CN117958731A - 一种多模态成像的胶囊内窥镜系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多模态成像的胶囊内窥镜系统，包括：胶囊内窥镜、外部无线供能模块和图像接收与处理模块，其中，胶囊内窥镜包括用于采集白光图像和窄带图像的白光和窄带成像模块、用于采集自体荧光图像的自体荧光成像模块、用于将白光图像、窄带图像和自体荧光图像传输给外部图像接收与处理模块的无线传输模块、控制胶囊内窥镜中不同模块光源的开启和关断的光源控制模块、为胶囊内窥镜提供能量的无线供能接收模块、控制胶囊内窥镜在胃肠道中的位置和姿态的位置控制模块和胶囊外壳封装；外部无线功能模块通过无线供能接收模块向胶囊内窥镜提供能量；图像接收与处理模块通过无线传输模块接收胶囊内窥镜采集的图像并进行识别与分析。与现有技术相比，本发明实现了对胃肠道癌早期不典型增生或者浅表癌灵敏、准确且无损的检测，大大降低漏检以及假阳性现象的出现。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其是涉及一种多模态成像的胶囊内窥镜系统。
背景技术
胃肠道疾病的高发病率和高死亡率严重危害到人类的生命，所以对胃肠道癌症早期检测的重要性无法被低估。由于胃肠道癌患者早期并没有明显的症状，而且由于常规内镜的强侵入型容易引起检查者的极度不适感，所以大多数患者在出现食欲不振、消化不良、腹泻、便秘、恶心等症状时，并不愿意进行内窥镜检查；而且传统内窥镜系统也很容易漏检不典型增生或者浅表癌等异常情况。当临床上得到确诊时，往往已经发展成为了癌，此时的治疗痛苦和费用将大大增加。可见定期进行胃肠道癌筛查和早期检测对于发现并治疗胃肠道癌至关重要。
目前，用来进行胃肠道癌检测的主流手段仍然是标准内窥镜，标准内窥镜作为一种系留装置，在医生的操纵下进入人的口腔，食管，穿过胃进入十二指肠及小肠，整个过程中将给检查者带来极大的不适感，而且标准内窥镜在常规白光下很难看到不典型增生或浅表癌，不利于对胃肠道早期癌症的全面检查与诊断。
相继出现的其他系留内窥镜，如放大内镜、共聚焦内镜，虽然它们提高了分辨率，但是操作难度很大，需要经验丰富的医生进行操作；细胞内镜可以观察到细胞内部结构，但是通常需要对目标细胞进行标记，可能对细胞产生不利影响；窄带成像技术无需额外的成本和使用外源性染料的情况下利用光与组织的相互作用的光谱变化增强了血管和表面纹理的显影效果，但是单独窄带成像缺少白光成像的辅助作用，不利于得到高分辨率图像，而且窄带成像仅对血管富集的区域有明显的效果；自体荧光技术是一种广域成像技术，能够快速检查胃肠道粘膜的大面积表面，以发现小区域的不典型增生或癌症，而且可在不需要光敏物质等药物的情况下使用，不需要预测副作用，因此基于自体荧光成像技术对胃肠道癌的检测得到了快速发展。但是目前，窄带成像和自体荧光技术仍仅在系留装置中得到应用，未能消除插入式检测给检查者带来的强烈不适感，而且存在着感染，组织损伤，过敏和出血反应等风险。
胶囊内窥镜将照明、成像、无线传输等功能部件集成到微型胶囊中，对胃肠道进行检测，有效解决了系留装置检测带来的问题。然而，传统胶囊内窥镜通常使用单一白光作为光源，通过采集到的图像判断组织是否存在病变，再将可疑的病变进行活检取样和病理分析。在白光下，能够识别颜色变化明显、形状变化显著的病变组织，但是难以发现不典型增生和浅表癌，一旦出现漏诊情况将对病人造成不可弥补的遗憾。
因此，针对以上问题，迫切需要开发一种灵敏度高、全面且无损的癌症检测系统来实现对胃肠道患者的早期检查。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种多模态成像的胶囊内窥镜系统，利用白光成像进行大范围初步检测，利用窄带成像使胃肠道粘膜微血管与胃小凹的形态更加清晰直观，利用自体荧光成像区分正常粘膜与异常组织，三模态实时成像实现对胃肠道癌早期不典型增生或者浅表癌灵敏、准确、全面且无损的非侵入式检测，降低漏诊以及假阳性情况的出现。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种多模态成像的胶囊内窥镜系统，包括：胶囊内窥镜、外部无线供能模块和图像接收与处理模块，其中，
所述胶囊内窥镜包括白光和窄带成像模块、自体荧光成像模块、无线传输模块、光源控制模块、位置控制模块、无线供能接收模块和胶囊外壳封装；
