0 引言

    微創(chuàng)外科(Minimally Invasive Surgery，MIS)是現(xiàn)代外科發(fā)展的重要標(biāo)志^[1]，而內(nèi)鏡技術(shù)的應(yīng)用使微創(chuàng)外科面臨的在小切口條件下所顯露的手術(shù)視野不佳、手術(shù)量化程度不高、止血困難等問題迎刃而解，微創(chuàng)外科得以深化和拓展。但傳統(tǒng)內(nèi)鏡如胸腔鏡、關(guān)節(jié)鏡^[2]等功能單一，設(shè)備龐大，構(gòu)件數(shù)量多且連接復(fù)雜，消毒處理不方便。因此，本文設(shè)計了一種構(gòu)成輕便、適應(yīng)癥寬、消毒滅菌方便的無線醫(yī)用內(nèi)鏡裝置。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

    裝置總體結(jié)構(gòu)上包括便攜式操作手柄、無線充電底座和攝像探頭3部分，其外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    操作手柄是一套結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入式圖像采集和處理裝置，它由可充電電池供電，充電方式采用無線充電；操作手柄一端是USB攝像頭，手柄內(nèi)部無線通信電路通過WiFi將攝像探頭采集的圖像傳輸?shù)姜毩⒌娘@示裝置上。無線充電和無線圖像信號傳輸?shù)脑O(shè)計架構(gòu)保證操作手柄不會有連接電纜或電源線，也沒有裸露的金屬端子，易到達手術(shù)級別的消毒要求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    硬件系統(tǒng)主要包括：無線SoC模塊、外圍接口電路、鋰電池及無線充電電路等。硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

2.1 SoC模塊

    本設(shè)計采用集成了WiFi功能的MIPS架構(gòu)的SoC方案，系統(tǒng)頻率達400 MHz，板載64 MB SDRAM，8 MB NOR Flash，對外引出一個USB2.0接口、多個GPIO接口、一個高速UART串口及WiFi天線接口，采用IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，無線傳輸速率高達150 Mb/s。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

    非易失性存儲器NOR Flash主要用于存儲引導(dǎo)程序U-boot、OpenWrt系統(tǒng)內(nèi)核和根文件系統(tǒng)，NOR Flash支持隨機訪問，數(shù)據(jù)掉電不會丟失，作為啟動程序的存儲介質(zhì)。

    同步動態(tài)隨機存儲器(SDRAM)是整個系統(tǒng)的內(nèi)存，當(dāng)系統(tǒng)啟動時，CPU首先從復(fù)位地址讀取啟動代碼，系統(tǒng)啟動后，程序代碼調(diào)入SDRAM中運行。系統(tǒng)及用戶堆棧、運行數(shù)據(jù)等存儲于SDRAM中。

2.2 USB攝像頭

    本系統(tǒng)使用UVC攝像頭，包括CMOS圖像傳感器、視頻處理電路和LED補光3部分，主要執(zhí)行視頻的采集和處理功能。CMOS圖像傳感器獲取圖像信息，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號，由圖像處理單元進行處理，最后通過USB接口傳輸數(shù)據(jù)。

    UVC（USB Video Class）是為USB視頻捕獲設(shè)備定義的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在OpenWrt內(nèi)核中包含UVC攝像頭驅(qū)動，無需外部安裝驅(qū)動程序。

    目前圖像傳感器主要有兩類，一類是電荷耦合器件(Change Coupled Device，CCD)，另一類是互補金屬氧化物半導(dǎo)體器件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)。與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有高分辨率、高動態(tài)范圍、高幀速、低功耗等優(yōu)點。因此本設(shè)計采用了CMOS圖像傳感器。

    LED驅(qū)動芯片采用SGL8022W芯片，是一款用于LED燈光調(diào)節(jié)及開關(guān)控制的單通道電容式觸摸芯片。與傳統(tǒng)的機械按鍵相比，電容式觸摸按鍵更加美觀、耐用、壽命長。其工作原理為：按鍵（即焊盤）到地GND構(gòu)成一個分布式電容C_P，是一個固定不變的微小值。電路板上方表面會覆蓋一層塑料或玻璃，當(dāng)人體手指觸摸按鍵時，手指與焊盤構(gòu)成一個大小為C_F的耦合電容。觸摸前電容值為C_P，觸摸后電容值為C_P+C_F，總感應(yīng)電容值增加，芯片檢測到感應(yīng)電容值發(fā)生改變后作出響應(yīng)^[3]。電路設(shè)計如圖4所示。

