医用3D显示系统需求与硬件设计

来源：职称阁分类：医学论文时间：2020-08-28 09:21热度：

　　在早期医疗技术发展中，受技术发展水平所限，医疗工作者一直使用2D成像技术（二维，TwoDimensions）来开展工作，而2D技术下的显示系统成像质量较差，容易造成医疗判断误差，因此需要得到改善。随着技术的发展，3D成像技术（三维，ThreeDimensions）逐渐成熟，医用3D显示系统概念应运而生，理论上利用3D显示系统能够帮助医疗工作者更准确的做出判断，起到提升医疗效果的作用。论文分析中，将重点阐述医用3D显示系统设计需求与硬件设计方案。

医用3D显示系统需求与硬件设计

　　关键词：医用3D显示系统；设计需求；硬件设计方案

　　一、前言

　　目前，医用显示系统常用于外科医疗领域中，该领域医疗工作者因工作需要，必须了解患者伤患处的内部情况，因此需要使用该系统，同时因为多数患者伤患处情况复杂，所以对系统成像质量有较高要求，而2D成像技术下的显示系统只能提供平面图像，导致医疗工作者必须反复拍摄，还要将多次拍摄图像联系起来，这样就容易出现误差。而在3D显示系统当中，3D成像是一个整体，有多个维度支撑，与人肉眼观看的图像类型相同，因此医疗工作者可以更好地做出判断，说明对此系统进行分析，具有推动医疗质量发展的现实意义。

　　二、医用3D显示系统设计需求

　　（一）基本需求

　　根据相关案例可知，现代医疗领域中已经出现了医用3D显示系统，但该系统多为佩戴式，即需要医疗工作者佩戴“眼镜”设备，通过该设备来观察成像，因此该系统在实际医疗工作中虽然实现了3D成像显示，但会给医疗工作者带来很多不必要的麻烦，如要反复摘下、佩戴设备，观察成像与实物的差别等，同时眼睛成像画面与医生眼睛距离较近，可能导致视觉疲劳，增加医疗风险。在这一条件下，本文设计的基本需求就是摆脱佩戴式3D成像系统框架，旨在设计出自由式3D成像显示系统[1]。

　　（二）功能需求

　　本系统功能需求包括：（1）高清成像显示与图像高度还原；（2）2D/3D切换功能，保留2D成像优势，满足不同医疗工作者需求；（3）系统接口需满足多种3D输入信号格式；（4）系统接口需满足多种2D输入信号格式；（5）信号输出需呈环状，满足了多显示器使用环境的安装需求。针对以上需求，本系统功能设计中采用了以下方法来解决：1.高清成像显示与图像高度还原实现方法配置了3D裸眼显示器与液晶屏，其中液晶屏作为主要显示器，其分辨率达到1920×1080，且对比度、亮度、色彩深度与饱和度均接近肉眼观察到的图像，实现高清成像显示与图像高度还原。2. 2D/3D切换功能实现方法为实现2D/3D切换功能，在系统硬件选型工作中选择了具有该项功能的3D显示器，同时考虑到切换功能控制问题，在显示器自带的按键控制、遥控红外控制接口以外，还安装了APP信号控制通信接口，这样医疗工作者可以通过手机移动端来完成切换控制。3.系统接口需满足多种3D输入信号格式实现方法采用3G/HD/SD-SDI信号采集卡，将其安装在3D显示器当中。该传输距离可达100m左右，能够接收3G-SDI、双流媒体-SDI、HD-SDI、Side-by-Side、HD-SDI line-by-line、DVI line-by-line等3D信号格式，说明显示器可以安装在不同主机环境中。4.系统接口需满足多种2D输入信号格式实现方法以上提到的3G/HD/SD-SDI信号采集卡，也可以接收多种2D输入信号，如HDMI、DVI、CVBS、RGBS、VGA等。5.信号输出需呈环状实现方法本系统显示器标准配置具有DVI、CVBS、RGBS、S-Video等环状输出信号，能够减少显示器安装时的布线数量，更好地满足医疗安装环境，如在手术室当中，当显示器布线较多则很难完成安装，但本系统不存在这种顾虑。

