CN113288014A - 一种胶囊内窥镜系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种胶囊内窥镜系统，包括胶囊内窥镜，以及与之配合使用的可特异性识别胃肠道疾病的靶向探针，其中，胶囊内窥镜包括白光照明模块、紫外光照明模块、近红外光照明模块、图像获取模块、无线图像传输模块、基于深度学习的图像处理及识别模块、胶囊内窥镜体内位置控制模块等；靶向探针可特异性识别并吸附于特定的病变，在胶囊内窥镜特定光源的照射下，将会发出荧光，从而使得特定病变部位明显区别于正常部位，实现靶向成像，进而将现有的基于表面形貌的检测仪器升级为基于荧光的特异性检测仪器，有效解决了目前内窥镜容易漏检一些未在胃肠道表面造成明显形貌变化的疾病的缺陷，为胃肠道疾病提供了特异性检测和特异性治疗的新系统。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种胶囊内窥镜系统。
背景技术
胃肠道疾病早期筛查具有非常重要的意义，早期患者的治疗存活率远高于中晚期患者，有效的进行早期筛查可以大大提高相关疾病的存活率。然而目前，我国胃肠道疾病的早期发现率极低，大多数胃肠道重大疾病患者被确诊时通常已处于患病晚期，直接导致了较高的死亡率。例如胃癌，发病率在我国位居所有恶性肿瘤中的次席，根据相关统计，早期胃癌患者在进行5年的治疗后存活率为84-99%，对于进展期胃癌患者，进行5年的治疗后存活率仅为30-40%，而晚期胃癌，进行5年的治疗后存活率低于24%，然而我国早期胃癌的发现率不到15%。胃肠道疾病的早期发现率偏低除了可部分归因于其在早期时症状十分不明显外，还有一个更为重要的原因，即缺乏能被普遍接受的准确率高的肠道无创检查仪器。
目前，临床上用于胃肠道疾病检查的仪器主要还是基于形貌判断的插入式内窥镜，即通过肉眼对胃肠道组织的形貌进行观察，筛选出疑似病灶，从而实现诊断，同时也可以对可疑病灶进行进一步的体外活检，并且这种方法可以进行相关治疗，例如内镜下激光切除息肉。但是插入式内窥镜仅能以胃肠道表面较明显的形貌变化为依据，难以发现粘膜以下的病变组织和早期肿瘤等微小病灶，容易造成漏诊或误诊。除了常规的插入式内窥镜以外，同为插入式的带导管的检查仪器也可用于胃肠道疾病的检查，例如色素内镜，超声内镜，放大内镜，窄带成像内镜，共聚焦内镜和细胞内镜等。相比传统插入式内窥镜，这些更为先进的内镜可实现胃肠道微小病变的鉴别。但是上述这些插入式的仪器，均不适合患有心脏病，血管疾病，肺功能差，肝脏功能低下，胃穿孔，腐蚀性食管炎，腹膜炎、腹水、严重腹胀，颈椎外伤，脊柱畸形等人群进行使用，会引起部分患者出现严重的并发症。另外，这种侵入式的有创检测，检测过程会给被检查者带来极大的心理不适和生理不适，这也是大多数人只有在胃肠道出现明显不适的时候才会选择进行检查，而日常体检不进行这项检查的原因。
除上述入侵式的有创检测仪器以外，对于胃肠道的检查，还可以通过一系列光学，声学及磁场等非入侵式的方法，例如胃肠道造影检测技术，胃部超声，核磁共振及CT检测法。其中胃肠道造影检测技术，核磁共振及CT检测法可以检测较大的胃肠道病变，对于尺寸较小的病变则无法准确检测，具有一定的局限性。而由于胃部是一个空腔，内部存在很多气泡等物质，将会影响超声的检查结果。明显的，这些方法虽然应用面广，但是对胃肠道而言，不是一个很好的选择，无法成为常规的胃肠道检测方法。
新兴的胶囊式内窥镜也可用于胃肠道疾病的检查，并且指令和图像数据都通过无线通讯的方式进行传输，检查胃肠道时不再需要拖着导管，即可以在不给病人带来痛苦的情况下完成检查。被检查者服下胶囊内窥镜后，检查开始，随着胶囊内窥镜耗尽电量，则检查结束。由于胶囊内窥镜为一次性使用，所以不会带来交叉感染，是胃肠道疾病无创检测技术的重大进展。但是由于小型电池的电量限制，胶囊内窥镜在被排出之前已经耗尽电量，无法检查完整的消化道。同时，胶囊内窥镜无法摆脱插入式内窥镜“唯形貌论”的弊端，无法诊断未在胃肠道表层造成明显形貌变化的病变的弊端，同时难以发现胃肠道褶皱及坍塌处的病变，且无法和活检配合，容易造成漏诊或误诊。同时现有的商用胶囊式内窥镜不具备治疗功能，具备治疗功能的大都集中在通过胶囊式内窥镜进行体内药物释放，即当胶囊式内窥镜进入体内后，通过对其施加一定的刺激，使得其释放储存在其中的药物，而这并不能解决当前的主要问题。
