劉 鑫, 蔡樂才,2, 高 祥, 劉川莉, 張超洋,2

(1.人工智能四川省重點實驗室, 四川 自貢 643000;2.宜賓學(xué)院,四川 宜賓 644000)

引 言

無線圖像采集傳輸是一種典型的無線場合應(yīng)用[1]。膠囊內(nèi)窺鏡是一種全新的診斷方式[2]，可以檢測傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡不能檢測的小腸盲區(qū)[3]。隨著臨床應(yīng)用的不斷展開，膠囊內(nèi)窺鏡的局限性也逐漸顯現(xiàn)出來。其中，不能精確定位和控制以及可工作時長不足等是目前迫切需要解決的問題?，F(xiàn)有低功耗方法有：用自主研發(fā)的ECS1020芯片來降低功耗[4]、設(shè)計一種低功耗MCU的待機模式電路[5-6]、降低攝像模塊中的晶振電路來降低功耗[7]等，但這些研究成果都不具備精確定位能力。

文獻[8]采用nRF24LE1的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，但nRF24LE1自帶的51單片機內(nèi)核主頻不高，處理速度慢，從而導(dǎo)致發(fā)射圖像的幀率太慢。

本文在滿足膠囊內(nèi)窺鏡對于功耗和體積大小的要求下，可控制精確定位，在體內(nèi)采集圖像后發(fā)射到體外圖像接收端，并存儲到SD卡[9]。本設(shè)計是一種短距離無線圖像采集、傳輸、存儲，具有定位功能的醫(yī)療場合應(yīng)用。本設(shè)計與現(xiàn)有膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)設(shè)計[8,10]相比，為滿足定位設(shè)計了軸向充磁磁環(huán)，采用易于控制且定位精度高的五維磁定位技術(shù)，為滿足低功耗在對硬件進行改進的基礎(chǔ)上再通過軟件設(shè)計來降低功耗。

1 膠囊內(nèi)窺鏡總體設(shè)計

該膠囊內(nèi)窺鏡圖像采集系統(tǒng)包括：用于采集和發(fā)送人體內(nèi)部消化道數(shù)據(jù)的膠囊內(nèi)窺鏡[11]，該模塊外殼套有磁環(huán)以配合磁定位陣列實現(xiàn)磁定位；用于接收和處理消化道圖片數(shù)據(jù)及定位數(shù)據(jù)的圖像工作站，包括計算機主機和膠囊內(nèi)窺鏡圖像接收終端組成。

為解決膠囊內(nèi)窺鏡不能精確定位的問題，考慮使用現(xiàn)有的磁定位技術(shù)，但在電磁定位技術(shù)中，接收線圈較大，目前難以集成到膠囊內(nèi)窺鏡中，所以采用永磁定位技術(shù)。本文選擇軸向充磁方式的磁環(huán)來實現(xiàn)定位，因為磁環(huán)易于實現(xiàn)電路的封裝。通過給膠囊內(nèi)窺鏡外殼加上一個薄的軸向充磁磁環(huán)作為激勵源。將磁環(huán)近似看成磁偶極子，其產(chǎn)生的磁場是其中心位置和南北極方向的函數(shù)。在人體周圍布置磁場傳感器陣列測量磁場，通過LM算法求解膠囊的位置和鏡頭的方向，實現(xiàn)定位[12-13]。因為膠囊內(nèi)窺鏡在人體中的位置和方向一直在變，所以系統(tǒng)還定義了相對不變的全局坐標系和相對變化的物體坐標系，并通過矩陣變換實現(xiàn)這兩個坐標系的轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)磁定位需要。

膠囊內(nèi)窺鏡對體積有嚴格的要求，要求其體積小、易于吞服，設(shè)計時要考慮在有限空間內(nèi)集成光電模塊、圖像處理模塊、無線通信模塊、供電電源，且要求系統(tǒng)能至少工作8 h。表1列出了市場現(xiàn)有膠囊內(nèi)窺鏡的體積、圖像傳感器、幀率、工作時長參數(shù)比較，從中發(fā)現(xiàn)膠囊體積基本都限定在28 mm×12 mm以下，而且膠囊都以每秒2張以上的圖片傳輸速率工作，工作時間8 h～10 h不等。

表1 膠囊內(nèi)窺鏡參數(shù)比較

系統(tǒng)要求膠囊內(nèi)窺鏡能在人體消化道內(nèi)實時采集圖像，并通過無線的方式將圖片傳輸?shù)浇邮斩?，而且在采集、傳輸圖片的同時能進行磁定位跟蹤。因此，在設(shè)計時需考慮到整個系統(tǒng)的體積、功耗、成本、安全等方面的因素，以及滿足電磁兼容方面的要求。

