CN101579227A - 一种图像采集存储系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种图像采集存储系统及方法，该系统包括图像采集装置、腔外装置和图像处理装置，图像采集装置包括图像传感器阵列单元、存储单元、能量单元和控制单元，能量单元包括无线开关、电池和从射频能量信号中提取能量的无线射频提能模块；控制单元通过接收腔外装置发送的射频能量信号和指令信号，根据指令信号在图像传感器置于腔内时通过无线开关控制电池供电进行图像数据采集和存储，在图像采集装置移出腔外时，通过无线开关控制无线射频提能模块供电，将存储的图像数据发射到腔外装置；腔外装置接收图像采集装置发射的图像数据并将其进行存储或传输。本发明最大程度降低了功耗，适于应用到生物腔体内图像采集，且可实现全视角图像采集。

Description

一种图像采集存储系统及方法

技术领域

本发明涉及医用病患体腔内检查领域，具体涉及一种适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的图像采集存储系统及方法。

背景技术

内视镜检查技术是目前消化道疾病最有效的检查手段，原有的常规内视镜检查技术由于都带有引导插管，不仅给系统操作带来很多不便，也给检查患者带来了很大的不适和痛苦，同时由于采用的是有线传输的原因，也导致常规内视镜检查的部位受到局限，无法实现对小肠部位的检查等。随着微电子技术、微机电系统MEMS技术的发展，出现了口服内视镜系统，解决了小肠盲区的内视镜检查问题，但现有的临床口服内视镜产品仅采用了1个或者2个摄像设备，其前进动力主要靠消化道的蠕动，一般采用2帧/秒的图像采集帧率，因此在对消化道腔体，特别是在胃和大肠等大腔体内进行拍照时，腔体部位漏拍摄图像的现象会比较严重；另外，系统需要患者在进行消化道检查时必须佩带无线接收设备，导致患者的日常活动受到一定的限制，而且由于体外接收设备还有多根天线需要在检查前放置在患者的指定部位，需要专业人员进行操作，还给患者带来了不舒适的感觉，同时多天线的存在也导致了系统的不稳定性增加，而且采用无线数据传输技术的口服内视镜还存在接收灵敏度问题，影响接收的图像质量。在已申请的中国发明专利(申请号为200810055863.3)中提出了一种采用多摄像头的球形口服内视镜，但其体腔内的图像采集装置在仅采用电池进行供电时，由于需要实时向体腔外发射调制了图像数据的电磁波信号，此时无线通信所消耗电池的能量将占整个装置消耗能量的至少60％以上，由于现有电池供电能力所限，该图像采集装置采用电池供电时，无法实现全消化道的检查，若采用无线射频从体腔外向体腔内装置进行供能的方法能延长图像采集装置的工作时间，会极大增加操作者的工作量，而且由于体外的射频能量辐射装置也会加大患者的背负重量，限制了患者的活动，增加了不舒适感，而且强的电磁波辐射也会对人体的健康造成一定的影响。在已公开的中国发明专利CN101084822A中提出了一种具有存储器存储装置的胶囊内视镜的控制方法，但该专利涉及的胶囊内视镜在排出人体后，需要进行清洗消毒，然后剖开胶囊壳体，再取出电子装置与终端主机连接进行图像数据读取，实际操作比较复杂，特别是取出胶囊内的电子装置时必须非常小心以保证电子装置无损，另外该专利涉及的胶囊内视镜也无法实现全视角的图像采集。

发明内容

针对上述口服内窥镜的缺陷和不足，本发明提供了一种图像采集存储系统及方法，该系统及方法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，大大减少消化道检查时的盲区，患者在检查过程中无需佩带体外接收机，活动不受限制，体腔内的图像采集装置采用了一种无线电磁波控制的开关，使得图像采集与存储装置在非工作状态时，功耗为零或几乎为零，解决了运输过程由于振动等导致漏电问题和长期存储的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种图像采集存储系统，该系统包括图像采集装置，所述图像采集装置包括：

用于在生物腔内进行图像数据采集的图像传感器阵列单元；

用于对所采集的图像数据进行存储的非易失性存储单元；

用于与所述腔外装置进行无线通信的无线通信单元；

用于为所述图像采集装置供电的能量单元；

控制单元，通过无线通信单元接收所述腔外装置发送的指令信号，根据所述指令信号在图像传感器置于腔内时控制图像传感器阵列单元进行图像数据采集，并将采集的图像数据保存到存储单元，在图像采集装置移出腔外时所述控制单元将存储单元内的图像数据通过无线通信单元发射到腔外装置；

所述腔外装置用于向图像采集装置发送指令信号和能量，接收图像采集装置发射的图像数据并将其进行存储或传输；

优选地，所述能量单元还包括无线开关、由无线开关控制是否供电的电池，所述电池用于提供图像传感器阵列单元采集图像数据和存储单元存储图像数据时所需能量，所述无线开关由控制单元根据接收的指令信号进行无线开关控制。

优选地，所述能量单元还包括由无线开关控制是否供电的无线射频提能模块，用于从腔外装置发出的射频能量信号中提取能量，为控制单元将存储单元内的图像数据通过无线通信单元发射到腔外装置时提供所需能量。

