一种野战便携式内窥镜视频系统的研制

周文光，王春飞，许新建，孔 悦

一种野战便携式内窥镜视频系统的研制

周文光，王春飞，许新建，孔 悦

目的：研制一种野战便携式内窥镜视频系统。方法：将主控制器TMS320DM368、图像传感器MT9P301、LED照明单元、LED显示器、光学接口和Wi-Fi模块一体化设计，集成在一个微型手持主机上。系统通过手持主机按键或无线脚踏开关2种方式进行采集图像；采用1 800 mAh锂电池供电，通过市电或太阳能进行充电。结果：经过临床测试，研制的便携式内窥镜视频系统可以与相应的医用内窥镜配接，适合于内窥镜检查及手术的实时观察、记录和回放，可通过Wi-Fi实现远程医疗。结论：便携式内窥镜视频系统体积小、性能稳定、操作方便、自我续航能力强，非常适合野战医疗。

图像处理器；内窥镜视频系统；光学接口

0 引言

内窥镜视频系统在各种腔镜手术治疗、门诊检查、多科会诊等发挥着重要作用。传统的内窥镜视频系统由各式内窥镜、冷光源系统、大型台车、视频采集及显示系统、图文处理计算机系统等组成，其设备构成复杂且笨重，需要连接各种电线，移动非常不方便，使用效率低，同时依赖市电工作，严重影响机动医疗和野战医疗。

基于上述情况，研制一种野战便携式内窥镜视频系统，将传统的内窥镜视频系统的各大部件集成为一个很轻、很小的手持机，功耗小，能用太阳能充电，方便单兵操作，野外生存续航能力强，满足平时临床的相关诊断治疗，更适用于野战医疗等恶劣环境的卫勤。项目采用MT9P301采集图像，通过图像处理器进行图像数据处理和编码压缩，以嵌入式Linux作为操作系统平台，在LCD显示屏进行图像观看和处理。整个视频系统采用3.5 in（1 in=25.4 mm）高分辨率LCD显示屏，外观尺寸小；把摄像组件和光学接口高度集成，配合一体化的冷光源设计；选择高精度旋转编码器实现的操控按钮，控制图像的无级缩放；内置Wi-Fi模块具有无线传输功能[1]，与配备的无线脚踏开关采集图像，并可将图像同步显示在HDTV大屏幕上，供多名医务人员同时查看，便于临床教学和远程医疗。

1 系统设计路线和实现

设计目标：拍摄图像清晰度高，性能稳定，可实时观察、记录和回放；无线传输稳定，便于远程医疗和多科会诊；系统体积小、安装方便、操作简单，无市电情况下能随时展开工作，便于野战。

本系统由机械部分、电路部分、软件部分3个部分组成。

1.1 机械部分

设计目标：整个视频系统外观尺寸小，方便连接各种光学接口，实现无线控制拍照图像，操作简单，便于携带。

视频系统主要包括便携式手持主机、光学接口组件、无线脚踏开关、无线高清视频接收器、HDTV等，其硬件框图如图1所示。

从图1可知，便携式手持主机通过各种光学接口组件与相应的医用内窥镜进行配接，在采集图像时，可通过便携式手持主机上的按键进行采样，也可通过无线脚踏开关进行采集，并可通过Wi-Fi模块和无线高清视频接收器同步显示在HDTV上，可实现多科会诊、临床教学和远程医疗等功能。便携式手持主机外观如图2所示。

图1 视频系统硬件框图

图2 便携式手持主机外观

便携式手持主机外观尺寸设计为111 mm× 111 mm×22 mm，集成图像处理、冷光源照明、高清显示、光学接口组件等模块，便于操作与携带。采用3.5 in高分辨率LCD显示屏，系统监视画面与实际操作界面一致，提高操作效率和稳定性[2]。

在手持主机左侧有电源按键和2个接口，电源按键可控制系统开关机，2个接口分别是USB2.0接口和MicroSD接口。通过USB2.0接口可以进行充电和传输图像和录像；MicroSD接口主要存放存储介质，用来存放图像和录像，可方便拆卸进行图像和录像拷贝[3]。

手持主机正前面有3个按钮，分别是拍照按键、录像按键和旋转按钮。旋转按钮是一个功能复合按钮，根据LCD显示器上的功能菜单进行旋转并确定，可选择所需的应用功能，比如在拍照模式下，即可通过旋转按钮方便地实现影像的实时无级缩放。

