无线微型机器人肠道内窥镜系统中图像采集与无线传输子系统的设计

　　1　引　言

　　为了克服传统肠胃内窥镜检查的缺点,国内外竟相开展胃肠道内窥微机器人的研究,国外如加州理工学院的A. brett Slatkin[1],意大利Mitech实验室的P. Dario[2]等;国内有上海交通大学[3]和上海大学[4],不过它们都是用引线来供应能量和传输信号,拖曳的引线既限制了机器人的运动灵活性又不安 全。无线微型机器人内窥镜系统可以进入人体胃肠道中,并对里面的情况进行窥视,然后把图像传输出来供医生诊断疾病用,其原理如图1所示。实现图像信号的无 线传输可以克服引线的不足,使病人感觉到由于引线存在而产生的痛苦减轻,同时微机器人的运动灵活性也增加。普通的有线医用电子内窥镜图像采集和传输系统 [5]的图像信号可以用引线传输到体外,多几根和少几根很细的引线对内窥头的尺寸几乎没有影响,而无线微型机器人内窥镜系统的图像采集和发射系统相对于体 外的接收和处理系统是分离的,那么就要求它在体内的内窥部分不能包括过多的器件,尺寸不能超过肠胃道的最小直径,所以把满足装置的尺寸作为无线系统方案选 择时的首要标准。

　　2　短距离微型图像采集和无线传输系统的设计

　　无线微型机器人内窥镜系统中的图像无线传输只要求能实现几米的短距离传输即可,摄像头和无线图像发射模块的超微型化使它的研制成功成为可能,其中微型摄像头和微型图像发射模块分别实现成像和传像功能。

　　2.1　图像无线射频传输的方式

　　图像信号的短距离无线射频传输可以用模拟RF和数字RF两种方式来实现,这可以根据摄像头的输出是模拟信号还是数字信号来确定,它们各有优缺点。

　　模拟RF传输方式的优点是没有数据率要求,不过一般情况下它的图像质量没有数字RF传输高。模拟图像无线传输系统是将摄像头输出的NTSC或 PAL混合模拟信号连接到模拟输入射频发射模块,通过使用相同频率的接收机将射频信号恢复为模拟视频信号,这样再把它输入到监视器就可以显示图像。

　　数字图像与模拟图像相比它的优点是更加准确和更便于用计算机进行处理;它的缺点是一帧不经压缩的图像的数据量很大,使得图像传输速度有可能很 慢。数字图像无线传输系统的结构原理与模拟图像无线传输系统基本一样,不同的地方在于它是把图像传感器的数字输出信号连接到数据输入的射频发射模块。

　　2.2　微型摄像模块

　　微型摄像模块的核心是图像传感器,CMOS图像传感器比CCD图像传感器具有更小的体积和更高的集成度[7],因为CMOS图像器可以集成很多 与CMOS工艺兼容的功能模块,而CCD图像传感器必须用专门的工艺加工,它的制造工艺与CMOS集成电路不兼容,其它的功能模块如时序控制、自动增益控 制、信号处理、彩色编码等必须片外另配,对于有线医用电子内窥镜这些模块可以放在体外,通过引线与体内的CCD相连,但是这种方法不能应用于无线系统,如 果把它们也集成到体内,无疑会使系统的尺寸变得很大。同时CMOS图像传感器的功耗也比CCD图像传感器要小的多,很适合应用在用电池供能的场合。目前 CMOS图像传感器的图像清晰度虽然不如CCD图像传感器,但对于一般的应用场合是足够的,尤其是近年来主动像素传感器(APS)技术的应用使得CMOS 图像传感器的信噪比(SNR)和灵敏度得到很大的改善。由此可见在该系统中优先采用CMOS图像传感器。