專利名稱：內(nèi)腔息肉探測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及人體內(nèi)腔狀況的探測領(lǐng)域，并且特別涉及一種在結(jié)腸中行進并探測解剖學(xué)(或組織)異常的可吞服裝置。
背景技術(shù)：
結(jié)直腸癌是西方世界死亡的主要原因之一。臨床證據(jù)建議，初期結(jié)直腸癌的早檢探測造成90％或更高的5年存活率，而當(dāng)癌已經(jīng)轉(zhuǎn)移時的疾病探測造成50％或更低的5年存活率以及30％重復(fù)率的不良預(yù)后。結(jié)直腸癌普查及早檢探測對這種惡性腫瘤的預(yù)后具有重要的積極影響。
下列參考資料(所有這些資料在此引入作為參考)可能為人們所關(guān)注Shanks的美國專利5,721,462Trebes等人的美國專利6,134,300和6,353,658
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在本發(fā)明的一些實施例中，受治療者/患者吞服或咽下(swallowed)一造影劑(contrast agent)，典型地在一段等候期之后，再吞服包括一個或多個伽馬和/或X射線輻射源以及輻射探測器的膠囊。當(dāng)膠囊穿過胃腸道時，輻射源“照亮”膠囊的附近。胃腸內(nèi)容物(包括造影劑)、胃腸壁和胃腸道外部的組織典型地主要通過康普頓散射過程充當(dāng)發(fā)射輻射的分散介質(zhì)。散射光子隨后通過包括造影劑的胃腸內(nèi)容物返回。輻射探測器對康普頓背散射光子正確計數(shù)，并且將計數(shù)率信息傳送給由受治療者佩帶的外部記錄單元。
典型地僅對于預(yù)定的光子能量窗分析由每個探測器每單位時間間隔采集的計數(shù)率。這些數(shù)據(jù)以使內(nèi)科醫(yī)生能夠估計在胃腸道中存在息肉或其它組織畸變的可能性的方式呈現(xiàn)在其面前。在一些實施例中，資料還被分析顯示出可能存在這種畸變的結(jié)腸的總區(qū)域。這些息肉或組織異?？赡苁悄[瘤開始在胃腸道中生長的結(jié)果。如果內(nèi)科醫(yī)生懷疑出現(xiàn)的息肉或其它組織異?？赡苁前┌Y或癌癥前期，受治療者一般需要進行進一步的診斷性實驗，諸如結(jié)腸鏡檢查。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一實施例，提供一種裝置，包括膠囊，其適于被受治療者吞服，并包括至少一個輻射源，其適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；以及至少一個光子探測器，其適于探測響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的光子，該光子具有至少10千電子伏的能量；以及控制單元，其適于分析與該光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別受治療者胃腸(GI)道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
在本發(fā)明的一實施例中，該裝置包括適于由受治療者服下的口服造影劑?？蛇x或額外地，該裝置包括適于由受治療者服下的具有高原子序數(shù)(high Z)的口服制劑(agent)。
對于一些應(yīng)用來說，該裝置包括適于由受治療者吞服的口服制劑，該制劑從由造影劑和高原子序數(shù)制劑組成的列表中選出，該制劑包括鐵磁粒子，并且該膠囊包括適于將鐵磁粒子吸引到膠囊的磁鐵。
在本發(fā)明的一實施例中，輻射源包括微型X射線發(fā)生器。在一實施例中，輻射源包括放射性同位素。對一些應(yīng)用來說，輻射源適于發(fā)射伽馬射線?？蛇x或額外地，輻射源適于發(fā)射X射線。
對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于分析數(shù)據(jù)的時間導(dǎo)數(shù)，以便產(chǎn)生該信息。
對于一些應(yīng)用來說，輻射源包括至少一個準(zhǔn)直儀，其適于準(zhǔn)直輻射源發(fā)射的射線。對于一些應(yīng)用來說，光子探測器包括至少一個準(zhǔn)直儀，其適于準(zhǔn)直由光子探測器探測的光子。
對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于區(qū)分胃腸道中的氣體和臨床相關(guān)特征。
在一實施例中，該控制單元適于分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射而產(chǎn)生的X射線熒光(XRF)光子。在一實施例中，該控制單元適于分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射而產(chǎn)生的XRF光子和響應(yīng)于所發(fā)射的輻射而產(chǎn)生的康普頓背散射光子。
對于一些應(yīng)用來說，該膠囊包括加速度傳感器。
對于一些應(yīng)用來說，該裝置包括適于保持在受治療者體外的外部數(shù)據(jù)記錄單元，并且該膠囊適于當(dāng)其位于胃腸道中時將信息無線傳送給數(shù)據(jù)記錄單元。
對于一些應(yīng)用來說，該膠囊包括由造影劑和高原子序數(shù)制劑組成的列表中選出的制劑，并且該膠囊適于存儲制劑并且將制劑釋放到胃腸道中引起臨床注意的區(qū)域內(nèi)?？蛇x或額外地，該裝置包括制劑存儲膠囊，該膠囊包括由造影劑和高原子序數(shù)制劑組成的列表中選出的制劑，該制劑存儲膠囊適于存儲制劑并且將制劑釋放到胃腸道中引起臨床注意的區(qū)域。
對于一些應(yīng)用來說，該膠囊包括壓力傳感器。
對于一些應(yīng)用來說，與光子相關(guān)的數(shù)據(jù)包括一個或多個預(yù)定光子能量窗的數(shù)據(jù)，并且該控制單元適于分析該能量窗數(shù)據(jù)。
在一實施例中，與光子相關(guān)的數(shù)據(jù)包括每一時間間隔的光子數(shù)，光子探測器適于計數(shù)被探測光子，并且該控制單元適于分析光子的統(tǒng)計數(shù)量。
在一實施例中，該控制單元適于估算從膠囊的位置到胃腸道的壁的距離。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于利用一算法估算該距離，在該算法中，該距離與探測到的光子數(shù)之間存在逆相關(guān)關(guān)系。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的康普頓背散射光子。對于一些應(yīng)用來說，該裝置包括適于由受治療者服下的口服造影劑，并且該控制單元適于通過響應(yīng)于康普頓背散射光子的分析估計膠囊的位置和胃腸道的壁之間的造影劑深度而估算該距離。
對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于利用一算法估算該距離，在該算法中，該距離和被探測光子數(shù)之間存在正相關(guān)關(guān)系。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的XRF光子。對于一些應(yīng)用來說，該裝置包括適于由受治療者服下的具有高原子序數(shù)的口服制劑，XRF光子由口服制劑響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生，并且該控制單元適于通過響應(yīng)于XRF光子的分析估計膠囊的位置和胃腸道的壁之間的造影劑深度而估算該距離。
在一實施例中，該輻射源適于僅在膠囊處于胃腸道中的一段時間內(nèi)發(fā)射輻射。對于一些應(yīng)用來說，膠囊包括傳感器，該傳感器適于感應(yīng)指示出胃腸道中膠囊可能的逼近(imminent)運動的參數(shù)，并且輻射源響應(yīng)于傳感器感應(yīng)的參數(shù)從膠囊發(fā)射射線。對于一些應(yīng)用來說，輻射源包括微型X射線發(fā)生器，其被構(gòu)造為僅在該段時間內(nèi)發(fā)射輻射。
對于一些應(yīng)用來說，該輻射源包括放射性同位素，該膠囊包括防輻射護罩，并且該膠囊包括適于移動輻射源和護罩中的至少一個的致動器，以使得護罩不會阻礙在該段時間內(nèi)從輻射源射出的射線。對于一些應(yīng)用來說，該膠囊包括多個準(zhǔn)直儀，并且該多個準(zhǔn)直儀和護罩如此構(gòu)造，以使得由輻射源射出的射線在任何給定時間均不穿過所有的準(zhǔn)直儀。對于一些應(yīng)用來說，膠囊包括桿，輻射源連接到桿上，并且致動器適于使桿移動，以便移動輻射源。對于一些應(yīng)用來說，膠囊包括至少一個彈簧，并且桿與彈簧被構(gòu)造為構(gòu)成一機械振蕩器。
在一實施例中，該膠囊包括適于在膠囊周圍膨脹的可膨脹氣囊。對于一些應(yīng)用來說，該氣囊被構(gòu)造為使得該膠囊在氣囊膨脹時朝著氣囊的中心移動。對于一些應(yīng)用來說，該氣囊被構(gòu)造為當(dāng)膠囊到達胃腸道內(nèi)部的引起臨床注意的區(qū)域時膨脹。對于一些應(yīng)用來說，該氣囊包括閥，其適于在膠囊到達引起臨床注意的區(qū)域后開啟一段特定的時間，從而使氣囊放氣。
對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于通過計算(a)從膠囊的位置到氣囊表面上的氣囊位置的氣囊內(nèi)的第一距離和(b)從氣囊的位置到胃腸道的壁的第二距離的總和來估算從膠囊的膠囊位置到胃腸道的壁的壁距離。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于通過測量和分析由光子探測器探測到的康普頓背散射光子數(shù)的變化來計算第一距離。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于響應(yīng)于由光子探測器探測到的康普頓背散射投影尺寸來計算第一距離。對于一些應(yīng)用來說，氣囊表面包括高密度材料的點粒子，并且該控制單元適于通過測量和分析由光子探測器探測到的XRF光子計算第一距離。對于一些應(yīng)用來說，氣囊表面包括輻射點源，并且該控制單元適于通過測量和分析由光子探測器探測到的從點源發(fā)出的輻射計算第一距離。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于通過分析由光子探測器探測到的XRF光子數(shù)計算第二距離。
在一實施例中，該胃腸道包括受治療者的結(jié)腸，并且該控制單元適于分析數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別結(jié)腸的臨床相關(guān)特征有用的信息。對于一些應(yīng)用來說，該膠囊包括連接到該膠囊的外表面上的電極；脈沖發(fā)生器，并且該控制單元適于驅(qū)動脈沖發(fā)生器，以對結(jié)腸施加能夠引起結(jié)腸內(nèi)的塊體運動的電信號。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于產(chǎn)生有關(guān)結(jié)腸的肌肉的幾何形狀的信息。
在一實施例中，該控制單元適于產(chǎn)生信息的圖形表示。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于通過生成一系列的時間表面形態(tài)(morphologies)來產(chǎn)生圖形表示。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于通過生成具有細分的第一表面和生成具有象素的第二表面來產(chǎn)生圖形表示，該細分表示膠囊的各位置和胃腸道的壁的各位置之間的各距離，所述象素中的每一個表示第一表面的細分中的一個和與該細分相鄰的多個細分之間的各差異。
對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于通過重復(fù)地生成多個時間點處的第二表面并顯示與所述多個時間點相對應(yīng)的第二表面的動畫而產(chǎn)生圖形表示。
對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于產(chǎn)生參照受治療者坐標(biāo)系的圖形表示。可選地，該控制單元適于產(chǎn)生參照膠囊坐標(biāo)系的圖形表示。
在一實施例中，該至少一個光子探測器包括多個光子探測器，其布置為探測來自多個各自的探測方向的光子。對于一些應(yīng)用來說，該至少一個輻射源包括多個準(zhǔn)直儀，其布置為沿著多個與探測方向相對應(yīng)的各發(fā)射方向發(fā)射輻射。
在一實施例中，該膠囊包括至少一個防輻射護罩。對于一些應(yīng)用來說，該至少一個護罩被構(gòu)造為防止射線從輻射源沿著除了與包圍膠囊的球體相關(guān)的單個封閉的扇形體之外的方向射出。
在一實施例中，該輻射源適于發(fā)射具有多個主要能級的輻射，并且該控制單元適于分析具有不同于所述多個主要能級的多個次要能級的光子數(shù)。對于一些應(yīng)用來說，該輻射源適于發(fā)射具有第一和第二能級的輻射，并且該控制單元適于分析(a)由光子探測器探測的具有第三能級的光子的數(shù)目和(b)由光子探測器探測的具有第四能級的光子的數(shù)目之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。對于一些應(yīng)用來說，所述關(guān)系包括(a)具有第三能級的光子的數(shù)目和(b)具有第四能級的光子的數(shù)目的比率，并且該控制單元適于分析該比率。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于分析所述關(guān)系，以確定膠囊的位置和胃腸道的壁之間的實際校準(zhǔn)距離。
在一實施例中，該臨床相關(guān)特征包括胃腸道的病理異常。在一實施例中，該病理異常包括息肉。
在一實施例中，該控制單元適于分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射而產(chǎn)生的康普頓背散射光子。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于分析具有由180度+/-小于30度、例如小于20度、或小于10度的范圍參數(shù)的背散射角度指示的能級的康普頓背散射光子。
在一實施例中，該控制單元適于探測膠囊已經(jīng)到達胃腸道內(nèi)引起臨床注意的區(qū)域。在一實施例中，該區(qū)域包括結(jié)腸，并且該控制單元適于探測膠囊已經(jīng)到達結(jié)腸。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于通過探測和分析XRF光子而探測膠囊已經(jīng)到達該區(qū)域?？蛇x或額外地，該膠囊包括pH敏感元件，并且控制單元響應(yīng)于影響pH敏感元件的該區(qū)域內(nèi)的pH變化而探測膠囊已經(jīng)到達該區(qū)域。進一步可選或額外地，該裝置包括適于連接到位于該區(qū)域入口附近的受治療者身體外表面上的標(biāo)簽(tag)，并且該控制單元響應(yīng)于由標(biāo)簽發(fā)出的信號來探測膠囊已經(jīng)到達該區(qū)域。更進一步可選或額外地，該膠囊包括壓力傳感器，并且該控制單元響應(yīng)于由壓力傳感器探測到的壓力變化而探測膠囊已經(jīng)到達該區(qū)域。對于一些應(yīng)用來說，該裝置包括適于連接到位于該區(qū)域入口附近的受治療者身體外表面上的標(biāo)簽，并且該控制單元響應(yīng)于(a)由標(biāo)簽發(fā)出的信號結(jié)合(b)壓力變化來探測膠囊已經(jīng)到達該區(qū)域。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于通過探測和分析XRF光子并且響應(yīng)于壓力變化而探測膠囊已經(jīng)到達該區(qū)域。
在一實施例中，該控制單元適于探測胃腸道的壁的組織中的密度變化，該變化表現(xiàn)出臨床相關(guān)特征的存在。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于當(dāng)控制單元探測出膠囊的至少一部分與胃腸道的壁物理接觸時探測所述變化。對于一些應(yīng)用來說，該至少一個光子探測器包括多個光子探測器，并且該控制單元適于分析由一個以上的光子探測器探測的來自壁的位置的康普頓背散射光子數(shù)。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于利用主分量分析(PCA)分析康普頓背散射光子數(shù)。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于響應(yīng)于數(shù)據(jù)方差的很大一部分不能由單個主分量(PC)描述的判定探測密度變化。
在一實施例中，該膠囊包括至少一個延伸元件，其適于在延伸時使膠囊與胃腸道的壁至少保持特定的距離。對于一些應(yīng)用來說，延伸元件被構(gòu)造為當(dāng)膠囊到達胃腸道內(nèi)引起臨床注意的區(qū)域時延伸。對于一些應(yīng)用來說，該延伸元件包括至少一個腿形元件、可膨脹的環(huán)形結(jié)構(gòu)和/或展開元件。
在一實施例中，該膠囊包括至少一個延伸元件，其適于在延伸時使膠囊的長軸定向為通常平行于胃腸道的縱軸。對于一些應(yīng)用來說，該延伸元件包括可膨脹的柔性腔室。對于一些應(yīng)用來說，該柔性腔室包括超強吸收的水凝膠，并且該柔性腔室適于當(dāng)水凝膠吸收來自胃腸道的液體時膨脹。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，本發(fā)明還提供一種裝置，包括
