胃肠道癌前病变无创诊查装置制造方法
【专利摘要】一种无创医疗【技术领域】的胃肠道癌前病变无创诊查装置，包括：胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统、躺卧床及驱动子系统、人机界面及控制子系统以及无线供能子系统。本发明通过无线供能和主动控制系统，实现了检测装置在受试者胃肠道内可控、长时间检测、检测结果向体外的无线发送，实现了对全消化道的无创、无痛苦诊查。
【专利说明】胃肠道癌前病变无创诊查装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种无创医疗器械【技术领域】的装置，具体是一种胃肠道癌前病变无创诊查装置。
【背景技术】
[0002]长期以来胃肠癌一直是发病率和病死率最高的恶性肿瘤。我国肠癌(包括结肠癌和直肠癌)每年新发病人数约为13~16万人，死亡人数约为6~9万人，且有逐年上升的趋势。胃肠道癌变病情隐匿，很多患者就诊时即已至进展期，延误了最佳治疗时机。临床实践表明，早期胃肠癌变良好及时治疗后的5年及以上的生存率达90%以上，有的甚至可以痊愈。因此提高早期胃肠癌变的诊断水平对胃肠癌变的早发现和早治疗尤为重要，但目前临床上仍缺乏经济、简便、有效的筛查和早期诊断手段。
[0003]胃肠癌变的发生、发展是一个由量变到质变的过程，因此，诊查癌前病变及监测预后是防癌和治癌的关键。现代分子生物学研究表明，从正常细胞转化为恶性细胞要经历多个步骤，在这个过程中周边生化环境已经产生质的变化，如基因突变，继而导致基因表达异常，细胞中蛋白质和酶的变化引起代谢比如卟啉代谢的变化，这些变化形成后变成特殊的宿主体，癌细胞才能生存。研究表明，这些特殊宿主体在不同波长单色光的激发下发出荧光，该荧光无需通过外源性物质产生，因此又称固有荧光。固有荧光主要是由粘膜下层胶原受激发产生，对于癌前病变组织，由于上皮细胞增生导致组织致密，阻挡了部分激发光，亮度减弱呈暗色。因此，通过荧光的颜色、亮度及荧光光谱特性，即可揭示特殊宿主体的生物化学特征，从而进行癌前 病变组织的检测。
[0004]利用固有荧光进行癌前病变检测是通过激发光激发粘膜组织，使粘膜组织内电子跃迁产生荧光，通过换能器接收，通过后续数据处理可获得荧光光谱曲线或荧光色泽图像，因而目前癌前病变检测方法有光谱法和图像法。荧光光谱法较为严谨科学，光谱包含的信息量大，包括已知的各种病变与早期癌的分化、癌细胞的分化程度以及基因突变等，都可以依据，光谱特征分析判别，其中还有许多信息有待进一步开发，光谱法是按“点”采样，获得光谱是单个的点，且光谱设备结构复杂、昂贵，对病变的判断不够直观，因此推广使用有一定局限。图像法是根据正常组织与癌前病变组织固有荧光颜色、强度的不同，通过肉眼判断组织是否为癌前病变；光谱法是将固有荧光经光导纤维收集，经过光电二极管阵列转换为电信号，模/数转换后，送入计算机系统通过专门设计的软件显示光谱曲线，根据正常组织与异常组织光谱曲线的差异判断待检组织的类型。显然，荧光图像法直接根据颜色进行检测，优点是直观、简单，能作出实时判断、观测视野大，且不需要复杂的装置设备，非常有利于临床推广。目前的检测设备不能可控主动地实现全消化道内壁的检测，并且不能诊断癌前病变及早期癌症，降低胃肠癌的发病率和死亡率。
[0005]经对现有技术检索发现以下相关技术文献:
[0006]1、《自体荧光内镜诊断消化道恶性肿瘤和癌前病变的临床初探》(胃肠病学，第18卷、第10期，2013年)，其中公开了一种自主研制的自体荧光内镜仪器主要由消化道电子内镜、双光照明光源、视频分离器、白光图像处理器、荧光图像处理器、图像压缩器、图像显示器等设备组合而成。显然该系统属传统消化道电子内镜在功能上的拓展，虽能够准确、客观地反映消化道恶性肿瘤和癌前病变与正常组织的差异，较少依赖内镜医师的经验，具有较高的诊断价值，同时亦可用于估计病变范围和指导靶向活检，成为诊断早期消化道恶性肿瘤的重要手段。但同样面临传统内镜的人工介入、存在诊疗痛苦、存在诊断盲区的缺陷。
[0007]2、中国专利申请号CN02137764.2，技术名称:内窥镜诊断癌前病变的装置，该技术包括光源，光路系统，内窥镜及电路系统，光源包括激发光及冷光源，其中光路系统中冷光源和激发光分别通过光纤束进入内窥镜导光束的端口，实现对被测活体组织的照明和激发。被测活体组织反射的白光图像信号和固有荧光图像信号经与内窥镜输出端口紧密相连的弱光CCD转化后进行图像显示；被测活体组织反射的荧光信号通过一束从内窥镜的钳孔内出去的光纤束传出至电路系统进行光谱显示。但该技术同样基于传统内窥镜，虽有新的技术内涵，但同样面临人工介入、存在诊疗痛苦、存在诊断盲区的缺陷，不能满足临床对全消化道疾病诊断的需求。
