CN101480334A - 生物体腔内全视角采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物体腔内全视角采集系统，属于医用病患体内检查领域。所述系统包括：在生物体内进行图像采集与处理的无线数字式摄像装置，所述无线数字式摄像装置的外部由一个全透明壳体进行封闭，所述壳体由生物兼容性材料制成且具备球状的外形；所述无线数字式摄像装置的内部核心部分被柔性PCB板包裹起来做成一个单独的几何体，所述几何体的外表面均匀放置有多个摄像机，通过所述多个摄像机进行全视角图像采集。本发明通过在无线数字式摄像装置的内部核心部分的外表面均匀放置有多个摄像机，可以实现全视角采集图像数据，并且外形为球状，易于进入生物体腔内。

Description

生物体腔内全视角采集系统

技术领域

本发明涉及医用病患体内检查领域，尤其涉及到生物体内全视角的图像采集、摄像装置的静态零功耗技术以及数据的传输与处理等技术。

背景技术

为了无创伤地检查动物或人体内的体腔器官，尤其是消化道体腔；目前采用一种无线内窥镜胶囊诊断系统。其中无线胶囊部分由待测者从口腔吞入，通过体内肠胃的蠕动遍历胃肠等消化道器官，同时采集消化道内相关数据，完成整个诊断过程。

现有已知的无线胶囊体在其一端或两端放置一个微型摄像机以及LED光源为其照明，利用电池或无线电电磁波作为电源。胶囊内部载有信息接收和发射装置，将拍摄图像传递给外部处理系统，同时接受外部控制信息。

现有的内窥镜胶囊普遍存在观测视野小，造成对腔体器官漏检等缺陷。并且外形多呈胶囊形状，在体内的运动并不顺畅，导致无线胶囊有堵塞在消化道内的风险。例如在专利US2002/0109774，JP2001112710和US2003/0023150中，均采用不超过两个的摄像机。虽然它们采用了不同的扩大其视野的方法(包括机械转动等方法)；但是这些发明都无法实现全视角的图像采集；另外借助机械方法在功耗和实现复杂度上代价较高，同时也将增大体腔内胶囊的尺寸。

另外，现有的内窥镜系统中普遍存在静态功耗问题，即在非工作状态下系统仍处于正常功耗或微功耗状态，为此，在专利号为CN01807801.X，CN200480011077.3，CN200510020338.4等发明提供的技术中采用了控制开关(如钢簧管)，但是这种开关要求每颗胶囊均携带一块磁性足够强的磁体，增大了胶囊的整体体积；而且抗震和可靠性较差，在运输和保存期间会造成大量电量流失，直接影响胶囊在体内的使用时间和实际效果。

发明内容

针对上述无线胶囊内窥镜的缺陷和不足，本发明提供了一种生物体腔内全视角采集系统。该系统适用于对生物活体体腔器官，特别是消化道器官进行全视角检查，该系统具有实时可控的全视角体腔内图像采集、无线零静态功耗控制、双向无线通信与控制、易于通过体腔器官等功能。它是一种无线零功耗开关控制的、双向无线通信的可控、可实时、全视角地观察生物腔体内图像的、全数字且能实现全消化道检查的医用双向数字式无线内视镜系统，所述技术方案如下：

一种生物体腔内全视角采集系统，包括在生物体内进行图像采集与处理的无线数字式摄像装置，所述无线数字式摄像装置的外部由一个全透明壳体进行封闭，所述壳体由生物兼容性材料制成且具备球状的外形；

所述无线数字式摄像装置的内部核心部分被柔性印刷电路板(PCB板)包裹起来做成一个单独的几何体，所述几何体的外表面均匀放置有多个摄像机，通过所述多个摄像机进行全视角图像采集。

内部核心部分包括天线、底座、无线收发射频模块、无线零功耗控制模块、电源连接装置、电池、电源与信号连接线路等。该几何体的外表面均匀放置有多个摄像机，经过数学论证，在满足一定的摄像机视场角和物距关系的前提下，其视野可以覆盖一定物距范围外的全部区域。

当所述几何体为球状时，所述多个摄像机分别沿水平和竖直方向过球心的剖面的圆周上以90°为间隔均匀放置；

当所述几何体为正方体时，所述多个摄像机为6个，并分别放置在所述正方体的6个外表面的中心；

当所述几何体为正四面体时，所述多个摄像机为4个，并分别放置在所述正四面体的4个外表面的中心。

所述无线数字式摄像装置内还包括一套发光照明装置，用于为图像采集提供足够的、均匀的照明。

所述每个摄像机周围配置有至少2个发光二极管(LED)光源，所述LED光源沿光学镜头圆周方向对称放置。

所述几何体的外表面均匀放置有多个LED光源的放置点，用于放置LED光源。

所述无线数字式摄像装置的内部核心部分包括图像传感器，所述传感器为一块具有模拟图像处理、图像压缩、无线通信基带处理功能的光电传感器芯片，所述光电传感器芯片的分辨率至少为480×480，且所述光电传感器芯片为数字CMOS或者CCD光电传感器。

