文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.180950
中文引用格式： 陳洪超，葉兵，卞仕雅. 膀胱術(shù)后自動(dòng)沖洗治療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(10)：73-77.
英文引用格式： Chen Hongchao，Ye Bing，Bian Shiya. Design of automatic irrigation system after bladder surgery[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(10)：73-77.
0 引言
隨著社會(huì)的發(fā)展，不健康的生活習(xí)慣以及環(huán)境問(wèn)題等因素導(dǎo)致前列腺和膀胱疾病的發(fā)病率明顯增高。膀胱沖洗術(shù)是下尿路疾病術(shù)后的重要治療手段，其效果直接影響患者的術(shù)后康復(fù)。快速?zèng)_洗效果較好，但是會(huì)刺激膀胱交感神經(jīng)和逼尿肌，造成膀胱痙攣，加大出血量，增加感染的風(fēng)險(xiǎn)。慢速?zèng)_洗時(shí)，陳舊血液難以清除，易凝結(jié)成血塊阻塞尿路導(dǎo)致引流不暢，引起膀胱內(nèi)壓增高，造成繼發(fā)性出血[1]。術(shù)后的幾個(gè)小時(shí)是出血量最多的時(shí)候，需要時(shí)刻注意沖洗情況，并根據(jù)出血量手動(dòng)調(diào)節(jié)沖洗速度。若沒(méi)有按照出血量及時(shí)調(diào)節(jié)沖洗速度，易導(dǎo)致患者不適和并發(fā)癥，影響術(shù)后恢復(fù)[2]。
為了緩解目前臨床上采用人工沖洗方式存在的弊端，本文設(shè)計(jì)了一套膀胱術(shù)后自動(dòng)沖洗治療系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有操作便捷、成本低、可快速檢測(cè)引流液中溶入的血液和血塊并自動(dòng)調(diào)整沖洗速率等優(yōu)點(diǎn)，降低了泌尿外科病區(qū)的護(hù)理難度，為病人和醫(yī)院提供一個(gè)更便捷的治療手段。
1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理
本系統(tǒng)由圖像采集系統(tǒng)、流量閥、壓力傳感器和智能化控制系統(tǒng)4個(gè)部分組成，圖像采集系統(tǒng)采用OV2640攝像頭進(jìn)行圖像采集，使用綠色LED光源從引流管正面照射管內(nèi)的待檢測(cè)引流液，引流液中的紅色血液組織對(duì)綠光吸收效果強(qiáng)，拍攝的引流液圖像的對(duì)比度會(huì)比采用白色光源情況下更高，方便后續(xù)在液晶屏上的顯示與識(shí)別。白色光源與綠色光源環(huán)境下拍攝的灰度圖像對(duì)比如圖1所示。
智能化控制系統(tǒng)對(duì)圖像采集系統(tǒng)傳回的圖像進(jìn)行分析處理，可以獲得當(dāng)前進(jìn)行膀胱沖洗的患者情況，并相應(yīng)地對(duì)沖洗方式進(jìn)行控制和調(diào)整。智能化控制系統(tǒng)主要由微控制器、FSMC控制器、DCMI、DMA（直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)）傳輸接口等部分組成。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 圖像采集系統(tǒng)
本文所設(shè)計(jì)的圖像采集系統(tǒng)選用OV2640(1 632×1 232)CMOS圖像傳感器,傳感器內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換器，將采集放大后的原始模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再由傳感器內(nèi)置的DSP處理轉(zhuǎn)換為RGB或YUV格式的數(shù)據(jù)，通過(guò)STM32F407的DCMI接口傳輸至MCU處理[3]。
OV2640圖像傳感器有一個(gè)10位數(shù)字圖像輸出端口，為了方便圖像數(shù)據(jù)的采集與處理，本設(shè)計(jì)中圖像采集系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)采用8位并行方式。圖像采集系統(tǒng)電路如圖3所示。
圖3中，X1為24 MHz的有源晶振，為傳感器提供時(shí)鐘信號(hào)。本系統(tǒng)供電為3.3 V，而OV2640的數(shù)字邏輯核電壓DVDD為1.8 V，傳感器I/O電源DOVDD要求范圍為2.5 V~3.3 V，模擬電源AVDD要求為2.5 V。需要使用PAM3101DAB28和PAM3101DAB120兩個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓(LDO)芯片降壓，3.3 V電源經(jīng)過(guò)濾波后通過(guò)兩個(gè)LDO芯片降至2.5 V和1.8 V供圖像傳感器使用。傳感器接口中，數(shù)據(jù)線D0-D7連接至MCU的DCMI數(shù)據(jù)接口。SIO_C和SIO_D為兼容IIC的SCCB總線，用于MCU對(duì)OV2640的寄存器進(jìn)行配置[4]。PCLK為像素時(shí)鐘，OV2640圖像傳感器會(huì)隨著PCLK的翻轉(zhuǎn)進(jìn)行像素的輸出。HREF為行有效信號(hào)，VSYNC為幀同步信號(hào)。
