醫(yī)用內(nèi)窺鏡微型攝像模組設(shè)計*

徐 忠，劉洪英,2，余 巧，孫良偉，趙亞雄，賈子如

(1.重慶大學 生物工程學院 生物流變科學與技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400030；2.重慶大學 新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點學科實驗室，重慶 400030)

醫(yī)用內(nèi)窺鏡微型攝像模組設(shè)計*

徐 忠1，劉洪英1,2，余 巧1，孫良偉1，趙亞雄1，賈子如1

(1.重慶大學 生物工程學院 生物流變科學與技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400030；2.重慶大學 新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點學科實驗室，重慶 400030)

設(shè)計了一種新型醫(yī)用內(nèi)窺鏡微型攝像模組。該模組采用微型、高分辨率的CMOS圖像傳感器結(jié)合低壓差分信號(LVDS)傳輸技術(shù)進行設(shè)計，使攝像模組直徑縮減至5.0 mm，并實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的長距離高保真?zhèn)鬏?。搭建了實驗平臺對攝像模組的攝像功能進行了測試。結(jié)果表明：該模組圖像傳輸距離超過2 m，分辨率達到30萬像素，對口腔潰瘍模擬粘膜病變的識別率高達90 %。其圖像分辨率高，傳輸距離長，使其適用于內(nèi)鏡診斷；其直徑小，能大大提高病人內(nèi)鏡檢查的舒適性，為超細內(nèi)鏡診斷提供了一種極佳的解決方案。

CMOS攝像模組；內(nèi)窺鏡；低壓差分信號技術(shù)；微型化

0 引 言

在醫(yī)學診斷和治療領(lǐng)域，人體組織臟器健康狀況的可視化是醫(yī)學工作者一直以來所追求的目標。醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡就是為實現(xiàn)這一目標而發(fā)展起來的現(xiàn)代化診斷設(shè)備，經(jīng)過眾多專家與學者的努力，內(nèi)窺鏡技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展[1]。通過內(nèi)窺鏡，醫(yī)生可以非常直觀地觀察到人體內(nèi)臟器官的組織形態(tài)、體內(nèi)病變情況，發(fā)現(xiàn)病灶并對疾病進行診斷[2]。但另一方面，內(nèi)鏡檢查需要將內(nèi)鏡通過人體自然腔道導(dǎo)入到體內(nèi)，而目前內(nèi)窺鏡探頭和鏡體直徑通常為9.0～13.0 mm[3]，這使得內(nèi)鏡檢查的病人往往比較痛苦。

為了提高內(nèi)鏡檢查的安全性和舒適性(耐受性)，內(nèi)鏡成像的窄口徑、微尺寸就顯得尤為重要[4]。

隨著微電子技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)展出了幾種微型攝像設(shè)備，在分辨率和尺寸之間做到了比較好的權(quán)衡，比較典型的是日本Olympus、日本Fujinon和日本Pentax研發(fā)生產(chǎn)的系列超細電子內(nèi)鏡[5]。但是這些進口內(nèi)鏡均采用專用的CCD圖像傳感器作為感光元件，技術(shù)不流通，不利于推廣，而且配備圖像工作站之后系統(tǒng)價額昂貴，檢查費用高。國內(nèi)外研究者們也從其他途徑對微型攝像探頭進行了探索。IVP項目中的一個團隊[6]研制出了一種視頻探頭，其直徑達到3.5 mm。所用圖像傳感器尺寸僅為1.7 mm×1.3 mm，但是分辨率僅有36 000像素。Covi D等人[7]設(shè)計了一種一次性CMOS攝像模組，用于電子內(nèi)窺鏡和微創(chuàng)手術(shù)，其圖像分辨率為VGA分辨率(640像素×480像素)，但該模組的尺寸為5.0 mm×8.2 mm×7.0 mm。Wang Liqiang等人采用1/18 in(1 in=2.54 cm)的CMOS圖像傳感器，設(shè)計了一種用于內(nèi)窺鏡的圖像獲取模組，但是其圖像分辨率也僅僅為320像素×240像素[8]。

由上可以看出，雖然CMOS圖像傳感器已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)用內(nèi)窺鏡，但是其分辨率都很低，僅有幾萬像素，而目前幾乎所有的高清內(nèi)鏡均是采用CCD圖像傳感器。導(dǎo)致這種情況的發(fā)生主要是有2方面的原因:其一是高分辨CMOS攝像模組的尺寸太大，不能整合到內(nèi)窺鏡前端;其二是CMOS攝像模組圖像傳輸距離一般在30 cm以內(nèi)，但電子內(nèi)窺鏡的工作長度一般超過1 m，這也導(dǎo)致CMOS攝像模組應(yīng)用于高清內(nèi)鏡受到限制。

