【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)在膠囊內(nèi)窺鏡方面的研究相對(duì)國(guó)外起步要晚很多。但在國(guó)家相關(guān)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(shí)時(shí)攝像功能的膠囊內(nèi)窺鏡；中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所研制了“基于 CMOS 圖像傳感器的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)”。重慶大學(xué)也進(jìn)行了定點(diǎn)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(xué)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(cè)壓力，溫度， PH 值的膠囊內(nèi)窺鏡。目前，國(guó)內(nèi)研究的關(guān)鍵點(diǎn)在于研發(fā)專用芯片實(shí)現(xiàn)膠囊系統(tǒng)的無(wú)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(hào)檢測(cè)功能。也在釋藥，主動(dòng)驅(qū)動(dòng)等方面做了不少優(yōu)異的探索。 本課題研究的意義 對(duì)于消化道疾病的檢查往往會(huì)采用內(nèi) 窺鏡，然而傳統(tǒng)的有線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)帶有引導(dǎo)式插管，不僅會(huì)給病人帶來(lái)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(nèi)窺鏡使用插入導(dǎo)管的方式，存在著諸多弊端，例如操作困難；屬于有創(chuàng)檢測(cè)，給病人帶來(lái)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(duì)小腸疾病的診斷存在很大的盲區(qū)。因此，近十年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線技術(shù)開始應(yīng)用于內(nèi)窺鏡。世界各國(guó)有不少科研機(jī)構(gòu)在從事人體消化道無(wú)創(chuàng)檢測(cè)設(shè)備的研究開發(fā)工作，而本文所提到的無(wú)線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)就是其中有代表性的設(shè)備之一。 膠囊內(nèi)窺鏡在消化道檢查方面克 服了傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡的諸多缺點(diǎn)，具有操作簡(jiǎn)單，檢查方便，無(wú)創(chuàng)傷，無(wú)痛苦，無(wú)交叉感染，不影響患者的正常工作等優(yōu)點(diǎn)，填補(bǔ)了胃鏡，腸鏡檢查的盲區(qū)，擴(kuò)展了醫(yī)生的消化道檢查視野，尤其對(duì)人的可疑小腸病變具有很高的診斷 XXXXXX 本科畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文：基于 CMOS 圖像傳感器的內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 價(jià)值，被醫(yī)學(xué)界譽(yù)為 21 世紀(jì)內(nèi)窺鏡發(fā)展的革命與方向。膠囊內(nèi)窺鏡這一全新技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著消化道內(nèi)窺鏡技術(shù)發(fā)展史上又一新的里程碑的誕生，是消化道無(wú)損傷性診斷的一個(gè)革命性的技術(shù)創(chuàng)新。 在眾多的膠囊內(nèi)窺鏡產(chǎn)品中，又以以色列的 M2A 膠囊內(nèi)窺鏡最具代表性。該膠囊內(nèi)窺鏡尺寸為 11 24mm，重量不足 4g，有微型照相機(jī)， led 閃光燈，天線及兩節(jié)微型氧化銀電池構(gòu)成。 M2A 可以以每秒兩幅照片速度進(jìn)行拍攝，通常檢查過(guò)程需要 8 到 12 小時(shí)，也就是說(shuō)，整個(gè)檢查過(guò)程需要拍攝約 6000 幅照片。這些照片通過(guò)膠囊內(nèi)部的天線發(fā)射至外部接收裝置。之后，醫(yī)生通過(guò)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(nèi)窺鏡在微創(chuàng)手術(shù)中有非常重要的應(yīng)用。而無(wú)線內(nèi)窺鏡作為內(nèi)窺鏡的一種，相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡更是有無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，檢查全面和診斷方便的性能優(yōu)勢(shì)。內(nèi)窺鏡的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了管腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展。內(nèi)窺鏡既可以診斷疾病，也可以治療疾病。內(nèi)窺鏡的臨床診斷具有直觀，準(zhǔn)確， 快速，經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。特別是配合超聲內(nèi)窺鏡，激光內(nèi)窺鏡及鉗取活檢 ，大大提高了對(duì)疾病的確診率。 