專利名稱：一種雙圖像傳感器的數碼無線傳輸內窺鏡系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于醫療電子儀器領域，具體涉及一種用于診斷腸道疾患的雙CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器的數碼無線傳輸內窺鏡系統。
背景技術：
相較于傳統的胃腸道電子內窺鏡而言，無線內窺鏡具有比較明顯的優勢，傳統的管狀推進式內窺鏡(Push Endoscopies)用于消化系統檢查，受檢者痛苦大，甚至有些病人因恐懼而放棄檢查，且不適用于老年、體弱和危險等病人。另外，推進式內窺鏡用于消化疾病檢查時病人會有感染上傳染性疾病的風險，如肝炎、AIDS(獲得性免疫缺損綜合癥)等。無線內窺鏡包含一個可吞服的攝像藥丸，這些攝像藥丸可以采集圖像數據，然后將圖像數據傳輸給接收系統，然后由計算機分析處理。從功能上講，醫用無線電內窺鏡系統可以克服傳統的推進式內窺鏡的缺點，無創傷、減小患者痛苦，通過吞咽進入腸道，可以對食道、胃、小腸和大腸進行特定和非特定位置圖像拍攝和分析，從而可以對整個消化道系統進行檢測，克服了傳統推進式內窺鏡只能檢測胃部以上部位的缺陷。同時，醫用無線電內窺鏡可以有效的提高病灶的檢出率，它可以將現有推進式內窺鏡的病灶檢出率從70％左右提高到90％以上。但是，現有的無線內窺鏡也存在多方面的不足首先，已有的無線內窺鏡采用單圖像傳感器進行圖像采集，觀察范圍相對狹小，僅對攝像頭正前方狹小區域的腸壁進行觀察，無法觀察兩側腸壁，有可能漏過病灶；其次，單圖像傳感器獲取的是二維平面圖像信息，無法形成立體視覺，內窺鏡圖像中的目標區域缺少深度信息造成醫生在觀察時，看不出目標區不同組織之間的深度位置關系；再次，現有的腸道無線內窺鏡采用模擬信號無線傳輸方式，易受外界干擾，圖像信號傳輸不穩定，影響圖像傳輸的質量。
發明內容
本發明的目的是針對現有無線內窺鏡存在的不足，提出一種雙CMOS圖像傳感器的數碼無線傳輸內窺鏡系統，通過采用雙CMOS圖像傳感器，大大增加觀察的視野，提高病灶的檢出率；利用雙CMOS圖像傳感器形成立體視覺，通過三維立體顯示，進一步提供內窺鏡觀察的深度信息，可以大大提高臨床診斷的準確性和治療的有效性；采用數碼無線傳輸方式，可以提高信號的抗干擾能力和圖像質量。
本發明的技術方案如下用于檢查人體胃腸道功能的無線內窺鏡系統，它包括可吞服無線攝像藥丸、無線接收模塊、控制電路、存儲系統及計算機圖像處理系統。可吞服無線攝像藥丸包括有雙光學系統和雙CMOS圖像傳感器、圖像壓縮與緩存電路、數字信號發射電路、天線、電池、圖像切換控制電路。雙光學系統和雙CMOS圖像傳感器分別設置在藥丸的兩側，雙光學系統內有照明裝置。兩個CMOS圖像傳感器分別帶有各自的圖像傳感器驅動電路，兩個CMOS圖像傳感器的輸出線分別連接各自的圖像壓縮與緩存電路，產生的圖像存儲在各自的圖像壓縮與緩存電路中，通過圖像切換控制電路，輪流將兩個圖像壓縮與緩存電路中的輸出數據線與數字無線發射電路相連，通過天線將圖像發送出去。
所述的無線接收裝置是便攜式的，體積很小。該裝置采用數字無線接收模塊，控制電路采用數字信號處理器DSP及現場可編程門陣列FPGA控制電路，存儲系統采用大容量FLASH存儲器。與計算機的通訊采用USB接口，可以大大提高數據的傳輸速度。
