胶囊内窥镜无线供能模块的研制

　　对肠道疾病的检查,最常用和最直接有效的方法就是内窥镜检查,它在消化道疾病的诊断中起着极为重要的作用.目前,临床上常用的肠道内窥镜存在着插入困难,无法进行小肠检查的缺陷,并且在使用过程中,会造成人体组织损伤,引起多种并发症.无线胶囊内窥镜是一种鱼肝油胶囊大小的电子检测装置.患者吞服后,胶囊内窥镜利用安装在其中的CMOS摄像头采集消化道的图像信息,并利用射频发射电路将其以无线方式发射到体外,供医生进行病情诊断[1].无线胶囊内窥镜的出现,开创了消化道无创、全消化道检测的新纪元.以色列Given Image公司、日本的奥林巴斯公司、RF-System Lab公司相继开发出了各种不同的无线胶囊内窥镜,并已开始了临床应用[2-4].

　　然而,上面介绍的无线胶囊内窥镜均采用纽扣电池供电,由于电池容量有限,只能在20 min或8 h以内,分别以20、2帧/s的速度对消化道图像信息进行采集和传输[2-4].而从正常吞入胶囊到从肛门排出时间为13.5~41 h,平均21.5 h.因此,无线胶囊内窥镜可能还没到达预定的病灶点时,电池就已经用完.要利用无线胶囊内窥镜进行全消化道检查,首先要解决能源问题,研究无线胶囊内窥镜的供能技术很有必要.

　　基于电磁感应的经皮能量传输是一种以电磁场为媒介进行非接触供能的能量传输方式,已在人工脏器方面得到广泛应用[5].鉴于此,本文展开了胶囊内窥镜的电磁感应供能技术研究.首先简要介绍了无线胶囊内窥镜系统架构,提出胶囊内窥镜的功耗和空间尺寸要求;接着对胶囊内窥镜供能特点进行了探讨,并针对其设计了能量传输模块;最后制作了该能量传输模块并进行了能量传输实验,测试了采用该供能模块的无线胶囊内窥镜在离体实验中的性能.

　　1　无线胶囊内窥镜

　　无线胶囊内窥镜主要由有机玻璃罩、照明用LED、短焦距镜头、高分辨率CMOS图像传感器、控制胶囊内窥镜所有模块协调工作的MCU、射频发射模块、电源模块等7部分组成,如图1所示.

　　无线胶囊内窥镜被患者吞服后,在人体胃肠道的蠕动作用下顺着消化肠道向下运动,当LED点亮一次,CMOS图像传感器通过短焦距镜头获得1幅图像,然后启动无线发射模块将数据发射出体外.LED再次点亮开始新的工作循环,这样胶囊内窥镜持续将消化道图像传出体外,直到由肛门自然排出体外.

　　在胶囊内窥镜中,电源模块负责给整个系统供电.根据当前的设计,采用OV6920(CMOS图像采集芯片)为核心的胶囊内窥的功耗为120 mW,限于胶囊的尺寸,留给电源模块的空间尺寸约为 10mm×11 mm.

　　2　基于电磁感应的无线供能模块

　　采用电磁感应方式进行非接触供能时,体外发射线圈作为初级线圈,产生变化磁场;体内接收线圈作为次级线圈,接收能量.由于体内、外两线圈之间有一定距离,故耦合程度较弱,为了提高传输效率,可将初级线圈和次级线圈均与电容组成LC谐振电路,以相同的频率形成共振耦合来传输能量.根据已有研究,发射、接收线圈均采用串联谐振电路,有较好的负载特性,能输出低电压、大电流的能量,适合驱动胶囊内窥镜等消化道微系统[6].