所述光电传感器芯片带数字图像处理功能或不带数字图像处理功能。

所述无线数字式摄像装置的内部核心部分还包括电源管理与零功耗开关控制电路，所述电路包括电源恢复电路、能量叠加电路、信号解调电路、指令解码电路、开关驱动电路以及可控开关六个单元电路；

其中，所述指令解码电路、开关驱动电路和可控开关组成了数字控制电路；

所述电源恢复电路与天线或电磁感应线圈相联，从接收来的无线信号中分离供电用信号，经过滤波、稳压转换成幅值稳定的直流电压，并作为信号解调电路和开关驱动电路的工作电源；

所述信号解调电路也与天线或电磁感应线圈相连，它提取接收到的无线调制信号的包络、频率信息，处理后得到基带数字信号，并传送到指令解码电路进行后续处理；

所述能量叠加电路与所述电源恢复电路相连，用于综合来自所述电源恢复电路和供电电池提供的电流，为无线数字式摄像装置提供电压源；

所述指令解码电路与信号解调电路、能量叠加电路和开关驱动电路相连，将所述信号解调电路的基带数字信号进行数字解码，得到控制信号，将所述控制信号传输给所述开关驱动电路；

所述开关驱动电路用于根据所述指令解码电路的控制信号控制可控开关的动作；

可控开关的一端与所述无线数字式摄像装置内的主工作电路相连，另一端与供电电池相连，在所述开关驱动电路的控制信号控制下接通所述无线数字式摄像装置的主工作电路。

所述PCB板为可弯曲的电路载体，且沿所述无线数字式摄像装置的内部核心部分的内表面铺设，所述PCB板上放置有用于采集图像的芯片和线路。

所述无线数字式摄像装置的电源为半球状或钮扣状电池，所述电池利用无线射频的电磁波供电。

所述无线数字式摄像装置或其部分模块也可直接利用无线电磁波直接供电，摆脱电池工作。

所述无线数字式摄像装置的天线采用将一定宽度和长度的金属导线(如铜线)绕成螺旋形状；或采用微带天线并嵌于所述PCB板上；或采用1/4波长或偶极子天线，且设置在每个摄像机的周围。

所述系统还包括：

遥控器，用于遥控所述无线数字式摄像装置的工作参数和工作状态。通过该遥控器可以遥控制无线数字式摄像装置处于工作或休眠状态，当处于休眠状态时，整个无线数字式摄像装置内的静态电流为零，也即零功耗。

所述遥控器包括天线、无线收发射频模块、数字控制模块、启动开关、休眠开关、指示灯、电源管理模块和电池；用于实现体外对所述无线数字式摄像装置的各参数的实时控制，以及选择工作状态。

所述系统还包括：

无线收发与数据传输装置，用于接收并处理所述无线数字式摄像装置输出的图像数据，输出处理后的图像数据。

所述无线收发和数据传输装置内有一个天线阵列，用于来接收体内来自于无线数字式摄像装置的图像数据；

与天线相连的无线收发器，用于接收来自所述天线的图像数据，并对所述数据进行解调，转换为数字信号；

信道解码器，用于接收所述无线收发器解调后的数字信号，对所述数字信号进行解码，得到图像数据，将所述图像数据写入缓存；

缓存，用于缓存所述图像数据；

信号处理器，用于读出所述缓存中的图像数据，并存入大容量存储体或通过USB接口模块输出到计算机或通过网络接口模块输出到互联网。

系统还包括：

计算机控制与处理装置，用于接收并处理所述无线收发与数据传输装置或所述无线数字式摄像装置输出的图像数据。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明中工作于生物体内的无线数字式摄像装置采用球状的外形，表面无棱角，减小了被测者吞咽时的痛苦，并且有利于其在生物体内的滚动；

本发明中的无线数字式摄像装置采用多图像传感器在其外壳上均匀分布，因而达到了全视角图像采集的功能；它可以多次、多角度的对某一部位进行图像采集，得到此部位更多的信息。在临床应用中，对于某特定部位，摄像机可以分别在其经过前后对某一特定部位拍摄，这样就排除了摄像装置的接触和压迫对器官表面造成的影响；

本发明中通过在无线数字式摄像装置上安装无线通信功能芯片，实现了体内与体外双向通信功能。操作人员可以通过它用计算机控制无线数字摄像装置的各项参数，比如LED的照明强度、照明时间、图像帧率、图像大小、图像压缩比、感兴趣区等。这使得图像采集的可控性更强，得到的图像质量更高；同时，操作人员可以通过计算机或遥控器选择特定摄像机及其对应遥控器为有效而进入工作状态；其他未选中者为无效，不必对其供电，以节省功耗；

无线数字式摄像装置内图像传感器所占功耗比例高，因此本发明提出的无线数字式摄像装置内的图像传感器仅包含了模拟图像处理、图像压缩、无线通信基带处理功能，采用单芯片设计，不包含数字图像处理功能，比如白平衡处理、γ校正、颜色处理等，所以能够进一步缩小芯片面积和功耗；

本发明提出的全视角图像采集系统可以对全消化道进行检查，这得利于一系列低功耗技术的应用，以及采用大容量电池和无线电波结合，共同提供能量的方法。在现有临床用内窥镜电池只能工作6～8小时的情况下，本发明中电源能量足够支持图像采集系统完成对全消化道的检查；

