内窥镜的研究与设计.doc

中北大学信息商务学院2010届毕业设计说明书1 绪论1.1 内窥镜的国内外发展现状1.1.1 国内研究现状及主要研究内容从1980年代起，国内陆续开始自主研究，生产硬式内窥镜、光纤内窥镜，并且引进电子内窥镜技术，生产电子内窥镜系列产品。己投放市场的产品有硬式内窥镜、光纤内窥镜、电子视频内窥镜三类产品。(l)硬式内窥镜硬式内窥镜由成像物镜、转像透镜、导光束、目镜、外管组成。硬式内窥镜成像原理是光学物镜成像，然后利用转像系统来传输图像。因此，光学镜片的加工技术水平决定了硬式内窥镜的技术水平。目前，在成像技术上，国内与国外是基本相同的。但是，在产品外部材料和外观上，与国外同类产品相比有差距，但使用效果相同。(2)光纤内窥镜制造光纤内窥镜关键的部件是光纤传像束，它决定产品清晰度、分辨率和使用寿命。在光纤传像束直径相同的条件下，国外光纤传像束生产线生产的光纤传像束单丝为2万余根，国产生产线生产的光纤传像束单丝为1万根以内。其内窥镜制造原理一样，但是光纤材料有差别。如果采用进口光纤传像束组装内窥镜，国内与国外同类产品的差距会减小。例如:EKG一3002型光纤工业内窥镜是一种利用纤维光学、精密机械及电子技术结合而成的新型光学仪器。它利用光导纤维的传光、传像原理及其柔软弯曲性能，可以对设备中肉眼不易直接观察的隐蔽部位方便地进行直接快速的检查。既不需设备解体，也不需另外照明，只要将窥头插入孔内，内部情况便可一目了然。可直视，也可侧视。还可手控窥头对被检查面进行连续上下左右扫描达100。可目视，也可照相，还可录像或电视显示，为分析故障原因提供依据。是航天、军事、国防、无损检测、机械制造、发电、石化、汽车、兵器、交通、冶金、压力容器等领域中得心应手的直观高效的检测仪器。EKG一3002型工业内窥镜主要技术参数:l)探头外径: 6.515mm2)探测长度:1.84.5m3)工作距离:1080mm4)视场角:100(3)电子内窥镜国内制造商均采用进口CCD原件，组装电子工业内窥镜产品，整机主体技参数与外国产品的相接近。在航天航空行业等己基本能够满足NDT正常使用。国外产品最小直径为6mm，国内产品最小直径为8mm，只是国内产品在外观的主体材料上与国外产品有差距。1.1.2 国外研究现状及主要研究内容(l)硬管式内窥镜硬管式内窥镜的发展经历了两个阶段:即开放式硬式内窥镜和含有光学系统的硬式内窥镜。早在1795年，德国 Bozzine 首先提出了内窥镜的设想，他利用烛光做光源通过内窥镜看到了直肠和子宫的内腔。到19世纪末，20世纪初，随着爱迪生发明电灯等技术的发展，用小电珠作为内窥镜的照明光源，利用透镜、棱镜、反光镜等做光学元件，以金属管为外壳而制成硬式内窥镜。要将这类硬直的内窥镜插到弯曲多变的管腔中去，不仅操作上相当困难，而且小电珠或钨丝灯等外部反射光源照明度低，因而有较多盲区，所以，这些内窥镜的实用性就受到限制。硬管式内窥镜的构造如图1.1所示。其工作原理是利用转像透镜来传送图像，并由光导光纤传光照明。为了传送清晰的图像，该内窥镜的不锈钢插入部分内设有若干光学元件的转像透镜系统。内置照明光纤把需要的光线从独立的冷光源直接送至工作位置上。 图1.1 硬式内窥镜（2）半可曲式内窥镜1932年，光学师 Wolf 和内窥镜学者Schindler共同研制成功了一种半可曲式的内窥镜(semiflexible lens gastroscope)，它是由近端的硬性部和远端的软管部组成。软管部内由许多 2030mm 长的金属管连接而成，外面再用一层薄橡皮包覆，末端装有棱镜与橡皮头，软管部装有 26 块短焦距棱镜，这样在弯曲 30 度情况下，仍可将图像传送到目镜部分。以后，许多学者又对半可曲式内窥镜进行了大量的改进，并增加了各种附件，使之功能更加齐全、更为实用。如: 将内窥镜硬性部分进一步改细；增加目镜放大倍率，以利观察；在内窥镜操作部装上了弯角装置，使末端可作“上” “下”两个方向的弯曲，大大减少观察盲区等。（3）光纤内窥镜1930 年，Lamn首先采用玻璃光纤束来导光，但是，因为没有解决漏光问题，从而没有建立起实用的光纤光学系统。直到50年代初期，荷兰的Hell和美国的 Brien在光纤外面加上一层覆层，解决了光纤之间的光绝缘问题。1954年 英国的科学家Hopking及Kapany等研究了纤维丝之间的精密排列，有效地解决了光纤束的图像排列、传递问题，为光纤光学的实际应用奠定了基础，并为光纤内窥镜的出现创造了条件。1957 年，美国 Hirschowitz 制成了第一台光纤内窥镜、十二指肠镜，从而使内窥镜开始进入光纤光学内窥镜的阶段。当时的光纤内窥镜虽然柔软可弯，插入容易，但是还没有弯曲机构，照明还是老式的小电珠内部光源，所以观察盲点还是很多，光学质量亦比较差。经过了 20 年的发展，随着二项重大改革：光纤内窥镜的头部弯曲机构、采用导光束外接强冷光源，才使光纤内窥镜进入了成熟完备的应用阶段。 光纤内窥镜的构造如图1.2所示。它由高品质的传像光纤束来传送图像，通过目镜直接观察。