無線視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)①

王 植, 沈建新

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無線視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)①

王 植, 沈建新

(南京航空航天大學(xué)機電工程學(xué)院, 南京 210016)

針對傳統(tǒng)檢眼鏡、眼底照相機等眼科檢查設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、移動性差、不能實時觀察視網(wǎng)膜情況等缺陷, 設(shè)計和實現(xiàn)了一種無線視網(wǎng)膜成像系統(tǒng). 對視網(wǎng)膜圖像獲取和WiFi無線局域網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究, 通過WiFi無線局域網(wǎng)技術(shù)、HTTP網(wǎng)絡(luò)編程, 用裝有網(wǎng)卡的PC機遠(yuǎn)程控制眼底照相機采集視網(wǎng)膜圖像, 并將圖像進(jìn)行實時傳輸、顯示和保存. 最終將裝有網(wǎng)卡的PC機與眼底照相機通過WiFi相連接, 方便快捷的完成視網(wǎng)膜圖像的無線采集和實時觀察, 為醫(yī)生提供眼科疾病診斷、治療的客觀依據(jù).

視網(wǎng)膜病變; 視網(wǎng)膜成像; WiFi; HTTP協(xié)議; 無線傳輸

眼睛是人類感知周圍事物的視覺器官, 外界景物要先通過復(fù)雜的人眼光學(xué)成像系統(tǒng)在視網(wǎng)膜上成一個倒立的實像, 然后經(jīng)視神經(jīng)傳送至大腦. 人眼是一臺精密的光學(xué)成像系統(tǒng), 視網(wǎng)膜相當(dāng)于光學(xué)成像系統(tǒng)中的接收器, 對人眼獲取外界信息非常重要, 因而眼底成像檢查是現(xiàn)代科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)研究的熱門對象.

傳統(tǒng)的眼底視網(wǎng)膜檢查方法是使用直接檢眼鏡、雙目間接檢眼鏡或者眼底照相機等, 通過具有豐富眼底篩查經(jīng)驗的醫(yī)生和病人相互配合, 能夠觀察到眼底的情況, 但這些方法需要醫(yī)生根據(jù)主觀判斷對患者視網(wǎng)膜病變情況進(jìn)行診斷[1]. 檢眼鏡操作簡單、應(yīng)用范圍廣, 但是檢查需要患者配合和豐富經(jīng)驗的眼科醫(yī)生, 病變情況缺乏客觀性圖像記錄、無立體感, 容易漏診誤診. 傳統(tǒng)的眼底照相機可以形成視網(wǎng)膜客觀性圖像記錄, 但是照明系統(tǒng)和觀察系統(tǒng)比較復(fù)雜, 體積較大, 便攜性差, 需要病人的配合才能完成檢查, 不能進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷與圖像傳輸, 無法應(yīng)用于嬰幼兒和老年人等特殊病人[2].

目前無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要有: 藍(lán)牙、通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS、無線局域網(wǎng)ZigBee、基于IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)WiFi. WiFi由于傳輸速率快、能耗低、運行環(huán)境兼容性高, 因此成為在有限范圍內(nèi)無線數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先選擇的通信方式[3].

無線視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵點是將有線傳輸?shù)囊暰W(wǎng)膜數(shù)字圖像信號和控制數(shù)據(jù)改為無線傳輸. 本文提出將眼底照相機內(nèi)部嵌入WiFi傳輸模塊, 通過裝有無線網(wǎng)卡的PC設(shè)備連接相機的WiFi熱點實現(xiàn)視網(wǎng)膜圖像的無線采集、傳輸、顯示和存儲等工作.

