浅谈医用内窥镜摄像系统改进设计

刘艳

摘  要：在传统的医用内窥镜摄像系统中，临床医学领域普遍采用标清的内窥镜摄像系统用于医学检查。随着科技的不断发展，物联网技术兴起，为医用内窥镜摄像系统提供了实现远程医疗的可能性。该文主要围绕医用内窥镜和医用内窥镜用手柄的硬件结构设计、医用内窥镜硬件电路设计以及医用内窥镜处理器结构设计4个方面的改进展开论述，目的在于提高医用内窥镜摄像设备的便携性和精准度。

关键词：内窥镜;硬件设计;多路高清视频输出;远程医疗

中图分类号：TP274.2    文献标志码：A

0 引言

近年来，在人口老龄化程度加深以及国产器械替代政策的影响下，微创医疗设备行业发展前景良好。随着人们对健康的越来越重视，传统医疗内窥镜摄像系统采用标清图像用于医学检查和治疗手术，因其图像质量不高，对于医疗工作者准确诊断，极易带来许多不确定性。因此医疗工作者对于医用内窥镜摄像系统也有了更高的需求：医用内窥镜摄像系统的高清化和便携性。内窥镜作为微创手术中常用的医疗器械，包括3个部分：摄像手柄、光源、卡口镜头。使用时将内窥镜导入预检查的器官，可直接窥视有关解剖部位的变化。作为临床医学常用设备之一，传统的医用内窥镜摄像系统不方便携带、图像不清晰等缺点逐渐显现出来，该文主要介绍了医用内窥镜的发展现状，并针对现有医用内窥镜存在的不足进行了改进。

1 医用内窥镜摄像系统发展现状

医用内窥镜摄像系统，主要应用于临床各领域微创手术中，是现代外科医学诊断、手术治疗应用的一种医疗前沿技术，通过显示系统将内窥镜近距离观察病灶，放大手术视野，降低患者在传统手术盲目性风险，大大减少脏器的损伤和功能干扰，缩短了术后的恢复时间，减少患者痛苦，更加注重患者的生活质量与康复。因此，医用内窥镜摄像系统在临床各领域微创手术治疗中起着非常重要的作用，但是由于目前的医用电子内窥镜大多停留在传统的模式上，主要有以下一些不足之处。1）传统电子内窥镜多是将监视器、摄像机、冷光源和录像盒等部件分开制作，然后通过接线将其连在一起组合、选配使用，这样使得各部件分散，摄像设备体积庞大，线束众多，导致内窥镜信号不佳。现有医用内窥镜摄像设备制作成本较高，多为钣金件制作，运输成本也较高，使用前需派专业人员上门安装调试。另外，现有医用内窥镜摄像设备使用环境有限，一般仅限在医院使用，不方便移動。2）目前，内窥镜摄像机图像处理后的分辨率普遍都比较低，基本上还处于标清及标清以下的分辨率水平，在医用内窥镜摄像系统，图像的成像效果是医用内窥镜摄像系统的关键参数，现有内窥镜摄像机依靠传统单路视频输出标清信号已经不能满足医用内窥镜图像质量的要求。

2 研究内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，该文主要从以下3个方面进行研究。

2.1 医用内窥镜硬件结构设计

针对现有的医用内窥镜因体积较为庞大、线束众多以及监视器、摄像机、冷光源等分散而导致内窥镜信号不佳的问题，该文设计了一种医用内窥镜摄像设备，如图1所示，该医用内窥镜摄像设备包括面板、底座和镜头，面板和底座之间通过转轴活动连接，镜头接插在底座一侧，面板由前框和后框组成，前框与后框之间装设有液晶显示屏，且液晶显示屏通过支架固定在后框的螺丝孔上，底座由上盖和下盖组成，下盖上固定有固定板，在固定板上固定有线路板，线路板包含LED模组、驱动板、视频转换板、开关板、电源板以及摄像板，下盖下端固定有风扇、电源开关、插座、保险丝和信号线。上述技术方案的底座中装配多个电路板，可以实现医用摄像、提供光源、录像的功能;上述技术方案通过面板和底座的结构设计，实现了冷光源、摄像和显示为一体，高度集中部件，并在出厂前已经组装好，不需要重新组合和调试即可直接使用，便携，简易，体积小，制作成本低，便于运输，不仅如此，该医用内窥镜摄像设备成本低廉，其样式类似于笔记本电脑，型号按照液晶显示屏可制作成10寸、15寸、19寸、21寸、24寸、26寸、43寸大小的设备，适合大规模生产。

