醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡關鍵技術及未來發(fā)展方向尤若寧;許海樹;張明旭;周文光【摘要】闡述了醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡的歷史發(fā)展，介紹了該設備的供電、前端采集、冷光源、后端處理、無線傳輸5個模塊的關鍵技術，分析了圖像傳感器、圖像采集電路、圖像處理電路、無線傳輸?shù)茸钚录夹g在這5個模塊中的應用，提出了醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡的未來發(fā)展方向.同時，指出該技術不僅可以為未來國內(nèi)醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡的設計與生產(chǎn)提供參考,還能夠帶動相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高醫(yī)療質(zhì)量,具有重要的現(xiàn)實意義.％Thehistoryofportablemedicalendoscopewasstudied,andthekeytechnologieswasintroducedonfivemodulesofpowersupply,front-endacquisition,coldlightsource,back-endprocessingandwirelesstransmission.Theapplicationofthelatesttechnologiesofimagesensor,imageacquisitioncircuit,imageprocessingcircuit,wirelesstransmissionandetcwasanalyzedinabovekeytechnologies.Thedevelopingtrendofportablemedicalendoscopewaspointedout.【期刊名稱】《醫(yī)療衛(wèi)生裝備》【年(卷)，期】2017(038)003【總頁數(shù)】4頁(P123-126)【關鍵詞】內(nèi)窺鏡;便攜;圖像傳感器;電路;無線傳輸;醫(yī)療設備【作者】尤若寧滸海樹漲明旭;周文光【作者單位】361003福建廈門,解放軍174醫(yī)院器材科;361003福建廈門,解放軍174醫(yī)院器材科;361003福建廈門,解放軍174醫(yī)院器材科;361003福建廈門，解放軍174醫(yī)院醫(yī)務處【正文語種】中文【中圖分類】R318.6;TH773人類對自我身體感到好奇，這種探索內(nèi)部結(jié)構(gòu)奧秘的欲望使得內(nèi)窺鏡技術應運而生。內(nèi)窺鏡是集光學、精密機械、現(xiàn)代電子、軟件等技術于一體的檢測儀器，在醫(yī)療上已經(jīng)成為門診檢查與外科手術中必不可少的醫(yī)療設備。醫(yī)用內(nèi)窺鏡經(jīng)由人體天然孔道或手術切口進入體內(nèi)，醫(yī)生能夠直接觀察患者臟器的具體性狀及病變程度，據(jù)此制訂出最佳的治療方案或借助手術設備進行微創(chuàng)手術。隨著人體工程學、微電子技術在醫(yī)用內(nèi)窺鏡領域的應用，為了滿足普通門診檢查及野外搶險救災等需求，醫(yī)用內(nèi)窺鏡正向著便攜化、微型化、智能化的方向不斷發(fā)展。1.1便攜式內(nèi)窺鏡的誕生便攜式內(nèi)窺鏡最先出現(xiàn)在工業(yè)領域，用于器件的內(nèi)部檢查和探傷。該儀器現(xiàn)已發(fā)展出多種類型，方便工程師攜帶與使用［1］。工業(yè)用便攜式內(nèi)窺鏡通常由手持終端、連接信號線、攝像頭等部分組成。工程師僅用一個小工具包便可將其包裝并隨身攜帶，能夠在各種工程環(huán)境下進行探查［2］。隨著科技的發(fā)展，便攜式內(nèi)窺鏡的功能逐步得到完善，技術逐漸趨于成熟。但是，由于工業(yè)用便攜式內(nèi)窺鏡主要是為了材料內(nèi)部檢查和工業(yè)探傷，對攝像頭和顯示器的像素、圖像的實時傳輸及照明光源等方面要求不高。1.2便攜式內(nèi)窺鏡在醫(yī)療領域的應用進入21世紀后，醫(yī)院發(fā)展進入新階段，普通門診查房、院外急診搶救、野外搶險救災等情況對內(nèi)窺鏡的發(fā)展提出了新要求，即如何實現(xiàn)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的便攜化、微型化、智能化，以滿足結(jié)構(gòu)精簡、單人攜帶、不依賴市電、續(xù)航時間長等特殊要求。原有醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)通常體積龐大、笨重，需要市電供應，大多只能在專門的內(nèi)鏡室或手術室中使用，醫(yī)生無法隨身攜帶。受到工業(yè)用便攜式內(nèi)窺鏡的啟發(fā)，醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)應運而生。目前，國內(nèi)外多家公司已開發(fā)出不同的產(chǎn)品，但由于便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的研發(fā)剛剛起步，其組成模塊沒有形成統(tǒng)一標準，仍存在一些未能攻克的問題。