糖尿病性視網(wǎng)膜病變篩查系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控模塊設(shè)計與實現(xiàn)

陳健，鄭紹華，余輪

1.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002；

2.福建工程學(xué)院 電子信息與電氣工程系，福建 福州 350108

0 前言

糖尿病性視網(wǎng)膜病變（Diabetic Retinopathy，DR）是20～70歲年齡組患者致盲的主要疾病之一，定期的視網(wǎng)膜病變篩查是及時發(fā)現(xiàn)病變，及時治療的唯一有效方法[1]。近年來，數(shù)字眼底照相機(jī)已經(jīng)成為DR臨床檢查和研究的重要工具，眼底照相機(jī)由于記錄準(zhǔn)確、客觀，且敏感性和特異性較高[2]，而被廣泛應(yīng)用于眼科流行病學(xué)和人群疾病的篩查。然而，眼底拍照過程的操作具有一定的復(fù)雜度，需要由有經(jīng)驗的眼科技師進(jìn)行操作，基層醫(yī)院和邊遠(yuǎn)地區(qū)醫(yī)療機(jī)構(gòu)缺乏專業(yè)的眼科技師，不利于篩查工作的推廣，從而降低了患者的篩查依從性。為了實現(xiàn)真正的大面積眼底篩查，保障眼底圖像的成像質(zhì)量，獲取符合診斷要求的眼底圖像，需要建立遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)。

本文在對遠(yuǎn)程DR篩查系統(tǒng)進(jìn)行簡要分析的基礎(chǔ)上，重點說明構(gòu)建遠(yuǎn)程DR篩查系統(tǒng)的重點模塊之一，即遠(yuǎn)程操控模塊的設(shè)計方案。本方案所構(gòu)建的遠(yuǎn)程操控模塊具有結(jié)構(gòu)簡單，易安裝且通用性好等特點。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程DR篩查系統(tǒng)由會診（操控）中心和遠(yuǎn)程終端（可遠(yuǎn)程操控的眼底照相機(jī)系統(tǒng)）組成，它們之間通過網(wǎng)絡(luò)連接[3]，見圖1。遠(yuǎn)程終端的眼底照相機(jī)系統(tǒng)由會診中心的專業(yè)技師操控，實現(xiàn)對受檢者眼底圖像的拍攝，并最終傳輸至?xí)\中心基于醫(yī)學(xué)影像存檔與通信系統(tǒng)（Pictures Archiving and Communication System，PACS）的影像存儲中心[4]。其中，視頻及語音傳輸實現(xiàn)會診中心專業(yè)技師對受檢者的實時監(jiān)控，保證眼底圖像的成功獲取[5]。

圖1 遠(yuǎn)程DR篩查系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

基于上述結(jié)構(gòu)，本方案的遠(yuǎn)程DR篩查系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，見圖2。遠(yuǎn)程終端的可操控眼底照相機(jī)系統(tǒng)由本地眼底照相機(jī)、串口通信模塊與計算機(jī)（上位機(jī)通信程序）3個部分組成，串口通信模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程終端本地眼底照相機(jī)與計算機(jī)之間的連接，保證位于遠(yuǎn)程終端的計算機(jī)在接收到會診中心技師的操控命令后，可將命令傳輸給串口通信模塊，進(jìn)而實現(xiàn)對眼底照相機(jī)的控制。會診中心由計算機(jī)（上位機(jī)通信程序）與操控平臺（操控鍵盤）組成。為了便于專業(yè)技師的操控，方案中設(shè)計了一個操控平臺（操控鍵盤），通過串口接入到會診中心的計算機(jī)上，操控平臺上的各個按鈕對應(yīng)眼底照相機(jī)的各種功能。

圖2 遠(yuǎn)程DR篩查系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸流程

系統(tǒng)中的所有通信鏈路均采用雙向傳輸，這是因為操控平臺除對眼底照相機(jī)進(jìn)行控制外，還會接收眼底照相機(jī)各個功能的狀態(tài)信息，并將狀態(tài)信息顯示于操控平臺上，使專業(yè)技師及時了解眼底照相機(jī)當(dāng)前的運行狀態(tài)。同時，位于會診中心與遠(yuǎn)程終端的2臺計算機(jī)上的上位機(jī)通信程序除負(fù)責(zé)相互之間的數(shù)據(jù)通信外，還分別負(fù)責(zé)與操控平臺及串口通信模塊的數(shù)據(jù)通信。本方案的遠(yuǎn)程操控模塊即由串口通信模塊、操控平臺及上位機(jī)通信程序（分別位于遠(yuǎn)程終端及會診中心的計算機(jī)上）這3個部分組成，以下對這幾個部分進(jìn)行具體設(shè)計說明。

