卓海，唐健豪，何麗君，林家榮

（佛山市第一人民醫(yī)院設備科，廣東 佛山 528000）

1 前言

電子內(nèi)窺鏡是一種通過深入人體自然腔道或經(jīng)外科手術打開的人工孔道進行醫(yī)學檢查、診斷或治療的高科技醫(yī)療儀器。主要用于檢查人體的空腔器官，比如外耳道、鼻腔、咽喉等，臨床比較常用的主要有耳內(nèi)窺鏡、鼻內(nèi)鏡、纖維鼻咽鏡、電子食管鏡、電子胃鏡、直腸鏡等，可以明確這些空腔器官具體的病變。而目前使用的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)一般由內(nèi)窺鏡、光纖、內(nèi)窺鏡主機、冷光源、監(jiān)視器、工作站組成，由內(nèi)窺鏡獲取前端圖像，傳輸至主機進行圖像后處理，再把圖像信息傳輸給監(jiān)視器和工作站。這種內(nèi)窺鏡系統(tǒng)需要醫(yī)務人員在操作內(nèi)鏡的同時觀察顯示器，兩者的視線并不在同一平面上，容易忽略被檢查者的狀態(tài)，不能快速應對緊急情況。尤其在疫情期間，醫(yī)務人員在進行口腔、鼻腔、喉嚨內(nèi)鏡檢查時，需要佩戴護目鏡或防護面罩以防止飛沫或分泌物噴濺?，F(xiàn)院內(nèi)使用的一次性防護面屏功能單一，只能起到遮擋的作用，這無疑給醫(yī)務人員視覺診斷和操作治療帶來了更多阻礙，降低了工作效率。本文提出一種基于HUD 技術的多功能防護面屏，旨在提高醫(yī)務人員內(nèi)窺鏡檢查的效率。該防護面屏具有影像投屏和攝像錄制功能，可幫助醫(yī)務人員更好地觀察患者的狀態(tài)和空腔內(nèi)部情況，提高反應速度和診斷準確性。同時，該多功能防護面屏還可以拆卸遮擋件單獨消毒，可重復使用。當疫情已常態(tài)化，五官科內(nèi)窺鏡檢查的醫(yī)務人員工作時按防護要求是必須佩戴防護用具，這對于傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡檢查方式是增加操作難度，降低工作效率。通過使用基于HUD 技術的多功能防護面屏，能夠減少由于查看信息時的視線轉移造成的注意力分散和眼部疲勞等問題，讓醫(yī)務人員的操作更加舒適，同時也提高了操作的準確性和效率。在滿足防護要求下，還能提高檢查的效率，提升醫(yī)療質(zhì)量。這樣的防護面屏具有廣泛的應用前景，并值得進一步的研發(fā)和推廣。

2 系統(tǒng)架構設計

本系統(tǒng)的主要功能是將防護面屏與內(nèi)窺鏡影像投屏一體化。系統(tǒng)采用了HUD（平視顯示器）技術，利用光學反射原理，將內(nèi)窺鏡圖像等信息投射到透明的防護面屏上，佩戴防護面屏后可以實時查看內(nèi)窺鏡信息。與傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡檢查相比，本系統(tǒng)有著更加先進和高效的技術應用，在滿足防護要求，減少監(jiān)視器的成本，又能實時觀察高質(zhì)量動態(tài)內(nèi)窺鏡影像，能夠大大提高醫(yī)務人員的工作效率和檢查質(zhì)量，從而更好地保障醫(yī)療安全。

系統(tǒng)架構：本系統(tǒng)主要由防護面屏模塊、內(nèi)窺鏡影像傳輸模塊、樹莓派4 模塊、攝像頭模塊和服務器端模塊5 個模塊構成。

（1）防護面屏模塊。該模塊采用透明材料，并集成了投屏、光學反射和通風等功能。光學反射技術將內(nèi)窺鏡圖像反射到透明面屏上，佩戴防護面屏后可實時查看內(nèi)窺鏡圖像。同時，防護面屏還配備了通風和潤濕裝置，以保證醫(yī)務人員的舒適度和安全性。

（2）內(nèi)窺鏡影像傳輸模塊（如圖1）。該模塊采用HDMI 視頻編碼器，可從內(nèi)窺鏡主機中獲取高清輸出。通過RTSP 實時流傳輸協(xié)議，將高清視頻信號轉換為WEB視頻，在局域網(wǎng)中共享。這樣，樹莓派4 可以連接與HDMI 視頻編碼器的同一個局域網(wǎng)，從而讀取WEB 視頻并實時播放。

圖1 多功能防護屏視頻信號傳輸過程

（3）樹莓派4 模塊。樹莓派4 連接了TFT 顯示屏，并且開啟后啟動瀏覽器并實時播放WEB 視頻。視頻信號傳送至TFT 顯示屏上顯示，顯示圖像通過投屏模塊光路結構到達投屏玻璃，從而到達醫(yī)務人員的眼睛。樹莓派4 還可以將攝像頭模塊錄制的視頻通過局域網(wǎng)上傳至服務器端。

