一種極低功耗膠囊內(nèi)窺鏡的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周丁華，姜漢鈞，王月娟，呂曉娟，王志華

1.第二炮兵總醫(yī)院 全軍肝膽胃腸病中心，北京 100088；2.清華大學(xué) 微電子學(xué)研究所，北京 100084

一種極低功耗膠囊內(nèi)窺鏡的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周丁華1，姜漢鈞2，王月娟1，呂曉娟1，王志華2

1.第二炮兵總醫(yī)院 全軍肝膽胃腸病中心，北京 100088；2.清華大學(xué) 微電子學(xué)研究所，北京 100084

本文闡述了一種功耗低、成本低、體積小、分辨率高的新型膠囊內(nèi)窺鏡的設(shè)計(jì)及應(yīng)用過程。該膠囊內(nèi)窺鏡主要由口服內(nèi)視鏡（智能膠囊）、便攜式基站（接收記錄儀）以及圖像工作站組成，其內(nèi)部電路能耗極低，能有效延長有效工作時(shí)間，提升成像質(zhì)量。臨床應(yīng)用結(jié)果表明，該膠囊內(nèi)窺鏡性能較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，具有一定的臨床實(shí)用價(jià)值。

膠囊內(nèi)窺鏡；口服內(nèi)視鏡；便攜式基站；圖像工作站

以色列Given Image公司在2001年成功研發(fā)出無線膠囊式內(nèi)窺鏡“M2A”，并將其廣泛應(yīng)用于消化道疾病的臨床診斷[1-2]。鑒于膠囊內(nèi)窺鏡使用安全、便捷、舒適等特點(diǎn)，其他公司也相繼推出了不同類型的膠囊內(nèi)窺鏡，例如，日本RF System Lab在2002年研制出了世界上最小的膠囊內(nèi)窺鏡“Norika3”，實(shí)現(xiàn)了無線供電功能；韓國的IntroMedic公司在2003年推出了MICRO膠囊內(nèi)窺鏡；美國的Smart Crop公司在2004年推出了Smart Pill膠囊內(nèi)窺鏡等。國內(nèi)從事這方面研究的單位主要有清華大學(xué)、重慶大學(xué)、重慶金山科技集團(tuán)和合肥智能機(jī)械研究所等。國內(nèi)首款膠囊內(nèi)鏡由重慶金山科技集團(tuán)在2004年推出并在國內(nèi)推廣，關(guān)于膠囊內(nèi)窺鏡的臨床應(yīng)用研究也逐步增多[3]。但目前市場上的多數(shù)膠囊內(nèi)窺鏡智能化程度不高，仍有許多關(guān)鍵技術(shù)問題亟待解決。2005年，我院與清華大學(xué)開展合作，在分析現(xiàn)有膠囊內(nèi)窺鏡構(gòu)造原理的基礎(chǔ)上，通過自行設(shè)計(jì)極低功耗數(shù)模混合集成電路芯片和電子系統(tǒng)封裝技術(shù)，研發(fā)出新一代智能膠囊內(nèi)窺鏡—HT型膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)。此款膠囊內(nèi)窺鏡體積小、成本低、所成圖像清晰，對(duì)于臨床消化道隱匿性出血的診斷具有一定價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

HT型智能膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)主要由口服內(nèi)視鏡（智能膠囊）、便攜式基站(接收記錄儀)、圖像工作站組成。其工作原理為：受檢者口服智能膠囊（膠囊內(nèi)置數(shù)字?jǐn)z像與信號(hào)傳輸裝置），膠囊借助消化道的蠕動(dòng)在消化道內(nèi)運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行拍照，隨后將圖像無線傳輸?shù)襟w外便攜式接收記錄儀進(jìn)行存儲(chǔ)；醫(yī)生通過圖像工作站分析接收到的圖像，了解受檢者的消化道狀況，從而對(duì)其病情做出診斷。HT型智能膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，見圖1。

1.1 智能膠囊電路芯片設(shè)計(jì)

智能膠囊主要由自主研發(fā)的ECS1020芯片和一顆通用VGA圖像傳感器構(gòu)成。一般來說，膠囊內(nèi)窺鏡在電池電量受限（根本原因是體積受限）的情況下，由于專用芯片功能及功耗的限制，普遍存在工作時(shí)間短、工作模式單一、所成圖像分辨率及幀率低等缺點(diǎn)，常無法滿足患者或醫(yī)護(hù)人員的多樣化需求。因此，設(shè)計(jì)功耗更低、工作模式更靈活、支持更高圖像分辨率和幀率的專用系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）是開發(fā)高性能膠囊內(nèi)窺鏡產(chǎn)品的核心工作。通過對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，本研究最終設(shè)計(jì)了一款ECS1020芯片，其整體架構(gòu)圖，見圖2。

