淺談醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計

劉艷

摘? 要：在傳統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)中，臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域普遍采用標(biāo)清的內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)用于醫(yī)學(xué)檢查。隨著科技的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)興起，為醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)提供了實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療的可能性。該文主要圍繞醫(yī)用內(nèi)窺鏡和醫(yī)用內(nèi)窺鏡用手柄的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計、醫(yī)用內(nèi)窺鏡硬件電路設(shè)計以及醫(yī)用內(nèi)窺鏡處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計4個方面的改進(jìn)展開論述，目的在于提高醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像設(shè)備的便攜性和精準(zhǔn)度。

關(guān)鍵詞：內(nèi)窺鏡;硬件設(shè)計;多路高清視頻輸出;遠(yuǎn)程醫(yī)療

中圖分類號：TP274.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來，在人口老齡化程度加深以及國產(chǎn)器械替代政策的影響下，微創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備行業(yè)發(fā)展前景良好。隨著人們對健康的越來越重視，傳統(tǒng)醫(yī)療內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)采用標(biāo)清圖像用于醫(yī)學(xué)檢查和治療手術(shù)，因其圖像質(zhì)量不高，對于醫(yī)療工作者準(zhǔn)確診斷，極易帶來許多不確定性。因此醫(yī)療工作者對于醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)也有了更高的需求：醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)的高清化和便攜性。內(nèi)窺鏡作為微創(chuàng)手術(shù)中常用的醫(yī)療器械，包括3個部分：攝像手柄、光源、卡口鏡頭。使用時將內(nèi)窺鏡導(dǎo)入預(yù)檢查的器官，可直接窺視有關(guān)解剖部位的變化。作為臨床醫(yī)學(xué)常用設(shè)備之一，傳統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)不方便攜帶、圖像不清晰等缺點逐漸顯現(xiàn)出來，該文主要介紹了醫(yī)用內(nèi)窺鏡的發(fā)展現(xiàn)狀，并針對現(xiàn)有醫(yī)用內(nèi)窺鏡存在的不足進(jìn)行了改進(jìn)。

1 醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)，主要應(yīng)用于臨床各領(lǐng)域微創(chuàng)手術(shù)中，是現(xiàn)代外科醫(yī)學(xué)診斷、手術(shù)治療應(yīng)用的一種醫(yī)療前沿技術(shù)，通過顯示系統(tǒng)將內(nèi)窺鏡近距離觀察病灶，放大手術(shù)視野，降低患者在傳統(tǒng)手術(shù)盲目性風(fēng)險，大大減少臟器的損傷和功能干擾，縮短了術(shù)后的恢復(fù)時間，減少患者痛苦，更加注重患者的生活質(zhì)量與康復(fù)。因此，醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)在臨床各領(lǐng)域微創(chuàng)手術(shù)治療中起著非常重要的作用，但是由于目前的醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡大多停留在傳統(tǒng)的模式上，主要有以下一些不足之處。1）傳統(tǒng)電子內(nèi)窺鏡多是將監(jiān)視器、攝像機(jī)、冷光源和錄像盒等部件分開制作，然后通過接線將其連在一起組合、選配使用，這樣使得各部件分散，攝像設(shè)備體積龐大，線束眾多，導(dǎo)致內(nèi)窺鏡信號不佳?，F(xiàn)有醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像設(shè)備制作成本較高，多為鈑金件制作，運輸成本也較高，使用前需派專業(yè)人員上門安裝調(diào)試。另外，現(xiàn)有醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像設(shè)備使用環(huán)境有限，一般僅限在醫(yī)院使用，不方便移動。2）目前，內(nèi)窺鏡攝像機(jī)圖像處理后的分辨率普遍都比較低，基本上還處于標(biāo)清及標(biāo)清以下的分辨率水平，在醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)，圖像的成像效果是醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，現(xiàn)有內(nèi)窺鏡攝像機(jī)依靠傳統(tǒng)單路視頻輸出標(biāo)清信號已經(jīng)不能滿足醫(yī)用內(nèi)窺鏡圖像質(zhì)量的要求。

2 研究內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，該文主要從以下3個方面進(jìn)行研究。

2.1 醫(yī)用內(nèi)窺鏡硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對現(xiàn)有的醫(yī)用內(nèi)窺鏡因體積較為龐大、線束眾多以及監(jiān)視器、攝像機(jī)、冷光源等分散而導(dǎo)致內(nèi)窺鏡信號不佳的問題，該文設(shè)計了一種醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像設(shè)備，如圖1所示，該醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像設(shè)備包括面板、底座和鏡頭，面板和底座之間通過轉(zhuǎn)軸活動連接，鏡頭接插在底座一側(cè)，面板由前框和后框組成，前框與后框之間裝設(shè)有液晶顯示屏，且液晶顯示屏通過支架固定在后框的螺絲孔上，底座由上蓋和下蓋組成，下蓋上固定有固定板，在固定板上固定有線路板，線路板包含LED模組、驅(qū)動板、視頻轉(zhuǎn)換板、開關(guān)板、電源板以及攝像板，下蓋下端固定有風(fēng)扇、電源開關(guān)、插座、保險絲和信號線。上述技術(shù)方案的底座中裝配多個電路板，可以實現(xiàn)醫(yī)用攝像、提供光源、錄像的功能;上述技術(shù)方案通過面板和底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了冷光源、攝像和顯示為一體，高度集中部件，并在出廠前已經(jīng)組裝好，不需要重新組合和調(diào)試即可直接使用，便攜，簡易，體積小，制作成本低，便于運輸，不僅如此，該醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像設(shè)備成本低廉，其樣式類似于筆記本電腦，型號按照液晶顯示屏可制作成10寸、15寸、19寸、21寸、24寸、26寸、43寸大小的設(shè)備，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

