一種基于CCD成像的便攜式內窺鏡顯示系統設計

賈偈，龔純貴

上海東方肝膽外科醫院 儀器設備科，上海 200438

引言

傳統臨床使用中的光導纖維內窺鏡，一般由醫生直接通過物理目鏡或將其接至數字圖像處理器后在監視器上觀察病灶或進行診療操作。直接觀察目鏡的方式在使用上不夠方便，醫生的眼睛需要對準目鏡才能看到圖像，另外也不便于多位醫生同時會診；直連外部圖像處理器的方式由于設備體積較大，當設備需要外借，或遇到需要遠距離的移動時就不夠方便[1]。

本文設計的便攜式內窺鏡顯示系統彌補了以上不足，簡易替代了圖像處理器和監視器，通過內置高清CCD 攝像機的成像機構，直接與內窺鏡目鏡對接，然后在TFT 液晶顯示屏上顯示目鏡中呈現的影像[2]。本系統與目鏡連接的接口能夠匹配市場上大多數光導纖維內窺鏡的目鏡。便攜式內窺鏡顯示系統能便于使用者操作，可隨身攜帶。采用三晶片CCD 成像[3]，成像質量高，清晰度好。配套光源采用大功率LED 燈[4]，亮度高，自然光色度。通過無線視頻信號傳輸[5]，成像機構和顯示機構各自獨立，使用操作過程中不受影響。

本系統可以配合內窺鏡進行麻醉及搶救時的導入氣管插管，吸痰，觀察病變部位并取活檢作病理檢查，夾取異物，電凝止血，切除息肉等[6]。它是鑒于傳統內窺鏡和電子內窺鏡之間衍生出的輔助設備，電子內窺鏡的售價要遠高于傳統內窺鏡，采用本系統可實現傳統內窺鏡的數字化升級，作為電子內窺鏡的一種替代方案。

1 系統設計

1.1 工作原理

內窺鏡目鏡的影像，經攝像機鏡頭聚焦到CCD 芯片上，CCD 根據光的強弱聚集相應電荷，并周期性放電，產生代表畫面的視頻信號，通過無線視頻發射模塊傳輸到接收模塊，然后視頻信號經過液晶屏驅動電路作濾波放大等處理，把圖像還原到TFT 液晶屏[7]。

1.2 系統結構

系統主要由三部分組成：成像機構、顯示機構和光源機構。

該套系統由成像機構連接內窺鏡目鏡采集圖像，光源機構連接內窺鏡導光接口提供照明，顯示機構接收從成像機構發來的2.4 GHz 無線視頻信號，當視頻信號遇到干擾導致顯示圖像不清晰時，可切換成有線電纜連接成像機構與顯示機構。整體系統結構圖，見圖1。

圖1 系統結構圖

1.3 元器件選型和設計

該系統主要元器件有CCD 攝像機、TFT 液晶顯示屏及其驅動電路板、聚合物鋰離子電池[8]、無線發射和接收模組、大功率LED 和主控制電路板。

1.3.1 CCD攝像機

攝像機內部由三晶片CCD 采集圖像，不使用濾色片，將光信號通過分光棱鏡得到紅綠藍三色光，其中紅光和藍光分別經過兩次反射，三色光分別由三塊相同的CCD 采集，這種采集方式屬于完全采集，無損接收[9]。無論在清晰度還是色彩還原度上，都遠遠超過單晶片成像系統[10]。三晶片CCD 成像原理圖如圖2 所示。

圖2 三晶片CCD成像原理圖

每片CCD 選用1/3 英寸的單色CCD，其尺寸小，適用于便攜式設備。攝像機控制電路采用高清DSP 信號處理芯片，對接三片單色CCD，通過三原色疊加計算，還原出彩色圖像。

1.3.2 TFT液晶屏及其驅動電路板

該元器件的主要功能是接收視頻信號，然后經過轉碼和放大，最終轉換成圖像，顯示在液晶屏上。驅動板提供DC/DC 電壓轉換模塊，對主控制電路板提供的12 V 直流電壓進行降壓。液晶屏及其驅動電路結構示意圖如圖3 所示。

圖3 液晶屏及其驅動電路結構示意圖

本系統選用5.6 英寸帶LCD 背光的TFT 液晶屏，屏幕尺寸適用于便攜式設備。驅動電路板信號輸出接口支持VGA 輸出和HDMI 高清輸出，最高分辨率達1920×1080。板卡采用嵌入式系統，使用標準的H264 編碼圖像壓縮算法[11]，可以支持圖像拍照和視頻存儲。

