БЕСПРОВОДНАЯ ЭНДОСКОПИЧЕСКАЯ КАПСУЛА

Полезная модель относится к области медицины, а именно к эндоскопическим капсулам.
Капсульная эндоскопия это исследование, с помощью капсулы, которая проглатывается с небольшим количеством воды и сразу же начинает сканировать и передавать изображение пищеварительной системы, по мере своего продвижения в ней.
Как известно, эндоскопическое обследование пищевода и желудка фиброгастродуоденоскопия - очень неприятная медицинская процедура. Высокотехнологичные фирмы придумали заменить ее капсульной эндоскопией.
Чаще всего эндоскопическая капсула представляет собой миниатюрное проглатываемое устройство, проводящее съемку внутренностей человека, она одноразовая и при выходе из организма не требует дополнительных мер по утилизации.
Таким образом, в настоящее время актуальной является задача разработка и создание систем обеспечения возможности передачи капсулой данных в реальном времени.
Одним из вариантов передачи данных капсулой, находящейся в организме человека является использование радиосигналов. В данном случае на пациента, перед проглатыванием капсулы надевается специальная одежда, чаще всего жилет, содержащий множество приемных датчиков (см. например CN 201529152 U - жилет для капсульной эндоскопии), а сама капсула оснащается передающей антенной.
Основными частотами, которые используются при таком подходе к решению задачи, являются частоты 433.075-434.750 МГц, 446.00625-446.09375 МГц, 868,7-869,2 МГц, а также частоты 2,4 ГГц, так как данные частоты являются не лицензируемыми. Наибольшее распространение в капсульной эндоскопии получили частоты ~400 МГц и ~2,4 ГГц.
Как известно из уровня техники (см. например "Рассеяние и поглощение электромагнитных волн неоднородными сферическими телами", Панченко Б. А., [Издательство «Радиотехника»] ISBN 978-5-880070-318-0) использование диапазона 400 МГц обеспечит хорошее прохождение сигнала через человеческое тело - диэлектрик. В то же время, использование этого диапазона потребует существенного увеличения размеров передающей антенны капсулы, как следствие увеличение размеров самой капсулы.
Использование диапазона 2,4 ГГц позволит (см. например "Рассеяние и поглощение электромагнитных волн неоднородными сферическими телами", Панченко Б.А., [Издательство «Радиотехника»] ISBN 978-5-880070-318-0) применять крайне малые по размеру антенны, но в то же время такие частоты затрудняют прием сигнала, после прохождения через человеческое тело - диэлектрик.
Решая задачу минимизации размеров капсулы, был сделан выбор в пользу диапазона 2,4 ГГц. Рассмотрим основные аналоги в данном диапазоне.
Основным аналогом является капсула ОМОМ, китайского производителя CHONGQING JINSHAN SCIENCE & TECHNOLOGY (GROUP) CO., LTD, см. например http://www.infomed.com.ru/meditsinskoe-oborudovanie/product/view/40/45. Данная технология является запатентованной (см. например EA 200601629 A1, опубл. 27.04.2007) и принимается за прототип.
Капсула ОМОМ включает в себя корпус с прозрачной передней крышкой, формирователь изображения, микроконтроллер и модуль радиочастотного трансивера с приемо-передающей антенной. Также капсула ОМОМ содержит микропроцессор, преобразователь информации с формирователя изображения для их сжатия и компактной передачи, а также опционально другие элементы. В качестве приемо-передающей антенны используется четвертьволновой несимметричный вибратор.
В то же время стоит отметить расположение приемо-передающей антенны в прототипе - антенна расположена параллельно плате с передатчиком и перпендикулярно главной оси капсулы. Как известно из уровня техники (см. например Н.М. Изюмов, Д.П. Линде, "ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ" М., Л.; "ЭНЕРГИЯ", 1965 г.), диаграмма направленности четвертьволнового несимметричного вибратора имеет форму тора, перпендикулярного плоскости печатной платы. Таким образом, при расположении такой антенны параллельно плате с передатчиком и перпендикулярно главной оси капсулы, диаграмма направленности такой антенны получается «рваной» и имеет впереди антенны (см. Фиг. 1a) зону плохого сигнала. Это в свою очередь приводит к необходимости увеличения количества надеваемых на человека датчиков при проведении исследований.