為了設(shè)計出的磁定位膠囊內(nèi)窺鏡能滿足要求，綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計的具體技術(shù)參數(shù)如下：CMOS圖像分辨率≥320×240，尺寸≤26 mm×12 mm，可工作時長≥8 h，可實時定位精度≤5 mm，采集及傳輸速率2 Fps，無線傳輸距離≤10 m。

膠囊內(nèi)窺鏡圖像采集系統(tǒng)由進入消化道的膠囊內(nèi)窺鏡本體和體外的圖像接收終端兩部分組成，其組成框圖如圖1和圖2所示。設(shè)計時功耗和體積是重點考慮的因素，本設(shè)計中膠囊本體尺寸選定為：直徑12 mm、長度24 mm。膠囊內(nèi)窺鏡不僅要實現(xiàn)圖像采集功能還要實現(xiàn)磁定位功能，因此系統(tǒng)采用了永磁體和膠囊組合的方式，以軸向充磁磁環(huán)為磁定位系統(tǒng)的激勵源。膠囊本體主要由：短焦鏡頭、CMOS圖像傳感器OV2640[14]、LED照明模塊LM3643、MCU控制模塊STM32L4R5、無線發(fā)射模塊nRF24L01[15]、電源管理模塊LP5907[16]、軸向充磁磁環(huán)、電池組成。圖像接收終端主要由：無線接收模塊nRF24L01、MCU控制模塊STM32L4R5、SD卡存儲模塊、USB通訊模塊、USB充電管理模塊、串口通訊塊模組成。

圖1 膠囊內(nèi)窺鏡本體組成框圖

圖2 圖像接收端組成框圖

2 膠囊內(nèi)窺鏡硬件設(shè)計

2.1 MCU控制

MCU控制電路負責CMOS圖像傳感器時序操作及數(shù)據(jù)獲取、燈光照明系統(tǒng)和無線通訊模塊控制、系統(tǒng)的電源管理。系統(tǒng)電路設(shè)計時，除了要考慮功耗和體積之外，還要考慮系統(tǒng)的內(nèi)部資源是否能滿足要求。綜合考慮，選擇ST公司STM32L4系列的STM32L4R5單片機[17]。

2.2 圖像采集OV2640攝像頭及閃光燈

膠囊內(nèi)窺鏡的主要功能就是采集人體消化道圖像，并發(fā)送至體外圖像接收終端存儲，由臨床醫(yī)師診斷篩選。理論上，分辨率越高采集的圖像越清晰，對病情分析也越有利，因此圖像傳感器分辨率選擇是越高越好。但是，膠囊內(nèi)窺鏡是一個系統(tǒng)，圖像傳感器的選擇還受體積、功耗的限制。

OV2640是一款低電壓供電，支持UXGA(1632×1232)分辨率圖像，6.35 mm×6.35 mm小封裝，支持影像處理的CMOS圖像傳感器，可支持整幀、子采樣、縮放和取窗口等方式下各種分辨率8位或者10位影像數(shù)據(jù)輸出。OV2640可以通過SCCB接口控制，實現(xiàn)自動曝光控制、白平衡、對比度調(diào)節(jié)、色飽和度調(diào)節(jié)等功能。OV2640CMOS圖像傳感器硬件電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 圖像傳感器硬件電路圖

從圖3可知，傳感器一共有15根數(shù)據(jù)線與MCU核心控制芯片連接，電路的時鐘源由外部12 MHz有源晶振提供。其中：OV_D0～OV_D7為圖像傳感器數(shù)據(jù)接口，負責傳感器采集壓縮圖像數(shù)據(jù)輸出；OV_SDA、OV_SCL為兩個SCCB控制線，負責傳感器的初始化和寄存器配置；OV_HREF、OV_VSYNC分別為圖片的行參考信號和幀同步信號；OV_PCLK為圖片數(shù)據(jù)輸出時的時鐘信號；OV_PWDN為掉電控制信號線，負責傳感器低功耗控制。

在膠囊本體中設(shè)置：拍照前先開啟閃光燈、再拍照、拍攝完之后停止觸發(fā)LED，以達到CMOS圖像傳感器曝光與閃光燈同步。閃光燈驅(qū)動電路如圖4所示。

人體胃腸道環(huán)境非常復(fù)雜，有空間狹小的小腸也有空間寬闊的胃部。在空間狹窄的小腸，低照度可以拍攝出高質(zhì)量圖像，但是在類似胃部寬闊的環(huán)境，要獲得高質(zhì)量圖像就要提高LED照明亮度。閃光燈功耗占膠囊系統(tǒng)功耗的很大一部分，照明系統(tǒng)必須能根據(jù)拍攝環(huán)境自動調(diào)節(jié)亮度，減少系統(tǒng)拍攝圖像過度曝光或者圖像過于黑暗，實現(xiàn)平衡照明，這樣也可以最大限度的節(jié)省功耗。

