周文光，王春飛，許新建，孔 悅

一種野戰(zhàn)便攜式內窺鏡視頻系統(tǒng)的研制

周文光，王春飛，許新建，孔 悅

目的：研制一種野戰(zhàn)便攜式內窺鏡視頻系統(tǒng)。方法：將主控制器TMS320DM368、圖像傳感器MT9P301、LED照明單元、LED顯示器、光學接口和Wi-Fi模塊一體化設計，集成在一個微型手持主機上。系統(tǒng)通過手持主機按鍵或無線腳踏開關2種方式進行采集圖像；采用1 800 mAh鋰電池供電，通過市電或太陽能進行充電。結果：經(jīng)過臨床測試，研制的便攜式內窺鏡視頻系統(tǒng)可以與相應的醫(yī)用內窺鏡配接，適合于內窺鏡檢查及手術的實時觀察、記錄和回放，可通過Wi-Fi實現(xiàn)遠程醫(yī)療。結論：便攜式內窺鏡視頻系統(tǒng)體積小、性能穩(wěn)定、操作方便、自我續(xù)航能力強，非常適合野戰(zhàn)醫(yī)療。

圖像處理器；內窺鏡視頻系統(tǒng)；光學接口

0 引言

內窺鏡視頻系統(tǒng)在各種腔鏡手術治療、門診檢查、多科會診等發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的內窺鏡視頻系統(tǒng)由各式內窺鏡、冷光源系統(tǒng)、大型臺車、視頻采集及顯示系統(tǒng)、圖文處理計算機系統(tǒng)等組成，其設備構成復雜且笨重，需要連接各種電線，移動非常不方便，使用效率低，同時依賴市電工作，嚴重影響機動醫(yī)療和野戰(zhàn)醫(yī)療。

基于上述情況，研制一種野戰(zhàn)便攜式內窺鏡視頻系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的內窺鏡視頻系統(tǒng)的各大部件集成為一個很輕、很小的手持機，功耗小，能用太陽能充電，方便單兵操作，野外生存續(xù)航能力強，滿足平時臨床的相關診斷治療，更適用于野戰(zhàn)醫(yī)療等惡劣環(huán)境的衛(wèi)勤。項目采用MT9P301采集圖像，通過圖像處理器進行圖像數(shù)據(jù)處理和編碼壓縮，以嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)平臺，在LCD顯示屏進行圖像觀看和處理。整個視頻系統(tǒng)采用3.5 in（1 in=25.4 mm）高分辨率LCD顯示屏，外觀尺寸??；把攝像組件和光學接口高度集成，配合一體化的冷光源設計；選擇高精度旋轉編碼器實現(xiàn)的操控按鈕，控制圖像的無級縮放；內置Wi-Fi模塊具有無線傳輸功能[1]，與配備的無線腳踏開關采集圖像，并可將圖像同步顯示在HDTV大屏幕上，供多名醫(yī)務人員同時查看，便于臨床教學和遠程醫(yī)療。

1 系統(tǒng)設計路線和實現(xiàn)

設計目標：拍攝圖像清晰度高，性能穩(wěn)定，可實時觀察、記錄和回放；無線傳輸穩(wěn)定，便于遠程醫(yī)療和多科會診；系統(tǒng)體積小、安裝方便、操作簡單，無市電情況下能隨時展開工作，便于野戰(zhàn)。

本系統(tǒng)由機械部分、電路部分、軟件部分3個部分組成。

1.1 機械部分

設計目標：整個視頻系統(tǒng)外觀尺寸小，方便連接各種光學接口，實現(xiàn)無線控制拍照圖像，操作簡單，便于攜帶。

視頻系統(tǒng)主要包括便攜式手持主機、光學接口組件、無線腳踏開關、無線高清視頻接收器、HDTV等，其硬件框圖如圖1所示。

從圖1可知，便攜式手持主機通過各種光學接口組件與相應的醫(yī)用內窺鏡進行配接，在采集圖像時，可通過便攜式手持主機上的按鍵進行采樣，也可通過無線腳踏開關進行采集，并可通過Wi-Fi模塊和無線高清視頻接收器同步顯示在HDTV上，可實現(xiàn)多科會診、臨床教學和遠程醫(yī)療等功能。便攜式手持主機外觀如圖2所示。