膠囊，其適于由受治療者吞服并且包括至少一個適于探測具有至少10千電子伏的探測器能量的光子的光子探測器；以及控制單元，其適于分析與該光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別受治療者胃腸(GI)道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
在一實施例中，該裝置包括放射性同位素示蹤材料，其適于由受治療者服下并且發(fā)射具有放射性同位素示蹤能量的輻射，并且該控制單元適于分析與具有放射性同位素示蹤能量的光子相關(guān)的數(shù)據(jù)。
在一實施例中，該光子探測器被準(zhǔn)直。
在一實施例中，該控制單元適于估算從膠囊的位置到胃腸道的壁的距離。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于利用一算法估算該距離，在該算法中，該距離和探測到的光子的數(shù)目之間存在正相關(guān)關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，本發(fā)明還提供一種裝置，包括膠囊，其適于由受治療者吞服并且包括至少一個適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射的輻射源；至少一個不與該膠囊物理連接的光子探測器，其適于探測具有至少10千電子伏的能量的光子；以及控制單元，其適于分析與該光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別受治療者胃腸(GI)道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
在一實施例中，輻射源包括至少一個準(zhǔn)直儀，其適于準(zhǔn)直輻射源發(fā)射的射線。在一實施例中，該輻射源包括微型X射線發(fā)生器?？蛇x地，該輻射源包括放射性同位素。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，本發(fā)明還提供一種裝置，包括膠囊，其適于由受治療者吞服并且包括多個光子探測器；
氣囊(囊體)，其適于在膨脹時包圍該膠囊的至少一部分，并且包括位于其表面上并適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射的多個輻射源，其中該光子探測器適于探測響應(yīng)于輻射產(chǎn)生的光子，該光子具有至少10千電子伏的能量；以及控制單元，其適于分析與該光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別受治療者胃腸(GI)道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
在一實施例中，該控制單元適于分析由光子探測器探測的XRF光子，以便估算氣囊表面上的位置和胃腸道的壁之間的距離。
在一實施例中，該控制單元適于分析具有以180度+/-小于30度的范圍參數(shù)的背散射角度指示的能級的康普頓背散射光子。
在一實施例中，該控制單元適于分析與由輻射源發(fā)出的輻射具有相同能量的入射光子。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于分析具有180度+/-小于30度的范圍參數(shù)的背散射角度指示的能級的入射光子和康普頓背散射的光子。對于一些應(yīng)用來說，該裝置包括多于輻射源的光子探測器。
對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于通過綜合分析由多個光子探測器測量的入射光子數(shù)和康普頓背散射光子數(shù)而將該特征繪制成圖。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于通過確定多個輻射源各自的位置，通過綜合分析由多個光子探測器測量的入射光子數(shù)和康普頓背散射光子數(shù)而將該特征繪制成圖。對于一些應(yīng)用來說，該控制單元適于外推響應(yīng)于多個輻射源的各自位置的氣囊表面形狀。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，本發(fā)明還提供一種裝置，包括膠囊，其適于由受治療者吞服并且包括多個光子探測器；
可膨脹結(jié)構(gòu)，其適于在膨脹時包圍該膠囊的至少一部分，并且在膨脹時成形，以便限定其不與膠囊直接物理接觸的多個位置，該位置包括各輻射源，其適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射，其中光子探測器適于探測響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的光子，該光子具有至少10千電子伏的能量；以及控制單元，其適于分析與該光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別受治療者胃腸(GI)道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，其還提供一種與所關(guān)注目標(biāo)一起使用的裝置，該裝置包括至少一個輻射源，適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；至少一個光子探測器，其適于探測具有至少10千電子伏的能量的光子；高原子序數(shù)制劑，其適于放置在該輻射源和該目標(biāo)之間；以及控制單元，其適于分析由至少一個光子探測器探測并響應(yīng)于所發(fā)射的輻射由高原子序數(shù)制劑發(fā)出的XRF光子，以便估算該輻射源和該目標(biāo)之間的距離。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，其還提供一種與所關(guān)注目標(biāo)一起使用的裝置，該裝置包括至少一個輻射源，適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；造影劑，其適于放置在該輻射源和該目標(biāo)之間；以及控制單元，其適于分析由至少一個光子探測器探測并響應(yīng)于所發(fā)射的輻射由造影劑發(fā)出的康普頓背散射光子，以便估算該輻射源和該目標(biāo)之間的距離。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，其進一步提供一種與所關(guān)注目標(biāo)一起使用的裝置，該裝置包括至少一個光子探測器，其適于探測具有至少10千電子伏的能量的光子；放射性同位素示蹤材料，其適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射，并且放置在該光子探測器和該目標(biāo)之間；以及控制單元，其適于分析由放射性同位素示蹤材料發(fā)射的被探測光子，以便估算該光子探測器和該目標(biāo)之間的距離。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，本發(fā)明更進一步提供一種方法，包括從受治療者胃腸(GI)道中發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；從胃腸道內(nèi)探測響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的光子，該光子具有至少10千電子伏的能量；以及分析與探測到的光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別胃腸道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
在一實施例中，該方法包括使受治療者服下口服造影劑。在本發(fā)明的一實施例中，發(fā)射輻射包括給受治療者口服發(fā)射輻射的放射性同位素示蹤材料。
在一實施例中，發(fā)射和探測包括使受治療者服下可吞服的膠囊，并且發(fā)射和探測來自該膠囊。在一實施例中，探測包括使受治療者服下可吞服的膠囊，并且探測來自該膠囊。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，本發(fā)明另外提供一種方法，包括從受治療者的胃腸(GI)道內(nèi)探測具有至少10千電子伏的能量的光子；和分析與探測到的光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別胃腸道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，本發(fā)明另外提供一種方法，包括從受治療者的胃腸(GI)道中發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；探測具有至少10千電子伏的能量的光子；以及分析與探測到的光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別胃腸道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，本發(fā)明還提供一種方法，包括從受治療者的胃腸(GI)道內(nèi)的多個第一點探測光子；從該胃腸道內(nèi)圍繞該多個第一點的多個第二點發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射，其中該光子響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生并且具有至少10千電子伏的能量；以及分析與探測到的光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別胃腸道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，本發(fā)明進一步提供一種方法，包括將高原子序數(shù)制劑放置在第一位置和第二位置之間；從第一位置發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；探測具有至少10千電子伏的能量的光子；以及通過分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射由高原子序數(shù)制劑發(fā)射出的被探測XRF光子估算該第一位置和該第二位置之間的距離。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，本發(fā)明更進一步提供一種方法，包括將造影劑放置在第一位置和第二位置之間；從第一位置發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；
探測具有至少10千電子伏的能量的光子；以及通過分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射由造影劑發(fā)射出的被探測康普頓背散射光子估算該第一位置和該第二位置之間的距離。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，本發(fā)明另外提供一種方法，包括將放射性同位素示蹤材料放置在第一位置和第二位置之間，其適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；探測具有至少10千電子伏的能量的光子；以及通過分析由放射性同位素示蹤材料發(fā)射出的被探測光子估算該第一位置和該第二位置之間的距離。
通過與附圖相結(jié)合的下列本發(fā)明的實施例的詳細描述將可更完全地理解本發(fā)明，其中


圖1A為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的普查系統(tǒng)的示意圖；圖1B為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的圖1A所示系統(tǒng)的膠囊的示意圖；圖1C為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的圖1A所示系統(tǒng)的外部數(shù)據(jù)記錄單元的示意圖；圖1D為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的結(jié)腸橫截面重建的示意性圖形表示的示意圖；圖2A-D為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的裝置的示意圖，該裝置用于實施闡明了本發(fā)明的一些實施例所依據(jù)的物理原理的示例性實驗；圖2E為顯示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例的圖2A-D所示實驗的示例性實驗結(jié)果的圖表；
圖3為顯示出類似于根據(jù)本發(fā)明的一實施例的圖2A-E實驗的示例性實驗結(jié)果的圖表；圖4為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的圖1A所示系統(tǒng)的膠囊的一種結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的圖1A所示系統(tǒng)的膠囊的時分多路傳輸結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6A-E為根據(jù)本發(fā)明的各實施例與可膨脹氣囊相連的圖1A所示系統(tǒng)的膠囊的示意圖；圖7A和7B為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的延伸元件的示意圖；圖8A-C為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的附加延伸元件的示意圖；圖9A為示意性地說明根據(jù)本發(fā)明的一實施例的圖1A所示系統(tǒng)的膠囊的不同功能塊的框圖；圖9B為示意性地說明根據(jù)本發(fā)明的一實施例的圖1A所示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄單元的不同功能塊的框圖；圖10A為圖示出使用根據(jù)本發(fā)明的一實施例的用于估算距離的算法的模擬結(jié)果的圖表；圖10B為圖示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例在變化的泊松噪聲百分比情況下的圖10A所示算法精度的圖表；圖11A-C為顯示了根據(jù)本發(fā)明的一實施例測定的實驗結(jié)果的圖表；圖11D為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的X射線熒光計數(shù)率與造影劑深度之間關(guān)系的曲線；圖12為在本發(fā)明人進行的實驗中使用的根據(jù)本發(fā)明的一實施例的容箱的示意圖；
圖13A-C顯示了根據(jù)本發(fā)明的一實施例利用圖12中的容箱進行實驗的實際實驗結(jié)果；以及圖14A-C和15A-C為根據(jù)本發(fā)明的一實施例產(chǎn)生的表示胃腸道的表面形態(tài)的表面的示意圖。
具體實施例方式
圖2A-D為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的裝置的示意圖，該裝置用于實施闡明了本發(fā)明的一些實施例所依據(jù)的物理原理的示例性實驗。容器12充滿液體或低粘度凝膠形式的不透射線的造影劑10，并且貯液器17放置在容器下面并且充滿水11。充滿水的小囊體18放在容器底部。在該實驗中，充滿造影劑10的容器12模擬充滿造影劑的結(jié)腸，充滿水的貯液器17模擬結(jié)腸外的組織和器官，并且充滿水的水囊18模擬諸如息肉的組織異常。
在該實驗中，輻射源14和輻射探測器16彼此鄰近地放置。用于輻射源14的準(zhǔn)直儀13和用于探測器16的準(zhǔn)直儀19的敞開端面向液體容器。輻射源14典型地以(a)單個發(fā)射能級或(b)多個發(fā)射能級發(fā)射輻射，所述多個發(fā)射能級中的至少一個較低，并且至少一個較高。輻射探測器16被構(gòu)造為探測和計數(shù)具有一定能級(或多個等級，在多能級發(fā)射情況下)的光子，該光子以已經(jīng)被造影劑10、水囊18的水和貯液器17的水成大約180度康普頓背散射為特征。
輻射源14和探測器16通過容器12的上方，并保持與容器底部的恒定距離。在沿著輻射源和探測器的多個點處，如從圖2A到圖2D中順序顯示，一個或多個特定伽馬或X射線能量窗中的伽馬或X射線計數(shù)率被記錄(計數(shù)率顯示在圖中的記錄顯示器15上)。
圖2E為顯示出與根據(jù)本發(fā)明的一實施例的圖2A-D相關(guān)的如上所述實驗的示例性實驗結(jié)果的圖表。當(dāng)輻射源14發(fā)射只有單個能級的輻射時，隨著輻射源14和探測器16通過囊體18上方(圖2C)，因為康普頓背散射光子的路徑與易透過射線的體積相互作用，所以探測器處的計數(shù)率增加。(換句話說，水囊18與造影劑相比更易使射線透過，因此允許透射更多的光子。)當(dāng)輻射源14以低能級和高能級發(fā)射輻射時，隨著輻射源和探測器通過氣囊上方，來自每一輻射能級的康普頓背散射光子的計數(shù)率發(fā)生改變。另外，低能量窗和高能量窗之間的計數(shù)率的數(shù)學(xué)關(guān)系(例如比率或差)發(fā)生改變。在輻射源和探測器已經(jīng)經(jīng)過水囊之后(圖2D)，計數(shù)率恢復(fù)到碰到水囊之前所測量的等級。計數(shù)典型地僅在預(yù)定能量窗范圍內(nèi)進行，所述能量窗與相對于每一光子能量峰值的發(fā)射輻射成大約180度返回的康普頓背散射光子的能級相對應(yīng)。