优选地，该系统还包括图像处理装置，用于接收腔外装置获取的图像数据以及对其进行分析处理。

优选地，所述图像传感阵列单元中的图像传感器的位置满足全视角可见的条件。

优选地，所述图像采集装置被集成到PCB板上，由所述PCB板构成的几何体为球体、正方体或正四面体；该系统还包括用于封闭所述PCB板的、采用生物兼容性材料制成的透明封闭壳体；

所述图像传感器阵列单元中的图像传感器均匀分布在由所述PCB板构成的几何体的外表面。

优选地，所述图像传感阵列单元中的图像传感器的位置满足全视角可见的条件，当所述几何体为球体状时，全视角可见的约束条件为：

$d\≥\frac{\sqrt{2}}{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}-\sqrt{2}}{r}_0$

其中，r₀为球体半径，α为图像传感器的最大视场角，d为图像传感器的物距；

当所述几何体为正方体时，全视角可见的约束条件为：

$d\≥\frac{a}{\sqrt{2}(\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}-\sqrt{2})}$

其中，a为正方体的边长，α为图像传感器的最大视场角，d为图像传感器的物距；

当所述几何体为正四面体时，全视角可见的约束条件为：

$d\≥\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{6}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}-3\sqrt{3}}l$

其中，l为正四面体的边长，α为图像传感器的最大视场角，d为图像传感器的物距。

优选地，当所述几何体为球状时，所述图像传感器阵列单元由6个图像传感器构成，所述图像传感器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，所述图像传感器阵列单元由6个图像传感器构成，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，所述图像传感器阵列单元由4个图像传感器构成，并分别放置在所述正四面体的4个外表面的中心。

优选地，所述图像采集装置还包括与控制单元连接的照明阵列与驱动单元，用于在图像传感器阵列单元进行图像数据采集时在控制单元的控制下进行照明。

优选地，所述控制单元包括：

图像压缩模块，用于对图像传感器阵列单元采集的图像数据进行压缩，并将压缩后的图像数据输出至存储控制模块；

存储控制模块，用于将压缩后的图像数据写入存储单元，及从存储单元读出所述压缩后的图像数据输出到通信基带处理模块；

通信基带处理模块，用于对接收的压缩后的图像压缩数据进行编码，将编码后的图像数据输出至无线通信单元，并接收来自无线通信单元的指令信号对其解码，将解码后指令信号输出至中心控制模块；

中心控制模块，用于从通信基带处理模块获取所述指令信号，并根据所述指令信号对所述图像压缩模块、存储控制模块和通信基带处理模块进行控制。

优选地，所述能量单元还包括电压变换模块，用于对无线射频提能模块和电池输出的直流电压进行变换和稳压，输出直流电源供给图像采集装置用电。

优选地，所述无线开关包括：

电源恢复电路，用于对无线射频提能模块所提取的能量信号进行滤波和稳压后输出直流电压分别至能量叠加电路和电压变换模块；

能量叠加电路，用于综合来自所述电源恢复电路和电池提供的电流，为开关驱动电路提供电压源；

开关驱动电路，用于根据控制单元输出的控制信号来控制可控开关K的动作；

可控开关K，一端同时连接能量叠加电路输出端和电压变换模块，另一端与电池相连，在所述开关驱动电路的控制下接通电池和电压变换模块，以提供图像采集装置进行图像数据采集、存储和传输时所需能量。

优选地，所述腔外装置包括：

无线收信单元C，用于接收来自图像采集装置发射的图像数据对其进行解调后输出至数字处理和遥控单元；

无线发信单元C，用于接收来自数字处理和遥控单元的指令，并将其调制为射频能量信号或指令信号发送到图像采集装置；

键盘与显示外设，用于接收用户的指令输入、显示接收图像数据的状态、腔外装置自身工作状态；

数字处理和遥控单元，用于接收来自键盘与显示外设的指令输入，并把该指令输出至无线发信单元C，同时控制无线发信单元C向图像采集装置发出射频能量信号与指令信号，还用于控制无线收信单元C接收来自图像采集装置的图像数据，并将接收的图像数据存入存储单元C或通过控制接口单元将图像数据输出至图像处理装置；

存储单元C，为非易失性存储单元，用于存储接收的图像数据；

接口单元，用于腔外装置和图像处理装置的通信接口。

本发明还提供了一种利用上述系统的图像采集存储方法，包括：

在图像采集装置进入生物体腔前，由腔外装置发出无线射频能量和电池供电指令；

图像采集装置通过无线射频提能模块获取射频能量对装置内的无线通信单元以及控制单元进行供电，然后通过无线通信单元接收所述电池供电指令，由控制单元通过无线开关控制电池为图像采集装置供电，然后图像采集装置进入腔内；

