旋轉(zhuǎn)拍攝無線供電膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

作者 孫曉偉 天津市賽盟醫(yī)療科技有限公司(天津 300384)

孫曉偉(1985-)，男，碩士，中級工程師，研究方向：醫(yī)療器械研發(fā)與設(shè)計工作。

摘要：傳統(tǒng)膠囊內(nèi)窺鏡采用氧化銀電池,通過無線通訊方式將圖像信息從體內(nèi)傳輸?shù)襟w外，從而減輕患者檢查痛苦，但會存在電池工作時間受限，腸道內(nèi)褶皺漏拍現(xiàn)象，新型膠囊內(nèi)窺鏡采用無線供電方式，圖像傳感器隨膠囊運(yùn)動360度旋轉(zhuǎn)拍攝，有效避免了漏拍等現(xiàn)象,拍攝的圖像合成處理，可以觀測整個小腸狀況，同時，圖像可以進(jìn)行放大處理，便于醫(yī)師觀察。

序言

　　膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)屬于一種在人體內(nèi)工作的微型電子醫(yī)療系統(tǒng)，解決體內(nèi)系統(tǒng)如何長時間在人體內(nèi)正常工作，且盡量在對人體不造成副作用和不適的前提下，實現(xiàn)測量生命體內(nèi)的生理、生化參數(shù)的長期變化及診斷、治療某些疾病，實現(xiàn)在生命體無拘束、自然狀態(tài)下的體內(nèi)直接測量和控制功能 ^[1]。膠囊內(nèi)窺鏡與傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡相比，有著顯著的特點(diǎn)和意義。從系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)角度分析，膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)不帶有引導(dǎo)插管和引線，在消化道檢查過程中采集的影像數(shù)據(jù)是通過非有線的方式從體內(nèi)傳輸?shù)襟w外，口服的膠囊部分體積小，能夠順利通過人體的全消化道，實現(xiàn)對常規(guī)內(nèi)窺鏡方法無法檢查到的小腸的直接觀測[2]。

1 膠囊內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)及工作原理

　　膠囊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1為膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，10作為容納部件具有膠囊形狀。它具有透光的透過區(qū)域10a和遮光的遮光區(qū)域10d，透過區(qū)域在內(nèi)窺鏡攝像機(jī)的長度方向上有一定的寬度，并形成在內(nèi)窺鏡攝像機(jī)的周向上。為了抑制容納部件外表面上的附著污物，在其外表面上涂抹適用于人體的涂層。容納部件內(nèi)表面上設(shè)置從該內(nèi)表面突出的軸部10b和10c，這兩部分在旋轉(zhuǎn)軸線上^[3]。

　　在軸部的外周上設(shè)置磁鐵12，容納部件內(nèi)部設(shè)置有沿容納部件形狀的保持部件11，保持部件具有與軸部接觸的接觸部11a和11b。保持部件相對于容納部件在軸線X周圍旋轉(zhuǎn)。保持部件內(nèi)壁上圍繞磁鐵的外周設(shè)置線圈或電磁鐵等磁場發(fā)生元件15。在圓形透過區(qū)域的周向上等間隔的設(shè)置4個發(fā)光元件17^[4]。

　　鏡頭18朝向拍攝元件20的側(cè)面為具有正的光學(xué)能量的凸面，另一面為凹面?？梢詫CD圖像傳感器或CMOS圖像傳感器作為拍攝元件，被攝體光透過鏡頭在拍攝元件的拍攝面上成像。拍攝元件通過光電變換處理將被攝體光變?yōu)殡娦盘枴？刂破?2控制拍攝元件的驅(qū)動，拍攝元件生成的圖像數(shù)據(jù)通過基板21發(fā)送到發(fā)送元件16。

　　生物體外電力供給裝置發(fā)送的電力傳輸給第一接收單元13和第二接收單元14。第一接收單元13具有磁芯13b和纏繞在磁芯上的線圈13a，第二接收單元同理具有14a和14b。第一接收單元與第二接收單元接收的電磁能發(fā)送給控制器22，并在控制器中產(chǎn)生驅(qū)動內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的驅(qū)動能量，該驅(qū)動能量用于控制器與拍攝元件的驅(qū)動或者向磁場發(fā)生元件通電^[5]。

　　當(dāng)控制器向磁場元件通電時，磁場發(fā)生，并通過與磁鐵的相互作用使保持部件相對于容納部件旋轉(zhuǎn)。膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)被攝入到生物體內(nèi)，并且容納部件緊密接觸生物體內(nèi)的壁面。因為容納部件處于通過與體內(nèi)的壁面接觸而被固定的狀態(tài)，所以保持部件相對于容納部件在軸線X的周圍旋轉(zhuǎn)。通過保持部件的旋轉(zhuǎn)，由保持部件保持的拍攝部件與發(fā)光元件也在軸線X的周圍旋轉(zhuǎn)。 發(fā)送元件向生物體外設(shè)置的接收裝置發(fā)送由拍攝元件生成的圖像數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計路線

　　膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)由膠囊本體、影像接收儀和影像與報告處理站三部分組成。設(shè)計路線應(yīng)遵循如下9步。

　　1)膠囊內(nèi)圖像傳感器對消化道影像的采集：該步驟是在啟動膠囊內(nèi)電路上電后，膠囊內(nèi)的圖像傳感器就開始進(jìn)行一定幀率的影像采集工作;

　　2)影像的處理：對圖像傳感器采集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的影像處理，使采集的影像效果最佳;

