【正文】 功能如下：1—AGND：模擬地2—AVDD：模擬電源3—ABRT：自動(dòng)亮度控制ON/OFF4—BKLT：背光選擇0：關(guān) 1：開5—NC：沒有連接6—VREQ：內(nèi)部電壓參考標(biāo)準(zhǔn)水平。綜合以上各個(gè)方面，考慮選擇OV7930型號(hào)的CMOS模擬傳感器作為內(nèi)窺系統(tǒng)的圖像傳感器?？梢娋拖到y(tǒng)體積要求而言，后兩者更適合。對(duì)于無線內(nèi)窺系統(tǒng) ,如果傳感器視角方向跟內(nèi)窺系統(tǒng)軸向方向相同,則無線內(nèi)窺系統(tǒng)的最小內(nèi)徑是其對(duì)角線的距離 。鑒于所設(shè)計(jì)的內(nèi)窺系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境是在人體內(nèi)，因此要求系統(tǒng)的尺寸盡量小。而OV7930盡管在圖像質(zhì)量方面較OV7910遜色，但差別不是很大，并且它的功耗偏向于OV5116，這對(duì)于對(duì)續(xù)航能力要求較高的內(nèi)窺系統(tǒng)來說，無疑是最佳選擇。 OV5116芯片實(shí)物圖 OV5116型號(hào)的傳感器優(yōu)點(diǎn)之一是功耗比較低，但是對(duì)顏色變化的分辨敏感程度不高。下圖是OV5116的管腳原理示意圖。根據(jù)上面三個(gè)因素，查閱相關(guān)資訊初步將范圍選擇在比較常用的由美國Ominivision公司生產(chǎn)的OV5116，OV7910，OV7930這三種圖像傳感器。 （3）選購成本。 （2）傳感器體積。主要考慮的因素有以下幾個(gè)： （1）性能要求。綜合以上各個(gè)方面的考慮，如開篇題目所示采用基于模擬式CMOS傳感器的設(shè)計(jì)方案。另外，如果本設(shè)計(jì)采用數(shù)字傳感器的話，則在成本，復(fù)雜性等各方面較采用模擬傳感器都處于劣勢(shì)。本設(shè)計(jì)考慮到系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，宜采用體積較小的傳感器。相反，CMOS傳感器靈敏度低，ISO感光度差，低照時(shí)成像清晰度大大降低。 （4）低照度環(huán)境下宜使用CCD攝像機(jī)。CMOS傳感器可以將所有邏輯和控制環(huán)都放在同一個(gè)硅芯片塊上，使攝像機(jī)變得簡(jiǎn)單靈巧，因此CMOS攝像機(jī)可以做得非常小。所以對(duì)于高速攝像場(chǎng)所，選用CMOS攝像機(jī)效果更佳。而CMOS傳感器不需要復(fù)雜的處理過程，直接將圖像半導(dǎo)體產(chǎn)生的光電信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，因此處理非?？?。所有電荷由單一通道輸出，當(dāng)數(shù)據(jù)量大時(shí)就容易發(fā)生信號(hào)擁堵。CCD在工作時(shí)，上百萬個(gè)像素感光后會(huì)生成上百萬個(gè)電荷，每個(gè)專用通道中的電荷全部經(jīng)過一個(gè)放大器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)變。像素越高、尺寸越大的CCD擁有更好的圖像品質(zhì)。（1）圖像質(zhì)量要求高的場(chǎng)合選用CCD攝像機(jī)。新一代的CCD將多CCD和低功耗作為改進(jìn)目標(biāo)；CMOS系列則開始朝大尺寸與高速影像處理晶片相結(jié)合、借由后續(xù)的影像處理修正噪點(diǎn)、提升畫質(zhì)的方向發(fā)展。CCD在影像品質(zhì)等方面優(yōu)于CMOS,但CMOS具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。而CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少，所以很多生產(chǎn)廠商采用的都是CMOS鏡頭。由于CMOS傳感器集成度高，光電傳感元件與電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較為嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖象質(zhì)量影響很大。 （4）耗電量方面：CCD傳感器電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS傳感器只需使用一個(gè)電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢(shì)，對(duì)于電量本來就不足的手機(jī)來說更具優(yōu)勢(shì)。但由于低廉的價(jià)格以及高度的整合性，因此在攝像頭領(lǐng)域還是得到了廣泛的應(yīng)用。 （2）成像方面：在相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確。CCD制造工藝較復(fù)雜，采用CCD的攝像頭價(jià)格都會(huì)相對(duì)比較貴。在無源像素傳感器的像素單元中包括一個(gè)光二極管(PhotoDiode)和一個(gè)MOS管，MOS管作為行選(RowSeleet)，除一個(gè)光二極管外，還包括一個(gè)重置(Reset)MOS管、一個(gè)源極跟隨器(Source Follower) MOS管和一個(gè)行選MOS管。下面是CMOS圖像傳感器的組成框架圖。和CCD的原理基本相同，這里不再贅述。 CMOS圖像傳感器＊CMOS傳感器結(jié)構(gòu)原理CMOS全稱是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。接著這一行電荷信號(hào)在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號(hào)輸出。