徐 忠，劉洪英,2，余 巧，孫良偉，趙亞雄，賈子如

(1.重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院 生物流變科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；2.重慶大學(xué) 新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030)

醫(yī)用內(nèi)窺鏡微型攝像模組設(shè)計(jì)*

徐 忠1，劉洪英1,2，余 巧1，孫良偉1，趙亞雄1，賈子如1

(1.重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院 生物流變科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；2.重慶大學(xué) 新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030)

設(shè)計(jì)了一種新型醫(yī)用內(nèi)窺鏡微型攝像模組。該模組采用微型、高分辨率的CMOS圖像傳感器結(jié)合低壓差分信號(hào)(LVDS)傳輸技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使攝像模組直徑縮減至5.0 mm，并實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離高保真?zhèn)鬏?。搭建了?shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)攝像模組的攝像功能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：該模組圖像傳輸距離超過(guò)2 m，分辨率達(dá)到30萬(wàn)像素，對(duì)口腔潰瘍模擬粘膜病變的識(shí)別率高達(dá)90 %。其圖像分辨率高，傳輸距離長(zhǎng)，使其適用于內(nèi)鏡診斷；其直徑小，能大大提高病人內(nèi)鏡檢查的舒適性，為超細(xì)內(nèi)鏡診斷提供了一種極佳的解決方案。

CMOS攝像模組；內(nèi)窺鏡；低壓差分信號(hào)技術(shù)；微型化

0 引 言

在醫(yī)學(xué)診斷和治療領(lǐng)域，人體組織臟器健康狀況的可視化是醫(yī)學(xué)工作者一直以來(lái)所追求的目標(biāo)。醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡就是為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代化診斷設(shè)備，經(jīng)過(guò)眾多專家與學(xué)者的努力，內(nèi)窺鏡技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展[1]。通過(guò)內(nèi)窺鏡，醫(yī)生可以非常直觀地觀察到人體內(nèi)臟器官的組織形態(tài)、體內(nèi)病變情況，發(fā)現(xiàn)病灶并對(duì)疾病進(jìn)行診斷[2]。但另一方面，內(nèi)鏡檢查需要將內(nèi)鏡通過(guò)人體自然腔道導(dǎo)入到體內(nèi)，而目前內(nèi)窺鏡探頭和鏡體直徑通常為9.0～13.0 mm[3]，這使得內(nèi)鏡檢查的病人往往比較痛苦。

為了提高內(nèi)鏡檢查的安全性和舒適性(耐受性)，內(nèi)鏡成像的窄口徑、微尺寸就顯得尤為重要[4]。

隨著微電子技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)展出了幾種微型攝像設(shè)備，在分辨率和尺寸之間做到了比較好的權(quán)衡，比較典型的是日本Olympus、日本Fujinon和日本Pentax研發(fā)生產(chǎn)的系列超細(xì)電子內(nèi)鏡[5]。但是這些進(jìn)口內(nèi)鏡均采用專用的CCD圖像傳感器作為感光元件，技術(shù)不流通，不利于推廣，而且配備圖像工作站之后系統(tǒng)價(jià)額昂貴，檢查費(fèi)用高。國(guó)內(nèi)外研究者們也從其他途徑對(duì)微型攝像探頭進(jìn)行了探索。IVP項(xiàng)目中的一個(gè)團(tuán)隊(duì)[6]研制出了一種視頻探頭，其直徑達(dá)到3.5 mm。所用圖像傳感器尺寸僅為1.7 mm×1.3 mm，但是分辨率僅有36 000像素。Covi D等人[7]設(shè)計(jì)了一種一次性CMOS攝像模組，用于電子內(nèi)窺鏡和微創(chuàng)手術(shù)，其圖像分辨率為VGA分辨率(640像素×480像素)，但該模組的尺寸為5.0 mm×8.2 mm×7.0 mm。Wang Liqiang等人采用1/18 in(1 in=2.54 cm)的CMOS圖像傳感器，設(shè)計(jì)了一種用于內(nèi)窺鏡的圖像獲取模組，但是其圖像分辨率也僅僅為320像素×240像素[8]。

