一種基于HID規(guī)范的可定義功能的醫(yī)用圖像采集腳踏控制器的研制

靳祖光

勝利油田中心醫(yī)院 醫(yī)學(xué)裝備部，山東 東營(yíng) 257100

引言

現(xiàn)如今，醫(yī)用腳踏開(kāi)關(guān)在醫(yī)院的各個(gè)科室中應(yīng)用十分廣泛，特別是用于采集圖像相關(guān)的環(huán)境中，但現(xiàn)有醫(yī)用腳踏開(kāi)關(guān)存在控制功能單一、控制對(duì)象單一等缺點(diǎn)[1]。例如：傳統(tǒng)腳踏只能完成采圖功能，錄像等功能還要去手動(dòng)點(diǎn)擊鼠標(biāo)進(jìn)行操控[2]；某些采圖軟件并不自配腳踏，只能單純通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)進(jìn)行人機(jī)交互。HID（Human Interface Device）規(guī)范是一類(lèi)用于人機(jī)交互的USB協(xié)議，其特點(diǎn)是即插即用，每次傳輸數(shù)據(jù)可以攜帶小量或中量的數(shù)據(jù)，即可以通過(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)或點(diǎn)擊鍵盤(pán)上的某個(gè)組合鍵等直接將預(yù)期的操作信息一次性打包傳送給上位機(jī)進(jìn)行處理[3]。

本文針對(duì)傳統(tǒng)腳踏存在的問(wèn)題展開(kāi)研究，基于HID規(guī)范研制了一種新型腳踏控制器，可以人為定義腳踏所完成的功能，可以對(duì)接不自配腳踏的軟件，使腳踏應(yīng)用范圍更加廣泛，同時(shí)更好地釋放醫(yī)護(hù)人員的雙手以完成其他更重要的工作。

1 控制器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的控制器位于醫(yī)用腳踏和醫(yī)用主機(jī)之間，其主要作用是將醫(yī)用腳踏所產(chǎn)生的5 V高電平信號(hào)轉(zhuǎn)化成所需功能的HID規(guī)范下的信號(hào)[4-5]，然后通過(guò)USB傳至醫(yī)用儀器的主機(jī)上，從而完成操作人員下達(dá)的任務(wù)。

控制器主要包含兩部分：① 主控模塊，選用STC12C5A60S2單片機(jī)作為該模塊的核心，其處理速度為傳統(tǒng)8051 MCU的8～12倍[6]，含有兩組串行輸入輸出引腳，成本低廉，運(yùn)行穩(wěn)定，可以非常迅速地接收腳踏開(kāi)關(guān)的電信號(hào)，并通過(guò)KeilC環(huán)境中的預(yù)編程序?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的操作代碼；② HID標(biāo)準(zhǔn)輸出模塊，選用UTS2210模塊，其優(yōu)點(diǎn)在于同時(shí)具備串口UART收發(fā)引腳和USB輸出口，即可直接將單片機(jī)中傳輸送過(guò)來(lái)的操作代碼規(guī)范化成HID標(biāo)準(zhǔn)信息[7]。該設(shè)備通過(guò)USB接口的方式連接至醫(yī)用主機(jī)，不需外掛其他轉(zhuǎn)換芯片和模塊，其中USB接口的GND和VCC端為控制器提供+5 V供電[8]，D+及D-端為控制器提供雙向通訊接口?？刂破鞯目傮w構(gòu)建方案如圖1所示。

圖1 控制器系統(tǒng)方案簡(jiǎn)圖

2 基于HID規(guī)范的軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件執(zhí)行流程

控制器軟件在KeilC環(huán)境下編寫(xiě)，燒錄在STC12C5A60S2中。軟件主要分為4個(gè)模塊：初始化、信號(hào)采集與去抖、識(shí)別與轉(zhuǎn)換、UART發(fā)送。程序執(zhí)行的流程圖如圖2所示。以下對(duì)控制器軟件的4個(gè)模塊進(jìn)行簡(jiǎn)述。

圖2 控制器軟件執(zhí)行流程圖

（1）初始化。在硬件正確連接并啟動(dòng)后，UTS2210首先進(jìn)入初始化狀態(tài)，延時(shí)3～5 s進(jìn)行上位機(jī)識(shí)別，初始化中UTS2210的Rdy處于低電平狀態(tài)[9]。在這一過(guò)程中，STC12C5A60S2會(huì)對(duì)Rdy進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到Rdy拉至高電平時(shí)，即認(rèn)為初始化程序執(zhí)行完畢。

（2）信號(hào)采集。腳踏開(kāi)關(guān)的一端接在+5 V高電平上，另一端接在STC12C5A60S2其中的一個(gè)引腳上[10]。當(dāng)操縱人員踩壓腳踏開(kāi)關(guān)時(shí)，該引腳就會(huì)接收到高電平信號(hào)，隨后程序會(huì)進(jìn)入2 s的計(jì)時(shí)區(qū)間。由于踩踏中會(huì)存在一些極短時(shí)間的開(kāi)關(guān)抖動(dòng)，所以采集中還要加入去抖動(dòng)信號(hào)程序[11-12]，以方便后續(xù)對(duì)踩踏方式進(jìn)行正確地識(shí)別。