供电后由所述图像传感器阵列单元在生物腔内进行图像数据采集，将采集的图像数据保存在存储单元内；

在图像采集装置移出腔外时，由腔外装置发出无线射频能量和数据读出指令到所述图像采集装置；

所述图像采集装置通过无线射频提能模块提取能量，由控制单元通过无线开关控制无线射频提能模块为图像采集装置供电；

供电后将存储单元内的图像数据通过无线通信单元发射到腔外装置；

腔外装置接收图像采集装置发射的图像数据并将其进行存储或传输。

根据本发明提供的图像采集存储系统及方法，有以下有益效果：

1)本发明提出的用于生物体腔内的全视角图像采集和存储系统能够提供对人体全消化道的全视角的图像采集，与现有胶囊内窥镜技术相比较，大大减少消化道检查时的盲区。

2)本发明提出的用于生物体腔内的全视角图像采集和存储系统在对患者进行消化道图像采集时，患者无须配戴体外接收机，活动不受限制，检查过程中更舒适。

3)本发明提出的图像采集与存储装置中采用了无线开关，克服了以往口服内窥镜装置采用干簧管作为电源开关时存在的缺陷，使得图像采集与存储装置在非工作状态时，功耗为零或几乎为零，解决了运输过程由于振动等导致装置的漏电问题和长期存储的问题。

4)本发明提出的开关遥控与图像数据读取装置保证了图像采集与存储装置在排出人体外后，无需把图像采集与存储装置的外壳消毒、切开、取出电子装置与终端主机连接进行图像数据的读取，而是通过开关遥控与图像数据读取装置向图像采集与存储装置发射无线电磁波能量供给该装置工作的电能，以非接触性的无线方式从图像采集与存储装置中获取已存储的图像数据。

附图说明

图1为本发明实施例系统中图像采集装置的结构框图；

图2为本发明实施例系统中控制单元的结构框图；

图3为本发明实施例系统中无线开关的结构框图；

图4A为本发明实施例系统中图像采集装置的一种物理结构图；

图4B为本发明实施例系统中图像采集装置的另一种物理结构图；

图4C为本发明实施例系统中图像采集装置的再一种物理结构图；

图5A为本发明实施例系统中摄像机和照明装置一种摆放位置的立体图；

图5B为本发明实施例系统中摄像机和照明装置另一种摆放位置的立体图；

图5C为本发明实施例系统中摄像机和照明装置再一种摆放位置的立体图；

图6A为本发明实施例中摄像机视场角建模后的正切面分析图；

图6B为本发明实施例摄像机视场角建模后的空间结构分析图；

图6C为本发明实施例中摄像机视场角建模后的正切面及空间结构分析图；

图7A为本发明实施例中内部核心部分为球体时摄像机到等距离平面的空间结构分析；

图7B为本发明实施例中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7C为本发明实施例中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8为本发明实施例中照明装置摆放于镜头附近圆周上时的具体分布图；

图9A为本发明实施例中微带天线的形状示意图；

图9B为本发明实施例中表面1/4波长或偶极子天线摆放位置示意图；

图10为本发明实施例系统中腔外装置的结构框图；

图11为本发明图像采集存储方法流程图。

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。

本发明提供了一种适用于生物体腔内全视角的图像采集存储系统及方法，该系统由三部分组成：体腔内的图像采集装置，体腔外的用于开关遥控与图像数据读取的腔外装置，以及图像处理装置。图像采集装置包括：用于在生物腔内进行图像数据采集的图像传感器阵列单元；用于对所采集的图像数据进行存储的存储单元；与腔外装置进行无线通信的无线通信单元；能量单元，包括无线开关、电池和从射频能量信号中提取能量的无线射频提能模块；控制单元，通过无线通信单元接收腔外装置发送的射频能量信号和指令信号，根据指令信号在图像传感器置于腔内时通过无线开关控制电池供电，控制图像传感器阵列单元进行图像数据采集，并将采集的图像数据保存到存储单元，在图像采集装置移出腔外时，通过无线开关控制无线射频提能模块供电，将存储单元内的图像数据通过无线通信单元发射到腔外装置；腔外装置用于向图像采集装置发送射频能量信号和指令信号，接收图像采集装置发射的图像数据并将其进行存储或传输；图像处理装置用于对腔外装置获取的图像数据进行分析。

