醫(yī)用超細內(nèi)窺鏡系統(tǒng)研究

徐 忠 劉洪英* 皮喜田,2 余 巧 練 陽 趙亞雄

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

醫(yī)用超細內(nèi)窺鏡系統(tǒng)研究

徐 忠1劉洪英1*皮喜田1,2余 巧1練 陽1趙亞雄1

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

設(shè)計了一種醫(yī)用超細內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。采用微型、高分辨率的CMOS圖像傳感器配合低壓差分信號(LVDS)傳輸技術(shù)進行前端攝像探頭的設(shè)計，使攝像探頭直徑縮減至5.0 mm，并實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的長距離高保真?zhèn)鬏敚徊捎没赟3C2440微處理器的ARM開發(fā)平臺對圖像數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)了內(nèi)窺鏡圖像的清晰顯示。以口腔為模擬測試對象對系統(tǒng)攝像功能進行了測試，并與傳統(tǒng)內(nèi)鏡進行了對比，證明該系統(tǒng)能夠完成內(nèi)窺鏡攝像，且所成圖像分辨率高。以口腔潰瘍模擬粘膜病變對系統(tǒng)進行測試，證明該系統(tǒng)能有效發(fā)現(xiàn)粘膜病變，病變檢出率高達90.0%。本系統(tǒng)成像清晰，且鏡體直徑小，能大大提高病人內(nèi)鏡檢查的舒適性，為消化道疾病普查初篩提供了一種理想的解決方案。

CMOS圖像傳感器；內(nèi)窺鏡；LVDS技術(shù)；微型化

引言

在醫(yī)學(xué)診斷和治療領(lǐng)域，人體器官和組織健康狀況的可視化是醫(yī)學(xué)工作者長期以來所追求的目標(biāo)。醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡就是為實現(xiàn)這一目標(biāo)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(xué)者的努力，內(nèi)窺鏡技術(shù)已經(jīng)取得長足的發(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[2-3]。但是另一方面，內(nèi)鏡檢查需要通過人體自然腔道將內(nèi)鏡導(dǎo)入到人體內(nèi)，而目前內(nèi)窺鏡探頭及鏡體直徑通常在8.0～12.0 mm[4]，這使得內(nèi)鏡檢查對病人來說往往比較痛苦。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[5-6]。

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[7]。但是這些進口內(nèi)鏡采用專用的CCD圖像傳感器作為攝像探頭，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高分辨微型攝像探頭也進行了探索。IVP項目中的一個團隊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[8]。Covi等設(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)，但是該模組的尺寸為5.0 mm×8.2 mm×7.0 mm[9]。Wang等采用1/18 in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[10]。

鑒于此，本課題設(shè)計了一種基于CMOS圖像傳感器的高分辨率超細內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，該內(nèi)鏡系統(tǒng)攝像探頭采用微型CMOS圖像傳感器作為感光芯片，探頭直徑僅為5.0 mm。采用低壓差分信號(low voltage differential signaling,LVDS)技術(shù)進行圖像傳輸，配備基于嵌入式ARM的圖像處理工作站，分辨率高，成像清晰，價額便宜，適于普查及推廣應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本課題設(shè)計的超細內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要包括光學(xué)成像模塊、圖像傳輸模塊、圖像處理模塊以及圖像顯示控制模塊。

圖1 超細內(nèi)窺鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the ultrathin endoscope system

外置冷光源經(jīng)過光纖導(dǎo)光至體內(nèi)照射臟器粘膜表面，攝像探頭前端的微型光學(xué)鏡頭聚集粘膜反射的光并投射到CMOS圖像傳感器的感光面，經(jīng)過微控制器配置好的CMOS傳感器獲得圖像數(shù)據(jù)后，經(jīng)過LVDS編碼芯片編碼成串行總線低壓差分信號數(shù)據(jù)流，編碼后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)雙絞線傳至圖像處理模塊，圖像處理模塊首先對經(jīng)過LVDS編碼的低壓差分信號進行解碼，恢復(fù)成八位并行圖像信號、同步信號和時鐘信號，并輸入基于嵌入式ARM的圖像處理系統(tǒng)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，顯示清晰穩(wěn)定的內(nèi)窺鏡圖像。

