基于STC12LE2052AD控制芯片的內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

陳 慶 許新建 尤若寧

目前，內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于臨床中的胸腔鏡、宮腔鏡、輸尿管腎鏡、前列腺電切鏡、椎間盤鏡、關(guān)節(jié)鏡和腹腔鏡等，其中腹腔鏡和宮腔鏡應(yīng)用最為普及[1]。在臨床檢查中，隨時(shí)采集內(nèi)窺鏡系統(tǒng)輸出的圖像，便于醫(yī)生查看患者檢查結(jié)果和書寫報(bào)告，而傳統(tǒng)的圖像采集過程通過圖像處理器的九針串口外連接有線采集開關(guān)，較長(zhǎng)的外接線容易受到物理環(huán)境的影響，導(dǎo)致采集線與其他連接線相互干擾，圖像的自由度較低，連接線極易斷裂損壞，故障率偏高，影響醫(yī)務(wù)人員的診療工作[2]。為此，本研究設(shè)計(jì)一種內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)，用于醫(yī)務(wù)人員采集患者的各類腔鏡檢查的圖像。

1 內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)主要包括無線發(fā)射模塊和無線接收模塊，采用單片機(jī)STC12LE2052AD為主控制芯片，無線傳輸模塊采用nRF24L01，醫(yī)務(wù)人員通過控制無線發(fā)射模塊的按鍵，無線接收模塊接收信號(hào)后采集系統(tǒng)完成采集。整個(gè)系統(tǒng)無任何外接線，避免受到不必要的牽絆，且使用自由度高，采集圖像穩(wěn)定性高。

1.1 無線發(fā)射控制模塊電路

內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)主要包括采集系統(tǒng)無線發(fā)射控制模塊和采集系統(tǒng)無線接收控制模塊，采集系統(tǒng)無線發(fā)射控制模塊電路包括電源電路、按鍵電路、霍爾傳感器感應(yīng)電路、無線發(fā)射電路和晶振電路。電路結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)無線發(fā)射控制模塊電路結(jié)構(gòu)

1.2 無線接收控制模塊電路

采集系統(tǒng)無線接收控制模塊電路主要包括電源電路、按鍵電路、串口控制電路、無線接收電路、晶振電路等，當(dāng)無線發(fā)射模塊的采集鍵按下時(shí)會(huì)發(fā)射無線信號(hào)，當(dāng)無線接收信號(hào)收到采集信號(hào)時(shí)，串口控制電路接通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡檢查圖像的無線采集。電路結(jié)構(gòu)見圖2。

2 內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 無線發(fā)射模塊主電路

圖2 內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)無線接收控制模塊電路結(jié)構(gòu)

內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)的主控制芯片為STC12L E2052AD，內(nèi)部集成256字節(jié)隨機(jī)存儲(chǔ)器(random access memory，RAM)和MAX810專用復(fù)位電路，可省去外部復(fù)位電路[3]；共4個(gè)16位定時(shí)器2個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器和(或)計(jì)數(shù)器，16位定時(shí)器T0和T1，可編程計(jì)數(shù)器陣列(programmable counter array，PCA)模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器；其復(fù)位引腳(RST)連接外部按鍵電路；XTAL1管腳和XTAL2管腳連接外部晶振電路；P1.7管腳連接霍爾傳感器感應(yīng)電路；P1.0至P1.4管腳和P3.7管腳連接無線發(fā)射模塊。無線發(fā)射模塊主電路見圖3。

圖3 內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)無法發(fā)射模塊主電路

2.2 電源電路

內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)的無線發(fā)射模塊電路采用一體化設(shè)計(jì)，醫(yī)務(wù)人員可以隨意放置在順手的地方進(jìn)行圖像采集，實(shí)現(xiàn)整個(gè)無線發(fā)射控制電路的輕便操作；采用鋰電池供電，保持電源穩(wěn)定輸出，采用電源穩(wěn)壓芯片ASM1117，芯片的輸入管腳接入鋰電池，在輸入管腳和接地管腳接入電源指示燈發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)1和保護(hù)電阻R1，其電路輸出管腳穩(wěn)定輸出3.3 V，并采用電容C1和C2進(jìn)行濾波[4]。電源穩(wěn)壓電路見圖4。

