CN105813536A - 用于具有多个密度相的胶囊装置的系统及方法 - Google Patents

用于具有多个密度相的胶囊装置的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭露具有密度控制的胶囊装置，其中，当该胶囊装置行进至胃肠道的指定区域时，将该胶囊装置的密度设为想要的比重。该密度控制构件将分别针对胃肠道的至少两个指定区域使该胶囊装置具有至少两个比重，其中，各该至少两个比重选自由大于1的状态及小于1的状态组成的第一组。在一个实施例中，该大于1的状态对应约1.1或更大的比重，且该小于1的状态对应约0.94或更小的比重。

Description

用于具有多个密度相的胶囊装置的系统及方法
相关申请的交叉参考
本发明与2011年7月19日获准的名称为“invivoAutonomousCamerawithOn-BoardDataStorageorDigitalWirelessTransmissioninRegulatoryApprovedBand”的美国专利号7,983,458，2013年5月2日提交的名称为“OpticalWirelessDockingSystemforCapsuleCamera”的PCT专利申请序列号PCT/US13/39317，以及2013年5月23日提交的名称为“CapsuleEndoscopicDockingSystem”的PCT专利申请序列号PCT/US13/42490相关。该美国专利及PCT专利申请整体通过参考包含于此。
技术领域
本发明涉及人体内的诊断成像，尤其涉及具有密度控制的胶囊装置，以使该胶囊装置在胃肠道的一些区域中具有大于1的比重且在胃肠道的其它区域中具有小于1的密度。
背景技术
用以在体内成像体腔或通道的装置是现有技术已知的，并包括内窥镜及自主胶囊化相机(autonomousencapsulatedcamera)。内窥镜是通过身体孔洞或外科手术开口进入体内的挠性或刚性管，通常通过口腔进入食道或者通过直肠进入结肠。通过使用透镜在远端形成图像，并由透镜中继系统(lens-relaysystem)或相干光纤束(coherentfiber-opticbundle)将该图像传输至体外的近端。概念上类似的仪器可能例如通过使用CCD或CMOS阵列在远端电子记录图像，并通过线缆将该图像数据作为电性信号传送至近端。内窥镜允许医生控制视场并且是被广泛接受的诊断工具。不过，它们的确具有若干限制，为患者带来风险，对于患者来说是侵入性的且不舒服的，且它们的成本限制它们作为常规健康筛查工具的应用。
由于难以穿过盘旋通道(convolutedpassage)，内窥镜无法轻易地到达大部分的小肠，且需要增加成本的特定技术及预防措施来到达整个结肠。内窥镜风险包括所穿过的身体器官可能穿孔以及由麻醉引起的并发症。而且，必须在该程序期间的患者疼痛与健康风险以及与麻醉相关的程序后停歇时间之间进行折衷。
解决这些问题的其中许多问题的一种替代体内图像传感器是胶囊内窥镜(capsuleendoscope)。相机与无线电发送器一起被容置于可吞咽胶囊中，该无线电发送器用以向体外的基站接收器或收发器以及数据记录器传输主要包括该数码相机所记录的图像的数据。该胶囊也可包括用以自基站发送器接收指令或其它数据的无线电接收器。代替射频传输，可使用低频电磁信号。功率(power)可自外部电感器向该胶囊内的内部电感器电感供应或者由该胶囊内的电池供应。
2011年7月19日获准的名称为“InVivoAutonomousCamerawithOn-BoardDataStorageorDigitalWirelessTransmissioninRegulatoryApprovedBand”的美国专利号7,983,458中揭露具有板上(on-board)数据储存的自主胶囊相机系统。此专利说明通过使用板上储存例如半导体非易失性档案存储器来储存所撷取的图像的胶囊系统。在该胶囊自体内经过后，它被取回。胶囊壳体被打开，且所储存的图像被传送至电脑工作站以供储存及分析。对于通过无线传输接收或自板上储存检索的胶囊图像，该些图像将必须由诊断医生显示并检查，以识别潜在异常。
图1说明具有板上储存的示例胶囊系统。胶囊系统110包括照明系统12以及包括光学系统14及图像传感器16的照相机。可设置半导体非易失性档案存储器20以使图像能够被储存，并后续在胶囊被取回以后在体外的坞站(dockingstation)被检索。系统110包括电池功率供应24以及输出端口26。胶囊系统110可通过蠕动而被推动穿过胃肠道。
照明系统12可通过LED实施。在图1中，该LED位于照相机的光圈附近，不过其它配置是可能的。例如，光源也可设于光圈后面。也可使用其它光源，例如激光二极管。或者，也可使用白光源或两个或更多窄波长波带源的组合。白LED是可获得的，其可包括蓝LED或紫LED，以及经LED光激发以发出较长波长的光的磷光材料。允许光通过的胶囊壳体10的部分可由生物兼容玻璃(bio-compatibleglass)或聚合物制成。
