便携超细电子支气管镜的设计

上海欧太医疗器械有限公司 开发部，上海 200233

引言

支气管镜是肺部疾病检查和治疗的常规医疗设备[1]，也是肺部疾病微创治疗的常规医疗设备，有重要的应用价值。支气管镜经历了从硬质支气管镜、纤维支气管镜到电子支气管镜的发展阶段[2-4]，每一步都具有划时代的意义。1987年以后，日本OLYMPUS公司、德国Wolf公司等相继推出了自己的电子支气管镜。电子支气管镜使医生可不用看目镜，直接看屏幕，更加方便；图像更加清晰，成为支气管检查的主流镜种。

目前常规电子支气管镜外径为4.5～6.2 mm，一般只能达到4～6级支气管腔，很难达到更细的支气管腔。而超细电子支气管镜外径为1.8～3.6 mm，可以达到8～11级支气管腔，能够为更远的支气管进行检查及治疗，减轻患者检查时的痛苦[5-8]。而且细支气管腔在肺部占比较大，因此超细电子支气管镜的研究和应用意义重大，市场前景也很广阔。

近几年日本OLYMPUS公司的BF-XP290超细电子支气管镜的外径为3.1 mm（包括1.2 mm的工作通道），但它是台式设备，不是便携设备，不方便移动。现在市场上的便携纤维支气管镜由于受最大像素（3 mm直径最高只有3万像素，1 mm直径最高只有1万像素）限制，图像不清晰。

针对以上问题本公司设计了便携超细电子支气管镜，采用微型、低功耗的互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）技术的图像传感器[9-13]，并采用微型发光二极管（Light Emitting Diode，LED）和超细光纤技术[14]。该设备外径可以小至1.2 mm（只有诊断功能）～2.8 mm（有1.2 mm工作通道，除诊断功能外还具有治疗功能），并且图像清晰，图像分辨率可达到16万像素或更高，较便携纤维支气管镜有更高的分辨率。且方便移动，因此较台式超细电子支气管镜更灵活，适合于床边诊疗、紧急医疗事故、电源受限、移动诊断、外出诊断等。

1 方法

本方法提供了一种更适合病人的生理结构、无发热问题且便携的超细电子支气管镜，具体如下。

1.1 总体设计

如图1所示，本系统由便携主机（包括镜体、显示主机）及大屏部件两部分组成。

镜体包括操作部、插入部（插入部包括弯曲部）、头端部，镜体内部安装有摄像部件和照明部件，见图2。在使用过程中，镜体通过接口模组与显示主机紧密连接，在镜体进行清洗和消毒时，镜体与显示主机分开。

图1 整机结构示意图

图2 镜体侧面结构示意图

摄像部件包括微型镜头、微型图像传感器及超细的专用屏蔽线，微型图像传感器采用目前国际上最细小、功耗最低的器件。其中，由微型镜头及微型图像传感器相连接，组成摄像模组，该摄像模组放置于头端部，用于采集体内图像信号传送到图像采集和处理板。微型图像传感器功耗不超过25 mW，其工作时产生的热量可通过头端部自然散掉、不会引起温度升高，因此可以长期工作，克服了其他图像传感器功耗大、散热难而只能间断工作的弊端。

照明部件包括光源模组及光纤，摄像部件和光纤从镜体内部穿过并列固定于头端部，光源模组集成在操作部里面，通过微型、高功率LED产生光源，再经过光纤为摄像模组提供冷光，而且光强足够大以满足摄像模组采集图像的要求。

大屏部件包括大显示屏、托架及支架，大显示屏设于支架上，托架设于支架上，托架用于放置便携主机。大显示屏包括了大屏控制和驱动板及无线接收板，大显示屏的尺寸大于显示主机中显示屏的尺寸，大屏控制和驱动板分别与大屏及无线接收板相连接，且大屏控制和驱动板还与一电源相连接。

接口模组通过六根弹针实现紧密电路连接，通过卡扣实现紧密结构连接，其中，接口模组包括与显示主机连接的上接口、与镜体连接的下接口。上接口含6针插头，下接口含6针插座，都采用镀金插针、防水材料。

