专利名称：无线电子内窥镜摄像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及医用电子内窥镜摄像装置。
背景技术：
电子内镜的第一代产品自1983年应用于临床以来，到目前已生产出第三代电子内镜应用于临床。世界上生产电子内镜比较著名的公司由美国的雅伦(WelchAllyn)和日本的奥林巴斯(Olympas)等。由于电子内镜的问世，给百余年来内镜的诊断和治疗开创了历史新篇章，相信电子内镜将会在临床、教学和科研中发挥出它巨大的作用。
基本结构电子内镜的构成除了内镜、内窥镜摄像装置中心和电视监视器三个主要部分外，还配备一些辅助装置，如录像机、照相机、吸引器以及用来输入各种信息的键盘和诊断治疗所用的各种处置器具等。
目前市场上所销售的内窥镜摄像装置都是有线模式，即内窥镜摄像装置的信号到电视监视器是通过信号线缆传输的，这种传输模式有以下缺点(1)由于有线缆的缘故，操作者会觉得操作不便；(2)种传输方式为模拟信号传输，所以极易受到外来信号的干扰，如高频电刀等；(3)使用寿命短，线缆极易折断。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种采用无线传输方式的无线电子内窥镜摄像装置。
实现上述目的的技术解决方案是这样的1、无线电子内窥镜摄像装置，包括内镜、内窥镜摄像机构和电视监视器，其特征在于所述内窥镜摄像机构为无线电子内窥镜摄像机构，包括电荷耦合器、图像处理控制模块、高能电池和无线发射模块；电荷耦合器的输入端连接着光学适配器的输出端，其输出端连接着图像处理控制模块；图像处理控制模块的输出端连接着输出信号频率为1.2-2.7GHz的无线发射模块的输入端，其另一端连接着高能电池；无线发射模块的另一端也连接着高能电池；所述电视监视器连接着接收频率为1.2-2.7GHz的无线接收器。
本实用新型的无线电子内窥镜摄像装置，由于内窥镜摄像装置的信号到电视监视器是通过信号无线传输的，这种传输模式有以下优点
(1)该装置由于采用无线发射、接收方式，操作者会觉得很方便；(2)这种传输方式为无线信号传输，所以不易受到外来信号的干扰；(3)电视监视器可在50米内任意移动皆可接收到内窥镜摄像装置的信号，方便了操作者的观察。
图1为本实用新型结构原理图，图2为电耦合器及图像处理单元原理图，图3为无线发射单元原理图，图4为无线接收单元原理图。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步地说明。
参见图1，该无线电子内窥镜摄像装置包括医用内窥镜、光学适配器、DVL无线电子内窥镜摄像机构、无线接收器、监视器和录相设备。其中内窥镜摄像机构为无线电子内窥镜摄像机构包括电荷耦合器、图像处理控制模块、高能电池和无线发射模块；电荷耦合器的输入端连接着光学适配器的输出端，其输出端连接着图像处理控制模块；图像处理控制模块的输出端连接着输出信号频率为2.4GHz的无线发射模块的输入端，其另一端连接着高能电池；无线发射模块的另一端也连接着高能电池；所述电视监视器连接着接收频率为2.4GHz的无线接收器。
该装置的工作原理是这样的光信号经内窥镜传到摄像机，经过光学适配器与摄像头的CCD(电荷耦合器)有机的结合，光信号全部照在CCD的表面，CCD受到光到照射，产生电位的飘移从而产生电信号，电信号输出到图像处理/控制模块进行图像的处理、还原最后以视频信号输出到无线发射模块编码送出；接收端的接收器收到信号后解码送监视器等设备输出。
其中CCD图像采集与显示装置包括时钟、图像采集、视频处理及A/D、显示缓存、单片机接口、视频输出(D/A及视频编码)无线发射模块，见图2。
