一种基于CCD成像的便携式内窥镜显示系统设计

贾偈，龚纯贵

上海东方肝胆外科医院 仪器设备科，上海 200438

引言

传统临床使用中的光导纤维内窥镜，一般由医生直接通过物理目镜或将其接至数字图像处理器后在监视器上观察病灶或进行诊疗操作。直接观察目镜的方式在使用上不够方便，医生的眼睛需要对准目镜才能看到图像，另外也不便于多位医生同时会诊；直连外部图像处理器的方式由于设备体积较大，当设备需要外借，或遇到需要远距离的移动时就不够方便[1]。

本文设计的便携式内窥镜显示系统弥补了以上不足，简易替代了图像处理器和监视器，通过内置高清CCD 摄像机的成像机构，直接与内窥镜目镜对接，然后在TFT 液晶显示屏上显示目镜中呈现的影像[2]。本系统与目镜连接的接口能够匹配市场上大多数光导纤维内窥镜的目镜。便携式内窥镜显示系统能便于使用者操作，可随身携带。采用三晶片CCD 成像[3]，成像质量高，清晰度好。配套光源采用大功率LED 灯[4]，亮度高，自然光色度。通过无线视频信号传输[5]，成像机构和显示机构各自独立，使用操作过程中不受影响。

本系统可以配合内窥镜进行麻醉及抢救时的导入气管插管，吸痰，观察病变部位并取活检作病理检查，夹取异物，电凝止血，切除息肉等[6]。它是鉴于传统内窥镜和电子内窥镜之间衍生出的辅助设备，电子内窥镜的售价要远高于传统内窥镜，采用本系统可实现传统内窥镜的数字化升级，作为电子内窥镜的一种替代方案。

1 系统设计

1.1 工作原理

内窥镜目镜的影像，经摄像机镜头聚焦到CCD 芯片上，CCD 根据光的强弱聚集相应电荷，并周期性放电，产生代表画面的视频信号，通过无线视频发射模块传输到接收模块，然后视频信号经过液晶屏驱动电路作滤波放大等处理，把图像还原到TFT 液晶屏[7]。

1.2 系统结构

系统主要由三部分组成：成像机构、显示机构和光源机构。

该套系统由成像机构连接内窥镜目镜采集图像，光源机构连接内窥镜导光接口提供照明，显示机构接收从成像机构发来的2.4 GHz 无线视频信号，当视频信号遇到干扰导致显示图像不清晰时，可切换成有线电缆连接成像机构与显示机构。整体系统结构图，见图1。

图1 系统结构图

1.3 元器件选型和设计

该系统主要元器件有CCD 摄像机、TFT 液晶显示屏及其驱动电路板、聚合物锂离子电池[8]、无线发射和接收模组、大功率LED 和主控制电路板。

1.3.1 CCD摄像机

摄像机内部由三晶片CCD 采集图像，不使用滤色片，将光信号通过分光棱镜得到红绿蓝三色光，其中红光和蓝光分别经过两次反射，三色光分别由三块相同的CCD 采集，这种采集方式属于完全采集，无损接收[9]。无论在清晰度还是色彩还原度上，都远远超过单晶片成像系统[10]。三晶片CCD 成像原理图如图2 所示。

图2 三晶片CCD成像原理图

每片CCD 选用1/3 英寸的单色CCD，其尺寸小，适用于便携式设备。摄像机控制电路采用高清DSP 信号处理芯片，对接三片单色CCD，通过三原色叠加计算，还原出彩色图像。

1.3.2 TFT液晶屏及其驱动电路板

该元器件的主要功能是接收视频信号，然后经过转码和放大，最终转换成图像，显示在液晶屏上。驱动板提供DC/DC 电压转换模块，对主控制电路板提供的12 V 直流电压进行降压。液晶屏及其驱动电路结构示意图如图3 所示。

图3 液晶屏及其驱动电路结构示意图

本系统选用5.6 英寸带LCD 背光的TFT 液晶屏，屏幕尺寸适用于便携式设备。驱动电路板信号输出接口支持VGA 输出和HDMI 高清输出，最高分辨率达1920×1080。板卡采用嵌入式系统，使用标准的H264 编码图像压缩算法[11]，可以支持图像拍照和视频存储。

