CN114171884A - 胶囊天线及胶囊内窥镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种胶囊天线及胶囊内窥镜，该胶囊天线包括天线本体，天线本体包括柔性介质基板，柔性介质基板上设置有螺旋全向胶囊天线、天线馈线以及馈电电极，螺旋全向胶囊天线通过天线馈线与馈电电极的一端接触，馈电电极的另一端与印刷电路板电连接，以此能够通过柔性材料和螺旋天线结构的方式实现缩小天线尺寸及增大带宽的目的，不仅体积小、灵活可变，而且节省了占用空间，也大幅提高了频率漂移的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及生物医疗技术领域，尤其涉及一种胶囊天线及胶囊内窥镜。
背景技术
在医疗设备领域，由于胶囊胃镜相比于传统胃镜具有无痛无创、操作方便、观测全面及还原真实等优点，使得胶囊胃镜在临床上已经得到患者认可，进而也使得胶囊胃镜已经得到广泛应用。
相关技术中，在人体内工作的无线胶囊内窥镜通常采用1/4波长的电小单极子天线，由于电小单极子天线的带宽窄，不能很好应付因人体内部复杂多变的环境产生的频率飘移，从而导致人体外部的无线接收装置均采用多个天线接收，不仅性能不稳定而且成本很高。
发明内容
本发明提供一种胶囊天线及胶囊内窥镜，用以解决现有技术中无线胶囊内窥镜中使用1/4波长的电小单极子天线而导致的人体内部产生的频率漂移效应的缺陷，实现通过柔性材料及螺旋天线结构的方式达到增大天线带宽且大幅度提高频率漂移鲁棒性的目的。
本发明提供一种胶囊天线，包括天线本体，所述天线本体包括柔性介质基板，所述柔性介质基板上设置有螺旋全向胶囊天线、天线馈线以及馈电电极，所述螺旋全向胶囊天线通过所述天线馈线与所述馈电电极的一端接触，所述馈电电极的另一端与印刷电路板电连接。
根据本发明提供的胶囊天线，所述螺旋全向胶囊天线采用平面螺旋结构且折叠式安装于所述柔性介质基板上。
根据本发明提供的胶囊天线，所述印刷电路板上设置有照明模块、镜头模块、图像处理模块、电源管理模块、电池模块及射频收发电路板。
根据本发明提供的胶囊天线，所述螺旋全向胶囊天线、所述天线馈线、所述馈电电极以及所述射频收发电路板通过PCB加工工艺成型于胶囊外壳内。
根据本发明提供的胶囊天线，所述螺旋全向胶囊天线与所述射频收发电路板之间粘结有介质填充物，并且所述螺旋全向胶囊天线与所述射频收发电路板之间平行设置。
根据本发明提供的胶囊天线，所述介质填充物包括高介电常数材料，并且所述介质填充物的厚度范围为2～5mm。
根据本发明提供的胶囊天线，所述柔性介质基板为0.5～0.15mm厚度的聚酰亚胺材质，所述螺旋全向胶囊天线与胶囊外壳的底部之间的空间间距为1～3mm。
根据本发明提供的胶囊天线，所述射频收发电路板上设置有馈电匹配电路，所述馈电匹配电路通过所述馈电电极与所述螺旋全向胶囊天线接触。
根据本发明提供的胶囊天线，所述射频收发电路板、所述电源管理模块、所述图像处理模块以及所述照明模块分别设置于硬性PCB基板上。
本发明还提供一种胶囊内窥镜，包括胶囊外壳、设置在所述胶囊外壳内的印刷电路板以及与所述印刷电路板电连接的如上述任一种所述的胶囊天线。
本发明提供的胶囊天线及胶囊内窥镜，该胶囊天线包括天线本体，所述天线本体包括柔性介质基板，所述柔性介质基板上设置有螺旋全向胶囊天线、天线馈线以及馈电电极，所述螺旋全向胶囊天线通过所述天线馈线与所述馈电电极的一端接触，所述馈电电极的另一端与印刷电路板电连接，以此能够通过柔性材料和螺旋天线结构的方式实现缩小天线尺寸及增大带宽的目的，不仅体积小、灵活可变，而且节省了占用空间，也大幅提高了频率漂移的鲁棒性；进一步的，由于胶囊内窥镜包括胶囊外壳、设置在所述胶囊外壳内的印刷电路板以及与所述印刷电路板电连接的胶囊天线，因此也能够有效缩小使用胶囊天线的胶囊内窥镜内的体积，降低使用者的不适感，从而提高检测结果传输的准确性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的胶囊天线的平面结构示意图；
图2是本发明提供的进行PCB加工工艺的示意图；