2.2 醫(yī)用內(nèi)窺鏡用手柄的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對現(xiàn)有的醫(yī)用內(nèi)窺鏡用手柄重復(fù)使用后易導(dǎo)致交叉感染以及醫(yī)用內(nèi)窺鏡易存在保養(yǎng)不到位易造成內(nèi)窺鏡無信號等異?，F(xiàn)象的缺陷，提供一種醫(yī)用內(nèi)窺鏡用手柄，如圖2所示，該手柄包括手柄殼以及與手柄殼固定連接的臺階結(jié)構(gòu)，手柄殼呈流線型方形主體結(jié)構(gòu)設(shè)置，臺階結(jié)構(gòu)上固定有玻璃鏡片和攝像線路板，手柄殼上設(shè)置按鍵結(jié)構(gòu)，按鍵結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)有按鍵線路板，手柄殼和臺階結(jié)構(gòu)均是由塑料或鋁合金材質(zhì)構(gòu)成，適合批量生產(chǎn)，成本低，一次性使用，因此使用后不用消毒，可以避免因保養(yǎng)、消毒不到位等造成的使用異常。不僅如此，該醫(yī)用內(nèi)窺鏡用手柄通過設(shè)置5個按鍵，可實現(xiàn)上下左右選擇，模式轉(zhuǎn)換，拍照、凍結(jié)、對白等多種功能，功能齊全、擴(kuò)展性強(qiáng)。

2.3 醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像機(jī)硬件電路

當(dāng)前，醫(yī)療領(lǐng)域?qū)︶t(yī)療器械在精度和準(zhǔn)確度上的要求不斷提高，現(xiàn)有內(nèi)窺鏡攝像機(jī)依靠傳統(tǒng)單路視頻輸出的方式已經(jīng)不能滿足醫(yī)用內(nèi)窺鏡對于高清晰圖像質(zhì)量的要求，針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種可實現(xiàn)多路高清視頻輸出的醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像機(jī)電路結(jié)構(gòu)[1]，如圖3所示，該電路結(jié)構(gòu)包括由供電單元、采集單元、圖像處理芯片、信號均衡器芯片和圖像輸出接口組成的電路回路，供電單元分別與采集單元、圖像處理芯片、信號均衡器芯片和圖像輸出接口連接，圖像處理芯片分別與采集單元和信號均衡器芯片連接，信號均衡器芯片和圖像輸出接口連接。其中，電單元為整個圖像處理芯片及外圍電路提供電源支持。CMOS光耦傳感器為4K圖像的采集單元，通過CMOS光耦傳感器采集信號后，將信號傳輸給4K圖像處理芯片，4K圖像處理芯片對信號進(jìn)行處理，并將處理后的信號傳輸給信號均衡器芯片，信號均衡器芯片將信號進(jìn)行硬件的信號均衡，然后通過圖像輸出接口穩(wěn)定輸出圖像信號給監(jiān)視器。參數(shù)存儲芯片用來保存設(shè)置圖像的關(guān)鍵參數(shù)。該電路結(jié)構(gòu)能夠滿足多達(dá)四路的HDMI輸出信號，并且提供一路SDI信號輸出，一臺手術(shù)實現(xiàn)多畫面圖像，在滿足手術(shù)需求的同時，也可實現(xiàn)同步教學(xué)。此外，多路高清信號的輸出，也滿足醫(yī)療工作者長期以來對圖像質(zhì)量的需求。

3 總結(jié)與展望

上述研究針對醫(yī)療內(nèi)窺鏡各部件之間分散不方便攜帶的問題，利用面板和底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得醫(yī)療內(nèi)窺鏡的冷光源、攝像單元和顯示單元為一體，提高醫(yī)療內(nèi)窺鏡的便攜性;針對醫(yī)用內(nèi)窺鏡用手柄重復(fù)使用后易導(dǎo)致交叉感染的問題，將醫(yī)用內(nèi)窺鏡用手柄上的手柄殼和臺階結(jié)構(gòu)使用塑料或鋁壓鑄模具制作，可避免因保養(yǎng)、消毒不到位等造成的醫(yī)療內(nèi)窺鏡手柄的使用異常;針對現(xiàn)有內(nèi)窺鏡攝像機(jī)依靠傳統(tǒng)單路視頻輸出的方式不能滿足醫(yī)用內(nèi)窺鏡對于高清晰圖像質(zhì)量的要求的問題，設(shè)計包括VGA、CVBS、SDI和HDMI等多路視頻輸出的醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像機(jī)電路，達(dá)到多路高清信號的輸出的目的。然而對于醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)來說，其仍然存在許多尚待解決的難題，以醫(yī)療內(nèi)窺鏡遠(yuǎn)程數(shù)字化信息系統(tǒng)的構(gòu)建為例，在當(dāng)前具有大帶寬特性的5G技術(shù)的廣泛應(yīng)用的背景下，如何將5G技術(shù)與遠(yuǎn)程醫(yī)療和物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療結(jié)合起來，實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療和物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療的廣泛應(yīng)用是擺在相關(guān)工作者面前的新的課題，而醫(yī)療內(nèi)窺鏡如何借助遠(yuǎn)程醫(yī)療和物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療的落實得到進(jìn)一步應(yīng)用進(jìn)而完善“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療健康”支撐體系[2]更是一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]國務(wù)院辦公廳.國務(wù)院辦公廳關(guān)于? 促進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療健康”發(fā)展的意見[EB/OL].[2018-04-25].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2018-04/28/content_5286645.htm.

[2]上海世音光電儀器有限公司.一種醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像機(jī)：2019 2 0002508.3[P].2019-01-02.