【发明内容】
[0008]本发明针对现有技术存在的所述的不足，提出一种胃肠道癌前病变无创诊查装置，通过无线供能和主动控制系统，实现了检测装置在受试者胃肠道内可控、长时间检测、检测结果向体外的无线发送，实现了对全消化道的无创、无痛苦诊查。
[0009]本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括:胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统、躺卧床及驱动子系统、人机界面及控制子系统以及无线供能子系统，其中:胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统实时采集人体胃肠道内壁的白光/荧光图像信息并采用无线方式发送到人机界面及控制子系统；人机界面及控制子系统控制胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统的运动和停滞，使胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统拍摄人体胃肠道指定位置的图像信息，同时人机界面实时接收胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统输出的胃肠道白光和荧光图像信号并实时显示和存储；躺卧床及驱动子系统控制被测患者在无线供能发射线圈的位置以保证无线供能子系统的位置稳定性；无线供能`子系统分别向胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统、躺卧床及驱动子系统、人机界面及控制子系统以无线方式提供能量。
[0010]所述的胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统包括:外壳以及设置于外壳内部的短焦镜头、光源、成像器件、微处理器、无线通信模块、医用外壳、收发天线、无线能量接收模块、电源管理模块、微型机器人驱动控制模块和微型机器人行走机构，其中:透明半球形的外壳和短焦镜头为成像器件提供光学调制，紫外单色以及白光的光源为成像器件提供光学照明，成像器件采集胃肠道内壁的白光/荧光图像信息，微处理器控制成像器件采集胃肠道内壁的白光/荧光图像信息，并且控制无线通信模块实现图像信息的发送和控制信息的接收，无线能量接收模块和电源管理模块通过无线方式与无线功能子系统相连并为胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统提供电源，微型机器人驱动控制模块和微型机器人行走机构使诊查子系统能够按照要求拍摄指定位置的胃肠道内壁白光/荧光图像信息。
[0011]所述的胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统通过无线能量接收模块无线获取能量，能量经电源管理模块处理后为微型机器人驱动行走、胃肠道组织白光/荧光图像的采集提供能源。
[0012]所述的躺卧床及驱动子系统包括:躺卧床、躺卧床垂直运动驱动机构、躺卧床垂直运动控制模块、机座、躺卧床前后运动驱动机构、躺卧床前后运动控制模块、能源及管理模块，其中:躺卧床为被测患者提供舒服的检测位置，躺卧床垂直运动驱动机构、躺卧床垂直运动控制模块控制躺卧床的垂直运动，躺卧床前后运动驱动机构、躺卧床前后运动控制模块控制躺卧床的水平运动。
[0013]所述的子系统通过人机界面及控制子系统的控制，使受试者腹部区域处于无线供能子系统的能量发射线圈中，实现对胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统的可靠供能。
[0014]所述的人机界面及控制子系统包括:计算机系统、系统控制模块、收发天线、与躺卧床及驱动子系统相连的通信接口、与无线供能子系统相连的通信接口、能源及管理模块，其中:接收天线和计算机系统实时接收诊查子系统发射的胃肠道内壁白光/荧光图像信息，系统控制模块和发射天线控制诊查子系统在胃肠道的位置。
[0015]所述的人机界面及控制子系统通过系统控制模块的无线通信功能、与躺卧床及驱动子系统相连的通信接口、与无线供能子系统相连的通信接口实现对胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统的运动控制、胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统采集图像的处理、躺卧床及驱动子系统位置的控制、无线供能子系统发射能量的控制。