本发明中，图像采集装置初始为休眠状态，内部的电路处于零功耗或处于极低功耗状态，在患者吞服图像采集装置前，体腔外的腔外装置向该图像采集装置发出射频能量信号与无线开关开启指令，具体为电池供电指令，图像采集装置根据该指令打开无线开关接通电池为图像采集装置供电，图像采集装置开始工作，仅进行图像数据的采集和存储，不向外部发射图像数据，而且该过程中也仅采用电池供电，不用体外提供射频能量，因此体外无须图像接收机和射频能量辐射装置，患者无须配戴体外接收机或射频能量辐射装置，活动不受限制，检查过程中更舒适。当图像采集装置在体腔内时也可接收来自体腔外的腔外装置的指令信号，并根据不同指令信号对图像采集装置内电路进行相应控制，例如实现对无线开关关闭和开启、图像质量和压缩比、以及对图像的采集帧率、图像的采集尺寸、照明控制等，以实现可以根据不同的情况，在体外控制体腔内的图像采集装置的电路工作状态。当图像采集装置从体外排出后，通过腔外装置向图像采集装置辐射电磁波能量(即发出射频能量信号)以及发射开始传输图像数据的数据读出指令，图像采集装置解析该指令，然后把图像数据调制到无线电波上发射出去，由腔外读取装置接收调制后的图像数据，然后存储到非易失性存储器(比如FLASH存储器、SD卡、硬盘、U盘等)或通过USB接口或以太网接口传输到图像处理装置。本发明涉及的腔外装置内的非易失性存储器具有可拆卸性，当该腔外装置接收图像数据完毕后，也可把该非易失性存储器从腔外装置中拔出，通过通用接口(USB接口、SD卡的接口)或接口转换器(IDE-USB接口转换)把非易失性存储器上存储的图像数据上载到图像处理装置，其中的图像处理装置可以是普通的PC机。最后医生通过图像处理工作进行图像的浏览和处理来对患者的消化道进行诊断。在图像采集装置排出人体外后，无需把图像采集装置的外壳消毒、切开、取出电子装置与终端主机连接进行图像数据的读取，而是通过腔外装置向图像采集与存储装置发射无线电磁波能量供给该装置工作的电能，非接触性的以无线方式从图像采集装置中获取已存储的图像数据。为进一步说明本发明，下面结合针对系统中的各组成部分进行分别的详细描述。

实施例

(1)图像采集装置

如图1所示，本实施例中的图像采集装置包括：

图像传感器阵列单元，用于在生物腔内进行图像数据采集，完成光电信号的转换，由CMOS图像传感器阵列或CCD图像传感器阵列构成，该图像传感器阵列单元中的每个图像传感器的工作状态由控制单元进行控制；

存储单元，为非易失性存储单元，用于存储图像传感器阵列单元采集的所有序列的图像数据；

无线通信单元，具体包括：天线A、与天线A连接的无线发信单元D、天线B、与天线B连接的无线收信单元D，其中：无线发信单元D，用于将图像采集装置内存储的图像数据以无线电波方式发射出去；无线收信单元D，用于接收来自装置外部发送的射频能量信号和指令信号，并将指令信号变为数字信号传输给控制单元，同时将接收的射频能量信号输出至能量单元；天线A，用于把无线发信单元D输出的信号以电磁波形式向外部辐射；天线B，用于接收来自外部的电磁波信号(射频能量信号和指令信号)输出至无线收信单元D，天线A和天线B也可以是同一根天线；

照明阵列与驱动单元，用于在图像传感器阵列单元进行图像数据采集时在控制单元的控制下进行照明，优选由LED阵列与LED驱动电路构成，LED均匀放置在图像传感器四周，保证图像传感器在进行图像采集时对腔体的照明亮度均匀；

能量单元，包括无线开关、电池和从射频能量信号中提取能量的无线射频提能模块，向图像采集装置内所有单元提供能量，该能量单元中的无线开关受外部的指令信号控制；

控制单元，用于对图像采集与存储装置内所有单元的控制，完成对图像传感器阵列单元采集的图像数据进行压缩、存储控制和通信基带处理。具体控制包括：在图像采集装置进行图像采集和存储时，控制单元控制无线收信单元D接收来自体腔外的腔外装置发送的指令信号，并根据该指令信号要求来控制图像传感器阵列单元以及LED进行一定规律的照明和图像采集，本实施例中一个图像传感器对应4个LED照明，当然也可是其它的对应关系的配置。当控制单元从无线收信单元D接收的是轮流采集图像的指令时，则控制图像传感器阵列单元中的每个图像传感器轮流完成一次的图像采集、图像压缩和图像的存储；若控制单元从无线收信单元D接收的是同时采集图像的指令时，则控制图像传感器阵列单元中的每个图像传感器进行同时的图像采集、图像压缩和图像的存储。一般情况是在进行食道和胃的检查时，采用所有图像传感器的同时采集、图像压缩和图像的存储，而在肠道的检查时可选择采用图像传感器的轮流图像采集、图像压缩和图像的存储。在图像采集、压缩和存储过程中，控制单元通过无线开关控制电池供电，因而图像采集装置中的能量单元采用的是电池供电，无需体腔外辐射电磁波能量；只有当图像采集装置排出腔外后，控制单元通过控制无线收信单元D接收到数据读出指令，则能量单元是从体腔外的腔外装置辐射的射频能量信号中提取能量，由控制单元通过无线开关控制供给图像采集装置内电路的工作，主要完成在控制单元的控制下从存储单元中读出图像数据，并把该图像数据输出到无线发信单元D，通过天线A以无线电波的形式发送到图像采集装置外。

