雙模式膠囊內(nèi)窺鏡轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計(jì)

袁偉釗，高園園，呂慶文

（南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州510515）

雙模式膠囊內(nèi)窺鏡轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計(jì)

袁偉釗，高園園，呂慶文

（南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州510515）

為了通過藍(lán)牙或Wi-Fi獲取膠囊內(nèi)窺鏡圖像，研究并設(shè)計(jì)了基于CC3000和BC41714的雙模式膠囊內(nèi)窺鏡轉(zhuǎn)發(fā)器。根據(jù)不同的模式，轉(zhuǎn)發(fā)器使用STM32F103控制CC3000或BC41714轉(zhuǎn)發(fā)接收到的膠囊內(nèi)窺鏡圖像數(shù)據(jù)。使用提出的轉(zhuǎn)發(fā)器，從膠囊內(nèi)窺鏡獲取的圖像可通過藍(lán)牙傳輸給Android手機(jī)進(jìn)行顯示并保存，也可直接通過Wi-Fi將圖片上傳到工作站。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)發(fā)器能穩(wěn)定地轉(zhuǎn)發(fā)膠囊內(nèi)窺鏡的圖像，并完成提出的相應(yīng)功能，可以為膠囊內(nèi)窺鏡的遠(yuǎn)程診斷提供一種可行方案。

膠囊內(nèi)窺鏡；圖像轉(zhuǎn)發(fā)；Wi-Fi;CC3000；藍(lán)牙

0　引言

膠囊內(nèi)窺鏡[1]檢查是利用吞服式內(nèi)置無線攝錄相機(jī)的膠囊進(jìn)行內(nèi)鏡消化系統(tǒng)攝影，以評估消化道問題。受檢查者通過口服膠囊內(nèi)窺鏡，使膠囊在人的身體中運(yùn)動并拍攝圖像。醫(yī)生利用體外的圖像記錄儀和影像工作站，可以了解受檢者的整個消化道情況，從而對病情做出診斷。與傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡相比，膠囊內(nèi)窺鏡檢查具有無創(chuàng)傷、無交叉感染等優(yōu)點(diǎn)，是消化道疾病尤其是小腸疾病診斷的首選方法。膠囊內(nèi)窺鏡采用的是專用的RF傳輸方式。現(xiàn)有的膠囊內(nèi)窺鏡一般是檢查完后才能獲取到完整的圖像數(shù)據(jù)。以國產(chǎn)OMOM膠囊內(nèi)窺鏡的檢查方法[2-3]為例，等到檢查結(jié)束后才由醫(yī)生將圖像記錄儀的圖像數(shù)據(jù)下載到電腦上的工作站進(jìn)行分析。為了將膠囊內(nèi)窺鏡圖像實(shí)時傳送到工作站，本文提出了基于藍(lán)牙和Wi-Fi的雙模式膠囊內(nèi)窺鏡圖像轉(zhuǎn)發(fā)器。提出的轉(zhuǎn)發(fā)器通過使用和膠囊內(nèi)窺鏡配套的無線收發(fā)模塊接收圖像數(shù)據(jù)，然后根據(jù)不同的應(yīng)用模式，由微處理器控制藍(lán)牙模塊或Wi-Fi模塊轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。近距離轉(zhuǎn)發(fā)時，使用藍(lán)牙模式；遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)發(fā)時，借助無線網(wǎng)絡(luò)，使用Wi-Fi模式。使用提出的轉(zhuǎn)發(fā)器，可將圖像實(shí)時轉(zhuǎn)發(fā)到接收端進(jìn)行顯示和保存。轉(zhuǎn)發(fā)器也可作為膠囊內(nèi)窺鏡遠(yuǎn)程診斷的一種實(shí)現(xiàn)方法。遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)使得病人的診斷不受時間和地域限制，這可以節(jié)省醫(yī)生和病人的大量時間和金錢。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為膠囊內(nèi)窺鏡、轉(zhuǎn)發(fā)器以及接收設(shè)備。通過轉(zhuǎn)發(fā)器，能夠?qū)⒛z囊內(nèi)窺鏡專用射頻模塊接收到的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時轉(zhuǎn)發(fā)給接收終端。本文使用Android手機(jī)作為移動采集終端，工作站使用的是自主開發(fā)的 QT膠囊內(nèi)窺鏡圖片分析系統(tǒng)[4]。圖1是使用轉(zhuǎn)發(fā)器的膠囊內(nèi)窺鏡圖像采集系統(tǒng)。轉(zhuǎn)發(fā)器保留了其他傳輸方式的外部接口，因此設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)發(fā)器也能用于其他的轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用。