显示主机采用二维转轴技术可以上下旋转90°、左右旋转270°，以便医生观察。

镜体的插入部是软性的，可以自由弯曲。并且插入部包含的弯曲部可以上弯曲至少180°、下弯曲至少130°，特别符合小支气管的生理结构，很少引起病人不适或意外损伤。

1.2 电路设计

如图3所示，显示主机包括接口模组、主控制板、图像采集和处理板、光源驱动板、显示屏、显示屏驱动和存储板、无线发射板及锂电池，并安装在显示主机外壳里面。

图3 电路原理示意图

图像采集和处理板通过接口模组对专用屏蔽线传来的微弱图像信号进行阻抗匹配、采集、AD转换、快速处理，然后传送给主控制板。主控制板对图像信号进行快速处理和分发并传送到显示主机中的显示屏和无线发射板，且主控制板对光源驱动板、锂电池进行管理和控制。无线发射板采用Wi-Fi无线技术与Pad大屏部件中的无线接收板通信连接，在大显示屏上可同时显示图像，方便医生观察，也方便教学。

为了采集微型图像传感器的微弱模拟信号，采用了超细的专用屏蔽线，图像采集和处理板使用匹配电路、快速数字信号处理芯片（Digital Signal Processing，DSP）和现场可编程门阵列芯片（Field Programmable Gate Array，FPGA），并且采用先进图像处理算法，使图像更加清晰。锂电池是充电电池，为便携主机供电，且便携主机中的器件采用低耗能器件，实现设备的便携化。便携主机可独立使用、随身携带、外出诊断。主控制板包括控制模块、光源驱动板（包括亮度控制模块）、充电模块、按键模块；控制模块包括微控制电路。主控制板包含的按键模块包括开关按键、拍录按键、菜单按键、浏览按键。在显示主机中，显示部件包括显示屏与显示屏驱动和存储板，通过显示屏驱动和存储板可以对显示屏的参数进行设置，可以保存感兴趣图像，也可以录像，并有USB接口把保存的图像数据拷贝到计算机硬盘中。主控制板电路连接图如图4所示，硬件实物手板图如图5所示。

图4 主控制板电路连接图

图5 硬件实物手板图

1.3 头端部设计

1.3.1 带工作通道的头端部设计

带工作通道的头端部结构如图6所示，头端部包括摄像模组、工作通道、二根光纤。为了增加光亮度，每根光纤的直径不小于0.4 mm；并且对称位于摄像模组的两侧，以便提供均匀的光源。圆形工作通道可用于治疗。

带工作通道的头端部设计如下：① 摄像模组采用边长0.6 mm微型图像传感器和镜头、1.2 mm工作通道、二根0.4 mm光纤，可组成外径2 mm、图像分辨率高达4万像素的内镜；② 摄像模组采用边长0.6 mm微型图像传感器和镜头、2.2 mm工作通道、二根0.4 mm光纤，可组成外径3 mm、图像分辨率高达4万像素的内镜；③ 摄像模组采用边长1.1 mm微型图像传感器和镜头、1.2 mm工作通道、二根0.4 mm光纤，可组成外径2.8 mm、图像分辨率高达16万像素的内镜；④ 摄像模组采用边长1.1 mm微型图像传感器和镜头、2.2 mm工作通道、二根0.4 mm光纤，可组成外径3.6 mm、图像分辨率高达16万像素的内镜。

图6 带工作通道的头端部结构示意图

图7 不带工作通道的头端部结构示意图

1.3.2 不带工作通道的头端部设计

不带工作通道的头端部结构示意图如图7所示，头端部包括摄像模组及四根光纤。为了增加光亮度，每根光纤的直径不小于0.15 mm，并且对称位于摄像模组的四侧，以便提供均匀的光源。

不带工作通道的头端部设计如下：① 摄像模组采用边长0.6 mm微型图像传感器和镜头、四根0.15 mm光纤，可组成无工作通道、外径1.2 mm、图像分辨率高达4万像素的内镜；② 摄像模组采用边长1.1 mm微型图像传感器和镜头、四根0.25 mm光纤，可组成无工作通道、外径1.8 mm、图像分辨率高达16万像素的内镜。

