一种新型内窥镜视频系统的设计*

周文光 王春飞 毛坤剑 陈 庆 孔 悦*

[文章编号] 1672-8270(2015)03-0030-04 [中图分类号] R197.324 [文献标识码] A

一种新型内窥镜视频系统的设计*

周文光①王春飞①毛坤剑①陈 庆①孔 悦①*

[文章编号] 1672-8270(2015)03-0030-04 [中图分类号] R197.324 [文献标识码] A

目的：设计一种新型内窥镜视频系统， 实现视频的无线传输功能，方便多人对手术过程进行实时观察、记录和回放。方法：采用高分辨率CMOS图像传感器MT9P031作为图像采集设备，将内窥镜观测到的光学信号转换为电信号，再由多媒体处理器TMS320DM368进行数字处理，获得清晰稳定的图像，在手持主机的LCD液晶显示屏上显示，也可通过无线网络传输至PC机。结果：本系统操作简单，并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，提高了系统的便携性。结论：新型内窥镜视频系统非常适用于内窥镜诊疗工作。

内窥镜；视频系统；图像采集；数字处理

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.03.010

[First-author’s address] Chenggong Hospital, Xiamen University and The 174 Hospital of PLA, Xiamen 361003, China.

随着半导体和计算机技术的飞速发展，其应用领域不断向周边学科渗透，集传统光学技术与现代计算机和微电子技术等高新技术于一身的医用电子内窥镜已经成为当前应用非常广泛的一种医疗仪器[1]。医生通过电子内窥镜不仅能直接观察到人体内脏器官的组织形态及病变情况，方便地进行诊断，而且还可将观察到的图像进行存储和传输，以便进一步的诊疗和处理，其诊疗优越性已被医学界所共识[2]。

1 新型内窥镜视频系统设计方案

本研究设计的内窥镜视频系统采用高分辨率CMOS图像传感器MT9P031作为图像采集设备，将内窥镜观测到的光学信号转换为电信号，再由多媒体处理器TMS320DM368进行数字处理，获得清晰稳定的图像，在手持主机的液晶显示(liquid crystal display，LCD)屏上显示。该系统内置WiFi模块，通过无线路由器，可实现视频的无线传输功能，方便多人对手术过程进行实时观察、记录和回放。本研究设计为南京军区2013年度科技创新项目资助课题，并已获得国家实用新型专利。

2 新型内窥镜视频系统设计

新型内窥镜视频系统由硬件和软件设计组成。硬件设计包括图像采集模块、图像后处理模块、发光二极管(light emitting diode， LED)照明模块以及按键及旋钮模块等；软件设计包括图像采集子系统、视频处理子系统及用户交互子系统等。

2.1 硬件设计

硬件部分主要包括图像采集模块、图像后处理模块、LED照明模块、按键及旋钮模块等(如图1所示)。

图1 新型内窥镜视频系统结构框图

通过金属氧化物半导体(complementary metaloxide semiconductor，CMOS)元件图像传感器将内窥镜观测到的光学信号转换为电信号，由多媒体处理器TMS320DM368进行数字处理，获得清晰稳定的图像后，在手持式液晶显示屏上显示，系统内置WiFi模块，可通过无线路由器实现视频的无线传输功能，方便多人对手术过程进行实时观察、记录和回放。照明方式采用大功率白光LED为点光源，发光效率高，色彩还原性强，使用寿命长。

2.1.1 图像采集模块

视频图像采集部分的传感器分为电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)和CMOS两种类型，两者之间的工作机制和原理不同，CCD图像传感器虽然拥有高信噪比、高输出图像质量的优点，但其生产过程复杂、成本高且功耗大，相比而言CMOS图像传感器的最大优点是功耗小、成本低、电路结构简单且集成度高[3]。随着技术水平的不断进步，CMOS图像传感器的性能正在逐渐接近和超越CCD。

本研究设计的视频采集模块选用APTINA公司生产的MT9P031，其为500万像素的高性能CMOS图像彩色传感器。MT9P031具有很高的成像质量和转换速率，支持自动增益和(或)可编程控制，支持自动曝光和(或)可编程曝光，内置YUV输出及颜色校正，被广泛应用于数码相机和数字成像设备等[4]。

2.1.2 图像后处理模块

本研究选用的图像处理器为德州仪器(TI)推出的TMS320DM368视频处理器，支持多格式高清视频，包括VC1、MPEG2、MPEG4、MJPEG以及H.264等，最高支持30帧/s编码的1080 p标准[5]。该器件不仅支持多格式编码和(或)解码、多速率、多流及高清多通道功能，且可提供音频、语音及其他高清视频编解码器，实现更高的灵活性与更低的设计复杂性。TMS320DM368视频处理器功能框图如图2所示。

图2 处理器功能框图

VPSS为视频处理子系统，包括图像捕获的视频前端(Video FE)输入接口和用于图像显示的视频后端(Video BE)输出接口。视频前端主要用于捕获视频信号，包括1个控制器和1个预处理器，控制器可以与CCD、CMOS传感器或解码器直接连接，预处理器为实时图像处理器，将原始图像从RGB变为YUV422编码。视频后端由1个OSD引擎和1个视频编码器组成，OSD用于在视频图像上叠加音量、图标等位图或图像信息[6]。