2.2 顯示模塊
本系統(tǒng)顯示模塊選用TFTLCD液晶屏。若屏幕與單片機(jī)通信方式采用SPI串行口，會(huì)導(dǎo)致顯示速度嚴(yán)重降低[5]，為了使得圖像數(shù)據(jù)顯示的速度更加快捷，方便后續(xù)算法的識(shí)別，TFTLCD屏幕采用16位8080并口。
本設(shè)計(jì)為了加快屏幕的圖像顯示刷新速度，將屏幕連接至STM32的FSMC接口[6]。屏幕的RS信號(hào)決定屏幕和MCU之間傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)還是命令，可以將RS信號(hào)看做一個(gè)地址信號(hào)，LCD的RS引腳連接到FSMC接口中的地址線FSMC_A6上，當(dāng)FSMC控制器寫(xiě)地址0時(shí)會(huì)使得該地址線為低電平，即對(duì)TFTLCD進(jìn)行寫(xiě)命令操作，當(dāng)FSMC控制器寫(xiě)地址1時(shí)會(huì)使得該地址線為高電平，即對(duì)LCD進(jìn)行寫(xiě)數(shù)據(jù)操作，以上操作本質(zhì)上就是FSMC控制器對(duì)SRAM設(shè)備操作的兩個(gè)連續(xù)地址。TFTLCD即可當(dāng)成只有兩個(gè)地址的SRAM設(shè)備來(lái)操作，從而大幅度提升每一幀圖像的顯示速度。TFTLCD液晶屏接口電路如圖4所示。
2.3 流量閥模塊
為了根據(jù)識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確地控制流量閥調(diào)節(jié)沖洗流量，本系統(tǒng)的流量閥使用微型兩相四線減速步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)偏心輪擠壓沖洗液管，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。流量閥的Solidworks設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖5所示。
控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)需要提供電脈沖信號(hào)，同時(shí)需要提供相應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)電路，本設(shè)計(jì)中選用L298N雙H橋式驅(qū)動(dòng)芯片搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。
STM32微控制器通過(guò)PF8、PF9、PF10和PF11 4個(gè)I/O口為步進(jìn)電機(jī)提供電脈沖信號(hào)，在L298N驅(qū)動(dòng)芯片和微控制器I/O口之間通過(guò)TLP521四路光耦實(shí)現(xiàn)電平匹配。由于電機(jī)是感性負(fù)載，當(dāng)感性負(fù)載中電流發(fā)生變化時(shí)，電感兩端會(huì)產(chǎn)生突波電壓，可能造成驅(qū)動(dòng)芯片被燒毀，需要接入D3~D10 8個(gè)肖特基二極管11EQS06作為續(xù)流二極管，防止電機(jī)的電流變化時(shí)產(chǎn)生突波電壓對(duì)電路的損壞。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3.1 膀胱沖洗器智能化控制系統(tǒng)軟件主流程
本系統(tǒng)啟動(dòng)完成整個(gè)軟件的初始化后，先做一次自檢。檢測(cè)通過(guò)后，操作人員對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后，微控制器將分析識(shí)別拍攝到的引流液圖像，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)對(duì)沖洗流量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，達(dá)到智能化沖洗的目的，本系統(tǒng)的工作流程圖如圖7所示。
3.2 DCMI接口及DMA
STM32F407的外設(shè)中包含了DCMI接口，該接口是一個(gè)同步并行高速數(shù)字圖像接口。該接口包含14條數(shù)據(jù)線和一條像素時(shí)鐘線。
本文設(shè)計(jì)的OV2640電路采用8位并行數(shù)據(jù)接口，DCMI接口將捕獲其數(shù)據(jù)線D[0:7]上的數(shù)據(jù)，并存放在32位數(shù)據(jù)寄存器DCMI_DR中。DCMI接口捕獲的數(shù)據(jù)可用DMA搬運(yùn)到目的地址，比如TFTLCD或SRAM。其優(yōu)點(diǎn)是，在設(shè)置完目的地址和數(shù)據(jù)大小等參數(shù)后，就直接由DMA模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)搬運(yùn)，數(shù)據(jù)搬運(yùn)過(guò)程中單片機(jī)無(wú)需參與，極大地提升了單片機(jī)運(yùn)行速度[7]。本設(shè)計(jì)的程序中將DMA搬運(yùn)來(lái)的數(shù)據(jù)存放在單片機(jī)的RAM中的一個(gè)32位數(shù)組內(nèi)，經(jīng)過(guò)處理后，再傳輸?shù)絃CD上進(jìn)行顯示和后續(xù)的算法識(shí)別。
