TW201909846A - 具有基於影像之相對運動估計之超音波膠囊內視鏡裝置 - Google Patents

具有基於影像之相對運動估計之超音波膠囊內視鏡裝置 Download PDF

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TW201909846A
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格拉德 多瑪
史瑞登 巴薩維斯
張建六
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蒙哈德 阿帕恩
布特斯 柯瑞亞伯
敖 小傑佛瑞
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晸宇 崔
艾瑞克 奧克特
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Abstract

透過使用聲像(acoustic images)的框的分析來推斷膠囊在聲學膠囊內視鏡檢查中的改進的定位，以推斷膠囊在框與框之間的相對運動。這個想法可以透過以下任何組合來補充：進一步的定位方法；透過聲輻射反應推進膠囊；雙向通訊和系統級回饋控制；能量採集；光聲(或X射線聲學)成像；並且向膠囊添加治療及/或感測器能力。

Description

具有基於影像之相對運動估計之超音波膠囊內視鏡裝置
本發明有關聲學膠囊內視鏡(acoustic capsule endoscopy)。
目前，使用內視鏡超音波(endoscopic ultrasound, EUS)、電腦斷層掃描(computed tomography, CT)和磁振造影(magnetic resonance imaging, MRI)可以對消化系統進行徹底檢查。這些技術不是有害(CT施加輻射)、不舒服(EUS需要鎮靜和插管)就是非常昂貴。
本文描述的膠囊超音波(capsule ultrasound, CUS)裝置可以是低成本、一次性且可攝取的膠囊，其超音波陣列附接到它的本體。在被患者吞服後，此膠囊可以讓醫生無縫地檢查整個胃腸(GI)道，主要是小腸。超音波波可用於定位腹部疾病和病變、找到胃腸壁厚度、並檢查相鄰器官(如胰腺)。為了使CUS裝置成為上述技術的更可行的替代方案，我們描述了除習用超音波成像之外的附加特徵，例如膠囊的定位和推進。
以下是此等特徵和其他特徵如何整合的示例：膠囊的內部包含控制超音波轉換器的成像(在一些實施例中加上定位、推進及/或能量採集)電子產品、控制從電池/儲存元件(以及在一些實施例中的採集轉換器)到電子產品其餘部分的功率分配的電源管理電子設備、電池/儲存元件、用於暫時儲存影像/定位資料的記憶體電路，以及用於無線通訊的無線收發器。在一些實施例中，膠囊的內部亦包含用於儲存組織/液體樣本的貯存器或用於藥物遞送的預先包裝的藥物、及/或用於光聲或X射線聲學成像的光學/X射線轉換器。上述元件可以在不同的印刷電路(PC)板上，透過可撓性基板彼此連接，或者多個組件可以在一或多個板上組合。在一些實施例中，膠囊的外部可包括超音波轉換器(取決於特定實施例，用於成像、定位、推進及/或能量採集)、用於無線通訊的RF天線及用於pH電極/氣體/壓力感測器。在一些實施例中，諸如RF天線的一些上述外部元件反而可以替代地存在於內部。
在本說明書中，描述了較佳實施例的一些特徵。本發明的實施例可以單獨或以任何組合方式包括這些特徵。以下描述中的主題是1)相對定位，2)絕對定位，3)推進，4)通訊及控制，5)能量採集，6)光聲或X射線聲學成像、以及7)進一步的選擇和變化。
1)相對定位 　　在患者的胃腸道內旅行時，膠囊的位置是疾病診斷和膠囊適應性控制的重要資訊。在膠囊超音波裝置捕捉小腸的不同層的影像以及相鄰器官的影像之後，獲取與影像相關的位置是重要的，以便定位特定的特徵，如腫瘤或囊腫，判定沿著胃腸道的膠囊軌跡，以及可能重建胃腸道的3D影像或完全重建。位置資訊還可以用作外部裝置的回饋資訊，用以透過雙向無線通訊控制膠囊的操作模式和框率。
區分相對定位與絕對定位是有幫助的，相對定係基於所獲得之聲像的分析識別膠囊的位置變化，絕對定位係基於與外部位置參考的比較識別膠囊的位置。我們首先考慮相對定位。