手持主机将光学接口和摄像组件高度集成，并配合一体化的冷光源设计，完全摆脱外接线的束缚，实现无线操作。在拍照和录像时，也可无线控制，通过脚踏开关进行拍照和录像。光学接口可根据医务人员的要求选择配接的各类相应硬管内窥镜和各类软性内窥镜[4]。

1.2 电路部分

设计目标：内窥镜视频系统运行稳定，能够进行高质量的图像采集、录像和处理；对图像和视频进行高效压缩处理，进行远距离传输，实现远程医疗；可通过市电和太阳能充电，在无市电的情况下能够使用4 h以上，能耗低。

内窥镜视频系统电路主要包括主处理器电路、液晶显示电路、按键及旋钮电路、图像传感器电路、物理内存及系统ROM电路、冷光源电路、视频输入输出电路、无线网络模块电路等。其结构如图3所示。

图3 内窥镜电路结构

1.2.1 图像采集电路和图像处理电路

本次设计的便携式内窥镜视频系统采用的主处理芯片为TMS320DM368，其集成ARM9为处理器，主频为432 MHz，主要负责指令和数据缓存的控制和配置，内部的视频协处理器MJCP负责MPEG和JPEG数据的编解码，HCP负责H.264数据的编解码，一起负责对图像数据的分析和处理。DM368的视频处理子系统包含前端视频处理和后端视频处理，前端视频处理端口提供与CMOS模块之间的接口，后端视频处理端口支持数字LCD输出。

针对野战的特殊环境，采用的图像传感器为低功耗CMOS传感器MTP031，输出为500万像素，采集图像后输出的原始数据经过图像传感器接口与DM368的图像信号处理器进行通信，对MTP031输出的图像数据进行坏点修补、自平衡校正、曝光调整、边缘锐化等，再进行视频数据编码，输出数字RGB/YCBCR信号，显示在LCD上。其主芯片电路框图如图4所示。

图4 主芯片电路框图

1.2.2 无线传输

野战医疗中大多数为突发情况，有时各式各样的内镜检查需要多科会诊甚至远程诊断，为了方便把内窥镜拍摄的图像和视频进行传输，本次设计的野战便携式视频系统包含了无线传输模块，能够及时把前线拍照的图像和视频传到后方，进行远程会诊。本系统的便携式视频主机带有无线网络模块、无线脚踏开关和无线高清视频接收器，可实现高清视频信号的无线传输。便携式手持主机将编码后的H.264视频流通过RTSP流媒体服务器和无线网络模块发送出去。PC端通过无线路由器连接到手持主机的无线网络，即可接收播放视频。其原理结构如图5所示。

图5 无线传输结构框图

1.2.3 冷光源系统

冷光源系统作为内窥镜视频系统的重要组成部分，有着特殊的要求。采用系统特制的LED灯作为冷光源，其基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的基架上，四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，抗振性能好，能够适应恶劣的野外环境，而且其具有发光效率高、温升低、寿命长等特点。本系统内置的LED冷光源采用大电流驱动，并通过TPS70302PWP进行电压、电流控制，进而实现照明亮度的调节，控制LED光源输出。其控制框图如图6所示。

图6 内置冷光源控制框图

1.2.4 电源管理电路

电源管理电路采用的主芯片为TPS70302PWP，为了避免相互干扰、提高稳定性，各组不同的电压独立输出。系统采用的内置电池是可充电聚合物锂电池3.7 V、1 800 mAh，在供电的同时给锂电池充电，在无市电的情况下可维持系统4 h以上[5]。本系统采用2种方式进行充电：一是通过市电整流变压输出5 V或者通过USB接口输出5 V进行充电；另一种通过太阳能电池板采集太阳能，再经过太阳能控制器稳压输出5 V，给锂电池充电。保证野战便携式视频系统随时开展工作，电源供应不间断。其充电系统框图如图7所示。

图7 充电系统框图

1.3 软件部分

本系统采用嵌入式Linux操做系统和cramfs文件系统，内置MJCP/HDVICP协处理器，支持JPEG/ MPEG4/H264等多种格式的硬件编解码。视频前端VPFE支持多种CCD/CMOS图像传感器，视频后端VPBE支持720P高清数字输出，可配接多种高分辨率液晶屏。此外，数字多媒体开发包DVSDK支持嵌入式Linux及各功能部件的驱动，配合上层示例程序，可方便地实现该视频系统的多种功能需求[6]。其系统软件结构如图8所示。