3.3 識(shí)別算法
3.3.1 YUV格式
YUV是一種將亮度信號(hào)與色度信號(hào)分離的顏色編碼方法，其中Y表示亮度，即灰度值，U和V表示色度。本設(shè)計(jì)的圖像采集系統(tǒng)所選用的OV2640圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)可支持YUV422格式。將YUV格式中的U和V信號(hào)分量剝離后，留下的Y信號(hào)表示的圖像即為黑白灰度圖像[8]。為減小程序的計(jì)算量，在程序初始化時(shí)配置OV2640圖像傳感器寄存器，將輸出設(shè)置為YUV422格式。本設(shè)計(jì)中采用的顯示屏采用RGB565格式，無(wú)法直接顯示YUV格式的圖像。為了使剝離了U和V信號(hào)的Y信號(hào)在顯示屏上以RGB565格式的灰度圖像形式顯示出來(lái)，需要做相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換。
3.3.2 平均灰度值和腐蝕算法
為了檢測(cè)引流液中是否溶入了血液，本系統(tǒng)采取平均灰度值的方法進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)溶有血液的引流液流經(jīng)綠色LED光源的照射范圍時(shí)，由于紅棕色的引流液對(duì)綠光的吸收，攝像頭此時(shí)拍攝到的圖像亮度會(huì)隨之下降，引起整個(gè)圖像幀的平均灰度值降低。將采集到的圖像YUV格式數(shù)據(jù)的高8位提取出來(lái)，很容易得到灰度值。每當(dāng)傳感器輸出新的一幀圖像時(shí)，VSYNC幀有效信號(hào)都將發(fā)生一次跳變。微控制器采集到該信號(hào)時(shí)，通過(guò)一個(gè)for循環(huán)函數(shù)不斷地提取出之前DMA搬運(yùn)到微控制器RAM內(nèi)的YUV格式的圖像數(shù)據(jù)，提取出Y分量的信息，并將提取出的Y分量數(shù)據(jù)累加至圖像總像素的個(gè)數(shù)，最終的和除以圖像像素點(diǎn)的總數(shù)，即可以得到該圖像的平均灰度值。
本系統(tǒng)上電后先檢測(cè)出透明澄清的引流液的平均灰度值，并以此作為閾值。后續(xù)檢測(cè)過(guò)程中根據(jù)圖像平均灰度值降低的程度，即可對(duì)當(dāng)前引流液中溶有的血液濃度做出判斷。
在對(duì)病人進(jìn)行沖洗治療時(shí)，隨著引流液沖洗出的血塊多為碎屑狀血塊和不規(guī)則團(tuán)塊狀血塊，由于不需要對(duì)過(guò)小的碎屑狀血塊進(jìn)行加大流量沖洗的操作，因此在圖像上可以將過(guò)小的碎屑狀血塊理解為噪聲。為了在拍攝的圖像上對(duì)沖洗出的血塊進(jìn)行檢測(cè)，消除過(guò)小的碎屑狀血塊和團(tuán)塊狀血塊不規(guī)則輪廓的影響，采用可以消除小且無(wú)意義物體的腐蝕算法對(duì)圖像進(jìn)行分析識(shí)別[9]。
腐蝕算法是圖像形態(tài)學(xué)中的一種運(yùn)算，該算法通過(guò)填充結(jié)構(gòu)元素的概念實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的腐蝕效果。在圖像中，腐蝕算法使用一個(gè)某種形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素對(duì)圖像中的像素點(diǎn)進(jìn)行掃描，結(jié)構(gòu)元素與其覆蓋的圖像中的每一個(gè)像素做與運(yùn)算，最終搜尋出圖像中可以完全放下結(jié)構(gòu)元素的區(qū)域。圖像A被結(jié)構(gòu)元素B腐蝕，可表示為：
其中，A為輸入圖像，B為結(jié)構(gòu)元素。結(jié)構(gòu)元素B平移a后得到Ba。若Ba包含于A，保留結(jié)構(gòu)元素B平移a后的新位置a點(diǎn)。A被B腐蝕的結(jié)果E即為所有滿足式(1)條件的集合。本設(shè)計(jì)中，讀取結(jié)構(gòu)元素所覆蓋圖像的中心點(diǎn)和上下左右4個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，即采用菱形結(jié)構(gòu)元素對(duì)引流液灰度圖像進(jìn)行腐蝕操作。腐蝕算法示意圖如圖8所示。