图3是本发明提供的胶囊内窥镜的结构示意图；
图4是本发明提供的使用胶囊内窥镜执行检测的场景示意图；
图5是本发明提供的含有胶囊天线的胶囊内窥镜放置于人体模型环境下时所得到的胶囊天线的仿真结果曲线图。
附图标记：
1：胶囊外壳； 21：照明模块； 22：镜头模块；
23：图像处理模块； 24：电源管理模块； 25：电池模块；
26：射频收发电路板； 27：馈电匹配电路； 31：柔性介质基板；
32：螺旋全向胶囊天线； 33：天线馈线； 34：馈电电极；
35：介质填充物。
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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，移动医疗技术的发展促使无线内窥镜技术的快速发展与应用，而天线作为人体内无线内窥镜与人体外无线接收设备连接的关键器件，影响着图像医学信号的传输，性能优良的无线内窥镜天线将极大提升整个无线医疗图传系统的安全性和可靠性。
然而，当前市面上无线胶囊内窥镜多采用1/4波长的单极子折线电小尺寸天线，这使得人体外部的无线接收装置需采用多个天线接收，不仅性能不稳定而且成本很高。并且，1/4波长的单极子折线电小尺寸天线的带宽窄、辐射电阻极低、天线效率低下，甚至也不能很好地应付因人体内部复杂多变的环境产生的天线谐振频率飘移，导致天线增益起伏过大且信号强度起伏过大时，信号强度小于外部接收装置灵敏度的几率将大幅上升，导致丢图率上升。
虽然现有无线胶囊系统中，人体外部的无线接收装置均采用多个天线，且多个天线放置在人体的不同位置接收，并通过算法选择最强一路天线信号作为传输信道，可适度提升无线信号传输的鲁棒性。但却导致成本提高，结构复杂，因此并不能从本质上改变因胶囊内窥镜天线的低带宽、低信号鲁棒性随着人体复杂多变环境而引起的天线谐振频率飘移，也并不能大幅降低丢图率。
因此，基于上述问题，本发明提供一种胶囊天线，如图1所示，该胶囊天线包括天线本体，天线本体包括柔性介质基板31，柔性介质基板31上设置有螺旋全向胶囊天线32、天线馈线33以及馈电电极34，螺旋全向胶囊天线32通过天线馈线33与馈电电极34的一端接触，馈电电极34的另一端与印刷电路板电连接。
可选的，螺旋全向胶囊天线32采用平面螺旋结构且折叠式安装于柔性介质基板31上。
具体的，螺旋全向胶囊天线32是一种柔性倒F型(IFA)电小全向胶囊天线，也是用于433MHz的柔性电小螺旋顶加载全向胶囊天线，其采用柔性材料以及平面螺旋天线结构折叠安装于柔性介质基板31上。螺旋全向胶囊天线32采用了IFA结构，并通过顺时针外螺旋结构(曲流技术)延长电流路径，既减小了天线尺寸，也提高了全向辐射能力。
可选的，印刷电路板上设置有照明模块21、镜头模块22、图像处理模块23、电源管理模块24、电池模块25及射频收发电路板26以及与胶囊内窥镜具体功能相关的其它模块。
具体的，照明模块21为镜头模块22执行拍照工作时提供照明功能；镜头模块22用于拍照；图像处理模块23用于将镜头模块22拍摄的图片处理为一定频率的高频信号(比如433MHz的高频信号)，也用于控制照明模块21、镜头模块22、电源管理模块24、电池模块25和射频收发电路板26的工作状态，以及用于处理接收的胶囊内窥镜检测到的信息并发送至外部的智能设备；电源管理模块24用于根据拍照指令控制开启照明模块21及控制开启镜头模块22，以达到省电及降低功耗的目的，拍照指令可以预设的拍照时刻自动生成拍照指令，也可以根据接收到的拍照请求生成拍照指令，此处不作具体限定。电池模块25为印刷电路板提供电能，保证各模块都能够正常运作；射频收发电路板26，用于接收和发射一定频率的高频信号。
可选的，如图2所示，螺旋全向胶囊天线32、天线馈线33、馈电电极34以及射频收发电路板26通过印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)加工工艺成型于胶囊外壳内的结果如图2所示，在图2中，(a)为螺旋全向胶囊天线32、天线馈线33、馈电电极((a)中未示出)以及射频收发电路板26通过PCB加工工艺成型的平面图，(b)为螺旋全向胶囊天线、天线馈线、馈电电极以及射频收发电路板通过PCB加工工艺成型于胶囊外壳内的立体图。