光学系统14，可包括多个折射、衍射或反射透镜元件，在图像传感器16上提供管腔壁的图像。图像传感器16可通过将所接收的光强度转换为相应电性信号的电荷耦合装置(charged-coupleddevice；CCD)或互补金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor；CMOS)型装置来设置。图像传感器16可具有单色响应，或包括彩色滤光片阵列，从而可撷取彩色图像(例如通过使用RGB或CYM表示)。较佳地，来自图像传感器16的模拟信号被转换为数字形式，以允许以数字形式处理。此类转换可通过模拟-数字(analog-to-digital；A/D)转换器实施，该模拟-数字转换器可设于该传感器内部(像当前情况一样)，或者设于胶囊壳体10内的另一部分中。A/D单元可设于图像传感器16与系统的其余部分之间。照明系统12中的LED与图像传感器16的操作同步。处理模块22可用以提供系统所需的处理，例如图像处理以及视频压缩。该处理模块也可提供所需的系统控制，例如在图像撷取操作期间控制该LED。该处理模块也可负责其它功能，例如管理图像撷取以及协调图像检索。
在该胶囊相机经过胃肠道并从身体退出以后，取回该胶囊相机并通过输出端口读出储存于档案存储器中的图像。通常将所接收的图像传送至基站进行处理并供诊断医生检查。诊断的准确性以及效率是最重要的。期望诊断医生检查所有图像并正确识别所有异常。
当该胶囊装置经过胃肠(gastrointestinal；GI)道时，该胶囊装置会遇到不同的环境。想要管理该胶囊装置以相对稳定的速度行进，以沿关注的胃肠道的部分在所有位置搜集传感器数据(例如图像)充足的数据，而不浪费功率及数据储存来收集一些位置中的多余数据。在一些环境中，想要具有较重的胶囊密度。在其它环境中，可能想要具有较轻的胶囊密度。胶囊内窥镜检查通常针对躯干在大部分时间是直立的走动患者执行。当该胶囊必须沿重力方向向下移动时，如果该胶囊比其周围流体的密度大，以及当胶囊必须克服重力向上移动时，如果胶囊比其周围流体的密度小，则胶囊的通过加速。例如，当该胶囊在充满液体的胃里时，如果与该液体相比，该胶囊具有较轻的密度，则该胶囊将浮于该液体上方。在此情况下，该胶囊装置将难以到达小肠。因此，当该胶囊装置处于胃中时，想要使该胶囊装置具有与该液体相比较重的密度。另一方面，当该胶囊经过小肠进入盲肠时，它必须通过上行结肠。如果该胶囊装置具有与上行结肠中的液体相比较重的密度，则该胶囊装置将花费很长时间来经过上行结肠。因此，当该胶囊装置处于上行结肠中时，想要使该胶囊装置具有与该液体相比较轻的密度。此外，当该胶囊处于下行结肠中时，想要使其具有与结肠中的液体的密度相比较大的密度。因此，想要能够控制胶囊密度，以允许该胶囊在胃肠道的不同部分中具有不同的密度，使该胶囊装置将以适当的速度经过胃肠道。
发明内容
本发明揭露具有密度控制的胶囊装置，以于该胶囊装置行进至胃肠道中的指定区域时，该胶囊装置具有想要的比重。该胶囊装置包括传感器系统以及密度控制构件。该传感器系统可包括：光源，用以撷取由该光源照明的场景的图像帧的图像传感器，档案存储器，以及壳体。该壳体适于被吞咽。该光源、该图像传感器及该档案存储器封闭于该壳体中。该密度控制构件将分别针对胃肠道的至少两个指定区域使该胶囊装置具有至少两个比重，其中，各该至少两个比重选自由大于1的状态及小于1的状态组成的第一组。在一个实施例中，该大于1的状态对应约1.1或更大的比重，且该小于1的状态对应约0.94或更小的比重。
在一个实施例中，该胃肠道的该至少两个指定区域可选自包括胃、上行结肠及下行结肠的第二组。该胃肠道的该至少两个指定区域可对应胃及上行结肠，且对应该至少两个比重分别是该大于1的状态及该小于1的状态。在另一个实施例中，该胃肠道的该至少两个指定区域对应胃、上行结肠及下行结肠，以及其中，对应该至少两个比重分别是该大于1的状态、该小于1的状态及该大于1的状态。
为了以适当的比重配置该胶囊装置，需要确定该胶囊装置所处的胃肠道的区域。依据本发明的实施例，该区域可基于该胶囊装置被吞咽以后的估计通过时间、该胶囊装置所测量的pH值或管腔压力、基于该胶囊装置所撷取的图像的图像内容的识别、基于该胶囊装置所撷取的图像的运动检测或者在该胶囊装置位置处检测的结肠菌群来确定。
在另一个实施例中，该密度控制构件将可变形件与该传感器系统耦接，其中，该可变形件包含气体生成材料，通过使胃流体进入该可变形件以使该气体生成材料生成气体，该密度控制构件使该可变形件膨胀，因此该胶囊装置具有小于1的比重。该可变形件可涂布有可生物降解涂层，以防止该胃流体在该胶囊装置离开胃以前进入该可变形件。该可变形件可由第一材料制成，其中，该第一材料可渗透胃流体，且该第一材料对该气体的渗透性弱于对该胃流体的渗透性。从该胶囊装置达到小于1的比重起的一个时间段以后，通过允许该胃流体持续进入该可变形件且该气体自该可变形件持续泄漏，该密度控制构件可使该胶囊装置达到大于1的比重。