所述白光与窄带成像模块用于采集白光图像和窄带图像；
所述自体荧光成像模块用于采集自体荧光图像；
所述无线传输模块由预设代码或者外部指令将白光图像、窄带图像和自体荧光图像传输给外部图像接收与处理模块；
所述光源控制模块控制胶囊内窥镜中不同模块光源的开启和关断；
所述无线供能接收模块从外部通过无线方式接收能量并为胶囊内窥镜提供能量；
所述位置控制模块控制胶囊内窥镜在胃肠道中的位置和姿态；
所述外部无线供能模块通过无线供能接收模块向胶囊内窥镜提供能量；
所述图像接收与处理模块通过无线传输模块接收胶囊内窥镜采集的图像并进行识别与分析。
所述白光与窄带成像模块包括三组LED和一个CMOS图像采集芯片，其中，三组LED分别包括两个白光LED、两个蓝光LED、两个绿光LED，三组LED在空间上呈环形均匀分布于CMOS图像采集芯片周围，每组中的两个LED的中心的连线穿过环形的圆心且分布在圆心两侧，CMOS图像采集芯片的中心与环形的圆心重叠。
所述白光和窄带成像模块中的两个白光LED发出可见光，波长范围为390-780nm，两个蓝光LED的中心波长为415nm，两个绿光LED的中心波长为540nm，6个LED光源均沿胶囊轴向方向指向外部。
所述自体荧光成像模块包括微型激光二极管、1×2耦合光路、微型透镜、带通滤光片和CCD图像传感芯片，用于采集自体荧光图像，自体荧光成像模块中的光路路径为：微型激光二极管发出的光进入1×2耦合光路的输入端，进入与微型透镜相连的输出端，经过微型透镜聚焦后照射到要检测的组织上，激发组织产生自体荧光信号，自体荧光信号再次经过微型透镜的聚焦进入到1×2耦合光路的另一光路，通过中心波长为520nm的带通滤光片后由CCD图像传感芯片检测自体荧光信号。
所述自体荧光成像模块中的微型激光二极管的中心波长为440nm。
所述自体荧光成像模块中，1×2耦合光路由机加工得到光路槽孔，并嵌入纤芯直径为400μm的单模光纤。
所述微型透镜由聚苯乙烯材料制成，直径为400μm。
所述滤光片选用520nm的带通滤光片，以检测以黄素腺嘌呤二核苷酸为主的自体荧光物质产生的自体荧光。
所述外部无线供能模块包括直流电压源、逆变控制器和发射线圈，直流电压源输出的直流信号经逆变控制器控制输出交流信号，交流信号作用在发射线圈上，将能量通过线圈传递至无线供能接收模块。
所述图像接收与处理模块包括白光成像识别模块、窄带成像识别模块、自体荧光图像处理与识别模块、显示器和存储器，其中，白光成像识别模块将胶囊内窥镜拍摄的白光图像实时展示在显示器上，窄带成像识别模块将胶囊内窥镜探测到的窄带图像实时展现在显示器上，自体荧光识别模块将胶囊内窥镜探测到的自体荧光图像实时展示在显示器上，存储器用于存储胶囊内窥镜采集的白光图像、窄带图像和自体荧光图像。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的胶囊内窥镜系统，克服了系留装置带来的不适感，解决了常规胶囊内窥镜难以发现细小扁平的早期癌变和不典型增生等情况，通过白光成像、窄带成像和自体荧光成像，既可以进行大面积的高质量成像，又能够将胃肠道粘膜微血管与胃小凹的形态更加清晰直观展现出来，还可以区分正常粘膜与异常组织，三模态成像实现对胃肠道癌早期不典型增生或者浅表癌灵敏、全面且无损的检测，降低了漏诊现象以及假阳性情况的出现。
附图说明
图1为本发明的胶囊内窥镜系统的胶囊内窥镜结构示意图；
图2为本发明的胶囊内窥镜的白光与窄带成像模块结构示意图；
图3为本发明的胶囊内窥镜的自体荧光模块结构示意图；
图4为本发明的胶囊内窥镜系统的外部无线供能模块结构示意图；
图5为本发明的胶囊内窥镜系统的图像接收与处理模块结构示意图；
图6为本发明的胶囊内窥镜系统的胃肠道癌早期检测流程示意图。
图中附图标记为：1-胶囊内窥镜；101-无线传输模块；102-光源控制模块；103-位置控制模块；104-无线供能接收模块；105-胶囊内窥镜的外壳封装；2-白光与窄带成像模块；201-白光LED；202-白光LED；203-蓝光LED；204-蓝光LED；205-绿光LED；206-绿光LED；207-CMOS图像采集芯片；3-自体荧光成像模块；301-微型激光二极管；302-1×2耦合光路；303-微型透镜；304-带通滤光片；305-CCD图像传感芯片；4-外部无线供能模块；401-直流电压源；402-逆变控制器；403-发射线圈；5-图像接收与处理模块；501-白光成像识别模块；502-窄带成像识别模块；503-自体荧光成像识别模块；504-显示器；505-存储器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供一种多模态成像的胶囊内窥镜系统，包括：胶囊内窥镜1、外部无线供能模块4和图像接收与处理模块5，其中，