LM3643是一款支持雙LED閃存驅(qū)動器芯片，大小只有1.69 mm×1.31 mm，內(nèi)部兩個128級電流源可靈活調(diào)整LED亮度，提升系統(tǒng)的照明效率。LM3643的兩個電流驅(qū)動輸出口各并聯(lián)了3個LED，I2C口控制其工作模式和輸出電流，由STROBE引腳控制來觸發(fā)LED燈輸出。

圖4 閃光燈驅(qū)動電路圖

2.3 無線收發(fā)

無線通訊方式的選擇是搭建膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的關(guān)鍵[18]，nRF24L01在2 Mbps發(fā)射模式下功耗只有11.3 mA，外圍電路簡單，體積只有4 mm×4 mm。膠囊內(nèi)窺鏡無線通訊模塊是膠囊對外數(shù)據(jù)交互的關(guān)鍵，主要負責將采集壓縮后的JPEG圖像傳輸?shù)襟w外的移動圖片接收端[19-20]。無線通訊模塊電路如圖5所示。

圖5 無線通訊模塊電路圖

3 膠囊內(nèi)窺鏡軟件設(shè)計

3.1 JPEG圖像數(shù)據(jù)獲取

通過SCCB時序訪問設(shè)置，可以對OV2640的傳感器窗口、圖像尺寸、輸出格式進行設(shè)置。傳感器輸出1630×1220分辨率圖像即200萬像素，膠囊內(nèi)窺鏡實際應(yīng)用30萬像素即可滿足要求，可以通過圖像尺寸設(shè)置功能設(shè)置輸出圖像大小，這里設(shè)置圖像分辨率為640×480輸出。設(shè)置完窗口后再設(shè)置圖片輸出格式為JPEG輸出。

OV2640通過像素時鐘PCLK、幀同步信號VSYNC、行同步信號HREF控制圖像輸出信號D[9:0]輸出圖像數(shù)據(jù)。圖像獲取是先由行輸出時序獲取每行像素點數(shù)據(jù)后，再根據(jù)幀時序得到整幅圖片的數(shù)據(jù)。

一幀圖像緩存后還要判斷是否是有效數(shù)據(jù)，即判斷是不是以“0XFF”和“0XD8”為數(shù)據(jù)頭且以“0XFF”和“0XD9”為數(shù)據(jù)結(jié)尾，如果是則表明是一幀有效數(shù)據(jù)，如果不是則丟棄，重新接收數(shù)據(jù)。需要說明的是，一開始接收圖片數(shù)據(jù)時需要先丟棄開始的5張照片，以等待自動曝光、白平衡等參數(shù)自動調(diào)節(jié)好。

3.2 無線發(fā)射模塊軟件設(shè)計

膠囊內(nèi)窺鏡主要功能是將采集的消化道圖片發(fā)送出去保存。圖像無線發(fā)射模塊軟件的主要流程是：無線模塊發(fā)射數(shù)據(jù)之前要判斷CMOS圖像傳感器OV2640、nRF24L01無線發(fā)射模塊、閃光燈控制模塊LM3643是否初始化成功；初始化成功后要將圖像傳感器配置為JPEG輸出，設(shè)置nRF24L01為發(fā)射模式；上述工作都正常后，開閃光燈并采集圖像數(shù)據(jù)，緩存至MCU內(nèi)部SRAM；緩存圖片后，判斷是否是一幅完整的JPEG圖片，如果是完整的JPEG圖片，就通過無線連續(xù)發(fā)射出去。

3.3 主程序流程與系統(tǒng)實現(xiàn)

低功耗膠囊內(nèi)窺鏡圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 低功耗膠囊內(nèi)窺鏡圖像采集系統(tǒng)軟件流程圖

3.4 低功耗調(diào)試

系統(tǒng)功耗較大的有閃光燈、OV2640、無線收發(fā)模塊。因MCU選用的是低功耗芯片，故只需對這三項進行低功耗的設(shè)置。對OV2640部分，通過控制拍照、無線發(fā)射部分分別單獨輪流工作，對于MCU控制閃光燈和OV2640拍照時，將體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡的無線發(fā)射設(shè)置為停止工作狀態(tài)。當成功拍照后發(fā)射模塊才啟動工作，而閃光燈與OV2640停止工作。通過測試，這種工作狀態(tài)收發(fā)模塊的時長并不影響OV2640每秒采集2張圖片。