2.3 無線充電電路

    本系統(tǒng)所設(shè)計的無線充電裝置基于平面線圈之間的電磁感應(yīng)原理，由提供電能的基站和消耗電能的移動設(shè)備組成。功率傳輸?shù)姆较蚩偸菑幕镜揭苿釉O(shè)備，如圖5所示。

    在發(fā)射器的功率傳送單元，逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電來驅(qū)動諧振電路。電流傳感器監(jiān)測流過一次線圈的電流。通信控制單元接收并解碼來自接收器的消息，執(zhí)行相關(guān)的功率控制算法和協(xié)議，并且通過改變交流電的頻率來控制功率傳輸。發(fā)射器采用了德州儀器公司的BQ500511和BQ50002配套使用的無線充電發(fā)射器解決方案。

    在接收器的功率拾取單元，由二次線圈、串聯(lián)和并聯(lián)電容組成雙諧振電路，用于提高功率傳輸效率并且允許一個諧振檢測方法。全波整流電路既為接收器的通信控制單元供電，又為接收器的輸出供電。通信控制單元執(zhí)行相關(guān)的功率控制算法和協(xié)議，驅(qū)動通信調(diào)制器，控制輸出切斷開關(guān)，監(jiān)視一些功率拾取單元和負載的傳感電路。接收器設(shè)計采用了德州儀器公司開發(fā)的BQ51050b集成芯片。該器件整個功率級均采用低阻性N通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(N-MOSFET)技術(shù)，具有高效率與低功率耗散等優(yōu)點。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    本設(shè)計以O(shè)penWrt為操作系統(tǒng)，OpenWrt是一個基于Linux的開源路由firmware固件，提供了一個完全開放的文件系統(tǒng)控制方式和軟件包管理機制，是一個可以運行在路由器上的小型Linux系統(tǒng)^[4]。與VxWorks及WinCE相比，OpenWrt因源碼公開并且遵循GPL協(xié)議而更具優(yōu)勢。μC/OS-II、FreeRTOS及embOS等實時操作系統(tǒng)多用于小ARM單片機上運行，OpenWrt相比于它們，有大量的應(yīng)用程序可用，并且具有優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能，尤其是其針對USB攝像頭視頻采集的應(yīng)用程序編程提供了一系列的接口函數(shù)，故在本設(shè)計中使用OpenWrt系統(tǒng)最為合適。

3.1 MJPG-streamer移植

    MJPG-streamer是一款開源的輕量級視頻服務(wù)器軟件，可實現(xiàn)從Linux UVC兼容攝像頭采集圖像，并通過IP網(wǎng)絡(luò)將采集的圖像以流的形式傳輸?shù)綖g覽器^[5]。安裝命令如下：

