便攜式內窺鏡視頻系統軟件設計*

王 斌 湯棟生 張志芳 許新建 毛坤劍* 周文光

醫用內窺鏡能夠經過口腔進入胃內或者經其他天然孔道進入體內，進而觀察組織病變，已被廣泛用于腸胃道、胰腺、膽道、腹腔、呼吸道以及泌尿道等組織的疾病檢查[1]。傳統的內窺鏡視頻系統由于比較龐大，在移動醫療中無法攜帶，進而不利于移動醫療的檢查與治療。因此，便攜式內窺鏡視頻系統由于其體積小、重量輕、便于攜帶與操作等優勢，廣泛運用于搶險救災、院外急診、門診查房及常規內窺鏡手術[2]。由于便攜式內窺鏡視頻系統采用高度集成化和人體工學設計，為了顯示的采集圖像能夠方向恒定，不隨內窺鏡隨意轉動而變化，采用的高精度旋轉編碼器實現圖像的實時無級縮放，圖像更加細膩清晰。為此，本研究以嵌入式Linux系統和數字媒體開發包DVSDK作為系統軟件平臺，設計各軟件模塊，實現便攜式內窺鏡視頻系統運用的穩定性[3]。該項目已申請實用新型專利。

1 便攜式內窺鏡視頻系統的結構組成

便攜式內窺鏡視頻系統主要是將攝像頭、光學接口、冷光源、影像處理器和液晶顯示器進行一體化設計，并基于嵌入式系統進行圖像存儲和處理。其結構如圖1所示。

圖1 便攜式內窺鏡視頻系統結構框圖

圖1 顯示，該系統采用的主處理器控制芯片為STM32，圖像采集模塊主要是通過高清晰電荷耦合元件(charge coupled device，CCD)采集拍攝的圖像，冷光源模塊采用發光二極管(light emitting diode，LED)做為光源，以外接連接方式連接便攜式內窺鏡視頻系統主機，系統存儲模塊用于儲存采集的圖像和視頻，圖像和(或)視頻輸出模塊用于處理采集的圖像和視頻，液晶顯示模塊采用采集的圖像和視頻，按鍵及旋鈕用于實現圖像和視頻的無級縮放，電源管理模塊用于監測視頻主機的電量運用情況[4]。

2 便攜式內窺鏡視頻系統軟件設計

便攜式內窺鏡視頻系統以高度集成化和人體工學設計，為實現單獨攜帶操作，提高操作效率和穩定性，因此，對便攜式內窺鏡視頻系統的實現具有特殊的要求。系統與傳統的內窺鏡視頻系統軟件相比，更優化的系統結構、更清晰的子系統模塊和更簡練的數據處理，便于更穩定的運行。

系統設計的軟件采用嵌入式Linux系統和數字媒體開發包DVSDK作為系統軟件平臺[5]。系統分層結構如圖2所示。

圖2 系統軟件分層結構框圖

應用層位于系統最頂層，負責用戶交互用戶界面(user interface，UI)、拍照錄像、文件管理器等基本功能的實現。系統應用層負責圖像采集、編碼壓縮、圖像處理及顯示輸出等核心任務的實現，該層通過操作系統(operating system，OS)及驅動接口層與底層的硬件編解碼庫、圖像處理算法庫等通信，完成圖像采集及處理的任務。最底層包括Linux系統及底層硬件接口的驅動實現等。系統軟件設計采用分層結構，便于按模塊實現不同功能，主要包括圖像采集子系統模塊、視頻處理子系統模塊、用戶交互子系統模塊、存儲卡訪問子體系模塊以及電量監測子系統模塊等[6]。

2.1 圖像采集子系統模塊

系統采用高清晰CCD圖像傳感器采集圖像，通過傳感器接口采集原始數據后，對圖像進行自動曝光、自動白平衡、圖像去燥、邊緣校正等圖像處理，對采集的圖像進行優化設計以獲得更加清晰的圖像[7-9]。醫務人員通過高精度編碼器可以實現對圖像的縮小或者放大，進而更加自由的觀察病變組織，當拍攝圖片或者錄制視頻后，系統自動對其JPEG/H.264編碼，存放到內置存儲卡中，并同時顯示在液晶屏上，便于醫務人員的觀察，其數據采集及流程處理如圖3所示。

圖3 圖像采集子系統模塊流程框圖

2.2 視頻處理子系統模塊

系統模塊主要包括視頻或者圖像的采集、參數設置及調整，并對顯示圖像的色彩、模式、幾何形狀等進行調整，最后進行JPEG/H.264編碼等[10]。主要視頻數據流向如圖4所示。

圖4 視頻處理子系統模塊數據流向框圖

系統通過醫務人員設置的參數進而匹配工作模式，進入圖像采集及視頻處理流程。系統采集圖像后進行圖像算法處理，再將圖像數據流傳入顯示線程，進而進行液晶顯示，與此同時，圖像進行去燥線程、軟件線程及視頻編碼線程進入環形緩沖區，供上層的EV系統應用軟件調用[11]。

2.3 用戶交互子系統模塊

系統采用按鍵及旋轉編碼器作為用戶操作接口，該視頻軟件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[12]。按鍵及旋鈕狀態檢測線程的流程如圖5所示。

