De uitvinding van vezeloptische endoscopie1 maakte visualisatie van de gehele maag, de bovenste dunne darm en het colon mogelijk. De procedures die worden gebruikt om deze te onderzoeken (respectievelijk gastroscopie, dunne-darm endoscopie en colonoscopie) veroorzaken ongemak omdat er flexibele, relatief brede kabels in de darm moeten worden geschoven – deze kabels vervoeren licht door glasvezelbundels, stroom en videosignalen. Met name endoscopie van de dunne darm wordt belemmerd door problemen in verband met ongemak en beperkingen ten aanzien van de mate waarin enteroscopen in de dunne darm kunnen worden geschoven. Er bestaat een klinische behoefte aan verbeterde methoden om de dunne darm en de dikke darm te onderzoeken, vooral bij patiënten met terugkerende gastro-intestinale bloedingen.

De uitvinding van de transistor maakte het mogelijk om inslikbare elektronische radiotelemetriecapsules te ontwerpen voor de bestudering van gastro-intestinale fysiologische parameters. Deze capsules werden voor het eerst gerapporteerd in de jaren 1950 en werden gebruikt voor het meten van temperatuur2, druk2,3 en pH3,4. Wij hebben een nieuw type endoscoop met videotelemetriecapsule ontwikkeld en getest, die klein genoeg is om te worden ingeslikt (11×30 mm) en geen externe draden, vezeloptische bundels of kabels heeft. Door een lens met korte brandpuntsafstand te gebruiken, worden beelden verkregen wanneer het optische venster van de capsule langs de darmwand beweegt, zonder dat het darmlumen met lucht hoeft te worden opgeblazen. De capsule-endoscoop wordt door peristaltiek door het maagdarmkanaal voortbewogen en behoeft geen duwkracht om hem door de darm te stuwen.

De videobeelden worden met UHF-band radiotelemetrie doorgegeven aan antennes die op het lichaam zijn vastgeplakt en waarmee beelden kunnen worden opgenomen, en de signaalsterkte wordt gebruikt om de positie van de capsule in het lichaam te berekenen (zie Aanvullende informatie); de beelden worden opgeslagen op een draagbare recorder. Met dit systeem kan meer dan 5 uur ononderbroken worden opgenomen. De patiënt hoeft tijdens het onderzoek niet in een ziekenhuisomgeving te blijven en kan zijn dagelijkse routine voortzetten.

Het ontwerp van de videocapsule werd mogelijk gemaakt door de vooruitgang in de prestaties van drie technologieën: complementaire metaaloxide silicium (CMOS) beeldsensoren, toepassingsspecifieke geïntegreerde schakelingen (ASIC) apparaten, en wit-licht emitterende diode (LED) verlichting. Een nieuw optisch ontwerp, beter energiebeheer en een algemeen systeemontwerp waren ook belangrijk bij het maken van de capsule.

De toevoeging van een bufferversterker op elke pixel verminderde de uitvoerruis die aanvankelijk werd geassocieerd met CMOS-beeldsensoren en heeft CMOS-chips in staat gesteld een beeldkwaliteit te bereiken die vergelijkbaar is met die van charge-coupled device-beeldsensoren5, maar met veel minder stroom.

Vorderingen in ASIC-ontwerp maakten de integratie van een zeer kleine videozender met voldoende vermogen, efficiëntie en bandbreedte in de capsule mogelijk. Synchroon schakelen van de LED’s, de CMOS-sensor en de ASIC-zender minimaliseren het stroomverbruik. Door een zorgvuldig ontwerp van de optiek konden we interne reflecties elimineren die een veel voorkomend probleem zijn wanneer de verlichting en de imager onder dezelfde koepel zijn opgenomen.

Met goedkeuring van de ethische commissie werden de eerste studies uitgevoerd op tien normale menselijke vrijwilligers. De capsule werd gemakkelijk ingeslikt en veroorzaakte geen ongemak. Voortgestuwd door peristaltiek (zie aanvullende informatie), het met succes doorgegeven videobeelden (Fig. 1) van de maag, dunne darm en blindedarm (gemiddelde maag transittijd was 80 min, bereik 17-280 min; gemiddelde dunne darm transittijd was 90 min, bereik 45-140 min; mond-tot-evacuatie tijd was 24 uur, bereik 10-48 uur). Gedurende de gehele videotransmissie, die tot 6 uur duurde, werden beelden van hoge kwaliteit ontvangen.

a,b, maagplooien in het maaglichaam; c,d, vlokkenpatroon van de dunne darm, versterkt door de aanwezigheid van een beetje water en een luchtbel in het lumen; e,f, luchtloze beelden van normaal jejunum, bekeken met het lumen gesloten voor de optische koepel van de capsule; g,h, beelden van het terminale ileum.