本发明中所述的无线摄像装置中配置了高分辨率(不低于480×480像素点)的光电传感器芯片，能够输出高清晰度的数字图像；而现有的系统分辨率仅达到90000像素点数；

本发明中所述的无线零功耗开关控制装置，其供电方式克服了以往无线胶囊装置的应用缺陷，使得本图像采集系统在非工作状态下为零功耗，而在工作状态下又和以前的装置具有相同的工作能力。从而降低了电子设备的尺寸和成本，降低了能量消耗；并且提高了设备的可靠性，便于长途运输与长期存储；

本发明为双向的数字式图像采集系统，系统提供了三种可供选择的工作方式，为被检测者和医生同时提供了方便。这三种工作方式分别适用于住院检查和出院检查两种场合，医生和患者可以根据具体情况加以选择，不会影响检查的精确度和患者身体健康。

附图说明

图1(a)为本发明实施例提供的无线数字式摄像装置的第一种结构图；

图1(b)为本发明实施例提供的无线数字式摄像装置的第二种结构图；

图1(c)为本发明实施例提供的无线数字式摄像装置的第三种结构图；

图2(a)为本发明实施例提供的摄像机和照明装置第一种摆放位置的立体图；

图2(b)为本发明实施例提供的摄像机和照明装置第二种摆放位置的立体图；

图2(c)为本发明实施例提供的摄像机和照明装置第三种摆放位置的立体图；

图3(a)为本发明实施例提供的摄像机视场角建模后的正切面分析图；

图3(b)为本发明实施例提供的摄像机视场角建模后的空间结构分析图；

图3(c)为本发明实施例提供的摄像机视场角建模后的正切面及空间结构分析图；

图3(d)为本发明实施例提供的摄像机视场角建模后的正切面及空间结构分析图；

图4为本发明实施例提供的内部核心部分为正方体时摄像机到等距离平面的空间结构分析；

图5为本发明实施例提供的内部核心部分为正四面体时摄像机到等距离平面的空间结构分析；

图6为本发明实施例提供的照明装置摆放于镜头附近圆周上时的具体分布图；

图7(a)为本发明实施例提供的微带天线的形状示意图；

图7(b)为本发明实施例提供的表面1/4波长或偶极子天线摆放位置示意图；

图8为本发明实施例提供的带有控制和处理功能的光电传感器的结构图；

图9(a)为本发明实施例提供的第一种无线数字式摄像装置内部电路与零功耗电源管理电路的结构图；

图9(b)为本发明实施例提供的第二种无线数字式摄像装置内部电路与零功耗电源管理电路的结构图；

图9(c)为本发明实施例提供的第三种无线数字式摄像装置内部电路与零功耗电源管理电路的结构图；

图10为本发明实施例提供的分支电源管理模块的结构图；

图11为本发明实施例提供的无线收发射频模块的结构图；

图12(a)为本发明实施例提供的第一种无线数字式摄像装置中供电控制电路的结构图；

图12(b)为本发明实施例提供的第二种无线数字式摄像装置中供电控制电路的结构图；

图13为本发明实施例提供的无线数字式摄像装置遥控器的结构图；

图14为本发明实施例提供的便携式无线收发和数据传输装置的结构图；

图15为本发明实施例提供的计算机控制与处理装置的结构图；

图16为本发明实施例提供的计算机控制与处理装置中的无线收发卡的结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种生物体腔内全视角采集系统，该系统包括一个无线数字式摄像装置，此无线数字式摄像装置的外部由一个全透明壳体进行封闭，该壳体由生物兼容性材料制成且具备球状的外形；该无线数字式摄像装置的内部核心部分被柔性PCB板包裹起来做成一个单独的几何体，在几何体的外表面均匀放置有多个摄像机，通过这些摄像机进行全视角图像采集。

其中，无线数字式摄像装置还包括、照明装置组、图像传感器、摄像装置内部电路和电源等主要组成部分；其中，该图像传感器由图像传感模块、图像压缩模块、信道编解码和处理模块、无线收发射频模块和电源管理模块等主要部分组成。

参见图1(a)、1(b)、1(c)，为无线数字式摄像装置的结构示意图，其中，无线数字式摄像装置的壳体为球状透明外壳100；内部核心部分为柔性PCB板101做成的几何体，图1(a)的内部核心部分的几何形状为球状，图1(b)的内部核心部分的几何形状为正四面体，图1(c)的内部核心部分的几何形状为正方体；并且，在柔性PCB板101的外表面上设置有多个摄像机102和多个发光照明装置103，其中，发光照明装置103的上部为LED照明管，下部为照明装置底座，摄像机102包括：光电传感器102a、摄像机镜头透镜102b和摄像机镜头座102c，上述无线式摄像装置中还包括：电源极板及电源导线104、表面天线预留位置105、表面微带天线位置106和表面芯片位置107；图1(b)中的电源极板及电源导线分别微电源导线104a和电源极板104b，表面天线预留位置包括两种情况，一种为表面天线预留位置105a，适用于天线沿表面均匀分布方案，另一种为表面天线预留位置105b，适用于天线沿镜头圆周均匀分布的方案。

