专利名称：内腔息肉探测的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及人体内腔状况的探测 探测解剖学(或组织)异常的可吞服装置。
顷域，并且特别涉及一种在结肠中行进并
背景技术：
结直肠癌是西方世界死亡的主要原因之一。临床证据建议，初期结直肠癌的早检 探测造成90%或更高的5年存活率，而当癌已经转移时的疾病探测造成50%或更低的5年 存活率以及30%重复率的不良预后。结直肠癌普查及早检探测对这种恶性肿瘤的预后具有 重要的积极影响。 下列参考资料(所有这些资料在此引入作为参考)可能为人们所关注 Shanks的美国专利5， 721， 462 Trebes等人的美国专利6， 134， 300和6， 353， 658 Kimchy等人的美国专利申请公开文本2002/0099310Kimchy等人的PCT公开文本W002/058531 Brochard J等，"利用自相关函数的3D构造表面的运动参数的估算"，Pattern Recognition Letters 24(12) :2031-2045(2003) Camilleri M等，"人体胃清空和结肠的固体填充的特征化新方法"，Am J Physiol 257 (2Pt 1) :G284-G290(1989) Caner BE等，"利用99Tcm-乳胶颗粒的人体胃肠管道的功能评价"，Nucl Med Co匪n 12(6) :539-544(1991)Compton，Arthur H. ，Phys. Rev. 21，483 ;22，409 (1923) Cmtman G等，"新型针基微型x_射线产生系统"，Phys Med Bio149 : 4677-4688(2004) Haga A等，"微型x_射线管"，Applied Physics Letters 84(12): 2208-2210(2004) Madsen几等，"锝_99m-标号纤维素纤维和铟标号塑料颗粒的胃肠输送"， J Nucl Med 30(3) :402-406(1989) Pais, Abraham,'主是敏感的…'The Science and the Life ofAlbertEinstein， Oxford(1982) Proano M等，"通过人体结肠的固体输送未准备肠中的区域量化"，Am J Physiol 258 (6Pt 1) :-G862(1990) Tartari A等，"通过主要成分分析进行的深层康普顿散射基本成像"，第15届非破 坏性探测世界会议的会议录，艺术和建筑的保护与修复，罗马(10月15-21日，2000)
"X-射 线 造 影 齐『MedcyclopaediaTM(www. medcyclopaedia. com) ， The Encyclopaedia of Medical Imaging Volume I
发明内容
本发明的实施例针对可能隐藏胃肠(GI)道癌、特别是结直肠癌的潜在性的息肉 及其它临床相关特征的探测。
在本发明的一个方面，提供一种装置，包括
胶囊，其适于被受治疗者吞服，并且包括 至少一个辐射源，其适于发射具有至少10千电子伏的能量的辐射；以及 至少一个光子探测器，其适于探测响应于所发射的辐射产生的光子，该光子具有
至少10千电子伏的能量；以及 控制单元，其适于分析与该光子相关的数据，以便产生对识别受治疗者胃肠(GI) 道的临床相关特征有用的信息。 在一些实施方案中，所述装置包括适于由受治疗者服下的口服造影剂。 在一些实施方案中，所述装置包括适于由受治疗者服下的具有高原子序数的口服制剂。 在一些实施方案中，所述装置包括适于由受治疗者服下的口服制剂，该制剂从由
造影剂和高原子序数制剂构成的列表中选出，其中该制剂包括铁磁粒子，并且其中该胶囊
包括适于将该铁磁粒子吸引到该胶囊的磁铁。 在一些实施方案中，该辐射源包括微型X射线发生器。 在一些实施方案中，该辐射源包括放射性同位素。 在一些实施方案中，该辐射源适于发射伽马射线；在一个实施方案中，该辐射源适 于发射X射线。 在一些实施方案中，该控制单元适于分析数据的时间导数，以便产生该信息。
在一些实施方案中，该辐射源包括至少一个准直仪，其适于准直由该辐射源发出 的辐射。 在一些实施方案中，该光子探测器包括至少一个准直仪，其适于准直由该光子探 测器探测的光子。 在一些实施方案中，该控制单元适于区分该胃肠道中的气体和该临床相关特征。 在一些实施方案中，该控制单元适于分析响应于所发射的辐射产生的X射线荧光(XRF)光 子。在一些实施方案中，该控制单元适于分析响应于所发射的辐射产生的X射线荧光(XRF) 光子和响应于所发射的辐射产生的康普顿背散射光子。
在一些实施方案中，该胶囊包括加速度传感器。 在一些实施方案中，该装置包括适于保持在受治疗者体外的外部数据记录单元，其中该胶囊适于在该胶囊处于该胃肠道中时将信息无线传送给该数据记录单元。 在一些实施方案中，该胶囊包括从由造影剂和高原子序数制剂构成的列表中选出
的制剂，并且其中该胶囊适于存储该制剂并且将该制剂释放到该胃肠道中引起临床注意的区域。 在一些实施方案中，该装置包括制剂存储胶囊，其包括从由造影剂和高原子序数 制剂构成的列表中选出的制剂，该制剂存储胶囊适于存储该制剂并且将该制剂释放到该胃 肠道中引起临床注意的区域。 在一些实施方案中，该胶囊包括压力传感器。 在一些实施方案中，该与光子相关的数据包括用于一个或多个预定光子能量窗的 数据，并且其中该控制单元适于分析该能量窗数据。 在一些实施方案中，该与光子相关的数据包括每一时间间隔的光子数量，该光子 探测器适于计数被探测的光子，并且该控制单元适于分析光子的统计数量。
在一些实施方案中，该控制单元适于估算从该胶囊的位置到该胃肠道的壁的距 离。在一些实施方案中，该控制单元适于利用一算法估算该距离，在该算法中，该距离与探 测到的光子数之间存在逆相关关系。在一些实施方案中，该控制单元适于分析响应于所发 射的辐射产生的康普顿背散射光子。在一些实施方案中，该装置包括适于由受治疗服下的 口服造影剂，该控制单元适于通过响应于该康普顿背散射光子的分析估算该胶囊的位置和 该胃肠道的壁之间的造影剂深度而估算该距离。 在一些实施方案中，该控制单元适于利用一算法估算该距离，在该算法中，该距离 与探测到的光子数之间存在正相关关系。在一些实施方案中，该控制单元适于分析响应于 所发射的辐射产生的X射线荧光(XRF)光子。在一些实施方案中，所述装置包括由受治疗 者服下的具有高原子序数的口服制剂，其中该XRF光子由该口服制剂响应于所发射的辐射 产生，并且其中该控制单元适于通过响应于该XRF光子的分析估算该胶囊的位置和该胃肠 道的壁之间的造影剂的深度而估算该距离。 在一些实施方案中，该辐射源适于仅在该胶囊处于该胃肠道中的一段时间内从该 胶囊发射辐射。在一些实施方案中，该胶囊包括传感器，该传感器适于探测指示该胃肠道中 的胶囊的可能的逼近运动的参数，并且其中该辐射源适于响应该传感器对该参数的读出从 该胶囊发出辐射。在一些实施方案中，该辐射源包括微型X射线发生器，其被构造成仅在该 段时间内发出辐射。在一些实施方案中，该辐射源包括放射性同位素，该胶囊包括防辐射护 罩，并且该胶囊包括适于移动该辐射源和该护罩中的至少一个的致动器，从而使得该护罩 不会阻碍在该段时间内从该辐射源发出的辐射。在一些实施方案中，该胶囊包括多个准直 仪，并且其中该多个准直仪和该护罩被构造为使得由该辐射源发出的辐射在任何给定时间 内均不穿过全部的准直仪。在一些实施方案中，该胶囊包括一杆，该辐射源连接到该杆上， 并且该致动器适于使该杆移动，以便移动该辐射源。在一些实施方案中，该胶囊包括至少一 个弹簧，并且其中该杆和该弹簧被构造为形成一机械振荡器。 在一些实施方案中，该胶囊包括一适于围绕该胶囊膨胀的可膨胀气囊。在一些实 施方案中，该气囊被构造为使得当该气囊膨胀时该胶囊朝着该气囊的中心移动。在一些实 施方案中，该气囊被构造为当该胶囊到达该胃肠道内引起临床注意的区域时膨胀。在一些 实施方案中，该气囊包括一阀，其适于在该胶囊到达该引起临床注意的区域后开启一段特
6定时间，从而允许该气囊放气。在一些实施方案中，该控制单元适于通过计算(a)在该气囊内部从该胶囊位置到该气囊表面上的气囊位置的第一距离和(b)从该气囊位置到该胃肠道的壁的第二距离的总和来估算从该胶囊的胶囊位置到该胃肠道的壁的壁距离。在一些实施方案中，该控制单元适于通过测量和分析由该光子探测器探测的康普顿背散射光子数的变化来计算该第一距离。在一些实施方案中，该控制单元适于根据由该光子探测器探测的康普顿背散射投影尺寸计算该第一距离。在一些实施方案中，该气囊的表面包括高密度材料的点粒子，并且其中该控制单元适于通过测量和分析由该光子探测器探测到的X射线荧光(XRF)光子数计算该第一距离。在一些实施方案中，该气囊的表面包括辐射点源，并且其中该控制单元适于通过测量和分析从该点源发出并由该光子探测器探测到的辐射计算该第一距离。在一些实施方案中，该控制单元适于通过分析由该光子探测器探测到的X射线荧光(XRF)光子数来计算该第二距离。 在一些实施方案中，该胃肠道包括受治疗者的结肠，并且其中该控制单元适于分析该数据，以便产生对识别该结肠的临床相关特征有用的信息。在一些实施方案中，该胶囊包括连接到该胶囊的外表面上的电极；以及脉冲发生器，其中该控制单元适于驱动该脉冲发生器，以对该结肠施加能够引起该结肠内的块体运动的电信号。在一些实施方案中，该控制单元适于产生关于该结肠的肌肉的几何形状的信息。 在一些实施方案中，该控制单元适于产生该信息的图形表示。在一些实施方案中，该控制单元适于及时生成一系列时间形态而产生该图形表示。在一些实施方案中，该控制单元适于通过以下方式产生该图形表示生成具有细分的第一表面，该细分代表该胶囊的各位置和该胃肠道的壁各位置之间的各距离，以及生成具有象素的第二表面，该象素中的每一个代表该第一表面的细分中的一个和与该细分相邻的多个细分之间的各差异。在一些实施方案中，该控制单元适于通过以下方式产生该图形表示重复地在多个时间点处生成该第二表面，以及显示与该多个时间点相应的第二表面的动画。在一些实施方案中，该控制单元适于参照受治疗者的坐标系产生该图形表示。在一些实施方案中，该控制单元适于根据该胶囊的坐标系产生该图形表示。 在一些实施方案中，该至少一个光子探测器包括多个光子探测器，其被布置为探测来自多个各探测方向的光子。在一些实施方案中，该至少一个辐射源包括多个准直仪，其被布置为沿着多个与该探测方向相应的各发射方向发射辐射。 在一些实施方案中，该胶囊包括至少一个防辐射护罩。在一些实施方案中，该至少一个护罩被构造为防止辐射从该辐射源沿着除了与包围该胶囊的球体相关的单个封闭扇形体之外的方向发出。 在一些实施方案中，该辐射源适于发射具有多个主要能级的辐射，并且其中该控制单元适于分析具有不同于所述多个主要能级的多个次要能级的光子数。在一些实施方案中，该辐射源适于发射具有第一和第二能级的辐射，并且其中该控制单元适于分析(a)由该光子探测器探测到的具有第三能级的光子的数目和(b)由该光子探测器探测到的具有第四能级的光子的数目之间的数学关系。在一些实施方案中，该关系包括(a)具有该第三能级的光子的数目与(b)具有该第四能级的光子的数目的比率，并且其中该控制单元适于分析该比率。在一些实施方案中，该控制单元适于分析该关系，以确定该胶囊的位置和该胃肠道的壁之间的实际校准距离。
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在一些实施方案中，该临床相关特征包括该胃肠道的病理异常，该病理异常包括息肉。 在一些实施方案中，该控制单元适于分析响应于所发射的射线产生的康普顿背散射光子。在一些实施方案中，该控制单元适于分析具有指示180度+/_小于30度的范围参数的背散射角度的能级的康普顿背散射光子。优选地，该范围参数小于20度。更优选地，该范围参数小于10度。 在一些实施方案中，该控制单元适于探测该胶囊已经到达该胃肠道内弓I起临床注意的区域。在一些实施方案中，该区域包括结肠，并且其中该控制单元适于探测该胶囊已经到达该结肠。在一些实施方案中，该控制单元适于通过探测和分析X射线荧光(XRF)光子来探测该胶囊已经到达该区域。在一些实施方案中，该胶囊包括PH敏感元件，其中该控制单元适于通过响应于影响该pH敏感元件的该区域中的pH值的变化来探测该胶囊已经到达该区域。在一些实施方案中，该装置包括适于在该区域的入口附近连接到受治疗者的身体的外表面上的标签，并且该控制单元响应于由该标签发出的信号来探测该胶囊已经到达该区域。在一些实施方案中，该胶囊包括一压力传感器，并且其中该控制单元适于通过响应于由该压力传感器探测到的压力变化来探测该胶囊已经到达该区域。在一些实施方案中，该装置包括适于在该区域的入口附近连接到受治疗者的身体的外表面上的标签，并且该控制单元响应于(a)由该标签发出的信号和(b)压力变化来探测该胶囊已经到达该区域。在一些实施方案中，该控制单元适于通过探测和分析X射线荧光(XRF)光子和响应于该压力变化来探测该胶囊已经到达该区域。 在一些实施方案中，该控制单元适于探测该胃肠道的壁的组织中的密度变化，该变化为存在该临床相应特征的指示。在一些实施方案中，该控制单元适于当该控制单元探测出该胶囊的至少一部分与该胃肠道的壁物理接触时探测该变化。在一些实施方案中，该至少一个光子探测器包括多个光子探测器，并且其中该控制单元适于分析由一个以上的光子探测器探测到的来自该壁的位置的康普顿背散射光子数。在一些实施方案中，该控制单元适于利用主分量分析(CPA)来分析该康普顿背散射光子数。在一些实施方案中，该控制单元适于相应于一数据方差的很大一部分不能由单个主分量(PC)描述的判定探测该密度变化。 在一些实施方案中，该胶囊包括至少一个延伸元件，其适于在延伸时保持该胶囊与该胃肠道的壁相距至少一特定距离。在一些实施方案中，该延伸元件被构造为在该胶囊到达该胃肠道内引起临床注意的区域时延伸。在一些实施方案中，该延伸元件包括至少一个腿形元件、包括可膨胀的环形结构或包括展开元件。 在一些实施方案中，该胶囊包括至少一个延伸元件，其适于在延伸时使该胶囊的
