مقالات
موضوعات داغ

بررسی تخصصی کپسول آندوسکوپی و کاربرد آن در حوزه پزشکی

تجهیزات پزشکی

کپسول آندوسکوپی (Capsule Endoscopy) یکی از جدیدترین ابزارهای مشاهده ناهنجاری‌های دستگاه گوارش است که از ابتدی قرن بیست و یکم به ابزارهای پزشکی اضافه شده است. این ابزار به صورت گسترده در زمینه‌های کلینیکی کاربرد دارد.

روش‌های سنتی و مرسوم برای مشاهده چشمی دستگاه گوارش (Endoscopy) استفاده از ابزارهای درون‌بینی نظیر گاستروسکوپ و کلونوسکوپ است.اما کپسول‌های آندوسکوپی از آنجا که غیرتهاجمی هستند و در حین تصویربرداری از داخل بدن باعث ناراحتی نمی‌شوند بسیار مطلوبند. همچنین عدم درگیری پزشک و بیمار در حین عملیات تشخیصی از مزایای بسیار بزرگ این تکنولوژی جدید است.

Pill Cam in Intestines
Pill Cam in Intestines

علاوه بر موارد ذکر شده، مهم‌ترین مزیت کپسول آندوسکوپی امکان دسترسی آن به عمیق‌ترین لایه‌های دستگاه گوارش است؛ به عنوان مثال امکان دسترسی به بخش‌های انتهایی روده کوچک در آندوسکوپی‌های مرسوم به سختی امکان پذیر است.

در کنار مزایای فراوان ذکر شده درباره کپسول آندوسکوپی، این تکنولوژی جدید دارای محدودیت‌هایی نیز هست. عدم امکان کنترل پزشک بر روی حرکت و زاویه دید دوربین از معایب این روش به شمار می‌آید. علاوه بر آن کیفیت نازل تصویربرداری با نرخ فریم پائین در مقایسه با آندوسکوپی‌های مرسوم از سایر محدودیت‌ها آن است. در مواردی معدود نیز احتمال عدم دفع کپسول وجود دارد که نیازمند به عمل جراحی و خارج کردن آن است.

ساختار کپسول آندوسکوپی

اجزاء تشکیل دهنده کپسول آندوسکوپی در شکل (۱) مشاهده می‌شوند. در ادامه هر کدام از اجزاء به طور جداگانه شرح داده می‌شوند.

شکل 1: اجزاء تشکیل دهنده کپسول آندوسکوپی
شکل ۱: اجزاء تشکیل دهنده کپسول آندوسکوپی

۱- جداره خارجی: جداره خارجی کپسول باید عایق انتقال الکتریکی، کاملاٌ ضد آب  و دارای استحکام بالا باشد. جنس شیشه جلوی کپسول باید دافع مایعات باشد تا تصویربرداری در بهترین حالت ممکن صورت گیرد. همچنین سطح خارجی کپسول باید بسیار صیقلی و با ارگونومی مناسب برای آزادی حرکت در دستگاه گوارش طراحی شود.

۲- نگهدارنده لنز: لنز اصلی دوربین توسط این قسمت ثابت و در مقابل سنسور تصویر قرار داده می‌شود.

۳- لنز و سیستم اپتیک: برای انتقال صحیح نور به سنسور تصویر نیاز به سیستم اپتیکی است که نور را متمرکز کند تا تصویری شفاف به دست آید.

۴- منبع نور LED: با توجه به عدم وجود نور در داخل دستگاه گوارش،  ایجاد نور مصنوعی برای تصویربرداری در این محیط ضروری است. با قرار دادن تعدادی LED نور سفید در کنار سنسور تصویر، امکان روشن کردن جداره دستگاه گوارش برای تصویربرداری فراهم می‌شود.

۵- سنسور تصویر: جزء اصلی تصویربرداری در کپسول آندوسکوپی سنسور تصویر آن است. این سنسور پرتوهای دریافتی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند که در مراحل بعدی از این سیگنال‌ها تصویر نهایی ساخته می‌شود. با توجه به ابعاد کوچک این سنسور، وضوح تصویر نهایی نیز نسبتا پائین خواهد بود.

۶- باتری: منبع تأمین انرژی این کپسول از طریق باتری‌های داخلی است. این باتری‌های غیر قابل شارژ در ابعاد بسیار کوچک ساخته شده‌اند و از بالاترین تکنولوژی برای نگهداری حداکثر انرژی الکتریکی ممکن برخوردارند.