圖1 HT型智能膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 ECS1020芯片整體架構(gòu)圖

為降低芯片功耗，從而保證膠囊內(nèi)鏡的工作時(shí)間，本研究采取了如下措施。

（1）在ECS1020芯片內(nèi)部集成兩個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器電路：20 kHz的低功耗低頻時(shí)鐘以及24 MHz的晶體振蕩電路。在工作狀態(tài)下，兩個(gè)時(shí)鐘電路都會(huì)打開；在空閑狀態(tài)下，24 MHz電路會(huì)被切斷以節(jié)約功耗。

（2）在ECS1020芯片射頻收發(fā)機(jī)單元（圖2右上角模塊）中，本振電路壓控振蕩器和分頻器、MSK調(diào)制的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和混頻器采用電流復(fù)用技術(shù)設(shè)計(jì)[4]（圖3），可大大降低芯片功耗。同時(shí)，射頻收發(fā)端口與耦合天線實(shí)行一體化設(shè)計(jì)，天線可直接作為混頻器的負(fù)載，從而節(jié)省電路功耗[5]。

（3）ECS1020芯片采用由專用的圖像濾波算法和標(biāo)準(zhǔn)的JPEG-LS壓縮算法組成的無損/準(zhǔn)無損圖像壓縮算法[6]。在圖像壓縮器單元測試中，測試時(shí)鐘頻率設(shè)置為20 MHz，電源電壓設(shè)置為0.95 V，當(dāng)以15 fps的速率對(duì)VGA格式的Bayer圖像進(jìn)行壓縮時(shí)，該模塊的功耗僅約0.85 mW。

圖3 本振電路設(shè)計(jì)圖

在樣機(jī)測試中，僅使用兩節(jié)1.5 V氧化銀電池，該膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)的持續(xù)工作時(shí)間就可達(dá)14 h以上，其射頻收發(fā)機(jī)的能量效率達(dá)1.3 nJ/bit。同時(shí)，該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了圖像分辨率可控的目標(biāo)，最高圖像分辨率達(dá)480像素×480像素。

1.2 便攜式基站設(shè)計(jì)

便攜式基站的功能是接收智能膠囊內(nèi)窺鏡從體內(nèi)發(fā)射來的圖像數(shù)據(jù)，并提供配置智能膠囊的功能[7]。該裝置主要由穿戴在受檢者身上的天線陣列和無線收發(fā)、數(shù)據(jù)記錄裝置構(gòu)成，用于接收口服內(nèi)視鏡捕獲的圖像并進(jìn)行存儲(chǔ)，也可通過USB接口與檢測控制臺(tái)連接，直接將接收到的圖像傳送至檢測控制臺(tái)，并可接收檢測控制臺(tái)的控制指令。便攜式基站主要電路模塊包括MSK接收機(jī)、OOK發(fā)射機(jī)、可完成MSK解調(diào)的FPGA芯片、用于存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)NandFlash芯片、USB 2.0控制器、電源管理模塊等。

便攜式基站增益控制的方法是將放大因子選擇模塊選出的放大因子與輸入數(shù)據(jù)相乘，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)放大功能。由于放大因子均為較特殊的數(shù)，因此增益控制可以采用移位和加減法的組合來實(shí)現(xiàn)。具體操作方法見表1。

表1 便攜式基站增益控制操作表

輸入量化方式為（16,11），增益控制輸出的量化方式依然為（16,11）。

溢出控制代碼如下：

for sig_idx=1:length(arec_sig)real_rec_sig=real(arec_sig(sig_idx)); imag_rec_sig=imag(arec_sig(sig_idx)); //信號(hào)循環(huán)判斷開始，取出循環(huán)所到位置復(fù)數(shù)的實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分分別賦值給real_rec_sig和imag_rec_sig兩個(gè)變量

if real_rec_sig＞sum(1./(2.^(1:7)))

real_rec_sig=sum(1./(2.^(1:7))); // 如果實(shí)數(shù)的值大于最大值，那么說明實(shí)數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)溢出了，實(shí)數(shù)部分值變?yōu)樽畲笾?/p>

elseif real_rec_sig＜-1 real_rec_sig=-1; // 如果實(shí)數(shù)部分值小于-1，說明實(shí)數(shù)部分依然溢出了，實(shí)數(shù)部分值為最小值-1

end

if imag_rec_sig＞sum(1./(2.^(1:7))) imag_rec_sig=sum(1./(2.^(1:7)));

elseif imag_rec_sig＜-1 imag_rec_sig=-1;

end//如果虛數(shù)部分值大于最大值，則溢出，虛數(shù)部分值被賦值為最大值；虛數(shù)部分的值小于最小值，說明值溢出了，虛數(shù)部分值被賦值為最小值

frec_sig(sig_idx)=

fi(complex(real_rec_sig,imag_rec_sig),1,8,7,FR);

end// 最后將實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分重新組成復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制儲(chǔ)存在新數(shù)組中