因此，目前仍不存在胃肠道病变早期筛查的理想仪器。针对这种现状，有必要提供一种适用于大众群体并能被广泛接受的无创胃肠道疾病筛查与诊断仪器，无论胃肠道病变是否带来胃肠道表面的形貌变化，都可以在无创，不给病人带来痛苦的前提下，对胃肠道病变进行特异性靶向精准检测与诊断，同时有一定的治疗功能，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种胶囊内窥镜系统，其可以对胃肠道疾病进行高准确性的无创检查。
本发明的再一目的在于：本发明一种胶囊内窥镜系统的使用方法。
本发明目的通过下述方案实现，一种胶囊内窥镜系统，包括胶囊内窥镜部分，以及与之配合使用的可特异性识别胃肠道疾病的靶向探针，其中，所述的胶囊内窥镜部分至少包括白光照明模块、紫外光照明模块、近红外光照明模块、图像获取模块、无线图像传输模块、基于深度学习的图像处理及识别模块、电源模块、胶囊内窥镜体内位置控制模块、信号处理模块和无线通信模块；
所述靶向探针可特异性识别胃肠道疾病，至少包含各种可以靶向吸附于特定病变的物质中的一种，例如在癌变组织中高度表达的基因所对应的蛋白质所对应的抗体；
胶囊内窥镜部分由电源模块供电，将图像获取模块获取的图像由信号处理模块进行处理，通过无线通信模块将图像信号传输给基于深度学习的图像处理及识别模块进行识别、分析。
在上述方案基础上，所述靶向探针可以和分子造影剂进行偶联，当分子造影剂与靶向探针偶联，作为检测仪使用，一同吸附到特定病变部位后，在胶囊内窥镜特定光源的激发下，会使得病变部位产生荧光，从而区别于正常部位以及其余类型病变，实现靶向成像，通过胶囊内窥镜的图像获取模块获取图像并传到体外。方便医师通过图像判断是否存在该种特定病变，从而将现有的基于表面形貌的检测仪器升级为基于荧光的特异性检测仪器，大大提高了胃肠道病变检测的准确性，为胃肠道疾病提供了特异性检查的新方法。或者，
在上述方案基础上，所述靶向探针可以和吸光产热物质进行偶联，当吸光产热物质与靶向探针偶联，作为治疗仪使用，一同吸附到特定病变部位后，在胶囊内窥镜特定光源的照射下，吸光产热物质吸收光随后将其转化成热能，使得病变部位产生局部高温，可将局部病变组织杀死，实现针对特定病变的靶向光热消融。为胃肠道疾病患者采用本发明系统进行特异性治疗提供可行的方法。或者，
在上述方案基础上，所述靶向探针中，可以靶向吸附于特定病变的物质为在癌变组织中高度表达的基因所对应的蛋白质的抗体。
进一步的，针对不同的病变，可制备与之对应的特定靶向探针，从而探针可以特异性的靶向识别其对应的特定病变。针对不同的病变，可制备与之对应的特定靶向探针，从而探针可以特异性的靶向识别其对应的特定病变，例如幽门螺旋杆菌，癌前病变，早期肿瘤等。
在上述方案基础上，所述紫外光照明模块，搭载在胶囊内窥镜上，对特定病变进行照射，例如慢性萎缩性胃炎、肠腺化生、不典型增生等，通过胶囊内窥镜的图像获取模块，可获得病变局部的自身荧光图像，相关图像传到体外。可便于医生对相关病变进行判断，相对于可见光照明，可提高胶囊内窥镜检测此类特定病变的准确性。
在上述方案基础上，所述近外光照明模块，搭载在胶囊内窥镜上，用于配合靶向探针进行特异性靶向诊断及治疗，例如激发分子造影剂，使其发出荧光，以及给吸光产热物质提供光源，使其发出热量。近外光照明模块可大大提高对特定病变检测的准确性。
在上述方案基础上，所述基于深度学习的图像处理及识别模块，除了可以处理识别常规的胃肠道图像以外，还可对胃肠道荧光图像进行处理识别，还具有多种训练模型，以配合不同的特异性靶向探针，对特定病变的荧光图像进行特异性的识别，改进了目前基于胶囊内窥镜的图像处理识别算法仅能识别常规光学图像的现状，从而提升相关特定病变检测的准确性。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的胶囊内窥镜系统，除了具有常规胶囊内窥镜系统的功能外，通过将胶囊内窥镜与靶向探针联用，在特定光源配合下，可以使得病灶区域更加具有辨识度，并且能精确特异性判断是何种病变，从而将现有的基于表面形貌的检测仪器升级为基于荧光的特异性检测仪器，为胃肠道疾病提供了特异性检查的新方法，有效提高了胃肠道疾病的发现率。同时可以对特定病变部位进行局部光热消融治疗，解决了现有胶囊内窥镜无法进行治疗的问题，为胃肠道疾病提供了特异性治疗的新仪器，有效提高了胶囊内窥镜的应用范围。
