便攜超細(xì)電子支氣管鏡的設(shè)計

上海歐太醫(yī)療器械有限公司 開發(fā)部，上海 200233

引言

支氣管鏡是肺部疾病檢查和治療的常規(guī)醫(yī)療設(shè)備[1]，也是肺部疾病微創(chuàng)治療的常規(guī)醫(yī)療設(shè)備，有重要的應(yīng)用價值。支氣管鏡經(jīng)歷了從硬質(zhì)支氣管鏡、纖維支氣管鏡到電子支氣管鏡的發(fā)展階段[2-4]，每一步都具有劃時代的意義。1987年以后，日本OLYMPUS公司、德國Wolf公司等相繼推出了自己的電子支氣管鏡。電子支氣管鏡使醫(yī)生可不用看目鏡，直接看屏幕，更加方便；圖像更加清晰，成為支氣管檢查的主流鏡種。

目前常規(guī)電子支氣管鏡外徑為4.5～6.2 mm，一般只能達(dá)到4～6級支氣管腔，很難達(dá)到更細(xì)的支氣管腔。而超細(xì)電子支氣管鏡外徑為1.8～3.6 mm，可以達(dá)到8～11級支氣管腔，能夠為更遠(yuǎn)的支氣管進(jìn)行檢查及治療，減輕患者檢查時的痛苦[5-8]。而且細(xì)支氣管腔在肺部占比較大，因此超細(xì)電子支氣管鏡的研究和應(yīng)用意義重大，市場前景也很廣闊。

近幾年日本OLYMPUS公司的BF-XP290超細(xì)電子支氣管鏡的外徑為3.1 mm（包括1.2 mm的工作通道），但它是臺式設(shè)備，不是便攜設(shè)備，不方便移動。現(xiàn)在市場上的便攜纖維支氣管鏡由于受最大像素（3 mm直徑最高只有3萬像素，1 mm直徑最高只有1萬像素）限制，圖像不清晰。

針對以上問題本公司設(shè)計了便攜超細(xì)電子支氣管鏡，采用微型、低功耗的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）技術(shù)的圖像傳感器[9-13]，并采用微型發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）和超細(xì)光纖技術(shù)[14]。該設(shè)備外徑可以小至1.2 mm（只有診斷功能）～2.8 mm（有1.2 mm工作通道，除診斷功能外還具有治療功能），并且圖像清晰，圖像分辨率可達(dá)到16萬像素或更高，較便攜纖維支氣管鏡有更高的分辨率。且方便移動，因此較臺式超細(xì)電子支氣管鏡更靈活，適合于床邊診療、緊急醫(yī)療事故、電源受限、移動診斷、外出診斷等。

1 方法

本方法提供了一種更適合病人的生理結(jié)構(gòu)、無發(fā)熱問題且便攜的超細(xì)電子支氣管鏡，具體如下。

1.1 總體設(shè)計

如圖1所示，本系統(tǒng)由便攜主機（包括鏡體、顯示主機）及大屏部件兩部分組成。

鏡體包括操作部、插入部（插入部包括彎曲部）、頭端部，鏡體內(nèi)部安裝有攝像部件和照明部件，見圖2。在使用過程中，鏡體通過接口模組與顯示主機緊密連接，在鏡體進(jìn)行清洗和消毒時，鏡體與顯示主機分開。

圖1 整機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鏡體側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖

攝像部件包括微型鏡頭、微型圖像傳感器及超細(xì)的專用屏蔽線，微型圖像傳感器采用目前國際上最細(xì)小、功耗最低的器件。其中，由微型鏡頭及微型圖像傳感器相連接，組成攝像模組，該攝像模組放置于頭端部，用于采集體內(nèi)圖像信號傳送到圖像采集和處理板。微型圖像傳感器功耗不超過25 mW，其工作時產(chǎn)生的熱量可通過頭端部自然散掉、不會引起溫度升高，因此可以長期工作，克服了其他圖像傳感器功耗大、散熱難而只能間斷工作的弊端。