圖5 按鍵及旋鈕檢測流程框圖

表1 臺式傳統內窺鏡視頻系統與便攜式內窺鏡視頻系統參數對比

2.4 存儲卡訪問子系統模塊

系統內置Micro SD卡作為拍攝圖片和錄制視頻的存儲介質，該軟件系統支持用戶通過無線網絡訪問系統內置存儲卡，其軟件分層結構如圖6所示。

圖6 內置卡訪問分層結構框圖

從圖6可知，底層是SD/MMC卡驅動程序，上層是cramfs文件系統。該軟件系統采用vsftpd服務器將內置卡目錄共享，用戶可通過FTP客戶端軟件訪問系統IP地址，即可訪問內置存儲卡的內容。系統啟動時，通過執行腳本文件，檢測并設置內置卡目錄，最后啟動vsftpd服務[13]。

2.5 電量監測子系統模塊

系統采用可充電鋰聚合物電池供電，該軟件系統通過處理器內部數模轉換器(analog-to-digital converter，ADC)對鋰電池的電壓進行采樣，監測電池電量，并通過UI界面顯示，提示電池當前電量。其中，ADC驅動及應用層電量檢測模塊的分層結構如圖7所示。

圖7 電路監測模塊分層結構框圖

3 便攜式內窺鏡視頻系統的臨床應用效果

(1)系統軟件設計主要用于便攜式內窺鏡視頻系統，其與臺式傳統內窺鏡視頻系統軟件相比，具有以下特點。整機重量僅為200 g，顯示屏幕為3.5英寸的液晶顯示屏，采集的數據可以通過移動存儲介質進行拷貝，便于科研教學；整個系統的監視畫面與實際操作面一致，可減少醫務人員長時間觀看視頻的疲勞感，見表1。

(2)通過對便攜式內窺鏡視頻系統的軟件設計，對其關鍵性參數進行測試，測試記錄見表2。

表2 便攜式內窺鏡視頻系統參數表

(3)系統在100多家醫療衛生機構、10次野戰衛勤演習以及10次下部隊義診使用過程中，經過200例門診檢查、200例住院查房以及200例手術治療應用過程中，所含技術易于掌握，使用成本低廉，深受醫生、護士及技術人員好評。臨床使用示意如圖8所示。

圖8 便攜式內窺鏡視頻系統臨床運用效果示圖

4 結語

便攜式內窺鏡視頻系統的一體化人體工學和微型設計，讓整個內窺鏡視頻系統能夠隨身攜帶，并能單兵攜帶與操作，克服傳統內窺鏡視頻系統的缺陷，滿足現代野戰衛勤、搶險救災及臨床醫療的檢查要求，可在各種惡劣環境下全天候穩定工作，幫助醫護人員提高工作效率。通過對該視頻系統的軟件設計，能夠實現其在運用過程中的各項功能，并能夠使采集的圖像方向恒定，不隨內窺鏡轉動，減少操作失誤，提高精確度和安全性。采用高精度旋轉編碼器實現的操控按鈕，可方便地實現影像的實時無極縮放，使該視頻系統具有較強的使用性[14]。

[1]康偉，尚長浩，王粵.內窺鏡的使用、維修及檢測[J].中國醫療設備，2012，27(3)：120-121.

[2]周文光，王春飛，許新建，等.一種野戰便攜式內窺鏡視頻系統的研制[J].醫療衛生裝備，2014，35(11)：43-46.

[3]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(6)：602-605.

[4]張育圭.LEICA-MS-2手術顯微鏡視頻系統故障檢修[J].中國醫療設備，2010，25(12)：126.

[5]王培珍，徐俊生.基于ARM9的嵌入式Linux圖像采集系統設計[J].智能控制、檢測技術及應用，2007，36(19)：89-92.

[6]周文光，王春飛，許新建，等.便攜式內鏡的無線傳輸系統設計[J].生物醫學工程與臨床，2015，19(2)：182-185.

[7]張敏剛，李向東.靜脈成像投影設備的研制[J].中國醫學裝備，2016，13(4)：9-11.

[8]劉建青，黃平.無線膠囊內窺鏡CMOS攝像模塊的設計與制作[J].現代制作工程，2010，25(3)：64-67.

[9]周文光，孔悅，許新建，等.便攜式內窺鏡冷光源系統設計[J].中國醫學裝備，2015，12(1)：38-40.

[10]尤若寧，許海樹，張明旭，等.醫用便攜式內窺鏡關鍵技術及未來發展方向[J].醫療衛生裝備，2017，38(3)：123-126.

[11]楊夕霞.膠囊內窺鏡在胃腸道疾病中的應用[J].西藏醫藥雜志，2011，32(3)：35-37.

[12]楊一.內窺鏡立體視覺的實現[J].北京生物醫學工程，2003，22(3)：187-190.

[13]葉良.檢影鏡數字化視頻系統的研制[J].中華眼視光學與視覺科學雜志，2010，12(6)：148.

[14]葉魯杰.基于DSP的醫用X射線實時視頻處理系統設計[J].中國醫療設備，2009，24(6)：15-17.