无线数字式摄像装置内的多个摄像机均匀分布于内部核心部分的表面上，实现全视角图像采集的功能。其具体的放置方法根据内部核心部分的外形不同而存在三种方案：

1)当核心为球状时，摄像机分别沿水平和竖直方向过球心的剖面的圆周上以90°为间隔均匀放置，如图2(a)所示；为了将整个无线摄像装置简化为一点，那么距其一定距离的点就组成了一个球面；若想实现全视角可视，只需满足距离该点一定距离的的前、后、左、右、上和下六个方向上该球体的切割面能够恰好闭合成一个立方体。由于每个切割面与所述球面的交线是彼此全等的圆，所以六个切面的闭合问题就转化为每相邻三割线交于一点的问题。在这种情况下，如图3(a)和3(b)所示，每个割线圆的圆周将被其相邻的4个圆等分，其中图3(a)是上表面的正视图，而图3(b)是侧表面的斜视图。分析其中两个圆周相交的情况，如图3(c)所示，其中AB为公共弦，C为中点，O₁、O₂分别为两圆周的中心，O为整个无线摄像装置的中心。设切面圆的半径是r，大球的半径是R，摄像机的物距为d，解ΔO₁AB、ΔOO₂A和ΔO₂AB得到 $O_{1}C=O_{2}C={\mathrm{OO}}_1=\frac{r}{\sqrt{2}},$ $r=\sqrt{\frac{2}{3}}R.$ 实际应用中摄像机将放置于球形无线摄像装置，设其半径为r₀的表面，如图3(d)所示，这样就可以得到物距d需满足 $d=\frac{r}{\sqrt{2}}-r_0.$ 由于摄像机的视场角有限(假设不大于α)，由此可得到最终的限制条件，即此种方案实现全视角可见的约束条件为 $d\≥r_0\·\frac{\sqrt{2}}{\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\α}}{2}-\sqrt{2}};$ 通常情况下，摄像机的视场角能做到120°，即

2)当核心部分是正方体时，将6个摄像机分别放置在6个外表面的中心；用上述同样的方法，可以得到 ${\mathrm{OO}}_1=\frac{r}{\sqrt{2}}.$ 不同的是，这种情况下核心部分为正方体，摄像机将放置在各外表面的中心处，如图4所示，如果设摄像机的最大视场角为α，且内部核心部分正方体的边长为a，则在三角形APO₁中求解正切即得到核心部分边长与物距之间的相互制约关系为 $d\≥\frac{a}{\sqrt{2}(\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\α}}{2}-\sqrt{2})},$ 当α取到典型值120°时，

3)当核心部分为正四面体时，分别将4个摄像机设置在四个表面的中心；这种情况下，只需满足距中心点一定距离处能形成闭合的相似正四面体即可，如图5所示，设大的四面体边长为A，小的正四面体边长为a，则切面圆半径为 $r=\frac{A}{\sqrt{3}},$ ${\mathrm{oo}}_1=\frac{\sqrt{6}}{9}A.$ 如果仍假设摄像机能达到的最大视场角为α，则通过求解三角形APO₁得到 $\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\α}}{2}=\frac{A}{\sqrt{3}};$ 接着通过O、P和O₁三点共线的条件，可以解得约束条件为 $d\≥\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{6}\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\α}}{2}-3\sqrt{3}}a;$ 这时120°的视场角将不能达到全视角可见的要求，α至少应满足

上述三种方案中，正四面体型所需的摄像机和传感器数量最少，成本最低；而球型达到全视野所要求的物距最小，即用更多的摄像机数目换取了更近范围内的全视角图像采集；正方体型则是两者的折中。

封闭壳体内具有无线收发射频模块和天线来实现体内和体外部分的数据通信，电源供给部分则可采用电池供电、无线射频供能或者两者相结合的方法提供给无线数字式摄像装置内整个电路的工作电流。如果系统采用电池供电方案，只须把电池输出通过电源管理的稳压电路输出给所有工作电路；如果采用射频与电池的混合供电方案，则从射频无线电波中提取的能量还要通过稳压电路后对电池充电，然后以电池的形式给其他电路供电。本发明实施例中，电池可以采用半球形电池或者钮扣电池实现：半球形电池可以仿照钮扣式电池的原理制作，其表面所有球面部分为一极，平面部分为另一极，之间由绝缘物隔离。为了充分利用体积并携带尽量多的电量，当内核部分为球状时球形电池是最佳选择；而当内核为正四面体或正方体时，圆柱形钮扣电池则更加适合。

上述无线数字式摄像装置中发光照明装置的放置可以采用如下任一种方案实现：

1)光源采用LED来实现，它们分别沿光学镜头的圆周方向均匀放置，如图6所示，即每个摄像机将配备最少两个LED光源。这种方案的优点是光源据摄像机最近，且光路基本与其重合，照明效果好；各镜头具备多于一个的光源，有利于照明的对称和均匀；缺点是在摄像头数量较多时，所需LED数量较大，成本高、体积大；