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵打 第三章 圖像采集模塊設(shè)計(jì)開，電荷信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)。它將感光元件與存儲(chǔ)元件相隔排列。 第三章 圖像采集模塊設(shè)計(jì)該CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高、電極簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但增加了存儲(chǔ)器。在水平消隱周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)的整個(gè)電荷圖像向下移動(dòng)，每次總是將存儲(chǔ)區(qū)最底部一行的電荷信號(hào)移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動(dòng)以視頻信號(hào)輸出。在正常垂直回掃周期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲(chǔ)區(qū)。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。一種結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。 b．面型CCD圖像傳感器 面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。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)讀出移位寄存器組成。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 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）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面陣有規(guī)則地排列。 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)壓縮以后保存起來就變成我們存儲(chǔ)卡中的照片了，中間的過程非常復(fù)雜，在這里不再詳解，下面是原理簡(jiǎn)圖。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。 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。 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。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。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。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。 經(jīng)過反復(fù)的比較，初步選擇如下的系統(tǒng)布局。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，芯片的引腳通過導(dǎo)線引出再由過孔連接至背面。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。 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 第三章 圖像采集模塊設(shè)計(jì)（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： 電源 內(nèi)窺系統(tǒng)圖像采集模 塊無線傳輸模 塊 LED照明模塊 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。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。這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，功耗也較大。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。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。這是內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的兩個(gè)基本功能。所以，圖像采集模塊是必不可少的。以后具體設(shè)計(jì)時(shí)，以此框架一步步展開工作。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。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，都是需要解決的問題。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)。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)窺鏡在微創(chuàng)手術(shù)中有非常重要的應(yīng)用。這些照片通過膠囊內(nèi)部的天線發(fā)射至外部接收裝置。該膠囊內(nèi)窺鏡尺寸為1124mm，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。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，是消化道無損傷性診斷的一個(gè)革命性的技術(shù)創(chuàng)新。