基于RTC6701膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)設(shè)計

石 陽，吳伏家，劉建華，劉軍強(qiáng)，孫洪博

（1.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.中國科學(xué)院 電工研究所，北京 100190）

0 引言

傳統(tǒng)的腸胃檢查將帶有攝像頭的軟管插入人體消化道，對于病變早篩來說其過程痛苦且耗時長[1]。膠囊內(nèi)窺鏡體積小，吞咽相對傳統(tǒng)胃鏡較簡單，有利于消化道的檢查[2]。

自2001年以色列Given Imaging公司發(fā)明膠囊內(nèi)窺鏡以來，其無痛的全消化道檢查得到了全世界科研工作者的關(guān)注[3-4]。目前，研究者嘗試多種方法，紀(jì)鐵鋼等使用OV780作為圖像信號處理核心使用WIFI的方式傳輸圖像數(shù)據(jù)[5]，但模塊體積大，功耗高很難使用在小型膠囊中，劉鑫與程磊等使用OV2640圖像傳感器與nRF24LE1無線傳輸芯片[6-7]，韋雪玲等使用MSP430作為控制芯片，ZL70102作為無線傳輸芯片[8]。但在實際檢查中，膠囊內(nèi)鏡主要依靠消化道蠕動運動，耗時長而且由于缺乏主動控制，使用上述方法拍攝圖像時幀數(shù)低，容易丟失病灶信息，增加漏診率。

本文基于RTC6701設(shè)計無線傳輸模塊，根據(jù)圖像采集、照明模塊特點設(shè)計了穩(wěn)壓模塊，實驗表明OV6922與RTC6701組成的膠囊內(nèi)窺鏡可以完成高幀率視頻傳輸。

1 膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)設(shè)計

1.1 膠囊內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)與工作原理

磁驅(qū)動型膠囊內(nèi)窺鏡是在膠囊大小的外殼中集成拍照、照明、數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀髂K外加入永磁體，使用可控的外部磁場驅(qū)動膠囊內(nèi)窺鏡以減少檢查時間，典型膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 膠囊內(nèi)窺鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)

使用數(shù)字信號進(jìn)行無線傳輸，并假設(shè)每一幀以RGB的形式儲存，并且色彩信息儲存在8位數(shù)據(jù)中，在不使用壓縮技術(shù)的情況下，每秒傳輸數(shù)據(jù)大小可由下式計算：

其中M為圖像傳感器行與列像素個數(shù)的乘積，K為儲存顏色矩陣個數(shù)（RGB時為3），L為儲存顏色信息的位數(shù)（8位為1，16位為2），n為每秒幀數(shù)。當(dāng)使用分辨率為320×240（dpi)的圖像傳感器時，需要的傳輸速度為6.59 Mbps，傳統(tǒng)的藍(lán)牙與Zigbee較難達(dá)到這樣的速度，而WIFI功耗高，體積大不適合在較小的膠囊內(nèi)窺鏡使用。

RTC6701為2.4 GHz模擬視頻信號調(diào)頻發(fā)射芯片，可與接收芯片RTC6711組合為完整視頻傳輸方案。它的最大傳輸速率可以達(dá)到9 Mbps，并且RTC6701封裝大小為5 mm×5 mm，只有32引腳，根據(jù)引腳功能設(shè)計外圍電路，音頻部分外圍電路與選頻電路不接，以減少外圍電路，從而減少元器件體積，使其更適合于膠囊內(nèi)窺鏡中小體積的環(huán)境。系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)框架

1.2 圖像采集模塊

結(jié)合目前膠囊內(nèi)窺鏡使用的CMOS圖像傳感器，表1為適用CMOS對比。

表1 三種CMOS對比

OV6922工作電壓3.3 V，功率低，引腳少，輸出為NTSC制式模擬信號，封裝為2.14 mm×2.27 mm，適合低功耗，體積限制較苛刻場合。圖3為根據(jù)OV6922引腳信息繪制的電路圖。

圖3 圖像采集模塊電路圖

1.3 無線傳輸模塊

RTC6701為調(diào)頻發(fā)射芯片，可進(jìn)行調(diào)頻傳輸。該芯片包括三個發(fā)射模塊，一個視頻發(fā)射模塊，兩個聲道發(fā)射模塊，左右聲道的發(fā)射頻率為6 MHz與6.5 MHz，視頻發(fā)射模塊的發(fā)射頻率可在2.4～2.5 GHz通過引腳或程序進(jìn)行調(diào)整。其結(jié)構(gòu)框如圖4。