光纤内窥镜由插入部、前端部、弯曲部与柔软操作部与目镜部组成。光纤传像束、光纤传光束及调校前端摆头角度的钢丝均全部内置。并且另配有专用的冷光源。产品规格:直径2.412mm，长度506000mm。 光纤内窥镜的主体可把人眼睛的视线延深至被探测的物体内，并且可改变视线方向，这是硬性内窥镜所达不到的。光纤内窥镜除具备硬性内窥镜的用途以外，因主体柔软、有效工作长度较长，所以扩大了检测范围。图1.2 光纤内窥镜光纤内窥镜以玻璃光纤代替传统的透镜、棱镜等作为导光、传像的元件，它细而柔软，加上了头部的弯曲机构以后，头部可以左右、上下转动，插入复杂内腔，操作方便，而且能够减少甚至消灭观察盲点。利用光纤束传光、传像，就能够采用外部的强冷光源，从而使传输的光量大大增强， 并可以自由调节光强而获得清晰的图像。这种光源色泽接近自然光，更增加了图像的真实感。因为光量强，所以可以采用静态摄影对检查进行记录，甚至还可以摄像和电视显示作动态的观察和记录。光纤内窥镜的发展不但克服了原有内窥镜的缺点，而且还具有不少新的优点，大大提高了检查诊断的效果。（4）电子内窥镜电子内窥镜是继第一代硬式内窥镜和第二代光导纤维内窥镜后的第三代内窥镜。1983年，美国的Welch Allyn公司用微型图像传感器(charge coupled device)代替光纤内窥镜的光纤传像束，宣告了电子内窥镜的诞生，是一次历史性的突破。电子内窥镜应用先进的微电子器件代替传统的纤维导像束和目镜，通过装在内窥镜先端部的电荷祸合器件CCD(charge coupled device)，将传送过来的光学图像转换成电子图像，经电缆传递至图像处理器，经视频处理在显示器上重现高清晰度的、色彩逼真的图像。而且分辨率高，可供多人同时观看。由于电子内窥镜的问世，在工业和医疗科研中发挥出它巨大的优势。电子内窥镜主要有内镜(endoscope)、电视信息系统中心(video information system center)和电视监视器(television monitor)三部分组成。另外，还配备一些辅助装置，如照相机、录像机以及用来输入各种信息的键盘等。它的成像主要依赖镜身前端装备的成像物镜。CCD就是一台光电转换器件，把图像的光信号转换成电信号，显示在电视监视器上。电子视频内窥镜的构造原理如图1.3所示。图1.3电子内窥镜电子内窥镜与光纤内窥镜相比，具有以下优点:1)减少内镜检查时间，快速抓拍。2)具有录像、储存功能，能将病变部位的图像储存起来，便于查看及连续对照观察;3)色泽逼真，分辨率高，图像清晰，图像经过特殊处理，可将图像放大，便于观察;4)采用屏幕显示图像，实现1人操作多人同时观看，便于疾病会诊、诊断、教学。同时有以下的缺点:l)除内窥镜及光源外，还要配置视频图像显示控制单元和电视监视器，不便于携带。2)前端安装的电子元件，受使用温度范围的限制。3)价格较高。几种内窥镜的基本原理都是利用光学系统将被检物体成像，再经传像系统传送，以利于人眼直接观察或在显示器上显示、记录，从而获取所需要的信息。但是因为它们之间又有所区别，所以具有各自的特点和使用场合。下面介绍一下德国汉能SF6一1000型6mm半柔性管内窥镜。德国汉能工业内窥镜广泛应用于航空航天、工业制造、压力容器、电力建设、造船、汽车工业等行业中的机械设备表面及内部状况的检查、维修。其柔性光纤内窥镜高亮度，高清晰成像，焦距可调。技术参数:l)工作长度:1000mm2)探头直径:6mm3)亮度:16mm处可达120000lx4)视向:O5)工作距离:10mm60mm6)角形侧视适配器90及1107)防水耐油探头(5)胶囊式内窥镜胶囊式内窥镜的想法最早产生于1981年，是由以色列一名导弹专家根据智能导弹上的遥控摄像装置技术研制而成的。胶囊式内窥镜是体外无线遥控、图像接收和图像处理等装置组成系统，主要用于检查人的消化系统疾病，它可以清晰地展现出病变所在位置及其实际情况，比其他体外影像系统(如:CT、MRI、X光透射、红外成像)用于诊断消化道疾病更具有优势。 图1.4 胶囊内窥镜胶囊内窥镜由以下部分构成:具有可摄像体腔内图像的摄像部的摄像装置、利用照明光照明体腔内部的照明装置、向摄像装置以及照明装置供给电力的电源装置、在内部至少配设了摄像装置、照明装置以及电源装置的胶囊壳体，并且构成胶囊壳体的顶端盖部具备照明用窗部，该照明用窗部导出来自照明装置的照明光，并使照明光难以反射到摄像装置。胶囊式内窥镜是消化道系统无损伤性诊断的一种革命性的技术创新。主要技术指标:l)视场角(可视范围):1402)最小可测距离:0.1mm3)外形尺寸:直径9mm，长度23mm4)图像分辨率(象素、解析度):640x4805)图像传输速率:2帧/秒，15帧/秒，30帧/秒6)工作方式:模拟/数字视频、单工/双工数据通信、自带电池/体外无线供电7)运行时长:710个小时。胶囊内窥镜是一种新型无创无痛的消化道影像无线诊疗系统;通过口服智能胶囊完成消化道影像检查;主要由智能胶囊、图像一记录仪、手持无线监视仪、影像分析处理工作站等。