圖12為在本發(fā)明人進行的實驗中使用的根據(jù)本發(fā)明的一實施例的容箱184的示意圖。該實驗與參照圖2A-E如上所述的實驗相似。容箱184被分成四個隔室186A、186B、186C和186D。隔室186A、186B、和186C中的每一個具有2厘米的深度，而隔室186D具有5厘米的深度。被準(zhǔn)直的輻射源188和相鄰的被準(zhǔn)直的輻射探測器190緊挨容箱184放置在隔室186A所在一側(cè)。
圖13A-C顯示了利用根據(jù)本發(fā)明的一實施例的容箱184所進行實驗的結(jié)果。輻射源188包括放射性同位素锝99m。圖13A為顯示輻射探測器探測到的典型光譜的圖表，其中光譜線35為由锝Tc99m(141keV)射出光子引起的90keV的180度背散射光譜。(光譜線34為用作探測器準(zhǔn)直的鉛的X射線熒光(XRF)。進行兩次實驗，分別使用Telebrix和硫酸鋇(BaSO4)作為造影劑。圖13B和13C分別顯示了使用Telebrix和BaSO4所測量的背散射數(shù)。在每個實驗進行期間，初始測量值在所有四個腔室充滿水(即沒有造影劑)的條件下取得。該測量值以圖13B和13C中標(biāo)有“背景”的豎條表示。腔室186A充滿造影劑，并且測得第二測量值(由標(biāo)有“2厘米”的豎條表示)。隨后，腔室186B也充滿造影劑，并且測得第三測量值(由標(biāo)有“4厘米”的豎條表示)。從圖表中可以看出，對于兩種制劑來說，附加的造影劑減少了康普頓背散射光子數(shù)。因此，這些實驗結(jié)果與圖2E中所示相同，并且顯示出康普頓背散射光子數(shù)與光子穿過造影劑的往返距離有關(guān)。
再次參考圖2A-E。如上所述，光子數(shù)取決于使光子穿過的造影劑深度。該變化性可以綜合三種物理原理來解釋·康普頓散射光子具有比入射光子低的能量，并且散射光子能量取決于散射角。例如，參見上面提及的康普頓的論文。典型地，只有以基于其能量的特定角度散射的光子被選中及計數(shù)。
·水囊18占據(jù)了本該被造影劑10占據(jù)的體積。因此，發(fā)生了減少的輻射吸收。由光電處理進行的輻射吸收深受光子能量的影響。因此，被吸收的具有較高能量的光子比較低能量的光子少。因此，康普頓散射過程取決于與總密度線性相關(guān)的電子密度，康普頓散射對于造影劑和水囊來說是相似的。通過光電處理的光子吸收取決于Z^5(原子序號的5次冪)。因此，在由于水囊的取代體積而存在較少造影劑的地方，被輻射探測器探測到的光子通量顯著增加。在多個發(fā)射能量的情況下，高能光子和低能光子之間的關(guān)系(例如，比率或差)在通過造影劑的路徑長度增加時變大。
·因為介質(zhì)是液體或者低粘度凝膠，在造影劑流入充分長的時間后，特定區(qū)域內(nèi)的造影劑濃度可以假設(shè)為在該給定介質(zhì)內(nèi)通常為均勻分布的。
因此，對于單個能量光子輻射源來說，在從輻射源射出和作為康普頓背散射光子回到輻射探測器的整個行程期間，背散射光子的相對通量逆相關(guān)于(例如，反比于)光子穿過造影劑介質(zhì)的距離。對于多能量光子輻射源來說，也可以使用該方法計算光子在造影劑中傳播距離。另外，在探測器處接收的高、低能量光子之間的關(guān)系(例如，比率或差)也顯示出光子在造影劑中傳播的距離。因為由輻射源產(chǎn)生的入射輻射的關(guān)系為常數(shù)，該關(guān)系的任何變化均起因于造影劑中突出的光電吸收的不平衡作用，其對低能的影響明顯大于高能。通過記錄該關(guān)系，可以探測出水囊的存在。該光電吸收影響由輻射源發(fā)出的光子及背散射光子。
本發(fā)明的一些實施例使用了上述原理和方法以探測結(jié)腸內(nèi)的息肉及其它組織畸變。形成在結(jié)腸內(nèi)的息肉有時隱藏結(jié)腸癌的萌芽。因此，希望在癌從內(nèi)表面深深傳播到結(jié)腸肌肉結(jié)構(gòu)，并隨后轉(zhuǎn)移到人體其它部分之前探測并去除息肉。(包括權(quán)利要求書，這里使用的結(jié)腸或胃腸道的“壁”應(yīng)當(dāng)理解為包括可能存在的這種息肉或其它組織畸變。)根據(jù)本發(fā)明的一實施例，此處所描述的系統(tǒng)被用作結(jié)直腸癌早檢探測的最重要的普查(screening)程序。
參考圖1A，其為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的普查系統(tǒng)40的示意圖。系統(tǒng)40典型地包括可吸收的膠囊50和外部數(shù)據(jù)記錄單元52。對于一些應(yīng)用來說，數(shù)據(jù)記錄單元52佩戴在受治療者54的腰部(如圖1所示)或受治療者身體的其它部位上，諸如腕部(結(jié)構(gòu)未顯示)?？蛇x地，對于一些應(yīng)用來說，膠囊50包括內(nèi)部數(shù)據(jù)記錄單元，并且不提供外部數(shù)據(jù)記錄單元52。在這些應(yīng)用中，由膠囊50記錄的數(shù)據(jù)在膠囊離開身體之后被取回。
參考圖1B，其為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的膠囊50的示意圖。膠囊50包括至少一個適于發(fā)射伽馬和/或X射線(即，具有至少10千電子伏的能量的射線)的輻射源、至少一個伽馬和/或X射線輻射探測器62和典型地，至少一個適于使由輻射源60產(chǎn)生的射線準(zhǔn)直的準(zhǔn)直儀63。對于一些應(yīng)用來說，輻射源60包括放射性同位素。可選地，輻射源60包括諸如下文所描述的微型輻射發(fā)生器。膠囊50還典型地包括電路64(對于一些應(yīng)用來說，其包括壓力傳感器)，諸如電池的電源66、用于與外部數(shù)據(jù)記錄單元52通訊的無線通訊裝置(通訊裝置未顯示)和防輻射護罩68。
現(xiàn)在參考圖1A。在使用系統(tǒng)40的典型探測過程中，受治療者54服下口服造影劑70。造影劑70典型地適于流經(jīng)胃腸(GI)道72并且與排泄物一起排出，其基本不被吸收到血流中。造影劑材料可能類似于通常利用X射線進行胃腸研究所使用的化合物，諸如硫酸鋇濃縮液、碘基化合物或其它此類材料。對于一些應(yīng)用來說，附加的適當(dāng)造影劑包括鉭、釓、釷、鉍和這些材料的化合物。在造影劑服下之后(例如，造影劑服下幾個小時后)，受治療者54吞服膠囊50。
膠囊50穿過胃腸道72，并發(fā)出伽馬和/或X射線輻射。從一特定時間點開始，膠囊50記錄撞擊輻射探測器62的康普頓散射伽馬和/或X射線光子。由每一輻射探測器接收的計數(shù)率信息典型地與用于所述測量值的時間標(biāo)記存儲在一起。在典型地小于1秒的時間段內(nèi)(例如，幾十到幾百毫秒)，假設(shè)膠囊、周圍的結(jié)腸壁和造影劑處于準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。選取足夠小的時間段并且求該數(shù)目在小區(qū)間上的積分允許該準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)的假設(shè)。數(shù)據(jù)可能存儲在膠囊中并且由膠囊時時或者在數(shù)據(jù)采集已經(jīng)完成之后傳遞給外部記錄裝置。
在本發(fā)明的一實施例中，輻射源60和探測器62布置為“觀察”膠囊周圍的全部4π(pi)平方球體(或者其一部分)。
參考圖1C，其為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的外部數(shù)據(jù)記錄單元52的示意圖。數(shù)據(jù)記錄單元52包括接收/記憶單元55、供應(yīng)電子/電池組56、天線57和用戶控制器58。單元52還典型地包括用于將單元連接到受治療者54上的帶59，諸如皮帶或腕/臂帶。
參考圖4，其為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的膠囊50的一種結(jié)構(gòu)的示意圖。在該實施例中，膠囊50包括一個或多個輻射源60；一個或多個準(zhǔn)直儀63，其適于使輻射源60產(chǎn)生的輻射準(zhǔn)直；以及一個或多個輻射探測器62，其典型地只被略微準(zhǔn)直或根本不準(zhǔn)直。輻射源60因此照亮封閉的扇形體(相對于膠囊)。這典型地通過提供用于輻射源60的各自的護罩68實現(xiàn)，其防止光子沿除了用于每個輻射源的優(yōu)選扇形面之外的方向發(fā)射。護罩68典型地包括具有大原子量和大比重的材料，諸如鉛、鎢或金。還可以視情況使用用于輻射源、探測器和準(zhǔn)直儀的其它裝置，諸如覆蓋一個或多個輻射源的圓柱形、球形或其它護罩。
在本發(fā)明的一實施例中，單個輻射源放置在球形膠囊內(nèi)，并且膠囊殼體如此成形，以使得由輻射源發(fā)出的多個相應(yīng)光子列被膠囊表面上的一個或多個探測器探測。在該實施例中，該探測器典型地未被準(zhǔn)直。
在本發(fā)明的一實施例中，輻射源60包括諸如在下列上述參考資料中描述的微型X射線發(fā)生器Trebes等人的美國專利6,134,300和6,353,658Haga A等，“微型x-射線管”，Applied Physics Letters 84(12)2208-2210(2004)Gutnan G等，“新型針基微型x-射線發(fā)生系統(tǒng)”，Phys Med Biol 494677-4688(2004)這種微型X射線發(fā)生器或X射線管可用于取代放射性同位素的輻射源60以利用X射線光子照亮結(jié)腸內(nèi)容物。根據(jù)需要打開或關(guān)閉這種發(fā)生器典型地降低了受治療者在輻射中的暴露。另外，能量范圍可以被更好地控制并且接通時間內(nèi)的通量可以更大而不需增加受治療者的總暴露量。
在本發(fā)明的一實施例中，所提供的裝置包括·口服造影劑，諸如硫酸鋇或碘基水溶化合物(諸如Gastrografin，Telebrix或者上述提到的題目為“X-射線造影介質(zhì)”的論文中所描述的其它化合物)；·膠囊，諸如在上文參考圖1B、4和/或5所描述的膠囊，其適于發(fā)出伽馬和/或X射線輻射和探測康普頓散射光子和其它伽馬和/或X射線輻射。該膠囊典型地包括(a)一個或多個伽馬和/或X射線輻射源和/或貝塔(β)電子源，諸如鉈201、氙133、汞197、鐿169、鎵67、锝99、銦11或鈀100，或(b)諸如上文提到的X射線發(fā)生器；·記錄單元，諸如在上文參考圖1A和1C所描述的，其適于接收來自膠囊在胃腸道內(nèi)傳播的RF信號；以及·諸如下文參照圖1D、14A-C和15A-C所描述的數(shù)據(jù)分析及顯示軟件。該軟件適于接收來自記錄裝置的數(shù)據(jù)和分析該數(shù)據(jù)，并且以這樣的方式將接收自膠囊的處理數(shù)據(jù)顯示出來，以便允許內(nèi)科醫(yī)生評估測試個體的內(nèi)腔中存在息肉或其它組織畸變的可能性。該軟件可以在諸如個人電腦的通用計算機上運行，其在軟件中編制程序，以執(zhí)行此處所描述的功能。例如在網(wǎng)絡(luò)上、軟件以電子形式下載到計算機中，或者它可選地以諸如CD-ROM的有形介質(zhì)提供給計算機。可選地，軟件的功能性可以利用專用的硬件邏輯或者聯(lián)合使用硬件和軟件單元而實現(xiàn)。
參考圖9A，其為示意性地說明根據(jù)本發(fā)明的一實施例的膠囊50的不同功能塊的框圖。在該實施例中，膠囊50包括一個或多個下述部件(a)伽馬和/或X射線輻射探測器62，其可以包括例如連接到光電二極管的CZT晶體或閃爍晶體；(b)模擬信號放大電路；(c)數(shù)字信號處理電路；(d)數(shù)字存儲電路；(e)RF傳送、接收和保持電路；(f)校準(zhǔn)保持電路；(g)內(nèi)部定時電路；(h)MEMS加速度傳感器芯片和保持電路；(i)壓力傳感器和保持電路；(j)供電電路，其包括用于輻射探測器的HV偏壓和用于MEMS的電壓；(k)RF發(fā)射機；(l)RF接收器；(m)模擬電路；(n)數(shù)字電路；和(o)位于膠囊內(nèi)部或外部的電池或其它電源。
參考圖9B，其為示意性地說明根據(jù)本發(fā)明的一實施例的數(shù)據(jù)記錄單元52的不同功能塊的框圖。在該實施例中，數(shù)據(jù)記錄單元52典型地包括一個或多個下述部件(a)RF通訊電路；(b)適于安全存儲和接收數(shù)據(jù)的穩(wěn)定的數(shù)字存儲器或其它記錄介質(zhì)；(d)用于將數(shù)據(jù)傳送到電腦的通訊電路；和(e)供電設(shè)備和保持電路。
在本發(fā)明實施例中，一種用于探測胃腸道內(nèi)的息肉和其它組織畸變的方法，包括(a)將造影劑放置在受治療者的胃腸道的內(nèi)部空間中；(b)將諸如膠囊50的膠囊由受治療者服下；(c)探測膠囊已經(jīng)到達胃腸道內(nèi)引起臨床注意的區(qū)域。例如，為了探測結(jié)腸內(nèi)息肉或其它組織畸變，引起臨床注意的區(qū)域典型地為結(jié)腸或下部回腸；和(d)響應(yīng)于探測，將膠囊激活。
當(dāng)膠囊流經(jīng)充滿造影劑的結(jié)腸時，輻射源60射出伽馬和/或X射線光子，并且膠囊內(nèi)的輻射探測器62中的每一個探測位于探測器所觀察的相對扇形體處的康普頓背散射(大約180度)光子。每個探測器接收從多個準(zhǔn)直輻射源背散射的光子，并且光子通量取決于特定探測器和光子發(fā)射準(zhǔn)直器之間的相對幾何形狀。背散射光子通量還取決于背散射光子去往探測器途中所遇造影劑的體積，并且所述通量依次與隔開準(zhǔn)直儀外邊緣和結(jié)腸壁的相對距離逆相關(guān)，例如成反比。
因為準(zhǔn)直儀和伽馬射線探測器之間的相對幾何形狀已知，假設(shè)存在與準(zhǔn)直儀的數(shù)目相關(guān)的足夠的伽馬/X射線輻射探測器，可以估算從準(zhǔn)直儀外邊緣到與其垂直的結(jié)腸壁的距離。對于一些應(yīng)用來說，下列算法用于估算這些距離。假設(shè)標(biāo)量系數(shù)矩陣C表示所有發(fā)射輻射準(zhǔn)直器和所有輻射探測器之間的幾何形狀系數(shù)，并且矢量X表示特定康普頓背散射能量窗處的計數(shù)率測量值，隨后待解決的問題可以由下列方程式表示C*X＝d (方程式1)其中，C、X和d為實數(shù)，X和d為正值，并且其中矢量d表示從每個發(fā)射輻射準(zhǔn)直器到與其垂直的結(jié)腸壁的估算距離。存在一些已知的方法求解方程式C*X＝d，例如使C*X-d最小化。其它方法為已知的并且可以應(yīng)用于該問題。
圖10A為圖示出使用根據(jù)本發(fā)明的一實施例的該算法的模擬結(jié)果的圖表。豎條100表示由使用該算法所確定的模擬的估計距離，并且豎條102表示各自的實際距離。圖10B為圖示出在變化的泊松噪聲百分比的情況下根據(jù)本發(fā)明的一實施例的該算法精度的圖表。
在本發(fā)明的一實施例中，探測膠囊已經(jīng)到達引起臨床注意區(qū)域包括探測X射線熒光(XRF)光子，其對于胃、小腸和結(jié)腸來說是明顯不同的。當(dāng)膠囊進入胃腸道時，每時段測量并估算XRF計數(shù)率。在胃中，由于幾小時前服下的口服造影劑的一部分仍然殘留，XRF計數(shù)率預(yù)計處于中等水平。當(dāng)膠囊進入小腸時，XRF數(shù)顯著降低，這是因為膠囊與小腸壁接觸或幾乎接觸，所以在探測器和壁之間沒有足夠的用于大量發(fā)熒光造影劑的空間。隨后，當(dāng)膠囊進入結(jié)腸時，XRF數(shù)增加，這是因為結(jié)腸充滿沿其長度良好混合的造影劑。(應(yīng)當(dāng)注意，小腸的一些段與結(jié)腸部分極為接近，使得當(dāng)膠囊位于這些段中時，由于位于相鄰的結(jié)腸部分中的造影劑(并且不是因為小腸中的本地造影劑)使得XRF數(shù)對于一些探測器來說可能增加。該增加的XRF數(shù)持續(xù)直到膠囊繼續(xù)其行進并且進入與結(jié)腸極為接近的小腸的一部分中為止。)可選地，探測膠囊已經(jīng)到達引起臨床注意的區(qū)域包括使用pH傳感器和/或用于膠囊的pH敏感涂層。對于引起臨床注意的區(qū)域包括結(jié)腸的應(yīng)用來說，pH傳感器典型地配置為探測酸性的降低，并且pH敏感涂層配置為溶解于結(jié)腸的特有pH值中。
進一步可選地，對于探測膠囊已經(jīng)到達結(jié)腸來說，膠囊包括觸發(fā)器，其設(shè)定為一旦膠囊靠近放置在接近結(jié)腸入口附近的小腹上的外部固定的貼片就將膠囊接通。這種觸發(fā)器例如可以包括貼片上的有源振蕩電路。當(dāng)膠囊接近貼片時，膠囊內(nèi)的無源諧振電路從貼片上的振蕩吸收能量，并且這觸發(fā)膠囊開始運轉(zhuǎn)。類似的裝置通常用于商店和圖書館中的防盜系統(tǒng)。
更進一步可選地，為了探測膠囊已經(jīng)到達結(jié)腸，膠囊包括適于測量胃腸道內(nèi)壓力變化的壓力傳感器。當(dāng)膠囊流經(jīng)胃腸道時，壓力傳感器被連續(xù)監(jiān)視。在胃中，通常很少發(fā)生壓力變化，例如每隔幾分鐘。當(dāng)壓力變化變得更加頻繁和有規(guī)律時，這可以顯示出膠囊已經(jīng)進入小腸，此時膠囊預(yù)計行進了平均2-5小時。一旦有規(guī)律的壓力變化停止并且監(jiān)視到缺少規(guī)律的壓力波和較不頻繁的壓力波時，膠囊很可能已經(jīng)進入大腸，膠囊預(yù)計在此停留平均24-72小時。
