基于ARM的非接觸式傷口面積圖像測量技術(shù)研究*

廖琪梅 高 鵬 陳 靜 馮 威 張國鵬

基于ARM的非接觸式傷口面積圖像測量技術(shù)研究*

廖琪梅①高 鵬①陳 靜①馮 威②張國鵬①

目的：基于進(jìn)階精簡指令集機(jī)器(ARM)的非接觸式傷口面積圖像測量技術(shù)，研究一種低成本、非接觸及高效率的傷口拍照和面積標(biāo)定技術(shù)，完成對傷口面積的快速、準(zhǔn)確及方便測量。方法：提出基于ARM9嵌入式平臺的傷口面積獲得方法，通過嵌入式拍照實(shí)現(xiàn)圖像獲取的高效率和低成本，并以激光束面積標(biāo)定的思路實(shí)現(xiàn)非接觸傷口面積采集。結(jié)果：通過設(shè)計技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的實(shí)驗結(jié)果比對，測量誤差均<1%，而設(shè)計技術(shù)具備非接觸的優(yōu)勢。結(jié)論：非接觸式傷口面積圖像測量技術(shù)能夠?qū)诿娣e進(jìn)行快速、準(zhǔn)確及方便的測量，同時可避免交叉感染，具有一定的臨床應(yīng)用前景。

標(biāo)定；面積比對；嵌入式系統(tǒng)；非接觸; 進(jìn)階精簡指令集機(jī)器

廖琪梅,女,(1969- ),博士，副教授。第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系計算機(jī)應(yīng)用教研室，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。

在研究創(chuàng)傷傷口修復(fù)過程中，傷口面積是常見的用來評價傷口愈合情況的指標(biāo)，其測量的準(zhǔn)確性直接影響傷口愈合進(jìn)度的評估、預(yù)測以及醫(yī)務(wù)人員對傷口的判斷和處理[1]。在傷口面積的測量過程中，由于傷口經(jīng)常處于非平面、不規(guī)則甚至多數(shù)為三維的情況，使得傷口面積測量較為困難。對于傷口面積的測量方法，目前有文獻(xiàn)報道了圖形分析儀法、描記法[2]以及利用數(shù)碼相機(jī)確定面積樣本進(jìn)而實(shí)現(xiàn)標(biāo)定等方法[3]。這些方法中圖形分析儀法雖然測量效果及準(zhǔn)確性較好，但其較高的價格影響實(shí)際應(yīng)用；描記法測量及利用數(shù)碼相機(jī)確定面積樣本進(jìn)行標(biāo)定的方法需要采用標(biāo)定樣品與傷口附近進(jìn)行接觸測量，會引起傷口的二次感染，不利于傷口的快速健康愈合。針對以上常見測量傷口面積方法存在的不足，本研究基于ARM的非接觸式傷口面積圖像測量技術(shù)，設(shè)計一種價格便宜、體積較小、操作方便并且可避免二次感染的測量傷口面積方法。

1 非接觸式傷口面積拍照系統(tǒng)總體設(shè)計

隨著嵌入式系統(tǒng)，尤其是進(jìn)階精簡指令集機(jī)器(advanced risc machine，ARM)[4]技術(shù)的快速發(fā)展及大面積使用，其較高的性價比、便利的開發(fā)環(huán)境及較強(qiáng)的擴(kuò)展性為集成多功能拍照系統(tǒng)提供了有利條件。同時，激光在傳播過程中具備光斑面積變化小的特點(diǎn)，且激光產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展成就了激光發(fā)生器價格的低廉化，使得激光光斑作為非接觸測量的標(biāo)定樣本成為可能。因此，基于ARM硬件平臺、Linux[5-6]軟件平臺和激光器三者結(jié)合設(shè)計傷口面積的非接觸式準(zhǔn)確測量研究具備技術(shù)條件[7-8]。本研究以上述3種技術(shù)為平臺設(shè)計非接觸式傷口面積拍照系統(tǒng)，硬件平臺以ARM9為核心，其上運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)上做應(yīng)用程序開發(fā)，并通過QT[9]人機(jī)界面進(jìn)行人機(jī)交互。在硬件端配置常規(guī)200萬攝像頭進(jìn)行拍照，配置激光器用以拍照的面積參照，為了便于拍照圖片時方便轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)獨(dú)立配置了SD卡，其設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 非接觸式傷口面積拍照系統(tǒng)

