一種野戰(zhàn)便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的研制

周文光，王春飛，許新建，孔 悅

一種野戰(zhàn)便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的研制

周文光，王春飛，許新建，孔 悅

目的：研制一種野戰(zhàn)便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)。方法：將主控制器TMS320DM368、圖像傳感器MT9P301、LED照明單元、LED顯示器、光學(xué)接口和Wi-Fi模塊一體化設(shè)計(jì)，集成在一個(gè)微型手持主機(jī)上。系統(tǒng)通過手持主機(jī)按鍵或無線腳踏開關(guān)2種方式進(jìn)行采集圖像；采用1 800 mAh鋰電池供電，通過市電或太陽能進(jìn)行充電。結(jié)果：經(jīng)過臨床測試，研制的便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)可以與相應(yīng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡配接，適合于內(nèi)窺鏡檢查及手術(shù)的實(shí)時(shí)觀察、記錄和回放，可通過Wi-Fi實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。結(jié)論：便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)體積小、性能穩(wěn)定、操作方便、自我續(xù)航能力強(qiáng)，非常適合野戰(zhàn)醫(yī)療。

圖像處理器；內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)；光學(xué)接口

0 引言

內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)在各種腔鏡手術(shù)治療、門診檢查、多科會(huì)診等發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)由各式內(nèi)窺鏡、冷光源系統(tǒng)、大型臺(tái)車、視頻采集及顯示系統(tǒng)、圖文處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等組成，其設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜且笨重，需要連接各種電線，移動(dòng)非常不方便，使用效率低，同時(shí)依賴市電工作，嚴(yán)重影響機(jī)動(dòng)醫(yī)療和野戰(zhàn)醫(yī)療。

基于上述情況，研制一種野戰(zhàn)便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的各大部件集成為一個(gè)很輕、很小的手持機(jī)，功耗小，能用太陽能充電，方便單兵操作，野外生存續(xù)航能力強(qiáng)，滿足平時(shí)臨床的相關(guān)診斷治療，更適用于野戰(zhàn)醫(yī)療等惡劣環(huán)境的衛(wèi)勤。項(xiàng)目采用MT9P301采集圖像，通過圖像處理器進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理和編碼壓縮，以嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，在LCD顯示屏進(jìn)行圖像觀看和處理。整個(gè)視頻系統(tǒng)采用3.5 in（1 in=25.4 mm）高分辨率LCD顯示屏，外觀尺寸??；把攝像組件和光學(xué)接口高度集成，配合一體化的冷光源設(shè)計(jì)；選擇高精度旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)的操控按鈕，控制圖像的無級(jí)縮放；內(nèi)置Wi-Fi模塊具有無線傳輸功能[1]，與配備的無線腳踏開關(guān)采集圖像，并可將圖像同步顯示在HDTV大屏幕上，供多名醫(yī)務(wù)人員同時(shí)查看，便于臨床教學(xué)和遠(yuǎn)程醫(yī)療。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線和實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)目標(biāo)：拍攝圖像清晰度高，性能穩(wěn)定，可實(shí)時(shí)觀察、記錄和回放；無線傳輸穩(wěn)定，便于遠(yuǎn)程醫(yī)療和多科會(huì)診；系統(tǒng)體積小、安裝方便、操作簡單，無市電情況下能隨時(shí)展開工作，便于野戰(zhàn)。

本系統(tǒng)由機(jī)械部分、電路部分、軟件部分3個(gè)部分組成。

1.1 機(jī)械部分

設(shè)計(jì)目標(biāo)：整個(gè)視頻系統(tǒng)外觀尺寸小，方便連接各種光學(xué)接口，實(shí)現(xiàn)無線控制拍照?qǐng)D像，操作簡單，便于攜帶。

視頻系統(tǒng)主要包括便攜式手持主機(jī)、光學(xué)接口組件、無線腳踏開關(guān)、無線高清視頻接收器、HDTV等，其硬件框圖如圖1所示。

從圖1可知，便攜式手持主機(jī)通過各種光學(xué)接口組件與相應(yīng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡進(jìn)行配接，在采集圖像時(shí)，可通過便攜式手持主機(jī)上的按鍵進(jìn)行采樣，也可通過無線腳踏開關(guān)進(jìn)行采集，并可通過Wi-Fi模塊和無線高清視頻接收器同步顯示在HDTV上，可實(shí)現(xiàn)多科會(huì)診、臨床教學(xué)和遠(yuǎn)程醫(yī)療等功能。便攜式手持主機(jī)外觀如圖2所示。

圖1 視頻系統(tǒng)硬件框圖

圖2 便攜式手持主機(jī)外觀

便攜式手持主機(jī)外觀尺寸設(shè)計(jì)為111 mm× 111 mm×22 mm，集成圖像處理、冷光源照明、高清顯示、光學(xué)接口組件等模塊，便于操作與攜帶。采用3.5 in高分辨率LCD顯示屏，系統(tǒng)監(jiān)視畫面與實(shí)際操作界面一致，提高操作效率和穩(wěn)定性[2]。