框到框組織運動估計可用於在CUS裝置穿過胃腸道時估計和追蹤CUS裝置的位置和方位。圖1A-B示意性地顯示該概念。此處圖1A顯示胃腸道104中的膠囊102。圖1B顯示當膠囊移動時聲學視野106如何能改變到新的視野108。由於此等視野將與典型的系統聲學框率和膠囊速度重疊(例如，如圖所示)，因此相對位置追蹤子系統110中的聲像的分析可以提供相對運動資訊。
圖2A是示例性膠囊102的放大視圖。在此示例中，膠囊102包括圍繞膠囊的圓周設置的圓柱形聲波轉換器陣列202，以及沿著膠囊的長度設置的一或數個線性聲波轉換器陣列204。這種線性轉換器陣列也稱為「扁平」聲波轉換器陣列。該配置允許膠囊獲取彼此正交的聲像。結果，可以透過對來自圓柱陣列和線性陣列的連續影像進行互相關來計算所有三個方向(x、y及z維度)的平移以及圍繞所有軸(x及y及z)的旋轉。此有助於追蹤CUS裝置向胃腸道傳播的過程。可以透過許多不同的技術來估計框到框的移動，例如：局部互相關(local cross-correlation)、斑點追蹤(speckle tracking)、都普勒估測(Doppler estimation)、橫向振盪方法(transverse-oscillation-method)等。
因此，本發明的示例性實施例是一種設備，其包括被配置用以被患者吞嚥的膠囊。該膠囊包括至少一診斷聲波轉換器陣列，該診斷聲波轉換器陣列設置在該膠囊上並被配置用以在該膠囊被該患者攝取時可操作以提供聲像。該設備包括相對位置追蹤子系統，其被配置用以使用應用於聲像的影像處理方法來判定膠囊從聲像的一框到聲像的另一框的相對位置及/或方位的變化。
該設備可以被配置用以從聲像的二或多個所選擇的框提供合成聲像重建，其與來自每個所選框的膠囊的相對位置和方位相結合。此類似於合成孔徑雷達。更具體而言，當膠囊移動通過胃腸道時，可以獲取多個資料集，每個資料集來自新的膠囊位置。這些資料集可以從圓柱陣列和線性陣列採集。在使用定位技術知道膠囊和元件的位置之後，可以合成地聚焦這些資料集以增加結果影像中的解析度和對比。合成聚焦技術也可用於創造感興趣區域的全三維(full 3D)影像。
如以下更詳細描述者，此種相對定位可以用絕對定位來補充。在這種情況下，膠囊上的聲波轉換器陣列可以是兩用陣列，其為成像和絕對位置追蹤提供資料，或者可以使用單獨的位置和成像陣列。圖2B顯示後一種方法的示例，其中210和212分別是成像和定位圓柱形轉換器陣列。類似地，214和216是定位和成像線性轉換器陣列。
圖3A及3B顯示膠囊的兩個實例。圖3A是圖2A的示例的3D視圖。圖3B的示例與圖3A的示例不同處在於圓柱形轉換器陣列202設置在膠囊的中線處，線性聲學陣列設置在該中線的上方和下方。圖3C-D示意性地顯示各個轉換器陣列的視野。此處，z軸被視為沿著膠囊的軸線，其意指圓柱形轉換器陣列的影像平面320將會在xy平面中。線性轉換器陣列將具有平行於z軸的影像平面，且一個這樣的影像平面在圖3D中顯示為310。
圖4A示意性地顯示如何藉由比較來自線性陣列的二或多個所獲得的xz框來估計z及/或x方向上的平移或繞y軸的旋轉。座標軸402適用於所有樣本影像404、406、408、410，而且亦與圖3D的座標一致。
此處404是來自一個平面陣列的xz平面中的初始影像。406是來自xz平面中的平面陣列的後續影像的第一示例。可以藉由比較來自平面陣列的初始影像與後續影像來估計x方向上的線性平移。408是來自xz平面中的平面陣列的後續影像的第二示例。可以藉由比較來自平面陣列的初始影像與後續影像來估計z方向上的線性平移。410是來自xz平面中的平面陣列的後續影像的第三示例。可以藉由比較來自平面陣列的初始影像與後續影像來估計圍繞y軸的旋轉。
圖4B示意性地顯示如何藉由比較來自圓柱陣列的二或多個所獲取的xy框來估計x及/或y方向上的平移或繞z軸的旋轉。此處，座標軸412適用於所有樣本影像414、416、418、420，而且亦與圖3D的座標一致。對於所有樣本影像，內部中心圓圈表示圓柱形陣列的邊界，外部圓圈表示影像的邊界。
此處414是來自圓柱陣列的xy平面中的初始影像。416是來自xy平面中的圓柱形陣列的後續影像的第一示例。可以藉由比較來自圓柱陣列的初始影像與後續影像來估計x方向上的線性平移。418是來自xy平面中的圓柱形陣列的後續影像的第二示例。可以藉由比較來自圓柱陣列的初始影像與後續影像來估計y方向上的線性平移。420是來自xy平面中的圓柱形陣列的後續影像的第三示例。可以藉由比較來自平面陣列的初始影像與後續影像來估計圍繞z軸的旋轉。
