一种双向、数字式微型无线内窥镜系统设计

一种双向、数字式微型无线内窥镜系统设计

  (4)系统采用如图3(b)所示的数字图像处理流程。胶囊内只有压缩和无线调制两个模块，比采用图3(a)所示的一般数字图像处理流程少了三个模块，减小了胶囊内电路的面积和功耗;

图3 CMOS图像传感器/输出数字图像的处理流程图

　　(5) 根据患者情况的不同可以控制CMOS 图像传感器在不同时期输出不同尺寸的图像、调整压缩比以及帧率，以降低功耗和通信带宽。

      2 .1 .2 无线传输部分

　　该部分包括信道编码、无线收发器、射频功放和天线等。作为一个通信系统，它有三个主要的特点：(1)特短距离通信，因为体内胶囊与体外接收器仅隔一层人体组织（ 包括肌肉、脂肪与皮肤），通信距离最远为几十个厘米；(2)通信信道的衰减非常大，因为人体组织对无线电波（ 特别是UHF 以上波段的电磁波）有很大的吸收与反射作用[5]；(3)通信主要是从体内到体外的大量的图像数据传输，体外到体内则是根据临床需要发送几个字节的控制命令。从体积、功耗、天线、电路实现复杂度以及系统通信特点等几方面综合考虑，系统采用半双工的通信方式，收发共用一根天线。作为一个通信系统，首先需确定的两个重要参数是通信频率和调制方式。采用ISM频段中的2.4GHz 作为通信频率。在无线调制方式上，系统从体内到体外发送采用FSK 调制方式，而体内接收体外的控制命令则采用OOK 方式。

　　本方案中提出了一种无频率综合器的无线收发器的电路结构，如图4 所示。这在电路设计的高层次阶段保证了整个电路的低功耗。

　　天线部分则主要解决天线的微型化与效率之间的矛盾，因为天线必须能放在无线内窥胶囊（其尺寸为11mm×27mm）之内，且还需留给其它部分足够的空间。系统天线的设计必须采用微天线的设计方法来增加天线的有效长度。

　　2 .1 .3 能量供给部分

　　该部分包括电池和能源管理电路[6], 它是整个体内部分硬件电路最关键的部分之一，因为体内部分的能源供给是保证实现全消化道检查的必要条件。为延长电池寿命，系统主要采取以下三个措施：

　　(1)针对电路的高层次与低层次的低功耗设计；

　　(2)结合电池本身物理特性的系统动态能量管理策略，该方法大大延长了电池寿命；

　　(3)“ 基于通信”的能量管理策略，它是一种基于系统级通信结构调整各系统模块工作的能量管理策略，在延长电池使用寿命方面大大优于常规的能量管理策略。

　　2 .2 体外便携式无线接收与数据传输装置

　　体外的便携式无线接收和数据传输装置的功能主要是把天线接收阵列接收的内窥图像数据分成两路，一路送给胶囊定位模块获得胶囊的定位信息，另一路送入相连接的无线接收器，然后把定位信息和图像一起存入便携式存储体上或转发给计算机控制与处理装置。主要涉及的关键技术为：(1)基于无线电定位技术，通过天线接收阵列接收信号的角度与强度来定位胶囊在人体内的位置；(2)高效天线阵列的设计技术；(3)低功耗电路设计技术；(4)具有高灵敏度的低功耗高速FSK 解调的无线接收机的ASIC 设计技术等。

　　2 .3 计算机控制与处理装置

　　计算机控制与处理装置主要包括无线发送卡、计算机、高清晰度监视器以及相关的处理软件。其关键技术主要包括：(1)高速无线收发器（OOK 调制、FSK 解调）的设计；(2)基于原始Bayer 彩色图像数据的图像处理技术；(3)三维深度图像的重建技术等。

　　本文提出的无线内窥镜系统方案是在综合了以色列小肠胶囊内窥镜的特点以及韩国在该领域研究成果的基础上，提出的一个全新的数字化微型无线内窥镜系统方案。该方案不仅提高了获取图像的质量，还提供实时观察病人消化道图像、全消化道检查、二维与三维的内窥图像数据采集等功能， 另外根据对患者病情的不同， 系统可提供三种不同的系统工作模式（ 即诊断方式）。目前本系统中的数字电路模块部分都已经通过FPGA 的验证。