0 引言

    隨著社會的發展，不健康的生活習慣以及環境問題等因素導致前列腺和膀胱疾病的發病率明顯增高。膀胱沖洗術是下尿路疾病術后的重要治療手段，其效果直接影響患者的術后康復。快速沖洗效果較好，但是會刺激膀胱交感神經和逼尿肌，造成膀胱痙攣，加大出血量，增加感染的風險。慢速沖洗時，陳舊血液難以清除，易凝結成血塊阻塞尿路導致引流不暢，引起膀胱內壓增高，造成繼發性出血^[1]。術后的幾個小時是出血量最多的時候，需要時刻注意沖洗情況，并根據出血量手動調節沖洗速度。若沒有按照出血量及時調節沖洗速度，易導致患者不適和并發癥，影響術后恢復^[2]。

    為了緩解目前臨床上采用人工沖洗方式存在的弊端，本文設計了一套膀胱術后自動沖洗治療系統。該系統具有操作便捷、成本低、可快速檢測引流液中溶入的血液和血塊并自動調整沖洗速率等優點，降低了泌尿外科病區的護理難度，為病人和醫院提供一個更便捷的治療手段。

1 系統的設計原理

    本系統由圖像采集系統、流量閥、壓力傳感器和智能化控制系統4個部分組成，圖像采集系統采用OV2640攝像頭進行圖像采集，使用綠色LED光源從引流管正面照射管內的待檢測引流液，引流液中的紅色血液組織對綠光吸收效果強，拍攝的引流液圖像的對比度會比采用白色光源情況下更高，方便后續在液晶屏上的顯示與識別。白色光源與綠色光源環境下拍攝的灰度圖像對比如圖1所示。

    智能化控制系統對圖像采集系統傳回的圖像進行分析處理，可以獲得當前進行膀胱沖洗的患者情況，并相應地對沖洗方式進行控制和調整。智能化控制系統主要由微控制器、FSMC控制器、DCMI、DMA（直接存儲器訪問）傳輸接口等部分組成。本系統所設計的系統硬件框圖如圖2所示。

2 系統的硬件設計

2.1 圖像采集系統

    本文所設計的圖像采集系統選用OV2640(1 632×1 232)CMOS圖像傳感器,傳感器內部自帶A/D轉換器，將采集放大后的原始模擬信號轉變為數字信號，再由傳感器內置的DSP處理轉換為RGB或YUV格式的數據，通過STM32F407的DCMI接口傳輸至MCU處理^[3]。

    OV2640圖像傳感器有一個10位數字圖像輸出端口，為了方便圖像數據的采集與處理，本設計中圖像采集系統輸出的數據采用8位并行方式。圖像采集系統電路如圖3所示。

    圖3中，X1為24 MHz的有源晶振，為傳感器提供時鐘信號。本系統供電為3.3 V，而OV2640的數字邏輯核電壓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PAM3101DAB120兩個低壓差線性穩壓(LDO)芯片降壓，3.3 V電源經過濾波后通過兩個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，數據線D0-D7連接至MCU的DCMI數據接口。SIO_C和SIO_D為兼容IIC的SCCB總線，用于MCU對OV2640的寄存器進行配置^[4]。PCLK為像素時鐘，OV2640圖像傳感器會隨著PCLK的翻轉進行像素的輸出。HREF為行有效信號，VSYNC為幀同步信號。

2.2 顯示模塊

    本系統顯示模塊選用TFTLCD液晶屏。若屏幕與單片機通信方式采用SPI串行口，會導致顯示速度嚴重降低^[5]，為了使得圖像數據顯示的速度更加快捷，方便后續算法的識別，TFTLCD屏幕采用16位8080并口。

    本設計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信號決定屏幕和MCU之間傳輸的是數據還是命令，可以將RS信號看做一個地址信號，LCD的RS引腳連接到FSMC接口中的地址線FSMC_A6上，當FSMC控制器寫地址0時會使得該地址線為低電平，即對TFTLCD進行寫命令操作，當FSMC控制器寫地址1時會使得該地址線為高電平，即對LCD進行寫數據操作，以上操作本質上就是FSMC控制器對SRAM設備操作的兩個連續地址。TFTLCD即可當成只有兩個地址的SRAM設備來操作，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

    為了根據識別結果準確地控制流量閥調節沖洗流量，本系統的流量閥使用微型兩相四線減速步進電機帶動偏心輪擠壓沖洗液管，達到調節流量的目的。流量閥的Solidworks設計簡圖如圖5所示。

