新型的电子内窥镜融合了电子.docx
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新型的电子内窥镜融合了电子
胶囊内窥镜控制系统的设计
新型的电子内窥镜融合了电子、光学以及图像处理等技术,以其方便优良的图像采集、处理及显示能力在工业无损检测、现代医疗等方面得到了广泛的应用。
如何进一步提高电子内窥镜的图像采集及处理速度、智能化控制水平、便携性等是目前该领域研究的重要课题。
高速大容量低功耗FPGA的出现,为电子内窥镜图像处理系统的设计提供了新的思路和方案。
本文以Actel独特的低功耗FlashFPGA芯片为核心,对电子内窥镜图像处理系统进行研究和设计。
论文探讨了电子内窥镜以及数字图像处理技术的发展和应用现状;对比论证了现有的几种电子内窥镜图像处理方法,在此基础上,提出了基于FlashFPGA的系统总体方案并进行了相关的分析和设计;对视频输入输出接口模块、图像处理模块、系统电源模块等部分的关键硬件电路进行了深入的研究,完成了系统原理图和PCB版图的设计;设计了系统的主要软件,包括:
图像采集显示控制模块(包括基于8051软核处理器的I2C通讯程序、视频编解码器寄存器的初始化程序等)、SRAM读写控制模块(即基于VerilogHDL乒乓缓存结构数据存储控制器)、数字图像处理模块等;最后给出了系统调试方法以及关键电路模块试验和仿真的结果。
微型胶囊内窥镜机器人(MicroCapsuleEndoscopyRobot)集微执行器、微驱动器、传感器和微能源于一体,是当前医用机器人研究的最高目标。
人体肠道是一个及其特殊的环境:
它是活的生物体、本身在自主蠕动运动,并具有柔软、弯曲、狭小和包含体液等特点。
。
以色列GivenImaging公司胶囊内窥镜系统主要由三个部分组成:
Given摄像胶囊,Given数据记录仪、RAPID应用软件和工作站。
依据现阶段国内外研究情况,胶囊内窥镜系统一般由具有无线收发的胶囊摄像装置、便携式无线接收与数据传输装置和计算机控制和处理装置三个部分组成,利用微传感器技术、无线通讯技术、生物电磁技术与临床医学技术,研制了无线内窥镜系统,利用这种智能系统进行检查,无创伤、无痛苦、无交叉感染,不但克服了胃镜等传统推进式内窥镜的缺点,而且能检查以前不能通过仪器检查的小肠。
无线内窥镜彻底解除了病人的痛苦,是消化道系统无损伤性诊断的一种革命性的技术创新。
新型的电子内窥镜融合了电子、光学以及图像处理等技术,以其方便优良的图像采集、处理及显示能力在工业无损检测、现代医疗等方面得到了广泛的应用。
如何进一步提高电子内窥镜的图像采集及处理速度、智能化控制水平、便携性等是目前该领域研究的重要课题。
高速大容量低功耗FPGA的出现,为电子内窥镜图像处理系统的设计提供了新的思路和方案。
本文以Actel独特的低功耗FlashFPGA芯片为核心,对电子内窥镜图像处理系统进行研究和设计。
新型的电子内窥镜融合了电子、光学以及图像处理等技术,以其方便优良的图像采集、处理及显示能力在工业无损检测、现代医疗等方面得到了广泛的应用。
如何进一步提高电子内窥镜的图像采集及处理速度、智能化控制水平、便携性等是目前该领域研究的重要课题。
高速大容量低功耗FPGA的出现,为电子内窥镜图像处理系统的设计提供了新的思路和方案。
本文以Actel独特的低功耗FlashFPGA芯片为核心,对电子内窥镜图像处理系统进行研究和设计。
本课题设计了一种无线胶囊内窥镜诊断系统的原理与结构。
该系统主要基于采用OV7660图像传感芯片,Nordic公司的NRF24LE1射频发射芯片相结合的架构,成功实现了将体内胶囊内窥镜传输出的图像数据实时接收存储的功能。
集中研究了人体胶囊式无线内窥镜系统中的图像采集与无线传输系统的硬件,软件以及电路的设计,给出了体内控制的无线磁控装置设计。
系统尽可能减少外围电路,从而严格控制体内无线胶囊的体积及功耗,减少由于胶囊体积过大对人体造成的不适及满足胶囊在人体中停留足够时间以便完成对病变部位的实时图像采集传输。
关键词:
胶囊内窥镜,无线图像传输,电磁波,OV7660,NRF24LE1
Thedesignfundamentalandthewirelessimagetransmissionsubsystemofthecapsuleendoscopy(CE)areprosed.ThenaschemebasedonRFchips,NRF24LE1,isgiven.Tovalidatethefeasibilityofthisscheme,thispapercalculatedtheattenuationofthesignaltransmittedformCE.Theresultshowsthatthesignalenoughforthereceivertoreceivertoreceiveafteritisabsorbedbythehumanbodytissueswhenthesignalpropagateinhumanbody.
