旋轉拍攝無(wú)線(xiàn)供電膠囊內窺鏡系統

作者 孫曉偉 天津市賽盟醫療科技有限公司(天津 300384)

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

摘要：傳統膠囊內窺鏡采用氧化銀電池,通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊方式將圖像信息從體內傳輸到體外，從而減輕患者檢查痛苦，但會(huì )存在電池工作時(shí)間受限，腸道內褶皺漏拍現象，新型膠囊內窺鏡采用無(wú)線(xiàn)供電方式，圖像傳感器隨膠囊運動(dòng)360度旋轉拍攝，有效避免了漏拍等現象,拍攝的圖像合成處理，可以觀(guān)測整個(gè)小腸狀況，同時(shí)，圖像可以進(jìn)行放大處理，便于醫師觀(guān)察。

序言

　　膠囊內窺鏡系統屬于一種在人體內工作的微型電子醫療系統，解決體內系統如何長(cháng)時(shí)間在人體內正常工作，且盡量在對人體不造成副作用和不適的前提下，實(shí)現測量生命體內的生理、生化參數的長(cháng)期變化及診斷、治療某些疾病，實(shí)現在生命體無(wú)拘束、自然狀態(tài)下的體內直接測量和控制功能 ^[1]。膠囊內窺鏡與傳統內窺鏡相比，有著(zhù)顯著(zhù)的特點(diǎn)和意義。從系統的組成和結構角度分析，膠囊內窺鏡系統不帶有引導插管和引線(xiàn)，在消化道檢查過(guò)程中采集的影像數據是通過(guò)非有線(xiàn)的方式從體內傳輸到體外，口服的膠囊部分體積小，能夠順利通過(guò)人體的全消化道，實(shí)現對常規內窺鏡方法無(wú)法檢查到的小腸的直接觀(guān)測[2]。

1 膠囊內窺鏡結構及工作原理

　　膠囊內部結構如圖1所示。

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

　　在軸部的外周上設置磁鐵12，容納部件內部設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(xiàn)X周?chē)D。保持部件內壁上圍繞磁鐵的外周設置線(xiàn)圈或電磁鐵等磁場(chǎng)發(fā)生元件15。在圓形透過(guò)區域的周向上等間隔的設置4個(gè)發(fā)光元件17^[4]。

　　鏡頭18朝向拍攝元件20的側面為具有正的光學(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(guò)鏡頭在拍攝元件的拍攝面上成像。拍攝元件通過(guò)光電變換處理將被攝體光變?yōu)殡娦盘??？刂破?2控制拍攝元件的驅動(dòng)，拍攝元件生成的圖像數據通過(guò)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(xiàn)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)生驅動(dòng)內窺鏡系統的驅動(dòng)能量，該驅動(dòng)能量用于控制器與拍攝元件的驅動(dòng)或者向磁場(chǎng)發(fā)生元件通電^[5]。

　　當控制器向磁場(chǎng)元件通電時(shí)，磁場(chǎng)發(fā)生，并通過(guò)與磁鐵的相互作用使保持部件相對于容納部件旋轉。膠囊內窺鏡系統被攝入到生物體內，并且容納部件緊密接觸生物體內的壁面。因為容納部件處于通過(guò)與體內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(xiàn)X的周?chē)D。通過(guò)保持部件的旋轉，由保持部件保持的拍攝部件與發(fā)光元件也在軸線(xiàn)X的周?chē)D。 發(fā)送元件向生物體外設置的接收裝置發(fā)送由拍攝元件生成的圖像數據。

2 系統設計路線(xiàn)

　　膠囊內窺鏡系統由膠囊本體、影像接收儀和影像與報告處理站三部分組成。設計路線(xiàn)應遵循如下9步。

　　1)膠囊內圖像傳感器對消化道影像的采集：該步驟是在啟動(dòng)膠囊內電路上電后，膠囊內的圖像傳感器就開(kāi)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據進(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，如果對影像數據進(jìn)行壓縮，可以大大減少膠囊內無(wú)線(xiàn)數據的傳輸量，從而減少膠囊內無(wú)線(xiàn)傳輸的能量，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(wú)線(xiàn)傳輸：該階段主要完成把膠囊內處理和壓縮后的影像數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸到體外影像接收儀;