2.2 医用内窥镜用手柄的硬件结构设计

针对现有的医用内窥镜用手柄重复使用后易导致交叉感染以及医用内窥镜易存在保养不到位易造成内窥镜无信号等异常现象的缺陷，提供一种医用内窥镜用手柄，如图2所示，该手柄包括手柄壳以及与手柄壳固定连接的台阶结构，手柄壳呈流线型方形主体结构设置，台阶结构上固定有玻璃镜片和摄像线路板，手柄壳上设置按键结构，按键结构内部设有按键线路板，手柄壳和台阶结构均是由塑料或铝合金材质构成，适合批量生产，成本低，一次性使用，因此使用后不用消毒，可以避免因保养、消毒不到位等造成的使用异常。不仅如此，该医用内窥镜用手柄通过设置5个按键，可实现上下左右选择，模式转换，拍照、冻结、对白等多种功能，功能齐全、扩展性强。

2.3 医用内窥镜摄像机硬件电路

当前，医疗领域对医疗器械在精度和准确度上的要求不断提高，现有内窥镜摄像机依靠传统单路视频输出的方式已经不能满足医用内窥镜对于高清晰图像质量的要求，针对上述现有技术中存在的缺陷，提供一种可实现多路高清视频输出的医用内窥镜摄像机电路结构[1]，如图3所示，该电路结构包括由供电单元、采集单元、图像处理芯片、信号均衡器芯片和图像输出接口组成的电路回路，供电单元分别与采集单元、图像处理芯片、信号均衡器芯片和图像输出接口连接，图像处理芯片分别与采集单元和信号均衡器芯片连接，信号均衡器芯片和图像输出接口连接。其中，电单元为整个图像处理芯片及外围电路提供电源支持。CMOS光耦传感器为4K图像的采集单元，通过CMOS光耦传感器采集信号后，将信号传输给4K图像处理芯片，4K图像处理芯片对信号进行处理，并将处理后的信号传输给信号均衡器芯片，信号均衡器芯片将信号进行硬件的信号均衡，然后通过图像输出接口稳定输出图像信号给监视器。参数存储芯片用来保存设置图像的关键参数。该电路结构能够满足多达四路的HDMI输出信号，并且提供一路SDI信号输出，一台手术实现多画面图像，在满足手术需求的同时，也可实现同步教学。此外，多路高清信号的输出，也满足医疗工作者长期以来对图像质量的需求。

3 总结与展望

上述研究针对医疗内窥镜各部件之间分散不方便携带的问题，利用面板和底座的结构设计，使得医疗内窥镜的冷光源、摄像单元和显示单元为一体，提高医疗内窥镜的便携性;针对医用内窥镜用手柄重复使用后易导致交叉感染的问题，将医用内窥镜用手柄上的手柄壳和台阶结构使用塑料或铝压铸模具制作，可避免因保养、消毒不到位等造成的医疗内窥镜手柄的使用异常;针对现有内窥镜摄像机依靠传统单路视频输出的方式不能满足医用内窥镜对于高清晰图像质量的要求的问题，设计包括VGA、CVBS、SDI和HDMI等多路视频输出的医用内窥镜摄像机电路，达到多路高清信号的输出的目的。然而对于医用内窥镜摄像系统来说，其仍然存在许多尚待解决的难题，以医疗内窥镜远程数字化信息系统的构建为例，在当前具有大带宽特性的5G技术的广泛应用的背景下，如何将5G技术与远程医疗和物联网医疗结合起来，实现远程医疗和物联网医疗的广泛应用是摆在相关工作者面前的新的课题，而医疗内窥镜如何借助远程医疗和物联网医疗的落实得到进一步应用进而完善“互联网+医疗健康”支撑体系[2]更是一个相当大的挑战。

参考文献

[1]国务院办公厅.国务院办公厅关于  促进“互联网+医疗健康”发展的意见[EB/OL].[2018-04-25].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2018-04/28/content_5286645.htm.

[2]上海世音光电仪器有限公司.一种医用内窥镜摄像机：2019 2 0002508.3[P].2019-01-02.