    控制步進電機運動需要提供電脈沖信號，同時需要提供相應的功率驅動電路，本設計中選用L298N雙H橋式驅動芯片搭建電機驅動電路。電機驅動電路如圖6所示。

    STM32微控制器通過PF8、PF9、PF10和PF11 4個I/O口為步進電機提供電脈沖信號，在L298N驅動芯片和微控制器I/O口之間通過TLP521四路光耦實現電平匹配。由于電機是感性負載，當感性負載中電流發生變化時，電感兩端會產生突波電壓，可能造成驅動芯片被燒毀，需要接入D3~D10 8個肖特基二極管11EQS06作為續流二極管，防止電機的電流變化時產生突波電壓對電路的損壞。

3 系統的軟件設計

3.1 膀胱沖洗器智能化控制系統軟件主流程

    本系統啟動完成整個軟件的初始化后，先做一次自檢。檢測通過后，操作人員對整個系統的工作模式進行設置。當按下啟動開關后，微控制器將分析識別拍攝到的引流液圖像，根據接收到的數據對沖洗流量進行實時調整，達到智能化沖洗的目的，本系統的工作流程圖如圖7所示。

3.2 DCMI接口及DMA

    STM32F407的外設中包含了DCMI接口，該接口是一個同步并行高速數字圖像接口。該接口包含14條數據線和一條像素時鐘線。

    本文設計的OV2640電路采用8位并行數據接口，DCMI接口將捕獲其數據線D[0:7]上的數據，并存放在32位數據寄存器DCMI_DR中。DCMI接口捕獲的數據可用DMA搬運到目的地址，比如TFTLCD或SRAM。其優點是，在設置完目的地址和數據大小等參數后，就直接由DMA模塊進行數據搬運，數據搬運過程中單片機無需參與，極大地提升了單片機運行速度^[7]。本設計的程序中將DMA搬運來的數據存放在單片機的RAM中的一個32位數組內，經過處理后，再傳輸到LCD上進行顯示和后續的算法識別。

3.3 識別算法

3.3.1 YUV格式

    YUV是一種將亮度信號與色度信號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。本設計的圖像采集系統所選用的OV2640圖像傳感器輸出數據可支持YUV422格式。將YUV格式中的U和V信號分量剝離后，留下的Y信號表示的圖像即為黑白灰度圖像^[8]。為減小程序的計算量，在程序初始化時配置OV2640圖像傳感器寄存器，將輸出設置為YUV422格式。本設計中采用的顯示屏采用RGB565格式，無法直接顯示YUV格式的圖像。為了使剝離了U和V信號的Y信號在顯示屏上以RGB565格式的灰度圖像形式顯示出來，需要做相應的格式轉換。

3.3.2 平均灰度值和腐蝕算法

    為了檢測引流液中是否溶入了血液，本系統采取平均灰度值的方法進行檢測。當溶有血液的引流液流經綠色LED光源的照射范圍時，由于紅棕色的引流液對綠光的吸收，攝像頭此時拍攝到的圖像亮度會隨之下降，引起整個圖像幀的平均灰度值降低。將采集到的圖像YUV格式數據的高8位提取出來，很容易得到灰度值。每當傳感器輸出新的一幀圖像時，VSYNC幀有效信號都將發生一次跳變。微控制器采集到該信號時，通過一個for循環函數不斷地提取出之前DMA搬運到微控制器RAM內的YUV格式的圖像數據，提取出Y分量的信息，并將提取出的Y分量數據累加至圖像總像素的個數，最終的和除以圖像像素點的總數，即可以得到該圖像的平均灰度值。

    本系統上電后先檢測出透明澄清的引流液的平均灰度值，并以此作為閾值。后續檢測過程中根據圖像平均灰度值降低的程度，即可對當前引流液中溶有的血液濃度做出判斷。

    在對病人進行沖洗治療時，隨著引流液沖洗出的血塊多為碎屑狀血塊和不規則團塊狀血塊，由于不需要對過小的碎屑狀血塊進行加大流量沖洗的操作，因此在圖像上可以將過小的碎屑狀血塊理解為噪聲。為了在拍攝的圖像上對沖洗出的血塊進行檢測，消除過小的碎屑狀血塊和團塊狀血塊不規則輪廓的影響，采用可以消除小且無意義物體的腐蝕算法對圖像進行分析識別^[9]。

    腐蝕算法是圖像形態學中的一種運算，該算法通過填充結構元素的概念實現對圖像的腐蝕效果。在圖像中，腐蝕算法使用一個某種形態的結構元素對圖像中的像素點進行掃描，結構元素與其覆蓋的圖像中的每一個像素做與運算，最終搜尋出圖像中可以完全放下結構元素的區域。圖像A被結構元素B腐蝕，可表示為：

其中，A為輸入圖像，B為結構元素。結構元素B平移a后得到B_a。若B_a包含于A，保留結構元素B平移a后的新位置a點。A被B腐蝕的結果E即為所有滿足式(1)條件的集合。本設計中，讀取結構元素所覆蓋圖像的中心點和上下左右4個像素點的灰度值，即采用菱形結構元素對引流液灰度圖像進行腐蝕操作。腐蝕算法示意圖如圖8所示。