2.3 霍爾傳感器感應(yīng)電路

圖4 內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)電源穩(wěn)壓電路

普通的內(nèi)窺鏡圖像采集系統(tǒng)采用機(jī)械開關(guān)，容易造成觸電接觸不良或機(jī)械開關(guān)損壞失靈[5]。采用霍爾傳感器感應(yīng)開關(guān)作為控制按鍵，當(dāng)按下磁鐵按鍵時(shí)，霍爾傳感器感應(yīng)到磁鐵按鍵后OUT開關(guān)鍵輸出低電平到比較器LM393的1腳，通過比較器比較后，其比較器的4腳輸出底電平到主控制芯片，采集指示燈LED4亮，表示圖像采集動(dòng)作已經(jīng)產(chǎn)生[6]。霍爾傳感器感應(yīng)電路見圖5。

圖5 內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)霍爾傳感器感應(yīng)電路

2.4 無線發(fā)射模塊電路

內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)的無線發(fā)射模塊和無線接收模塊均采用nRF24L01，醫(yī)務(wù)人員按下磁鐵按鍵后，主控制芯片接收信號(hào)后控制無線模塊發(fā)射電路發(fā)射采集信號(hào)，無線接收模塊接收電路接收信號(hào)后，輸出指令給串口采集電路[7]。nRF24L01的使能信號(hào)(enable signal，CE)、低電平有效(CSN)、同步時(shí)鐘(SCK)、主機(jī)輸出從機(jī)輸入(master output slave input，MOSI)、主機(jī)輸入從機(jī)輸出(master input slave output，MISO)以及中斷請(qǐng)求(interrupt request，IRQ)等管腳連接上拉電阻排RP1，用于穩(wěn)定電平，同時(shí)連接主控制芯片，用于傳輸控制信號(hào)[8]。無線模塊發(fā)射電路見圖6。

圖6 內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)無線模塊發(fā)射電路

2.5 串口控制電路

內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)通過串口連接外置采集開關(guān)進(jìn)行采集圖像，系統(tǒng)的串口控制電路與無線接收模塊封裝在一起，當(dāng)無線接收模塊收到采集信號(hào)時(shí)，主控制芯片的P1.7管腳輸出低電壓，開光管Q1導(dǎo)通，串口的2腳和3腳接通，完成采集圖像的功能[9]。串口控制電路見圖7。

圖7 內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)串口控制電路

3 內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 無法發(fā)射控制模塊

內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的無線傳輸，無法發(fā)射控制模塊程序包括電池電量監(jiān)測(cè)子程序、按鍵掃描子程序、霍爾傳感器感應(yīng)子程序、無線發(fā)射模塊子程序以及LED顯示子程序等[10]。無法發(fā)射控制模塊主程序見圖8。

圖8 內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)無法發(fā)射控制模塊主程序結(jié)構(gòu)

3.2 無法接收控制模塊

內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)無線接收控制模塊程序由按鍵掃描子程序、串口控制子程序和無線接收模塊子程序等組成。程序見圖9。

圖9 內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)無法接收控制模塊主程序結(jié)構(gòu)

4 內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)臨床應(yīng)用

在臨床診療工作中，各種內(nèi)窺鏡檢查在門診治療中發(fā)揮了不可替代的作用[11]。本研究設(shè)計(jì)的內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)完成臨床電子胃鏡檢查100例、喉鏡檢查100例以及腹腔鏡檢查100例的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)各內(nèi)窺鏡檢查圖像采集的運(yùn)用。在患者檢查過程中，檢查圖像傳輸?shù)焦ぷ髡竞螅ㄟ^無線采集系統(tǒng)采集圖像，為臨床診治提供影像資料。檢查中圖像采集見圖10。

圖10 內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)臨床使用效果

5 結(jié)論

當(dāng)前，醫(yī)院各種腔鏡的檢查數(shù)量較大，傳統(tǒng)的采集手段一般采用具有外接連接線的采集方式，其在大量采集圖像的過程中，外接線容易受到物理環(huán)境的影響而時(shí)常打結(jié)或者斷裂，采用的機(jī)械觸點(diǎn)容易氧化或者損壞，影響臨床科室的使用[12-14]。本研究設(shè)計(jì)的內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)，采用霍爾傳感器采集開關(guān)，從根本上解決外接線容易斷裂和機(jī)械觸點(diǎn)接觸不良的問題，實(shí)現(xiàn)采集圖像使用效率的提升[15]。內(nèi)窺鏡無線采集系統(tǒng)在運(yùn)用過程中安裝簡(jiǎn)單、使用方便快捷，對(duì)于降低設(shè)備故障率，提升醫(yī)療質(zhì)量具有重大的意義。