王 斌 湯棟生 張志芳 許新建 毛坤劍* 周文光

醫(yī)用內(nèi)窺鏡能夠經(jīng)過(guò)口腔進(jìn)入胃內(nèi)或者經(jīng)其他天然孔道進(jìn)入體內(nèi)，進(jìn)而觀察組織病變，已被廣泛用于腸胃道、胰腺、膽道、腹腔、呼吸道以及泌尿道等組織的疾病檢查[1]。傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)由于比較龐大，在移動(dòng)醫(yī)療中無(wú)法攜帶，進(jìn)而不利于移動(dòng)醫(yī)療的檢查與治療。因此，便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)由于其體積小、重量輕、便于攜帶與操作等優(yōu)勢(shì)，廣泛運(yùn)用于搶險(xiǎn)救災(zāi)、院外急診、門診查房及常規(guī)內(nèi)窺鏡手術(shù)[2]。由于便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)采用高度集成化和人體工學(xué)設(shè)計(jì)，為了顯示的采集圖像能夠方向恒定，不隨內(nèi)窺鏡隨意轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，采用的高精度旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)無(wú)級(jí)縮放，圖像更加細(xì)膩清晰。為此，本研究以嵌入式Linux系統(tǒng)和數(shù)字媒體開(kāi)發(fā)包DVSDK作為系統(tǒng)軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)各軟件模塊，實(shí)現(xiàn)便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)運(yùn)用的穩(wěn)定性[3]。該項(xiàng)目已申請(qǐng)實(shí)用新型專利。

1 便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)主要是將攝像頭、光學(xué)接口、冷光源、影像處理器和液晶顯示器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，并基于嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行圖像存儲(chǔ)和處理。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1 顯示，該系統(tǒng)采用的主處理器控制芯片為STM32，圖像采集模塊主要是通過(guò)高清晰電荷耦合元件(charge coupled device，CCD)采集拍攝的圖像，冷光源模塊采用發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)做為光源，以外接連接方式連接便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)主機(jī)，系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊用于儲(chǔ)存采集的圖像和視頻，圖像和(或)視頻輸出模塊用于處理采集的圖像和視頻，液晶顯示模塊采用采集的圖像和視頻，按鍵及旋鈕用于實(shí)現(xiàn)圖像和視頻的無(wú)級(jí)縮放，電源管理模塊用于監(jiān)測(cè)視頻主機(jī)的電量運(yùn)用情況[4]。

2 便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)以高度集成化和人體工學(xué)設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)單獨(dú)攜帶操作，提高操作效率和穩(wěn)定性，因此，對(duì)便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有特殊的要求。系統(tǒng)與傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)軟件相比，更優(yōu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、更清晰的子系統(tǒng)模塊和更簡(jiǎn)練的數(shù)據(jù)處理，便于更穩(wěn)定的運(yùn)行。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件采用嵌入式Linux系統(tǒng)和數(shù)字媒體開(kāi)發(fā)包DVSDK作為系統(tǒng)軟件平臺(tái)[5]。系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件分層結(jié)構(gòu)框圖

應(yīng)用層位于系統(tǒng)最頂層，負(fù)責(zé)用戶交互用戶界面(user interface，UI)、拍照錄像、文件管理器等基本功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)應(yīng)用層負(fù)責(zé)圖像采集、編碼壓縮、圖像處理及顯示輸出等核心任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，該層通過(guò)操作系統(tǒng)(operating system，OS)及驅(qū)動(dòng)接口層與底層的硬件編解碼庫(kù)、圖像處理算法庫(kù)等通信，完成圖像采集及處理的任務(wù)。最底層包括Linux系統(tǒng)及底層硬件接口的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)等。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用分層結(jié)構(gòu)，便于按模塊實(shí)現(xiàn)不同功能，主要包括圖像采集子系統(tǒng)模塊、視頻處理子系統(tǒng)模塊、用戶交互子系統(tǒng)模塊、存儲(chǔ)卡訪問(wèn)子體系模塊以及電量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)模塊等[6]。

2.1 圖像采集子系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)采用高清晰CCD圖像傳感器采集圖像，通過(guò)傳感器接口采集原始數(shù)據(jù)后，對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、圖像去燥、邊緣校正等圖像處理，對(duì)采集的圖像進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以獲得更加清晰的圖像[7-9]。醫(yī)務(wù)人員通過(guò)高精度編碼器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的縮小或者放大，進(jìn)而更加自由的觀察病變組織，當(dāng)拍攝圖片或者錄制視頻后，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)其JPEG/H.264編碼，存放到內(nèi)置存儲(chǔ)卡中，并同時(shí)顯示在液晶屏上，便于醫(yī)務(wù)人員的觀察，其數(shù)據(jù)采集及流程處理如圖3所示。

圖3 圖像采集子系統(tǒng)模塊流程框圖

2.2 視頻處理子系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)模塊主要包括視頻或者圖像的采集、參數(shù)設(shè)置及調(diào)整，并對(duì)顯示圖像的色彩、模式、幾何形狀等進(jìn)行調(diào)整，最后進(jìn)行JPEG/H.264編碼等[10]。主要視頻數(shù)據(jù)流向如圖4所示。

