胶囊内窥镜和胶囊内窥镜系统的制作方法

1.本实用新型涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种胶囊内窥镜和胶囊内窥镜系统。


背景技术：

2.由于插入式内镜仪器工作时其拍摄组件需要通过咽喉等部位到达患者体内，因此导致受检者的使用体验不佳。随着科技的发展，小型化的胶囊内窥镜应运而生。该胶囊内窥镜在运动的同时采集图像，并将图像传输至外部图像显示设备。
3.现有的胶囊内窥镜一般使用白光led(light emitting diode，发光二极管)光源，该白光led可以通过蓝光和黄光合成白光。该led光源只能产生白光，对一些深层组织的观测有限，无法凸显重要信息，导致获得的图像不能很好的表征病灶，医疗诊断效率低。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种胶囊内窥镜和胶囊内窥镜系统，从而提高胶囊内窥镜采集获得的图像对病灶的表征能力，提高医疗诊断效率。
5.根据本实用新型的一方面，提供一种胶囊内窥镜，
6.本实用新型提供的胶囊内窥镜，包括壳体和位于该壳体内的摄像单元和照明单元，其中，该照明单元可以提供白光和红外光，该摄像单元可以拍摄白光图像和红外光图像。本实用新型的胶囊内窥镜可以提供白光和红外光作为摄像照明光源，利用红外光比白光更强的穿透力，对深层病灶例如深层出血的诊断具有帮助，有利于提高医疗诊断的效率。
7.本实用新型提供的胶囊内窥镜系统包括上述的胶囊内窥镜和与该胶囊内窥镜中摄像单元通信连接的图像处理单元，该图像处理单元包括二维图像合成子单元和三维图像合成子单元中的至少一个，根据白光对应获得的表层图像和红外光对应获得的深层图像，合成得到二维病灶图像或三维病灶图像，提升对病灶的全面表征能力，从而提高医疗诊断效率
附图说明
8.通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
9.图1示出了根据现有技术的白光led的发光原理示意图；
10.图2示出了图1所示的白光led的发光光谱；
11.图3示出了根据本实用新型的胶囊内窥镜的发光二极管的封装结构示意图；
12.图4示出了根据图3所示的发光二极管的发光光谱；
13.图5a和图5b示出了根据本实用新型实施例的胶囊内窥镜的两种图像传感器的感光像素的示意图；
14.图5c示出了根据本实用新型实施例的胶囊内窥镜的一种分光成像组件的结构示
意图；
15.图6示出了根据本实用新型的胶囊内窥镜的侧剖面结构示意图；
16.图7示出了根据本实用新型的胶囊内窥镜的照明光源排布的示意图；
17.图8示出了根据本实用新型的胶囊内窥镜的发光二极管的控制电路示意图；
18.图9a、图9b、图9c示出了根据本实用新型的胶囊内窥镜的光谱调控的光谱。
具体实施方式
19.以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
20.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。
21.图1示出根据现有技术的白光led发光原理的示意图。蓝光led上涂敷有荧光粉，该荧光粉能被蓝光激发而发出黄光，蓝光led工作时发出蓝光1，该蓝光1出射激发该荧光粉发出黄光2，黄光2与蓝光1混合成白光3。其中，该荧光粉一般可以采用钇铝石榴石荧光粉。
22.图2示出图1所示的白光led的发光光谱。其中，横坐标为波长(单位：纳米)，纵坐标为相对光谱强度，相对光谱强度越低表示光强度越弱；相对光强为1表示输出光强达标，满足胶囊内窥镜的图像采集所需的照明光强度需求。本文以下说明中的光谱皆为该坐标模式。
