一種新型內窺鏡視頻系統的設計*

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 [文獻標識碼] A

一種新型內窺鏡視頻系統的設計*

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 [文獻標識碼] A

目的：設計一種新型內窺鏡視頻系統， 實現視頻的無線傳輸功能，方便多人對手術過程進行實時觀察、記錄和回放。方法：采用高分辨率CMOS圖像傳感器MT9P031作為圖像采集設備，將內窺鏡觀測到的光學信號轉換為電信號，再由多媒體處理器TMS320DM368進行數字處理，獲得清晰穩定的圖像，在手持主機的LCD液晶顯示屏上顯示，也可通過無線網絡傳輸至PC機。結果：本系統操作簡單，并將傳統臺車式內窺鏡視頻檢測設備的光學系統、圖像采集顯示系統及冷光源系統等集成到一個小型的終端設備中，提高了系統的便攜性。結論：新型內窺鏡視頻系統非常適用于內窺鏡診療工作。

內窺鏡；視頻系統；圖像采集；數字處理

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.

隨著半導體和計算機技術的飛速發展，其應用領域不斷向周邊學科滲透，集傳統光學技術與現代計算機和微電子技術等高新技術于一身的醫用電子內窺鏡已經成為當前應用非常廣泛的一種醫療儀器[1]。醫生通過電子內窺鏡不僅能直接觀察到人體內臟器官的組織形態及病變情況，方便地進行診斷，而且還可將觀察到的圖像進行存儲和傳輸，以便進一步的診療和處理，其診療優越性已被醫學界所共識[2]。

1 新型內窺鏡視頻系統設計方案

本研究設計的內窺鏡視頻系統采用高分辨率CMOS圖像傳感器MT9P031作為圖像采集設備，將內窺鏡觀測到的光學信號轉換為電信號，再由多媒體處理器TMS320DM368進行數字處理，獲得清晰穩定的圖像，在手持主機的液晶顯示(liquid crystal display，LCD)屏上顯示。該系統內置WiFi模塊，通過無線路由器，可實現視頻的無線傳輸功能，方便多人對手術過程進行實時觀察、記錄和回放。本研究設計為南京軍區2013年度科技創新項目資助課題，并已獲得國家實用新型專利。

2 新型內窺鏡視頻系統設計

新型內窺鏡視頻系統由硬件和軟件設計組成。硬件設計包括圖像采集模塊、圖像后處理模塊、發光二極管(light emitting diode， LED)照明模塊以及按鍵及旋鈕模塊等；軟件設計包括圖像采集子系統、視頻處理子系統及用戶交互子系統等。

2.1 硬件設計

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 新型內窺鏡視頻系統結構框圖

通過金屬氧化物半導體(complementary metaloxide semiconductor，CMOS)元件圖像傳感器將內窺鏡觀測到的光學信號轉換為電信號，由多媒體處理器TMS320DM368進行數字處理，獲得清晰穩定的圖像后，在手持式液晶顯示屏上顯示，系統內置WiFi模塊，可通過無線路由器實現視頻的無線傳輸功能，方便多人對手術過程進行實時觀察、記錄和回放。照明方式采用大功率白光LED為點光源，發光效率高，色彩還原性強，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、高輸出圖像質量的優點，但其生產過程復雜、成本高且功耗大，相比而言CMOS圖像傳感器的最大優點是功耗小、成本低、電路結構簡單且集成度高[3]。隨著技術水平的不斷進步，CMOS圖像傳感器的性能正在逐漸接近和超越CCD。

本研究設計的視頻采集模塊選用APTINA公司生產的MT9P031，其為500萬像素的高性能CMOS圖像彩色傳感器。MT9P031具有很高的成像質量和轉換速率，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，內置YUV輸出及顏色校正，被廣泛應用于數碼相機和數字成像設備等[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標準[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，實現更高的靈活性與更低的設計復雜性。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，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個預處理器，控制器可以與CCD、CMOS傳感器或解碼器直接連接，預處理器為實時圖像處理器，將原始圖像從RGB變為YUV422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換為光能的半導體固體發光器件，利用固體半導體芯片作為發光材料，在半導體中通過載流子發生復合放出過剩的能量而引起光子發射，直接發出各種顏色的光[7-8]。與其他發光器件相比，LED具有發光效率高、色彩還原性強、溫升低以及使用壽命長等優點。本設計選用特制的LED，單顆最大功率可達3 W，額定工作條件(電壓3 V、電流350 mA)下有效光通量達90～100 lm。

LED驅動芯片選用PAM2861，此芯片兼容較寬的直流輸入電壓，輸入范圍在6～40 VDC內都能穩定可靠的工作，內置高精度電流檢測器，可通過外置電阻設定輸出電流最大可達1 A[9]。輸出電流也可通過VSET引腳進行PWM調節，PWM頻率范圍為0.1～1 kHz，最高輸入電壓為5 V。LED驅動電路圖如圖3所示。

圖3 LED驅動電路圖

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

本視頻系統還可根據實際需要通過旋轉旋鈕對圖像進行實時放大或縮小處理。旋轉旋鈕選用美國Greyhil1公司生產的61C22-01-04-02型光電編碼器，內部電路如圖5所示[10]。其內部有1個發光二極管和2個光敏三極管，當左右旋轉旋鈕時，中間的遮光板會隨旋鈕一起轉動，光敏三極管就會被遮光板有次序地遮擋，A、B相的輸出相應的發生變化；當按下旋鈕時，2、3兩腳接通，其用法同一般按鍵[11-12]。