克服了传统的推进式内窥镜体积大，检测过程痛苦的缺点，但不适用于老年、纤弱和危险病人。具有体积小、重量轻、检查方便、不影响受检者的正常工作。日本RFSYSTEMIAB经过五年时间的研究，成功开发出目前世界上最先进的、也是最小的胶囊式内窥镜(智能化小机器人)。NORIKA胶囊直径9mm，长23mm，是目前世界上最小的内窥镜胶囊。在胶囊内部采用高清晰度的CCD成像系统，具有很高的图像清晰度，可达410000像素。它以数字方式由微波发送，被外部接收后转换成图像显示在屏幕上，进行实时检测，并可以硬盘储存，以便随时调取研判。病人身穿嵌有三组发射线圈和接收线圈的背心，线圈发送射频。胶囊内同样有三组线圈，在经磁线圈接收并经电容器转换后感应出电流，形成一个三极电机的模式，从而控制胶囊的旋转，以便不同方向观察病灶。镜头四周有二个白色灯和二个近红外线灯，从外部控制其不同亮度的比例，可产生模拟三维图像。CCD成像系统镜头也可由外部控制来调节焦距，它每秒能摄取30幅图像，通过网络传输还可进行远程会诊。此外，胶囊内部设有一个喷药仓和一个取活检仓，由医生外部控制可根据需要，对患部进行喷药或伸出微型钦金属针取活检。NORIKA胶囊在2003年推出适合于3岁以下婴儿和60岁以上老人的超小型胶囊(JR型)，其尺寸仅为直径smm，长15mm。另外还将推出具有更多功能的WARP型。它内部将放置2个CCD，8个镜头，前后摄像以进行全方位360观察。美国智能药丸公司研制的聪明药丸SmartPin是一种在医疗上起着内窥镜检查作用的感应器或者摄像头，当患者把这个维生素颗粒大小的小球吞下去后，它将会自动探测患者消化道内的压力、pH值和温度等指标信号，并把探测结果发射到体外的接收器上，医生通过接收到的信号和图像，就可对患者的胃肠性疾病进行诊断。使用聪明药丸可以检查到一些胃镜无法到达的位置，同时也能避免患者做胃镜检查时的痛苦。以色列格温.艾梅格公司也开发出了类似的胶囊式内窥镜一“PinCam”。近年来，有能完成定点给药的遥控释放药丸;还有能在消化道内采样的药丸;韩国研制的药丸式机器人能在体外遥控下完成药物释放、图像采集和手术治疗等多种任务。不过，这样的全能药丸目前仍处于样机阶段研制。1.2 电子内窥镜技术的现状和发展趋势随着电子学和数字视频技术的发展，与80年代出现了电子内窥镜，这样便不再以光纤传像，而代之以光敏集成电路摄像系统，主要所能显示的不但影像质量好，光亮度强，而且图像大，可以检查出更细小的病变，而且电子内窥镜的外径更细，图像更加清晰和直观，操作方便。有些内窥镜甚至还有微型集成电路传感器，将所观察到的信息反馈给计算机。它不但能获得组织器官形态学的诊断信息，而且也能对组织器官各种生理机能进行测定。电子内窥镜主要种类及其优缺点：(1)按照结构分类：一类为CCD在探头前部，视频处理在探头后部，它的优点是探头直径可以很小，但缺点是长度会受到限制。另一类是CCD和视频处理都在探头前面，它的优点是线缆的长度不受限制，可以按照客户要求定制，但缺点是探头头部直径过大，影响探头进入部件的有效工作范围。(2) 按照照明方式分类： 一类采用LED发光管照明，传输电信号，它的优点是线缆的长度不受限制，但发光亮度不如冷光源。另一类采用光纤照明，光源在控制箱内，它的优点是发光亮度高，但缺点是长度受限，易损易断。(3)按照视角方式分类：探头可分为前视和环视两种。前视：观察窗位于探头前方，视场角150，调节CCD位移，实现电动调焦，可以观察前方有无异物或缺陷;环视：观察窗位于探头筒壁侧面，利用悬挂动圈方式实现电磁调焦，通过微型马达及滑环结构实现无角度限制任意旋转，可以观察内壁有无缺陷。它们的优点是长度不受限制，但缺点是探头直径过大。现在，电子内窥镜的发展趋势是CCD的超小型化及其性能的提高，高保真图像技术的应用，实时高速图像处理机的开发，图像文件管理系统的采用，立体计测系统的开发及不可见光的利用。1.3 本课题的目的、意义及内容内窥镜以其特有的诊断直观，正确性高，解决问题较迅速，不需折卸或破坏组装等优点，已被广泛接受，应用于医学，工业，军事等领域。在医疗方面，内窥镜则主要用于外科手术和常规医疗检查，与传统的外科手术相比，医用内窥镜的功能性微创手术技术已近得到医生和患者的广泛接受，医用内窥镜利用人体天然孔洞或在必要的时候开几个小孔，医生只要熟练地将内窥镜镜头深入身体内，通过其他手术器械和摄像显示系统就能在体外进行体内的密闭手术操作。在工业方面，可用于高温、有毒核、辐射及人眼无法直接观察到的场所的观察，可以方便而且迅速地检查各种机器、设备、组装物体的内部，不需折卸或破坏组装就能进行有效的质量管理，可与照相机、摄像机或电子计算机耦接，可组成照相、摄像和图像处理系统，从而可进行视场目标的监视、记录、贮存和图像分析。本课题的主要研究内容是电子内窥镜数字图像的实时采集。2 方案论证及系统工作原理2.1 方案论证 本设计主要由两部分构成：CCD图像采集系统和数字图像的实时采集和显示系统。