无线药丸式内窥镜又称胶囊式内窥镜(CapsuleEndoscope),它是内窥镜技术的突破,无线药丸式微型机器人内窥镜,可以帮助医生诊断各种消化道疾病,它就是在医疗界大名鼎鼎的"胶囊内镜"。
胶囊式内窥镜系统在低功耗数模混合集成电路芯片解决方案、低功耗SOC系统设计、射频无线启动开关、医学图像处理以及高清数字视频的研发等方面,胶囊内硬件电路是整个无线内窥镜系统中最核心的部分,其功能是完成对内窥镜彩色图像的采集,并以无线方式把图像传出至体外,同时能接收来自体外的控制命令,并根据控制命令调整胶囊内硬件的工作状态与工作参数。其关键技术是:采集反映消化道病变情况的高清晰度二维和三维内窥图像、对采集图像进行高效地无线传输、对电路进行低功耗设计以及系统能量管理等技术。
新的无线高清摄像胶丸式内窥镜涉及MEMS技术、通信、材料、传感器、生物医学、计算机、图像处理等众多领域的技术。但是其中在四项关键性技术即微型图像传感器(CMos或CCD)技术、无线通讯技术、能源技术以及驱动与控制技术方面还有很多工作要做。
新的无线高清摄像胶丸式内窥镜电路主要包括以下几个部分:
1图像采集、处理与控制部分
胶丸式内窥镜这部分包括带数字图像输出的CMOS图像传感器、图像压缩模块、MEMS微电机、发白光与具有两种不同红外波长的LED光源(采集三维深度图像数据)等。该部分电路不仅决定了内窥镜图像的质量,而且其低功耗设计也很关键:
(1)图像采集前端采用低功耗的带数字彩色图像输出的CMOS图像传感器,且该图像传感器不带任何图像后处理功能,而是把这些处理放在体外的计算机中,大大降低了功耗;
(2)为了提供准确反映病变情况的图像,可采用两种不同波长的LED和白光LED作为照明光源获得三维深度内窥图像;
(3)CMOS图像传感器的数字图像输出格式不采用RGB,而直接采用原始的彩色Bayer格式,这样在无损图像压缩模块中能得到更好的压缩比[5~6],以降低通信带宽和无线收发器的总发射能量。
(4)胶囊内只有压缩和无线调制两个模块,尽可能的少模块以实现减小胶囊内电路的面积和功耗的目的;
2无线传输部分
胶丸式内窥镜无线传输部分包括信道编码、无线收发器、射频功放和天线等。作为一个通信系统,它有三个主要的特点:
(1)特短距离通信,通信距离最远为几十个厘米;
(2)通信信道的衰减非常大,因为人体组织对无线电波(特别是UHF 以上波段的电磁波)有很大的吸收与反射作用;
(3)通信主要是从体内到体外的大量的图像数据传输,体外到体内则是根据临床需要发送几个字节的控制命令。
3能量供给部分
对于无线药丸式内窥镜系统,能量供给包括电池和能源管理电路,它是整个体内部分硬件电路最关键的部分之一,因为体内部分的能源供给是保证实现全消化道检查的必要条件。所以低功耗设计可以延长电池寿命。
4.无线接收与数据传输部分
体外的便携式无线接收和数据传输装置的功能主要是把天线接收阵列接收的内窥图像数据分成两路,一路送给胶囊定位模块获得胶囊的定位信息,另一路送入相连接的无线接收器,然后把定位信息和图像一起存入便携式存储体上或转发给计算机控制与处理装置。主要涉及的关键技术为:
(1)基于无线电定位技术,通过天线接收阵列接收信号的角度与强度来定位胶囊在人体内的位置;
(2)高效天线阵列的设计技术;
(3)低功耗电路设计技术;
(4)具有高灵敏度的低功耗高速FSK解调的无线接收机的ASIC设计技术等。
5.计算机控制与处理部分
计算机控制与处理装置主要包括无线发送卡、计算机、高清晰度监视器以及相关的处理软件。
数字化微型无线内窥镜技术发展与应用
2004年的欧洲技术报告中指出,运动与姿态控制功能的实现是需要首先解决的问题,包括运动控制和定位问题,吞服式内窥镜最初每秒钟只能拍摄2张照片,经过改进后,拍摄速度已提高到每秒14张。虽然我国吞服式内窥镜研制工作虽然刚开始不久,但已取得显著的进展。中国科技大学和清华大学等在内的科研院所均在开发研制各自的吞服式内窥镜产品,而且有些已在研产品的技术性能与国外同类产品相比毫不逊色。上海交通大学研制了一种用于肠道检查的内窥镜微型机器人,基于尺蠖运动原理,驱动器为一种基于电磁力的微小型蠕动驱动器,由头部、尾部、驱动单元、弹性模等组成,长64mm,外径7mm,重9.8g,通过调整驱动电压的频率来调节其运行速度,初步估算,国产吞服式内窥镜的售价约在每粒1000元,大大低于西方同类产品的售价。