Ра́диока́псула (синоним э́ндора́диока́псула; устаревшие названия: кишечный датчик, кишечный радиозонд) — заглатываемая человеком или животным капсула — медицинский прибор, измеряющий в просвете органов желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) некоторые величины (например, кислотность, температуру, давление и другие) и передающий результаты измерений по радиоканалу. Радиосигнал от радиокапсулы записывается и обрабатывается специальной приёмно-анализирующей аппаратурой.
Различают радиокапсулы, питающиеся энергией от собственного источника питания, радиокапсулы, получающие питание извне и радиокапсулы, отражающие сигнал от внешнего источника (эхо-радиокапсулы). Радиокапсула также может быть или свободноперемещающейся по желудочно-кишечному тракту, или прикрепляемой к слизистой оболочке органа ЖКТ либо к зонду. В последнем случае она может через некоторое время отцепляться от зонда и далее свободно перемещаться по ЖКТ. Некоторые авторы называют радиокапсулами только капсулы с автономным источником питания и только свободноперемещающиеся капсулы.Бабский Е. Б., Сорин А. М., Давыдов С. Н. Приборы эндорадиозондирования. М.: Наука, 1975, 176 с.
Состав измерительного комплекса Радиокапсула является лишь одной из частей комплекса, измеряющего значения каких-либо характеристик ЖКТ. Сигнал, излучаемый капсулой, должен приниматься специальным устройством. Если не ставится задача определения точного местоположения капсулы в ЖКТ пациента, а также предполагается, что пациент должен вести обычный образ жизни, вне стационара, то приёмник представляет собой небольшой электронный блок, носимый в кармане одежды или на поясе пациента. Приёмник записывает текущие результаты измерений. После окончания процедуры записанные значения передаются, например, в персональный компьютер, на котором, с помощью специально разработанного программного обеспечения, происходит обработка этих измерений и их анализ.
Если исследуется ЖКТ животных, например, крупного рогатого скота, то приёмник размещается за оградой территории, доступной животным. При этом передатчик в капсуле и приёмник должны обладать достаточными для записи полезного сигнала мощностью и чувствительностью, соответственно.
Если же ставиться задача определения местоположения капсулы в ЖКТ пациента, то одного приёмника становиться недостаточно. Для вычисления координат источника сигнала может использоваться несколько (три или больше) приёмников, разнесённых в пространстве или специальные пояса-пеленгаторы. Для точного измерения координат требуется неподвижное состояние пациента. В то же время, знание точных координат местоположения капсулы не всегда даёт возможность определить, в каком анатомическом отделе ЖКТ пациента находится капсула.
В обыденной речи фраза «разработка радиокапсулы» и ей аналогичные обычно означает разработку не только самой капсулы, но и всего комплекса аппаратуры, включающего, в том числе, приёмник(и) и программное обеспечение для анализа результатов измерений.
Типы радиокапсул по измеряемым параметрам Различные варианты радиокапсул измеряют разный набор параметров. Но наиболее часто измеряемыми радиокапсулами параметрами являются внутриполостные давление, температура и кислотность. Существуют различные варианты реализаций: или в одной капсуле совмещают два или более измеряемых параметра, или разрабатывают серию капсул, в которой каждая из капсул оснащена датчиком только одного типа.
Кроме того, были разработаны радиокапсулы, измеряющие скорость расщепления питательных веществ в ЖКТ, радиокапсулы, определяющие содержания кислорода в органах пищеварительного тракта, для измерения интенсивности ионизирующего излучения, для обнаружения кровотечений в ЖКТ и некоторые другие. Однако далее отдельных образцов (или даже проектов) эти направления не развивались.
Радиокапсулы, измеряющие давление Радиокапсулы, измеряющие давление в просвете ЖКТ, были сконструированы первыми. В состав радиокапсул, измеряющих давление, входят датчик давления, генератор высокочастотных колебаний, автономный источник питания. Датчик давления должен обеспечивать измерение давления от 0 до 200 мм вод. ст. и реагировать на изменения ±5 мм вод. ст. Датчик давления может быть или индуктивного, или ёмкостного типа.
Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктивности системы вследствие воздействия давления на мембрану датчика, изменение положения которой вызывает механическое перемещение ферромагнитного или магнитодиэлектрического сердечника или якоря, изменяющего, таким образом, индуктивность катушки.
Ёмкостной датчик основан на изменении зазора между пластинами плоского конденсатора при изменении давления.
Современные, наиболее часто применяемые медицинские манометрические методы исследования моторики органов пищеварительной системы (манометрия верхнего пищеводного сфинктера, эзофагоманометрия, манометрия сфинктера Одди, антродуоденальная манометрия, аноректальная манометрия), требуют либо точной фиксации датчика давления в определённой точке органа, либо одновременного измерения давления в нескольких точках органа, расположенных на вполне определённом расстоянииБордин Д. С., Валитова Э. Р. Методика проведения и клиническое значение манометрии пищевода / Под ред. д.м.н., проф. Л. Б. Лазебника. — М.: ИД «МЕДПРАКТИКА-М», 2009, — 24 с.Stendal Ch. Practical Guide to Gastrointestinal Function Testing. Blackwell Science Ltd., 1997, 280 p. ISBN 0-632-04918-9. , что нереализуемо с помощью радиокапсул.
Радиокапсулы, измеряющие кислотность Радиокапсулы, измеряющие кислотность (синоним pH-радиокапсулы), должны работать в диапазоне примерно от 0,8 до 8,5 pH (максимальная теоретически возможная кислотность в желудке 0,86 pH соответствует кислотопродукции желудка 160 ммоль/л; минимальная теоретически возможная кислотность в желудке 8,3 pH соответствует pH насыщенного раствора ионов HCO3−, секретируемых слизистой желудка) и иметь чувствительность ± 0,1—0,2 pH. Датчик pH должен работать и иметь стабильные характеристики в течение времени нахождения в пищеварительном тракте, то есть 2 — 3-е суток. В датчике pH радиокапсул в качестве измерительного электрода используется сурьмяный или стеклянный электрод, в качестве электрода сравнения — каломельный или хлорсеребряный электрод.
Современные методы диагностики кислотозависимых заболеваний основаны либо на одновременном измерении pH в двух или более точках ЖКТ (кратковременная внутрижелудочная pH-метрия, экспресс pH-метрия), либо на фиксации датчика pH в определённом месте органа (большинство диагностических методик рефлюксных заболеваний пищевода базируются на суточной pH-метрии, предполагающей измерение pH в точке, расположенной на 5 см выше нижнего пищеводного сфинктера, в течение не менее 24 часов), либо исходят из измерения pH в стандартизированном наборе точек органа (эндоскопическая pH-метрия).Бутов М. А., Кузнецов П. С. Обследование больных с заболеваниями органов пищеварения. Часть 1. Обследование больных с заболеваниями желудка. Учебное пособие по пропедевтике внутренних болезней для студентов 3 курса лечебного факультета. Рязань. 2007. Реализация подобных методов невозможна с помощью свободноперемещающихся pH-радиокапсул. В настоящее время в практической медицине применяется только капсула Браво, прикрепляемая к эпителию пищевода.
Радиокапсулы, измеряющие температуру Датчики измерения температуры в капсулах должны работать в диапазоне 34—42 °С, датчик должен обнаруживать изменения температуры, равное ± 0,1 — 0,2 °C.
С момента создания первой радиокапсулы, в датчиках измерения температуры были использованы различные преобразователи: сегнетокерамические или иные конденсаторы с резко выраженной температурной зависимостью диэлектрической проницаемости материала между прокладками конденсатора; катушки индуктивности с сердечником, магнитная проницаемость которого в достаточной для регистрации степени зависит от температуры; терморезисторы; диоды или транзисторы с заметной температурной зависимостью коллекторного тока от температуры.