在手持主機(jī)左側(cè)有電源按鍵和2個(gè)接口，電源按鍵可控制系統(tǒng)開關(guān)機(jī)，2個(gè)接口分別是USB2.0接口和MicroSD接口。通過USB2.0接口可以進(jìn)行充電和傳輸圖像和錄像；MicroSD接口主要存放存儲(chǔ)介質(zhì)，用來存放圖像和錄像，可方便拆卸進(jìn)行圖像和錄像拷貝[3]。

手持主機(jī)正前面有3個(gè)按鈕，分別是拍照按鍵、錄像按鍵和旋轉(zhuǎn)按鈕。旋轉(zhuǎn)按鈕是一個(gè)功能復(fù)合按鈕，根據(jù)LCD顯示器上的功能菜單進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并確定，可選擇所需的應(yīng)用功能，比如在拍照模式下，即可通過旋轉(zhuǎn)按鈕方便地實(shí)現(xiàn)影像的實(shí)時(shí)無級(jí)縮放。

手持主機(jī)將光學(xué)接口和攝像組件高度集成，并配合一體化的冷光源設(shè)計(jì)，完全擺脫外接線的束縛，實(shí)現(xiàn)無線操作。在拍照和錄像時(shí)，也可無線控制，通過腳踏開關(guān)進(jìn)行拍照和錄像。光學(xué)接口可根據(jù)醫(yī)務(wù)人員的要求選擇配接的各類相應(yīng)硬管內(nèi)窺鏡和各類軟性內(nèi)窺鏡[4]。

1.2 電路部分

設(shè)計(jì)目標(biāo)：內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠進(jìn)行高質(zhì)量的圖像采集、錄像和處理；對(duì)圖像和視頻進(jìn)行高效壓縮處理，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療；可通過市電和太陽能充電，在無市電的情況下能夠使用4 h以上，能耗低。

內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)電路主要包括主處理器電路、液晶顯示電路、按鍵及旋鈕電路、圖像傳感器電路、物理內(nèi)存及系統(tǒng)ROM電路、冷光源電路、視頻輸入輸出電路、無線網(wǎng)絡(luò)模塊電路等。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 內(nèi)窺鏡電路結(jié)構(gòu)

1.2.1 圖像采集電路和圖像處理電路

本次設(shè)計(jì)的便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)采用的主處理芯片為TMS320DM368，其集成ARM9為處理器，主頻為432 MHz，主要負(fù)責(zé)指令和數(shù)據(jù)緩存的控制和配置，內(nèi)部的視頻協(xié)處理器MJCP負(fù)責(zé)MPEG和JPEG數(shù)據(jù)的編解碼，HCP負(fù)責(zé)H.264數(shù)據(jù)的編解碼，一起負(fù)責(zé)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的分析和處理。DM368的視頻處理子系統(tǒng)包含前端視頻處理和后端視頻處理，前端視頻處理端口提供與CMOS模塊之間的接口，后端視頻處理端口支持?jǐn)?shù)字LCD輸出。

針對(duì)野戰(zhàn)的特殊環(huán)境，采用的圖像傳感器為低功耗CMOS傳感器MTP031，輸出為500萬像素，采集圖像后輸出的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像傳感器接口與DM368的圖像信號(hào)處理器進(jìn)行通信，對(duì)MTP031輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壞點(diǎn)修補(bǔ)、自平衡校正、曝光調(diào)整、邊緣銳化等，再進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)編碼，輸出數(shù)字RGB/YCBCR信號(hào)，顯示在LCD上。其主芯片電路框圖如圖4所示。

圖4 主芯片電路框圖

1.2.2 無線傳輸

野戰(zhàn)醫(yī)療中大多數(shù)為突發(fā)情況，有時(shí)各式各樣的內(nèi)鏡檢查需要多科會(huì)診甚至遠(yuǎn)程診斷，為了方便把內(nèi)窺鏡拍攝的圖像和視頻進(jìn)行傳輸，本次設(shè)計(jì)的野戰(zhàn)便攜式視頻系統(tǒng)包含了無線傳輸模塊，能夠及時(shí)把前線拍照的圖像和視頻傳到后方，進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診。本系統(tǒng)的便攜式視頻主機(jī)帶有無線網(wǎng)絡(luò)模塊、無線腳踏開關(guān)和無線高清視頻接收器，可實(shí)現(xiàn)高清視頻信號(hào)的無線傳輸。便攜式手持主機(jī)將編碼后的H.264視頻流通過RTSP流媒體服務(wù)器和無線網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送出去。PC端通過無線路由器連接到手持主機(jī)的無線網(wǎng)絡(luò)，即可接收播放視頻。其原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 無線傳輸結(jié)構(gòu)框圖

1.2.3 冷光源系統(tǒng)