2)光源采用LED来实现，它们分别沿核心部分外表面均匀分布，目的是以最少的光源数量实现近似均匀的空间照明效果。具体来说：

当内核部分为球状时，如图2(a)，过球心将球体等分成8份(中心角都为90°)。在每一份的外表面中心点各放置一个LED光源，共8个；

当内核部分为正四面体时，如图2(b)，将总共6个LED光源分别放置在其6条棱的中点；

当核心部分为正方体时，如图2(c)，总共8个LED光源分别放置在正方体的各个顶点。

本发明实施例中无线数字式摄像装置内部工作电路主要负责图像信息和控制信息的处理和收发，包括一个图像传感器，具体为光电传感器芯片，其分辨率至少为480×480、且为不带数字图像处理功能的数字CMOS或者CCD光电传感器。图像传感器可以采用数字图像信号输出的CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器或CCD(电荷耦合器件)传感器。其工作电路原理如图8所示：像素阵列经外界光照发生光电效应，在各像素单元内产生相应的电荷。行与列选择电路模块根据需要选中相应的行与列中像素单元，每列像素单元的电压信号通过行与列传感信号放大单元中对应的列放大器缓冲与放大，最后传输到对应的模拟信号处理单元以及模拟/数字(A/D)转换器，转换成数字图像信号输出。图像传感器的模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。完成信号的积分、放大、取样和保持、相关双取样、双取样等功能，其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。为了使图像传感器中各部分电路按规定的节拍动作，控制时序输入接口模块接收来自控制单元的控制时序信号。由于无线数字式摄像装置内的带控制与处理功能的图像传感器芯片中没有了数字图像处理功能部分，图像传感器器中仅仅提供包含各种控制电路的接口，如曝光控制、增益控制、白平衡控制和休眠控制等接口，具体的控制算法与数字图像处理算法部分在无线数字式摄像装置外的软件实现，大大降低了功耗，因此能延长无线数字式摄像装置的工作时间。

本发明实施例无线数字式摄像装置内部电路与无线零功耗开关控制电路及电池可以采用如下三种方案的任意一种连接组成整个系统，三种具体原理图如图9(a)、(b)、(c)所示。无线数字式摄像装置内主要由具有模拟图像处理、压缩和通信基带处理的图像传感器芯片，射频、电源管理与无线零功耗开关控制芯片，LED，收发天线或电磁感应线圈A和B(为了节省空间，在具体实施时也可把A和B共用为同一天线或电磁感应线圈)以及电池构成。三种方案的基本原理相同，基本工作步骤为：图像传感器把摄像机采集的数字图像送入图像压缩模块，压缩后数据输出存入缓存区，然后进行数据的信道编码和处理后送入无线收发射频模块，把基带信号调制到射频，通过收发开关到达天线上，以无线电波形式发射出去；从体外发送来的无线电波信号由天线接收后，通过收发开关送入无线收发射频模块进行解调，然后进行信道处理与解码后，送入控制单元并根据接收的命令控制无线摄像装置内相应的模块。

另外，如果无线数字式摄像装置采用射频供能方案，则需要将无线电波中提取的能量送入电源管理的稳压部分并输出，供给各电路的工作电流；如果采用电池供电方案，则只需将电池电能通过稳压电路输出给所有工作电路；如果采用射频与电池的混合供电方案，则射频提取的能量主要用来对电池充电。三种方案的不同在于：

方案1——每个摄像机与图像传感器对应单独的无线收发射频模块。如图9(c)所示，各位置传感器采集的图像信息直接通过其对应的无线收发射频模块发送出去，外部的控制信息也可直接由其接收，送交给传感器。各位置传感器均配备专有的天线，(例如微带天线、偶极子天线或1/4波长天线)，它们就近放置在相应摄像机的周围，如图7(b)所示，并均匀分布在核心部分的表面；

方案2——每个摄像机与图像传感器对应单独的无线收发射频模块。如图9(b)所示，各位置传感器采集的图像信息直接通过其对应的无线收发射频模块发送出去，外部的控制信息也可直接由其接收，送交给传感器。所有无线收发射频模块共用一组天线，而分别使用不同的相邻信道与外部进行通讯。此时，天线与无线收发射频模块之间要添加功率合成器，以保证各信道的正常收发。由于只需一组天线，这种方法采用微带天线即可满足要求。另外，每个传感器都对应一个分支电源管理模块，它受控于接收来的控制信号，只对处于工作状态的传感器及其摄像机和照明装置供电，剩余模块处于休眠状态，从而降低整体多余功耗。总之，采用多个无线收发射频模块可以使体内各位置采集的图像信息随时发出而不相互影响，同样外部的控制信息也可以同时到达各传感器，达到快速高效的目的；

方案3——所有CMOS图像传感器共用同一个无线收发射频模块。如图9(a)所示，向体外发送图像信息时，经过编码和处理的数据先要经过缓存，按照一定顺序排队才能进入无线收发射频模块完成发送过程；接收控制信息时，从无线收发射频模块下来的信号要首先通过一个主控制模块，以决定该指令应当送往哪个图像传感器。当接受外部控制信号时，该控制模块用来判别控制指令应送往哪个图像传感器，并通过分支电源管理模块停止向闲置的传感器供电；而像外部发送信号时，它又负责控制来自不同传感器信号的排序，依次进入无线收发射频模块。本方案采取单射频收发机复用，有利于降低成本、减小体积以及消除各无线收发射频模块间的串扰。

