便携式内窥镜视频系统软件设计*

2018-03-27汤栋生张志芳许新建毛坤剑周文光

中国医学装备 2018年3期

王斌汤栋生张志芳许新建毛坤剑* 周文光

医用内窥镜能够经过口腔进入胃内或者经其他天然孔道进入体内，进而观察组织病变，已被广泛用于肠胃道、胰腺、胆道、腹腔、呼吸道以及泌尿道等组织的疾病检查[1]。传统的内窥镜视频系统由于比较庞大，在移动医疗中无法携带，进而不利于移动医疗的检查与治疗。因此，便携式内窥镜视频系统由于其体积小、重量轻、便于携带与操作等优势，广泛运用于抢险救灾、院外急诊、门诊查房及常规内窥镜手术[2]。由于便携式内窥镜视频系统采用高度集成化和人体工学设计，为了显示的采集图像能够方向恒定，不随内窥镜随意转动而变化，采用的高精度旋转编码器实现图像的实时无级缩放，图像更加细腻清晰。为此，本研究以嵌入式Linux系统和数字媒体开发包DVSDK作为系统软件平台，设计各软件模块，实现便携式内窥镜视频系统运用的稳定性[3]。该项目已申请实用新型专利。

1 便携式内窥镜视频系统的结构组成

便携式内窥镜视频系统主要是将摄像头、光学接口、冷光源、影像处理器和液晶显示器进行一体化设计，并基于嵌入式系统进行图像存储和处理。其结构如图1所示。

图1 便携式内窥镜视频系统结构框图

图1 显示，该系统采用的主处理器控制芯片为STM32，图像采集模块主要是通过高清晰电荷耦合元件(charge coupled device，CCD)采集拍摄的图像，冷光源模块采用发光二极管(light emitting diode，LED)做为光源，以外接连接方式连接便携式内窥镜视频系统主机，系统存储模块用于储存采集的图像和视频，图像和(或)视频输出模块用于处理采集的图像和视频，液晶显示模块采用采集的图像和视频，按键及旋钮用于实现图像和视频的无级缩放，电源管理模块用于监测视频主机的电量运用情况[4]。

2 便携式内窥镜视频系统软件设计

便携式内窥镜视频系统以高度集成化和人体工学设计，为实现单独携带操作，提高操作效率和稳定性，因此，对便携式内窥镜视频系统的实现具有特殊的要求。系统与传统的内窥镜视频系统软件相比，更优化的系统结构、更清晰的子系统模块和更简练的数据处理，便于更稳定的运行。

系统设计的软件采用嵌入式Linux系统和数字媒体开发包DVSDK作为系统软件平台[5]。系统分层结构如图2所示。

图2 系统软件分层结构框图

应用层位于系统最顶层，负责用户交互用户界面(user interface，UI)、拍照录像、文件管理器等基本功能的实现。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，该层通过操作系统(operating system，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的任务。最底层包括Linux系统及底层硬件接口的驱动实现等。系统软件设计采用分层结构，便于按模块实现不同功能，主要包括图像采集子系统模块、视频处理子系统模块、用户交互子系统模块、存储卡访问子体系模块以及电量监测子系统模块等[6]。

2.1 图像采集子系统模块

系统采用高清晰CCD图像传感器采集图像，通过传感器接口采集原始数据后，对图像进行自动曝光、自动白平衡、图像去燥、边缘校正等图像处理，对采集的图像进行优化设计以获得更加清晰的图像[7-9]。医务人员通过高精度编码器可以实现对图像的缩小或者放大，进而更加自由的观察病变组织，当拍摄图片或者录制视频后，系统自动对其JPEG/H.264编码，存放到内置存储卡中，并同时显示在液晶屏上，便于医务人员的观察，其数据采集及流程处理如图3所示。

图3 图像采集子系统模块流程框图

2.2 视频处理子系统模块

系统模块主要包括视频或者图像的采集、参数设置及调整，并对显示图像的色彩、模式、几何形状等进行调整，最后进行JPEG/H.264编码等[10]。主要视频数据流向如图4所示。

图4 视频处理子系统模块数据流向框图

系统通过医务人员设置的参数进而匹配工作模式，进入图像采集及视频处理流程。系统采集图像后进行图像算法处理，再将图像数据流传入显示线程，进而进行液晶显示，与此同时，图像进行去燥线程、软件线程及视频编码线程进入环形缓冲区，供上层的EV系统应用软件调用[11]。