2 遠(yuǎn)程操控模塊硬件電路設(shè)計

在遠(yuǎn)程操控模塊的3部分設(shè)計中，串口通信模塊及操控平臺需要進(jìn)行硬件設(shè)計。

2.1 串口通信模塊

串口通信模塊的功能是負(fù)責(zé)位于遠(yuǎn)程終端的眼底照相機(jī)與計算機(jī)之間的連接，從而保證遠(yuǎn)程終端計算機(jī)在收到由會診中心傳輸而來的操控命令后，實現(xiàn)對眼底照相機(jī)的控制。因此，串口通信模塊的設(shè)計必須以眼底照相機(jī)的各種功能為基礎(chǔ)，并結(jié)合相應(yīng)功能的控制方式。本方案以免散瞳眼底照相機(jī)（Kowa nonmyd 7）為基礎(chǔ)進(jìn)行串口通信模塊設(shè)計，該眼底照相機(jī)的主要控制方式及對應(yīng)功能主要包括以下3類。

（1）步進(jìn)電機(jī)的控制。包括控制臺的前后左右位移，下巴托架的上下移動及對焦控制。設(shè)計中除下巴托架已經(jīng)擁有步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器及相應(yīng)的觸點開關(guān)外，其他均為手動控制，因此，設(shè)計中加入步進(jìn)電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動器，并最終通過繼電器控制電機(jī)驅(qū)動器。

（2）觸點開關(guān)控制。包括視場角控制，眼球/瞳孔模式切換、固視點的控制、閃光燈亮度控制及拍攝功能，這部分的功能均可由觸點開關(guān)引出，并使用繼電器控制。

（3）數(shù)字電位器控制。用于成像亮度等級的控制，使用數(shù)字電位器完成亮度的調(diào)節(jié)。

針對上述3部分所提到的控制方式，串口通信模塊電路結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 串口通信模塊電路結(jié)構(gòu)

USB轉(zhuǎn)RS-232模塊通過RS-232接口與微控制器相連，采用MAX232芯片完成電平轉(zhuǎn)換。同時，使用CH341芯片實現(xiàn)RS-232接口與USB口的轉(zhuǎn)換[6]，最終由USB接口接至計算機(jī)。

電路中采用LPC2148作為微控制器，該芯片為PHILIPS半導(dǎo)體公司的一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7TDMI-S微控制器，可實現(xiàn)高達(dá)60MHz的工作頻率。同時，LPC2148擁有多達(dá)48個I/O口及多個串行接口，包括2個UART[7]。

繼電器模塊采用的是HKE繼電器HRS1H-S-DC5V，其高達(dá)1A的帶載能力，足夠眼底照相機(jī)觸點開關(guān)的需求[8]。繼電器的通斷控制實現(xiàn)對眼底照相機(jī)上各觸點開關(guān)的控制，從而實現(xiàn)眼球/瞳孔模式切換、拍攝、電機(jī)控制等功能。

傳感器模塊是使用光電傳感器設(shè)計實現(xiàn)的限位傳感器，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)到達(dá)某一方向的邊緣時，限位傳感會發(fā)出報警信息，同時停止繼電器動作，阻止步進(jìn)電機(jī)向該方向繼續(xù)前進(jìn)。

數(shù)字電位器模塊則通過調(diào)節(jié)電阻值實現(xiàn)對成像亮度的調(diào)節(jié)。

顯示模塊主要由LED組成，用來告知當(dāng)前眼底照相機(jī)的狀態(tài)信息，如當(dāng)前照相機(jī)是否處于眼球模式或是瞳孔模式等。此外，顯示模塊還提示當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)是否已經(jīng)處于某一方向邊緣的報警信息。

2.2 操控平臺電路

操控平臺的作用是控制眼底照相機(jī)并顯示眼底照相機(jī)狀態(tài)。控制作用由按鈕完成，即按下不同的按鈕觸發(fā)微控制器上的不同I/O口，從而發(fā)送不同的命令給遠(yuǎn)程終端。與串口通信模塊相似，狀態(tài)信息也主要由LED顯示，專業(yè)技師通過觀察操控平臺上不同位置LED的亮暗情況，了解當(dāng)前眼底照相機(jī)所處的狀態(tài)，以便下一部分的操作。操控平臺電路結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 操控平臺電路結(jié)構(gòu)

電路中，USB轉(zhuǎn)RS-232電路、微控制器及顯示模塊的選擇與串口通信模塊相同，按鈕模塊則使用按鍵開關(guān)元件實現(xiàn)對微控制LPC2148上不同I/O高低電平的輸入控制。