冷光源系統(tǒng)作為內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的重要組成部分，有著特殊的要求。采用系統(tǒng)特制的LED燈作為冷光源，其基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的基架上，四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，抗振性能好，能夠適應(yīng)惡劣的野外環(huán)境，而且其具有發(fā)光效率高、溫升低、壽命長等特點(diǎn)。本系統(tǒng)內(nèi)置的LED冷光源采用大電流驅(qū)動(dòng)，并通過TPS70302PWP進(jìn)行電壓、電流控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)照明亮度的調(diào)節(jié)，控制LED光源輸出。其控制框圖如圖6所示。

圖6 內(nèi)置冷光源控制框圖

1.2.4 電源管理電路

電源管理電路采用的主芯片為TPS70302PWP，為了避免相互干擾、提高穩(wěn)定性，各組不同的電壓獨(dú)立輸出。系統(tǒng)采用的內(nèi)置電池是可充電聚合物鋰電池3.7 V、1 800 mAh，在供電的同時(shí)給鋰電池充電，在無市電的情況下可維持系統(tǒng)4 h以上[5]。本系統(tǒng)采用2種方式進(jìn)行充電：一是通過市電整流變壓輸出5 V或者通過USB接口輸出5 V進(jìn)行充電；另一種通過太陽能電池板采集太陽能，再經(jīng)過太陽能控制器穩(wěn)壓輸出5 V，給鋰電池充電。保證野戰(zhàn)便攜式視頻系統(tǒng)隨時(shí)開展工作，電源供應(yīng)不間斷。其充電系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 充電系統(tǒng)框圖

1.3 軟件部分

本系統(tǒng)采用嵌入式Linux操做系統(tǒng)和cramfs文件系統(tǒng)，內(nèi)置MJCP/HDVICP協(xié)處理器，支持JPEG/ MPEG4/H264等多種格式的硬件編解碼。視頻前端VPFE支持多種CCD/CMOS圖像傳感器，視頻后端VPBE支持720P高清數(shù)字輸出，可配接多種高分辨率液晶屏。此外，數(shù)字多媒體開發(fā)包DVSDK支持嵌入式Linux及各功能部件的驅(qū)動(dòng)，配合上層示例程序，可方便地實(shí)現(xiàn)該視頻系統(tǒng)的多種功能需求[6]。其系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

EV應(yīng)用層位于系統(tǒng)最頂層，負(fù)責(zé)用戶交互UI、拍照錄像、文件管理等基本功能的實(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OS及驅(qū)動(dòng)接口層與底層的硬件編解碼庫、圖像處理算法庫等通信，完成圖像采集及處理。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。

2 野戰(zhàn)便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的臨床應(yīng)用

本次設(shè)計(jì)的野戰(zhàn)便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)經(jīng)過多家醫(yī)院和社區(qū)診所、野戰(zhàn)醫(yī)療使用，反應(yīng)良好，與傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)相比，優(yōu)勢如下：

（1）將傳統(tǒng)臺(tái)車式內(nèi)窺鏡視頻檢測設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)、圖像采集顯示系統(tǒng)及冷光源系統(tǒng)等集成到一個(gè)小型的終端設(shè)備中，體積輕巧，提高系統(tǒng)便攜性。

（2）系統(tǒng)通過手持主機(jī)就能采集圖像，無需連接各種數(shù)據(jù)線和電源線，使用方便。

（3）功能全面。雖然系統(tǒng)高度集成為一個(gè)小型終端設(shè)備，但產(chǎn)品功能全面。具體包括圖片拍攝、視頻錄制、畫面縮放、內(nèi)置存儲(chǔ)卡、文件管理器、照明亮度調(diào)節(jié)及視頻的無線傳輸?shù)取?/p>

（4）系統(tǒng)采用大容量鋰電池供電，解決了傳統(tǒng)設(shè)備依賴外部交流電源工作的問題，且系統(tǒng)持續(xù)工作時(shí)間在4 h以上[7]。

3 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡視頻依賴220 V供電且笨重不方便攜帶等特點(diǎn)，本文研制的便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)集成攝像頭、光學(xué)接口、冷光源、影像處理器和顯示器等在一個(gè)小型終端設(shè)備上，整個(gè)系統(tǒng)外觀尺寸小、畫面精細(xì)、操作簡單、性能優(yōu)越，并可實(shí)現(xiàn)無線

（????）（????）傳輸。本系統(tǒng)采用大容量鋰電池供電，并可通過市電或者USB2.0進(jìn)行充電，非常適合醫(yī)院門診、機(jī)動(dòng)醫(yī)療、野戰(zhàn)醫(yī)療、遠(yuǎn)程醫(yī)療等應(yīng)用。

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（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，主任技師，主要從事醫(yī)療設(shè)備的維修、質(zhì)量控制、使用管理等方面的研究工作，E-mail：zhouwgsun@126.com。

361003福建廈門，解放軍174醫(yī)院，廈門大學(xué)附屬成功醫(yī)院（周文光，王春飛，許新建，孔 悅）

孔 悅，E-mail：xmky2005@126.com