CN101313871B - 一种cmos模组及其在医疗器械领域内的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS模组，其包括一FPC板、一CMOS模块、一镜头、一组LED发光管，其特征在于，其还包括至少一可编程逻辑控制器PLC，该控制器是内置于所述的CMOS模块内，或设置在所述FPC板上，且其内置有一专用控制软件；所述CMOS模组整体外形尺寸小于或等于4.2×3×3.8mm。本发明还公开了所述CMOS模组在医学领域内的应用，其特征在于，其包括如下步骤：1.将其置于一管状物的前部，并分别为LED聚光装置及镜头设置开口，使其提供自行照明并采集数据，构成内窥式局部观察医疗器械的观察工作部；2.进一步，将内置有该CMOS模组的管状物，与其他具备局部治疗功能的装置相结合，构成内窥式局部治疗器械的观察工作部。

Description

一种CMOS模组及其在医疗器械领域内的应用

技术领域

本发明涉及CMOS模组，具体的涉及一种CMOS模组及其在医疗器械领域内作为观察工作部的应用。

背景技术

在过去30年里，CCD一直被用于图像传感和捕捉。作为一项成熟的技术，它以较低的噪声提供良好的图像质量。作为电荷耦合器件，它们连续地把图像数据从一个像素传送到另一个像素。为此，它们需要几个工作电压、外部时钟生成器和精密的驱动及选择电路，需要占用较大电路板空间和消耗较多的功率。因此，使用这类图像传感器无论是从性能特点还是灵活性方面考虑都不再满足目前的***需求。从CCD图像传感器到CMOS区域传感器的产品换代已进行了一段时间，CMOS区域传感器具有以下几个好的特点：更好的***集成性、较低的功率需求、更灵活的图像捕捉、更智能的接口、更大的动态范围和较高的灵敏度。

随着数字技术融合的进展，即把图像捕捉、图像处理和无线通讯等以前的分力功能集成到一个紧凑型器件之中，市场对于这种具有部分完整功能的“自治子***”的需求不断增长。这类子***在一个封装中提供尽可能多的功能单元。例如，在专业测量技术中，具有灵活的数码相机、PDA用户接口和WLAN连接的便携测试设备，非常有效地扩大了光学检查和监控任务的范围。

医疗图像处理是图像传感器的另一个传统应用领域，从大型X线到所有的内窥镜检查方法，一直到可吞咽的“药丸式相机”。CMOS技术提供了一个非常有用的执行平台：虽然CCD图像传感器仍然需要其它外部逻辑技术以实现控制和模拟/数字转换，但CMOS相机芯片允许图像传感器、控制器件、转换器和选择逻辑，以及HF发射机以同一种技术实现，因而可以放置在同一个硅片表面。把更多的***功能集成到一个“自治的”光电传感器***之中是可能的，主要取决于计划使用的范围和基本经济条件，如开发成本和单位数量等。

便携式设备并不依赖电网供电，因此只有当其元件和子***的功率需求较低时才能正常工作。CMOS技术在这方面显然具有更多的优势，因为CMOS图像传感器面向3.3V或2.5V左右的较低的单电源电压，而多数CCD芯片要求多个较高的电源电压，如高达12V的电压。这些电压必须利用比较耗电的变压器来生成，而且变压器还占用电路板上的宝贵空间。如果控制和***功能集成到CMOS传感器之中，总体性能会更好，因为消除与其它半导体元件相连的外部接线也能省掉它们功耗较大的驱动器：在芯片内部进行的通讯与在芯片外部通过电路板或基板实现的通讯相比，需要的功率要少得多。

此外，采用CMOS图像传感器还能带来一个极受欢迎的“副产品”，即低噪声发射，而且它们的噪声绝缘性非常高，因为模拟/数字转换器都集成在图像传感器的内部，意味着容易出现干扰的模拟信号线就不必在外面经过。另外，数字图像输出信号使***集成商更容易以较低的成本集成功能强大的CMOS相机，这也使其能够用于恶劣的环境之中。例如，医疗、药丸式相机和内窥镜等体内应用需要非常低的功率，因为向外散热的可能性有限，尤其对于药丸式相机，其外表温度需要与体温一致。

