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      MEMS器件智能醫(yī)療中的應(yīng)用

      2012年04月23日 16:24:20人氣:933來源:深圳市銘之光電子技術(shù)有限公司

      無線藥丸式內(nèi)窺鏡又稱膠囊式內(nèi)窺鏡(CapsuleEndoscope),它是內(nèi)窺鏡技術(shù)的突破,無線藥丸式微型機器人內(nèi)窺鏡,可以幫助醫(yī)生診斷各種消化道疾病,它就是在醫(yī)療界大名鼎鼎的"膠囊內(nèi)鏡"。

      膠囊式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)在低功耗數(shù)模混合集成電路芯片解決方案、低功耗SOC系統(tǒng)設(shè)計、射頻無線啟動開關(guān)、醫(yī)學(xué)圖像處理以及高清數(shù)字視頻的研發(fā)等方面,膠囊內(nèi)硬件電路是整個無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中zui核心的部分,其功能是完成對內(nèi)窺鏡彩色圖像的采集,并以無線方式把圖像傳出至體外,同時能接收來自體外的控制命令,并根據(jù)控制命令調(diào)整膠囊內(nèi)硬件的工作狀態(tài)與工作參數(shù)。其關(guān)鍵技術(shù)是:采集反映消化道病變情況的高清晰度二維和三維內(nèi)窺圖像、對采集圖像進行地?zé)o線傳輸、對電路進行低功耗設(shè)計以及系統(tǒng)能量管理等技術(shù)。

      新的無線高清攝像膠丸式內(nèi)窺鏡涉及MEMS技術(shù)、通信、材料、傳感器、生物醫(yī)學(xué)、計算機、圖像處理等眾多領(lǐng)域的技術(shù)。但是其中在四項關(guān)鍵性技術(shù)即微型圖像傳感器(CMos或CCD)技術(shù)、無線通訊技術(shù)、能源技術(shù)以及驅(qū)動與控制技術(shù)方面還有很多工作要做。

      新的無線高清攝像膠丸式內(nèi)窺鏡電路主要包括以下幾個部分:

      1圖像采集、處理與控制部分

      膠丸式內(nèi)窺鏡這部分包括帶數(shù)字圖像輸出的CMOS圖像傳感器、圖像壓縮模塊、MEMS微電機、發(fā)白光與具有兩種不同紅外波長的LED光源(采集三維深度圖像數(shù)據(jù))等。該部分電路不僅決定了內(nèi)窺鏡圖像的質(zhì)量,而且其低功耗設(shè)計也很關(guān)鍵:

      (1)圖像采集前端采用低功耗的帶數(shù)字彩色圖像輸出的CMOS圖像傳感器,且該圖像傳感器不帶任何圖像后處理功能,而是把這些處理放在體外的計算機中,大大降低了功耗;

      (2)為了提供準確反映病變情況的圖像,可采用兩種不同波長的LED和白光LED作為照明光源獲得三維深度內(nèi)窺圖像;

      (3)CMOS圖像傳感器的數(shù)字圖像輸出格式不采用RGB,而直接采用原始的彩色Bayer格式,這樣在無損圖像壓縮模塊中能得到更好的壓縮比[5~6],以降低通信帶寬和無線收發(fā)器的總發(fā)射能量。

      (4)膠囊內(nèi)只有壓縮和無線調(diào)制兩個模塊,盡可能的少模塊以實現(xiàn)減小膠囊內(nèi)電路的面積和功耗的目的;

      2無線傳輸部分

      膠丸式內(nèi)窺鏡無線傳輸部分包括信道編碼、無線收發(fā)器、射頻功放和天線等。作為一個通信系統(tǒng),它有三個主要的特點:

      (1)特短距離通信,通信距離zui遠為幾十個厘米;

      (2)通信信道的衰減非常大,因為人體組織對無線電波(特別是UHF 以上波段的電磁波)有很大的吸收與反射作用;

      (3)通信主要是從體內(nèi)到體外的大量的圖像數(shù)據(jù)傳輸,體外到體內(nèi)則是根據(jù)臨床需要發(fā)送幾個字節(jié)的控制命令。

      3能量供給部分

      對于無線藥丸式內(nèi)窺鏡系統(tǒng),能量供給包括電池和能源管理電路,它是整個體內(nèi)部分硬件電路zui關(guān)鍵的部分之一,因為體內(nèi)部分的能源供給是保證實現(xiàn)全消化道檢查的必要條件。所以低功耗設(shè)計可以延長電池壽命。

      4.無線接收與數(shù)據(jù)傳輸部分

      體外的便攜式無線接收和數(shù)據(jù)傳輸裝置的功能主要是把天線接收陣列接收的內(nèi)窺圖像數(shù)據(jù)分成兩路,一路送給膠囊定位模塊獲得膠囊的定位信息,另一路送入相連接的無線接收器,然后把定位信息和圖像一起存入便攜式存儲體上或轉(zhuǎn)發(fā)給計算機控制與處理裝置。主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)為:

      (1)基于無線電定位技術(shù),通過天線接收陣列接收信號的角度與強度來定位膠囊在人體內(nèi)的位置;

      (2)天線陣列的設(shè)計技術(shù);

      (3)低功耗電路設(shè)計技術(shù);

      (4)具有高靈敏度的低功耗高速FSK解調(diào)的無線接收機的ASIC設(shè)計技術(shù)等。

      5.計算機控制與處理部分

      計算機控制與處理裝置主要包括無線發(fā)送卡、計算機、高清晰度監(jiān)視器以及相關(guān)的處理軟件。

      數(shù)字化微型無線內(nèi)窺鏡技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

      2004年的歐洲技術(shù)報告中指出,運動與姿態(tài)控制功能的實現(xiàn)是需要首先解決的問題,包括運動控制和定位問題,吞服式內(nèi)窺鏡zui初每秒鐘只能拍攝2張照片,經(jīng)過改進后,拍攝速度已提高到每秒14張。雖然我國吞服式內(nèi)窺鏡研制工作雖然剛開始不久,但已取得顯著的進展。中國科技大學(xué)和清華大學(xué)等在內(nèi)的科研院所均在開發(fā)研制各自的吞服式內(nèi)窺鏡產(chǎn)品,而且有些已在研產(chǎn)品的技術(shù)性能與國外同類產(chǎn)品相比毫不遜色。上海交通大學(xué)研制了一種用于腸道檢查的內(nèi)窺鏡微型機器人,基于尺蠖運動原理,驅(qū)動器為一種基于電磁力的微小型蠕動驅(qū)動器,由頭部、尾部、驅(qū)動單元、彈性模等組成,長64mm,外徑7mm,重9.8g,通過調(diào)整驅(qū)動電壓的頻率來調(diào)節(jié)其運行速度,初步估算,國產(chǎn)吞服式內(nèi)窺鏡的售價約在每粒1000元,大大低于西方同類產(chǎn)品的售價。

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