2)絕對定位 　　在用於絕對定位的其他方法中，為了判定體內裝置的位置，使用額外或外部的轉換器(即磁轉換器)。這些方法通常要求患者穿戴作為框架座標的外部裝置，或要求患者在笨重的儀器附近保持穩定。這些方法不僅需要額外的裝置，而且還給患者造成不便。為了消除這些額外或外部裝置，我們提供超音波影像引導定位和對準(registration)方法，以便可以從膠囊本身產生的超音波影像自動判定超音波膠囊的位置。
此外，該位置還可以作為外部接收器和控制裝置的回饋資訊，接著，基於膠囊的位置，外部裝置可以透過雙向通訊控制框率、推進方向及其他操作模式。
自動定位可以藉由使用圍繞膠囊環繞的圓柱形轉換器陣列對諸如遠處器官的解剖標誌成像，以及沿著膠囊的軸向的一或多個扁平線性轉換器陣列來完成，如圖3A-B所示。用於定位的轉換器陣列將以與用於診斷的陣列不同的模式工作。診斷模式陣列需要更高的頻率和更好的影像解析度。為定位目的，陣列將在定位模式下工作，其需要更低的頻率和更大的穿透深度。圖5示意性地顯示該概念，其中502是解剖標誌。
沿著膠囊的長軸方向的圓柱形轉換器陣列和扁平線性轉換器陣列具有高達10 cm的穿透深度。由這些轉換器陣列產生的影像將顯示胃腸道周圍的解剖標誌，因此，藉由根據捕捉的影像計算到解剖標誌的相對距離，可以在膠囊裝置行進消化系統時判定膠囊裝置的位置。同時，因為圓柱形轉換器陣列的360度超音波掃描總是從相同的元件開始，所以這些超音波影像可以提供圍繞其軸的膠囊旋轉的資訊。線性轉換器陣列可以以更高的框率產生影像，並且影像可以用於追蹤膠囊移動。由於高框率，可以正確追蹤蠕動運動。如上所述，可以使用互相關方法來計算由相同轉換器陣列捕捉的兩個連續影像之間的相對移動，使得我們可以使用由圓柱陣列獲取的影像來追蹤膠囊旋轉並使用平面陣列的影像計算縱向膠囊移動。基於膠囊旋轉和移動，可以透過將影像重建為相同的座標系統來執行影像對準(image registration)，從而最終可以重建沿胃腸道的3D影像。
也可以使用另一種技術來實現定位，該技術牽涉將幾個外部空氣傳播的超音波轉換器放置在患者所在的房間(例如椅子上、床上、牆上)並進行三邊測量。圖6A顯示一個示例，其中602、604、606、608是在接收模式下操作的外部轉換器。這些轉換器將以低頻(即100 kHz)在接收模式操作，並監聽由膠囊中對應的低頻轉換器發射的超音波信號。知道膠囊中的轉換器發出信號的時間和位於身體外部的轉換器的脈波檢測時間，飛行時間演算法可用於判定膠囊在體內的位置。或者以相反的方式，位於身體外部的轉換器可以用作為發射器，並且膠囊上的轉換器接收的信號用於使用諸如全球定位系統(GPS)如何作用的各種演算法來定位身體內部的膠囊。圖6B顯示一個示例，其中612、614、616、618是在接收模式下操作的外部轉換器。
如下面更詳細描述者，RF天線及外部接收器裝置也可以提供飛行時間資訊，其可提高膠囊位置計算的準確性。此RF系統可以包含以一或多個頻率運行之基於脈波的工作週期發射器。飛行時間和三邊測量技術可用以相對於外部接收器的陣列(3或多個)定位發射器(膠囊)。也可以使用差分飛行時間方法。此處，膠囊兩側的多個發射器(二或多個)發射短RF脈波。到達時間的差異可用於定位膠囊。將選擇RF頻率作為組織損耗及天線效率(導致SNR約束)與D-TOF精度之間的折衷。在所有這些系統中，較佳的脈波寬度在100 ps至10 ns範圍內。透過附加感測器獲得的化學環境資訊(例如pH)可以作為定位的另一指示器。
3)推進 　　在無線膠囊內視鏡檢查期間，膠囊通常透過蠕動被動地在胃腸道中行進。這對膠囊的成像性能以及其執行其他醫療任務(例如，藥物輸送及活組織檢查)的能力施加了若干限制。這些限制包括：篩查/診斷過程中漏檢結果的百分比較高；無法穩定膠囊以便進行治療遞送；無法將膠囊導向感興趣的區域(例如，病理)以獲取影像、治療遞送、活組織切片等；並降低有效視野。
推動膠囊在胃腸道內的能力提供了幾個好處，可以探索新功能和新能力。藉由允許人們控制所獲取的相同感興趣區域的影像的數量，穩定胃腸道中的膠囊的能力改提升其診斷和治療能力。