圖4 RTC6701結(jié)構(gòu)框圖

其中5、6、7、8與9、11、12、13號引腳為左右聲道引腳，膠囊內(nèi)窺鏡僅需視頻的無線傳輸，聲道無需要，此部分不接以減少外圍電路。14、17與18引腳為3.3 V電壓轉(zhuǎn)1.8 V電壓校準(zhǔn)引腳。15引腳為串行外設(shè)接口（SPI）使能引腳，當(dāng)15引腳SPI_SE為高電平時，芯片以SPI模式工作，22、23與24引腳用于三線串行外設(shè)接口輸入。19與20引腳為外部時鐘引腳。引腳15、22、23、24與25為選頻引腳，當(dāng)15與25號引腳、SPI_SE與BX為0時，芯片提供4個頻率選擇，詳見表2。當(dāng)不使用SPI時，為減少外圍電路可以將15腳BX與25腳SPI_SE接地，22、23與24引腳懸空，選頻使用2468 MHz。

表2 RTC6701頻道選擇

根據(jù)各個引腳及其功能設(shè)計的外圍電路如圖5所示。

1.4 穩(wěn)壓及照明模塊

紐扣電池隨著使用時間的增加電壓會逐漸減小，當(dāng)減小到一定值將無法保證整個系統(tǒng)的供能，此時紐扣電池中存在的電能，會增加膠囊內(nèi)窺鏡的有效工作時間。由于圖像傳感器采集到視頻信息是實時變化的，其輸出的電壓也將實時變化，這將會引起負(fù)載電壓的變化，而影響照明模塊與無線傳輸模塊電壓。ME6211系列線性穩(wěn)壓器內(nèi)部配置參考電壓源，具有誤差修正電路、限流電路與相位補(bǔ)償電路，廣泛應(yīng)用在手機(jī)、無線設(shè)備、照相機(jī)、頻射設(shè)備中。

照明模塊中LED簡單串聯(lián)會引起所需電壓增高，而電源供電若使用2節(jié)1.5 V紐扣電池串聯(lián)則電壓為3 V，此時需要使用LED驅(qū)動器。TPS61161是串聯(lián)驅(qū)動LED的增壓轉(zhuǎn)換芯片，輸入電壓可在2.7 V～18 V寬范圍，而最大可以驅(qū)動38 V電壓的LED燈組。其外圍電路簡單，封裝尺寸2 mm×2 mm。穩(wěn)壓、照明、圖像采集各模塊整合電路如圖6。

1.5 Matlab圖像色彩增強(qiáng)

當(dāng)系統(tǒng)未使用MCU而處在默認(rèn)配置下，色彩較暗，可通過實時后處理圖像增強(qiáng)畫面色彩的表現(xiàn)情況。由于OV6922輸出的是NTSC模擬視頻信號可以使用轉(zhuǎn)接頭將CVBS接口轉(zhuǎn)換為USB輸出的YUY2信號，使用Matlab讀取視頻信號并提取幀，再將YUY2格式轉(zhuǎn)換為RGB格式，此時就可以進(jìn)行實時處理并顯示。流程如圖7。

圖5 RTC6701及其外圍電路

圖6 穩(wěn)壓、照明、圖像采集各模塊整合電路圖

圖7 Matlab視頻信號處理流程圖

經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整，在亮度28、對比度56、Gamma27、色調(diào)0、飽和度255時效果較好結(jié)果如圖8所示。

圖8 經(jīng)過后處理對比圖

2 實驗與分析

為了方便調(diào)試，本研究將無線傳輸模塊和照明圖像采集模塊分開制作，無線傳輸模塊使用直徑12 mm圓形PCB板如圖9。如果不使用接插件而使用柔性電路板可以省去插槽的體積。從圖中可以看出還有部分面積可以進(jìn)行優(yōu)化。

圖9 RTC6701無線傳輸模塊

在配置照明與圖像采集電路板時使用了直徑為12 mm的圓形，為了方便OV6922焊接，反面未配置其他元器件，如果將正面一部分元器件配置在反面，并將3PIN接插件取消，與發(fā)射模塊作為一個整體的柔性電路板將會極大的減小使用面積以減小膠囊殼體體積如圖10所示。

圖10 柔性電路板圖示

3 結(jié)語

基于RTC6701的膠囊內(nèi)窺鏡的圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸、穩(wěn)壓與照明各部分的軟硬件探討，包括圖像采集模塊使用了低功耗的圖像傳感器OV6922，數(shù)據(jù)傳輸模塊使用了RTC6701，穩(wěn)壓模塊使用了ME6211-A33M3，照明模塊使用了LED驅(qū)動器TPS61161，它們體積小，外圍電路簡單、功耗低。結(jié)果表明，設(shè)計的膠囊內(nèi)窺鏡使采集圖像幀數(shù)由傳統(tǒng)2～3幀提升為30幀，極大減小了檢查時的漏診率。