1.1攝像探頭

高分辨率、超細攝像探頭的設(shè)計是本課題的設(shè)計重點。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[11]。本課題設(shè)計的攝像探頭是采用格科威(GALAXYCORE)公司生產(chǎn)CMOS圖像傳感芯片GC0309為核心進行設(shè)計的，該款芯片的封裝尺寸僅為2.4 mm×2.7 mm，分辨率達到30萬像素。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靈活的自帶圖像處理功能，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及2.8和3.3 V直流電源驅(qū)動成像信號輸出。圖2所示為攝像探頭的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 微型攝像探頭結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of the miniature camera probe

本課題基于文獻[12]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)計采用六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6.0 mm，視場角達到120°。

整個攝像探頭裝配示意圖如圖3所示。攝像探頭包括兩個印刷電路板基板，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。為了減少攝像探頭的端面尺寸，兩塊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(xué)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。該攝像探頭中，CMOS傳感器芯片封裝尺寸為2.4 mm×2.7 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，攝像探頭直徑達到5.0 mm，滿足超細內(nèi)鏡微型探頭的設(shè)計要求。探頭從PCB2上引出電線總電纜，包括LVDS差分信號對、電源線、SCCB控制信號對。

圖3 攝像探頭裝配示意圖Fig.3 Assemblage schematic diagram of the miniature camera probe

1.2圖像傳輸

由于CMOS圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)為八位并行信號，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，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?。所采用的傳輸方式是如圖4所示的點對點的LVDS拓撲結(jié)構(gòu)。

圖4 點對點LVDS拓撲結(jié)構(gòu)Fig.4 Point-to-point LVDS topology

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(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[13-14]。

本系統(tǒng)設(shè)計的CMOS圖像傳感器輸出信號為30 fps、分辨率為648像素×488像素的八位并行數(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。安裝在攝像頭端的LVDS編碼芯片以像素時鐘信號PCLK為輸入時鐘，將CMOS傳感器輸出的八位數(shù)字信號和同步信號首先轉(zhuǎn)化編碼成串行總線低壓差分信號，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。

本系統(tǒng)的LVDS編解碼芯片采用Maxim公司生產(chǎn)的十位編碼器MAX9205，能完成本系統(tǒng)的圖像編碼，而且其封裝尺寸為3.0 mm×3.0 mm，能集成在微型攝像探頭前端。LVDS解碼芯片為MAX9206，解碼電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 LVDS解碼結(jié)構(gòu)圖Fig.5 LVDS decoding structure chart

解碼電路包括LVDS解碼芯片、晶振、微控制器以及電源。晶振輸出24 MHz時鐘信號，作為LVDS解碼器工作的時鐘信號，該信號與攝像探頭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以及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。由于攝像探頭前端CMOS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兩個低壓差線性穩(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)化成2.8和3.3 V的固定輸出。

1.3圖像處理

圖像處理模塊是整個內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)的控制中心。圖像處理模塊的主要工作有：采集攝像模塊以LVDS形式傳輸過來的串行圖像數(shù)據(jù)并進行解碼恢復(fù)成八位并行數(shù)字圖像數(shù)據(jù)和同步信號、時鐘信號；將解碼后的信號輸入到ARM的CCD/CMOS圖像傳感器接口，進行圖像處理，包括圖像去噪、去高光、畸變矯正、消除運動模糊和圖像增強等；將處理后的視頻信號經(jīng)過編碼芯片編碼成VGA信號輸出到顯示器進行顯示。

本系統(tǒng)采用以S3C2440微處理器為核心的ARM92440開發(fā)平臺完成圖像處理。S3C2440是基于ARM920T內(nèi)核、0.13 μm的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲單元開發(fā)的，采用16/32 bit精簡指令(RISC)，其性能穩(wěn)定、集成度高、外圍資源豐富[15]，滿足本課題設(shè)計的內(nèi)窺鏡圖像處理功能設(shè)計要求，并且可以在此平臺上進一步對圖像處理模塊的功能進行完善，進一步提高圖像顯示質(zhì)量。