В настоящей полезной модели решается задача уменьшения областей плохого сигнала, улучшения приема и передачи сигнала.
Технический результат, обеспечиваемый настоящей полезной моделью, заключается в улучшении приемо-передающих свойств капсулы.
Техническая задача решается, а результат достигается тем, что беспроводная эндоскопическая капсула включает в себя:
- корпус с прозрачной передней крышкой,
- формирователь изображения,
- микроконтроллер,
- модуль радиочастотного передатчика с приемо-передающей антенной,
- аккумулятор,
при этом приемо-передающая антенна представляет собой четвертьволновой несимметричный вибратор, ориентированный перпендикулярно поверхности передатчика и параллельно главной оси капсулы.
Дополнительно можно отметить, что:
Формирователь изображения может представлять собой CMOS или CCD матрицу, оснащенную объективом.
Объектив может представлять собой, по меньшей мере, одну линзу или систему линз.
Капсула может дополнительно содержать светодиод.
Капсула может дополнительно содержать память.
Память может быть выполнена энергонезависимой.
Как будет показано в дальнейшем описании при помощи примеров реализации и теоретических доказательств, именно использование четвертьволнового несимметричного вибратора, ориентированного перпендикулярно передатчику и параллельно главной оси капсулы, позволяет достичь лучшего соотношения сигнал/шум на требуемой частоте 2,4-2,5 ГГц, при этом максимально уменьшив количество «разрывов» в диаграмме направленности антенны. Таким образом, именно благодаря такому расположению антенны достигается заявленный технический результат - улучшение приемо-передающих свойств капсулы.
Заявленная полезная модель поясняется чертежами.
Фиг. 1а - приемо-передающая антенна основного прототипа и ее диаграмма направленности в схематичном виде.
Фиг. 1б - внешний вид приемо-передающей антенны основного прототипа.
Фиг. 2 - схематичное изображение заявленной капсулы.
Фиг. 3а - приемо-передающая антенна заявленной капсулы и ее диаграмма направленности в схематичном виде.
Фиг. 3б - внешний вид приемо-передающей антенны заявленной капсулы.
Здесь цифрами обозначены следующие элементы:
1 - корпус
2 - прозрачная крышка на корпусе
3 - матрица формирователя изображения
4 - формирователь изображения
5 - микроконтроллер
6 - преобразователь
7 - приемо-передатчик
8 - антенна
9 - диэлектрическая подложка антенны
10 - проводник
11 - аккумулятор
Рассмотрим предпочтительный вариант реализации настоящей полезной модели. При рассмотрении данного варианта реализации для специалиста будут также ясны преимущества настоящей полезной модели, а также возможность достижения при реализации настоящей полезной модели заявленного технического результата.
В предпочтительном варианте реализации капсула представляет собой цилиндр из биоразлагаемого материала, конца которого имеют закругленную форму (см. Фиг. 2). Капсула является одноразовой и не требует дополнительных мер по утилизации при выходе из организма.
Корпус (1) капсулы в предпочтительном выполнен из биоразлагаемого материала. На одном из концов (далее для удобства будем называть его передним концом) выполнена крышка (2) в форме половинки шара. Крышка (2) выполнена из прозрачного материала, она обеспечивает обзор для формирователя изображения (4).
Под крышкой (2) в предпочтительном варианте реализации расположена матрица формирователя изображения (3), связанная с формирователем изображения (4). В предпочтительном варианте матрица (3) представляет собой CMOS матрицу. В другом варианте реализации матрица (3) представляет собой CCD матрицу. В других вариантах возможны другие выполнения формирователя изображения (4) и использование других элементов.