由上可以看出，雖然CMOS圖像傳感器已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)用內(nèi)窺鏡，但是其分辨率都很低，僅有幾萬(wàn)像素，而目前幾乎所有的高清內(nèi)鏡均是采用CCD圖像傳感器。導(dǎo)致這種情況的發(fā)生主要是有2方面的原因:其一是高分辨CMOS攝像模組的尺寸太大，不能整合到內(nèi)窺鏡前端;其二是CMOS攝像模組圖像傳輸距離一般在30 cm以內(nèi)，但電子內(nèi)窺鏡的工作長(zhǎng)度一般超過(guò)1 m，這也導(dǎo)致CMOS攝像模組應(yīng)用于高清內(nèi)鏡受到限制。

本文設(shè)計(jì)了一種基于CMOS圖像傳感器的新型高分辨率微型攝像模組，該模組可適用于超細(xì)內(nèi)窺鏡。該攝像模組采用微型高分辨率CMOS圖像傳感器作為感光芯片，模組直徑僅為5.0 mm。采用低壓差分信號(hào)(low voltage differential signal，LVDS)技術(shù)進(jìn)行圖像傳輸，使其工作距離達(dá)到了2 m,并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其攝像功能進(jìn)行了評(píng)估測(cè)試。

1 攝像模組設(shè)計(jì)

與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有集成度高、低功耗、低成本和微型化等優(yōu)點(diǎn)[9]。本文所設(shè)計(jì)的攝像模組是基于Omnivision公司生產(chǎn)的OV7690傳感器。該傳感器芯片的封裝尺寸僅為2.4 mm×2.9 mm，分辨率達(dá)到30萬(wàn)像素，其實(shí)物圖如圖1所示。串行相機(jī)控制總線(serial camera control bus ，SCCB)配置傳感器輸出信號(hào)模式及其自帶的圖像處理功能，包括曝光控制、伽瑪校正、色彩飽和度調(diào)整、壞點(diǎn)檢測(cè)以及缺陷像素消除等。該模組需要時(shí)鐘信號(hào)和2.8，3.3 V直流電源驅(qū)動(dòng)成像信號(hào)輸出。以上這些特性使得它成為小尺寸、低成本、高像素內(nèi)窺鏡的一種極佳的解決方案。

圖1 OV7690實(shí)物圖Fig 1 Physical map of OV7690

本文基于Ye Bin等人[10]設(shè)計(jì)的微型鏡頭，設(shè)計(jì)了一種超小鏡頭用于聚焦從粘膜表面反射的光并投射到CMOS傳感器上。小尺寸、小畸變、高視角是內(nèi)鏡成像的基本要求，本設(shè)計(jì)采用6片透鏡組裝在一起用以達(dá)到上述性能要求。該微型鏡頭直徑4.0 mm，長(zhǎng)度4.0 mm，視場(chǎng)角達(dá)到120°。

由于CMOS圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)為8位并行信號(hào)，非失真?zhèn)鬏斁嚯x在30 cm以內(nèi)，不能滿足內(nèi)窺鏡檢查的需求。為了將傳輸距離增加至2 m，本設(shè)計(jì)采用LVDS信號(hào)傳輸技術(shù)，保證圖像數(shù)據(jù)流遠(yuǎn)距離傳輸?shù)耐暾?。本設(shè)計(jì)所采用的傳輸方式為如圖2所示的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的LVDS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)LVDS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig 2 Point-to-point LVDS topology structure

LVDS驅(qū)動(dòng)器包含一個(gè)3.5 mA的電流源，由于接收器輸入阻抗很高，在定值終端電阻器(100 Ω)兩端產(chǎn)生350 mV的壓降。改變電流的方向就能在接收器端產(chǎn)生幅度相同但極性相反的電流，這樣就使電流邏輯和為零。相應(yīng)的接收器閾值為接收器和驅(qū)動(dòng)器之間的共模轉(zhuǎn)換提供了極好的噪聲容限和耐受性[11]。

