一種基于CCD成像的便攜式內(nèi)窺鏡顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈偈，龔純貴

上海東方肝膽外科醫(yī)院 儀器設(shè)備科，上海 200438

引言

傳統(tǒng)臨床使用中的光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡，一般由醫(yī)生直接通過物理目鏡或?qū)⑵浣又翑?shù)字圖像處理器后在監(jiān)視器上觀察病灶或進(jìn)行診療操作。直接觀察目鏡的方式在使用上不夠方便，醫(yī)生的眼睛需要對(duì)準(zhǔn)目鏡才能看到圖像，另外也不便于多位醫(yī)生同時(shí)會(huì)診；直連外部圖像處理器的方式由于設(shè)備體積較大，當(dāng)設(shè)備需要外借，或遇到需要遠(yuǎn)距離的移動(dòng)時(shí)就不夠方便[1]。

本文設(shè)計(jì)的便攜式內(nèi)窺鏡顯示系統(tǒng)彌補(bǔ)了以上不足，簡易替代了圖像處理器和監(jiān)視器，通過內(nèi)置高清CCD 攝像機(jī)的成像機(jī)構(gòu)，直接與內(nèi)窺鏡目鏡對(duì)接，然后在TFT 液晶顯示屏上顯示目鏡中呈現(xiàn)的影像[2]。本系統(tǒng)與目鏡連接的接口能夠匹配市場上大多數(shù)光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡的目鏡。便攜式內(nèi)窺鏡顯示系統(tǒng)能便于使用者操作，可隨身攜帶。采用三晶片CCD 成像[3]，成像質(zhì)量高，清晰度好。配套光源采用大功率LED 燈[4]，亮度高，自然光色度。通過無線視頻信號(hào)傳輸[5]，成像機(jī)構(gòu)和顯示機(jī)構(gòu)各自獨(dú)立，使用操作過程中不受影響。

本系統(tǒng)可以配合內(nèi)窺鏡進(jìn)行麻醉及搶救時(shí)的導(dǎo)入氣管插管，吸痰，觀察病變部位并取活檢作病理檢查，夾取異物，電凝止血，切除息肉等[6]。它是鑒于傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡和電子內(nèi)窺鏡之間衍生出的輔助設(shè)備，電子內(nèi)窺鏡的售價(jià)要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡，采用本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡的數(shù)字化升級(jí)，作為電子內(nèi)窺鏡的一種替代方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

內(nèi)窺鏡目鏡的影像，經(jīng)攝像機(jī)鏡頭聚焦到CCD 芯片上，CCD 根據(jù)光的強(qiáng)弱聚集相應(yīng)電荷，并周期性放電，產(chǎn)生代表畫面的視頻信號(hào)，通過無線視頻發(fā)射模塊傳輸?shù)浇邮漳K，然后視頻信號(hào)經(jīng)過液晶屏驅(qū)動(dòng)電路作濾波放大等處理，把圖像還原到TFT 液晶屏[7]。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由三部分組成：成像機(jī)構(gòu)、顯示機(jī)構(gòu)和光源機(jī)構(gòu)。

該套系統(tǒng)由成像機(jī)構(gòu)連接內(nèi)窺鏡目鏡采集圖像，光源機(jī)構(gòu)連接內(nèi)窺鏡導(dǎo)光接口提供照明，顯示機(jī)構(gòu)接收從成像機(jī)構(gòu)發(fā)來的2.4 GHz 無線視頻信號(hào)，當(dāng)視頻信號(hào)遇到干擾導(dǎo)致顯示圖像不清晰時(shí)，可切換成有線電纜連接成像機(jī)構(gòu)與顯示機(jī)構(gòu)。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 元器件選型和設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要元器件有CCD 攝像機(jī)、TFT 液晶顯示屏及其驅(qū)動(dòng)電路板、聚合物鋰離子電池[8]、無線發(fā)射和接收模組、大功率LED 和主控制電路板。

1.3.1 CCD攝像機(jī)

攝像機(jī)內(nèi)部由三晶片CCD 采集圖像，不使用濾色片，將光信號(hào)通過分光棱鏡得到紅綠藍(lán)三色光，其中紅光和藍(lán)光分別經(jīng)過兩次反射，三色光分別由三塊相同的CCD 采集，這種采集方式屬于完全采集，無損接收[9]。無論在清晰度還是色彩還原度上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單晶片成像系統(tǒng)[10]。三晶片CCD 成像原理圖如圖2 所示。