图8 系统软件结构

EV应用层位于系统最顶层，负责用户交互UI、拍照录像、文件管理等基本功能的实现。系统应用层负责图像采集、编码压缩、图像处理及显示输出等核心任务的实现，该层通过OS及驱动接口层与底层的硬件编解码库、图像处理算法库等通信，完成图像采集及处理。最底层包括Linux系统及底层硬件接口的驱动实现等。

2 野战便携式内窥镜视频系统的临床应用

本次设计的野战便携式内窥镜视频系统经过多家医院和社区诊所、野战医疗使用，反应良好，与传统的内窥镜视频系统相比，优势如下：

（1）将传统台车式内窥镜视频检测设备的光学系统、图像采集显示系统及冷光源系统等集成到一个小型的终端设备中，体积轻巧，提高系统便携性。

（2）系统通过手持主机就能采集图像，无需连接各种数据线和电源线，使用方便。

（3）功能全面。虽然系统高度集成为一个小型终端设备，但产品功能全面。具体包括图片拍摄、视频录制、画面缩放、内置存储卡、文件管理器、照明亮度调节及视频的无线传输等。

（4）系统采用大容量锂电池供电，解决了传统设备依赖外部交流电源工作的问题，且系统持续工作时间在4 h以上[7]。

3 结语

针对传统内窥镜视频依赖220 V供电且笨重不方便携带等特点，本文研制的便携式内窥镜视频系统集成摄像头、光学接口、冷光源、影像处理器和显示器等在一个小型终端设备上，整个系统外观尺寸小、画面精细、操作简单、性能优越，并可实现无线

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）传输。本系统采用大容量锂电池供电，并可通过市电或者USB2.0进行充电，非常适合医院门诊、机动医疗、野战医疗、远程医疗等应用。

[1]刘建青，黄平.无线胶囊内窥镜CMOS摄像模块的设计与制作[J].现代制造工程，2010，25（3）：64-67.

[2]王国良.医用电子内窥镜光学镜头图像畸变数字校正方法[J].光电子·激光，2000，11（6）：602-605.

[3]宫丽梅.内窥镜及相应配套设备计量检测装置的初步研究[J].医疗卫生装备，2005，26（11）：74-75.

[4]兰维永.医用内窥镜校准方法探讨[J].计量与测试技术，2012，39（1）：34-37．

[5]李杰，蔡灿辉.基于DSP的H.264解码器的优化[J].信号处理，2005，21（4A）：312-315.

[6]王培珍，徐俊生.基于ARM9的嵌入式Linux图像采集系统设计[J].智能控制、检测技术及应用，2007，36（19）：89-92.

[7]彭启棕.达芬奇技术——数字图像/视频信号处理新平台[M].北京：电子工业出版社，2008：15-30.

（收稿：2013-09-06 修回：2014-12-03）

Development of field portable endoscope video system

ZHOU Wen-guang,WANG Chun-fei,XU Xin-jian,KONG Yue
(The 174th Hospital of the PLA,Chenggong Hospital of Xiamen University,Xiamen 361003,Fujian Province,China)

ObjectiveTo develop a field endoscope video system.MethodsThe main controller TMS320DM368, MT9P301 image sensor,LED lighting unit,LED display unit,optical interface and WIFI module were integrated into a miniature handheld console.Image acquisition was carried out through the keys on the console or wireless foot switch. Power supply was realized with 1 800 mAh lithium battery,commercial power or solar energy.ResultsClinical trials proved that the system could be connected with medical endoscope for real-time observation,recording and replaying of endoscopic examination and surgery,and could be used for telemedicine through Wi-Fi.ConclusionThe system behaves well in volume,stability,operation and endurance,and thus is worth applying in field service.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：43-45，74]

image processor;endoscopic video system;optical interface

R318.6；TH773

A

1003-8868（2014）11-0043-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.043

周文光（1970—），男，主任技师，主要从事医疗设备的维修、质量控制、使用管理等方面的研究工作，E-mail：zhouwgsun@126.com。

361003福建厦门，解放军174医院，厦门大学附属成功医院（周文光，王春飞，许新建，孔 悦）

孔 悦，E-mail：xmky2005@126.com