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(wèn)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(wú)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(wú)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(wú)線充電；操作手柄一端是USB攝像頭，手柄內(nèi)部無(wú)線通信電路通過(guò)WiFi將攝像探頭采集的圖像傳輸?shù)姜?dú)立的顯示裝置上。無(wú)線充電和無(wú)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(méi)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(wú)線SoC模塊、外圍接口電路、鋰電池及無(wú)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(duì)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(wú)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(wèn)，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(guò)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(guò)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(wú)需外部安裝驅(qū)動(dòng)程序。

    目前圖像傳感器主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是電荷耦合器件(Change Coupled Device，CCD)，另一類(lèi)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(kāi)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(zhǎng)。其工作原理為：按鍵（即焊盤(pán)）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(pán)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(cè)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(wú)線充電電路

    本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的無(wú)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(lái)驅(qū)動(dòng)諧振電路。電流傳感器監(jiān)測(cè)流過(guò)一次線圈的電流。通信控制單元接收并解碼來(lái)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(guò)改變交流電的頻率來(lái)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(wú)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(cè)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(kāi)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(kāi)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(chǎng)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(kāi)源路由firmware固件，提供了一個(gè)完全開(kāi)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(kāi)并且遵循GPL協(xié)議而更具優(yōu)勢(shì)。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(duì)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(kāi)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(guò)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(kāi)啟攝像頭功能，0為不開(kāi)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(wèn)目錄

option port ′8080′              #訪問(wèn)端口8080

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

option password ′***′           #設(shè)置訪問(wèn)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(duì)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(kāi)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(duì)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?qǐng)D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?qǐng)D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(kāi)源播放器。VLC是屬于Video LAN開(kāi)源項(xiàng)目組織中的一款全開(kāi)源的流媒體服務(wù)器和多媒體播放器^[7]。打開(kāi)VLC軟件，選擇“媒體”→“打開(kāi)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(duì)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(wú)線內(nèi)鏡裝置系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)及軟件的編寫(xiě)，并經(jīng)過(guò)測(cè)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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[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.

[5] 陳書(shū)益，黃永慧.開(kāi)源視頻服務(wù)器軟件MJPG-streamer的研究和應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20(5)：172-176.

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

[7] 李宗辰，朱秀昌.基于VLC的Android多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36(24)：63-66.

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）