圖2 三晶片CCD成像原理圖

每片CCD 選用1/3 英寸的單色CCD，其尺寸小，適用于便攜式設(shè)備。攝像機(jī)控制電路采用高清DSP 信號(hào)處理芯片，對(duì)接三片單色CCD，通過三原色疊加計(jì)算，還原出彩色圖像。

1.3.2 TFT液晶屏及其驅(qū)動(dòng)電路板

該元器件的主要功能是接收視頻信號(hào)，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)碼和放大，最終轉(zhuǎn)換成圖像，顯示在液晶屏上。驅(qū)動(dòng)板提供DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換模塊，對(duì)主控制電路板提供的12 V 直流電壓進(jìn)行降壓。液晶屏及其驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 液晶屏及其驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)選用5.6 英寸帶LCD 背光的TFT 液晶屏，屏幕尺寸適用于便攜式設(shè)備。驅(qū)動(dòng)電路板信號(hào)輸出接口支持VGA 輸出和HDMI 高清輸出，最高分辨率達(dá)1920×1080。板卡采用嵌入式系統(tǒng)，使用標(biāo)準(zhǔn)的H264 編碼圖像壓縮算法[11]，可以支持圖像拍照和視頻存儲(chǔ)。

1.3.3 聚合物鋰離子電池

電池類型為二次聚合物鋰離子電池，電芯尺寸4.4 mm×50.0 mm×61.0 mm，標(biāo)稱電壓7.4 V，標(biāo)準(zhǔn)放電電流0.2 C5A，放電截至電壓5.5 V。電池雙層折邊工藝，側(cè)邊絕緣（圖4）。電池外加保護(hù)板和引線插頭，可直接連接主控制電路板接口插座。

圖4 鋰聚合物電芯雙層折邊示意圖

1.3.4 無線視頻發(fā)射和接收模塊

無線視頻發(fā)射模塊采用TX6729，發(fā)射頻段為2.4 GHz，四通道可調(diào)，由主控制電路板提供5 V 直流電壓進(jìn)行工作。無線視頻接收模塊采用RX2988，接收頻段與發(fā)射模塊相對(duì)應(yīng)，工作電壓與發(fā)射模塊相同。

1.3.5 大功率LED

大功率高亮冷光LED 的主要功能是給內(nèi)窺鏡操作提供照明，因?yàn)閮?nèi)窺鏡本身是不帶光源的，當(dāng)進(jìn)入到人體后，沒有光源是無法看到圖像的，通過安裝在內(nèi)窺鏡導(dǎo)光接口上的光源機(jī)構(gòu)就能為內(nèi)窺鏡的操作提供必要的照明條件。LED（Light Emitting Diode，發(fā)光二極管）是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，本系統(tǒng)采用的大功率LED 是能夠滿足醫(yī)用光源要求的冷光源[12]。由于大功率LED 在工作的過程中會(huì)散發(fā)大量的熱，需把LED 焊接在鋁基板上，鋁基板導(dǎo)熱部分使用導(dǎo)熱硅脂黏附在散熱片上[13]。LED驅(qū)動(dòng)電路主要器件是LM2596S開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，它能夠穩(wěn)定輸出3 A 的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，選用固定3.3 V 的輸出電壓。LED 驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示。

圖5 LED驅(qū)動(dòng)電路

1.3.6 主控制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控制電路板分別位于成像機(jī)構(gòu)和顯示機(jī)構(gòu)，其功能相似，除印制板形狀和軟件部分略有不同之外，硬件方面大體相同。

主控芯片采用STC12C5201AD 單片機(jī)。GLED、RLED采用頻率占比指示電量，綠色為電量充足，紅色為電量低，紅綠混合出的橙色強(qiáng)弱表示電量不同等級(jí)，PowerLED 為開機(jī)指示燈。WirelessEn 是給無線模塊供電的使能端，高電平啟動(dòng)供電，低電平停止供電。SWDet 表示開機(jī)按鈕延時(shí)檢測(cè)，防止誤觸開關(guān)導(dǎo)致的開機(jī)。PowerDet 用于檢測(cè)系統(tǒng)是否已通電。CableDet 用于檢測(cè)成像機(jī)構(gòu)和顯示機(jī)構(gòu)之間是否有電纜連接。BTEn于控制鋰電池是否為電路板供電，12VEn 用于控制攝像機(jī)或液晶屏驅(qū)動(dòng)板供電。主控制模塊如圖6 所示。