如部分傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)雖有已經(jīng)相當成熟的技術，但還未能在醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡中得到應用，一些關鍵技術參數(shù)仍需進一步研究等。本研究對醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡的關鍵技術、現(xiàn)狀及發(fā)展方向進行探討，現(xiàn)報道如下。醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡主要包括供電模塊、前端采集模塊、冷光源模塊、后端處理模塊及無線傳輸模塊等部分，如圖1所示。2.1供電模塊醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)必須能夠隨身攜帶且脫離市電獨立工作，因此要求醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡能夠采用電池供電。目前，國內(nèi)的醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡均采用大容量鋰電池作為電源。由于醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)體積的限制，電池體積與電池容量也受到一定限制。目前使用的鋰電池一般為2000mAh，在連接冷光源的情況下，通常續(xù)航時間能達到2~4h。醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)采用TPS70302PWP等電源管理芯片，能夠排除不同電路間干擾，為系統(tǒng)各個模塊供電?，F(xiàn)階段由于采用低功耗電子元器件以及對電路的優(yōu)化，整個系統(tǒng)的功耗大大降低，這也為太陽能充電提供了條件。廣州某電子公司生產(chǎn)的醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡，使用太陽能電池板充電2h即可充滿。太陽能電池板通過適配器輸出的電壓為5V,同220V市電通過電源適配器變壓后的輸出電壓一樣，故而醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡可通過以上2種方式對內(nèi)部鋰電池進行充電。另外，在內(nèi)鏡室等常規(guī)場所內(nèi)也可直接采用220V市電進行供電。2.2前端采集模塊前端采集模塊一般包括前端轉(zhuǎn)接頭和圖像傳感器。2.2.1前端轉(zhuǎn)接頭醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡通常使用手持終端，需要通過一個轉(zhuǎn)接頭與各種軟、硬式內(nèi)窺鏡進行連接。轉(zhuǎn)接頭連接主機與各式內(nèi)窺鏡，其內(nèi)部還有一系列透鏡組，保證電荷耦合元件(chargecoupleddevice，CCD)拍攝到的圖像完整、無畸變且焦距準確。轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部的透鏡組設計(從普通透鏡到非球面透鏡)，各個廠家均有不同。其中，非球面透鏡能夠消除球差、減少鏡片數(shù)量、優(yōu)化圖像質(zhì)量、縮小轉(zhuǎn)接頭體積。光學透鏡的組合與設計需要考慮的因素眾多，參數(shù)指標需根據(jù)不同內(nèi)窺鏡接口的光學特性、CCD攝像頭焦距、光圈、視場、視向角及F數(shù)等來確定［3］。2.2.2圖像傳感器圖像傳感器是醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡攝像頭的最主要組成部分。它將收集到的光學信號轉(zhuǎn)換成可被各種芯片處理的電信號，主要有CCD傳感器和金屬氧化物半導體元件(complementarymetal-oxidesemiconductor，CMOS)傳感器兩大類。由于CCD傳感器在圖像分辨率、信噪比、原件尺寸等方面都優(yōu)于CMOS傳感器，因此醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡多采用CCD傳感器作為其圖像傳感器。3CCD指由三晶片CCD和分光棱鏡組成的系統(tǒng)［4］。目前3CCD技術已經(jīng)應用于醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。光線通過分光棱鏡后，被分析為紅、綠、藍3種基色光，由三晶片CCD分別進行接收與成像。因此其圖像色彩還原度高，亮度、清晰度等參數(shù)優(yōu)于普通單晶片CCD。但由于使用了三晶片CCD，其制造成本比單晶片CCD高，多數(shù)廠商把每個CCD的尺寸縮小成1/3in(1in=25.4mm)，既不損失有效像素的數(shù)量，同時節(jié)約了成本。傳感器方面，日本富士公司已研發(fā)出SUPERCCD技術。SUPERCCD采用一種八邊形的二極管，取消了控制型號，只保留電量傳輸路徑。像素呈蜂窩狀形式排列，結(jié)構(gòu)上比普通CCD更緊密，單位像素面積更大。