便攜式消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)*

李 陽 高健翎 屈亞威 張 峰 劉海峰*

消化道疾病是日常生活中的常見病，也是特殊環(huán)境和特殊群體中的高發(fā)病，相關(guān)文獻表明，在基層部隊、突發(fā)性自然災(zāi)害后災(zāi)區(qū)及邊遠地區(qū)消化系統(tǒng)疾病發(fā)病率相對增高[1-2]。消化內(nèi)鏡作為胃腸道疾病最終診斷的金標準，可以實現(xiàn)對消化道疾病的快速準確的診斷和及時有效的治療，但消化內(nèi)鏡系統(tǒng)體積較大，不易搬運與攜帶，導(dǎo)致在邊遠山區(qū)、基層醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)和野戰(zhàn)環(huán)境中缺乏內(nèi)鏡檢查設(shè)備，而難以實現(xiàn)對消化系統(tǒng)疾病的即時診斷與快速救治。因此，實現(xiàn)在山區(qū)及野戰(zhàn)條件下消化道的內(nèi)鏡診療成為亟待解決的問題。

隨著醫(yī)療設(shè)備逐漸向著小型化、便攜化、微型化及低成本化[3-4]的趨勢發(fā)展，醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)應(yīng)運而生，并在普通門診檢查、院外急診搶救及軍隊野戰(zhàn)衛(wèi)勤中發(fā)揮了重要作用，極大提升了醫(yī)療質(zhì)量[5]。為此，本研究自主研發(fā)一款便攜式消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)，以增加機動醫(yī)療和基層篩查中對消化道疾病診療的準確性和及時性。

1 便攜式消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)設(shè)計思路

結(jié)合消化道疾病高發(fā)的實際情況，以及特殊環(huán)境下對消化內(nèi)鏡系統(tǒng)的診療需求，同時借鑒其他醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡的成熟技術(shù)理念，按照“便攜、節(jié)能、組合”的整合方式，對消化內(nèi)鏡系統(tǒng)中體積最大的部分-主機進行改進，并與顯示設(shè)備相整合，研制出一套環(huán)境適應(yīng)能力強的便攜式消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)，該內(nèi)窺鏡設(shè)備基本達到了機動醫(yī)療中攜帶方便、成像效果良好的要求。

2 便攜式消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

便攜式消化內(nèi)鏡主機為通用型醫(yī)療裝備，外觀采用手提式箱體設(shè)計，便于攜帶和運輸，內(nèi)部由電池模塊、光源模塊、前端采集模塊、后端處理模塊及顯示模塊等核心部分組成。該套系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕、攜帶便利以及使用方便等優(yōu)點。

2.1 主機系統(tǒng)外殼設(shè)計

根據(jù)便攜式消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)核心部件的尺寸，手提箱外殼為45 cm×36 cm×29 cm(長、寬、厚)，重量約5 kg。手提箱由箱體和箱蓋兩部分組成，箱蓋內(nèi)部安裝有工業(yè)級液晶顯示屏，箱體內(nèi)為主機核心部件。手提箱外殼由鋁合金材料制成，在箱體上方固定有控制面板，面板部分主要包括總開關(guān)、電源指示燈、通用串行總線(universal serial bus，USB)接口和操作按鈕區(qū)域。總開關(guān)可實現(xiàn)消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)內(nèi)部電路與外接電源的快捷通斷，指示燈可快速了解消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)的電路通斷情況，保障操作的安全性。USB接口用于導(dǎo)出操作過程中采集的視頻和圖像，箱體的前方留有導(dǎo)光插頭連接部的接口，用于連接電子內(nèi)鏡使用，在箱體的側(cè)方及后方分別留有外接電源接口以及散熱口，散熱器可以保證系統(tǒng)適宜的工作溫度(如圖1所示)。

圖1 便攜式消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)外觀實物圖

2.2 主機系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造

該主機系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)成包括電源模塊、光源模塊、顯示模塊、圖像處理模塊和氣水泵等主要組成部分。其中VET-OR1000型醫(yī)用內(nèi)鏡圖像處理器及VET-OR1000型LED冷光源為上海澳華光電內(nèi)鏡有限公司生產(chǎn)的內(nèi)鏡配套產(chǎn)品，可供臨床使用。內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示。

圖2 便攜式消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)框圖

2.2.1 電源模塊

便攜式內(nèi)鏡主機系統(tǒng)要實現(xiàn)隨身攜帶并脫離市電獨立工作，必須憑借電池進行電力支撐。目前，醫(yī)用便攜式內(nèi)鏡系統(tǒng)主要采用大容量鋰電池作為電源[5]。便攜式消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)中使用容量為4400 mAh的鋰電池，經(jīng)測試在連接發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)光源的情況下可以續(xù)航1～2 h，基本滿足野戰(zhàn)環(huán)境下的工作需求。外接電源經(jīng)電源接口輸入電源模塊再充入鋰電池，經(jīng)過電源模塊的穩(wěn)壓可避免外接電源的電壓突變造成的鋰電池損壞。此外，在缺乏外接電源時，鋰電池的蓄電能進入電源模塊，再經(jīng)電路板實現(xiàn)對系統(tǒng)的供電，保證系統(tǒng)在各種復(fù)雜環(huán)境中的使用。