1.3.3 聚合物鋰離子電池

電池類型為二次聚合物鋰離子電池，電芯尺寸4.4 mm×50.0 mm×61.0 mm，標稱電壓7.4 V，標準放電電流0.2 C5A，放電截至電壓5.5 V。電池雙層折邊工藝，側邊絕緣（圖4）。電池外加保護板和引線插頭，可直接連接主控制電路板接口插座。

圖4 鋰聚合物電芯雙層折邊示意圖

1.3.4 無線視頻發射和接收模塊

無線視頻發射模塊采用TX6729，發射頻段為2.4 GHz，四通道可調，由主控制電路板提供5 V 直流電壓進行工作。無線視頻接收模塊采用RX2988，接收頻段與發射模塊相對應，工作電壓與發射模塊相同。

1.3.5 大功率LED

大功率高亮冷光LED 的主要功能是給內窺鏡操作提供照明，因為內窺鏡本身是不帶光源的，當進入到人體后，沒有光源是無法看到圖像的，通過安裝在內窺鏡導光接口上的光源機構就能為內窺鏡的操作提供必要的照明條件。LED（Light Emitting Diode，發光二極管）是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光，本系統采用的大功率LED 是能夠滿足醫用光源要求的冷光源[12]。由于大功率LED 在工作的過程中會散發大量的熱，需把LED 焊接在鋁基板上，鋁基板導熱部分使用導熱硅脂黏附在散熱片上[13]。LED驅動電路主要器件是LM2596S開關電壓調節器，它能夠穩定輸出3 A 的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性，選用固定3.3 V 的輸出電壓。LED 驅動電路如圖5 所示。

圖5 LED驅動電路

1.3.6 主控制電路設計

本系統主控制電路板分別位于成像機構和顯示機構，其功能相似，除印制板形狀和軟件部分略有不同之外，硬件方面大體相同。

主控芯片采用STC12C5201AD 單片機。GLED、RLED采用頻率占比指示電量，綠色為電量充足，紅色為電量低，紅綠混合出的橙色強弱表示電量不同等級，PowerLED 為開機指示燈。WirelessEn 是給無線模塊供電的使能端，高電平啟動供電，低電平停止供電。SWDet 表示開機按鈕延時檢測，防止誤觸開關導致的開機。PowerDet 用于檢測系統是否已通電。CableDet 用于檢測成像機構和顯示機構之間是否有電纜連接。BTEn于控制鋰電池是否為電路板供電，12VEn 用于控制攝像機或液晶屏驅動板供電。主控制模塊如圖6 所示。

圖6 主控制模塊

電源管理芯片采用FDS4935，主要功能是電源保護，降壓和開關控制。BT 端連接鋰電池正極，承載7 V 標稱電壓，當S1 按鈕按下后，SWDet 由低電平轉為高電平，延時保持后，主控芯片將BTEn 輸出高電平，三極管Q1 觸發，使得FDS4935 的G1 和G2 引腳變成低電平后，D1、D2 端輸出供電電壓。同理，也用這種方式為無線發射和接收模塊供電。電源管理模塊如圖7 所示。

圖7 電源管理模塊

升壓芯片采用CS5171 提供5 V 到12 V 的升壓功能，穩定提供大電流輸出。當VCC 端有電壓供電時，12 VEn高電平輸入S 端，將VCC 電壓升壓到12 V。FB 端為正向電壓調節反饋端，參考值為1.276 V。升壓模塊如圖8 所示。

圖8 升壓模塊

1.3.7 其他器件

視頻連接電纜，用于成像機構與顯示機構間的有線連接，在操作條件受限或無線信號干擾嚴重的情況下使用[14]。

無線接收天線，是安裝在顯示機構頂部暗埋孔內的部件，它是可拆卸的，在正常使用的過程中，一般不需要安裝，其目的僅用于加強無線視頻信號的接收能力[15]。

電源充電器，是專供鋰電池充電的器件，成像機構和顯示機構都內置有可充電鋰電池，當電量指示燈提示需要充電時，可使用充電器分別為其充電[16]。

2 軟件設計

本軟件功能主要用于便攜式內窺鏡顯示系統啟動與停止，電源指示燈和電量指示燈的顯示，電纜連接檢測等。用于內窺鏡顯示的輔助系統，系統獨立于內窺鏡，不存在干涉，當系統存在故障可直接棄用，并不影響內窺鏡的常規使用，因此本系統的安全性級別為A 級，不可能對健康有傷害和損壞。

