淺談醫用內窺鏡攝像系統改進設計

劉艷

摘? 要：在傳統的醫用內窺鏡攝像系統中，臨床醫學領域普遍采用標清的內窺鏡攝像系統用于醫學檢查。隨著科技的不斷發展，物聯網技術興起，為醫用內窺鏡攝像系統提供了實現遠程醫療的可能性。該文主要圍繞醫用內窺鏡和醫用內窺鏡用手柄的硬件結構設計、醫用內窺鏡硬件電路設計以及醫用內窺鏡處理器結構設計4個方面的改進展開論述，目的在于提高醫用內窺鏡攝像設備的便攜性和精準度。

關鍵詞：內窺鏡;硬件設計;多路高清視頻輸出;遠程醫療

中圖分類號：TP274.2? ? 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，在人口老齡化程度加深以及國產器械替代政策的影響下，微創醫療設備行業發展前景良好。隨著人們對健康的越來越重視，傳統醫療內窺鏡攝像系統采用標清圖像用于醫學檢查和治療手術，因其圖像質量不高，對于醫療工作者準確診斷，極易帶來許多不確定性。因此醫療工作者對于醫用內窺鏡攝像系統也有了更高的需求：醫用內窺鏡攝像系統的高清化和便攜性。內窺鏡作為微創手術中常用的醫療器械，包括3個部分：攝像手柄、光源、卡口鏡頭。使用時將內窺鏡導入預檢查的器官，可直接窺視有關解剖部位的變化。作為臨床醫學常用設備之一，傳統的醫用內窺鏡攝像系統不方便攜帶、圖像不清晰等缺點逐漸顯現出來，該文主要介紹了醫用內窺鏡的發展現狀，并針對現有醫用內窺鏡存在的不足進行了改進。

1 醫用內窺鏡攝像系統發展現狀

醫用內窺鏡攝像系統，主要應用于臨床各領域微創手術中，是現代外科醫學診斷、手術治療應用的一種醫療前沿技術，通過顯示系統將內窺鏡近距離觀察病灶，放大手術視野，降低患者在傳統手術盲目性風險，大大減少臟器的損傷和功能干擾，縮短了術后的恢復時間，減少患者痛苦，更加注重患者的生活質量與康復。因此，醫用內窺鏡攝像系統在臨床各領域微創手術治療中起著非常重要的作用，但是由于目前的醫用電子內窺鏡大多停留在傳統的模式上，主要有以下一些不足之處。1）傳統電子內窺鏡多是將監視器、攝像機、冷光源和錄像盒等部件分開制作，然后通過接線將其連在一起組合、選配使用，這樣使得各部件分散，攝像設備體積龐大，線束眾多，導致內窺鏡信號不佳。現有醫用內窺鏡攝像設備制作成本較高，多為鈑金件制作，運輸成本也較高，使用前需派專業人員上門安裝調試。另外，現有醫用內窺鏡攝像設備使用環境有限，一般僅限在醫院使用，不方便移動。2）目前，內窺鏡攝像機圖像處理后的分辨率普遍都比較低，基本上還處于標清及標清以下的分辨率水平，在醫用內窺鏡攝像系統，圖像的成像效果是醫用內窺鏡攝像系統的關鍵參數，現有內窺鏡攝像機依靠傳統單路視頻輸出標清信號已經不能滿足醫用內窺鏡圖像質量的要求。

2 研究內容

為了克服上述現有技術中存在的問題，該文主要從以下3個方面進行研究。

2.1 醫用內窺鏡硬件結構設計

針對現有的醫用內窺鏡因體積較為龐大、線束眾多以及監視器、攝像機、冷光源等分散而導致內窺鏡信號不佳的問題，該文設計了一種醫用內窺鏡攝像設備，如圖1所示，該醫用內窺鏡攝像設備包括面板、底座和鏡頭，面板和底座之間通過轉軸活動連接，鏡頭接插在底座一側，面板由前框和后框組成，前框與后框之間裝設有液晶顯示屏，且液晶顯示屏通過支架固定在后框的螺絲孔上，底座由上蓋和下蓋組成，下蓋上固定有固定板，在固定板上固定有線路板，線路板包含LED模組、驅動板、視頻轉換板、開關板、電源板以及攝像板，下蓋下端固定有風扇、電源開關、插座、保險絲和信號線。上述技術方案的底座中裝配多個電路板，可以實現醫用攝像、提供光源、錄像的功能;上述技術方案通過面板和底座的結構設計，實現了冷光源、攝像和顯示為一體，高度集中部件，并在出廠前已經組裝好，不需要重新組合和調試即可直接使用，便攜，簡易，體積小，制作成本低，便于運輸，不僅如此，該醫用內窺鏡攝像設備成本低廉，其樣式類似于筆記本電腦，型號按照液晶顯示屏可制作成10寸、15寸、19寸、21寸、24寸、26寸、43寸大小的設備，適合大規模生產。