上述方案中所提到的分支电源管理模块的基本原理电路如图10所示，由图9(a)、9(b)9(c)中主控制单元分别控制传输管(即图10中NMOS和PMOS管的并联结构)的通断，达到给内部电路供电的目的。此模块与电源管理与无线零功耗开关控制模块的区别在于，它详细的区分工作时的每一位置传感器及其对应用电装置，只给处于工作状态的供电；而电源管理与无线零功耗开关控制模块则是主管整个无线摄像装置，在不工作时使其彻底断电。

上述工作电路中的无线收发射频模块的电路原理图如图11所示，它的发射工作流程为：控制单元根据来自信道编码的数字信号D1输出不同的电压来控制压控振荡器的工作频率，产生振荡信号，振荡信号接着送入功率放大器放大为射频信号S1，然后输出，由天线发射出去。信号接收流程为：来自接收天线信号S2通过低噪声放大器放大，送入带通滤波器滤除带外信号；接着通过半波或全波整流器进行半波或全波整流，然后通过低通滤波器进行带内滤波，最后由位定时脉冲T1控制的采样和判决器进行采样判决获得数字信号D2。

本发明实施例中所述的电源管理与无线零功耗开关控制模块中的供电控制电路原理图如图12(a)所示，包括电源恢复电路、能量叠加电路、信号解调电路、指令解码电路、开关驱动电路以及可控开关六个单元电路；其中，

指令解码电路、开关驱动电路和可控开关组成了数字控制电路；

电源恢复电路与天线或电磁感应线圈相联，从接收来的无线信号中分离供电用信号，经过滤波、稳压转换成幅值稳定的直流电压，并作为信号解调电路和开关驱动电路的工作电源；

信号解调电路也与天线或电磁感应线圈相连，它提取接收到的无线调制信号的包络、频率信息，处理后得到基带数字信号，并传送到指令解码电路进行后续处理；

能量叠加电路与电源恢复电路相连，用于综合来自电源恢复电路和供电电池提供的电流，为无线数字式摄像装置提供电压源；

指令解码电路与信号解调电路、能量叠加电路和开关驱动电路相连，将信号解调电路的基带数字信号进行数字解码，得到控制信号，将所述控制信号传输给所述开关驱动电路；

开关驱动电路用于根据所述指令解码电路的控制信号控制可控开关的动作；

可控开关的一端与所述无线数字式摄像装置内的主工作电路相连，另一端与供电电池相连，在所述开关驱动电路的控制信号控制下接通所述无线数字式摄像装置的主工作电路。当来自天线或电磁感应线圈B的控制命令为启动时，开关驱动电路控制开关K导通，主工作电路处于工作状态。此时电源V_dd对主电路以及命令解析与开关驱动模块供电；当来自天线或电磁感应线圈B的控制命令为休眠时，开关驱动电路控制开关K断开，电源V_dd不对主工作电路供电，系统进入休眠状态。无线摄像装置的主电路通过天线或磁感应线圈A接收外部的控制信号，并发射采集到的图像信息。在具体实现时，天线或电磁感应线圈A和B可以合并为同一个，而可控开关K将采用CMOS开关晶体管或者MEMS技术制作。当采用射频信号直接为电路供电时，此原理图简化后的信号通路如图12(b)所示。

本系统中的无线数字式摄像装置的遥控器采用电池供电，其原理图如图13所示，具体工作步骤为：电池通过电源管理模块向其它各电路模块供电；控制模块是整个遥控器的核心控制模块，通过检测工作与休眠开关的导通状态来控制射频模块发射能量信号，该信号上叠加了工作或休眠的控制信号，来控制无线数字式摄像装置的工作与休眠状态；此外，指示灯主要用来指示遥控器当前发送的控制命令信号的类型。用户可通过操作遥控器上的启动或休眠开关，控制射频模块发射不同的指令，实现无线数字式摄像装置内电路的工作或休眠状态。用户还可以通过它选择三种不同的工作方式：第一种是无线数字式摄像装置与便携式无线收发和数据传输装置联合工作方式，摄像装置采集的图像先传送到便携式无线收发和数据传输装置临时存储，待到在检查完毕后，所有数据再一次性下载到计算机上由医生进行后处理和诊断，不影响患者的日常活动；第二种是无线数字式摄像装置和计算机控制与处理装置联合工作方式，医生可实时观察到通过无线电波从内窥镜摄像装置发来的内窥图像，同时还可实时控制无线数字式摄像装置内的各项参数，但病人的活动受限；第三种是无线数字式摄像装置、便携式无线收发和数据传输装置和计算机控制与处理装置联合工作方式，它与第二种方式基本相似，只是由于便携式无线收发和数据传输装置的接收天线阵列具有定位功能，因此其数据比第二种方式的要多包含图像的定位信息。