В предпочтительном варианте реализации разрешение формирователя изображения (камеры в рассматриваемом варианте) составляет от 160×120 (2 кадра в секунду) пикселов до 200×200 пикселов (1 кадр в секунду), частота передачи 403-405 МГц, скорость передачи данных до 500 кБит/секунд.
Формирователь изображения (4) в предпочтительном варианте содержит светодиоды. Светодиоды используются в качестве вспышки в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) или внутри других исследуемых органов. Светодиоды могут иметь разные цвета (красный - для выявления кровотечений, синий - для подсветки венозной сетки ЖКТ, белый - для поиска других заболеваний). Таким образом, цвет светодиода может быть выбран в зависимости от решаемой задачи и планируемого исследования.
Формирователь изображения (4) соединен с микроконтроллером (5), который в рассматриваемом предпочтительном варианте реализации представляет собой микропроцессор. Микроконтроллер (5) управляет всей системой (осуществляет считывание кадра с формирователя изображения, передачу изображения на преобразователь, отвечает за включение вспышки, выполняет другие функции).
Преобразователь (6), связанный с микроконтроллером (5) выполняет функцию сжатия изображения, полученного через микроконтроллер (5) с формирователя изображения (4) и передачу данных на приемо-передатчик. В предпочтительном варианте реализации сжатие производится по алгоритму JPEG или любому другому алгоритму, в зависимости от стоящей задачи, а также доступности алгоритмов для коммерческого использования и не нарушения существующих патентных прав на известные алгоритмы. Также в предпочтительном варианте реализации преобразователь (6) подготавливает пакет для передачи на приемо-передатчик для удобства и ускорения работы.
Приемо-передатчик (7) получает в предпочтительном варианте реализации пакет с данными и при помощи антенны (8) передает их. Стоит отметить, что антенна (8) закрыта частью корпуса (1), которая выполнена в виде половинки шара для плавности и безопасности движения по организму.
Аккумулятор (11) обеспечивает энергией все элементы капсулы. В предпочтительном варианте реализации аккумулятор (11) выполнен подзаряжаемым. В одном варианте это литий-ионные батареи. В других вариантах возможно использование других типов батарей.
На Фиг. 3а представлен более подробный вид антенны (8) и приемо-передатчика (7). Антенна (8) в предпочтительном варианте реализации представляет собой подложку антенны (9) с нанесенным на нее слоем проводника (10). Антенна представляет собой хорошо известный четвертьволновой несимметричный вибратор (см. например Н.М. Изюмов, Д.П. Линде, "ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ" М., Л.; "ЭНЕРГИЯ", 1965 г.). Все размеры слоя проводника (10) были получены путем теоретических расчетов и экспериментальных исследований с целью получения наилучшего соотношения сигнал/шум и коэффициента усиления в диапазоне 2,4-2,5 ГГц. Наиболее важной в данном случае является ориентация антенны (8) - антенна (8) расположена перпендикулярно приемо-передатчику (7) и параллельно главной оси капсулы (главная ось отмечена на Фиг. 2).
Путем теоретических расчетов и компьютерного моделирования была получена диаграмма направленности антенны, расположенной таким образом (см. например Разработка и моделирование работы антенны эндоскопической капсулы диапазона 2,4 ГГц, Аверин А.В., Улейкин Е.Ю., Холявин В.Б., Научно-технический журнал «Спецтехника и связь» №3 май-июнь 2014. Москва, 2014. С 48-51.). Схематичный вид диаграммы направленности с привязкой к капсуле представлен на Фиг. 3а (второй рисунок). Таким образом, из рисунка Фиг. 3а для специалиста будет очевидно, что такая антенна будет иметь меньше «разрывов» в диаграмме направленности, как следствие будет обладать лучшими приемо-передающими характеристиками. Дополнительно стоит отметить, что улучшение приемо-передающих характеристик антенны капсулы позволяет также снизить количество приемо-передатчиков, устанавливаемых на теле исследуемого человека.