2.2.2 光源模塊

醫(yī)用便攜式內(nèi)鏡系統(tǒng)的能耗高低是影響其工作能力的重要因素，作為內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的主要組成部分之一，光源的功耗占據(jù)了電池耗損的大部分，傳統(tǒng)的氙燈或金屬鹵素?zé)襞菥哂畜w積大、能耗高、產(chǎn)熱多、易破碎等缺點，因此不適合便攜設(shè)備中應(yīng)用[6]。隨著電子技術(shù)的進步，LED作為發(fā)光元件的醫(yī)用高性能白光光源，其輸出光通量和顯色性也逐步提高，完全能夠滿足電子內(nèi)窺鏡對顯色性、色溫及光照度的要求，能夠滿足內(nèi)鏡下檢查和治療的各項標準[7]。在便攜式消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)中，采用上海澳華光電內(nèi)窺鏡有限公司生產(chǎn)的VET-OR1000型LED冷光源作為醫(yī)用電子內(nèi)鏡在臨床觀察時的光源，并具有供氣裝置。該 LED冷光源由機殼、發(fā)光芯片、透鏡和散熱風(fēng)扇幾個部分組成，采用LED前方的透鏡組對LED發(fā)出的光線進行傳導(dǎo)，然后通過外接部光纖傳導(dǎo)至內(nèi)窺鏡實現(xiàn)照明。透鏡中軸與導(dǎo)光插頭連接部的接口中心共線，透鏡前端距離導(dǎo)光插頭連接部的焦距為10～15 cm，連接電子內(nèi)鏡后，LED可以為內(nèi)鏡提供合適的工作亮度，增加內(nèi)鏡下觀察和操作的精準度。LED發(fā)出的光線經(jīng)過兩次光學(xué)透鏡組的聚光作用匯聚在外接光纖接收裝置上，并傳導(dǎo)至內(nèi)窺鏡。LED芯片后方安裝散熱片和風(fēng)扇，從而保證其始終處在合適的工作溫度(如圖3所示)。

圖3 VET-OR1000型LED冷光源示圖

2.2.3 圖像處理模塊

圖像處理模塊是整個主機系統(tǒng)最為重要的部分。該系統(tǒng)采用上海澳華光電內(nèi)窺鏡有限公司生產(chǎn)的VET-OR1000圖像處理器，作為采用光學(xué)纖維導(dǎo)光束的各類醫(yī)用電子內(nèi)鏡產(chǎn)品圖像處理部分。處理器內(nèi)無燈泡或風(fēng)扇，因此體積更輕便、設(shè)計更緊湊、攜帶更方便、工作環(huán)境更安靜，極大減少了電能消耗，降低了燈泡的更換成本。顯卡上配備多種顯示接口，考慮到兼容性問題，本研究采用數(shù)字視頻接口(digital visual interface，DVI)接口通過全數(shù)字格式進行信號傳輸(如圖4A顯示)，可以直接將電腦信號傳輸給顯示器，中間幾乎無信號損失，可以用低成本的專用電纜實現(xiàn)長距離、高質(zhì)量的數(shù)字信號傳輸。

2.2.4 顯示模塊

顯示模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，可以進行術(shù)中圖像的直視觀察，提供即時的手術(shù)視角。本系統(tǒng)中配備一體化的高分辨率工業(yè)顯示屏(奇美電子股份有限公司)，具有節(jié)能、輕便、強度大以及分辨率高的特點，在保證圖像質(zhì)量的前提下最大程度的減小重量、節(jié)省空間，充分滿足移動環(huán)境下使用的需求。該顯示設(shè)備同樣采用DVI接口(如圖4B)，具有傳輸速度快、無拖影現(xiàn)象、無信號衰減、色彩逼真以及圖像清晰等優(yōu)點。

圖4 圖像處理板和與之匹配的DVI接口示圖

2.2.5 氣水泵

氣水泵是內(nèi)窺鏡中的重要裝置，在內(nèi)鏡檢查診斷過程中，需要不時向胃腸道注氣充分撐開腔道進行觀察，同時沖洗消化道黏膜和剝離部位，清洗手術(shù)視野，清晰暴露黏膜表面進行觀察。本研究中使用進口正壓氣水泵(奧林巴斯銷售服務(wù)有限公司)，流量最高可調(diào)至300 ml/min，并且在高原等低氣壓地帶也可安全使用。氣水泵底部通過橡膠條固定在底板上，以減少泵工作時傳遞到底板的震動加速度。