世界各國有不少科研機(jī)構(gòu)在從事人體消化道無創(chuàng)檢測(cè)設(shè)備的研究開發(fā)工作，而本文所提到的無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)就是其中有代表性的設(shè)備之一。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)。也在釋藥，主動(dòng)驅(qū)動(dòng)等方面做了不少優(yōu)異的探索。目前，國內(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)的無線圖像傳輸和微型化。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。但在國家相關(guān)政策的扶持下，也取得不少的成果。在其他方面也有研究進(jìn)展，如研究驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)控制方式而不僅僅依靠腸道的自身蠕動(dòng)，為醫(yī)生帶來更大的主動(dòng)性；除內(nèi)窺功能外，還包括藥物釋放機(jī)構(gòu)和組織采樣機(jī)構(gòu)以及溫度傳感與PH值測(cè)量，壓力檢測(cè)及激光治療等功能。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，無線膠囊內(nèi)窺鏡的整體性能將逐漸完善。后者的續(xù)航時(shí)間可達(dá)到72個(gè)小時(shí)。一種適用于圖像檢測(cè)的膠囊內(nèi)窺鏡。醫(yī)生通過檢查此視頻圖像來診斷患者腸道是否有腫瘤或者其他問題。近年來日本的無線系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室推出用于醫(yī)療檢測(cè)的“NORIKA3”系列膠囊內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)，采用CCD攝像機(jī)，所需電力由外界傳送，其運(yùn)動(dòng)可由體外控制。在這方面較為成功的應(yīng)用研究是由以色列Given公司制造的M2A型膠囊式內(nèi)窺鏡。目前這種無線電膠囊已廣泛應(yīng)用于消化道內(nèi)的PH值，壓力，溫度，酶活性以及出血部位的測(cè)定。早在20世紀(jì)50年代，科學(xué)家為了研究消化道機(jī)能，采用了吞服式無線電發(fā)送器來向體外傳送消化道器官中的各類生理和生化信息。這就是世界上第一部真正意義的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。后來他和懷有同樣構(gòu)想的英國人Paul Swain成立了Given Imaging 公司專門開發(fā)這種探測(cè)設(shè)備。這得追溯到上世紀(jì)八十年代。隨著近年來新材料，新器件，新技術(shù)特別是微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展，新型內(nèi)窺鏡尺寸越來越微型化，精度也越來越高。它的成像主要依賴于鏡身前端設(shè)備的圖像傳感器，就像一臺(tái)微型攝像機(jī)，將圖像經(jīng)過圖像傳感器處理后顯示在電腦屏幕上，這比普通光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡的圖像清晰，色澤逼真，分辨率高，而且可以供多人同時(shí)觀看。 電子內(nèi)窺鏡時(shí)代1983年美國Welch Allyn公司研制并應(yīng)用電荷耦合器件代替了內(nèi)窺鏡的光導(dǎo)纖維導(dǎo)像術(shù)，宣告了電子內(nèi)窺鏡的誕生——內(nèi)窺鏡發(fā)展史上的一次歷史性的突破。1967年Machida公司采用外部冷光源，使光亮度大增，可發(fā)現(xiàn)小病灶，視野進(jìn)一步擴(kuò)大，可以觀察到十二指腸。60年代，日本的Olympus公司在光導(dǎo)纖維胃鏡的基礎(chǔ)上，加裝了取活檢裝置和照相機(jī)。 1 光導(dǎo)式纖維內(nèi)窺鏡1954年，英國的Hopkins和Kapany發(fā)明了光導(dǎo)纖維技術(shù)。1895年，Rosenhein研制的硬管式內(nèi)窺鏡有三根管子呈同心圓設(shè)置，中心管為光學(xué)結(jié)構(gòu)，第二層管腔內(nèi)裝上鉑絲圈制的燈泡和水冷結(jié)構(gòu)。所以內(nèi)窺鏡的發(fā)展離不開光源的進(jìn)展。1881年Mikulicz制成了硬直管式胃鏡。1826年德國的Segale制成了膀胱鏡。原始的舊式內(nèi)窺鏡也叫直管式內(nèi)窺鏡。 內(nèi)窺系統(tǒng)發(fā)展的歷史縱觀內(nèi)窺鏡的發(fā)展歷史，主要經(jīng)歷了舊式內(nèi)窺鏡，光導(dǎo)式纖維內(nèi)窺鏡，電子式內(nèi)窺鏡三個(gè)時(shí)期。本課題旨在參考原有技術(shù)資料，對(duì)相關(guān)的內(nèi)窺微機(jī)電產(chǎn)品的原理，性能等進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種模擬式的無線膠囊內(nèi)窺鏡診斷系統(tǒng)。而且，受光學(xué)特性和視角的限制，對(duì)消化系統(tǒng)非形態(tài)性改變的隱性出血炎癥等也難以明確診斷。例如在消化道的檢查方面，傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡使用機(jī)械插入插管的方式將攝像頭和組織取樣等裝置深入到人體病變部位對(duì)其進(jìn)行診斷，或組織取樣，微型手術(shù)等。目前對(duì)于這類疾病最常用也是最直接的診查措施就是采用醫(yī)用內(nèi)窺鏡對(duì)病變部位進(jìn)行檢查。系統(tǒng)盡可能地減少外圍電路，從而嚴(yán)格控制