附图说明
图1 本发明的胶囊内窥镜系统的一种探针组成示意图；
图2 本发明的胶囊内窥镜系统的胶囊内窥镜组成示意图；
图3 本发明的胶囊内窥镜系统的基于深度学习的图像处理及识别模块组成示意图；
图4 本发明的胶囊内窥镜系统作为检测仪常规检测流程图；
图5 本发明的胶囊内窥镜系统作为检测仪特异性检测流程图；
图6 本发明的胶囊内窥镜系统作为治疗仪特异性治疗操作流程图；
图中标号说明：
1——靶向探针；
2——胶囊内窥镜；
201——胶囊状封装外壳；
202——白光照明模块；203——紫外光照明模块；204——近红外光照明模块；205——图像获取模块；206——电源模块；207——无线图像传输模块；
208——信号处理模块；209——胶囊内窥镜位置控制模块；
无线通信模块210；
3——基于深度学习的图像处理及识别模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参照图1-图3所示，本发明提供了一种胶囊内窥镜系统，包括可特异性识别胃肠道疾病的靶向探针1，基于深度学习的图像处理及识别模块3，胶囊状封装外壳201，以及置于其中的白光照明模块202、紫外光照明模块203、近红外光照明模块204、图像获取模块205、电源模块206、无线图像传输模块207、信号处理模块208、胶囊内窥镜位置控制模块209和无线通信模块210。
靶向探针1，可针对不同的病变进行针对性的选择及制备，从而探针可以特异性的靶向吸附于一种特定的病变。例如：选择在癌前病变组织中高表达的基因AF054162、AF054163和/或AF054164对应的蛋白的抗体，用于特异性识别癌前病变如慢性萎缩性胃炎、肠腺化生、不典型增生；选择尿素酶抗体、CagA抗体作为靶向幽门螺旋杆菌的抗体；选择BRCAA1抗体、HAI-178人源性抗体、PLCe1抗体和/或胃泌素G-17抗体，来发现早期胃癌；选择CD44-V6抗体，来发现胃癌干细胞。
通过将上述的探针和分子造影剂，可以是近红外荧光探针，进行偶联，从而近红外荧光探针随着探针一同靶向吸附到特定病变部位，此时在胶囊窥镜近红外光源的照射下，近红外荧光探针会发出荧光，从而使得特定病变部位明显区别于正常部位以及其余类型病变，通过胶囊内窥镜将相关图片无线传输至体外后，通过分析图片便可判断是否存在该种特定病变。
而通过将上述探针和吸光产热物质，可以是金纳米星，进行偶联，从而金纳米星随着探针一同靶向吸附到特定病变部位，此时在胶囊窥镜近红外光源的照射下，金纳米星会吸光产热，从而使得特定病变部位产生局部高温进而被杀灭，实现靶向光热消融治疗。
白光照明模块202，发出的光为可见光，方向同镜头方向，可见光波长范围为380nm-780nm，优选为380nm，用于照射胃肠道内外观特征明显，容易辨别的常规病变，如癌前病变胃溃疡、胃息肉等，这类病变获取常规图像即可识别。
紫外光照明模块203，发出的光为紫外光，方向同镜头方向，紫外光波长范围为10nm-380nm，优选为230nm，用于照射一些在紫外光照射下会产生自身荧光图像的病变，例如癌前病变慢性萎缩性胃炎、肠腺化生、不典型增生等，这类病变可通过自身荧光图像进行识别判断。
近红外光照明模块204，发出的光为近红外光，方向同镜头方向，近红外光波长范围为780nm-2526nm，优选为780nm，这个波段的近红外光避开了多数内源性物质如有氧血红蛋白，去氧血红蛋白，水等的主要吸收区因而在生物组织内的穿透深度较大，可达10cm，并且此波段荧光受生物组织本底的影响较少。 所述近红外光照明模块需搭配靶向探针进行使用，主要用于激发近红外荧光探针发光，以及激发金纳米星发热。
