糖尿病性視網膜病變篩查系統(tǒng)遠程操控模塊設計與實現(xiàn)

陳健，鄭紹華，余輪

1.福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350002；

2.福建工程學院 電子信息與電氣工程系，福建 福州 350108

0 前言

糖尿病性視網膜病變（Diabetic Retinopathy，DR）是20～70歲年齡組患者致盲的主要疾病之一，定期的視網膜病變篩查是及時發(fā)現(xiàn)病變，及時治療的唯一有效方法[1]。近年來，數(shù)字眼底照相機已經成為DR臨床檢查和研究的重要工具，眼底照相機由于記錄準確、客觀，且敏感性和特異性較高[2]，而被廣泛應用于眼科流行病學和人群疾病的篩查。然而，眼底拍照過程的操作具有一定的復雜度，需要由有經驗的眼科技師進行操作，基層醫(yī)院和邊遠地區(qū)醫(yī)療機構缺乏專業(yè)的眼科技師，不利于篩查工作的推廣，從而降低了患者的篩查依從性。為了實現(xiàn)真正的大面積眼底篩查，保障眼底圖像的成像質量，獲取符合診斷要求的眼底圖像，需要建立遠程操控系統(tǒng)。

本文在對遠程DR篩查系統(tǒng)進行簡要分析的基礎上，重點說明構建遠程DR篩查系統(tǒng)的重點模塊之一，即遠程操控模塊的設計方案。本方案所構建的遠程操控模塊具有結構簡單，易安裝且通用性好等特點。

1 系統(tǒng)總體結構

遠程DR篩查系統(tǒng)由會診（操控）中心和遠程終端（可遠程操控的眼底照相機系統(tǒng)）組成，它們之間通過網絡連接[3]，見圖1。遠程終端的眼底照相機系統(tǒng)由會診中心的專業(yè)技師操控，實現(xiàn)對受檢者眼底圖像的拍攝，并最終傳輸至會診中心基于醫(yī)學影像存檔與通信系統(tǒng)（Pictures Archiving and Communication System，PACS）的影像存儲中心[4]。其中，視頻及語音傳輸實現(xiàn)會診中心專業(yè)技師對受檢者的實時監(jiān)控，保證眼底圖像的成功獲取[5]。

圖1 遠程DR篩查系統(tǒng)的網絡結構圖

基于上述結構，本方案的遠程DR篩查系統(tǒng)的具體結構，見圖2。遠程終端的可操控眼底照相機系統(tǒng)由本地眼底照相機、串口通信模塊與計算機（上位機通信程序）3個部分組成，串口通信模塊實現(xiàn)遠程終端本地眼底照相機與計算機之間的連接，保證位于遠程終端的計算機在接收到會診中心技師的操控命令后，可將命令傳輸給串口通信模塊，進而實現(xiàn)對眼底照相機的控制。會診中心由計算機（上位機通信程序）與操控平臺（操控鍵盤）組成。為了便于專業(yè)技師的操控，方案中設計了一個操控平臺（操控鍵盤），通過串口接入到會診中心的計算機上，操控平臺上的各個按鈕對應眼底照相機的各種功能。

圖2 遠程DR篩查系統(tǒng)的結構及數(shù)據傳輸流程

系統(tǒng)中的所有通信鏈路均采用雙向傳輸，這是因為操控平臺除對眼底照相機進行控制外，還會接收眼底照相機各個功能的狀態(tài)信息，并將狀態(tài)信息顯示于操控平臺上，使專業(yè)技師及時了解眼底照相機當前的運行狀態(tài)。同時，位于會診中心與遠程終端的2臺計算機上的上位機通信程序除負責相互之間的數(shù)據通信外，還分別負責與操控平臺及串口通信模塊的數(shù)據通信。本方案的遠程操控模塊即由串口通信模塊、操控平臺及上位機通信程序（分別位于遠程終端及會診中心的計算機上）這3個部分組成，以下對這幾個部分進行具體設計說明。

2 遠程操控模塊硬件電路設計

在遠程操控模塊的3部分設計中，串口通信模塊及操控平臺需要進行硬件設計。

2.1 串口通信模塊

串口通信模塊的功能是負責位于遠程終端的眼底照相機與計算機之間的連接，從而保證遠程終端計算機在收到由會診中心傳輸而來的操控命令后，實現(xiàn)對眼底照相機的控制。因此，串口通信模塊的設計必須以眼底照相機的各種功能為基礎，并結合相應功能的控制方式。本方案以免散瞳眼底照相機（Kowa nonmyd 7）為基礎進行串口通信模塊設計，該眼底照相機的主要控制方式及對應功能主要包括以下3類。