在图像采集与存储装置中，控制单元是关键的控制和数据处理核心，其结构框如图2所示，它主要包括图像压缩模块、存储控制模块、通信基带处理模块、中心控制模块。其中所述中心控制模块，是该控制单元的控制核心，对该单元内所有其它模块进行控制以及图像采集装置内的其它单元进行控制，还完成从通信基带处理模块获取来自外部的指令信号，并根据该指令信号对图像采集装置中的各单元以及模块的工作状态进行控制，特别是根据接收的无线开关的控制指令对无线开关进行开和关的操作控制。其中：图像压缩模块，用于在中心控制模块的控制下对图像传感器阵列单元输出的图像数据进行压缩，将压缩后的图像数据输出至存储控制模块进行存储操作；存储控制模块，用于将图像压缩模块输出的压缩后的图像数据写入存储单元，以及当数据采集装置向外发射图像数据时，在中心控制模块的控制下从存储单元内读出要传输的压缩后的图像数据，并输出到通信基带处理模块进行处理；通信基带处理模块，用于将从存储控制模块输出的压缩后的图像数据进行信道编码，将编码后的图像数据输出至无线发信单元D，考虑图像采集装置与腔外装置通信距离可以很近，通信信道质量非常好，因此本实施例的信道编码优选采用8位的CRC校验，当然也可采用其它的信道编码方法，另外，通信基带处理模块也接收来自无线收信单元D接收的指令信号，进行信道解码并恢复出指令，然后把该指令输出至中心控制模块，本实施例优选的信道解码也采用的是8位的CRC校验。

图像采集装置中的能量单元是整个装置的能量核心供给单元，如图1所示，它包括电池、无线射频提能模块、无线开关和电压变换模块。其中：电池，用于提供图像采集装置在进行图像采集、压缩和存储时的能量，电池的供电受无线开关的控制；无线射频提能模块，用于从天线B接收的无线射频能量信号中提取能量，提供图像采集装置在向外部无线传输图像数据时的能量；无线开关，根据控制单元中的中心控制模块输出的控制信号控制电池或无线射频提能模块的电压是否输出至电压变换模块，即控制无线开关的开启或关闭；电压变换模块，用于对无线射频提能模块和电池输出的直流电压进行直流电压的变换和进一步稳压，输出直流电源供给图像采集装置内所有单元和模块的工作用电压和电流。

如图3所示，能量单元中的无线开关包括：电源恢复电路、能量叠加电路、开关驱动电路以及可控开关K四个单元电路，其中：电源恢复电路，用于对无线射频提能模块所提取的能量分离出供电用信号，进行滤波和稳压的处理后输出幅值稳定的直流电压至能量叠加电路和电压变换模块；能量叠加电路，用于综合来自电源恢复电路和电池提供的电流，为开关驱动电路提供电压源；开关驱动电路，用于根据控制单元输出的控制信号控制可控开关K的动作，可控开关K优选采用是CMOS开关管或者MEMS(微机械)开关，当采用MEMS开关时，在开关是关闭时，装置没有任何漏电流，属于零功耗状态；当采用CMOS开关管时，即使开关是关闭时，也有稍许的漏电流，但其数量级也就是几个nA的级别，基本可以忽略；可控开关K，一端同时与电压变换模块以及能量叠加电路相连，另一端与供电电池相连，在控制单元输出的开关驱动电路的控制信号控制下接通电池和电压变换模块以提供图像采集装置进行图像采集和存储时所需能量。因此与采用干簧管作为电源开关的口服胶囊相比较，本装置中提出的能量单元的设计保证了图像采集与存储装置在非工作状态时，功耗为零或几乎为零，解决了运输过程由于振动等导致装置的漏电问题和长期存储的问题。

本实施例中，图像采集装置被集成到PCB板上，由PCB板构成的几何体优选为球体、正方体或正四面体，当然，也可以是其它的几何体形状；该系统还包括用于封闭所述PCB板的透明封闭壳体，该壳体由生物兼容性材料制成；所述图像传感器阵列单元中的图像传感器均匀分布在由所述PCB板构成的几何体的外表面，通过这些传感器进行全视角图像采集，PCB板为柔性PCB板或非柔性PCB板。

如图4A～图4C为图像采集装置的物理结构示意图，其中，图像采集装置的壳体为球状透明外壳100，内部核心部分为PCB板101做成的几何体，图4A的内部核心部分由PCB板构成几何体为球状，图4B的内部核心部分由PCB板构成几何体为正四面体，图4C的内部核心部分由PCB板构成几何体为正方体。并且，在PCB板101的外表面上设置有图像传感器阵列单元和照明阵列，具体为多个摄像机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，下部为照明装置底座，摄像机102包括：图像传感器102a、摄像机镜头透镜102b和摄像机镜头座102c，上述中图像采集装置的物理结构还包括：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(包括：存储单元，无线发信单元D，无线收信单元D，控制单元，能量单元等)位置107；图4B中的电源极板及电源导线104包括电源导线104a和电源极板104b，表面天线预留位置105包括两种情况，一种为适用于天线沿表面均匀分布方案的表面天线预留位置105a，另一种为适用于天线沿镜头圆周均匀分布的方案表面天线预留位置105b。

本实施例中上述多个摄像机102均匀分布于内部核心部分的PCB板的外表面上，实现全视角图像采集的功能。其具体的位置满足全视角可见的条件，根据内部核心部分的PCB板构成几何体的外形不同而存在三种方案：