具体的，螺旋全向胶囊天线32、天线馈线33、馈电电极34均为柔性材料制成，且其整体均采用柔性材料作为柔性基板，介质基板的厚度为0.1mm、直径为9mm，其中螺旋全向胶囊天线32的柔性基板直接为6～9mm，射频收发电路板26的整体采用硬性材质作为硬性基板，因此对螺旋全向胶囊天线32、天线馈线33、馈电电极34以及射频收发电路板26通过PCB加工工艺，实质上是对螺旋全向胶囊天线32、天线馈线33、馈电电极34以及射频收发电路板26通过刚柔结合的方式进行一次刚柔PCB加工工艺处理，从而使其成型于胶囊外壳内，实现充分利用硬性基板和柔性材料的优势达到折叠装配、装配简单且成本低的目的。
需要说明的是，PCB又可称为印刷线路板，既是重要的电子部件，也是电子元器件的支撑体，以及电子元器件电气相互连接的载体。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。
可选的，螺旋全向胶囊天线32与射频收发电路板26之间粘结有介质填充物35，并且螺旋全向胶囊天线32与射频收发电路板26之间平行设置。具体的，由于螺旋全向胶囊天线32采用柔性材料及平面螺旋结构，因此通过折叠安装后，螺旋全向胶囊天线32与射频收发电路板26之间通过高介电常数介质材料作为介质填充物35，且螺旋全向胶囊天线32与射频收发电路板26保持平行时，利用螺旋结构本身的加载特性和介质填充物35的高介电常数特性来缩小电长度，降低Q值，来达到缩小天线尺寸，提高带宽的目的。
可选的，介质填充物35包括高介电常数材料，并且所述介质填充物35的厚度范围为2～5mm。具体的，高介电常数材料是指介电常数高于SiO2的材料，SiO2的介电常数为3.7，高介电常数材料主要有钛矿相结构的钛酸钡系材料和钛酸铅系材料。
可选的，柔性介质基板31为0.5～0.15mm厚度的聚酰亚胺材质，螺旋全向胶囊天线32与胶囊外壳的底部之间的空间间距为1～3mm。具体的，螺旋全向胶囊天线32与胶囊外壳的底部保持1～3mm的空间间距，使得螺旋全向胶囊天线32不要紧贴胶囊外壳的底部，避免造成用户感到不适；此外，螺旋全向胶囊天线32与射频收发电路板26之间填充加载高介电常数材料用于增加天线带宽，高介电常数材料的厚度为2～5mm。
可选的，射频收发电路板26上设置有馈电匹配电路27，馈电匹配电路27通过馈电电极34与螺旋全向胶囊天线32接触。具体的，馈电匹配电路27是低Q值匹配电路，并且，由于Q值是衡量电感器件的主要参数，是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比，电感器件的Q值越高，其损耗越小，效率越高，并且Q＝f/BW，f为频率，B为带宽，W为角频率。因此，在螺旋全向胶囊天线32因其自身的平面螺旋结构使其尺寸缩小且增大带宽的基础之上，馈电匹配电路27也因其为低Q值匹配电路也能够进一步增大带宽。因此，通过本发明提供的胶囊天线能够应对人体内部复杂的环境(比如人体内部不同的人体组织介电常数起伏很大)引起的频率飘移。
可选的，射频收发电路板26、电源管理模块24、图像处理模块23以及照明模块21分别设置于硬性PCB基板上。
具体的，镜头模块22设置在照明模块21的中央位置，照明模块21的整体采用硬性材质作为硬性基板，图像处理模块23的整体采用硬性材质作为硬性基板，以及电源管理模块24的整体也采用硬性材质作为硬性基板，照明模块21的硬性基板、图像处理模块23的硬性基板、电源管理模块24的硬性基板以及射频收发电路板26的硬性基板均为硬性PCB基板的一部分。并且，射频收发电路板26的硬性基板与电源管理模块24的硬性基板之间通过信号连接线连接，电源管理模块24的硬性基板与图像处理模块23的硬性基板之间通过信号连接线连接，图像处理模块23的硬性基板与照明模块21的硬性基板之间也通过信号连接线连接，并且每个信号连接线的整体采用柔性材质作为柔性基板，以便于折叠。