3 通信協(xié)議及上位機(jī)通信程序設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)傳輸流程

遠(yuǎn)程DR篩查系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控模塊所傳輸與處理的數(shù)據(jù)主要是操控平臺對眼底照相機(jī)的控制命令及眼底照相機(jī)反饋給操控平臺的狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)量較小。但系統(tǒng)涉及到4個設(shè)備（位于遠(yuǎn)程終端的串口通信模塊與計算機(jī)及位于會診中心的計算機(jī)與操控平臺）的3路通信，故需要通信協(xié)議保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

遠(yuǎn)程DR篩查系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程（圖2），共分為控制命令與狀態(tài)信息兩路數(shù)據(jù)傳輸。其中，操控平臺生成控制命令，通過串口發(fā)送到計算機(jī)，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給位于遠(yuǎn)程終端的計算機(jī)，進(jìn)而發(fā)送到串口通信模塊，串口通信模塊實現(xiàn)對本地眼底照相機(jī)的控制；由串口通信模塊采集到的眼底照相機(jī)的狀態(tài)信息則是相反的過程，并最終傳輸?shù)讲倏仄脚_，并由操控平臺上的LED顯示出來。遠(yuǎn)程終端與會診中心的計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議為TCP/IP協(xié)議，針對不同IP地址的主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸層采用可靠性高的TCP協(xié)議[9]。而位于遠(yuǎn)程終端的串口通信模塊與計算機(jī)之間及位于會診中心的計算機(jī)與操控平臺之間均采用串口通信，協(xié)議需要另行設(shè)定[10]，以下作具體介紹。

3.2 串口通信協(xié)議

串口通信模塊對眼底照相機(jī)的控制方式主要是繼電器、數(shù)字電位器，同時，反饋信息除眼底照相機(jī)的狀態(tài)信息還包括限位傳感器的反饋信息。針對上述特點，設(shè)定的通信協(xié)議命令格式，見表1。

表1 串口通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式

其中，幀開始標(biāo)志位取固定值0xAA；地址場CMD_NO指定控制設(shè)備（繼電器、數(shù)字電位器）的編號，在系統(tǒng)安裝調(diào)試時則根據(jù)編號將相應(yīng)設(shè)備的引出線接入到眼底照相機(jī)上的各功能按鈕的觸點上；命令標(biāo)志CMD_FLAG指定命令的性質(zhì)，包括控制命令、信息回復(fù)（包括是否正確接收命令，是否正確執(zhí)行命令及限位器到位信息）等；命令參數(shù)分為高字節(jié)與低字節(jié)，其值表示如下：

CMD_PAR=CMD_PAR_H×256 + CMD_PAR_L

需要說明的是，由于控制對象包括觸點開關(guān)，電機(jī)驅(qū)動模塊及數(shù)字電位器，故第三字節(jié)的控制命令并不完全相同，而第四與第五個字節(jié)所代表參數(shù)的含義也將有所不同，命令尾取固定值0x55。

以眼球/瞳孔模式切換（12號繼電器控制）功能為例，操控平臺發(fā)送命令格式為：0xAA 0x0C 0x02 0x00 0x15 0x55。命令說明：第二個字節(jié)0x0C表示控制12號繼電器（功能為控制眼球/瞳孔模式切換）；第三個字節(jié)0x02表示繼電器閉合控制；第四與第五兩個字節(jié)指定的閉合時間，即：10ms×CMD_PAR=10ms×20=200ms，其中，閉合時間以10ms為基本單位，若之前眼底照相機(jī)處于眼球模式，則切換為瞳孔模式。串口通信模塊在接收到控制命令并執(zhí)行完后，將發(fā)送兩條信息回復(fù)，分別是0xAA 0x0C 0xFF 0x00 0x00 0x55與0xAA 0x0C 0x03 0x00 0x00 0x55。其中，0xFF表示已經(jīng)正確接收，0x03則表示已經(jīng)正確執(zhí)行切換功能，后一條信息即作為狀態(tài)信息反饋給位于會診中心的操控平臺，并通過LED顯示出來，告知專業(yè)技師當(dāng)前的眼底照相機(jī)狀態(tài)為瞳孔模式。

3.3 上位機(jī)通信程序

上位機(jī)通信程序位于遠(yuǎn)程終端與會診中心的計算機(jī)上（圖2），程序主要實現(xiàn)以下功能：

（1）負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程終端計算機(jī)與會診中心計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，采用TCP/IP協(xié)議。

（2）位于遠(yuǎn)程終端計算機(jī)上的上位機(jī)程序負(fù)責(zé)計算機(jī)與串口通信模塊之間的數(shù)據(jù)通信，使用3.2節(jié)所述通信協(xié)議。

