【文章內容簡介】 究現(xiàn)狀 國內在膠囊內窺鏡方面的研究相對國外起步要晚很多。但在國家相關政策的扶持下，也取得不少的成果。如重慶金山 公司研制出具有實時攝像功能的膠囊內窺鏡；中國科學院合肥智能機械研究所研制了“基于 CMOS 圖像傳感器的膠囊內窺鏡系統(tǒng)”。重慶大學也進行了定點釋放藥丸微系統(tǒng)與消化道采樣藥丸微系統(tǒng)研究。上海交通大學開展了“人體全消化道微型介入式檢查系統(tǒng)”研究，研發(fā)了用于檢測壓力，溫度， PH 值的膠囊內窺鏡。目前，國內研究的關鍵點在于研發(fā)專用芯片實現(xiàn)膠囊系統(tǒng)的無線圖像傳輸和微型化。具備了基本的圖像攝取功能和壓力等信號檢測功能。也在釋藥，主動驅動等方面做了不少優(yōu)異的探索。 本課題研究的意義 對于消化道疾病的檢查往往會采用內 窺鏡，然而傳統(tǒng)的有線內窺鏡系統(tǒng)帶有引導式插管，不僅會給病人帶來較大痛苦，而且系統(tǒng)操作很不方便而且檢查部位有限。傳統(tǒng)內窺鏡使用插入導管的方式，存在著諸多弊端，例如操作困難；屬于有創(chuàng)檢測，給病人帶來了很大的肉體痛苦；診察范圍有限，僅限于診斷上消化道及大腸的病變，而對小腸疾病的診斷存在很大的盲區(qū)。因此，近十年來，隨著微電子技術的發(fā)展，無線技術開始應用于內窺鏡。世界各國有不少科研機構在從事人體消化道無創(chuàng)檢測設備的研究開發(fā)工作，而本文所提到的無線膠囊內窺鏡系統(tǒng)就是其中有代表性的設備之一。 膠囊內窺鏡在消化道檢查方面克 服了傳統(tǒng)醫(yī)用內窺鏡的諸多缺點，具有操作簡單，檢查方便，無創(chuàng)傷，無痛苦，無交叉感染，不影響患者的正常工作等優(yōu)點，填補了胃鏡，腸鏡檢查的盲區(qū)，擴展了醫(yī)生的消化道檢查視野，尤其對人的可疑小腸病變具有很高的診斷 XXXXXX 本科畢業(yè) (設計 )論文：基于 CMOS 圖像傳感器的內窺微機電系統(tǒng)設計 4 價值，被醫(yī)學界譽為 21 世紀內窺鏡發(fā)展的革命與方向。膠囊內窺鏡這一全新技術的出現(xiàn)，標志著消化道內窺鏡技術發(fā)展史上又一新的里程碑的誕生，是消化道無損傷性診斷的一個革命性的技術創(chuàng)新。 在眾多的膠囊內窺鏡產品中，又以以色列的 M2A 膠囊內窺鏡最具代表性。該膠囊內窺鏡尺寸為 11 24mm，重量不足 4g，有微型照相機， led 閃光燈，天線及兩節(jié)微型氧化銀電池構成。 M2A 可以以每秒兩幅照片速度進行拍攝，通常檢查過程需要 8 到 12 小時，也就是說，整個檢查過程需要拍攝約 6000 幅照片。這些照片通過膠囊內部的天線發(fā)射至外部接收裝置。之后，醫(yī)生通過軟件可將這些照片制成約 20 分鐘的視頻，并因此分析出異樣。 內窺鏡在微創(chuàng)手術中有非常重要的應用。而無線內窺鏡作為內窺鏡的一種，相對于傳統(tǒng)內窺鏡更是有無創(chuàng)檢測，檢查全面和診斷方便的性能優(yōu)勢。內窺鏡的廣泛應用，促進了管腔醫(yī)學的發(fā)展。內窺鏡既可以診斷疾病，也可以治療疾病。內窺鏡的臨床診斷具有直觀，準確， 快速，經濟的優(yōu)點。特別是配合超聲內窺鏡，激光內窺鏡及鉗取活檢 ，大大提高了對疾病的確診率。 由于起步時間較短，此類設備在技術上尚有很多難題需要解決，以內窺鏡為例，如何讓其停留在某一指定位置進行拍攝，圖像分辨率，功耗，價格等，都是需要解決的問題。但不管怎樣，此類設備的前景是非常光明的。巨大的市場需求驅使廠家不斷推出性能更高且價格更低的產品。 