1 方案設(shè)計

傳統(tǒng)眼底照相機的工作原理是通過復(fù)雜的成像光路將生成的視網(wǎng)膜光學(xué)影像投射到圖像傳感器上, 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號, 將該數(shù)字信號傳送至數(shù)字信號處理芯片中進(jìn)行壓縮存儲等操作, 最終通過有線線路如USB接口將成像結(jié)果傳送到PC設(shè)備中并通過顯示器顯示[4]. 傳統(tǒng)眼底照相機進(jìn)行無線改造的關(guān)鍵就是如何將數(shù)字信號處理芯片處理的數(shù)字圖像信號通過無線傳輸裝置傳輸[5], 并通過無線接收裝置將數(shù)字信號傳送至裝有無線網(wǎng)卡的PC機實現(xiàn)視網(wǎng)膜圖像的無線采集和傳輸.

無線視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)總體上由裝有無線網(wǎng)卡的PC設(shè)備和眼底照相機組成, 其中眼底照相機由視網(wǎng)膜成像透鏡組、CMOS模組、WiFi傳輸模塊組成. PC設(shè)備與眼底照相機通過WiFi傳輸模塊相連接, 兩者之間通過HTTP協(xié)議進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交互. PC設(shè)備通過WiFi傳輸模塊發(fā)送命令控制眼底照相機采集視網(wǎng)膜圖像, 并將圖像進(jìn)行實時傳輸、顯示和保存, 無線視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)解決方案如圖1所示.

圖1 無線視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)解決方案

2 硬件設(shè)計

無線視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)的眼底照相機部分包括視網(wǎng)膜成像透鏡組、CMOS模組、WiFi傳輸模塊組成, CMOS模組和WiFi傳輸模塊采用索尼的WiFi鏡頭機DSC-QX100.

2.1 WiFi鏡頭機

WiFi鏡頭機是集視頻編碼、攝像與WiFi傳輸于一體的不含顯示器的鏡頭模塊, 它的顯示器可以是智能手機、PC機、平板電腦等具有連接WiFi功能的顯示設(shè)備, 其內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議棧, 每個鏡頭機都有一個唯一的IP地址, 將采集到的圖像信號通過WiFi傳輸模塊傳送至顯示設(shè)備.

索尼的DSC-QX100相機是一款比較具有代表性的WiFi鏡頭機, 它擁有1英寸2020萬Exmor R CMOS傳感器和BIONZ影像處理器, ISO感光度最高是12800, 鏡頭為3.6倍光學(xué)變焦的蔡司T * f/1.8鏡頭, 35mm等效焦距為28-100mm, 覆蓋廣角到長焦, 大光圈在弱光下優(yōu)勢明顯, 并可以營造淺景深效果. 采用四個非球面鏡片, 成像清晰并且圖像畸變控制到最低程度. 支持光學(xué)防抖, 減少相機震動對成像的影響, 單次拍攝自動對焦、手動對焦和觸摸自動對焦等.

2.2 CMOS模組

CMOS模組包括Exmor R CMOS圖像傳感器和BIONZ影像處理器. Exmor R CMOS傳感器的感光能力是普通傳感器的兩倍, 照射技術(shù)與普通方法相反即向沒有布線層的一面照射光線. 由于照射光線不受晶體管和金屬線路的影響, 開口率(光電轉(zhuǎn)換部分在一個像素中所占的面積比例)可以接近100%, 與傳統(tǒng)的表面照射產(chǎn)品相比, 靈敏度(S/N)具有很大優(yōu)勢. 圖像傳感器如圖2所示, 包括行選通邏輯、定時和控制電路、像素陣列、模擬信號處理器(ASP)、列選通邏輯與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等結(jié)構(gòu)組成[6].

圖2 圖像傳感器結(jié)構(gòu)

BIONZ影像處理器是固化到鏡頭機主機板的一個大型集成電路芯片, 集成用于圖像處理功能的DSP和MCU, 在成像過程中對圖像傳感器蓄積下的電荷信號進(jìn)行處理, 完成數(shù)碼圖像的壓縮、顯示和存儲等.