如图1所示，胶囊内窥镜1包括白光和窄带成像模块2、自体荧光成像模块3、无线传输模块101、光源控制模块102、位置控制模块103、无线供能接收模块104和胶囊外壳封装105。
白光与窄带成像模块2用于采集白光图像和窄带图像，包括三组LED和一个CMOS图像采集芯片207，其中，三组LED分别包括两个白光LED201、202、两个蓝光LED203、204、两个绿光LED205、206，如图2所示，三组LED在空间上呈环形均匀分布于CMOS图像采集芯片207周围，每组中的两个LED的中心的连线穿过环形的圆心且分布在圆心两侧，CMOS图像采集芯片207位于六个LED的中心，其中心与环形的圆心重叠。白光和窄带成像模块2中的两个白光LED发出可见光，波长范围为390-780nm，两个蓝光LED的中心波长为415nm，两个绿光LED的中心波长为540nm，6个LED光源均沿胶囊轴向方向指向外部。
自体荧光成像模块3用于采集自体荧光图像，如图3所示，包括微型激光二极管301、1×2耦合光路302、微型透镜303、带通滤光片304和CCD图像传感芯片305，用于采集自体荧光图像。自体荧光成像模块3中的光路路径为：微型激光二极管301发出的光进入1×2耦合光路302的输入端，进入与微型透镜303相连的输出端，经过微型透镜303聚焦后照射到要检测的组织上，激发组织产生自体荧光信号，自体荧光信号再次经过微型透镜303的聚焦进入到1×2耦合光路302的另一光路，通过中心波长为520nm的带通滤光片304滤除其他干扰光后由CCD图像传感芯片305检测自体荧光信号。
本实施例中，微型激光二极管301的中心波长为440nm，将其尺寸加工成3mm；1×2耦合光路302由机加工得到光路槽孔，并嵌入纤芯直径为400μm的单模光纤；微型透镜303由高折射率聚苯乙烯材料制成，直径为400μm，将其嵌于光路出射孔的末端，其作用可将输出光聚焦于胃肠道组织，而且对自体荧光信号的收集也会起到增强和锐化的作用；带通滤光片304选用520nm的带通滤光片，以检测以黄素腺嘌呤二核苷酸为主的自体荧光物质产生的自体荧光。
当胃肠道组织被440nm的激发光激发时，内源性荧光团黄素腺嘌呤二核苷酸，被激发出更长的荧光，即自体荧光。正常组织和肿瘤组织具有不同的自身荧光特征，正常组织为绿色，而发育不良或肿瘤区域为洋红色。
本实施例将白光与窄带成像模块2集成到胶囊内窥镜1一侧，自荧光成像模块3集成到胶囊内窥镜1另一侧，如图1所示。
无线传输模块101由预设代码或者外部指令将白光图像、窄带图像和自体荧光图像传输给外部图像接收与处理模块5。
光源控制模块102控制胶囊内窥镜在胃肠道检查过程中不同模块光源的开启和关断，以达到最低功耗下的最佳检测效果。
位置控制模块103控制胶囊内窥镜在胃肠道中的位置和姿态。
无线供能接收模块104从外部通过无线方式接收能量并为胶囊内窥镜的正常工作提供足够的能量。
胶囊内窥镜外壳封装105可采用聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚酯等材料制作而成，具有较高的抗压和耐磨性能，能够承受胃肠道内的各种物理和化学刺激。
当胶囊内窥镜进入到胃肠道时，光源控制模块102通过预设程序或者外部指令控制对光源的切换；
首先打开白光LED201、202，开启白光成像，位置控制模块103调整胶囊内窥镜1的姿态，使白光成像和窄带成像模块2所在的一侧首先到达要检测的区域，进行白光成像的初步检测；
随后进行窄带成像，通过光源控制模块102关断白光LED201、202，打开两个蓝光LED203、204和两个绿光LED205、206。在窄带成像中，相比白光成像，蓝色激发光被血红蛋白高度吸收，可增强粘膜表面纹理和血管网络的可视化。
窄带成像完毕之后，关闭LED203、204、205、206，打开白光LED201、202，通过位置控制模块103调整胶囊内窥镜1的姿态，使得胶囊内窥镜的自荧光检测模块到达要求检测的位置，然后关闭白光LED201、202，打开微型激光二极管301，开启自体荧光成像模式，实现对胃肠道组织的自体荧光检测。在大多数情况下，这些是相对于周围组织红色荧光增加的局部区域。当在自体荧光成像时发现病变而在白光成像或者窄带成像时未见，则对该组织重复进行更密集的局部检查。