1.3.3 聚合物锂离子电池

电池类型为二次聚合物锂离子电池，电芯尺寸4.4 mm×50.0 mm×61.0 mm，标称电压7.4 V，标准放电电流0.2 C5A，放电截至电压5.5 V。电池双层折边工艺，侧边绝缘（图4）。电池外加保护板和引线插头，可直接连接主控制电路板接口插座。

图4 锂聚合物电芯双层折边示意图

1.3.4 无线视频发射和接收模块

无线视频发射模块采用TX6729，发射频段为2.4 GHz，四通道可调，由主控制电路板提供5 V 直流电压进行工作。无线视频接收模块采用RX2988，接收频段与发射模块相对应，工作电压与发射模块相同。

1.3.5 大功率LED

大功率高亮冷光LED 的主要功能是给内窥镜操作提供照明，因为内窥镜本身是不带光源的，当进入到人体后，没有光源是无法看到图像的，通过安装在内窥镜导光接口上的光源机构就能为内窥镜的操作提供必要的照明条件。LED（Light Emitting Diode，发光二极管）是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，本系统采用的大功率LED 是能够满足医用光源要求的冷光源[12]。由于大功率LED 在工作的过程中会散发大量的热，需把LED 焊接在铝基板上，铝基板导热部分使用导热硅脂黏附在散热片上[13]。LED驱动电路主要器件是LM2596S开关电压调节器，它能够稳定输出3 A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，选用固定3.3 V 的输出电压。LED 驱动电路如图5 所示。

图5 LED驱动电路

1.3.6 主控制电路设计

本系统主控制电路板分别位于成像机构和显示机构，其功能相似，除印制板形状和软件部分略有不同之外，硬件方面大体相同。

主控芯片采用STC12C5201AD 单片机。GLED、RLED采用频率占比指示电量，绿色为电量充足，红色为电量低，红绿混合出的橙色强弱表示电量不同等级，PowerLED 为开机指示灯。WirelessEn 是给无线模块供电的使能端，高电平启动供电，低电平停止供电。SWDet 表示开机按钮延时检测，防止误触开关导致的开机。PowerDet 用于检测系统是否已通电。CableDet 用于检测成像机构和显示机构之间是否有电缆连接。BTEn于控制锂电池是否为电路板供电，12VEn 用于控制摄像机或液晶屏驱动板供电。主控制模块如图6 所示。

图6 主控制模块

电源管理芯片采用FDS4935，主要功能是电源保护，降压和开关控制。BT 端连接锂电池正极，承载7 V 标称电压，当S1 按钮按下后，SWDet 由低电平转为高电平，延时保持后，主控芯片将BTEn 输出高电平，三极管Q1 触发，使得FDS4935 的G1 和G2 引脚变成低电平后，D1、D2 端输出供电电压。同理，也用这种方式为无线发射和接收模块供电。电源管理模块如图7 所示。

图7 电源管理模块

升压芯片采用CS5171 提供5 V 到12 V 的升压功能，稳定提供大电流输出。当VCC 端有电压供电时，12 VEn高电平输入S 端，将VCC 电压升压到12 V。FB 端为正向电压调节反馈端，参考值为1.276 V。升压模块如图8 所示。

图8 升压模块

1.3.7 其他器件

视频连接电缆，用于成像机构与显示机构间的有线连接，在操作条件受限或无线信号干扰严重的情况下使用[14]。

无线接收天线，是安装在显示机构顶部暗埋孔内的部件，它是可拆卸的，在正常使用的过程中，一般不需要安装，其目的仅用于加强无线视频信号的接收能力[15]。

电源充电器，是专供锂电池充电的器件，成像机构和显示机构都内置有可充电锂电池，当电量指示灯提示需要充电时，可使用充电器分别为其充电[16]。

2 软件设计

本软件功能主要用于便携式内窥镜显示系统启动与停止，电源指示灯和电量指示灯的显示，电缆连接检测等。用于内窥镜显示的辅助系统，系统独立于内窥镜，不存在干涉，当系统存在故障可直接弃用，并不影响内窥镜的常规使用，因此本系统的安全性级别为A 级，不可能对健康有伤害和损坏。