（4）攝像頭模塊。該模塊用于記錄醫(yī)務人員內(nèi)窺鏡檢查的操作過程，并提供有用的信息。錄制的視頻通過樹莓派4 經(jīng)局域網(wǎng)上傳至服務器端，供醫(yī)務人員查看和分析。

（5）服務器端模塊。該模塊用于存儲錄制的視頻和相關信息，以便醫(yī)務人員隨時查閱。醫(yī)務人員可以通過該模塊查看錄制的過程視頻，并進行分析和總結。

3 硬件設計

3.1 面屏結構（如圖2）

圖2 面屏硬件結構

硬件設計對于系統(tǒng)的實現(xiàn)起到了至關重要的作用。本系統(tǒng)采用了透明防護面屏為主要的硬件結構，該面屏采用了多種功能模塊，能夠為醫(yī)務人員提供更加舒適、安全和高效的內(nèi)窺鏡檢查系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件結構設計，主要包含以下幾個重要的功能模塊。

（1）電池模塊。該模塊主要為面屏的主機、攝像頭模塊和高亮LED 照明提供電源，采用了高容量的鋰電池，能夠滿足長時間的使用需求。

（2）主機模塊。該模塊包括樹莓派4 和HDMI 視頻編碼器等組成，主要控制視頻信號的輸入和輸出。樹莓派4 是運行內(nèi)存1.5Ghz 的64 位四核處理器，可支持4K分辨率的雙屏顯示，提高了投屏質(zhì)量，同時其小巧輕便的特點也方便了佩戴和攜帶。

（3）透明防護面屏模塊。該模塊采用了透明材料，對交叉感染具有很好的預防作用，為醫(yī)務人員提供了更加清晰的視野。此外，防護面屏模塊還包括緊敷帶、舒適墊等部分，在保障舒適度和抗感染的同時，也能夠提高工作效率和安全性。

（4）投屏模塊。該模塊主要用于將內(nèi)窺鏡圖像投射到防護面屏上，采用了光學反射技術，能夠提供更加清晰和高清的圖像效果。在進行內(nèi)窺鏡檢查時，深入檢查需要補光，該模塊上的高亮LED 能提供足夠的亮度完成檢查需達到的光照要求。

（5）攝像頭模塊。該模塊用于記錄醫(yī)務人員內(nèi)窺鏡檢查過程中的操作和信息，采用了高清攝像機，能夠為教學視頻或醫(yī)療記錄提供良好的攝影條件。

（6）服務器端模塊。該模塊用于存儲錄制的視頻和相關信息，以便醫(yī)務人員隨時查閱。

3.2 系統(tǒng)光路技術

本系統(tǒng)采用了HUD 技術，其通過將內(nèi)鏡圖像投射到防護面屏上的功能，實現(xiàn)了平面顯視器的效果，同時也有效地避免了使用OLED 顯示屏置于眼前時所遇到的問題。HUD 技術最早應用在航空領域，可以將重要信息投射到風擋玻璃上，讓使用者可以同時觀察內(nèi)窺鏡實時圖像和患者情況，從而提高使用者的操作效率。其光路結構如圖3 所示，采用光學反射技術，可以將內(nèi)窺鏡圖像直接投射到防護面屏上。由于操作者的核心視點可以直接穿透面屏和投屏棱鏡，醫(yī)務人員可以直接觀察到患者情況，同時還可以觀察到棱鏡顯示的內(nèi)窺鏡實時圖像。在實際操作中，這種光學反射技術的應用能夠有效提高操作者的工作效率和檢查質(zhì)量。與傳統(tǒng)的平面顯視器相比，本系統(tǒng)采用的光學技術可以減少不必要的視線轉移，提高醫(yī)務人員操作效率。

圖3 光路結構圖

投屏模塊是本系統(tǒng)實現(xiàn)HUD技術的核心組成部分。該模塊結構如圖4 所示，其中包括2.8寸TFT 顯示屏、深色反射鏡片、調(diào)距玻璃和投屏棱鏡等部分。在內(nèi)窺鏡檢查過程中，TFT 顯示屏可以實時顯示由樹莓派4 獲取的內(nèi)鏡WEB 視頻。顯示屏的影像經(jīng)過深色反射鏡片反射，改變了影像的方向，并經(jīng)過調(diào)距玻璃的調(diào)節(jié)，將影像折射在投屏棱鏡上。投屏棱鏡可以將圖像聚焦在操作者的視網(wǎng)膜上，實現(xiàn)內(nèi)鏡圖像的直接分享，讓醫(yī)務人員可以在操作過程中觀察內(nèi)鏡實時圖像。采用這種光學反射技術，可以減少不必要的視線轉移，提高操作的準確性和效率。

