CMOS圖像傳感器技術在醫療領域的應用

王欣昕 楊豐 田野

（1.南方醫科大學生物醫學工程學院 2.廣東東莞光陣光電科技有限公司）

0 引言

近年來，CMOS工藝技術不斷提高，CMOS圖像傳感器的應用也越來越廣泛，從數碼產品擴展到工業、醫療、智能安防等領域[1]。CMOS圖像傳感器與傳統電荷耦合設備CCD圖像傳感器相比，具有高度靈活性、優異的靜態和動態特性、高集成度等優點，能滿足工業、醫療等專業圖像抓取應用的需要，特別在醫療圖像領域提供了創新性的解決方案[2]。

現有醫療影像產品主要采用光學成像技術和CCD成像技術，但是這兩項技術成本高、能耗高，使傳統醫療影像產品的應用受到很大限制。目前，成本因素是醫療影像設備普及推廣的最主要制約因素；而且，成本高易造成產品多次性反復使用，增大了交叉感染風險。所以，醫療影像領域亟需低成本、低能耗、高質量的醫療影像產品，CMOS攝像模塊（CMOS camera module，CCM）技術可有效彌補上述不足。

CMOS圖像傳感器及其在醫療領域的創新性應用已成為國內外學者的研究熱點[3-8]。為研制一次性低成本電子內窺鏡，CMOS圖像傳感器專家賽普拉斯利；用 CMOS加工技術成功開發小型彩色圖像傳感器BOCA，其面積僅有9 mm2，由512×512個邊長為6 μm的方形像素組成，該傳感器高達58%的填充因子是其具備高感光度的有力保證。為發展低成本、低功耗、高集成度生物傳感器系統，Ji Honghao等設計了基于CMOS圖像傳感器的有源像素傳感器（APS）邏輯控制電路，在此基礎上制造微接觸成像儀，成功地應用于細胞檢測[5]。Chih-Lin Lee等提出了高集成度、低功率、高分辨率的視覺恢復解決方案，利用 CMOS成像技術實現人工視網膜功能，其最高分辨率可達4096像素、幀速為19.5幀/秒[6]。

本文首先闡述 CMOS圖像傳感器組成及特點，在此基礎上介紹基于 CMOS傳感器的電子內窺鏡原理、結構，最后介紹 COMS圖像傳感器在醫療領域的應用，深入分析利用 CMOS圖像傳感器技術開發的一次性可視腹腔穿刺器和一次性可視人流系統。

1 CMOS圖像傳感器

目前，市場上主流圖像傳感器包括 CCD和CMOS兩種。過去30年，CCD廣泛應用于圖像傳感及捕捉，該類型傳感器噪聲較低，可提供良好的圖像質量。但是，CCD圖像傳感器是電荷耦合器件，需連續將圖像數據從一個像素傳送到另一個像素，需要多個工作電壓、外部時鐘和精密的驅動、選擇電路，功耗大，占據空間大。因此，CCD圖像傳感器的性能、靈活性、功耗等方面無法滿足醫療器械及產品圖像捕捉需求。

CMOS圖像傳感器的頻譜范圍寬、動態范圍大、功耗小、供電電壓低、電路簡單易于集成、圖像抓取功能靈活、系統集成度較高等特點，為電子圖像捕捉技術創造了新的應用領域。

CMOS圖像傳感器是典型的固體成像傳感器，其組成如圖1所示，由像素單元陣列、行選擇器、列選擇器、時序控制邏輯、A/D轉換器、數據總線輸出接口、控制接口等部分組成，通常集成在同一塊硅片上。該芯片還可集成其他數字信號處理電路，如自動曝光量控制、非均勻補償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，甚至集成具有可編程功能的 DSP器件，形成圖像處理系統。CMOS圖像傳感器工作過程一般可分為復位、光電轉換、積分、讀出等。

圖1 CMOS圖像傳感器組成

2 基于CMOS傳感器的電子內窺鏡

電子內窺鏡是新一代可視醫療產品，它將微型圖像傳感器裝在內窺鏡頂部代替光學鏡頭，通過電纜或光纖傳輸圖像信息。電子內窺鏡與光纖內窺鏡類似，有角度調節旋鈕、充氣及充水孔、鉗道孔、吸引孔和活檢孔等。圖2是普通電子內窺鏡的末梢布局圖。

圖2 電子內窺鏡的末梢布局圖

CMOS電子內窺鏡的工作原理如圖3所示，照明光源通過濾色片，變成單色光，單色光通過導光纖維直達電子內窺鏡前部，再通過照明鏡頭照在受檢體的器官粘膜。器官粘膜反射光信號至非球面鏡頭，形成受檢部位的光圖像，CMOS圖像傳感器接收光圖像，將此光圖像轉換成電信號，再由信號線傳至視頻處理系統，經信號處理（去噪、儲存、再生），顯示在監控屏幕上。CMOS電子內窺鏡可得到高清晰度圖像，沒有視野黑點弊端，易于獲得病變觀察區信息。

圖3 CMOS電子內窺鏡原理圖

3 應用實例

CMOS圖像傳感器具有高分辨率、低噪聲、低暗電流等特點，成為應用越來越廣泛的低成本傳感器件。在醫療領域，CMOS圖像傳感器的應用包括電子內窺鏡檢查、一次性醫療產品監控、“藥丸中的相機”等。下面分別介紹一次性可視腹腔穿刺器、一次性可視人流系統2個應用實例。