2.3 WiFi傳輸模塊

WiFi傳輸模塊是實現(xiàn)無線視網(wǎng)膜成系統(tǒng)的關(guān)鍵, 它將COMS模組采集的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為無線電信號, 并進(jìn)行無線傳輸, 使圖像可以在與其相連的顯示設(shè)備中顯示. WiFi傳輸模塊支持UART/GPIO通訊, 與鏡頭機的芯片進(jìn)行無線連接; 采用擴頻技術(shù), 保證無線數(shù)據(jù)傳輸能順利進(jìn)行; 支持802.11無線標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP/UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議, 便于在無線局域網(wǎng)內(nèi)傳輸, 可以使視網(wǎng)膜圖像在裝有無線網(wǎng)卡的設(shè)備上顯示、保存和存儲等[7].

3 相關(guān)技術(shù)

3.1 WiFi傳輸技術(shù)

WiFi是Wireless Fidelity(無線保真)的英文縮寫, 俗稱無線寬帶, 遵循IEEE802.11系列協(xié)議, 是一種可以將PC、手機或者平板電腦等終端在數(shù)十米范圍內(nèi)以無線的方式相互連接起來的主流無線局域網(wǎng)技術(shù), WiFi協(xié)議是定義OSI(Open System Interconnection)七層協(xié)議的物理層(PHY)和數(shù)據(jù)鏈路控制層(DLC)的一部分[8]. 它的最大優(yōu)點就是傳輸速度較高, 可以達(dá)到11Mbps.

WLAN一般是由站(STA)、無線介質(zhì)(WM)、接入點(AP)和分布式系統(tǒng)(DS)等部分構(gòu)成. 站STA(station)是無線局域網(wǎng)中各個終端的總稱, 是具有無線接口的設(shè)備. WLAN中的站之間既可直接通信又可以通過接入點(AP)通信. 無線介質(zhì)WM(wireless medium)是無線局域網(wǎng)中各終端及接入點之間傳遞信息的媒介, 一般指自由空間里電磁波的傳播. AP是Access Point簡稱, 主要在媒介訪問控制層MAC中扮演無線工作站及無線局域網(wǎng)絡(luò)的橋梁. 在封閉性區(qū)域, WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的通訊距離為76米到122米; 在開放性區(qū)域, 通訊距離可達(dá)305米[9].

WiFi相機鏡頭模塊就可以看成一個站, 裝有無線網(wǎng)卡的顯示設(shè)備也可以看成一個站. WiFi相機鏡頭模塊中的WiFi無線傳輸模塊和顯示設(shè)備中的無線網(wǎng)卡模塊不需要通過接入點(AP)就可直接通信.

3.2 HTTP協(xié)議

HTTP協(xié)議是超文本傳輸協(xié)議的簡稱, 是應(yīng)用最廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議, 在TCP/IP協(xié)議中處于應(yīng)用層, 是一個標(biāo)準(zhǔn)的客戶端服務(wù)器模型[10]. HTTP協(xié)議是基于請求與響應(yīng)模式的無狀態(tài)的協(xié)議, 客戶端通過統(tǒng)一資源定位器URL向服務(wù)器發(fā)送HTTP請求, 服務(wù)器在80號端口監(jiān)聽客戶端的請求并向客戶端發(fā)送HTTP響應(yīng)報文.

HTTP協(xié)議中定義了8個方法和服務(wù)器進(jìn)行交互, 其中g(shù)et和head方法是服務(wù)器必須實現(xiàn)的. HTTP請求分為請求行、消息報頭、請求正文3個部分, 所有的方法、實現(xiàn)都是圍繞如何運用和組織這三個部分來完成的. 請求行以方法符號開頭, 用空格分開, 然后是請求的URI和協(xié)議版本; 消息報頭包括普通報頭、請求報頭、響應(yīng)報頭、實體報頭4類; 請求正文是用戶提交的信息, 它位于請求報頭之后, 通常以空格等符號與報頭信息分開. 客戶端與服務(wù)器連接過程如圖3所示, 可以分為3個步驟: 客戶端請求、服務(wù)器監(jiān)聽、連接確認(rèn).