本系统中还包括一个便携式无线收发和数据传输装置，如图14所示，无线收发和数据传输装置内有一个天线阵列用来接收体内来自于无线数字式摄像装置的图像数据，此数据随即进入与天线相连的无线收发器，经解调后变成数字信号送入信道解码器，解码得到图像数据写入缓存，然后通过信号处理器读出数据，并存入大容量存储体或通过USB或网络接口模块输出到计算机或通过网络接口进入互联网，信号处理器还将对采集来的数据进行处理后，获得定位信息数据与图像数据并一起存入大容量存储体或通过USB或网络接口模块输出S1到计算机。对应于体内多无线收发射频模块的方案，便携式无线收发和数据传输装置中可以并联多个无线收发器，分别接收各传感器送来的图像采集信息，并传送到信道解码器，达到快速并减小相互干扰的目的。

本系统还包括一个计算机控制与处理装置，如图15，由与计算机主机相连接的无线数据收发卡和收发天线组成，可有两种数据接收方式：一种通过天线接收来自无线收发的数字式摄像装置的图像数据，送入外置具有USB输出接口或者内置PCI接口的无线数据收发卡，把解调后的图像数据送入计算机进行处理；另外一种是通过主机直接从便携式无线收发和数据传输装置的USB接口来接收数据，然后在高清晰度的监视器实时显示摄取的体内图像。图16所示为计算机控制与处理装置中的无线收发卡，其基本工作原理为：发射时，从计算机接口获得控制指令C1并存入缓存，发送控制单元和频率综合器共同控制信号发送开关，把控制指令通过收发转换开关由天线发射出去；接收时，从天线接收信号送入低噪声信号放大器放大，再送入混频器降频后送入两路检波器，滤波后进行采样和判决输出数字信号通过计算机接口电路送入计算机。计算机主机能够进行各种原本集成在图像传感器中的控制算法、数字图像处理的功能以及各种医学图像处理的功能，这使得体内部分传感器芯片复杂度得以降低，体积和功耗都得到了优化。

本发明的无线零功耗开关控制可以根据下述三种工作方式中的任何一种来实现：

1)无线零功耗开关控制的无线数字式摄像装置和便携式无线收发和数据传输装置联合工作的方式；

2)无线零功耗开关控制的无线数字式摄像装置和计算机控制与处理装置联合工作的方式；

3)无线零功耗开关控制的无线数字式摄像装置、便携式无线收发和数据传输装置和计算机控制与处理装置联合工作的方式。

本发明实施例中所用到的天线的选择和放置可以两种方式实现：第一种采取微带天线并表贴于柔性PCB板上，其形状如图7a所示。所述的柔性PCB板上为其预留了位置如图1(a)、(b)、(c)所示。这种天线占用体积最小，节省出的电源附近的空间可以用来放置额外的电池，以延长使用时间。第二种方案采取立体形状的天线(比如螺旋形天线)，其摆放位置可以是核心中部与电池相邻的地方(分别如图1(a)、(b)、(c)中给出了天线放置的位置)，也可以是核心外壳的各顶点处。此种天线虽然占据较大的体积，但是收发信号的能力较强，体积和能量供给允许的情况下可以考虑使用。第三种方案是采用1/4波长或偶极子天线，它们均与分布在每个摄像机的周围，如图7(b)，每组天线对应一个图像传感器及射频收发模块，能实现较大的发射功率且容易实现。

本系统实际进行检查时，无线数字式摄像装置处于正常工作状态，并由待检测者吞咽入腹内。具有光滑球形外壳的无线数字式摄像装置通过消化道进入肠胃部，借助于肠胃的蠕动作用通过整个消化道。其间，在感兴趣的部位医生将通过摄像装置遥控器打开照明装置以及摄像装置。由于采用了多摄像机的设计，该图像采集装置将分别在抵达前、经过时和经过后对该部位进行多角度的多次拍摄。这样既可向医生提供充足的图像信息，又最大程度的排除了病变部位由于采集装置经过时的接触或挤压而造成的影响。所有采集的图像都被实时的传送到外部便携式无线收发与数据传输装置或计算机处理装置。因此，图像信息可以实时的展示在显示器上以便观察，医生也可随时控制体内部分，对其各参数进行调整。最终，在无线摄像装置走完整个消化道并完成预期的摄像任务后，由被测者排泄系统排出体外；整个过程对健康无任何危害，且不会造成被测者感到痛苦。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种生物体腔内全视角采集系统，包括在生物体内进行图像采集与处理的无线数字式摄像装置，其特征在于，所述无线数字式摄像装置的外部由一个全透明壳体进行封闭，所述壳体由生物兼容性材料制成且具备球状的外形；

所述无线数字式摄像装置的内部核心部分被柔性PCB板包裹起来做成一个单独的几何体，所述几何体的外表面均匀放置有多个摄像机，通过所述多个摄像机进行全视角图像采集。

2.如权利要求1所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，当所述几何体为球状时，所述多个摄像机分别沿水平和竖直方向过球心的剖面的圆周上以90°为间隔均匀放置；

当所述几何体为正方体时，所述多个摄像机为6个，并分别放置在所述正方体的6个外表面的中心；

当所述几何体为正四面体时，所述多个摄像机为4个，并分别放置在所述正四面体的4个外表面的中心。

3.如权利要求1所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，满足全视角的条件约束为：

当所述几何体为球状时，全视角可见的约束条件为： $d\≥r_0\·\frac{\sqrt{2}}{\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\α}}{2}-\sqrt{2}},$ 其中r₀为球半径，α为摄像机的最大视场角，d为摄像机的物距；