（3）位于會診中心計算機(jī)上的上位機(jī)程序負(fù)責(zé)計算機(jī)與操控平臺之間的數(shù)據(jù)通信，使用3.2節(jié)所述通信協(xié)議。

程序使用C++語言及MFC開發(fā)，其中，計算機(jī)間的數(shù)據(jù)通信使用到CAsyncSocket 類[11]，而計算機(jī)與串口通信模塊及操控平臺間的串口通信則使用ActiveX通信控件MSComm實現(xiàn)[12-13]。

4 安裝與調(diào)試

本系統(tǒng)在局域網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行了測試，硬件與軟件配置如下。

硬件：Kowa nonmyd 7眼底照相機(jī)（尼康單反相機(jī)，用于拍攝眼底圖像）；2臺計算機(jī)，自行研制的串口通信模塊電路板（圖5（a））及操控平臺（圖5（b）），路由器（4口以上）。

軟件：自行開發(fā)的上位機(jī)通信程序。

兩臺計算機(jī)通過路由器實現(xiàn)互聯(lián)，并配置IP地址，串口通信模塊與操控平臺分別通過USB口接至兩臺計算機(jī)上，上位機(jī)通信程序分別安裝在兩臺計算機(jī)中，串口通信模塊上的繼電器及數(shù)字電位器接出線則根據(jù)編號分別接至眼底照相機(jī)Kowa nonmyd 7的不同功能按鈕的觸點及電機(jī)驅(qū)動器的接口上。

圖5 串口通信模塊與操控平臺

通過測試，該操控平臺可以很好地實現(xiàn)了對眼底照相機(jī)各種功能的控制，并且眼底照相機(jī)的各狀態(tài)信息也能反饋到操控平臺，并通過LED顯示出來。

5 結(jié)束語

本文以遠(yuǎn)程DR篩查系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控模塊為研究對象，在介紹遠(yuǎn)程DR篩查系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，重點介紹了遠(yuǎn)程操控模塊的設(shè)計方案。遠(yuǎn)程操控模塊由位于遠(yuǎn)程終端的串口通信模塊、位于會診中心的操控平臺及上位機(jī)通信程序組成，具有結(jié)構(gòu)簡單，易安裝等特點。同時，具有較好的通用性，只需要進(jìn)行簡單的改造,即可應(yīng)用于不同的眼底照相機(jī)。

[1] 莫靜.糖尿病性視網(wǎng)膜病變的遠(yuǎn)程篩查[J].國外醫(yī)學(xué).眼科學(xué)分冊,2003,(5):270-274.

[2] Khalid AS,Seemant R,Vivek B,et al.Efficacy and reliability of fundus digital camera as a screening tool for diabetic retinopathy in Kuwait[J].Journal of Diabetes and Its Complications,2003,17:229-233.

[3] Vleming EN,Castro M,López-Molina MI,et al.Use of nonmydriatic retinography to determine the prevalence of diabetic retinopathy in diabetic patients[J].Arch Soc Esp Oftalmol,2009,84(5):231-236.

[4] 邱明輝,劉海一.DICOM標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)學(xué)圖像文件解析及工具軟件的研制[J].中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志,2009,(5):368-373.

[5] 曾金埕,潘林,余輪.眼底照相機(jī)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)與數(shù)字工程,2009,(11):118-120.

[6] 李芙玲,張瑾,閆躍升.基于CH341的USB—UART的設(shè)計與實現(xiàn)[J].工礦自動化,2007,6(3):121-122.

[7] 徐文超,耿艷香,白芳,等.基于LPC2148的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測平臺設(shè)計[J].實驗室科學(xué),2011,(2):77-80.

[8] YE H,YU H,GU W.Test system for single sheet iron loss[C].In:IEEE,2010.

[9] 司馬莉萍,賀貴明,陳明榜.基于Modbus/TCP協(xié)議的工業(yè)控制通信[J].計算機(jī)應(yīng)用,2005,25(S1):29-31.

[10] 陳健.主從式礦井軌道運輸監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計與分析[J].煤礦機(jī)械,2008,(10):23-25.

[11] 劉丹華,黃道君.利用套接字開發(fā)網(wǎng)絡(luò)通信程序[J].微機(jī)發(fā)展,2003,13(1):33-35.

[12] 馬錫坤.醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)終端準(zhǔn)入控制解決方案[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2011,26(11):30-32.

[13] 董紅政,王忠勇,史曉鵬.基于MSComm控件實現(xiàn)串行通信的方法[J].微計算機(jī)信息,2007,(27):145-147.