CCD图像采集CCD器件是一种多用途器件，可用作存储器、信号处理电路和图像采集器件等。作为图像采集器件，与摄像管相比，CCD器件没有色的阴影效应，摄取的图像无灼伤现象，无余像。它的灵敏度高，工作稳定。由于CCD是放置在进入人体消化道的内窥镜镜头部分，其尺寸受到很大的限制，一般不超过Φ4mm，这也限制了超小型CCD彩色图像采集装置方案的选择。由于体积庞大，三色CCD方案首先被排除。同体积的CCD，彩色CCD比单色CCD的分辨率低，因此装置采用单片单色CCD(黑白CCD)方案。它是利用旋转三色滤色片分时顺序摄取图像的红、绿、兰信号，经过显示缓存控制同时输出到监视器显示真彩色图像。装置采用的是德克萨斯仪器公司于九十年代推出的TC221，这种全帧操作的面阵图像传感器是专门为适应应用环境恶劣或者需要小型化的医学及工业应用而设计的，其对角线长为2.4mm，满足内窥镜镜头部分对直径的限制，分辨率为190×190。对CCD的控制关键在于对它驱动信号的控制上，只有按给定的操作时序做出的驱动信号才能正确地得到CCD采集到的视频信号。IAG是行移时钟，SRG是串行移位时钟，ABG是防开花脉冲。从时序图中可看出IAG和SRG之间有严格的时序对应关系。
视频显示缓存装置的视频显示缓存是装置的核心。通过它对图像数据的接收、存储、发送，同时作为高速设备与低速设备的缓解环节，满足装置对图像数据在输出到监视器上正确显示所作的多方面的处理要求。其显示缓存在装置中主要完成以下几个功能.高速CCD与低速的监视器读写的矛盾；.单色CCD图像的真彩色处理；.全帧CCD逐行输出信号的奇偶场分离；.通过实现大小双画面显示，画面冻结，冻结画面换帧。
可见视频显示缓存是装置控制中最关键、最复杂的部分，装置的显示缓存主要由FIFO、VRAM及由FPGA构成的控制电路组成。
TC221的行转移时钟的频率为32k，而监视器的行频为15.625k，这种行频的不一致性会导致显示的错误，FIFO作为场缓存可以缓解这种CCD快读与监视器慢写的矛盾。通过巧妙控制VRAM的分页，分区及写入地址实现单色CCD图像的真彩色处理，全帧CCD逐行输出信号的奇偶场分离及窗口控制等。
双端口存储器(VRAM)是近年来新发展的一种图形图像存储芯片，本装置采用了日立公司的TC528257，它采用了双存储体及双数据口(双端口)结构，可直接在10MHz以上的时钟下工作，它与普通的存储器最大的差别在于其内部含有两个不同类型的存储体，一个容量为256k×8bit的动态存储体(DRAM)，另一个容量为512×8bit的高速串行存储体(SAM)，并且各自都有自己的数据端口。两个存储体既可分别独立工作，又可相互之间传递数据。它解决了其它存储器不能同时读写的矛盾，与其它存储器比，所需的存储器数目最少，外围辅助器件最少，图像的彩色效果最好。
TC528257具有很强的功能，有多种工作方式，管理比较复杂。装置中主要应用了TC528257的三种工作方式读传送、快速页模式写入、CBR自动刷新。读传送在行逆程从DRAM向SAM传送一行数据，在行正程以快速页模式写入方式一次向VRAM写入一行信号的同时从SAM串出一行数据给D/A转换。DRAM存储体与一般动态存储体一样需要刷新否则信号会丢失，装置采用CBR(CAS置前RAS)自动刷新方式在行逆程采用集中刷新，使每行完成对8行的刷新，总的刷新周期为512行/8*64μs＝4.096ms，可满足刷新周期要求。
装置采用六片TC528257构成三页存储体，分别以场为顺序存储单色CCD输出的R、G、B三个图像分量，三场一轮换，并同时输出实现实时真彩色显示。
奇偶场分离是通过存储体的分区来实现的。装置采用两块存储器存储一个颜色的信号，并将存储体进行分区，存储体1存入CCD输出的奇点信号，存储体2存入CCD输出的偶点信号，每个存储体按行划分为0～255行和256～511行的两个区，两个区只在地址最高位上有差别，0～255行这个区用于存储CCD输出的奇行信号，256～511行用于存储CCD输出的偶行信号。在奇场时读的是0～255行这个区的信号，即在奇场监视器上显示的是CCD输出的奇行信号，同理，偶场读出的是CCD偶行的信号。经过这样的奇偶场分离，一幅逐行输出的CCD图像，在隔行扫描的监视器上完整正确的显示出来。奇列和偶列的分离还使读出的速度降低一半，降低了对存储器芯片速度的要求，使芯片发挥最好的效能。
