基于HUD 技术的多功能内窥镜防护面屏设计研究

卓海，唐健豪，何丽君，林家荣

（佛山市第一人民医院设备科，广东 佛山 528000）

1 前言

电子内窥镜是一种通过深入人体自然腔道或经外科手术打开的人工孔道进行医学检查、诊断或治疗的高科技医疗仪器。主要用于检查人体的空腔器官，比如外耳道、鼻腔、咽喉等，临床比较常用的主要有耳内窥镜、鼻内镜、纤维鼻咽镜、电子食管镜、电子胃镜、直肠镜等，可以明确这些空腔器官具体的病变。而目前使用的内窥镜系统一般由内窥镜、光纤、内窥镜主机、冷光源、监视器、工作站组成，由内窥镜获取前端图像，传输至主机进行图像后处理，再把图像信息传输给监视器和工作站。这种内窥镜系统需要医务人员在操作内镜的同时观察显示器，两者的视线并不在同一平面上，容易忽略被检查者的状态，不能快速应对紧急情况。尤其在疫情期间，医务人员在进行口腔、鼻腔、喉咙内镜检查时，需要佩戴护目镜或防护面罩以防止飞沫或分泌物喷溅。现院内使用的一次性防护面屏功能单一，只能起到遮挡的作用，这无疑给医务人员视觉诊断和操作治疗带来了更多阻碍，降低了工作效率。本文提出一种基于HUD 技术的多功能防护面屏，旨在提高医务人员内窥镜检查的效率。该防护面屏具有影像投屏和摄像录制功能，可帮助医务人员更好地观察患者的状态和空腔内部情况，提高反应速度和诊断准确性。同时，该多功能防护面屏还可以拆卸遮挡件单独消毒，可重复使用。当疫情已常态化，五官科内窥镜检查的医务人员工作时按防护要求是必须佩戴防护用具，这对于传统的内窥镜检查方式是增加操作难度，降低工作效率。通过使用基于HUD 技术的多功能防护面屏，能够减少由于查看信息时的视线转移造成的注意力分散和眼部疲劳等问题，让医务人员的操作更加舒适，同时也提高了操作的准确性和效率。在满足防护要求下，还能提高检查的效率，提升医疗质量。这样的防护面屏具有广泛的应用前景，并值得进一步的研发和推广。

2 系统架构设计

本系统的主要功能是将防护面屏与内窥镜影像投屏一体化。系统采用了HUD（平视显示器）技术，利用光学反射原理，将内窥镜图像等信息投射到透明的防护面屏上，佩戴防护面屏后可以实时查看内窥镜信息。与传统内窥镜检查相比，本系统有着更加先进和高效的技术应用，在满足防护要求，减少监视器的成本，又能实时观察高质量动态内窥镜影像，能够大大提高医务人员的工作效率和检查质量，从而更好地保障医疗安全。

系统架构：本系统主要由防护面屏模块、内窥镜影像传输模块、树莓派4 模块、摄像头模块和服务器端模块5 个模块构成。

（1）防护面屏模块。该模块采用透明材料，并集成了投屏、光学反射和通风等功能。光学反射技术将内窥镜图像反射到透明面屏上，佩戴防护面屏后可实时查看内窥镜图像。同时，防护面屏还配备了通风和润湿装置，以保证医务人员的舒适度和安全性。

（2）内窥镜影像传输模块（如图1）。该模块采用HDMI 视频编码器，可从内窥镜主机中获取高清输出。通过RTSP 实时流传输协议，将高清视频信号转换为WEB视频，在局域网中共享。这样，树莓派4 可以连接与HDMI 视频编码器的同一个局域网，从而读取WEB 视频并实时播放。

图1 多功能防护屏视频信号传输过程

（3）树莓派4 模块。树莓派4 连接了TFT 显示屏，并且开启后启动浏览器并实时播放WEB 视频。视频信号传送至TFT 显示屏上显示，显示图像通过投屏模块光路结构到达投屏玻璃，从而到达医务人员的眼睛。树莓派4 还可以将摄像头模块录制的视频通过局域网上传至服务器端。