圖1 視頻系統(tǒng)硬件框圖

圖2 便攜式手持主機外觀

便攜式手持主機外觀尺寸設計為111 mm× 111 mm×22 mm，集成圖像處理、冷光源照明、高清顯示、光學接口組件等模塊，便于操作與攜帶。采用3.5 in高分辨率LCD顯示屏，系統(tǒng)監(jiān)視畫面與實際操作界面一致，提高操作效率和穩(wěn)定性[2]。

在手持主機左側有電源按鍵和2個接口，電源按鍵可控制系統(tǒng)開關機，2個接口分別是USB2.0接口和MicroSD接口。通過USB2.0接口可以進行充電和傳輸圖像和錄像；MicroSD接口主要存放存儲介質，用來存放圖像和錄像，可方便拆卸進行圖像和錄像拷貝[3]。

手持主機正前面有3個按鈕，分別是拍照按鍵、錄像按鍵和旋轉按鈕。旋轉按鈕是一個功能復合按鈕，根據(jù)LCD顯示器上的功能菜單進行旋轉并確定，可選擇所需的應用功能，比如在拍照模式下，即可通過旋轉按鈕方便地實現(xiàn)影像的實時無級縮放。

手持主機將光學接口和攝像組件高度集成，并配合一體化的冷光源設計，完全擺脫外接線的束縛，實現(xiàn)無線操作。在拍照和錄像時，也可無線控制，通過腳踏開關進行拍照和錄像。光學接口可根據(jù)醫(yī)務人員的要求選擇配接的各類相應硬管內窺鏡和各類軟性內窺鏡[4]。

1.2 電路部分

設計目標：內窺鏡視頻系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠進行高質量的圖像采集、錄像和處理；對圖像和視頻進行高效壓縮處理，進行遠距離傳輸，實現(xiàn)遠程醫(yī)療；可通過市電和太陽能充電，在無市電的情況下能夠使用4 h以上，能耗低。

內窺鏡視頻系統(tǒng)電路主要包括主處理器電路、液晶顯示電路、按鍵及旋鈕電路、圖像傳感器電路、物理內存及系統(tǒng)ROM電路、冷光源電路、視頻輸入輸出電路、無線網(wǎng)絡模塊電路等。其結構如圖3所示。

圖3 內窺鏡電路結構

1.2.1 圖像采集電路和圖像處理電路

本次設計的便攜式內窺鏡視頻系統(tǒng)采用的主處理芯片為TMS320DM368，其集成ARM9為處理器，主頻為432 MHz，主要負責指令和數(shù)據(jù)緩存的控制和配置，內部的視頻協(xié)處理器MJCP負責MPEG和JPEG數(shù)據(jù)的編解碼，HCP負責H.264數(shù)據(jù)的編解碼，一起負責對圖像數(shù)據(jù)的分析和處理。DM368的視頻處理子系統(tǒng)包含前端視頻處理和后端視頻處理，前端視頻處理端口提供與CMOS模塊之間的接口，后端視頻處理端口支持數(shù)字LCD輸出。

針對野戰(zhàn)的特殊環(huán)境，采用的圖像傳感器為低功耗CMOS傳感器MTP031，輸出為500萬像素，采集圖像后輸出的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像傳感器接口與DM368的圖像信號處理器進行通信，對MTP031輸出的圖像數(shù)據(jù)進行壞點修補、自平衡校正、曝光調整、邊緣銳化等，再進行視頻數(shù)據(jù)編碼，輸出數(shù)字RGB/YCBCR信號，顯示在LCD上。其主芯片電路框圖如圖4所示。