该胶囊装置可具有固定设于该壳体上的电性接触，其中，该电性接触与该档案存储器耦接，以使外部装置能够通过该电性接触存取储存于该档案存储器中的图像数据。该电性接触可包括功率引脚，以向该胶囊装置提供功率，从而数据检索储存于该档案存储器上的图像数据。或者，可使用电感功率供应以向该胶囊装置提供功率，以数据检索储存于该档案存储器上的图像数据。在又一个实施例中，该胶囊装置还包括光发送器，其通过透明窗口传输光信号，其中，来自该档案存储器的图像数据被传输至外部光接收器。
附图说明
图1示意显示胃肠道中的胶囊相机系统，其中，使用档案存储器来储存所撷取的图像，以供分析和/或检查。
图2A至图2E显示依据本发明的实施例包含密度控制的胶囊装置的各种密度状态的例子。
图3A至图3B显示依据本发明的实施例包含可生物降解塞的胶囊装置的各种密度状态的例子。
图4显示依据本发明的实施例包含密度控制的胶囊装置的例子，其中，壳体包括挠性部分以扩张或收缩。
图5A及图5B显示依据本发明的实施例包含密度控制的胶囊装置的例子，其中，壳体包括两个紧密耦接的部分。
图6显示依据本发明的实施例包含密度控制的胶囊装置的例子，其中，可延伸部分附着于传感器系统。
具体实施方式
很容易理解，这里的附图中概括说明并显示的本发明的组件可以各种不同的配置来安排和设计。因此，下面对附图中所示的本发明的系统及方法的实施例的更详细说明并非意图限制所请求保护的本发明的范围，而仅是本发明的所选实施例的代表。
本说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”或类似语言是指与该实施例关联说明的特定特征、结构或特性可包括于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书中的不同处出现“在一个实施例中”或“在实施例中”等说法并不一定都指同一实施例。
而且，在一个或多个实施例中，可以任意合适的方式组合所述的特征、结构或特性。不过，本领域的技术人员将意识到，本发明可在不具有一个或多个具体细节或者通过其它方法、组件等实施。在其它例子中，未显示或详细说明已知结构或操作，以避免模糊本发明的态样。
通过参照附图将更好地理解本发明的示例实施例，附图中类似的附图标记表示类似的部件。下面的说明仅为示例，简单说明与这里所请求保护的发明一致的装置及方法的某些选定实施例。
在美国专利号7,192,397及美国专利号8,444,554中揭露具有大约1的比重的胶囊装置。当该胶囊装置具有大约1的比重时，该装置将悬或浮于胃肠(GI)道中(例如胃中或结肠中)的液体中。如美国专利号7,192,397及美国专利号8,444,554中所揭露，当该胶囊装置具有大约1的比重时，凭借穿过体腔的液体的流动，该胶囊装置会被运输穿过体腔。不过，对于体内胶囊装置，在该胶囊装置被患者吞咽后，该胶囊装置首先经过咽和食道进入胃，且胃可能充满液体。如果该胶囊装置的比重小于1或者该胶囊装置具有比该液体轻的密度，则它将在胃内浮于该液体的表面上。这样，不利于该胶囊装置通过幽门进入小肠。
对于具有图像传感器的胶囊装置，关键是在胃肠道的不同区域例如胃、小肠、上行(ascending)及下行(descending)结肠内具有稳定且一致的行进速度，从而可获得平滑且稳定的图像及视频。该胶囊相机的行进速度取决于许多因素，包括区域胃肠动力、重力、周围流体的浮力及粘滞阻力。在该胶囊装置被吞咽后，它被推动进入食道。食道中的蠕动波将相机移入胃中。在该胶囊装置经过贲门并随流体进入胃以后，重力、胃流体的浮力及阻力之间的平衡开始影响其行进速度及通过时间。移行性肌电周期(migratingmyoelectriccycle；MMC)可被分成四个阶段。阶段1持续30至60分钟，具有很少收缩。阶段2持续20至40分钟，具有间歇性收缩。阶段3(或管家阶段)持续10至20分钟，在短时间段内具有强烈、规律的收缩。管家波(housekeepingwave)将所有未消化的材料从胃清扫至小肠。阶段4持续0至5分钟并发生于两个连续周期的阶段3与阶段1之间。对于在所有四个阶段(较佳地，阶段1与2)中以想要的速度离口行进的胶囊装置，它的比重需要大于1(例如1.1)，以克服周围流体的浮力及阻力。如果通过图像运动检测或加速度计检测到阶段3，则可将比重推进至小于1的值(例如0.95)，以使胶囊装置浮至顶部并在较稳定的阶段中重拍视频。