系統(tǒng)采用ADI公司產(chǎn)的ADV7123芯片實現(xiàn)數(shù)字視頻信號的編碼。該編碼芯片具有三路十位D/A轉(zhuǎn)換器，能同時轉(zhuǎn)換三路RGB信號。輸入端輸入ARM平臺處理完的八位(連接時忽略編碼芯片低兩位)RGB數(shù)字視頻流信號，輸出端輸出三路RGB模擬視頻信號，結(jié)合兩路同步信號，共同構(gòu)成符合VGA接口標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號，由VGA接口輸出到顯示器顯示。

2 系統(tǒng)測試

基于本課題設(shè)計，對攝像模塊進行了制作，實現(xiàn)了攝像獲取圖像數(shù)據(jù)功能，并基于ARM開發(fā)平臺實現(xiàn)了圖像處理顯示。完成功能性原理樣機制作后，對本系統(tǒng)原理樣機的攝像功能進行了測試。本系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)。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，再用本系統(tǒng)對30例患者進行檢測，將檢測結(jié)果進行對比，從而評估本系統(tǒng)的功能。本系統(tǒng)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

表2 測試結(jié)果對照

3 結(jié)果

經(jīng)過測試，本系統(tǒng)設(shè)計的超細內(nèi)窺鏡系統(tǒng)病灶檢出率高達90.0%，見表2。與GVE-2100相比，有兩例對象未被檢出，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。在以后的設(shè)計中，將會進一步優(yōu)化光源的設(shè)計，進一步提高檢出率?？梢钥闯觯鞠到y(tǒng)檢出率高，與傳統(tǒng)胃鏡病變檢查結(jié)果基本相符，且所成圖像分辨率高，組織結(jié)構(gòu)層次分明，能很好識別粘膜病變，檢測準(zhǔn)確度較高，基本符合內(nèi)窺鏡普查檢測的要求。

4 討論與結(jié)論

目前，市面上的電子胃鏡直徑基本在9.0～13.0 mm之間，病人檢查時往往伴隨著惡心、嘔吐等不良反應(yīng)，而這也進一步導(dǎo)致病人不愿再做內(nèi)鏡檢查，甚至把內(nèi)鏡檢查當(dāng)作是一件痛苦的事。雖然日本Olympus、日本Fujinon等公司已經(jīng)研發(fā)并生產(chǎn)系列超細電子內(nèi)鏡，但是其技術(shù)壟斷導(dǎo)致其價額昂貴，一套攝像系統(tǒng)配備圖像工作站售價超百萬，一次檢查費用上千元，所以一般只有好的醫(yī)院才能配備這類設(shè)備，不便于推廣。

基于此設(shè)計的醫(yī)用超細內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，采用微型、高分辨率的CMOS傳感器進行前端攝像探頭的設(shè)計，使攝像探頭直徑在5.0mm以內(nèi)，實現(xiàn)了的微型化；采用LVDS信號傳輸技術(shù)，保證了信號遠距離傳輸?shù)耐暾?；采用基于S3C2440微處理器的ARM開發(fā)平臺進行后續(xù)的圖像處理，實現(xiàn)圖像的清晰顯示，并且通過初步實驗，測試了系統(tǒng)攝像成像功能，為系統(tǒng)下一步集成微型化及產(chǎn)品化奠定了良好的基礎(chǔ)。本課題設(shè)計的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其微小的內(nèi)窺鏡插入直徑能有效提高病人檢查時的安全性和耐受性，而且與目前國內(nèi)普通胃鏡系統(tǒng)售價20萬元以上相比，本系統(tǒng)研制成功預(yù)計售價在4萬元左右，能大大降低成本，檢查費用低，便于基層醫(yī)院腸道疾病檢測普查的推廣應(yīng)用。另外，本設(shè)計前端探頭擬采用一體式封裝，從而能夠采用簡單的化學(xué)消毒劑浸泡的方式進行徹底消毒，進而杜絕病人間的交叉感染。

經(jīng)過系統(tǒng)測試，該系統(tǒng)能夠完成內(nèi)窺鏡攝像, 且所成圖像分辨率高，能有效檢出并發(fā)現(xiàn)病灶。與常規(guī)內(nèi)鏡相比，本課題設(shè)計的超細內(nèi)窺鏡系統(tǒng)鏡體直徑縮小了一半，能大大增加內(nèi)鏡檢查時病人的耐受性，且分辨率較高，成本較低，是一種經(jīng)濟實用利于基層推廣的內(nèi)鏡系統(tǒng)，可以作為消化道疾病普查初篩的基本手段。

[1] 李兆申, 王偉. 消化內(nèi)鏡診療現(xiàn)狀及趨勢 [J]. 第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報, 2009,31(16): 1519-1521.