На Фиг. 3б представлен общий вид антенны (8) в сборе. Данный рисунок приведен для наглядности и упрощения понимания сущности заявленного решения.
Отдельно стоит рассмотреть возможность создания и реализации всего внешнего оборудования для проведения исследований с применением заявленной капсулы. При этом необходимо учесть, что заявитель не испрашивает правовой охраны на все, далее описанное внешнее оборудование, и дальнейшее описание приведено лишь для упрощения понимая сути заявленного решения, а также подтверждения возможности его использования для исследований в составе медицинских комплексов.
Внешнее оборудование для исследований с применением настоящей капсулы в первую очередь включает в себя набор приемо-передатчиков, призванных принимать данные с капсулы и передавать при необходимости на капсулу управляющие команды.
Данные приемо-передатчики могут быть выполнены в виде жилета или иной специальной одежды, содержащей миниатюрные приемо-передатчики. Проведенные опытно-конструкторские работы по разработке подобных приемо-передатчиков показали, что для этих целей лучше всего подход патч-антенна (см. например https://ru.wikipedia.org/wiki/Патч-антенна).
Данный жилет или иная одежда с приемо-передатчиками может обладать одним приемопередатчиком средне-дальнего действия, а также энергонезависимой памятью. Таким образом, возможно обеспечить сохранения данных, полученных с капсулы и передачу этих данных на компьютер врача-специалиста или в социальную сеть врачей или в облачное хранилище для обработки. Этим обеспечивается возможность проведения медицинских исследований без привязки к медицинскому центру - человек, проглотив капсулу, может заниматься своими делами.
Возможно также, в одном из вариантов реализации внешнего оборудования, использование портативного считывателя информации.
В состав портативного считывателя входят: микроконтроллер - для управления системой, антенна, аккумулятор, MicroSD карта - для сохранения изображений, источник питания и память с внешним интерфейсом. Портативный считыватель используется для записи исследований.
Считыватель, как и капсула, является автономными устройствами, на них установлены аккумуляторы, позволяющие функционировать устройствам без подключения к питанию на протяжении всей процедуры проведения исследований.
Считыватель постоянно принимает от капсулы радиосигнал с изображением и записывает изображения на SD карту. При подключении к компьютеру, аккумулятор начинает заряжаться (посредством схемы заряда).
Во избежание проблем на корпусе считывателя нет ни одной кнопки (кроме спрятанной в отверстии кнопки сброса, которую можно нажать только иглой или булавкой), то есть пациент не сможет случайно нарушить функционирование устройства. Включение устройства происходит при подключении к USB компьютера. После этого врач может считать изображения или запустить процедуру записи изображений с капсулы.
Программное обеспечение считывает весь набор изображений и позволяет врачу просмотреть исследование в режиме видеозаписи. Также имеет средства полуавтоматического анализа.
Программное обеспечение позволяет также:
- обеспечить процессы настройки капсулы перед исследованием, копирование исследования со считывателя на ПК, анализ исследования,
- включать встроенный проигрыватель видео файлов, создаваемых капсулой,
- адаптировать скорость воспроизведения к интенсивности изменений картинки - чем больше изменений происходит между кадрами, тем медленнее проигрывается ролик в этом месте,
- анализировать полученные снимки в автоматизированном режиме для выявления подозрительных симптомов (кровотечения, опухоли и т.д.).
- генерировать отчеты,
- отправлять снимки в социальную сеть врачей-эндоскопистов (с тегами - заболевание, пол, возраст и т.д.),
- просматривать снимки из социальных сетей, осуществлять поиск.
Таким образом, для специалиста будет очевидна возможность реализации внешнего оборудования для использования настоящей полезной модели в медицинских комплексах для исследования.
В целом, настоящая полезная модель может применяться в составе эндоскопических медицинских комплексов для следующих типов исследований:
Скрининговое исследование - когда нет явных показаний к проведению гастроскопии, однако пациент хочет убедиться в отсутствии заболеваний, не проявляющихся симптоматически. В этом случае сложные и болезненные процедуры гастро- и колоноскопии могут быть заменены комфортным капсульным исследованием.
