Wynalazek endoskopii światłowodowej1 umożliwił wizualizację całego żołądka, górnej części jelita cienkiego i okrężnicy. Procedury stosowane do ich badania (odpowiednio gastroskopia, endoskopia jelita cienkiego i kolonoskopia) powodują dyskomfort, ponieważ wymagają wepchnięcia do jelita giętkich, stosunkowo szerokich przewodów – przewody te przenoszą światło wiązkami światłowodowymi, zasilanie i sygnały wideo. Szczególnie endoskopia jelita cienkiego jest ograniczona przez problemy związane z dyskomfortem i ograniczeniami w zakresie możliwości wprowadzania enteroskopów do jelita cienkiego. Istnieje kliniczna potrzeba udoskonalenia metod badania jelita cienkiego i okrężnicy, zwłaszcza u pacjentów z nawracającymi krwawieniami z przewodu pokarmowego.

Wynalazek tranzystora umożliwił zaprojektowanie połykanych elektronicznych kapsułek radiotelemetrycznych do badania parametrów fizjologicznych przewodu pokarmowego. Kapsułki te zostały po raz pierwszy opisane w latach 50-tych i były używane do pomiaru temperatury2, ciśnienia2,3 i pH3,4. Opracowaliśmy i przetestowaliśmy nowy typ endoskopu kapsułkowego do wideotelemetrii, który jest wystarczająco mały, aby można go było połknąć (11×30 mm) i nie posiada zewnętrznych przewodów, wiązek światłowodowych ani kabli. Dzięki zastosowaniu obiektywu o krótkiej ogniskowej, obrazy są uzyskiwane w miarę jak okno optyczne kapsułki omija ścianę jelita, bez konieczności napełniania powietrzem światła jelita. Endoskop kapsułkowy jest napędzany perystaltyką przez przewód pokarmowy i nie wymaga siły pchającej do przepchnięcia go przez jelito.

Obrazy wideo są przekazywane za pomocą radiotelemetrii w paśmie UHF do anten przyklejonych do ciała, które umożliwiają przechwytywanie obrazów, a siła sygnału jest wykorzystywana do obliczania pozycji kapsułki w ciele (patrz Informacje uzupełniające); obrazy są przechowywane na przenośnym rejestratorze. System ten pozwala na ponad 5 godzin ciągłego zapisu. Pacjent nie musi być zamknięty w środowisku szpitalnym podczas badania i może kontynuować swoją codzienną rutynę.

Projekt kapsuły wideo był możliwy dzięki postępowi w wydajności trzech technologii: komplementarnych czujników obrazu z tlenku metalu (CMOS), układów scalonych specyficznych dla aplikacji (ASIC) oraz oświetlenia diodą emitującą białe światło (LED). Nowatorski projekt optyczny, lepsze zarządzanie energią i ogólny projekt systemu były również ważne w tworzeniu kapsuły.

Dodanie wzmacniacza buforowego na każdym pikselu zmniejszyło szum wyjściowy, który początkowo był związany z czujnikami obrazu CMOS i pozwoliło układom CMOS osiągnąć jakość obrazu porównywalną z czujnikami obrazu wykorzystującymi urządzenia sprzężone z ładunkiem5, ale zużywającymi znacznie mniej energii.

Postęp w projektowaniu układów ASIC umożliwił zintegrowanie w kapsule bardzo małego nadajnika wideo o wystarczającej mocy wyjściowej, wydajności i szerokości pasma. Synchroniczne przełączanie diod LED, czujnika CMOS i nadajnika ASIC minimalizuje zużycie energii. Poprzez staranne zaprojektowanie optyki, byliśmy w stanie wyeliminować wewnętrzne odbicia, które są częstym problemem, gdy oświetlenie i wywoływarka są wbudowane w tę samą kopułę.

Po uzyskaniu zgody komisji etycznej, pierwsze badania zostały przeprowadzone na dziesięciu normalnych ludzkich ochotnikach. Kapsułka była łatwa do połknięcia i nie powodowała dyskomfortu. Napędzana przez perystaltykę (patrz Informacje uzupełniające), z powodzeniem przekazywała obrazy wideo (ryc. 1) z żołądka, jelita cienkiego i kątnicy (średni czas przejścia przez żołądek wynosił 80 min, zakres 17-280 min; średni czas przejścia przez jelito cienkie wynosił 90 min, zakres 45-140 min; czas od ust do ewakuacji wynosił 24 h, zakres 10-48 h). Przez cały czas trwania transmisji wideo, trwającej do 6 godzin, uzyskiwano obrazy wysokiej jakości.

a,b, fałdy żołądkowe w ciele żołądka; c,d, wzór kosmków jelita cienkiego wzmocniony obecnością niewielkiej ilości wody i pęcherzyka powietrza w świetle; e,f, pozbawione powietrza obrazy normalnego jelita czczego, oglądane z zamkniętym światłem przed kopułą optyczną kapsuły; g,h, widoki końcowego odcinka jelita krętego.