由于起步時(shí)間較短，此類設(shè)備在技術(shù)上尚有很多難題需要解決，以內(nèi)窺鏡為例，如何讓其停留在某一指定位置進(jìn)行拍攝，圖像分辨率，功耗，價(jià)格等，都是需要解決的問(wèn)題。但不管怎樣，此類設(shè)備的前景是非常光明的。巨大的市場(chǎng)需求驅(qū)使廠家不斷推出性能更高且價(jià)格更低的產(chǎn)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(nèi)窺系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)之前，為使研究工作得以順利開展，避免不必要的曲折，應(yīng)該先對(duì)系統(tǒng) 的功能需求，總體硬件組成等方面進(jìn)行擬定，制定一個(gè)大體框架。以后具體設(shè)計(jì)時(shí)，以此框架一步步展開工作。 系統(tǒng)功能要求分析 首先，對(duì)本內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)最基本的功能要求是能夠捕獲人體內(nèi)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(wú)線傳輸模式。這是內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的兩個(gè)基本功能。內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)要求能在體內(nèi)逗留足夠長(zhǎng)的時(shí)間以便搜集到足夠的樣片，因此，對(duì)系統(tǒng)的功耗要求也比較高。人體內(nèi)的環(huán)境比較幽暗，要能拍到符合要求的樣片，對(duì)光照要求也不能馬虎。 LED 燈發(fā)光強(qiáng)度高，功耗也較低，所以采用 LED 照明。 膠囊微機(jī)電內(nèi)窺鏡系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為兩種：被動(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)式主要是依靠人體腸道的自身蠕動(dòng)而帶動(dòng)膠囊內(nèi)窺鏡運(yùn)動(dòng)，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：功耗較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)；主動(dòng)式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)是依靠系統(tǒng)本身的動(dòng)力，可在人體內(nèi)實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)。這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，功耗也較大?？紤]到知識(shí)儲(chǔ)備等方面的限制，本課題的研究目標(biāo)是能夠做出一個(gè)滿足基本攝像功能的膠囊內(nèi)窺鏡樣品，所以力求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一，只著重對(duì)內(nèi)窺系統(tǒng)的圖像模塊進(jìn)行研究。因此，本設(shè)計(jì)采用被動(dòng)式方案，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)，降低設(shè)計(jì)難度。 因此，本課題目標(biāo)定位為：設(shè)計(jì)一個(gè)被動(dòng)式無(wú)線圖像傳輸內(nèi)窺微機(jī)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(nèi)窺系統(tǒng)組成部分有： （ 1）圖像采集模塊 （ 2）無(wú)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(shè)計(jì) )論文：基于 CMOS 圖像傳感器的內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 圖 內(nèi)窺系統(tǒng)組成示意圖 系統(tǒng)硬件布局 為了將整個(gè)模塊融入內(nèi)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(shè)計(jì)將 LED，圖像傳感器電路，鏡頭結(jié)合在一個(gè) PCB 板上。 根據(jù)內(nèi)窺鏡膠囊的圓柱外形設(shè)計(jì)，將模塊的 PCB 外形圖設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)在背面，以節(jié)省空間，芯片的引腳通過(guò)導(dǎo)線引出再由過(guò)孔連接至背面。 該 PCB 的設(shè)計(jì)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(zhǎng)度，盡量靠近芯片。 經(jīng)過(guò)反復(fù)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(nèi)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(wú)線圖像發(fā)射芯片和微型發(fā)射天線組成，完成對(duì)外部環(huán)境彩色圖像的采集，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換圖像采集模 塊 內(nèi)窺系統(tǒng) 無(wú) 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(hào)，通過(guò)圖像采集發(fā)射模塊采集，并以無(wú)線的發(fā)射方式將圖像信號(hào)發(fā)送出去。