本裝置首先對無線攝像藥丸的結構有所改進，采用了兩個CMOS圖像傳感器，每個圖像傳感器接收各自一側的圖像，當攝像藥丸中的照明裝置發出的光照到小腸壁，經反射，通過光學系統，圖像被CMOS圖像傳感器接收到。這樣，接收的圖像視野范圍比原來大一倍。采用CMOS圖像傳感器，CMOS和CCD相比，CMOS圖像傳感器具有體積小，耗電量不到CCD的1/10，售價也比CCD便宜1/3的優點。CMOS傳感器的最大優勢，是它具有高度系統整合的條件。理論上，所有圖像傳感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暫存器、時序控制、CDS、ADC...等，都可集成在一顆晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片(Back-end Chip)、快閃記憶體(Flash RAM)等也可整合成單晶片(SYSTEM-ON-CHIP)，以達到降低整機生產成本的目的。考慮到電池容量小，選用微型化和低功耗的CMOS圖像傳感器。本系統擬選用Micron公司生產的圖像傳感器。CMOS圖像傳感器的輸出制式有模擬和數字兩種方式，本系統的發送方式采用數碼無線傳輸方式，另外由于數碼相機和照相手機的發展很快，相應的數字輸出式CMOS圖像傳感器業發展很快，體積很小、功耗極低，所以本裝置的圖像傳感器也采用數字輸出方式的CMOS圖像傳感器。一般采用8位輸出的數字圖像傳感器，大小有1/7″左右。
在采用了兩個CMOS圖像傳感器的情況下，由于本藥丸的發射裝置仍只有一個，因此本裝置采用了圖像壓縮與緩存電路和圖像切換控制電路，兩個圖像傳感器的圖像切換輪流傳送，一個圖像傳感器的一幀圖像傳輸完后，由控制電路判斷，然后等待并傳輸另一個圖像傳感器的圖像。由于小腸的蠕動極慢，藥丸的運動也極慢，這兩幀圖像好像是同時拍到的。
CMOS圖像傳感器的輸出速度和數字無線發送模塊的速度往往是不一致的，中間必須用緩存模塊加以緩沖。CMOS圖像傳感器將采集到的一幀圖像數據存入緩存模塊，通過控制電路的切換與數字無線發送模塊相連，然后發送出去。該幀圖像發送出去后，控制電路切換到另一圖像傳感器，再將這個圖像傳感器的一幀圖像輸入緩存模塊中，然后由數字無線模塊發送出去。
數字無線發射模塊工作頻率在UHF頻段，采用聲表諧振器SAW穩頻，頻率穩定度極高，當環境溫度在-25～+85度之間變化時，頻飄僅為3ppm/度。
可吞服的無線攝像藥丸采用兩到四節紐扣電池供電，電壓3或6伏。
同時，在接收裝置的設計上，本系統采用了相應的數字無線接收模塊，由DSP和FPGA控制器控制將接收模塊接收到的數據進行一定的圖像處理，DSP擬采用TI公司生產的TMS320C6000系列數字信號處理器，利用其運行速度極高的特點，將接收到的圖像信號先進行圖像處理，如降噪、圖像增強、圖像壓縮等，然后存入大容量FLASH存儲器，大約要存儲5萬張左右圖像。通過DSP的數字信號處理，可以大大節約數據存儲空間，在后期診斷過程中，不必再進行圖像處理，可以節約大量的時間。存儲在FLASH存儲器中的圖像，通過USB接口，可以很快將數據傳輸入計算機。對于USB1.1版本而言，傳輸速度高達12Mbps，相對于計算機串行接口傳輸數據速度115Kbps，速度快了上百倍。計算機主機將傳輸過來的腸道圖像數據進行保存，可以在顯示器的窗口上顯示，可以觀察單幀圖像，也可進行視頻回放。
由此可見，本系統總體來說具有以下優點通過采用雙CMOS圖像傳感器，大大增加觀察的視野，提高病灶的檢出率；利用雙CMOS圖像傳感器形成立體視覺，通過計算機處理后，形成三維立體顯示，進一步提供內窺鏡觀察的深度信息，可以大大提高臨床診斷的準確性和治療的有效性；采用數碼無線傳輸方式，可以提高信號的抗干擾能力和圖像質量。采用便攜式數碼無線接收系統，體積很小，檢查時可以隨身攜帶，不影響受檢者的日常生活、工作。無線接收系統和計算機主機的通信采用USB方式進行通訊，可以大大節約時間。利用高速DSP先期對圖像信號進行處理和壓縮，可以大大節約數據存儲空間和數據處理時間。