23.可见光对人体组织的穿透力弱，通过可见光(白光)成像的观测只能观测到表面的状况，而红外光(infrared radiation，简称ir)具有比可见光波长更长的波长，可以穿透到达白色(white)可见光无法穿透的组织，使用红外光为光源可以观测到更深层的组织，对诊断深层出血有帮助。本实用新型的胶囊内窥镜使用白光和红外光混合的照明光源131，同时观测表面组织和深层组织，提高医疗诊断效率。以下会以w-ir表示白光和红外光的混合光。
24.据此，本实用新型的实施例提供了一种胶囊内窥镜，包括摄像单元和照明单元。其中，照明单元包括照明光源，为摄像单元的成像提供光线，照明光源包括白光源和红外光源，以及与白光源和红外光源分别驱动连接的第一驱动单元和第二驱动单元。在本实施例中，第一驱动单元和第二驱动单元分别驱动白光源和红外光源发光，胶囊内窥镜能够获取对应的白光图像和红外光图像，更全面地获取图像信息。具体地，在本实施例中，第一驱动单元连接白光源，第二驱动单元连接红外光源。在本实施例中，参见图6所示，胶囊内窥镜100可包括：由照明电路板132、照明光源131等组成的照明单元，由图像处理电路板143、镜头142等组成的摄像单元，以及控制芯片150。
25.在本实施例中，照明光源131为发光二极管，发光二极管中集成有白光源和红外光源，白光源为白光发光二极管芯片d1，红外光源为红外光发光二极管芯片d2。其中，白光发光二极管芯片d1和红外光发光二极管芯片d2的阳极分别引出，与第一驱动单元和第二驱动单元的驱动电流输出端分别连接。
26.图3示出根据本实用新型的胶囊内窥镜的发光二极管的封装结构示意图。
27.其中，图3a为该发光二极管的俯视图，该发光二极管包括管脚1、2、3、4和出光位a1、a2，其长度为1.6毫米，宽度为1.5毫米。图3b为该发光二极管的白光发光二极管芯片d1和红外光发光二极管芯片d2与上述管脚的连接关系示意图，白光发光二极管芯片d1和红外
光发光二极管芯片d2管脚独立，可以独立控制，白光发光二极管芯片d1和红外光发光二极管芯片d2分别对应出光位a1和出光位a2，其输出光从光位a1和出光位a2出射。管脚1、3为阴极管脚，管脚2、4为阳极管脚，发光二极管d1、d2在此视图中为上下分别结构，各自的管脚独立。
28.根据本实施例，将白光发光二极管芯片d1和红外光发光二极管芯片d2集成封装成一个发光二极管。与分别安装白光发光二极管和红外光发光二极管相比，本实施例的方案可通过减少发光二极管的安装个数来减小光源的占用空间，有利于减小胶囊内窥镜的尺寸(例如胶囊内窥镜的直径)。或者，由于采用上述的发光二机管能够同时提供两种照明光，而其体积与常见的发光二极管并无显著差异，因此，在胶囊内窥镜尺寸相同的前提下，胶囊内窥镜中可布置更多的发光二极管，从而提高照明光强，提高图像拍摄采集效率，并且由于相邻发光二极管之间的间距较小，因此照明光可更加均匀地分布。此外，采用上述发光二极管通过降低光源的空间占用，能够为安装镜头142提供更多的空间余裕，从而可选择尺寸更大、视角更广、性能更好的镜头142，以提高采集图像的质量。
29.与现有技术相比，本实用新型中发光二极管的安装更加方便。具体地，在安装时，装配一个发光二极管就可以同时包括白光发光二极管芯片和红外光发光二极管芯片，从能有效避免对白光发光二极管和红外光发光二极管的识别错误、安装错误等而影响图像采集的效果。
30.图3c为本实施例中一种发光二极管的前视图，其厚度为0.55毫米，上部的器件封装件厚度为0.38毫米、宽度为1.15毫米。图3d为该发光二极管的侧视图，该侧边长度为1.5毫米，结构左右对称。其中，d1和d2位置分别对应白光发光二极管芯片d1和红外光发光二极管芯片d2的半导体结构的设置位置。
31.图3e为该发光二极管的仰视图，管脚长0.6毫米、宽0.4毫米，长边为对外侧、开有凹槽结构，并且隔离件e1同侧的管脚之间的间距0.2毫米。该发光二极管的占用空间为1.5毫米*1.6毫米*0.55毫米，由此可见该发光二极管的体积小，可以较好的适应于本实用新型的胶囊内窥镜。其中，该发光二极管内部还包括隔离件e1,该隔离件e1呈t字形，成立了隔离的第一空间和第二空间。结合上述说明，白光发光二极管芯片d1和红外光发光二极管芯片d2分别设置在第一空间和第二空间中，该隔离件e1在该发光二极管内部将d1、d2隔离，可避免白光发光二极管芯片d1和红外发光二极管芯片d2的出光的相互干扰，保障其出光特性。