CMOS圖像傳感器輸出信號(hào)為30 fps、分辨率為648像素×488像素的8位并行數(shù)字視頻信號(hào)，輸出同時(shí)還包括同步信號(hào)VSYNC，HSYNC以及像素時(shí)鐘信號(hào)PCLK。LVDS編碼芯片以像素時(shí)鐘信號(hào)PCLK為輸入時(shí)鐘，將CMOS傳感器輸出的8位數(shù)字信號(hào)和同步信號(hào)首先轉(zhuǎn)換編碼成串行總線LVDS，經(jīng)電纜傳至解碼芯片，LVDS解碼芯片再將差分信號(hào)恢復(fù)成并行信號(hào)，這樣使得信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸時(shí)具有良好的抗干擾性并保持信號(hào)的完整性。采用雙絞線傳輸差分信號(hào)可以進(jìn)一步降低噪聲的干擾。

攝像模組結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，包括2個(gè)印刷電路板基板，CMOS圖像傳感器的底板直接焊接在PCB電路板1(PCB1)的正面，PCB1背面焊接晶振芯片，晶振芯片輸出24 MHz時(shí)鐘信號(hào)以滿足CMOS傳感器的時(shí)鐘需求。在另一電路板(PCB2)上則焊接LVDS編碼芯片。為了減少攝像模組的端面尺寸，2塊PCB板垂直成“T”字型焊接。微型鏡頭座直接粘合在圖像傳感器的非光學(xué)成像部分，微型鏡頭和鏡頭座之間通過(guò)螺紋安裝定位，可實(shí)現(xiàn)鏡頭的調(diào)焦功能。該攝像模組中，CMOS傳感器芯片封裝尺寸為2.4 mm×2.9 mm，晶振芯片尺寸為2.5 mm×2.0 mm，LVDS編碼芯片尺寸為3.0 mm×3.0 mm，鏡頭直徑4.0 mm。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)組裝，攝像模組直徑達(dá)到5.0 mm。模組從PCB2上引出電線總電纜，包括LVDS對(duì)、電源線、SCCB控制信號(hào)對(duì)。圖4為攝像模組的原型實(shí)物圖。

圖3 微型攝像模組結(jié)構(gòu)框圖Fig 3 Structure block diagram of miniaturized camera module

圖4 攝像模組實(shí)物圖Fig 4 Physical map of camera module

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

用于本設(shè)計(jì)攝像模組的攝像功能評(píng)估的測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括1個(gè)接收器、1個(gè)圖像處理中心和1臺(tái)顯示器。LVDS解碼器先將攝像模組輸出的LVDS進(jìn)行解碼，恢復(fù)成8位并行圖像信號(hào)，然后將原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像處理中心進(jìn)行處理，最后通過(guò)視頻編碼器進(jìn)行視頻編碼并輸出至顯示器顯示。晶振輸出24 MHz時(shí)鐘信號(hào)，作為L(zhǎng)VDS解碼器工作的時(shí)鐘信號(hào)，該信號(hào)與攝像模組所需時(shí)鐘信號(hào)是一致的。微控制器通過(guò)SCCB設(shè)置CMOS圖像傳感器的相應(yīng)寄存器，用以配置圖像輸出模式和傳感器自帶的圖像處理功能，包括曝光控制、伽瑪校正、色彩飽和度調(diào)整以及缺陷像素消除等。由于攝像模組需要2.8 V單電源電壓供電，而其他組件則需要3.3 V供電，所以，解碼電路還包含2個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器的電源模塊，能夠?qū)?～10 V之間的任何電壓輸入分別轉(zhuǎn)換成2.8，3.3 V的固定輸出。

圖5 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖Fig 5 Principle diagram of test platform structure

