電子內(nèi)鏡系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

陳 誠，董子琦

（1.重慶大學附屬腫瘤醫(yī)院，重慶400000；2.重慶郵電大學移通學院智能工程學院，重慶400000）

隨著電子產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，醫(yī)學技術(shù)也在不斷更新。而微創(chuàng)治療技術(shù)作為醫(yī)學技術(shù)的前沿科技更是受到社會的極大關(guān)注。集臨床醫(yī)學、光學、機電、信息科學、材料科學以及生物工程學等高科技學科于一身的內(nèi)鏡微創(chuàng)治療，以其手術(shù)傷口小，疼痛輕，手術(shù)時間短，操作簡單、安全，術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)勢，很受醫(yī)患雙方的喜愛，已成為消化、呼吸、泌尿、耳鼻喉科等系統(tǒng)疾病診斷和治療必不可少的醫(yī)療儀器[1]。目前受困于圖像傳感器顯示技術(shù)，電子內(nèi)鏡核心技術(shù)一直掌握在國外，導(dǎo)致國內(nèi)電子內(nèi)鏡價格昂貴。雖然國內(nèi)一些企業(yè)已經(jīng)開始進行電子內(nèi)鏡的研發(fā)，但是與國外的差距仍然比較大。

文中提出一種低成本電子內(nèi)鏡系統(tǒng)研究方案，主要依靠三星mini2240的ARM開發(fā)板作為開發(fā)平臺，然后通過COMS圖像傳感器將采集到的圖像數(shù)據(jù)進行濾波、存儲，然后在通過液晶顯示屏進行顯示。本電子內(nèi)鏡系統(tǒng)的光源采用高亮LED光源。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本論文所研究的電子內(nèi)鏡系統(tǒng)是一種便攜式電子內(nèi)鏡儀器系統(tǒng)，其前端的圖像采集部分負責向我們提供被觀測部位的圖像信息，并以標準模擬視頻信號（PAL／NTSC制式）輸出中央處理設(shè)備中，然后根據(jù)系統(tǒng)的控制命令要求進行相應(yīng)的操作，進行簡單的圖像處理后，如進行靜態(tài)圖像存儲、視頻存儲，圖像放大等，再以標準的視頻信號（PAL/NTSC制式）輸出到顯示屏上。其主要信號流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)信號流程圖

本電子內(nèi)鏡系統(tǒng)主要包括攝像頭、高亮LED燈源、顯示屏、電源、系統(tǒng)控制核心、還有其他交互接口等。在本系統(tǒng)中系統(tǒng)電源主要為LED燈源、攝像頭與系統(tǒng)控制核心等提供電源，在選擇系統(tǒng)電源時需要注意電源紋波，如果紋波大了，將對系統(tǒng)將產(chǎn)生自身干擾，對系統(tǒng)穩(wěn)定性會造成影響。考慮到電子內(nèi)鏡系統(tǒng)需要將攝像頭深入到人胃部進行探測，在圖像采集模塊主要考慮攝像是否滿足本系統(tǒng)尺寸要求與像素要求。本系統(tǒng)中攝像頭模塊采用OV9650微型攝像頭，OV9650是OmniVision公司推出的一款高性價比的CMOS圖像傳感器，其大小為1/4英寸，像素為130萬像素，具有像素高，體積小，價格低等優(yōu)點，完全滿足本系統(tǒng)對尺寸與像素的要求。系統(tǒng)控制核心采用三星mini2240的ARM開發(fā)板作為中央處理平臺，該開發(fā)板集成linux操作系統(tǒng)，方便后期進行圖像數(shù)據(jù)處理。其采用S3C2440芯片作為該平臺的處理核心。其工作頻率為400 MHz，采用基于ARM架構(gòu)，具有良好的數(shù)據(jù)處理能力，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備，通信設(shè)備中，同時該ARM處理平臺集成了SDRAM與Nand Flash共同構(gòu)成系統(tǒng)存儲器，在存儲圖片數(shù)據(jù)時就不需要額外增加存儲器。該電子內(nèi)鏡系統(tǒng)首先通過高亮LED光源探照胃部等區(qū)域，然后將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM平臺，最后進行顯示，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 高亮LED燈源設(shè)計

在本系統(tǒng)中，需要為攝像頭提供燈源照明，然后攝像頭開始采集圖像數(shù)據(jù)。考慮到系統(tǒng)燈源需要深入到人體胃部進行探照，本系統(tǒng)采用大功率高亮LED作為系統(tǒng)燈源，LED具有體積小，亮度高等特點。在LED燈源設(shè)計中需要對燈源亮度進行調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)采用PWM方式對燈源亮度進行調(diào)節(jié)，PWM脈沖可以通過系統(tǒng)控制核心mini2240開發(fā)板產(chǎn)生，考慮到本系統(tǒng)LED功率較大，通常需要100 mA以上電流，遠遠超過系統(tǒng)控制核心所能提供的電流，本系統(tǒng)采用PWM大電流驅(qū)動芯片BTS7960對LED進行驅(qū)動。