长轴定向为大致平行于该胃肠道的纵轴。在一些实施方案中，该延伸元件包括可膨胀的柔
性腔室。在一些实施方案中，该柔性腔室包括超强吸收的水凝胶，并且其中该柔性腔室适于
当该水凝胶吸收来自该胃肠道的液体时膨胀。 在本发明的另一个方面，提供一种装置，包括 胶囊，其适于由受治疗者吞服，并且包括至少一个适于探测具有至少IO千电子伏的探测器能量的光子的光子探测器；以及 控制单元，其适于分析与该光子相关的数据，以便产生对识别受治疗者的胃肠(GI)道的临床相关特征有用的信息。 在一些实施方案中，所述装置包括放射性同位素示踪材料，其适于由受治疗者吞
服，并且发射具有放射性同位素示踪能量的辐射，其中该控制单元适于分析与具有放射性
同位素示踪能量的光子相关的数据。 在一些实施方案中，该光子探测器被准直。 在一些实施方案中，该控制单元适于估算从该胶囊的位置到该胃肠道的壁的距
离。在一些实施方案中，该控制单元适于利用一算法估算该距离，在该算法中，该距离与探
测到的光子数之间存在正相关关系。 在本发明的再一个方面，提供一种装置，包括 胶囊，其适于由受治疗者吞服，并且包括至少一个适于发射具有至少IO千电子伏的能量的辐射的辐射源； 至少一个不与该胶囊物理连接的光子探测器，其适于探测具有至少10千电子伏的能量的光子；以及 控制单元，其适于分析与该光子相关的数据，以便产生对识别受治疗者的胃肠(GI)道的临床相关特征有用的信息。 在一些实施方案中，该辐射源包括至少一个准直仪，其适于准直该辐射源发出的辐射。 在一些实施方案中，该辐射源包括微型X射线发生器。
在一些实施方案中，该辐射源包括放射性同位素。
在本发明的又一个方面，提供一种装置，包括
胶囊，其适于由受治疗者吞服，并且包括多个光子探测器； 气囊，其适于在膨胀时包围该胶囊的至少一部分，并且包括位于其表面上、适于发
射具有至少io千电子伏的能量的辐射的多个辐射源，其中该光子探测器适于探测响应于
该辐射产生的光子，该光子具有至少10千电子伏的能量；以及 控制单元，其适于分析与该光子相关的数据，以便产生对识别受治疗者的胃肠(GI)道的临床相关特征有用的信息。 在一些实施方案中，该控制单元适于分析由该光子探测器探测到的X射线荧光(XRF)，以便估算该气囊的表面上的位置与该胃肠道的壁之间的距离。 在一些实施方案中，该控制单元适于分析具有指示180度+/_小于30度的范围参数的背散射角度的能级的康普顿背散射光子。 在一些实施方案中，该控制单元适于分析与该辐射源所发出辐射具有相同能量的入射光子。在一些实施方案中，该控制单元适于分析具有指示180度+/_小于30度的范围参数的背散射角度的能级的康普顿背散射光子。在一些实施方案中，该装置包括多于该辐射源的光子探测器。在一些实施方案中，该控制单元适于通过综合分析由该多个光子探测器测量的入射光子数和康普顿背散射光子数而将该特征绘制成图。在一些实施方案中，该控制单元适于通过确定该多个辐射源的各自位置、通过综合分析由该多个光子探测器测量的入射光子数和康普顿背散射光子数而将该特征绘制成图。在一些实施方案中，该控制单元适于外推响应于该多个辐射源的各自位置的气囊表面形状。
在本发明的又一个方面，提供一种装置，包括
胶囊，其适于由受治疗者吞服，并且包括多个光子探测器； 可膨胀结构，其适于在膨胀时包围该胶囊的至少一部分，并且在膨胀时成形，以便限定出其不与该胶囊直接物理接触的多个位置，该位置包括适于发射具有至少10千电子伏的能量的辐射的各辐射源，其中该光子探测器适于探测响应于所发射的辐射产生的光子，该光子具有至少10千电子伏的能量；以及 控制单元，其适于分析与该光子相关的数据，以便产生对识别受治疗者的胃肠(GI)道的临床相关特征有用的信息。 在本发明的再一个方面，提供一种与所关心对象一起使用的装置，该装置包括
至少一个辐射源，其适于发射具有至少10千电子伏的能量的辐射；
至少一个光子探测器，其适于探测具有至少10千电子伏的能量的光子；
高原子序数制剂，其适于放置在该辐射源和该对象之间；以及 控制单元，其适于分析响应于所发射的辐射由该高原子序数制剂发出并由该至少一个光子探测器探测到的X射线荧光(XRF)光子，以便估算该辐射源和该对象之间的距离。
在本发明的又一个方面，提供一种与所关心对象一起使用的装置，该装置包括
至少一个辐射源，其适于发射具有至少10千电子伏的能量的辐射；
造影剂，其适于放置在该辐射源和该对象之间；以及 控制单元，其适于分析响应于所发射的辐射由该造影剂发出并由该至少一个光子
探测器探测到的康普顿背散射光子，以便估算该辐射源和该对象之间的距离。 在本发明的再一个方面，提供一种与所关心对象一起使用的装置，该装置包括 至少一个光子探测器，其适于探测具有至少10千电子伏的能量的光子； 放射性同位素示踪材料，其适于发射具有至少10千电子伏的能量的辐射，并且放
置在该光子探测器和该对象之间；以及 控制单元，其适于分析由该放射性同位素示踪材料发出的被探测光子，以便估算该光子探测器和该对象之间的距离。 在本发明的又一个方面，提供一种方法，包括 从受治疗者的胃肠(GI)道中发射具有至少10千电子伏的能量的辐射； 从胃肠道内探测响应于所发射的辐射产生的光子，该光子具有至少IO千电子伏
的能量；以及 分析与探测到的光子相关的数据，以便产生对识别该胃肠道的临床相关特征有用的信息。 在一些实施方案中，所述方法包括使受治疗者服下口服造影剂。 在一些实施方案中，发射该辐射包括使受治疗者口服发射该辐射的放射性同位素
示踪材料。 在一些实施方案中，发射和探测包括使受治疗者口服可吞服的胶囊，并且从该胶囊发射和探测。 在一些实施方案中，探测包括使受治疗者口服可吞服的胶囊，并且从该胶囊探测。
在本发明的再一个方面，提供一种方法，包括 从受治疗者的胃肠(GI)道内探测具有至少10千电子伏的能量的光子；以及
分析与探测到的光子相关的数据，以便产生对识别该胃肠道的临床相关特征有用的信息。 在本发明的再一个方面，提供一种方法，包括 从受治疗者的胃肠(GI)道中发射具有至少10千电子伏的能量的辐射；
探测具有至少10千电子伏的能量的光子；以及 分析与探测到的光子相关的数据，以便产生对识别该胃肠道的临床相关特征有用的信息。
在本发明的再一个方面，提供一种方法，包括 从受治疗者的胃肠(GI)道内的多个第一点探测光子； 从胃肠道内围绕该多个第一点的多个第二点发射具有至少10千电子伏的能量的辐射，其中该光子响应于所发射的辐射产生并且具有至少10千电子伏的能量；以及
分析与探测到的光子相关的数据，以便产生对识别该胃肠道的临床相关特征有用的信息。 在本发明的再一个方面，提供一种方法，包括
将高原子序数制剂放置在第一位置和第二位置之间；
从该第一位置发射具有至少10千电子伏的能量的辐射；
探测具有至少10千电子伏的能量的光子；以及 通过分析响应于所发射的辐射由高原子序数制剂发射出的被探测X射线荧光
(XRF)光子估算该第一位置和该第二位置之间的距离。 在本发明的再一个方面，提供一种方法，包括 将造影剂放置在第一位置和第二位置之间； 从该第一位置发射具有至少10千电子伏的能量的辐射； 探测具有至少10千电子伏的能量的光子；以及 通过分析响应于所发射的辐射由该造影剂发射出的被探测康普顿背散射光子估
算该第一位置和该第二位置之间的距离。 在本发明的再一个方面，提供一种方法，包括 将放射性同位素示踪材料放置在第一位置和第二位置之间，该放射性同位素示踪材料适于发射具有至少10千电子伏的能量的辐射；
探测具有至少10千电子伏的能量的光子；以及 通过分析由放射性同位素示踪材料发射出的被探测光子估算该第一位置和该第二位置之间的距离。 本发明的实施例针对可能隐藏胃肠(GI)道癌、特别是结直肠癌的潜在性的息肉及其它临床相关特征的探测。 在本发明的一些实施例中，受治疗者/患者吞服或咽下(swallowed) —造影剂(contrast agent)，典型地在一段等候期之后，再吞服包括一个或多个伽马和/或X射线辐射源以及辐射探测器的胶囊。当胶囊穿过胃肠道时，辐射源"照亮"胶囊的附近。胃肠内容物(包括造影剂)、胃肠壁和胃肠道外部的组织典型地主要通过康普顿散射过程充当发射辐射的分散介质。散射光子随后通过包括造影剂的胃肠内容物返回。辐射探测器对康普顿背散射光子正确计数，并且将计数率信息传送给由受治疗者佩带的外部记录单元。
典型地仅对于预定的光子能量窗分析由每个探测器每单位时间间隔采集的计数率。这些数据以使内科医生能够估计在胃肠道中存在息肉或其它组织畸变的可能性的方式 呈现在其面前。在一些实施例中，资料还被分析显示出可能存在这种畸变的结肠的总区域。 这些息肉或组织异常可能是肿瘤开始在胃肠道中生长的结果。如果内科医生怀疑出现的息 肉或其它组织异常可能是癌症或癌症前期，受治疗者一般需要进行进一步的诊断性实验， 诸如结肠镜检查。
因此，根据本发明的一实施例，提供一种装置，包括
胶囊，其适于被受治疗者吞服，并包括 至少一个辐射源，其适于发射具有至少10千电子伏的能量的辐射；以及 至少一个光子探测器，其适于探测响应于所发射的辐射产生的光子，该光子具有
至少10千电子伏的能量；以及 控制单元，其适于分析与该光子相关的数据，以便产生对识别受治疗者胃肠(GI) 道的临床相关特征有用的信息。 在本发明的一实施例中，该装置包括适于由受治疗者服下的口服造影剂。可 选或额外地，该装置包括适于由受治疗者服下的具有高原子序数(high Z)的口服制剂 (agent)。 对于一些应用来说，该装置包括适于由受治疗者吞服的口服制剂，该制剂从由造 影剂和高原子序数制剂组成的列表中选出，该制剂包括铁磁粒子，并且该胶囊包括适于将 铁磁粒子吸弓I到胶囊的磁铁。 在本发明的一实施例中，辐射源包括微型X射线发生器。在一实施例中，辐射源包 括放射性同位素。对一些应用来说，辐射源适于发射伽马射线。可选或额外地，辐射源适于 发射X射线。 对于一些应用来说，该控制单元适于分析数据的时间导数，以便产生该信息。
对于一些应用来说，辐射源包括至少一个准直仪，其适于准直辐射源发射的射线。 对于一些应用来说，光子探测器包括至少一个准直仪，其适于准直由光子探测器探测的光 子。 对于一些应用来说，该控制单元适于区分胃肠道中的气体和临床相关特征。
在一实施例中，该控制单元适于分析响应于所发射的辐射而产生的X射线荧光 (XRF)光子。在一实施例中，该控制单元适于分析响应于所发射的辐射而产生的XRF光子和 响应于所发射的辐射而产生的康普顿背散射光子。
对于一些应用来说，该胶囊包括加速度传感器。 对于一些应用来说，该装置包括适于保持在受治疗者体外的外部数据记录单元，
并且该胶囊适于当其位于胃肠道中时将信息无线传送给数据记录单元。 对于一些应用来说，该胶囊包括由造影剂和高原子序数制剂组成的列表中选出的
制剂，并且该胶囊适于存储制剂并且将制剂释放到胃肠道中引起临床注意的区域内。可选
或额外地，该装置包括制剂存储胶囊，该胶囊包括由造影剂和高原子序数制剂组成的列表
中选出的制剂，该制剂存储胶囊适于存储制剂并且将制剂释放到胃肠道中引起临床注意的区域。 对于一些应用来说，该胶囊包括压力传感器。 对于一些应用来说，与光子相关的数据包括一个或多个预定光子能量窗的数据，并且该控制单元适于分析该能量窗数据。 在一实施例中，与光子相关的数据包括每一时间间隔的光子数，光子探测器适于 计数被探测光子，并且该控制单元适于分析光子的统计数量。 在一实施例中，该控制单元适于估算从胶囊的位置到胃肠道的壁的距离。对于一 些应用来说，该控制单元适于利用一算法估算该距离，在该算法中，该距离与探测到的光子 数之间存在逆相关关系。对于一些应用来说，该控制单元适于分析响应于所发射的辐射产 生的康普顿背散射光子。对于一些应用来说，该装置包括适于由受治疗者服下的口服造影 剂，并且该控制单元适于通过响应于康普顿背散射光子的分析估计胶囊的位置和胃肠道的 壁之间的造影剂深度而估算该距离。 对于一些应用来说，该控制单元适于利用一算法估算该距离，在该算法中，该距离 和被探测光子数之间存在正相关关系。对于一些应用来说，该控制单元适于分析响应于所 发射的辐射产生的XRF光子。对于一些应用来说，该装置包括适于由受治疗者服下的具有 高原子序数的口服制剂，XRF光子由口服制剂响应于所发射的辐射产生，并且该控制单元适 于通过响应于XRF光子的分析估计胶囊的位置和胃肠道的壁之间的造影剂深度而估算该 距离。 在一实施例中，该辐射源适于仅在胶囊处于胃肠道中的一段时间内发射辐射。对
于一些应用来说，胶囊包括传感器，该传感器适于感应指示出胃肠道中胶囊可能的逼近
(imminent)运动的参数，并且辐射源响应于传感器感应的参数从胶囊发射射线。对于一些
应用来说，辐射源包括微型X射线发生器，其被构造为仅在该段时间内发射辐射。 对于一些应用来说，该辐射源包括放射性同位素，该胶囊包括防辐射护罩，并且该
胶囊包括适于移动辐射源和护罩中的至少一个的致动器，以使得护罩不会阻碍在该段时间
内从辐射源射出的射线。对于一些应用来说，该胶囊包括多个准直仪，并且该多个准直仪
和护罩如此构造，以使得由辐射源射出的射线在任何给定时间均不穿过所有的准直仪。对