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖

圖3 USB攝像頭與激光器

圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計實(shí)物圖

圖5 系統(tǒng)整裝后的實(shí)物圖

圖6 系統(tǒng)工作時的實(shí)物圖

2 非接觸式傷口面積拍照系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計以三星S3C2440A[10]芯片為平臺進(jìn)行硬件設(shè)計，該芯片基于ARM9核，工作頻率最高可達(dá)533 MHz，工作時通過并行總線與64 M的SDRAM和256 M的flash進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模程序的高速運(yùn)行(如圖2所示)。圖2顯示，處理器通過并行總線與3.5寸觸摸屏通信實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，完成系統(tǒng)的操作，并通過IO控制激光器實(shí)現(xiàn)與USB攝像頭采集圖形同步定標(biāo)的作用(如圖3所示)；處理器還利用SPI總線銜接SD卡實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的大規(guī)模存儲。圖4顯示硬件設(shè)計的實(shí)物圖，具體布局時，系統(tǒng)將處理器、flash、SDRAM及電源等集中設(shè)計在95 mm×100 mm的電路板上，用于人機(jī)界面交互的3.5寸觸摸屏架設(shè)于硬件電路板上，整個硬件設(shè)計小巧緊湊，便于攜帶。整個實(shí)物大小和常規(guī)藥箱相當(dāng)，重量≤1 kg，方便攜帶和使用。整個系統(tǒng)設(shè)計完成后與結(jié)構(gòu)配合，最終形成的實(shí)物如圖5和圖6所示。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計和傳統(tǒng)探傷儀相比，其重要的突破點(diǎn)是采用激光光斑作為傷口面積計算的參考，該方法的優(yōu)點(diǎn)是：①激光的光斑面積大小受距離的影響很小，可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量時的準(zhǔn)確定標(biāo)，易于圖像處理的算法實(shí)現(xiàn)；②測量時系統(tǒng)操作簡單，且為非接觸測量，避免了傷口的交叉感染。

3 非接觸式傷口面積拍照系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于系統(tǒng)的硬件設(shè)計具有高速的處理性能和豐富的存儲資源，因此系統(tǒng)軟件設(shè)計基于Linux2.6.32.2內(nèi)核以及跨平臺的C++圖形用戶界面QT進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)環(huán)境基于Eclipse[11]平臺(如圖7所示)。Linux系統(tǒng)有著嵌入式操作系統(tǒng)需要的各種特點(diǎn)，可適應(yīng)于多種CPU和硬件平臺，且性能穩(wěn)定、裁剪性強(qiáng)。QT是諾基亞開發(fā)的一個跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，完全面向?qū)ο蟛U(kuò)展性較強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)真正的組件編程(如圖8所示)。

圖7 Eclipse開發(fā)環(huán)境

圖8 QT開發(fā)界面

系統(tǒng)軟件設(shè)計操作流程：①系統(tǒng)進(jìn)行開機(jī)初始化及自檢，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)計；②系統(tǒng)通過攝像頭采集圖像信息，并將信息實(shí)時顯示到顯示屏，用戶可以手工進(jìn)行圖像聚焦的標(biāo)定以保證圖像呈現(xiàn)的清晰度；③系統(tǒng)控制攝像頭開始進(jìn)行圖像的預(yù)采集；④系統(tǒng)軟件控制激光器打開，將激光光斑照射于傷口附近，同時用戶通過顯示界面觀察圖像，并通過觀察的圖像調(diào)整攝像頭和激光光斑位置，將傷口位置和激光光斑位置調(diào)整到最佳位置；⑤傷口定位完成后通過觸摸按鍵完成一次圖像數(shù)據(jù)的存儲，并關(guān)閉激光器；⑥如果需要拍攝多張傷口照片，重復(fù)步驟④和⑤。圖像處理完成后，存儲于SD卡當(dāng)中，方便將圖片轉(zhuǎn)移至PC機(jī)，以便于后期的圖像處理。其系統(tǒng)軟件設(shè)計如圖9所示。