圖1　膠囊內(nèi)窺鏡采集系統(tǒng)

2　轉(zhuǎn)發(fā)器硬件設(shè)計(jì)

2.1RF接收器

膠囊內(nèi)窺鏡采用基于nRF24L01+傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5]，轉(zhuǎn)發(fā)器RF接收模塊采用與之相同的RF接收芯片。nRF24L01+具有低功耗、小尺寸和高帶寬等優(yōu)點(diǎn)。外圍電路如圖2所示，它與單片機(jī)SPI口的通信速度可達(dá)8 MHz；最大支持2 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，而正常的電流消耗為14 mA；支持自動應(yīng)答及自動重發(fā)，內(nèi)置地址及 CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)等功能，雖然自動應(yīng)答降低了通信速度，但它是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中所必須的。模塊通過SPI接口編程配置。這里設(shè)置傳輸速率為2 Mb/s，發(fā)射功率0 dBm,接收通道0自動應(yīng)答。配置通信模式為突發(fā)模式，這有利于降低功耗且抗干擾性強(qiáng)。在突發(fā)模式，每次最多只能發(fā)送32 B的數(shù)據(jù)。配置部分命令如下：

圖2　無線接收模塊

2.2控制芯片

MCU微控制器采用 STM32F103RCT6單片機(jī)[6]，主要負(fù)責(zé)模塊的配置、數(shù)據(jù)的緩存和處理轉(zhuǎn)換，并根據(jù)預(yù)定義的方式從相關(guān)接口傳送數(shù)據(jù)。它控制RF接收器、Wi-Fi模塊和藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)傳輸中的所有活動和總體管理產(chǎn)生的控制信號。STM32系列專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)。時鐘頻率72 MHz時，STM32電流消耗僅為36 mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5 mA/MHz。

2.3Wi-Fi模塊

Wi-Fi被用得越來越廣泛，在許多地方都作為一種主要的通信媒介。本文使用德州儀器Wi-Fi嵌入式芯片CC3000，它可以給電子設(shè)備提供Internet連接能力。這款芯片包含完整的TCP/IP通信棧和Wi-Fi驅(qū)動，支持標(biāo)準(zhǔn)的socket編程。采用FirstTimeConfig技術(shù)，這能夠輕松地對接入點(diǎn)進(jìn)行配置，而無需顯示屏或用戶界面，非常適合嵌入式應(yīng)用。在802.11g工作模式下，傳輸電流消耗為190 mA，接收電流消耗為92 mA。對CC3000的外圍電路進(jìn)行如圖3所示的設(shè)計(jì)，只保留了SPI通信接口和UART調(diào)試接口。

圖3　CC3000外圍電路設(shè)計(jì)

所有上層應(yīng)用函數(shù)通過 HCI抽象層與 SPI接口通信。CC3000第一次配置指當(dāng)最終的產(chǎn)品還沒有輸入輸出能力時，第一次配置提供了一種方法穿件一個外形，這些設(shè)置都存儲在CC3000的EEPROM中，第一次配置的基本流程如圖4所示。

圖4　CC3000的第一次配置

信標(biāo)里的prefix值一般設(shè)置為TTT，外部設(shè)備發(fā)送帶有信標(biāo)的探頭，里面包括要連接的AP的 SSID和密碼。CC3000接收并解釋探頭后，將AP的連接信息寫入EEPROM，以后自動連入該AP。當(dāng)連接指定AP超時，CC3000便再進(jìn)入智能模式[7]，它是 CC3000獨(dú)有的 AP配置信息模式,可以使用任何帶Wi-Fi的設(shè)備配置CC3000連接到AP。這便于客戶重新配置Wi-Fi的連接。

2.4藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊[8]中的芯片使用的是CSR公司的BC41714，集成藍(lán)牙串行數(shù)據(jù)透傳(SPP)，波特率最高可達(dá)1.384 Mb/s，正常工作時電流為20 mA，模塊采用標(biāo)準(zhǔn)UART接口通信。使用之前通過AT指令進(jìn)行配置。本文配置藍(lán)牙為從設(shè)備模式，波特率為38.4 kb/s。

