醫用無線電膠囊的製作方法

2023-05-27 04:42:21

專利名稱：醫用無線電膠囊的製作方法
技術領域：
本發明屬電子學和生物醫學工程領域，是一種新型的消化道疾病診斷裝置。
我們所發明新型的醫用無線電膠囊，由於採用了無線電收發圖像數據，使內窺鏡系統由有線系統變為無線系統。它可以有效地克服傳統內窺鏡的弱點，如吞咽、感染等問題。更重要的是，無線電內窺鏡系統可以檢查到5-7米長的小腸，而傳統的內窺鏡是無法做到的。
本發明解決的主要問題是無線通信問題和系統供電問題。第一個問題的解決方式是將內窺鏡的圖像採集和傳輸系統與圖像接收系統分離開，通過無線的方式進行通信。為此，將內窺鏡的圖像採集和傳輸系統小型化，以便能封裝在膠囊內。此膠囊應滿足以下幾個方面的要求(1)體積小，以保證患者能輕鬆吞咽和順利通過整個消化道；(2)重量輕，以免導致消化道穿孔；(3)射頻頻率不能過高，以減少射頻能量沉積和射頻對人體的損傷；(4)用於照明的光源應是冷光源，以避免對消化道壁的損傷；(5)適用於腸胃內的化學環境，即PH值在2至8之間。第二個問題的解決方式是設計微功耗系統，使得電池的使用壽命足以保證全消化道的探測。為此，我們採用微功耗IC以及ASIC電路。
此外，本發明還解決了以下幾個問題(1)圖像數據傳輸的可靠性和安全性設計，以及圖像採集、編碼、調製和發射方法的設計；(2)提供一個高分辨的超過常規的內窺鏡的空間分辨力，其分辨能力可以達到512×512，而且這種分辨力是可調可變的；(3)在成像的過程中，我們既可以採用白色的發光二極體(LED)進行彩色圖像採集，又可以使用紅、綠、藍(RGB)色的LED進行三色圖像採集，從而合成彩色圖像；(4)可以對消化道進行紅外熱成像；(5)可通過體外無線電裝置遙控體內圖像採集裝置的工作狀態和參數。
醫用無線電膠囊的前端有一個球冠狀透光的玻璃外罩，如圖2所示。其外殼採用耐酸、耐鹼和無毒的材料製成。玻璃罩裡面封裝有透鏡、發光二極體陣列及其驅動電路、角度為135度的小孔成像光闌。光闌安裝在放光二極體的驅動電路上面，四個發光二極體圍繞在光闌的四周，驅動電路後面是一個廣角透鏡。透鏡後面是CMOS圖像傳感器，其分辨力為256×256。
醫用無線電膠囊的後端是射頻收發器，原理圖如圖3所示。圖像數據經調製器調製以及放大器放大後，經收發開關送至收發天線發射。收發天線是一個LC振蕩器。接收指令時，信號經收發天線送至收發開關，再經放大器放大和解調器解調後，送給微控制器。
圖4是圖像傳感器和微控制器的連接圖。圖像傳感器是一個CMOS單片攝像器，它能夠通過I2C總線，攝製成各種模式和參數，如單幀模式、隔行掃描、逐行掃描、曝光時間、空間解析度、時間解析度等，一是用於各類場合。微控制器是一個專用集成電路晶片，其主要功能是將圖像傳感器並行的圖像數據轉換成串行輸出的數據，並實行特定的編碼方式，並送至射頻收發器。微控制器的另一個功能就是進行電源管理和開關識別，電源的開關採用磁性開關。
本發明的另一部分是一個發光二極體的驅動電路，其電路原理圖，如圖5所示，發光二極體的閃爍頻率能高達325千赫茲。
射頻調製的方式的選擇主要考慮下面幾個方面1.首先要考慮射頻傳輸過程中，信號幅度對數據傳輸的可靠性的影響。因為運動的藥丸的位置時會改變接收器對接收到的信號幅度，因此採用幅度調製是一個不可採用的方法。
2.提高接收器對射頻信號的靈敏度，也是需要考慮的方面。合適的射頻調製方式可以提高接收器對射頻信號的靈敏度，同時也會降低射頻信號在人體中的沉積。