本研究所設(shè)計(jì)的便攜式基站體積小、重量輕、攜帶方便，并且具有高速無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的無線通訊功能，具有大容量的存儲(chǔ)能力。

1.3 圖像工作站設(shè)計(jì)

圖像工作站主要提供可輔助醫(yī)生診斷的圖像處理、自動(dòng)識(shí)別和病案管理等功能[8-9]。醫(yī)生可通過圖像工作站對(duì)膠囊內(nèi)鏡拍攝到的圖片進(jìn)行閱覽、分析、診斷。圖像工作站的功能模塊主要包括數(shù)據(jù)通信模塊、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和系統(tǒng)功能模塊。圖像工作站可通過射頻鏈路（經(jīng)由數(shù)據(jù)記錄儀）向膠囊式內(nèi)窺鏡發(fā)送控制指令，對(duì)膠囊式內(nèi)窺鏡的圖像采集等功能進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可實(shí)現(xiàn)改變照明時(shí)間和強(qiáng)度，調(diào)節(jié)圖像采集速率、尺寸、壓縮比以及控制膠囊內(nèi)部電路的工作與休眠等功能，還可提供圖像數(shù)據(jù)與病案管理功能，能夠自動(dòng)篩選圖像，輔助醫(yī)生完成診斷。圖像工作站的基本界面圖，見圖4。

圖4 圖像工作站基本界面圖

2 產(chǎn)品封裝

目前基于ECS1020芯片的膠囊內(nèi)窺鏡產(chǎn)品已經(jīng)取得中華人民共和國醫(yī)療器械注冊(cè)證（國食藥監(jiān)械(準(zhǔn))字2011第3220266號(hào)）。ECS1020芯片可以裸片或QFN48封裝形式提供給用戶。應(yīng)用ECS1020封裝芯片制成無線膠囊內(nèi)窺鏡的流程圖，見圖5。

圖5 基于ECS1020芯片的膠囊內(nèi)窺鏡產(chǎn)品封裝流程圖

本研究通過充分調(diào)研，選用生物兼容的高分子材料作為智能膠囊的外殼，通過外協(xié)制作了精密的注塑模具，用于智能膠囊外殼的成型，并通過細(xì)胞毒性、皮內(nèi)刺激、致敏反應(yīng)等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了封裝的有效性和可靠性。

3 臨床應(yīng)用

本研究采用自主研發(fā)的HT型膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)觀察了5位排除了消化系統(tǒng)疾病及神經(jīng)、精神疾病的健康志愿者（所有受檢者在檢查前均被告之相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)并簽署知情同意書）的消化道狀況。所有受檢者在檢查前一天22:00后禁食，受檢當(dāng)日5:00飲用2000 mL聚乙二醇，排清水樣大便后赴院檢查。受檢者在穿戴無線數(shù)據(jù)記錄儀15 h后溫水吞服膠囊，當(dāng)確認(rèn)膠囊通過幽門進(jìn)入小腸后受檢者可自由活動(dòng)，最后在排便器內(nèi)排便，確認(rèn)膠囊排出體外。所有受檢者從吞服膠囊至將膠囊排出體外的全部過程中，未出現(xiàn)任何急性或延遲性并發(fā)癥，證實(shí)了該膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)的安全性和便捷性。

此外，本研究還應(yīng)用該膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)對(duì)12例疑為小腸隱匿性出血的患者施行了全消化道檢查，檢查前均與患者簽署了知情同意書。患者納入標(biāo)準(zhǔn)為：① 便血或間斷黑便，大便潛血試驗(yàn)陽性者；② 經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)消化道潰瘍等病變者；③ 排除血液系統(tǒng)疾病，血紅蛋白濃度≥70 g/L者。排除標(biāo)準(zhǔn)為：① 證實(shí)或懷疑有消化道畸形、胃腸道梗阻、消化道穿孔、狹窄或瘺管者；② 體內(nèi)植入有心臟起搏器或其他電子儀器者；③ 各種急性腸炎、嚴(yán)重缺血性腸病者；④存在嚴(yán)重吞咽困難者；⑤ 對(duì)材料過敏者；⑥ 精神異常或無自主行為能力者。在整個(gè)檢查過程中，全部受檢患者均無不良反應(yīng)或并發(fā)癥出現(xiàn)，依從性良好。在記錄儀有效記錄期間，12例患者體內(nèi)的膠囊均順利到達(dá)回盲部，其中6例患者的膠囊順利通過回盲瓣進(jìn)入大腸。每例患者平均記錄圖像63761幀（58040～67195幀），下載數(shù)據(jù)的時(shí)間長度約8.5 h。12粒膠囊均順利排出體外，平均排出時(shí)間約20 h （8～38 h）。在12例患者中，檢出小腸血管發(fā)育不良6例，空腸出血3例，小腸腫瘤1例；對(duì)另外2名黑便患者，膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)的檢查結(jié)果為陰性。該膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)的總體陽性檢出率為83.3%，獲取的絕大多數(shù)圖像清晰可辨，表明HT型膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)作為消化道隱匿性出血的診斷方法具有較好的安全性和有效性。