С помощью таких радиокапсул был измерен температурный профиль желудочно-кишечного тракта. В современном наборе методов функциональной диагностики в гастроэнтерологии, методы, связанные с измерением температуры органов пищеварения не присутствуют.
Из истории радиокапсул
Бум разработок радиокапсул конца 1950-х — 1960-х годов Впервые радиокапсула, имеющей автономный источник питания, была описана июне 1957 года в журнале «Nature» сотрудниками Каролинского института (; Стокгольм, Швеция) Стюартом Маккаем () и Бертилом Якобсоном () (Швеция).Mackay S., Jacobson B. Endoradiosonde . Nature, vol. 179, pp. 1239—1240, 1957. Это была свободно-перемещающаяся капсула, измеряющая в просвете пищеварительного тракта давление и температуру.
Работа Маккая и Якобсона ознаменовала начало научно-технического бума «капсулостроительства», охватившего большинство технически развитых стран. В том же году в журнале «Science» появляется публикация об аналогичной американской радиокапсуле.Farrar J. T., Zworikin V. K., Baum J. Pressure-sensitive telemetering capsule for study of gastrointestinal motility. Science. 1957 Nov 8;126(3280):975-976. PMID 13486045. В следующем, 1958-м, появляется восточногерманскаяvon Ardenne M., Sprung H. B. Simultaneous registration of pressure and position changes by means of a swallowed intestinal transmitter. Z Gesamte Inn Med. 1958 Aug 15;13(16):596-601. PMID 13593548. и западногерманскаяNöller H. G. Die Endoradiosondentechnik und ihre Bedeutung für die innere Medizin. — Vortr. Dtsch. Ges. innere Med. 65 Kongr., Wiesbaden, Kongresseber., 1959, 727. радиокапсулы. В 1960-м году в СССР, в Ленинграде, организована специальная лаборатория разработки радиокапсул и телеметрических систем на их основе. В 1961-м году появилась публикация английскихWolff H. S. The radio pill. New Scient. 1961;16:419-21. , а в 1962-м — японских исследователей.Nagumo J. et al. Echo-capsule for medical use — a batteryless endoradiosonde. IRE Trans on Bio-Med. Electronics, 1962, BME-9, 3, 195.
В конце 1950-х годов эта проблема представлялась в научно-техническом мире настолько важной, что уже с 1957-58 годов конструированием радиокапсул лично занялись «звёзды» изобретательской деятельности того времени, такие как Владимир Зворыкин (США), Манфред фон Арденне (ГДР; ему принадлежит первенство в отношении создания pH-радиокапсулыvon Ardenne M., Sprunge H. B. Uber den verschluckbaren Intestinalsender für pH-Wert-Signalisierung. — Naturwissenschaften, 1958, 45, 23, 564. ) и другие.
Выдающиеся изобретатели — участники бума разработок радиокапсул конца 1950-х — 1960-х годов:
В начале 1960-х годов фирма «Телефункен» (; ФРГ) выделила значительные средства на поддержку технических экспериментов и медицинских исследований в этой области.
Гейдельбергские капсулы Гейдельбергскими капсулами называют одноразовые радиокапсулы, измеряющие кислотность в просвете ЖКТ. Название происходит от города Гейдельберга (Германия). В начале 1960-х годов в департаменте гастроэнтерологии Гейдельбергского университета профессор педиатрии Ганс Ноллер (), при финансовой поддержке фирмы «Телефункен» в течение трёх лет выполнил с помощью таких капсул более 1000 исследований на взрослых пациентах.Barrie S. A. Heidelberg pH capsule gastric analysis . In Pizzorno JE, Murray MT eds. A Textbook of Natural Medicine. JBC Publication, Seattle, WA, 1992.
Термин гейдельбергские капсулы () более распространён в США, где существует компания Heidelberg Medical Inc., занимающаяся производством гейдельбергских капсул, радиотелеметрических систем для этих капсул и продвижением медицинских методов их применения.The Heidelberg pH Diagnostic System. The pH Capsule is a Self-Contained pH Measuring Device .
Разработка радиокапсул в СССР