opkg install kmod-video-core

                    #安裝攝像頭內(nèi)核模塊，UVC驅(qū)動依賴包

opkg install kmod-video-videobuf2 #UVC驅(qū)動依賴包

opkg install kmod-video-uvc #安裝UVC驅(qū)動

opkg install libpthread #MJPG-streamer依賴包

opkg install libjpeg #MJPG-streamer依賴包

opkg install mjpg-streamer #MJPG-streamer功能安裝包

    MJPG-streamer的工作流程^[6]如圖6所示。

3.2 配置攝像頭參數(shù)并獲取視頻

    MJPG-streamer服務(wù)安裝完成后，修改配置文件“/etc/config/mjpg-streamer”：

config mjpg-streamer ′core′ 

option enabled ′1′              #1為開啟攝像頭功能，0為不開啟

option input ′uvc′              #輸入格式

option output ′http′            #輸出方式

option resolution ′1280x720′    #分辨率

option fps ′30′                 #幀率

option www ′/www/webcam′        #訪問目錄

option port ′8080′              #訪問端口8080

option username ′***′           #設(shè)置訪問用戶名

option password ′***′           #設(shè)置訪問密碼

    啟動MJPG-streamer服務(wù)：/etc/init.d/mjpg-streamer start。

3.3 MJPG-streamer自啟動

    OpenWrt的啟動腳本放在/etc/init.d/目錄下，在/etc/rc.d/目錄下有/etc/init.d/目錄下腳本的鏈接文件。系統(tǒng)啟動時會按順序啟動/etc/rc.d/目錄下的腳本鏈接，對應(yīng)執(zhí)行/etc/init.d/目錄下的啟動腳本。腳本鏈接的命名格式為S+數(shù)字+腳本名，數(shù)字代表啟動順序，創(chuàng)建mjpg-streamer腳本的鏈接文件，名為S95mjpg-streamer。執(zhí)行命令：ln–s/etc/init.d/mjpg-streamer /etc/rc.d/S95mjpg-strea-mer，即可實現(xiàn)mjpg-streamer開機啟動。

3.4 按鍵拍照snapshot

    設(shè)置GPIO為輸入模式，讀取按鍵信號。在OpenWrt系統(tǒng)源文件mach-tl-wr720n-v3.c中添加GPIO和按鍵的對應(yīng)關(guān)系：

#define TL_WR720N_GPIO_BTN_SW1   14

static struct gpio_keys_button tl_wr720n_gpio_keys[] __initdata = {

{

.desc = "sw1",

.type = EV_KEY,

.code = BTN_1,

.debounce_interval=TL_WR720N_KEYS_DEBOUNCE_INTERVAL,

.gpio = TL_WR720N_GPIO_BTN_SW1,

.active_low = 0,

}，

}；

    當(dāng)GPIO讀取到按鍵信號后，執(zhí)行拍照、暫存圖片和上傳圖片等命令：

my_current_time=′date+%Y_%m_%d_%H_%M_%S′

#獲取系統(tǒng)時間并存入變量中

wget "http://192.168.3.131:8080/?action=snapshot" -O/

tmp/$my_current_time.jpg

#wget命令，獲取拍照圖片并暫存在/tmp/目錄中

wput /tmp/$my_current_time.jpg

ftp://admin:admin@192.168.3.106/cam/$my_current_time.jpg

#wput命令，將拍照圖片上傳至本地ftp

3.5 上位機軟件

    上位機軟件采用VLC開源播放器。VLC是屬于Video LAN開源項目組織中的一款全開源的流媒體服務(wù)器和多媒體播放器^[7]。打開VLC軟件，選擇“媒體”→“打開網(wǎng)絡(luò)串流”，輸入網(wǎng)絡(luò)URL：http://192.168.3.131:8080/?action=stream。

    點擊播放即可實時查看由USB攝像頭獲取的視頻信息。播放界面還包括錄制視頻、snapshot截屏、逐幀觀看等功能。同時軟件還具有視頻處理功能，可調(diào)節(jié)對比度、飽和度、伽瑪值等。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計了一種基于OpenWrt的醫(yī)用無線內(nèi)鏡裝置系統(tǒng)，通過對硬件電路的設(shè)計及軟件的編寫，并經(jīng)過測試證明可以實現(xiàn)系統(tǒng)功能。該裝置構(gòu)成輕便、適應(yīng)癥寬、消毒滅菌方便，達到設(shè)計要求，因此可以應(yīng)用于微創(chuàng)外科領(lǐng)域，其內(nèi)鏡技術(shù)的研究也有一定的參考價值。

參考文獻

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[2] 趙輝.椎間盤鏡和關(guān)節(jié)鏡[C].中醫(yī)、中西醫(yī)結(jié)合護理學(xué)術(shù)年會暨中西醫(yī)骨傷護理觀摩交流會論文集，2008.

[3] 陳斌.電容式觸摸按鍵設(shè)計與專用芯片應(yīng)用[J].電子世界，2014(16)：281-281.

[4] DUTT S，HABIBI D，AHMAD I.A low cost Atheros system-on-Chip and OpenWrt based testbed for 802.11 WLAN research[C].TENCON 2012-2012 IEEE Region 10 Conference.IEEE，2012：1-4.

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[6] 陳恒鑫，林威，張欽宇.基于Mjpg-streamer的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2014，22(11)：3597-3599.

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作者信息:

季曉迪，羅利文

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240）