32.图3f为该发光二极管的另一种封装的管脚分布结构图，其管脚长0.8毫米、宽0.65毫米，宽边为对外侧、无开槽，同侧管脚间距为0.2毫米，对侧管脚间距为0.7毫米，整体结构上下、左右对称，其占用面积为2.5毫米*1.5毫米。
33.图4示出根据图3中发光二极管的发光光谱。该发光二极管的发光光谱包括白光光谱和红外光光谱。在本实施例中，红外光光谱的中心波长为850纳米，由图中曲线可知，波长为850毫米左右的红外光的相对光强最大可达1，红外光输出可观，可以达到本实用新型的胶囊内窥镜的发光二极管的光源需求。在本实用新型的其他实施例中，红外光光谱的中心波长还可以为其他数值，例如795纳米或804纳米等，只要能够确保处于红外波段即可。
34.其中，与该发光二极管相对应，在一实施例中的胶囊内窥镜的摄像单元设置相应的白光感光成像元件和红外光感光成像元件，白光感光成像元件和红外光感光成像元件的曝光时间同步。此外，摄像单元还包括镜头142，反射光经过镜头142汇聚于白光感光成像元
件和\或红外光感光成像元件。其中，白光感光成像元件和红外光感光成像元件既可以集成设置，也可以独立设置。
35.图5a和图5b示出根据本实用新型实施例的胶囊内窥镜的摄像单元的两种图像传感器的感光像素的结构示意图。其中，图5a为rgb-ir图像传感器51(红绿蓝-红外模式图像传感器)的感光像素分布结构示意图，图5b为rgb图像传感器52(红绿蓝模式图像传感器，或白光图像传感器)和红外ir图像传感器53(红外图像传感器)的感光像素分布结构示意图。
36.在图5a对应的实施例中，rgb-ir图像传感器51中的感光成像芯片以2*2的感光像素的阵列为成像单元511，在每个成像单元511中，r代表对红色感光的红光感光像素、g代表对绿色感光的绿光感光像素、b代表对蓝色感光的蓝光感光像素、ir表示对红外光感光的红外光感光像素。在图5a中，一个成像单元511包括r、g、b、ir感光像素各一个，分别记录下红、绿、蓝光强度和红外光的强度。在图5b中，rgb图像传感器52的一个成像单元521包括一个r感光像素、一个b感光像素和两个g感光像素，ir图像传感器53的成像单元531为一个ir感光像素。
37.本实施例中rgb-ir图像传感器51中的感光成像芯片可以选择红绿蓝-红外模式的cmos(complementary metal-oxide-semiconductor，互补金属氧化物半导体)感光成像芯片，如图5a所示，该感光成像芯片可以在单次感光成像中同时得到可见光图像和红外光图像。通过设置包含上述红绿蓝-红外模式的cmos感光成像芯片的rgb-ir图像传感器51，从而同时对白光和红外光感光成像，提高系统摄像单元的集成度，减小摄像单元等设备占用的空间，有利于胶囊内窥镜的进一步小型化。并且，将四种感光像素集成在同一块感光成像芯片上可以便于统一处理感光图像数据。
38.在图5b对应的可选实施例中，胶囊内窥镜包括rgb图像传感器(红绿蓝模式图像传感器)52、ir图像传感器(红外图像传感器)53以及沿着光路的方向设置于两个图像传感器上游的分光组件55(分光镜)。胶囊内窥镜接收到的光线经过分光镜后，白光汇聚于红绿蓝模式图像传感器52处，并由红绿蓝模式图像传感器52感应成像；红外光汇聚于红外图像传感器53处，并由红外图像传感器53感应成像。在本实施例中，rgb图像传感器52和ir图像传感器53分开设置，对应设置红绿蓝模式cmos感光成像芯片和红外模式cmos感光成像芯片，并在两个感光成像芯片前设置分光组件55，该分光组件53的第一出光路径和第二出光路径分别朝向红绿蓝模式cmos感光成像芯片和红外模式cmos感光成像芯片的光接收面，以分别获得白光采集图像和红外光采集图像，避免其它非感光类型光的输入对感光成像芯片的感光准确性造成影响，保障采集图像的可靠性。