于一些应用来说，胶囊包括杆，辐射源连接到杆上，并且致动器适于使杆移动，以便移动辐
射源。对于一些应用来说，胶囊包括至少一个弹簧，并且杆与弹簧被构造为构成一机械振荡器。 在一实施例中，该胶囊包括适于在胶囊周围膨胀的可膨胀气囊。对于一些应用来 说，该气囊被构造为使得该胶囊在气囊膨胀时朝着气囊的中心移动。对于一些应用来说，该 气囊被构造为当胶囊到达胃肠道内部的引起临床注意的区域时膨胀。对于一些应用来说， 该气囊包括阀，其适于在胶囊到达引起临床注意的区域后开启一段特定的时间，从而使气 囊放气。 对于一些应用来说，该控制单元适于通过计算(a)从胶囊的位置到气囊表面上的 气囊位置的气囊内的第一距离和(b)从气囊的位置到胃肠道的壁的第二距离的总和来估 算从胶囊的胶囊位置到胃肠道的壁的壁距离。对于一些应用来说，该控制单元适于通过测 量和分析由光子探测器探测到的康普顿背散射光子数的变化来计算第一距离。对于一些应 用来说，该控制单元适于响应于由光子探测器探测到的康普顿背散射投影尺寸来计算第一 距离。对于一些应用来说，气囊表面包括高密度材料的点粒子，并且该控制单元适于通过测 量和分析由光子探测器探测到的XRF光子计算第一距离。对于一些应用来说，气囊表面包 括辐射点源，并且该控制单元适于通过测量和分析由光子探测器探测到的从点源发出的辐射计算第一距离。对于一些应用来说，该控制单元适于通过分析由光子探测器探测到的XRF 光子数计算第二距离。 在一实施例中，该胃肠道包括受治疗者的结肠，并且该控制单元适于分析数据，以 便产生对识别结肠的临床相关特征有用的信息。对于一些应用来说，该胶囊包括连接到该 胶囊的外表面上的电极；脉冲发生器，并且该控制单元适于驱动脉冲发生器，以对结肠施加 能够引起结肠内的块体运动的电信号。对于一些应用来说，该控制单元适于产生有关结肠 的肌肉的几何形状的信息。 在一实施例中，该控制单元适于产生信息的图形表示。对于一些应用来说，该控制
单元适于通过生成一系列的时间表面形态(morphologies)来产生图形表示。对于一些应
用来说，该控制单元适于通过生成具有细分的第一表面和生成具有象素的第二表面来产生
图形表示，该细分表示胶囊的各位置和胃肠道的壁的各位置之间的各距离，所述象素中的
每一个表示第一表面的细分中的一个和与该细分相邻的多个细分之间的各差异。 对于一些应用来说，该控制单元适于通过重复地生成多个时间点处的第二表面并
显示与所述多个时间点相对应的第二表面的动画而产生图形表示。 对于一些应用来说，该控制单元适于产生参照受治疗者坐标系的图形表示。可选 地，该控制单元适于产生参照胶囊坐标系的图形表示。 在一实施例中，该至少一个光子探测器包括多个光子探测器，其布置为探测来自 多个各自的探测方向的光子。对于一些应用来说，该至少一个辐射源包括多个准直仪，其布 置为沿着多个与探测方向相对应的各发射方向发射辐射。 在一实施例中，该胶囊包括至少一个防辐射护罩。对于一些应用来说，该至少一个 护罩被构造为防止射线从辐射源沿着除了与包围胶囊的球体相关的单个封闭的扇形体之 外的方向射出。 在一实施例中，该辐射源适于发射具有多个主要能级的辐射，并且该控制单元适 于分析具有不同于所述多个主要能级的多个次要能级的光子数。对于一些应用来说，该辐 射源适于发射具有第一和第二能级的辐射，并且该控制单元适于分析(a)由光子探测器探 测的具有第三能级的光子的数目和(b)由光子探测器探测的具有第四能级的光子的数目 之间的数学关系。对于一些应用来说，所述关系包括(a)具有第三能级的光子的数目和(b) 具有第四能级的光子的数目的比率，并且该控制单元适于分析该比率。对于一些应用来说， 该控制单元适于分析所述关系，以确定胶囊的位置和胃肠道的壁之间的实际校准距离。
在一实施例中，该临床相关特征包括胃肠道的病理异常。在一实施例中，该病理异 常包括息肉。 在一实施例中，该控制单元适于分析响应于所发射的辐射而产生的康普顿背散射 光子。对于一些应用来说，该控制单元适于分析具有由180度+/_小于30度、例如小于20 度、或小于10度的范围参数的背散射角度指示的能级的康普顿背散射光子。
在一实施例中，该控制单元适于探测胶囊已经到达胃肠道内引起临床注意的区 域。在一实施例中，该区域包括结肠，并且该控制单元适于探测胶囊已经到达结肠。对于一 些应用来说，该控制单元适于通过探测和分析XRF光子而探测胶囊已经到达该区域。可选 或额外地，该胶囊包括pH敏感元件，并且控制单元响应于影响pH敏感元件的该区域内的 pH变化而探测胶囊已经到达该区域。进一步可选或额外地，该装置包括适于连接到位于该区域入口附近的受治疗者身体外表面上的标签(tag)，并且该控制单元响应于由标签发出 的信号来探测胶囊已经到达该区域。更进一步可选或额外地，该胶囊包括压力传感器，并且 该控制单元响应于由压力传感器探测到的压力变化而探测胶囊已经到达该区域。对于一些 应用来说，该装置包括适于连接到位于该区域入口附近的受治疗者身体外表面上的标签， 并且该控制单元响应于(a)由标签发出的信号结合(b)压力变化来探测胶囊已经到达该区 域。对于一些应用来说，该控制单元适于通过探测和分析XRF光子并且响应于压力变化而 探测胶囊已经到达该区域。 在一实施例中，该控制单元适于探测胃肠道的壁的组织中的密度变化，该变化表 现出临床相关特征的存在。对于一些应用来说，该控制单元适于当控制单元探测出胶囊的 至少一部分与胃肠道的壁物理接触时探测所述变化。对于一些应用来说，该至少一个光子 探测器包括多个光子探测器，并且该控制单元适于分析由一个以上的光子探测器探测的来 自壁的位置的康普顿背散射光子数。对于一些应用来说，该控制单元适于利用主分量分析 (PCA)分析康普顿背散射光子数。对于一些应用来说，该控制单元适于响应于数据方差的很 大一部分不能由单个主分量(PC)描述的判定探测密度变化。 在一实施例中，该胶囊包括至少一个延伸元件，其适于在延伸时使胶囊与胃肠道 的壁至少保持特定的距离。对于一些应用来说，延伸元件被构造为当胶囊到达胃肠道内引 起临床注意的区域时延伸。对于一些应用来说，该延伸元件包括至少一个腿形元件、可膨胀 的环形结构和/或展开元件。 在一实施例中，该胶囊包括至少一个延伸元件，其适于在延伸时使胶囊的长轴定 向为通常平行于胃肠道的纵轴。对于一些应用来说，该延伸元件包括可膨胀的柔性腔室。对 于一些应用来说，该柔性腔室包括超强吸收的水凝胶，并且该柔性腔室适于当水凝胶吸收 来自胃肠道的液体时膨胀。 根据本发明的一实施例，本发明还提供一种装置，包括 胶囊，其适于由受治疗者吞服并且包括至少一个适于探测具有至少10千电子伏 的探测器能量的光子的光子探测器；以及 控制单元，其适于分析与该光子相关的数据，以便产生对识别受治疗者胃肠(GI) 道的临床相关特征有用的信息。 在一实施例中，该装置包括放射性同位素示踪材料，其适于由受治疗者服下并且 发射具有放射性同位素示踪能量的辐射，并且该控制单元适于分析与具有放射性同位素示 踪能量的光子相关的数据。 在一实施例中，该光子探测器被准直。 在一实施例中，该控制单元适于估算从胶囊的位置到胃肠道的壁的距离。对于一 些应用来说，该控制单元适于利用一算法估算该距离，在该算法中，该距离和探测到的光子 的数目之间存在正相关关系。 根据本发明的一实施例，本发明还提供一种装置，包括 胶囊，其适于由受治疗者吞服并且包括至少一个适于发射具有至少10千电子伏 的能量的辐射的辐射源； 至少一个不与该胶囊物理连接的光子探测器，其适于探测具有至少10千电子伏 的能量的光子；以及
控制单元，其适于分析与该光子相关的数据，以便产生对识别受治疗者胃肠(GI) 道的临床相关特征有用的信息。 在一实施例中，辐射源包括至少一个准直仪，其适于准直辐射源发射的射线。在一 实施例中，该辐射源包括微型X射线发生器。可选地，该辐射源包括放射性同位素。
根据本发明的一实施例，本发明还提供一种装置，包括
胶囊，其适于由受治疗者吞服并且包括多个光子探测器； 气囊(囊体)，其适于在膨胀时包围该胶囊的至少一部分，并且包括位于其表面上 并适于发射具有至少10千电子伏的能量的辐射的多个辐射源，其中该光子探测器适于探 测响应于辐射产生的光子，该光子具有至少10千电子伏的能量；以及 控制单元，其适于分析与该光子相关的数据，以便产生对识别受治疗者胃肠(GI) 道的临床相关特征有用的信息。 在一实施例中，该控制单元适于分析由光子探测器探测的XRF光子，以便估算气 囊表面上的位置和胃肠道的壁之间的距离。 在一实施例中，该控制单元适于分析具有以180度+/_小于30度的范围参数的背 散射角度指示的能级的康普顿背散射光子。 在一实施例中，该控制单元适于分析与由辐射源发出的辐射具有相同能量的入射 光子。对于一些应用来说，该控制单元适于分析具有180度+/-小于30度的范围参数的背 散射角度指示的能级的入射光子和康普顿背散射的光子。对于一些应用来说，该装置包括 多于辐射源的光子探测器。 对于一些应用来说，该控制单元适于通过综合分析由多个光子探测器测量的入射 光子数和康普顿背散射光子数而将该特征绘制成图。对于一些应用来说，该控制单元适于 通过确定多个辐射源各自的位置，通过综合分析由多个光子探测器测量的入射光子数和康 普顿背散射光子数而将该特征绘制成图。对于一些应用来说，该控制单元适于外推响应于 多个辐射源的各自位置的气囊表面形状。 根据本发明的一实施例，本发明还提供一种装置，包括
胶囊，其适于由受治疗者吞服并且包括多个光子探测器； 可膨胀结构，其适于在膨胀时包围该胶囊的至少一部分，并且在膨胀时成形，以便 限定其不与胶囊直接物理接触的多个位置，该位置包括各辐射源，其适于发射具有至少10 千电子伏的能量的辐射，其中光子探测器适于探测响应于所发射的辐射产生的光子，该光 子具有至少10千电子伏的能量；以及 控制单元，其适于分析与该光子相关的数据，以便产生对识别受治疗者胃肠(GI) 道的临床相关特征有用的信息。 根据本发明的一实施例，其还提供一种与所关注目标一起使用的装置，该装置包 括 至少一个辐射源，适于发射具有至少10千电子伏的能量的辐射；
至少一个光子探测器，其适于探测具有至少10千电子伏的能量的光子；
高原子序数制剂，其适于放置在该辐射源和该目标之间；以及 控制单元，其适于分析由至少一个光子探测器探测并响应于所发射的辐射由高原 子序数制剂发出的XRF光子，以便估算该辐射源和该目标之间的距离。
根据本发明的一实施例，其还提供一种与所关注目标一起使用的装置，该装置包 括 至少一个辐射源，适于发射具有至少10千电子伏的能量的辐射；
造影剂，其适于放置在该辐射源和该目标之间；以及 控制单元，其适于分析由至少一个光子探测器探测并响应于所发射的辐射由造影 剂发出的康普顿背散射光子，以便估算该辐射源和该目标之间的距离。 根据本发明的一实施例，其进一步提供一种与所关注目标一起使用的装置，该装 置包括 至少一个光子探测器，其适于探测具有至少10千电子伏的能量的光子； 放射性同位素示踪材料，其适于发射具有至少10千电子伏的能量的辐射，并且放
置在该光子探测器和该目标之间；以及 控制单元，其适于分析由放射性同位素示踪材料发射的被探测光子，以便估算该 光子探测器和该目标之间的距离。 根据本发明的一实施例，本发明更进一步提供一种方法，包括 从受治疗者胃肠(GI)道中发射具有至少10千电子伏的能量的辐射； 从胃肠道内探测响应于所发射的辐射产生的光子，该光子具有至少10千电子伏
的能量；以及 分析与探测到的光子相关的数据，以便产生对识别胃肠道的临床相关特征有用的信息。 在一实施例中，该方法包括使受治疗者服下口服造影剂。在本发明的一实施例中， 发射辐射包括给受治疗者口服发射辐射的放射性同位素示踪材料。 在一实施例中，发射和探测包括使受治疗者服下可吞服的胶囊，并且发射和探测 来自该胶囊。在一实施例中，探测包括使受治疗者服下可吞服的胶囊，并且探测来自该胶囊。
根据本发明的一实施例，本发明另外提供一种方法，包括 从受治疗者的胃肠(GI)道内探测具有至少10千电子伏的能量的光子；禾口 分析与探测到的光子相关的数据，以便产生对识别胃肠道的临床相关特征有用的信息。 根据本发明的一实施例，本发明另外提供一种方法，包括从受治疗者的胃肠 (GI)道中发射具有至少10千电子伏的能量的辐射；
探测具有至少10千电子伏的能量的光子；以及 分析与探测到的光子相关的数据，以便产生对识别胃肠道的临床相关特征有用的信息。 根据本发明的一实施例，本发明还提供一种方法，包括
从受治疗者的胃肠(GI)道内的多个第一点探测光子； 从该胃肠道内围绕该多个第一点的多个第二点发射具有至少10千电子伏的能量 的辐射，其中该光子响应于所发射的辐射产生并且具有至少10千电子伏的能量；以及
分析与探测到的光子相关的数据，以便产生对识别胃肠道的临床相关特征有用的信息。
根据本发明的一实施例，本发明进一步提供一种方法，包括
将高原子序数制剂放置在第一位置和第二位置之间；
从第一位置发射具有至少10千电子伏的能量的辐射；
探测具有至少10千电子伏的能量的光子；以及 通过分析响应于所发射的辐射由高原子序数制剂发射出的被探测XRF光子估算 该第一位置和该第二位置之间的距离。
根据本发明的一实施例，本发明更进一步提供一种方法，包括
将造影剂放置在第一位置和第二位置之间；
从第一位置发射具有至少10千电子伏的能量的辐射；
探测具有至少10千电子伏的能量的光子；以及 通过分析响应于所发射的辐射由造影剂发射出的被探测康普顿背散射光子估算 该第一位置和该第二位置之间的距离。