4 結(jié)果與展望

本研究開發(fā)的HT型膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)采用極低功耗數(shù)模混合集成電路芯片（ECS1020芯片）和電子系統(tǒng)封裝技術(shù)設(shè)計(jì)，功耗低、性價(jià)比高；采用獨(dú)特的雙向通訊機(jī)制，擁有靈活的調(diào)控功能，使用新型無損圖像壓縮技術(shù)，可獲得高分辨率和幀率的圖像。

HT型膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)雖然通過降低內(nèi)部電路能耗，大幅延長了膠囊內(nèi)鏡的有效工作時(shí)間，提升了成像質(zhì)量，但仍有許多關(guān)鍵技術(shù)問題尚未解決。此外，該內(nèi)鏡系統(tǒng)仍然是一種被動(dòng)式檢查系統(tǒng)，不能自動(dòng)、準(zhǔn)確地完成體內(nèi)診療流程。因此，未來本研究會(huì)進(jìn)一步研發(fā)既具有直視、活檢功能，又能夠按照指令在消化道中全方位自主運(yùn)動(dòng)，無遺漏地捕獲消化道內(nèi)壁圖像的新一代微型機(jī)器人內(nèi)鏡診療系統(tǒng)。

[1] 張智高,尚慶玲,李群,等.膠囊內(nèi)鏡技術(shù)研究進(jìn)展[J].國際消化病雜志,2013,33(3):180-181,213.

[2] 李紅燕,宋曉軍.膠囊內(nèi)鏡檢查前兩種腸道準(zhǔn)備方法效果分析[J].中國實(shí)用醫(yī)刊,2014,41(6):121.

[3] 周環(huán),張惠晶,汪旭,等.70例膠囊內(nèi)鏡檢查的臨床應(yīng)用分析[J].內(nèi)鏡雜志,2011,17(1):49-52.

[4] 郭鑫,龔敏,劉林濤.基于電流復(fù)用技術(shù)的LC壓控振蕩器[J].微電子學(xué),2011,(4):528-531.

[5] 李琛,趙宇航,陳龍,等.醫(yī)療內(nèi)窺檢查超低功耗電感復(fù)用射頻前端芯片設(shè)計(jì)[J].中國集成電路,2012,(12):50-56,61.

[6] 田勇,丁學(xué)君.數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的研究及進(jìn)展[J].裝備制造技術(shù),2007,4(4):72-75.

[7] 王東旭,丁國旭,張?zhí)煊?等.多層螺旋CT小腸造影與腸膠囊內(nèi)鏡聯(lián)合應(yīng)用對(duì)小腸常見腫瘤的術(shù)前評(píng)估價(jià)值[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2015,30(7):36-39.

[8] 呂國嵐.膠囊內(nèi)鏡便攜式接收系統(tǒng)及內(nèi)鏡圖像出血識(shí)別算法研究[D].上海:上海交通大學(xué),2012.

[9] 楊鵬舉.膠囊內(nèi)鏡圖像工作站系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢:華中科技大學(xué),2012.

Implementation and Application of the Low Power Consumption Capsule Endoscopy

ZHOU Ding-hua1, JIANG Han-jun2, WANG Yue-juan1,
LV Xiao-juan1, WANG Zhi-hua21.The Center of Liver, Gallbladder, and Gastrointestinal Disease of the Whole Army, the Second Artillery General Hospital of PLA, Beijing 100088, China; 2.The Institute of Microelectronics, Tsinghua University, Beijing 100084, China

The paper explained the design and application of a new kind of capsule endoscopy which was characterized by low power consumption, low cost, small volume, and high resolution. The capsule endoscopy was composed of an oral endoscopy (Smart Pill), a portable image receiver, and an image workstation. The capsule endoscopy lowers the power consumption, which can greatly extended the active working time and improve the image quality. The clinical application indicates that the capsule endoscopy performed well and met the design purpose,which has certain value in clinical practice.

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.02.012

1674-1633(2016)02-0052-04

2015-11-11

2015-12-11

軍隊(duì)“十一五”杰出人才課題（06J003）；國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2008AA0107102)。

本文作者：周丁華，主任醫(yī)師。

郵箱：zhoudh@sina.com

Abstract:: capsule endoscopy; oral endoscopy; portable image receiver; image workstation