在小肠中，BER(basicelectricrhythm；基本电性节律)在近端空肠中为约12周期/分钟，并在远端回肠中降至8周期/分钟。具有三种类型的平滑肌收缩：蠕动波(peristalticwave)、分节式收缩(segmentationcontraction)以及紧张性收缩(toniccontraction)。通常，蠕动会将胶囊装置向大肠推动。由于小肠在胃与大肠之间迂回曲折，有时胶囊装置可能被困在角落及转弯处。在此情况下，可使用运动检测来检测此类情况。相应地，可使用密度变化机制来稍微改变重力与浮力之间的平衡，以使胶囊装置能够在下一蠕动之前较快脱离困境。
尽管大肠是一个器官，但它显示区域差异。近端(上行)结肠充当蓄水池，而远端(横及下行)结肠主要充当管道。腔内容物的特征影响通过时间。液体快速经过上行结肠，但在横结肠内保持一个很长的时间段。相反，固体食物被盲肠及上行结肠保持的时间段长于液体饮食。在上行结肠中，逆行运动是正常的，且经常发生。为使浮力克服重力及后退，在胶囊进入大肠以后，依据本发明的实施例将胶囊装置的比重降至小于1(例如0.94或更小)。或者，胶囊装置整体的密度比周围流体轻。在下行结肠及直肠中，推进式收缩占主导。通过自然推进将胶囊装置向直肠离口输送。不过，将装置的比重增加至大于1(例如1.1或更大)可缩短通过时间并允许平滑且稳定的运动。
为适当设置胶囊装置的比重或密度，需要知道胶囊装置所处的胃肠道的区域。文献中有各种已知的区域检测方法。该些区域检测方法包括估计通过时间(例如胃中约1小时且小肠中约3至4小时)，基于胶囊装置所撷取的图像的图像内容的识别，基于胶囊装置所撷取的图像的运动检测，pH检测(pH值从胃(1.5至3.5)及小肠(5.5至6.8)至结肠(6.4至7.0)逐步增加)，压力传感器(来自结肠中的蠕动运动的管腔压力高于小肠)以及结肠菌群。与胃以外的其它区域相比，上行结肠具有较大的直径。该尺寸可通过公布于2007年11月1日的美国专利公开序列号2007/0255098、公布于2008年2月7日的美国专利公开序列号2008/0033247、以及公布于2007年10月25日的美国专利公开序列号2007/0249900中所揭露的方法检测。
依据本发明的一个实施例，当该胶囊装置处于胃中时，该胶囊装置经配置而具有大于1的比重(specificgravity；SG)或者高于胃中的液体的密度。例如，该胶囊装置经制造以于该胶囊装置处于胃中时，其比重等于1.1或更大。在该胶囊经过小肠并进入盲肠以后，它必须通过上行结肠。在此情况下，如果比重大于1或者该胶囊装置的密度比其中液体的密度重，则该胶囊将花费很长时间来通过上行结肠。不应当不必要地延长程序时间，以使患者无须禁食太长时间。而且，该胶囊装置的电池寿命是有限的。如果该胶囊装置在上行结肠中停留太长时间，则电池可能在该胶囊装置完成其预期任务(例如撷取结肠的图像)之前耗尽。因此，优选地，该胶囊装置具有小于1的比重或者与盲肠及上行结肠中的液体相比具有较轻的密度。例如，该胶囊装置经配置以使其具有0.94或更小的密度。这与胃的情况相反，在胃中，该胶囊装置经配置而具有大于1的比重或者与胃中的液体相比较重的密度。
如上所述，依据本发明的一个实施例的胶囊装置在胃肠道的一个区域(例如胃)中具有比体腔液体重的密度，且接着在胃肠道的另一个区域(例如盲肠或上行结肠)中具有比体腔液体轻的密度。在另一个实施例中，当该胶囊装置处于胃中时，该胶囊装置演化为具有大于1的比重或者与胃肠道的一个区域中的液体相比具有较重的密度的第一状态；接着，当该胶囊装置进入上行结肠时，该胶囊装置演化为具有小于1的比重或者与液体相比具有较轻的密度的第二状态；以及当它到达下行结肠时，该胶囊装置进一步演化为具有大于1的比重或者与液体相比具有较重的密度的第三状态，以促进其朝向远端结肠及乙状结肠的运动。最终，该胶囊装置将到达肛门进行排泄。如果想要比重大于1，可选择1.1或更大的比重。如果想要比重小于1，可选择0.94或更小的比重。
在上述例子中，该胶囊装置将具有三个不同的密度状态(或比重状态)，也就是以高密度(SG≥1.1)开始，转换至低密度(SG≤0.94)，以及返回至高密度(SG≥1.1)。不过，本发明也可应用于具有两个或更多不同状态的其它多个密度状态。尽管使用SG≥1.1的高密度以及SG≤0.94的低密度作为例子，但也可使用其它高密度范围及其它低密度范围来实施本发明。
