旋转拍摄无线供电胶囊内窥镜系统

作者 孙晓伟 天津市赛盟医疗科技有限公司(天津 300384)

孙晓伟(1985-)，男，硕士，中级工程师，研究方向：医疗器械研发与设计工作。

摘要：传统胶囊内窥镜采用氧化银电池,通过无线通讯方式将图像信息从体内传输到体外，从而减轻患者检查痛苦，但会存在电池工作时间受限，肠道内褶皱漏拍现象，新型胶囊内窥镜采用无线供电方式，图像传感器随胶囊运动360度旋转拍摄，有效避免了漏拍等现象,拍摄的图像合成处理，可以观测整个小肠状况，同时，图像可以进行放大处理，便于医师观察。

序言

　　胶囊内窥镜系统属于一种在人体内工作的微型电子医疗系统，解决体内系统如何长时间在人体内正常工作，且尽量在对人体不造成副作用和不适的前提下，实现测量生命体内的生理、生化参数的长期变化及诊断、治疗某些疾病，实现在生命体无拘束、自然状态下的体内直接测量和控制功能 ^[1]。胶囊内窥镜与传统内窥镜相比，有着显著的特点和意义。从系统的组成和结构角度分析，胶囊内窥镜系统不带有引导插管和引线，在消化道检查过程中采集的影像数据是通过非有线的方式从体内传输到体外，口服的胶囊部分体积小，能够顺利通过人体的全消化道，实现对常规内窥镜方法无法检查到的小肠的直接观测[2]。

1 胶囊内窥镜结构及工作原理

　　胶囊内部结构如图1所示。

　　1为胶囊内窥镜系统，10作为容纳部件具有胶囊形状。它具有透光的透过区域10a和遮光的遮光区域10d，透过区域在内窥镜摄像机的长度方向上有一定的宽度，并形成在内窥镜摄像机的周向上。为了抑制容纳部件外表面上的附着污物，在其外表面上涂抹适用于人体的涂层。容纳部件内表面上设置从该内表面突出的轴部10b和10c，这两部分在旋转轴线上^[3]。

　　在轴部的外周上设置磁铁12，容纳部件内部设置有沿容纳部件形状的保持部件11，保持部件具有与轴部接触的接触部11a和11b。保持部件相对于容纳部件在轴线X周围旋转。保持部件内壁上围绕磁铁的外周设置线圈或电磁铁等磁场发生元件15。在圆形透过区域的周向上等间隔的设置4个发光元件17^[4]。

　　镜头18朝向拍摄元件20的侧面为具有正的光学能量的凸面，另一面为凹面。可以将CCD图像传感器或CMOS图像传感器作为拍摄元件，被摄体光透过镜头在拍摄元件的拍摄面上成像。拍摄元件通过光电变换处理将被摄体光变为电信号。控制器22控制拍摄元件的驱动，拍摄元件生成的图像数据通过基板21发送到发送元件16。

　　生物体外电力供给装置发送的电力传输给第一接收单元13和第二接收单元14。第一接收单元13具有磁芯13b和缠绕在磁芯上的线圈13a，第二接收单元同理具有14a和14b。第一接收单元与第二接收单元接收的电磁能发送给控制器22，并在控制器中产生驱动内窥镜系统的驱动能量，该驱动能量用于控制器与拍摄元件的驱动或者向磁场发生元件通电^[5]。

　　当控制器向磁场元件通电时，磁场发生，并通过与磁铁的相互作用使保持部件相对于容纳部件旋转。胶囊内窥镜系统被摄入到生物体内，并且容纳部件紧密接触生物体内的壁面。因为容纳部件处于通过与体内的壁面接触而被固定的状态，所以保持部件相对于容纳部件在轴线X的周围旋转。通过保持部件的旋转，由保持部件保持的拍摄部件与发光元件也在轴线X的周围旋转。 发送元件向生物体外设置的接收装置发送由拍摄元件生成的图像数据。

2 系统设计路线

　　胶囊内窥镜系统由胶囊本体、影像接收仪和影像与报告处理站三部分组成。设计路线应遵循如下9步。

　　1)胶囊内图像传感器对消化道影像的采集：该步骤是在启动胶囊内电路上电后，胶囊内的图像传感器就开始进行一定帧率的影像采集工作;

　　2)影像的处理：对图像传感器采集的影像数据进行一定的影像处理，使采集的影像效果最佳;

　　3)影像的压缩：由于一帧影像的像素点间有很大的相关性，如果对影像数据进行压缩，可以大大减少胶囊内无线数据的传输量，从而减少胶囊内无线传输的能量，以及减少影像接收仪的存储容量和工作站的存储容量;

　　4)影像的无线传输：该阶段主要完成把胶囊内处理和压缩后的影像数据通过无线方式传输到体外影像接收仪;

