浅谈无线传输在医用内窥镜摄像系统中的改进设计

浅谈无线传输在医用内窥镜摄像系统中的改进设计

尤慧

上海世音光电仪器有限公司，上海市，213000

【摘要】

针对传统有线网络内窥镜摄像系统的各种局限性，经过反复对无线模块，控制器，通讯模块的匹配，设计一种更简单实用的无线网络方案，在各设备主机嵌入无线网络模组，控制器，通讯模块，实现随时随地通电自动拨号联网，高效且灵活配置，告别以往有线网络的各种繁琐设置和部署困难，设备采用新型嵌入式集成方案帮助医疗厂商实现更经济的无线化升级和产品外观更简洁美观，无线网络的发展也正在带动设备向微型化、网络化、智能化方向发展，医疗设备也在顺应智能化时代快速发展，未来无线远程医疗的普及，必定会有更多的医疗设备通过无线联网技术发挥重要作用。

【关键词】内窥镜硬件、通讯模块、无线网络模块

1.引言

一直以来医院的内窥镜摄像设备规定企业的专业人员定期上门检修和保养，因为它技术难度大，耗时长、开销大造成了人力、财力的消耗，医用内窥镜摄像系统的效果和稳定性对于医生用于临床手术和身体检查至关重要，一套效果好、性能稳定的设备能提供更清晰地手术视野和各器官腔体细节图像，因此及时掌握设备的运行状态非常的重要，本文介绍在传统医用内窥镜摄像系统中增加无线远程技术，利用互联网的时效性，云服务器的安全性，客户端的直观性和便捷性，将医用内窥镜摄像系统提升到一个新的高度，给医院带来了保障，给企业提高了效率。

2.本论文的研究内容

为将无线传输技术升级到医用内窥镜摄像系统中，本文主要从以下几个方面进行设计。

（一）无线远程医用内窥镜摄像系统终端改进设计

无线远程终端设备结构组成如图1所示，该设备终端包括远程摄像机主机，远程冷光源主机，远程监视器，无线模块，客户端平台重要组成，设备终端结构如图1所示。

   图1 设备终端结构括扑图

（1）无线远程摄像主机设计

本主机由手柄模组，图像处理器,电源模组，控制模块，通信模块，通信端口，机箱等重要组件组成，实现了图像的采集，重要部件如图2所示。

1）手柄模组设计：传感器，信号编码，供电单元，6层双屏蔽PCB等主要组件

2）信号调理板接口和协议改进设计：处理器接收到手柄采集的高清信号后对亮度，对比度，色度，饱和度，锐度，伽马等进行处理，为了能将图像信息中的关键参数匹配通讯模块需要增加串口硬件电路和软件的协议对接。

3）通讯模块新增设计：通讯模块的GPIO口与信号处理主板的数据端口连接，将处理主板的关键数据通过无线模块交换至互联网，以实现控制视频处理板和主板参数远程反馈的功能。

（2）无线远程冷光源主机设计

本机由LED灯珠，LED驱动模块，电源模块，通讯模块，风扇，机箱等主要组件，程序模块通过脉冲方波控制LED驱动板点亮LED灯珠，通过聚光锥将LED发光通过导光束传输到腔体用于照明，程序控制模块可以调节档位从而控制LED灯珠的亮暗程度，该硬件设计新增通讯模块，此模块连接到驱动板的IO口，将驱动板数据通过无线通讯模块转发从而实现档位和实时温度及风扇状态在远程客户端显示并可控制。

（3）无线远程监视器设计

无线远程监视器由液晶屏，驱动板卡，通讯模块，高压板，机壳等组成

液晶屏通过高压板将液晶背光点亮，板卡接收到摄像主机的信号按照信号扫描规则有序的将场和行时序驱动屏上的液晶点阵，实现将传输过来的信号转换成液晶画面，在医用监视器的基础上增加通讯模块设计，考虑医用监视器大多数为金属钣金结构，所以天线必须设计外置才能稳定连接到基站信号。

（4）无线模块周边电路设计

无线通讯模块由核心模组，DC3.8V稳压电源设计，DC3.3V核心电源设计，增益天线匹配电路设计，IO数据端口，UART数据交互设计，模块调试端口，SIM卡槽和ESD防静电设计，图2所示。

1）设计一路DC3.8V参考电压用于核心模块的Vr1软启动供电，因电路的功耗较小，纹波要求较高，设计选用XL1509 SOP8稳压芯片，这颗芯片宽电压4.5V-40V输入，可以有效的保护模块，占空比高达100%，效率高损耗小，这路稳压电源重点设计在于为了减小输出电源的纹波在电源输入端设计一颗470uF/25V电解电容，并在VOUT2输出端增加一颗220uF/16V电解电容起到滤波功能，用示波器检测波形验证，两颗电解电容能有效平滑电源峰值，保证模块的启动不易出现误动作。

2）设计DC3.3V核心电压给核心模块Vin2为供电，这路电压功耗要求比较大,且核心模块在拨号的过程电流变化非常大，要求负载能力比较强，设计选用德州仪器的TPS54331 SOP8，输出电压支持最高28V/3A，属于同步降压芯片，此电路设计注意整流二极管选用，大电流参考设计选择B340A SMA封装,可以将负载发挥到极致。