圖5 光電編碼器內部電路圖

2.2 軟件設計

軟件設計采用嵌入式Linux系統和數字媒體開發包DVSDK作為系統軟件平臺，主要包括圖像采集子系統、視頻處理子系統及用戶交互子系統[13]。

2.2.1 圖像采集子系統

圖像采集子系統采用多線程機制，根據用戶參數設置，對CMOS圖像傳感器采集的原始數據進行同步并行處理，包括自動白平衡、圖像去噪及邊緣畸變校正等。用戶通過旋轉旋鈕，還可對圖像進行縮小或放大處理，處理后的圖像數據統一存放在系統內存中，再刷新到液晶顯示屏上顯示預覽。同時，用戶交互線程還將檢測按鍵動作，將圖像數據進行JPEG/H.264編碼，存放到內置存儲卡中；或者根據用戶設置，將編碼后的視頻數據通過無線網絡傳輸至電腦端顯示[14]。系統流程如圖6所示。

圖6 圖像采集子系統流程圖

2.2.2 視頻處理子系統

視頻處理子系統是軟件系統的重要組成部分，包括圖像采集、參數調整、軟件OSD及視頻編碼的實現代碼等，其流程如圖7所示。

圖7 視頻處理子系統流程圖

主線程接收用戶傳入的命令行參數，設置系統工作模式，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，按設置參數執行2A算法處理，再將數據流傳入顯示線程，在液晶顯示屏上顯示。同時，視頻數據根據設置參數，將視頻數據依次傳入圖像去噪、軟件OSD和視頻編碼線程，最后傳輸至系統環形緩沖區，供上層的EV系統應用軟件調用[15]。

2.2.3 用戶交互子系統

用戶交互子系統通過單獨的線程對按鍵及旋鈕的狀態進行掃描，檢測到用戶的按鍵動作后，再執行拍照、錄像或系統OSD菜單設置動作。系統流程如圖8所示。

圖8 用戶交互子系統流程圖

3 結語

本視頻系統在多家三甲醫院、社區診所及衛生院進行了臨床使用，所采集的圖像清晰穩定，分辨率高，單人手持操作節省了人力物力，醫護人員反映良好。新型內窺鏡視頻系統經測試，采集的圖像質量好、穩定性高，可實時拍照及錄像，內置WiFi模塊，通過無線路由器，可實現視頻的無線傳輸功能，方便多人對手術過程進行實時觀察、記錄和回放[16]。本系統將傳統臺車式內窺鏡視頻檢測設備的光學系統、圖像采集顯示系統及冷光源系統等集成到一個小型的終端設備中，提高了系統的便攜性。

[1]李勵.醫用內窺鏡的發展歷程[J].醫療設備信息，1999(4)51-53.

[2]徐忠，劉洪英，皮喜田，等.醫用超細內窺鏡系統研究[J].中國生物醫學工程學報，2014，33(1)：107-111.

[3]李德印.電子內窺鏡的構成及主要功能探討[J].醫療裝備，1996，9(10)15-16.

[4]王國良.醫用電子內窺鏡光學鏡頭圖像畸變數字校正方法[J].光電子激光，2000，11(16)：50-51.

[5]陳曉冬，郁道銀，宋玲玲，等.醫用電子內窺鏡成像系統的研制[J].儀器儀表學報，2005，11(6)：602-605.

[6]孫英杰，卜文斌.LED照明的照度均勻性研究[J].自然科學報，2008，24(3)：49-52.

[7]陳冬青，謝洪波，徐智，等.醫用電子內窺鏡圖像畸變校正方法的研究[J].中國生物醫學工程學報，2001，20(1)：89-94.

[8]江潔，郁道銀，張漢奇，等.醫用電子內窺鏡圖像采集與視頻顯示系統的設計與實現[J].中國生物醫學工程學報，2001，20(3)：281-285.

[9]方萍.電子內窺鏡的技術進展[J].醫療衛生裝備，2003，24(9)：20-21.

[10]杜江，林慧貞，胡東亮.一種基于CMOS傳感器的圖像采集系統設計[J].傳感器技術，2007(6)：186-188.

[11]陳冬青，謝洪波，郁道銀.醫用電子內窺鏡光源分色系統研究[J].天津大學學報，2001，34(2)：146-149.

[12]徐佳，王蔚生，張鳴杰，等.基于Etendue和顯色特性的內窺鏡LED照明系統的設計[J].光學技術，2008，34(4)：601-604，607.

[13]周文光，王春飛，許新建，等.基于TMS320DM368處理器的便攜式內窺鏡視頻系統的電路設計[J].中國醫療設備，2014，29(7)：29-31.

[14]康偉，尚長浩，王粵.內窺鏡的使用、維修及檢測[J].設備運行與保障，2012，27(3)：120-121.

[15]蘭維永，魏宇林.醫用內窺鏡校準方法探討[J].計量與測試技術，2012，39(1)：34.

[16]王曉民，李遠洋，王新沛，等.消化道內窺鏡的發展及趨勢[J].醫療衛生裝備，2013，34(1)：88-90.

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- ),本科學歷，主任技師。解放軍第174醫院 廈門大學附屬成功醫院器材科，從事醫療設備的維修、質量控制及使用管理等方面的研究工作。

2014-08-21

南京軍區2013年度科技創新項目資助課題(MS087)“一種野戰便攜式內窺鏡視頻系統”

*專利：國家實用新型專利(201420083810.3)

①解放軍第174醫院 廈門大學附屬成功醫院器材科 福建 廈門 361003

*通訊作者：xmky2005@126.com