圖4 投屏模塊結構圖

4 軟件設計

本系統(tǒng)采用了基于應用層的RTSP 協(xié)議，由Real Network 和Netscape 公司共同開發(fā)。RTSP 協(xié)議提供了傳輸流媒體數(shù)據(jù)和控制流媒體服務器的遠程控制功能，支持暫停、快進、多用戶播放等，在多種網(wǎng)絡應用場合下具有廣泛的應用前景。同時，該協(xié)議還具有服務器端網(wǎng)絡用量小、支持視頻實時播放等特點。

主機模塊采用樹莓派4 運行Debian 操作系統(tǒng)，實現(xiàn)從網(wǎng)絡RTSP 協(xié)議視頻流抓取到本地樹莓派4。Debian是一種廣泛使用的基于Linux 的操作系統(tǒng)，具有開源、高自由度和穩(wěn)定性等特點。在本系統(tǒng)中，主機模塊通過Python3.7.3 配合OpenCV 庫實現(xiàn)對視頻流的讀取、解碼和渲染，同時實現(xiàn)攝像頭錄制視頻上傳功能?？梢詫崿F(xiàn)圖像處理和多種計算算法的開源計算機視覺庫，由C 語言等構成。OpenCV 是一個基于BSD 許可發(fā)行的跨平臺計算機視覺庫，廣泛應用于人臉識別、視頻處理等方面。

下面是實現(xiàn)讀取WEB 視頻并進行解碼的Python 代碼：

import cv2

# 定義捕捉器對象

cap=cv2.VideoCapture('HDMI 編碼器網(wǎng)絡地址')

print(cap)

# 讀取視頻流中的一幀

ret, frame = cap.read()

out_win = “”

cv2.namedWindow(out_win, cv2.WINDOW_NORMAL)

cv2.setWindowProperty(out_win,

8月2日，中國農(nóng)業(yè)科學院國家薯類作物研究中心揭牌儀式在京舉行。中國主要薯類作物年種植占全國可用耕地8%左右，其中馬鈴薯和甘薯的種植面積和總產(chǎn)量均居世界第一位。薯類作物是我國糧食作物的重要組成部分，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展對促進我國種植業(yè)調(diào)整，支持農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。國家薯類作物研究中心是在整合農(nóng)科院在馬鈴薯和甘薯領域研究力量的基礎上，建立的國家級薯類作物研究公共平臺。建立該中心旨在有效整合薯類作物科技資源，探索建立新形勢下高效農(nóng)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新的組織模式，建成具有世界先進水平的薯類作物研發(fā)與成果展示平臺。

cv2.WND_PROP_FULLSCREEN, cv2.WINDOW_FULLSCREEN)

# 循環(huán)將每一幀顯示出來

while ret:

ret, frame = cap.read()

cv2.imshow(“current frame”, frame)

cv2.imwrite(‘frame.jpg’, frame)

# 按下‘q’鍵退出程序

if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord(‘q’):

break

# 關閉窗口，并釋放資源

cv2.destroyAllWindows()

cap.release()

在上述代碼中，首先構建了一個捕捉器對象，將流媒體服務器地址傳遞給VideoCapture 函數(shù)進行視頻流的捕捉。while 循環(huán)中，每次循環(huán)都會捕捉一幀視頻，并通過imshow 函數(shù)顯示。同時，調(diào)用imwrite 函數(shù)將每一幀圖像寫入本地，實現(xiàn)了攝像頭錄制視頻上傳的功能。如果用戶按下‘q’鍵，則直接退出程序。

通過上述代碼的實現(xiàn)，可以實現(xiàn)對WEB 視頻的讀取和解碼，并將視頻流渲染為連續(xù)的幀顯示出來。與此同時，還可以實現(xiàn)攝像頭錄制視頻并將其上傳到本地。這種程序結構在實際應用中具有穩(wěn)定性和可靠性，并能為醫(yī)務人員提供高質(zhì)量的視頻流，實現(xiàn)對患者狀態(tài)和內(nèi)鏡檢查過程的實時監(jiān)控和錄制。

5 結語

本文介紹了一種采用HUD 技術的多功能醫(yī)用內(nèi)窺鏡防護面屏。相比普通一次性防護面屏，優(yōu)勢多，提高了工作效率和檢查精度，為醫(yī)務人員檢查提供一種新的方法。本設計主要運用在五官科內(nèi)窺鏡，當此產(chǎn)品成熟使用后，可以考慮運用在胃腸鏡、腹腔鏡等其他內(nèi)窺鏡場景，此面屏設計的拓展性好，有一定的推廣價值。本設計也存在一些缺陷可以后期改進之處有：（1）材質(zhì)可以更輕巧便攜，使得醫(yī)務人員佩戴更舒適，接受程度更好。（2）在保障傳輸圖像的質(zhì)量前提下，提高圖像傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性，盡量避免醫(yī)務人員出現(xiàn)眩暈現(xiàn)象。我們將在實踐中不斷改進產(chǎn)品設計，做出性能穩(wěn)定又能運用廣泛的多功能醫(yī)用內(nèi)窺鏡防護面屏。