2.1.3 LED照明模块

LED是一种直接将电能转换为光能的半导体固体发光器件，利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出各种颜色的光[7-8]。与其他发光器件相比，LED具有发光效率高、色彩还原性强、温升低以及使用寿命长等优点。本设计选用特制的LED，单颗最大功率可达3 W，额定工作条件(电压3 V、电流350 mA)下有效光通量达90～100 lm。

LED驱动芯片选用PAM2861，此芯片兼容较宽的直流输入电压，输入范围在6～40 VDC内都能稳定可靠的工作，内置高精度电流检测器，可通过外置电阻设定输出电流最大可达1 A[9]。输出电流也可通过VSET引脚进行PWM调节，PWM频率范围为0.1～1 kHz，最高输入电压为5 V。LED驱动电路图如图3所示。

图3 LED驱动电路图

2.1.4 按键及旋钮模块

通过按键电路，可控制对实时图像的采集或录像。按键电路图如图4所示。

图4 按键电路图

本视频系统还可根据实际需要通过旋转旋钮对图像进行实时放大或缩小处理。旋转旋钮选用美国Greyhil1公司生产的61C22-01-04-02型光电编码器，内部电路如图5所示[10]。其内部有1个发光二极管和2个光敏三极管，当左右旋转旋钮时，中间的遮光板会随旋钮一起转动，光敏三极管就会被遮光板有次序地遮挡，A、B相的输出相应的发生变化；当按下旋钮时，2、3两脚接通，其用法同一般按键[11-12]。

图5 光电编码器内部电路图

2.2 软件设计

软件设计采用嵌入式Linux系统和数字媒体开发包DVSDK作为系统软件平台，主要包括图像采集子系统、视频处理子系统及用户交互子系统[13]。

2.2.1 图像采集子系统

图像采集子系统采用多线程机制，根据用户参数设置，对CMOS图像传感器采集的原始数据进行同步并行处理，包括自动白平衡、图像去噪及边缘畸变校正等。用户通过旋转旋钮，还可对图像进行缩小或放大处理，处理后的图像数据统一存放在系统内存中，再刷新到液晶显示屏上显示预览。同时，用户交互线程还将检测按键动作，将图像数据进行JPEG/H.264编码，存放到内置存储卡中；或者根据用户设置，将编码后的视频数据通过无线网络传输至电脑端显示[14]。系统流程如图6所示。

图6 图像采集子系统流程图

2.2.2 视频处理子系统

视频处理子系统是软件系统的重要组成部分，包括图像采集、参数调整、软件OSD及视频编码的实现代码等，其流程如图7所示。

图7 视频处理子系统流程图

主线程接收用户传入的命令行参数，设置系统工作模式，启动图像采集及视频处理流程。通过图像传感器获取图像后，按设置参数执行2A算法处理，再将数据流传入显示线程，在液晶显示屏上显示。同时，视频数据根据设置参数，将视频数据依次传入图像去噪、软件OSD和视频编码线程，最后传输至系统环形缓冲区，供上层的EV系统应用软件调用[15]。

2.2.3 用户交互子系统

用户交互子系统通过单独的线程对按键及旋钮的状态进行扫描，检测到用户的按键动作后，再执行拍照、录像或系统OSD菜单设置动作。系统流程如图8所示。

图8 用户交互子系统流程图

3 结语

本视频系统在多家三甲医院、社区诊所及卫生院进行了临床使用，所采集的图像清晰稳定，分辨率高，单人手持操作节省了人力物力，医护人员反映良好。新型内窥镜视频系统经测试，采集的图像质量好、稳定性高，可实时拍照及录像，内置WiFi模块，通过无线路由器，可实现视频的无线传输功能，方便多人对手术过程进行实时观察、记录和回放[16]。本系统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，提高了系统的便携性。

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Design of a novel endoscopic video system

ZHOU Wen-guang, WANG Chun-fei, MAO Kun-jian, et al// China Medical Equipment,2015,12(3)∶30-33.

Objective∶ To Design a novel endoscopic video system. Methods∶ Using high resolution CMOS image sensor MT9P031 as the image acquisition equipment, the endoscope conversion optical signal into electrical signal. Trough the Multimedia processor TMS320DM368 for digital processing, it can obtain clear and stable image, and display on the LCD handheld host. It can also be transmitted through a wireless network to the PC machine. It can facilitate people observe, record and playback on operation process. Results∶ The system is simple to use. The traditional trolley type endoscope video detection device of optical system, image acquisition and display system and cold light source system is integrated into a small terminal equipment, and can improve the portability of the system. Conclusion∶ The endoscope video system is very suitable for endoscopic diagnosis and treatment.

Endoscopic; Video; Image acquisition; Digital processing

周文光,男,(1970- ),本科学历，主任技师。解放军第174医院 厦门大学附属成功医院器材科，从事医疗设备的维修、质量控制及使用管理等方面的研究工作。

2014-08-21

南京军区2013年度科技创新项目资助课题(MS087)“一种野战便携式内窥镜视频系统”

*专利：国家实用新型专利(201420083810.3)

①解放军第174医院 厦门大学附属成功医院器材科 福建 厦门 361003

*通讯作者：xmky2005@126.com