圖6 主控制模塊

電源管理芯片采用FDS4935，主要功能是電源保護(hù)，降壓和開關(guān)控制。BT 端連接鋰電池正極，承載7 V 標(biāo)稱電壓，當(dāng)S1 按鈕按下后，SWDet 由低電平轉(zhuǎn)為高電平，延時(shí)保持后，主控芯片將BTEn 輸出高電平，三極管Q1 觸發(fā)，使得FDS4935 的G1 和G2 引腳變成低電平后，D1、D2 端輸出供電電壓。同理，也用這種方式為無線發(fā)射和接收模塊供電。電源管理模塊如圖7 所示。

圖7 電源管理模塊

升壓芯片采用CS5171 提供5 V 到12 V 的升壓功能，穩(wěn)定提供大電流輸出。當(dāng)VCC 端有電壓供電時(shí)，12 VEn高電平輸入S 端，將VCC 電壓升壓到12 V。FB 端為正向電壓調(diào)節(jié)反饋端，參考值為1.276 V。升壓模塊如圖8 所示。

圖8 升壓模塊

1.3.7 其他器件

視頻連接電纜，用于成像機(jī)構(gòu)與顯示機(jī)構(gòu)間的有線連接，在操作條件受限或無線信號(hào)干擾嚴(yán)重的情況下使用[14]。

無線接收天線，是安裝在顯示機(jī)構(gòu)頂部暗埋孔內(nèi)的部件，它是可拆卸的，在正常使用的過程中，一般不需要安裝，其目的僅用于加強(qiáng)無線視頻信號(hào)的接收能力[15]。

電源充電器，是專供鋰電池充電的器件，成像機(jī)構(gòu)和顯示機(jī)構(gòu)都內(nèi)置有可充電鋰電池，當(dāng)電量指示燈提示需要充電時(shí)，可使用充電器分別為其充電[16]。

2 軟件設(shè)計(jì)

本軟件功能主要用于便攜式內(nèi)窺鏡顯示系統(tǒng)啟動(dòng)與停止，電源指示燈和電量指示燈的顯示，電纜連接檢測(cè)等。用于內(nèi)窺鏡顯示的輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)獨(dú)立于內(nèi)窺鏡，不存在干涉，當(dāng)系統(tǒng)存在故障可直接棄用，并不影響內(nèi)窺鏡的常規(guī)使用，因此本系統(tǒng)的安全性級(jí)別為A 級(jí)，不可能對(duì)健康有傷害和損壞。

2.1 結(jié)構(gòu)功能

軟件部分主要包括系統(tǒng)開關(guān)延時(shí)檢測(cè)、電纜檢測(cè)、電壓檢測(cè)和電源管理四個(gè)部分。

2.2 需求分析與設(shè)計(jì)

確定軟件要達(dá)到的功能目的，核心是電源控制，能夠檢測(cè)內(nèi)部電源的電壓值，同時(shí)輸出給不同模塊的相應(yīng)電壓值。開關(guān)機(jī)具有延時(shí)防誤操作檢測(cè)功能，有線和無線方式的切換供電控制等。

延時(shí)檢測(cè)的功能包含開機(jī)和關(guān)機(jī)的延時(shí)，防止用戶誤操作導(dǎo)致非正常開關(guān)機(jī)。電纜檢測(cè)的功能主要用于監(jiān)測(cè)顯示和成像機(jī)構(gòu)之間是否是有線連接，如果是通過電纜連接的話，則無線收發(fā)模塊將斷開供電。電壓檢測(cè)的功能主要是監(jiān)測(cè)內(nèi)部電源的輸出是否能持續(xù)供應(yīng)設(shè)備的正常工作，如果電源欠壓會(huì)通過電量指示燈進(jìn)行提醒。電源管理的主要功能是為不同模塊供電，包括無線模塊、成像模塊、顯示模塊和光源模塊。軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖9 所示。