3 便攜式消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)應(yīng)用效果

便攜式消化內(nèi)鏡在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，該主機系統(tǒng)設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便，在移動環(huán)境中由1名醫(yī)護人員即可攜帶和使用，極大節(jié)約了人力，提高了醫(yī)療部門在機動醫(yī)療中的工作效率，基本滿足遂行環(huán)境中對消化道疾病進行即時診斷和快速治療的需求。當(dāng)需要使用時，連接配套的電子內(nèi)鏡至箱體前方的導(dǎo)光插頭連接部接口即可工作，操作過程中充氣打水流暢，鏡下光色自然、亮度適中、聚光性好，使用過程中未發(fā)現(xiàn)有視覺疲勞現(xiàn)象，視野大小合適，采集到的圖像清晰。改進后的主機系統(tǒng)設(shè)計合理，使用效果滿意，在軍事醫(yī)療及機動醫(yī)療中發(fā)揮了積極作用，并且有望應(yīng)用于遠程巡診和社區(qū)醫(yī)院、農(nóng)村基層醫(yī)療機構(gòu)的消化道疾病篩查。

4 討論

消化道疾病的快速診斷和及時治療離不開消化道內(nèi)鏡的應(yīng)用，但是目前內(nèi)窺鏡的大體積、大重量限制了消化道內(nèi)鏡在一些特殊環(huán)境如戰(zhàn)場、基層連隊、邊遠山區(qū)和基層衛(wèi)生醫(yī)療機構(gòu)的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，便攜式消化道內(nèi)鏡的實現(xiàn)成為可能[8]。李真喜等[9]提出，應(yīng)急機動部隊野戰(zhàn)衛(wèi)生裝備應(yīng)滿足防水、抗毀、耐高溫、輕便、精巧實用等方面的要求，并符合野戰(zhàn)環(huán)境、消化內(nèi)窺鏡(包括胃鏡、腸鏡)設(shè)備使用條件及國家標準[10-11]。本研究設(shè)計制作的低功耗便攜式消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)，箱體采用手提箱式設(shè)計，使系統(tǒng)具備便攜性，將核心組成部件合理布局、安裝在箱體內(nèi)，而顯示屏安裝在箱蓋中并與箱體進行整合。通過箱蓋與箱體的配合實現(xiàn)對顯示屏、控制面板等工作部件的良好防護。整個系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)緊湊、精簡，而且內(nèi)鏡外置，適于搬運或攜帶，滿足了不依賴市電、續(xù)航時間久等特殊要求。使用過程中系統(tǒng)所拍實物圖片基本接近于常規(guī)胃鏡等內(nèi)窺鏡的圖片，具有臨床應(yīng)用的巨大潛力。

便攜式消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)基本滿足了機動醫(yī)療中的診療需求，但仍需改進和優(yōu)化。

(1)該套系統(tǒng)的顯卡配備多種顯示接口，但在本研究中只利用DVI接口進行數(shù)據(jù)傳輸，在后續(xù)實驗中將嘗試同時利用其他接口進行多屏幕成像。

(2)為了增加系統(tǒng)在野戰(zhàn)環(huán)境下的工作時間，提高工作效率，需要對電池的容量進行優(yōu)化[12]。電池的體積和容量之間呈正比關(guān)系，因此為了增加系統(tǒng)的待機和工作時間，通常需要增加電池的體積和容量，則導(dǎo)致便攜式電子醫(yī)療設(shè)備十分巨大，不利于攜帶和使用。此外，由于系統(tǒng)體積的限制，電池的體積與容量也受到了一定限制，因此需要開發(fā)更為高效的醫(yī)用設(shè)備鋰電池。

(3)為了滿足工作需要，需要在箱體外殼留有導(dǎo)光插頭連接部接口、外部電源接口以及散熱口，但是箱體上破口太多必然犧牲箱體的密封性和防水防塵性能，因此下一步實驗中將嘗試將這些開口轉(zhuǎn)移至箱子內(nèi)部的面板上，而箱體外部只留有導(dǎo)光插頭連接部接口，并對其進行防水防塵處理。

5 結(jié)語

便攜式消化內(nèi)鏡主機系統(tǒng)可以實現(xiàn)機動環(huán)境下對消化系統(tǒng)疾病的即時診斷與快速救治，不但能夠顯著提高部隊醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)在戰(zhàn)爭和災(zāi)害現(xiàn)場診療的便捷性和準確性，同時還可應(yīng)用于遠距離醫(yī)療巡診和基層醫(yī)療機構(gòu)的消化道疾病篩查工作，改善國內(nèi)偏遠欠發(fā)達地區(qū)基礎(chǔ)醫(yī)療條件落后的現(xiàn)狀，帶來更為深遠的軍事和社會效益。

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