胶囊内窥镜系统无线通信技术研究

摘要

传统的消化道疾病诊断是使用机械式内插管强行进入患者体内进行检查的一种手段，存在检查过程痛苦、易出现创伤、容易引起交叉感染等缺点。胶囊内窥镜的研制成功给胃肠道疾病患者带来了福音，体积小易于吞服、能够检测小肠盲区等优点使其在胃肠道疾病诊断领域发挥着越来越重要的作用。胶囊内窥镜检查不会影响患者的正常生活，有些疾病如果能够提早发现并采取治疗可以极大的提高治愈率。但临床使用的胶囊内窥镜进入消化道后只能被动跟随消化道蠕动前行，体外无法操作控制消化道内胶囊的姿态和位置，导致胶囊内窥镜检测存在随机性、盲点，且胶囊内窥镜上没有治疗工具，发现存在的消化道疾病后，无法对疾病进行治疗。
　　针对胶囊内窥镜上述缺陷，本文依托国家自然科学基金(No.31271069)、国家自然科学基金青年基金(No.30800235)和上海交通大学医工交叉基金项目(No.YG2013MS24)，研制基于体外磁控制的诊疗胶囊系统，医生利用该诊疗胶囊系统可以实时诊断消化道疾病。当发现消化道存在病灶时，利用体外磁控制即可对病灶进行治疗。本论文工作重点是研究该诊疗胶囊系统的数据无线通讯模块和无线供能模块，具体研究内容包括以下方面：
　　1、采用了一款专用医疗射频芯片 ZL70102完成无线通信模块的设计。ZL70102在2.45GHz超低功耗唤醒模式时的电流仅为290nA，发送和接收状态时的功耗仅为5mA。本文设计的无线通信模块可以实现数据的双向传输，为胶囊发送图像数据和接收控制命令提供了保证。通信距离在3m内时，数据传输正确率高，能够满足可携带式接收端的要求。
　　2、胶囊前端的图像采集模块选择了一款体积小、功耗低、质量高的CMOS数字图像传感器，能够输出分辨率为320×240的彩色图像数据。数字图像数据量较大，需要采取压缩处理，本文选用了一款具有JPEG压缩功能的芯片CX93510。在无线通信速率一定的情况下，图像数据压缩可以极大地提高胶囊内窥镜的帧率。
　　3、为了摆脱功耗的限制，本文研究了体外无线供能系统，由体外能量发射和体内能量接收模块组成。通过调节体外能量发射频率使其与发射线圈实现共振，输出最大发射功率。能量接收模块给胶囊内窥镜所有模块提供正常工作所需的能量，实验表明无线供能模块能够为胶囊系统提供的功率为200mW，超过胶囊正常将图像数据传出所需的175mW，验证了无线供能方案的可行性。
　　本文研究工作和同组成员研究工作的结合，研制成功了基于无线供能的数字图像胶囊系统原型样机，电路板直径为10mm，组装后的数字图像胶囊系统长度不超过15mm（不含无线供能模块），为进一步开展诊疗胶囊系统提供了实验平台。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 胶囊内窥镜技术国内外发展现状

1.3 无线通信技术发展现状

1.4 本文主要工作内容及章节安排

第二章 无线数据传输系统的整体结构及其硬件设计

2.1 无线通信系统的架构

2.2 几种常见的短距离无线通信技术

2.3 胶囊内窥镜系统设计

2.4 胶囊前端的图像采集和压缩系统

2.5 无线数据传输的MCU控制模块

2.6 无线数据传输的射频通信模块

2.7 基站接收控制端的USB通信模块

2.8 本章总结

第三章 无线数据传输系统的软件设计

3.1 通信协议方案

3.2 2.45GHz唤醒通信方案

3.3 400MHz唤醒通信方案

3.4Send emergency通信方案

3.5HK Message远程控制通信方案

3.6 ZL70102特殊功能的实现

3.7 本章总结

第四章 胶囊内窥镜系统无线供能方案设计

4.1 无线能量传输技术原理

4.2 无线能量传输模块设计

4.3 本章总结

第五章 实验分析与测试

5.1 无线图像传输实验设计

5.2 无线供能实验设计

5.3 本章总结

第六章 总结与展望

6.1 本文主要工作

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

攻读硕士学位期间已申请的专利

上海交通大学硕士学位论文答辩决议书