无线胶囊内窥镜系统设计 第2页
1 绪 论
1.1 选题的目的
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来减轻患者诊疗痛苦。
医疗上有很多诊疗方法，如内窥镜，冠心病介入式治疗等，需要将导丝或导管插入人体内以辅助治疗或进行诊断。这种治疗方法在治疗师不仅可能给患者带来较大痛苦，而且需要较长时间的康复期。无线技术的应用则有可能将让以往那些可怕的导丝导管消失，大大减轻了患者的痛苦。
1.2 内窥镜发展的历史
内窥镜的发展经历了旧式内窥镜、纤文内窥镜、电子内窥镜三个时期。内窥镜的发展的技术根源，最早要追溯到欧洲文艺复兴时期。直管式内窥镜为原始的旧式内窥镜。1795年德国Bozzini将一根金属管沿纵向一隔为二，以烛光做光源，一半管腔进光，一半管腔用于观察，首次观察到人体直肠及子宫内腔。1826年德国Segale制成膀肤镜。1843年Arery制成喉镜和食道镜。1881年Mikulicz制成了硬直管式胃镜。旧式内窥镜照明多采用烛光及煤油灯，直到1876年，Nitze首先在膀胧镜及胃镜上用电热白金丝作光源，缺点为局部热量较大，需灌水冷却。所以内窥镜的发展离不开光源的进展。1880年美国爱迪生发明了采用碳作灯丝的电灯，1902年Totle将小电珠应用于内窥镜，才基本解决了内窥镜的照明问题。1898年，Lang便将小型照相机安装在窥镜端部摄下黑白照片。1939年，Hening等首次成功地拍摄了胃内彩照。1950年，日本UJI设计了第一代胃内照相机GT一I型。由于光亮度限制，摄影及观察都较幽暗。由于纤文光学和冷光源的发展，使内窥镜产生了一个重大飞跃。基于本世纪初光纤技术的发展，英国Logie Baid和美国Hausell首先用它来传导光线。50年代，荷兰Van一Hell解决了纤文丝间的光绝缘，Hopkin研究了纤文导光丝的排列问题，使纤文光学有了实用价值。1957年Hirsehowitz制成第一台纤镜，60年代日本池田茂人研制成可曲式纤支镜，开创了纤镜新时代。1963年冷光源问世.，圆满解决了内窥镜的照明问题。各种硬性内窥镜(如膀胧镜膀胧电切镜、输尿管肾镜)迅速发展，特别是德国的硬性内窥镜质量属世界一流。内窥镜因与电视、电影和外接照相技术相结合而日趋完善。与超声技术相结合，产生了超声内窥镜，大大提高了诊断符合率。1984年，美国Welch Ally公司率先研制成了世界上第一台电子内窥镜，开创了医用内窥镜的新纪元。随着全息照相技术的发展，使得光纤全息内窥镜问世。与激光技术结合，又研制出了激光内窥镜。内窥镜技术发展至今，已有十几种类别。主要可以分为纤文性和硬性两种，包括食道镜、胃镜、十二指肠镜、小肠镜、直肠镜、乙状结肠镜、胆道镜、支气管镜、腹腔镜、宫腔镜、膀胱镜、电切镜、肾镜、关节镜、血管镜等。
国内对内窥微机电系统也进行了研究,例如，2004年6月,由重庆金山科技(集团)有限公司研制的“OMOM”胶囊内镜通过了国家“863”专家组的验收。在65例临床试验中,医生通过拍摄到的图片对病情做出准确判断，其中52例检出了消化道常见的疾病，证明胶囊内镜具有巨大的临床应用价值和广阔的市场前景。但是目前的内窥微机电系统还存在着无法定位工作和同步输出等问题。
1.3 本课题的研究现状
人们对内窥微机电系统进行过不少研究,较成功的应用研究是由以色列Given公司制造的M2A型胶囊式内镜,由内置短焦镜头、发白光二极管和CMOS集成电路、电池、发射器和天线等构成。该研究成果在2000年的《自然》和《胃肠道内镜》杂志上发表之后,这种装置就很快被用到临床的胃肠道检测中。近年日本的无线系统实验室(RFSystem Lab. )推出用于医疗检测的“NORIKA3”系列胶囊式内窥镜系统,采用CCD摄像机,所需电力由外界传送,其运动可由体外控制。
据美国《大众科学》杂志报道，日本长野市的RF系统实验室研制出世界最小的人体内窥镜――Sayaka胶囊内窥镜本月在美国进行临床测试。Sayaka内窥镜就会一边随着消化管的自然蠕动边旋转边拍照，再将所有肠内壁的高清视频图像无线传送出来，医生通过检查此视频图像来诊断患者肠道是否有肿瘤或其它问题。
本论文在于设计一种无线胶囊内窥镜诊断系统的原理与结构。该系统主要采用OV7660图像传感芯片、NRF24LE1射频发射芯片相结合的架构,成功实现了将体内胶囊内窥镜传输出的图像数据实时接收存储的功能。集中探讨了人体胶囊式无线内窥镜系统设计中的结构设计,给出了体内控制的无线磁控装置设计。
1.4 无线胶囊内窥镜研究的意义