（1）步進電機的控制。包括控制臺的前后左右位移，下巴托架的上下移動及對焦控制。設計中除下巴托架已經擁有步進電機、電機驅動器及相應的觸點開關外，其他均為手動控制，因此，設計中加入步進電機及電機驅動器，并最終通過繼電器控制電機驅動器。

（2）觸點開關控制。包括視場角控制，眼球/瞳孔模式切換、固視點的控制、閃光燈亮度控制及拍攝功能，這部分的功能均可由觸點開關引出，并使用繼電器控制。

（3）數(shù)字電位器控制。用于成像亮度等級的控制，使用數(shù)字電位器完成亮度的調節(jié)。

針對上述3部分所提到的控制方式，串口通信模塊電路結構，見圖3。

圖3 串口通信模塊電路結構

USB轉RS-232模塊通過RS-232接口與微控制器相連，采用MAX232芯片完成電平轉換。同時，使用CH341芯片實現(xiàn)RS-232接口與USB口的轉換[6]，最終由USB接口接至計算機。

電路中采用LPC2148作為微控制器，該芯片為PHILIPS半導體公司的一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7TDMI-S微控制器，可實現(xiàn)高達60MHz的工作頻率。同時，LPC2148擁有多達48個I/O口及多個串行接口，包括2個UART[7]。

繼電器模塊采用的是HKE繼電器HRS1H-S-DC5V，其高達1A的帶載能力，足夠眼底照相機觸點開關的需求[8]。繼電器的通斷控制實現(xiàn)對眼底照相機上各觸點開關的控制，從而實現(xiàn)眼球/瞳孔模式切換、拍攝、電機控制等功能。

傳感器模塊是使用光電傳感器設計實現(xiàn)的限位傳感器，當步進電機到達某一方向的邊緣時，限位傳感會發(fā)出報警信息，同時停止繼電器動作，阻止步進電機向該方向繼續(xù)前進。

數(shù)字電位器模塊則通過調節(jié)電阻值實現(xiàn)對成像亮度的調節(jié)。

顯示模塊主要由LED組成，用來告知當前眼底照相機的狀態(tài)信息，如當前照相機是否處于眼球模式或是瞳孔模式等。此外，顯示模塊還提示當前步進電機是否已經處于某一方向邊緣的報警信息。

2.2 操控平臺電路

操控平臺的作用是控制眼底照相機并顯示眼底照相機狀態(tài)。控制作用由按鈕完成，即按下不同的按鈕觸發(fā)微控制器上的不同I/O口，從而發(fā)送不同的命令給遠程終端。與串口通信模塊相似，狀態(tài)信息也主要由LED顯示，專業(yè)技師通過觀察操控平臺上不同位置LED的亮暗情況，了解當前眼底照相機所處的狀態(tài)，以便下一部分的操作。操控平臺電路結構，見圖4。

圖4 操控平臺電路結構

電路中，USB轉RS-232電路、微控制器及顯示模塊的選擇與串口通信模塊相同，按鈕模塊則使用按鍵開關元件實現(xiàn)對微控制LPC2148上不同I/O高低電平的輸入控制。

3 通信協(xié)議及上位機通信程序設計

3.1 數(shù)據傳輸流程

遠程DR篩查系統(tǒng)的遠程操控模塊所傳輸與處理的數(shù)據主要是操控平臺對眼底照相機的控制命令及眼底照相機反饋給操控平臺的狀態(tài)信息，數(shù)據量較小。但系統(tǒng)涉及到4個設備（位于遠程終端的串口通信模塊與計算機及位于會診中心的計算機與操控平臺）的3路通信，故需要通信協(xié)議保證數(shù)據的可靠傳輸。

遠程DR篩查系統(tǒng)數(shù)據傳輸流程（圖2），共分為控制命令與狀態(tài)信息兩路數(shù)據傳輸。其中，操控平臺生成控制命令，通過串口發(fā)送到計算機，再通過網絡傳輸給位于遠程終端的計算機，進而發(fā)送到串口通信模塊，串口通信模塊實現(xiàn)對本地眼底照相機的控制；由串口通信模塊采集到的眼底照相機的狀態(tài)信息則是相反的過程，并最終傳輸?shù)讲倏仄脚_，并由操控平臺上的LED顯示出來。遠程終端與會診中心的計算機之間的數(shù)據通信協(xié)議為TCP/IP協(xié)議，針對不同IP地址的主機進行數(shù)據傳輸，傳輸層采用可靠性高的TCP協(xié)議[9]。而位于遠程終端的串口通信模塊與計算機之間及位于會診中心的計算機與操控平臺之間均采用串口通信，協(xié)議需要另行設定[10]，以下作具體介紹。

