便携式消化内镜主机系统的设计与研发*

2018-03-02高健翎屈亚威刘海峰

中国医学装备 2018年2期

李阳高健翎屈亚威张峰刘海峰*

消化道疾病是日常生活中的常见病，也是特殊环境和特殊群体中的高发病，相关文献表明，在基层部队、突发性自然灾害后灾区及边远地区消化系统疾病发病率相对增高[1-2]。消化内镜作为胃肠道疾病最终诊断的金标准，可以实现对消化道疾病的快速准确的诊断和及时有效的治疗，但消化内镜系统体积较大，不易搬运与携带，导致在边远山区、基层医疗卫生机构和野战环境中缺乏内镜检查设备，而难以实现对消化系统疾病的即时诊断与快速救治。因此，实现在山区及野战条件下消化道的内镜诊疗成为亟待解决的问题。

随着医疗设备逐渐向着小型化、便携化、微型化及低成本化[3-4]的趋势发展，医用便携式内窥镜系统应运而生，并在普通门诊检查、院外急诊抢救及军队野战卫勤中发挥了重要作用，极大提升了医疗质量[5]。为此，本研究自主研发一款便携式消化内镜主机系统，以增加机动医疗和基层筛查中对消化道疾病诊疗的准确性和及时性。

1 便携式消化内镜主机系统设计思路

结合消化道疾病高发的实际情况，以及特殊环境下对消化内镜系统的诊疗需求，同时借鉴其他医用便携式内窥镜的成熟技术理念，按照“便携、节能、组合”的整合方式，对消化内镜系统中体积最大的部分-主机进行改进，并与显示设备相整合，研制出一套环境适应能力强的便携式消化内镜主机系统，该内窥镜设备基本达到了机动医疗中携带方便、成像效果良好的要求。

2 便携式消化内镜主机系统结构

便携式消化内镜主机为通用型医疗装备，外观采用手提式箱体设计，便于携带和运输，内部由电池模块、光源模块、前端采集模块、后端处理模块及显示模块等核心部分组成。该套系统具有体积小、质量轻、携带便利以及使用方便等优点。

2.1 主机系统外壳设计

根据便携式消化内镜主机系统核心部件的尺寸，手提箱外壳为45 cm×36 cm×29 cm(长、宽、厚)，重量约5 kg。手提箱由箱体和箱盖两部分组成，箱盖内部安装有工业级液晶显示屏，箱体内为主机核心部件。手提箱外壳由铝合金材料制成，在箱体上方固定有控制面板，面板部分主要包括总开关、电源指示灯、通用串行总线(universal serial bus，USB)接口和操作按钮区域。总开关可实现消化内镜主机系统内部电路与外接电源的快捷通断，指示灯可快速了解消化内镜主机系统的电路通断情况，保障操作的安全性。USB接口用于导出操作过程中采集的视频和图像，箱体的前方留有导光插头连接部的接口，用于连接电子内镜使用，在箱体的侧方及后方分别留有外接电源接口以及散热口，散热器可以保证系统适宜的工作温度(如图1所示)。

图1 便携式消化内镜主机系统外观实物图

2.2 主机系统内部构造

该主机系统的内部构成包括电源模块、光源模块、显示模块、图像处理模块和气水泵等主要组成部分。其中VET-OR1000型医用内镜图像处理器及VET-OR1000型LED冷光源为上海澳华光电内镜有限公司生产的内镜配套产品，可供临床使用。内部构造如图2所示。

图2 便携式消化内镜主机系统框图

2.2.1 电源模块

便携式内镜主机系统要实现随身携带并脱离市电独立工作，必须凭借电池进行电力支撑。目前，医用便携式内镜系统主要采用大容量锂电池作为电源[5]。便携式消化内镜主机系统中使用容量为4400 mAh的锂电池，经测试在连接发光二极管(light emitting diode，LED)光源的情况下可以续航1～2 h，基本满足野战环境下的工作需求。外接电源经电源接口输入电源模块再充入锂电池，经过电源模块的稳压可避免外接电源的电压突变造成的锂电池损坏。此外，在缺乏外接电源时，锂电池的蓄电能进入电源模块，再经电路板实现对系统的供电，保证系统在各种复杂环境中的使用。

2.2.2 光源模块

医用便携式内镜系统的能耗高低是影响其工作能力的重要因素，作为内窥镜系统的主要组成部分之一，光源的功耗占据了电池耗损的大部分，传统的氙灯或金属卤素灯泡具有体积大、能耗高、产热多、易破碎等缺点，因此不适合便携设备中应用[6]。随着电子技术的进步，LED作为发光元件的医用高性能白光光源，其输出光通量和显色性也逐步提高，完全能够满足电子内窥镜对显色性、色温及光照度的要求，能够满足内镜下检查和治疗的各项标准[7]。在便携式消化内镜主机系统中，采用上海澳华光电内窥镜有限公司生产的VET-OR1000型LED冷光源作为医用电子内镜在临床观察时的光源，并具有供气装置。该 LED冷光源由机壳、发光芯片、透镜和散热风扇几个部分组成，采用LED前方的透镜组对LED发出的光线进行传导，然后通过外接部光纤传导至内窥镜实现照明。透镜中轴与导光插头连接部的接口中心共线，透镜前端距离导光插头连接部的焦距为10～15 cm，连接电子内镜后，LED可以为内镜提供合适的工作亮度，增加内镜下观察和操作的精准度。LED发出的光线经过两次光学透镜组的聚光作用汇聚在外接光纤接收装置上，并传导至内窥镜。LED芯片后方安装散热片和风扇，从而保证其始终处在合适的工作温度(如图3所示)。