圖1是本發明所設計的雙CMOS圖像傳感器數碼傳輸無線內窺鏡系統的結構框圖。
圖2是可吞服的攝像藥丸的結構示意圖；圖3是可吞服的攝像藥丸的電路框圖；(說明雙CMOS圖像傳感器采集的圖像由控制電路負責切換，通過天線發送出去的過程。)圖4是本發明的外部接收系統的工作原理框圖。
具體實施例方式如圖1所示，本裝置包括一個可吞服攝像藥丸1，接收天線2，一個數字無線接收模塊3，DSP控制器4，一個大容量圖像存儲器5，USB接口6，和一個計算機7、圖形顯示器8。病人吞下攝像藥丸1后，由于病人腸胃的蠕動，藥丸從胃進入小腸，隨著小腸平滑肌的蠕動，攝像藥丸可以采集沿途所經小腸壁的圖像，然后用無線傳輸的方式把圖像發送出來。接收天線2和體外的數字無線接收模塊3接收到攝像藥丸發送出的無線信號，通過解調還原出圖像信號，經過一定的圖像處理后，存入大容量圖像存儲器5。攝像藥丸1通過小腸所需的時間大約6--8小時，采集的圖像大約5萬張左右。圖像采集完后，通過USB接口6，把存儲器中的圖像轉入計算機7。計算機可進行圖像回放，也可單幀顯示，還可進行圖像處理，如圖像降噪、圖像增強等，由圖形顯示器8顯示圖形，可以觀察人體內小腸壁的情況。
圖2所示為可吞服攝像藥丸的內部結構示意圖，包括光學系統9，CMOS圖像傳感器10，圖像傳感器驅動電路11，圖像切換控制電路13，圖像壓縮與緩存電路12，無線數字發射模塊14，提供能源的電池15，發射天線16，用于照明的發光二極管17。采用雙CMOS圖像傳感器10可以擴大觀察的視野，圖像經計算機處理后，還可以三維立體顯示。雙CMOS圖像傳感器10同時采集圖像，各自存入其后的圖像壓縮與緩存電路12，由圖像切換控制電路13控制圖像的傳輸，每一次只能把一個圖像傳感器的圖像發送出去，圖像切換電路可以判斷一幀圖像是否傳完，然后切換連通另一個圖像傳感器，將該圖像傳感器后面的圖像壓縮與緩存電路12中的圖像數據發送出去。整個可吞服攝像藥丸采用兩節紐扣電池15進行供電。照明采用白色發光貼片式二極管17，4個一組，分別放置在兩組光學透鏡的四周。
圖3進一步說明圖像切換控制電路是如何在兩個CMOS圖像傳感器10之間進行切換，輪流發送兩個CMOS圖像傳感器10的圖像。CMOS圖像傳感器10產生圖像的頻率在1-30幀/S之間，數據量極大，有幾兆字節，而微型無線數字發射模塊14的發射速度較快的也只有1Mbps，兩者的速度不匹配，因此，CMOS圖像傳感器10產生的圖像一是要壓縮，二是要用圖像緩存匹配二者速度。以色列Transchip公司生產的TC5640圖像傳感器，帶有JPEG圖像壓縮功能和圖像緩存功能，可以滿足以上要求。兩個CMOS圖像傳感器10之間的數據傳送的切換采用MAXIM公司生產的模擬開關MAX4374，即圖中的24。CMOS圖像傳感器10的圖像緩存滿信號BF1和BF2與微處理器23的端口線相連，微處理器23可采用類似于EPSON公司生產的SMC63B08一類的微處理器。微處理器不停的檢測這兩根端口線的電平，當CMOS圖像傳感器一的圖像緩存滿信號BF1為高時，微處理器檢測到后，發出信號控制模擬開關MAX4374將N1與輸出OUT連通，一個圖像傳感器的數據通過無線數字發射模塊14發送出去，直至該緩存區內一幀圖像的全部數據發送完。然后微處理器檢測另一根端口線BF2的電平，當發現BF2的電平為高后，發出信號控制模擬開關MAX4374將N2與輸出OUT連通，通過無線數字發射模塊14將另一圖像傳感器的數據通過發射天線16發送出去。這樣，無線數字發射模塊14輪換著將兩個圖像傳感器的數據發送出去。數字無線發射模塊14可以采用RFM公司生產的TX6000發射模塊，具有體積小，功耗低的優點。