3.1 一次性可視腹腔穿刺器

在現代腹腔鏡手術中，配套管穿刺是建立腹腔鏡觀察通道及手術器械通道不可或缺的步驟。一次性可視腹腔穿刺器，包括穿刺套管、內置攝像模組及光源穿刺針。在光源的照明下，CMOS攝像模組可以從穿刺針透明罩頂部將穿刺頭進入腹腔過程的圖像傳輸到顯示裝置，即穿刺的過程及穿刺針進入腹腔的狀況可以直觀地從顯示裝置中觀察，也可與醫院的腹腔鏡工作站配套使用。該腹腔穿刺器為一次性使用，避免交叉感染，保證使用的安全性。圖4是一次性可視腹腔穿刺器。

圖4 一次性可視腹腔穿刺器

3.2 一次性可視人流系統

人工流產又稱人流，是指用手術方式終止妊娠。手術方法包括鉗刮術和負壓吸引術等，前者是用卵圓鉗將子宮內的胚胎組織夾出來，對女性傷害較大；后者是用一根中空吸管利用負壓將子宮內的胚胎吸出來，該方法操作簡便，手術時間短，流產效果好。但是，由于負壓吸引術是盲吸，易造成疼痛、術時子宮出血、子宮穿孔、宮頸裂傷等，同時由于使用負壓，易使蛻膜組織隨血液逆流入腹腔，而造成子宮內膜異位癥。

傳統負壓吸引術無法在可視條件下觀察術中情況，需要一種可視裝置的輔助，以降低手術風險。目前有一種超導可視無痛人流術，在B超準確定位和先進麻醉技術下，進行負壓吸宮術，比傳統負壓吸引術更準確，可減少痛楚，對子宮內膜損傷小，有效避免漏吸及其它并發癥的發生。但由于采用體外B超定位，該方法有一定局限性，對于早孕或宮腔異位等情況的患者并不適用。

一次性可視人流系統整體設計如圖5所示。一次性吸引頭前端安裝CMOS圖像傳感器（如圖6所示），可用于實時監視術中情況。CMOS圖像傳感器采集圖像信息，通過柔性線路板（FPC）信號線將信息傳送到后端工作臺顯示，工作臺可以是具有顯示、打印功能的標準式配置，也可以是僅有顯示功能的輕巧便攜式配置。FPC信號線通過圖7所示雙腔管中一個腔體連接到工作臺，吸引信道在雙腔體另外一個腔體中，以滿足醫療器械標準的要求。

圖5 一次性可視人流系統

圖6 吸引頭結構剖視圖

圖7 雙腔管

通過一次性可視人流系統，醫生在可視情況下對患者實施人流手術。通過吸管前端的 CMOS圖像傳感器，可順利尋找附著在子宮內壁上的孕囊及蛻變組織，在明確位置進行吸引操作，無需大面積刮宮，損傷僅為微創，手術更為快捷、安全，降低醫患風險。同時，由于可視功能輔助，從根本上降低了對醫生手術技能要求。

本系統的吸引頭選用符合醫療器械標準的塑料材質，價格低廉，CMOS圖像傳感器成本也較低，可實現一次性吸引頭產品設計，從根本上杜絕二次感染的發生。

傳統內窺鏡式人流系統工作臺，需配備一臺CCD影像處理系統和一臺內窺鏡冷光源系統，整套系統笨重且連接不便。本一次性可視人流系統與其相比，降低了成本、能耗，操作簡便。

4 結語

1) CMOS圖像傳感器具有高分辨率、高集成度、功耗小和低成本等優勢，在醫療器械專業圖像傳感領域得到越來越廣泛和深入的應用，能夠為客戶提供多功能可視產品技術解決方案。

2) 基于CMOS傳感器的電子內窺鏡直接從位于內窺鏡頂部的微型CMOS圖像傳感器采集圖像信息，經傳輸處理后獲得高清晰度圖像，更易觀察和獲得病變區信息。

3) 采用CMOS圖像傳感器的一次性可視醫療產品，增加了手術過程的可視性，達到直觀、安全、快捷的效果；同時可避免多次使用的交叉感染，保證使用的安全性。

[1] 周計.CMOS圖像匹配傳感器及應用研究[D].廣州：華南理工大學,2013.

[2] 王旭東,葉玉堂.CMOS與CCD圖像傳感器的比較研究和發展趨勢[J].電子設計工程,2010,18(11)：178-181.

[3] 劉桂雄,李夏妮.機器人光纖接近覺復合傳感器解耦新方法[J].華南理工大學學報：自然科學版,2006,34(7)：21-25.

[4] 范賜恩,陳曦,張立國,等.雙CMOS成像系統中運動模糊圖像的復原[J].光學精密工程,2012,20(6)：1389-1396.

[5] Ji Honghao, Abshire P A , Urdaneta M , et al. CMOS contact imager for monitoring cultured cells[C]. Circuits and Systems Conference, 2005： 3491-3494.

[6] Lee Chih-Lin, Hsieh Chih-Cheng. A 0.8V 64×64 CMOS imager with integrated sense-and-stimulus pixel for artificial retina applications[C]. Solid State Circuits Conference, 2011：193-196.

[7] Joung Hyou-Arm, Hong Dong-Gu, Kim Min-Gon. A high sensitivity chemiluminescence-based CMOS image biosensor for the detection of human interleukin 5 (IL-5) [C]. Sensors,2012 IEEE, 2012, 16(11)： 1-3.

[8] 竇江龍.基于 CMOS傳感器的顯微圖像處理分析系統設計[D].杭州：浙江大學,2012.