2.1 結構功能

軟件部分主要包括系統開關延時檢測、電纜檢測、電壓檢測和電源管理四個部分。

2.2 需求分析與設計

確定軟件要達到的功能目的，核心是電源控制，能夠檢測內部電源的電壓值，同時輸出給不同模塊的相應電壓值。開關機具有延時防誤操作檢測功能，有線和無線方式的切換供電控制等。

延時檢測的功能包含開機和關機的延時，防止用戶誤操作導致非正常開關機。電纜檢測的功能主要用于監測顯示和成像機構之間是否是有線連接，如果是通過電纜連接的話，則無線收發模塊將斷開供電。電壓檢測的功能主要是監測內部電源的輸出是否能持續供應設備的正常工作，如果電源欠壓會通過電量指示燈進行提醒。電源管理的主要功能是為不同模塊供電，包括無線模塊、成像模塊、顯示模塊和光源模塊。軟件架構設計圖如圖9 所示。

圖9 軟件架構設計圖

3 系統測試與結果

3.1 連接使用

3.1.1 視頻傳輸

測試方法：測試時放置一張寫有“A”字，大小為10號字體的白紙置于設備攝像機鏡頭前端50 cm 處，攝像機與顯示屏相距1.5 m 后，打開設備，調節攝像機調焦輪至顯示屏上清晰可見該“A”字并連續保持10 min。

3.1.2 目鏡接口

測試方法：攝像機與內窺鏡目鏡相連接后，緊固螺栓擰緊，手握內窺鏡把手，輕微晃動，攝像機應良好的與內窺鏡固定在一起。

3.2 視頻解析度

測試方法：攝像機放置在距測量電視線的清晰度卡50 cm處，打開設備，調節攝像機調焦輪至圖像清晰。視頻解析度可達到700 TV Lines。

3.3 圖像失真度

測試方法：在標準光源箱中的D65 光源測試環境下，攝像機拍攝畸變圖卡并輸出圖像至通用軟件Imatest SPL-QC 中測試數值，其結果畸變≤1%。

3.4 色彩還原度

測試方法：在標準光源箱中的D65 光源測試環境下，攝像機拍攝色彩測試卡并輸出圖像至通用軟件Imatest SPLQC 中測試數值，色彩還原誤差＜20。

3.5 信噪比

測試方法：在標準光源箱中的D65 光源測試環境下，攝像機拍攝信噪比卡并輸出圖像至通用軟件Imatest SPLQC 中測試數值，信噪比≥42 dB。

3.6 調焦距離

測試方法：攝像機對準清晰度卡，調節調焦輪，在規定的焦距范圍內可清晰成像，調焦距離40～60 cm。

4 結論

本系統作為光纖內窺鏡輔助設備，可以滿足臨床使用的技術要求。目前該產品已經獲得醫療器械注冊證，并已投入到臨床使用中。產品實物圖如圖10 所示。

與此同時，在與內窺鏡等外接設備配套使用中不存在較大的風險，所有在使用過程中可能對使用者或患者產生風險的情況僅限于外接設備本身。當外接設備發生故障時，應按外接設備的風險管理程序控制，本產品的具體性能和參數不會因為外接設備的故障而失效，產品的安全性得到有效保障。臨床使用中至今沒有出現任何一例不良事件，臨床使用效果圖如圖11 所示。

圖10 產品實物圖

圖11 臨床使用效果圖

便攜式內窺鏡顯示系統利用高分辨率CCD 鏡頭將光學目鏡采集到的圖像實時輸出，通過無線信號傳輸到高清晰顯示屏，改變了通過目鏡觀察操作區域的方式，降低了光學內窺鏡的使用難度，改變了使用者工作模式，解放了操作者雙眼，適用于光學內窺鏡的數字化升級，簡化了目前攝像系統繁重設備，從而降低了高昂成本。全球人口老齡化、人們生活水平提高和偏遠地區對醫療服務需求增加等因素正促使傳統醫療方式的變革，移動性和便攜性逐步成為影響醫療電子產業的關鍵。