本文設(shè)計了一種基于CMOS圖像傳感器的新型高分辨率微型攝像模組，該模組可適用于超細內(nèi)窺鏡。該攝像模組采用微型高分辨率CMOS圖像傳感器作為感光芯片，模組直徑僅為5.0 mm。采用低壓差分信號(low voltage differential signal，LVDS)技術(shù)進行圖像傳輸，使其工作距離達到了2 m,并搭建了實驗平臺對其攝像功能進行了評估測試。

1 攝像模組設(shè)計

與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有集成度高、低功耗、低成本和微型化等優(yōu)點[9]。本文所設(shè)計的攝像模組是基于Omnivision公司生產(chǎn)的OV7690傳感器。該傳感器芯片的封裝尺寸僅為2.4 mm×2.9 mm，分辨率達到30萬像素，其實物圖如圖1所示。串行相機控制總線(serial camera control bus ，SCCB)配置傳感器輸出信號模式及其自帶的圖像處理功能，包括曝光控制、伽瑪校正、色彩飽和度調(diào)整、壞點檢測以及缺陷像素消除等。該模組需要時鐘信號和2.8，3.3 V直流電源驅(qū)動成像信號輸出。以上這些特性使得它成為小尺寸、低成本、高像素內(nèi)窺鏡的一種極佳的解決方案。

圖1 OV7690實物圖Fig 1 Physical map of OV7690

本文基于Ye Bin等人[10]設(shè)計的微型鏡頭，設(shè)計了一種超小鏡頭用于聚焦從粘膜表面反射的光并投射到CMOS傳感器上。小尺寸、小畸變、高視角是內(nèi)鏡成像的基本要求，本設(shè)計采用6片透鏡組裝在一起用以達到上述性能要求。該微型鏡頭直徑4.0 mm，長度4.0 mm，視場角達到120°。

由于CMOS圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)為8位并行信號，非失真?zhèn)鬏斁嚯x在30 cm以內(nèi)，不能滿足內(nèi)窺鏡檢查的需求。為了將傳輸距離增加至2 m，本設(shè)計采用LVDS信號傳輸技術(shù)，保證圖像數(shù)據(jù)流遠距離傳輸?shù)耐暾?。本設(shè)計所采用的傳輸方式為如圖2所示的點對點的LVDS拓撲結(jié)構(gòu)。

圖2 點對點LVDS拓撲結(jié)構(gòu)Fig 2 Point-to-point LVDS topology structure

LVDS驅(qū)動器包含一個3.5 mA的電流源，由于接收器輸入阻抗很高，在定值終端電阻器(100 Ω)兩端產(chǎn)生350 mV的壓降。改變電流的方向就能在接收器端產(chǎn)生幅度相同但極性相反的電流，這樣就使電流邏輯和為零。相應(yīng)的接收器閾值為接收器和驅(qū)動器之間的共模轉(zhuǎn)換提供了極好的噪聲容限和耐受性[11]。

CMOS圖像傳感器輸出信號為30 fps、分辨率為648像素×488像素的8位并行數(shù)字視頻信號，輸出同時還包括同步信號VSYNC，HSYNC以及像素時鐘信號PCLK。LVDS編碼芯片以像素時鐘信號PCLK為輸入時鐘，將CMOS傳感器輸出的8位數(shù)字信號和同步信號首先轉(zhuǎn)換編碼成串行總線LVDS，經(jīng)電纜傳至解碼芯片，LVDS解碼芯片再將差分信號恢復(fù)成并行信號，這樣使得信號長距離傳輸時具有良好的抗干擾性并保持信號的完整性。采用雙絞線傳輸差分信號可以進一步降低噪聲的干擾。

攝像模組結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，包括2個印刷電路板基板，CMOS圖像傳感器的底板直接焊接在PCB電路板1(PCB1)的正面，PCB1背面焊接晶振芯片，晶振芯片輸出24 MHz時鐘信號以滿足CMOS傳感器的時鐘需求。在另一電路板(PCB2)上則焊接LVDS編碼芯片。為了減少攝像模組的端面尺寸，2塊PCB板垂直成“T”字型焊接。微型鏡頭座直接粘合在圖像傳感器的非光學成像部分，微型鏡頭和鏡頭座之間通過螺紋安裝定位，可實現(xiàn)鏡頭的調(diào)焦功能。該攝像模組中，CMOS傳感器芯片封裝尺寸為2.4 mm×2.9 mm，晶振芯片尺寸為2.5 mm×2.0 mm，LVDS編碼芯片尺寸為3.0 mm×3.0 mm，鏡頭直徑4.0 mm。經(jīng)過設(shè)計組裝，攝像模組直徑達到5.0 mm。模組從PCB2上引出電線總電纜，包括LVDS對、電源線、SCCB控制信號對。圖4為攝像模組的原型實物圖。

圖3 微型攝像模組結(jié)構(gòu)框圖Fig 3 Structure block diagram of miniaturized camera module

