徐建省 張亞男 劉波 李杰 楊岑玉 王金光 宋濤

1 中國科學(xué)院電工研究所 （北京 100190）

2 武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 （武漢 430081）

0.前言

傳統(tǒng)的胃腸鏡等消化道檢查會給患者帶來極大的不適和痛苦，已經(jīng)不能滿足人們的需求。許多患者因?yàn)榭謶侄艞墮z查，使得疾病的診斷更為復(fù)雜和困難。同時為了提高消化道疾病的檢查效率，能夠進(jìn)入人體消化道的膠囊內(nèi)窺鏡應(yīng)運(yùn)而生[1～6]。膠囊內(nèi)窺鏡是一種類似膠囊形狀的微機(jī)器人，可通過吞服的方式進(jìn)入人體消化道，在消化道內(nèi)采集圖像信息并通過無線方式傳出體外，外部圖像接收系統(tǒng)將圖像接收后顯示在計算機(jī)上供醫(yī)生診斷，醫(yī)生通過圖像能夠更加仔細(xì)地對人體全消化道進(jìn)行觀察與判斷。用膠囊內(nèi)窺鏡來進(jìn)行消化道疾病的診斷，不僅可以減輕患者的痛苦，而且可以對整個消化道進(jìn)行全面的檢查，是未來進(jìn)行消化道疾病診斷乃至治療的方向。2001 年以色列的Given Imaging 公司推出一款M2A 無線內(nèi)窺鏡消化道檢測系統(tǒng)，已用于臨床使用[7,8]，其直徑11mm，長30mm，采用紐扣電池供電，每秒可以采集2 幀圖像，工作時間可達(dá)8 小時。2004年中國金山科技公司推出了“OMOM”膠囊內(nèi)窺鏡微機(jī)器人，能夠以每秒2 幀的圖像采集速度對消化道內(nèi)壁進(jìn)行拍攝，機(jī)器人的直徑為11mm，長為26mm[9,10].

盡管現(xiàn)在已經(jīng)有了膠囊內(nèi)窺鏡，但除了其使用成本昂貴外，其功能還有需要完善的地方。比如大多數(shù)還是被動型運(yùn)動，該膠囊由口服吞下后，在體內(nèi)的運(yùn)動不受外部控制，依賴于胃腸道的蠕動和收縮而向前推進(jìn)，無法主動控制其拍照角度、位置等。這樣使得很容易錯過病灶部位，或者醫(yī)生很難對懷疑部位進(jìn)行仔細(xì)觀察。因?yàn)榇蠖鄶?shù)膠囊內(nèi)窺鏡自然通過消化道的時間較長，不易做到實(shí)時拍照診斷，現(xiàn)在采用的方式還是先記錄后診斷的方法，也就是先將拍攝的圖像存儲下來，等完成整個消化道的檢查之后醫(yī)生觀看錄像后進(jìn)行診斷。另外圖像采集質(zhì)量和傳輸速率受到環(huán)境的影響較大，體積和功耗也不斷需要改進(jìn)。

針對目前臨床上使用的膠囊內(nèi)窺鏡無法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的問題，我們借鑒趨磁細(xì)菌的運(yùn)動方式, 提出了一種主動螺旋推進(jìn)結(jié)合外磁場導(dǎo)向控制的主動型膠囊微型機(jī)器人[11～14]。其尾部用螺旋槳或者柔性條帶，推進(jìn)微型機(jī)器人運(yùn)動。其內(nèi)部的永磁塊, 通過與體外導(dǎo)向磁場的相互作用控制其運(yùn)動方向。針對改善獲得圖像質(zhì)量的方面，我們采用數(shù)字?jǐn)z像頭并通過2.4G 無線通道進(jìn)行傳輸[6,15～16]。該方法在一定程度上使膠囊微機(jī)器人具有主動性，為新一代的膠囊內(nèi)窺鏡機(jī)器人提供了一條可行方案。

1.系統(tǒng)設(shè)計

我們提出的主動型膠囊內(nèi)窺鏡機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。該系統(tǒng)主要包括膠囊內(nèi)窺鏡微機(jī)器人本體和體外的定位控制子系統(tǒng)、圖像接收顯示子系統(tǒng)。

圖 1. 主動型膠囊微型整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

膠囊微機(jī)器人的頭部為半球形透明罩，下面依次為LED 燈（此處未畫出）、磁塊、攝像頭、無線通信控制模塊、電池、電機(jī)、螺旋槳。其中通信模塊也是膠囊內(nèi)窺鏡機(jī)器人的控制單元，它一方面負(fù)責(zé)啟動攝像頭拍攝圖像，獲取攝像頭圖像數(shù)據(jù)并通過無線方式發(fā)送到體外；另一方面它接收外部的電機(jī)控制指令，控制電機(jī)的啟停及轉(zhuǎn)動速度，電機(jī)帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)從而控制膠囊的運(yùn)動速度。其體內(nèi)的磁塊沿軸向磁化，在外部導(dǎo)向磁場的作用下控制膠囊的運(yùn)動方向。

