This desertion is for introducing low-power, energy efficient Body Channel Communication (BCC) transceiver IC design and its integration in capsule endoscope application. In decade, increasing requirements of convenient and higher energy efficiency near human body gives more attention to BCC technology. BCC, utilizing human body as communication medium, can take advantage of both wireline and wireless communication in body area. Many of research has actively investigated from the principle to practical transceiver design. However, Current BCC research have limitation in two aspect : 1) Research progress are not summarized carefully due to lack of precise technical review; 2) Most of design has a limitation since they cannot expand hardware to designated system. Each of the key contribution of the desertion is introduced in chapter 2, and chapter 3, 4.
First several underlying key considerations of BCC would be introduced from its fundamental basis to target applications. Paper will starts from the comparison with general RF technology and BCC, and introduce historical review of BCC researches. Two analogical perspective to understand BCC and several challenges in its design will be discussed. After that, with following recent transceiver IC design trends, design efforts and their achievements would be covered.
In later part, a small form-factor, light weight wireless capsule endoscope (WCE) system with body channel communication (BCC) transceiver ICs is revealed. The proposed system allows VGA resolution image transferring and capsule localization. The transceiver ICs are composed of capsule chip and receiver chip, implemented in 65nm CMOS process. In the capsule side, the proposed system provides 360-degree image capturing through 4-camera integration to reduce miss rate. Also, a dual-band pulse shaping BCC transmitter is proposed to enable low-power (<1mW), high-speed (80Mb/s) image transmission. In the receiver side, contact attenuation compensated-received signal strength indicator (CAC-RSSI) is proposed to increase capsule localization accuracy. The external system is composed of 8 receiver nodes that allows signal demodulation and localization of the capsule. To reduce transceiver payload and system power consumption, image encoder is implemented in capsule. The transceiver IC is integrated in capsule system and verified with body mimicking phantom. The proposed system satisfies compatibility with medical grade diagnosis by operating longer than 8 hours with 4 frame per second (fps) and 12 hours with 2 fps with conventional two silver oxide, 55mAh coin battery. The tested localization accuracy shows less than sub-cm range.
본 논문은 인체매질통신 송수신기를 활용한 캡슐형 내시경 시스템의 제안과 설계에 대한 연구이다. 인체 통신은 인체 근처에서의 에너지 효율적인 통신 송수신 방식의 필요성으로 인하여 지속적으로 연구되어왔다. 이러한 개념의 제안 이래로 다수의 논문들이 발표되어 왔지만, 이를 명확하게 정리한 논문의 부재로 다수의 기존 논문들에서 많은 필수적인 개념들이 혼용되어 왔다. 이에 본 논문의 전반부에서는 인체통신의 핵심 개념과 역사적인 흐름, 그리고 실제 하드웨어 송수신기의 구현들에 대해서 리뷰를 진행하였다. 인체통신과 기존 무선송수신 이론간의 핵심적인 차이를 만드는 전극의 활용과 이론을 정리하고 주요 저널에 발표되었던 송수신기의 발전 과정을 되짚어봄으로서 차후에 인체통신이 나아가야할 방향을 정리하였다.
또한, 기존 인체통신 연구에서 있어서 한계점이었던 시스템으로의 확장에 대하여, 캡슐형 내시경에서의 활용에 대하여 새로이 제안하였다. 기존 캡슐형 내시경에서는 사람의 소화기관에서 이미지를 획득한 후 이를 사용자가 확인할 수 있게 하는 방식에 있어서, 크게 무선 송수신으로 전송하는 방식과 메모리에 저장하는 방식으로 나뉘게 된다. 무선 송수신기 방식의 경우 전력 소모로 인하여 탑재 가능한 카메라의 개수에 제한이 발생하기에 이미지 화질과 시야각의 한계점이 발생하게 되고, 반대로 메모리 방식의 경우 외부에서 캡슐의 정보를 얻을 방법이 없기에 위치 정보의 손실이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 인체통신 송수신기를 활용한 캡슐 내시경이 제안되었다.
새로이 제안된 캡슐 내시경은 4개의 카메라를 교차배치 및 탑재하여 360도의 방향을 촬영할 수 있도록 하였고, 이를 위한 시스템을 설계하였다. 이미지 센서에서 얻어진 데이터는 차등펄스변조(DPCM) 기반의 압축을 거쳐, 인체통신 송수신기를 통해 외부로 전송되게 된다. 캡슐에 집적된 IC에는 파형변조, 이중대역의 송신기가 설계되어 이를 통하여 <2mW, 80Mb/s의 신호를 전송할 수 있도록 하였다. 외부에는 8개의 수신기가 탑재되었으며, 이에는 피부와 전극에서 발생하는 신호 감쇄를 보상할 수 있는 수신신호 측정기가 설계되었다.
캡슐 내시경의 프로토타입이 제작되어 인체모방 팬텀을 통하여 검증되었으며, 55mAh의 코인배터리로 VGA화질의 4방향의 이미지를 4 fps로 8시간, 2 fps로 12시간을 전송할 수 있는 시스템이 제안되었다. 또한 위치추적에 대한 결과로서 <1 cm 정확도를 얻을 수 있었고, 전송된 데이터는 평균 40 dB의 PSNR을 달성하였다. 결과적으로, 360도 방향의 이미지를 촬영할 수 있을 뿐만 아니라, 실시간 캡슐의 위치를 추적할 수 있는 시스템이 성공적으로 제안, 및 시연되었다.