根据本发明的一实施例，本发明另外提供一种方法，包括 将放射性同位素示踪材料放置在第一位置和第二位置之间，其适于发射具有至少 IO千电子伏的能量的辐射； 探测具有至少10千电子伏的能量的光子；以及 通过分析由放射性同位素示踪材料发射出的被探测光子估算该第一位置和该第 二位置之间的距离。 通过与附图相结合的下列本发明的实施例的详细描述将可更完全地理解本发明， 其中
图1A为根据本发明的一实施例的普查系统的示意图； 图IB为根据本发明的一实施例的图1A所示系统的胶囊的示意图； 图1C为根据本发明的一实施例的图1A所示系统的外部数据记录单元的示意图； 图ID为根据本发明的一实施例的结肠横截面重建的示意性图形表示的示意图； 图2A-D为根据本发明的一实施例的装置的示意图，该装置用于实施阐明了本发
明的一些实施例所依据的物理原理的示例性实验； 图2E为显示出根据本发明的一实施例的图2A-D所示实验的示例性实验结果的图
表；
图表；
意图；
意图；
图3为显示出类似于根据本发明的一实施例的图2A-E实验的示例性实验结果的
图4为根据本发明的一实施例的图1A所示系统的胶囊的一种结构的示意图； 图5为根据本发明的一实施例的图1A所示系统的胶囊的时分多路传输结构的示
图6A-E为根据本发明的各实施例与可膨胀气囊相连的图1A所示系统的胶囊的示
图7A和7B为根据本发明的一实施例的延伸元件的示意图； 图8A-C为根据本发明的一实施例的附加延伸元件的示意 图9A为示意性地说明根据本发明的一实施例的图1A所示系统的胶囊的不同功能 块的框图； 图9B为示意性地说明根据本发明的一实施例的图1A所示系统的数据记录单元的 不同功能块的框图； 图IOA为图示出使用根据本发明的一实施例的用于估算距离的算法的模拟结果 的图表； 图10B为图示出根据本发明的一实施例在变化的泊松噪声百分比情况下的图10A 所示算法精度的图表； 图11A-C为显示了根据本发明的一实施例测定的实验结果的图表； 图11D为根据本发明的一实施例的X射线荧光计数率与造影剂深度之间关系的曲
线； 图12为在本发明人进行的实验中使用的根据本发明的一实施例的容箱的示意 图； 图13A-C显示了根据本发明的一实施例利用图12中的容箱进行实验的实际实验 结果；以及 图14A-C和15A-C为根据本发明的一实施例产生的表示胃肠道的表面形态的表面 的示意图。
具体实施例方式
图2A-D为根据本发明的一实施例的装置的示意图，该装置用于实施阐明了本发 明的一些实施例所依据的物理原理的示例性实验。容器12充满液体或低粘度凝胶形式的 不透射线的造影剂IO，并且贮液器17放置在容器下面并且充满水11。充满水的小囊体18 放在容器底部。在该实验中，充满造影剂10的容器12模拟充满造影剂的结肠，充满水的贮 液器17模拟结肠外的组织和器官，并且充满水的水囊18模拟诸如息肉的组织异常。
在该实验中，辐射源14和辐射探测器16彼此邻近地放置。用于辐射源14的准直 仪13和用于探测器16的准直仪19的敞开端面向液体容器。辐射源14典型地以(a)单个 发射能级或(b)多个发射能级发射辐射，所述多个发射能级中的至少一个较低，并且至少 一个较高。辐射探测器16被构造为探测和计数具有一定能级(或多个等级，在多能级发射 情况下)的光子，该光子以已经被造影剂10、水囊18的水和贮液器17的水成大约180度康 普顿背散射为特征。 辐射源14和探测器16通过容器12的上方，并保持与容器底部的恒定距离。在沿 着辐射源和探测器的多个点处，如从图2A到图2D中顺序显示，一个或多个特定伽马或X射 线能量窗中的伽马或X射线计数率被记录(计数率显示在图中的记录显示器15上)。
图2E为显示出与根据本发明的一实施例的图2A-D相关的如上所述实验的示例性 实验结果的图表。当辐射源14发射只有单个能级的辐射时，随着辐射源14和探测器16通 过囊体18上方(图2C)，因为康普顿背散射光子的路径与易透过射线的体积相互作用，所以 探测器处的计数率增加。(换句话说，水囊18与造影剂相比更易使射线透过，因此允许透射 更多的光子。) 当辐射源14以低能级和高能级发射辐射时，随着辐射源和探测器通过气囊上方，
19来自每一辐射能级的康普顿背散射光子的计数率发生改变。另外，低能量窗和高能量窗之 间的计数率的数学关系(例如比率或差)发生改变。在辐射源和探测器已经经过水囊之后 (图2D)，计数率恢复到碰到水囊之前所测量的等级。计数典型地仅在预定能量窗范围内进 行，所述能量窗与相对于每一光子能量峰值的发射辐射成大约180度返回的康普顿背散射 光子的能级相对应。 图12为在本发明人进行的实验中使用的根据本发明的一实施例的容箱184的示 意图。该实验与参照图2A-E如上所述的实验相似。容箱184被分成四个隔室186A、186B、 186C禾口 186D。隔室186A、186B、和186C中的每一个具有2厘米的深度，而隔室186D具有5 厘米的深度。被准直的辐射源188和相邻的被准直的辐射探测器190紧挨容箱184放置在 隔室186A所在一侧。 图13A-C显示了利用根据本发明的一实施例的容箱184所进行实验的结果。辐射 源188包括放射性同位素锝99m。图13A为显示辐射探测器探测到的典型光谱的图表，其中 光谱线35为由锝Tc99m(141keV)射出光子引起的90keV的180度背散射光谱。(光谱线 34为用作探测器准直的铅的X射线荧光(XRF)。进行两次实验，分别使用Telebrix和硫酸 钡(BaS04)作为造影剂。图13B和13C分别显示了使用Telebrix和BaS04所测量的背散 射数。在每个实验进行期间，初始测量值在所有四个腔室充满水(即没有造影剂)的条件 下取得。该测量值以图13B和13C中标有"背景"的竖条表示。腔室186A充满造影剂，并 且测得第二测量值(由标有"2厘米"的竖条表示)。随后，腔室186B也充满造影剂，并且 测得第三测量值(由标有"4厘米"的竖条表示)。从图表中可以看出，对于两种制剂来说， 附加的造影剂减少了康普顿背散射光子数。因此，这些实验结果与图2E中所示相同，并且 显示出康普顿背散射光子数与光子穿过造影剂的往返距离有关。 再次参考图2A-E。如上所述，光子数取决于使光子穿过的造影剂深度。该变化性 可以综合三种物理原理来解释，康普顿散射光子具有比入射光子低的能量，并且散射光子能量取决于散射角。例 如，参见上面提及的康普顿的论文。典型地，只有以基于其能量的特定角度散射的光子被选 中及计数。 *水囊18占据了本该被造影剂10占据的体积。因此，发生了减少的辐射吸收。由 光电处理进行的辐射吸收深受光子能量的影响。因此，被吸收的具有较高能量的光子比较 低能量的光子少。因此，康普顿散射过程取决于与总密度线性相关的电子密度，康普顿散射 对于造影剂和水囊来说是相似的。通过光电处理的光子吸收取决于Z~5(原子序号的5次 幂)。因此，在由于水囊的取代体积而存在较少造影剂的地方，被辐射探测器探测到的光子 通量显著增加。在多个发射能量的情况下，高能光子和低能光子之间的关系(例如，比率或 差)在通过造影剂的路径长度增加时变大。
因为介质是液体或者低粘度凝胶，在造影剂流入充分长的时间后，特定区域内的 造影剂浓度可以假设为在该给定介质内通常为均匀分布的。 因此，对于单个能量光子辐射源来说，在从辐射源射出和作为康普顿背散射光子 回到辐射探测器的整个行程期间，背散射光子的相对通量逆相关于(例如，反比于)光子 穿过造影剂介质的距离。对于多能量光子辐射源来说，也可以使用该方法计算光子在造影 剂中传播距离。另外，在探测器处接收的高、低能量光子之间的关系(例如，比率或差)也显示出光子在造影剂中传播的距离。因为由辐射源产生的入射辐射的关系为常数，该关系 的任何变化均起因于造影剂中突出的光电吸收的不平衡作用，其对低能的影响明显大于高 能。通过记录该关系，可以探测出水囊的存在。该光电吸收影响由辐射源发出的光子及背 散射光子。 本发明的一些实施例使用了上述原理和方法以探测结肠内的息肉及其它组织畸 变。形成在结肠内的息肉有时隐藏结肠癌的萌芽。因此，希望在癌从内表面深深传播到结 肠肌肉结构，并随后转移到人体其它部分之前探测并去除息肉。(包括权利要求书，这里使 用的结肠或胃肠道的"壁"应当理解为包括可能存在的这种息肉或其它组织畸变。)
根据本发明的一实施例，此处所描述的系统被用作结直肠癌早检探测的最重要的 普查(screening)禾呈序。 参考图1A，其为根据本发明的一实施例的普查系统40的示意图。系统40典型地 包括可吸收的胶囊50和外部数据记录单元52。对于一些应用来说，数据记录单元52佩戴 在受治疗者54的腰部(如图1所示)或受治疗者身体的其它部位上，诸如腕部(结构未显 示)。可选地，对于一些应用来说，胶囊50包括内部数据记录单元，并且不提供外部数据记 录单元52。在这些应用中，由胶囊50记录的数据在胶囊离开身体之后被取回。
参考图1B，其为根据本发明的一实施例的胶囊50的示意图。胶囊50包括至少一 个适于发射伽马和/或X射线(即，具有至少10千电子伏的能量的射线)的辐射源、至少 一个伽马和/或X射线辐射探测器62和典型地，至少一个适于使由辐射源60产生的射线 准直的准直仪63。对于一些应用来说，辐射源60包括放射性同位素。可选地，辐射源60包 括诸如下文所描述的微型辐射发生器。胶囊50还典型地包括电路64 (对于一些应用来说， 其包括压力传感器)，诸如电池的电源66、用于与外部数据记录单元52通讯的无线通讯装 置(通讯装置未显示)和防辐射护罩68。 现在参考图1A。在使用系统40的典型探测过程中，受治疗者54服下口服造影剂 70。造影剂70典型地适于流经胃肠(GI)道72并且与排泄物一起排出，其基本不被吸收到 血流中。造影剂材料可能类似于通常利用X射线进行胃肠研究所使用的化合物，诸如硫酸 钡浓縮液、碘基化合物或其它此类材料。对于一些应用来说，附加的适当造影剂包括钽、礼、 钍、铋和这些材料的化合物。在造影剂服下之后(例如，造影剂服下几个小时后)，受治疗者 54吞服胶囊50。 胶囊50穿过胃肠道72，并发出伽马和/或X射线辐射。从一特定时间点开始，胶 囊50记录撞击辐射探测器62的康普顿散射伽马和/或X射线光子。由每一辐射探测器接 收的计数率信息典型地与用于所述测量值的时间标记存储在一起。在典型地小于l秒的时 间段内(例如，几十到几百毫秒)，假设胶囊、周围的结肠壁和造影剂处于准稳定状态。选取 足够小的时间段并且求该数目在小区间上的积分允许该准稳定状态的假设。数据可能存储 在胶囊中并且由胶囊时时或者在数据采集已经完成之后传递给外部记录装置。
在本发明的一实施例中，辐射源60和探测器62布置为"观察"胶囊周围的全部 4 Ji (pi)平方球体(或者其一部分)。 参考图1C，其为根据本发明的一实施例的外部数据记录单元52的示意图。数据记 录单元52包括接收/记忆单元55、供应电子/电池组56、天线57和用户控制器58。单元 52还典型地包括用于将单元连接到受治疗者54上的带59，诸如皮带或腕/臂带。
参考图4，其为根据本发明的一实施例的胶囊50的一种结构的示意图。在该实施 例中，胶囊50包括一个或多个辐射源60 ;—个或多个准直仪63，其适于使辐射源60产生的 辐射准直；以及一个或多个辐射探测器62，其典型地只被略微准直或根本不准直。辐射源 60因此照亮封闭的扇形体(相对于胶囊)。这典型地通过提供用于辐射源60的各自的护 罩68实现，其防止光子沿除了用于每个辐射源的优选扇形面之外的方向发射。护罩68典 型地包括具有大原子量和大比重的材料，诸如铅、钨或金。还可以视情况使用用于辐射源、 探测器和准直仪的其它装置，诸如覆盖一个或多个辐射源的圆柱形、球形或其它护罩。
在本发明的一实施例中，单个辐射源放置在球形胶囊内，并且胶囊壳体如此成形， 以使得由辐射源发出的多个相应光子列被胶囊表面上的一个或多个探测器探测。在该实施 例中，该探测器典型地未被准直。 在本发明的一实施例中，辐射源60包括诸如在下列上述参考资料中描述的微型X 射线发生器 Trebes等人的美国专利6， 134， 300和6， 353， 658 Haga A等，"微型x_射线管，，，Applied Physics Letters 84(12): 2208-2210(2004) Gutnan G等，"新型针基微型x_射线发生系统"，Phys Med Biol 49 : 4677-4688(2004) 这种微型X射线发生器或X射线管可用于取代放射性同位素的辐射源60以利用 X射线光子照亮结肠内容物。根据需要打开或关闭这种发生器典型地降低了受治疗者在辐 射中的暴露。另外，能量范围可以被更好地控制并且接通时间内的通量可以更大而不需增 加受治疗者的总暴露量。 在本发明的一实施例中，所提供的装置包括 口服造影剂，诸如硫酸钡或碘基水溶化合物(诸如Gastrograf in， Telebrix或
者上述提到的题目为"X-射线造影介质"的论文中所描述的其它化合物)； 胶囊，诸如在上文参考图1B、4和/或5所描述的胶囊，其适于发出伽马和/或
X射线辐射和探测康普顿散射光子和其它伽马和/或X射线辐射。该胶囊典型地包括(a)
一个或多个伽马和/或X射线辐射源和/或贝塔(e)电子源，诸如铊201、氙133、汞197、
镱169、镓67、锝99、铟11或钯100，或(b)诸如上文提到的X射线发生器； 记录单元，诸如在上文参考图1A和1C所描述的，其适于接收来自胶囊在胃肠道