۷- تراشه پردازشگر: هر کپسول برای انجام امور پردازشی به یک تراشه الکترونیکی نیاز دارد. وظیفه این تراشه کنترل و دریافت داده‌ها از سنسور تصویر، اجرای برخی الگوریتم‌های پردازش تصویر بر روی داده دریافتی از سنسور (از جمله فشرده‌سازی داده‌ها) و ارسال داده‌ها به فرستنده رادیوئی است. علاوه بر موارد یاد شده، وظایفی مانند کنترل منبع نور و مدیریت مصرف انرژی نیز بر عهده این تراشه است.

۸- فرستنده رادیوئی: داده‌های تصویربرداری شده در نهایت توسط فرستنده رادیوئی به خارج از کپسول ارسال می‌شوند. این فرستنده با ابعاد بسیار کوچک و به صورت کم‌مصرف و با برد پائین طراحی می‌شود.

نحوه کار با کپسول آندوسکوپی

در این بخش به طور خلاصه مراحل راه‌اندازی و استفاده از کپسول به منظور تصویربرداری شرح داده می‌شود. ابتدا کپسول توسط شخص تکنسین فعال می‌شود. در صورت دریافت تصاویر کپسول توسط گیرنده مخصوص و همچنین عملکرد صحیح منبع نور، کپسول در وضعیت آماده به کار قرار می‌گیرد. در این مرحله بیمار جلیقه مخصوصی به تن می‌کند و کپسول را می‌بلعد. این جلیقه در واقع شامل گیرنده رادیوئی و سیستم ذخیره تصاویر دریافتی از کپسول است (شکل ۲).

شکل 2: نمونه‌ای از جلیقه کپسول آندوسکوپی
شکل ۲: نمونه‌ای از جلیقه کپسول آندوسکوپی

پس از انجام مراحل بالا، بیمار دیگر نیازی به حضور در کلینیک ندارد و به زندگی عادی خود ادامه می‌دهد. در بازه تصویربرداری بیمار محل را ترک می‌کند و در این زمان کپسول در حال تصویربرداری و ارسال داده‌ها به گیرنده تعبیه شده در جلیقه است.

پس از گذشت زمانی مشخص و تحلیل رفتن باتری کپسول، تصویربرداری متوقف می‌شود و داده‌های نهایی ذخیره شده در گیرنده الکترونیکی داخل جلیقه آماده استفاده هستند. سپس جلیقه به کلینیک بازگردانده می‌شود و کپسول نیز پس از مدتی از مسیر دستگاه گوارش دفع می‌شود.

لازم به ذکر است که کپسول آندوسکوپی به طور کلی وسیله‌ای یک‌بار مصرف است و پس از استفاده، به دلیل رعایت موارد بهداشتی و هزینه بالای راه‌اندازی دوباره (تعوض باتری و بدنه آن و  استریل کردن)، مجددا قابل استفاده یا بازیابی نیست. از میان مدل‌های مختلف کپسول آندوسکوپی، مدل‌های نادری در بازار دارای ذخیره‌ساز داخلی هستند و داده‌ها را از طریق فرستنده رادیوئی ارسال نمی‌کنند. این مدل‌ها پس از دفع باید به تکنسین مربوطه برای بازیائی اطلاعات تحویل داده شوند.

محدودیت‌های تکنولوژی

در کنار مزایای فراوانی که کپسول‌های آندوسکوپی دارند، محدودیت‌هایی نیز در استفاده از این کپسول‌ها وجود دارد که غالب آن‌ها ناشی از چالش‌های مربوط به عدم پیشرفت تکنولوژی در این زمینه است. محدودیت تأمین انرژی، چالش اصلی در کپسول آندوسکوپی است؛ این چالش بزرگ منشأ اصلی سایر محدودیت‌های کپسول آندوسکوپی است. بر خلاف آندوسکوپی سنتی، این کپسول در حین تصویربرداری امکان اتصال به منبع تغذیه الکتریکی خارجی ندارد و باید به باتری داخلی خود اتکا کند.

حجم بسیار کوچک کپسول اجازه تعبیه باتری‌های سایز بزرگ را نمی‌دهد و درنتیجه میزان انرژی الکتریکی قابل استفاده در کپسول محدود خواهد بود. پیشرفت‌های تکنولوژی همچنان نتوانسته میزان انرژی قابل ارائه در این حجم را به گونه‌ای سازگار و ایمن برای بدن انسان تأمین کند. حدود ۹۰ درصد انرژی در کپسول آندوسکوپی صرف ارسال داده‌ها از طریق فرستنده رادیوئی می‌شود. راهکار کاهش مصرف انرژی در ارسال داده، استفاده از فرستنده‌های رادیوئی بسیار کم‌مصرف و با برد کوتاه است اما این راهکار نیز به تنهایی پاسخگوی مشکل مصرف انرژی نیست.