圖9 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果

3.1 連接使用

3.1.1 視頻傳輸

測(cè)試方法：測(cè)試時(shí)放置一張寫有“A”字，大小為10號(hào)字體的白紙置于設(shè)備攝像機(jī)鏡頭前端50 cm 處，攝像機(jī)與顯示屏相距1.5 m 后，打開設(shè)備，調(diào)節(jié)攝像機(jī)調(diào)焦輪至顯示屏上清晰可見該“A”字并連續(xù)保持10 min。

3.1.2 目鏡接口

測(cè)試方法：攝像機(jī)與內(nèi)窺鏡目鏡相連接后，緊固螺栓擰緊，手握內(nèi)窺鏡把手，輕微晃動(dòng)，攝像機(jī)應(yīng)良好的與內(nèi)窺鏡固定在一起。

3.2 視頻解析度

測(cè)試方法：攝像機(jī)放置在距測(cè)量電視線的清晰度卡50 cm處，打開設(shè)備，調(diào)節(jié)攝像機(jī)調(diào)焦輪至圖像清晰。視頻解析度可達(dá)到700 TV Lines。

3.3 圖像失真度

測(cè)試方法：在標(biāo)準(zhǔn)光源箱中的D65 光源測(cè)試環(huán)境下，攝像機(jī)拍攝畸變圖卡并輸出圖像至通用軟件Imatest SPL-QC 中測(cè)試數(shù)值，其結(jié)果畸變≤1%。

3.4 色彩還原度

測(cè)試方法：在標(biāo)準(zhǔn)光源箱中的D65 光源測(cè)試環(huán)境下，攝像機(jī)拍攝色彩測(cè)試卡并輸出圖像至通用軟件Imatest SPLQC 中測(cè)試數(shù)值，色彩還原誤差＜20。

3.5 信噪比

測(cè)試方法：在標(biāo)準(zhǔn)光源箱中的D65 光源測(cè)試環(huán)境下，攝像機(jī)拍攝信噪比卡并輸出圖像至通用軟件Imatest SPLQC 中測(cè)試數(shù)值，信噪比≥42 dB。

3.6 調(diào)焦距離

測(cè)試方法：攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)清晰度卡，調(diào)節(jié)調(diào)焦輪，在規(guī)定的焦距范圍內(nèi)可清晰成像，調(diào)焦距離40～60 cm。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)作為光纖內(nèi)窺鏡輔助設(shè)備，可以滿足臨床使用的技術(shù)要求。目前該產(chǎn)品已經(jīng)獲得醫(yī)療器械注冊(cè)證，并已投入到臨床使用中。產(chǎn)品實(shí)物圖如圖10 所示。

與此同時(shí)，在與內(nèi)窺鏡等外接設(shè)備配套使用中不存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，所有在使用過程中可能對(duì)使用者或患者產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的情況僅限于外接設(shè)備本身。當(dāng)外接設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)按外接設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)管理程序控制，本產(chǎn)品的具體性能和參數(shù)不會(huì)因?yàn)橥饨釉O(shè)備的故障而失效，產(chǎn)品的安全性得到有效保障。臨床使用中至今沒有出現(xiàn)任何一例不良事件，臨床使用效果圖如圖11 所示。

圖10 產(chǎn)品實(shí)物圖

圖11 臨床使用效果圖

便攜式內(nèi)窺鏡顯示系統(tǒng)利用高分辨率CCD 鏡頭將光學(xué)目鏡采集到的圖像實(shí)時(shí)輸出，通過無線信號(hào)傳輸?shù)礁咔逦@示屏，改變了通過目鏡觀察操作區(qū)域的方式，降低了光學(xué)內(nèi)窺鏡的使用難度，改變了使用者工作模式，解放了操作者雙眼，適用于光學(xué)內(nèi)窺鏡的數(shù)字化升級(jí)，簡化了目前攝像系統(tǒng)繁重設(shè)備，從而降低了高昂成本。全球人口老齡化、人們生活水平提高和偏遠(yuǎn)地區(qū)對(duì)醫(yī)療服務(wù)需求增加等因素正促使傳統(tǒng)醫(yī)療方式的變革，移動(dòng)性和便攜性逐步成為影響醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。