基于RTC6701膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石 陽(yáng)，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(guó)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(duì)于病變?cè)绾Y來(lái)說(shuō)其過(guò)程痛苦且耗時(shí)長(zhǎng)[1]。膠囊內(nèi)窺鏡體積小，吞咽相對(duì)傳統(tǒng)胃鏡較簡(jiǎn)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(lái)，其無(wú)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(hào)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(wú)線傳輸芯片[6-7]，韋雪玲等使用MSP430作為控制芯片，ZL70102作為無(wú)線傳輸芯片[8]。但在實(shí)際檢查中，膠囊內(nèi)鏡主要依靠消化道蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)，耗時(shí)長(zhǎng)而且由于缺乏主動(dòng)控制，使用上述方法拍攝圖像時(shí)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(jì)無(wú)線傳輸模塊，根據(jù)圖像采集、照明模塊特點(diǎn)設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓模塊，實(shí)驗(yàn)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(jì)

1.1 膠囊內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)與工作原理

磁驅(qū)動(dòng)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)膠囊內(nèi)窺鏡以減少檢查時(shí)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(hào)進(jìn)行無(wú)線傳輸，并假設(shè)每一幀以RGB的形式儲(chǔ)存，并且色彩信息儲(chǔ)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(jì)算：

其中M為圖像傳感器行與列像素個(gè)數(shù)的乘積，K為儲(chǔ)存顏色矩陣個(gè)數(shù)（RGB時(shí)為3），L為儲(chǔ)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(shí)，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(hào)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(jì)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(duì)比。

表1 三種CMOS對(duì)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(hào)，封裝為2.14 mm×2.27 mm，適合低功耗，體積限制較苛刻場(chǎng)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(wú)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(gè)發(fā)射模塊，一個(gè)視頻發(fā)射模塊，兩個(gè)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(guò)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(hào)引腳為左右聲道引腳，膠囊內(nèi)窺鏡僅需視頻的無(wú)線傳輸，聲道無(wú)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(shí)，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(shí)鐘引腳。引腳15、22、23、24與25為選頻引腳，當(dāng)15與25號(hào)引腳、SPI_SE與BX為0時(shí)，芯片提供4個(gè)頻率選擇，詳見(jiàn)表2。當(dāng)不使用SPI時(shí)，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(gè)引腳及其功能設(shè)計(jì)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(shí)間的增加電壓會(huì)逐漸減小，當(dāng)減小到一定值將無(wú)法保證整個(gè)系統(tǒng)的供能，此時(shí)紐扣電池中存在的電能，會(huì)增加膠囊內(nèi)窺鏡的有效工作時(shí)間。由于圖像傳感器采集到視頻信息是實(shí)時(shí)變化的，其輸出的電壓也將實(shí)時(shí)變化，這將會(huì)引起負(fù)載電壓的變化，而影響照明模塊與無(wú)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(wú)線設(shè)備、照相機(jī)、頻射設(shè)備中。

照明模塊中LED簡(jiǎn)單串聯(lián)會(huì)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(shí)需要使用LED驅(qū)動(dòng)器。TPS61161是串聯(lián)驅(qū)動(dòng)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(dòng)38 V電壓的LED燈組。其外圍電路簡(jiǎn)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(guò)實(shí)時(shí)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(hào)可以使用轉(zhuǎn)接頭將CVBS接口轉(zhuǎn)換為USB輸出的YUY2信號(hào)，使用Matlab讀取視頻信號(hào)并提取幀，再將YUY2格式轉(zhuǎn)換為RGB格式，此時(shí)就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)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(hào)處理流程圖

經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)整，在亮度28、對(duì)比度56、Gamma27、色調(diào)0、飽和度255時(shí)效果較好結(jié)果如圖8所示。

圖8 經(jīng)過(guò)后處理對(duì)比圖

2 實(shí)驗(yàn)與分析

為了方便調(diào)試，本研究將無(wú)線傳輸模塊和照明圖像采集模塊分開(kāi)制作，無(wú)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(wú)線傳輸模塊

在配置照明與圖像采集電路板時(shí)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(gè)整體的柔性電路板將會(huì)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(yǔ)

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(dòng)器TPS61161，它們體積小，外圍電路簡(jiǎn)單、功耗低。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)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(shí)的漏診率。