2.5電源供應(yīng)

采用輸出3.7 V的鋰電池作為電源的供應(yīng)。電池可以通過USB線進(jìn)行充電。

3　控制程序?qū)崿F(xiàn)

軟件控制程序是分層模塊化實(shí)現(xiàn)的，這樣使得添加新的硬件不至于對軟件進(jìn)行大規(guī)模改動。底層驅(qū)動程序是由ST公司提供的一個完整的STM32設(shè)備固件庫。該庫提供了STM32所有外設(shè)的底層驅(qū)動函數(shù)，開發(fā)人員可以不需要自己編寫驅(qū)動函數(shù)而在這些底層函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫應(yīng)用程序。CC3000使用官方提供Hostdriver驅(qū)動庫，該驅(qū)動提供芯片配置以及芯片聯(lián)網(wǎng)的所有操作函數(shù)庫。上層應(yīng)用層包括數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)配置等模塊。STM32通過SPI初始化CC3000和RF射頻模塊。配置nRF24L01+為接收模式，自動應(yīng)答,每次傳輸 32 B數(shù)據(jù)。為了確保數(shù)據(jù)接收與發(fā)送的同步操作，CC3000的數(shù)據(jù)包也設(shè)置為32 B。因?yàn)獒槍Φ氖沁h(yuǎn)程采集，工作站的IP地址一般是固定的，因此配置CC3000為服務(wù)端的工作模式。適配器工作時，從RF的SPI口讀取到的數(shù)據(jù)先存到存儲緩沖器中。然后由STM32根據(jù)選擇的模式，通過檢測連接到GPIO口的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)判斷。針對安卓手機(jī)采集選擇藍(lán)牙模式，這樣能節(jié)省轉(zhuǎn)發(fā)器的功耗，針對遠(yuǎn)程連接選擇Wi-Fi模式。轉(zhuǎn)發(fā)器的工作流程如圖5所示。

圖5　轉(zhuǎn)發(fā)器工作流程

4　接收程序

4.1藍(lán)牙工作模式

如今，智能手機(jī)有足夠的處理和存儲能力來完成圖像數(shù)據(jù)的處理。智能手機(jī)可以使用藍(lán)牙或Wi-Fi來接收這些數(shù)據(jù)。為了省電，本文使用帶藍(lán)牙的Android手機(jī)接收圖像數(shù)據(jù)。Android是一個開源移動操作系統(tǒng)，它有一個強(qiáng)大的基于 java框架的軟件開發(fā)包，Android里的Bitmap類[9]是 Android系統(tǒng)中的圖像處理的最重要類之一。用它可以獲取圖像文件信息，進(jìn)行圖像相關(guān)處理。使用藍(lán)牙模式，首先應(yīng)由手機(jī)完成設(shè)備的配對。配對完后發(fā)送采集命令。連接后的設(shè)備主要通過藍(lán)牙 Socket通信。從手機(jī) Socket口獲取的圖像數(shù)據(jù)流通過 Android里的 Bitmap類處理生成JPEG圖像并顯示。添加SD權(quán)限，把圖像寫進(jìn)SD卡中。圖6是拍攝到的圖片，可成功傳輸?shù)绞謾C(jī)上保存并顯示。

圖6　藍(lán)牙發(fā)送圖片

4.2Wi-Fi工作模式

在 Wi-Fi工作模式下，CC3000利用 Wi-Fi直接與工作站建立TCP連接。使用QTcp-Server來建立帶有端口的 socket服務(wù)器并監(jiān)聽所有連接。其中服務(wù)器和CC3000處于同一局域網(wǎng)。圖像啟動采集時，CC3000通過指定服務(wù)器的IP和端口號連接服務(wù)器。accept()方法得到響應(yīng)后，服務(wù)器端和客戶端就形成了一對互相連接的 Socket。經(jīng)CMOS圖像傳感器JPEG壓縮得到的數(shù)據(jù)僅包括 SOI（標(biāo)記碼0XFFD8）、有效圖像數(shù)據(jù)、EOI（0XFFD9），為了得到完整JPEG圖像，需要在SOI后插入缺失的標(biāo)記段。生成的圖片保存在工作站硬盤上，調(diào)用自主的膠囊內(nèi)窺鏡圖片分析系統(tǒng)進(jìn)行顯示，結(jié)果如圖7所示。