圖4 攝像模組實物圖Fig 4 Physical map of camera module

2 實驗與結(jié)果

用于本設(shè)計攝像模組的攝像功能評估的測試平臺結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示。該實驗平臺包括1個接收器、1個圖像處理中心和1臺顯示器。LVDS解碼器先將攝像模組輸出的LVDS進行解碼，恢復(fù)成8位并行圖像信號，然后將原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像處理中心進行處理，最后通過視頻編碼器進行視頻編碼并輸出至顯示器顯示。晶振輸出24 MHz時鐘信號，作為LVDS解碼器工作的時鐘信號，該信號與攝像模組所需時鐘信號是一致的。微控制器通過SCCB設(shè)置CMOS圖像傳感器的相應(yīng)寄存器，用以配置圖像輸出模式和傳感器自帶的圖像處理功能，包括曝光控制、伽瑪校正、色彩飽和度調(diào)整以及缺陷像素消除等。由于攝像模組需要2.8 V單電源電壓供電，而其他組件則需要3.3 V供電，所以，解碼電路還包含2個低壓差線性穩(wěn)壓器的電源模塊，能夠?qū)?～10 V之間的任何電壓輸入分別轉(zhuǎn)換成2.8，3.3 V的固定輸出。

圖5 測試平臺結(jié)構(gòu)原理圖Fig 5 Principle diagram of test platform structure

該實驗測試將口腔作為模擬臟器進行測試，以LED燈模擬冷光源進行照明，選擇了30例患有口腔潰瘍的患者作為測試對象，以醫(yī)生根據(jù)顯示屏圖像檢測出口腔粘膜病變充血或糜爛作為檢測并發(fā)現(xiàn)病灶的標準。首先利用上海成運公司生產(chǎn)的GVE—2100型普通電子胃鏡對30例對象進行檢測，再用本攝像模組測試平臺對30例患者進行檢測，將檢測結(jié)果進行對比，從而評估該攝像模組的攝像功能。本攝像模組與GVE—2100主要性能參數(shù)對比見表1，測試結(jié)果對照見表2。

表1 主要參數(shù)對比Tab 1 Comparison of main parameters

表2 測試結(jié)果對照Tab 2 Comparison of test results

經(jīng)過測試，該攝像模組對口腔潰瘍模擬粘膜病變的識別率高達90.0 %，見表2。與GVE—2100相比，有2例對象未被檢出，這可能是由于測試時采用光源模擬照明導(dǎo)致“病變”呈現(xiàn)與正常組織相同的形態(tài)而未被檢出?？梢钥闯?本攝像模組所成圖像分辨率高，組織結(jié)構(gòu)層次分明，能很好識別粘膜病變，基本符合內(nèi)窺鏡普查檢測的要求。而且,該攝像模組與常規(guī)內(nèi)鏡相比直徑小，將其整合于內(nèi)窺鏡前端進行內(nèi)鏡檢查將會大大提高病人檢查時的舒適性。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計的新型CMOS攝像模組具有微型化、高分辨率等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的遠距離高保真?zhèn)鬏?。該攝像模組是為超細、高清內(nèi)窺鏡而設(shè)計的，能在保證圖像清晰度的同時提高病人內(nèi)鏡檢查時的舒適性。實驗結(jié)果表明：該模組圖像傳輸距離大于2 m，分辨率達30×104像素，對口腔潰病模擬粘膜病變識別率達90 %。另外,該模組還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域，諸如工業(yè)檢測、安全監(jiān)控等。

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Design of miniaturized camera module for medical endoscope*

XU Zhong1，LIU Hong-ying1,2，YU Qiao1，SUN Liang-wei1，ZHAO Ya-xiong1，JIA Zi-ru1

(1.Key Laboratory of Biorheological Science and Technology，Ministry of Education,College of Bioengineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China；2.Key Laboratories for National Defense Science and Technology of Innovative Micro-Nano Devices and System Technology,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

A new type of miniature camera module for medical endoscope is designed.The module is designed combines miniaturization,high-resolution CMOS image sensor with low voltage differential signal(LVDS) transmission technology,which makes diameter of the camera module reduced to 5.0 mm,and image datas can be transmitted over long distances without distortion.A test platform is built up to test camera function of the camera module.Experimental results indicate that resolution of module reaches to 300 thousand pixels,image transmission distance is over 2 m,and identification rate of mucosal lesions of oral ulcer is up to 90 %.The image resolution is high and transmission distance is long，which enable camera module suitable for video endoscope;the small diameter can greatly improve comfort of patient and provide an excellent solution for ultrafine endoscope diagnosis.

CMOS camera module；endoscope；low voltage differential signal(LVDS)technology；miniaturization

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0091—03

2014—03—05

國家自然科學基金資助項目(81101172)

R 318.08

A

1000—9787(2014)10—0091—03

徐 忠(1988-)，男，四川巴中人，碩士研究生，主要研究方向為生物醫(yī)學微系統(tǒng)。