内传播的RF信号；以及 *诸如下文参照图1D、14A-C和15A-C所描述的数据分析及显示软件。该软件适于 接收来自记录装置的数据和分析该数据，并且以这样的方式将接收自胶囊的处理数据显示 出来，以便允许内科医生评估测试个体的内腔中存在息肉或其它组织畸变的可能性。该软 件可以在诸如个人电脑的通用计算机上运行，其在软件中编制程序，以执行此处所描述的 功能。例如在网络上、软件以电子形式下载到计算机中，或者它可选地以诸如CD-ROM的有 形介质提供给计算机。可选地，软件的功能性可以利用专用的硬件逻辑或者联合使用硬件 和软件单元而实现。 参考图9A，其为示意性地说明根据本发明的一实施例的胶囊50的不同功能块的 框图。在该实施例中，胶囊50包括一个或多个下述部件(a)伽马和/或X射线辐射探测器62，其可以包括例如连接到光电二极管的CZT晶体或闪烁晶体；(b)模拟信号放大电路； (c)数字信号处理电路；(d)数字存储电路；(e)RF传送、接收和保持电路；(f)校准保持电 路；(g)内部定时电路；(h)MEMS加速度传感器芯片和保持电路；(i)压力传感器和保持电 路；(j)供电电路，其包括用于辐射探测器的HV偏压和用于MEMS的电压；(k)RF发射机；(l) RF接收器；(m)模拟电路；(n)数字电路；和(o)位于胶囊内部或外部的电池或其它电源。
参考图9B，其为示意性地说明根据本发明的一实施例的数据记录单元52的不同 功能块的框图。在该实施例中，数据记录单元52典型地包括一个或多个下述部件(a) RF通 讯电路；(b)适于安全存储和接收数据的稳定的数字存储器或其它记录介质；(d)用于将数 据传送到电脑的通讯电路；和(e)供电设备和保持电路。 在本发明实施例中，一种用于探测胃肠道内的息肉和其它组织畸变的方法，包括 (a)将造影剂放置在受治疗者的胃肠道的内部空间中；(b)将诸如胶囊50的胶囊由受治疗 者服下；(c)探测胶囊已经到达胃肠道内引起临床注意的区域。例如，为了探测结肠内息肉 或其它组织畸变，引起临床注意的区域典型地为结肠或下部回肠；和(d)响应于探测，将胶
囊激活。 当胶囊流经充满造影剂的结肠时，辐射源60射出伽马和/或X射线光子，并且胶 囊内的辐射探测器62中的每一个探测位于探测器所观察的相对扇形体处的康普顿背散射 (大约180度)光子。每个探测器接收从多个准直辐射源背散射的光子，并且光子通量取决 于特定探测器和光子发射准直器之间的相对几何形状。背散射光子通量还取决于背散射光 子去往探测器途中所遇造影剂的体积，并且所述通量依次与隔开准直仪外边缘和结肠壁的 相对距离逆相关，例如成反比。 因为准直仪和伽马射线探测器之间的相对几何形状已知，假设存在与准直仪的数 目相关的足够的伽马/X射线辐射探测器，可以估算从准直仪外边缘到与其垂直的结肠壁 的距离。对于一些应用来说，下列算法用于估算这些距离。假设标量系数矩阵C表示所有 发射辐射准直器和所有辐射探测器之间的几何形状系数，并且矢量X表示特定康普顿背散 射能量窗处的计数率测量值，随后待解决的问题可以由下列方程式表示
OX二d(方程式l) 其中，C、X和d为实数，X和d为正值，并且其中矢量d表示从每个发射辐射准直器 到与其垂直的结肠壁的估算距离。存在一些已知的方法求解方程式OX = d，例如使OX-d 最小化。其它方法为已知的并且可以应用于该问题。 图IOA为图示出使用根据本发明的一实施例的该算法的模拟结果的图表。竖条 100表示由使用该算法所确定的模拟的估计距离，并且竖条102表示各自的实际距离。图 IOB为图示出在变化的泊松噪声百分比的情况下根据本发明的一实施例的该算法精度的图表。 在本发明的一实施例中，探测胶囊已经到达引起临床注意区域包括探测X射线荧 光(XRF)光子，其对于胃、小肠和结肠来说是明显不同的。当胶囊进入胃肠道时，每时段测 量并估算XRF计数率。在胃中，由于几小时前服下的口服造影剂的一部分仍然残留，XRF计 数率预计处于中等水平。当胶囊进入小肠时，XRF数显著降低，这是因为胶囊与小肠壁接触 或几乎接触，所以在探测器和壁之间没有足够的用于大量发荧光造影剂的空间。随后，当胶 囊进入结肠时，XRF数增加，这是因为结肠充满沿其长度良好混合的造影剂。(应当注意，小肠的一些段与结肠部分极为接近，使得当胶囊位于这些段中时，由于位于相邻的结肠部分 中的造影剂(并且不是因为小肠中的本地造影剂)使得XRF数对于一些探测器来说可能增 加。该增加的XRF数持续直到胶囊继续其行进并且进入与结肠极为接近的小肠的一部分中 为止。) 可选地，探测胶囊已经到达引起临床注意的区域包括使用pH传感器和/或用于胶 囊的pH敏感涂层。对于引起临床注意的区域包括结肠的应用来说，pH传感器典型地配置 为探测酸性的降低，并且pH敏感涂层配置为溶解于结肠的特有pH值中。
进一步可选地，对于探测胶囊已经到达结肠来说，胶囊包括触发器，其设定为一旦 胶囊靠近放置在接近结肠入口附近的小腹上的外部固定的贴片就将胶囊接通。这种触发器 例如可以包括贴片上的有源振荡电路。当胶囊接近贴片时，胶囊内的无源谐振电路从贴片 上的振荡吸收能量，并且这触发胶囊开始运转。类似的装置通常用于商店和图书馆中的防 盗系统。 更进一步可选地，为了探测胶囊已经到达结肠，胶囊包括适于测量胃肠道内压力 变化的压力传感器。当胶囊流经胃肠道时，压力传感器被连续监视。在胃中，通常很少发生 压力变化，例如每隔几分钟。当压力变化变得更加频繁和有规律时，这可以显示出胶囊已经 进入小肠，此时胶囊预计行进了平均2-5小时。 一旦有规律的压力变化停止并且监视到缺 少规律的压力波和较不频繁的压力波时，胶囊很可能已经进入大肠，胶囊预计在此停留平 均24-72小时。 用于探测胶囊已经到达所关心区域的这些方法可以分别地使用或者结合使用。当 结合使用时，来自如上所述的多个独立传感器的信息典型地相互关联，并且这些信息被分 析以便确定胶囊已经到达所关心区域，例如结肠。(可选地，胶囊在胃肠道中基本处于连续 运转状态。) 在本发明的一实施例中，用于结肠中息肉探测的基本原理建立在上文参照图2A-E 和13A-C所述实验中所描述的物理原理以及结肠肌肉收縮的通常对称性质和结肠内腔的 通常规律的特征的使用的基础上。对于息肉探测来说，胶囊测量从每个准直仪外缘到结肠 壁表面的相对距离。然而，在每个时间点处，该算法查找并计算描述了与结肠短轴(即，当 以横截面观察结肠时，结肠的直径)相应的最大康普顿背散射通量的圆盘。该圆盘描述了 每个时间点处的结肠短轴。补充该计算的附加信息来自分析轴线以最大光子通量为中心的 对称圆锥体；这与在每个时间点指向结肠短轴的立体角相对应。该算法随后开始通过模拟 最为符合这些测量值的2D椭圆样条来估算由不同的范围测量值所描述的圆盘。这依次为 位于胶囊位置处的结肠断面的预测。典型地，当胶囊穿过结肠时，它使内部结肠距离的外观 重建。对于一些应用来说，该计算在受治疗者的坐标系内进行。对于这些应用来说，胶囊 50中的MEMS加速度传感器芯片典型地提供对万有引力方向的基准，并且与目标(例如，在 上文参照图1C所描述的带59)外表面连接在一起的第二MEMS加速度传感器芯片提供用于 修正目标运动的第二基准。可选地，对于一些应用来说，该计算在胶囊50的坐标系中进行。 在这些应用中，不需要基准，并且输出包括相对于胶囊坐标系的距离。 典型地，在胶囊排出之后，数据被后处理并且交给观察专家。对于一些应用来说， 数据作为一系列的截面重建呈现给观察者。观察专家能够识别不规则的特征，其在结肠肌 肉收縮期间，通常不能在结肠内腔中发现。特别地，系统能够对结肠壁中的"凹凸不平"和无规则凸起的特征进行探测，该特征可能为息肉或其它可疑的组织畸变。 参考图1D，其为根据本发明的一实施例的这种结肠横截面重建的示例性图形表示
的示意图。 在本发明的一实施例中，上述数据的时间导数可用于胶囊在结肠中行进路径的重 建。使用时间导数代替数据本身或者与数据相结合能够在胶囊穿过结肠时使观察者更好地 识别结肠内表面上的无规则的特征。特别地，该分析数据的方式能够探测并区分结肠壁上 的息肉和其它特征(诸如袋环)。息肉在时间导数图中表现为较窄的轨迹，而袋环表现为宽 轨迹，轨迹随着胶囊接近它们而通常覆盖胶囊周围全部360度的范围。(参见图14A-C和 15A-C在下文进行描述。) 在本发明的一实施例中，来自胶囊的数据可能以图表格式(参见下文所述的图 14A-C和15A-C)呈现给内科医生，该图表格式不能给出图像信息，而是以图形表示的方式 显示出信息，其帮助内科医生确定是否存在可能隐藏癌症并且需要结肠镜检查的息肉或其 它组织畸变的可能性。 对于辐射源60发出具有两种或更多不同能量的光子的应用来说，基本分析数据 单元可能为高能数和低能数之间的关系(例如，比率或差)。可选或额外地，基本分析数据 单元为用于每个能量窗的计数。 在本发明的一实施例中，从结肠内容物和远处背散射的高能计数率和低能计数率 之间的比例关系被用于校准胶囊距结肠壁的实际距离。这是可能的，因为处于不同能量的 光子通量的比率与实际距离相关，例如成比例。该特征特别有用，因为造影剂的浓度随着胶 囊从右结肠(其中结肠内容物为流动的)向左结肠和直肠(其中结肠内容物通常为较少流 动的，或者甚至为半刚性的)行进时发生变化。因此，造影剂每厘米深度中的光子的平均通 量随着造影剂浓度的增加而减少。(水流出结肠；因此结肠中的造影剂浓度增加，这是因为 造影剂没有离开结肠。) 在本发明的一实施例中，诸如胶囊50的胶囊适于探测康普顿背散射光子，典型地 为通过相对于入射光子进行180(+/_20至30)度背散射过程而形成的光子，其取决于探测 器能量分辨率和探测器准直(如果被准直)。对于多个能量窗应用来说，用于不同能量窗 的计数率被用作成像处理的基本数据。特别地，对于每个探测器来说，与其专用通道相连的 电子设备计算根据康普顿后向散射能原理在每一预定能量窗处撞击探测器的光子数总和。 (其它能量窗用以探测来自被照亮的造影剂的XRF光子。) 在该实施例中，胶囊50实现了一种可以理解为类似昆虫复眼的算法。这种眼不会 具有单个的聚焦透镜，取而代之是具有大量的布置在半球一部分上的光学传感器。具有复 眼的昆虫是极其近视的，只能看到它们前方几毫米的东西。但是它们的眼睛很好地适于探 测更大距离处的运动，并且探测活动物体的矢量方向和形态。例如，这些能力允许飞行中的 蜻蜒探测到远离它几米之外的飞行中的蚊子，并且允许诸如蜜蜂的昆虫以高速飞过浓密的 森林而不会撞到树枝。 对于适于在胃肠道中行进的胶囊来说，通常很难安装大阵列的探测器及适当的准 直装置以便重建高分辨率的图像。因此，该情况与昆虫不得不利用有限的探测器源来"分 辨"形态的情况相似。在本发明的一实施例中，探测器布置在胶囊中，以"观察"包围胶囊的 半球或半球的一部分。然而，探测器的数量典型地限制为小于100个，例如小于40个，数目的上限根据(a)仍能提供适当的信噪比的任一给定探测器的最小尺寸，和(b)可以适度地 容纳在胶囊的可用小空间中的独立信号通道的最大数目而设定。另外，为了充分地利用可 以从康普顿背散射处理中获得的较少的光子以及胶囊上空间的不足，探测器典型地布置为 不准直或者极轻微地准直。因此，每个探测器"看见"相对广角的图像，并且总的静态空间 分辨率折中到某种程度，其类似于昆虫复眼的情况。与分辨率由单个光学探测器的观察角 设定的昆虫情况不同，在胶囊的情况下，胶囊的"图像"分辨率由辐射源的准直决定。
与昆虫的情况相同，胶囊也是"近视的"，其只能从几毫米的距离内构成静态图像。 然而，与具有其复眼的昆虫相似，胶囊在移动穿过结肠时能够探测出弯曲物、袋环和息肉。 典型但不是必需的，息肉及其它形态的探测通过利用由胶囊在其穿过结肠时而采集到的数 据脱机完成。 参考图14A-C和15A-C，其为根据本发明的一实施例产生的表示胃肠道表面形态 的表面的示意图。提供一种动态跟踪算法用于探测胃肠道中(诸如结肠中)的息肉，并且 将它们与在结肠中正常发现的形态(诸如弯曲的结肠壁、袋环和结肠折叠部)区分开。该 算法利用了胶囊在结肠内的运动以探测息肉形态并且将它们与结肠中的其它正常结构的 形态分开。 在该实施例中，发出的射线典型地配置为"照亮"包围胶囊的体积的全部或一部 分。可选地，对发射辐射的准直被配置为优选地照亮包围胶囊的体积的特定扇形，而使其它 扇形未照亮。后一种结构可以用来更好地在胶囊移动时探测结肠内的组成成形物，随着所 关心目标从"阴暗"移动到"明亮"而将其探测出。 在下面对动态跟踪算法的描述中，为了简化起见，假设辐射探测器分布在2D矩形 表面上。还假设来自探测器的数据映在2D矩形表面上，其中探测器的数据由在与康普顿背 散射光子的能量窗对应的特定能量窗中诸如每一积分时间的计数率的性质的测量读数所 表示。这样，3D结肠内腔被映在2D矩形表面上。 在动态跟踪算法的第一步中，对于2D表示表面上的每个细分来说，每个准直仪 "看见"的相对距离被计算，例如，利用诸如上文描述的方程式1的矩阵算法。图14A、14B和 14C各自的表面120A、120B禾P 120C以及图15A、15B禾P 15C各自的表面122A、122B和122C 为各自的时间点处这种相对距离表示表面的示例性表现。 在该算法的第二步中，表示细分的读数和表示所有相邻细分的各自的读数之间的 差被计算(直到2D表面上6个相邻段)。 在第三步中，根据泊松分布计算阈值，例如相对于细分值+/_0 。例如，如果Nij为
细分ij处的读数(在第一步中所描述的分析之后)，阈值将为一个E (即，+/_Nij的平方
根)。只有细分值的至少一个E的读数用在下文紧接描述的第四步中。 在第四步中，新的2D表面被绘制，其中像素表示第一张2D图(S卩，图14A-C和
15A-C各自的表面120A-C和122A-C)的细分之间的差异。该表示的结果是代表时间导数的
一系列2D时间形态，其描绘出了胶囊在结肠内的运动并且显示了胶囊行进时的不同形态。
图14A、14B和14C各自的表面124A、124B和124C以及图15A、15B和15C各自的表面126A、