圖7　圖片在工作站顯示

5　實(shí)驗(yàn)與分析

膠囊內(nèi)窺鏡使用nRF24L01+發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)發(fā)器處理接收到的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的模式，分別使用藍(lán)牙和Wi-Fi進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)圖像數(shù)據(jù)。圖6和圖7是兩種模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)發(fā)器能夠穩(wěn)定轉(zhuǎn)發(fā)膠囊內(nèi)窺鏡圖片。不同組件的平均功耗如圖8所示?？梢砸姷?，最為耗電的是CC3000。Wi-Fi模式下總的耗電量為200 mA，在2 000 mAh的鋰電源的工作環(huán)境下，能工作10 h。由于膠囊內(nèi)窺鏡一般工作8 h左右，這已足夠膠囊內(nèi)窺鏡的應(yīng)用。

圖8　各芯片的功耗

本設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)發(fā)器具有以下優(yōu)勢：

(1)轉(zhuǎn)發(fā)器是一個體積小、功耗低的設(shè)備。

(2)安裝相關(guān)軟件，任何帶有藍(lán)牙的手機(jī)和連接到網(wǎng)絡(luò)的工作站都可以用作膠囊內(nèi)窺鏡數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備。

(3)可以使用手機(jī)實(shí)時監(jiān)控膠囊內(nèi)窺鏡圖像。

(4)轉(zhuǎn)發(fā)器可以直接通過 Wi-Fi將圖像上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器。

6　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于Wi-Fi和藍(lán)牙的雙模式轉(zhuǎn)發(fā)器，并將之用于膠囊內(nèi)窺鏡的圖像轉(zhuǎn)發(fā)。系統(tǒng)地分析了膠囊內(nèi)窺鏡圖像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)過程。通過系統(tǒng)的測試，整個系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了對圖像的實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)接收。

[1]IDDAN G，MERON G，GLUKHOVSKY A，et al.Wireless capsule endoscopy[J].Nature，2000，405(6785)：417.

[2]李宜輝，王雷，樊超強(qiáng)，等.國產(chǎn)OMOM膠囊內(nèi)鏡 540例臨床應(yīng)用分析[J].胃腸病學(xué)和肝病學(xué)雜志，2013，22(001)：77-80.

[3]謝翔，王自強(qiáng)，姜漢鈞,等.膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)原理與臨床應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4]潘建南，呂慶文，劉哲星，等.基于QT的膠囊內(nèi)窺鏡圖片分析系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2013，30(2)：208-211.

[5]王微微，劉華.膠囊內(nèi)窺鏡圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù)，2013，32(8)：25-28.

[6]隋紹勇，鄭維廣，張振邦.基于 STM32F103和 nRF24L01的近程無線數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2010，12 (12)：15-17.

[7]德州儀器.CC3000 Smart Config[EB/OL].(2014-04-22) [2014-10-28].http://processors.wiki.ti.com/index.php/CC3000_Smart_Config.

[8]韓建，魏運(yùn)鋒，談卿瑕,等.基于藍(lán)牙的體溫時控監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014(16)：61-64.

[9]EVERY S V.Introduction to Android imaging[M].Pro Android Media.Apress，2009：1-22.

Design of dual mode convertor based on Wi-Fi and Bluetooth

Yuan Weizhao，Gao Yuanyuan，Lv Qingwen
（School of Biomedical Engineering,Southern Medical University，Guangzhou 510515，China）

In order to receive capsule endoscopy images through Wi-Fi or Bluetooth，a kind of dual mode convertor based on CC3000 and BC41714 is researched and designed.Depending on the mode,convertor uses STM32F103 to control CC3000 or BC41714 to retransmit the capsule endoscopy images.Using the proposed convertor,images from capsule endoscopy can be directly displayed and saved on an Android phone.Images can also be directly uploaded to the workstation via Wi-Fi network.So the doctor can view the acquired images in real-time.Experimental results show that,the system can retransmit clear picture and complete the proposed function that it provides a feasible solution for remote diagnostics of capsule endoscopy.

capsule endoscopy；image forwarding；Wi-Fi；CC3000；Bluetooth

TP274.2

A

0258-7998(2015)02-0038-04

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.02.006

2014-10-28)

袁偉釗（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向：遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)。

高園園（1982-），女，博士研究生，講師，主要研究方向：醫(yī)學(xué)圖像處理。

呂慶文（1970-），通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，E-mail:gzbeer@smu.edu.cn。