其中，CCD图像采集系统基于CCD实现，数字图像的实时采集和显示系统的实现主要是基于数据的高速传输，有两种方案可供选择，介绍如下：2.1.1 方案一 基于USB的高速数据传输USB ,是英文Universal Serial BUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。USB2.0兼容USB1.1，也就是说USB1.1设备可以和USB2.0设备通用，但是这时USB2.0设备只能工作在全速状态下(12Mbit/s)。USB2.0有高速、全速和低速三种工作速度，高速是480Mbit/s，全速是12Mbit/s，低速是1.5Mbit/s。其中全速和低速是为兼容USB1.1和USB1.0而设计的，因此选购USB产品时不能只听商家宣传USB2.0,还要搞清楚是高速、全速还是低速设备。USB总线是一种单向总线，主控制器在PC机上，USB设备不能主动与PC机通信。为解决USB设备互通信问题，有关厂商又开发了USB OTG标准，允许嵌入式系统通过USB接口互相通信，从而甩掉了PC机。2.1.2 方案二 基于PCI总线的高速数据传输PCI是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡，声卡，网卡，MODEM等设备提供了连接接口，它的工作频率为33MHz/66MHz。PCI是Peripheral Component Interconnect(外设部件互连标准)的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。PCI插槽也是主板带有最多数量的插槽类型，在目前流行的台式机主板上，ATX结构的主板一般带有56个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有23个PCI插槽，可见其应用的广泛性。PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。PCI总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。 本设计采用的是方案二。2.2 电子内窥镜的基本结构及工作原理2.2.1 电子内窥镜的基本结构电子内窥镜的主要结构由CCD耦合腔镜、腔内冷光照明系统、视频处理系统、和显示打印系统等部分组成。CCD耦合腔镜将CCD耦合器件置于腔镜先端，直接对腔内组织或部位进行直接摄像，经电缆传输信号到图像中心。 电子内窥镜工作原理是冷光源对所检查或手术部位照明后物镜将被测物体成像在CCD光敏面上，CCD将光信号转换成电信号，由电缆传输至视频处理器，经处理还原后显示在监视器上。CCD光敏面由规律排列的二极管组成，每一个二极管称为一个像素(picture elemont)，像素的多寡决定像质的优劣。目前的制作工艺普遍可达到3041万像素。电子内窥镜靶面和有效尺寸为Fi(外径)=2mm左右，而且CCD输出信号的一级放大电路也要包含在2mm的圆柱体积内。电子内窥镜像质的好坏主要取决于CCD性能，其次还有驱动电路和后处理系统的技术指标，包括分辨率、灵敏度、信躁、光谱响应、暗电流、动态范围和图像滞后等。为了减轻患者的痛苦，电子内窥镜的镜身(插入部)要做到尽可能的细(由先端部粗细决定)，先端硬性部要尽可能短。CCD的大小、形状和构造是决定内窥镜粗细和先端硬性部长短的关键。在电子内窥镜先端部安装CCD的方法有两种，一种是CCD的受光面垂直于物镜光轴方向，使CCD直接接受从物镜射来的光，是一种最简单的结构，在这种情况下，必须使用超小型的CCD，这样可使先端的硬性部最短。另一种就是CCD的受光面平行于物镜光轴，物镜射来的光通过一个900的转向棱镜照射到CCD受光面上。这种方法可以使内窥镜的先端部变细，但硬性部变长，而CCD的面积可以扩大，CCD的像素数可大大提高。为了获得更清晰、更精美的图像质量，目前的电子内窥镜逐渐趋向于采用第二种方法安装CCD，这无疑在技术上增加了CCD的加工和工艺难度，随着电子内窥镜技术的不断改进和完善，高像素数CCD的体积会越做越小，满足于临床需要的各种细径电子内窥镜应运而生，几乎可涉及到医疗的各个领域。同时，一些具有大孔径或双孔道及抬钳等特殊装置的治疗用电子内窥镜的出现，再加上一系列配套辅助器械的研制与开发，为电子内窥镜在临床上的应用开辟了广阔的前景。目前，临床上的一些病症已可以通过内窥镜下或小切口治疗的方法代替传统的手术，大大减轻了患者的痛苦。2.2.2 电子内窥镜系统工作原理（1）纤维内镜成像原理纤维内镜是由直角屋脊棱镜、成像物镜、玻璃纤维传像束、目镜所组成。当外界的成像光线进入镜头时直角屋脊棱镜将光线作90。方向扭转后直射至成像物镜、根据成像物镜(或成像透镜)的光学原理，成像物镜能将外界观察到的物体成像在玻璃纤维传像束的一个端面上。这个端面的物体像，经过柔软的纤维束传到纤维束的另一端，在目镜后适光位置 即可看到清晰的物体像。