基于RTC6701胶囊内窥镜系统设计

石 阳，吴伏家，刘建华，刘军强，孙洪博

（1.西安工业大学 机电工程学院，陕西 西安 710021；2.中国科学院 电工研究所，北京 100190）

0 引言

传统的肠胃检查将带有摄像头的软管插入人体消化道，对于病变早筛来说其过程痛苦且耗时长[1]。胶囊内窥镜体积小，吞咽相对传统胃镜较简单，有利于消化道的检查[2]。

自2001年以色列Given Imaging公司发明胶囊内窥镜以来，其无痛的全消化道检查得到了全世界科研工作者的关注[3-4]。目前，研究者尝试多种方法，纪铁钢等使用OV780作为图像信号处理核心使用WIFI的方式传输图像数据[5]，但模块体积大，功耗高很难使用在小型胶囊中，刘鑫与程磊等使用OV2640图像传感器与nRF24LE1无线传输芯片[6-7]，韦雪玲等使用MSP430作为控制芯片，ZL70102作为无线传输芯片[8]。但在实际检查中，胶囊内镜主要依靠消化道蠕动运动，耗时长而且由于缺乏主动控制，使用上述方法拍摄图像时帧数低，容易丢失病灶信息，增加漏诊率。

本文基于RTC6701设计无线传输模块，根据图像采集、照明模块特点设计了稳压模块，实验表明OV6922与RTC6701组成的胶囊内窥镜可以完成高帧率视频传输。

1 胶囊内窥镜系统设计

1.1 胶囊内窥镜结构与工作原理

磁驱动型胶囊内窥镜是在胶囊大小的外壳中集成拍照、照明、数据传输等各模块外加入永磁体，使用可控的外部磁场驱动胶囊内窥镜以减少检查时间，典型胶囊内窥镜内部结构如图1。

图1 胶囊内窥镜内部结构

使用数字信号进行无线传输，并假设每一帧以RGB的形式储存，并且色彩信息储存在8位数据中，在不使用压缩技术的情况下，每秒传输数据大小可由下式计算：

其中M为图像传感器行与列像素个数的乘积，K为储存颜色矩阵个数（RGB时为3），L为储存颜色信息的位数（8位为1，16位为2），n为每秒帧数。当使用分辨率为320×240（dpi)的图像传感器时，需要的传输速度为6.59 Mbps，传统的蓝牙与Zigbee较难达到这样的速度，而WIFI功耗高，体积大不适合在较小的胶囊内窥镜使用。

RTC6701为2.4 GHz模拟视频信号调频发射芯片，可与接收芯片RTC6711组合为完整视频传输方案。它的最大传输速率可以达到9 Mbps，并且RTC6701封装大小为5 mm×5 mm，只有32引脚，根据引脚功能设计外围电路，音频部分外围电路与选频电路不接，以减少外围电路，从而减少元器件体积，使其更适合于胶囊内窥镜中小体积的环境。系统框架如图2所示。

图2 胶囊内窥镜系统框架

1.2 图像采集模块

结合目前胶囊内窥镜使用的CMOS图像传感器，表1为适用CMOS对比。

表1 三种CMOS对比

OV6922工作电压3.3 V，功率低，引脚少，输出为NTSC制式模拟信号，封装为2.14 mm×2.27 mm，适合低功耗，体积限制较苛刻场合。图3为根据OV6922引脚信息绘制的电路图。

图3 图像采集模块电路图

1.3 无线传输模块

RTC6701为调频发射芯片，可进行调频传输。该芯片包括三个发射模块，一个视频发射模块，两个声道发射模块，左右声道的发射频率为6 MHz与6.5 MHz，视频发射模块的发射频率可在2.4～2.5 GHz通过引脚或程序进行调整。其结构框如图4。

图4 RTC6701结构框图

其中5、6、7、8与9、11、12、13号引脚为左右声道引脚，胶囊内窥镜仅需视频的无线传输，声道无需要，此部分不接以减少外围电路。14、17与18引脚为3.3 V电压转1.8 V电压校准引脚。15引脚为串行外设接口（SPI）使能引脚，当15引脚SPI_SE为高电平时，芯片以SPI模式工作，22、23与24引脚用于三线串行外设接口输入。19与20引脚为外部时钟引脚。引脚15、22、23、24与25为选频引脚，当15与25号引脚、SPI_SE与BX为0时，芯片提供4个频率选择，详见表2。当不使用SPI时，为减少外围电路可以将15脚BX与25脚SPI_SE接地，22、23与24引脚悬空，选频使用2468 MHz。

表2 RTC6701频道选择

根据各个引脚及其功能设计的外围电路如图5所示。

1.4 稳压及照明模块

纽扣电池随着使用时间的增加电压会逐渐减小，当减小到一定值将无法保证整个系统的供能，此时纽扣电池中存在的电能，会增加胶囊内窥镜的有效工作时间。由于图像传感器采集到视频信息是实时变化的，其输出的电压也将实时变化，这将会引起负载电压的变化，而影响照明模块与无线传输模块电压。ME6211系列线性稳压器内部配置参考电压源，具有误差修正电路、限流电路与相位补偿电路，广泛应用在手机、无线设备、照相机、频射设备中。

照明模块中LED简单串联会引起所需电压增高，而电源供电若使用2节1.5 V纽扣电池串联则电压为3 V，此时需要使用LED驱动器。TPS61161是串联驱动LED的增压转换芯片，输入电压可在2.7 V～18 V宽范围，而最大可以驱动38 V电压的LED灯组。其外围电路简单，封装尺寸2 mm×2 mm。稳压、照明、图像采集各模块整合电路如图6。

1.5 Matlab图像色彩增强

当系统未使用MCU而处在默认配置下，色彩较暗，可通过实时后处理图像增强画面色彩的表现情况。由于OV6922输出的是NTSC模拟视频信号可以使用转接头将CVBS接口转换为USB输出的YUY2信号，使用Matlab读取视频信号并提取帧，再将YUY2格式转换为RGB格式，此时就可以进行实时处理并显示。流程如图7。

图5 RTC6701及其外围电路

图6 稳压、照明、图像采集各模块整合电路图

图7 Matlab视频信号处理流程图

经过仔细调整，在亮度28、对比度56、Gamma27、色调0、饱和度255时效果较好结果如图8所示。

图8 经过后处理对比图

2 实验与分析

为了方便调试，本研究将无线传输模块和照明图像采集模块分开制作，无线传输模块使用直径12 mm圆形PCB板如图9。如果不使用接插件而使用柔性电路板可以省去插槽的体积。从图中可以看出还有部分面积可以进行优化。

图9 RTC6701无线传输模块

在配置照明与图像采集电路板时使用了直径为12 mm的圆形，为了方便OV6922焊接，反面未配置其他元器件，如果将正面一部分元器件配置在反面，并将3PIN接插件取消，与发射模块作为一个整体的柔性电路板将会极大的减小使用面积以减小胶囊壳体体积如图10所示。

图10 柔性电路板图示

3 结语

基于RTC6701的胶囊内窥镜的图像采集、数据传输、稳压与照明各部分的软硬件探讨，包括图像采集模块使用了低功耗的图像传感器OV6922，数据传输模块使用了RTC6701，稳压模块使用了ME6211-A33M3，照明模块使用了LED驱动器TPS61161，它们体积小，外围电路简单、功耗低。结果表明，设计的胶囊内窥镜使采集图像帧数由传统2～3帧提升为30帧，极大减小了检查时的漏诊率。