为获得想要的密度或比重，该胶囊装置可包括可变形件(deformablemember)，该可变形件可自收缩状态转换为扩张状态。在一个实施例中，在一个延长时间段(例如数个小时)以后，可自收缩状态转换为扩张状态的该可变形件可返回到至少部分收缩的状态。可以肠溶涂层涂布该可变形件，该肠溶涂层将在胃以及具有低pH值的胃肠道的其它区域中保持不变。不过，具有肠溶涂层的该可变形件将在其接近末端回肠或盲肠(在这里，pH值升至较高水平)时溶解。在一个实施例中，该可变形件包括具有内部空间的可膨胀壳(inflatableshell)。该可膨胀壳的至少部分可渗透外部流体，例如水或胃液。该可膨胀壳包含化学品，当该化学品与水结合时会生成气体。该生成的气体将使该可变形件膨胀，以使该胶囊装置整体的密度基本上小于1。例如，比重可为0.94或更小，或者该胶囊装置整体的密度轻于与远端小肠或结肠对应的环境中的液体的密度。例如，已知泡腾颗粒(effervescentgranule)与水混合时生成气体例如CO2，该泡腾颗粒可沉积于该可变形件内部。在本领域中，具有可渗透水的已知材料。因此，在一个延长时间段以后，更多的液体将进入该可膨胀壳，且该胶囊装置将返回至具有大于1的比重或者与周围液体相比具有较重的密度的状态。
图2A至图2C显示依据本发明的实施例具有处于不同状态的可变形件的胶囊装置的例子。图2A显示膨胀之前的该胶囊装置。该胶囊装置包括传感系统(210)以及可变形件(220)。该可变形件包括可膨胀壳(222)，该可膨胀壳为半渗透膜，包含泡腾材料224。该可膨胀壳是可扩张的并由可渗透外部流体(例如水或胃液)的材料制成。而且，可在该可膨胀壳的外部表面施加肠溶涂层(如虚线所示)。该肠溶涂层也可覆盖整个胶囊系统。与涂布系统相反，该胶囊可被放入胶囊壳中，该壳可与用以输送口服药物的胶囊壳类似。这些壳经设计以在吞咽约30分钟内溶解于胃或小肠中，除非它们是肠溶(enteric)的，在肠溶情况下，它们不会在胃的低pH中溶解，而是在小肠或结肠的较高pH环境中分解。该壳可由聚合物、多糖、增塑剂、甲基纤维素、明胶、糖，或其它材料制成。甲基丙烯酸共聚物C型是肠溶聚合物的例子。这些材料也可作为涂层单独应用于该可变形件或者应用于该可变形件以及该传感系统。
当该胶囊装置接近末端回肠或盲肠时，该肠溶涂层将因较高的pH水平而溶解，如图2B所示。随着该肠溶涂层溶解，外部流体将逐渐进入该可变形件中。当该流体与该泡腾材料接触时，将生成气体，以使该可变形件扩张，如图2C所示。尽管少量流体(230)进入该可变形件，但该生成的气体能够使该可变形件扩张，从而使该胶囊装置整体具有小于1的比重(例如0.94)。
该泡腾材料应当与该可变形件的半渗透膜接触，以使扩散穿过该膜的水尽可能快地到达该泡腾材料。该泡腾材料可为涂布该膜的内部表面的部分的粉末或分散体，或者它可能包括驻留于该膜的表面上的颗粒。
一种示例泡腾材料是无水碳酸氢钠与柠檬酸的混合物。这两种物质必须在水中溶解来反应。该反应不会消耗水，且实际上生成水和二氧化碳。如果该可变形件内部的溶液的渗透压(osmolality)超过外部，则水将通过渗透持续扩散进入该可变性件，直到渗透压相等或者内部压力等于渗透压力。半渗透膜材料经选择以使其充分不渗透CO2或者内部生成的任何气体，使得该件充满气体并保留足够的气体来使该件在想要浮力的程序期间保持膨胀。通过控制该件中泡腾材料的量来控制所生成的气体的总量，从而不在该件内产生过度压力。如果该件由非弹性材料制成，则可固定该件的初始体积。如果使用弹性材料，则最终体积将随压力变化而变化。
如果存在梗阻(obstruction)例如肿瘤，则该胶囊可能被困于胃肠道中。理想地，该可膨胀件应当在为正常程序分配的时间段(例如10小时)以后缩小。如果CO2扩散的质量速率低但超过水扩散的质量速率，则与水进入相比，该件将更快地失去气体，且该件将在气体体积被水完全置换之前缩小和收缩。系统所减少的体积增加其通过该梗阻的机会，而无需医学干预例如内窥镜检查或外科手术。
该件的缩小将系统的比重增加至大于1的值(例如1.1)，此增加的比重可增加穿过下行结肠的通过时间。
或者，该可膨胀壳材料可经仔细选择，以使该材料对流体例如水的渗透性更强且对气体例如CO2的渗透性更弱。因此，在一个较长的时间段期间，该可膨胀壳内部液体体积相对气体体积的比例将增加。如果该壳是弹性的，则总体体积可能减少。如果它是非弹性的，则气体可能随着压力增加而被压缩。一些气体也可能扩散出或释放穿过压力释放阀门。上述的一些组合可能发生，取决于设计。图2D显示在图2C中所示的状态之后一个时间段以后的该胶囊装置的状态的例子。与图2C中的状态相比，图2D的状态具有更多的流体体积以及更少的气体体积。图2E显示进一步在图2D的状态之后该胶囊装置的状态的例子。图2E中的可变形件主要包含水，以使该胶囊装置整体具有大于1的比重(例如1.1)或者总体胶囊装置的密度再次比流体重。
该胶囊装置可经设计以于该胶囊装置接近远端小肠或上行结肠时，它将达到具有小于1(例如0.95)的比重或者与外部流体相比具有较轻的密度的状态。而且，该胶囊装置可经设计以于该胶囊装置到达或接近下行结肠时，它将达到具有大于1(例如1.1)的比重或者与外部流体相比具有较重的密度的状态。