（2）光电转换原理内窥镜采用电荷耦合器件(charge coupled device)作为图像传感器。CCD图像传感器具有光电转换功能， 叉具有信号电荷存储、转移和读出功能。其工作过程可分为四步。 第一步是光积分期， 即曝光时间，这时CCD像元把入射光量子按比例地转换成光生电荷， 完成光电转换。第二是在光积分的同时， 把每个像元产生的光电荷暂时存储在相应的光敏二极管势阱中， 实现信号电荷存储。第三是在曝光结束后， 把存储的光生电荷沿CCD移位寄存器转移到输出区完成电荷转移。第四是在读出放大器中把每个光生电荷嵌次转变成相应的视频信号， 完成信号读出 因此CCD图像传感器可以看成一个光电变换器，它能把一幅空间分布的光学图像变换成按时间顺序分布的视频电压信号。（3）图像处理中心(或摄像机)的原理当光学图像经过物镜成像在CCD传感器上时，在CCD器件上将感生与投射光强相对应的光电荷(光电效应) 这些光电荷将存储在二极管的势阱中，经过一定对间的积累， 在驱动脉冲的作用下，各光敏元的电荷包同时并行地向移位寄存器各单元转移， 在光敏元进行下一次光电荷积累的同时， 在读出脉冲的作用下， 寄存器内的电荷包开始沿移位寄存器向输出端转移， 从而获得光电信号输出， 由此输出的光电信号经过同步电路、同步叠加电路叠加、消除脉冲干扰、直流电平恢复与控制、线性放大、输出功率放大、二值化处理等电路处理， 从而得到全电视信号输出。进一步的处理， 则是按使用场合和技术要求的不同而分别进行了。（4）附属设备工作原理附属设备包括： 电子计算机、彩色视频监示器(通常为必选项)、彩色视频打印机、数字图像文件存储机、AV线录放像机、摄影装置等， 这些设备主要用于诊断图像的处理、存储、打印以及病人的档案、资料管理等。2.3 电子内窥镜的应用 由于光纤内窥镜制作工艺复杂，同时随着微电子和计算机技术的发展，电子内窥镜较之于传统光纤内窥镜图像质量明显提高，寿命延长，操作灵活、简单、方便，减少了治疗时间，大大提高了诊断能力和工作效率，更利于图像处理，病案的存储管理，因此，光纤内窥镜正逐步呗电子内窥镜所代替。电子内窥镜与光纤内窥镜一样，在应用方面主要用于无损检测和孔探技术应用，因此，主要还是分为工业电子内窥镜和医疗电子内窥镜。在内窥镜机械结构和工作原理上基本没有大多的差别。 当前在中国市场上的电子内窥镜产品应用于临床的主要有胃镜、十二指肠镜、小肠镜、结肠镜、腹腔镜、支气管镜、斜视胃镜和双孔道胃镜等不同型号、不同规格的电子内窥镜。此外，一种无痛苦、可吞服的“药丸”式电子内窥镜已经问世并应用于临床，主要用于胃镜和结肠镜无法到达的，长度达数十米的小肠疾病的诊断。这种“药丸”实际上就是一种微型摄像机和图像信号发射机，固定于患者腰带上的接收器可接收、处理和保存“药丸”发来的彩色图像信号，将接收器连于医生的计算机，就可以观察患者小肠内的所有情况。电子内窥镜的广泛应用使早癌的诊断率达到了前所未有的高水平。特别是日本富士公司推出的内窥镜下小探头超声系统，可将不同频率、不同规格的小超声探头通过内窥镜的孔道送到体内，探查不同组织层面的肿瘤状况，大大提高了诊断的阳性率。与此同时，各种各样的内窥镜下治疗也蓬勃兴起，如：食管狭窄扩张术、消化道异物取出术、消化道息肉切除术、上消化道出血的内窥镜下治疗、消化道癌内窥镜下治疗、十二指肠乳头切开术、十二指肠内窥镜胆管引流术、慢性胰腺炎的内窥镜治疗、经口胆管镜下治疗胆结石（激光碎石）、腹腔镜下治疗术等。作为一种重要的微创外科手术，内窥镜（光学内窥镜、光导纤维内窥镜）手术近年来得到了迅速发展。电子腹腔镜的问世，是电子内窥镜手术的开端。电子内窥镜手术除具有普通内窥镜手术创伤小、可减轻患者痛苦、术后恢复快、有利于降低医疗成本等特点外，还具有画面清晰、便于图像保存与传输，远程会诊及教学等特点。随着科学技术水平的不断提高，电子胸腔镜、电子宫腔镜、电子关节镜、电子喉镜、电子胆管镜、电子脑室镜等也将不断问世，为电子内窥镜手术开辟了广阔的领域。目前，美国等一些西方发达国家正在研制一种内窥镜手术机器人系统，用它来完成内窥镜的操作，甚至手术器具的操作。借助于机器人动作精确、工作可靠的优点，可使内窥镜手术更具安全性、准确性和便利性，大大减轻了医务人员的劳动强度。随着内窥镜医学的发展，新的电子内窥镜产品的不断研究和开发，人体的奥秘不断被揭开，各种疑难病症也会得到准确的诊断和治疗。我们相信，在不久的将来，电子内窥镜技术水平的提高必将为医学发展带来突破性变革。3 CCD图像采集系统设计3.1 CCD工作原理CCD从结构上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类，本设计使用的是面阵CCD。其工作原理是：工作在非平衡态下的MOS电容器的集合，当光入射到CCD的光敏面上后，入射光子穿过栅极和氧化层，进入Si衬底被吸收，衬底的价带电子吸收光子能量而跃迁至导带，从而形成电子空穴对。在对栅极施加一定的正偏压后，电子空穴对向电极两端移动。