一種數字式微型無(wú)線(xiàn)內窺鏡系統

對消化道疾病的檢查， 目前最常用和最直接有效的方法就是內窺鏡檢查， 它在消化道疾病的診斷中起著(zhù)極為重要的作用。但現有的常用內窺鏡系統都不得不帶有引導插管， 給系統操作帶來(lái)不便， 同時(shí)給檢查病人也帶來(lái)很大的痛苦， 而且檢查的部位受到限制， 無(wú)法實(shí)現對小腸部分的檢查。隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展， 以色列人開(kāi)發(fā)出了無(wú)線(xiàn)內窺鏡系統[1]，其發(fā)展還在起步階段， 存在一些局限性， 比如圖像分辨率不夠高、僅是一個(gè)單向數據通信系統、醫生無(wú)法現場(chǎng)實(shí)時(shí)觀(guān)察病人消化道圖像、不能控制體內膠囊的工作狀態(tài)、膠囊內電池供電時(shí)間有限（6~8 小時(shí)）、無(wú)法實(shí)現大腸部分的檢查、只能實(shí)現二維圖像的采集等。另外，韓國人Park 和Nam[2]也提出了一個(gè)基于模擬電路的無(wú)線(xiàn)內窺鏡系統，其主要貢獻在于在無(wú)線(xiàn)內窺系統中引入了雙向通信的概念。

本文提出了一種全新的數字化的雙向微型無(wú)線(xiàn)內窺鏡系統， 該系統具有可實(shí)時(shí)觀(guān)察病人消化道圖像、全消化道檢查、提供三維深度圖像數據等功能。

1 系統特點(diǎn)

表1 是上面介紹的三個(gè)系統主要性能指標比較。如表1 所示，本系統與其它兩種無(wú)線(xiàn)消化內窺鏡系統相比具有如下特點(diǎn)：(1) 采用帶數字圖像輸出的低功耗CMOS圖像傳感器，圖像尺寸最大可達VGA 大小，比以色列人研制的小腸膠囊內窺鏡圖像大約四倍；(2)能實(shí)時(shí)觀(guān)察病人消化道圖像，圖像幀率為2 幀/秒；(3)利用各種能源的管理與控制實(shí)現全消化道檢查；(4)提供三維深度內窺圖像數據；(5)采用雙向數據通信；(6)內窺圖像的壓縮率以及圖像尺寸可控；(7)體內無(wú)線(xiàn)收發(fā)的數字式內窺鏡膠囊攝像裝置內電路的工作狀態(tài)能受外部控制，以延長(cháng)體內電池的壽命；(8)該數字式無(wú)線(xiàn)內窺鏡系統提供三種可供選擇的系統工作方式[3]：在線(xiàn)工作模式、離線(xiàn)工作模式以及在線(xiàn)與離線(xiàn)結合模式。數字化的微型無(wú)線(xiàn)內窺鏡系統示意圖如圖1 所示。

表1 三種無(wú)線(xiàn)內窺鏡系統性能比較

注：“－”表示未公開(kāi)

2 系統硬件結構

如圖2 所示， 整個(gè)系統的硬件結構由三部分組成：(1)體內膠囊部分：包括具有無(wú)線(xiàn)收發(fā)的數字式內窺鏡膠囊攝像裝置內的所有電路；(2)體外便攜式部分：包括便攜式無(wú)線(xiàn)接收與數據傳輸裝置內的所有電路；(3)體外工作站部分即計算機控制與處理裝置：包括計算機與體外無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和數據存儲電路板。下面分別針對這三部分的電路結構進(jìn)行分析。

2 .1 體內部分硬件電路

膠囊內硬件電路是整個(gè)無(wú)線(xiàn)內窺鏡系統中最核心的部分，其功能是完成對內窺鏡彩色圖像的采集，并以無(wú)線(xiàn)方式把圖像傳出至體外，同時(shí)能接收來(lái)自體外的控制命令，并根據控制命令調整膠囊內硬件的工作狀態(tài)與工作參數。其關(guān)鍵技術(shù)是：采集反映消化道病變情況的高清晰度二維和三維內窺圖像、對采集圖像進(jìn)行高效地無(wú)線(xiàn)傳輸、對電路進(jìn)行低功耗設計以及系統能量管理等技術(shù)。膠囊內電路主要包括以下三部分。

2 .1 .1 圖像采集、處理與控制部分

這部分包括帶數字圖像輸出的CMOS 圖像傳感器、圖像壓縮模塊、MEMS 微電機、發(fā)白光與具有兩種不同紅外波長(cháng)的LED（ 采集三維深度圖像數據）等。

該部分電路不僅決定了內窺鏡圖像的質(zhì)量，而且其低功耗設計也很關(guān)鍵。所以獲得符合醫學(xué)臨床要求的高質(zhì)量?jì)雀Q鏡圖像與低功耗設計是體內部分電路設計必須實(shí)現的?；诖?，方案中硬件部分采用如下設計：

(1)圖像采集前端采用低功耗的帶數字彩色圖像輸出的CMOS 圖像傳感器， 且該圖像傳感器不帶任何圖像后處理功能，而是把這些處理放在體外的計算機中，大大降低了功耗；

(2)為了提供準確反映病變情況的圖像，系統采用光譜法形成三維深度圖像， 即使用兩種不同波長(cháng)的LED和白光LED 作為照明光源獲得三維深度內窺圖像；

(3)CMOS 圖像傳感器的數字圖像輸出格式不采用RGB，而直接采用原始的彩色Bayer 格式，這樣在無(wú)損圖像壓縮模塊中能得到更好的壓縮比[5 ～6]，以降低通信帶寬和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的總發(fā)射能量。采用這種方法即使不進(jìn)行壓縮，按最大2 幀/ 秒的速率計算，通信的最大原始信號數據碼率為640×480×8×2=4 915 200 比特/ 秒，碼率只有采用RGB 格式的1/3；