[2] 劉寶華. 經(jīng)肛門內(nèi)窺鏡微創(chuàng)手術(shù)在直腸腫瘤切除術(shù)中的應(yīng)用 [J]. 消化外科, 2006,5(5): 373-376.

[3] 陳曉冬, 郁道銀, 宋玲玲, 等. 醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的研制 [J]. 儀器儀表學(xué)報, 2005,26(10): 1047-1051.

[4] Aydinli M, Koruk I. Ultrathin endoscopy for gastrointestinal strictures [J]. Digestive Endoscopy, 2012,24(3): 150-153.

[5] 張曉峰, 李選. 腸系膜靜脈血栓的介入治療 [J]. 中國介入影像與治療學(xué), 2007,4(2): 118-122.

[6] Xue Xiurong, Sun Yunchuan, Nie Shuhui,etal. To study the value of ultrasonography in diagnosis of acute mesenteric venous thrombosis(MVT) [J]. Chinese Journal of Interventional Imaging and Therapy, 2007,4(6):470-472.

[7] Rodriguez SA，Banerjee S, Desilets D,etal. Ultrathin endoscopes [J]. Gastrointestinal Endoscopy, 2010,71(6): 893-898.

[8] Christine H, Klaus MI. High-Dynamic-Range(HDR)vision. Springer Series in Advanced Microelectronics,Vol 2b [M].Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2007:137-139.

[9] Covi D, Cavallotti C, Vatteroni M,etal. Miniaturized digital camera system for disposable endoscopic applications [J]. Procedia Chemistry, 2009,1(1): 1223-1226.

[10] Wang Liqiang, Shi Yan, Lu Zukang,etal. Miniaturized CMOS imaging module with real-time DSP technology for endoscope and laryngoscope applications [J]. Journal of Signal Processing Systems, 2009,54(1-3): 7-13.

[11] Liu Xinming, Liu Wen, Liu Zhaohui. Design of a large area array CMOS APS camera system [J]. Acta Photonica Sinica, 2009,38(12): 3235-3239.

[12] Ye Bin, Wang Liqiang, Shi Yan,etal. High resolution miniaturized CMOS camera module for medical electronic endscope [J]. Acta Photonica Sinica, 2010,39(11): 1951-1955.

[13] National Semiconductor. LVDS owner’s manual including high-speed CML and signal conditioning [EB/OL]. http://www.docin.com/p-672953690.html, 2008-03-01/2013-10-29.

[14] 陳偉, 宋燕星. 基于LVDS技術(shù)的高速數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng) [J]. 電子測量技術(shù), 2008,31(11):172-174.

[15] Samsung. S3C2440A 32-Bit CMOS microcontroller use’s manual revision 1 [EB/OL]. http://wenku.baidu.com/view/ d9cfcbd1240c844769eaeea8.html, 2004-04/2013-11-02.

StudyofMedicalUltrathinEndoscopeSystem

XU Zhong1LIU Hong-Ying1*PI Xi-Tian1,2YU Qiao1LIAN Yang1ZHAO Ya-Xiong1

1(KeyLaboratoryofBiorheologicalScienceandTechnologyofMinistryofEducation,BioengineeringCollege,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)2(KeyLaboratoriesforNationalDefenseScienceandTechnologyofInnovativeMicro-NanoDevicesandSystemTechnology,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)

CMOS image sensor； endoscope；LVDS technology；miniature

10.3969/j.issn.0258-8021. 2014. 01.016

2013-11-10，錄用日期：2013-12-09

國家自然科學(xué)基金(81101172)；國家科技支撐計劃項目(2011BAI08B00)

R318.08

D

0258-8021(2014) 01-0107-05

*通信作者。E-mail: liu_hongying@163.com