1.4 光源模组设计

光源模组包括LED、灯支架、铝基板、散热板、LED反光座、光纤、光纤套管，见图8。LED采用直径小于2 mm、高功率、光通量达到300 Lm的微型发光二极管。对应光纤直径小于1 mm，光纤外面包有光纤套管，其外径大小与LED反光座配套以便光纤处于LED的中间位置，以保证光强最大。

LED灯芯片固定于灯支架上，灯支架通过铝基板使用导热硅胶固定于铝材散热板上，这样很好解决了高功率微型LED的散热问题。该光源模组处于如图1所示的操作部处，只在该处稍微发热，不影响任何操作。

1.5 专用屏蔽线设计

如图9所示，超细专用屏蔽线结构示意图包括导线、地线、绝缘层、绝缘套、内屏蔽层及外屏蔽层，为直径只有0.6 mm的超细屏蔽线。

图8 光源模组结构示意图

图9 超细专用屏蔽线结构示意图

内屏蔽层和外屏蔽层首先绞合在一起，然后地线与内屏蔽层、外屏蔽层也绞合在一起，这样只要把专用屏蔽线中的地线一根线焊到电路地线即可很好屏蔽外界干扰信号，这对于弱模拟信号传送至关重要。

导线在加工时要位于导线屏蔽层的中心，以减少不对称造成的电容阻抗，从而减少信号损耗。超细的专用屏蔽线一端连接摄像模组，另外一端连接接口模组，这样把图像信号通过接口模组传送到图像采集和处理板，见图3。

2 结果

便携超细电子支气管镜为病人提供更方便的诊断和治疗手段，适合于医生移动诊治等场合。本文提供了4种带工作通道的设计，外径2～3.6 mm，不仅具有诊断功能，还有治疗功能，有代表性的是2.8 mm带1.2 mm通道的内镜；本文还提供了2种不带工作通道的设计，外径从1.2 mm至1.8 mm，不具有治疗功能，但外径更细，有代表性的是1.2 mm内镜。图像分辨率可以达到16万像素或更高，比便携纤维支气管镜有高得多的分辨率。本设计的实际应用图，见图10～12。

图10 实际采集到的图像

图11 实际采集到的模拟支气管图像

图12 外径2.8 mm（带1.2 mm通道）头端部的实现图

3 讨论

本研究的创新点：① 本设备包括外径仅为1.2 mm、不带工作通道的超细支气管镜及外径为2.8 mm、带1.2 mm工作通道、分辨率不小于16万像素的超细支气管镜；② 超细摄像模组由功耗极低、不超过25 mW的器件构成，再结合超细光纤冷光源导光技术，所产生的热量通过头端部自然散失、不会引起管镜温度升高，可长期连续工作，克服了现有支气管镜功耗大、散热难而只能间断工作的弊端；③ 采用充电锂电池为便携主机供电，并采用低耗能器件，实现设备的便携化；便携主机由显示主机和镜体构成，可独立使用；④ 具有存储功能[15]，可对需要的图像进行拍照和录像。主机通过无线模式把图像信号发送到大屏，实现双屏显示，方便医生观察，也方便教学；⑤ 目前超细电子支气管镜直径在3.1 mm以上，一般是台式的，比较笨重，不方便移动，且不能实现无线发射的功能。而我们的设计正好弥补了这方面的缺陷，因此具有很好的临床意义和市场推广价值。

但本设计也有需要改进的地方：① 超细电子支气管镜的生产工艺一般较难，因此要不断改进工艺设计才能实现设备的产业化；② 由于采用超小型图像传感器，外界干扰影响图像质量，因此在抗干扰方面需要改进；③ 由于在操作部使用高亮度LED，因此有一定的发热，需要不断改进散热技术。这都是以后研究的重要内容。

该技术还可应用于人体其它超细腔道诊治（比如尿道电子内镜等）、医用超细关节内镜、超细工业内镜等领域。因此，这也是该技术的发展方向。

4 结论

微型、低功耗的图像传感器和微型、高亮度的LED为支气管镜的超细化提供了技术保证，更适合病人气管、支气管生理结构，可以克服现有内镜的缺陷，为医生提供便利，并减轻患者检查和治疗时的不适感。是对电子支气管镜超细化和便携式的有益探索。