無線藥丸式內窺鏡又稱膠囊式內窺鏡(CapsuleEndoscope),它是內窺鏡技術的突破,無線藥丸式微型機器人內窺鏡,可以幫助醫生診斷各種消化道疾病,它就是在醫療界大名鼎鼎的"膠囊內鏡"。
膠囊式內窺鏡系統在低功耗數模混合集成電路芯片解決方案、低功耗SOC系統設計、射頻無線啟動開關、醫學圖像處理以及高清數字視頻的研發等方面,膠囊內硬件電路是整個無線內窺鏡系統中zui核心的部分,其功能是完成對內窺鏡彩色圖像的采集,并以無線方式把圖像傳出至體外,同時能接收來自體外的控制命令,并根據控制命令調整膠囊內硬件的工作狀態與工作參數。其關鍵技術是:采集反映消化道病變情況的高清晰度二維和三維內窺圖像、對采集圖像進行地無線傳輸、對電路進行低功耗設計以及系統能量管理等技術。
新的無線高清攝像膠丸式內窺鏡涉及MEMS技術、通信、材料、傳感器、生物醫學、計算機、圖像處理等眾多領域的技術。但是其中在四項關鍵性技術即微型圖像傳感器(CMos或CCD)技術、無線通訊技術、能源技術以及驅動與控制技術方面還有很多工作要做。
新的無線高清攝像膠丸式內窺鏡電路主要包括以下幾個部分:
1圖像采集、處理與控制部分
膠丸式內窺鏡這部分包括帶數字圖像輸出的CMOS圖像傳感器、圖像壓縮模塊、MEMS微電機、發白光與具有兩種不同紅外波長的LED光源(采集三維深度圖像數據)等。該部分電路不僅決定了內窺鏡圖像的質量,而且其低功耗設計也很關鍵:
(1)圖像采集前端采用低功耗的帶數字彩色圖像輸出的CMOS圖像傳感器,且該圖像傳感器不帶任何圖像后處理功能,而是把這些處理放在體外的計算機中,大大降低了功耗;
(2)為了提供準確反映病變情況的圖像,可采用兩種不同波長的LED和白光LED作為照明光源獲得三維深度內窺圖像;
(3)CMOS圖像傳感器的數字圖像輸出格式不采用RGB,而直接采用原始的彩色Bayer格式,這樣在無損圖像壓縮模塊中能得到更好的壓縮比[5~6],以降低通信帶寬和無線收發器的總發射能量。
(4)膠囊內只有壓縮和無線調制兩個模塊,盡可能的少模塊以實現減小膠囊內電路的面積和功耗的目的;
2無線傳輸部分
膠丸式內窺鏡無線傳輸部分包括信道編碼、無線收發器、射頻功放和天線等。作為一個通信系統,它有三個主要的特點:
(1)特短距離通信,通信距離zui遠為幾十個厘米;
(2)通信信道的衰減非常大,因為人體組織對無線電波(特別是UHF 以上波段的電磁波)有很大的吸收與反射作用;
(3)通信主要是從體內到體外的大量的圖像數據傳輸,體外到體內則是根據臨床需要發送幾個字節的控制命令。
3能量供給部分
對于無線藥丸式內窺鏡系統,能量供給包括電池和能源管理電路,它是整個體內部分硬件電路zui關鍵的部分之一,因為體內部分的能源供給是保證實現全消化道檢查的必要條件。所以低功耗設計可以延長電池壽命。
4.無線接收與數據傳輸部分
體外的便攜式無線接收和數據傳輸裝置的功能主要是把天線接收陣列接收的內窺圖像數據分成兩路,一路送給膠囊定位模塊獲得膠囊的定位信息,另一路送入相連接的無線接收器,然后把定位信息和圖像一起存入便攜式存儲體上或轉發給計算機控制與處理裝置。主要涉及的關鍵技術為:
(1)基于無線電定位技術,通過天線接收陣列接收信號的角度與強度來定位膠囊在人體內的位置;
(2)天線陣列的設計技術;
(3)低功耗電路設計技術;
(4)具有高靈敏度的低功耗高速FSK解調的無線接收機的ASIC設計技術等。
5.計算機控制與處理部分
計算機控制與處理裝置主要包括無線發送卡、計算機、高清晰度監視器以及相關的處理軟件。
數字化微型無線內窺鏡技術發展與應用
2004年的歐洲技術報告中指出,運動與姿態控制功能的實現是需要首先解決的問題,包括運動控制和定位問題,吞服式內窺鏡zui初每秒鐘只能拍攝2張照片,經過改進后,拍攝速度已提高到每秒14張。雖然我國吞服式內窺鏡研制工作雖然剛開始不久,但已取得顯著的進展。中國科技大學和清華大學等在內的科研院所均在開發研制各自的吞服式內窺鏡產品,而且有些已在研產品的技術性能與國外同類產品相比毫不遜色。上海交通大學研制了一種用于腸道檢查的內窺鏡微型機器人,基于尺蠖運動原理,驅動器為一種基于電磁力的微小型蠕動驅動器,由頭部、尾部、驅動單元、彈性模等組成,長64mm,外徑7mm,重9.8g,通過調整驅動電壓的頻率來調節其運行速度,初步估算,國產吞服式內窺鏡的售價約在每粒1000元,大大低于西方同類產品的售價。
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