第二章 系統(tǒng)總體方案擬定 5 第二章 系統(tǒng)總體方案擬定 在著手內窺系統(tǒng)的具體設計之前，為使研究工作得以順利開展，避免不必要的曲折，應該先對系統(tǒng) 的功能需求，總體硬件組成等方面進行擬定，制定一個大體框架。以后具體設計時，以此框架一步步展開工作。 系統(tǒng)功能要求分析 首先，對本內窺微機電系統(tǒng)最基本的功能要求是能夠捕獲人體內病變部位的清晰圖像。所以，圖像采集模塊是必不可少的。其次，還要將拍攝到的圖像傳送到體外接收裝置，以供醫(yī)生查看，宜采用無線傳輸模式。這是內窺鏡系統(tǒng)的兩個基本功能。內窺微機電系統(tǒng)要求能在體內逗留足夠長的時間以便搜集到足夠的樣片，因此，對系統(tǒng)的功耗要求也比較高。人體內的環(huán)境比較幽暗，要能拍到符合要求的樣片，對光照要求也不能馬虎。 LED 燈發(fā)光強度高，功耗也較低，所以采用 LED 照明。 膠囊微機電內窺鏡系統(tǒng)按運動方式可分為兩種：被動式和主動式。被動式主要是依靠人體腸道的自身蠕動而帶動膠囊內窺鏡運動，這種方式的優(yōu)點是：功耗較低，結構簡單，易于設計；主動式內窺鏡系統(tǒng)是依靠系統(tǒng)本身的動力，可在人體內實現(xiàn)自主運動。這種系統(tǒng)設計比較復雜，功耗也較大?？紤]到知識儲備等方面的限制，本課題的研究目標是能夠做出一個滿足基本攝像功能的膠囊內窺鏡樣品，所以力求系統(tǒng)的結構簡單，功能單一，只著重對內窺系統(tǒng)的圖像模塊進行研究。因此，本設計采用被動式方案，以簡化系統(tǒng)結 構，降低設計難度。 因此，本課題目標定位為：設計一個被動式無線圖像傳輸內窺微機電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用 LED 光源照明。 系統(tǒng)總體硬件組成 根據(jù)以上功能分析，確定內窺系統(tǒng)組成部分有： （ 1）圖像采集模塊 （ 2）無線發(fā)射模塊 （ 3）電源供電模塊 （ 4）照明模塊 系統(tǒng)組成框圖如下所示： XXXXXX 本科畢業(yè) (設計 )論文：基于 CMOS 圖像傳感器的內窺微機電系統(tǒng)設計 6 圖 內窺系統(tǒng)組成示意圖 系統(tǒng)硬件布局 為了將整個模塊融入內窺鏡膠囊的系統(tǒng)中，需要規(guī)劃好元器件的位置和線路，盡量縮小體積，減少干擾。本設計將 LED，圖像傳感器電路，鏡頭結合在一個 PCB 板上。 根據(jù)內窺鏡膠囊的圓柱外形設計，將模塊的 PCB 外形圖設計成圓形，直徑控制在 10mm左右。在直徑為 10mm 的圓形 PCB 板面上盡可能的布置下 OV7930 芯 片的外圍電路元件，需要采用雙面板結構，且電容和電阻元件都采用較小封裝的貼片形式。在 PCB 的正面放置 CMOS芯片和 LED，而將外圍電路元件和輸出接口設計在背面，以節(jié)省空間，芯片的引腳通過導線引出再由過孔連接至背面。 該 PCB 的設計原則是：盡量減少線路的拐彎，元件擺放方向一致，電源線和底線盡量加粗，減少晶振引線的長度，盡量靠近芯片。 經過反復的比較，初步選擇如下的系統(tǒng)布局。 電源 天線鏡頭C M OS 傳感器LED 圖 內窺系統(tǒng)硬件布局 由上面布局圖可看出，系統(tǒng)主要由 CMOS 傳感器，透鏡， LED 發(fā)光二極管，微型電池，無線圖像發(fā)射芯片和微型發(fā)射天線組成，完成對外部環(huán)境彩色圖像的采集，將光信號轉換圖像采集模 塊 內窺系統(tǒng) 無 線 傳 輸模 塊 LED 照明模塊 電源 第二章 系統(tǒng)總體方案擬定 7 為電信號，通過圖像采集發(fā)射模塊采集，并以無線的發(fā)射方式將圖像信號發(fā)送出去。