[0016]所述的无线供能子系统包括:无线能量发射线圈、能量变换及控制模块以及能源及管理模块，其中:能量变换及控制模块将电源转变成控制信号并传送到体外无线能量发射线圈，体外无线能量发射线圈将电能转变成为交变电磁场，无线能量接收三维线圈接收到该交变电磁场，并将交变电磁场重新转化为交变电动势。
[0017]所述的无线供能子系统通过人机界面及控制子系统的控制，实现对无线供能子系统工作过程的有效控制，包括能量发射大小的调节。
技术效果
[0018]与现有技术相比，本发明通过胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统实现了检测装置在受试者胃肠道内可控、有效的驱动运动，实现了对胃肠道组织白光/荧光图像的可控和长时间检测、检测结果向体外的无线发送，实现了对全消化道的无创、无痛苦诊查。通过无线供能子系统实现了对胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统的无线供能，突破了当前胃肠道检测装置采用电池功能时工作时间的限制、采用拖缆供能时不能实现对全消化道实施检测的限制。采用人机界面及控制子系统及躺卧床及驱动子系统实现了对检测过程的自动控制、检测结果的无线传输及处理。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为胃肠道癌前病变无创诊查系统示意图；[0020]图2为胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统示意图；
[0021]图3为躺卧床及驱动子系统示意图；
[0022]图4为人机界面及控制子系统示意图；
[0023]图5为无线供能子系统示意图；
[0024]图中:医用透明半球形外壳1、紫外单色光源2、短焦镜头3、成像器件4、微处理器
5、无线通信模块6、医用外壳7、收发天线8、无线能量接收模块9、电源管理模块10、微型机器人驱动控制模块11、微型机器人行走机构12、白光源13、躺卧床14、躺卧床垂直运动驱动机构15、躺卧床垂直运动控制模块16、机座17、与人机界面及控制子系统的通信接口 18、躺卧床前后运动控制模块19、躺卧床前后运动驱动机构20、计算机系统21、系统控制模块22、收发天线23、与躺卧床及驱动子系统相连的通信接口 24、与无线供能子系统相连的通信接口 25，能源及管理模块26、无线能量发射线圈27、能量变换及控制模块28、与人机界面及控制子系统的通信接口 29、能源及管理模块30、能源及管理模块31。
【具体实施方式】
[0025]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
[0026]如图1所示，本实施例的胃肠道癌前病变无创诊查系统包括:胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统、躺卧床及驱动子系统、人机界面及控制子系统、无线供能子系统。
[0027]如图2所示，本实施例的胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统包括:医用透明半球形外壳1、紫外单色光源2、短焦镜头3、成像器件4、微处理器5、无线通信模块6、医用外壳7、收发天线8、无线能量接收模块9、电源管理模块10、微型机器人驱动控制模块11、微型机器人行走机构12、白光源13，其中:半球形外壳I和短焦镜头3为成像器件提供光学调制，紫外单色光源2、白光源12为成像器件4提供光学照明，成像器件4采集胃肠道内壁的白光/荧光图像信息，微处理器5控制成像器件4采集胃肠道内壁的白光/荧光图像信息，并且控制图像信息的发送和控制信息的接收，无线通信模块6和收发天线8发射采集到的白光/荧光图像信息，并且接收体外控制子系统的控制信息。无线能量接收模块9和电源管理模块10为整个诊查子系统提供合适的电源，微型机器人驱动控制模块11和行走机构12使诊查子系统能够按照要求拍摄指定位置的胃肠道内壁白光/荧光图像信息。
[0028]所述的紫外单色光源2和白光源13，由电源管理模块10供电，两光源轮流工作，由医务人员通过人机界面及控制子系统、收发天线23、收发天线8、无线通信模块6、微处理器5实施有效控制。
·[0029]所述的胃肠道组织白光/荧光图像通过医用透明半球形外壳1、短焦镜头3、成像器件4，在微处理器5的控制下进行采集和预处理。