3.2 串口通信協(xié)議

串口通信模塊對眼底照相機的控制方式主要是繼電器、數(shù)字電位器，同時，反饋信息除眼底照相機的狀態(tài)信息還包括限位傳感器的反饋信息。針對上述特點，設定的通信協(xié)議命令格式，見表1。

表1 串口通信協(xié)議數(shù)據格式

其中，幀開始標志位取固定值0xAA；地址場CMD_NO指定控制設備（繼電器、數(shù)字電位器）的編號，在系統(tǒng)安裝調試時則根據編號將相應設備的引出線接入到眼底照相機上的各功能按鈕的觸點上；命令標志CMD_FLAG指定命令的性質，包括控制命令、信息回復（包括是否正確接收命令，是否正確執(zhí)行命令及限位器到位信息）等；命令參數(shù)分為高字節(jié)與低字節(jié)，其值表示如下：

CMD_PAR=CMD_PAR_H×256 + CMD_PAR_L

需要說明的是，由于控制對象包括觸點開關，電機驅動模塊及數(shù)字電位器，故第三字節(jié)的控制命令并不完全相同，而第四與第五個字節(jié)所代表參數(shù)的含義也將有所不同，命令尾取固定值0x55。

以眼球/瞳孔模式切換（12號繼電器控制）功能為例，操控平臺發(fā)送命令格式為：0xAA 0x0C 0x02 0x00 0x15 0x55。命令說明：第二個字節(jié)0x0C表示控制12號繼電器（功能為控制眼球/瞳孔模式切換）；第三個字節(jié)0x02表示繼電器閉合控制；第四與第五兩個字節(jié)指定的閉合時間，即：10ms×CMD_PAR=10ms×20=200ms，其中，閉合時間以10ms為基本單位，若之前眼底照相機處于眼球模式，則切換為瞳孔模式。串口通信模塊在接收到控制命令并執(zhí)行完后，將發(fā)送兩條信息回復，分別是0xAA 0x0C 0xFF 0x00 0x00 0x55與0xAA 0x0C 0x03 0x00 0x00 0x55。其中，0xFF表示已經正確接收，0x03則表示已經正確執(zhí)行切換功能，后一條信息即作為狀態(tài)信息反饋給位于會診中心的操控平臺，并通過LED顯示出來，告知專業(yè)技師當前的眼底照相機狀態(tài)為瞳孔模式。

3.3 上位機通信程序

上位機通信程序位于遠程終端與會診中心的計算機上（圖2），程序主要實現(xiàn)以下功能：

（1）負責遠程終端計算機與會診中心計算機之間的數(shù)據通信，采用TCP/IP協(xié)議。

（2）位于遠程終端計算機上的上位機程序負責計算機與串口通信模塊之間的數(shù)據通信，使用3.2節(jié)所述通信協(xié)議。

（3）位于會診中心計算機上的上位機程序負責計算機與操控平臺之間的數(shù)據通信，使用3.2節(jié)所述通信協(xié)議。

程序使用C++語言及MFC開發(fā)，其中，計算機間的數(shù)據通信使用到CAsyncSocket 類[11]，而計算機與串口通信模塊及操控平臺間的串口通信則使用ActiveX通信控件MSComm實現(xiàn)[12-13]。

4 安裝與調試

本系統(tǒng)在局域網環(huán)境中進行了測試，硬件與軟件配置如下。

硬件：Kowa nonmyd 7眼底照相機（尼康單反相機，用于拍攝眼底圖像）；2臺計算機，自行研制的串口通信模塊電路板（圖5（a））及操控平臺（圖5（b）），路由器（4口以上）。

軟件：自行開發(fā)的上位機通信程序。

兩臺計算機通過路由器實現(xiàn)互聯(lián)，并配置IP地址，串口通信模塊與操控平臺分別通過USB口接至兩臺計算機上，上位機通信程序分別安裝在兩臺計算機中，串口通信模塊上的繼電器及數(shù)字電位器接出線則根據編號分別接至眼底照相機Kowa nonmyd 7的不同功能按鈕的觸點及電機驅動器的接口上。

圖5 串口通信模塊與操控平臺

通過測試，該操控平臺可以很好地實現(xiàn)了對眼底照相機各種功能的控制，并且眼底照相機的各狀態(tài)信息也能反饋到操控平臺，并通過LED顯示出來。

5 結束語

本文以遠程DR篩查系統(tǒng)的遠程操控模塊為研究對象，在介紹遠程DR篩查系統(tǒng)結構的基礎上，重點介紹了遠程操控模塊的設計方案。遠程操控模塊由位于遠程終端的串口通信模塊、位于會診中心的操控平臺及上位機通信程序組成，具有結構簡單，易安裝等特點。同時，具有較好的通用性，只需要進行簡單的改造,即可應用于不同的眼底照相機。

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