在得到了待檢測(cè)引流液的實(shí)時(shí)圖像并將其灰度化顯示在TFTLCD顯示屏上后，遍歷圖像的每一個(gè)像素點(diǎn)，使用LCD屏幕讀點(diǎn)函數(shù)u16 LCD_ReadPoint(u16 x，u16 y)，可以返回坐標(biāo)為(x，y)像素點(diǎn)灰度值。用圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值與程序中設(shè)定的灰度閾值進(jìn)行比對(duì)，若找到符合程序設(shè)定的灰度閾值范圍的像素點(diǎn)，以此像素點(diǎn)作為腐蝕運(yùn)算的起始位置。設(shè)此點(diǎn)坐標(biāo)為(x，y)，并將此點(diǎn)作為腐蝕運(yùn)算結(jié)構(gòu)元素的中心，以此中心開(kāi)始分別對(duì)(x-1，y)、(x+1，y)、(x，y-1)、(x，y+1)4個(gè)方向的4個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行讀點(diǎn)，即形成一個(gè)菱形的結(jié)構(gòu)元素，若新讀到的4個(gè)像素點(diǎn)的灰度值也符合灰度閾值的判定，則像素點(diǎn)(x，y)將會(huì)被保留，(x-1，y)、(x+1，y)、(x，y-1)、(x，y+1)這4個(gè)像素點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)元素新的中心，程序重復(fù)之前的操作繼續(xù)向外進(jìn)行讀點(diǎn)。若以某一像素點(diǎn)向外讀點(diǎn)至任意一個(gè)方向出現(xiàn)不匹配灰度判定閾值的點(diǎn)時(shí)，此像素點(diǎn)將會(huì)被拋棄，同時(shí)由此點(diǎn)向外讀點(diǎn)的操作將會(huì)停止。當(dāng)上、下、左、右4個(gè)方向的讀點(diǎn)都停止后，此時(shí)得到的4個(gè)方向的邊界點(diǎn)坐標(biāo)即為當(dāng)前陰影斑點(diǎn)的邊界坐標(biāo)。為了提高算法的識(shí)別精度，腐蝕算法函數(shù)需要進(jìn)行多次迭代計(jì)算，若多次迭代計(jì)算后得到的陰影斑點(diǎn)的尺寸符合程序中對(duì)血塊尺寸的設(shè)定，則判定灰度圖像中識(shí)別到的該陰影斑點(diǎn)區(qū)域?yàn)檠獕K，通過(guò)程序中的畫(huà)矩形框函數(shù)將識(shí)別到血塊進(jìn)行標(biāo)定并記錄。對(duì)引流液識(shí)別的結(jié)果如圖9所示。
通過(guò)對(duì)灰度圖像平均灰度的計(jì)算和對(duì)陰影斑點(diǎn)的判定，MCU處理后向流量閥發(fā)出指令，調(diào)節(jié)沖洗流量，從而達(dá)到智能沖洗的目的。識(shí)別算法的流程圖如圖10所示。
3.4 流量閥子程序
流量閥使用兩相四線微型減速步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，該電機(jī)轉(zhuǎn)子上齒數(shù)為5個(gè)，采用4拍方式運(yùn)行，可計(jì)算出步距角為360/（5×4）=18°，其減速箱的減速比為50，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，輸出端實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)0.36°。如圖5所示，流量閥采取偏心輪結(jié)構(gòu)控制引流液管的開(kāi)閉，從完全開(kāi)啟到關(guān)閉狀態(tài)，偏心輪需要旋轉(zhuǎn)180°。將沖洗擋位分為5個(gè)擋位，每個(gè)擋位需要偏心輪旋轉(zhuǎn)36°，即需要步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)36/0.36=100個(gè)步距角。驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用的脈沖通過(guò)微控制器的PF8~PF11這4個(gè)I/O口提供，驅(qū)動(dòng)方式為4拍，只需要按照A線圈通正向電壓，B線圈通正向電壓，A線圈通反向電壓，B線圈通反向電壓的順序，即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)時(shí)通電次序相反。根據(jù)之前識(shí)別得到的結(jié)果，控制流量閥擋位，只需要微控制器I/O口輸出相應(yīng)個(gè)數(shù)個(gè)脈沖后停止輸出即可實(shí)現(xiàn)精確控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的步距角，從而達(dá)到準(zhǔn)確控制流量閥擋位的目的。
4 結(jié)論
本系統(tǒng)基于嵌入式微處理器，采用圖像處理的方法，研發(fā)了泌尿手術(shù)膀胱術(shù)后自動(dòng)沖洗治療系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作便捷、 成本低、穩(wěn)定性好，可以快速識(shí)別引流液中溶入的血液和血塊，并根據(jù)識(shí)別結(jié)果控制限流閥調(diào)節(jié)沖洗流量。本系統(tǒng)可為膀胱術(shù)后沖洗治療提供一種便捷的治療手段。
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作者信息:
陳洪超，葉 兵，卞仕雅
(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥230009）