在另一个实施例中，该胶囊装置使用不同的密度控制构件，以将该胶囊装置从小于1的比重变为大于1(或者与外部流体相比，从较轻密度变为较重密度)。在此情况下，该可膨胀壳由基本上不渗透CO2的材料制成。在该可变形件中包括可生物降解塞(biodegradableplug)，如图3A及图3B中所示，其中，在一个延长时间段(例如几小时)以后，该可生物降解塞可降解。如图3A至图3B所示，依据本发明的实施例的该胶囊装置包括可变形件(320)。该可变形件包括可膨胀壳(322)以及可生物降解塞(310)。可膨胀壳(322)是半渗透膜，包含泡腾材料(图3A至图3B中未图示)。图3A显示当流体进入该可膨胀壳时来自气体生成材料的气体使可变形件(322)扩张的状态。在该塞被降解以后，它将与该壳分离或部分分离，或者与该壳具有间隙，以使气体如图3B所示泄漏。在另一个实施例中，该可变形件的膨胀壳的至少部分由允许CO2扩散出该可变形件的材料制成。因此，在一个延长的时间段期间，该胶囊装置密度返回高于1或者该胶囊装置整体的密度重于其环境中的液体。在又一个实施例中，气体将扩散出去，且流体将扩散进入，这将使该胶囊装置密度返回高于1或者该胶囊装置整体的密度重于其环境中的液体。
图4显示另一种密度控制构件，其中，胶囊装置(400)的壳体(450)包括挠性部分(430)。例如，类似波纹的结构可用于该挠性部分。该挠性部分可沿该胶囊装置的纵向(440)扩张或压缩。而且，图4中的胶囊装置包括传感器410以及光源420以撷取体腔内部的图像。图5A及图5B显示包含依据本发明的实施例的密度控制构件的胶囊装置(500)的另一种可扩张壳体结构。该壳体包括两个紧密耦接部分(530及540)并使用锁紧构件(图5A及图5B中未图示)来防止该两个部分意外分离。尽管该两个部分(530及540)构成可扩张壳体，但该可扩张壳体仍保持于密封状态中，以保护壳体内部的电子组件。该密封可通过O形环或其它形式垫圈或通过一层油或不融合水并在重叠部分之间(例如530与540之间)的空隙中形成水分阻挡的其它物质实现。图5A显示该胶囊装置具有大于1的比重或者与该胶囊装置所处的胃肠道的部分中的液体相比整体具有较重的密度的状态。图5B显示另一个示例密度状态，其中该胶囊装置经延伸而占据体积空间，以致该胶囊装置具有小于1的比重或者与该胶囊装置所处的胃肠道的部分中的液体相比整体具有较轻的密度。
图6显示密度控制构件的又一个例子，其中，胶囊装置(600)的主传感器系统(630)经配置以容置可延伸附件(640)。可延伸附件(640)可在范围(650)内移动。当该可延伸附件充分延伸时，该胶囊装置具有小于1的比重或者与该胶囊装置所处的胃肠道的部分中的液体相比整体具有较轻的密度。当该可延伸附件充分回退时，该胶囊装置具有大于1的比重或者与该胶囊装置所处的胃肠道的部分中的液体相比整体具有较重的密度。上述密度控制构件例子并不意味着详尽无遗地列出可能的配置来促进密度控制构件。本领域的技术人员可通过使用类似布置来实施本发明。
图4至图6的实施例显示具有可扩张壳体的胶囊。该壳体可通过使用胶囊内部的致动器例如马达或螺杆传动扩张。不过，此类致动器可能消耗过多的功率。另一种选择是在该胶囊内部加载弹簧。胶囊扩张受外壳或在该胶囊被吞咽以后溶解的涂层约束。
在另一个实施例中，该胶囊装置涂布有引起该胶囊滑溜的材料，也就是与体腔或胃流体的摩擦力减少(与没有涂层的情况相比)。该减少的摩擦力将使该胶囊装置能够在蠕动力下更快地行进，从而缩短程序时间。而且，滑溜将减少该胶囊装置被困于肠中的角落及转弯处的可能。亲水涂层(hydrophiliccoating)是增加水介质中的润滑性的一种涂层类型。
在无线应用中，使用发送器将图像数据传输至体外的接收器系统并将该图像数据储存于外部记录器中。在美国专利序列号5,604,531中揭露无线胶囊系统，并通过该胶囊内的电池向具有无线发送器的该胶囊系统提供功率。对于结肠应用，通过时间基本上比小肠应用的通过时间长。因此，接收器系统以及外部记录器在长时间(例如10小时或更长)上成为携带累赘。由于结肠程序所花的时间周期通常比正常办公时间跨度长，患者也难以在同一天内返还设备。所以，需要将设备留予患者过夜，且易遭受设备损坏/磨损并使所需设备数目加倍。于是，它将增加医疗成本。对于结肠应用，通过时间可能基本比小肠应用的通过时间长。因此，接收器系统及外部记录器在长时间上成为携带累赘。想要开发对于结肠应用可实现较快通过时间的胶囊装置。
在本发明的又一个实施例中，密度控制构件被应用于具有板上储存的胶囊系统。于2011年7月19日获准的名称为“invivoAutonomousCamerawithOn-BoardDataStorageorDigitalWirelessTransmissioninRegulatoryApprovedBand”的美国专利号7,983,458中揭露此类系统。具有板上储存的该胶囊系统不需要患者配戴任何的外部设备。因此，具有板上储存的该胶囊系统对于需要延长时间段的程序更佳。而且，在PCT专利申请号PCT/US13/42490中揭露用以自具有板上储存的胶囊系统读出档案数据的坞站。该胶囊系统包括设于壳体上的一组探针垫。在排出并取回该胶囊装置以后，通过探测这些探针垫可检索图像数据，而不打开胶囊壳体。由于检索该胶囊装置时电池功率消耗较多，故一对探针垫可用以为数据检索操作提供功率及接地。或者，通过使用PCT专利申请序列号PCT/US13/39137中所揭露的电感功率供应可提供功率。在取回胶囊以后，可通过胶囊的透明部分向外部接收器光传输数据。