对于消化道疾病的检查往往会采用内窥镜，然而传统的有线内窥镜系统带有引导插管，不仅会给病人带来较大痛苦，而且系统操作很不方便且检查部位有限。传统内窥镜使用插入导管的方式,存在着诸多弊端，例如操作困难；属于有创检测，给病人带来很大的肉体痛苦;诊察范围有限，仅限于诊断上消化道及大肠的病变，而对小肠疾病的诊断存在很大的盲区等。鉴于此，近10年来，随着电子技术的发展，无线技术开始应用于内窥镜。世界各国有不少科研机构在从事人体消化道无创检测设备的研究开发工作，而本文所提到的无线胶囊内窥镜系统就是其中有代表性的设备之一。
其中以以色列的M2A胶囊型内窥镜最具代表。该胶囊型内窥镜尺寸为11×24mm，重量不足4g，由微型照像机、LED（作为相机的闪光灯）、天线以及两节微型氧化银电池构成。M2A可以以每秒两幅照片速度进行拍摄，通常检查过程需要8-12小时，也就是说，整个检查过程需要拍摄约60000幅照片。这些照片通过胶囊内部的天线发射至外部接受装置记录。之后，医生通过软件可将这些照片制成约20分钟的视频，并由此分析出异常。
内窥镜在微创手术中有非常重要的应用。而无线内窥镜作为内窥镜的一种,相对于传统内窥镜更是有无创检测、检查全面和诊断方便的性能优势。内窥镜的广泛应用，促进了管腔医学的发展。内窥镜既可以诊断疾病，也可以治疗疾病。内窥镜的临床诊断具有直观、准确、快速、经济的优点。特别是配合超声内窥镜、激光内窥镜及钳取活检，大大提高了对疾病的确诊率。
虽然起步时间较短，此类设备在技术上尚有很多难题需要解决，以内窥镜为例，如何让其停留在某一指定位置进行拍摄、图像分辨率、功耗、价格等，都是需要解决的问题。但不管怎样，此类设备的前景是非常光明的。巨大的市场需求驱使厂商不断推出性能更高且价格更低的产品，相信未来疾病的诊断与治疗不再是令人痛苦经历。
1.5 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题
由于传感器技术的发展,数字图像传感器瞬时产生的海量数据为实时通信系统的存储容量、传输带宽和功耗提出了挑战。在医疗、遥感图像通信等对恢复图像质量要求高的领域内,为保证接收端图像无失真,通常采用无损图像压缩。因而在这些系统中对低功耗、具有良好压缩性能及实时处理能力的无损图像编码器的需求变得日益迫切。与众多现有的无损压缩算法相比较, JPEG-LS作为ITU/ISO推出的静态图像无损压缩标准,具有优良的压缩性能,而且低存储量要求和相对较低的复杂度使其更适合于硬件实现。
为了实现数据的实时处理和低功耗应用,本课题的研究目标是开发基于低功耗，微型的消化道无线内窥镜原理样机架构，主要技术要求如下：无线电摄像药丸：体积：φ11mm×24mm，（样机可适当作大）工作时间：8小时；对完成样机架构所需的器材最优化选型；如体内图像传感器，MCU核心控制器，电源以及电源管理模块，无线发射电路，照明电路，发射天线等的组合调试等。体外便携式接收装置的的设计，图像数据接收，解码，存储等。旨在图像解码，调制和传输的ASIC设计、电源及电源管理技术、无线内窥镜视野调控技术及体内微功耗，微型化等方面取得突破。
1.6 图像信号的无线传输主要技术难点
图像信号的无线传输在消化道无线内窥镜系统的研究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。图像无线传输的关键是图像传输的质量、图像发射电路的尺寸和功耗。影响图像传输质量的因素较多，传输方式、工作环境、光照强弱、传输距离、电磁场干扰等，都会对传输图像的质量造成影响。消化道无线内窥镜系统工作在人体的消化道中，由于空间位置狭小，它的图像发射电路应当尽可能的小，应由最少的元件构成。同时图像发射电路采用纽扣电池供电，内窥镜胶囊要工作很长的时间，因此图像信号发射电路应当是微功耗的。
图像信号的短距离无线射频传输可以用模拟射频和数字射频两种方式来实现，这主要是由摄像头的输出是模拟信号还是数字信号来决定。模拟RF传输方式的优点是没有数据率要求，不过一般情况下，模拟射频传输方式的图像质量没有数字射频传输方式高。数字图像传输时，抗外界干扰力更强，同时数字信号更易于计算机进行处理。模拟视频信号，可以通过调幅、调频的方式无线发送出去。采用模拟射频发送方式的优点是发射电路可以做得很小，尺寸、功耗都可以根据需要来进行控制。本课题中主要考虑数字视频信号的无线发射。图像传感器输出的是数字图像信号,则需要搭配数字射频芯片发射数字信号。数字芯片优点是传送信号抗干扰能力强,误码率低。
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