整個系統(tǒng)中存在著幾個比較關鍵的技術：合理選擇透鏡使得能夠采集到體內病變部位高分辨率的清晰圖像，將采集到的圖像數(shù)據(jù)進行完整和快速的傳輸。內窺鏡膠囊直徑約為 1CM，長度只有 2CM 多，體積很小，卻要 將成像元件，圖像傳感器，射頻發(fā)射模塊，天線以及芯片外圍電路和機械結構集成在其內部，因此要嚴格的限制各個功能模塊的尺寸。尺寸的限制使得系統(tǒng)的設計必須以盡量簡單的光路，電路和機械結構完成必要的功能。 所說的簡單不是一味的追求簡單，而是在能夠實現(xiàn)所期望的系統(tǒng)功能的前提下，在系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)尺寸，功耗等指標指間達成一個最佳的方案。簡單的光路可以減少光能損耗從而降低對照明系統(tǒng)的光強要求；簡單的電路可以降低功耗，簡單的機械結構則意味一定程度的降低制造工藝要求。遵循簡單這樣一個原則，對膠囊內窺鏡的設計具有很大的意義。 XXXXXX 本科畢業(yè) (設計 )論文：基于 CMOS 圖像傳感器的內窺微機電系統(tǒng)設計 8 第三章 圖像采集模塊設計 如前所述，圖像采集模塊部分是本課題設計的核心，因此，對于各方面的考慮都不能馬虎。下面，對圖像采集部分進行分析。 圖像傳感器選型 目前，圖像傳感器只要分為兩種類型： CCD 型和 CMOS 型。這兩種傳感器在結構方面有很大不同，原理基本相同。為了選出合適的圖像傳感器，有必要從它們的原理，分類等展開介紹，最后比較選出最佳的傳感器。下面，逐一分 析這兩種傳感器的特點。 CCD 圖像傳感器 ＊ CCD 傳感器原理結構 CCD 是電荷耦合組件（ Charge Coupled Device）的簡稱，它內部的半導體材料能把光線轉變成電荷，轉換成數(shù)字信號壓縮以后保存起來就變成我們存儲卡中的照片了，中間的過程非常復雜，在這里不再詳解，下面是原理簡圖。 CCD 光信息 電脈沖 脈沖只反映一個光敏元的受光情況 脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強弱 脈沖輸出的順序可以反映一個光敏元的位置 完成圖像傳感 圖 電荷耦合組件工作原理 簡單點來說， CCD 基本工作原理分為四個階段：（ 1）信號電荷的產生；（ 2）信號電荷的存儲；（ 3）信號電荷的傳輸；（ 4）信號電荷的檢 測。 CCD 基本結構分為以下兩部分： （ 1） MOS（金屬 — 氧化物 — 半導體）光敏元陣列：電荷耦合器件是在半導體硅片上制作成百上千（萬）個光敏元，一個光敏元又稱一個像素，在半導體硅平面上光敏元按線陣 或 第三章 圖像采集模塊設 計 9 面陣有規(guī)則地排列。 （ 2）讀出移位寄存器。 CCD 是由規(guī)則排列的金屬 — 氧化物 — 半導體（ Metal Oxide Semiconductor,MOS）電容陣列組成。 CCD 就像傳統(tǒng)相機的底片一樣的感光系統(tǒng)，是感應光線的電路裝置，可以將它想象成一顆顆微小的感應粒子，鋪滿在光學鏡頭后方，當光線與圖像從鏡頭透過、投射 到 CCD 表面產生電流，將感應到的內容轉換成數(shù)碼資料儲存起來。 CCD 像素數(shù)目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會越清晰。 ＊ CCD 傳感器的分類 CCD 器件分為線陣 CCD 和面陣 CCD，結構上有多種不同形式，如單溝道 CCD、雙溝道 CCD、幀轉移結構 CCD、行間轉移結構 CCD CCD傳感器 線陣 CCD 傳感器是由一列 MOS 光敏元和一列移位寄存器并行構成。光敏元和移位寄存器之間有一個轉移控制柵， 1024 位線陣，由 1024 個光敏元 1024 個讀出移