راهکار بعدی برای کاهش مصرف انرژی، کاهش حجم داده‌های ارسالی است که برای آن چندین روش مختلف در نظر گرفته شده است. کاهش نرخ فریم ارسالی یکی از این روش‌ها به شمار می‌آید. در تصویربرداری‌های معمولی نرخ فریم تصویر بین ۲۵ تا حداکثر ۶۰ فریم بر ثانیه است. این نرخ فریم در کپسول آندوسکوپی به طور معمول ۲ فریم بر ثانیه است.

با کاهش نرخ ارسال داده به ۲ فریم بر ثانیه، حجم داده‌های ارسالی از کپسول به میزان زیادی کاهش پیدا می‌کند که برای کاهش مصرف انرژی مفید است. اما از طرفی دیگر در حین تصویربرداری با نرخ پائین، امکان از دست رفتن صحنه‌هایی که حاوی اطلاعات مهمی هستند نیز وجود دارد. این مورد زمانی مسئله‌ساز خواهد شد که تکان‌هایی شدید به کپسول وارد شود. روش دیگری که برای کاهش حجم داده ارسالی استفاده می‌شود کاهش وضوح تصویر است.

در تصاویر آندوسکوپی معمولی وضوح تصویر (تعداد پیکسل‌های تصویر) ابعاد عرض و ارتفاع تصویر حداقل ۱۰۰۰ پیکسل است. اما در کپسول آندوسکوپی این میزان بین ۲۰۰ تا ۵۰۰ پیکسل است. کاهش وضوح تصویر نیز به نوبه خود باعث کاهش کیفیت تصاویر دریافتی شده و به دنبال آن دشواری عملیات تشخیص را به همراه دارد. آخرین روش برای کاهش حجم داده‌های ارسالی، انجام الگوریتم‌های فشرده‌سازی تصاویر در داخل کپسول بر روی فریم‌های تصویر است.

با فشرده کردن تصاویر، حجم داده ارسالی کاهش می‌یابد اما از طرف دیگر، در صورت استفاده از الگوریتم‌های کاهنده دقت داده‌ها (Lossy)، کیفیت تصاویر ارسالی کاهش خواهد یافت. جدول کامل مقایسه کپسول‌های آندوسکوپی از برندهای مختلف در شکل ۳ نمایش داده شده است.

شکل 3: مقایسه کپسول هاى آندوسکوپى مطرح در بازار
شکل ۳: مقایسه کپسول هاى آندوسکوپى مطرح در بازار

پردازش تصاویر مخصوص کپسول آندوسکوپی

با توجه به محدودیت‌های اشاره شده در کپسول آندوسکوپی، الگوریتم‌های زیادی برای غلبه بر مشکلات استفاده از این تکنولوژی ارائه شده است. مهم‌ترین الگوریتم‌های به کار رفته در کپسول آندوسکوپی الگوریتم‌های فشرده سازی تصویر هستند.

این الگوریتم‌ها به طور کلی با کاهش جزئی در کیفیت تصویر، حجم داده تصویر را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند. نمونه‌های مشهود این الگوریتم‌ها در فشرده‌سازی تصاویر JPG و ویدئوهای MP4 وجود دارد. نکته اساسی و مهم این است که استفاده از الگوریتم‌های بسیار پیچیده و کارآمد نیازمند توان پردازشی بالاست که تعبیه آن‌ها در کپسولی با این ابعاد کوچک مقدور نیست.

پردازشگرهای قدرتمند نیازمند مصرف انرژی بالایی هستند و این نکته خود می‌تواند به چالشی بزرگ‌تر تبدیل شود. در تصاویر دریافت شده از کپسول آندوسکوپی برای دستیابی به فشرده‌سازی بیشتر، در کنار الگوریتم‌های مرسوم، از الگوریتم‌های مختص تصاویر آندوسکوپی نیز استفاده می‌شود. یکی از این روش‌ها استفاده از خصوصیات تصاویر آندوسکوپی مانند رنگ و بافت خاص است. از خصوصیات رنگی تصاویر آندوسکوپی با تبدیل فضای رنگ خاص به این منظور استفاده می‌شود.

در این روش رنگ‌های غالب (مانند قرمز) در تصاویر آندوسکوپی به عنوان داده‌های پرتکرار و سایر رنگ‌ها به صورت داده‌های کم‌تکرار در نظر گرفته ‌می‌شوند. در نظر گرفتن این الویت‌ها به الگوریتم‌های کارآمدی تبدیل می‌شود. همچنین از این ویژگی یعنی روش تشخیص بافت‌های مخصوص آندوسکوپی، برای فشرده‌سازی استفاده می‌شود.