在医疗和工业应用中，人们需要的常常是图像中的一个具体细节，但由于CCD图像传感器的连续电荷传送，只能读出全部图像内容——一个完整的帧。然后再利用一个选择电路从整个图像中把需要的部分提取出来。另一方面，CMOS图像传感器的结构象一个存储阵列，以便能够通过二次取样，或者通过选择部分图像区域(开窗口)，访问或者读出单个像素或像素群。二次取样提供了一个具有较低分辨率的常规取样模式，开窗口功能允许选择图像的有用部分。窗口四角的坐标通过一个串行或并行接口发送到CMOS传感器，并在那里得到自动处理，以控制读出操作。这也是一个把额外的逻辑集成到CMOS传感器之中的典型例子，这对于CCD是不可能的，因为它采用的技术不适合逻辑电路。

工业和医药方面许多有趣的情景都出现在逆光条件下，因此要求图像传感器具有较高的动态范围。虽然线性传感器的动态范围正好与信噪比(SNR)成比例，但CMOS图像传感器的多斜率操作使得动态范围得到大幅提高，而SNR仍然不变。光亮度与输出电压之间的分段线性关系显示了这点，这导致整个转换范围内具有非线性特点。因此，场景的较暗部分扩展到模拟/数字转换器的转换范围的较大部分：转换特征曲线在此处变得最陡，确保了高灵敏度和对比度。通过使特征曲线的上部变得水平，明亮区域中感光过度的一些部分也能充分捕获。这样，在10位A/D转换范围上就可能获得动态范围高达100dB的图像。

现有技术中的FPC板是Flexible Printed Circuit的简称，又称软性线路板、柔性印刷电路板，挠性线路板，简称软板或FPC板，具有配线密度高、重量轻、厚度薄的特点。产品特点：1.可自由弯曲、折叠、卷绕，可在三维空间随意移动及伸缩。2.散热性能好，可利用FPC缩小体积。3.实现轻量化、小型化、薄型化，从而达到组件装置和导线连接一体化。

现有技术中的PLC可编程逻辑控制器，其英文全称Programmable Logic Controller，定义是：一种数字运算操作的电子***，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

但是，虽然CMOS图像传感器具备上述优点，但是现有的内窥式医疗器械上所采用的仍然多数是CCD，CMOS图像传感器在医学领域内的应用尚缺乏一个完整和***的解决方案。同时，现有技术也没有给出有关采用CMOS图像传感器及PLC技术、及设有一次性使用限制装置的医疗器械。

发明内容

针对现有技术中的医疗器械的上述不足，本发明目的之一在于，提供一种采用高度集成、并具备自我调整功能、体积小、采集效果好的CMOS模组；

本发明的目的还在于，提供上述CMOS模组在医疗器械领域内作为其观察工作部的具体应用。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种CMOS模组，其包括一FPC板、一CMOS模块、一镜头，一组LED发光管。其特征在于，其还包括至少一可编程逻辑控制器PLC，该控制器是内置于所述的CMOS模块内，或设置在所述FPC板上，且其内置有一专用控制软件；所述CMOS模组整体外形尺寸小于或等于4.2×3×3.8mm。

所述的CMOS模组，其特征在于，其还包括设置在所述FPC板上的LED，并设有一LED聚光装置。

所述的CMOS模块前部感光区域封装有镜头，其背面贴片连接在FPC板上；或者该CMOS模块上下方向的前部感光区域分别封装有镜头，其中部贴片连接在FPC板上。

所述的CMOS模组，其特征在于，所述的PLC包括相互连接并交互通讯的运算单元、存储单元、I/O单元、A/D转换单元、图像阵列接收单元。

所述的CMOS模组，其特征在于，所述的专用控制软件，包含有一程序自动删除模块。

所述的CMOS模组，其特征在于，所述的LED聚光装置处理后的光束，与所述镜头中心线保持5～75°的夹角，使该光束所覆盖的区域与镜头接收反射光的区域直接重叠。

所述的CMOS模组，其特征在于，其包括分别设置在所述镜头前或后部的至少各一LED组成的灯组、灯组控制单元及其聚光装置，且经过所述的LED聚光装置处理后的光束，与所述镜头中心线分别保持5～75°的夹角，灯组各LED发出的光束所覆盖的区域相互重叠，且与镜头接收反射光的区域同时直接重叠。