1)当核心部分PCB板构成几何体为球状时

当摄像机102分别沿水平和竖直方向过球心的剖面的圆周上以90°为间隔均匀放置时。将图像采集装置简化为一点，若想实现全视角可视，只需满足距离该点一定距离的前、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6A和6B所示，每个割线圆的圆周将被其相邻的4个圆等分，其中图6A是上表面的正视图，而图6B是侧表面的斜视图。分析其中两个圆周相交的情况，如图6C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为摄像机的中心。设切面圆的半径是r，大球的半径是R，摄像机的物距为d，求解三角形O₁AB、三角形OO₂A和三角形O₂AB得到

$O_{1}C=O_{2}C=O{O}_1=\frac{r}{\sqrt{2}},$ $r=\sqrt{\frac{2}{3}}R,$

实际应用中摄像机将放置于球形图像采集与存储装置内，设其半径为r₀的表面，如图7A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

$d\≥\frac{\sqrt{2}}{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}-\sqrt{2}}{r}_0$

通常情况下，摄像机的视场角能做到120°，即

$d\≥\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}-\sqrt{2}}{r}_0$

2)当核心部分PCB板构成几何体为正方体时

当将6个摄像机102分别放置在6个外表面的中心时，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7B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

$d\≥\frac{a}{\sqrt{2}(\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}-\sqrt{2})}$

当α取到典型值120°时，

$d\≥\frac{a}{\sqrt{2}(\sqrt{3}-\sqrt{2})}$

3)当核心部分PCB板构成几何体为正四面体时

当分别将4个摄像机设置在四个表面的中心时。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7C所示，设大的四面体边长为L，小的正四面体边长为l，则切面圆半径为

$r=\frac{L}{\sqrt{3}},$ ${\mathrm{OO}}_1=\frac{\sqrt{6}}{9}L,$

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

$\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}=\frac{L}{\sqrt{3}d}$

接着通过O、P和O₁三点共线的条件，可以解得约束条件为

$d\≥\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{6}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}-3\sqrt{3}}l$

这时120°的视场角将不能达到全视角可见的要求，α则至少应满足

$\mathrm{\α}>2\arctan \frac{3}{\sqrt{2}}$

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；而正方体型则是前述两者的折中。

本发明实施例采用的用于生物体腔内的全视角图像采集系统的约束条件能够提供对人体全消化道的全视角的图像采集，与现有胶囊内窥镜技术相比较，可以大大减少消化道检查时的盲区。

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。

上述图像采集装置中的发光照明装置103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，它们分别沿镜头透镜102b的圆周方向均匀放置，如图8所示，即每个摄像机102将配备至少两个LED光源。这种方案的优点是光源距摄像机102最近，且光路基本与其重合，照明效果好；各镜头透镜102b具备多于一个的光源，有利于照明的对称和均匀；缺点是在摄像机102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PCB板外表面均匀分布，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：

当核心部分PCB板构成几何体为球体时，如图5A所示，图中黑色条形表示摄像机102的放置位置，黑心圆圈表示LED光源的放置位置(可见一侧)，白色圆圈表示LED光源的放置位置(不可见一侧)。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；

当核心部分PCB板构成几何体为正四面体时，如图5B所示，图中黑色条形表示LED光源的放置位置(可见)，白色条形表示LED光源的放置位置(不可见)，带阴影的圆圈表示摄像机放置位置(可见)，无阴影的圆圈表示摄像机放置位置(不可见)。将总共6个LED光源分别放置在其6条正四面体棱的中点；

当核心部分PCB板构成几何体为正方体时，如图5C，图中带阴影的圆圈表示摄像机的放置位置(可见)，无阴影的圆圈表示摄像机放置位置(不可见)，白色小圆圈表示LED光源的放置位置(可见)，黑色小圆圈表示LED光源的放置位置(不可见)，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PCB板上，其形状如图9A所示。所述的柔性PCB板上为其预留了位置如图4A、图4B、图4C所示的表面微带天线位置106。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(分别如图图4A、图4B、图4C所示的表面天线预留位置105)，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，它们均匀分布在每个摄像机的周围，如图9B所示，天线201分布在PCB板101表面，每组天线201对应一个图像传感器102a(即镜头透镜102b的位置)及射频收发模块，能实现较大的发射功率且容易实现。

体腔外的腔外装置主要功能是完成向图像采集装置提供射频能量和无线指令信号，并能接收和存储来自图像采集装置发射的无线图像数据信号，另外，也能把接收的无线图像数据直接传输给图像处理装置。其中腔外装置向图像采集装置发射的指令码至少包括遥控图像采集装置内电源开关的开启指令、关闭指令、数据读取传输指令等，当然还可以包含其它指令，比如图像质量和压缩比、以及对图像的采集帧率、图像的采集尺寸、LED照明控制等，这保证了操作者可以根据实际的应用情况灵活控制图像采集装置的工作状态，当图像采集装置在不干兴趣的消化道区域时，可通过外部该装置发送采集更小的图像尺寸、更小的采集帧率或高的压缩比图像等，以节约图像采集装置内的电池能量。