3.減少數據對元器件公差和系統參數漂移的敏感度。考慮這方面的可以進一步提高系統的可靠性和精確性。
基於以上三方面的考慮，我們可以採用的頻率調製(FM)、開關鍵控(OOK)、頻率鍵控(FSK)、脈寬調製(PWM)、脈衝長度調製(PDM)等幾種調製方式。
圖6中我們給出了常見的數據編碼的方法，前5種方法需要接收器和發射器之間的良好的時鐘同步，而脈衝間歇編碼(PDW)方法可以採用異步時序解調電路實現數據接收。因此，本發明採用脈衝間歇編碼(PDW)方法進行圖像數據的編碼。這種方法的另一個優點是降低射頻發射和接收的帶寬，以及在射頻接收時中便於解調。
權利要求
1.醫用無線電膠囊用於消化道疾病的檢查，其特徵為含有一個外殼，一個單片CMOS成像器(圖像傳感器)，一個發光二極體(LED)陣列，一個ASIC晶片(包含一個無線電收發器，一個微控制器)，一個電源。CMOS成像器用於採集消化道內壁的光學圖像，而LED陣列為該成像器的圖像採集提供照明。無線電收發器用於調製和發送成像器所採集的圖像數據以及接收和解調外部遙控信號。微控制器用於控制LED陣列的發光、成像器的圖像採集、收發器的數據傳送、外部遙控數據處理和指令執行。
2.根據權利要求1所述的醫用無線電膠囊，其進一步特徵為所說的微控制器包括RISC處理器和藍牙(Bluetooth)核。
3.根據權利要求1所述的醫用無線電膠囊，其進一步特徵為所說的無線電收發器包含接收器和發射器。
4.根據權利要求1所述的醫用無線電膠囊，其進一步特徵為所說的LED陣列包括三個或更多個LED，LED可以是白色、紅色、綠色、藍色、紅外光。
5.根據權利要求1所述的醫用無線電膠囊，其進一步特徵為所說的電源為電池。
6.根據權利要求3所述的醫用無線電膠囊，其進一步特徵為所說的發射器進一步包含FM/FSK/OOK/PWM/PDM調製和發射。
7.根據權利要求3所述的醫用無線電膠囊，其進一步特徵為所說的接收器進一步包含FM/FSK/OOK/PWM/PDM接收和解調。
8.根據權利要求1所述的醫用無線電膠囊，其進一步特徵為所說的CMOS成像器進一步包含紅外圖像的採集。
9.根據權利要求1所述的醫用無線電膠囊，其進一步特徵為所說的微控制器進一步包含脈衝間歇碼的數據編碼格式。
全文摘要
本發明屬電子學或生物醫學工程領域，是無線電內窺鏡系統的重要組成部分。在傳統內的內窺鏡系統中，圖像採集器的供電以及圖像採集器與系統之間的通信是通過電纜來實現的。電纜的使用不僅使內窺鏡的檢查範圍受到限制，也給患者帶來痛苦。本發明所設計的醫用無線電膠囊用於無線內窺鏡系統，使內窺鏡系統徹底擺脫了這種電纜連接的方式。本發明主要解決兩大問題一是由有線通信轉為無線通信所帶來的問題，即要將內窺鏡的圖像採集和傳輸部分與內窺鏡系統分離開，並封裝在膠囊內。圖像採集器採集到的圖像數據通過無線電通信的方式傳出體外，位於體外的接收系統接收數據後，送至圖像工作站進行處理；二是解決系統由於使用電池供電而帶來的功耗上的制約。為此，我們採用微功耗器件以及設計專用集成電路(ASIC)來降低系統的功耗，使膠囊的工作時間足以滿足全消化道檢查的需要。此外，該系統還具有通過體外無線電裝置遙控體內圖像採集裝置的工作狀態和參數的特點。
文檔編號A61B5/00GK1473545SQ02125929
公開日2004年2月11日 申請日期2002年8月5日 優先權日2002年8月5日
發明者王衛東, 楊雲生, 陳廣飛 申請人:王衛東, 楊雲生, 陳廣飛