3）设计多个IO口用于模块状态指示，待机状态指示，拨号状态指示，离线指示，拨号成功连接网络指示，在线调试指示，数据上传指示，数据下载指示，设计主要考虑到负载要尽量小，选择将状态指示灯利用三极管进行隔离，以免造成负载过大将IO口烧坏，具体连接将IO口通过一个100欧电阻连接到NPN三极管（MMBT3904）的基极，集电极连接到发光二极管的阴极，二极管连接到3.3V电压，发射极连接到地，设计IO的高低电平来控制指示灯的亮灭状态。

4）以STM32F103VBT6 LQFP100 为核心Mcu，设计将4组Uart口分别跟无线摄像主机通讯模块连接，跟无线光源主机通讯模块连接，跟无线监视器通讯模块连接，跟无线核心模块通讯Uart口连接，为了保证线路的稳定传输在TX和RX的线路匹配一个100R 0603电阻，外设数据和无线模块进行交互传输过程中，传输稳定性和防干扰设计尤其重要，设计采用E232B的RS-232三线制串口无源隔离保护器，实现无源隔离保护，TX、RX、GND三线制通信，地线保护。

5）调试端口设计，为了方便测试指令响应和监测模块运行，硬件专门集成了CH340芯片直接转成USB接口，并在数据D+ D-关键线路增加了ESD防静电保护管，保证调试稳定性。

6）SIM卡座设计选用金航标的SIM1616-6PIN，卡连接方式是自弹式，卡类型是MicroSIM卡，本体最大高度：1.35mm 工作温度范围是-20℃~+60℃ 共有6PIN，由于会经常进行插入或拔出SIM卡的操作，而人体带有静电，为了防止静电对SIM卡及芯片造成损坏，须要增加TVS管进行静电保护,作为 ESD 防静电措施。选用额定反向工作电压 Vrwm=5 V，结电容为Cj< 10pF以下的器件。防静电器件的接地须和模块系统地良好连接，专门对 SIM_DATA用VSIM电源10K上拉处理，保证SIM_DATA在三态时有一个稳定的高电平，以提高驱动能力,改善其波形的边沿特性，为了满足3GPP TS 51.010-1协议以及EMC认证要求，将SIM卡座布置在靠近模块SIM卡接口的位置，避免因走线过长，导致波形严重变形，影响信号完整性，信号的走线设计进行包地处理，在VSIM和GND之间并联一个0.1uF及33pF左右的电容VSIM_CLK，VSIM_RST与GND之间并联47pF左右的电容，滤除射频信号的干扰. ESD保护器件尽量靠近SIM卡槽放置。

7)天线设计参考致哲的TX4G-PCB-6613，4GPCB天线4G/LTE/NB-IoT内置PCB贴片天线全向高增益兼容全频段设备无线模块，设计调整到目标工作频段的调谐式天线，利用馈点匹配和孔径调谐，在宽范围的工作条件下，实现天线终端阻抗与无线电系统其余部分阻抗（通常是50Ω）的匹配，使用并联或串联可变电容作为阻抗匹配电路，调整电容容量改变目标电路的谐振频率，根据所需的天线尺寸来压缩和调谐范围，一般需要较大范围的容量变化以实现频率迁移，设计要求多个调谐元件和宽范围的调谐值。

                    图2 无线模块旁路连接示意图

3.结论

随着互联网和无线网络的普及和应用，将无线网络应用在医用内窥镜摄像系统，相比传统的内窥镜摄像系统优势体现在以下几个方面：(1)远程摄像机采集的图像经过编码通过无线网络传到外网经云服务器转发实时图像显示在客户端，以便远程可以观看手术视频，掌握图像采集系统的参数调节情况，也能通过客户端对远程摄像主机的参数进行远程设置调节进行调节图像效果(2)远程光源的内部运行的档位，温度和风扇的转速等重要参状态通过网络传输到客户端显示也可通过客户端调节远程冷光源的档位和风扇转速以达到最佳使用效果(3)监视器的显示效果跟屏的显示能力以及源程序的优化和画质设置匹配有关，寄存器的所有相关参数和主板芯片的温度均通过网络传输到客户端显示和设置调节，所有远程设备均自带无线网络模块，不受区域和本地有线网络的限制，所有终端设备的关键参数和运行过程中的数据会预设参考范围，如果设备使用的过程中出现异常会在客户端软件界面弹出提示有助于我们提前防范设备的故障。上述无线技术方案既解决了内窥镜摄像系统的远程设备检测维护，还能有效地控制远程地设备关键参数，起着调试优化效果的作用，期待无线网络带来便捷的同时还能开发出更有临床意义和效果提升的一些新性能。

参考文献

[1]国务院办公厅.国务院办公厅关于  促进“互联网+医疗健康”发展的意见[EB/OL].http://www.gov.cn/zhengce/content/2018-04/28/content_5286645.htm,2018年04月25日.

[2]上海世音光电仪器有限公司.一种医用内窥镜摄像机.2019 2 0002508.3[P].2019-01-02.