39.图5c示出了根据本实用新型实施例的胶囊内窥镜的一种分光成像组件的结构示意图。
40.如图5c所示，在反射光接收路径上设置有分光组件55(例如分光镜)，将混合的发光二极管光分为白光w和红外光ir，rgb图像传感器52和ir图像传感器53分别设置在分光组件55的第一出光路径和第二出光路径上，分别根据白光和红外光实现成像。其中，在本技术实施例不对rgb图像传感器52和ir图像传感器53的具体安装位置进一步限定，只要能够相对固定地安装并对应接收到白光和红外光即可。
41.图6示出根据本实用新型的胶囊内窥镜的侧剖面结构示意图。该胶囊内窥镜100包括：由胶囊形状的主壳体121和安装于该主壳体端部的光学圆顶122组成的壳体，由照明电
路板132、照明光源131、光电开关133(参照图7)组成的照明单元，由图像处理电路板143(包括感光成像芯片，在本实施例中为rgb-ir图像传感器芯片)、镜头142组成的摄像单元，以及控制芯片150。控制芯片150可用于调控光源模式。
42.其中，照明电路板132、图像处理电路板143和控制芯片150由胶囊内窥镜100的前端(光学圆顶122所在的端部)至尾端(远离光学圆顶122的端部)依次排布，相邻电路板之间通过柔性电连接件(例如柔性电路板)电连接，柔性电连接件贴近壳体内侧面，连接相邻电路板的边沿部分，可以减少电路板的占用空间，同时保持一定的机械强度。
43.具体来说，照明单元的照明光源131、光电开关133连接在照明电路板132上，照明光源131的输出端和光电开关133的光电输入端(感受光点信号的一端)均朝向胶囊内窥镜100的前端，其出射光穿过光学圆顶122输出。摄像单元的图像处理电路板143、镜头142朝向胶囊内窥镜100的前端依次连接，镜头142位于胶囊内窥镜100的中轴线上，且镜头142前方无遮挡，以确保较好的光束质量。照明光源131为发光二极管，可同时发出白光和红外光照明，输出的发光二极管光经病患体内组织的反射、由镜头142聚焦至图像处理电路板143上的rgb-ir cmos感光成像芯片，rgb-ir cmos感光成像芯片对此进行光电转换处理，获得白光图像和红外光图像。
44.图7示出根据本实用新型的胶囊内窥镜中照明光源的排布示意图。在本实施例中，以圆形的照明电路板132为例，照明光源131围绕镜头142设置，位于光学圆顶122内，照明电路板132上包括光电开关133，可以接收外部控制信号，开关照明光源131。
45.其中，光电开关不受电场和磁场的干扰，避免误启动和误关闭，利用光电开关可以实现随用随开，节约用电，在没有怀疑有病灶的位置关闭，降低能耗，保留充足的电量，以在高需求的部位具有充足的电量，胶囊内窥镜工作时间可以更长，能够提供充足的观测样本，提高医疗诊断效率。
46.在本实施例中，照明光源131采用图3示出的发光二极管，其数量可以为5个，光电开关133与5个照明光源131围绕镜头142均匀排布，其中，均匀排布可以为围绕镜头142沿其周向等间隔分布，以确保充足的照明强度和广阔的覆盖面。镜头142一般为圆形。照明单元中心部位具有通透孔，镜头142从该通透孔中伸出，镜头142视野无遮挡。需要说明的是，本实用新型对发光二极管的数量不做特别限定，可以根据实际的图像采集需求设计发光二极管的数量。
47.图8示出根据本实用新型的胶囊内窥镜的发光二极管的控制电路示意图。白光发光二极管芯片d1和红外光发光二极管芯片d2的阳极与不同的控制电路连接(分别对应连接第一驱动单元11和第二驱动单元12的驱动电流输出端)，其发光功率可分别调控。对应地，第一驱动单元11和第二驱动单元12均包括驱动电流大小控制的信号输入端和驱动电流持续时间控制的信号输入端，以根据驱动电流大小控制信号和驱动电流持续时间控制信号调节输出的驱动电流的大小和持续时间，分别对应控制白光发光二极管芯片和红外光发光二极管芯片的发光亮度(发光功率)和发光持续时间。其中，白光发光二极管芯片和红外光发光二极管芯片分别驱动，对应提供的白光和红外光的亮度和持续时间可独立控制。优选地，在本实施例中，控制电路中包括第一控制电路和第二控制电路，第一控制电路和第二控制电路分别对应连接第一驱动单元11和第二驱动单元12，在可选实施例中，控制电路为一个，统一提供第一驱动单元11和第二驱动单元12的控制信号。