基于深度学习的图像处理及识别模块3，可以基于多种外设，例如台式电脑，笔记本电脑，平板电脑和手机等，本实施例选择台式电脑，其包括了存储、显示功能，并且具备多种基于深度学习的图像处理模型，除了可以自动识别常规的胃肠道图片以外，还可以针对性的配合不同的特异性靶向探针，对特定病变的荧光图像进行特异性的处理识别，以自动分析胃肠道病变情况。
胶囊状封装外壳201，采用生物相容性的材料，用于将胶囊内窥镜的所有部分都紧密封装于内。
图像获取模块205、包括图像传感器和微型镜头，主要用于获取胃肠道在不同光源照射下的图像，包括常规图像和荧光图像，以及为光源提供方向指引。
无线图像传输模块207、主要用于将图像获取模块获取的图像无线传输至体外，供医师参考，以及供基于深度学习的图像处理及识别模块进行主动分析识别。
电源模块206、主要用于给胶囊内窥镜提供电源，可以是电池，也可以是基于电磁谐振感应耦合原理的无线线圈供电。
胶囊内窥镜体内位置控制模块209，可以是胶囊内窥镜进行自主机械式的运动，也可以是胶囊内窥镜被外界操纵的被动式运动例如通过磁控的方式对胶囊内窥镜进行控制，优选为通过磁控的方式，即胶囊内窥镜内含有小型永磁体，外部有被检查者平躺支撑台，以及用于控制胶囊内窥镜里的小型永磁体的外部磁控系统，可为大型永磁体，也可为电磁场。位置控制模块主要用于辅助胶囊内窥镜运动及控制胶囊内窥镜在肠胃道内的方位，以便进行定点成像，定点光热消融治疗。
信号处理模块208，主要是胶囊内窥镜内的 MCU，用于根据预先的设定要求以及额外新增的命令要求，控制胶囊内窥镜其余模块的工作状态。
无线通信模块210，主要用于和外界通信，以便外界控制各个光源及图像获取模块的开启与关闭。
以下将详细描述，基于本实施例的胶囊内窥镜系统对被检查者进行胃肠道疾病诊断及治疗的其中三种流程。
其中，常规检查流程图如图4所示。被检查者服下胶囊内窥镜，胶囊内窥镜随着胃肠道的蠕动，在位置控制模块的辅助操控下，开启白光模块，对胃肠道的常规图像进行采集。医师和基于深度学习的图像处理及识别模块对无线传输出来的图像分别进行识别，当医师发现图像存在疑似病变时，或者图像处理及识别模块自动识别到存在疑似病变时，并通过预设的程序向医师发出提示时，医师可通过位置控制模块使得胶囊在特定部位停留，并采集更多的图像，或根据需要，将白光转换为紫外光进行更多图像更多信息的获取，更全面完善的对疑似病变部位进行全面分析。检测结束后，重新转为只开启白光照明模块，胶囊内窥镜继续随着胃肠道蠕动而运动，继续对胃肠道进行检测，当被检查者将胶囊排出体外后，检测结束。
特异性检查流程图如图5所示，当需要针对某种特定的病变进行检查时，被检查者首先服下针对这种特定病变的靶向探针，探针偶联有近红外荧光探针，间隔一段时间后服下胶囊内窥镜，胶囊内窥镜随着胃肠道的蠕动，并在位置控制模块的辅助操控下，对胃肠道的图像进行采集，此时不需要开启白光照明模块与紫外光照明模块，只需开启近红外光照明模块。医师可根据回传的图像是否存在荧光而判断是否存在着这种病变，并记录下病变所在的位置。而针对这种检测模式训练出来的基于深度学习的图像处理及识别模块，也将会自动对传回的图像进行分析检测，当捕捉到荧光信号时，通过预设的程序，将会发出提示，确定被检查者胃肠道内存在该种病变，并记录此时胶囊内窥镜所处的位置即病变所在的位置。随后胶囊内窥镜继续随着胃肠道蠕动而运动，继续对胃肠道进行检测。当全程传回的图像都无荧光信号时，则基本可以说明胃肠道内不存在这种病变，当被检查者将胶囊排出体外后，检测结束。
特异性治疗的操作流程图如图6所示，当需要针对某种特定的病变进行诊断检测并治疗时，被检查者首先服下针对这种特定病变的靶向探针，探针偶联有近红外荧光探针，以及金纳米星，间隔一段时间后服下胶囊内窥镜，胶囊内窥镜随着胃肠道的蠕动，在位置控制模块的辅助操控下，对胃肠道的图像进行采集，此时只开启近红外光照明模块。医师可根据回传的图像是否存在荧光而判断是否存在着这种病变，并且在发现荧光图像时，操作位置控制模块，使得胶囊内窥镜的近红外光始终对着病变部位，从而使得金纳米星不断吸光产热，进而杀灭探针所标记的局部病变组织，实现针对特定病变的靶向光热消融治疗。同时，针对这种检测模式训练出来的基于深度学习的图像处理及识别模块，将会自动对传回的图像进行分析检测，当捕捉到荧光信号时，通过预设的程序，将会向医师发出提示，辅助医生进行检查。随后胶囊内窥镜继续随着胃肠道蠕动而运动，继续对胃肠道进行检测，当被检查者将胶囊排出体外后，检测结束。