[0030]所述的采集的图像信息通过无线通信模块6、收发天线8向体外发射，并由人机界面及控制子系统接收并进行疾病诊断处理。
[0031]所述的胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统在微型机器人行走机构12、微型机器人驱动控制模块11的作用下在受试者胃肠道内实现自主运动，运动方向、运动速度、运动启停由医务人员通过人机界面及控制子系统、收发天线23、收发天线8、无线通信模块6、微处理器5、微型机器人驱动控制模块11进行实时控制。无线供能子系统发送的能量通过无线能量接收模块9、电源管理模块10向紫外单色光源2、白光源13、无线通信模块6、微处理器5、成像器件4、微型机器人驱动控制模块11进行供能，保证系统正常工作。紫外单色光源2、短焦镜头3、成像器件4、微处理器5、无线通信模块6、收发天线8、无线能量接收模块9、电源管理模块10、微型机器人驱动控制模块11、微型机器人行走机构12、白光源13由医用透明半球形外壳I和医用外壳7密封。 [0032]如图3所示，本实施例的躺卧床及驱动子系统包括:躺卧床14、躺卧床垂直运动驱动机构15、躺卧床垂直运动控制模块16、机座17、与人机界面及控制子系统的通信接口 18、躺卧床前后运动控制模块19、躺卧床前后运动驱动机构20、能源及管理模块31，其中:躺卧床14为被测患者提供舒服的检测位置，躺卧床垂直运动驱动机构15、躺卧床垂直运动控制模块16控制躺卧床的垂直运动，躺卧床前后运动驱动机构20、躺卧床前后运动控制模块19控制躺卧床的水平运动。
[0033]躺卧床14支承在垂直运动驱动机构15和前后运动驱动机构20上。躺卧床14在垂直、前后方向上的运动及位置由医务人员通过人机界面及控制子系统、与躺卧床及驱动子系统相连的通信接口 24、与人机界面及控制子系统的通信接口 18、垂直运动控制模块16和前后运动控制模块19单独进行控制，实现对受试者相对于无线供能子系统位置的调节和控制，确保对胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统稳定、可靠的无线供能。能源及管理模块31实现对躺卧床垂直运动控制模块16、躺卧床前后运动控制模块19有效供能。子系统所有材料均采用医用材料。
[0034]如图4所示，本实施例的人机界面及控制子系统包括:计算机系统21、系统控制模块22、收发天线23、与躺卧床及驱动子系统相连的通信接口 24、与无线供能子系统相连的通信接口 25，能源及管理模块26，其中:接收天线23和计算机系统21实时接收诊查子系统发射的胃肠道内壁白光/荧光图像信息，系统控制模块22和发射天线23控制诊查子系统在胃肠道的位置。
[0035]医务人员通过人机界面及控制子系统的系统控制模块22、收发天线23实现对胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统运动、胃肠组织白光/荧光图像采集过程的有效控制，同时通过收发天线23、系统控制模块22完成对胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统采集图像的接收、显示及结果处理和输出，完成对受试者胃肠道的无创诊查。医务人员通过人机界面及控制子系统的系统控制模块22、与躺卧床及驱动子系统相连的通信接口 24、与无线供能子系统相连的通信接口25、与人机界面及控制子系统的通信接口 18、与人机界面及控制子系统的通信接口 29完成对躺卧床及驱动子系统、无线供能子系统有效的控制，保证受试者与无线供能子系统相对合适的位置，保证无线供能子系统的启停、发射能量的实时调节，实现对胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统诊查过程中稳定可靠的无线供能。工作过程中，能源及管理模块26同时对计算机系统21、系统控制模块22进行供能。[0036]如图5所示，本实施例的无线供能子系统包括:无线能量发射线圈27、能量变换及控制模块28、与人机界面及控制子系统的通信接口 29、能源及管理模块30，其中:能量变换及控制模块28将电源转变成控制信号并传送到体外无线能量发射线圈27，体外无线能量发射线圈27将电能转变成为交变电磁场，无线能量接收三维线圈接收到该交变电磁场，并将交变电磁场重新转化为交变电动势
[0037]医务人员通过人机界面及控制子系统的系统控制模块22、与无线供能子系统相连的通信接口 25、与人机界面及控制子系统的通信接口 29实现对无线供能子系统的启停、发射能量的实时调节，保证合适的能量发射。