图3 VET-OR1000型LED冷光源示图

2.2.3 图像处理模块

图像处理模块是整个主机系统最为重要的部分。该系统采用上海澳华光电内窥镜有限公司生产的VET-OR1000图像处理器，作为采用光学纤维导光束的各类医用电子内镜产品图像处理部分。处理器内无灯泡或风扇，因此体积更轻便、设计更紧凑、携带更方便、工作环境更安静，极大减少了电能消耗，降低了灯泡的更换成本。显卡上配备多种显示接口，考虑到兼容性问题，本研究采用数字视频接口(digital visual interface，DVI)接口通过全数字格式进行信号传输(如图4A显示)，可以直接将电脑信号传输给显示器，中间几乎无信号损失，可以用低成本的专用电缆实现长距离、高质量的数字信号传输。

2.2.4 显示模块

显示模块是系统的重要组成部分，可以进行术中图像的直视观察，提供即时的手术视角。本系统中配备一体化的高分辨率工业显示屏(奇美电子股份有限公司)，具有节能、轻便、强度大以及分辨率高的特点，在保证图像质量的前提下最大程度的减小重量、节省空间，充分满足移动环境下使用的需求。该显示设备同样采用DVI接口(如图4B)，具有传输速度快、无拖影现象、无信号衰减、色彩逼真以及图像清晰等优点。

图4 图像处理板和与之匹配的DVI接口示图

2.2.5 气水泵

气水泵是内窥镜中的重要装置，在内镜检查诊断过程中，需要不时向胃肠道注气充分撑开腔道进行观察，同时冲洗消化道黏膜和剥离部位，清洗手术视野，清晰暴露黏膜表面进行观察。本研究中使用进口正压气水泵(奥林巴斯销售服务有限公司)，流量最高可调至300 ml/min，并且在高原等低气压地带也可安全使用。气水泵底部通过橡胶条固定在底板上，以减少泵工作时传递到底板的震动加速度。

3 便携式消化内镜主机系统应用效果

便携式消化内镜在实际应用过程中发现，该主机系统设计合理、结构简单、携带方便，在移动环境中由1名医护人员即可携带和使用，极大节约了人力，提高了医疗部门在机动医疗中的工作效率，基本满足遂行环境中对消化道疾病进行即时诊断和快速治疗的需求。当需要使用时，连接配套的电子内镜至箱体前方的导光插头连接部接口即可工作，操作过程中充气打水流畅，镜下光色自然、亮度适中、聚光性好，使用过程中未发现有视觉疲劳现象，视野大小合适，采集到的图像清晰。改进后的主机系统设计合理，使用效果满意，在军事医疗及机动医疗中发挥了积极作用，并且有望应用于远程巡诊和社区医院、农村基层医疗机构的消化道疾病筛查。

4 讨论

消化道疾病的快速诊断和及时治疗离不开消化道内镜的应用，但是目前内窥镜的大体积、大重量限制了消化道内镜在一些特殊环境如战场、基层连队、边远山区和基层卫生医疗机构的应用。随着电子技术的迅猛发展，便携式消化道内镜的实现成为可能[8]。李真喜等[9]提出，应急机动部队野战卫生装备应满足防水、抗毁、耐高温、轻便、精巧实用等方面的要求，并符合野战环境、消化内窥镜(包括胃镜、肠镜)设备使用条件及国家标准[10-11]。本研究设计制作的低功耗便携式消化内镜主机系统，箱体采用手提箱式设计，使系统具备便携性，将核心组成部件合理布局、安装在箱体内，而显示屏安装在箱盖中并与箱体进行整合。通过箱盖与箱体的配合实现对显示屏、控制面板等工作部件的良好防护。整个系统整体结构紧凑、精简，而且内镜外置，适于搬运或携带，满足了不依赖市电、续航时间久等特殊要求。使用过程中系统所拍实物图片基本接近于常规胃镜等内窥镜的图片，具有临床应用的巨大潜力。

便携式消化内镜主机系统基本满足了机动医疗中的诊疗需求，但仍需改进和优化。

(1)该套系统的显卡配备多种显示接口，但在本研究中只利用DVI接口进行数据传输，在后续实验中将尝试同时利用其他接口进行多屏幕成像。

(2)为了增加系统在野战环境下的工作时间，提高工作效率，需要对电池的容量进行优化[12]。电池的体积和容量之间呈正比关系，因此为了增加系统的待机和工作时间，通常需要增加电池的体积和容量，则导致便携式电子医疗设备十分巨大，不利于携带和使用。此外，由于系统体积的限制，电池的体积与容量也受到了一定限制，因此需要开发更为高效的医用设备锂电池。

(3)为了满足工作需要，需要在箱体外壳留有导光插头连接部接口、外部电源接口以及散热口，但是箱体上破口太多必然牺牲箱体的密封性和防水防尘性能，因此下一步实验中将尝试将这些开口转移至箱子内部的面板上，而箱体外部只留有导光插头连接部接口，并对其进行防水防尘处理。