用于探測膠囊已經(jīng)到達所關(guān)心區(qū)域的這些方法可以分別地使用或者結(jié)合使用。當(dāng)結(jié)合使用時，來自如上所述的多個獨立傳感器的信息典型地相互關(guān)聯(lián)，并且這些信息被分析以便確定膠囊已經(jīng)到達所關(guān)心區(qū)域，例如結(jié)腸。(可選地，膠囊在胃腸道中基本處于連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)。)在本發(fā)明的一實施例中，用于結(jié)腸中息肉探測的基本原理建立在上文參照圖2A-E和13A-C所述實驗中所描述的物理原理以及結(jié)腸肌肉收縮的通常對稱性質(zhì)和結(jié)腸內(nèi)腔的通常規(guī)律的特征的使用的基礎(chǔ)上。對于息肉探測來說，膠囊測量從每個準(zhǔn)直儀外緣到結(jié)腸壁表面的相對距離。然而，在每個時間點處，該算法查找并計算描述了與結(jié)腸短軸(即，當(dāng)以橫截面觀察結(jié)腸時，結(jié)腸的直徑)相應(yīng)的最大康普頓背散射通量的圓盤。該圓盤描述了每個時間點處的結(jié)腸短軸。補充該計算的附加信息來自分析軸線以最大光子通量為中心的對稱圓錐體；這與在每個時間點指向結(jié)腸短軸的立體角相對應(yīng)。該算法隨后開始通過模擬最為符合這些測量值的2D橢圓樣條來估算由不同的范圍測量值所描述的圓盤。這依次為位于膠囊位置處的結(jié)腸斷面的預(yù)測。典型地，當(dāng)膠囊穿過結(jié)腸時，它使內(nèi)部結(jié)腸距離的外觀重建。對于一些應(yīng)用來說，該計算在受治療者的坐標(biāo)系內(nèi)進行。對于這些應(yīng)用來說，膠囊50中的MEMS加速度傳感器芯片典型地提供對萬有引力方向的基準(zhǔn)，并且與目標(biāo)(例如，在上文參照圖1C所描述的帶59)外表面連接在一起的第二MEMS加速度傳感器芯片提供用于修正目標(biāo)運動的第二基準(zhǔn)。可選地，對于一些應(yīng)用來說，該計算在膠囊50的坐標(biāo)系中進行。在這些應(yīng)用中，不需要基準(zhǔn)，并且輸出包括相對于膠囊坐標(biāo)系的距離。
典型地，在膠囊排出之后，數(shù)據(jù)被后處理并且交給觀察專家。對于一些應(yīng)用來說，數(shù)據(jù)作為一系列的截面重建呈現(xiàn)給觀察者。觀察專家能夠識別不規(guī)則的特征，其在結(jié)腸肌肉收縮期間，通常不能在結(jié)腸內(nèi)腔中發(fā)現(xiàn)。特別地，系統(tǒng)能夠?qū)Y(jié)腸壁中的“凹凸不平”和無規(guī)則凸起的特征進行探測，該特征可能為息肉或其它可疑的組織畸變。
參考圖1D，其為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的這種結(jié)腸橫截面重建的示例性圖形表示的示意圖。
在本發(fā)明的一實施例中，上述數(shù)據(jù)的時間導(dǎo)數(shù)可用于膠囊在結(jié)腸中行進路徑的重建。使用時間導(dǎo)數(shù)代替數(shù)據(jù)本身或者與數(shù)據(jù)相結(jié)合能夠在膠囊穿過結(jié)腸時使觀察者更好地識別結(jié)腸內(nèi)表面上的無規(guī)則的特征。特別地，該分析數(shù)據(jù)的方式能夠探測并區(qū)分結(jié)腸壁上的息肉和其它特征(諸如袋環(huán))。息肉在時間導(dǎo)數(shù)圖中表現(xiàn)為較窄的軌跡，而袋環(huán)表現(xiàn)為寬軌跡，軌跡隨著膠囊接近它們而通常覆蓋膠囊周圍全部360度的范圍。(參見圖14A-C和15A-C在下文進行描述。)在本發(fā)明的一實施例中，來自膠囊的數(shù)據(jù)可能以圖表格式(參見下文所述的圖14A-C和15A-C)呈現(xiàn)給內(nèi)科醫(yī)生，該圖表格式不能給出圖像信息，而是以圖形表示的方式顯示出信息，其幫助內(nèi)科醫(yī)生確定是否存在可能隱藏癌癥并且需要結(jié)腸鏡檢查的息肉或其它組織畸變的可能性。
對于輻射源60發(fā)出具有兩種或更多不同能量的光子的應(yīng)用來說，基本分析數(shù)據(jù)單元可能為高能數(shù)和低能數(shù)之間的關(guān)系(例如，比率或差)?？蛇x或額外地，基本分析數(shù)據(jù)單元為用于每個能量窗的計數(shù)。
在本發(fā)明的一實施例中，從結(jié)腸內(nèi)容物和遠處背散射的高能計數(shù)率和低能計數(shù)率之間的比例關(guān)系被用于校準(zhǔn)膠囊距結(jié)腸壁的實際距離。這是可能的，因為處于不同能量的光子通量的比率與實際距離相關(guān)，例如成比例。該特征特別有用，因為造影劑的濃度隨著膠囊從右結(jié)腸(其中結(jié)腸內(nèi)容物為流動的)向左結(jié)腸和直腸(其中結(jié)腸內(nèi)容物通常為較少流動的，或者甚至為半剛性的)行進時發(fā)生變化。因此，造影劑每厘米深度中的光子的平均通量隨著造影劑濃度的增加而減少。(水流出結(jié)腸；因此結(jié)腸中的造影劑濃度增加，這是因為造影劑沒有離開結(jié)腸。)在本發(fā)明的一實施例中，諸如膠囊50的膠囊適于探測康普頓背散射光子，典型地為通過相對于入射光子進行180(+/-20至30)度背散射過程而形成的光子，其取決于探測器能量分辨率和探測器準(zhǔn)直(如果被準(zhǔn)直)。對于多個能量窗應(yīng)用來說，用于不同能量窗的計數(shù)率被用作成像處理的基本數(shù)據(jù)。特別地，對于每個探測器來說，與其專用通道相連的電子設(shè)備計算根據(jù)康普頓后向散射能原理在每一預(yù)定能量窗處撞擊探測器的光子數(shù)總和。(其它能量窗用以探測來自被照亮的造影劑的XRF光子。)
在該實施例中，膠囊50實現(xiàn)了一種可以理解為類似昆蟲復(fù)眼的算法。這種眼不會具有單個的聚焦透鏡，取而代之是具有大量的布置在半球一部分上的光學(xué)傳感器。具有復(fù)眼的昆蟲是極其近視的，只能看到它們前方幾毫米的東西。但是它們的眼睛很好地適于探測更大距離處的運動，并且探測活動物體的矢量方向和形態(tài)。例如，這些能力允許飛行中的蜻蜓探測到遠離它幾米之外的飛行中的蚊子，并且允許諸如蜜蜂的昆蟲以高速飛過濃密的森林而不會撞到樹枝。
對于適于在胃腸道中行進的膠囊來說，通常很難安裝大陣列的探測器及適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)直裝置以便重建高分辨率的圖像。因此，該情況與昆蟲不得不利用有限的探測器源來“分辨”形態(tài)的情況相似。在本發(fā)明的一實施例中，探測器布置在膠囊中，以“觀察”包圍膠囊的半球或半球的一部分。然而，探測器的數(shù)量典型地限制為小于100個，例如小于40個，數(shù)目的上限根據(jù)(a)仍能提供適當(dāng)?shù)男旁氡鹊娜我唤o定探測器的最小尺寸，和(b)可以適度地容納在膠囊的可用小空間中的獨立信號通道的最大數(shù)目而設(shè)定。另外，為了充分地利用可以從康普頓背散射處理中獲得的較少的光子以及膠囊上空間的不足，探測器典型地布置為不準(zhǔn)直或者極輕微地準(zhǔn)直。因此，每個探測器“看見”相對廣角的圖像，并且總的靜態(tài)空間分辨率折中到某種程度，其類似于昆蟲復(fù)眼的情況。與分辨率由單個光學(xué)探測器的觀察角設(shè)定的昆蟲情況不同，在膠囊的情況下，膠囊的“圖像”分辨率由輻射源的準(zhǔn)直決定。
與昆蟲的情況相同，膠囊也是“近視的”，其只能從幾毫米的距離內(nèi)構(gòu)成靜態(tài)圖像。然而，與具有其復(fù)眼的昆蟲相似，膠囊在移動穿過結(jié)腸時能夠探測出彎曲物、袋環(huán)和息肉。典型但不是必需的，息肉及其它形態(tài)的探測通過利用由膠囊在其穿過結(jié)腸時而采集到的數(shù)據(jù)脫機完成。
參考圖14A-C和15A-C，其為根據(jù)本發(fā)明的一實施例產(chǎn)生的表示胃腸道表面形態(tài)的表面的示意圖。提供一種動態(tài)跟蹤算法用于探測胃腸道中(諸如結(jié)腸中)的息肉，并且將它們與在結(jié)腸中正常發(fā)現(xiàn)的形態(tài)(諸如彎曲的結(jié)腸壁、袋環(huán)和結(jié)腸折疊部)區(qū)分開。該算法利用了膠囊在結(jié)腸內(nèi)的運動以探測息肉形態(tài)并且將它們與結(jié)腸中的其它正常結(jié)構(gòu)的形態(tài)分開。
在該實施例中，發(fā)出的射線典型地配置為“照亮”包圍膠囊的體積的全部或一部分?？蛇x地，對發(fā)射輻射的準(zhǔn)直被配置為優(yōu)選地照亮包圍膠囊的體積的特定扇形，而使其它扇形未照亮。后一種結(jié)構(gòu)可以用來更好地在膠囊移動時探測結(jié)腸內(nèi)的組成成形物，隨著所關(guān)心目標(biāo)從“陰暗”移動到“明亮”而將其探測出。
在下面對動態(tài)跟蹤算法的描述中，為了簡化起見，假設(shè)輻射探測器分布在2D矩形表面上。還假設(shè)來自探測器的數(shù)據(jù)映在2D矩形表面上，其中探測器的數(shù)據(jù)由在與康普頓背散射光子的能量窗對應(yīng)的特定能量窗中諸如每一積分時間的計數(shù)率的性質(zhì)的測量讀數(shù)所表示。這樣，3D結(jié)腸內(nèi)腔被映在2D矩形表面上。
在動態(tài)跟蹤算法的第一步中，對于2D表示表面上的每個細分來說，每個準(zhǔn)直儀“看見”的相對距離被計算，例如，利用諸如上文描述的方程式1的矩陣算法。圖14A、14B和14C各自的表面120A、120B和120C以及圖15A、15B和15C各自的表面122A、122B和122C為各自的時間點處這種相對距離表示表面的示例性表現(xiàn)。
在該算法的第二步中，表示細分的讀數(shù)和表示所有相鄰細分的各自的讀數(shù)之間的差被計算(直到2D表面上6個相鄰段)。
在第三步中，根據(jù)泊松分布計算閾值，例如相對于細分值+/-σ。例如，如果Nij為細分ij處的讀數(shù)(在第一步中所描述的分析之后)，閾值將為一個∑(即，+/-Nij的平方根)。只有細分值的至少一個∑的讀數(shù)用在下文緊接描述的第四步中。
在第四步中，新的2D表面被繪制，其中像素表示第一張2D圖(即，圖14A-C和15A-C各自的表面120A-C和122A-C)的細分之間的差異。該表示的結(jié)果是代表時間導(dǎo)數(shù)的一系列2D時間形態(tài)，其描繪出了膠囊在結(jié)腸內(nèi)的運動并且顯示了膠囊行進時的不同形態(tài)。圖14A、14B和14C各自的表面124A、124B和124C以及圖15A、15B和15C各自的表面126A、126B和126C為各自的時間點處代表這種差異的示例性的曲面表示。例如·移動前部的形態(tài)(有幾條相關(guān)的路線組成)為一條線，如圖15A-C的線128。
·具有圓柱對稱(在3D膠囊空間中)的移動前部的形態(tài)表現(xiàn)為與2D不同空間相交的線性脊，諸如圖15A-C中的脊130。這種移動前部可能與壁運動或與壁相關(guān)的膠囊運動相關(guān)。
·具有獨立形態(tài)的活動對象可能與息肉或其它組織畸變相關(guān)，如圖14A-C中所示。
在該算法的第五步中，這些2D不同的圖對觀察專家顯示為動畫系列，以便幫助他評估可能的異常，諸如息肉。
對于一些應(yīng)用來說，該算法使用了以來自探測器的讀數(shù)為基礎(chǔ)的自相關(guān)函數(shù)以估計膠囊當(dāng)前的3D運動。這種自相關(guān)函數(shù)的使用通常提高了信噪比。通過根據(jù)多個積分時間段而不是利用單個積分時間估算讀數(shù)而使該信息隨后可用于關(guān)聯(lián)來自相鄰細分的讀數(shù)并因此增大積分時間。通過使關(guān)聯(lián)的讀數(shù)平均化造成的積分時間的增大通常減小了噪音。來自MEMS加速度傳感器芯片(圖9A)的數(shù)據(jù)也可以用于此關(guān)聯(lián)，或者作為驗證測量。
由該算法提供的動態(tài)分辨率通常允許從距離膠囊較遠距離處的分辨息肉，甚至使用較少數(shù)量的探測器。盡管較少數(shù)量的探測器沒有準(zhǔn)直或稍加準(zhǔn)直(因此，它們視野重疊)，但是不使用該算法的話，將通常導(dǎo)致較低的靜態(tài)分辨率(其由輻射源準(zhǔn)直決定)。
利用動態(tài)分析的其它算法可用于探測結(jié)腸內(nèi)的息肉或其它組織異常并且將它們同正常的結(jié)腸壁運動(例如，結(jié)腸肌肉收縮)和結(jié)腸內(nèi)的膠囊運動區(qū)分開。特別地，使用與那些所描述的類似的動態(tài)分析算法可以適于與上述實施例一起使用，以增強和提高對空間和時間變化的穩(wěn)健性和抗擾性。特別地，動態(tài)分析可以連同靜態(tài)分析一起使用以提高對諸如息肉的異常的探測和評估。
參考圖5，其為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的膠囊50的時分多路傳輸結(jié)構(gòu)的示意圖。在該實施例中，膠囊50包括至少一個防輻射護罩68。該膠囊如此配置，以使得護罩68在膠囊位于胃腸道中的一段時間內(nèi)阻礙從輻射源60發(fā)出的輻射。對于一些應(yīng)用來說，該局部阻礙通過移動護罩68完成?？蛇x或額外地，該阻礙通過移動輻射源60完成。對于一些應(yīng)用來說，輻射源60連接到移動桿80上。在靜止階段，當(dāng)膠囊不采集數(shù)據(jù)時，輻射源60定位在護罩68后面，以使得朝受治療者身體逸出的輻射量最小。在使用階段，當(dāng)膠囊50采集數(shù)據(jù)期時，桿80諸如通過低功率致動器84(例如，聲圈線性致動器或壓電直線電機)往復(fù)移動。桿80的運動將輻射源60暴露給不同的準(zhǔn)直儀63，造成輻射源60在不同的時間照亮圍繞膠囊的球體區(qū)域的不同角度的扇形。探測器62與輻射源位置時間同步地探測來自包括介質(zhì)的結(jié)腸內(nèi)容物的康普頓背散射光子或X射線熒光光子。
對于一些應(yīng)用來說，輻射源60包括同位素，例如氚1201、碘111、碘131、鎵67、锝99m或者鈀100。對于一些應(yīng)用來說，桿80包括重金屬，諸如鎢、鉛或鉭。對于一些應(yīng)用來說，護罩68包括高原子序數(shù)物質(zhì)，諸如鎢、金或鉭。
利用這些技術(shù)，系統(tǒng)分辨率可以通過調(diào)節(jié)“照亮”體積控制。例如，較高強度的輻射源可以放在膠囊中，并且通過控制輻射源的準(zhǔn)直角度能夠獲得極窄的高分辨率觀察體積。在該結(jié)構(gòu)中，用于受治療者的總輻射暴露仍然較小。
人體結(jié)腸的生理和解剖是這樣的，即結(jié)腸內(nèi)容物大部分時間(在平均24-72小時期間)是不動的，并不時地混合一點而不是向前移動。每隔數(shù)小時，收縮開始，其在結(jié)腸內(nèi)產(chǎn)生壓力(直到平均200毫米汞柱)將材料向前朝向肛門擠壓。為了使受治療者輻射暴露最小化，輻射源60的機動往返運動典型地僅在膠囊感應(yīng)到表示結(jié)腸內(nèi)逼近的塊狀運動的內(nèi)腔壓力增大時和/或當(dāng)膠囊使用MEMS加速度傳感器芯片感應(yīng)到表示膠囊可能的逼近運動的角度變化時激活。在膠囊沒有感應(yīng)到任何壓力或傾角方面的變化并且接近結(jié)腸壁的探測器的XRF讀數(shù)處于穩(wěn)態(tài)期間，輻射源60穩(wěn)定在護罩68的中心。
輻射源60的機動往返運動導(dǎo)致輻射源隨著其在護罩68后面往復(fù)運動時發(fā)出穿過準(zhǔn)直儀63的伽馬或X射線輻射。準(zhǔn)直儀63如此布置，以使得在任何給定時間，只有準(zhǔn)直儀的預(yù)定子部分發(fā)出射線。只有當(dāng)希望膠囊采集數(shù)據(jù)時暴露輻射源通常減少了受治療者所暴露的輻射量。
在本發(fā)明的一實施例中，致動器84和桿80如此布置，以使得桿80根據(jù)受迫機械振蕩器的動態(tài)移動。在該布置中，桿80與至少一個彈簧(彈簧未顯示)相連，從而使得桿與彈簧的組合構(gòu)成一具有特定諧振頻率的機械振蕩器。以該頻率或接近該頻率，使桿80移動所需的能量達到最小。致動器84提供由于摩擦而損失的能量。在桿運動的兩端，桿減慢。桿、彈簧和準(zhǔn)直儀典型地如此布置，以使得輻射源在桿減速的位置處暴露給準(zhǔn)直儀的開口。
在本發(fā)明的一實施例中，處理單元整合在膠囊中，以使得在膠囊內(nèi)可以實時進行有限的數(shù)據(jù)分析。特別地，膠囊可以計算測量數(shù)據(jù)的自相關(guān)函數(shù)并且將該信息合并以便確定膠囊是否由于除了塊狀運動引發(fā)壓力之外的重力或其它外力而在結(jié)腸內(nèi)移動。特別地，MEMS加速表和自相關(guān)函數(shù)相結(jié)合可以幫助確定膠囊是否穩(wěn)定或者在結(jié)腸內(nèi)移動。膠囊因此連續(xù)進行輻射源移動直到膠囊靜止下來為止。
在本發(fā)明的一實施例中，護罩68可以至少部分地包括磁性材料，以使得護罩作為致動器84的一部分起作用(例如，當(dāng)致動器包括聲圈致動器時)。在該實施例中，通常不需要專用磁鐵。
在本發(fā)明的一實施例中，造影劑與例如球狀顆粒的鐵磁粒子混合。當(dāng)膠囊進入結(jié)腸時，這些粒子被磁性地吸引到膠囊上，并且形成隨膠囊傳送的增大的質(zhì)量，從而使膠囊減速并且加大了息肉的探測概率。對于一些應(yīng)用來說，護罩68包括電磁鐵，其可以開啟或關(guān)掉，從而允許或強迫鐵磁粒子與膠囊分離。
