基于ARM的非接触式伤口面积图像测量技术研究*

廖琪梅 高 鹏 陈 静 冯 威 张国鹏

基于ARM的非接触式伤口面积图像测量技术研究*

廖琪梅①高 鹏①陈 静①冯 威②张国鹏①

目的：基于进阶精简指令集机器(ARM)的非接触式伤口面积图像测量技术，研究一种低成本、非接触及高效率的伤口拍照和面积标定技术，完成对伤口面积的快速、准确及方便测量。方法：提出基于ARM9嵌入式平台的伤口面积获得方法，通过嵌入式拍照实现图像获取的高效率和低成本，并以激光束面积标定的思路实现非接触伤口面积采集。结果：通过设计技术与传统技术的实验结果比对，测量误差均<1%，而设计技术具备非接触的优势。结论：非接触式伤口面积图像测量技术能够对伤口面积进行快速、准确及方便的测量，同时可避免交叉感染，具有一定的临床应用前景。

标定；面积比对；嵌入式系统；非接触; 进阶精简指令集机器

廖琪梅,女,(1969- ),博士，副教授。第四军医大学生物医学工程系计算机应用教研室，研究方向：生物医学工程。

在研究创伤伤口修复过程中，伤口面积是常见的用来评价伤口愈合情况的指标，其测量的准确性直接影响伤口愈合进度的评估、预测以及医务人员对伤口的判断和处理[1]。在伤口面积的测量过程中，由于伤口经常处于非平面、不规则甚至多数为三维的情况，使得伤口面积测量较为困难。对于伤口面积的测量方法，目前有文献报道了图形分析仪法、描记法[2]以及利用数码相机确定面积样本进而实现标定等方法[3]。这些方法中图形分析仪法虽然测量效果及准确性较好，但其较高的价格影响实际应用；描记法测量及利用数码相机确定面积样本进行标定的方法需要采用标定样品与伤口附近进行接触测量，会引起伤口的二次感染，不利于伤口的快速健康愈合。针对以上常见测量伤口面积方法存在的不足，本研究基于ARM的非接触式伤口面积图像测量技术，设计一种价格便宜、体积较小、操作方便并且可避免二次感染的测量伤口面积方法。

1 非接触式伤口面积拍照系统总体设计

随着嵌入式系统，尤其是进阶精简指令集机器(advanced risc machine，ARM)[4]技术的快速发展及大面积使用，其较高的性价比、便利的开发环境及较强的扩展性为集成多功能拍照系统提供了有利条件。同时，激光在传播过程中具备光斑面积变化小的特点，且激光产业化的快速发展成就了激光发生器价格的低廉化，使得激光光斑作为非接触测量的标定样本成为可能。因此，基于ARM硬件平台、Linux[5-6]软件平台和激光器三者结合设计伤口面积的非接触式准确测量研究具备技术条件[7-8]。本研究以上述3种技术为平台设计非接触式伤口面积拍照系统，硬件平台以ARM9为核心，其上运行Linux操作系统，在操作系统上做应用程序开发，并通过QT[9]人机界面进行人机交互。在硬件端配置常规200万摄像头进行拍照，配置激光器用以拍照的面积参照，为了便于拍照图片时方便转移，系统独立配置了SD卡，其设计方案如图1所示。

图1 非接触式伤口面积拍照系统

图2 系统硬件设计原理图

图3 USB摄像头与激光器

图4 系统硬件设计实物图

图5 系统整装后的实物图

图6 系统工作时的实物图

2 非接触式伤口面积拍照系统硬件设计

系统的硬件设计以三星S3C2440A[10]芯片为平台进行硬件设计，该芯片基于ARM9核，工作频率最高可达533 MHz，工作时通过并行总线与64 M的SDRAM和256 M的flash进行数据交互，实现较大规模程序的高速运行(如图2所示)。图2显示，处理器通过并行总线与3.5寸触摸屏通信实现人机交互，完成系统的操作，并通过IO控制激光器实现与USB摄像头采集图形同步定标的作用(如图3所示)；处理器还利用SPI总线衔接SD卡实现图像数据的大规模存储。图4显示硬件设计的实物图，具体布局时，系统将处理器、flash、SDRAM及电源等集中设计在95 mm×100 mm的电路板上，用于人机界面交互的3.5寸触摸屏架设于硬件电路板上，整个硬件设计小巧紧凑，便于携带。整个实物大小和常规药箱相当，重量≤1 kg，方便携带和使用。整个系统设计完成后与结构配合，最终形成的实物如图5和图6所示。

系统的硬件设计和传统探伤仪相比，其重要的突破点是采用激光光斑作为伤口面积计算的参考，该方法的优点是：①激光的光斑面积大小受距离的影响很小，可以实现非接触测量时的准确定标，易于图像处理的算法实现；②测量时系统操作简单，且为非接触测量，避免了伤口的交叉感染。

3 非接触式伤口面积拍照系统软件设计

由于系统的硬件设计具有高速的处理性能和丰富的存储资源，因此系统软件设计基于Linux2.6.32.2内核以及跨平台的C++图形用户界面QT进行开发，开发环境基于Eclipse[11]平台(如图7所示)。Linux系统有着嵌入式操作系统需要的各种特点，可适应于多种CPU和硬件平台，且性能稳定、裁剪性强。QT是诺基亚开发的一个跨平台C++图形用户界面应用程序框架，完全面向对象并扩展性较强，能够实现真正的组件编程(如图8所示)。

