Die Erfindung der faseroptischen Endoskopie1 ermöglichte die Darstellung des gesamten Magens, des oberen Dünndarms und des Dickdarms. Die zu ihrer Untersuchung eingesetzten Verfahren (Gastroskopie, Dünndarmendoskopie bzw. Koloskopie) sind unangenehm, weil sie das Einführen flexibler, relativ breiter Kabel in den Darm erfordern, die über Glasfaserbündel Licht, Strom und Videosignale übertragen. Insbesondere die Dünndarmendoskopie wird durch Probleme mit dem Unbehagen und durch die Beschränkung, wie weit Enteroskope in den Dünndarm vorgeschoben werden können, beeinträchtigt. Es besteht ein klinischer Bedarf an verbesserten Methoden zur Untersuchung des Dünn- und Dickdarms, insbesondere bei Patienten mit rezidivierenden gastrointestinalen Blutungen.

Die Erfindung des Transistors ermöglichte die Entwicklung schluckbarer elektronischer Radiotelemetriekapseln für die Untersuchung gastrointestinaler physiologischer Parameter. Über diese Kapseln wurde erstmals in den 1950er Jahren berichtet, und sie wurden zur Messung von Temperatur2, Druck2,3 und pH3,4 verwendet. Wir haben ein neuartiges Videotelemetrie-Kapselendoskop entwickelt und getestet, das klein genug ist, um geschluckt zu werden (11×30 mm), und keine externen Drähte, Glasfaserbündel oder Kabel hat. Durch die Verwendung einer Linse mit kurzer Brennweite werden die Bilder aufgenommen, während das optische Fenster der Kapsel an der Darmwand vorbeifährt, ohne dass das Darmlumen mit Luft aufgeblasen werden muss. Das Kapselendoskop wird durch die Peristaltik durch den Magen-Darm-Trakt angetrieben und benötigt keine Schubkraft, um es durch den Darm zu schieben.

Die Videobilder werden über UHF-Band-Funktelemetrie an Antennen übertragen, die am Körper befestigt sind und die Bildaufnahme ermöglichen; die Signalstärke wird zur Berechnung der Position der Kapsel im Körper verwendet (siehe ergänzende Informationen); die Bilder werden auf einem tragbaren Rekorder gespeichert. Dieses System ermöglicht eine kontinuierliche Aufzeichnung von mehr als 5 Stunden. Der Patient muss sich während der Untersuchung nicht in einer Krankenhausumgebung aufhalten und kann seinem Alltag nachgehen.

Die Entwicklung der Videokapsel wurde durch Fortschritte bei der Leistungsfähigkeit von drei Technologien ermöglicht: CMOS-Bildsensoren (Complementary Metal Oxide Silicon), anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC) und LED-Beleuchtung (White Light Emitting Diode). Ein neuartiges optisches Design, ein besseres Energiemanagement und das Design des Gesamtsystems waren ebenfalls wichtig für die Entwicklung der Kapsel.

Durch die Hinzufügung eines Pufferverstärkers an jedem Pixel konnte das Ausgangsrauschen, das ursprünglich mit CMOS-Bildsensoren verbunden war, reduziert werden, so dass CMOS-Chips eine Bildqualität erreichen, die mit der von ladungsgekoppelten Bildsensoren5 vergleichbar ist, aber viel weniger Strom verbraucht.

Fortschritte im ASIC-Design ermöglichten die Integration eines sehr kleinen Videosenders mit ausreichender Ausgangsleistung, Effizienz und Bandbreite in die Kapsel. Die synchrone Schaltung der LEDs, des CMOS-Sensors und des ASIC-Senders minimiert den Stromverbrauch. Durch sorgfältiges Design der Optik konnten wir interne Reflexionen eliminieren, die ein häufiges Problem sind, wenn Beleuchtung und Bildgeber in derselben Kuppel untergebracht sind.

Mit Genehmigung der Ethikkommission wurden die ersten Studien an zehn normalen menschlichen Freiwilligen durchgeführt. Die Kapsel ließ sich leicht schlucken und verursachte keine Beschwerden. Angetrieben durch die Peristaltik (siehe ergänzende Informationen) übertrug sie erfolgreich Videobilder (Abb. 1) aus dem Magen, dem Dünndarm und dem Blinddarm (mittlere Transitzeit des Magens: 80 min, Bereich 17-280 min; mittlere Transitzeit des Dünndarms: 90 min, Bereich 45-140 min; Zeit vom Mund bis zur Entnahme: 24 h, Bereich 10-48 h). Während der Videoübertragungen, die bis zu 6 Stunden dauerten, wurden Bilder in hoher Qualität empfangen.

a,b, Magenfalten im Magenkörper; c,d, Zottenmuster des Dünndarms, das durch das Vorhandensein von etwas Wasser und einer Luftblase im Lumen hervorgehoben wird; e,f, luftlose Bilder des normalen Jejunums, betrachtet mit geschlossenem Lumen vor der optischen Kuppel der Kapsel; g,h, Ansichten des terminalen Ileums.