显示缓存窗口控制1)双画面显示 装置显示大小两个画面。小画面的分辨率为190×190，即CCD图像与监视器上图像的像素点一一对应。大画面的分辨率为380×380，它是将CCD串出的一个像素写到监视器上对应的4个位置形成一点到四点的映射，使得图像数据在水平和垂直方向上都展宽2倍。2)画面冻结与换帧 装置中通过对屏幕图像对应的存储区不断地写入，可达到实时显示，即动态显示；如果对应的存储区只刷新和读出，则实现图像“冻结”，即静态显示。动态显示的画面可以转换为静态显示，反之亦然。冻结的画面可以捕捉当前某一瞬间图像，而动态显示的画面依然实时显示，这时电路的动作称为换帧，即把冻结画面对应的存储区内容用前三场信息更新，然后反复读出。装置总共有四个状态，简记为S1大画面动，小画面静止；S2大画面静止，小画面动；S3大画面换帧；S4小画面换帧。装置设定了两个开关W1，W2，可在任何时候进行大小画面动静显示切换和换帧。
装置时钟发生装置时钟是装置正常工作必不可少的环节，它提供给装置同步信号和与行频锁相的高频主时钟。本文装置时钟是锁相理论与同步理论在电视装置中的典型应用。
同步信号发生电路在电视装置中，为了能够正确地重现图像，要求收端与发端同步扫描，因此在图像信号中必须加入同步脉冲。由于CCD信号不包含同步信号，为了使CCD出来的信号成为真正的PAL制信号以便在监视器上正确显示，本文用日立公司的HD440072所提供的PAL制的同步信号完成CCD信号的同步。HD440072可用于PAL制、NTSC制及SECAM制的同步信号发生，本文采用了它的PAL制的信号[5]。它的行频和场频的频率精度小于PAL制要求的频率容差±0.001％，色副载频和行频之间基本上符合25Hz偏置的要求，因而同步信号基本符合标准PAL制要求。这种同步发生电路广泛地应用于工业电视摄像设备中，国外单管摄像机内的同步机也大量采用这种方案。
高频主时钟 与行频锁相的点像素时钟是显示的需要，同时稳定可靠的全局时钟是FPGA内部可靠工作的保证。因此用行频15.625kHz锁相产生高频主时钟44.3MHz作为FPGA内部的全局时钟，由它产生点像素时钟及图像采集和显示装置所有的驱动信号和控制信号是满足装置要求最优的方案。从行频锁到44.3MHz锁相倍数大，是锁相倍频的一个难题。选择摩托罗拉公司的MC44145构成锁相倍频电路，因为MC44145是集成的锁相倍频电路，集成度高，外围控制简单，并且它是专门针对行频锁相的。经过计算并经反复实验调整得到最佳的锁相参数，使得锁相稳定且达到锁相精度，压控振荡器输出频率Δf/f≈±10-6，满足其长期稳定性和短期稳定性的要求。
装置的FPGA实现装置采用美国Altera公司FLEX10K系列的器件EPF10K50-4实现了装置所有的控制功能，包括CCD时序控制及复杂的显示缓存的控制。装置控制由FPGA芯片通过编程实现，硬件功能的描述可完全在“软件”上实现，在调试过程中不断更改“软件”就可达到硬件功能的改进，这种“软”硬件的全新的设计概念，使装置具有极强的灵活性和适应性。通过FPGA对TC221的开发，可以在不改变硬件电路的基础上，在“软件”上根据需要分别设计相应的程序以达到实现其它CCD器件的驱动，为将来其它CCD器件的开发和使用探索出一条方便快捷的途径。装置可作为CCD器件开发的通用装置。EPF10K50-4芯片典型门数为50000门，可用门从36000到11600，2880个逻辑单元，内部有2k的RAM，可充分满足复杂的显示缓存控制的要求，FPGA器件作为装置控制的核心，其灵活的现场可更改性，可再配置能力，对装置的各种改进非常方便，在不更改硬件电路的基础上还可以进一步提高装置的性能。FPGA器件包含大量的门电路使装置可靠性高，集成度高，精减了装置控制板的体积。
