无线胶囊内窥镜系统设计 第3页

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2．系统的总体设计
2.1 胶囊内窥镜的结构及设计原则
典型胶囊内窥镜的结构如图2-1所示。成像元件为一大视场的微型透镜；四个LED围绕在透镜周围作为照明光源;透镜所成像经过图像传感器转换为电信号；无线发射模块将电信号调制后通过天线发射;胶囊内部所有电路由两颗纽扣式电池供电。所元部件封装在由耐腐蚀材料制成的透明外壳里。内窥镜胶囊直径约1cm，长度只有2cm多，体积很小，却要集成那么多的元部件，因此要严格的限制各个功能模块的尺寸。尺寸的限制使的系统的设计必须以尽量“简单”的光路、电路和机械结构完成必要的功能。同时，“简单”的光路可以减少光能损耗从而降低对照明系统的光强要求；“简单”的电路可以降低功耗，“简单”的机械结构则意味一定程度地降低制造工艺要求。上述“简单”原则也正是无线图像传输子系统位于胶囊内的发射端的设计原则，位于体外的接收端由于没有严格的尺寸限制,所以只要完成信号接收的功能即可，但发射端要考虑功耗的问题。胶囊从吞服到排出体外大概需要8h，而胶囊由微型电池供电，要使胶囊正常工作8h以上且期间每秒要拍摄1~2幅图像，这就要求内部电路包括无线发射电路的功耗很小。
图2-1　内窥镜胶囊的内部结构
Fig 2-1　Internal structure of capsule
1—透明外壳；2—光源； 3—成像元件； 4—图
传感器； 5—电池； 6—发射模块；7—天线
2.2 可行性分析
2.2.1无线频段发射功率模块的选择和评定
信号由体内胶囊发射出来,要穿透人体才能到达接收器。作为电磁波的传输介质,人体为较强的损耗介质,电磁波在穿过人体后还能否保证足够的功率供接收机接收,这还是一个疑问。对于电磁波的传播来说,人体是一个很复杂的环境,人体各种组织电参数都是不同的,表2-1列出了真空、血液、肌肉、脂肪、小肠壁等介质在几种频率下的电导率、相对介电常数和相对磁导率。电参数的不同意味着各种组织对电磁波的吸收程度有差别,所以,本文只能在这种差别的基础上对电磁场穿过人体时的衰减进行估算。

表2-1　真空、脂肪、肌肉、血液和小肠等介质的电参数
Table2-1　The electromagnetic parameter of  vacuum, fat, muscle, blood and small intestine
介质 电导率/(S/m) 相对介电常数 相对磁
导率
 100MHz 433MHz 2400MHz 100MHz 433MHz 2400MHz 
真空 0 0 0 1 1 1 
约1·000
脂肪 0.036 0.042 0.102 6.074 5.567 5.285 
肌肉 0.708 0.805 1.705 65.972 56.873 52.791 
血液 1.233 1.361 2.502 76.818 63.836 58.347 
小肠 1.655 1.921 3.134 96.549 65.289 54.527 
球面波在介质中的衰减主要包括两部分:介质对能量的吸收和能量的球面扩散。由于任何复杂的电磁波都可以分解为许多均匀平面电磁波的叠加,所以在计算球面波在人体中的衰减时将两种形式的衰减看作两个互不影响的独立过程。第一个过程将胶囊发射的电磁波完全作为均匀平面电磁波来处理。运用均匀平面电磁波在介质中的衰减公式:
                         （2-1）
式中,为电磁波的初始功率;P为电磁波在介质中传播距离L后的功率;α为衰减常数。衰减常数的计算公式为:
                 （2-2）
式中,为真空磁导率;为相对磁导率,为相对介电常数;为真空介电常数;σ为电导率。第二个过程是把第一个过程中衰减后的均匀平面电磁波作为相同功率的球面波来处理,运用球面波在自由空间中的功率扩散公式:                         （2-3）
式中,S为距离发射源L处的功率密度,P为发射源的功率。然后,利用下式得到距离点源L处的电场强度E。                         （2-4）
　　式中η为波阻抗。                           （2-5）
式中,μ为相对磁导率;ε为相对介电常数。鉴于人体环境的复杂性和人体形态的不确定性,不可能对对接收点场强做精确计算,只能在对各项参数作近似取值的前提下进行估算。图2-2给出了发射功率为1mW的100MHz电磁波在脂肪、肌肉、血液、小肠中传播一定距离后的电场强度。
图2-2　100MHz电磁波在介质中的衰减曲线
Fig 2-2　The attenuation of 100MHz electromagnetic wave
可见,电磁场在穿过小肠时的损耗最剧烈,所以,本文将整个人体的电参数保守的假设为与小肠相同,ε取65,μ取1,σ取2,同时, NRF24LE1的输出功率为36mW,假设发射天线为全向天线,天线效率保守假设为0·1,得到图2-2电场强度与传播距离的关系。图2-3中,距离为20cm处的场强为4mV/m,而这仅仅是一个保守的计算,实际情况中,电磁波并不是一直在小肠这样的强损耗的介质中传播,也会在脂肪、肌肉等损耗相对较弱的的介质中传播,另外,电磁波从肠道内向外传播时,一般传播距离不到20cm就已经穿出人体到达接收器,所以接收器接收到的实际场强会远大于4mV/m,本文所采用的接收器芯片NRF24LE1可以达到这样的灵敏度要求。
图2-3　不同频率的电磁波在人体中的衰减曲线
Fig 2-3　The attenuation of electromagnetic wave with different frequency
本文采用NRF24LE1的射频芯片。NRF24LE1是一款低成本低功耗的VHF/UHF单片微功率发射器, 其中包含射频、微处理器、闪存，它使用MultiCeiver™ 技术，同时支持优个无线装置的窄带和宽带调频,且符合ISM关于功率的规定。NRF24LE1封装尺寸很小,约4mm×4mm；驱动电压为1.8~3.3V,可用2节氧化银纽扣电池串联供电。NRF24LE1是一款高性能低成本的单片FM接收器芯片,可以与OV7660配合完成图像信号的采集无线传输。NRF24LE1的内部与外部电路。
2.2.2  解剖以色列M2A胶囊型内窥镜
首先，解剖以色列M2A胶囊型内窥镜的实物。分析以色列胶囊内窥镜的结构和构造，还原以色列电路图，参考其设计思路理念。

图2-4　以色列M2A胶囊型内窥镜结构图 
Fig 2-4  M2A capsule endoscopy Israel-based structure

微型成像系统设计原理及其特点以往内窥镜胶囊数字成像系统基本上是采用由CMOS传感器采集外部图像,单片机或者专用的控制模块控制图像传输,最后由无线发射模块将数字信号发送出去。
2.2.3  解剖金山公司的OMOM胶囊型内窥镜
其次，解剖金山公司OMOM胶囊型内窥镜的实物。分析金山公司OMOM胶囊内窥镜的结构和构造，还原金山公司OMOM电路图，参考其设计思路理念。深入分析，国产胶囊内窥镜结构和原理。进行新系统方案的设计、对比。解剖图如图2-5所示：

图2-5　金山公司的OMOM胶囊型内窥镜结构图
 Fig 2-5  Jinshan's OMOM capsule endoscope structure

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