現(xiàn)在參考圖6A-E，其為根據(jù)本發(fā)明的各實施例連接有可膨脹氣囊140的膠囊50的示意圖。包圍膠囊50的氣囊140的膨脹典型地將膠囊遠離氣囊的外表面朝向氣囊的中心移動。因此，膠囊定位成接近結(jié)腸內(nèi)腔的中心。這種定位通常改進了用于息肉和其它組織異常探測的膠囊在各方面的系統(tǒng)分辨能力。使用氣囊結(jié)構(gòu)探測組織異常和息肉的方法與不包含氣囊的那些實施例基本相同。
在這些實施例中，氣囊140適于在膠囊50到達引起臨床注意的區(qū)域(典型地為結(jié)腸)時膨脹。膠囊50典型地使用這里描述的方法探測其到達結(jié)腸。對于一些應(yīng)用來說，為了膨脹，氣囊140包含或連接到一種當(dāng)其與結(jié)腸內(nèi)容物中的水相接觸時釋放氣體(例如，CO2)或凝膠的材料。例如，氣囊140可以包括定位在氣囊外表面上的化合物142。化合物142暴露于結(jié)腸內(nèi)容物和氣囊內(nèi)部。用于使氣囊膨脹的其它方法對于已經(jīng)閱讀本申請的本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，并且在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
對于一些應(yīng)用來說，氣囊140包括釋放閥144，其配置為當(dāng)該閥與結(jié)腸內(nèi)容物中的水接觸時緩慢溶解。閥144典型地配置為在稍長于膠囊通過結(jié)腸所需的期望時間的一段預(yù)定時間后溶解。閥144的溶解允許容納在氣囊140中的氣體從氣囊中逸出，從而使氣囊放氣。該機構(gòu)保證了膠囊和氣囊不會令人不希望的堵塞結(jié)腸中的物體通道。
參考圖6C和6D。在本發(fā)明的一實施例中，膠囊50涂有適于在pH、諸如約為7時溶解的pH敏感涂層150，其可能發(fā)生在小腸末端和結(jié)腸中?？蛇x或者額外地，其它結(jié)構(gòu)被用于探測膠囊到達結(jié)腸中，諸如和與結(jié)腸中細菌釋放的酶起反應(yīng)并溶解的聚合物相結(jié)合的機構(gòu)。這些細菌在結(jié)腸中相對于胃腸道的其它部分具有顯著的存在率。例如，可以使用諸如AicelloChemical Co.，Ltd.(Aichi，Japan)所出售的pH敏感涂層和細菌溶解內(nèi)涂層的組合。
再次參考圖6C和6D。在本發(fā)明的一實施例中，膠囊50進入結(jié)腸由探測壓力波圖形方面的變化和/或由于造影劑產(chǎn)生的XRF的存在率而確定。這些指標(biāo)還可能用于觸發(fā)機械或化學(xué)作用，以釋放外部涂層或使來自結(jié)腸內(nèi)容物的水能夠進入第一涂層下面的層中。在這些實施例中，氣囊140的外表面包括允許水和造影劑進入氣囊140的半透膜152。對于一些應(yīng)用來說，氣囊140包括超吸收水凝膠層153，其在水流過半透膜152時膨脹。對于一些應(yīng)用來說，諸如通過長的柔性連接元件154將膠囊50連接到半透膜152上，以使得膠囊50保持在氣囊140中。對于這些應(yīng)用來說，氣囊140典型地具有大于膠囊50的長度，并且具有大于結(jié)腸的寬度，以使得膠囊傾向于沿著結(jié)腸的長度定向。另外，對于一些應(yīng)用來說，氣囊140包括一個或多個適于使氣囊圍繞膠囊延伸的支撐元件156。元件156可以例如包括諸如記憶成形鎳鈦諾的材料(例如，由Memory-Metalle GmbH(Weil amRhein，Germany)出售)。
在本發(fā)明的一實施例中，氣囊140超出膠囊50范圍的膨脹產(chǎn)生了充氣介質(zhì)，其中存在可忽略不計的康普頓散射。因此，康普頓背散射在氣囊140與結(jié)腸內(nèi)容物的邊界上開始，典型地距離膠囊50的外表面約0.5和1.5厘米之間。在該結(jié)構(gòu)中，為了測量從膠囊50的外表面到結(jié)腸壁的總距離，膠囊50計算兩個單獨距離的總和(a)在氣囊內(nèi)部從膠囊到氣囊外表面的距離和(b)從氣囊外表面到結(jié)腸壁的距離。
對于一些應(yīng)用來說，利用一種或多種下列方法進行從膠囊到氣囊外表面的距離的測量·康普頓背散射用于測量從膠囊到氣囊表面的距離變化，因為這些變化由背散射的康普頓光子總數(shù)的巨大變化所反映。這是由于在氣囊內(nèi)部基本不存在背散射的事實。因此，氣囊表面的距離變化反映在背散射率方面的變化，如1/R^2，其中R為到氣囊表面的距離。由于氣囊以外的變化所引起的康普頓背散射方面的變化較小。可選擇地，對于一些應(yīng)用來說，這些變化與氣囊外部的XRF方面的變化相關(guān)。
·根據(jù)背散射投影尺寸估算從膠囊到氣囊表面的距離。這是已知的，這是因為準(zhǔn)直幾何形狀為已知的并且康普頓散射在充氣氣囊內(nèi)基本忽略不計，并且因此僅在氣囊和結(jié)腸內(nèi)容物的界面處開始。
·如圖6B所示，氣囊表面充滿諸如鎢或鉭的高密度材料的點粒子158。當(dāng)利用來自膠囊50內(nèi)部的輻射源60的伽馬和/或X射線光子照亮粒子158時，一些XRF(具有特殊光譜線)由膠囊上的輻射探測器62探測到。到這些點源的距離可以利用用于來自一些探測器的特定能量窗的計數(shù)率來計算，利用下列方程式 (方程式2)距離取決于到點源的范圍r和角度。
氣囊140的表面包括(例如，充滿)小的伽馬和/或X射線輻射點源160，如圖6E所示。點源160典型地包括短壽命伽馬輻射源，諸如氚1201、銦111，或發(fā)射具有一個或多個能級的伽馬射線的其它材料。從氣囊表面到這些點源的距離典型地參考方程式2利用上面剛剛描述的方法確定，并加以必要的變更。
為了估算從氣囊表面到結(jié)腸壁的距離，膠囊典型地分析從造影劑(或胃腸道中的其它口服高原子序數(shù)物質(zhì))發(fā)出的XRF。XRF計數(shù)率與位于結(jié)腸和氣囊表面之間的混合有造影劑的結(jié)腸內(nèi)容物的體積相關(guān)，例如，成比例關(guān)系。
再次參考圖6E。如上所述，在本發(fā)明的一實施例中，氣囊140的表面包括輻射點源160。在該實施例中，膠囊50典型地包括輻射源60。在該實施例中，膠囊50和/或外部數(shù)據(jù)分析軟件繪制(a)氣囊140外表面的幾何形狀，和(b)(i)接觸氣囊140或(ii)處于氣囊140附近的結(jié)腸的解剖結(jié)構(gòu)。典型地，氣囊140包括小于40個的點源160，并且膠囊50包括小于40個的輻射探測器62。從點源160發(fā)出的光子沿各個方向行進。朝輻射探測器62行進的光子被處于光子各自的能量窗的探測器所探測。朝著結(jié)腸內(nèi)容物方向行進的一部分光子經(jīng)過康普頓散射，使得一些光子返回與入射光子成大約180度的探測器。這些散射光子通過膠囊輻射探測器和相關(guān)的電子設(shè)備在適當(dāng)?shù)哪芰看疤幖拇?。膠囊50和/或外部數(shù)據(jù)分析軟件使用(a)點源160彼此之間在氣囊表面上的位置信息和(b)由排列在膠囊上的探測器對初始光子和散射光子的探測以繪制結(jié)腸的解剖結(jié)構(gòu)，而不管這些部分是否與氣囊接觸。典型地，每一點源的位置和來自每個點源的背散射成分通過解線性方程而確定，該方程描述了由多個探測器所進行的點源探測。求解該方程是可能的，因為該膠囊典型地包括多個探測器和更少數(shù)量的多個點源。
對于一些應(yīng)用來說，下列算法用于執(zhí)行該繪圖·膠囊50記錄每個初始(即，入射)能量窗在每個積分時間間隔處的光子數(shù)，點源160在初始能量窗處產(chǎn)生光子。
·膠囊50記錄與初始能量窗相對應(yīng)的每個康普頓大約180度背散射能量窗在每個積分時間間隔處的光子數(shù)，點源在初始能量窗處產(chǎn)生光子。
·對于每個探測器尺寸D(Ek)i，每個初始能量窗Ek的計數(shù)設(shè)定為等于從所有可能的“被觀察”源到達的光子和，即 (方程式3)其中Sij為特定能量窗的點源的已知強度(或表示多個已知點源之間關(guān)系的矩陣)，并且θ(r，)為點源Sij的幾何形狀和探測器探測數(shù)D(Ek)i的未知函數(shù)關(guān)系。例如，下列方程式可以作為θ(r，)的表示 (方程式4)使用矩陣形式，線性轉(zhuǎn)換可以寫成如下D＝Sφ(方程式5)點源強度之間的關(guān)系典型地在膠囊制造期間或者在氣囊膨脹之前步驟的開始階段測量并存儲在膠囊內(nèi)存中。這些關(guān)系在點源160的放射性同位素示蹤材料的全部壽命中保持不變。
·因為測量矩陣D和點源矩陣S已知，有可能變換S，這是因為S為良性并且可逆的，并且φ值如此計算φ＝S-1D(方程式6)其中φ為加權(quán)函數(shù)，其值與氣囊表面相對于探測器表面的空間幾何形狀相關(guān)，例如成比例關(guān)系，其中加權(quán)矩陣的主導(dǎo)規(guī)則為負二次方規(guī)則。換句話說，從遠方探測的輻射源的強度與點源到輻射探測器之間距離的平方成反比?？梢赃M一步表明的是為了求解點源的位置，輻射探測器的數(shù)量應(yīng)當(dāng)至少是點源數(shù)量的三倍。
用于計算輻射源在氣囊上的位置并且外推氣囊表面形狀的其它方法也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
對于一些應(yīng)用來說，XRF光子的分析用于估算從氣囊表面到結(jié)腸壁的距離，單獨或者與上文描述的測距方法一起使用。對于一些應(yīng)用來說，除了氣囊之外的結(jié)構(gòu)用于有效地產(chǎn)生類似于氣囊的作用，例如，輻射源向外邊界的延伸接近結(jié)腸壁。當(dāng)這種其它結(jié)構(gòu)使用時，用于繪制結(jié)腸解剖結(jié)構(gòu)的方法(諸如上文所描述的算法)適當(dāng)?shù)馗膭右园ㄟ@些其它結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的一實施例中，提供一種根據(jù)異常和正常結(jié)腸組織之間的密度差而從結(jié)腸內(nèi)腔內(nèi)部識別息肉、結(jié)直腸癌或其它異常的算法。該算法還有助于探測沒有鼓起到結(jié)腸內(nèi)腔中的癌組織和平坦息肉(西方世界中大約5％的息肉，以及在日本超過10％的息肉)。還可以使用處理數(shù)據(jù)集并且利用測量值之間的關(guān)聯(lián)提高信噪比的其它方法。(隨后的描述涉及單背散射能以及多背散射能和高、低背散射能之間的關(guān)系(例如，比率或差)。)在膠囊50或氣囊140的至少一部分與結(jié)腸壁或其它內(nèi)部結(jié)構(gòu)接觸時使用該算法通常得到最佳結(jié)果，使得在一個或多個輻射探測器62和結(jié)腸壁或其它結(jié)構(gòu)之間基本不存在造影劑。膠囊50典型地與結(jié)腸壁緊密接觸地行進，這是因為膠囊典型地由于結(jié)腸壁的蠕動擠壓而在結(jié)腸中前進。
該算法典型地當(dāng)確定了可吞服裝置的至少一部分已經(jīng)接觸到結(jié)腸壁或其它內(nèi)部結(jié)構(gòu)時進行。例如，該確定可能通過探測在該裝置接觸部分處的XRF光子減少到大致為零而做出，其表示在該裝置和結(jié)腸壁或其它結(jié)構(gòu)之間基本不存在造影劑。
該算法分析響應(yīng)于由輻射源60和/或氣囊140表面上的點源160(圖6E)發(fā)出的入射光子而產(chǎn)生的大約180度康普頓背散射光子數(shù)。該算法利用主分量分析(PCA)處理“觀察”同一照亮區(qū)域的相鄰探測器的計數(shù)，如下。下列方程式為一般矩陣方程，其描述了對基于來自N個相鄰象素的N的測量值的主分量的轉(zhuǎn)換Y＝UX(方程式7)其中，X為背散射光子數(shù)的矩陣(或者不同能量窗的背散射光子之間的一些關(guān)系，例如，比率或差，諸如高能量窗除以低能量窗)。與每個象素Y相關(guān)的為主分量矩陣。U為由X的方差-協(xié)方差矩陣推導(dǎo)出的N×N單位矩陣，Cx＝XTX(方程式8)其中，變量xjf，j(j＝1到N)，N為中心平分的。矩陣U的行是Cxx的標(biāo)準(zhǔn)特征向量。主分量的協(xié)方差矩陣隨后為Cxy=UCxxUTT]]>(方程式9)并且主分量(PCs)的變量為Cx的特征向量，排序使得λ1＞λ2...＞λN。
因為U為酉變換，總的數(shù)據(jù)方差被保存，即，Σj=1xσxij2=Σi=1xλj]]>(方程式10)其中σx2為原始變量xj的方差。方差的再分配在信息恢復(fù)中是有用的。因為主分量為不相關(guān)的，并且每個Yj具有小于前述分量的方差，一些主分量將包含很大百分比的總方差。換句話說，人們期望，對于諸如結(jié)腸肌肉壁的通常同種組織層來說，總數(shù)據(jù)方差的大部分可以由單個主分量描述。另一方面，息肉和/或癌組織的存在將引發(fā)來自結(jié)腸壁的背散射光子數(shù)比率增大的變化(與一致的結(jié)腸肌肉成分相比)。Cx的復(fù)合結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致兩個關(guān)聯(lián)項(即，兩個主分量)的存在，其描述了在一個以上的主分量中的很大一部分的總方差。
在本發(fā)明的一實施例中，除了對來自相鄰探測器象素的數(shù)據(jù)進行靜態(tài)分析外，如上所述，當(dāng)膠囊穿過結(jié)腸時，在其連續(xù)位置上執(zhí)行同一數(shù)學(xué)公式。從不同探測器采集到的數(shù)據(jù)的自相關(guān)函數(shù)被用于評估本地運動。(該技術(shù)有點類似于使用光學(xué)分析技術(shù)估計光學(xué)電腦鼠標(biāo)的變化的位置。)在本發(fā)明的一實施例中，提供了用于探測和辨別結(jié)腸內(nèi)氣體和諸如息肉的組織異常的方法。氣泡不時地形成于結(jié)直腸內(nèi)腔中。這些氣泡可能被錯誤地辨別為結(jié)腸中可能的息肉或其它組織畸變。在該實施例中，實現(xiàn)了一套算法工具和支持硬件以幫助區(qū)別結(jié)腸內(nèi)的氣泡和息肉或其它組織畸變。這些算法工具包括但不限于·來自氣體的康普頓散射明顯低于(典型地，幾乎不存在)來自組織(正常和異常)的康普頓散射。因此，氣泡表現(xiàn)為在所有能量窗中減小的康普頓散射。另外，高、低能量之間的關(guān)系(例如，比率或差)在有氣泡存在的情況下不會變化很大。因此，對所有能量窗中減小的康普頓散射和上述關(guān)系中較小的變化的識別是存在氣體的指示，因為光子通過較少的造影劑。
·除了康普頓散射光子，膠囊還典型地適于探測由造影劑的高原子序數(shù)的原子發(fā)出的X射線熒光光子。由于較低的原子序數(shù)并且主要地由于較低的密度，使得結(jié)腸內(nèi)的空氣和其它氣體不發(fā)射XRF。這使得根據(jù)康普頓散射光子和X射線熒光光子之間的比率能夠區(qū)分氣泡和息肉。
·在形成時，由于重力作用，氣泡傾向于升至內(nèi)腔的頂部。因此，利用來自MEMS芯片的相對于重心信息的傾角，可以確定是否已經(jīng)探測到可能的氣泡。利用關(guān)于重力方向的信息，有可能確定相對于可能探測到與氣泡相關(guān)的計數(shù)率方面的變化的任何立體角扇形的氣泡位置。
·氣泡穩(wěn)定時在其底部具有平面。因此，它們實現(xiàn)不同于結(jié)腸內(nèi)的息肉或其它凸起的組織異常。
·氣泡在非穩(wěn)定時遠離萬有引力拉動行進。因此，利用來自MEMS芯片的信息，可以確定可能的氣泡是否靠近膠囊。
·在結(jié)腸的最后部分和直腸內(nèi)，氣體可以形成并且隨后從肛門排出。這表現(xiàn)為XRF輻射數(shù)和康普頓散射數(shù)在幾秒和幾分鐘內(nèi)的逐漸減少，隨后一旦氣體釋放就突然回到高位值。
·為了減少結(jié)直腸內(nèi)腔中的氣體數(shù)量，諸如炭化合物或民用產(chǎn)品中用于吸收胃腸道中氣體的化合物的其它吸收劑可以與造影劑混合或者與其一起服下。
·對于一些應(yīng)用來說，利用聲波(例如，超聲)探測氣泡的存在。氣泡與結(jié)腸內(nèi)腔中的息肉和其它組織異常相比具有明顯不同的聲音發(fā)射性質(zhì)。
在本發(fā)明的一實施例中，其中輻射源60包括放射性同位素，該放射性同位素發(fā)出貝塔射線。這種貝塔發(fā)射器例如可以包括磷32、硫35或氙133。該放射性同位素放在諸如金、鉛、鎢或其它高原子序數(shù)的高原子序數(shù)金屬外殼內(nèi)。所選材料典型地具有較高能量的XRF線(例如鎢，具有67keV的XRF)。該裝置產(chǎn)生XRF次光子輻射作為貝塔電子激發(fā)的結(jié)果。
在本發(fā)明的一實施例中，一種節(jié)能協(xié)議被用于當(dāng)膠囊進入結(jié)腸之前在胃腸道中行進時節(jié)約電池電能。根據(jù)這一協(xié)議，使用了上文所描述的用于探測膠囊已經(jīng)到達結(jié)腸的一種或多種方法。一旦已經(jīng)探測出到達結(jié)腸，膠囊開始數(shù)據(jù)采集以便探測結(jié)腸內(nèi)的息肉。該數(shù)據(jù)采集典型地持續(xù)平均24到72小時之間。為了使來自膠囊的輻射暴露最小化，該膠囊設(shè)計為僅在其將要移動時發(fā)射輻射。這種逼近的運動可能例如通過感應(yīng)結(jié)腸內(nèi)容物的壓力變化探測出；該膠囊在壓力相對于時間的梯度經(jīng)過某一閾值時激活。可選或者額外地，如果膠囊改變其相對于地球萬有引力矢量的傾角(這可以利用MEMS加速表芯片進行探測)的話，可能激活膠囊。位于某一閾值之上的該相對傾斜方面的變化可以指示膠囊即將移動?？蛇x或額外地，該膠囊可以使用用于確定何時激活輻射源的這些指標(biāo)的組合。
可選或額外地，對于膠囊包括氣囊140的應(yīng)用來說，如上文參照圖6A-E所描述，用于激活探測器的觸發(fā)器可以包括測量氣囊內(nèi)氣體壓力的壓力計。當(dāng)結(jié)腸壁開始運動時，在氣囊內(nèi)形成壓力，從而激活膠囊以接通之前一直失效以節(jié)能的探測器通道和其它電子設(shè)備電路。在壓力減少之后，可選擇地在延遲之后，膠囊恢復(fù)到靜止的工作狀態(tài)。