4 非接觸式傷口面積拍照系統(tǒng)驗證

系統(tǒng)設(shè)計完成后，將系統(tǒng)拍照及后期處理結(jié)果與文獻(xiàn)[3]的方法進(jìn)行比較。本研究激光光斑作為標(biāo)定的圖像拍照樣本，其中紅色圓形光斑為激光光斑面積參考物，處于傷口旁邊；黑色方塊為接觸式面積參考物(如圖10所示)。

為便于數(shù)據(jù)的驗證，實(shí)驗構(gòu)成中，拍攝距離分別為15 cm、18 cm及20 cm，拍攝角度分別為0°、5°及10°，將后期的處理結(jié)果按照被測物與參考物像素數(shù)百分比(﹪)的方法進(jìn)行比對，實(shí)際數(shù)據(jù)的比較結(jié)果見表1。

圖9 軟件設(shè)計流程

圖10 激光光斑與接觸式參考物標(biāo)定測量比對

表1 激光光斑與接觸式參考物標(biāo)定數(shù)據(jù)比對

表1顯示，兩種情況下的處理結(jié)果相差不大，計算得到的面積誤差很小(≤1﹪)，表明本研究設(shè)計的非接觸式標(biāo)定技術(shù)與接觸式相比，并未降低實(shí)際使用效果，并且避免了接觸式帶來的交叉感染問題。

5 結(jié)論

本研究針對傳統(tǒng)傷口面積測量中存在的價格貴、容易引起交叉感染的缺陷，設(shè)計了非接觸式傷口面積計算的新標(biāo)定技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)計充分利用了激光光斑在傳輸過程中光斑面積變化較小的特點(diǎn)，再集合ARM9硬件系統(tǒng)和Linux軟件系統(tǒng)功能強(qiáng)大、性價比較高的特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，從實(shí)際驗證的效果看，系統(tǒng)除攜帶方便、使用便利的常規(guī)特點(diǎn)外，重要的是實(shí)現(xiàn)了非接觸式的面積標(biāo)定測量，以避免交叉感染。本研究數(shù)據(jù)結(jié)果表明，其數(shù)據(jù)精確度符合臨床使用要求，該技術(shù)可以作為其他臨床非接觸式傷口面積測量的技術(shù)參考。

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A research of image measurement technology for the non-contact wound area based on the ARM/

LIAO Qi-mei, GAO Peng, CHEN Jing, et al//
China Medical Equipment,2017,14(4):48-51.

Objective: To research a low cost, non-contact and high efficiency technology for wound image acquisition and area calculation based on non-contact wound area image measurement technology of advanced RISC machines(ARM), so that achieve quick, accurate and convenient measurement for wound area. Methods: Proposed a measurement method for wound area based on ARM9 embedded platform; used the embedded pictures to realize the low cost and high efficiency for the image acquisition, and used the calibration technology of the laser beam area to realize the collection for non-contact wound area. Results: The comparison results between the old method and the new method showed that all of measuring errors were in 1%, but the design of the new technology has the advantages of non-contact. Conclusion: By using the new method, the wound area can be rapid, accurate, convenient measured, at the same time, it can avoid the cross infection. The method has a certain clinical application prospect.

Calibration; Area comparison; Embedded system; Non-contact; Advanced risc machine

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.04.012

1672-8270(2017)04-0048-04

R197.39

A

2016-12-09

陜西省工業(yè)攻關(guān)項目(2015GY123)“傷口局部給氧式紅外快速愈合技術(shù)與裝置”

①第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系計算機(jī)應(yīng)用教研室 陜西 西安 710032

②唐都醫(yī)院信息科 陜西 西安 710038

[First-author’s address] Teaching and Research Section of Computer Application, Department of Biomedical Engineering, The Fourth Military Medical University, Xian 710032, China.