推進還可以用以以此種方式定位和定向膠囊，以使能夠利用超音波成像、光聲成像、X射線聲成像或任何其他成像模態對特定內部器官成像。另一個好處是為膠囊提供對胃腸道中各種器官的不同解剖結構的適應性。
推進還可以幫助重新檢查異常的某些位置，並控制膠囊停留在胃腸道內的持續時間。這有助於控制能量消耗及檢查時間。
為了在胃腸道中推進膠囊，轉換器陣列可以纏繞在膠囊周圍以產生超音波，其能在任何所希望的方向上驅動膠囊。在一個實作中，陣列可以用作為數位間轉換器(interdigital transducer, IDT)以產生表面聲波(SAW)。這些波的方向使得它與所希望的推進方向相反，且它們的聲壓(acoustic pressure)支配膠囊行進的速度。另一實作使用轉換器陣列作為相控陣(phased array)。為了在特定方向上推進，陣列元件的子集在相反方向上產生聚焦超音波波束。轉換器元件的子集可以產生具有可變方向性及強度的聚焦超音波波束。
更具體地，此處所考慮的推進概念為膠囊是自推進式(self-propelled)，同時由於膠囊發出音能而被膠囊上的聲輻射反作用力攝取。圖7A顯示該概念。此處102是膠囊，702是聲波轉換器，704是被發射的聲輻射，706是膠囊上的輻射反作用力。如圖7A所示，反作用力通常與任何定向聲輻射的方向相反。注意，該輻射反作用力不依賴於GI道的內容物如何回應聲輻射而移動，這與GI道內容物的誘導流動是推進機制的其他方法形成對比。
圖7B及7C分別示意性地顯示膠囊102相對於相控陣及IDT情況的蠕動712向後推進。此處，淨運動716是蠕動712及輻射反應714的疊加。類似地，圖7D及7E分別示意性地顯示膠囊102相對於用於相控陣和IDT情況的蠕動712的推進。此處，淨運動724是蠕動712和輻射反應722的疊加。圖7F顯示膠囊102如何透過輻射反作用力繞其中線旋轉。圖7G(其為端視圖)顯示膠囊102如何透過輻射反作用力繞其軸線旋轉。
除了向後、向前或在改變其目前位置的任何方向推進膠囊之外，膠囊亦可圍繞其軸線在兩個方向上旋轉。例如，此可以透過旋轉膠囊小於轉換器元件間距的距離來幫助提升所獲取影像的解析度，其有效地提供更高的解析度。使膠囊圍繞其軸旋轉的另一好處是與周圍組織/器官產生更好的接觸。
與傳統的推進方法相比，聲推進提供了顯著的優勢。若干膠囊設計使用磁場來旋轉膠囊並透過施加外部磁場來轉換其位置，該外部磁場與置於膠囊本體內的另一金屬或磁體相互作用。這需要額外的面積、外部需求、當然還有外部監控。若干其他實作依賴使用機器人部件來控制膠囊的位置並將其推向特定方向。這些類型的實作具有高度侵入性、消耗大量功率、設計複雜並且需要大的額外區域。另一實作使用電極來電刺激器官壁並使其收縮。這模仿蠕動的效果，因此將膠囊推向前方。這種技術也是高度侵入性。
與目前的實作相比，這項工作的設計是非侵入性的。其使用聲學信號(acoustic signal)來推動膠囊，而不需要與生物組織接觸。該實作也不需要附加到膠囊的任何附件部件，也不需要外部裝置。這降低設計複雜性，因為已經纏繞在膠囊周圍的成像轉換器陣列也可以用於推進，且不需要通常會引起污染及其他不想要的效果之與周圍組織的任何接觸。
4)通訊及控制 　　圖8A示意性地顯示膠囊102的閉迴路控制。此處，控制器802與膠囊102進行雙向通訊。該鏈路可以是聲學鏈路及/或無線電磁鏈路，如以下更詳細描述者。利用此種鏈路，回饋控制可用以控制膠囊的一或多個操作參數。圖8B顯示與此種配置有關的一些其他細節。此處輸入方塊804是用戶界面的一部分且包括諸如用戶輸入(患者和醫療專業人員)、期望的膠囊位置、期望的膠囊操作模式(例如，「增強的成像模式」)等項目。輸入方塊806是來自膠囊的上行鏈路，並且可包括諸如膠囊方位(俯仰、滾動、偏航)、位置、速度、壓力、系統狀態、剩餘能量等參數。輸出方塊808是到膠囊的下行鏈路，並且可包括諸如推進力(幅度和方向)、影像聚焦深度、影像框率等參數。輸出方塊810是使用界面的一部分且可包括諸如系統狀態、剩餘膠囊能量、膠囊位置、膠囊方位、目標位置、目標方位、所選擇的操作模式等項目。以下是較佳實施例中的通訊/控制的進一步細節。