2.1 结构功能

软件部分主要包括系统开关延时检测、电缆检测、电压检测和电源管理四个部分。

2.2 需求分析与设计

确定软件要达到的功能目的，核心是电源控制，能够检测内部电源的电压值，同时输出给不同模块的相应电压值。开关机具有延时防误操作检测功能，有线和无线方式的切换供电控制等。

延时检测的功能包含开机和关机的延时，防止用户误操作导致非正常开关机。电缆检测的功能主要用于监测显示和成像机构之间是否是有线连接，如果是通过电缆连接的话，则无线收发模块将断开供电。电压检测的功能主要是监测内部电源的输出是否能持续供应设备的正常工作，如果电源欠压会通过电量指示灯进行提醒。电源管理的主要功能是为不同模块供电，包括无线模块、成像模块、显示模块和光源模块。软件架构设计图如图9 所示。

图9 软件架构设计图

3 系统测试与结果

3.1 连接使用

3.1.1 视频传输

测试方法：测试时放置一张写有“A”字，大小为10号字体的白纸置于设备摄像机镜头前端50 cm 处，摄像机与显示屏相距1.5 m 后，打开设备，调节摄像机调焦轮至显示屏上清晰可见该“A”字并连续保持10 min。

3.1.2 目镜接口

测试方法：摄像机与内窥镜目镜相连接后，紧固螺栓拧紧，手握内窥镜把手，轻微晃动，摄像机应良好的与内窥镜固定在一起。

3.2 视频解析度

测试方法：摄像机放置在距测量电视线的清晰度卡50 cm处，打开设备，调节摄像机调焦轮至图像清晰。视频解析度可达到700 TV Lines。

3.3 图像失真度

测试方法：在标准光源箱中的D65 光源测试环境下，摄像机拍摄畸变图卡并输出图像至通用软件Imatest SPL-QC 中测试数值，其结果畸变≤1%。

3.4 色彩还原度

测试方法：在标准光源箱中的D65 光源测试环境下，摄像机拍摄色彩测试卡并输出图像至通用软件Imatest SPLQC 中测试数值，色彩还原误差＜20。

3.5 信噪比

测试方法：在标准光源箱中的D65 光源测试环境下，摄像机拍摄信噪比卡并输出图像至通用软件Imatest SPLQC 中测试数值，信噪比≥42 dB。

3.6 调焦距离

测试方法：摄像机对准清晰度卡，调节调焦轮，在规定的焦距范围内可清晰成像，调焦距离40～60 cm。

4 结论

本系统作为光纤内窥镜辅助设备，可以满足临床使用的技术要求。目前该产品已经获得医疗器械注册证，并已投入到临床使用中。产品实物图如图10 所示。

与此同时，在与内窥镜等外接设备配套使用中不存在较大的风险，所有在使用过程中可能对使用者或患者产生风险的情况仅限于外接设备本身。当外接设备发生故障时，应按外接设备的风险管理程序控制，本产品的具体性能和参数不会因为外接设备的故障而失效，产品的安全性得到有效保障。临床使用中至今没有出现任何一例不良事件，临床使用效果图如图11 所示。

图10 产品实物图

图11 临床使用效果图

便携式内窥镜显示系统利用高分辨率CCD 镜头将光学目镜采集到的图像实时输出，通过无线信号传输到高清晰显示屏，改变了通过目镜观察操作区域的方式，降低了光学内窥镜的使用难度，改变了使用者工作模式，解放了操作者双眼，适用于光学内窥镜的数字化升级，简化了目前摄像系统繁重设备，从而降低了高昂成本。全球人口老龄化、人们生活水平提高和偏远地区对医疗服务需求增加等因素正促使传统医疗方式的变革，移动性和便携性逐步成为影响医疗电子产业的关键。