前述CMOS模组在医学领域内的应用，其特征在于，其包括如下步骤：

1)将其置于一防水密封的管状物的前部，并分别为LED聚光装置及镜头设置透明开口，使其提供自行照明并采集数据，构成内窥式局部观察医疗器械的观察工作部；

2)进一步，将内置有该CMOS模组的管状物，与其他具备局部治疗功能的装置相结合，构成内窥式局部治疗器械的观察工作部。

所述的CMOS模组在医学领域内的应用，其特征在于，所述的观察工作部，其包括如下工作步骤：

1)通电，并自动记录通电次数；

2)运算单元启动，读取各单元预存数据；

3)启动I/O单元；

4)启动LED照明控制单元；

5)启动图像阵列接收单元，并将其接收数据输入A/D转换单元；

6)比较其采集的信号与存储单元内的标准信号，根据比较结果输出调整信号至LED照明控制单元，调整LED输出，直至图像阵列接收单元获得合格信号；

7)A/D转换单元将合格信号输出至I/O单元，输出数字或模拟信号到显示设备。

8)重复步骤5)～7)。

所述的CMOS模组在医学领域内的应用，其特征在于，所述的步骤1)，所述运算单元还包括一自动计数器，并将该计数结果保存至存储单元；当其首次通电启动时计为1次，再次通电启动时则读取存储单元的计数信息并自动+1；当该计数数据等于N+1时，所述专用控制软件中的程序启动自动删除模块，删除各预存工作程序或其中之一。

本发明的优点在于：由于本发明采用的CMOS模组体积小、重量轻，可以灵活的设置在各种管状物的前部，构成各种医疗器械，其用于内窥式医疗产品对患者的侵入性更小；由于其制造成本较低、经济性好，因此可用于在更多低成本医疗器械的制造；由于其内置了高集成度的可编程逻辑控制器PLC，可以精确调整LED光源，使CMOS模组可采集到高质量的数据；由于专用控制软件中内置了程序自动删除模块，其可简便、可靠的实现一次性使用的目的，确保其用于一次性医疗产品，避免器械的重复使用，降低交叉感染的机会。

下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的CMOS模组立体结构示意图；

图2是图1中CMOS模组***组成及通讯框图；

图3是图1中CMOS模组的电路原理图；

图4是实施例1采用图1中CMOS模组制造的一种人流吸引管结构示意图；

图5是图4的装配结构示意图；

图6是图5中CMOS模组的放大结构示意图；

图7是实施例2采用图1中CMOS模组制造的一种硬性腹腔镜结构示意图；

图8是图7中A部的放大结构示意图；

图9是实施例3采用图1中CMOS模组制造的一种柔性胃镜结构示意图；

图10是图9中A部的放大结构示意图。

具体实施方式

实施例1：参见图1，本发明提供一种CMOS模组，其包括一FPC板、一CMOS模块、一镜头，一组LED发光管。其还包括至少一可编程逻辑控制器PLC，该控制器是内置于所述的CMOS模块内，或设置在所述FPC板上，且其内置有一专用控制软件；所述CMOS模组整体外形尺寸小于或等于4.2×3×3.8mm；其还包括设置在所述FPC板上的LED，并设有一LED聚光装置；所述的专用控制软件，包含有一程序自动删除模块。

所述的PLC包括相互连接并交互通讯的运算单元、存储单元、I/O单元、A/D转换单元、图像阵列接收单元。所述的CMOS模块前部感光区域封装有镜头，其背面贴片连接在FPC板上；或者该CMOS模块上下方向的前部感光区域分别封装有镜头，其中部贴片连接在FPC板上。

所述的LED聚光装置处理后的光束，与所述镜头中心线保持5～75°的夹角，使该光束所覆盖的区域与镜头接收反射光的区域直接重叠。

所述的CMOS模组，其包括分别设置在所述镜头前、后部的至少各一LED组成的灯组、灯组控制单元及其聚光装置，且经过所述的LED聚光装置处理后的光束，与所述镜头中心线分别保持5～75°的夹角，灯组各LED发出的光束所覆盖的区域相互重叠，且与镜头接收反射光的区域同时直接重叠。

前述CMOS模组在医学领域内的应用，其包括如下步骤：

1)将其置于一防水密封的管状物的前部，并分别为LED聚光装置及镜头设置透明开口，使其提供自行照明并采集数据，构成内窥式局部观察医疗器械的观察工作部；

2)进一步，将内置有该CMOS模组的管状物，与其他具备局部治疗功能的装置相结合，构成内窥式局部治疗器械的观察工作部。

参见图2，其为CMOS模组***的组成和通讯框图，图中image array为图像阵列，rowselect为排选择，column sample/hold为列样，gain control为增益控制，analog/digitalsignal processor为A/D信号转换器，analog/digital signal control为A/D信号转换，clock/timing generator and control logic为时钟发生器，control register bank为存储单元，SCCB interface为SCCB接口，结合图2，图像阵列单元接受到信号，然后输入到A/D转换器单元，将信号由模拟转换成数字，再将数字信号输入到存储单元内，将数字信号和存储单元内的标准信号做比较，根据比较的结果将信号调整并输送到增益控制单元，直至图像阵列单元获得合格的信号，然后由A/D转换单元输出。