對于一些應(yīng)用來說，當(dāng)膠囊處于其靜止工作狀態(tài)時，利用逸出護罩的高能光子，通過監(jiān)視來自不同探測器的康普頓背散射數(shù)而進行氣囊上的壓力的測量。來自這些探測器的讀數(shù)變化可以顯示出氣囊處于較高壓力，并且因此該膠囊應(yīng)當(dāng)以預(yù)期可能的運動轉(zhuǎn)換為完全活動狀態(tài)。
在本發(fā)明的一實施例中，在服下膠囊之前受治療者吃下特別準(zhǔn)備的飲食。該飲食包括如上文所述的造影劑和適度的瀉藥，以軟化腸內(nèi)容物并促進大腸運動，從而減少膠囊的平均通行時間。更短的通行時間通常允許在膠囊中每單位時間內(nèi)使用更多的能量，并且通常能夠使用用于輻射源60的短壽命放射性同位素，諸如锝99m(其具有6小時的半衰期)。
在本發(fā)明的一實施例中，放置在受治療者身體上的輻射探測器用于追蹤膠囊的位置。測量來自一些彼此之間具有已知相對位置的探測器的被探測輻射的相對強度能夠?qū)崟r跟蹤膠囊的位置。探測器的位置可以通過磁性位置標(biāo)記系統(tǒng)或本領(lǐng)域已知的其它位置跟蹤系統(tǒng)進行跟蹤。
在本發(fā)明的一實施例中，受治療者服下具有高原子序數(shù)(即，原子序數(shù)至少為50，典型地在60到100之間)并且響應(yīng)于入射伽馬和/或X射線輻射發(fā)出較亮的X射線熒光的口服制劑。這種制劑例如可以包括通常用作胃腸道造影劑的硫酸鋇\碘基化合物或釓基化合物，或者發(fā)出具有較高能量(鋇為32keV)的X射線熒光的其它化合物。該材料通常限制在胃腸內(nèi)腔中。高原子序數(shù)制劑充滿結(jié)腸內(nèi)腔的體積并且通過顯示體積未被高原子序數(shù)制劑占據(jù)的地方來協(xié)助探測息肉及其它組織畸變。
除了下文描述的之外，本實施例的工作原理與上文所描述實施例中的原理類似。如同在這些其它實施例中一樣，膠囊發(fā)出伽馬和/或X射線輻射以照亮膠囊的附近。然而，不同于其它實施例的是，該照明的目的是激勵高原子序數(shù)制劑以發(fā)出X射線熒光(XRF)。由XRF處理所發(fā)出的X射線輻射隨后被膠囊探測并處理。
參考圖11A-D，其為顯示了根據(jù)本發(fā)明的一實施例測量的實驗結(jié)果的圖表。圖11A、11B和11C為顯示了根據(jù)本發(fā)明的一實施例使用厚度分別為1厘米、2厘米和3厘米的2％的硫酸鋇高原子序數(shù)制劑的能譜圖表。每個圖表顯示了硫酸鋇XRF光譜線180和以180度的背散射角測定的康普頓背散射光譜線182。從圖表中可以看出，XRF光子計數(shù)率取決于高原子序數(shù)制劑(BaSO4)的厚度。圖11D為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的硫酸鋇XRF光譜線對比高原子序數(shù)制劑厚度的整體圖，其也說明了光子計數(shù)率對高原子序數(shù)制劑的相關(guān)性。(實線顯示了平均計數(shù)率，虛線顯示了加或減一標(biāo)準(zhǔn)偏差。)分析由膠囊接收的XRF數(shù)據(jù)通常與上文所描述的實施例中進行的分析類似。然而，XRF光子數(shù)在存在息肉或其它組織異常的情況下減少，而康普頓散射光子數(shù)在存在息肉或其它組織異常的情況下增加。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，康普頓散射光子和XRF光子數(shù)被測量，并且利用綜合信息，以識別息肉或其它組織異常的存在。在該XRF/康普頓實施例中，所述兩種不同類型的輻射通過與兩個單獨的能量相對應(yīng)的不同的能量窗進行評估被分別計算。典型地，輻射源的光子能量被選取使得來自膠囊的入射光子具有足夠高的能量使得大約180度康普頓散射能量與造影劑的XRF充分分開。XRF光子數(shù)和康普頓散射光子數(shù)的使用典型地改善了來源于被接收光子的統(tǒng)計數(shù)值。
在本發(fā)明的一實施例中，康普頓散射光子和XRF光子的組合被用于估算從膠囊上的每一個探測器到結(jié)腸內(nèi)腔壁的絕對距離。該信息隨后用于(典型追溯地，當(dāng)分析來自膠囊地數(shù)據(jù)時)重建作為時間函數(shù)(或作為另一參數(shù)的函數(shù)，諸如在結(jié)腸中的行進距離，典型地利用來自MEMS傳感器或基于來自不同探測器的計數(shù)率的自相關(guān)函數(shù)的信息確定)的結(jié)腸內(nèi)壁表面曲率。
對于一些應(yīng)用來說，下列吸收方程式用于估計在任意給定時間從結(jié)腸壁到膠囊的距離I＝φ(C，D)I0Exp(-μx)(方程式11)其中·I為由探測器測得的光子強度(對于特定能量窗)；·φ(C，D)為描述測量效率的函數(shù)，其取決于準(zhǔn)直的幾何形狀和探測器效率；·I0為輻射源處的光子強度(對于同一特定的能量窗)；
·μ為結(jié)腸內(nèi)容物的吸收系數(shù)，其取決于總化學(xué)成分和特定密度；·x為以厘米計的長度。
對于一些應(yīng)用來說，提供了一種估算吸收系數(shù)μ的方法。下列實驗將有助于理解下文對該方法的描述；·康普頓散射相互影響的概率取決于電子密度，并且因此與結(jié)腸內(nèi)容物的密度成線性比例。
·造影劑中(從膠囊發(fā)出的路途中和在康普頓散射之后返回膠囊的路途中)的大部分光子吸收是由于光電相互作用，其隨函數(shù)Z^5變化；并且·結(jié)腸內(nèi)物質(zhì)的密度與結(jié)腸外并且通常位于體內(nèi)(遠到涉及康普頓散射相互影響的概率)的物質(zhì)密度相似。
用于估算結(jié)腸內(nèi)容物(包括造影劑)的吸收系數(shù)μ的方法典型地包括·確定在任意給定時間時膠囊上的哪個探測器與小腸壁接觸。該確定典型地通過識別在任意給定時間時哪個探測器正在記錄XRF的極低水平來做出，因為這是探測器與壁相接觸的標(biāo)志。(XRF被測量處于響應(yīng)于穿過造影劑的入射光子的高水平。然而，撞擊與小腸壁相接觸的探測器的光子基本不穿過造影劑。)該確定典型地通過分析記錄在外部記錄裝置52中的數(shù)據(jù)做出。估計值由每個探測器與小腸壁相接觸時所記錄的用于每個探測器的平均康普頓散射光子數(shù)得出。這相當(dāng)于上面所示吸收方程中X＝0；·將膠囊的探測器與結(jié)腸壁分開至少一段已知的最小間隔距離。正在記錄最小距離的探測器因此位于該已知的最小間隔距離。對于一些應(yīng)用來說，利用諸如下文參考圖7A或7B描述的延伸裝置完成分離。該分離在膠囊進入結(jié)腸時進行。膠囊進入結(jié)腸可以利用諸如上文所描述的多種方法探測；以及·利用方程式11和在本方法前兩個步驟中測定的康普頓散射計數(shù)率來計算包括造影劑的結(jié)腸內(nèi)容物的吸收系數(shù)μ。
利用該計算值μ，計算從任意探測器到靠近結(jié)腸壁部分的隨時間變化的距離，經(jīng)過該探測器穿過結(jié)腸的全部運動周期。在實施例中，該計算根據(jù)使用半對數(shù)表的模型，其中計數(shù)率在y軸上，并且距離在x軸上。該圖的斜率是計算出的μ，其基于在該μ計算方法前兩個步驟中獲得的測量值。
在本發(fā)明的一實施例中，受治療者吞服放射性同位素示蹤材料，其為難吸收的并且僅在胃腸道中停留。隨后，受治療者吞服設(shè)置有與佩帶在受治療者身上的外部記錄裝置相連的伽馬射線傳感器的膠囊。除了在此描述的之外，本實施例的工作原理與上文所描述實施例中的原理類似。
本發(fā)明的該實施例基于參考圖3描述的下列物理原理，其中圖3為顯示了實驗的示例性實驗結(jié)果的圖表，所述實驗與上文根據(jù)本發(fā)明的一實施例參照圖2A-E所描述的實驗類似。類似于圖2A-D中的容器12的容器充滿放射性同位素標(biāo)記的液體或低粘度凝膠，并且與圖2A-D中的氣囊18類似的充水小球放置在容器的底部。與圖2A-D中的探測器16類似的準(zhǔn)直輻射探測器在容器上方通過，保持與容器底部相隔恒定的距離(在該實驗中沒有使用與圖2A-D中的輻射源14類似的輻射源)。在沿著探測器路徑的多個點處，記錄每秒的伽馬或X射線輻射數(shù)。當(dāng)探測器通過水囊位置(位置C)的上方時，計數(shù)率讀數(shù)下降，如圖3中所示。兩種物理原理結(jié)合產(chǎn)生這種效果·因為介質(zhì)為液體或者低粘度凝膠，放射性物質(zhì)的濃度在該介質(zhì)中均勻分布，假設(shè)在引入放射性同位素之后已經(jīng)經(jīng)過了足夠的時間；和·每單位時間探測到的光子數(shù)目與校準(zhǔn)的探測器“觀察”的體積成正比。換句話說，探測源自衰減成更加穩(wěn)定核的同位素的光子的概率與準(zhǔn)直探測器所“觀察”的放射性核的體積成正比。
該實施例的工作原理通常類似于上文所述的實施例的原理，除了本實施例的高能光子由受治療者吞服的放射性同位素示蹤材料發(fā)出，而不是從膠囊(或者氣囊的點源)發(fā)出。該放射性同位素示蹤材料典型地與研究結(jié)腸通行時間所用材料相似。例如，該放射性同位素示蹤材料可能為口服追蹤器，諸如碘-131-纖維素，膠囊中利用銦111示蹤的陽離子交換樹脂粒子(直徑0.5-1.8毫米)、鎵67-檸檬酸鹽或口服并保持在胃腸道范圍之內(nèi)的其它此類材料。(例如參見上面提及的Camilleri等的論文。)該實施例的膠囊類似于膠囊50，諸如上文參考圖4所描述的。然而，不同于膠囊50，該實施例的膠囊典型地不包括任何輻射源。此外，該實施例膠囊的輻射探測器典型地被準(zhǔn)直。該輻射探測器典型地布置在球體內(nèi)，使得它們“觀察”膠囊周圍的整個4π平方的球體(或其一部分)。探測器的準(zhǔn)直能夠使每一探測器“觀察”封閉的(相對于球體)扇形體。
該膠囊穿過胃腸道并且測量撞擊其輻射探測器的光子。典型地，該測量通常不斷地進行，除非膠囊處于節(jié)能模式。來源于每一輻射探測器的計數(shù)率信息與每個測量值的時間標(biāo)記存儲在一起。在該裝置的積分時間內(nèi)，假設(shè)膠囊及其周圍的結(jié)腸壁和放射性同位素示蹤材料處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。選取足夠小的時間間隔并且求計數(shù)在這些小時段范圍上的積分考慮了該準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)。這些數(shù)據(jù)存儲在膠囊中并且典型地由膠囊時時發(fā)送給外部記錄裝置。
對來自膠囊的數(shù)據(jù)進行分析與上文所述的分析基本類似。凸出的解剖結(jié)構(gòu)的存在減少了從該區(qū)域接收的伽馬計數(shù)率，由于該結(jié)構(gòu)取代了放射性同位素標(biāo)記的結(jié)腸內(nèi)容物，導(dǎo)致了較小的計數(shù)讀數(shù)。
現(xiàn)在參考圖7A和7B，其為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的延伸元件的示意圖。這些延伸元件在膠囊50達到胃腸道(典型地為結(jié)腸)中引起臨床注意的區(qū)域時張開。在它們膨脹位置，延伸元件使膠囊50與結(jié)腸壁保持小距離。對于一些應(yīng)用來說，膠囊50包括當(dāng)膠囊到達結(jié)腸附近時以化學(xué)觸發(fā)(諸如pH變化)為基礎(chǔ)起反應(yīng)的材料(例如，利用上述Camilleri等的論文中描述的方法)。該化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致延伸元件的展開?？蛇x或額外地，所用材料在胃腸道液體吸收在其中時膨脹，從而使延伸元件張開。
對于一些應(yīng)用來說，膨脹元件包括彈性、柔性材料。該膨脹元件的彈性和撓性是如此的使得即使該元件在小腸中非有意地完全張開，它們也足夠柔軟不會干涉膠囊在小腸中的正常行進。這種延伸裝置可以包括諸如水凝膠的材料。這類材料典型地吸收其重量50倍的重量。典型地，吸收劑被裝入織物中，所述織物允許水進入但防止凝膠逸出。
對于一些應(yīng)用來說，如圖7A中所示，該延伸元件包括腿200?？蛇x地，如圖7B中所示，延伸元件包括可膨脹的環(huán)形結(jié)構(gòu)202。環(huán)結(jié)構(gòu)202由諸如在特定pH情況下溶解于結(jié)腸中的pH敏感材料的溶解材料初始地保持為緊密包圍在膠囊50周圍。當(dāng)溶解材料溶解于結(jié)腸中時，所述環(huán)釋放并圍繞膠囊膨脹。更為可選地，延伸元件包括另一膨脹幾何形狀。
參考圖8A和8B，其為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的附加的延伸元件的示意圖。在這些實施例中，膠囊50典型地包括一個或兩個可膨脹的柔性腔室211，其連接到膠囊50的一端(圖8A)或膠囊的兩端(圖8B)。每個腔室211包括半滲透的可膨脹薄膜212，其包圍超吸收水凝膠214。膠囊50典型地涂有涂層210，其對結(jié)腸的pH值為pH敏感的和/或?qū)Y(jié)腸中所發(fā)現(xiàn)的細菌酶類敏感。當(dāng)膠囊50到達結(jié)腸時，涂層210溶解，允許結(jié)腸液體(諸如水和可能的造影劑)穿過薄膜212并且為水凝膠214所吸收。該水凝膠214的吸收使腔室211膨脹，使得與腔室一起的膠囊50的長度大于結(jié)腸內(nèi)腔的寬度，從而迫使膠囊50的長度定向為與結(jié)腸內(nèi)腔的縱軸平行。腔室211的膨脹還通常在不存在結(jié)腸內(nèi)容物的塊狀運動時使膠囊的運動最慢。即使腔室211在小腸中非故意地完全張開時，腔室不會阻礙小腸中膠囊的運動。
參考圖8C，其為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的又一延伸機構(gòu)的示意圖。在這個實施例中，延伸元件包括展開元件220。展開元件220典型地包括在涂層210溶解時延伸的柔性材料。延伸單元的其它形式和形狀對于已經(jīng)閱讀本申請的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，并且在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
對于一些應(yīng)用來說，其它化學(xué)或非化學(xué)方法用于觸發(fā)此處所描述的各種延伸機構(gòu)的展開。例如，膠囊50可以接收來自受治療者以外位置的信號，或者可以探測表示結(jié)腸特征的電信號，并且響應(yīng)于該信號以機械、電力、化學(xué)或其它方式展開該延伸元件。
在本發(fā)明的一實施例中，造影劑或放射性同位素示蹤(或標(biāo)記)的制劑和/或高原子序數(shù)制劑封裝在膠囊50中或者分離的制劑存儲膠囊中，所述分離的制劑存儲膠囊在環(huán)境pH值變?yōu)槲改c道的希望部分的特征時溶解。在反應(yīng)中，制劑溶解在結(jié)腸附近或其中，從而提高了結(jié)腸中制劑的有效濃度。
在本發(fā)明的一實施例中，膠囊50由導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤，該系統(tǒng)將位置信息加到膠囊數(shù)據(jù)中。這種導(dǎo)航系統(tǒng)可以包括例如一組無線電接收器，其通過在受治療者身體上的不同位置處測量由膠囊傳送的RF信號的相對振幅而跟蹤膠囊。其它實施例利用基于超聲的定位，其中該膠囊充當(dāng)對來自受治療者身體上一些位置處的信號的發(fā)射機應(yīng)答器，并且飛行時間測量提供定位。在一些應(yīng)用中使用了本領(lǐng)域已知的其它定位技術(shù)，諸如基于磁場的位置感應(yīng)。
在本發(fā)明的一實施例中，膠囊50包括連接到其表面上的導(dǎo)電電極以及位于膠囊中由膠囊的微型控制器控制的脈沖發(fā)生器。在該實施例中，該膠囊適于電力地激勵結(jié)腸，從而引起受控的塊體運動(或大量運動)。例如，在結(jié)合于本申請中作為參考的授予Kobozev的美國專利6,453,199，和結(jié)合于本申請中作為參考的RU No.936931 MKI A61 N 1/36 BIR 1982中描述了這種激勵方法，該膠囊典型地重復(fù)執(zhí)行下列步驟(a)從靜止模式喚醒并開始獲得數(shù)據(jù)，(b)激勵結(jié)腸以影響塊狀運動，和(c)當(dāng)塊狀運動停止時，停止獲得數(shù)據(jù)并重新進入靜止?fàn)顟B(tài)。這樣，膠囊可以被控制并且在相應(yīng)的時間獲得數(shù)據(jù)。受治療者也可以得知膠囊已經(jīng)開始其在結(jié)腸內(nèi)部的成像?？蛇x地，受治療者可以選擇開始這種處理的時間。在這種情況下，結(jié)腸的全部普查具有短的持續(xù)時間。這樣，大便為柔軟的并且受治療者在要求完成結(jié)腸和直腸普查的幾分鐘內(nèi)可以選擇使用廁所。
在本發(fā)明的一實施例中，使用此處所描述的觀察和分析技術(shù)在收縮期間觀察結(jié)腸肌肉。健康的結(jié)腸肌肉收縮通常為圓柱對稱的形式。通過觀察與這種圓柱對稱的偏差探測出可能存在的組織異常。這種異?？赡転橄⑷饣蚱渌M織異常，其可以隱藏癌或者癌之前的腫瘤。沿著結(jié)腸的路徑從一個區(qū)域向另一個區(qū)域的偏差也可以顯示出組織異常的存在。
在本發(fā)明的一實施例中，膠囊的電源包括“核電池”，其利用膠囊中的放射性物質(zhì)作為貝塔發(fā)射體。例如，可以使用Shanks的美國專利5,721,462中所描述的方法和裝置，其結(jié)合在本申請中作為參考。
對于一些應(yīng)用來說，在上述美國臨時專利申請60/531,690和/或60/559,695中描述的方法和裝置與此處所描述的方法和裝置結(jié)合使用。