48.图9a、图9b、图9c示出根据本实用新型的胶囊内窥镜的光谱调控光谱。图9a为白光发光二极管芯片全功率输出，红外光发光二极管芯片半功率输出；图9b为白光发光二极管芯片全功率输出，红外光发光二极管芯片全功率输出；图9c为白光发光二极管芯片半功率输出，红外光发光二极管芯片全功率输出。
49.本实用新型的胶囊内窥镜可以通过分别控制白光发光二极管芯片d1和红外光发光二极管芯片d2的驱动电流，实现不同的光谱配比，如同图9a、图9b、图9c所示，其按照a、b、c的模式进行调控，在全黑的食道环境中，对同一区域顺次进行变光谱测量，先后获取主白光下图像数据、白光-红外光等光强下图像数据、主红外光下图像数据，可以达到增强病灶成像效果的功能，从而获取更加全面的病灶信息。此外，本实施例中的胶囊内窥镜还可以依据需求选择任何一种光谱配比模式，并不限于半功率和全功率，对怀疑主要病灶为深层病灶时提高红外光的输出、降低白光的输出，对怀疑主要病灶为表层病灶时降低红外光的输出、提高白光的输出，对怀疑病灶在表层和深层都有较大可能时白光和红外光都选择高输出，针对性选择输出光的白光和红外光的配比，将有限的电能有效的发挥，提高使用本实用新型的胶囊内窥镜的使用体验。例如，在本实用新型的一实施例中，照明光源131提供的白光和红外光的配比的比例可以为2:1、1:1或1:2等。
50.本实用新型的胶囊内窥镜除了上述通过分别调控白光发光二极管芯片d1和红外光发光二极管芯片d2的驱动电流对发光二极管输出光谱进行调控，达到增强病灶成像效果外，还可以控制白光发光二极管芯片d1和红外光发光二极管芯片d2的闪烁时间以实现提高成像效果的目的。具体来说，在一实施例中，胶囊内窥镜通过增加发光二极管的闪烁时长，以增强在获取每张图像时照明光源131提供的发光能量，从而对图像的亮度等进行调节。对应地，本实施例中的胶囊内窥镜亦可以通过缩短发光二极管的闪烁时长，削弱在获取每张图像时照明光源131提供的发光能量，从而改善成像效果。
51.而胶囊内窥镜拍摄的病灶表层和内部组织的图像越清晰，医生对病情的判断也会更加准确，使用本实用新型的胶囊内窥镜可以有效提高观测效果，提高医疗诊断效率。
52.优选地，白光源和红外光源均可独立控制，在怀疑有深层出血的区域选择红外光源为主要照明光源，着重观测深层组织的图像信息，并选择性地提供驱动电流，降低非重点观测对象所处深度的观测需求的光源的亮度，减少对重点观测对象成像过程中受到的干扰，并降低驱动能耗，进而降低胶囊内窥镜整体的能量消耗，延长胶囊内窥镜的工作时长，并兼顾其观测效果。其中，胶囊内窥镜的固定工作模式可以选择对同一部位进行上述三种照明下的成像，可以形成三种层次的观测图像，获取更加全面的图像信息，确保胶囊内窥镜的观测质量，并且采用上述固定工作模式，还可以减少操作量，简化控制操作，增强胶囊内窥镜的鲁棒性。
53.本实用新型还提供一种的胶囊内窥镜系统，包括上述的胶囊内窥镜和与该胶囊内窥镜中摄像单元通信连接的图像处理单元，该图像处理单元包括二维图像合成子单元和三维图像合成子单元中的至少一个，根据白光对应获得的表层图像和红外光对应获得的深层图像合成为二维病灶图像或三维病灶图像，提升对实际病灶的全面表征能力，提高医疗诊断效率。
54.其中，图像处理单元可以设置在胶囊内窥镜内部，通过数据线连接，或设置在胶囊内窥镜外部，通过无线通信连接。
55.依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。