BTS7960芯片是一款PWM大電流驅(qū)動芯片，其內(nèi)部通過P型晶體管與N型晶體管相結(jié)合方式進行PWM信號大電流驅(qū)動。該芯片總共有8個管腳，其中第3管腳用于芯片狀態(tài)控制，當3管腳為高電平時，PWM驅(qū)動開始工作，當3管腳為低電平時PWM驅(qū)動停止工作。該芯片5腳和6腳主要用于PWM頻率設(shè)定與電流反饋判斷等。對于PWM信號是通過2管腳輸入的，系統(tǒng)控制核心mini2240開發(fā)板通過2腳輸入PWM信號，然后經(jīng)過一個二極管，到達芯片的輸入管腳，當2腳為高電平時，輸出高，反之輸出低，這樣就實現(xiàn)了PWM信號傳輸。其中在PWM信號輸入中串聯(lián)一個二極管主要用于反向保護，不允許該芯片倒灌電流到系統(tǒng)控制核心中，以免損壞mini2240開發(fā)板。高亮LED驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 LED驅(qū)動電路圖

2.2 圖像傳感器SCCB協(xié)議

OV9650實現(xiàn)圖像傳感器主要由SCCB總線、時序發(fā)生器、DSP、A/D轉(zhuǎn)換器、相關(guān)寄存器等組成。其圖像數(shù)據(jù)傳輸是通過SCCB總線數(shù)據(jù)進行傳輸。SCCB（Serial Camera Control Bus）是和I2C相類似的一個協(xié)議，支持的數(shù)據(jù)傳輸速率分別是100 kb/s和400 kb/s。它是歐姆尼圖像技術(shù)公司（OmniVision）開發(fā)的一種總線技術(shù)，廣泛應(yīng)用于OV系列圖像傳感器上。標準的SCCB協(xié)議是一種3線的總線，由SCCB_E、SIO_C、SIO_D組成，分別為SCCB總線的使能線、時鐘線和數(shù)據(jù)線，可以實現(xiàn)對多個從器件進行控制。但有時為了減少芯片的引腳，將其縮減為2根總線，即SIO_C和SIO_D，時鐘線和數(shù)據(jù)線。2線的SCCB總線只能是一個主器件對一個從器件控制，且需要主器件至少具備一個以下條件：

1）主器件可以使SIO_D處于除了高、低電平之外的第三態(tài)—高阻態(tài)。

2）主器件能夠驅(qū)動SIO_D，而且驅(qū)動電壓可以比正常識別電壓更高或更低。

SCCB控制總線功能的實現(xiàn)主要是依靠SIO_C、SIO_D兩條總線上電平的狀態(tài)以及兩者之間的相互配合實現(xiàn)的。SCCB總線傳輸?shù)膯雍屯Ｖ箺l件如圖4所示，SIO_E由高到低的變化變表明3線SCCB總線的數(shù)據(jù)傳輸開始，不過為了避免在數(shù)據(jù)傳輸開始之前出現(xiàn)不確定的總線狀態(tài)，在SIO_E有效前和失效之后，主器件都必須驅(qū)動SIO_D為1。

圖4 三線數(shù)據(jù)傳輸時序圖

2.3 OV9650攝像頭模塊

在本系統(tǒng)中，圖像采集模塊主要用OV9650 CMOS攝像頭。OV9650攝像頭主要是由一塊封裝有SXGA攝像傳感器和圖像處理器構(gòu)成。OV9650利用先進的傳感器技術(shù)，降低甚至消除普通的光照設(shè)備或者電子干擾造成的圖像污染。例如混合模式噪聲，拖尾效應(yīng)等。可以得到一個清晰，十分穩(wěn)定的彩色圖像，極大的提高了圖像質(zhì)量。OV9650可以提供全幀，或者8/10位窗口輸出幀。可以通過設(shè)置OV9650相關(guān)寄存器以控制圖像顯示時的幀速率，輸出格式，數(shù)據(jù)傳輸，曝光控制，伽馬控制白平衡等。OV9650可以輸出SXGA，VGA，QVGAF等格式。

OV6950圖像傳感器的讀寫主要是通過SCCB總線進行讀寫的。其接口支持多字節(jié)讀/寫。主設(shè)備必須保證內(nèi)部地址在寫周期中而不是在讀周期中。OV6950讀內(nèi)部地址是在寫周期之前。在多字節(jié)讀/寫周期中，內(nèi)部寄存器地址可以在第一個數(shù)據(jù)字節(jié)之后自動增加，以便于連續(xù)的放置在一個總線周期上。在一個多字節(jié)周期內(nèi)重寫它的原始內(nèi)部寄存器地址；如果一個讀周期緊跟著一個多字節(jié)周期的話，在一個單字節(jié)寫周期內(nèi)可以將一個新的地址插入其中。OV6950還支持一個單設(shè)備ID號，在寫周期的時候這個ID被預(yù)先設(shè)置為0x6C，而在讀的時候被預(yù)先設(shè)置為0x6D。在SCCB中的寫周期中，第二個字節(jié)是為選擇單個芯片上寄存器的內(nèi)部寄存器地址。第三個字節(jié)是這個寄存器要寫入的數(shù)據(jù)。但是寫入沒有生效的內(nèi)部地址將會被忽略的。在讀周期中，第二個字節(jié)是預(yù)先存儲的內(nèi)部地址的數(shù)據(jù)，在無效的內(nèi)部地址讀時，會返回不確知的信息。OV9650攝像頭主要電路圖如圖5所示。