本实施例中，如图10所示，腔外装置主要包括、无线发信单元C，无线收信单元C、键盘与显示外设、数字处理和遥控单元C，存储单元C，接口单元，其中：天线C，用于接收来自图像采集装置发射的无线电磁波信号，然后输出至无线收信单元C；天线D，一端连接无线发信单元C，用于向图像采集装置发射载有射频能量和指令码的电磁波，天线C和天线D可以是同一根天线；无线发信单元C，用于接收来自数字处理和遥控单元C的指令，并将其调制为射频能量信号或指令信号，再通过天线D向图像采集装置发射；键盘与显示外设，用于接收用户的指令输入、显示接收图像数据的状态、腔外装置自身工作状态；数字处理与遥控单元C，用于控制腔外装置内所有其它模块的工作状态，接收来自键盘与显示外设的指令输入，并把该指令输出至无线发信单元C发射，同时控制无线发信单元C向图像采集装置发射射频能量与指令信号，还用于控制无线收信单元C接收来自图像采集装置发射的无线图像数据信号，并接收无线收信单元C输出的数字图像数据信号，把该图像数据存入存储单元C或通过控制接口单元把数据输出至图像处理装置；存储单元C，是一种非易失性存储器，具有可拆卸性，当该装置从图像采集装置中获取完图像后，可以把存储单元C拆卸下来，与图像处理装置的接口相连接，把图像数据上载到该图像处理装置上，交与医生进行诊断，本实施例优选采用SD卡，当然也可采用其它的存储器，比如硬盘、U盘等。接口单元是腔外装置和图像处理装置的通信接口，可以是USB接口、网络接口或其它通用接口等。本发明提出的腔外装置保证了图像采集装置在排出人体外后，无需把图像采集装置的外壳消毒、切开、取出电子装置与终端主机连接进行图像数据的读取，而是通过腔外装置向图像采集装置发射无线电磁波能量供给该装置工作的电能，以非接触性的无线方式从图像采集装置中获取已存储的图像数据。

图像处理装置，主要是从腔外装置直接获取图像数据，或者间接从其内部拆卸下来的存储单元C中读取图像数据，并完成相应的图像处理、存储功能以及患者的病案和报告处理等。该图像处理装置，硬件部分可以由普通的计算机构成，比如PC机，笔记本电脑等，该工作站内相应需要装入针对消化道图像的处理与病案和报告处理软件。

本发明还提供了一种利用上述系统的图像采集存储方法，如图11所示，包括步骤：在图像采集装置进入腔前，由腔外装置发出无线射频能量和电池供电指令；图像采集装置通过无线射频提能模块获取射频能量对装置内的无线通信单元以及控制单元进行供电，然后通过无线通信单元接收所述电池供电指令，由控制单元通过无线开关控制电池为图像采集装置供电，然后图像采集装置进入生物体腔内；供电后由所述图像传感器阵列单元在生物腔内进行图像数据采集，将采集的图像数据保存在存储单元内；在图像采集装置移出腔外时，由腔外装置发出射频能量信号和数据读出指令到所述图像采集装置；所述图像采集装置通过无线射频提能模块提取能量，由控制单元通过无线开关控制无线射频提能模块为图像采集装置供电；供电后将存储单元内的图像数据通过无线通信单元发射到腔外装置；腔外装置接收图像采集装置发射的图像数据并将其进行存储或传输。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (14)

1、一种图像采集存储系统，该系统包括图像采集装置，其特征在于，所述图像采集装置包括：

用于在生物腔内进行图像数据采集的图像传感器阵列单元；

用于对所采集的图像数据进行存储的非易失性存储单元；

用于与所述腔外装置进行无线通信的无线通信单元；

用于为所述图像采集装置供电的能量单元；

控制单元，通过无线通信单元接收所述腔外装置发送的指令信号，根据所述指令信号在图像传感器置于腔内时控制图像传感器阵列单元进行图像数据采集，并将采集的图像数据保存到存储单元，在图像采集装置移出腔外时所述控制单元将存储单元内的图像数据通过无线通信单元发射到腔外装置；

所述腔外装置用于向图像采集装置发送指令信号和能量，接收图像采集装置发射的图像数据并将其进行存储或传输。

2、根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述能量单元还包括无线开关、由无线开关控制是否供电的电池，所述电池用于提供图像传感器阵列单元采集图像数据和存储单元存储图像数据时所需能量，所述无线开关由控制单元根据接收的指令信号进行无线开关控制。

3、根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述能量单元还包括由无线开关控制是否供电的无线射频提能模块，用于从腔外装置发出的射频能量信号中提取能量，为控制单元将存储单元内的图像数据通过无线通信单元发射到腔外装置时提供所需能量。

4、根据权利要求1～3任一所述系统，其特征在于，该系统还包括图像处理装置，用于接收腔外装置获取的图像数据以及对其进行分析处理。

5、根据权利要求1～3任一所述系统，其特征在于，所述图像传感阵列单元中的图像传感器的位置满足全视角可见的条件。

6、根据权利要求5所述系统，其特征在于，所述图像采集装置被集成到PCB板上，由所述PCB板构成的几何体为球体、正方体或正四面体；该系统还包括用于封闭所述PCB板的、采用生物兼容性材料制成的透明封闭壳体；