本发明可以其它特定形式实施，而不背离其精神或基本特征。上述例子应当在所有方面都仅被视为说明性质而非限制性质。因此，由所附权利要求而非上述说明表示本发明的范围。在权利要求的等同的意思及范围内所作的所有变更都将包括于其范围内。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种胶囊装置，包括：
传感器系统，包括：
光源；
图像传感器，用以撷取由该光源照明的场景的图像帧；
档案存储器；以及
壳体，适于被吞咽，其中，该光源、该图像传感器及该档案存储器封闭于该壳体中；
密度控制构件，用以使该胶囊装置具有第一比重范围或第二比重范围，其中，该第一比重范围与该第二比重范围的其中一个对应大于1的状态，且该第一比重范围与该第二比重范围的另一个对应小于1的状态；以及
顺序控制构件，用以使该胶囊装置在胃肠道的第一指定区域中具有该第一比重范围，在该胃肠道的第二指定区域中具有该第二比重范围，且在该胃肠道的第三指定区域中再次具有该第一比重范围。
2.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，该大于1的状态对应约1.1或更大的比重，且该小于1的状态对应约0.94或更小的比重。
3.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，该胃肠道的该第一指定区域对应胃，该胃肠道的该第二指定区域对应远端小肠或上行结肠，且该胃肠道的该第三指定区域对应下行结肠，以及其中，该第一比重范围对应该大于1的状态，且该第二比重范围对应该小于1的状态。
4.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，确定该胶囊装置是否位于或接近该胃肠道的该至少两个指定区域是基于：
该胶囊装置被吞咽以后的估计通过时间；
在胶囊装置位置处测量的pH值；
在该胶囊装置位置处测量的管腔压力；
基于该胶囊装置所撷取的图像的图像内容的识别；
基于该胶囊装置所撷取的图像的运动检测；
在该胶囊装置位置处检测的结肠菌群；或者
管腔直径的估计。
5.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，该密度控制构件将可变形件与该传感器系统耦接，其中，该可变形件包含气体生成材料，通过使流体进入该可变形件以使该气体生成材料生成气体，该密度控制构件使该可变形件膨胀，因此该胶囊装置具有小于1的比重。
6.如权利要求5所述的胶囊装置，其中，在吞咽该胶囊装置之前，利用肠溶涂层涂布该可变形件，以防止该流体在该胶囊装置离开胃以前进入该可变形件。
7.如权利要求5所述的胶囊装置，其中，该可变形件包括可生物降解塞，其中，该可生物降解塞与该可变形件的其余部分作分离或作部分分离或在该可变形件上引发漏隙，以允许该气体及该流体自该可变形件泄漏。
8.如权利要求5所述的胶囊装置，其中，该可变形件由第一材料制成，该第一材料对该气体的渗透性强于对该流体的渗透性。
9.如权利要求8所述的胶囊装置，其中，该可变形件通过该气体膨胀并后续因该气体扩散出该可变形件的速度超过该流体扩散于该可变形件中的速度而缩小。
10.如权利要求5所述的胶囊装置，其中，从该胶囊装置达到小于1的比重起的第一时间段以后，通过允许该流体持续进入该可变形件以使该件内部的该气体与该流体的体积比降低，该密度控制构件使该胶囊装置达到大于1的比重。
11.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，该胶囊装置由第二材料涂布或者由其制成，以使该胶囊装置与体腔或流体的摩擦力减少。
12.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，在该壳体上固定设置电性接触，其中，该电性接触与该档案存储器耦接，以使外部装置能够通过该电性接触存取储存于该档案存储器中的图像数据。
13.如权利要求12所述的胶囊装置，其中，该电性接触包括功率引脚以向该胶囊装置提供功率，从而数据检索储存于该档案存储器上的图像数据。
14.如权利要求12所述的胶囊装置，其中，使用电感功率供应以向该胶囊装置提供功率，以数据检索储存于该档案存储器上的图像数据。
15.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，该胶囊装置还包括：