上行鏈路無線連接(從膠囊到身體裝置的外部)可以用於多種目的，並且對於可攝取的膠囊應用通常是重要的。上行鏈路可用於採集感測資料，諸如光學/超音波波膠囊的影像/視頻。這種通訊可以消除對膠囊本身的採集的需要，使其成為一次性使用的(disposable)。上行鏈路通訊還可以用於採集其他感測資料，包括但不限於：膠囊位置、方位、化學環境特性、剩餘電池壽命、系統狀態及組件性能、諸如蛋白質或DNA的生物標記物、或神經/肌肉電活動等。在某些實施例中，感測器可整合到可攝取的膠囊中以監測身體在溫度、心率、呼吸速率、pH值方面的狀況，而且從每個感測器所採集的資料也可透過上行鏈路無線地發送到外部控制器。這些參數的組合在成像和感測條件方面判定膠囊的新編程狀態。
接著可以在較少資源限制的裝置中從外部處理該資訊，並提供易於使用的資料給用戶或醫療專業人員。該資料接著能實現本身準確的疾病診斷，或者作為其他所採集的患者資料和診斷測量的一部分。另外，它可以用於發出要發送到膠囊的命令，動態地改變操作參數，包括但不限於：成像轉換器延遲、成像聚焦深度、成像方向、成像框率、推進壓力/旋轉角度/旋轉速度、要感測的化學參數、上行鏈路發射器輸出功率、上行鏈路資料速率等。這些命令可以透過下行鏈路無線連接從外部裝置傳送到膠囊，其方式與先前描述的上行鏈路功能類似。
上行鏈路和下行鏈路無線連接可以進一步形成雙向閉迴路回饋系統。這可透過感測資料實現自動膠囊參數控制，藉由執行資料分析並在外部裝置處理器或查找表中找到最佳輸出參數組，使得膠囊的期望操作被調整以適應於穿過的胃腸道解剖結構，以及物理方向、位置、化學環境、使用者身體狀況等的細節。這種閉迴路回饋可以例如用於增強特定身體區域(例如胰腺)的成像以用於胰腺癌的診斷或用於檢測息肉的胃腸道壁，一旦膠囊位置和視野滿足某些預定條件，透過運動和框率控制。在某些實施例中，該閉迴路回饋可以回應於pH的變化或沿胃腸道的特定反應實現特定運動，用於局部藥物治療。因此，這種雙向鏈路的實作構成了非常重要的系統特徵，以克服不可控參數，例如患者與患者之間的變化以及胃腸系統中的解剖學差異。
膠囊和用於上行鏈路的外部裝置之間的通訊可以透過射頻(RF)中的電磁(EM)輻射來達成。在這樣的實施例中，一或多個天線被包括在膠囊內部或外部，並且透過身體發送EM波，以由身體外部和靠近身體的一或多個天線接收。天線由放大器電路驅動，作為發射器電路的一部分，以允許發射足夠的功率，使得在接收器處以足夠的信號雜訊比(SNR)接收資訊以滿足保真度要求。在某些實施例中，發射器經由數位調變(例如頻移鍵控(FSK))對資料進行編碼，且放大器提供由基於振盪器的電路產生的恆定幅度的變化頻率波形，其由基帶資料編碼，該資料可以是所捕捉的超音波或光學影像的數位表示、位置/方位資訊、系統狀態及性能資訊，身體環境物理指示器(溫度、心率、呼吸率)、化學環境(例如pH)等。在一些實施例中，操作發射電路可變地有效和無效(佔空比)、及/或與其他膠囊操作時間交錯，包括但不限於成像、化學感測、化學取樣，以滿足某些資料速率要求或作為節能方案的一部分。在一些實施例中，由膠囊的其他組件(例如成像器)採集的資料可以高於發射器電路的可能資料速率的速率獲得，記憶體儲存元件，例如RAM(隨機存取記憶體)，或FIFO(先進先出)元件可用於臨時緩衝取樣資料，直到它準備好由發送器發送。
類似地，對於下行鏈路通訊，在外部裝置與膠囊系統之間，通訊可以藉由EM輻射透過膠囊上/中的一或多個天線以及身體外/上的一或多個天線發生。外部裝置上的發射器電路類似地可包括功率放大器、資料編碼器、基於振盪器的頻率產生器等。它還可以包括多個天線作為相控陣的一部分，以將輻射聚焦到膠囊目標。由於生物醫學裝置的下行鏈路命令的資料速率通常低於上行鏈路的資料速率，因此也可以利用通常具有較小頻寬的超音波資料傳輸，以獲得較高的鏈路效率，從而形成混合RF/US雙向鏈路。在膠囊已經將此類元件用於其他例如超音波成像或推進的應用的實施例中，時間交錯方案可用於利用通訊來交替執行這些操作。例如，使用超音波轉換器10 ms來發送脈波並接收掃描以形成影像，230 ms用於發送上行鏈路資料，10 ms用於接收下行鏈路命令，總共250 ms在整個系統生命週期內重複或直到發布變更操作模式的命令為止。對於下行鏈路通訊而言，可以使用與上行鏈路類似的資料編碼，利用諸如幅移鍵控(ASK)、關鍵控(OOK)、FSK等調變方案。膠囊內的接收器具有電路，用以進行命令之資料恢復、解譯，並且取決於命令，執行諸如感測器致動、系統參數修改(例如，旋轉、壓力、成像焦點、框率、RF輸出功率、資料速率、藥物釋放量、影像切片選擇、待檢測的化學參數等)等功能。