該實(shí)驗(yàn)測(cè)試將口腔作為模擬臟器進(jìn)行測(cè)試，以LED燈模擬冷光源進(jìn)行照明，選擇了30例患有口腔潰瘍的患者作為測(cè)試對(duì)象，以醫(yī)生根據(jù)顯示屏圖像檢測(cè)出口腔粘膜病變充血或糜爛作為檢測(cè)并發(fā)現(xiàn)病灶的標(biāo)準(zhǔn)。首先利用上海成運(yùn)公司生產(chǎn)的GVE—2100型普通電子胃鏡對(duì)30例對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，再用本攝像模組測(cè)試平臺(tái)對(duì)30例患者進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而評(píng)估該攝像模組的攝像功能。本攝像模組與GVE—2100主要性能參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1，測(cè)試結(jié)果對(duì)照見(jiàn)表2。

表1 主要參數(shù)對(duì)比Tab 1 Comparison of main parameters

表2 測(cè)試結(jié)果對(duì)照Tab 2 Comparison of test results

經(jīng)過(guò)測(cè)試，該攝像模組對(duì)口腔潰瘍模擬粘膜病變的識(shí)別率高達(dá)90.0 %，見(jiàn)表2。與GVE—2100相比，有2例對(duì)象未被檢出，這可能是由于測(cè)試時(shí)采用光源模擬照明導(dǎo)致“病變”呈現(xiàn)與正常組織相同的形態(tài)而未被檢出?？梢钥闯?本攝像模組所成圖像分辨率高，組織結(jié)構(gòu)層次分明，能很好識(shí)別粘膜病變，基本符合內(nèi)窺鏡普查檢測(cè)的要求。而且,該攝像模組與常規(guī)內(nèi)鏡相比直徑小，將其整合于內(nèi)窺鏡前端進(jìn)行內(nèi)鏡檢查將會(huì)大大提高病人檢查時(shí)的舒適性。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的新型CMOS攝像模組具有微型化、高分辨率等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離高保真?zhèn)鬏?。該攝像模組是為超細(xì)、高清內(nèi)窺鏡而設(shè)計(jì)的，能在保證圖像清晰度的同時(shí)提高病人內(nèi)鏡檢查時(shí)的舒適性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該模組圖像傳輸距離大于2 m，分辨率達(dá)30×104像素，對(duì)口腔潰病模擬粘膜病變識(shí)別率達(dá)90 %。另外,該模組還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域，諸如工業(yè)檢測(cè)、安全監(jiān)控等。

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Design of miniaturized camera module for medical endoscope*

XU Zhong1，LIU Hong-ying1,2，YU Qiao1，SUN Liang-wei1，ZHAO Ya-xiong1，JIA Zi-ru1

(1.Key Laboratory of Biorheological Science and Technology，Ministry of Education,College of Bioengineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China；2.Key Laboratories for National Defense Science and Technology of Innovative Micro-Nano Devices and System Technology,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

A new type of miniature camera module for medical endoscope is designed.The module is designed combines miniaturization,high-resolution CMOS image sensor with low voltage differential signal(LVDS) transmission technology,which makes diameter of the camera module reduced to 5.0 mm,and image datas can be transmitted over long distances without distortion.A test platform is built up to test camera function of the camera module.Experimental results indicate that resolution of module reaches to 300 thousand pixels,image transmission distance is over 2 m,and identification rate of mucosal lesions of oral ulcer is up to 90 %.The image resolution is high and transmission distance is long，which enable camera module suitable for video endoscope;the small diameter can greatly improve comfort of patient and provide an excellent solution for ultrafine endoscope diagnosis.

CMOS camera module；endoscope；low voltage differential signal(LVDS)technology；miniaturization

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0091—03

2014—03—05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81101172)

R 318.08

A

1000—9787(2014)10—0091—03

徐 忠(1988-)，男，四川巴中人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)微系統(tǒng)。