Acapsuleendoscopesystem,basedontheRFchipandimageacquisitionNRF24LE1ofOV7660chipdesign.Accordingtoelectromagneticwavepropagationtheory,thecalculationofthecapsuleinthehumanbody’selectromagneticsignalfiredafterpenetratingthebodytoreachthereceiveratthetimeoffieldstrengthvalues,resultsshowedthatthesignalstrengthinvitrocanbeachievedtoreceivetherequest,inordertoverifythefeasibilityoftheprogram.
Thispapermainlydesignawirelesscapsuleendoscopydiagnosissystemprincipleandstructure.ThesystemismainlybasedontheOV7660imagesensorchipsused,Nordic’sRFchipNRF24LE1combinationofstructure,thesuccessfulimplementationofthecapsuleendoscopetothebodyoftheimagedatatransmissiontoreceivereal-timeacquisition.
Keywords:
capsuleendoscopy,wirelessimagetransmission,electromagneticwave,OV7660,NRF24LE1
胶囊内窥镜控制系统的设计
Designofthecontrolsystemofcapsuleendoscopy
Digestivetractdiseasesperplexesnumerouspersonsintheworld.Thetraditionalendoscopeexaminesthediseasesbymeansofthecatheterization,sotherearemanydisadvantages,suchasdifficultyinoperation,theinvasivedetection,thelimitedexaminationrange,etc.intherecentyears,withthepopularityoftheminimallyinvasiveandnoninvasivemedicalconcepts,acapsuleendoscopysystem-M2AwasfirstlycarriedoutbyIsraetGivenImagingcorporationonMay2010.Thisnewcapsuleendoscopyfusesthemicrosensortechnology,wirelesscommunicationtechnology,biologicalelectromagnetictechnologyandclinicalmedicinetechnology,wirelesscapsuleendoscopysystemisdeveloped.Itisintroducedbriefly,whichshowsthatwirelesscapsuleendoscopyisanexcellentnoninvasivemethodwithsafety,simplicity,andspeed.Itnotonlyovercomesalotofdisadvantagesgeneratedbythetraditionalcapsuleendoscopy,butalsocanexaminethesmallintestinewhichcan’tdothisbytheformerendoscopy.Thewirelesscapsuleendoscopycanalleviatethesufferingsofpatientsthoroughly,whichisarevolutionaryandnewtechniqueinnovationofnoninvasiveandaccuratemethodinGIsystem.