透過上行鏈路和下行鏈路的組合，可以以下列方式實現閉迴路回饋。週期性地/以期望的時間間隔，外部裝置中的處理單元/控制器將經由上行鏈路所接收的參數(位置、方位等)作為輸入。其接著可將這些輸入和來自與感興趣的操作模式相關之用戶/臨床醫生的預定義輸入(例如，「增強的胰腺成像」或「功率最小化」)結合，並透過功能，將該等輸入以最佳方式映射到輸出。映射可以透過查找表和輸入到輸出之間的預定義關係，或者以包括深度學習和神經網路在內的其他方式進行。輸出對應於要在膠囊中調諧/改變的系統參數，(例如成像轉換器延遲、成像聚焦深度、成像方向、成像框率、推進壓力/旋轉角度/旋轉速度、藥物釋放量、被感測到的化學參數、上行鏈路發射器輸出功率、上行鏈路資料速率)並且透過下行鏈路發送。接著它們由膠囊中的接收器電路解碼、解譯並作用以產生所需的功能，例如「停止運動」、「旋轉膠囊」、「釋放10ug藥物」等。當產生的動作與期望的動作之間存在錯誤時，外部裝置處的處理單元/控制器可以從上行鏈路產生的輸入中推斷出它們，並將它們包括在下一組輸出的最佳輸出計算中。此閉迴路回饋導致動態調整系統參數，該等系統參數達成與胃腸道中的膠囊系統操作有關的期望的預定義或動態重新定義的結果。
5)能量採集 　　從膠囊外部的源採集電力的目的是為了減緩由電化學電池引入的限制，電化學電池通常用於為電子膠囊供電。這些限制包括膠囊系統的尺寸、重量、生物相容性、壽命和應用特定能力，並且它們一起可能顯著地限制習用膠囊的臨床有用性。
功率採集可用以為電池充電。目前的電池諸如氧化銀電池需要很長的充電時間。然而，諸如具有有機接觸的電池的新突破具有更快的充電時間(大約幾秒)，因為它們不含有害的重金屬而是環境友善，且能以小尺寸製造。其他突破包括鋰硫(Li-S)電池，據報告其電池容量比現有電池高3-5倍。這會允許實施新特徵、及/或改善系統的目前功能，例如更高的框率，其導致影響影像品質，以及在推進期間更大的彈性和轉矩。
對於固定的期望壽命，為電池再充電的功率採集允許在膠囊內使用較小容量的電池，從而a)減少膠囊重量，b)減小膠囊尺寸並使其更容易攝取，c)釋放空間以便於其他膠囊組件的物理設計，例如用於無線通訊的天線、致動器、互連等，或c)釋放空間以允許實施附加特徵並包括其他組件，例如，用於藥物釋放應用的儲藥槽(drug reserviors)。替代地，對於固定的電池尺寸/容量而言，採集以對電池再充電可以a)放鬆膠囊系統和例如，成像器、無線收發器等子系統的電氣要求(例如峰值/平均功率消耗)，b)延長裝置的壽命，允許更長的操作，例如，穿過更大部分的胃腸道，或c)允許實施需要額外功率的額外特徵。用於在膠囊系統中達到臨床意義可能是重要的特定特徵是推進，且藉由提供所需的額外功率可使用對電池再充電的功率採集來實現該特徵。
功率採集也可用於消除對電化學電池的需求。利用諸如電容器的臨時儲存機制，連續或定期採集可以類似地a)減少膠囊重量，b)減少膠囊尺寸，c)釋放空間以便於其他組件的物理設計並允許包含額外組件，d)延長系統的操作壽命，膠囊系統的所有關鍵參數。此外，它可以消除許多膠囊系統面臨的主要毒性來源和生物相容性問題。
能量採集主要可以透過環境採集、透過從周圍環境和人體內發電、或透過無線電力傳輸來達成。在沒有外部電源單元的情況下清除能量的能力使環境採集方法對於長期自主操作具有吸引力，然而，利用無線電力傳輸，可以以小的形狀因子更一致且可靠地逹成更高的功率位準。實施無線功率傳輸的技術是透過超音波。對於膠囊應用，超音波供電可以具有許多優點：對於1-10 MHz的頻率範圍(組織中的聲速約為1500 m/s)，在體內行進的超音波的波長為毫米量級，表示音能可以有效地聚焦到特定的膠囊位置。另外，相較於其他技術，人體組織的低衰減(大約1dB/(cm MHz))允許從發射器到接收器的功率鏈路高效能。
圖9示意性地顯示這種方法，其中置於患者902之皮膚上的轉換器或轉換器陣列904將音能906引導到膠囊102，膠囊102可利用其聲波轉換器採集該能量。
藉著在身體裝置的外部包括一或多個超音波轉換器(壓電元件、電容微機械超音波轉換器或其他)，與身體接觸，週期性地/以預定義的時間間隔發射及波束形成超音波，可以達成超音波供電，該等超音波由膠囊內或膠囊上的一或多個超音波轉換器接收。膠囊電路可包括連接到接收轉換器的功率恢復鏈，其對輸入波進行整流和調節，接著將得到的DC能量儲存到諸如電容器或電池的儲存元件上，其可以是用於更高充電速率和容量的鋰離子、氧化鋅、鋰硫、或其他類型。