照明部件包括光源模組及光纖，攝像部件和光纖從鏡體內(nèi)部穿過并列固定于頭端部，光源模組集成在操作部里面，通過微型、高功率LED產(chǎn)生光源，再經(jīng)過光纖為攝像模組提供冷光，而且光強足夠大以滿足攝像模組采集圖像的要求。

大屏部件包括大顯示屏、托架及支架，大顯示屏設(shè)于支架上，托架設(shè)于支架上，托架用于放置便攜主機。大顯示屏包括了大屏控制和驅(qū)動板及無線接收板，大顯示屏的尺寸大于顯示主機中顯示屏的尺寸，大屏控制和驅(qū)動板分別與大屏及無線接收板相連接，且大屏控制和驅(qū)動板還與一電源相連接。

接口模組通過六根彈針實現(xiàn)緊密電路連接，通過卡扣實現(xiàn)緊密結(jié)構(gòu)連接，其中，接口模組包括與顯示主機連接的上接口、與鏡體連接的下接口。上接口含6針插頭，下接口含6針插座，都采用鍍金插針、防水材料。

顯示主機采用二維轉(zhuǎn)軸技術(shù)可以上下旋轉(zhuǎn)90°、左右旋轉(zhuǎn)270°，以便醫(yī)生觀察。

鏡體的插入部是軟性的，可以自由彎曲。并且插入部包含的彎曲部可以上彎曲至少180°、下彎曲至少130°，特別符合小支氣管的生理結(jié)構(gòu)，很少引起病人不適或意外損傷。

1.2 電路設(shè)計

如圖3所示，顯示主機包括接口模組、主控制板、圖像采集和處理板、光源驅(qū)動板、顯示屏、顯示屏驅(qū)動和存儲板、無線發(fā)射板及鋰電池，并安裝在顯示主機外殼里面。

圖3 電路原理示意圖

圖像采集和處理板通過接口模組對專用屏蔽線傳來的微弱圖像信號進(jìn)行阻抗匹配、采集、AD轉(zhuǎn)換、快速處理，然后傳送給主控制板。主控制板對圖像信號進(jìn)行快速處理和分發(fā)并傳送到顯示主機中的顯示屏和無線發(fā)射板，且主控制板對光源驅(qū)動板、鋰電池進(jìn)行管理和控制。無線發(fā)射板采用Wi-Fi無線技術(shù)與Pad大屏部件中的無線接收板通信連接，在大顯示屏上可同時顯示圖像，方便醫(yī)生觀察，也方便教學(xué)。

為了采集微型圖像傳感器的微弱模擬信號，采用了超細(xì)的專用屏蔽線，圖像采集和處理板使用匹配電路、快速數(shù)字信號處理芯片（Digital Signal Processing，DSP）和現(xiàn)場可編程門陣列芯片（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），并且采用先進(jìn)圖像處理算法，使圖像更加清晰。鋰電池是充電電池，為便攜主機供電，且便攜主機中的器件采用低耗能器件，實現(xiàn)設(shè)備的便攜化。便攜主機可獨立使用、隨身攜帶、外出診斷。主控制板包括控制模塊、光源驅(qū)動板（包括亮度控制模塊）、充電模塊、按鍵模塊；控制模塊包括微控制電路。主控制板包含的按鍵模塊包括開關(guān)按鍵、拍錄按鍵、菜單按鍵、瀏覽按鍵。在顯示主機中，顯示部件包括顯示屏與顯示屏驅(qū)動和存儲板，通過顯示屏驅(qū)動和存儲板可以對顯示屏的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以保存感興趣圖像，也可以錄像，并有USB接口把保存的圖像數(shù)據(jù)拷貝到計算機硬盤中。主控制板電路連接圖如圖4所示，硬件實物手板圖如圖5所示。