[0038]由所述的实施例可以看出，通过机器人技术、无线供能技术、无线通信技术、白光/荧光图像检测技术实现检测装置在胃肠道内的可控运动、主动检测，消除现有胃肠道检测系统缺点和不足 ，有助于胃肠道疾病的诊查，造福于临床患者。
【权利要求】
1.一种胃肠道癌前病变无创诊查装置，其特征在于，包括:胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统、躺卧床及驱动子系统、人机界面及控制子系统以及无线供能子系统，其中:胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统实时采集人体胃肠道内壁的白光/荧光图像信息并采用无线方式发送到人机界面及控制子系统；人机界面及控制子系统控制胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统的运动和停滞，使胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统拍摄人体胃肠道指定位置的图像信息，同时人机界面实时接收胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统输出的胃肠道白光和荧光图像信号并实时显示和存储；躺卧床及驱动子系统控制被测患者在无线供能发射线圈的位置以保证无线供能子系统的位置稳定性；无线供能子系统分别向胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统、躺卧床及驱动子系统、人机界面及控制子系统以无线方式提供能量。
2.根据权利要求1所述的胃肠道癌前病变无创诊查装置，其特征是，所述的胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统包括:外壳以及设置于外壳内部的短焦镜头、光源、成像器件、微处理器、无线通信模块、医用外壳、收发天线、无线能量接收模块、电源管理模块、微型机器人驱动控制模块和微型机器人行走机构，其中:透明半球形的外壳和短焦镜头为成像器件提供光学调制，紫外单色以及白光的光源为成像器件提供光学照明，成像器件采集胃肠道内壁的白光/荧光图像信息，微处理器控制成像器件采集胃肠道内壁的白光/荧光图像信息，并且控制无线通信模块实现图像信息的发送和控制信息的接收，无线能量接收模块和电源管理模块通过无线方式与无线功能子系统相连并为胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统提供电源，微型机器人驱动控制模块和微型机器人行走机构使诊查子系统能够按照要求拍摄指定位置的胃肠道内壁白光/荧光图像信息。
3.根据权利要求2所述的胃肠道癌前病变无创诊查装置，其特征是，所述的胃肠道腔内白光/荧光图像采集及无线传送微型机器人诊查子系统通过无线能量接收模块无线获取能量，能量经电源管理模块处理后为微型机器人驱动行走、胃肠道组织白光/荧光图像的采集提供能源。`
4.根据权利要求1所述的胃肠道癌前病变无创诊查装置，其特征是，所述的躺卧床及驱动子系统包括:躺卧床、躺卧床垂直运动驱动机构、躺卧床垂直运动控制模块、机座、躺卧床前后运动驱动机构、躺卧床前后运动控制模块、能源及管理模块，其中:躺卧床为被测患者提供舒服的检测位置，躺卧床垂直运动驱动机构、躺卧床垂直运动控制模块控制躺卧床的垂直运动，躺卧床前后运动驱动机构、躺卧床前后运动控制模块控制躺卧床的水平运动。
5.根据权利要求1所述的胃肠道癌前病变无创诊查装置，其特征是，所述的人机界面及控制子系统包括:计算机系统、系统控制模块、收发天线、与躺卧床及驱动子系统相连的通信接口、与无线供能子系统相连的通信接口、能源及管理模块，其中:接收天线和计算机系统实时接收诊查子系统发射的胃肠道内壁白光/荧光图像信息，系统控制模块和发射天线控制诊查子系统在胃肠道的位置。
6.根据权利要求1所述的胃肠道癌前病变无创诊查装置，其特征是，所述的无线供能子系统包括:无线能量发射线圈、能量变换及控制模块以及能源及管理模块，其中:能量变换及控制模块将电源转变成控制信号并传送到体外无线能量发射线圈，体外无线能量发射线圈将电能转变成为交变电磁场，无线能量接收三维线圈接收到该交变电磁场，并将交变电磁场重新转化为交变电动`势。
【文档编号】A61B19/00GK103654691SQ201310740310
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】颜国正, 刘刚, 王志武, 刘大生, 徐文铭, 朱柄全, 曾堃, 虞震芬 申请人:上海交通大学