基于CMOS图像传感器实现双向微型无线内窥镜系统的应用方案

作者：谢翔，李国林，张春，王志华 来源：固体电子学研究与进展

对消化道疾病的检查， 目前最常用和最直接有效的方法就是内窥镜检查， 它在消化道疾病的诊断中起着极为重要的作用。但现有的常用内窥镜系统都不得不带有引导插管， 给系统操作带来不便， 同时给检查病人也带来很大的痛苦， 而且检查的部位受到限制， 无法实现对小肠部分的检查。随着微电子技术的发展， 以色列人开发出了无线内窥镜系统，其发展还在起步阶段， 存在一些局限性， 比如图像分辨率不够高、仅是一个单向数据通信系统、医生无法现场实时观察病人消化道图像、不能控制体内胶囊的工作状态、胶囊内电池供电时间有限（6“8 小时）、无法实现大肠部分的检查、只能实现二维图像的采集等。另外，韩国人Park 和Nam也提出了一个基于模拟电路的无线内窥镜系统，其主要贡献在于在无线内窥系统中引入了双向通信的概念。

本文提出了一种全新的数字化的双向微型无线内窥镜系统， 该系统具有可实时观察病人消化道图像、全消化道检查、提供三维深度图像数据等功能。

1 系统特点

表1 是上面介绍的三个系统主要性能指标比较。如表1 所示，本系统与其它两种无线消化内窥镜系统相比具有如下特点：（1） 采用带数字图像输出的低功耗CMOS图像传感器，图像尺寸最大可达VGA 大小，比以色列人研制的小肠胶囊内窥镜图像大约四倍；（2）能实时观察病人消化道图像，图像帧率为2 帧/秒；（3）利用各种能源的管理与控制实现全消化道检查；（4）提供三维深度内窥图像数据；（5）采用双向数据通信；（6）内窥图像的压缩率以及图像尺寸可控；（7）体内无线收发的数字式内窥镜胶囊摄像装置内电路的工作状态能受外部控制，以延长体内电池的寿命；（8）该数字式无线内窥镜系统提供三种可供选择的系统工作方式：在线工作模式、离线工作模式以及在线与离线结合模式。数字化的微型无线内窥镜系统示意图如图1 所示。

表1 三种无线内窥镜系统性能比较

注：“－”表示未公开

2 系统硬件结构

如图2 所示， 整个系统的硬件结构由三部分组成：（1）体内胶囊部分：包括具有无线收发的数字式内窥镜胶囊摄像装置内的所有电路；（2）体外便携式部分：包括便携式无线接收与数据传输装置内的所有电路；（3）体外工作站部分即计算机控制与处理装置：包括计算机与体外无线收发器和数据存储电路板。下面分别针对这三部分的电路结构进行分析。

2 .1 体内部分硬件电路

胶囊内硬件电路是整个无线内窥镜系统中最核心的部分，其功能是完成对内窥镜彩色图像的采集，并以无线方式把图像传出至体外，同时能接收来自体外的控制命令，并根据控制命令调整胶囊内硬件的工作状态与工作参数。其关键技术是：采集反映消化道病变情况的高清晰度二维和三维内窥图像、对采集图像进行高效地无线传输、对电路进行低功耗设计以及系统能量管理等技术。胶囊内电路主要包括以下三部分。

2 .1 .1 图像采集、处理与控制部分

这部分包括带数字图像输出的CMOS 图像传感器、图像压缩模块、MEMS 微电机、发白光与具有两种不同红外波长的LED（ 采集三维深度图像数据）等。

该部分电路不仅决定了内窥镜图像的质量，而且其低功耗设计也很关键。所以获得符合医学临床要求的高质量内窥镜图像与低功耗设计是体内部分电路设计必须实现的。基于此，方案中硬件部分采用如下设计：

（1）图像采集前端采用低功耗的带数字彩色图像输出的CMOS 图像传感器， 且该图像传感器不带任何图像后处理功能，而是把这些处理放在体外的计算机中，大大降低了功耗；

（2）为了提供准确反映病变情况的图像，系统采用光谱法形成三维深度图像， 即使用两种不同波长的LED和白光LED 作为照明光源获得三维深度内窥图像；

（3）CMOS 图像传感器的数字图像输出格式不采用RGB，而直接采用原始的彩色Bayer 格式，这样在无损图像压缩模块中能得到更好的压缩比［5 ～6］，以降低通信带宽和无线收发器的总发射能量。采用这种方法即使不进行压缩，按最大2 帧/ 秒的速率计算，通信的最大原始信号数据码率为640×480×8×2=4 915 200 比特/ 秒，码率只有采用RGB 格式的1/3；

（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；（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， 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。

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