杨扎史，刘 华

（上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

现代人生活节奏的加快以及饮食结构的变化，导致了消化道疾病经成为影响现代人类健康的一大疾病。因为成人消化道的大肠和小肠属于细长管道，而且结构不规则和封闭，导致传统的诊断方法存在检查盲区，且传统检查和手术亦给患者带来极大的生理痛苦。因此基于无痛和全面的新型诊断消化道疾病的手段：无线图像胶囊，成为了各大机构以及公司的研究热点。

自2001年以色列Given Imaging公司发布了世界上第一个图像胶囊“M2A”[1]，到目前为止，多个研究机构和企业推出了众多以图像胶囊为基础，具备多种扩展功能的胶囊。Liao Zhuan等人[2]通过统计分析PubMed数据库（2000-2008）发表的对于小肠疾病诊断的文章，发现胶囊内窥镜镜检查成为小肠疾病诊断的标准方法，S.D.Ladas等人和ESGE Clinical Guidelines Committee推荐图像胶囊诊断小肠疾病、食管癌和结肠疾病[3]，图像胶囊越来越广泛应用于消化道疾病的诊断。上海交通大学刘华[4-5]等人提出了“基于视频图像导航的体外磁驱动热疗胶囊系统”，该系统借助于体外磁控制技术，使体外医生可以操作控制消化道内图像胶囊的姿态和位置，同时在胶囊上集成热疗工具，当医生利用消化道图像诊断消化道存在疾病病灶，医生借助于体外磁控制技术操作控制消化道内胶囊的姿态和位置，使胶囊贴紧病灶表面，对病灶进行热疗治疗。

1 图像胶囊数据采集模块设计

一个典型的图像胶囊系统如图1所示，主要由人体内的图像胶囊、无线供能系统、人体外磁控制系统等多个模块组成。

首先由实验者吞服图像胶囊，之后利用图像胶囊的图像采集和发送功能采集并发送肠道图像数据。视频图像导航系统接收体内图像胶囊发送的数据可以实时由磁控制系统控制肠道内胶囊姿态以及位置，部分胶囊系统引入无线供能对胶囊进行供能。

图1 图像胶囊系统简介Fig.1 Introduction to JPEG image capsule

文中研究了该系统的图像采集与传送系统方案，设计该模块主要考虑的因素：首先由于胶囊需要吞服，因此需要严格限制胶囊的尺寸。其次由于对胶囊尺寸的限制导致胶囊内部电池容量有限，从而需要尽量降低胶囊功耗[6]。最后，因为胶囊需要无线发送肠道图像数据，由于无线带宽限制，需要压缩肠道数据。

1.1 图像胶囊数据采集硬件设计

图像胶囊组成如图2所示。

图2 图像胶囊组成Fig.2 Components of JPEG image capsule

该数字图像胶囊系统中CMOS传感器是Omnivision公司的OV7740芯片。该芯片具有多种尺寸和多种格式的图像数据输出，封装尺寸为4.2 mm×4.3 mm，功耗较低，适用于图像胶囊尺寸和功耗要求。图像压缩芯片选用的是Conexant公司的CX93510，该芯片显著特点是可对通用CMOS图像传感器的输出进行JPEG格式压缩，同时具备低功耗和尺寸小特点，全功率下12 mA运行；封装为6 mm×6 mm；数据压缩率明显：硬件实现图像数据压缩，另外还有MJPEG和ADPCM技术可显著减小数据量；接口丰富：具有 SPI、IIC、UART、CMOS接口，可以和丰富的外设连接实现图像压缩功能；在弱光环境下还具备LED驱动接口，可用于提供CMOS传感器在弱光环境下的LED照明。

电源管理模块选用的是ADP223，两路电源输出可以满足模块不同的工作要求。

微控制器采用的MSP430公司的单片机MSP430F2370。该芯片的主要特点是：在1 MHz主频下工作的时候电流仅需270 μA；具有32KB+256B的 Flash和 2KB的 RAM；内置可达16 MHz的时钟，这在进行胶囊PCB设计的时候可显著减小PCB尺寸；UART接口和两路独立SPI接口：UART接口可用于前期在PC端对数据采集模块的数据进行验证，两路独立的SPI可用于整合数据采集模块与发送模块。

CX93510实现通用图像传感器该图像采集与传送的工作原理图如图3所示。

图3 图像胶囊数据采集模块原理概图Fig.3 The block diagram of image acquisition

该数据采集模块的工作流程为：当激活该模块时，电池以及电源管理模块提供模块的工作电压，MCU通过MCU自身两路SPI通道和CX93510的IIC通道分别配置图像压缩芯片CX93510无线发送芯片ZL70102和CMOS传感器。在配置完成后，CMOS传感器将采集到的消化道肠道数据通过DATA连接传输至图像压缩芯片进行压缩，图像压缩芯片再通过SPI将压缩后的图像数据传输至MCU，MSP430在得到压缩图像数据后将该数据通过无线发送芯片ZL70102传输至接收端，再通过PC对数据进行图像恢复从而得到图像。

1.2 图像胶囊数据采集软件设计

本文设计的图像胶囊数据采集模块主要配置MSP430、图像压缩芯片CX93510以及图像传感器OV7740。数据采集模块的配置首先是MCU自身配置，MSP430F2370作为MCU在进行初始化后唤醒CX93510，并验证与CX93510连接的SPI接口，结合CX93510数据手册和CX93510配置流程对CX93510进行配置。之后利用CX93510上的I2C/SCCB接口结合OV7740数据手册对OV7740进行配置，图4是数字图像胶囊的软件流程图。