　　3)影像的壓縮：由于一幀影像的像素點(diǎn)間有很大的相關(guān)性，如果對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，可以大大減少膠囊內(nèi)無線數(shù)據(jù)的傳輸量，從而減少膠囊內(nèi)無線傳輸?shù)哪芰?，以及減少影像接收儀的存儲容量和工作站的存儲容量;

　　4)影像的無線傳輸：該階段主要完成把膠囊內(nèi)處理和壓縮后的影像數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)襟w外影像接收儀;

　　5)影像接收儀的數(shù)據(jù)存儲：該階段是影像接收儀把來自膠囊的影像數(shù)據(jù)存儲其內(nèi)部的存儲模塊中，一般可以是SD卡、CF卡或U盤等。上述五個步驟是一個不斷循環(huán)的過程，期間除非用戶在體外控制膠囊進(jìn)入休眠狀態(tài)或者膠囊被患者排出體外，否則將一直進(jìn)行下去^[6];

　　6)影像數(shù)據(jù)上載到工作站：該階段是影像接收儀把檢查過程中存儲的每一幀影像數(shù)據(jù)及其每幀影像對應(yīng)的定位數(shù)據(jù)通過高速數(shù)據(jù)接口傳輸至影像與報告處理工作站;

　　7)影像的瀏覽與處理：該階段是診斷醫(yī)師通過工作站內(nèi)的影像與報告處理軟件系統(tǒng)實現(xiàn)對采集的患者消化道影像進(jìn)行各種靜態(tài)或動態(tài)方式的瀏覽，以及針對感興趣的影像進(jìn)行相應(yīng)的處理、測量或者加注標(biāo)記和注釋等。這一階段的目的是輔助診斷醫(yī)師能高效地從海量的影像中發(fā)現(xiàn)感興趣的影像，并可通過該軟件提供的各種影像處理功能對感興趣的影像進(jìn)行相關(guān)的處理，使患者影像中包含的病灶點(diǎn)能更清晰地顯示出來，輔助醫(yī)師做出快速、準(zhǔn)確的判斷;

　　8)影像報告的生成和打?。涸摬襟E是通過工作站內(nèi)提供的影像與報告處理軟件系統(tǒng)完成。當(dāng)醫(yī)師完成對一個患者消化道影像的瀏覽與處理后，需根據(jù)觀察結(jié)果生成規(guī)范的影像報告，并把影像報告打印輸出和保存;

　　9)影像的存儲與管理：對一個患者診斷完畢，其影像數(shù)據(jù)是不能被隨意刪除的，這些影像數(shù)據(jù)的完整保留，對科研、教學(xué)和解決未來可能的法律糾紛是最好的保障。因此所有影像數(shù)據(jù)需要被高效的存儲和管理，這也是醫(yī)院數(shù)字化影像發(fā)展的基礎(chǔ)以及醫(yī)學(xué)影像信息無片化和網(wǎng)絡(luò)化管理的基礎(chǔ)。該步驟也是通過工作站內(nèi)提供的影像與報告處理軟件系統(tǒng)完成的。

3 核心功能闡述

　　膠囊本體尺寸大小為10mm×22mm左右，主控芯片采用流片設(shè)計，它需要集成微處理器、無線射頻收發(fā)機(jī)、圖像數(shù)據(jù)處理、電源管理等功能，與CMOS圖像傳感器配合，即可實現(xiàn)雙向可控式圖像采集裝置的圖像采集、傳輸、控制等功能。芯片具有集成度高、功耗低、需要外圍器件少等特點(diǎn)^[7]。

　　芯片內(nèi)部集成一個極低功耗的微處理器，以實現(xiàn)各種控制和數(shù)據(jù)調(diào)度功能。內(nèi)部集成一個JPEG-LS圖像數(shù)據(jù)壓縮模塊，可將圖像傳感器采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行無損/準(zhǔn)無損壓縮，在膠囊內(nèi)窺鏡特定的工作環(huán)境下，可提供大約1/3的壓縮比，極好地提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率。采用半雙工、非對稱碼率的無線收發(fā)機(jī)制。發(fā)射機(jī)工作頻率在UHF頻段，支持8個獨(dú)立通信頻道。同時，內(nèi)部集成3個線性穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器和1個開關(guān)電容式的升壓調(diào)節(jié)器，為芯片內(nèi)部各個功能模塊，以及外接的圖像傳感器和圖像傳感器閃光燈提供穩(wěn)壓電源。高效的電源管理電路有效的提高了系統(tǒng)的能量效率。圖2為膠囊結(jié)構(gòu)及主控芯片功能介紹^[8]。

　　膠囊在人體內(nèi)行走1英寸需要2分鐘時間，膠囊本體采用無線供電技術(shù)，供電功率為80mW，膠囊行進(jìn)過程中圖像傳感器3600旋轉(zhuǎn)，每秒拍攝30張圖像。圖像傳感器每2秒旋轉(zhuǎn)600，每12秒旋轉(zhuǎn)一周。采集的圖像通過無線傳輸?shù)交颊弑承纳?，并保存到?biāo)準(zhǔn)SD卡上。檢查全程需拍攝87萬張圖片，將SD卡插入電腦用軟件將數(shù)千張重復(fù)的圖像編輯成腸道的平面圖，可以將每一張圖像放大75倍，已便讓醫(yī)師觀察患處。

4 結(jié)論

　　從實際檢查效果來看解決了傳統(tǒng)膠囊內(nèi)窺鏡漏拍的機(jī)率，采用無線供電技術(shù)拍攝時長不再受限，拍攝畫面的質(zhì)量有了保障，閱片軟件可以進(jìn)行圖像合成處理，圖像可放大至75倍，節(jié)省了醫(yī)師閱片強(qiáng)度，提高了閱片質(zhì)量。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第7期第59頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。