　　5)影像接收儀的數據存儲：該階段是影像接收儀把來(lái)自膠囊的影像數據存儲其內部的存儲模塊中，一般可以是SD卡、CF卡或U盤(pán)等。上述五個(gè)步驟是一個(gè)不斷循環(huán)的過(guò)程，期間除非用戶(hù)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)影像數據上載到工作站：該階段是影像接收儀把檢查過(guò)程中存儲的每一幀影像數據及其每幀影像對應的定位數據通過(guò)高速數據接口傳輸至影像與報告處理工作站;

　　7)影像的瀏覽與處理：該階段是診斷醫師通過(guò)工作站內的影像與報告處理軟件系統實(shí)現對采集的患者消化道影像進(jìn)行各種靜態(tài)或動(dòng)態(tài)方式的瀏覽，以及針對感興趣的影像進(jìn)行相應的處理、測量或者加注標記和注釋等。這一階段的目的是輔助診斷醫師能高效地從海量的影像中發(fā)現感興趣的影像，并可通過(guò)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(lái)，輔助醫師做出快速、準確的判斷;

　　8)影像報告的生成和打?。涸摬襟E是通過(guò)工作站內提供的影像與報告處理軟件系統完成。當醫師完成對一個(gè)患者消化道影像的瀏覽與處理后，需根據觀(guān)察結果生成規范的影像報告，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(gè)患者診斷完畢，其影像數據是不能被隨意刪除的，這些影像數據的完整保留，對科研、教學(xué)和解決未來(lái)可能的法律糾紛是最好的保障。因此所有影像數據需要被高效的存儲和管理，這也是醫院數字化影像發(fā)展的基礎以及醫學(xué)影像信息無(wú)片化和網(wǎng)絡(luò )化管理的基礎。該步驟也是通過(guò)工作站內提供的影像與報告處理軟件系統完成的。

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計，它需要集成微處理器、無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)機、圖像數據處理、電源管理等功能，與CMOS圖像傳感器配合，即可實(shí)現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]。

　　芯片內部集成一個(gè)極低功耗的微處理器，以實(shí)現各種控制和數據調度功能。內部集成一個(gè)JPEG-LS圖像數據壓縮模塊，可將圖像傳感器采集到的圖像數據進(jìn)行無(wú)損/準無(wú)損壓縮，在膠囊內窺鏡特定的工作環(huán)境下，可提供大約1/3的壓縮比，極好地提高了系統數據傳輸效率。采用半雙工、非對稱(chēng)碼率的無(wú)線(xiàn)收發(fā)機制。發(fā)射機工作頻率在UHF頻段，支持8個(gè)獨立通信頻道。同時(shí)，內部集成3個(gè)線(xiàn)性穩壓調節器和1個(gè)開(kāi)關(guān)電容式的升壓調節器，為芯片內部各個(gè)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壓電源。高效的電源管理電路有效的提高了系統的能量效率。圖2為膠囊結構及主控芯片功能介紹^[8]。

　　膠囊在人體內行走1英寸需要2分鐘時(shí)間，膠囊本體采用無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)，供電功率為80mW，膠囊行進(jìn)過(guò)程中圖像傳感器3600旋轉，每秒拍攝30張圖像。圖像傳感器每2秒旋轉600，每12秒旋轉一周。采集的圖像通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸到患者背心上，并保存到標準SD卡上。檢查全程需拍攝87萬(wàn)張圖片，將SD卡插入電腦用軟件將數千張重復的圖像編輯成腸道的平面圖，可以將每一張圖像放大75倍，已便讓醫師觀(guān)察患處。

4 結論

　　從實(shí)際檢查效果來(lái)看解決了傳統膠囊內窺鏡漏拍的機率，采用無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)拍攝時(shí)長(cháng)不再受限，拍攝畫(huà)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，節省了醫師閱片強度，提高了閱片質(zhì)量。

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