Целевое исследование - когда есть жалобы и подозрения на заболевание ЖКТ. В этом случае капсульное исследование может быть рекомендовано как целенаправленная замена гастро- и колоноскопии. При этом если результаты капсульного исследования будут сочтены врачом удовлетворительными, лечение может быть назначено без дополнительных процедур. Важный частный случай - это когда пациенту в силу общего состояния противопоказаны гастро- и колоноскопия. В этом случае, капсульное исследование заменяет немедленное хирургическое вмешательство.
Комплексное исследование. На существующем уровне технологий широко распространены такие средства ранней диагностики онкологических заболеваний, как флуоресцентные агенты. Эти агенты, взаимодействуя с клетками опухоли, в силу своей химии, начинают флуоресцировать с частотой излучения, находящейся в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Эта индикация позволяет диагностировать онкологические заболевания на ранней бессимптомной стадии, не требуя заборов биопсии. Как видно методика капсульных видеоэндоскопов расширяется до детектирования флуоресцентных агентов, используемых для ранней диагностики раковых заболеваний. При этом функционирование капсулы может быть существенно изменено для адаптации под конкретную задачу.
Отдельно стоит отметить, что все Детали настоящей полезной модели подлежат соединению на предприятии изготовителе при помощи сборочных операций - сварки, спайки, свинчивания, сочленения и других. Все конструктивные элементы настоящей полезной модели конструктивно объединяются корпусом.
Также стоит отметить, что все отдельные конструктивные элементы, обладающие собственной функцией прошли определенную модернизацию для совместного использования и их раздельное использование каждого по своему назначению попросту невозможно из-за конструктивных особенностей.
Дополнительно можно рассмотреть список конструктивных элементов различных производителей, которые при необходимой доработке могут быть собраны в готовое изделие:
Так, в качестве кварцевых резонаторов можно использовать, например, модели:
425F35B016M0000
XRCGB27M000F3M00R0
В качестве чип конденсаторов можно использовать, например, модели:
0201 NPO 22 пФ 5% 50 В
0402 X7R 1 нФ 50 В
0402 X7R 10 нФ 10% 50 В
0402 X7R 33 нФ 10% 25 В
0402 NPO 1.5 пФ +/-0.1 пФ 50 В
0402 X7R 2.2 нФ 10% 50 В
0402 NPO 1 пФ +/- 0.1 пФ 50 В
0402 NPO 4.7 пФ +/- 0.25% 50 В
0201 X5R 0.1 мкФ 10% 10 В
0402 X5R 2.2 мкФ 20% 10 В
0201 X5R 1 мкФ 20% 10 В
0201 NPO 33 пФ 5% 50 В
0603 X5R 4.7 мкФ 10% 16 В
В качестве интегральных микросхем можно использовать, например, модели:
LTC3240EDC-2.5
STM8L151F3U6
В качестве светодиодов можно использовать, например:
QBLP601-IW
В качестве чипов индуктивности можно использовать, например, модели:
BLM03PG220SN1D
LQP03TN8N2H02D
В качестве чип резисторов можно использовать, например, модели:
0201 22 кОм 1%
0201 10 кОм 5%
0201 100 кОм 5%
0201 4.7 кОм 5%
0402 100 Ом 5%
В качестве чип транзисторов можно использовать, например, модели:
DMN2005DLP4K
MK24-B-3-OE
На основании приведенных списков моделей различных элементов, специалисты в области схемотехники без труда смогут собрать все функциональные блоки настоящей полезной модели, описанные в приведенном описании. Средства и методы для такого сбора хорошо известны из уровня техники. Принципиальные электронные схемы настоящее полезной модели не приводятся, так как заявитель, понимая, что полезная модель относится к области медицины, считает электронные схемы не первостепенно важными.
Таким образом, полностью подтверждается возможность реализации настоящей полезной модели и известность всех средств и методов для такой реализации.