圖3 客戶端與服務(wù)器連接過程

3.3 SonyWiFiCtrl控件

SonyWiFiCtrl控件是一款適用于PC機通過WiFi無線連接Sony WiFi鏡頭機進(jìn)行操作控制的二次開發(fā)控件, 通過控件可控制相機拍照, 調(diào)焦, 實時取回拍攝照片等. 支持Liveview實時顯示, 可在VC6.0平臺或VS平臺添加SonyWiFiCtrl控件為快速簡單地開發(fā)相機控制程序提供方便.

控件屬性: VARIANT_BOOL EnableVideoEvent;//視頻幀觸發(fā)事件開關(guān), 允許或禁止視頻幀觸發(fā)事件, 需獲取視頻數(shù)據(jù)時可設(shè)置為允許.

控件方法:

(1) SHORT FindCamera(void);//搜索WiFi相機, 成功后返回WiFi 連接的相機數(shù)量. 在連接相機前先通過此接口獲得連接的相機數(shù). 如果返回值為零, 則表示沒有連接到相機.

(2) BSTR GetCameraModelName(void);//讀取相機型號, 返回當(dāng)前連接的相機型號.

(3) VARIANT_BOOL OpenConnection(void);//打開相機WiFi 連接, 相機的其他操作必須在此接口操作連接成功后執(zhí)行.

(4) VARIANT_BOOL CloseConnection(void);//關(guān)閉相機WiFi連接.

(5) VARIANT_BOOL Capture(BSTR szFile);//執(zhí)行拍照操作, 照片按輸入的參數(shù)指定的文件名保存.

(6) LONG SetZoom(BSTR direction, BSTR movement); //相機焦距調(diào)整, 輸入?yún)?shù): direction: 調(diào)節(jié)方向, 輸入”in” 或“out”; movement: 調(diào)節(jié)步長, 輸入“1shot” 、“start” 或“stop".

(7) VARIANT_BOOL SetPropertyValue(PropertyID propertyID, BSTR val);//設(shè)置相機參數(shù).

(8) LONG StartMovieRec(void);//開始錄制視頻文件. 當(dāng)ShootMode 設(shè)置為”movie”時可用.

(9) LONG StopMovieRec(void);//停止錄制視頻. 啟動錄像后執(zhí)行此函數(shù)停止錄制.

(10) void SetPictureSaveAs(BSTR szFile);//在相機上按快門進(jìn)行拍照時, 軟件會自動觸發(fā)照片下載完成事件, 客戶端程序可在此事件中執(zhí)行SetPictureSaveAs 函數(shù)將照片保存成文件.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 軟件功能

無線視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)的眼底照相機的CMOS模組和WiFi傳輸模塊采用索尼的WiFi鏡頭機, 軟件在VC6.0和索尼相機的SonyWiFiCtrl控件基礎(chǔ)上開發(fā)完成. 軟件主要實現(xiàn)裝有無線網(wǎng)卡的PC設(shè)備和眼底相機的無線連接、視網(wǎng)膜實時拍照和視頻錄制3個功能, 具體包括設(shè)備查找與連接、模式選擇、拍照、錄像、圖像與視頻內(nèi)容查看、成像時的焦距調(diào)節(jié)等, 醫(yī)生可以通過本軟件實時觀察患者的視網(wǎng)膜情況, 對需要的視網(wǎng)膜區(qū)域進(jìn)行拍照或錄像, 將獲得的照片和視頻存儲在相機的內(nèi)存卡或電腦的硬盤中. 此系統(tǒng)只需簡單操作便可實現(xiàn)眼底視網(wǎng)膜圖像的無線采集和傳輸, 避免了傳統(tǒng)眼底照相機的操作復(fù)雜、耗時長、需要患者配合等缺點.