126B和126C为各自的时间点处代表这种差异的示例性的曲面表示。例如 移动前部的形态(有几条相关的路线组成)为一条线，如图15A-C的线128。
具有圆柱对称(在3D胶囊空间中)的移动前部的形态表现为与2D不同空间相交的线性脊，诸如图15A-C中的脊130。这种移动前部可能与壁运动或与壁相关的胶囊运动 相关。
具有独立形态的活动对象可能与息肉或其它组织畸变相关，如图14A-C中所示。
在该算法的第五步中，这些2D不同的图对观察专家显示为动画系列，以便帮助他 评估可能的异常，诸如息肉。 对于一些应用来说，该算法使用了以来自探测器的读数为基础的自相关函数以估 计胶囊当前的3D运动。这种自相关函数的使用通常提高了信噪比。通过根据多个积分时 间段而不是利用单个积分时间估算读数而使该信息随后可用于关联来自相邻细分的读数 并因此增大积分时间。通过使关联的读数平均化造成的积分时间的增大通常减小了噪音。 来自MEMS加速度传感器芯片(图9A)的数据也可以用于此关联，或者作为验证测量。
由该算法提供的动态分辨率通常允许从距离胶囊较远距离处的分辨息肉，甚至使 用较少数量的探测器。尽管较少数量的探测器没有准直或稍加准直(因此，它们视野重 叠)，但是不使用该算法的话，将通常导致较低的静态分辨率(其由辐射源准直决定)。
利用动态分析的其它算法可用于探测结肠内的息肉或其它组织异常并且将它们 同正常的结肠壁运动(例如，结肠肌肉收縮)和结肠内的胶囊运动区分开。特别地，使用与 那些所描述的类似的动态分析算法可以适于与上述实施例一起使用，以增强和提高对空间 和时间变化的稳健性和抗扰性。特别地，动态分析可以连同静态分析一起使用以提高对诸 如息肉的异常的探测和评估。 参考图5，其为根据本发明的一实施例的胶囊50的时分多路传输结构的示意图。 在该实施例中，胶囊50包括至少一个防辐射护罩68。该胶囊如此配置，以使得护罩68在胶 囊位于胃肠道中的一段时间内阻碍从辐射源60发出的辐射。对于一些应用来说，该局部阻 碍通过移动护罩68完成。可选或额外地，该阻碍通过移动辐射源60完成。对于一些应用 来说，辐射源60连接到移动杆80上。在静止阶段，当胶囊不采集数据时，辐射源60定位在 护罩68后面，以使得朝受治疗者身体逸出的辐射量最小。在使用阶段，当胶囊50采集数据 期时，杆80诸如通过低功率致动器84 (例如，声圈线性致动器或压电直线电机)往复移动。 杆80的运动将辐射源60暴露给不同的准直仪63，造成辐射源60在不同的时间照亮围绕胶 囊的球体区域的不同角度的扇形。探测器62与辐射源位置时间同步地探测来自包括介质 的结肠内容物的康普顿背散射光子或X射线荧光光子。 对于一些应用来说，辐射源60包括同位素，例如氖1201、碘111、碘131、镓67、锝 99m或者钯100。对于一些应用来说，杆80包括重金属，诸如鸨、铅或钽。对于一些应用来 说，护罩68包括高原子序数物质，诸如钨、金或钽。 利用这些技术，系统分辨率可以通过调节"照亮"体积控制。例如，较高强度的辐射 源可以放在胶囊中，并且通过控制辐射源的准直角度能够获得极窄的高分辨率观察体积。 在该结构中，用于受治疗者的总辐射暴露仍然较小。 人体结肠的生理和解剖是这样的，即结肠内容物大部分时间(在平均24-72小时 期间)是不动的，并不时地混合一点而不是向前移动。每隔数小时，收縮开始，其在结肠内 产生压力(直到平均200毫米汞柱)将材料向前朝向肛门挤压。为了使受治疗者辐射暴露 最小化，辐射源60的机动往返运动典型地仅在胶囊感应到表示结肠内逼近的块状运动的 内腔压力增大时和/或当胶囊使用MEMS加速度传感器芯片感应到表示胶囊可能的逼近运动的角度变化时激活。在胶囊没有感应到任何压力或倾角方面的变化并且接近结肠壁的探 测器的XRF读数处于稳态期间，辐射源60稳定在护罩68的中心。 辐射源60的机动往返运动导致辐射源随着其在护罩68后面往复运动时发出穿过 准直仪63的伽马或X射线辐射。准直仪63如此布置，以使得在任何给定时间，只有准直仪 的预定子部分发出射线。只有当希望胶囊采集数据时暴露辐射源通常减少了受治疗者所暴 露的辐射量。 在本发明的一实施例中，致动器84和杆80如此布置，以使得杆80根据受迫机械 振荡器的动态移动。在该布置中，杆80与至少一个弹簧(弹簧未显示)相连，从而使得杆与 弹簧的组合构成一具有特定谐振频率的机械振荡器。以该频率或接近该频率，使杆80移动 所需的能量达到最小。致动器84提供由于摩擦而损失的能量。在杆运动的两端，杆减慢。 杆、弹簧和准直仪典型地如此布置，以使得辐射源在杆减速的位置处暴露给准直仪的开口。
在本发明的一实施例中，处理单元整合在胶囊中，以使得在胶囊内可以实时进行 有限的数据分析。特别地，胶囊可以计算测量数据的自相关函数并且将该信息合并以便确 定胶囊是否由于除了块状运动引发压力之外的重力或其它外力而在结肠内移动。特别地， MEMS加速表和自相关函数相结合可以帮助确定胶囊是否稳定或者在结肠内移动。胶囊因此 连续进行辐射源移动直到胶囊静止下来为止。 在本发明的一实施例中，护罩68可以至少部分地包括磁性材料，以使得护罩作为 致动器84的一部分起作用(例如，当致动器包括声圈致动器时)。在该实施例中，通常不需 要专用磁铁。 在本发明的一实施例中，造影剂与例如球状颗粒的铁磁粒子混合。当胶囊进入结 肠时，这些粒子被磁性地吸引到胶囊上，并且形成随胶囊传送的增大的质量，从而使胶囊减 速并且加大了息肉的探测概率。对于一些应用来说，护罩68包括电磁铁，其可以开启或关 掉，从而允许或强迫铁磁粒子与胶囊分离。 现在参考图6A-E，其为根据本发明的各实施例连接有可膨胀气囊140的胶囊50的 示意图。包围胶囊50的气囊140的膨胀典型地将胶囊远离气囊的外表面朝向气囊的中心 移动。因此，胶囊定位成接近结肠内腔的中心。这种定位通常改进了用于息肉和其它组织 异常探测的胶囊在各方面的系统分辨能力。使用气囊结构探测组织异常和息肉的方法与不 包含气囊的那些实施例基本相同。 在这些实施例中，气囊140适于在胶囊50到达引起临床注意的区域(典型地为结 肠)时膨胀。胶囊50典型地使用这里描述的方法探测其到达结肠。对于一些应用来说，为 了膨胀，气囊140包含或连接到一种当其与结肠内容物中的水相接触时释放气体(例如， C02)或凝胶的材料。例如，气囊140可以包括定位在气囊外表面上的化合物142。化合物 142暴露于结肠内容物和气囊内部。用于使气囊膨胀的其它方法对于已经阅读本申请的本 领域技术人员是显而易见的，并且在本发明的范围之内。 对于一些应用来说，气囊140包括释放阀144，其配置为当该阀与结肠内容物中的 水接触时缓慢溶解。阀144典型地配置为在稍长于胶囊通过结肠所需的期望时间的一段预 定时间后溶解。阀144的溶解允许容纳在气囊140中的气体从气囊中逸出，从而使气囊放 气。该机构保证了胶囊和气囊不会令人不希望的堵塞结肠中的物体通道。
参考图6C和6D。在本发明的一实施例中，胶囊50涂有适于在pH、诸如约为7时溶解的pH敏感涂层150，其可能发生在小肠末端和结肠中。可选或者额外地，其它结构被用 于探测胶囊到达结肠中，诸如和与结肠中细菌释放的酶起反应并溶解的聚合物相结合的机 构。这些细菌在结肠中相对于胃肠道的其它部分具有显著的存在率。例如，可以使用诸如 AicelloChemical Co. ， Ltd. (Aichi， Japan)所出售的pH敏感涂层和细菌溶解内涂层的组 合。 再次参考图6C和6D。在本发明的一实施例中，胶囊50进入结肠由探测压力波图 形方面的变化和/或由于造影剂产生的XRF的存在率而确定。这些指标还可能用于触发机 械或化学作用，以释放外部涂层或使来自结肠内容物的水能够进入第一涂层下面的层中。 在这些实施例中，气囊140的外表面包括允许水和造影剂进入气囊140的半透膜152。对于 一些应用来说，气囊140包括超吸收水凝胶层153，其在水流过半透膜152时膨胀。对于一 些应用来说，诸如通过长的柔性连接元件154将胶囊50连接到半透膜152上，以使得胶囊 50保持在气囊140中。对于这些应用来说，气囊140典型地具有大于胶囊50的长度，并且 具有大于结肠的宽度，以使得胶囊倾向于沿着结肠的长度定向。另外，对于一些应用来说， 气囊140包括一个或多个适于使气囊围绕胶囊延伸的支撑元件156。元件156可以例如包 括诸如记忆成形镍钛诺的材料(例如，由Memory-Metalle GmbH(Weil amRhein， Germany) 出售)。 在本发明的一实施例中，气囊140超出胶囊50范围的膨胀产生了充气介质，其中 存在可忽略不计的康普顿散射。因此，康普顿背散射在气囊140与结肠内容物的边界上开 始，典型地距离胶囊50的外表面约0. 5和1. 5厘米之间。在该结构中，为了测量从胶囊50 的外表面到结肠壁的总距离，胶囊50计算两个单独距离的总和(a)在气囊内部从胶囊到 气囊外表面的距离和(b)从气囊外表面到结肠壁的距离。 对于一些应用来说，利用一种或多种下列方法进行从胶囊到气囊外表面的距离的 康普顿背散射用于测量从胶囊到气囊表面的距离变化，因为这些变化由背散射 的康普顿光子总数的巨大变化所反映。这是由于在气囊内部基本不存在背散射的事实。因 此，气囊表面的距离变化反映在背散射率方面的变化，如1/IT2，其中R为到气囊表面的距 离。由于气囊以外的变化所引起的康普顿背散射方面的变化较小。可选择地，对于一些应 用来说，这些变化与气囊外部的XRF方面的变化相关。，根据背散射投影尺寸估算从胶囊到气囊表面的距离。这是已知的，这是因为准直 几何形状为已知的并且康普顿散射在充气气囊内基本忽略不计，并且因此仅在气囊和结肠 内容物的界面处开始。
如图6B所示，气囊表面充满诸如钨或钽的高密度材料的点粒子158。当利用来 自胶囊50内部的辐射源60的伽马和/或X射线光子照亮粒子158时， 一些XRF (具有特殊 光谱线)由胶囊上的辐射探测器62探测到。到这些点源的距离可以利用用于来自一些探 测器的特定能量窗的计数率来计算，利用下列方程式
"r.p) '^cw(伊)(方程式2) 距离取决于到点源的范围r和角度。 气囊140的表面包括(例如，充满)小的伽马和/或X射线辐射点源160，如图6E 所示。点源160典型地包括短寿命伽马辐射源，诸如氚1201、铟lll，或发射具有一个或多
29个能级的伽马射线的其它材料。从气囊表面到这些点源的距离典型地参考方程式2利用上 面刚刚描述的方法确定，并加以必要的变更。 为了估算从气囊表面到结肠壁的距离，胶囊典型地分析从造影剂(或胃肠道中的 其它口服高原子序数物质)发出的XRF。 XRF计数率与位于结肠和气囊表面之间的混合有 造影剂的结肠内容物的体积相关，例如，成比例关系。 再次参考图6E。如上所述，在本发明的一实施例中，气囊140的表面包括辐射点源 160。在该实施例中，胶囊50典型地包括辐射源60。在该实施例中，胶囊50和/或外部数 据分析软件绘制(a)气囊140外表面的几何形状，和(b) (i)接触气囊140或(ii)处于气 囊140附近的结肠的解剖结构。典型地，气囊140包括小于40个的点源160，并且胶囊50 包括小于40个的辐射探测器62。从点源160发出的光子沿各个方向行进。朝辐射探测器 62行进的光子被处于光子各自的能量窗的探测器所探测。朝着结肠内容物方向行进的一部 分光子经过康普顿散射，使得一些光子返回与入射光子成大约180度的探测器。这些散射 光子通过胶囊辐射探测器和相关的电子设备在适当的能量窗处寄存。胶囊50和/或外部 数据分析软件使用(a)点源160彼此之间在气囊表面上的位置信息和(b)由排列在胶囊上 的探测器对初始光子和散射光子的探测以绘制结肠的解剖结构，而不管这些部分是否与气 囊接触。典型地，每一点源的位置和来自每个点源的背散射成分通过解线性方程而确定，该 方程描述了由多个探测器所进行的点源探测。求解该方程是可能的，因为该胶囊典型地包 括多个探测器和更少数量的多个点源。
对于一些应用来说，下列算法用于执行该绘图，胶囊50记录每个初始(g卩，入射)能量窗在每个积分时间间隔处的光子数，点源 160在初始能量窗处产生光子。 *胶囊50记录与初始能量窗相对应的每个康普顿大约180度背散射能量窗在每个 积分时间间隔处的光子数，点源在初始能量窗处产生光子。，对于每个探测器尺寸D(Ek) i，每个初始能量窗Ek的计数设定为等于从所有可能
的"被观察"源到达的光子和，即
D(卿-;w.外,炉)(方程式3) 其中Sij为特定能量窗的点源的已知强度(或表示多个已知点源之间关系的矩 阵)，并且^.W为点源Sij的几何形状和探测器探测数D(Ek)i的未知函数关系。例如，下列
方程式可以作为W,W的表示
WwH^ow(伊)(方程式4) 使用矩阵形式，线性转换可以写成如下
D = S小 (方程式5) 点源强度之间的关系典型地在胶囊制造期间或者在气囊膨胀之前步骤的开始阶 段测量并存储在胶囊内存中。这些关系在点源160的放射性同位素示踪材料的全部寿命中 保持不变。