光发送器，其通过透明窗口传输光信号，其中，来自该档案存储器的图像数据被传输至外部光接收器。
16.如权利要求15所述的胶囊装置，其中，使用电感功率供应以向该胶囊装置提供功率，以数据检索储存于该档案存储器上的图像数据。

Claims (18)

1.一种胶囊装置，包括：
传感器系统，包括：
光源；
图像传感器，用以撷取由该光源照明的场景的图像帧；
档案存储器；以及
壳体，适于被吞咽，其中，该光源、该图像传感器及该档案存储器封闭于该壳体中；以及
密度控制构件，用以分别针对胃肠道的至少两个指定区域使该胶囊装置具有至少两个比重，其中，各该至少两个比重选自由大于1的状态及小于1的状态组成的第一组。
2.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，该大于1的状态对应约1.1或更大的比重，且该小于1的状态对应约0.94或更小的比重。
3.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，该胃肠道的该至少两个指定区域选自包括胃、上行结肠及下行结肠的第二组。
4.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，该胃肠道的该至少两个指定区域对应胃及上行结肠，以及其中，对应该至少两个比重分别是该大于1的状态及该小于1的状态。
5.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，该胃肠道的该至少两个指定区域对应胃、上行结肠及下行结肠，以及其中，对应该至少两个比重分别是该大于1的状态、该小于1的状态及该大于1的状态。
6.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，确定该胶囊装置是否位于或接近该胃肠道的该至少两个指定区域是基于：
该胶囊装置被吞咽以后的估计通过时间；
在胶囊装置位置处测量的pH值；
在该胶囊装置位置处测量的管腔压力；
基于该胶囊装置所撷取的图像的图像内容的识别；
基于该胶囊装置所撷取的图像的运动检测；
在该胶囊装置位置处检测的结肠菌群；或者
管腔直径的估计。
7.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，该密度控制构件将可变形件与该传感器系统耦接，其中，该可变形件包含气体生成材料，通过使流体进入该可变形件以使该气体生成材料生成气体，该密度控制构件使该可变形件膨胀，因此该胶囊装置具有小于1的比重。
8.如权利要求7所述的胶囊装置，其中，在吞咽该胶囊装置之前，利用肠溶涂层涂布该可变形件，以防止该流体在该胶囊装置离开胃以前进入该可变形件。
9.如权利要求7所述的胶囊装置，其中，该可变形件包括可生物降解塞，其中，该可生物降解塞与该可变形件的其余部分作分离或作部分分离或在该可变形件上引发漏隙，以允许该气体及该流体自该可变形件泄漏。
10.如权利要求7所述的胶囊装置，其中，该可变形件由第一材料制成，该第一材料对该气体的渗透性强于对该流体的渗透性。
11.如权利要求10所述的胶囊装置，其中，该可变形件通过该气体膨胀并后续因该气体扩散出该可变形件的速度超过该流体扩散于该可变形件中的速度而缩小。
12.如权利要求7所述的胶囊装置，其中，从该胶囊装置达到小于1的比重起的第一时间段以后，通过允许该流体持续进入该可变形件以使该件内部的该气体与该流体的体积比降低，该密度控制构件使该胶囊装置达到大于1的比重。
13.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，该胶囊装置由第二材料涂布或者由其制成，以使该胶囊装置与体腔或流体的摩擦力减少。
14.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，在该壳体上固定设置电性接触，其中，该电性接触与该档案存储器耦接，以使外部装置能够通过该电性接触存取储存于该档案存储器中的图像数据。
15.如权利要求14所述的胶囊装置，其中，该电性接触包括功率引脚以向该胶囊装置提供功率，从而数据检索储存于该档案存储器上的图像数据。
16.如权利要求14所述的胶囊装置，其中，使用电感功率供应以向该胶囊装置提供功率，以数据检索储存于该档案存储器上的图像数据。
17.如权利要求1所述的胶囊装置，其中，该胶囊装置还包括：
光发送器，其通过透明窗口传输光信号，其中，来自该档案存储器的图像数据被传输至外部光接收器。
18.如权利要求17所述的胶囊装置，其中，使用电感功率供应以向该胶囊装置提供功率，以数据检索储存于该档案存储器上的图像数据。
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