圖4 主控制板電路連接圖

圖5 硬件實物手板圖

1.3 頭端部設(shè)計

1.3.1 帶工作通道的頭端部設(shè)計

帶工作通道的頭端部結(jié)構(gòu)如圖6所示，頭端部包括攝像模組、工作通道、二根光纖。為了增加光亮度，每根光纖的直徑不小于0.4 mm；并且對稱位于攝像模組的兩側(cè)，以便提供均勻的光源。圓形工作通道可用于治療。

帶工作通道的頭端部設(shè)計如下：① 攝像模組采用邊長0.6 mm微型圖像傳感器和鏡頭、1.2 mm工作通道、二根0.4 mm光纖，可組成外徑2 mm、圖像分辨率高達(dá)4萬像素的內(nèi)鏡；② 攝像模組采用邊長0.6 mm微型圖像傳感器和鏡頭、2.2 mm工作通道、二根0.4 mm光纖，可組成外徑3 mm、圖像分辨率高達(dá)4萬像素的內(nèi)鏡；③ 攝像模組采用邊長1.1 mm微型圖像傳感器和鏡頭、1.2 mm工作通道、二根0.4 mm光纖，可組成外徑2.8 mm、圖像分辨率高達(dá)16萬像素的內(nèi)鏡；④ 攝像模組采用邊長1.1 mm微型圖像傳感器和鏡頭、2.2 mm工作通道、二根0.4 mm光纖，可組成外徑3.6 mm、圖像分辨率高達(dá)16萬像素的內(nèi)鏡。

圖6 帶工作通道的頭端部結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 不帶工作通道的頭端部結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.2 不帶工作通道的頭端部設(shè)計

不帶工作通道的頭端部結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，頭端部包括攝像模組及四根光纖。為了增加光亮度，每根光纖的直徑不小于0.15 mm，并且對稱位于攝像模組的四側(cè)，以便提供均勻的光源。

不帶工作通道的頭端部設(shè)計如下：① 攝像模組采用邊長0.6 mm微型圖像傳感器和鏡頭、四根0.15 mm光纖，可組成無工作通道、外徑1.2 mm、圖像分辨率高達(dá)4萬像素的內(nèi)鏡；② 攝像模組采用邊長1.1 mm微型圖像傳感器和鏡頭、四根0.25 mm光纖，可組成無工作通道、外徑1.8 mm、圖像分辨率高達(dá)16萬像素的內(nèi)鏡。

1.4 光源模組設(shè)計

光源模組包括LED、燈支架、鋁基板、散熱板、LED反光座、光纖、光纖套管，見圖8。LED采用直徑小于2 mm、高功率、光通量達(dá)到300 Lm的微型發(fā)光二極管。對應(yīng)光纖直徑小于1 mm，光纖外面包有光纖套管，其外徑大小與LED反光座配套以便光纖處于LED的中間位置，以保證光強最大。

LED燈芯片固定于燈支架上，燈支架通過鋁基板使用導(dǎo)熱硅膠固定于鋁材散熱板上，這樣很好解決了高功率微型LED的散熱問題。該光源模組處于如圖1所示的操作部處，只在該處稍微發(fā)熱，不影響任何操作。

1.5 專用屏蔽線設(shè)計

如圖9所示，超細(xì)專用屏蔽線結(jié)構(gòu)示意圖包括導(dǎo)線、地線、絕緣層、絕緣套、內(nèi)屏蔽層及外屏蔽層，為直徑只有0.6 mm的超細(xì)屏蔽線。

圖8 光源模組結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 超細(xì)專用屏蔽線結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)屏蔽層和外屏蔽層首先絞合在一起，然后地線與內(nèi)屏蔽層、外屏蔽層也絞合在一起，這樣只要把專用屏蔽線中的地線一根線焊到電路地線即可很好屏蔽外界干擾信號，這對于弱模擬信號傳送至關(guān)重要。

導(dǎo)線在加工時要位于導(dǎo)線屏蔽層的中心，以減少不對稱造成的電容阻抗，從而減少信號損耗。超細(xì)的專用屏蔽線一端連接攝像模組，另外一端連接接口模組，這樣把圖像信號通過接口模組傳送到圖像采集和處理板，見圖3。