当所述几何体为正方体时，全视角可见的约束条件为： $d\≥\frac{a}{\sqrt{2}\left(\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\α}}{2}-\sqrt{2}\right)},$ 其中，a为正方体的边长，α为摄像机的最大视场角，d为摄像机的物距；

当所述几何体为正四面体时，全视角可见的约束条件为： $d\≥\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{6}\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\α}}{2}-3\sqrt{3}}a,$ 其中，a为任意两摄像机间的距离，α为摄像机的最大视场角，d为摄像机的物距。

4.如权利要求1所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述无线数字式摄像装置内还包括一套发光照明装置，用于为图像采集提供足够的、均匀的照明。

5.如权利要求1所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述每个摄像机内配置有至少2个LED光源，所述LED光源沿光学镜头圆周方向对称放置。

6.如权利要求1所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述几何体的外表面均匀放置有多个LED光源。

7.如权利要求1所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述无线数字式摄像装置的内部核心部分包括图像传感器，所述传感器为一块具有模拟图像处理、图像压缩、无线通信基带处理功能的光电传感器芯片，所述光电传感器芯片的分辨率至少为480×480，且所述光电传感器芯片为数字CMOS或者CCD光电传感器。

8.如权利要求7所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述光电传感器芯片带数字图像处理功能或不带数字图像处理功能。

9.如权利要求1所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述无线数字式摄像装置的内部核心部分还包括电源管理与零功耗开关控制电路，所述电路包括电源恢复电路、能量叠加电路、信号解调电路、指令解码电路、开关驱动电路以及可控开关六个单元电路；

其中，所述指令解码电路、开关驱动电路和可控开关组成了数字控制电路；

所述电源恢复电路与天线或电磁感应线圈相联，从接收来的无线信号中分离供电用信号，经过滤波、稳压转换成幅值稳定的直流电压，并作为信号解调电路和开关驱动电路的工作电源；

所述信号解调电路也与天线或电磁感应线圈相连，它提取接收到的无线调制信号的包络、频率信息，处理后得到基带数字信号，并传送到指令解码电路进行后续处理；

所述能量叠加电路与所述电源恢复电路相连，用于综合来自所述电源恢复电路和供电电池提供的电流，为无线数字式摄像装置提供电压源；

所述指令解码电路与信号解调电路、能量叠加电路和开关驱动电路相连，将所述信号解调电路的基带数字信号进行数字解码，得到控制信号，将所述控制信号传输给所述开关驱动电路；

所述开关驱动电路用于根据所述指令解码电路的控制信号控制可控开关的动作；

可控开关的一端与所述无线数字式摄像装置内的主工作电路相连，另一端与供电电池相连，在所述开关驱动电路的控制信号控制下接通所述无线数字式摄像装置的主工作电路。

10.如权利要求1所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述PCB板为可弯曲的电路载体，且沿所述无线数字式摄像装置的内部核心部分的内表面铺设，所述PCB板上设置有用于放置采集图像的芯片和线路。

11.如权利要求1所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述无线数字式摄像装置的电源为半球状或钮扣状电池，所述电池利用无线射频的电磁波充电。

12.如权利要求1所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述无线数字式摄像装置的电源来自外部的无线射频的电磁波能量。

13.如权利要求1所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述无线数字式摄像装置的天线采用将一定宽度和长度的金属导线绕成螺旋形状；或采用微带天线并嵌于所述PCB板上；或采用1/4波长或偶极子天线，且设置在每个摄像机的周围。

14.如权利要求1所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述系统还包括：

遥控器，用于遥控所述无线数字式摄像装置的工作参数和工作状态。

15.如权利要求14所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述遥控器包括天线、无线收发射频模块、数字控制模块、启动开关、休眠开关、指示灯、电源管理模块和电池；用于实现体外对所述无线数字式摄像装置的各参数的实时控制，以及选择工作状态。

16.如权利要求1所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述系统还包括：

无线收发与数据传输装置，用于接收并处理所述无线数字式摄像装置输出的图像数据，输出处理后的图像数据。

17.如权利要求16所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述无线收发与数据传输装置包括：

无线收发和数据传输装置内有一个天线阵列，用于来接收体内来自于无线数字式摄像装置的图像数据；

与天线相连的无线收发器，用于接收来自所述天线的图像数据，并对所述数据进行解调，转换为数字信号；

信道解码器，用于接收所述无线收发器解调后的数字信号，对所述数字信号进行解码，得到图像数据，将所述图像数据写入缓存；

缓存，用于缓存所述图像数据；

信号处理器，用于读出所述缓存中的图像数据，并存入大容量存储体或通过USB接口模块输出到计算机或通过网络接口模块输出到互联网。

18.如权利要求14所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述系统还包括：

计算机控制与处理装置，用于接收并处理所述无线收发与数据传输装置输出的图像数据和用户控制指令。

19.如权利要求1所述的生物体腔内全视角采集系统，其特征在于，所述系统还包括：

计算机控制与处理装置，用于接收并处理所述无线数字式摄像装置输出的图像数据和用户控制指令。

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