在膠囊已經包括用於成像/推進的超音波元件的實施例中，相同的元件可以以時間交錯的方式用於無線採集。取決於所需的供電曲線，例如連續供電或電池再充電，交錯可以是短的，例如500 ms成像/推進和500 ms能量採集，或長的，例如1小時成像，1小時再充電。圍繞膠囊的圓形轉換器陣列以及垂直線性陣列的實施可以具有提供相對方位獨立採集能力的額外益處，此為在胃腸道中連續運動的膠囊的基本特徵。
6)光聲或X射線聲學成像 　　除了超音波成像之外，膠囊還能夠執行光聲成像。多個發光二極體(LED)及/或雷射二極體可與纏繞其本體的陣列位於膠囊上。來自LED的光將照亮組織，觸發它進行膨脹及收縮，並最終產生超音波，其會被圓柱陣列所感測。此技術在檢測消化系統的生物化學性質方面是有價值的。例如，因為血管豐富，癌區域發出高光聲信號。因此，光聲和超音波資料都可用來提供消化系統的全面影像。除了光聲成像以外，膠囊還可以用來使用膠囊內的光源進行X射線聲學成像，該光源將X射線波傳輸到介質中，使介質經歷溫度變化並發出壓力波。可以使用在膠囊外面的轉換器檢測這些壓力波並對其進行處理以呈現x射線聲像。
圖10顯示光聲和X射線聲學情況的此一概念。此處，膠囊102包括發射輻射1004的源1002(光學或X射線)。輻射1004在體內的吸收導致聲學信號1006，其由轉換器1008(圓柱形)和1010(線性)接收以根據所採用的源類型提供光聲成像或x射線。
7)更多選項及變化 　　膠囊102亦可利用各種其他功能來增強。圖11大致顯示這種想法，其中模組1102被加到膠囊102。模組1102的一個選項是治療模組，其可以被配置用以提供諸如高強度聚焦超音波和藥物輸送的治療。膠囊上的超音波轉換器可以透過CW波激發，以在期望的位置提供HIFU(高強度聚焦超音波)。可以使用推進技術(如上所述)將轉換器定位在某個位置，使得HIFU被應用於感興趣的區域。此外，一旦在胃腸道中檢測到癌症病變，閉迴路回饋可用於觸發HIFU。在HIFU期間，可以使用相同的陣列或不同的陣列進行成像，以確保正確實實HIFU。此外，膠囊還可以在癌症區域遞送藥物。藥物可以放置在膠囊內的儲存器內，而且一旦檢測到癌症/病變就釋放。超音波陣列可用於利用空化及/或輻射力促進藥物的釋放。
模組1102的另一選擇是感測器/取樣模組，其能夠具有如下功能：流體取樣、組織取樣及周圍環境感測。除了超音波成像之外，膠囊還可以透過將其他感測器(例如pH感測器、化學氣體感測器及壓力感測器)整合在膠囊內或膠囊表面而作為化學實驗室運作。同時，MEMS微電機亦可整合在膠囊中以控制MEMS窗及尖端運動，從而可以獲取來自患者胃腸道的生物樣本(組織樣本或液體樣本)並保持在膠囊內。這些樣本可用於未來的分析。
102‧‧‧膠囊
104‧‧‧胃腸道
106‧‧‧聲學視野
108‧‧‧新的視野
110‧‧‧相對位置追蹤子系統
202‧‧‧圓柱形聲波轉換器陣列
204‧‧‧線性聲波轉換器陣列
210‧‧‧成像圓柱形轉換器陣列
212‧‧‧定位圓柱形轉換器陣列
214‧‧‧定位和成像線性轉換器陣列
216‧‧‧定位和成像線性轉換器陣列
310‧‧‧影像平面
320‧‧‧影像平面
402‧‧‧座標軸
404‧‧‧樣本影像
406‧‧‧樣本影像
408‧‧‧樣本影像
410‧‧‧樣本影像
412‧‧‧座標軸
414‧‧‧樣本影像
416‧‧‧樣本影像
418‧‧‧樣本影像
420‧‧‧樣本影像
502‧‧‧解剖標誌
602‧‧‧外部轉換器
604‧‧‧外部轉換器
606‧‧‧外部轉換器
608‧‧‧外部轉換器
612‧‧‧外部轉換器
624‧‧‧外部轉換器
616‧‧‧外部轉換器
618‧‧‧外部轉換器
702‧‧‧聲波轉換器
704‧‧‧被發射的聲輻射
706‧‧‧輻射反作用力
712‧‧‧蠕動
714‧‧‧輻射反應
716‧‧‧淨運動
722‧‧‧輻射反應
724‧‧‧淨運動
802‧‧‧控制器
804‧‧‧輸入方塊
806‧‧‧輸入方塊
808‧‧‧輸出方塊
810‧‧‧輸出方塊
902‧‧‧患者
904‧‧‧轉換器/轉換器陣列
906‧‧‧音能
1002‧‧‧源
1004‧‧‧輻射
1006‧‧‧聲學信號
1008‧‧‧轉換器