(4)系統采用如圖3(b)所示的數字圖像處理流程。膠囊內只有壓縮和無(wú)線(xiàn)調制兩個(gè)模塊，比采用圖3(a)所示的一般數字圖像處理流程少了三個(gè)模塊，減小了膠囊內電路的面積和功耗;

圖3 CMOS圖像傳感器/輸出數字圖像的處理流程圖

(5) 根據患者情況的不同可以控制CMOS 圖像傳感器在不同時(shí)期輸出不同尺寸的圖像、調整壓縮比以及幀率，以降低功耗和通信帶寬。

2 .1 .2 無(wú)線(xiàn)傳輸部分

該部分包括信道編碼、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器、射頻功放和天線(xiàn)等。作為一個(gè)通信系統，它有三個(gè)主要的特點(diǎn)：(1)特短距離通信，因為體內膠囊與體外接收器僅隔一層人體組織（ 包括肌肉、脂肪與皮膚），通信距離最遠為幾十個(gè)厘米；(2)通信信道的衰減非常大，因為人體組織對無(wú)線(xiàn)電波（ 特別是UHF 以上波段的電磁波）有很大的吸收與反射作用[5]；(3)通信主要是從體內到體外的大量的圖像數據傳輸，體外到體內則是根據臨床需要發(fā)送幾個(gè)字節的控制命令。從體積、功耗、天線(xiàn)、電路實(shí)現復雜度以及系統通信特點(diǎn)等幾方面綜合考慮，系統采用半雙工的通信方式，收發(fā)共用一根天線(xiàn)。作為一個(gè)通信系統，首先需確定的兩個(gè)重要參數是通信頻率和調制方式。采用ISM頻段中的2.4GHz 作為通信頻率。在無(wú)線(xiàn)調制方式上，系統從體內到體外發(fā)送采用FSK 調制方式，而體內接收體外的控制命令則采用OOK 方式。

本方案中提出了一種無(wú)頻率綜合器的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的電路結構，如圖4 所示。這在電路設計的高層次階段保證了整個(gè)電路的低功耗。

天線(xiàn)部分則主要解決天線(xiàn)的微型化與效率之間的矛盾，因為天線(xiàn)必須能放在無(wú)線(xiàn)內窺膠囊（其尺寸為11mm×27mm）之內，且還需留給其它部分足夠的空間。系統天線(xiàn)的設計必須采用微天線(xiàn)的設計方法來(lái)增加天線(xiàn)的有效長(cháng)度。

2 .1 .3 能量供給部分

該部分包括電池和能源管理電路[6], 它是整個(gè)體內部分硬件電路最關(guān)鍵的部分之一，因為體內部分的能源供給是保證實(shí)現全消化道檢查的必要條件。為延長(cháng)電池壽命，系統主要采取以下三個(gè)措施：

(1)針對電路的高層次與低層次的低功耗設計；

(2)結合電池本身物理特性的系統動(dòng)態(tài)能量管理策略，該方法大大延長(cháng)了電池壽命；

(3)“ 基于通信”的能量管理策略，它是一種基于系統級通信結構調整各系統模塊工作的能量管理策略，在延長(cháng)電池使用壽命方面大大優(yōu)于常規的能量管理策略。

2 .2 體外便攜式無(wú)線(xiàn)接收與數據傳輸裝置

體外的便攜式無(wú)線(xiàn)接收和數據傳輸裝置的功能主要是把天線(xiàn)接收陣列接收的內窺圖像數據分成兩路，一路送給膠囊定位模塊獲得膠囊的定位信息，另一路送入相連接的無(wú)線(xiàn)接收器，然后把定位信息和圖像一起存入便攜式存儲體上或轉發(fā)給計算機控制與處理裝置。主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)為：(1)基于無(wú)線(xiàn)電定位技術(shù)，通過(guò)天線(xiàn)接收陣列接收信號的角度與強度來(lái)定位膠囊在人體內的位置；(2)高效天線(xiàn)陣列的設計技術(shù)；(3)低功耗電路設計技術(shù)；(4)具有高靈敏度的低功耗高速FSK 解調的無(wú)線(xiàn)接收機的ASIC 設計技術(shù)等。

2 .3 計算機控制與處理裝置

計算機控制與處理裝置主要包括無(wú)線(xiàn)發(fā)送卡、計算機、高清晰度監視器以及相關(guān)的處理軟件。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：(1)高速無(wú)線(xiàn)收發(fā)器（OOK 調制、FSK 解調）的設計；(2)基于原始Bayer 彩色圖像數據的圖像處理技術(shù)；(3)三維深度圖像的重建技術(shù)等。

本文提出的無(wú)線(xiàn)內窺鏡系統方案是在綜合了以色列小腸膠囊內窺鏡的特點(diǎn)以及韓國在該領(lǐng)域研究成果的基礎上，提出的一個(gè)全新的數字化微型無(wú)線(xiàn)內窺鏡系統方案。該方案不僅提高了獲取圖像的質(zhì)量，還提供實(shí)時(shí)觀(guān)察病人消化道圖像、全消化道檢查、二維與三維的內窺圖像數據采集等功能， 另外根據對患者病情的不同， 系統可提供三種不同的系統工作模式（ 即診斷方式）。目前本系統中的數字電路模塊部分都已經(jīng)通過(guò)FPGA 的驗證。

參考文獻

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