（4）摄像头模块。该模块用于记录医务人员内窥镜检查的操作过程，并提供有用的信息。录制的视频通过树莓派4 经局域网上传至服务器端，供医务人员查看和分析。

（5）服务器端模块。该模块用于存储录制的视频和相关信息，以便医务人员随时查阅。医务人员可以通过该模块查看录制的过程视频，并进行分析和总结。

3 硬件设计

3.1 面屏结构（如图2）

图2 面屏硬件结构

硬件设计对于系统的实现起到了至关重要的作用。本系统采用了透明防护面屏为主要的硬件结构，该面屏采用了多种功能模块，能够为医务人员提供更加舒适、安全和高效的内窥镜检查系统。系统硬件结构设计，主要包含以下几个重要的功能模块。

（1）电池模块。该模块主要为面屏的主机、摄像头模块和高亮LED 照明提供电源，采用了高容量的锂电池，能够满足长时间的使用需求。

（2）主机模块。该模块包括树莓派4 和HDMI 视频编码器等组成，主要控制视频信号的输入和输出。树莓派4 是运行内存1.5Ghz 的64 位四核处理器，可支持4K分辨率的双屏显示，提高了投屏质量，同时其小巧轻便的特点也方便了佩戴和携带。

（3）透明防护面屏模块。该模块采用了透明材料，对交叉感染具有很好的预防作用，为医务人员提供了更加清晰的视野。此外，防护面屏模块还包括紧敷带、舒适垫等部分，在保障舒适度和抗感染的同时，也能够提高工作效率和安全性。

（4）投屏模块。该模块主要用于将内窥镜图像投射到防护面屏上，采用了光学反射技术，能够提供更加清晰和高清的图像效果。在进行内窥镜检查时，深入检查需要补光，该模块上的高亮LED 能提供足够的亮度完成检查需达到的光照要求。

（5）摄像头模块。该模块用于记录医务人员内窥镜检查过程中的操作和信息，采用了高清摄像机，能够为教学视频或医疗记录提供良好的摄影条件。

（6）服务器端模块。该模块用于存储录制的视频和相关信息，以便医务人员随时查阅。

3.2 系统光路技术

本系统采用了HUD 技术，其通过将内镜图像投射到防护面屏上的功能，实现了平面显视器的效果，同时也有效地避免了使用OLED 显示屏置于眼前时所遇到的问题。HUD 技术最早应用在航空领域，可以将重要信息投射到风挡玻璃上，让使用者可以同时观察内窥镜实时图像和患者情况，从而提高使用者的操作效率。其光路结构如图3 所示，采用光学反射技术，可以将内窥镜图像直接投射到防护面屏上。由于操作者的核心视点可以直接穿透面屏和投屏棱镜，医务人员可以直接观察到患者情况，同时还可以观察到棱镜显示的内窥镜实时图像。在实际操作中，这种光学反射技术的应用能够有效提高操作者的工作效率和检查质量。与传统的平面显视器相比，本系统采用的光学技术可以减少不必要的视线转移，提高医务人员操作效率。

图3 光路结构图

投屏模块是本系统实现HUD技术的核心组成部分。该模块结构如图4 所示，其中包括2.8寸TFT 显示屏、深色反射镜片、调距玻璃和投屏棱镜等部分。在内窥镜检查过程中，TFT 显示屏可以实时显示由树莓派4 获取的内镜WEB 视频。显示屏的影像经过深色反射镜片反射，改变了影像的方向，并经过调距玻璃的调节，将影像折射在投屏棱镜上。投屏棱镜可以将图像聚焦在操作者的视网膜上，实现内镜图像的直接分享，让医务人员可以在操作过程中观察内镜实时图像。采用这种光学反射技术，可以减少不必要的视线转移，提高操作的准确性和效率。

