基于CMOS圖像傳感器實現(xiàn)雙向微型無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的應(yīng)用方案

作者：謝翔，李國林，張春，王志華 來源：固體電子學研究與進展

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(nèi)窺鏡檢查， 它在消化道疾病的診斷中起著極為重要的作用。但現(xiàn)有的常用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)都不得不帶有引導(dǎo)插管， 給系統(tǒng)操作帶來不便， 同時給檢查病人也帶來很大的痛苦， 而且檢查的部位受到限制， 無法實現(xiàn)對小腸部分的檢查。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展， 以色列人開發(fā)出了無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，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、僅是一個單向數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、醫(yī)生無法現(xiàn)場實時觀察病人消化道圖像、不能控制體內(nèi)膠囊的工作狀態(tài)、膠囊內(nèi)電池供電時間有限（6“8 小時）、無法實現(xiàn)大腸部分的檢查、只能實現(xiàn)二維圖像的采集等。另外，韓國人Park 和Nam也提出了一個基于模擬電路的無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其主要貢獻在于在無線內(nèi)窺系統(tǒng)中引入了雙向通信的概念。

本文提出了一種全新的數(shù)字化的雙向微型無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)， 該系統(tǒng)具有可實時觀察病人消化道圖像、全消化道檢查、提供三維深度圖像數(shù)據(jù)等功能。

1 系統(tǒng)特點

表1 是上面介紹的三個系統(tǒng)主要性能指標比較。如表1 所示，本系統(tǒng)與其它兩種無線消化內(nèi)窺鏡系統(tǒng)相比具有如下特點：（1） 采用帶數(shù)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(nèi)窺鏡圖像大約四倍；（2）能實時觀察病人消化道圖像，圖像幀率為2 幀/秒；（3）利用各種能源的管理與控制實現(xiàn)全消化道檢查；（4）提供三維深度內(nèi)窺圖像數(shù)據(jù)；（5）采用雙向數(shù)據(jù)通信；（6）內(nèi)窺圖像的壓縮率以及圖像尺寸可控；（7）體內(nèi)無線收發(fā)的數(shù)字式內(nèi)窺鏡膠囊攝像裝置內(nèi)電路的工作狀態(tài)能受外部控制，以延長體內(nèi)電池的壽命；（8）該數(shù)字式無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)提供三種可供選擇的系統(tǒng)工作方式：在線工作模式、離線工作模式以及在線與離線結(jié)合模式。數(shù)字化的微型無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

表1 三種無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)性能比較

注：“－”表示未公開

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖2 所示， 整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由三部分組成：（1）體內(nèi)膠囊部分：包括具有無線收發(fā)的數(shù)字式內(nèi)窺鏡膠囊攝像裝置內(nèi)的所有電路；（2）體外便攜式部分：包括便攜式無線接收與數(shù)據(jù)傳輸裝置內(nèi)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線收發(fā)器和數(shù)據(jù)存儲電路板。下面分別針對這三部分的電路結(jié)構(gòu)進行分析。

2 .1 體內(nèi)部分硬件電路

膠囊內(nèi)硬件電路是整個無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中最核心的部分，其功能是完成對內(nèi)窺鏡彩色圖像的采集，并以無線方式把圖像傳出至體外，同時能接收來自體外的控制命令，并根據(jù)控制命令調(diào)整膠囊內(nèi)硬件的工作狀態(tài)與工作參數(shù)。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(nèi)窺圖像、對采集圖像進行高效地無線傳輸、對電路進行低功耗設(shè)計以及系統(tǒng)能量管理等技術(shù)。膠囊內(nèi)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(shù)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的LED（ 采集三維深度圖像數(shù)據(jù)）等。

該部分電路不僅決定了內(nèi)窺鏡圖像的質(zhì)量，而且其低功耗設(shè)計也很關(guān)鍵。所以獲得符合醫(yī)學臨床要求的高質(zhì)量內(nèi)窺鏡圖像與低功耗設(shè)計是體內(nèi)部分電路設(shè)計必須實現(xiàn)的。基于此，方案中硬件部分采用如下設(shè)計：

（1）圖像采集前端采用低功耗的帶數(shù)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(tǒng)采用光譜法形成三維深度圖像， 即使用兩種不同波長的LED和白光LED 作為照明光源獲得三維深度內(nèi)窺圖像；