1010‧‧‧轉換器
圖1A-B示意性地顯示本發明的一實施例。
圖2A-B顯示示例性膠囊配置。
圖3A-B顯示另外的示例性膠囊配置。
圖3C-D顯示膠囊的視野幾何。
圖4A-B示意性地顯示幾種膠囊運動將如何影響聲像(acoustic images)。
圖5示意性地顯示使用解剖標誌(anatomical landmark)作為位置參考。
圖6A-B顯示示例性定位方法。
圖7A示意性地顯示使用聲輻射反應的膠囊推進。
圖7B-G顯示聲學膠囊推進的示例。
圖8A-B示意性地顯示聲學膠囊內視鏡的示例性通訊及控制。
圖9顯示利用膠囊採集外部提供的音能(acoustic energy)。
圖10顯示膠囊的光聲或X射線聲學成像。
圖11顯示向膠囊增加其他能力。

Claims (17)

  1. 一種設備，包含： 　　膠囊，被配置用以被患者吞嚥； 　　至少一診斷聲波轉換器陣列，設置在該膠囊上並被配置用以在該膠囊被該患者攝取時可操作以提供聲像； 　　相對位置追蹤子系統，被配置用以使用應用於該等聲像的影像處理方法來判定該膠囊從該等聲像的一框到該等聲像的另一框的相對位置及/或方位上的變化。
  2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該影像處理方法選自由以下所組成的群組：局部互相關、散斑追蹤、都普勒估測及橫向振盪方法。
  3. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該膠囊被配置用以在由於該膠囊發射音能而藉由該膠囊上的聲輻射反作用力被攝取的同時被自推進。
  4. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該設備被配置用以從該聲像的二或多個所選擇的框提供合成聲影像重建，該等聲像與來自該等所選框的每一者的該膠囊的相對位置和方位相結合。
  5. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該設備還被配置用以提供絕對位置追蹤。
  6. 如申請專利範圍第5項之設備，其中，該絕對位置追蹤使用一或多個解剖標誌作為位置參考。
  7. 如申請專利範圍第5項之設備，還包括設置在該患者體外的一或多個聲發射器，其中，該絕對位置追蹤包括基於從該膠囊處的該等聲發射器接收的信號判定該膠囊的位置。
  8. 如申請專利範圍第5項之設備，還包括設置在患者體外的一或多個聲接收器，其中，該絕對位置追蹤包括基於從該等聲學接收器處的該膠囊接收的信號判定該膠囊的位置。
  9. 如申請專利範圍第5項之設備，還包括至少一定位聲波轉換器陣列，其設置在該膠囊上且被配置用以在該膠囊被該患者攝取時可操作以提供用於該絕對位置追蹤的資料。
  10. 如申請專利範圍第5項之設備，其中，該至少一診斷聲波轉換器陣列被配置成兩用陣列，其還被配置用以在該膠囊被該患者攝取時可操作以提供用於該絕對位置追蹤的資料。
  11. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該膠囊被配置用以在被能量採集攝取的同時被供電。
  12. 如申請專利範圍第1項之設備，還包括設置在該膠囊上的光源，其中，該至少一診斷聲波轉換器陣列被配置用以透過吸收來自該光源的光來提供產生於該患者中的聲輻射的光聲成像。
  13. 如申請專利範圍第1項之設備，還包括設置在該膠囊上的X射線發射源，其中，至少一診斷聲波轉換器陣列被配置用以透過吸收X射線來提供產生於該患者中的聲輻射的X射線聲成像。
  14. 如申請專利範圍第1項之設備，還包括治療模組，該治療模組設置在該膠囊上且配置用以提供選自由以下所組成的群組的標靶治療：高強度聚焦超音波及藥物遞送。
  15. 如申請專利範圍第1項之設備，還包括感測器/取樣模組，其設置在該膠囊上且被配置用以提供選自由以下所組成的群組的功能：流體取樣、組織取樣及周圍環境感測。
  16. 如申請專利範圍第1項之設備，還包括回饋控制系統，被配置用以控制該膠囊的一或多個操作參數。
  17. 如申請專利範圍第1項之設備，還包括在該膠囊與該患者體外部組件之間的聲學及/或無線電磁雙向通訊鏈路。
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