图4 投屏模块结构图

4 软件设计

本系统采用了基于应用层的RTSP 协议，由Real Network 和Netscape 公司共同开发。RTSP 协议提供了传输流媒体数据和控制流媒体服务器的远程控制功能，支持暂停、快进、多用户播放等，在多种网络应用场合下具有广泛的应用前景。同时，该协议还具有服务器端网络用量小、支持视频实时播放等特点。

主机模块采用树莓派4 运行Debian 操作系统，实现从网络RTSP 协议视频流抓取到本地树莓派4。Debian是一种广泛使用的基于Linux 的操作系统，具有开源、高自由度和稳定性等特点。在本系统中，主机模块通过Python3.7.3 配合OpenCV 库实现对视频流的读取、解码和渲染，同时实现摄像头录制视频上传功能。可以实现图像处理和多种计算算法的开源计算机视觉库，由C 语言等构成。OpenCV 是一个基于BSD 许可发行的跨平台计算机视觉库，广泛应用于人脸识别、视频处理等方面。

下面是实现读取WEB 视频并进行解码的Python 代码：

import cv2

# 定义捕捉器对象

cap=cv2.VideoCapture('HDMI 编码器网络地址')

print(cap)

# 读取视频流中的一帧

ret, frame = cap.read()

out_win = “”

cv2.namedWindow(out_win, cv2.WINDOW_NORMAL)

cv2.setWindowProperty(out_win,

8月2日，中国农业科学院国家薯类作物研究中心揭牌仪式在京举行。中国主要薯类作物年种植占全国可用耕地8%左右，其中马铃薯和甘薯的种植面积和总产量均居世界第一位。薯类作物是我国粮食作物的重要组成部分，其产业发展对促进我国种植业调整，支持农业发展具有重要意义。国家薯类作物研究中心是在整合农科院在马铃薯和甘薯领域研究力量的基础上，建立的国家级薯类作物研究公共平台。建立该中心旨在有效整合薯类作物科技资源，探索建立新形势下高效农业科技协同创新的组织模式，建成具有世界先进水平的薯类作物研发与成果展示平台。

cv2.WND_PROP_FULLSCREEN, cv2.WINDOW_FULLSCREEN)

# 循环将每一帧显示出来

while ret:

ret, frame = cap.read()

cv2.imshow(“current frame”, frame)

cv2.imwrite(‘frame.jpg’, frame)

# 按下‘q’键退出程序

if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord(‘q’):

break

# 关闭窗口，并释放资源

cv2.destroyAllWindows()

cap.release()

在上述代码中，首先构建了一个捕捉器对象，将流媒体服务器地址传递给VideoCapture 函数进行视频流的捕捉。while 循环中，每次循环都会捕捉一帧视频，并通过imshow 函数显示。同时，调用imwrite 函数将每一帧图像写入本地，实现了摄像头录制视频上传的功能。如果用户按下‘q’键，则直接退出程序。

通过上述代码的实现，可以实现对WEB 视频的读取和解码，并将视频流渲染为连续的帧显示出来。与此同时，还可以实现摄像头录制视频并将其上传到本地。这种程序结构在实际应用中具有稳定性和可靠性，并能为医务人员提供高质量的视频流，实现对患者状态和内镜检查过程的实时监控和录制。

5 结语

本文介绍了一种采用HUD 技术的多功能医用内窥镜防护面屏。相比普通一次性防护面屏，优势多，提高了工作效率和检查精度，为医务人员检查提供一种新的方法。本设计主要运用在五官科内窥镜，当此产品成熟使用后，可以考虑运用在胃肠镜、腹腔镜等其他内窥镜场景，此面屏设计的拓展性好，有一定的推广价值。本设计也存在一些缺陷可以后期改进之处有：（1）材质可以更轻巧便携，使得医务人员佩戴更舒适，接受程度更好。（2）在保障传输图像的质量前提下，提高图像传输的速度和稳定性，尽量避免医务人员出现眩晕现象。我们将在实践中不断改进产品设计，做出性能稳定又能运用广泛的多功能医用内窥镜防护面屏。