消化道疾病困扰着全球无数患者,传统内窥镜使用插入导管的方式,存在重大的缺陷,如:
操作困难;属于有创检测;诊察范围有限等。
近年来,随着微创、无创医学理念的普及,以色列GivenImaging公司于2001年5月率先推出其M2A胶囊内窥镜系统,该新型的胶囊内窥镜融合微传感器技术、无线通讯技术、生物电磁技术与临床医学技术,研制了无线内窥镜系统,利用这种智能系统进行检查,无创伤、无痛苦、无交叉感染,不但克服了胃镜等传统推进式内窥镜的缺点,而且能检查以前不能通过仪器检查的小肠。
无线内窥镜彻底解除了病人的痛苦,是消化道系统无损伤性诊断的一种革命性的技术创新。
1.thecompositionandprincipleofcapsuleendoscopy
1.1thebasiccomposition
Thetypicalcapsuleendoscopyisconsistofsixparts:
miniatureshortfocuslens,imager,illuminatingleds,twobatteries,ASICtransmitterandantenna.Thecircuitsystemincludesthestructuredesignofthesensingelement,thedigitalsignalprocessingpartsand.theinspectionsystemofcapsuleendoscopyconsistsof
1胶囊内窥镜的组成及原理
1.1基本组成
典型的胶囊内窥镜由六部分组成:
小型短焦镜头,彩色照相机,发白光二极管,两个卫星电池,射频发送器,天线。
电路系统又包含了传感器检测部件,信号处理部件和无线发射部件。
胶囊内窥镜的检查系统包括三个组成部分:
可摄像的胶囊、数据记录仪套件、RAPID工作站。
胶囊通过胃肠蠕动推进并在腔内拍成照片显示成视频;经数字无线频率通信,将信号传输到绑在体外的记录器【1】。
1.2基本原理
胶囊内窥镜这种新型智能医疗电子产品的工作原理是:
患者吞服后,胶囊在病人消化道内随胃肠肌肉运动沿消化方向运行,同时对消化道壁进行实时摄像,再把图像传至患者系于腰间的数据传输装置即图像记录仪,医生借助图像记录仪和影像工作站系统分析采集回来的图像,便可对病情作出进一步诊断,最后胶囊随排泄物自行排出。
整个过程无创伤、无痛苦、无交叉感染、不影响患者的正常工作,免除了传统检测方法所带来的痛苦和不便,同时又克服了传统方法不能较好检查小肠部位“盲区”的弊端,是当今消化道疾病,尤其是小肠疾病诊断的首选方法。
图三胶囊内窥镜在人体中的运行过程
内窥镜的总体设计
方案选择:
胶囊内窥镜机器人无线控制系统
Infact,thewirelesscapsuleendoscopycontrolsystemismeanttobeasystemthatcanrealizephotography,whichmainlyincludes:
thewirelesstransmissionandwirelessreceptioncircuit,thedrivingcircuitsofSMAmicroactuator,microcamera,thedrivingcircuitsofthewhitehighlightingLEDlightsourceandthecontrolandprocessingequipmentofthecomputer,etc.ThelowpowerCMOSimagesenorisadoptedthatcanachievetheimage’sinformationofIGsystemandtheinformationissendtothecomputerprocessedbytransmissionandwirelessreceptioncircuit,andthenthecontrolordersprocessedbythecomputerorbydoctorsaresendtothetransmissionandwirelessreceptioncircuitsandPWMsignalsofthedrivingcircuitsofSMAmicroactuatorarecontrolledandthetimingisdriven,whichcanrealizethecontrollablemannerandorientationaccurateofthecapsuleendoscopy.TheschematicdiagramofthecapsuleendoscopycontrolsystemisshownasFig.1
Theframetakenbythecameraistransportedtothecomputerandcopedbythecomputer
wirelesstransmitter
/接收电路
胶囊内窥镜机器人无线控制系统实际是指实现摄像胶囊无线控制的系统,主要包括:
无线发射/接收电路、SMA微驱动器驱动电路、微摄像头、高亮白色LED照明光源驱动电路和计算机控制及处理装置等。
胶囊内窥镜机器人采用低功耗CMOS图像传感器获得消化道图像的信息并经过无线发射/接收电路发送到体外计算机处理装置,而后,体外计算机处理装置通过对图像的处理或者医生的人为介入发送控制命令经由无线发射/接收电路到胶囊内窥镜机器人并控制SMA微驱动器驱动电路的PWM信号以及驱动时序,实现胶囊内窥镜机器人的自主运动和准确定位。
胶囊内窥镜机器人控制系统原理图如图3.4所示。
图3.4胶囊内窥镜机器人无线控制系统
无线胶囊内窥镜整体系统,包括位于胶囊内的发射端和体外的接收端两部分。
发射端电路通常由透镜、图形传感器OV7660)、图像采集发射芯片(NRF24LE1)、LED照明灯、晶振、电池和天线等组成,发射端的工作原理见图2-4.