圖4進一步說明外部信號接收裝置的工作過程，體外接收裝置類似于一隨身攜帶的Holter。接收到的信號通過解調后存入Flash大容量存儲器5，整個過程由DSP數字信號處理器4及FPGA控制器33進行控制。接收數字圖像信號的數字無線接收模塊3可采用RFM公司生產的接收芯片TR1100，將調制信號解調，還原為數字圖像信號。DSP4采用美國TI公司生產的TMS320C6000系列處理器，接收芯片TR1100將數字信號輸入給DSP數字信號處理器4，DSP數字信號處理器4將數字圖像信號進行圖像處理，如降噪、圖像增強等，然后將圖像進行壓縮，最后存入Flash大容量存儲器5。便攜式接收裝置采用USB接口6和計算機主機7進行通訊，將接收到的圖像數據傳輸到計算機主機7，供主機分析處理圖像數據，通過圖形顯示器8顯示胃腸道圖像。USB接口芯片采用USB100，合乎USB1.1標準，傳輸速度達到12Mbyte/s。
權利要求
1.一種雙圖像傳感器的數碼無線傳輸內窺鏡系統，包括可吞服無線攝像藥丸、無線接收模塊、控制電路、存儲系統及計算機圖像采集系統，其特征在于可吞服無線攝像藥丸包括有雙光學系統和雙CMOS圖像傳感器、圖像壓縮與緩存電路、無線數字信號發射模塊、圖像切換控制電路、發射天線和電池；雙光學系統和雙CMOS圖像傳感器分別設置在藥丸的兩側，雙光學系統內有照明裝置；兩個CMOS圖像傳感器分別帶有各自的圖像傳感器驅動電路，兩個CMOS圖像傳感器分別連接各自的圖像壓縮與緩存電路，產生的圖像存儲在各自的圖像壓縮與緩存電路中，通過圖像切換控制電路，輪流將兩個圖像壓縮與緩存電路中的輸出數據線與無線數字信號發射模塊相連，通過發射天線將圖像發送出去。
2.根據權利要求1所述的無線內窺鏡系統，其特征在于無線接收模塊采用數字無線圖像接收模塊，控制電路采用DSP及FPGA控制電路，存儲系統采用大容量FLASH存儲器，與計算機的通訊采用USB接口。
3.根據權利要求1所述的內窺鏡系統，其特征在于照明裝置采用多個白色發光貼片式二極管，放置在光學系統中光學透鏡的四周。
全文摘要
一種雙圖像傳感器的數碼無線傳輸內窺鏡系統，包括可吞服無線攝像藥丸、無線接收模塊、控制電路、存儲系統及計算機圖像采集系統。可吞服無線攝像藥丸包括雙光學系統和雙CMOS圖像傳感器、圖像壓縮與緩存電路、無線數字信號發射模塊、圖像切換控制電路、發射天線和電池；雙光學系統和雙CMOS圖像傳感器分別設置在藥丸的兩側，兩個CMOS圖像傳感器通過圖像傳感器驅動電路、圖像壓縮與緩存電路以及通過圖像切換控制電路，輪流將兩圖像壓縮與緩存電路中的輸出數據發送出去。本系統通過采用雙CMOS圖像傳感器，增加觀察的視野，利用形成立體視覺，提供觀察的深度信息，提高臨床診斷的準確性和治療的有效性；采用數碼無線傳輸方式，提高信號的抗干擾能力和圖像質量。
文檔編號A61B1/00GK1561902SQ20041002232
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月14日 優先權日2004年4月14日
發明者張思杰, 彭承琳, 鄭小林, 劉艷, 皮喜田, 侯文生, 閔敏, 楊麗 申請人:重慶大學