定位系統(tǒng)負(fù)責(zé)獲得膠囊內(nèi)窺鏡當(dāng)前的位置，供控制系統(tǒng)使用。控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)規(guī)劃膠囊內(nèi)窺鏡微機(jī)器人的運(yùn)動路徑，控制外部導(dǎo)向磁場的方向，給出控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的合適的指令等，從而控制膠囊內(nèi)窺鏡微機(jī)器人的運(yùn)動速度、運(yùn)動方向及啟停膠囊的攝像功能等。

圖像接收顯示系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收從膠囊微機(jī)器人傳回的圖像數(shù)據(jù)，將拍攝所得的圖像實(shí)時顯示在電腦屏幕上供醫(yī)生診斷，同時也可將圖像存儲供醫(yī)生隨后進(jìn)行診斷。

2.系統(tǒng)構(gòu)成

我們的工作分為兩個部分進(jìn)行，一部分是實(shí)現(xiàn)對膠囊內(nèi)窺鏡機(jī)器人主動運(yùn)動控制功能；另一部分是實(shí)現(xiàn)圖像獲取與無線傳輸部分。

2.1 運(yùn)動控制功能實(shí)現(xiàn)

2.1.1 膠囊內(nèi)窺鏡微機(jī)器人

我們構(gòu)造的膠囊內(nèi)窺鏡微機(jī)器人模型包括以下部分：外殼、永磁塊、射頻接收電路、微電機(jī)、鈕扣電池和螺旋槳。微型機(jī)器人外殼的頭部為半球形，下部為腔體，腔體內(nèi)放置永磁塊，射頻接收電路，電機(jī)和電池。外殼底部有一個軸向通孔，電機(jī)通過軸向通孔與螺旋槳固連。機(jī)殼表面采用具有生物相容性的醫(yī)用材料包覆，射頻接收模塊用于接收外部的脈沖信號，控制微型機(jī)器人的啟動、停止以及推進(jìn)速度。鈕扣電池為微型機(jī)器人體內(nèi)的電路和微型電機(jī)提供電源。我們研制的膠囊內(nèi)窺鏡微型機(jī)器人樣機(jī)如圖 2 所示，其直徑為12mm，長度約為40mm，尾部為螺旋槳。

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2.1.2 控制系統(tǒng)

外部控制系統(tǒng)以一臺計算機(jī)為核心，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。計算機(jī)通過DA 卡控制PWM 模塊產(chǎn)生適當(dāng)占空比的PWM 波，通過射頻發(fā)射模塊調(diào)制后發(fā)出。當(dāng)膠囊內(nèi)窺鏡機(jī)器人收到攜帶PWM 波的射頻信號后，經(jīng)過解調(diào)控制內(nèi)部電機(jī)啟停、改變轉(zhuǎn)速等。計算機(jī)上裝有串口擴(kuò)展卡，分別用于控制三個電源的電流，使得三對亥姆霍茲線圈中產(chǎn)生指定大小和方向的導(dǎo)向磁場，從而控制膠囊微型機(jī)器人的運(yùn)動方向。實(shí)際構(gòu)造的系統(tǒng)如圖 4 所示。

2.1.3 定位系統(tǒng)

圖 2. 主動型膠囊內(nèi)窺鏡機(jī)器人

圖 3. 膠囊機(jī)器人體外控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖 4. 磁場調(diào)控系統(tǒng)

圖 5. 膠囊內(nèi)窺鏡微機(jī)器人磁定位系統(tǒng)示意圖

要對膠囊機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動控制，首先要獲得其當(dāng)前位置及姿態(tài)。我們在系統(tǒng)設(shè)計中采用多傳感器磁定位方法。在膠囊內(nèi)窺鏡微機(jī)器人運(yùn)動空間的周圍放置多個磁傳感器，通過多個傳感器所獲得的信號，經(jīng)過一定的算法處理得到膠囊內(nèi)窺鏡微機(jī)器人當(dāng)前的位置和姿態(tài)。我們設(shè)計的膠囊內(nèi)窺鏡機(jī)器人定位系統(tǒng)如圖 5 所示。

2.1.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（1）速度控制

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過改變PWM 信號占空比來改變膠囊內(nèi)窺鏡微機(jī)器人運(yùn)動速度可行性。實(shí)驗(yàn)得到的微型機(jī)器人運(yùn)動速度和PWM 信號占空比的關(guān)系如圖 6 所示，圖中小方框?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)線為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線。從圖中可以看出, 微型機(jī)器人的運(yùn)行速度也隨著方波占空比的增加呈單調(diào)的遞減， 從而可以通過改變PWM 波占空比的方法來改變微型機(jī)器人的行進(jìn)速度。