Thewholewirelesscapsuleendoscopysystemincludestwoparts:
theinnertransmissionandouterreceptioncircuits.Thetransmissioncircuitsareconstitutedbylens,imagesensorOV7660,Image-collectiontransmittingchipNRF24LE1,whiteLED,crystaloscillator,battery,antenna,etc.TheworkingprincipleisshownasFig.2.
FluorescentLEDs
Thereceptioncircuitsareconstitutedbycrystaloscillator,ImagereceiverchipNRF24LE1,FIFOasynchronousbuffer,DSPimageprocessingchip,videodecodingchip,FLASHmemory,massmemory,antenna,etc.TheworkingprincipleisshownasFig.3
接收端通常由晶振、图形接收芯片(NRF24LE1)FIFO异步缓存器、DSP图像处理芯片、SAA7114视频解码芯片、FLASH内存、大容量存储器、天线等基本组成。
接收端的工作原理见图2-5.
Designofthefunctionofmainmodules
主要模块功能子系统的设计
DesignofImage-collection,DataTransferandexternalstoragemodules
2.4.2图像采集和数据转换传输及外部存储部分设计
Image-collectionmoduleismainlymadeupoflampcircuit,CMOSimagesensorandopticalsystem,andtheselectionofCMOSimagesensorplaysacrucialroleinthis.Thepowerdissipationoftheimagesensoraccountsforaconsiderableproportionofwholewirelesscapsuleendoscopysystem,sotheproperselectionofCMOSimagesensorispropitioustoreducethepowerconsumption,prolongtheservicetimeofbattery,whichcanmeetadesigngoal.
COMSimagesensorisusedextensivelyatthepresent.ContrasttotheCCD,itcanintegratesequentialprocessingcircuit,front-endamplifierofimagesignalanddigitalpartintoonechip.Thedevelopmentofitispaidmuchattentionbytheindustry.Nowasthetechniqueandtechnologygrows,COMSimagesensorisnotonlyeffectivelyimprovedonnoise,butalsoresolutionisimprovedobviously.ThegeneralcolorfulCOMSimagesensorcanachievehundredsthousandspixels,thebetteronecanevenachieveabove3000000pixels.SoOV7660isadoptedinthispaper.OV7660cameraexternalcircuitisshownasFig.4.
图像采集模块主要由照明电路、CMOS图像传感器以及光学系统组成,其中图像传感器的选择起着至关重要的作用。
图像传感器的功耗在无线内窥镜胶囊的整体功耗中占相当大的比例,因此合适的图像传感器的选择有利于降低功耗,延长电源使用时间,实现设计目标。
COMS传感器是当前被普遍采用的图像传感器,与CCD相比,由于能将时序处理电路和图像信号的前端放大与数字化部分集成于一个芯片内,因此,他的发展一直受到业界的高度重视。
现在,随着技术与工艺的发展,CMOS图像传感器不仅在噪声上得到了有效改善,而且分辨率也已得到了明显提高。
一般的彩色CMOS图像传感器都能达到几十万象素,好的CMOS图像传感器甚至能达到300万象素以上。
因此,CMOS图像传感器将以其低廉的价格、实用的图像质量、高集成度和相对较少的功耗,在视频监控、多媒体领域得到更加广泛的应用。
OV7660cameraexternalcircuit
超低功耗MSP430单片机简介
MSP430单片机时钟模块与低功耗
3.2.5DesignofwirelesstransceivermodulenRF24L01
Inordertorealizetheoutercontrolofcapsuleendoscopy,theremustbeawirelesstransceivermodule.ThechipnRF24Elisutilizedinthewirelesstransmissionmodule.nRF2401isthesinglechipofNordicwhichprovidesthefunctionof2.4GHzRFtransceiver.ItintegratesRF,8051MCU,theADCof9channelsand12bits,externalcomponents,inductanceandfilterinanultramodern0.18μmCMOSprocess.Itworksat2.4GHzandprovidesthefunctionsofShockBurst,Duoceiver,adˉdressandCRCcomputation.Thecharacteristicsofstructure,thefun
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- 新型 电子 内窥镜 融合