一種新型內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

周文光 王春飛 毛坤劍 陳 慶 孔 悅*

[文章編號] 1672-8270(2015)03-0030-04 [中圖分類號] R197.324 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A

一種新型內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

周文光①王春飛①毛坤劍①陳 慶①孔 悅①*

[文章編號] 1672-8270(2015)03-0030-04 [中圖分類號] R197.324 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A

目的：設(shè)計(jì)一種新型內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)視頻的無線傳輸功能，方便多人對手術(shù)過程進(jìn)行實(shí)時觀察、記錄和回放。方法：采用高分辨率CMOS圖像傳感器MT9P031作為圖像采集設(shè)備，將內(nèi)窺鏡觀測到的光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號，再由多媒體處理器TMS320DM368進(jìn)行數(shù)字處理，獲得清晰穩(wěn)定的圖像，在手持主機(jī)的LCD液晶顯示屏上顯示，也可通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至PC機(jī)。結(jié)果：本系統(tǒng)操作簡單，并將傳統(tǒng)臺車式內(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)等集成到一個小型的終端設(shè)備中，提高了系統(tǒng)的便攜性。結(jié)論：新型內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)非常適用于內(nèi)窺鏡診療工作。

內(nèi)窺鏡；視頻系統(tǒng)；圖像采集；數(shù)字處理

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.

隨著半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷向周邊學(xué)科滲透，集傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)等高新技術(shù)于一身的醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用非常廣泛的一種醫(yī)療儀器[1]。醫(yī)生通過電子內(nèi)窺鏡不僅能直接觀察到人體內(nèi)臟器官的組織形態(tài)及病變情況，方便地進(jìn)行診斷，而且還可將觀察到的圖像進(jìn)行存儲和傳輸，以便進(jìn)一步的診療和處理，其診療優(yōu)越性已被醫(yī)學(xué)界所共識[2]。

1 新型內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本研究設(shè)計(jì)的內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)采用高分辨率CMOS圖像傳感器MT9P031作為圖像采集設(shè)備，將內(nèi)窺鏡觀測到的光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號，再由多媒體處理器TMS320DM368進(jìn)行數(shù)字處理，獲得清晰穩(wěn)定的圖像，在手持主機(jī)的液晶顯示(liquid crystal display，LCD)屏上顯示。該系統(tǒng)內(nèi)置WiFi模塊，通過無線路由器，可實(shí)現(xiàn)視頻的無線傳輸功能，方便多人對手術(shù)過程進(jìn)行實(shí)時觀察、記錄和回放。本研究設(shè)計(jì)為南京軍區(qū)2013年度科技創(chuàng)新項(xiàng)目資助課題，并已獲得國家實(shí)用新型專利。

2 新型內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新型內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)由硬件和軟件設(shè)計(jì)組成。硬件設(shè)計(jì)包括圖像采集模塊、圖像后處理模塊、發(fā)光二極管(light emitting diode， LED)照明模塊以及按鍵及旋鈕模塊等；軟件設(shè)計(jì)包括圖像采集子系統(tǒng)、視頻處理子系統(tǒng)及用戶交互子系統(tǒng)等。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要包括圖像采集模塊、圖像后處理模塊、LED照明模塊、按鍵及旋鈕模塊等(如圖1所示)。

圖1 新型內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

通過金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metaloxide semiconductor，CMOS)元件圖像傳感器將內(nèi)窺鏡觀測到的光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號，由多媒體處理器TMS320DM368進(jìn)行數(shù)字處理，獲得清晰穩(wěn)定的圖像后，在手持式液晶顯示屏上顯示，系統(tǒng)內(nèi)置WiFi模塊，可通過無線路由器實(shí)現(xiàn)視頻的無線傳輸功能，方便多人對手術(shù)過程進(jìn)行實(shí)時觀察、記錄和回放。照明方式采用大功率白光LED為點(diǎn)光源，發(fā)光效率高，色彩還原性強(qiáng)，使用壽命長。