圖4 視頻處理子系統(tǒng)模塊數(shù)據(jù)流向框圖

系統(tǒng)通過(guò)醫(yī)務(wù)人員設(shè)置的參數(shù)進(jìn)而匹配工作模式，進(jìn)入圖像采集及視頻處理流程。系統(tǒng)采集圖像后進(jìn)行圖像算法處理，再將圖像數(shù)據(jù)流傳入顯示線程，進(jìn)而進(jìn)行液晶顯示，與此同時(shí)，圖像進(jìn)行去燥線程、軟件線程及視頻編碼線程進(jìn)入環(huán)形緩沖區(qū)，供上層的EV系統(tǒng)應(yīng)用軟件調(diào)用[11]。

2.3 用戶交互子系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)采用按鍵及旋轉(zhuǎn)編碼器作為用戶操作接口，該視頻軟件系統(tǒng)通過(guò)單獨(dú)的線程對(duì)按鍵及旋鈕的狀態(tài)進(jìn)行掃描，檢測(cè)到用戶的按鍵動(dòng)作后，再執(zhí)行拍照、錄像或系統(tǒng)OSD菜單設(shè)置動(dòng)作[12]。按鍵及旋鈕狀態(tài)檢測(cè)線程的流程如圖5所示。

圖5 按鍵及旋鈕檢測(cè)流程框圖

表1 臺(tái)式傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)與便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比

2.4 存儲(chǔ)卡訪問(wèn)子系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)內(nèi)置Micro SD卡作為拍攝圖片和錄制視頻的存儲(chǔ)介質(zhì)，該軟件系統(tǒng)支持用戶通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)系統(tǒng)內(nèi)置存儲(chǔ)卡，其軟件分層結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 內(nèi)置卡訪問(wèn)分層結(jié)構(gòu)框圖

從圖6可知，底層是SD/MMC卡驅(qū)動(dòng)程序，上層是cramfs文件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)采用vsftpd服務(wù)器將內(nèi)置卡目錄共享，用戶可通過(guò)FTP客戶端軟件訪問(wèn)系統(tǒng)IP地址，即可訪問(wèn)內(nèi)置存儲(chǔ)卡的內(nèi)容。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)執(zhí)行腳本文件，檢測(cè)并設(shè)置內(nèi)置卡目錄，最后啟動(dòng)vsftpd服務(wù)[13]。

2.5 電量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)采用可充電鋰聚合物電池供電，該軟件系統(tǒng)通過(guò)處理器內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)對(duì)鋰電池的電壓進(jìn)行采樣，監(jiān)測(cè)電池電量，并通過(guò)UI界面顯示，提示電池當(dāng)前電量。其中，ADC驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用層電量檢測(cè)模塊的分層結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電路監(jiān)測(cè)模塊分層結(jié)構(gòu)框圖

3 便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的臨床應(yīng)用效果

(1)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要用于便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)，其與臺(tái)式傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)軟件相比，具有以下特點(diǎn)。整機(jī)重量?jī)H為200 g，顯示屏幕為3.5英寸的液晶顯示屏，采集的數(shù)據(jù)可以通過(guò)移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行拷貝，便于科研教學(xué)；整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視畫面與實(shí)際操作面一致，可減少醫(yī)務(wù)人員長(zhǎng)時(shí)間觀看視頻的疲勞感，見(jiàn)表1。

(2)通過(guò)對(duì)便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，對(duì)其關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試記錄見(jiàn)表2。

表2 便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)參數(shù)表

(3)系統(tǒng)在100多家醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)、10次野戰(zhàn)衛(wèi)勤演習(xí)以及10次下部隊(duì)義診使用過(guò)程中，經(jīng)過(guò)200例門診檢查、200例住院查房以及200例手術(shù)治療應(yīng)用過(guò)程中，所含技術(shù)易于掌握，使用成本低廉，深受醫(yī)生、護(hù)士及技術(shù)人員好評(píng)。臨床使用示意如圖8所示。

圖8 便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)臨床運(yùn)用效果示圖

4 結(jié)語(yǔ)

便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的一體化人體工學(xué)和微型設(shè)計(jì)，讓整個(gè)內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)能夠隨身攜帶，并能單兵攜帶與操作，克服傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的缺陷，滿足現(xiàn)代野戰(zhàn)衛(wèi)勤、搶險(xiǎn)救災(zāi)及臨床醫(yī)療的檢查要求，可在各種惡劣環(huán)境下全天候穩(wěn)定工作，幫助醫(yī)護(hù)人員提高工作效率。通過(guò)對(duì)該視頻系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)其在運(yùn)用過(guò)程中的各項(xiàng)功能，并能夠使采集的圖像方向恒定，不隨內(nèi)窺鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，減少操作失誤，提高精確度和安全性。采用高精度旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)的操控按鈕，可方便地實(shí)現(xiàn)影像的實(shí)時(shí)無(wú)極縮放，使該視頻系統(tǒng)具有較強(qiáng)的使用性[14]。

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