由圖5可知，OV9650攝像頭外圍電路主要有外部晶振與電源，其中外部晶振一般為12MHz用于給攝像頭提供時鐘信號。時鐘信號通過Video Timing Generator（時序發(fā)生器）后實現(xiàn)幀信號的產(chǎn)生、幀的相關(guān)速率控制等，該時序發(fā)生器能產(chǎn)生七中不同的幀。電源模塊主要給攝像頭提供電源，在開始進行圖像采集后，圖像數(shù)據(jù)就通過OV_D0-OV_D8這8位數(shù)據(jù)端口傳輸?shù)街醒胩幚砥髦小?/p>

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)是以是以mini2240開發(fā)板作為處理器，該開發(fā)板是以linux操作系統(tǒng)為軟件平臺，在此基礎(chǔ)上進行l(wèi)inux內(nèi)核的裁剪，相關(guān)模塊底層驅(qū)動設(shè)計，圖像采集模塊軟件設(shè)計，led燈源設(shè)計等。

3.1 圖像采集模塊設(shè)計

圖像采集主要完成OV9650攝像頭的圖像采集，將內(nèi)核采集到的圖像信息發(fā)送給應(yīng)用層，應(yīng)用層在將接受到的數(shù)據(jù)進行圖像壓縮及格式轉(zhuǎn)換，將yuyv格式圖像信息壓縮轉(zhuǎn)換為jpeg格式，在編寫圖像采集程序時需要編寫底層驅(qū)動程序。驅(qū)動程序主要是圍繞file_operations結(jié)構(gòu)體展開的，實現(xiàn)里面的各個函數(shù)，主要有 camera_open（）、camera_read（）和camera_ioctl（）等。編寫好驅(qū)動程序后需要編寫應(yīng)用層圖像采集程序。

圖5 OV9650電路圖

在應(yīng)用層圖像采集程序中主要函數(shù)接口如下，打開圖像設(shè)備open（"/dev/video0"，O_RDWR|O_NONBLOCK），查詢圖像設(shè)備的功能函數(shù)ioctl（camerafd，VIDIOC_QUERYCAP，&cap），設(shè)置圖像捕獲格式函數(shù)ioctl（fd，VIDIOC_S_FMT，&fmt），當設(shè)置好圖像格式后需要向內(nèi)存申請幀緩沖函數(shù)ioctl（fd，VIDIOC_REQBUFS，&req），申請到幀緩沖后需要將采集到的數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到應(yīng)用層，但是這樣對系統(tǒng)的開銷比較大，使用mmap（）函數(shù)，直接將內(nèi)核地址映射到用戶空可以減小系統(tǒng)開銷。

3.2 LED智能燈源設(shè)計

在本系統(tǒng)中，我們采用可控的高亮LED作為本系統(tǒng)的燈源，該燈源采用PWM進行通信。利用CMOS圖像傳感器獲取的圖像，將其顯示在開發(fā)板自帶的液晶顯示器上。當液晶屏上的圖像中有一塊80*80個點圖像區(qū)域的平均亮度數(shù)值小于暗閾值value_back（默認為10）時，則說明圖像過暗。將需要增加的LED光源的數(shù)值增加，然后通過增加PWM占空比從而增加光源亮度。當有一塊40*40個點圖像區(qū)域的平均亮度數(shù)值大于亮閾值value_bright（默認為250）時，則說明圖像過亮。將需要減少的LED光源的數(shù)值，然后通過減小PWM占空比從而減小光源亮度。從而實現(xiàn)光源的智能控制。

4 系統(tǒng)測試

本次實驗用3節(jié)7號干電池串聯(lián)作為CMOS攝像頭的電源，電壓在3.8 V附近，采用計算機顯示器來顯示CMOS攝像頭所采集的圖像，顯示器色溫參數(shù)調(diào)整為6 500 K。在測試程序中圖片采集格式為YUV422，采集速度為15幀每秒，圖片分辨率為320*240，采集截圖如圖6所示。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比該系統(tǒng)在視頻采集過程中穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，畫面流暢，圖像色彩較好。

圖6 測試結(jié)果圖

5 結(jié)束語

文中設(shè)計了一種內(nèi)鏡系統(tǒng)的研發(fā)，對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，工作原理進行了分析，詳細介紹了攝像頭的原理，硬件原理圖，以及在linux下的驅(qū)動設(shè)計。最后通過實驗證明該系統(tǒng)穩(wěn)定，圖像數(shù)據(jù)清楚，可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備中。