随着偏压增高，因空穴被排开而形成的耗尽区进一步延伸。当偏压大于P型半导体的阈值电压时，电子被吸到半导体与氧化层的界面上，形成一层极薄的电荷浓度极高的反转层，此时，光生电荷便被存储在形成的势阱中。电荷的多少与光积分时间和光强成近似的正比关系，直至饱和。光生电荷的转移是通过势阱的依次产生和消隐实现的，以三相驱动方式为例，其原理如图3.1所示。图中三个相邻的MOS电容器依次被1、2、3栅极覆盖，组成一个像素。在这三个栅极上加上一定相位关系的交替时钟，使电荷包从浅势阱流向高势阱。随着时间推移，便把光生电荷包按照预定的转移方向，逐个像素地转移。图3.1 三相驱动电荷转移图面阵CCD的输出通常采用浮置扩散放大器（FDA）输出法。如图3.2所示，CCD的输出级将每个像素产生的光电荷通过电容器Cg转换成电压VOS，a表示复3位电平，b表示参考电平Vref，c表示信号电压，其值为参考电平与视频电压之差。面阵CCD是行列像素的组合，按照转移方式可分为行间转移式CCD、帧转移式CCD、全帧式CCD。1.行间转移式CCD在结构上采用光敏区与存储区相间排列的方式。感光单元与存储单元一一对应。当感光结束后，光敏区的信息被迅速转移到存储区，之后再转移到寄存器输出。其缺点是：占空比低，动态范围小；优点是：转移速度快；成本低。目前市面上的大多数民用相机采用的是这种CCD。图3.2 行间转移过程2.帧转移式CCD由光敏区、存储区、水平寄存器区组成。感光原理与行转移CCD相似。如图3.3所示，在光积分的同时，存储区的电荷向水平区转移输出；感光结束后，光敏区的光生电荷在帧转移时钟和垂直驱动时钟的驱动下向存储区逐行转移。图3.3 帧转移过程3.全帧式CCD没有存储区，只由光敏区和读出寄存器组成。如图3.4所示，光积分后，光生电荷直接垂直转移到水平寄存器，所以帧转移过程不能与光积分同时进行。转移时，一般需要外加机械快门来遮光。全帧式CCD感光面积很大，灵敏度也较高，但其成本非常高，一般用于超高像素要求的科研领域。图3.4 全帧转移过程3.2 CCD芯片的选择本图像采集系统使用DALSA公司生产的FTT1010M高分辨率帧转移式CCD芯片。该CCD是一个单色逐行扫描帧转移型图像传感器，具有10241024像元，通过一个单一的输出缓冲器输出时，最大帧频为每秒30帧。同时具有高速、高线性和广动态范围等优势，使该CCD可为高端实时医疗透视，科学研究和国防工业应用提供完美解决方案。图3.5 FTT1010M结构图FTT1010M的结构如图3.5所示，其技术特点是：1）提供10241024有效像素，高达100的填充系数；2）光敏区分为W、X、Y、Z四个对称的象限，每个象限的电荷可以以不同的方向转移，通过四个输出端同时输出，有效地增加了帧速率；3）高灵敏度，低读出噪声；4）大于72dB的高动态范围；5）有效感应波长范围为400nm到1000nm；6）典型电荷转移率高达99.999%；7）变速电子快门，最大帧频为每秒30帧；8）符合RoHS标准，最高数据速率可达80MHz；9）水平驱动脉冲频率典型值20MHz，垂直驱动脉冲频率典型值500KHz3.3 CCD时序发生设计FTT1010M主要有三部分构成。第一部分是光敏区（IMAGE），即光积分区，产生光生电荷；第二部分是存储区（STORAGE），用于缓存光敏区的光生电荷；第三部分是位于芯片上部和下部的两个水平移位输出寄存器，水平移位输出寄存器将光生电荷水平转移到芯片四个角（W、X、Y、Z）的输出放大器，输出放大器内有一个浮置扩散电容FD，它可以将接收到的电荷包转换为电压信号并转移出CCD。当CCD工作于帧转移模式时，Y、Z象限的输出器不做使用。在本图像采集系统中，只采用X象限单端输出。FTT1010M的光敏区与存储区具有相同的结构和电气特性，光敏区每行有1086个像素，其中有效像素为1024个，有效像素区域的左右两侧各有24个黑像素（包括4个过渡像素）；光敏区共有1030行，其中有行1024行，有6行黑像素。黑像素不参加光积分，起隔离和提供黑电平的作用。光敏区每个像素是由被四个栅极时钟A1、A2、A3、A4覆盖的相互连接的四个MOS电容器共同组成；存储区每个像素被与A时钟结构相同的B1、B2、B3、B4为时钟信号覆盖。水平寄存器单元用来图像输出，每个单元被三相时钟C1、C2、C3覆盖，这些单元与光敏区和存储区的单元都是相对应的。FTT1010M的工作时序从功能上分为帧转移时序、垂直转移时序、水平转移时序。这些时序之间存在循环与包含的关系。图3.6 FTT1010M的帧转移时序图FTT1010M的帧转移时序图如图3.6所示。帧转移时序就是一阵图像输出的时序，包括两个阶段：光积分阶段、光敏区到存储区转移阶段。图中SSC为系统内部的基准时钟信号，协调整个CCD工作流程。CR为CCD的电荷复位信号，相当于电子快门，是CCD的外部触发信号。当CR触发后，CCD开始进入光积分阶段。光积分阶段又同时并发两个过程：光敏区的感光过程、存储区的转移过程。