4.2 軟件流程

在眼底照相機WiFi打開的情況下, 用裝有無線網(wǎng)卡的PC設(shè)備搜索WiFi鏡頭機的WiFi信號, 并通過WAP2的加密模式完成PC設(shè)備與眼底照相機的無線連接. 然后打開無線視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)軟件, 搜索眼底相機的連接地址, 如果成功則將PC設(shè)備與眼底照相機相連接, 如果WiFi沒有連接, 將會連接失敗并重新搜索WiFi信息.

眼底相機有拍照和錄像兩種模式, 將采集的視網(wǎng)膜圖像通過WiFi無線傳輸模塊傳送到PC設(shè)備并實時顯示相機拍攝的視網(wǎng)膜圖像. 如果選擇still模式可以對視網(wǎng)膜進(jìn)行拍照, 如果選擇movie模式, 可以對視網(wǎng)膜進(jìn)行錄像, 并將相機采集的圖像和視頻實時保存在相機的內(nèi)存卡或計算機的硬盤中, 在拍照或錄像時可以調(diào)節(jié)焦距, 以獲取清晰的視網(wǎng)膜圖像, 可以查看已有的視網(wǎng)膜圖像的預(yù)覽和詳細(xì)信息, 通過相應(yīng)按鈕可以設(shè)置相機的曝光模式、曝光補償、照片尺寸等功能. 軟件總體流程如圖4所示.

圖4 軟件總體流程圖

4.3 功能實現(xiàn)

實現(xiàn)軟件的拍照、錄像等功能需要在PC端調(diào)用SonyWiFiCtrl控件的相關(guān)API接口. 首先要將PC設(shè)備通過WiFi與眼底照相機建立一對一的連接, 此時PC設(shè)備為接收服務(wù)的客戶端, 眼底照相機作為提供服務(wù)的服務(wù)器. 然后客戶端軟件通過SSDP(簡單發(fā)現(xiàn)服務(wù)協(xié)議)查詢到眼底相機, 調(diào)用相關(guān)API的接口. 功能實現(xiàn)流程如圖5所示.

圖5 功能實現(xiàn)流程

SonyWiFiCtrl控件的API接口調(diào)用首先要進(jìn)行WiFi連接, 其他功能的實現(xiàn)都需要在WiFi連接成功后才能實現(xiàn). 通過調(diào)用FindCamera搜索到眼底照相機并進(jìn)行WiFi連接;

int count = sonywifictrl. FindCamera ();

WiFi連接成功后通過調(diào)用GetCameraModelName讀取當(dāng)前連接的相機型號;

CString name = sonywifictrl. GetCameraModelName();

然后調(diào)用OpenConnection打開相機WiFi連接, 其他操作必須在此接口操作連接成功后執(zhí)行;

sonywifictrl. OpenConnection ();

相機WiFi連接成功后, 調(diào)用SetPropertyValue進(jìn)行相機參數(shù)設(shè)置, 如拍照或錄像模式選擇;

sonywifictrl.SetPropertyValue (kSonyPropID_ShootMode, “still”);

sonywifictrl. SetPropertyValue (kSonyPropID_ShootMode, “movie”);

當(dāng)選擇拍照模式時, 調(diào)用Capture進(jìn)行拍照, 當(dāng)選擇錄像模式時, 調(diào)用StartMovieRec開始錄像;

sonywifictrl.Capture("e:\image.jpg");

sonywifictrl.StartMovieRec ();

開始錄像后調(diào)用StopMovieRec結(jié)束錄像;

sonywifictrl. StopMovieRec ();

在拍照模式時可以調(diào)用SetZoom進(jìn)行焦距調(diào)節(jié), 調(diào)節(jié)范圍為0-100, 包括調(diào)節(jié)方向(in或out)和調(diào)節(jié)步長(1shot, start, stop), 如向內(nèi)短距離調(diào)節(jié):

sonywifictrl. SetZoom (“in”, “1shot”);

在視網(wǎng)膜拍照或錄像結(jié)束時可以調(diào)用CloseConnection關(guān)閉相機的WiFi連接;

sonywifictrl. CloseConnection ();

其他功能如視場角調(diào)節(jié)、白平衡、自動對焦、圖像預(yù)覽、曝光模式、曝光補償、照片尺寸等功能都可以通過調(diào)用相應(yīng)的API接口實現(xiàn).