本发明提供的胶囊天线及胶囊内窥镜，该胶囊天线包括天线本体，所述天线本体包括柔性介质基板，所述柔性介质基板上设置有螺旋全向胶囊天线、天线馈线以及馈电电极，所述螺旋全向胶囊天线通过所述天线馈线与所述馈电电极的一端接触，所述馈电电极的另一端与印刷电路板电连接，也即胶囊天线采用柔性材料以及螺旋天线结构，并通过介质加载和馈电匹配电路以及顺时针外螺旋曲流方式拓展带宽，缩小尺寸，大幅提高频率飘移的鲁棒性，并可与射频收发电路板通过柔性材料进行一次性加工，无需焊接，不仅体积小、灵活可变，而且节省了占用空间，也大幅提高了频率漂移的鲁棒性从而实现了增大天线带宽且大幅度提高频率漂移鲁棒性的目的。进一步的，由于胶囊内窥镜包括胶囊外壳、设置在所述胶囊外壳内的印刷电路板以及与所述印刷电路板电连接的胶囊天线，因此也能够有效缩小使用胶囊天线的胶囊内窥镜内的体积，降低使用者的不适感，不仅传导频率的稳定性高，而且信号传输效果也良好，从而大大提高了检测结果传输的准确性和可靠性。
下面对本发明提供的胶囊内窥镜进行描述，下文描述的胶囊内窥镜中所使用的胶囊天线与上文描述的胶囊天线可相互对应参照。
图3示例了一种胶囊内窥镜，由图3所示，该胶囊内窥镜，包括胶囊外壳1、设置在胶囊外壳内的印刷电路板以及与印刷电路板电连接的如前文所述的胶囊天线。进一步的，胶囊外壳1为类似于胶囊形状的壳体，用于装载和保护相应的模块，印刷电路板固定在胶囊外壳1的内部且具备检测和传输的作用，印刷电路板与胶囊天线电连接，用于向外界智能设备发送检测信息。
具体的，如图3所示，印刷电路板上设置有照明模块21、镜头模块22、图像处理模块23、电源管理模块24、电池模块25及射频收发电路板26以及与胶囊内窥镜具体功能相关的其它模块。其中，射频收发电路板26与螺旋全向胶囊天线32之间填充加载有包括高介电常数材料的介质填充物35，螺旋全向胶囊天线32采用平面螺旋结构且折叠式安装于柔性介质基板31上，柔性介质基板31上设置有螺旋全向胶囊天线32、天线馈线33以及馈电电极34，螺旋全向胶囊天线32通过天线馈线33与馈电电极34的一端接触，馈电电极34的另一端与印刷电路板电连接，射频收发电路板26上设置有馈电匹配电路27。
需要说明的是，胶囊内窥镜的工作原理可以为：在电池模块25为印刷电路板提供电能且印刷电路板上的各个模块正常工作时，电源管理模块24基于接收的拍照指令，控制启动照明模块21执行照明操作，以及控制且镜头模块22执行拍照操作，所拍摄的照片进入图像处理模块23中进行图像处理，以使将图像数据处理为高频信号(比如433MHz的射频信号)，然后高频信号再进一步将经由射频收发电路板26上的馈电匹配电路27以及馈电电极34传输至螺旋全向胶囊天线32，最终通过螺旋全向胶囊天线32将该高频信号辐射出去。
进一步的，如图4所示，使用本发明提供的胶囊内窥镜进行检测时，需要人喝足够的水，然后再吞服胶囊，此时胶囊内窥镜在人体内所处的环境介质为水，但随着时间的推移水量会逐渐减小或者人体体位发生变换时，胶囊内窥镜则有可能暴露于胃中的空气区域，而将本发明提供的含有胶囊天线的胶囊内窥镜放置于人体模型环境下时所得到的胶囊天线的仿真结果如图5所示，在图5中，parameter plot指代参数图，Freq指代频率(单位为MHz)；HFSSDesign指代HFSS设计，ANSYS指代美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，Curve info指代曲线信息，Setup指代求解频率的精度，Sweep指代求解频率的扫描范围。从图5所显示的人体模型环境下胶囊天线仿真结果可以看出，在发射参数S(1，1)小于等于-5dB时带宽为49.48M，其中发射参数在射频领域中通常用S参数指标表示，比如图5中的S(1，1)，用于表征天线的工作带宽。进一步的，在发射参数S(1，1)小于等于-5dB时带宽不仅为49.48M，而且胶囊天线的最优工作频点为434MHz，因此在胶囊内窥镜进行工作过程中，优选螺旋全向胶囊天线32为用于433MHz的柔性电小螺旋顶加载全向胶囊天线，该螺旋全向胶囊天线32在全向辐射时不同位置的接收设备都可接收到稳定的信号，有效避免了定向辐射时只能在特定方向上才有信号、其它方向信号很弱的缺陷。因此，该螺旋全向胶囊天线32符合无线内窥镜图传技术要求，外部接收装置正常接收到的信号强度位于-26dbm～-40dbm区间，极端环境(比如类似于人体胃内充满水和充满空气的低概率环境)信号强度位于-50dbm～66dbm区间，符合无线胶囊内窥镜图传要求。