感光过程实现光敏元的电荷积累，在感光阶段，A4保持低电平，A1、A2、A3保持高电平。这样A4作为隔离栅极，将像素与像素在垂直方向上隔离开。同时，光敏区与存储区之间也呈阻断态，没有电荷转移。与此同时，进行着存储区的转移过程，而存储区的转移过程在时间先后上又分为垂直转移和水平转移，它们之间的交替转换是通过SSC电平的高低转换实现的。图3.7 FTT1010M存储区垂直转移时序图垂直转移时，SSC保持高电平，存储区里的光生电荷在四相B时钟信号的驱动下往下转移一行，最下面的一行像素转移到水平输出寄存器中。如图3.7所示为了保证转移效率，B1、B2、B3、B4定时关系要求严格。每垂直转移完一行后，进入水平转移阶段。SSC变为低电平，水平移位输出寄存器在C1、C2、C3时钟的驱动下将该行逐个像素地向输出放大器转移。输出放大器内通过浮置扩散电容FD将接收到的电荷包转换为电压信号。RG（ResGate）是通过复位管对FD进行复位的信号，复位后FD可以接收下一个电荷包。SG（Summing Gate）是在输出栅OG之前的最后一个栅，SG信号和RG信号的相位与C3信号的相位相同。水平输出顺序为7个哑元、24个黑像素、1024个有效像素。水平转移时序如图3.8所示：图3.8 FTT1010M存储区水平转移时序图到此为止，光积分阶段完成，进入到光敏区向存储区转移阶段。如图3.9所示，帧转移控制时钟A1、A2、A3、A4和垂直转移时钟B1、B2、B3、B4同时有效，且对应同频同相；水平转移时钟C1、C2、C3无效，不向放大器输出图像。光敏区的行像素在A、B时钟的控制下完成向存储区的逐行转移。图3.9 FTT1010M光敏区向存储区转移时序图3.4 CCD驱动电路设计脉冲驱动电路是EP1C3T144输出的时序信号与FTT1010M输入驱动信号间的转接电路，它把各路时序信号由TTL电平转变成FTT1010M正常工作所要求的幅度，增大至合理的驱动功率。FTT1010M的A、B、C时钟需要在短时间内产生最大14V左右的脉冲电压，而且输入端呈现较大的容性负载，这要求驱动器具有极好的瞬态响应和大电流驱动能力。我们选用MAXIM公司的驱动器MAX4426，其驱动电压范围4.5V-18V，时钟偏移小，驱动电流可达1.8A。如图3.10所示，输入电压10V由LM317产生；EP1C3T144的输出信号A、B、C时钟和RG、SG时钟，经过MAX4426Z转换为D_A、D_B、D_C和D_SG、D_RG信号。图3.10 基于MAX4426的驱动电路原理图本系统仅使用FTT1010M的X象限输出，水平转移时钟使用CX，垂直转移和帧转移时钟分别使用BY、AY。在输出极，采用了NPN管对输出模拟信号进行放大。FTT1010M电路连接如图3-17所示。图3-17 FTT1010M电路连接原理图4 电子内窥镜数字图像的实时采集和显示设计4.1 工作原理CCD输出图像的实时采集和显示部分工作原理为：从CCD 摄像头输出端口来的全电视信号(1Vp-p)经噪声抑制、自动增益控制、信号放大等处理后，经实时采集部分的A/D（模数转换器）将串行图像数据转变成8位并行数字信号输出给FPGA，由FPGA控制完成数据的存储和上传过程。数据存储到fifo中，在FPGA接收到来自上位机（电脑）的读数据命令后，将存储在fifo中的数据依次输出到PCI总线上，并传输到电脑。由系统的设备驱动程序及上层应用程序提供对其进行单帧图像集、序列图像采集或实时显示在计算机屏幕上。根据上述原理,设计系统结构框图如图4.1所示。系统主要由A/D转换模块、PCI接口控制功能模块、传输控制模块(FPGA)、高速缓存(FIFO: 先进先出存储器) 模块四个部分组成。每个模块均承担一定的功能, 进行一定的分工与协作, 共同实现了采集卡的接收和发送数据、实时显示等功能。FPGA控制送入FIFO控制信号配置信号32bit图像数据8bit图像数据配置信号32bit图像数据计算机CCDPCI总线控制器PEX8111下载电缆或配置EEPROMPCI总线FIFOAD串行EPROM输入模拟视频信号8bit图像数据 PEX8111控制信号8bit图像数据图4.1 系统原理结构框图4.2 硬件设计据上节制定的设计方案，本设计的硬件电路主要包括以下三个模块：电源模块、FPGA主控模块，PCI电路模块。此部分的核心芯片是FPGA和桥接芯片。FPGA负责全过程的控制，桥接芯片负责PCI总线数据的传输。此外，在此部分与图像采集部分之间还有A/D转换模块，以下将从各模块硬件的设计做详细的介绍。4.2.1 A/D转换模块本模块采用ADC0832实现，将CCD输出的模拟串行信号变成8位并行数字信号。ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者以及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。