经过装置的调试，图像采集和显示缓存控制装置控制板的功能已调试完成，工作稳定可靠，以下是用逻辑分析仪截取的部分调试结果。
装置基于锁相原理得到了标准的PAL制式的同步信号和稳定可靠的提供给FPGA的高频主时钟。装置采用目前最新的器件FIFO、VRAM构成了装置的核心部分装置的视频显示缓存。装置采用目前先进的FPGA技术实现装置全部逻辑功能，产生所有控制信号，包括CCD驱动信号，复杂的显示缓存中FIFO、VRAM的所有控制信号。FPGA技术的使用一方面极大缩短了调试的周期，提高了装置的可靠性；另一方面由于其包含大量的门电路使装置控制板集成度高，体积小。由于FPGA器件的使用，装置具有极强的灵活性、适应性和通用性，并可在不更改硬件电路的基础上，在短时间内实现对现有功能的修改和扩充。
无线发射模块结构见图3；发射机参数
接收机参数，接收机模块结构见图4；
该装置的配套电情况情况如下采用2.4GHz无线音视频发射接收器，频率范围2.400GHz-2.483GHz。
带有接触式4频道开关(2.414GHz，2.432GHz，2.450GHz，2.468GHz)，增强灵活性和可靠性。
发射器与接收器可以在同频道成对使用，也可以同频道一对多使用(一台发射器发射信号，多个接收器同频道接收，相当于无线视频分配器)，也可以多对多使用(每个发射器占用1个频道，最多支持4个频道的视音频传输，互相不串扰)。
发射器正常灵敏度10dBm，接收器最小灵敏度-88dBm，频率正常稳定度±100KHz接收的视频信号清晰稳定，色彩逼真，声音清晰无杂音。
支持NTSC或PAL制式的视频传输和立体声音频传输。
独特的433MHz无线回传遥控信号，实现远距离的“红外-无线-红外”延伸方式遥控。
所有的天线(2.4GHz和433MHz的发射和接收天线)均为F型内置式。
发射器输入端可以与VGA-to-TV视频转换器、摄像机、CMOS摄像头、VCD/DVD播放机、电视选台器、卫星接收机、机顶盒、音响、计算机声卡、麦克风等带有视频或音频输出的设备连接，并将视频及音频信号无线传送到接收器。
接收器输出端可以与电视机、LCD电视、等离子电视、磁带录像机、硬盘录像机、视频投影仪、电脑电视接收机、音箱等带有视频或音频输入的设备连接。
全硬件设计，无需安装任何软件，拆装方便，便于移动，免去繁琐的布线施。
极低的功耗，发射器和接收器的外部电源均为直流9伏200毫安。
工作温度范围-10℃-+60℃。
无线传输距离在空旷地最远可达300英尺(约91米)。
权利要求1.无线电子内窥镜摄像装置，包括内镜、内窥镜摄像机构和电视监视器，其特征在于所述内窥镜摄像机构为无线电子内窥镜摄像机构，包括电荷耦合器、图像处理控制模块、高能电池和无线发射模块；电荷耦合器的输入端连接着光学适配器的输出端，其输出端连接着图像处理控制模块；图像处理控制模块的输出端连接着输出信号频率为1.2-2.7GHz的无线发射模块的输入端，其另一端连接着高能电池；无线发射模块的另一端也连接着高能电池；所述电视监视器连接着接收频率为1.2-2.7GHz的无线接收器。
专利摘要本实用新型涉及无线电子内窥镜摄像装置。特点是该装置包括电荷耦合器、图像处理控制模块、高能电池和无线发射模块；无线发射、接收模块的输出信号频率为1.2－2.7GHz。该装置由于采用无线发射、接收方式，操作者会觉得很方便；使用中不易受到外来信号的干扰；电视监视器可在50米内任意移动皆可接收到内窥镜摄像装置的信号，方便了操作者的观察。
文档编号A61B1/04GK2741507SQ20042007888
公开日2005年11月23日 申请日期2004年8月19日 优先权日2004年8月19日
发明者傅强 申请人:傅强