2 結(jié)果

便攜超細(xì)電子支氣管鏡為病人提供更方便的診斷和治療手段，適合于醫(yī)生移動診治等場合。本文提供了4種帶工作通道的設(shè)計，外徑2～3.6 mm，不僅具有診斷功能，還有治療功能，有代表性的是2.8 mm帶1.2 mm通道的內(nèi)鏡；本文還提供了2種不帶工作通道的設(shè)計，外徑從1.2 mm至1.8 mm，不具有治療功能，但外徑更細(xì)，有代表性的是1.2 mm內(nèi)鏡。圖像分辨率可以達(dá)到16萬像素或更高，比便攜纖維支氣管鏡有高得多的分辨率。本設(shè)計的實際應(yīng)用圖，見圖10～12。

圖10 實際采集到的圖像

圖11 實際采集到的模擬支氣管圖像

圖12 外徑2.8 mm（帶1.2 mm通道）頭端部的實現(xiàn)圖

3 討論

本研究的創(chuàng)新點：① 本設(shè)備包括外徑僅為1.2 mm、不帶工作通道的超細(xì)支氣管鏡及外徑為2.8 mm、帶1.2 mm工作通道、分辨率不小于16萬像素的超細(xì)支氣管鏡；② 超細(xì)攝像模組由功耗極低、不超過25 mW的器件構(gòu)成，再結(jié)合超細(xì)光纖冷光源導(dǎo)光技術(shù)，所產(chǎn)生的熱量通過頭端部自然散失、不會引起管鏡溫度升高，可長期連續(xù)工作，克服了現(xiàn)有支氣管鏡功耗大、散熱難而只能間斷工作的弊端；③ 采用充電鋰電池為便攜主機供電，并采用低耗能器件，實現(xiàn)設(shè)備的便攜化；便攜主機由顯示主機和鏡體構(gòu)成，可獨立使用；④ 具有存儲功能[15]，可對需要的圖像進(jìn)行拍照和錄像。主機通過無線模式把圖像信號發(fā)送到大屏，實現(xiàn)雙屏顯示，方便醫(yī)生觀察，也方便教學(xué)；⑤ 目前超細(xì)電子支氣管鏡直徑在3.1 mm以上，一般是臺式的，比較笨重，不方便移動，且不能實現(xiàn)無線發(fā)射的功能。而我們的設(shè)計正好彌補了這方面的缺陷，因此具有很好的臨床意義和市場推廣價值。

但本設(shè)計也有需要改進(jìn)的地方：① 超細(xì)電子支氣管鏡的生產(chǎn)工藝一般較難，因此要不斷改進(jìn)工藝設(shè)計才能實現(xiàn)設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化；② 由于采用超小型圖像傳感器，外界干擾影響圖像質(zhì)量，因此在抗干擾方面需要改進(jìn)；③ 由于在操作部使用高亮度LED，因此有一定的發(fā)熱，需要不斷改進(jìn)散熱技術(shù)。這都是以后研究的重要內(nèi)容。

該技術(shù)還可應(yīng)用于人體其它超細(xì)腔道診治（比如尿道電子內(nèi)鏡等）、醫(yī)用超細(xì)關(guān)節(jié)內(nèi)鏡、超細(xì)工業(yè)內(nèi)鏡等領(lǐng)域。因此，這也是該技術(shù)的發(fā)展方向。

4 結(jié)論

微型、低功耗的圖像傳感器和微型、高亮度的LED為支氣管鏡的超細(xì)化提供了技術(shù)保證，更適合病人氣管、支氣管生理結(jié)構(gòu)，可以克服現(xiàn)有內(nèi)鏡的缺陷，為醫(yī)生提供便利，并減輕患者檢查和治療時的不適感。是對電子支氣管鏡超細(xì)化和便攜式的有益探索。