基于HUD 技術的多功能內窺鏡防護面屏設計研究

卓海，唐健豪，何麗君，林家榮

（佛山市第一人民醫院設備科，廣東 佛山 528000）

1 前言

電子內窺鏡是一種通過深入人體自然腔道或經外科手術打開的人工孔道進行醫學檢查、診斷或治療的高科技醫療儀器。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窺鏡、鼻內鏡、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。而目前使用的內窺鏡系統一般由內窺鏡、光纖、內窺鏡主機、冷光源、監視器、工作站組成，由內窺鏡獲取前端圖像，傳輸至主機進行圖像后處理，再把圖像信息傳輸給監視器和工作站。這種內窺鏡系統需要醫務人員在操作內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，不能快速應對緊急情況。尤其在疫情期間，醫務人員在進行口腔、鼻腔、喉嚨內鏡檢查時，需要佩戴護目鏡或防護面罩以防止飛沫或分泌物噴濺。現院內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，旨在提高醫務人員內窺鏡檢查的效率。該防護面屏具有影像投屏和攝像錄制功能，可幫助醫務人員更好地觀察患者的狀態和空腔內部情況，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。當疫情已常態化，五官科內窺鏡檢查的醫務人員工作時按防護要求是必須佩戴防護用具，這對于傳統的內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，提升醫療質量。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和推廣。

2 系統架構設計

本系統的主要功能是將防護面屏與內窺鏡影像投屏一體化。系統采用了HUD（平視顯示器）技術，利用光學反射原理，將內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窺鏡信息。與傳統內窺鏡檢查相比，本系統有著更加先進和高效的技術應用，在滿足防護要求，減少監視器的成本，又能實時觀察高質量動態內窺鏡影像，能夠大大提高醫務人員的工作效率和檢查質量，從而更好地保障醫療安全。

系統架構：本系統主要由防護面屏模塊、內窺鏡影像傳輸模塊、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，以保證醫務人員的舒適度和安全性。

（2）內窺鏡影像傳輸模塊（如圖1）。該模塊采用HDMI 視頻編碼器，可從內窺鏡主機中獲取高清輸出。通過RTSP 實時流傳輸協議，將高清視頻信號轉換為WEB視頻，在局域網中共享。這樣，樹莓派4 可以連接與HDMI 視頻編碼器的同一個局域網，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上傳至服務器端。

（4）攝像頭模塊。該模塊用于記錄醫務人員內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 經局域網上傳至服務器端，供醫務人員查看和分析。

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

硬件設計對于系統的實現起到了至關重要的作用。本系統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，能夠為醫務人員提供更加舒適、安全和高效的內窺鏡檢查系統。系統硬件結構設計，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。該模塊用于記錄醫務人員內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，以便醫務人員隨時查閱。

3.2 系統光路技術

本系統采用了HUD 技術，其通過將內鏡圖像投射到防護面屏上的功能，實現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量。與傳統的平面顯視器相比，本系統采用的光學技術可以減少不必要的視線轉移，提高醫務人員操作效率。

圖3 光路結構圖

投屏模塊是本系統實現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、調距玻璃和投屏棱鏡等部分。在內窺鏡檢查過程中，TFT 顯示屏可以實時顯示由樹莓派4 獲取的內鏡WEB 視頻。顯示屏的影像經過深色反射鏡片反射，改變了影像的方向，并經過調距玻璃的調節，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膜上，實現內鏡圖像的直接分享，讓醫務人員可以在操作過程中觀察內鏡實時圖像。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

本系統采用了基于應用層的RTSP 協議，由Real Network 和Netscape 公司共同開發。RTSP 協議提供了傳輸流媒體數據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，在多種網絡應用場合下具有廣泛的應用前景。同時，該協議還具有服務器端網絡用量小、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，實現從網絡RTSP 協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，具有開源、高自由度和穩定性等特點。在本系統中，主機模塊通過Python3.7.3 配合OpenCV 庫實現對視頻流的讀取、解碼和渲染，同時實現攝像頭錄制視頻上傳功能。可以實現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，中國農業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，其產業發展對促進我國種植業調整，支持農業發展具有重要意義。國家薯類作物研究中心是在整合農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業科技協同創新的組織模式，建成具有世界先進水平的薯類作物研發與成果展示平臺。

cv2.WND_PROP_FULLSCREEN, cv2.WINDOW_FULLSCREEN)

# 循環將每一幀顯示出來

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 函數進行視頻流的捕捉。while 循環中，每次循環都會捕捉一幀視頻，并通過imshow 函數顯示。同時，調用imwrite 函數將每一幀圖像寫入本地，實現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，可以實現對WEB 視頻的讀取和解碼，并將視頻流渲染為連續的幀顯示出來。與此同時，還可以實現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定性和可靠性，并能為醫務人員提供高質量的視頻流，實現對患者狀態和內鏡檢查過程的實時監控和錄制。

5 結語

本文介紹了一種采用HUD 技術的多功能醫用內窺鏡防護面屏。相比普通一次性防護面屏，優勢多，提高了工作效率和檢查精度，為醫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窺鏡，當此產品成熟使用后，可以考慮運用在胃腸鏡、腹腔鏡等其他內窺鏡場景，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）材質可以更輕巧便攜，使得醫務人員佩戴更舒適，接受程度更好。（2）在保障傳輸圖像的質量前提下，提高圖像傳輸的速度和穩定性，盡量避免醫務人員出現眩暈現象。我們將在實踐中不斷改進產品設計，做出性能穩定又能運用廣泛的多功能醫用內窺鏡防護面屏。