然而，需要注意的是，此處描述的本發(fā)明的一些實施例涉及使受治療者吞服諸如鋇的造影劑(其增大了光子的吸收，并且因此提供了一種將胃腸道壁和內(nèi)腔內(nèi)容物區(qū)分開的方法)，在本發(fā)明的其他實施例中，受治療者改為吞服相對于胃腸道壁具有減少的吸收的造影劑。例如，營養(yǎng)纖維比胃腸道和胃腸道外組織的吸收具有更少的吸收，因此，當(dāng)膠囊經(jīng)過息肉和其他異常時，記錄的康普頓散射光子將減少。包括權(quán)利要求書，在此使用的“造影劑”包括正衰減和負衰減造影劑。
雖然在本發(fā)明的一些實施例中膠囊50和/或數(shù)據(jù)記錄單元52被描述為執(zhí)行特定的計算和/或分析，這些計算和/或分析的全部或一部分可以被外部數(shù)據(jù)分析軟件和/和硬件取代執(zhí)行。類似地，對于一些應(yīng)用來說，通過外部數(shù)據(jù)分析軟件和/和硬件而執(zhí)行的此處所描述的計算和/或分析可以由膠囊50和/或數(shù)據(jù)記錄單元52執(zhí)行。
雖然所描述的本發(fā)明的一些實施例涉及受治療者結(jié)腸的檢查，此處所描述的一些方法還適用于胃腸道其他部分和/或諸如血管的其他人體內(nèi)腔，并加以必要的變更。
為簡明起見，此處描述的本發(fā)明的一些實施例涉及180度的散射角，但典型地也包括180度附近的范圍。例如范圍可以為180度+/-通常小于10、20或30度的范圍參數(shù)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，本發(fā)明不局限于上文特別顯示和描述的情況。相反，本發(fā)明的范圍包括上文所描述的不同特征的組合和再組合以及本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀上述說明書后將會想到的不存在于現(xiàn)有技術(shù)中的變形和改進。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括膠囊，其適于被受治療者吞服，并包括至少一個輻射源，其適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；以及至少一個光子探測器，其適于探測響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的光子，該光子具有至少10千電子伏的能量；以及控制單元，其適于分析與該光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別受治療者胃腸(GI)道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，包括適于由受治療者服下的口服造影劑。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，包括適于由受治療者服下的具有高原子序數(shù)的口服制劑。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，包括適于由受治療者服下的口服制劑，該制劑從由造影劑和高原子序數(shù)制劑構(gòu)成的列表中選出，其中該制劑包括鐵磁粒子，并且其中該膠囊包括適于將該鐵磁粒子吸引到該膠囊的磁鐵。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該輻射源包括微型X射線發(fā)生器。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該輻射源包括放射性同位素。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該輻射源適于發(fā)射伽馬射線。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該輻射源適于發(fā)射X射線。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于分析數(shù)據(jù)的時間導(dǎo)數(shù)，以便產(chǎn)生該信息。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該輻射源包括至少一個準(zhǔn)直儀，其適于準(zhǔn)直由該輻射源發(fā)出的輻射。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該光子探測器包括至少一個準(zhǔn)直儀，其適于準(zhǔn)直由該光子探測器探測的光子。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于區(qū)分該胃腸道中的氣體和該臨床相關(guān)特征。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的X射線熒光(XRF)光子。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的X射線熒光(XRF)光子和響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的康普頓背散射光子。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該膠囊包括加速度傳感器。
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，包括適于保持在受治療者體外的外部數(shù)據(jù)記錄單元，其中該膠囊適于在該膠囊處于該胃腸道中時將信息無線傳送給該數(shù)據(jù)記錄單元。
17.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該膠囊包括從由造影劑和高原子序數(shù)制劑構(gòu)成的列表中選出的制劑，并且其中該膠囊適于存儲該制劑并且將該制劑釋放到該胃腸道中引起臨床注意的區(qū)域。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，包括制劑存儲膠囊，其包括從由造影劑和高原子序數(shù)制劑構(gòu)成的列表中選出的制劑，該制劑存儲膠囊適于存儲該制劑并且將該制劑釋放到該胃腸道中引起臨床注意的區(qū)域。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該膠囊包括壓力傳感器。
20.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該與光子相關(guān)的數(shù)據(jù)包括用于一個或多個預(yù)定光子能量窗的數(shù)據(jù)，并且其中該控制單元適于分析該能量窗數(shù)據(jù)。
21.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其中該與光子相關(guān)的數(shù)據(jù)包括每一時間間隔的光子數(shù)量，其中該光子探測器適于計數(shù)被探測的光子，以及其中該控制單元適于分析光子的統(tǒng)計數(shù)量。
22.根據(jù)權(quán)利要求1-21中任意一項所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于估算從該膠囊的位置到該胃腸道的壁的距離。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于利用一算法估算該距離，在該算法中，該距離與探測到的光子數(shù)之間存在逆相關(guān)關(guān)系。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的康普頓背散射光子。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，包括適于由受治療者服下的口服造影劑，其中該控制單元適于通過響應(yīng)于該康普頓背散射光子的分析估算該膠囊的位置和該胃腸道的壁之間的造影劑的深度而估算該距離。
26.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于利用一算法估算該距離，在該算法中，該距離與探測到的光子數(shù)之間存在正相關(guān)關(guān)系。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的X射線熒光(XRF)光子。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，包括適于由受治療者服下的具有高原子序數(shù)的口服制劑，其中該XRF光子由該口服制劑響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生，并且其中該控制單元適于通過響應(yīng)于該XRF光子的分析估算該膠囊的位置和該胃腸道的壁之間的造影劑的深度而估算該距離。
29.根據(jù)權(quán)利要求1-21中任意一項所述的裝置，其特征在于，該輻射源適于僅在該膠囊處于該胃腸道中的一段時間內(nèi)從該膠囊發(fā)射輻射。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，該膠囊包括傳感器，該傳感器適于探測指示該胃腸道中的膠囊的可能的逼近運動的參數(shù)，并且其中該輻射源適于響應(yīng)該傳感器對該參數(shù)的讀出從該膠囊發(fā)出輻射。
31.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，該輻射源包括微型X射線發(fā)生器，其被構(gòu)造成僅在該段時間內(nèi)發(fā)出輻射。
32.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，其中該輻射源包括放射性同位素，其中該膠囊包括防輻射護罩，以及其中該膠囊包括適于移動該輻射源和該護罩中的至少一個的致動器，從而使得該護罩不會阻礙在該段時間內(nèi)從該輻射源發(fā)出的輻射。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，該膠囊包括多個準(zhǔn)直儀，并且其中該多個準(zhǔn)直儀和該護罩被構(gòu)造為使得由該輻射源發(fā)出的輻射在任何給定時間內(nèi)均不穿過全部的準(zhǔn)直儀。
34.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，該膠囊包括一桿，其中該輻射源連接到該桿上，并且其中該致動器適于使該桿移動，以便移動該輻射源。
35.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，該膠囊包括至少一個彈簧，并且其中該桿和該彈簧被構(gòu)造為形成一機械振蕩器。
36.如權(quán)利要求1-21中任意一項所述的裝置，其特征在于，該膠囊包括一適于圍繞該膠囊膨脹的可膨脹氣囊。
37.如權(quán)利要求36所述的裝置，其特征在于，該氣囊被構(gòu)造為使得當(dāng)該氣囊膨脹時該膠囊朝著該氣囊的中心移動。
38.如權(quán)利要求36所述的裝置，其特征在于，該氣囊被構(gòu)造為當(dāng)該膠囊到達該胃腸道內(nèi)引起臨床注意的區(qū)域時膨脹。
39.如權(quán)利要求36所述的裝置，其特征在于，該氣囊包括一閥，其適于在該膠囊到達該引起臨床注意的區(qū)域后開啟一段特定時間，從而允許該氣囊放氣。
40.如權(quán)利要求36所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于通過計算(a)在該氣囊內(nèi)部從該膠囊位置到該氣囊表面上的氣囊位置的第一距離和(b)從該氣囊位置到該胃腸道的壁的第二距離的總和來估算從該膠囊的膠囊位置到該胃腸道的壁的壁距離。
41.如權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于通過測量和分析由該光子探測器探測的康普頓背散射光子數(shù)的變化來計算該第一距離。
42.如權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于根據(jù)由該光子探測器探測的康普頓背散射投影尺寸計算該第一距離。
43.如權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于，該氣囊的表面包括高密度材料的點粒子，并且其中該控制單元適于通過測量和分析由該光子探測器探測到的X射線熒光(XRF)光子數(shù)計算該第一距離。
44.如權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于，該氣囊的表面包括輻射點源，并且其中該控制單元適于通過測量和分析從該點源發(fā)出并由該光子探測器探測到的輻射計算該第一距離。
45.如權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于通過分析由該光子探測器探測到的X射線熒光(XRF)光子數(shù)來計算該第二距離。
46.如權(quán)利要求1-21中任意一項所述的裝置，其特征在于，該胃腸道包括受治療者的結(jié)腸，并且其中該控制單元適于分析該數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別該結(jié)腸的臨床相關(guān)特征有用的信息。
47.如權(quán)利要求46所述的裝置，其特征在于，該膠囊包括連接到該膠囊的外表面上的電極；以及脈沖發(fā)生器，其中該控制單元適于驅(qū)動該脈沖發(fā)生器，以對該結(jié)腸施加能夠引起該結(jié)腸內(nèi)的塊體運動的電信號。
48.如權(quán)利要求46所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于產(chǎn)生關(guān)于該結(jié)腸的肌肉的幾何形狀的信息。
49.如權(quán)利要求1-21中任意一項所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于產(chǎn)生該信息的圖形表示。
50.如權(quán)利要求49所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于生成一系列時間形態(tài)而產(chǎn)生該圖形表示。
51.如權(quán)利要求49所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于通過以下方式產(chǎn)生該圖形表示生成具有細分的第一表面，該細分代表該膠囊的各位置和該胃腸道的壁各位置之間的各距離，以及生成具有象素的第二表面，該象素中的每一個代表該第一表面的細分中的一個和與該細分相鄰的多個細分之間的各差異。
52.如權(quán)利要求51所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于通過以下方式產(chǎn)生該圖形表示重復(fù)地在多個時間點處生成該第二表面，以及顯示與該多個時間點相應(yīng)的第二表面的動畫。
53.如權(quán)利要求49所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于參照受治療者的坐標(biāo)系產(chǎn)生該圖形表示。
54.如權(quán)利要求49所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于根據(jù)該膠囊的坐標(biāo)系產(chǎn)生該圖形表示。
55.如權(quán)利要求1-21中任意一項所述的裝置，其特征在于，該至少一個光子探測器包括多個光子探測器，其被布置為探測來自多個各探測方向的光子。
56.如權(quán)利要求55所述的裝置，其特征在于，該至少一個輻射源包括多個準(zhǔn)直儀，其被布置為沿著多個與該探測方向相應(yīng)的各發(fā)射方向發(fā)射輻射。
57.如權(quán)利要求1-21中任意一項所述的裝置，其特征在于，該膠囊包括至少一個防輻射護罩。
58.如權(quán)利要求57所述的裝置，其特征在于，該至少一個護罩被構(gòu)造為防止輻射從該輻射源沿著除了與包圍該膠囊的球體相關(guān)的單個封閉扇形體之外的方向發(fā)出。
59.如權(quán)利要求1-21中任意一項所述的裝置，其特征在于，該輻射源適于發(fā)射具有多個主要能級的輻射，并且其中該控制單元適于分析具有不同于所述多個主要能級的多個次要能級的光子數(shù)。
60.如權(quán)利要求59所述的裝置，其特征在于，該輻射源適于發(fā)射具有第一和第二能級的輻射，并且其中該控制單元適于分析(a)由該光子探測器探測到的具有第三能級的光子的數(shù)目和(b)由該光子探測器探測到的具有第四能級的光子的數(shù)目之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。
61.如權(quán)利要求60所述的裝置，其特征在于，該關(guān)系包括(a)具有該第三能級的光子的數(shù)目與(b)具有該第四能級的光子的數(shù)目的比率，并且其中該控制單元適于分析該比率。
62.如權(quán)利要求60所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于分析該關(guān)系，以確定該膠囊的位置和該胃腸道的壁之間的實際校準(zhǔn)距離。
63.如權(quán)利要求1-21中任意一項所述的裝置，其特征在于，該臨床相關(guān)特征包括該胃腸道的病理異常。
64.如權(quán)利要求63所述的裝置，其特征在于，該病理異常包括息肉。
