胶囊的上下振动不是一个上下的平动，而是一个胶囊头部和尾部由于各自振动幅度不同而产生的绕Y轴的转动运动分量，或者是一个平动分量加转动分量的合成运动。这里值得注意的是，一旦发生了绕Y轴的转动，则会产生一个力矩为 $-\stackrel{\mathrm{\ρ}}{L}=J\stackrel{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ω}}\×\stackrel{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\Ω}}$ 的外力矩，这里Ω表示胶囊参考系转动的瞬时角速度，也即绕Y轴的转动速度，这个力矩可以使胶囊绕Z轴旋转，这样就可以改变拍照的方向。

本发明是由于使用扁平偏心电机或扁平振动电机，偏心转动产生一个带有转动分量和平动分量的复杂运动，而且在人体消化道内壁这样一个有良好弹性的特殊环境下，产生绕Y轴的转动，最后在陀螺效应的作用下，前两个运动即偏心旋转和绕Y轴的转动或转动加平动，产生了第3个运动，即绕Z轴的改变拍照角度的运动。这个运动与偏心电机引起的离心惯性力、人体组织的弹性恢复力、摩擦力以及重力的共同作用下，构成胶囊在人体中绕Y轴的转动以及质心位置的变化，从而有改变镜头拍照的角度的作用。

本发明采用扁平封装的偏心电机或扁平振动电机。扁平电机的优点是充分利用径向尺寸，径向尺寸可以与胶囊内径尺寸接近，减小整个胶囊的轴向尺寸。另外的优点是，在同样偏心质量下，偏心距越大，产生的惯性力越大；采用细长电机(电机直径小于或等于包括偏心质量块在内的电机总高度)也可以达到改变拍照角度的功能，但是需要更大的力矩才能达到扁平电机用较低的力矩达到的效果，而且细长电机占用的空间也比较大。这里偏心电机外径的选取要尽量大(受胶囊内径的限制)，这样可以在同样条件下，可以获得更大的离心力，电机安装的位置要尽量避开胶囊的质心，这样可以有较大的Ω，进而有更强的陀螺效应。但是安装在质心处仍有可能产生少许的转动的可能(比如在重力，弹性恢复力、摩擦力和离心惯性力的共同作用)，但是要比电机安装位置与胶囊质心位置不同时这种方式的效果差。

电机开启的时候为了避免峰值电流过大，这时不拍照，构成本发明的微型成像拍照单元2的拍照顺序如图4所示。这个拍照时序是预先在程序中写好，通过微处理器直接控制(或通过放大后控制)扁平偏心电机4。每一组照片可以是一帧图片，也可以是多帧图片。当人吞服胶囊后，在食道中，由于食道内壁与胶囊有比较紧密接触，有良好的导向作用，所以偏心电机在这个时间段内不启动，胶囊只单纯拍照。当胶囊进入胃部(或者其它比较大的空腔，比如大肠)后，然后再开始按照如图4所示的模式顺序来进行工作。

由于偏心电机不但引起离心力，而且会与重力作用一起，在表面不平坦的人体消化道内，还会产生胶囊的平动分量，所以偏心电机开启后会产生拍照角度和拍照位置同时改变的效果。这样拍照胃部的范围可比单纯改变角度更为全面，拍照覆盖范围全面性判断的理论基础是概率论。拍照的照片越多，则偏心电机启动的次数也越多，胶囊位置和角度改变的次数也越多，加之电子胶囊视场角多在120度以上，随着拍照角度以及拍照位置的随机改变次数的增加，这样漏拍的概率也会越来越低。

目前常规的检测手段都有可能出现漏拍的可能，关键是要看漏拍的概率是大是小。根据随机过程理论，随机拍照角度按平均分布规律有利于胶囊全面拍照胃内壁，而当胶囊只拍照某一个固定角度则不具有随机性，这时就不能拍照整个胃内壁。随机性越高，当拍摄图片张数趋近一定数量后，理论上可以接近100％。但是当拍照角度“变化的随机性”不足，比如只能在某几个角度拍照，则在概率论上有可能得不到足够低的漏拍概率。

根据拍照张数的多少可以判断其统计学上可靠性的高低。拍照的张数越多、每组拍照后胶囊位置调整的大小、视场角的大小等都影响统计学上对整个胃部进行拍照可靠性的高低。视场角越大，拍照同样张数照片，检测全部胃部时漏拍的可能性就越小；拍照张数越多，检测全部胃部时漏拍的可能性就越小；但是前提条件是拍摄一定张数照片后要随机变换拍照角度，否则拍照角度不变或者变化不大，即使拍照的张数再多也有很大的漏拍部分。