因为测量矩阵D和点源矩阵S已知，有可能变换S，这是因为S为良性并且可逆 的，并且小值如此计算 小=S—^ (方程式6) 其中小为加权函数，其值与气囊表面相对于探测器表面的空间几何形状相关，例如成比例关系，其中加权矩阵的主导规则为负二次方规则。换句话说，从远方探测的辐射源 的强度与点源到辐射探测器之间距离的平方成反比。可以进一步表明的是为了求解点源的 位置，辐射探测器的数量应当至少是点源数量的三倍。 用于计算辐射源在气囊上的位置并且外推气囊表面形状的其它方法也在本发明 的范围之内。 对于一些应用来说，XRF光子的分析用于估算从气囊表面到结肠壁的距离，单独或 者与上文描述的测距方法一起使用。对于一些应用来说，除了气囊之外的结构用于有效地 产生类似于气囊的作用，例如，辐射源向外边界的延伸接近结肠壁。当这种其它结构使用 时，用于绘制结肠解剖结构的方法(诸如上文所描述的算法)适当地改动以包括这些其它 结构。 在本发明的一实施例中，提供一种根据异常和正常结肠组织之间的密度差而从结 肠内腔内部识别息肉、结直肠癌或其它异常的算法。该算法还有助于探测没有鼓起到结肠 内腔中的癌组织和平坦息肉(西方世界中大约5%的息肉，以及在日本超过10%的息肉)。 还可以使用处理数据集并且利用测量值之间的关联提高信噪比的其它方法。(随后的描述 涉及单背散射能以及多背散射能和高、低背散射能之间的关系(例如，比率或差)。)
在胶囊50或气囊140的至少一部分与结肠壁或其它内部结构接触时使用该算法 通常得到最佳结果，使得在一个或多个辐射探测器62和结肠壁或其它结构之间基本不存 在造影剂。胶囊50典型地与结肠壁紧密接触地行进，这是因为胶囊典型地由于结肠壁的蠕 动挤压而在结肠中前进。 该算法典型地当确定了可吞服装置的至少一部分已经接触到结肠壁或其它内部 结构时进行。例如，该确定可能通过探测在该装置接触部分处的XRF光子减少到大致为零 而做出，其表示在该装置和结肠壁或其它结构之间基本不存在造影剂。
该算法分析响应于由辐射源60和/或气囊140表面上的点源160 (图6E)发出的 入射光子而产生的大约180度康普顿背散射光子数。该算法利用主分量分析(PCA)处理"观 察"同一照亮区域的相邻探测器的计数，如下。下列方程式为一般矩阵方程，其描述了对基 于来自N个相邻象素的N的测量值的主分量的转换
Y = UX (方程式7) 其中，X为背散射光子数的矩阵(或者不同能量窗的背散射光子之间的一些关系， 例如，比率或差，诸如高能量窗除以低能量窗)。与每个象素Y相关的为主分量矩阵。U为 由X的方差-协方差矩阵推导出的NXN单位矩阵，
Cx = XTX (方程式8) 其中，变量 ，j(j = 1到N)， N为中心平分的。矩阵U的行是a,的标准特征向量。
主分量的协方差矩阵随后为 -UCy(方程式9) 并且主分量(PCs)的变量为(；的特征向量，排序使得、> A2... >入w。
因为U为酉变换，总的数据方差被保存，即， <formula>formula see original document page 31</formula>(方程式10)
其中o x2为原始变量Xj的方差。方差的再分配在信息恢复中是有用的。因为主分 量为不相关的，并且每个Yj具有小于前述分量的方差，一些主分量将包含很大百分比的总 方差。换句话说，人们期望，对于诸如结肠肌肉壁的通常同种组织层来说，总数据方差的大 部分可以由单个主分量描述。另一方面，息肉和/或癌组织的存在将引发来自结肠壁的背 散射光子数比率增大的变化(与一致的结肠肌肉成分相比)。Cx的复合结构将导致两个关 联项(即，两个主分量)的存在，其描述了在一个以上的主分量中的很大一部分的总方差。
在本发明的一实施例中，除了对来自相邻探测器象素的数据进行静态分析外，如 上所述，当胶囊穿过结肠时，在其连续位置上执行同一数学公式。从不同探测器采集到的数 据的自相关函数被用于评估本地运动。(该技术有点类似于使用光学分析技术估计光学电 脑鼠标的变化的位置。) 在本发明的一实施例中，提供了用于探测和辨别结肠内气体和诸如息肉的组织异 常的方法。气泡不时地形成于结直肠内腔中。这些气泡可能被错误地辨别为结肠中可能的 息肉或其它组织畸变。在该实施例中，实现了一套算法工具和支持硬件以帮助区别结肠内 的气泡和息肉或其它组织畸变。这些算法工具包括但不限于 来自气体的康普顿散射明显低于(典型地，几乎不存在)来自组织(正常和异 常)的康普顿散射。因此，气泡表现为在所有能量窗中减小的康普顿散射。另外，高、低能 量之间的关系(例如，比率或差)在有气泡存在的情况下不会变化很大。因此，对所有能量 窗中减小的康普顿散射和上述关系中较小的变化的识别是存在气体的指示，因为光子通过 较少的造影剂。
除了康普顿散射光子，胶囊还典型地适于探测由造影剂的高原子序数的原子发 出的X射线荧光光子。由于较低的原子序数并且主要地由于较低的密度，使得结肠内的空 气和其它气体不发射XRF。这使得根据康普顿散射光子和X射线荧光光子之间的比率能够 区分气泡和息肉。
在形成时，由于重力作用，气泡倾向于升至内腔的顶部。因此，利用来自MEMS芯 片的相对于重心信息的倾角，可以确定是否已经探测到可能的气泡。利用关于重力方向的 信息，有可能确定相对于可能探测到与气泡相关的计数率方面的变化的任何立体角扇形的 气泡位置。，气泡稳定时在其底部具有平面。因此，它们实现不同于结肠内的息肉或其它凸起 的组织异常。 *气泡在非稳定时远离万有引力拉动行进。因此，利用来自MEMS芯片的信息，可以 确定可能的气泡是否靠近胶囊。，在结肠的最后部分和直肠内，气体可以形成并且随后从肛门排出。这表现为XRF 辐射数和康普顿散射数在几秒和几分钟内的逐渐减少，随后一旦气体释放就突然回到高位 值。
为了减少结直肠内腔中的气体数量，诸如炭化合物或民用产品中用于吸收胃肠
道中气体的化合物的其它吸收剂可以与造影剂混合或者与其一起服下。
对于一些应用来说，利用声波(例如，超声)探测气泡的存在。气泡与结肠内腔
中的息肉和其它组织异常相比具有明显不同的声音发射性质。 在本发明的一实施例中，其中辐射源60包括放射性同位素，该放射性同位素发出贝塔射线。这种贝塔发射器例如可以包括磷32、硫35或氙133。该放射性同位素放在诸如 金、铅、钨或其它高原子序数的高原子序数金属外壳内。所选材料典型地具有较高能量的 XRF线(例如鸨，具有67keV的XRF)。该装置产生XRF次光子辐射作为贝塔电子激发的结 果。 在本发明的一实施例中，一种节能协议被用于当胶囊进入结肠之前在胃肠道中行
进时节约电池电能。根据这一协议，使用了上文所描述的用于探测胶囊已经到达结肠的一
种或多种方法。一旦已经探测出到达结肠，胶囊开始数据采集以便探测结肠内的息肉。该数
据采集典型地持续平均24到72小时之间。为了使来自胶囊的辐射暴露最小化，该胶囊设
计为仅在其将要移动时发射辐射。这种逼近的运动可能例如通过感应结肠内容物的压力变
化探测出；该胶囊在压力相对于时间的梯度经过某一阈值时激活。可选或者额外地，如果胶
囊改变其相对于地球万有引力矢量的倾角(这可以利用MEMS加速表芯片进行探测)的话，
可能激活胶囊。位于某一阈值之上的该相对倾斜方面的变化可以指示胶囊即将移动。可选
或额外地，该胶囊可以使用用于确定何时激活辐射源的这些指标的组合。 可选或额外地，对于胶囊包括气囊140的应用来说，如上文参照图6A-E所描述，用
于激活探测器的触发器可以包括测量气囊内气体压力的压力计。当结肠壁开始运动时，在
气囊内形成压力，从而激活胶囊以接通之前一直失效以节能的探测器通道和其它电子设备
电路。在压力减少之后，可选择地在延迟之后，胶囊恢复到静止的工作状态。 对于一些应用来说，当胶囊处于其静止工作状态时，利用逸出护罩的高能光子，通
过监视来自不同探测器的康普顿背散射数而进行气囊上的压力的测量。来自这些探测器的
读数变化可以显示出气囊处于较高压力，并且因此该胶囊应当以预期可能的运动转换为完
全活动状态。 在本发明的一实施例中，在服下胶囊之前受治疗者吃下特别准备的饮食。该饮食 包括如上文所述的造影剂和适度的泻药，以软化肠内容物并促进大肠运动，从而减少胶囊 的平均通行时间。更短的通行时间通常允许在胶囊中每单位时间内使用更多的能量，并且 通常能够使用用于辐射源60的短寿命放射性同位素，诸如锝99m(其具有6小时的半衰 期)。 在本发明的一实施例中，放置在受治疗者身体上的辐射探测器用于追踪胶囊的位 置。测量来自一些彼此之间具有已知相对位置的探测器的被探测辐射的相对强度能够实时 跟踪胶囊的位置。探测器的位置可以通过磁性位置标记系统或本领域已知的其它位置跟踪 系统进行跟踪。 在本发明的一实施例中，受治疗者服下具有高原子序数(即，原子序数至少为50， 典型地在60到100之间)并且响应于入射伽马和/或X射线辐射发出较亮的X射线荧光 的口服制剂。这种制剂例如可以包括通常用作胃肠道造影剂的硫酸钡\碘基化合物或钆基 化合物，或者发出具有较高能量(钡为32keV)的X射线荧光的其它化合物。该材料通常限 制在胃肠内腔中。高原子序数制剂充满结肠内腔的体积并且通过显示体积未被高原子序数 制剂占据的地方来协助探测息肉及其它组织畸变。 除了下文描述的之外，本实施例的工作原理与上文所描述实施例中的原理类似。 如同在这些其它实施例中一样，胶囊发出伽马和/或X射线辐射以照亮胶囊的附近。然而， 不同于其它实施例的是，该照明的目的是激励高原子序数制剂以发出X射线荧光(XRF)。由XRF处理所发出的X射线辐射随后被胶囊探测并处理。 参考图IIA-D，其为显示了根据本发明的一实施例测量的实验结果的图表。图 11A、11B和IIC为显示了根据本发明的一实施例使用厚度分别为l厘米、2厘米和3厘米的 2%的硫酸钡高原子序数制剂的能谱图表。每个图表显示了硫酸钡XRF光谱线180和以180 度的背散射角测定的康普顿背散射光谱线182。从图表中可以看出，XRF光子计数率取决于 高原子序数制剂(BaS04)的厚度。图IID为根据本发明的一实施例的硫酸钡XRF光谱线对 比高原子序数制剂厚度的整体图，其也说明了光子计数率对高原子序数制剂的相关性。(实 线显示了平均计数率，虚线显示了加或减一标准偏差。) 分析由胶囊接收的XRF数据通常与上文所描述的实施例中进行的分析类似。然 而，XRF光子数在存在息肉或其它组织异常的情况下减少，而康普顿散射光子数在存在息肉 或其它组织异常的情况下增加。 根据本发明的一实施例，康普顿散射光子和XRF光子数被测量，并且利用综合信 息，以识别息肉或其它组织异常的存在。在该XRF/康普顿实施例中，所述两种不同类型的 辐射通过与两个单独的能量相对应的不同的能量窗进行评估被分别计算。典型地，辐射源 的光子能量被选取使得来自胶囊的入射光子具有足够高的能量使得大约180度康普顿散 射能量与造影剂的XRF充分分开。XRF光子数和康普顿散射光子数的使用典型地改善了来 源于被接收光子的统计数值。 在本发明的一实施例中，康普顿散射光子和XRF光子的组合被用于估算从胶囊上 的每一个探测器到结肠内腔壁的绝对距离。该信息随后用于(典型追溯地，当分析来自胶 囊地数据时)重建作为时间函数(或作为另一参数的函数，诸如在结肠中的行进距离，典型 地利用来自MEMS传感器或基于来自不同探测器的计数率的自相关函数的信息确定)的结 肠内壁表面曲率。 对于一些应用来说，下列吸收方程式用于估计在任意给定时间从结肠壁到胶囊的 距离 I =小(C， D) I0Exp (_ ii x) (方程式11) 其中I为由探测器测得的光子强度(对于特定能量窗)； 小(C， D)为描述测量效率的函数，其取决于准直的几何形状和探测器效率；I。为辐射源处的光子强度(对于同一特定的能量窗)；ii为结肠内容物的吸收系数，其取决于总化学成分和特定密度； 'x为以厘米计的长度。 对于一些应用来说，提供了一种估算吸收系数P的方法。下列实验将有助于理解 下文对该方法的描述； 康普顿散射相互影响的概率取决于电子密度，并且因此与结肠内容物的密度成 线性比例。
造影剂中(从胶囊发出的路途中和在康普顿散射之后返回胶囊的路途中)的大 部分光子吸收是由于光电相互作用，其随函数Z'5变化；并且 结肠内物质的密度与结肠外并且通常位于体内(远到涉及康普顿散射相互影响 的概率)的物质密度相似。
用于估算结肠内容物(包括造影剂)的吸收系数P的方法典型地包括
确定在任意给定时间时胶囊上的哪个探测器与小肠壁接触。该确定典型地通过 识别在任意给定时间时哪个探测器正在记录XRF的极低水平来做出，因为这是探测器与壁 相接触的标志。(XRF被测量处于响应于穿过造影剂的入射光子的高水平。然而，撞击与小 肠壁相接触的探测器的光子基本不穿过造影剂。)该确定典型地通过分析记录在外部记录 装置52中的数据做出。估计值由每个探测器与小肠壁相接触时所记录的用于每个探测器 的平均康普顿散射光子数得出。这相当于上面所示吸收方程中X = 0 ;
