基于MEMS的消化道無線內(nèi)窺鏡的研究.pdf

1、雖然管道式消化道電子內(nèi)窺鏡在消化道疾病的檢查中發(fā)揮了巨大的作用，但在小腸的檢查過程中卻體現(xiàn)出了它的局限性，現(xiàn)有的管道式電子內(nèi)窺鏡無法對小腸的全程進(jìn)行觀察。其它傳統(tǒng)的檢查手段因敏感性和準(zhǔn)確性較低，也無法滿足臨床診斷的要求。無線內(nèi)窺鏡克服了管道式內(nèi)窺鏡的局限，微型攝像膠囊通過吞咽進(jìn)入腸道，可以對食道、胃、小腸和大腸進(jìn)行特定和非特定位置的圖像拍攝，從而可以對整個(gè)消化道系統(tǒng)進(jìn)行檢測，克服了傳統(tǒng)電子內(nèi)窺鏡只能檢測胃部及部分腸道的缺陷。病人檢查是無

2、創(chuàng)、無痛苦的，符合國際生物醫(yī)學(xué)工程所倡導(dǎo)的無創(chuàng)或微創(chuàng)的發(fā)展趨勢。本文回顧了MEMS技術(shù)和消化道電子內(nèi)窺鏡的研究進(jìn)展。MEMS技術(shù)的出現(xiàn)為消化道無線內(nèi)窺鏡攝像膠囊的微型化提供了一條很好的途徑。無線內(nèi)窺鏡包括無線攝像膠囊、圖像信號(hào)無線傳輸設(shè)備、影像瀏覽工作站三部分。本課題首先對系統(tǒng)的各個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)了多個(gè)方案，然后綜合考慮各種因素，力求找到一個(gè)較佳的總體設(shè)計(jì)方案來實(shí)施。本項(xiàng)目主要的研究成果如下：(1)自行設(shè)計(jì)和研究出一種消化道無線內(nèi)窺鏡檢查

3、系統(tǒng)原理樣機(jī)，在豬腸道中進(jìn)行了模擬動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，拍攝到豬腸道內(nèi)壁圖片。(2)無線電攝像膠囊要求微型化和低能耗。在無法購到和定做到完全合乎技術(shù)要求圖像傳感器的情況下，選用了技術(shù)指標(biāo)基本合乎要求的圖像傳感器OV7930N，但OV7930N也存在著尺寸過大和功耗過大的問題。對這兩個(gè)問題的解決，一是通過激光切割取出圖像傳感器裸片，再通過MEMS技術(shù)加工，利用厚膜工藝實(shí)現(xiàn)了攝像電路模塊的微型化。另外，本項(xiàng)目中攝像膠囊采用的是紐扣電池組供電，紐扣電池適

4、宜在微電流情況下工作。在OV7930N內(nèi)在功耗無法減小的情況下，對攝像膠囊采用了用了斷續(xù)供電的工作方式，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出一種能源管理電路：采用升壓穩(wěn)壓模塊lf1751-5作為電子開關(guān)，采用MSP430x11x1微處理器產(chǎn)生周期長達(dá)1分鐘，脈寬為1秒的脈沖，來控制電子開關(guān)的通和斷，從而控制整個(gè)攝像膠囊的供電。Lf1751-5和MSP430x11x1都是微功耗的集成電路，整個(gè)能源管理電路的功耗不超過2mW。通過斷續(xù)供電的工作方式，可以將攝像膠

5、囊的工作時(shí)間從3分鐘延長到6個(gè)多小時(shí)，基本滿足臨床需要。(3) 根據(jù)項(xiàng)目的需要進(jìn)行了光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)和照明電路設(shè)計(jì)，這兩個(gè)模塊對成像質(zhì)量都有著直接的影響。(4)對模擬視頻信號(hào)的無線傳輸采用了兩種調(diào)制方式，一種是調(diào)幅方式，把圖像傳感器采集到的視頻信號(hào)通過射頻調(diào)幅的方式無線發(fā)送出去，體外有相應(yīng)的調(diào)幅解調(diào)接收裝置還原出視頻信號(hào)；另一種是調(diào)頻方式，方法和前面的類似，不過把調(diào)制方式換為調(diào)頻。相較而言，調(diào)頻方式傳送的圖像質(zhì)量更好。兩種方式設(shè)計(jì)的關(guān)鍵都是

6、無線發(fā)射模塊要微型化、微功耗。(5)研究了圖像信號(hào)的兩種采集方式，一種是利用圖像采集卡采集圖像信號(hào)，把解調(diào)得到的攝像膠囊的視頻信號(hào)采集進(jìn)入計(jì)算機(jī)。圖像采集卡可以進(jìn)行視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)連續(xù)采集和單幀采集，可顯示采集到的圖像并進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)格式有AVI文件格式或靜態(tài)圖像BMP、JPEG格式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可以對采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。另一種方式是自行設(shè)計(jì)了一種便攜式圖像接收裝置，可以隨身攜帶，對病人的活動(dòng)限制少，體現(xiàn)了“以人為本”的理