一种双向、数字式微型无线内窥镜系统设计

　　1　引　　言

　　消化道疾病侵扰着全球无数的患者,目前对这种疾病的检查最常用和最直接有效的就是内窥镜检查,现有常用内窥镜系统都不得不带有引导插管,这不仅给系统的操作带来很多不便,同时还给检查病人带来了很大的不适和痛苦,也导致内窥镜所能检查的部位受到了局限等,这些原因促使人们开始对无线内窥镜系统进行研究。

　　随着微电子技术的飞速发展,人们在这一领域已经取得了一些初步的成果[1～3]。其中特别是以色列人研制的小肠胶囊内窥镜[1],该产品是目前世界上唯一在临床应用的消化道无线内窥镜系统,首次实现了对小肠部位的内窥镜检查,但该系统还存在很多的局限性。另外,韩国人Park和Nam[2]等在无线内窥镜方面也取得了一定的研究成果,其主要贡献在于他们在无线内窥系统中引入了双向通信的概念。通过对目前消化道无线内窥镜技术发展状况的分析,并针对现有无线内窥镜产品和研究成果存在的一些局限性和不足,文中提出了一种全新的双向、　　数字化的微型无线内窥镜系统方案设计,该系统具有实时观察病人图像、全消化道检查以及提供三维深度图像数据等功能,并对方案中各模块进行了详细的论述。提出的方案已通过FPGA验证,其核心的胶囊内数模混合芯片已采用0.18μm的CMOS工艺流片。

　　2　系统方案与设计

　　2.1　系统的体系构成与特点

　　系统主要由具有无线收发的数字式内窥镜胶囊摄像装置、便携式无线接收与数据传输装置以及计算机控制与处理装置三部分构成,如图1所示。下面对这三部分的组成和功能分别进行介绍。

　　1)具有无线收发的数字式内窥镜胶囊摄像装置部分由生物兼容性材料封装且一端是透明的封闭壳体[3],它完成图像采集和传输,并可接收体外的控制指令;

　　2)便携式无线接收与数据传输装置接收来自无线收发的数字式内窥镜胶囊摄像装置传来的内窥图像,并存在本地或直接传给计算机控制与处理装置,同时还提供对体内胶囊的“定位”信息;

        3)计算机控制与处理装置控制体内胶囊内窥镜摄像装置的工作状态,可提供实时观察病人内窥图像和进行各种图像处理,以辅助医生进行诊断,包括对内窥图像的定位以及三维深度图像的重建等。

　　该系统与目前无线消化内窥镜系统相比具有如下特点:1)采用带数字图像输出的低功耗CMOS图像传感器,图像尺寸最大可达640×480(VGA)大小,约比以色列人研制的小肠胶囊内窥镜图像大4倍;2)能提供实时观察病人图像的功能,图像帧率为2帧/秒;3)利用各种能源的管理与控制来实现全消化道检查,提供了比如休眠状态等,可以在胶囊运行到人体消化道内不感兴趣的区域时,通过外部命令控制胶囊内系统进入休眠状态以节省大量能量;4)通过采用发不同红外波长的LED照明来提供三维深度内窥图像数据采集;5)采用了双向数据通信;6)内窥图像的压缩率以及图像尺寸可控;7)体内无线收发的数字式内窥镜胶囊摄像装置内的电路工作状态能受外部控制,以延长体内电池的寿命;8)该双向、数字式无线内窥镜系统提供了两种可供选择的　　系统工作方式[3],即提供了在线与离线的工作模式,并且这两者都能提供胶囊定位功能。