將像素旋轉(zhuǎn)45°排列可以最大程度利用芯片，縮小器件尺寸，提高光線吸收率［5］。其他新技術還包括日本索尼公司的四原色CCD技術及適馬公司在數(shù)碼單反相機方面使用的FoveonX3三層CMOS技術等。2.3冷光源模塊冷光源是指幾乎不含紅外線光譜的發(fā)光光源，具有壽命長、發(fā)熱量低、節(jié)能等優(yōu)點。冷光源模塊是醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的重要組成部分，通過內(nèi)窺鏡內(nèi)部光纖等導光部件為使用者觀察患部提供照明。醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡的重要特點是一體化設計，即光源集成在手持終端中。光源集成化要求冷光源模塊必須具備體積小、功耗低、發(fā)熱量低、光照參數(shù)好等特點。而手持終端的最主要部分為顯示屏及操作按鍵，若光源部分體積過大，手持主機的尺寸也會因此增加，無法實現(xiàn)單手操作，影響臨床檢查及治療效果。光源模塊由手持終端內(nèi)部的電池供電，整個醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡也由其供電，因此光源模塊耗電量過高會影響整個手持終端的續(xù)航能力。同時，若照明模塊發(fā)熱量過高必然影響其周圍的圖像處理電路及顯示部分等模塊的工作，進而縮短整個內(nèi)窺鏡的續(xù)航時間。除此之外，發(fā)熱量高還會縮短光源壽命，提高制造成本，給維護帶來不便，同時還造成整個手持終端溫度升高，醫(yī)生無法長時間持握，給臨床使用帶來不便。氙燈或者金屬鹵素燈泡構(gòu)成的傳統(tǒng)光源能耗高，燈泡體積大，且發(fā)熱量極高，玻璃燈泡易破碎，因此根本無法作為醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡的光源。發(fā)光二極管(lightemittingdiode,LED)的耗電量低，其工作電壓為2-3.6V,只需要很微弱的電流即可正常發(fā)光，消耗能量較同光效的白熾燈減少80%左右，較節(jié)能燈減少40%左右。LED尺寸小，質(zhì)量輕，發(fā)熱量極低，穩(wěn)定性高且不含汞，相較燈或者金屬鹵素燈泡優(yōu)勢明顯［6］。目前醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡均采用LED作為光源。2.4后端處理模塊后端處理模塊包括圖像采集電路和圖像后處理電路。當前端采集到數(shù)字信號后，需經(jīng)圖像采集和后處理電路處理，才能在其顯示屏上顯示，并通過無線傳輸模塊進行傳輸。未來配合遠程傳輸終端等設備，可實現(xiàn)遠程醫(yī)療。2.4.1圖像采集電路圖像采集電路對前端CCD轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號進行捕獲、圖像增強等初級處理。醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡的主要技術難題之一，就是縮小該部分電路的尺寸與機械外形的大小。目前現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(fieldprogrammablegatearray，F(xiàn)PGA)等處理芯片已應用于內(nèi)窺鏡領域，大大提高醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡的集成度，縮小電路尺寸與整機大小。圖像采集電路集成化程度高，除了FPGA外，還采用結(jié)構(gòu)化專用集成電路等集成化芯片。FPGA是性能好、規(guī)模大、可編程性優(yōu)秀的器件，已成為當今數(shù)字系統(tǒng)最主要的硬件平臺。其功能完全由開發(fā)者通過軟件進行編程，可反復擦寫，在修改或升級時不需要改變外圍電路，這一特性能滿足醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡對電路方面的特殊要求。集成在FPGA芯片上的采集系統(tǒng)簡化了外圍電路，大大減少功耗，僅需要提供芯片工作的少量電能。在圖像采集電路中，F(xiàn)PGA芯片具有同步及時序模塊、傳輸控制、信號初級處理模塊及接口模塊等，為后續(xù)的處理做準備［7］。結(jié)構(gòu)化ASIC芯片的各項特性介于FPGA與ASIC之間，是ASIC向FPGA融合的產(chǎn)物，具備了FPGA與ASIC的諸多優(yōu)點［8］。但由于其功能還不夠強大，其系統(tǒng)規(guī)模與復雜程度小于FPGA，因此結(jié)構(gòu)化ASIC主要用于低端醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡中。目前主要的結(jié)構(gòu)化ASIC芯片有美國Altera公司的HardCopy系列，LSIlogic公司的Integrator?系列以及Xilinx的EasyPath系列等。2.4.2圖像后處理電路醫(yī)用內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)采集到的圖像需經(jīng)后處理才能顯示，且圖像后處理電路需要完成畸變校正、白平衡、圖像的放大縮小以及圖像或視頻保存等功能。