白光图像，窄带图像和自体荧光图像三模态检测，可实现对胃肠道的全面检测，避免不典型增生或者浅表癌的漏检，同时也降低了假阳性的出现，具有较高的灵敏性和准确性。
外部无线供能模块4通过无线供能接收模块104向胶囊内窥镜1提供能量；如图4所示，包括直流电压源401、逆变控制器402和发射线圈403，直流电压源401输出的直流信号经逆变控制器402控制输出交流信号，交流信号作用在发射线圈403上，将能量通过线圈传递至无线供能接收模块104。
图像接收与处理模块5通过无线传输模块101接收胶囊内窥镜1采集的图像并进行识别与分析，可选择例如台式电脑，笔记本电脑，平板电脑，手机和图像硬盘存储器等设备用于胶囊内窥镜1发出的光谱与图像，同时可以实时数据存储。如图5所示，图像接收与处理模块5包括白光成像识别模块501、窄带成像识别模块502、自体荧光图像处理与识别模块503、显示器504和存储器505，其中，白光成像识别模块501将胶囊内窥镜1拍摄的白光图像实时展示在显示器504上，一方面便于医务工作者对胶囊内窥镜在胃肠道中的位置和姿态进行确定，另一方面实现对胃肠道疾病的初步检测；窄带成像识别模块502将胶囊内窥镜1探测到的窄带图像(包括胃肠道粘膜微血管与胃小凹的形态特征)实时展现在显示器504上，自体荧光识别模块503将胶囊内窥镜1探测到的自体荧光图像实时展示在显示器504上，存储器505用于存储胶囊内窥镜1采集的白光图像、窄带图像和自体荧光图像，以便于后期检查的对比诊断。
本发明的胃肠道多模态早期检测系统进行检测时的流程图如图6所示：
被检查者首先吞下胶囊内窥镜1，胶囊内窥镜1随着胃肠道的蠕动，在位置控制模块103的辅助驱动下，到达检测点，在此过程中，白光LED201、202开启，医务工作者可以凭借白光成像，控制胶囊内窥镜在胃肠道中的运动和姿态并进行初步检测；接着进行窄带成像，关断白光LED201、202，打开蓝光LED203、204和绿光LED205、206，实施对胃肠道粘膜微血管与胃小凹的检测；窄带成像完毕之后，关闭LED203、204、205、206，打开白光LED201、202，调整胶囊内窥镜的姿态，将自体荧光成像端对准要检测的部位，关闭白光LED201、202，打开自体荧光成像模块3中的微型激光二极管301，实施对胃肠道的自体荧光成像。控制胶囊内窥镜在胃肠道中的不同位置分别进行检测，将采集到的信号通过无线传输给体外的图像接收与处理模块5，白光图像、窄带成像和自体荧光成像实时显示在显示器504上。医务工作者通过实时的三模态成像进行分析与判断，并将图像存储在存储器505中，以便于后期的检查对比。当检查者将胶囊排除体外后，检测结束。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依据本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理、或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种多模态成像的胶囊内窥镜系统，其特征在于，包括：胶囊内窥镜(1)、外部无线供能模块(4)和图像接收与处理模块(5)，其中，
所述胶囊内窥镜(1)包括白光和窄带成像模块(2)、自体荧光成像模块(3)、无线传输模块(101)、光源控制模块(102)、位置控制模块(103)、无线供能接收模块(104)和胶囊外壳封装(105)；
所述白光与窄带成像模块(2)用于采集白光图像和窄带图像；
所述自体荧光成像模块(3)用于采集自体荧光图像；
所述无线传输模块(101)由预设代码或者外部指令将白光图像、窄带图像和自体荧光图像传输给外部图像接收与处理模块(5)；
所述光源控制模块(102)控制胶囊内窥镜中不同模块光源的开启和关断；
所述位置控制模块(103)控制胶囊内窥镜在胃肠道中的位置和姿态；
所述无线供能接收模块(104)从外部通过无线方式接收能量并为胶囊内窥镜提供能量；
所述外部无线供能模块(4)通过无线供能接收模块(104)向胶囊内窥镜(1)提供能量；
所述图像接收与处理模块(5)通过无线传输模块(101)接收胶囊内窥镜(1)采集的图像并进行识别与分析。