الگوریتم‌های دیگری نیز برای سهولت تشخیص ارائه شده‌اند. این الگوریتم‌ها خارج از کپسول و پس از دریافت تصاویر بر روی آن‌ها اجرا می‌شوند. چسباندن تصاویر از دیگر الگوریتم‌های به کار رفته در ویدئوهای آندوسکوپی، از این نمونه است

. با توجه به نرخ تصاویر پائین، یکپارچگی در فریم‌های دریافتی از کپسول وجود ندارد. برای رفع این نقیصه پس از دریافت تصاویر، در رایانه از الگوریتم‌های پیشرفته بهره گرفته می‌شود تا تصاویر را به یکدیگر ملحق کند و دید بهتری از تصاویر دریافتی برای پزشک ایجاد کند. نمونه‌ای از این موارد در شکل ۴ نمایش داده شده است.

شکل شماره 4: چسباندن تصاویر آندوسکوپی
شکل شماره ۴: چسباندن تصاویر آندوسکوپی

همانگونه که قبلا اشاره شد یکی از معایب کپسول آندوسکوپی عدم وجود کنترل بر روی حرکت آن است. بنابراین امکان عبور سریع از نواحی بی‌اهمیت وجود ندارد. به طور کلی تصویربرداری کپسول به مدت ۱۲ ساعت طول می‌کشد.

پزشک برای بررسی کامل ویدئو دریافتی زمان بسیار زیادی را باید صرف کند و این درحالی است که اکثر فریم‌های دریافتی شامل داده‌های تکراری و بی اهمیت هستند. برای رفع این اِشکال، الگوریتم‌هایی ارائه شده‌اند که وظیفه آن‌ها استخراج الگوهای تصویری مهمی است که نشانگر عملکرد غیرطبیعی یا وجود بیماری در بافت مورد نظر هستند. به عنوان مثال ناهنجاری‌هایی مانند پولیپ، اولسر، تومور، زخم و به هم پیچیدگی روده از جمله مواردی هستند که الگوریتم باید آن‌ها را استخراج و به صورت جداگانه به پزشک نشان دهد. به این ترتیب در زمان صرفه‌جوئی خواهد شد.

عدم امکان تشخیص محل ناهنجاری دستگاه گوارش از دیگر معایب کپسول آندوسکوپی است. در آندوسکوپی معمولی با توجه به کنترل پزشک بر روی آندوسکوپ، محل دقیق ضایعه قابل تشخیص است ولی در کپسول آندوسکوپی امکان تشخیص محل دقیق ضایعه میسر نیست. برای مرتفع کردن این نقیصه از الگوریتم‌های پردازش ویدئو و تخمین مسافت طی شده استفاده می‌شود. الگوریتم‌ها با توجه به مشابهت فریم‌ها و کنار هم گذاشتن آن‌ها میزان مسافت طی شده را محاسبه می‌کنند. به این ترتیب می‌توان محل تقریبی ضایعه را تشخیص داد.

منابع مقاله

۱- Mohammed, Shahed K., KM Mafijur Rahman, and Khan A. Wahid. “Lossless compression in Bayer color filter array for capsule endoscopy.” IEEE Access 5 (2017): 13823-13834.

۲- Kumar, R. Suresh, and P. Manimegalai. “Near lossless image compression using parallel fractal texture identification.” Biomedical Signal Processing and Control 58 (2020): 101862.

۳- Shimozawa, Kazuki, et al. “Image compensation and stabilization for immersive 360-degree videos from capsule endoscopy.” Proceedings of the 24th ACM Symposium on Virtual Reality Software and Technology. 2018.

۴- Hamza, Rafik, et al. “Secure video summarization framework for personalized wireless capsule endoscopy.” Pervasive and Mobile Computing 41 (2017): 436-450.

۵- Pinheiro, Gil, et al. “Deep Homography Based Localization on Videos of Endoscopic Capsules.” ۲۰۱۸ IEEE International Conference on Bioinformatics and Biomedicine (BIBM). IEEE, 2018.

 

برچسب ها
نمایش بیشتر

نوشته های مشابه

دکمه بازگشت به بالا
ante. quis, venenatis ut tempus justo pulvinar
بستن
بستن

adblock را غیر فعال کنید

سیستم زوم طب روشی را برای دور زدن تبلیغات در سیستم شما یافته است جهت حمایت از ما از استفاده از آن صرف نطر کنید