2.1.1 圖像采集模塊

視頻圖像采集部分的傳感器分為電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)和CMOS兩種類型，兩者之間的工作機(jī)制和原理不同，CCD圖像傳感器雖然擁有高信噪比、高輸出圖像質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，但其生產(chǎn)過程復(fù)雜、成本高且功耗大，相比而言CMOS圖像傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是功耗小、成本低、電路結(jié)構(gòu)簡單且集成度高[3]。隨著技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，CMOS圖像傳感器的性能正在逐漸接近和超越CCD。

本研究設(shè)計(jì)的視頻采集模塊選用APTINA公司生產(chǎn)的MT9P031，其為500萬像素的高性能CMOS圖像彩色傳感器。MT9P031具有很高的成像質(zhì)量和轉(zhuǎn)換速率，支持自動增益和(或)可編程控制，支持自動曝光和(或)可編程曝光，內(nèi)置YUV輸出及顏色校正，被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)和數(shù)字成像設(shè)備等[4]。

2.1.2 圖像后處理模塊

本研究選用的圖像處理器為德州儀器(TI)推出的TMS320DM368視頻處理器，支持多格式高清視頻，包括VC1、MPEG2、MPEG4、MJPEG以及H.264等，最高支持30幀/s編碼的1080 p標(biāo)準(zhǔn)[5]。該器件不僅支持多格式編碼和(或)解碼、多速率、多流及高清多通道功能，且可提供音頻、語音及其他高清視頻編解碼器，實(shí)現(xiàn)更高的靈活性與更低的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。TMS320DM368視頻處理器功能框圖如圖2所示。

圖2 處理器功能框圖

VPSS為視頻處理子系統(tǒng)，包括圖像捕獲的視頻前端(Video FE)輸入接口和用于圖像顯示的視頻后端(Video BE)輸出接口。視頻前端主要用于捕獲視頻信號，包括1個控制器和1個預(yù)處理器，控制器可以與CCD、CMOS傳感器或解碼器直接連接，預(yù)處理器為實(shí)時圖像處理器，將原始圖像從RGB變?yōu)閅UV422編碼。視頻后端由1個OSD引擎和1個視頻編碼器組成，OSD用于在視頻圖像上疊加音量、圖標(biāo)等位圖或圖像信息[6]。

2.1.3 LED照明模塊

LED是一種直接將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出各種顏色的光[7-8]。與其他發(fā)光器件相比，LED具有發(fā)光效率高、色彩還原性強(qiáng)、溫升低以及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用特制的LED，單顆最大功率可達(dá)3 W，額定工作條件(電壓3 V、電流350 mA)下有效光通量達(dá)90～100 lm。

LED驅(qū)動芯片選用PAM2861，此芯片兼容較寬的直流輸入電壓，輸入范圍在6～40 VDC內(nèi)都能穩(wěn)定可靠的工作，內(nèi)置高精度電流檢測器，可通過外置電阻設(shè)定輸出電流最大可達(dá)1 A[9]。輸出電流也可通過VSET引腳進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)，PWM頻率范圍為0.1～1 kHz，最高輸入電壓為5 V。LED驅(qū)動電路圖如圖3所示。

圖3 LED驅(qū)動電路圖

2.1.4 按鍵及旋鈕模塊

通過按鍵電路，可控制對實(shí)時圖像的采集或錄像。按鍵電路圖如圖4所示。

圖4 按鍵電路圖

本視頻系統(tǒng)還可根據(jù)實(shí)際需要通過旋轉(zhuǎn)旋鈕對圖像進(jìn)行實(shí)時放大或縮小處理。旋轉(zhuǎn)旋鈕選用美國Greyhil1公司生產(chǎn)的61C22-01-04-02型光電編碼器，內(nèi)部電路如圖5所示[10]。其內(nèi)部有1個發(fā)光二極管和2個光敏三極管，當(dāng)左右旋轉(zhuǎn)旋鈕時，中間的遮光板會隨旋鈕一起轉(zhuǎn)動，光敏三極管就會被遮光板有次序地遮擋，A、B相的輸出相應(yīng)的發(fā)生變化；當(dāng)按下旋鈕時，2、3兩腳接通，其用法同一般按鍵[11-12]。