隨著數(shù)字信號處理(digitalsignalprocessing,DSP)等技術的發(fā)展及應用，使后處理電路的尺寸大為縮小，功能卻越來越強大。片上系統(tǒng)(system-on-a-chip,SoC)是圖像后處理的理想選擇。SoC是指在單個芯片上集成一個完整的系統(tǒng)，是可編程邏輯器件(programmablelogicdevice，PLD)和ASIC技術融合的結(jié)果。SoC單芯片、低功耗、微封裝的特點能在盡可能降低系統(tǒng)功耗和減小電路尺寸的同時，最大限度地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與功能的強大性［9］。2014年12月LighthouseImaging公司研發(fā)和制造的基于Zynq的SoMZ-7045的內(nèi)窺鏡可視化系統(tǒng)，其超小型系統(tǒng)模塊只有3in寬，包含了整個內(nèi)窺鏡可視化系統(tǒng)。內(nèi)窺鏡可視化系統(tǒng)已成為SoC在醫(yī)療領域應用的成功案例，為醫(yī)療設備行業(yè)提供了便攜式內(nèi)窺鏡成像解決方案。2.5無線傳輸模塊在做復雜的腹腔鏡或胸腔鏡手術時，醫(yī)生常常需要查看更大更清晰的圖像，因此醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡常常需要將手持終端的圖像傳輸?shù)礁咔屣@示器上［10］。目前，部分醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡已實現(xiàn)無線傳輸功能，實現(xiàn)方法以Wi-Fi為主，部分廠家采用藍牙4.0技術進行無線傳輸。Wi-Fi技術較為成熟，且數(shù)據(jù)傳輸量大、實時性好，適用于手術；藍牙4.0支持藍牙低功耗(bluetoothlowenergy，BLE)技術，適用于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大但要求續(xù)航時間長的場合［11］。目前主要采用的藍牙芯片有德州儀器的SoC芯片(CC2540)與NORDIC半導體公司的SoC芯片(nRF51822)，均兼容藍牙4.0協(xié)議。目前的無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)傳輸速率為1~11Mbit/s，傳輸距離超過10m。藍牙4.0在不工作的時候可智能休眠，傳輸過程中對參數(shù)的設置也可降低功耗，一塊鈕扣電池即可使用半年。目前，醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡因其攜帶方便、體積小巧等特點，主要應用于眼耳鼻喉科、普外科等大多數(shù)科室的門、急診檢查，胸夕卜科等一些科室的微創(chuàng)手術，以及在搶險救災、軍隊野戰(zhàn)衛(wèi)勤中的檢查、手術等，大大提升了醫(yī)療質(zhì)量。短短幾年間，醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡從只有基本觀察功能的低端產(chǎn)品到能夠進行無線傳輸及遠程醫(yī)療的高端產(chǎn)品，已更新?lián)Q代數(shù)次。目前，萬元級別價格的醫(yī)院便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)已成功推向市場，國內(nèi)夕卜廠家均已開發(fā)出自己的產(chǎn)品。不過，即便該醫(yī)療設備已發(fā)展多年且國內(nèi)外產(chǎn)品眾多，其發(fā)展仍處于起步階段。隨著人工智能技術、計算機技術、大數(shù)據(jù)技術、云技術等新興技術與醫(yī)學領域的不斷融合，醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡將趨于小型化、多樣化、智能化，同時能夠支持物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療。雖然醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡無法取代現(xiàn)有的光纖內(nèi)窺鏡及電子內(nèi)窺鏡，但其將逐漸發(fā)展成為內(nèi)窺鏡領域一個不可分割的重要分支，其便攜性的特點將在機動醫(yī)療中發(fā)揮無法替代的作用。內(nèi)窺鏡的發(fā)展日新月異，便攜式內(nèi)窺鏡的出現(xiàn)開啟了一個新的發(fā)展方向。它凝聚了最尖端的電子技術，醫(yī)生工作服的口袋即可容下整個內(nèi)窺鏡。已經(jīng)上市的醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡為其發(fā)展提供了很好的參考，LED、FPGA、DSP和SoC等技術的發(fā)展及應用使醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡在短短數(shù)年中就完成了跨越式的發(fā)展［12］。從目前對醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡研究的發(fā)展趨勢來看，它依然傾向于微型化、集成化、智能化、低功耗化。此外，