65.如權(quán)利要求1-21中任意一項所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的康普頓背散射光子。
66.如權(quán)利要求65所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于分析具有指示180度+/-小于30度的范圍參數(shù)的背散射角度的能級的康普頓背散射光子。
67.如權(quán)利要求66所述的裝置，其特征在于，該范圍參數(shù)小于20度。
68.如權(quán)利要求67所述的裝置，其特征在于，該范圍參數(shù)小于10度。
69.如權(quán)利要求1-21中任意一項所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于探測該膠囊已經(jīng)到達該胃腸道內(nèi)引起臨床注意的區(qū)域。
70.如權(quán)利要求69所述的裝置，其特征在于，該區(qū)域包括結(jié)腸，并且其中該控制單元適于探測該膠囊已經(jīng)到達該結(jié)腸。
71.如權(quán)利要求69所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于通過探測和分析X射線熒光(XRF)光子來探測該膠囊已經(jīng)到達該區(qū)域。
72.如權(quán)利要求69所述的裝置，其特征在于，該膠囊包括pH敏感元件，其中該控制單元適于通過響應(yīng)于影響該pH敏感元件的該區(qū)域中的pH值的變化來探測該膠囊已經(jīng)到達該區(qū)域。
73.如權(quán)利要求69所述的裝置，其特征在于，包括適于在該區(qū)域的入口附近連接到受治療者的身體的外表面上的標(biāo)簽，并且該控制單元響應(yīng)于由該標(biāo)簽發(fā)出的信號來探測該膠囊已經(jīng)到達該區(qū)域。
74.如權(quán)利要求69所述的裝置，其特征在于，該膠囊包括一壓力傳感器，并且其中該控制單元適于通過響應(yīng)于由該壓力傳感器探測到的壓力變化來探測該膠囊已經(jīng)到達該區(qū)域。
75.如權(quán)利要求74所述的裝置，其特征在于，包括適于在該區(qū)域的入口附近連接到受治療者的身體的外表面上的標(biāo)簽，并且該控制單元響應(yīng)于(a)由該標(biāo)簽發(fā)出的信號和(b)壓力變化來探測該膠囊已經(jīng)到達該區(qū)域。
76.如權(quán)利要求74所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于通過探測和分析X射線熒光(XRF)光子和響應(yīng)于該壓力變化來探測該膠囊已經(jīng)到達該區(qū)域。
77.如權(quán)利要求1-21中任意一項所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于探測該胃腸道的壁的組織中的密度變化，該變化為存在該臨床相應(yīng)特征的指示。
78.如權(quán)利要求77所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于當(dāng)該控制單元探測出該膠囊的至少一部分與該胃腸道的壁物理接觸時探測該變化。
79.如權(quán)利要求77所述的裝置，其特征在于，該至少一個光子探測器包括多個光子探測器，并且其中該控制單元適于分析由一個以上的光子探測器探測到的來自該壁的位置的康普頓背散射光子數(shù)。
80.如權(quán)利要求79所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于利用主分量分析(PCA)來分析該康普頓背散射光子數(shù)。
81.如權(quán)利要求80所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于響應(yīng)于一數(shù)據(jù)方差的很大一部分不能由單個主分量(PC)描述的判定探測該密度變化。
82.如權(quán)利要求1-21中任意一項所述的裝置，其特征在于，該膠囊包括至少一個延伸元件，其適于在延伸時保持該膠囊與該胃腸道的壁相距至少一特定距離。
83.如權(quán)利要求82所述的裝置，其特征在于，該延伸元件被構(gòu)造為在該膠囊到達該胃腸道內(nèi)引起臨床注意的區(qū)域時延伸。
84.如權(quán)利要求82所述的裝置，其特征在于，該延伸元件包括至少一個腿形元件。
85.如權(quán)利要求82所述的裝置，其特征在于，該延伸元件包括可膨脹的環(huán)形結(jié)構(gòu)。
86.如權(quán)利要求82所述的裝置，其特征在于，該延伸元件包括展開元件。
87.如權(quán)利要求1-21中任意一項所述的裝置，其特征在于，該膠囊包括至少一個延伸元件，其適于在延伸時使該膠囊的長軸定向為大致平行于該胃腸道的縱軸。
88.如權(quán)利要求87所述的裝置，其特征在于，該延伸元件包括可膨脹的柔性腔室。
89.如權(quán)利要求88所述的裝置，其特征在于，該柔性腔室包括超強吸收的水凝膠，并且其中該柔性腔室適于當(dāng)該水凝膠吸收來自該胃腸道的液體時膨脹。
90.一種裝置，包括膠囊，其適于由受治療者吞服，并且包括至少一個適于探測具有至少10千電子伏的探測器能量的光子的光子探測器；以及控制單元，其適于分析與該光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別受治療者的胃腸(GI)道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
91.如權(quán)利要求90所述的裝置，其特征在于，包括放射性同位素示蹤材料，其適于由受治療者吞服，并且發(fā)射具有放射性同位素示蹤能量的輻射，其中該控制單元適于分析與具有放射性同位素示蹤能量的光子相關(guān)的數(shù)據(jù)。
92.如權(quán)利要求90所述的裝置，其特征在于，該光子探測器被準(zhǔn)直。
93.如權(quán)利要求90-92中任意一項所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于估算從該膠囊的位置到該胃腸道的壁的距離。
94.如權(quán)利要求93所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于利用一算法估算該距離，在該算法中，該距離與探測到的光子數(shù)之間存在正相關(guān)關(guān)系。
95.一種裝置，包括膠囊，其適于由受治療者吞服，并且包括至少一個適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射的輻射源；至少一個不與該膠囊物理連接的光子探測器，其適于探測具有至少10千電子伏的能量的光子；以及控制單元，其適于分析與該光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別受治療者的胃腸(GI)道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
96.如權(quán)利要求95所述的裝置，其特征在于，該輻射源包括至少一個準(zhǔn)直儀，其適于準(zhǔn)直該輻射源發(fā)出的輻射。
97.如權(quán)利要求95所述的裝置，其特征在于，該輻射源包括微型X射線發(fā)生器。
98.如權(quán)利要求95所述的裝置，其特征在于，該輻射源包括放射性同位素。
99.一種裝置，包括膠囊，其適于由受治療者吞服，并且包括多個光子探測器；氣囊，其適于在膨脹時包圍該膠囊的至少一部分，并且包括位于其表面上、適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射的多個輻射源，其中該光子探測器適于探測響應(yīng)于該輻射產(chǎn)生的光子，該光子具有至少10千電子伏的能量；以及控制單元，其適于分析與該光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別受治療者的胃腸(GI)道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
100.如權(quán)利要求99所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于分析由該光子探測器探測到的X射線熒光(XRF)，以便估算該氣囊的表面上的位置與該胃腸道的壁之間的距離。
101.如權(quán)利要求99所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于分析具有指示180度+/-小于30度的范圍參數(shù)的背散射角度的能級的康普頓背散射光子。
102.如權(quán)利要求99-101中任意一項所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于分析與該輻射源所發(fā)出輻射具有相同能量的入射光子。
103.如權(quán)利要求102所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于分析該入射光子和具有指示180度+/-小于30度的范圍參數(shù)的背散射角度的能級的康普頓背散射光子。
104.如權(quán)利要求102所述的裝置，其特征在于，該裝置包括多于該輻射源的光子探測器。
105.如權(quán)利要求102所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于通過綜合分析由該多個光子探測器測量的入射光子數(shù)和康普頓背散射光子數(shù)而將該特征繪制成圖。
106.如權(quán)利要求105所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于通過確定該多個輻射源的各自位置、通過綜合分析由該多個光子探測器測量的入射光子數(shù)和康普頓背散射光子數(shù)而將該特征繪制成圖。
107.如權(quán)利要求106所述的裝置，其特征在于，該控制單元適于外推響應(yīng)于該多個輻射源的各自位置的氣囊表面形狀。
108.一種裝置，包括膠囊，其適于由受治療者吞服，并且包括多個光子探測器；可膨脹結(jié)構(gòu)，其適于在膨脹時包圍該膠囊的至少一部分，并且在膨脹時成形，以便限定出其不與該膠囊直接物理接觸的多個位置，該位置包括適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射的各輻射源，其中該光子探測器適于探測響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的光子，該光子具有至少10千電子伏的能量；以及控制單元，其適于分析與該光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別受治療者的胃腸(GI)道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
109.一種與所關(guān)心對象一起使用的裝置，該裝置包括至少一個輻射源，其適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；至少一個光子探測器，其適于探測具有至少10千電子伏的能量的光子；高原子序數(shù)制劑，其適于放置在該輻射源和該對象之間；以及控制單元，其適于分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射由該高原子序數(shù)制劑發(fā)出并由該至少一個光子探測器探測到的X射線熒光(XRF)光子，以便估算該輻射源和該對象之間的距離。
110.一種與所關(guān)心對象一起使用的裝置，該裝置包括至少一個輻射源，其適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；造影劑，其適于放置在該輻射源和該對象之間；以及控制單元，其適于分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射由該造影劑發(fā)出并由該至少一個光子探測器探測到的康普頓背散射光子，以便估算該輻射源和該對象之間的距離。
111.一種與所關(guān)心對象一起使用的裝置，該裝置包括至少一個光子探測器，其適于探測具有至少10千電子伏的能量的光子；放射性同位素示蹤材料，其適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射，并且放置在該光子探測器和該對象之間；以及控制單元，其適于分析由該放射性同位素示蹤材料發(fā)出的被探測光子，以便估算該光子探測器和該對象之間的距離。
112.一種方法，包括從受治療者的胃腸(GI)道中發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；從胃腸道內(nèi)探測響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的光子，該光子具有至少10千電子伏的能量；以及分析與探測到的光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別該胃腸道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
113.如權(quán)利要求112所述的方法，其特征在于，包括使受治療者服下口服造影劑。
114.如權(quán)利要求112所述的方法，其特征在于，發(fā)射該輻射包括使受治療者口服發(fā)射該輻射的放射性同位素示蹤材料。
115.如權(quán)利要求112所述的方法，其特征在于，發(fā)射和探測包括使受治療者口服可吞服的膠囊，并且從該膠囊發(fā)射和探測。
116.如權(quán)利要求112-115中任意一項所述的方法，其特征在于，探測包括使受治療者口服可吞服的膠囊，并且從該膠囊探測。
117.一種方法，包括從受治療者的胃腸(GI)道內(nèi)探測具有至少10千電子伏的能量的光子；以及分析與探測到的光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別該胃腸道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
118.一種方法，包括從受治療者的胃腸(GI)道中發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；探測具有至少10千電子伏的能量的光子；以及分析與探測到的光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別該胃腸道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
119.一種方法，包括從受治療者的胃腸(GI)道內(nèi)的多個第一點探測光子；從胃腸道內(nèi)圍繞該多個第一點的多個第二點發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射，其中該光子響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生并且具有至少10千電子伏的能量；以及分析與探測到的光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別該胃腸道的臨床相關(guān)特征有用的信息。
120.一種方法，包括將高原子序數(shù)制劑放置在第一位置和第二位置之間；從該第一位置發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；探測具有至少10千電子伏的能量的光子；以及通過分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射由高原子序數(shù)制劑發(fā)射出的被探測X射線熒光(XRF)光子估算該第一位置和該第二位置之間的距離。
121.一種方法，包括將造影劑放置在第一位置和第二位置之間；從該第一位置發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；探測具有至少10千電子伏的能量的光子；以及通過分析響應(yīng)于所發(fā)射的輻射由該造影劑發(fā)射出的被探測康普頓背散射光子估算該第一位置和該第二位置之間的距離。
122.一種方法，包括將放射性同位素示蹤材料放置在第一位置和第二位置之間，該放射性同位素示蹤材料適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射；探測具有至少10千電子伏的能量的光子；以及通過分析由放射性同位素示蹤材料發(fā)射出的被探測光子估算該第一位置和該第二位置之間的距離。
全文摘要
本發(fā)明提供一種裝置(40)，其包括適于被受治療者(54)吞服的膠囊(50)，該膠囊(50)包括(a)至少一個適于發(fā)射具有至少10千電子伏的能量的輻射的輻射源(60)，和(b)至少一個適于探測響應(yīng)于所發(fā)射的輻射產(chǎn)生的光子的光子探測器(62)，該光子具有至少10千電子伏的能量。該裝置(40)還包括控制單元(64)，其適于分析與該光子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生對識別受治療者(54)的胃腸(GI)道(72)的臨床相關(guān)特征有用的信息。
文檔編號A61B5/05GK1897873SQ200480038075
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月17日
發(fā)明者約阿夫·基姆希 申請人:切克-卡普有限責(zé)任公司