OV2640部分是進入standby模式，軟件配置為SCCB_WR_Reg(0x09,0x02)，表述在采集圖片程序前開啟拍照，將SCCB_WR_Reg(0x09,0x16)放在采集圖片的程序后關(guān)閉閃光燈及拍照。無線收發(fā)模塊nRF24L01通過將軟件配置為“PWR_UP register=1，nRF24L01_CE=0；nRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+CONFIG,0x02)”，從而進入standby1模式。

4 實驗與分析

為了節(jié)省空間，電路中的圖像傳感器、電源管理芯片、閃光燈控制芯片都選用BGA封裝，電阻電容等無源器件都是選用0201(0.6 mm×0.3 mm)封裝。膠囊內(nèi)窺鏡電路采用四層電路設(shè)計，中間兩層為柔性電路，頂層和底層為硬板，使用時可以折疊在內(nèi)窺鏡外殼中。將膠囊內(nèi)窺鏡裝入帶有永磁體磁環(huán)的外殼中，配上體外磁陣列，在進行圖像采集的同時完成定位實驗測試。

本部分實驗以一段長度為1.5 m、直徑約7 cm的豬大腸作為模擬環(huán)境，膠囊內(nèi)電池額定電壓3.0 V，總?cè)萘繛?40 mAh。內(nèi)窺鏡在豬腸道中行進的過程中，進行了腸道場景圖像采集、接收、存儲過程的測試。當膠囊內(nèi)窺鏡放入豬腸道后開始計時，待圖像變得模糊無法識別時，即電池電量耗盡時停止計時。定位采用制作了15 cm×15 cm大小的磁傳感器平面陣列，可在采集圖像的同時對膠囊實時跟蹤。

經(jīng)過實驗測得：在8 h工作時間內(nèi)，體外圖像接收端可以有效地接收到所拍攝的圖像，當超過8 h后，電池耗盡。當圖像接收端在豬大腸2 m范圍內(nèi)移動時，也能接收到圖像。膠囊本體一秒采集完2張圖片后，CMOS傳感器進入休眠狀態(tài)，LED閃光燈只在采集圖像數(shù)據(jù)時打開，無線發(fā)射模塊在發(fā)送接收完數(shù)據(jù)也進入休眠狀態(tài)，只在新的一幀圖像需發(fā)送時，MCU發(fā)出喚醒信號后激活，因此可保證發(fā)射端的低功耗。因硬件選的是低功耗器件，且在軟件上進行代碼編寫設(shè)置，二者疊加可以保證膠囊內(nèi)窺鏡本體的低功耗。經(jīng)實驗測得整個膠囊內(nèi)窺鏡圖像采集系統(tǒng)在無線發(fā)射圖像時的電流為33 mA、功耗為99 mW。當配置無線芯片的發(fā)射速率為250 Kbps時，能發(fā)送2幅15 KB大小的圖像，為保證采集圖片數(shù)據(jù)清晰，像素設(shè)置為640×480大小，經(jīng)過JPEG算法壓縮后一幅圖片不超過30 KB，這樣每秒可傳送一張高清圖片。加入軟件跳頻協(xié)議解決其他ISM頻段對2.4 G模塊數(shù)據(jù)的干擾而可能存在的丟包現(xiàn)象，使得通信比較穩(wěn)定。

膠囊接收終端采集完數(shù)據(jù)后保存在SD卡，另外也可由串口DMA發(fā)送上位機軟件實時顯示，接收效果如圖7所示。

圖7 SD卡保存豬大腸圖片顯示及圖像接收端接串口發(fā)上位機顯示

對比了新系統(tǒng)與之前非低功耗情況下的效果，實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 兩種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比

從表2可知，相對與原MCU為STM32F103RE的設(shè)計，系統(tǒng)功耗降低了(160.5-99)×100%/160.5≈38.3%，總可工作時間延長了(8-5)/5×100%=60%，較好地完成了降低功耗與延長工作時間的目標。

5 結(jié)束語

針對現(xiàn)有膠囊內(nèi)窺鏡功耗較大的缺點，本文提出并設(shè)計了一種低功耗的膠囊內(nèi)窺鏡圖像采集系統(tǒng)。本膠囊直徑12 mm、長度24 mm、功耗99 mW、定位精度1.37 mm，低功耗延長了膠囊可工作時長。系統(tǒng)圖像采集功能完善、體積緊湊、工作穩(wěn)定，可以很好地完成圖像采集、發(fā)送、接收、存儲功能。為使圖像接收端的可便攜，系統(tǒng)增加了SD卡存儲模塊，可將無線接收模塊接收到的圖像數(shù)據(jù)存儲在SD卡中。實驗測試表明，該系統(tǒng)具有良好的可行性，系統(tǒng)功耗有明顯降低，可工作時間得到了延長。