圖5 光電編碼器內(nèi)部電路圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用嵌入式Linux系統(tǒng)和數(shù)字媒體開發(fā)包DVSDK作為系統(tǒng)軟件平臺，主要包括圖像采集子系統(tǒng)、視頻處理子系統(tǒng)及用戶交互子系統(tǒng)[13]。

2.2.1 圖像采集子系統(tǒng)

圖像采集子系統(tǒng)采用多線程機(jī)制，根據(jù)用戶參數(shù)設(shè)置，對CMOS圖像傳感器采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行同步并行處理，包括自動白平衡、圖像去噪及邊緣畸變校正等。用戶通過旋轉(zhuǎn)旋鈕，還可對圖像進(jìn)行縮小或放大處理，處理后的圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)一存放在系統(tǒng)內(nèi)存中，再刷新到液晶顯示屏上顯示預(yù)覽。同時，用戶交互線程還將檢測按鍵動作，將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行JPEG/H.264編碼，存放到內(nèi)置存儲卡中；或者根據(jù)用戶設(shè)置，將編碼后的視頻數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至電腦端顯示[14]。系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6 圖像采集子系統(tǒng)流程圖

2.2.2 視頻處理子系統(tǒng)

視頻處理子系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的重要組成部分，包括圖像采集、參數(shù)調(diào)整、軟件OSD及視頻編碼的實(shí)現(xiàn)代碼等，其流程如圖7所示。

圖7 視頻處理子系統(tǒng)流程圖

主線程接收用戶傳入的命令行參數(shù)，設(shè)置系統(tǒng)工作模式，啟動圖像采集及視頻處理流程。通過圖像傳感器獲取圖像后，按設(shè)置參數(shù)執(zhí)行2A算法處理，再將數(shù)據(jù)流傳入顯示線程，在液晶顯示屏上顯示。同時，視頻數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)置參數(shù)，將視頻數(shù)據(jù)依次傳入圖像去噪、軟件OSD和視頻編碼線程，最后傳輸至系統(tǒng)環(huán)形緩沖區(qū)，供上層的EV系統(tǒng)應(yīng)用軟件調(diào)用[15]。

2.2.3 用戶交互子系統(tǒng)

用戶交互子系統(tǒng)通過單獨(dú)的線程對按鍵及旋鈕的狀態(tài)進(jìn)行掃描，檢測到用戶的按鍵動作后，再執(zhí)行拍照、錄像或系統(tǒng)OSD菜單設(shè)置動作。系統(tǒng)流程如圖8所示。

圖8 用戶交互子系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)語

本視頻系統(tǒng)在多家三甲醫(yī)院、社區(qū)診所及衛(wèi)生院進(jìn)行了臨床使用，所采集的圖像清晰穩(wěn)定，分辨率高，單人手持操作節(jié)省了人力物力，醫(yī)護(hù)人員反映良好。新型內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)經(jīng)測試，采集的圖像質(zhì)量好、穩(wěn)定性高，可實(shí)時拍照及錄像，內(nèi)置WiFi模塊，通過無線路由器，可實(shí)現(xiàn)視頻的無線傳輸功能，方便多人對手術(shù)過程進(jìn)行實(shí)時觀察、記錄和回放[16]。本系統(tǒng)將傳統(tǒng)臺車式內(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)等集成到一個小型的終端設(shè)備中，提高了系統(tǒng)的便攜性。

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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- ),本科學(xué)歷，主任技師。解放軍第174醫(yī)院 廈門大學(xué)附屬成功醫(yī)院器材科，從事醫(yī)療設(shè)備的維修、質(zhì)量控制及使用管理等方面的研究工作。

2014-08-21

南京軍區(qū)2013年度科技創(chuàng)新項(xiàng)目資助課題(MS087)“一種野戰(zhàn)便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)”

*專利：國家實(shí)用新型專利(201420083810.3)

①解放軍第174醫(yī)院 廈門大學(xué)附屬成功醫(yī)院器材科 福建 廈門 361003

*通訊作者：xmky2005@126.com