参见图3，CMOS模块的编号是OV5920，其B2线脚连接到插头J1的9线脚上，作为信号的输入；CMOS模块的A3线脚连接到插头J1的6线脚上，作为信号的输出；插头HEADER1和插头HEADER2连接到CMOS模块的C2脚上，指示灯D1和D2连接到CMOS模块的C2脚上。

所述的观察工作部，其包括如下工作步骤：

1)通电，并自动记录通电次数；

运算单元启动，读取各单元预存数据；所述运算单元还包括一自动计数器，并将该计数结果保存至存储单元；当其首次通电启动时计为1次，再次通电启动时则读取存储单元的计数信息并自动+1；当该计数数据等于N+1时，所述专用控制软件中的程序启动自动删除模块，删除各预存工作程序或其中之一。N的取值可以是1，当CMOS模组第二次加电导通时，自动删除模块即删除全部预存工作程序或其中之一，导致CMOS模组失效，且不能自动恢复。

2)启动I/O单元；

3)启动LED照明控制单元；

4)启动图像阵列接收单元，并将其接收数据输入A/D转换单元；

5)比较其采集的信号与存储单元内的标准信号，根据比较结果输出调整信号至LED照明控制单元，调整LED输出，直至图像阵列接收单元获得合格信号；

6)A/D转换单元将合格信号输出至I/O单元，输出数字或模拟信号到显示设备

7)重复步骤5)～7)。

具体地，参见图4、图5及图6，本实施例提供了所述CMOS模组在一种一次性可视人流吸引管上作为观察工作部的应用：构造一种一次性可视人流吸引管，其包括一塑胶手柄2及后端连接该手柄2的一圆形塑胶双腔吸引管1，该手柄2上还设有一分叉形的负压吸出口5；所述的双腔吸引管1，包括两个完全隔离的腔道：其中用于胚胎负压吸引的主腔道，还包括一用来容置电源线及数据线的副腔道；所述双腔吸引管1前部封堵有一半球形头部组件7，该组件7下部设有一椭圆形负压吸入口8；该双腔吸引管1前部及半球形头部组件7内，密封防水设有一CMOS模组3；该CMOS模组3包括一FPC板10、一CMOS模块11、一镜头12，该CMOS模块11前部感光区域封装有镜头12，其背面贴片连接在所述FPC板10上；所述的半球形头部组件7，其前端为半圆球形，其由相互扣合的上半体71、下半体72构成；其下半体72为一透明构件；其下体72上设有一用来通过光线至CMOS模块11前部感光区域的开孔73；在该开孔73的开口处，还设有一密封透镜14。所述的CMOS模组3还包括一组LED灯组13，该灯组13连接在所述FPC板10上；其前部朝向所述半球形头部组件7的下半体72；该LED灯组13与所述CMOS模块11前部感光区域同侧。所述可视人流吸引管其还包括一信号输出接口4，所述FPC板10经过双腔吸引管1内的空腔与该信号输出接口4电性连接，将CMOS模组3获取的信号传输至显示装置或其连接的其他控制设备。所述的CMOS模组3还包括一可编程逻辑控制器PLC，该控制器是内置于所述的CMOS模块11内，或设置在所述FPC板10上，且其内置有一专用控制软件；该软件内置有一运算器、一自动计数器及一自删除程序。所述自动计数器在所述当CMOS模块11首次通电启动时计为1次，再次通电启动时则自动+1；当该计数数据等于N+1时，所述专用控制软件中的程序启动自动删除模块，删除各预存工作程序或其中之一。N的取值可以是1，当CMOS模组3第二次加电导通时，自动删除模块即删除全部预存工作程序或其中之一，导致CMOS模组3失效，且不能自动恢复。本实施例中CMOS模组整体外形尺寸等于4.2×3×3.8mm。