2 实验结果

在硬件平台与软件平台搭建完成后进行对图像数据采集功能的实验以及验证：

2.1 SPI及SCCB试验

1）为了验证MCU和图像压缩芯片的SPI通讯功能。实验选取图像压缩芯片CX93510中的寄存器H_CAP_WIDTH，该寄存器地址为0xA5，其中存储的值乘以8即为CMOS端获取图像每行捕获的像素点。

2）在代码中将CMOS传感器OV7740和图像压缩芯片CX93510中的图像尺寸配置为640*480。

3）利用示波器抓取SPI通道得到下图(a)，其中第二个波形MOSI为寄存器地址0×A5，第三个波形MISO即为寄存器值 0×50。

4）为了验证CX93510与CMOS传感器的之间的SCCB通讯功能。选取OV7740中存储OV7740高位ID的寄存器PIDH，地址为0×0A，该只读寄存器内存储值为0×77。

图4 数据采集模块配置流程图Fig.4 Configuration of data acquisition module flow chart

5）读取OV7740中寄存器PIDH值如下图（b），第一个波形SCL为27 MHz时钟。结合SCCB协议，第二个波形SDA前半部分为写入预读寄存器的地址0x0A，后半部分为该寄存器内存储值0x77。

2.2 数字图像胶囊原型样机

在进行PCB设计时，为了从布局上减小胶囊尺寸，将数据采集模块电路分成两块PCB，中间用FPC进行连接。基于这种设计，本文将CMOS传感器以及图像压缩芯片放置于第一块PCB板的两面，单片机与电源管理模块放置于另一块PCB的两面。方便后期将无线数据发送部分添加至电源管理模块一侧的PCB上，从而完成对消化道肠道图像的采集以及发送功能的整合。另外，本文将不涉及无线供能和磁控制功能模块。得到整个图像采集部分的电路实物如图6。

2.3 图像恢复

完成整个系统的设计和配置后，MSP430内部缓冲得到前端图像传感器的数据，再经过无线发送芯片ZL70102发送数据至外部接收端。外部数据接收端在得到数据后将数据传输至PC后，PC端恢复出图像如图7所示。

其中图（a）中内容比较复杂，包括了仙人球盆景、电脑显示屏以及黄色便签，该图实际大小为7.29 kB。图（b）内容比较单一，包括天花板以及办公桌部分轮廓，大小为4.44 kB。可以得到数据采集端数字图像的压缩率：

现有图像胶囊的图像压缩比一般有16，20[7]，25[8]，可以看到本文设计的图像胶囊图像采集模块的压缩比大大优于现有的图像胶囊的图像压缩比。

从恢复得到的图像成像质量来看，色彩以及内容辨识度都达到了用于诊断消化道肠道疾病的标准。而整个数据采集模块的功耗为118 mW，后期无线供能能够提供图像采集与传送系统的电能需求。

3 结 论

图5 SPI时序图及SCCB时序图Fig.5 SPI timing diagram and SCCB timing diagram

图6 图像采集模块实物图Fig.6 Image acquisition module entity

图7 PC图像恢复Fig.7 Image recovery on PC

表1 图像压缩比Tab.1 Image compression ratio

文中介绍图像胶囊系统的基本工作原理以及一种基于JPEG图像格式的数字式微型肠道图像采集模块。作为图像胶囊的初始原型，功耗低，系统集成度高；采用了独立的JPEG硬件压缩引擎，压缩率可调，可显著减少数据量。本文研究的数字图像胶囊突出特点是选用低功耗图像压缩芯片，该图像压缩芯片可与通用CMOS图像传感器匹配，消除数字图像胶囊对专用CMOS图像传感器的需求，为研究消化道诊断与治疗胶囊系统的图像采集与传送提供了解决方案。

[1]Iddan G，Meron G，Glukovsky A，et al.Wireless capsule endoscopy[J].Nature，2000，40（6785）:417.

[2]Zhuan Liao，Rui Gao，Can Xu，et al.Indications and detection， completion,and retention rates of small，bowel capsule endoscopy:a systematic review[J].Gastrointestinal Endoscopy，2010，7（2）:280-286.

[3]Ladas S D，Triantafyllou K，Spada C，et al.and the ESGE Clinical Guidelines Committee,European Society of Gastrointestinal Endoscopy （ESGE）:Recommendations （2009）on clinical use of video capsule endoscopy to investigate small-bowel， esophageal and colonic diseases[J].Endoscopy，2010，42（3）:220-227.

[4]刘华，颜国正，姜萍萍，等.基于数字图像导航的体外磁控制热疗胶囊系统：ZL 2011 1 0051701.4[P].2012.

[5]刘华，颜国正，王志武.基于无线供能的体外磁控制热疗胶囊系统：ZL 2011 1 0051748.0[P].2012.

[6]Xinkai Chen，Xiaoyu Zhang，Linwei Zhang，et al.Wireless Capsule Endoscope System With Low，Power Controlling and Processing ASIC[J].IEEE Trans.Biol.Circuits.Syst.，2009，3（1）:11-22.

[7]D.Turgis,R.Puers,Image compression in video radio transmission for capsule endoscopy[J].Sensors and Actuators A-physical,2005:129-136.

[8]Zhinoos Razavi Hsabi,Mohsen Sardari,Ahmad Beirami，et al.A memory-assisted lossless compression algorthm for medical images[C].IEEE ICASSP,2014:2030-2034.