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(jì)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(jì)

    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?dú)立的顯示裝置上,。無線充電和無線圖像信號(hào)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)架構(gòu)保證操作手柄不會(huì)有連接電纜或電源線,，也沒有裸露的金屬端子，易到達(dá)手術(shù)級(jí)別的消毒要求,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    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(jì)采用集成了WiFi功能的MIPS架構(gòu)的SoC方案，系統(tǒng)頻率達(dá)400 MHz,，板載64 MB SDRAM,，8 MB NOR Flash，對外引出一個(gè)USB2.0接口,、多個(gè)GPIO接口,、一個(gè)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(dá)150 Mb/s,。系統(tǒng)框圖如圖3所示,。

    非易失性存儲(chǔ)器NOR Flash主要用于存儲(chǔ)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(jī)訪問,，數(shù)據(jù)掉電不會(huì)丟失，作為啟動(dòng)程序的存儲(chǔ)介質(zhì),。

    同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SDRAM)是整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)存,，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，CPU首先從復(fù)位地址讀取啟動(dòng)代碼,，系統(tǒng)啟動(dòng)后,，程序代碼調(diào)入SDRAM中運(yùn)行。系統(tǒng)及用戶堆棧,、運(yùn)行數(shù)據(jù)等存儲(chǔ)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(bǔ)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(hào),，由圖像處理單元進(jìn)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(dòng),，無需外部安裝驅(qū)動(dòng)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(bǔ)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(dòng)態(tài)范圍,、高幀速,、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)采用了CMOS圖像傳感器,。

    LED驅(qū)動(dòng)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(jī)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(gè)分布式電容C_P,，是一個(gè)固定不變的微小值,。電路板上方表面會(huì)覆蓋一層塑料或玻璃，當(dāng)人體手指觸摸按鍵時(shí),，手指與焊盤構(gòu)成一個(gè)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(jì)如圖4所示,。

2.3 無線充電電路

    本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)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(dòng)設(shè)備組成。功率傳輸?shù)姆较蚩偸菑幕镜揭苿?dòng)設(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(dòng)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(gè)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(dòng)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(fù)載的傳感電路,。接收器設(shè)計(jì)采用了德州儀器公司開發(fā)的BQ51050b集成芯片,。該器件整個(gè)功率級(jí)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(diǎn),。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)以O(shè)penWrt為操作系統(tǒng),，OpenWrt是一個(gè)基于Linux的開源路由firmware固件，提供了一個(gè)完全開放的文件系統(tǒng)控制方式和軟件包管理機(jī)制，是一個(gè)可以運(yùn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)多用于小ARM單片機(jī)上運(yùn)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(jì)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(jí)視頻服務(wù)器軟件,，可實(shí)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(dòng)依賴包

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

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

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

3.3 MJPG-streamer自啟動(dòng)

    OpenWrt的啟動(dòng)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(dòng)時(shí)會(huì)按順序啟動(dòng)/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(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)mjpg-streamer開機(jī)啟動(dòng),。

3.4 按鍵拍照snapshot

    設(shè)置GPIO為輸入模式，讀取按鍵信號(hào),。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(hào)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(shí)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:[email protected]/cam/$my_current_time.jpg

#wput命令,，將拍照圖片上傳至本地ftp

3.5 上位機(jī)軟件

    上位機(jī)軟件采用VLC開源播放器,。VLC是屬于Video LAN開源項(xiàng)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(diǎn)擊播放即可實(shí)時(shí)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(shí)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(jì)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(jì)及軟件的編寫，并經(jīng)過測試證明可以實(shí)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(dá)到設(shè)計(jì)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(jià)值,。

參考文獻(xiàn)

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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）