在实际处理过程中，将本发明提供的胶囊内窥镜分别放置于人体胃内充满水和充满空气两种介质的极端场景下通过高频结构仿真(High Frequency StructureSimulator，HFSS)进行有限元建模仿真，比如将含有胶囊天线的胶囊内窥镜位于水量不足且充满空气的人体胃内以及将含有胶囊天线的胶囊内窥镜位于充满水的人体胃内时，含有胶囊天线的胶囊内窥镜位于水量不足且充满空气的人体胃内时的天线远场辐射增益为-40.8dB，含有胶囊天线的胶囊内窥镜位于充满水的人体胃内时的天线远场辐射增益为-38dB，其增益差值为2.8dB，也即将本发明提供的胶囊内窥镜放置于胃内充满水和充满空气时两种介质极端环境差异时的远场辐射增益之差比较小；而市面传统胶囊增益跳变均大于20dB，因此本发明提供的胶囊天线能够适应人体复杂环境引起的频率飘移，大幅降低因人体环境介质的突变而引起天线增益的剧烈跳变。
本发明提供的胶囊天线采用柔性材料以及螺旋天线结构，并通过介质加载和馈电匹配电路以及顺时针外螺旋曲流方式拓展带宽，缩小尺寸，大幅提高了频率飘移的鲁棒性，并能够与射频收发电路板通过柔性材料进行一次性加工，无需焊接，从而能够较大幅度提高无线胶囊内窥镜传输信号的带宽和减小因人体内部复杂多变环境产生的频率飘移效应，具有良好的鲁棒性；进一步的，通过在模拟人体环境和实际临床测试下的实测数据能够使其有效带宽达到50MHz(418-467M)，并且远场辐射增益在-28dbm至-39dbm范围内波动，完全满足人体外部单天线无线接收装置稳定可靠的图像传输。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种胶囊天线，其特征在于，包括天线本体，所述天线本体包括柔性介质基板，所述柔性介质基板上设置有螺旋全向胶囊天线、天线馈线以及馈电电极，所述螺旋全向胶囊天线通过所述天线馈线与所述馈电电极的一端接触，所述馈电电极的另一端与印刷电路板电连接。
2.根据权利要求1所述的胶囊天线，其特征在于，所述螺旋全向胶囊天线采用平面螺旋结构且折叠式安装于所述柔性介质基板上。
3.根据权利要求1所述的胶囊天线，其特征在于，所述印刷电路板上设置有照明模块、镜头模块、图像处理模块、电源管理模块、电池模块及射频收发电路板。
4.根据权利要求3所述的胶囊天线，其特征在于，所述螺旋全向胶囊天线、所述天线馈线、所述馈电电极以及所述射频收发电路板通过PCB加工工艺成型于胶囊外壳内。
5.根据权利要求3所述的胶囊天线，其特征在于，所述螺旋全向胶囊天线与所述射频收发电路板之间粘结有介质填充物，并且所述螺旋全向胶囊天线与所述射频收发电路板之间平行设置。
6.根据权利要求5所述的胶囊天线，其特征在于，所述介质填充物包括高介电常数材料，并且所述介质填充物的厚度范围为2～5mm。
7.根据权利要求1所述的胶囊天线，其特征在于，所述柔性介质基板为0.5～0.15mm厚度的聚酰亚胺材质，所述螺旋全向胶囊天线与胶囊外壳的底部之间的空间间距为1～3mm。
8.根据权利要求3所述的胶囊天线，其特征在于，所述射频收发电路板上设置有馈电匹配电路，所述馈电匹配电路通过所述馈电电极与所述螺旋全向胶囊天线接触。
9.根据权利要求3所述的胶囊天线，其特征在于，所述射频收发电路板、所述电源管理模块、所述图像处理模块以及所述照明模块分别设置于硬性PCB基板上。
10.一种胶囊内窥镜，其特征在于，包括胶囊外壳、设置在所述胶囊外壳内的印刷电路板以及与所述印刷电路板电连接的如权利要求1-9任一项所述的胶囊天线。
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