所述图像传感器阵列单元中的图像传感器均匀分布在由所述PCB板构成的几何体的外表面。

7、根据权利要求5所述的图像采集系统，其特征在于，所述图像传感阵列单元中的图像传感器的位置满足全视角可见的条件，当所述几何体为球体状时，全视角可见的约束条件为：

$d\≥\frac{\sqrt{2}}{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}-\sqrt{2}}{r}_0$

其中，r₀为球体半径，α为图像传感器的最大视场角，d为图像传感器的物距；

当所述几何体为正方体时，全视角可见的约束条件为：

$d\≥\frac{a}{\sqrt{2}(\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}-\sqrt{2})}$

其中，a为正方体的边长，α为图像传感器的最大视场角，d为图像传感器的物距；

当所述几何体为正四面体时，全视角可见的约束条件为：

$d\≥\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{6}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}-3\sqrt{3}}l$

其中，l为正四面体的边长，α为图像传感器的最大视场角，d为图像传感器的物距。

8、根据权利要求6或7所述系统，其特征在于，

当所述几何体为球状时，所述图像传感器阵列单元由6个图像传感器构成，所述图像传感器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，所述图像传感器阵列单元由6个图像传感器构成，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，所述图像传感器阵列单元由4个图像传感器构成，并分别放置在所述正四面体的4个外表面的中心。

9、根据权利要求1～3任一所述系统，其特征在于，所述图像采集装置还包括与控制单元连接的照明阵列与驱动单元，用于在图像传感器阵列单元进行图像数据采集时在控制单元的控制下进行照明。

10、根据权利要求1～3任一所述系统，其特征在于，所述控制单元包括：

图像压缩模块，用于对图像传感器阵列单元采集的图像数据进行压缩，并将压缩后的图像数据输出至存储控制模块；

存储控制模块，用于将压缩后的图像数据写入存储单元，及从存储单元读出所述压缩后的图像数据输出到通信基带处理模块；

通信基带处理模块，用于对接收的压缩后的图像压缩数据进行编码，将编码后的图像数据输出至无线通信单元，并接收来自无线通信单元的指令信号对其解码，将解码后指令信号输出至中心控制模块；

中心控制模块，用于从通信基带处理模块获取所述指令信号，并根据所述指令信号对所述图像压缩模块、存储控制模块和通信基带处理模块进行控制。

11、根据权利要求3任一所述系统，其特征在于，所述能量单元还包括电压变换模块，用于对无线射频提能模块和电池输出的直流电压进行变换和稳压，输出直流电源供给图像采集装置用电。

12、根据权利要求11所述系统，其特征在于，所述无线开关包括：

电源恢复电路，用于对无线射频提能模块所提取的能量信号进行滤波和稳压后输出直流电压分别至能量叠加电路和电压变换模块；

能量叠加电路，用于综合来自所述电源恢复电路和电池提供的电流，为开关驱动电路提供电压源；

开关驱动电路，用于根据控制单元输出的控制信号来控制可控开关K的动作；

可控开关K，一端同时连接能量叠加电路输出端和电压变换模块，另一端与电池相连，在所述开关驱动电路的控制下接通电池和电压变换模块，以提供图像采集装置进行图像数据采集、存储和传输时所需能量。

13、根据权利要求1～3任一所述系统，其特征在于，所述腔外装置包括：

无线收信单元C，用于接收来自图像采集装置发射的图像数据对其进行解调后输出至数字处理和遥控单元；

无线发信单元C，用于接收来自数字处理和遥控单元的指令，并将其调制为射频能量信号或指令信号发送到图像采集装置；

键盘与显示外设，用于接收用户的指令输入、显示接收图像数据的状态、腔外装置自身工作状态；

数字处理和遥控单元，用于接收来自键盘与显示外设的指令输入，并把该指令输出至无线发信单元C，同时控制无线发信单元C向图像采集装置发出射频能量信号与指令信号，还用于控制无线收信单元C接收来自图像采集装置的图像数据，并将接收的图像数据存入存储单元C或通过控制接口单元将图像数据输出至图像处理装置；

存储单元C，为非易失性存储单元，用于存储接收的图像数据；

接口单元，用于腔外装置和图像处理装置的通信接口。

14、一种利用权利要求1所述系统的图像采集存储方法，包括：

在图像采集装置进入生物体腔前，由腔外装置发出无线射频能量和电池供电指令；

图像采集装置通过无线射频提能模块获取射频能量对装置内的无线通信单元以及控制单元进行供电，然后通过无线通信单元接收所述电池供电指令，由控制单元通过无线开关控制电池为图像采集装置供电，然后图像采集装置进入腔内；

供电后由所述图像传感器阵列单元在生物腔内进行图像数据采集，将采集的图像数据保存在存储单元内；

在图像采集装置移出腔外时，由腔外装置发出射频能量信号和数据读出指令到所述图像采集装置；

所述图像采集装置通过无线射频提能模块提取能量，由控制单元通过无线开关控制无线射频提能模块为图像采集装置供电；

供电后将存储单元内的图像数据通过无线通信单元发射到腔外装置；

腔外装置接收图像采集装置发射的图像数据并将其进行存储或传输。

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