实施例2：参见图8、图7，本实施例提供的CMOS模组与实施例1结构相同，其不同之处在于，本实施例中CMOS模组整体外形尺寸等于3×3×3.8mm，并提供了所述CMOS模组在一种柔性胃镜上作为观察工作部的应用。

一种硬性腹腔镜，其包括一由上壳2及下壳3扣合而成的手柄，及后端设置在该手柄内的一不锈钢管4，该不锈钢管4的前端防水密封，在其内设置有一CMOS模组5，在该模组5的前端部置有两个LED冷光源6，其位于镜头下方，在模组5的下部设有一定位套8；该CMOS模组5前部、该钢管4前部开口处设有一透明密封玻璃7；所述CMOS模组5的FPC板9经过该钢管4内部空腔，与设置在钢管4尾端的信号输出接口1相连接。

实施例3：参见图10、图9，本实施例提供的CMOS模组与实施例2相同，其不同之处在于，提供了所述CMOS模组在一种柔性胃镜上作为观察工作部的应用。

一种柔性胃镜，其包括一由上壳2及下壳3扣合而成的手柄，及后端设置在该手柄内的一外包胶管5，该外包胶管5内置有一内不锈钢软管4，该外包胶管5及内不锈钢软管4的前端防水密封内置有一CMOS模组7，该模组7内置有二LED冷光源9，其下部设有一定位套10；该CMOS模组9前部、外包胶管5及内不锈钢软管4前部开口处设有一透明密封玻璃8；该CMOS模组9外部还套设有一热缩管6，该热缩管6外又套设一不锈钢管11；所述CMOS模组5的FPC板12经过该钢管4内部空腔，与设置在钢管4尾端的信号输出接口1相连接。

本发明不局限于以上公开的技术方案，采用与其结构或应用类似的其他技术方案，均是本发明所保护的技术范围。

Claims (3)

1.一种CMOS模组，其包括一FPC板、一CMOS模块、一镜头，一组LED发光管，其特征在于，其还包括至少一可编程逻辑控制器PLC，该控制器是内置于所述的CMOS模块内，或设置在所述FPC板上，且其内置有一专用控制软件；所述CMOS模组整体外形尺寸小于或等于4.2×3×3.8mm，所述的CMOS模块前部感光区域封装有镜头，其背面贴片连接在FPC板上；所述LED发光管包括分别设置在所述镜头前、后部的至少各一LED组成的灯组、灯组控制单元及一LED聚光装置；所述的PLC包括相互连接并交互通讯的运算单元、存储单元、I/O单元、A/D转换单元、图像阵列接收单元；所述的专用控制软件，包含有一程序自动删除模块；且经过所述的LED聚光装置处理后的光束，与所述镜头的中心线分别保持5～75°的夹角，灯组各LED发出的光束所覆盖的区域相互重叠，且与镜头接收反射光的区域同时直接重叠。

2.根据权利要求1所述CMOS模组在医学领域内的应用，其特征在于，其包括如下步骤：

1)将其置于一防水密封的管状物的前部，并分别为LED聚光装置及镜头设置透明开口，使其提供自行照明并采集数据，构成内窥式局部观察医疗器械的观察工作部；

2)进一步，将内置有该CMOS模组的管状物，与其他具备局部治疗功能的装置相结合，构成内窥式局部治疗器械的观察工作部；

所述的内窥式局部观察医疗器械的观察工作部或内窥式局部治疗器械的观察工作部，其包括如下工作步骤：

1)通电，并自动记录通电次数；

2)运算单元启动，读取各单元预存数据；

3)启动I/O单元；

4)启动LED照明控制单元；

5)启动图像阵列接收单元，并将其接收数据输入A/D转换单元；

6)比较其采集的信号与存储单元内的标准信号，根据比较结果输出调整信号至LED照明控制单元，调整LED输出，直至图像阵列接收单元获得合格信号；

7)A/D转换单元将合格信号输出至I/O单元，输出数字或模拟信号到显示设备；

8)重复步骤5)～7)。

3.根据权利要求2所述的CMOS模组在医学领域内的应用，其特征在于，所述内窥式局部观察医疗器械的观察工作部或内窥式局部治疗器械的观察工作部的工作步骤1)，所述运算单元还包括一自动计数器，并将计数信息保存至存储单元；当其首次通电启动时计为1次，再次通电启动时则读取存储单元的计数信息并自动+1；当该计数信息等于N+1时，所述专用控制软件中的程序启动自动删除模块，删除各预存工作程序或其中之一。

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