1、1消化道无线内窥镜摄像胶囊的设计【摘 要】本文首先回顾了消化道无线内窥镜的研究进展。然后对无线内窥镜系统的各个模块进行了介绍。尤其详细介绍了无线内窥镜胶囊样机的图像采集模块，图像信号的无线传输模块，核心控制模块。 【关键词】消化道无线内窥镜胶囊；微处理器；图像传感器 由于无线内窥镜系统与传统内窥镜系统相比，其重要特点是“无创” ，因此具有广泛的临床使用价值。从 20 世纪 80 年代开始，有多个国家都投入了资金进行无线内窥镜的研究，走在世界前列的有以色列的 Giving Image 公司和日本的 RF 实验室。国内在该领域的研究比较有代表的是上海交通大学的主动引导式内窥镜，北京 301 医院的
2、无线内窥镜，重庆大学的无线内窥镜方面的前期研究。 一、消化道无线内窥镜系统组成 消化道无线内窥镜系统大致由以下三部分组成：其中摄像胶囊是无线内窥镜的核心。 由于篇幅的限制，下面仅就消化道无线内窥镜摄像胶囊的结构和其内部各模块的设计作一简介： 二、消化道无线内窥镜摄像胶囊的设计 消化道无线内窥镜摄像胶囊的结构图如下： 本设计中，根据各自功能将无线内窥镜胶囊分为三个功能模块，即由图像采集模块、图像信号的无线传输模块以及核心控制模块组成。2（1）图像采集模块。本设计中的图像采集模块由图像传感器、光学镜头及照明系统三部分组成，下面分别介绍各部分的设计。一是图像传感器。图像传感器的选择起着至关重要的作用
3、。这是因为在设计方案中，采用了纽扣电池体内供电的方式，图像传感器的功耗在无线内窥镜胶囊的整体功耗中占相当大的比例。合适的图像传感器的选择有利于降低功耗，延长纽扣电池的使用时间，实现设计目标。综合考虑各种因素，图像传感器 OV7930N 基本满足设计要求，但需要进行一定的技术加工，才能满足无线内窥镜摄像胶囊的技术要求。二是光学镜头及照明系统的设计。绝大多数的无线内窥镜胶囊的光学系统都是考虑非球面设计。本设计考虑到非球面设计难度过大，并且摄像胶囊内部的空间非常有限，光学系统采用球面镜才能放置在胶囊内部。故本设计的光学系统仅采用球面镜设计，其视场角大约为 60左右。本设计的照明电路采用在光学透镜的四
4、周分布了四个发光二极管，照明电路的工作电压为 5V，每个发光二极管与一个电阻串联，从而使整个照明电路的工作电流大约为 5mA。 （2）图像信号的无线传输模块。图像信号的无线传输在消化道无线内窥镜摄像胶囊的设计中占有非常重要的地位。图像的无线传输可以克服引线在体内牵引造成的痛苦和不便，同时，内窥镜的运动灵活性也大大增加。本设计中主要考虑模拟视频信号的调幅发射。是因为模拟射频发射电路可以做得很小，其元器件的功耗和尺寸都可以根据需要来进行控制。国外的研究资料表明，消化道内的无线发射源在 450MHz900MHz 的范围内能够高效的反射至体外接收。在此范围之外，接收效果将会严重削弱。且在 600MHz
5、1000MHz 时，发射距离最远。所以，经综合考虑，本设计中3的调幅电路频点设定在 465MHz。 （3）核心控制模块。由于图像传感器功耗过大，拟采取的方案是胶囊内镜每半分钟工作 2 秒钟，其余时间停止工作。也就是胶囊内镜每半分钟采集 2 秒钟的图像。设计方案如图 3。 整个核心控制模块的控制是通过升压芯片和微处理器来实现的。在本设计方案中，升压芯片既当作电子开关，又被当作升压稳压装置。微处理器用来产生周期信号，而产生的脉冲周期信号的周期为 30 秒，方波脉宽为 2 秒。通过对微处理器进行编程，可以在它的输出端输出周期信号，软件流程如下： 按照上述软件流程，在微处理器的输出端就输出了周期为 3
6、0 秒，脉宽为 2 秒的方波周期信号。于此同时，升压芯片输出端打开，为胶囊内部的图像传感器模块、照明模块和发射模块等提供电能；当微处理器的输出端为低电平时，升压芯片输出端关闭，上述模块停止工作，由于有了核心控制模块，使得无线内窥镜摄像胶囊整个电路的功耗极低。相关实验证明，采用两节高能量钮扣电池，利用升压芯片和微处理器组成的核心控制模块，控制摄像胶囊内部电路每半分钟工作两秒钟，胶囊工作的时间可以长达 4 个小时以上，完全可以满足肠道检查需要。 三、结论与展望 原理样机的实验结果表明，本设计的消化道无线内窥镜摄像胶囊基本能够对图像进行清晰的实时采集。这表明，本设计所提出的无线内窥镜摄像胶囊技术方案
7、是完全可行的。通过进一步优化，相信可以在此基础上研制出具有临床使用价值的消化道无线内窥镜摄像胶囊。 参 考 文 献 41李延斌.医用内窥镜的发展和应用J.山东医科大学学报（社会科学版）.1994（4）：1820 2http：/ Imaging Ltd 3http：/.RF SYSTEM lab 4彭承琳，皮喜田，郑小林.消化道微创诊疗系统的最新进展J.中国医疗器械杂志.2005（2）：7983 5尤政，李涛.CMOS 图像传感器在空间技术中的应用J.光学技术.2002（28）：3135 6OV7930 Color CMOS Analog Camera Chip.http：/ 7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）：615617 8张思杰，郑小林等.基于电池的无线内窥镜中微型能量管理单元的研制J.仪器仪表学报.2006（12）：15771590 9张思杰，彭承琳等.基于 MEMS 技术的胃肠道无线内窥镜的研究J.仪器仪表学报.2005（7）：681683 10张思杰.基于 MEMS 的消化道无线内窥镜的研究M.重庆大学.2005 项目基金：本文受重庆市教育委员会科学技术研究项目资助（KJ090517） 。
