Wireless Video Capsule Endoscopy Prototype Utilizing a Backscatter Transceiver for High Data Rate Transmission

Abstract

Kapselendoskopi er en viktig medisinsk applikasjon for sikrere, smertefri og muligens mer nøyaktig påvisning av sykdommer i mage-tarmkanalen, som kreftpolypper i tykktarmen. Trådløs Video Kapselendoskopi (WCE) ble tilgjengelig for klinisk bruk i 2001. WCE-er drives av batterier og trenger vanligvis å vare i mer enn 8-10 timer, avhengig av bruken. De aktive komponentene i en WCE er kameraet, en prosesseringsenhet, LED-lys og en sender/mottaker. WCE sender en videostrøm til utstyret utenfor kroppen. Videostrømmen består av 2-30 bilder per sekund, avhengig av applikasjonen. Strømforbruk er den viktigste begrensende faktoren for å øke bildefrekvensen og bildekvaliteten. Den kliniske verdien av videostrømmen krever høy bildekvalitet som avhenger av pikseldybden, oppløsningen og belysningsforholdene.

Det foreslås å bruke backscatter-systemet utviklet av A. Khaleghi et al. [1] for å forbedre strøm-effektiviteten til en WCE, og potensielt redusere senderen/mottakerens strømforbruk fra 20-45 mW til bare 250 nW. I tillegg vil ulike prosesseringsenheter og kameraer bli vurdert for å forbedre strøm-effektiviteten til WCE-er. En prototype i kapselstørrelse er utviklet for å vurdere effekten av forbedringene på den totale strøm-effektivitet til WCE-er.

Prototypen i kapselstørrelse består av tre kretskort og tre batterier. Montert måler prototypen uten strømbryter 25,14 mm og 27,65 mm med strømbryter. Diameteren er 9,5 mm. Backscatter-bryteren ADG902 og kameramodulen NanEyeC fra ams AG, med 320x320 oppløsning, er brukt. På grunn av brikkemangel, bruker kapselstørrelsesprototypen en STM32L051 mikrokontroller-enhet. Basert på spesifikasjonene og effektsimuleringene ønsket vi å bruke STM32L432, da denne støtter 12-bits SPI og har RAM som er stor nok til å motta kameradata i så få operasjoner som mulig. Det brukes tre Renata SR754SW 80 mAh, 1,55 V batterier. Prototypen i kapselstørrelse har to 2 mA 0201 LED-lys for å minimere LED-lysenes innvirkning på det totale strømforbruket. De aktuelle implementeringene av LED-lysene for et endeprodukt blir gjennomgått og analysert.

Dataoverføringshastigheten i systemet er 12 Mbps. Den beste programvareimplementeringen, 12-bits SPI med DMA, kjører på en L4 mikrokontroller-enhet med 24 MHz kjernefrekvens, som muliggjør 8 bilder i sekundet. Det totale strømforbruket for denne konfigurasjonen er 71,0 mW, noe som gir en levetid på 3 timer og 23 minutter. Ved å redusere bildefrekvensen til 2 bilder i sekundet og implementere en adaptivt LED-lys kontroll, gjennom å bare bruke LED-lysene under eksponeringstiden, økes levetiden til 7 timer og 15 minutter. Effektanalysen viser tydelig at implementering av backscatter som sender/mottaker reduserer det totale strømforbruket med 20-28 %. Den største delen av det kombinerte strømforbruket er 3V3 LDOen, som utgjør 57 % av det totale strømforbruket.

Capsule endoscopy is an important medical application for safer, pain-free, and possibly more accurate detection of diseases in the gastrointestinal tract, such as cancerous polyps in the colon. Wireless Capsule Endoscopy (WCE) became available for clinical use in 2001. WCEs are powered by batteries and typically need to last more than 8-10 hours, depending on the application. The active components in a WCE are the camera, a processing unit, LED lights, and a transceiver. The WCE transmits a video stream to the equipment outside the body. The video stream consists of 2-30 frames per second, depending on the application. Power consumption is the main limiting factor to increasing the frame rate and image quality. The clinical value of the video stream requires high image quality which depends on the pixel depth, resolution, and illumination conditions.

It is proposed to implement the backscatter system developed by A. Khaleghi et al. [1] to improve the power efficiency of a WCE, potentially reducing the transceiver's power consumption from 20-45 mW to only 250 nW. In addition, different processing units and cameras will be considered to improve the WCE's power efficiency. A capsule-size prototype is developed to assess the impact of these improvements on the WCE's total power efficiency.

The designed capsule-size prototype is comprised of three PCBs and three batteries. Assembled, it measures 25.14 mm without the power switch and 27.65 mm with the power switch. The diameter is 9.5 mm. The backscatter switch ADG902 and the camera module NanEyeC from ams AG, with 320x320 resolution, are implemented. Due to the chip shortage, the capsule size prototype uses an STM32L051 MCU. Based on the specifications and power simulations, we wanted to use STM32L432, as this supports 12-bit SPI and has RAM large enough to receive camera data in the minimum number of operations. Three Renata SR754SW 80 mAh, 1.55 V batteries are used. The capsule-size prototype has two 2 mA 0201 LEDs to keep the impact of the LEDs as low as possible for the prototype. The realistic LED implementations are reviewed and analyzed.

The data transfer rate in interfacing with the backscatter system is 12 Mbps. The best software implementation, 12-bit SPI with DMA, running on an L4 MCU with 24 MHz core frequency, enables 8 FPS. The total power consumption for this configuration is 71.0 mW, resulting in a lifetime of 3 hours and 23 minutes. By reducing the frame rate to 2 FPS and implementing an adaptive LED scheme, only flashing the LEDs during the exposure time, the lifetime is increased to 7 hours and 15 minutes. The power analysis shows that the implementation of backscattering as the transceiver, reduces the total power consumption by 20-28 %. Giving this WCE implementation a huge advantage to the existing WCEs. The most significant impact on the combined power consumption is the 3V3 LDO, responsible for 57 % of the total power consumption.