2.3 用户交互子系统模块

系统采用按键及旋转编码器作为用户操作接口，该视频软件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[12]。按键及旋钮状态检测线程的流程如图5所示。

图5 按键及旋钮检测流程框图

表1 台式传统内窥镜视频系统与便携式内窥镜视频系统参数对比

2.4 存储卡访问子系统模块

系统内置Micro SD卡作为拍摄图片和录制视频的存储介质，该软件系统支持用户通过无线网络访问系统内置存储卡，其软件分层结构如图6所示。

图6 内置卡访问分层结构框图

从图6可知，底层是SD/MMC卡驱动程序，上层是cramfs文件系统。该软件系统采用vsftpd服务器将内置卡目录共享，用户可通过FTP客户端软件访问系统IP地址，即可访问内置存储卡的内容。系统启动时，通过执行脚本文件，检测并设置内置卡目录，最后启动vsftpd服务[13]。

2.5 电量监测子系统模块

系统采用可充电锂聚合物电池供电，该软件系统通过处理器内部数模转换器(analog-to-digital converter，ADC)对锂电池的电压进行采样，监测电池电量，并通过UI界面显示，提示电池当前电量。其中，ADC驱动及应用层电量检测模块的分层结构如图7所示。

图7 电路监测模块分层结构框图

3 便携式内窥镜视频系统的临床应用效果

(1)系统软件设计主要用于便携式内窥镜视频系统，其与台式传统内窥镜视频系统软件相比，具有以下特点。整机重量仅为200 g，显示屏幕为3.5英寸的液晶显示屏，采集的数据可以通过移动存储介质进行拷贝，便于科研教学；整个系统的监视画面与实际操作面一致，可减少医务人员长时间观看视频的疲劳感，见表1。

(2)通过对便携式内窥镜视频系统的软件设计，对其关键性参数进行测试，测试记录见表2。

表2 便携式内窥镜视频系统参数表

(3)系统在100多家医疗卫生机构、10次野战卫勤演习以及10次下部队义诊使用过程中，经过200例门诊检查、200例住院查房以及200例手术治疗应用过程中，所含技术易于掌握，使用成本低廉，深受医生、护士及技术人员好评。临床使用示意如图8所示。

图8 便携式内窥镜视频系统临床运用效果示图

4 结语

便携式内窥镜视频系统的一体化人体工学和微型设计，让整个内窥镜视频系统能够随身携带，并能单兵携带与操作，克服传统内窥镜视频系统的缺陷，满足现代野战卫勤、抢险救灾及临床医疗的检查要求，可在各种恶劣环境下全天候稳定工作，帮助医护人员提高工作效率。通过对该视频系统的软件设计，能够实现其在运用过程中的各项功能，并能够使采集的图像方向恒定，不随内窥镜转动，减少操作失误，提高精确度和安全性。采用高精度旋转编码器实现的操控按钮，可方便地实现影像的实时无极缩放，使该视频系统具有较强的使用性[14]。

[1]康伟，尚长浩，王粤.内窥镜的使用、维修及检测[J].中国医疗设备，2012，27(3)：120-121.

[2]周文光，王春飞，许新建，等.一种野战便携式内窥镜视频系统的研制[J].医疗卫生装备，2014，35(11)：43-46.

[3]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.

[4]张育圭.LEICA-MS-2手术显微镜视频系统故障检修[J].中国医疗设备，2010，25(12)：126.

[5]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.

[6]周文光，王春飞，许新建，等.便携式内镜的无线传输系统设计[J].生物医学工程与临床，2015，19(2)：182-185.

[7]张敏刚，李向东.静脉成像投影设备的研制[J].中国医学装备，2016，13(4)：9-11.

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

[9]周文光，孔悦，许新建，等.便携式内窥镜冷光源系统设计[J].中国医学装备，2015，12(1)：38-40.

[10]尤若宁，许海树，张明旭，等.医用便携式内窥镜关键技术及未来发展方向[J].医疗卫生装备，2017，38(3)：123-126.

[11]杨夕霞.胶囊内窥镜在胃肠道疾病中的应用[J].西藏医药杂志，2011，32(3)：35-37.

[12]杨一.内窥镜立体视觉的实现[J].北京生物医学工程，2003，22(3)：187-190.