整個(gè)系統(tǒng)中存在著幾個(gè)比較關(guān)鍵的技術(shù)：合理選擇透鏡使得能夠采集到體內(nèi)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(jìn)行完整和快速的傳輸。內(nèi)窺鏡膠囊直徑約為 1CM，長(zhǎng)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(jī)械結(jié)構(gòu)集成在其內(nèi)部，因此要嚴(yán)格的限制各個(gè)功能模塊的尺寸。尺寸的限制使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須以盡量簡(jiǎn)單的光路，電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)完成必要的功能。 所說(shuō)的簡(jiǎn)單不是一味的追求簡(jiǎn)單，而是在能夠?qū)崿F(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(biāo)指間達(dá)成一個(gè)最佳的方案。簡(jiǎn)單的光路可以減少光能損耗從而降低對(duì)照明系統(tǒng)的光強(qiáng)要求；簡(jiǎn)單的電路可以降低功耗，簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)則意味一定程度的降低制造工藝要求。遵循簡(jiǎn)單這樣一個(gè)原則，對(duì)膠囊內(nèi)窺鏡的設(shè)計(jì)具有很大的意義。 XXXXXX 本科畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文：基于 CMOS 圖像傳感器的內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 第三章 圖像采集模塊設(shè)計(jì) 如前所述，圖像采集模塊部分是本課題設(shè)計(jì)的核心，因此，對(duì)于各方面的考慮都不能馬虎。下面，對(duì)圖像采集部分進(jìn)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(jié)構(gòu)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(diǎn)。 CCD 圖像傳感器 ＊ CCD 傳感器原理結(jié)構(gòu) CCD 是電荷耦合組件（ Charge Coupled Device）的簡(jiǎn)稱，它內(nèi)部的半導(dǎo)體材料能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)壓縮以后保存起來(lái)就變成我們存儲(chǔ)卡中的照片了，中間的過(guò)程非常復(fù)雜，在這里不再詳解，下面是原理簡(jiǎn)圖。 CCD 光信息 電脈沖 脈沖只反映一個(gè)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(qiáng)弱 脈沖輸出的順序可以反映一個(gè)光敏元的位置 完成圖像傳感 圖 電荷耦合組件工作原理 簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)說(shuō)， CCD 基本工作原理分為四個(gè)階段：（ 1）信號(hào)電荷的產(chǎn)生；（ 2）信號(hào)電荷的存儲(chǔ)；（ 3）信號(hào)電荷的傳輸；（ 4）信號(hào)電荷的檢 測(cè)。 CCD 基本結(jié)構(gòu)分為以下兩部分： （ 1） MOS（金屬 — 氧化物 — 半導(dǎo)體）光敏元陣列：電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千（萬(wàn)）個(gè)光敏元，一個(gè)光敏元又稱一個(gè)像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣 或 第三章 圖像采集模塊設(shè) 計(jì) 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(dǎo)體（ Metal Oxide Semiconductor,MOS）電容陣列組成。 CCD 就像傳統(tǒng)相機(jī)的底片一樣的感光系統(tǒng)，是感應(yīng)光線的電路裝置，可以將它想象成一顆顆微小的感應(yīng)粒子，鋪滿在光學(xué)鏡頭后方，當(dāng)光線與圖像從鏡頭透過(guò)、投射 到 CCD 表面產(chǎn)生電流，將感應(yīng)到的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成數(shù)碼資料儲(chǔ)存起來(lái)。 CCD 像素?cái)?shù)目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會(huì)越清晰。 ＊ CCD 傳感器的分類 CCD 器件分為線陣 CCD 和面陣 CCD，結(jié)構(gòu)上有多種不同形式，如單溝道 CCD、雙溝道 CCD、幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu) CCD、行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu) 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(gòu)成。光敏元和移位寄存器之間有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵， 1024 位線陣，由 1024 個(gè)光敏元 1024 個(gè)讀出移