它具有以下特点：1）8位分辨率2）双通道A/D转换3）输出输入电平与TTL/CMOS相兼容4）5V电源供电时输入电压在0-5V之间5）工作频率为250Khz，转换时间位32us6）一般功耗位15mW4.2.2 电源模块 由于设计的电路中应用到的电压有+5V,+1.5V,+3.3V,+1.2V,+2.5V等，为了方便的给设计中个芯片提供电源，本设计采用背板供电模式，所有的电源由背板提供，设计中的电路如图4.2所示：（以+1.5V电源供电模块为例）图4.2 +1.5V电源模块电路图4.2.3 FPGA主控模块在本模块中，FPGA采用的是BGA封装的EP2C20F484C8，BGA封装有很多优势：1）IO数较多。BGA封装器件的IO数主要由封装体的尺寸和焊球节距决定。由于BGA封装的焊料球是以阵列形式排布在封装基片下面，因而可极大地提高器件的IO数，缩小封装体尺寸，节省组装的占位空间。2）提高了贴装成品率，潜在地降低了成本。传统的QFP、PLCC器件的引线脚均匀地分布在封装体的四周，其引线脚的节距为1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm。当IO数越来越多时，其节距就必须越来越小。而当节距0.4mm时，SMT设备的精度就难以满足要求。加之引线脚极易变形，从而导致贴装失效率增加。3）BGA的阵列焊球与基板的接触面大、短，有利于散热。 4）BGA阵列焊球的引脚很短，缩短了信号的传输路径，减小了引线电感、电阻，因而可改善电路的性能。 5）明显地改善了IO端的共面性，极大地减小了组装过程中因共面性差而引起的损耗。 6）BGA适用于MCM封装，能够实现MCM的高密度、高性能。 7）BGA和BGA都比细节距的脚形封装的IC牢固可靠。FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。其优势有：1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 3）FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚。 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。因此，本设计的主控部分用FPGA来完成，EP2C20F484C8很好的实现了对本设计中时序的控制。4.2.4 PCI模块所谓PCI，是Peripheral Component Interconnect的缩写。而PCI局部总线标准的制定主要目的是实现一种将周边设备与处理器高速结合起来的总线结构，以便适应用户对于数据率越来越高的要求。使用PCI总线结构的设备，可以达到理论上峰值为132Mbytes/s的数据率，虽然这个数字会因为总线的繁忙和设备自身的原因而和实际值有些出入，但是达到60 Mbytes/s的平均传送速率还是有可能的。在用户具有越来越多的数据传送要求的情况之下，提高设备和主机之间的速度显然是大势所趋。而且使用PCI总线一个突出的优点就是CPU占用率极低。因为它和存储器之间的交互基本上是通过DMA方式，所以即使是低速设备比如声卡等等，也开始淘汰ISA总线。因而，在需要高数据率和低耗的场合，PCI总线就显示出了其无可超越的优势。PCI纯粹的接口芯片主要有PLX（90xx系列），AMCC（59xx系列），还有Altera的MegaCore中的PCI功能系列以及Xilinx的LogiCore等等。本模块的实现主要采用了桥接芯片PEX8111。在FPGA的控制下，将8位的并行数据转变成PCI总线需要的32位，PEX8111将此32位数据以PCI模式传输给电脑，完成数据的采集和上传。PEX8lll是一款本地总线到PCIE的桥接芯片。它符合PCIE1.0规范，支持自动极性反转，CRC校验，链路设备电源管理，传输层数据包队列控制。而且具有直接主模式、直接从模式和DMA功能。它能够简单地实现PCIE接口，能够十分容易地把现有的PCI卡转换成PCIE设计，从而实现PCI到PCIE的平滑过度，并且能够对原有的驱动程序进行保留，不用做任何形式的更改。PEX8111支持前向桥模式和反向桥模式这两种模式，有144个引脚，球型封装，66MHz本地时钟，有2个DMA通道，支持最高可达266MBps的突发峰值传送速率。有四路GPIO接口，内部PCI仲裁器可以支持4个外部PCI主控器。支持SPI串行EEPROM接I：1，有8KB共享内存可以供PCIE接I：1及PCI总线访问。PEX811l的电源模块由15V的PCIE接I：l工作电压，33V的IO和的5VPCI所构成。图4.3是PEX8lll的内部结构图。它的PCIE接口与计算机的PCIE插槽相连，而PCI接I：1与硬件FPGA相连。PCI接口桥接芯片8K的共享内存PCIE完整透明性桥接PCIE接口PCI配置寄存器图4.3 PEX8111内部的结构框图PCI桥接芯片的引脚如图4.3所示： 图4.3 桥接芯片引脚图4.3 程序设计本设计中的主控模块是FPGA（EP2C20F484C8），因此本