5 系統(tǒng)實驗

在PC機上運行本軟件控制眼底照相機對視網(wǎng)膜成像, 進(jìn)入視網(wǎng)膜成像界面, 如圖6所示, 點擊搜索相機按鈕, 如果WiFi連接成功, 會出現(xiàn)相機的名稱, 代表設(shè)備搜索成功, 點擊打開相機按鈕便可以將PC設(shè)備與眼底照相機WiFi連接成功. 界面包括拍攝模式、預(yù)覽尺寸、曝光模式、曝光補償?shù)认吕斜?、相機搜索、打開相機、關(guān)閉相機、拍照、錄像、焦距調(diào)節(jié)等按鈕. 拍攝模式選擇下拉列表包括拍照或視頻錄制模式兩種模式, 默認(rèn)為拍照模式, 此時錄像按鈕為灰色, 不能使用. 右邊為圖像實時顯示窗口, 用于實時觀察所成視網(wǎng)膜圖像, 焦距調(diào)節(jié)按鈕用于拍照或錄像時的焦距調(diào)焦, 以獲取最清晰的視網(wǎng)膜圖像, 照片尺寸下拉列表可以選擇不同的長寬比和照片尺寸等.

圖 6 視網(wǎng)膜成像界面

6 結(jié)語

無線視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)是多種新技術(shù)、新產(chǎn)品并結(jié)合視網(wǎng)膜疾病診斷實際應(yīng)用要求的產(chǎn)物. 裝有無線網(wǎng)卡的PC機通過WiFi與眼底照相機無線連接, 并對視網(wǎng)膜進(jìn)行實時成像、傳輸、顯示和保存, 視網(wǎng)膜圖像采集過程非常方便快捷. 經(jīng)測試, 本系統(tǒng)能夠?qū)崟r捕捉和遠(yuǎn)程存儲視網(wǎng)膜圖像, 并且圖像清晰, 能夠滿足視網(wǎng)膜疾病檢查和診斷應(yīng)用的需求. 無線視網(wǎng)膜系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種新的視網(wǎng)膜病變檢查方法, 促進(jìn)眼科醫(yī)療設(shè)備向小型化、微型化發(fā)展.

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2 De HE, Schweigerling J. Fundus camera systems: Aco- mparative analysis. Applied Optics, 2009, 48(2): 221–229

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10 祝瑞,車敏.基于HTTP協(xié)議的服務(wù)器程序分析.現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(4):117–119,122.

Wireless Retinal Imaging System

WANG Zhi, SHEN Jian-Xin

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

A wireless retinal imaging system is designed and implemented, which can dissolve the disadvantages in traditional ophthalmoscope and fundus camera eye inspection equipment such as the complexity of structure, poor mobility, and the disability to real-time observing and other defects. The retinal image acquisition and WiFi wireless local area network technology are studied. In this system, the WiFi wireless transmission technology, HTTP network programming, and the remote control of retinal images with the PC machine equipped with a network adapter and the image, are transmitted, displayed and stored in real time. The PC machine with the network card is connected to the fundus camera through WiFi, which is convenient to realize the wireless collection and observation of the retinal images and provides the objective basis for the diagnosis and treatment of diseases in the department of ophthalmology.

retinopathy; retinal imaging; WiFi; HTTP protocol; wireless transmission

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2005003-03);研究生創(chuàng)新基地開放基金(kfjj20150515,kfjj20150514)

2016-04-19;收到修改稿時間:2016-05-19

[10.15888/j.cnki.csa.005529]