（3）識(shí)別與轉(zhuǎn)換。本文采用雙板腳踏進(jìn)行測(cè)試，并定義三種踩踏的方式：短時(shí)單踩踏、短時(shí)雙踩踏和長(zhǎng)時(shí)踩踏。在計(jì)時(shí)區(qū)間內(nèi)采集到一次穩(wěn)定的高電平轉(zhuǎn)低電平的下降沿判定為短時(shí)單踩踏；計(jì)時(shí)區(qū)間內(nèi)采集到兩次穩(wěn)定的下降沿判定為短時(shí)雙踩踏；計(jì)時(shí)區(qū)間內(nèi)一直為高電平則判定為長(zhǎng)時(shí)踩踏。判定過(guò)程中，同時(shí)還對(duì)是哪一塊踏板開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行判斷。判斷后，程序隨即將信息變量賦值為與踩踏動(dòng)作對(duì)應(yīng)的HID Usage ID[13-14]，完成自定義功能，并進(jìn)入下一步驟。與前兩種踩踏方式不同的是，長(zhǎng)時(shí)踩踏在結(jié)束后還需對(duì)信息變量進(jìn)行再次賦值并執(zhí)行下一步驟，以示動(dòng)作結(jié)束。

（4）UART發(fā)送。STC12C5A60S2的TXD1與RXD1引腳分別連接至UTS2210的RXD和TXD引腳上[15]。通過(guò)該組引腳，以UART串口的方式程序?qū)⑿畔⒆兞恳?字節(jié)的形式發(fā)送給UTS2210，再由UTS2210內(nèi)部將信息HID規(guī)范化，最后發(fā)送至醫(yī)用主機(jī)。此步驟執(zhí)行后，程序跳轉(zhuǎn)至步驟（3），重新對(duì)腳踏信號(hào)進(jìn)行采集。

2.2 HID規(guī)范與輸出

對(duì)于UTS2210而言，通過(guò)UART接收到STC12C5A60S2發(fā)送的HID Usage ID需定義為2個(gè)字節(jié)，可包含全按鍵、組合鍵、鼠標(biāo)移動(dòng)、絕對(duì)坐標(biāo)定位等信息[14]。按發(fā)送的先后順序定義雙字節(jié)分別為：字節(jié)0和字節(jié)1。其中，字節(jié)0包含快捷鍵組合信息，需滿足圖3中的規(guī)范，其中Bit7須賦值為0，其他位如果需要自定義則賦值為1，反之為0。字節(jié)1為HID Usage ID，包含各種按鍵及鼠標(biāo)移動(dòng)信息，每類(lèi)按鍵的具體 ID 請(qǐng)參考 USB Device Working Group 定義的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) HID Usage Tables庫(kù)[16]。最后，定義0X00為釋放所有組合鍵或按鍵的結(jié)束符。

圖3 基于HID規(guī)范對(duì)字節(jié)0的要求

例如，實(shí)現(xiàn)需求功能的鍵盤(pán)手動(dòng)操作形式為“組合鍵（Ctrl+Shift+C）+組合鍵（Ctrl+A）+F8”，若用該醫(yī)用腳踏控制器實(shí)現(xiàn)，在KeilC環(huán)境下編程，STC12C5A60S2須向UTS2210發(fā)送以下代碼：

3 研制及實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

基于上文闡述，本文已研發(fā)并制作出該腳踏控制器，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為兩組，分別采用單腳踏開(kāi)關(guān)和雙腳踏，兩組交替輪換，在不同環(huán)境下的彩圖軟件中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試地點(diǎn)包含鼻咽喉鏡室、胃鏡室、骨密度室和小兒支氣管檢查室。設(shè)定短時(shí)單次踩踏為采圖，長(zhǎng)時(shí)單次踩踏為錄像，針對(duì)各個(gè)檢查對(duì)象不同，按需求由醫(yī)護(hù)人員自行選用上述功能，每個(gè)腳踏每個(gè)地點(diǎn)測(cè)試時(shí)間為10天，每天抽取5組檢查結(jié)果進(jìn)行正確次數(shù)統(tǒng)計(jì)，每組結(jié)果按實(shí)際情況含若干圖像，若使用組數(shù)不達(dá)標(biāo)則剩余組數(shù)順延增添到第二天進(jìn)行抽取。實(shí)驗(yàn)照片和測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4及表1所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)?zāi)_踏開(kāi)關(guān)及軟件示意圖

表1 腳踏正確率實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

圖4b共9張圖，第1張由于主機(jī)系統(tǒng)與軟鏡端沒(méi)有正確連接引起采圖失敗，并不是控制器本身的問(wèn)題，其余8張為測(cè)試成功的數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)共測(cè)試400組數(shù)據(jù)，其中測(cè)試成功392組，出現(xiàn)問(wèn)題的有8組數(shù)據(jù)。出問(wèn)題的數(shù)據(jù)包含腳踏及系統(tǒng)本身所致的問(wèn)題[1-2]，還有操作者在控制器開(kāi)啟的5 s初始化時(shí)間內(nèi)進(jìn)行采圖而出現(xiàn)問(wèn)題。綜上各方面因素統(tǒng)計(jì)，此次實(shí)驗(yàn)成功率為98%，運(yùn)行基本穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

4 結(jié)論

本文主要概述了一種基于HID規(guī)范的可定義功能的多用途醫(yī)用腳踏控制器的研制，通過(guò)連接此控制器可以使醫(yī)用腳踏開(kāi)關(guān)對(duì)接更廣泛的使用對(duì)象，根據(jù)需求定義更豐富的功能，不占用醫(yī)護(hù)人員的雙手從而使其并行更多的任務(wù)。該單腳踏開(kāi)關(guān)已在鼻咽喉鏡檢查室中使用近一年時(shí)間，運(yùn)行穩(wěn)定，控制器本身未出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)現(xiàn)象，節(jié)省了醫(yī)務(wù)人員勞動(dòng)力，成本低廉，可推廣使用。