Improvements in image compression and RF transmission for wireless capsule endoscopy

Abstract

The research proposes an enhanced Wireless Capsule Endoscopy (WCE) system to address the pain and risks associated with traditional endoscopy and colonoscopy procedures. The current limitations of conventional systems, such as insufficient battery life and data transmission issues, motivate the need for a novel design. The proposed WCE system introduces innovations in camera lenses, image sensors, compression algorithms, and wireless transmission. The research analyzes hundreds of WCE images to identify unique characteristics and optimizes a compression algorithm for efficient data handling. A groundbreaking 360° degree lens is suggested to capture the entire gastrointestinal (GI) tract, allowing virtual reconstruction outside the body. This approach enables physicians to walk through the GI tract for more accurate diagnoses. The compression algorithm is evaluated through Matlab software, implemented in hardware using FPGA development boards, and designed in 16nm FinFet technology using Cadence tool-set software. The proposed compression algorithm is versatile, compatible with commonly used camera sensors and RF transmitters. Notably, the system's output data is in serial mode, facilitating direct connection to existing RF transmitters. In addition to the compression algorithm, the research includes the design and simulation of a low-energy wireless transmitter using On-Off Keying (OOK) digital modulation. The overall result is a compact and efficient WCE system that addresses the drawbacks of traditional procedures, offering improved performance and compatibility with current medical technologies.

Η διατριβή προτείνει ένα βελτιωμένο σύστημα ασύρματης ενδοσκοπικής κάψουλας για την αντιμετώπιση του πόνου και των κινδύνων που σχετίζονται με τις παραδοσιακές διαδικασίες ενδοσκόπησης και κολονοσκόπησης. Οι τρέχοντες περιορισμοί των συμβατικών συστημάτων, όπως η ανεπαρκής διάρκεια ζωής της μπαταρίας και τα προβλήματα μετάδοσης δεδομένων, παρακινούν την ανάγκη για ένα νέο σχεδιασμό. Το προτεινόμενο σύστημα WCE εισάγει καινοτομίες σε φακούς κάμερας, αισθητήρες εικόνας, αλγόριθμους συμπίεσης και ασύρματη μετάδοση. Η έρευνα αναλύει εκατοντάδες εικόνες WCE για να εντοπίσει μοναδικά χαρακτηριστικά και βελτιστοποιεί έναν αλγόριθμο συμπίεσης για αποτελεσματικό χειρισμό δεδομένων. Ένας πρωτοποριακός φακός 360 μοιρών προτείνεται για να συλλάβει ολόκληρο τον γαστρεντερικό σύστημα. Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει στους γιατρούς να περνούν μέσα από το γαστρεντερικό σύστημα για πιο ακριβείς διαγνώσεις. Ο αλγόριθμος συμπίεσης δοδιμάστηκε μέσω του λογισμικού Matlab, υλοποιείθηκε σε πλακέτες ανάπτυξης FPGA και σχεδιάστηκε σε τεχνολογία FinFet 16nm χρησιμοποιώντας λογισμικό σετ εργαλείων της Cadence. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος συμπίεσης είναι ευέλικτος, συμβατός με κοινώς χρησιμοποιούμενους αισθητήρες κάμερας και πομπούς ραδιοσυχνοτήτων. Συγκεκριμένα, τα δεδομένα εξόδου του συστήματος μεταδίδονται σειριακά, διευκολύνοντας την άμεση σύνδεση με υπάρχοντες πομπούς ραδιοσυχνοτήτων. Εκτός από τον αλγόριθμο συμπίεσης, η έρευνα περιλαμβάνει το σχεδιασμό και την προσομοίωση ενός ασύρματου πομπού χαμηλής ενέργειας χρησιμοποιώντας ψηφιακή διαμόρφωση On-Off Keying (OOK). Το συνολικό αποτέλεσμα είναι ένα συμπαγές και αποτελεσματικό σύστημα WCE που αντιμετωπίζει τα μειονεκτήματα των παραδοσιακών διαδικασιών, προσφέροντας βελτιωμένη απόδοση και συμβατότητα με τις τρέχουσες ιατρικές τεχνολογίες.