2.根据权利要求1所述的一种多模态成像的胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述白光与窄带成像模块(2)包括三组LED和一个CMOS图像采集芯片(207)，其中，三组LED分别包括两个白光LED、两个蓝光LED、两个绿光LED，三组LED在空间上呈环形均匀分布于CMOS图像采集芯片(207)周围，每组中的两个LED的中心的连线穿过环形的圆心且分布在圆心两侧，CMOS图像采集芯片(207)的中心与环形的圆心重叠。
3.根据权利要求2所述的一种多模态成像的胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述白光和窄带成像模块(2)中的两个白光LED发出可见光，波长范围为390-780nm，两个蓝光LED的中心波长为415nm，两个绿光LED的中心波长为540nm，6个LED光源均沿胶囊轴向方向指向外部。
4.根据权利要求1所述的一种多模态成像的胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述自体荧光成像模块(3)包括微型激光二极管(301)、1×2耦合光路(302)、微型透镜(303)、带通滤光片(304)和CCD图像传感芯片(305)，用于采集自体荧光图像，自体荧光成像模块(3)中的光路路径为：微型激光二极管(301)发出的光进入1×2耦合光路(302)的输入端，进入与微型透镜(303)相连的输出端，经过微型透镜(303)聚焦后照射到要检测的组织上，激发组织产生自体荧光信号，自体荧光信号再次经过微型透镜(303)的聚焦进入到1×2耦合光路(302)的另一光路，通过中心波长为520nm的带通滤光片(304)后由CCD图像传感芯片(305)检测自体荧光信号。
5.根据权利要求4所述的一种多模态成像的胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述自体荧光成像模块(3)中的微型激光二极管(301)的中心波长为440nm。
6.根据权利要求4所述的一种多模态成像的胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述自体荧光成像模块(3)中，1×2耦合光路(302)由机加工得到光路槽孔，并嵌入纤芯直径为400μm的单模光纤。
7.根据权利要求4所述的一种多模态成像的胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述微型透镜(303)由聚苯乙烯材料制成，直径为400μm。
8.根据权利要求4所述的一种多模态成像的胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述带通滤光片(304)选用520nm的带通滤光片，以检测以黄素腺嘌呤二核苷酸为主的自体荧光物质产生的自体荧光。
9.根据权利要求1所述的一种多模态成像的胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述外部无线供能模块(4)包括直流电压源(401)、逆变控制器(402)和发射线圈(403)，直流电压源(401)输出的直流信号经逆变控制器(402)控制输出交流信号，交流信号作用在发射线圈(403)上，将能量通过线圈传递至无线供能接收模块(104)。
10.根据权利要求1所述的一种多模态成像的胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述图像接收与处理模块(5)包括白光成像识别模块(501)、窄带成像识别模块(502)、自体荧光图像处理与识别模块(503)、显示器(504)和存储器(505)，其中，白光成像识别模块(501)将胶囊内窥镜(1)拍摄的白光图像实时展示在显示器(504)上，窄带成像识别模块(502)将胶囊内窥镜(1)探测到的窄带图像实时展现在显示器(504)上，自体荧光识别模块(503)将胶囊内窥镜(1)探测到的自体荧光图像实时展示在显示器(504)上，存储器(505)用于存储胶囊内窥镜(1)采集的白光图像、窄带图像和自体荧光图像。
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|---|---|---|---|
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