以上所述仅为本发明的一个具体实施例，不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种胶囊内窥镜系统，包括胶囊内窥镜部分，其特征在于，还包括与胶囊内窥镜部分配合使用的可特异性识别胃肠道疾病的靶向探针；
所述胶囊内窥镜部分包括白光照明模块、紫外光照明模块、近红外光照明模块、图像获取模块、无线图像传输模块、电源模块、基于深度学习的图像处理及识别模块、胶囊内窥镜体内位置控制模块、信号处理模块和无线通信模块；
所述可特异性识别胃肠道疾病的靶向探针，至少包含各种可以靶向吸附于特定病变的物质中的一种；
将图像获取模块获取的图像由信号处理模块进行处理，通过无线通信模块将图像信号传输给基于深度学习的图像处理及识别模块进行识别、分析。
2.根据权利要求1所述胶囊内窥镜系统，其特征在于所述靶向探针和分子造影剂进行偶联，当分子造影剂与靶向探针偶联，并一同吸附到特定病变部位后，在胶囊内窥镜特定光源的激发下，会使得病变部位产生荧光，从而区别于正常部位以及其余类型病变，实现靶向成像，通过胶囊内窥镜的图像获取模块获取图像并传到体外。
3.根据权利要求1所述胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述靶向探针和吸光产热物质进行偶联，当吸光产热物质与靶向探针偶联，并一同吸附到特定病变部位后，在胶囊内窥镜特定光源的照射下，吸光产热物质吸收光随后将其转化成热能，使得病变部位产生局部高温，实现针对特定病变的靶向光热消融。
4.根据权利要求1至3任一项所述胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述靶向探针中，包含可以靶向吸附于特定病变的物质为在癌变组织中高度表达的基因所对应的蛋白质的抗体，包括：在癌前病变组织中高表达的基因AF054162、AF054163和/或AF054164对应的蛋白的抗体；尿素酶抗体、CagA抗体作为靶向幽门螺旋杆菌的抗体；BRCAA1抗体、HAI-178人源性抗体、PLCe1抗体和/或胃泌素G-17抗体，来发现早期胃癌；CD44-V6抗体，来发现胃癌干细胞。
5.根据权利要求4所述胶囊内窥镜系统，其特征在于针对不同的病变，制备与之对应的特定靶向探针，从而靶向探针可以特异性的靶向识别其对应的特定病变。
6.根据权利要求1所述胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述紫外光照明模块，搭载在胶囊内窥镜上，对特定病变进行照射，通过胶囊内窥镜的图像获取模块，可获得病变局部的自身荧光图像，相关图像传到体外。
7.根据权利要求1所述胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述近外光照明模块，搭载在胶囊内窥镜上，用于配合靶向探针进行特异性靶向诊断及治疗，激发分子造影剂，使其发出荧光，以及给吸光产热物质提供光源，使其发出热量。
8.根据权利要求1所述胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述的胶囊内窥镜部分分为可进入体内的胶囊内窥镜和体外的由CPU控制的基于深度学习的图像处理及识别模块。
9.根据权利要求1或8所述胶囊内窥镜系统，其特征在于，可进入体内的胶囊内窥镜由生物相容性的胶囊状封装外壳封装，其内由白光照明模块、紫外光照明模块、近红外光照明模块、图像获取模块、无线图像传输模块、电源模块、信号处理模块、胶囊内窥镜位置控制模块和无线通信模块组成。
10.根据权利要求1或8所述胶囊内窥镜系统，其特征在于，所述基于深度学习的图像处理及识别模块，设在体外，由CPU控制，对图像进行存储、调用和分析，除了处理识别常规的胃肠道图像以外，还对胃肠道荧光图像进行处理识别，具有多种训练模型，以配合不同的特异性靶向探针，对特定病变的荧光图像进行特异性的识别。
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