基于MEMS技术的胃肠道无线内窥镜的研究

　　1　引　　言

　　随着现代科学技术的发展,使得微小技术、微型机械电子系统(Micro Electro Mechanical System,简称MEMS)技术获得迅速发展,从而大大促进了医用机器人的微型化、微观化以及电子内窥镜检查系统的发展,出现了医用无线内窥镜,它以微机电系统(MEMS)为基础。而MEMS是在微电子基础上发展起来的,由微电子加工技术和多种微机械加工技术相融合而形成的微型系统。完整的MEMS是由感知外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的微型传感器、控制对象的执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的,将信息的获取、处理和执行集成在一起,而形成的一体化的、具有多种功能的微型系统。

　　医用无线电内窥镜作为一个典型的MEMS应用系统,它结合了微小机器人技术、生物医学技术和MEMS技术。从功能上讲,医用无线电内窥镜系统可以克服传统的推进式内窥镜的缺点,无创伤、减小患者痛苦,通过吞咽进入肠道,可以对食道、胃、小肠和大肠进行特定和非特定位置图像拍摄和分析,从而可以对整个消化道系统进行检测,克服了传统推进式内窥镜只能检测胃部以上部位的缺陷。同时,医用无线电内窥镜可以有效的提高病灶的检出率,它可以将现有推进式内窥镜的病灶检出率从70%左右提高到90%以上[1]。它符合国际生物医学工程领域所倡导的少创和无创外科手术的发展趋势。

　　国外,无线内窥镜的研究正处于方兴未艾的时期,以色列、日本、韩国、美国等都在进行这方面的研究,除了以色列的Given Imaging公司推出了产品外[2],其它的还处于研究阶段,市面上还未看到产品。但他们的研究都各有特点,日本RF SYSTEM实验室把内窥镜和药物定点释放系统结合在一起[3],而韩国希望研究出的产品则是很全面的,包括内窥镜、组织活检、药物释放等,可对消化道、呼吸系统、子宫等等人体多种器官进行检查诊断[4]。

　　2　胃肠道无线内窥镜的基本工作原理

　　2.1　胃肠道无线内窥镜的原理框图

　　该系统主要由三部分组成:无线电微型摄像药丸、图像记录仪和影像浏览工作站。其中无线电摄像药丸是综合了微机电系统技术、信息收集和传输、光学、生物医学技术等多方面技术的综合系统,是研究的重点和难点。

　　2.2　无线电摄像药丸的研制

　　无线电摄像药丸体积很小,直径为Φ=11mm,长为30mm。图像发送速率每秒2帧以上,分辨率:3colors×10bits×540pixels×480pixels,信噪比:>80dB。工作时间:4～5h。无线电摄像药丸的具体内部结构见图2。

　　2.2.1　CMOS图像传感器