2.2 醫用內窺鏡用手柄的硬件結構設計

針對現有的醫用內窺鏡用手柄重復使用后易導致交叉感染以及醫用內窺鏡易存在保養不到位易造成內窺鏡無信號等異常現象的缺陷，提供一種醫用內窺鏡用手柄，如圖2所示，該手柄包括手柄殼以及與手柄殼固定連接的臺階結構，手柄殼呈流線型方形主體結構設置，臺階結構上固定有玻璃鏡片和攝像線路板，手柄殼上設置按鍵結構，按鍵結構內部設有按鍵線路板，手柄殼和臺階結構均是由塑料或鋁合金材質構成，適合批量生產，成本低，一次性使用，因此使用后不用消毒，可以避免因保養、消毒不到位等造成的使用異常。不僅如此，該醫用內窺鏡用手柄通過設置5個按鍵，可實現上下左右選擇，模式轉換，拍照、凍結、對白等多種功能，功能齊全、擴展性強。

2.3 醫用內窺鏡攝像機硬件電路

當前，醫療領域對醫療器械在精度和準確度上的要求不斷提高，現有內窺鏡攝像機依靠傳統單路視頻輸出的方式已經不能滿足醫用內窺鏡對于高清晰圖像質量的要求，針對上述現有技術中存在的缺陷，提供一種可實現多路高清視頻輸出的醫用內窺鏡攝像機電路結構[1]，如圖3所示，該電路結構包括由供電單元、采集單元、圖像處理芯片、信號均衡器芯片和圖像輸出接口組成的電路回路，供電單元分別與采集單元、圖像處理芯片、信號均衡器芯片和圖像輸出接口連接，圖像處理芯片分別與采集單元和信號均衡器芯片連接，信號均衡器芯片和圖像輸出接口連接。其中，電單元為整個圖像處理芯片及外圍電路提供電源支持。CMOS光耦傳感器為4K圖像的采集單元，通過CMOS光耦傳感器采集信號后，將信號傳輸給4K圖像處理芯片，4K圖像處理芯片對信號進行處理，并將處理后的信號傳輸給信號均衡器芯片，信號均衡器芯片將信號進行硬件的信號均衡，然后通過圖像輸出接口穩定輸出圖像信號給監視器。參數存儲芯片用來保存設置圖像的關鍵參數。該電路結構能夠滿足多達四路的HDMI輸出信號，并且提供一路SDI信號輸出，一臺手術實現多畫面圖像，在滿足手術需求的同時，也可實現同步教學。此外，多路高清信號的輸出，也滿足醫療工作者長期以來對圖像質量的需求。

3 總結與展望

上述研究針對醫療內窺鏡各部件之間分散不方便攜帶的問題，利用面板和底座的結構設計，使得醫療內窺鏡的冷光源、攝像單元和顯示單元為一體，提高醫療內窺鏡的便攜性;針對醫用內窺鏡用手柄重復使用后易導致交叉感染的問題，將醫用內窺鏡用手柄上的手柄殼和臺階結構使用塑料或鋁壓鑄模具制作，可避免因保養、消毒不到位等造成的醫療內窺鏡手柄的使用異常;針對現有內窺鏡攝像機依靠傳統單路視頻輸出的方式不能滿足醫用內窺鏡對于高清晰圖像質量的要求的問題，設計包括VGA、CVBS、SDI和HDMI等多路視頻輸出的醫用內窺鏡攝像機電路，達到多路高清信號的輸出的目的。然而對于醫用內窺鏡攝像系統來說，其仍然存在許多尚待解決的難題，以醫療內窺鏡遠程數字化信息系統的構建為例，在當前具有大帶寬特性的5G技術的廣泛應用的背景下，如何將5G技術與遠程醫療和物聯網醫療結合起來，實現遠程醫療和物聯網醫療的廣泛應用是擺在相關工作者面前的新的課題，而醫療內窺鏡如何借助遠程醫療和物聯網醫療的落實得到進一步應用進而完善“互聯網+醫療健康”支撐體系[2]更是一個相當大的挑戰。

參考文獻

[1]國務院辦公廳.國務院辦公廳關于? 促進“互聯網+醫療健康”發展的意見[EB/OL].[2018-04-25].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2018-04/28/content_5286645.htm.

[2]上海世音光電儀器有限公司.一種醫用內窺鏡攝像機：2019 2 0002508.3[P].2019-01-02.