圖4 主芯片電路框圖

1.2.2 無線傳輸

野戰(zhàn)醫(yī)療中大多數(shù)為突發(fā)情況，有時各式各樣的內鏡檢查需要多科會診甚至遠程診斷，為了方便把內窺鏡拍攝的圖像和視頻進行傳輸，本次設計的野戰(zhàn)便攜式視頻系統(tǒng)包含了無線傳輸模塊，能夠及時把前線拍照的圖像和視頻傳到后方，進行遠程會診。本系統(tǒng)的便攜式視頻主機帶有無線網(wǎng)絡模塊、無線腳踏開關和無線高清視頻接收器，可實現(xiàn)高清視頻信號的無線傳輸。便攜式手持主機將編碼后的H.264視頻流通過RTSP流媒體服務器和無線網(wǎng)絡模塊發(fā)送出去。PC端通過無線路由器連接到手持主機的無線網(wǎng)絡，即可接收播放視頻。其原理結構如圖5所示。

圖5 無線傳輸結構框圖

1.2.3 冷光源系統(tǒng)

冷光源系統(tǒng)作為內窺鏡視頻系統(tǒng)的重要組成部分，有著特殊的要求。采用系統(tǒng)特制的LED燈作為冷光源，其基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的基架上，四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用，抗振性能好，能夠適應惡劣的野外環(huán)境，而且其具有發(fā)光效率高、溫升低、壽命長等特點。本系統(tǒng)內置的LED冷光源采用大電流驅動，并通過TPS70302PWP進行電壓、電流控制，進而實現(xiàn)照明亮度的調節(jié)，控制LED光源輸出。其控制框圖如圖6所示。

圖6 內置冷光源控制框圖

1.2.4 電源管理電路

電源管理電路采用的主芯片為TPS70302PWP，為了避免相互干擾、提高穩(wěn)定性，各組不同的電壓獨立輸出。系統(tǒng)采用的內置電池是可充電聚合物鋰電池3.7 V、1 800 mAh，在供電的同時給鋰電池充電，在無市電的情況下可維持系統(tǒng)4 h以上[5]。本系統(tǒng)采用2種方式進行充電：一是通過市電整流變壓輸出5 V或者通過USB接口輸出5 V進行充電；另一種通過太陽能電池板采集太陽能，再經(jīng)過太陽能控制器穩(wěn)壓輸出5 V，給鋰電池充電。保證野戰(zhàn)便攜式視頻系統(tǒng)隨時開展工作，電源供應不間斷。其充電系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 充電系統(tǒng)框圖

1.3 軟件部分

本系統(tǒng)采用嵌入式Linux操做系統(tǒng)和cramfs文件系統(tǒng)，內置MJCP/HDVICP協(xié)處理器，支持JPEG/ MPEG4/H264等多種格式的硬件編解碼。視頻前端VPFE支持多種CCD/CMOS圖像傳感器，視頻后端VPBE支持720P高清數(shù)字輸出，可配接多種高分辨率液晶屏。此外，數(shù)字多媒體開發(fā)包DVSDK支持嵌入式Linux及各功能部件的驅動，配合上層示例程序，可方便地實現(xiàn)該視頻系統(tǒng)的多種功能需求[6]。其系統(tǒng)軟件結構如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件結構

EV應用層位于系統(tǒng)最頂層，負責用戶交互UI、拍照錄像、文件管理等基本功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)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(xiàn)，該層通過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。最底層包括Linux系統(tǒng)及底層硬件接口的驅動實現(xiàn)等。

2 野戰(zhàn)便攜式內窺鏡視頻系統(tǒng)的臨床應用

本次設計的野戰(zhàn)便攜式內窺鏡視頻系統(tǒng)經(jīng)過多家醫(yī)院和社區(qū)診所、野戰(zhàn)醫(yī)療使用，反應良好，與傳統(tǒng)的內窺鏡視頻系統(tǒng)相比，優(yōu)勢如下：