图7 Eclipse开发环境

图8 QT开发界面

系统软件设计操作流程：①系统进行开机初始化及自检，以保证系统的正常运行，并进行参数设计；②系统通过摄像头采集图像信息，并将信息实时显示到显示屏，用户可以手工进行图像聚焦的标定以保证图像呈现的清晰度；③系统控制摄像头开始进行图像的预采集；④系统软件控制激光器打开，将激光光斑照射于伤口附近，同时用户通过显示界面观察图像，并通过观察的图像调整摄像头和激光光斑位置，将伤口位置和激光光斑位置调整到最佳位置；⑤伤口定位完成后通过触摸按键完成一次图像数据的存储，并关闭激光器；⑥如果需要拍摄多张伤口照片，重复步骤④和⑤。图像处理完成后，存储于SD卡当中，方便将图片转移至PC机，以便于后期的图像处理。其系统软件设计如图9所示。

4 非接触式伤口面积拍照系统验证

系统设计完成后，将系统拍照及后期处理结果与文献[3]的方法进行比较。本研究激光光斑作为标定的图像拍照样本，其中红色圆形光斑为激光光斑面积参考物，处于伤口旁边；黑色方块为接触式面积参考物(如图10所示)。

为便于数据的验证，实验构成中，拍摄距离分别为15 cm、18 cm及20 cm，拍摄角度分别为0°、5°及10°，将后期的处理结果按照被测物与参考物像素数百分比(﹪)的方法进行比对，实际数据的比较结果见表1。

图9 软件设计流程

图10 激光光斑与接触式参考物标定测量比对

表1 激光光斑与接触式参考物标定数据比对

表1显示，两种情况下的处理结果相差不大，计算得到的面积误差很小(≤1﹪)，表明本研究设计的非接触式标定技术与接触式相比，并未降低实际使用效果，并且避免了接触式带来的交叉感染问题。

5 结论

本研究针对传统伤口面积测量中存在的价格贵、容易引起交叉感染的缺陷，设计了非接触式伤口面积计算的新标定技术。系统设计充分利用了激光光斑在传输过程中光斑面积变化较小的特点，再集合ARM9硬件系统和Linux软件系统功能强大、性价比较高的特点进行系统开发，从实际验证的效果看，系统除携带方便、使用便利的常规特点外，重要的是实现了非接触式的面积标定测量，以避免交叉感染。本研究数据结果表明，其数据精确度符合临床使用要求，该技术可以作为其他临床非接触式伤口面积测量的技术参考。

参考文献

[1]付小兵,孙同柱,盛志勇.几种用于创伤修复研究的动物模型[J].中华实验外科杂志,1999,16(5):479-480.

[2]缪云萍,叶小弟,程敏,等.重组人角质细胞生长因子2涂膜剂对家兔损伤创面愈合的影响[J].中华烧伤杂志,2006,22(2):105-108.

[3]赵飞,屈景辉,李飞江,等.适用于创伤修复研究的伤口面积测量系统设计[J].医疗卫生装备,2007,28(11):28-30.

[4]杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京:清华大学出版社,2003:56-93.

[5]弓雷.ARM嵌入式Linux系统开发详解[M].2版.北京:清华大学出版社,2014:12-79.

[6]鸟哥.鸟哥的Linux私房菜(基础学习篇)[M].3版.北京:人民邮电出版社,2010:128-220.

[7]潘巨龙,黄宁,姚伏天,等.ARM9嵌入式Linux系统构建与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006:127-202.

[8]孙天泽,袁文菊.嵌入式设计及Linux驱动开发指南--基于ARM9处理器[M].2版.北京:电子工业出版社,2007:64-88.

[9]霍亚飞,程梁.Qt5编程入门[M].北京:北京航空航天大学出版社,2015:148.

[10]孙弋.基于S3C2440的嵌入式Linux开发实例[M].西安:西安电子科技大学出版社.2013:126.

[11]Clayberg E,Rubel D.Eclipse:building commercialquality plug-ins[M].2th ed.Addison-Wesley,2004.

A research of image measurement technology for the non-contact wound area based on the ARM/

LIAO Qi-mei, GAO Peng, CHEN Jing, et al//
China Medical Equipment,2017,14(4):48-51.

Objective: To research a low cost, non-contact and high efficiency technology for wound image acquisition and area calculation based on non-contact wound area image measurement technology of advanced RISC machines(ARM), so that achieve quick, accurate and convenient measurement for wound area. Methods: Proposed a measurement method for wound area based on ARM9 embedded platform; used the embedded pictures to realize the low cost and high efficiency for the image acquisition, and used the calibration technology of the laser beam area to realize the collection for non-contact wound area. Results: The comparison results between the old method and the new method showed that all of measuring errors were in 1%, but the design of the new technology has the advantages of non-contact. Conclusion: By using the new method, the wound area can be rapid, accurate, convenient measured, at the same time, it can avoid the cross infection. The method has a certain clinical application prospect.

Calibration; Area comparison; Embedded system; Non-contact; Advanced risc machine

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.04.012

1672-8270(2017)04-0048-04

R197.39

A

2016-12-09

陕西省工业攻关项目(2015GY123)“伤口局部给氧式红外快速愈合技术与装置”

①第四军医大学生物医学工程系计算机应用教研室 陕西 西安 710032

②唐都医院信息科 陕西 西安 710038

[First-author’s address] Teaching and Research Section of Computer Application, Department of Biomedical Engineering, The Fourth Military Medical University, Xian 710032, China.