将胶囊的探测器与结肠壁分开至少一段已知的最小间隔距离。正在记录最小距 离的探测器因此位于该已知的最小间隔距离。对于一些应用来说，利用诸如下文参考图7A 或7B描述的延伸装置完成分离。该分离在胶囊进入结肠时进行。胶囊进入结肠可以利用 诸如上文所描述的多种方法探测；以及 利用方程式11和在本方法前两个步骤中测定的康普顿散射计数率来计算包括 造影剂的结肠内容物的吸收系数P 。 利用该计算值，计算从任意探测器到靠近结肠壁部分的随时间变化的距离，经 过该探测器穿过结肠的全部运动周期。在实施例中，该计算根据使用半对数表的模型，其中 计数率在y轴上，并且距离在x轴上。该图的斜率是计算出的P，其基于在该P计算方法 前两个步骤中获得的测量值。 在本发明的一实施例中，受治疗者吞服放射性同位素示踪材料，其为难吸收的并 且仅在胃肠道中停留。随后，受治疗者吞服设置有与佩带在受治疗者身上的外部记录装置 相连的伽马射线传感器的胶囊。除了在此描述的之外，本实施例的工作原理与上文所描述 实施例中的原理类似。 本发明的该实施例基于参考图3描述的下列物理原理，其中图3为显示了实验的 示例性实验结果的图表，所述实验与上文根据本发明的一实施例参照图2A-E所描述的实 验类似。类似于图2A-D中的容器12的容器充满放射性同位素标记的液体或低粘度凝胶， 并且与图2A-D中的气囊18类似的充水小球放置在容器的底部。与图2A-D中的探测器16 类似的准直辐射探测器在容器上方通过，保持与容器底部相隔恒定的距离(在该实验中没 有使用与图2A-D中的辐射源14类似的辐射源)。在沿着探测器路径的多个点处，记录每秒 的伽马或X射线辐射数。当探测器通过水囊位置(位置C)的上方时，计数率读数下降，如 图3中所示。两种物理原理结合产生这种效果 因为介质为液体或者低粘度凝胶，放射性物质的浓度在该介质中均匀分布，假设 在弓I入放射性同位素之后已经经过了足够的时间；禾口 每单位时间探测到的光子数目与校准的探测器"观察"的体积成正比。换句话 说，探测源自衰减成更加稳定核的同位素的光子的概率与准直探测器所"观察"的放射性核 的体积成正比。 该实施例的工作原理通常类似于上文所述的实施例的原理，除了本实施例的高能 光子由受治疗者吞服的放射性同位素示踪材料发出，而不是从胶囊(或者气囊的点源)发 出。该放射性同位素示踪材料典型地与研究结肠通行时间所用材料相似。例如，该放射性 同位素示踪材料可能为口服追踪器，诸如碘-131-纤维素，胶囊中利用铟lll示踪的阳离子 交换树脂粒子(直径0. 5-1. 8毫米)、镓67-柠檬酸盐或口服并保持在胃肠道范围之内的其它此类材料。(例如参见上面提及的Camilleri等的论文。) 该实施例的胶囊类似于胶囊50，诸如上文参考图4所描述的。然而，不同于胶囊 50，该实施例的胶囊典型地不包括任何辐射源。此外，该实施例胶囊的辐射探测器典型地被 准直。该辐射探测器典型地布置在球体内，使得它们"观察"胶囊周围的整个4Ji平方的球 体(或其一部分)。探测器的准直能够使每一探测器"观察"封闭的(相对于球体)扇形 体。 该胶囊穿过胃肠道并且测量撞击其辐射探测器的光子。典型地，该测量通常不断 地进行，除非胶囊处于节能模式。来源于每一辐射探测器的计数率信息与每个测量值的时 间标记存储在一起。在该装置的积分时间内，假设胶囊及其周围的结肠壁和放射性同位素 示踪材料处于准稳态。选取足够小的时间间隔并且求计数在这些小时段范围上的积分考虑 了该准稳态假设。这些数据存储在胶囊中并且典型地由胶囊时时发送给外部记录装置。
对来自胶囊的数据进行分析与上文所述的分析基本类似。凸出的解剖结构的存在 减少了从该区域接收的伽马计数率，由于该结构取代了放射性同位素标记的结肠内容物， 导致了较小的计数读数。 现在参考图7A和7B，其为根据本发明的一实施例的延伸元件的示意图。这些延伸 元件在胶囊50达到胃肠道(典型地为结肠)中引起临床注意的区域时张开。在它们膨胀位 置，延伸元件使胶囊50与结肠壁保持小距离。对于一些应用来说，胶囊50包括当胶囊到达 结肠附近时以化学触发(诸如pH变化)为基础起反应的材料(例如，利用上述Camilleri 等的论文中描述的方法)。该化学反应导致延伸元件的展开。可选或额外地，所用材料在胃 肠道液体吸收在其中时膨胀，从而使延伸元件张开。 对于一些应用来说，膨胀元件包括弹性、柔性材料。该膨胀元件的弹性和挠性是如 此的使得即使该元件在小肠中非有意地完全张开，它们也足够柔软不会干涉胶囊在小肠中 的正常行进。这种延伸装置可以包括诸如水凝胶的材料。这类材料典型地吸收其重量50 倍的重量。典型地，吸收剂被装入织物中，所述织物允许水进入但防止凝胶逸出。
对于一些应用来说，如图7A中所示，该延伸元件包括腿200。可选地，如图7B中所 示，延伸元件包括可膨胀的环形结构202。环结构202由诸如在特定pH情况下溶解于结肠 中的PH敏感材料的溶解材料初始地保持为紧密包围在胶囊50周围。当溶解材料溶解于结 肠中时，所述环释放并围绕胶囊膨胀。更为可选地，延伸元件包括另一膨胀几何形状。
参考图8A和8B，其为根据本发明的一实施例的附加的延伸元件的示意图。在这 些实施例中，胶囊50典型地包括一个或两个可膨胀的柔性腔室211，其连接到胶囊50的一 端(图8A)或胶囊的两端(图8B)。每个腔室211包括半渗透的可膨胀薄膜212，其包围超 吸收水凝胶214。胶囊50典型地涂有涂层210，其对结肠的pH值为pH敏感的和/或对结 肠中所发现的细菌酶类敏感。当胶囊50到达结肠时，涂层210溶解，允许结肠液体(诸如 水和可能的造影剂)穿过薄膜212并且为水凝胶214所吸收。该水凝胶214的吸收使腔室 211膨胀，使得与腔室一起的胶囊50的长度大于结肠内腔的宽度，从而迫使胶囊50的长度 定向为与结肠内腔的纵轴平行。腔室211的膨胀还通常在不存在结肠内容物的块状运动时 使胶囊的运动最慢。即使腔室211在小肠中非故意地完全张开时，腔室不会阻碍小肠中胶 囊的运动。 参考图8C，其为根据本发明的一实施例的又一延伸机构的示意图。在这个实施例中，延伸元件包括展开元件220。展开元件220典型地包括在涂层210溶解时延伸的柔性 材料。延伸单元的其它形式和形状对于已经阅读本申请的本领域技术人员来说是显而易见 的，并且在本发明的范围之内。 对于一些应用来说，其它化学或非化学方法用于触发此处所描述的各种延伸机构
的展开。例如，胶囊50可以接收来自受治疗者以外位置的信号，或者可以探测表示结肠特
征的电信号，并且响应于该信号以机械、电力、化学或其它方式展开该延伸元件。 在本发明的一实施例中，造影剂或放射性同位素示踪(或标记)的制剂和/或高
原子序数制剂封装在胶囊50中或者分离的制剂存储胶囊中，所述分离的制剂存储胶囊在
环境pH值变为胃肠道的希望部分的特征时溶解。在反应中，制剂溶解在结肠附近或其中，
从而提高了结肠中制剂的有效浓度。 在本发明的一实施例中，胶囊50由导航系统跟踪，该系统将位置信息加到胶囊数 据中。这种导航系统可以包括例如一组无线电接收器，其通过在受治疗者身体上的不同位 置处测量由胶囊传送的RF信号的相对振幅而跟踪胶囊。其它实施例利用基于超声的定位， 其中该胶囊充当对来自受治疗者身体上一些位置处的信号的发射机应答器，并且飞行时间 测量提供定位。在一些应用中使用了本领域已知的其它定位技术，诸如基于磁场的位置感 应。 在本发明的一实施例中，胶囊50包括连接到其表面上的导电电极以及位于胶囊 中由胶囊的微型控制器控制的脉冲发生器。在该实施例中，该胶囊适于电力地激励结肠，从 而引起受控的块体运动(或大量运动)。例如，在结合于本申请中作为参考的授予Kobozev 的美国专利6， 453， 199，和结合于本申请中作为参考的RU No. 936931MKI A61N 1/36BIR 1982中描述了这种激励方法，该胶囊典型地重复执行下列步骤(a)从静止模式唤醒并开 始获得数据，(b)激励结肠以影响块状运动，和(c)当块状运动停止时，停止获得数据并重 新进入静止状态。这样，胶囊可以被控制并且在相应的时间获得数据。受治疗者也可以得知 胶囊已经开始其在结肠内部的成像。可选地，受治疗者可以选择开始这种处理的时间。在 这种情况下，结肠的全部普查具有短的持续时间。这样，大便为柔软的并且受治疗者在要求 完成结肠和直肠普查的几分钟内可以选择使用厕所。 在本发明的一实施例中，使用此处所描述的观察和分析技术在收縮期间观察结肠 肌肉。健康的结肠肌肉收縮通常为圆柱对称的形式。通过观察与这种圆柱对称的偏差探测 出可能存在的组织异常。这种异常可能为息肉或其它组织异常，其可以隐藏癌或者癌之前 的肿瘤。沿着结肠的路径从一个区域向另一个区域的偏差也可以显示出组织异常的存在。
在本发明的一实施例中，胶囊的电源包括"核电池"，其利用胶囊中的放射性物质 作为贝塔发射体。例如，可以使用Shanks的美国专利5， 721， 462中所描述的方法和装置， 其结合在本申请中作为参考。 对于一些应用来说，在上述美国临时专利申请60/531， 690和/或60/559， 695中 描述的方法和装置与此处所描述的方法和装置结合使用。 然而，需要注意的是，此处描述的本发明的一些实施例涉及使受治疗者吞服诸如 钡的造影剂(其增大了光子的吸收，并且因此提供了一种将胃肠道壁和内腔内容物区分开 的方法)，在本发明的其他实施例中，受治疗者改为吞服相对于胃肠道壁具有减少的吸收的 造影剂。例如，营养纤维比胃肠道和胃肠道外组织的吸收具有更少的吸收，因此，当胶囊经过息肉和其他异常时，记录的康普顿散射光子将减少。包括权利要求书，在此使用的"造影 剂"包括正衰减和负衰减造影剂。 虽然在本发明的一些实施例中胶囊50和/或数据记录单元52被描述为执行特定 的计算和/或分析，这些计算和/或分析的全部或一部分可以被外部数据分析软件和/和 硬件取代执行。类似地，对于一些应用来说，通过外部数据分析软件和/和硬件而执行的此 处所描述的计算和/或分析可以由胶囊50和/或数据记录单元52执行。
虽然所描述的本发明的一些实施例涉及受治疗者结肠的检查，此处所描述的一些 方法还适用于胃肠道其他部分和/或诸如血管的其他人体内腔，并加以必要的变更。
为简明起见，此处描述的本发明的一些实施例涉及180度的散射角，但典型地也 包括180度附近的范围。例如范围可以为180度+/_通常小于10、20或30度的范围参 数。 本领域的技术人员显而易见的是，本发明不局限于上文特别显示和描述的情况。 相反，本发明的范围包括上文所描述的不同特征的组合和再组合以及本领域的技术人员在 阅读上述说明书后将会想到的不存在于现有技术中的变形和改进。
权利要求
一种用于与布置在胃肠(GI)道的内部空间中的X射线造影剂相关联，探测受治疗者的所述GI道的临床相关特征的可吞服胶囊(50)，所述胶囊包括至少一个X射线或伽马辐射源(60)；至少一个辐射探测器(62)，所述至少一个辐射探测器被配置为用于同时探测在第一能量窗中的从所述X射线造影剂发出的X射线荧光(XRF)辐射，和在第二能量窗中的从所述X射线造影剂以及从GI道的壁散射的康普顿背散射辐射，所述XRF辐射和所述康普顿背散射辐射响应于由所述至少一个辐射源发出的辐射而生成；以及通信装置，所述通信装置用于将有关于来自所述同时探测的康普顿背散射辐射和所述XRF辐射的信号的数据发射到控制单元，其中所述数据被分析，以识别所述胶囊与所述GI道的壁的距离，用于识别所述受治疗者的所述GI道的临床相关特征。
2. 如权利要求l所述的胶囊，其中所述辐射源(60)包括放射性同位素，或微型X射线 发生器，或其组合。
3. 如权利要求l所述的胶囊，其中所述辐射源(60)包括至少一个准直仪(63)，所述准 直仪准直由所述辐射源发出的所述辐射。
4. 如权利要求l所述的胶囊，其中所述辐射探测器(62)包括至少一个准直仪，所述准 直仪准直由所述辐射探测器探测的所述辐射。
5. 如权利要求1所述的胶囊，其中所述辐射探测器被几何定向为探测180度士30度的康普顿背散射。
6. 如权利要求l所述的胶囊，其中所述至少一个辐射探测器(62)包括多个辐射探测 器，其被布置为探测来自多个各探测方向的辐射。
7. 如权利要求l所述的胶囊，其中所述辐射源(60)仅在所述囊处于所述GI道中的一 段时间内从所述胶囊发出辐射。
8. 如权利要求7所述的胶囊，其中所述胶囊包括适于传感指示所述GI道中所述胶囊的 可能的逼近运动的参数的传感器，并且其中所述辐射源响应于由所述传感器传感的所述参 数发出辐射。
9. 如权利要求6所述的胶囊，其中所述胶囊包括用于防止来自所述胶囊的辐射的发 出，直到所述胶囊已到达引起临床注意的区域的装置。
10. 如权利要求l所述的胶囊，其中所述胶囊包括至少一个防辐射护罩(68)。
11. 如权利要求10所述的胶囊，其中所述至少一个防辐射护罩(68)被构造为防止辐射 从所述辐射源沿着除了与包围所述胶囊的球体相关的单个封闭扇形体之外的方向发出。
12. 如权利要求10所述的胶囊，其中所述胶囊还包括适于移动所述辐射源(60)和所述 护罩(68)的至少一个的致动器(84)，使得所述防辐射护罩不会阻碍在所述时间段内从所 述辐射源发出的辐射。
13. 如权利要求1所述的胶囊，其中所述通信装置包括用于从所述控制装置接受信号 的接收器，以控制所述辐射源，或所述辐射探测器，或所述辐射源和所述辐射探测器两者的 操作。
14. 如权利要求1所述的胶囊，其中所述控制单元适于探测所述胶囊已到达所述GI道 中引起临床注意的区域。
15. 如权利要求14所述的胶囊，其中所述胶囊包括压力传感器，并且其中所述控制单元适于通过响应于由所述压力传感器探测到的压力变化来探测所述胶囊已到达所述区域。
16. 如权利要求1所述的胶囊，其中所述胶囊包括适于围绕所述胶囊膨胀的可膨胀气囊。
17. 如权利要求1所述的胶囊，其中所述胶囊包括至少一个延伸元件，所述延伸元件适 于在延伸时，保持所述胶囊与所述GI道的壁相距至少一特定距离。
18. 如权利要求1所述的胶囊，其中所述胶囊包括至少一个延伸元件，所述延伸元件适 于在延伸时，使所述胶囊的长轴定向为大致平行于所述GI道的纵轴。
19. 如权利要求18所述的胶囊，其中所述延伸元件包括可膨胀的柔性腔室，其中所述 柔性腔室包括超强吸收的水凝胶，并且其中所述柔性腔室适于当所述水凝胶吸收来自所述 GI道的液体时膨胀。
全文摘要
本发明提供一种装置(40)，其包括适于被受治疗者(54)吞服的胶囊(50)，该胶囊(50)包括(a)至少一个适于发射具有至少10千电子伏的能量的辐射的辐射源(60)，和(b)至少一个适于探测响应于所发射的辐射产生的光子的光子探测器(62)，该光子具有至少10千电子伏的能量。该装置(40)还包括控制单元(64)，其适于分析与该光子相关的数据，以便产生对识别受治疗者(54)的胃肠(GI)道(72)的临床相关特征有用的信息。
文档编号A61B5/07GK101791220SQ20101012604
公开日2010年8月4日 申请日期2004年12月16日 优先权日2003年12月17日
发明者约阿夫·基姆希 申请人:切克-卡普有限责任公司