（3）CMOS 圖像傳感器的數(shù)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線收發(fā)器的總發(fā)射能量。采用這種方法即使不進行壓縮，按最大2 幀/ 秒的速率計算，通信的最大原始信號數(shù)據(jù)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(tǒng)采用如圖3（b）所示的數(shù)字圖像處理流程。膠囊內(nèi)只有壓縮和無線調(diào)制兩個模塊，比采用圖3（a）所示的一般數(shù)字圖像處理流程少了三個模塊，減小了膠囊內(nèi)電路的面積和功耗;

圖3 CMOS圖像傳感器/輸出數(shù)字圖像的處理流程圖

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

2 .1 .2 無線傳輸部分

該部分包括信道編碼、無線收發(fā)器、射頻功放和天線等。作為一個通信系統(tǒng)，它有三個主要的特點：（1）特短距離通信，因為體內(nèi)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厘米；（2）通信信道的衰減非常大，因為人體組織對無線電波（ 特別是UHF 以上波段的電磁波）有很大的吸收與反射作用；（3）通信主要是從體內(nèi)到體外的大量的圖像數(shù)據(jù)傳輸，體外到體內(nèi)則是根據(jù)臨床需要發(fā)送幾個字節(jié)的控制命令。從體積、功耗、天線、電路實現(xiàn)復(fù)雜度以及系統(tǒng)通信特點等幾方面綜合考慮，系統(tǒng)采用半雙工的通信方式，收發(fā)共用一根天線。作為一個通信系統(tǒng)，首先需確定的兩個重要參數(shù)是通信頻率和調(diào)制方式。采用ISM頻段中的2.4GHz 作為通信頻率。在無線調(diào)制方式上，系統(tǒng)從體內(nèi)到體外發(fā)送采用FSK 調(diào)制方式，而體內(nèi)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頻率綜合器的無線收發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。這在電路設(shè)計的高層次階段保證了整個電路的低功耗。

天線部分則主要解決天線的微型化與效率之間的矛盾，因為天線必須能放在無線內(nèi)窺膠囊（其尺寸為11mm×27mm）之內(nèi)，且還需留給其它部分足夠的空間。系統(tǒng)天線的設(shè)計必須采用微天線的設(shè)計方法來增加天線的有效長度。

2 .1 .3 能量供給部分

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

（1）針對電路的高層次與低層次的低功耗設(shè)計；

（2）結(jié)合電池本身物理特性的系統(tǒng)動態(tài)能量管理策略，該方法大大延長了電池壽命；

（3）“ 基于通信”的能量管理策略，它是一種基于系統(tǒng)級通信結(jié)構(gòu)調(diào)整各系統(tǒng)模塊工作的能量管理策略，在延長電池使用壽命方面大大優(yōu)于常規(guī)的能量管理策略。

2 .2 體外便攜式無線接收與數(shù)據(jù)傳輸裝置

體外的便攜式無線接收和數(shù)據(jù)傳輸裝置的功能主要是把天線接收陣列接收的內(nèi)窺圖像數(shù)據(jù)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線接收器，然后把定位信息和圖像一起存入便攜式存儲體上或轉(zhuǎn)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）基于無線電定位技術(shù)，通過天線接收陣列接收信號的角度與強度來定位膠囊在人體內(nèi)的位置；（2）高效天線陣列的設(shè)計技術(shù)；（3）低功耗電路設(shè)計技術(shù)；（4）具有高靈敏度的低功耗高速FSK 解調(diào)的無線接收機的ASIC 設(shè)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線發(fā)送卡、計算機、高清晰度監(jiān)視器以及相關(guān)的處理軟件。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：（1）高速無線收發(fā)器（OOK 調(diào)制、FSK 解調(diào)）的設(shè)計；（2）基于原始Bayer 彩色圖像數(shù)據(jù)的圖像處理技術(shù)；（3）三維深度圖像的重建技術(shù)等。

本文提出的無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)方案是在綜合了以色列小腸膠囊內(nèi)窺鏡的特點以及韓國在該領(lǐng)域研究成果的基礎(chǔ)上，提出的一個全新的數(shù)字化微型無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)方案。該方案不僅提高了獲取圖像的質(zhì)量，還提供實時觀察病人消化道圖像、全消化道檢查、二維與三維的內(nèi)窺圖像數(shù)據(jù)采集等功能， 另外根據(jù)對患者病情的不同， 系統(tǒng)可提供三種不同的系統(tǒng)工作模式（ 即診斷方式）。目前本系統(tǒng)中的數(shù)字電路模塊部分都已經(jīng)通過FPGA 的驗證。

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