（1）將傳統(tǒng)臺車式內窺鏡視頻檢測設備的光學系統(tǒng)、圖像采集顯示系統(tǒng)及冷光源系統(tǒng)等集成到一個小型的終端設備中，體積輕巧，提高系統(tǒng)便攜性。

（2）系統(tǒng)通過手持主機就能采集圖像，無需連接各種數(shù)據(jù)線和電源線，使用方便。

（3）功能全面。雖然系統(tǒng)高度集成為一個小型終端設備，但產(chǎn)品功能全面。具體包括圖片拍攝、視頻錄制、畫面縮放、內置存儲卡、文件管理器、照明亮度調節(jié)及視頻的無線傳輸?shù)取?/p>

（4）系統(tǒng)采用大容量鋰電池供電，解決了傳統(tǒng)設備依賴外部交流電源工作的問題，且系統(tǒng)持續(xù)工作時間在4 h以上[7]。

3 結語

針對傳統(tǒng)內窺鏡視頻依賴220 V供電且笨重不方便攜帶等特點，本文研制的便攜式內窺鏡視頻系統(tǒng)集成攝像頭、光學接口、冷光源、影像處理器和顯示器等在一個小型終端設備上，整個系統(tǒng)外觀尺寸小、畫面精細、操作簡單、性能優(yōu)越，并可實現(xiàn)無線

（????）（????）傳輸。本系統(tǒng)采用大容量鋰電池供電，并可通過市電或者USB2.0進行充電，非常適合醫(yī)院門診、機動醫(yī)療、野戰(zhàn)醫(yī)療、遠程醫(yī)療等應用。

[1]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(xiàn)代制造工程，2010，25（3）：64-67.

[2]王國良.醫(yī)用電子內窺鏡光學鏡頭圖像畸變數(shù)字校正方法[J].光電子·激光，2000，11（6）：602-605.

[3]宮麗梅.內窺鏡及相應配套設備計量檢測裝置的初步研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2005，26（11）：74-75.

[4]蘭維永.醫(yī)用內窺鏡校準方法探討[J].計量與測試技術，2012，39（1）：34-37．

[5]李杰，蔡燦輝.基于DSP的H.264解碼器的優(yōu)化[J].信號處理，2005，21（4A）：312-315.

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

[7]彭啟棕.達芬奇技術——數(shù)字圖像/視頻信號處理新平臺[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：15-30.

（收稿：2013-09-06 修回：2014-12-03）

Development of field portable endoscope video system

ZHOU Wen-guang,WANG Chun-fei,XU Xin-jian,KONG Yue
(The 174th Hospital of the PLA,Chenggong Hospital of Xiamen University,Xiamen 361003,Fujian Province,China)

ObjectiveTo develop a field endoscope video system.MethodsThe main controller TMS320DM368, MT9P301 image sensor,LED lighting unit,LED display unit,optical interface and WIFI module were integrated into a miniature handheld console.Image acquisition was carried out through the keys on the console or wireless foot switch. Power supply was realized with 1 800 mAh lithium battery,commercial power or solar energy.ResultsClinical trials proved that the system could be connected with medical endoscope for real-time observation,recording and replaying of endoscopic examination and surgery,and could be used for telemedicine through Wi-Fi.ConclusionThe system behaves well in volume,stability,operation and endurance,and thus is worth applying in field service.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：43-45，74]

image processor;endoscopic video system;optical interface

R318.6；TH773

A

1003-8868（2014）11-0043-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.043

周文光（1970—），男，主任技師，主要從事醫(yī)療設備的維修、質量控制、使用管理等方面的研究工作，E-mail：zhouwgsun@126.com。

361003福建廈門，解放軍174醫(yī)院，廈門大學附屬成功醫(yī)院（周文光，王春飛，許新建，孔 悅）

孔 悅，E-mail：xmky2005@126.com