    在得到了待檢測引流液的實時圖像并將其灰度化顯示在TFTLCD顯示屏上后，遍歷圖像的每一個像素點，使用LCD屏幕讀點函數u16 LCD_ReadPoint(u16 x，u16 y)，可以返回坐標為(x，y)像素點灰度值。用圖像中每一個像素點的灰度值與程序中設定的灰度閾值進行比對，若找到符合程序設定的灰度閾值范圍的像素點，以此像素點作為腐蝕運算的起始位置。設此點坐標為(x，y)，并將此點作為腐蝕運算結構元素的中心，以此中心開始分別對(x-1，y)、(x+1，y)、(x，y-1)、(x，y+1)4個方向的4個像素點進行讀點，即形成一個菱形的結構元素，若新讀到的4個像素點的灰度值也符合灰度閾值的判定，則像素點(x，y)將會被保留，(x-1，y)、(x+1，y)、(x，y-1)、(x，y+1)這4個像素點作為結構元素新的中心，程序重復之前的操作繼續向外進行讀點。若以某一像素點向外讀點至任意一個方向出現不匹配灰度判定閾值的點時，此像素點將會被拋棄，同時由此點向外讀點的操作將會停止。當上、下、左、右4個方向的讀點都停止后，此時得到的4個方向的邊界點坐標即為當前陰影斑點的邊界坐標。為了提高算法的識別精度，腐蝕算法函數需要進行多次迭代計算，若多次迭代計算后得到的陰影斑點的尺寸符合程序中對血塊尺寸的設定，則判定灰度圖像中識別到的該陰影斑點區域為血塊，通過程序中的畫矩形框函數將識別到血塊進行標定并記錄。對引流液識別的結果如圖9所示。

    通過對灰度圖像平均灰度的計算和對陰影斑點的判定，MCU處理后向流量閥發出指令，調節沖洗流量，從而達到智能沖洗的目的。識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電機進行控制，該電機轉子上齒數為5個，采用4拍方式運行，可計算出步距角為360/（5×4）=18°，其減速箱的減速比為50，電機每轉動一個步距角，輸出端實際轉動0.36°。如圖5所示，流量閥采取偏心輪結構控制引流液管的開閉，從完全開啟到關閉狀態，偏心輪需要旋轉180°。將沖洗擋位分為5個擋位，每個擋位需要偏心輪旋轉36°，即需要步進電機旋轉36/0.36=100個步距角。驅動電機使用的脈沖通過微控制器的PF8~PF11這4個I/O口提供，驅動方式為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，即可驅動電機正轉，反轉時通電次序相反。根據之前識別得到的結果，控制流量閥擋位，只需要微控制器I/O口輸出相應個數個脈沖后停止輸出即可實現精確控制電機旋轉的步距角，從而達到準確控制流量閥擋位的目的。

4 結論

    本系統基于嵌入式微處理器，采用圖像處理的方法，研發了泌尿手術膀胱術后自動沖洗治療系統。實驗結果表明，該系統操作便捷、 成本低、穩定性好，可以快速識別引流液中溶入的血液和血塊，并根據識別結果控制限流閥調節沖洗流量。本系統可為膀胱術后沖洗治療提供一種便捷的治療手段。

參考文獻

[1] 李甜，莫蓓蓉.膀胱沖洗研究現狀及進展[J].全科護理，2013，11(14)：1325-1327.

[2] 周學軍，丁愛明，曹胡玲，等.基于無線傳感網的持續膀胱沖洗系統[J].中國醫療設備，2013，28(10)：34-36.

[3] 林文森，李鐘慎，洪健.基于ARM和CMOS的圖像采集系統設計[J].電子測試，2008(5)：12-16.

[4] 王建，梁振濤，鄭文斌，等.STM32和OV2640的嵌入式圖像采集系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2014(9)：46-48.

[5] 劉月.基于圖像傳感器的糾偏位置檢測系統設計與實現[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[6] 宋佳.基于圖像處理技術的尿液分析系統的設計與開發[D].長春：吉林大學，2016.

[7] 魏琳，田波.基于STM32F4系列的串口DMA數據處理傳輸研究[J].自動化應用，2016(8)：92-93.

[8] 張少鵬.基于STM32的車牌識別手持移動終端的設計[D].蘭州：西北師范大學，2015.

[9] 高薪，胡月，杜威，等.腐蝕膨脹算法對灰度圖像去噪的應用[J].北京印刷學院學報，2014(4)：63-65.

作者信息:

陳洪超，葉  兵，卞仕雅

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院，安徽 合肥230009）