圖6. PWM 波占空比與膠囊內(nèi)窺鏡微機(jī)器人速度

圖 7. 轉(zhuǎn)彎運(yùn)行軌跡

圖8. 圖像采集無線傳輸子系統(tǒng)

（2）轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)

我們在一個透明玻璃槽中進(jìn)行了微型機(jī)器人轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動實(shí)驗(yàn)。設(shè)起始時微型機(jī)器人的重心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時先加入平行于X 軸的均勻磁場，發(fā)射方波信號，使微型機(jī)器人運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行到200mm 時, 將外部導(dǎo)向磁場旋轉(zhuǎn)90 度與y軸平行。膠囊微型機(jī)器人在導(dǎo)向磁場的作用下完成轉(zhuǎn)向動作，其重心的運(yùn)動軌跡如圖 7 所示，圖中“□” 為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膠囊內(nèi)窺鏡機(jī)器人可以在導(dǎo)向磁場的作用下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

2.2 圖像無線采集功能實(shí)現(xiàn)

膠囊內(nèi)窺鏡微機(jī)器人需要進(jìn)行圖像采集并無線傳輸，為了提高所獲得圖像的質(zhì)量并提高圖像傳輸?shù)目垢蓴_性能，我們選用帶數(shù)據(jù)壓縮功能的OV 系列數(shù)字圖像傳感器， 和2.4G 無線收發(fā)模塊。選擇的OV 圖像傳感器具有自動圖像控制功能，包括自動曝光控制，自動增益控制，自動白平衡，自動帶通濾波，自動黑電平校正。OV 系列帶壓縮功能的圖像傳感器可以直接輸出壓縮的JPEG 格式圖像，從而可以大大降低所需要傳送圖像文件的大小，但可以滿足對圖像要求不是非常高的場合。選擇的2.4G 無線收發(fā)模塊其特點(diǎn)是體積小，功耗低，抗干擾性強(qiáng)。

系統(tǒng)構(gòu)成的原理框圖如圖8 所示。系統(tǒng)主要包括兩個子系統(tǒng)：圖像采集與無線發(fā)送子系統(tǒng)，圖像無線接收子系統(tǒng)。前者主要包括：攝像頭模塊和無線傳輸模塊，后者主要包括無線收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。

接收部分我們采用無線接收模塊接收到圖像數(shù)據(jù)，然后上傳到PC 機(jī)供醫(yī)生實(shí)時診斷。本文中我們主要介紹圖像的采集和無線發(fā)送部分。

2.2.1 圖像采集過程

我們選擇的無線模塊內(nèi)部具有MCU，可通過串行相機(jī)控制總線設(shè)置OV 攝像芯片的內(nèi)部寄存器，從而設(shè)定其工作模式，并能控制其工作狀態(tài)。在需要拍照時，MCU 啟動OV 攝像芯片開始拍照，并讀取圖像數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送。在不需要拍照時使其進(jìn)入睡眠或者低功耗模式，以降低整個系統(tǒng)的功耗。 圖像采集部分的流程圖如圖9所示。主要包括無線模塊初始化、攝像芯片配置程序、定時啟動拍照，MCU 中斷接收數(shù)據(jù)程序等。圖像數(shù)據(jù)的讀取和傳輸主要在MCU 的中斷程序中處理。我們設(shè)計的實(shí)物模型如圖 10 所示。

圖9. 圖像采集及無線發(fā)送流程

圖 10. 圖像采集實(shí)物模型

圖 11. 水下拍攝的圖像

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們模擬人體消化道環(huán)境，在黑暗環(huán)境下，將啟動工作后的膠囊內(nèi)窺鏡機(jī)器人放入水中進(jìn)行測試，水下拍攝手掌上的黑點(diǎn)，得到圖像如圖11 所示。通過圖像可以清楚地看到手掌上的紋路和黑點(diǎn)，圖像拍攝速率可以達(dá)到每秒兩幅CIF(352×288)圖像。

分析圖像采集速度受限原因有兩個方面。其一是無線傳輸模塊的空中傳輸速率。另一方面，無線模塊中MCU 獲取圖像芯片圖像數(shù)據(jù)速度受限。

3.結(jié)論

針對目前膠囊內(nèi)窺鏡產(chǎn)品中存在的被動運(yùn)動及圖像采集易受干擾的不足，本文給出了一種主動型膠囊內(nèi)窺鏡微機(jī)器人的設(shè)計方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方案的可行性。通過實(shí)物模型實(shí)現(xiàn)了膠囊機(jī)器人的運(yùn)動控制，并從原理上驗(yàn)證了

通過微攝像芯片獲取圖像的可行性。下一步我們將進(jìn)行整體設(shè)計，實(shí)現(xiàn)主動型膠囊內(nèi)窺鏡機(jī)器人，為下一代臨床的膠囊內(nèi)窺鏡微機(jī)器人提供一個可行方案。

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