　　5)影像接收仪的数据存储：该阶段是影像接收仪把来自胶囊的影像数据存储其内部的存储模块中，一般可以是SD卡、CF卡或U盘等。上述五个步骤是一个不断循环的过程，期间除非用户在体外控制胶囊进入休眠状态或者胶囊被患者排出体外，否则将一直进行下去^[6];

　　6)影像数据上载到工作站：该阶段是影像接收仪把检查过程中存储的每一帧影像数据及其每帧影像对应的定位数据通过高速数据接口传输至影像与报告处理工作站;

　　7)影像的浏览与处理：该阶段是诊断医师通过工作站内的影像与报告处理软件系统实现对采集的患者消化道影像进行各种静态或动态方式的浏览，以及针对感兴趣的影像进行相应的处理、测量或者加注标记和注释等。这一阶段的目的是辅助诊断医师能高效地从海量的影像中发现感兴趣的影像，并可通过该软件提供的各种影像处理功能对感兴趣的影像进行相关的处理，使患者影像中包含的病灶点能更清晰地显示出来，辅助医师做出快速、准确的判断;

　　8)影像报告的生成和打印：该步骤是通过工作站内提供的影像与报告处理软件系统完成。当医师完成对一个患者消化道影像的浏览与处理后，需根据观察结果生成规范的影像报告，并把影像报告打印输出和保存;

　　9)影像的存储与管理：对一个患者诊断完毕，其影像数据是不能被随意删除的，这些影像数据的完整保留，对科研、教学和解决未来可能的法律纠纷是最好的保障。因此所有影像数据需要被高效的存储和管理，这也是医院数字化影像发展的基础以及医学影像信息无片化和网络化管理的基础。该步骤也是通过工作站内提供的影像与报告处理软件系统完成的。

3 核心功能阐述

　　胶囊本体尺寸大小为10mm×22mm左右，主控芯片采用流片设计，它需要集成微处理器、无线射频收发机、图像数据处理、电源管理等功能，与CMOS图像传感器配合，即可实现双向可控式图像采集装置的图像采集、传输、控制等功能。芯片具有集成度高、功耗低、需要外围器件少等特点^[7]。

　　芯片内部集成一个极低功耗的微处理器，以实现各种控制和数据调度功能。内部集成一个JPEG-LS图像数据压缩模块，可将图像传感器采集到的图像数据进行无损/准无损压缩，在胶囊内窥镜特定的工作环境下，可提供大约1/3的压缩比，极好地提高了系统数据传输效率。采用半双工、非对称码率的无线收发机制。发射机工作频率在UHF频段，支持8个独立通信频道。同时，内部集成3个线性稳压调节器和1个开关电容式的升压调节器，为芯片内部各个功能模块，以及外接的图像传感器和图像传感器闪光灯提供稳压电源。高效的电源管理电路有效的提高了系统的能量效率。图2为胶囊结构及主控芯片功能介绍^[8]。

　　胶囊在人体内行走1英寸需要2分钟时间，胶囊本体采用无线供电技术，供电功率为80mW，胶囊行进过程中图像传感器3600旋转，每秒拍摄30张图像。图像传感器每2秒旋转600，每12秒旋转一周。采集的图像通过无线传输到患者背心上，并保存到标准SD卡上。检查全程需拍摄87万张图片，将SD卡插入电脑用软件将数千张重复的图像编辑成肠道的平面图，可以将每一张图像放大75倍，已便让医师观察患处。

4 结论

　　从实际检查效果来看解决了传统胶囊内窥镜漏拍的机率，采用无线供电技术拍摄时长不再受限，拍摄画面的质量有了保障，阅片软件可以进行图像合成处理，图像可放大至75倍，节省了医师阅片强度，提高了阅片质量。

　　参考文献：

　　[1]王志华,谢翔,张春.双向数字式无线内窥镜系统:中国,ZL03109810[P].2003.

　　[2]颜国正,姜萍萍.全消化道吞服式遥测胶囊体外电磁励磁式定位系统:中国,ZL200410093139.1[P].2004.

　　[3]付国强,梅涛,孔德义,等.无线微型机器人肠道内窥镜系统中图像采集与无线传输子系统的设计[J].光学精密工程,2002,10(6):614-618.

　　[4]简小云,梅涛,汪小华.胶囊内窥镜机器人的外磁场驱动方法[J].机器人,2005,27(4):367-372.

　　[5]内山昭夫,河野宏尚,横井武司,等.胶囊型医疗装置系统、以及胶囊型医疗装置:中国, 200480032945.6[P].2004.

　　[6]曾昭瑞,刘修泉,张炜,等.体内胶囊内窥镜磁场定位检测系统的研究和设计[J].微计算机信息，2008,24(20):238-240.

　　[7]王坤东,颜国正,姜萍萍,等.一种新的人体腔道介入器件定位方法[J].北京生物医学工程,2006，25(4):392-394.

　　[8]张兴,方亮,李国丽,等.无线内窥镜中圆柱永磁体建模与仿真[J].系统仿真学报,2007,19(3):494-496,523.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第7期第59页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。