本发明的另一理论基础是概率论。每次随机改变拍照角度，有可能有部分视场是重合的，甚至可能出现陀螺效应改变拍照角度后，胶囊有某几张照片是完全重合的可能，但是根据概率理论，当拍摄张数越来越多时，本来单张照片就有较大视场的情况下，没有被视场覆盖的区域越来越小。

如果配合辅助手段，即内外配合技术，则可以更进一步提高检测的可靠性。这些辅助手段是采用外部强磁场控制体内胶囊的方法。但是这种方式需要考虑不同胖瘦人体，影响外部磁场对内部胶囊作用力不同的问题。体形肥胖的人腹部脂肪厚，外部磁场到胶囊的距离要大于体形消瘦人体的距离参数，需要的磁场更强。另外的辅助手段是：人体吞服胶囊内窥镜后，每隔若干时间采用坐姿和躺姿；或者躺在可以改变角度床上，通过床体角度的改变，利用重力来移动胶囊。床本身可采用侧向左倾斜、水平位置和右倾斜等模式。但这些仅仅是辅助手段，因为正常的胃内部有稀薄透明的分泌物，左侧卧时，分泌物聚集在胃近端的大弯侧，当仰卧时，胃底后倒，分泌物流向胃底部。吞下的唾液以及流进的呼吸道分泌物呈灰白色，含有小气泡，这些气泡常常漂浮在黏液面上。如果人体处于后仰、侧倾、前倾等不同姿态，胶囊可能协同带有气泡的黏液会在重力的作用下，同时聚集在势能最低的位置，这样胶囊就泡在黏液里面，而大大影响拍照的清晰度并增加漏拍的可能性，所以采用不同姿态这种辅助手段仅仅是为防止胶囊长时间停留在某一个位置而影响陀螺效应改变角度的概率上的随机性要求。所以主要还是要依赖胶囊本身的主动拍照角度改变功能。

本发明还包括有一体外接收盒，该体外接收盒由天线、接收电路、记录单元、数据输入/输出接口(如USB接口)构成，接收电路的数据输出端与记录单元的数据输入/输出端相连。接收电路采用天线阵列，接收电路将接收到的信号解调后存储在记录单元中，或者直接通过数据输入/输出接口输出到计算机中存储。

Claims (10)

1、一种可主动改变拍照角度的电子胶囊，它由壳体、内置在壳体内的成像拍照单元、微处理器、电机、无线发射器、电池、LED、天线构成；其特征在于：所述电机为微型偏心电机或扁平振动电机，本发明利用偏心电机或扁平振动电机的旋转改变拍照角度，完成不同角度的拍照；

所述成像拍照单元受微处理器控制；微处理器控制电机，控制其是否转动；微处理器将数据输出给无线发射器，并通过无线发射器发送数据。

2、根据权利要求1所述的可主动改变拍照角度的电子胶囊，其特征在于：其胶囊内部安装的电机为偏心转动电机、扁平振动电机等微电机。

3、根据权利要求2所述的可主动改变拍照角度的电子胶囊，其特征在于：偏心转动电机或扁平振动电机的控制端与所述微处理器MCU的控制信号输出端相连。

4、根据权利要求2所述的可主动改变拍照角度的电子胶囊，其特征在于：所述扁平偏心电机或扁平振动电机也可以通过无线方式接收外部发出的控制指令，控制偏心电机或扁平振动电机的启动和停止。

5、根据权利要求1或2所述的可主动改变拍照角度的电子胶囊，其特征在于：所述扁平电机的外径尺寸与胶囊外壳内壁的尺寸接近。

6、根据权利要求1所述的可主动改变拍照角度的电子胶囊，其特征在于：该电子胶囊还包括有一体外接收盒，该体外接收盒由天线、接收电路和记录单元构成；接收电路的数据输出端与记录单元的数据输入/输出端相连。

7、根据权利要求1或6所述的可主动改变拍照角度的电子胶囊，其特征在于：所述电子胶囊是根据预先设定的顺序，由微处理器控制电机的启动和关闭，或通过体外发出控制指令，控制电机的启动和关闭。

8、根据权利要求7所述的可主动改变拍照角度的电子胶囊，其特征在于：电机启动时，停止拍照并关断用于照明的LED。

9、根据权利要求7所述的可主动改变拍照角度的电子胶囊，其特征在于：所述天线可安装在壳体尾部，还可以安装在壳体的内侧面。

10、该系统的主要特征是拍照完一张或多张照片后，在微处理器的直接控制或通过体外信号控制，电机发生旋转，主要通过陀螺效应，主动改变拍照位置，再进行后续的拍照。

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