　　（三）其他需求

　　在实际医疗环境当中，3D显示系统的使用还具备一些其他需求，如有线/无线视频传输、安装形式、远程操控、手机系统支持等。对于这些需求，本系统设计中通过信号传输结构实现了无线传输，同时在有线传输中直接使用一根网线即可实现传输，传输影像清晰度可达（无线传输也是一样）；对系统硬件装置构造进行了设计，实现了挂式、座式安装形式；利用遥控、无线传输即可进行远程操控，距离在20-30m左右；根据现代主流的手机系统（Android、IOS系统）对系统兼容模式进行了调整，医疗工作者可以使用任意系统的手机来进行操作[2]。

　　三、医用3D显示系统硬件设计方案

　　（一）总体设计

　　本系统总体设计方案可以分为三个部分，分别为硬件基本结构、输出/输入信号、器件选型，各部分内容见下文。1.硬件基本结构本系统硬件结构及作用描述见表1。此外，系统硬件中主板的板载视频芯片为Soc芯片，其主要在CoLinux环境中运作，这样才能实现多视频接口输入。同时该芯片还会对输入视频进行处理，将其输出给FPGA，并由FPGA传递给3D面板。2.输出/输入信号输出/输入信号设计中，首先输出信号采用数字信号环通设计方案，即将DVI接口作为输出信号接口，可以保障多种信号的环路输出，如HDBaseT、WHDI、DVI。其次在信号环通过程中采用VGA、CVBS、RGBS、S-Video、YPbPr信号来实现模拟信号环通。最后采用双路SDI信号来实现信号输入，并沿环通实现循环[3]。3.器件选型因为本系统器件较多，所以只对关键器件进行分析，包括视频处理芯片、FPGA芯片、SDI接收芯片、电源。①视频处理芯片：考虑到本系统多接口需求及芯片性能、成本等因素，系统将选择MST6M182XST芯片，该芯片首先具有较多的接口，区别于市面上其他主流芯片，其次，性能比较优异、成本适宜，因此选择该芯片；②FPGA芯片：根据系统结构与运作流程可知，系统只需要一枚FPGA芯片，因此选择了XC7A35T-1CSG324C芯片，该芯片性价比表现最佳，还包含GTP与充足的引脚资源；③ SDI接收芯片：采用GV7601芯片，该芯片支持高清晰度视频分量，分量速度最高可达为270Mb/s，满足本系统运作需求，同时该芯片在现代医院的综合电缆均衡器装置的帮助下，能够实现远距离视频接收，距离最大可达460m，同时其接收后视频的分辨率满足系统视频显示清晰度的1920×1080要求；④ 电源：采用AC-DC电源，该电源为医疗标准电源，可以保障系统使用安全。

　　（二）设计实现

　　结合总体设计，本系统设计实现方案分为两个步骤，即单板设计、电源管理设计，具体见下文。1.单板设计系统单板由信号转换模块、信号处理模块、图像设计模块、曲线调试模块、控制模块组成，在设计中直接将各模块安装在主板上即可。表2为单板硬件各模块选型与功能描述。2.电源管理设计电源管理设计分为两个步骤，即显示主板设计、双路SDI合成板设计，设计形式均为电源树。①显示主板设计：采用24VDC输出电源进行供电，结合DC-DC芯片来调控VDC输入与电流输出，标准为28VDC输入、5VDC/3A电流输出。在控制开关上选择了MOS开关，其可以在显示器待机状态时让开关处于断开状态，但保留LDO-MCU供电，这时系统功耗不会超过0.5瓦特；②双路SDI合成板设计：以主板为电源，将主板输出的5VDC电源进行供电，同时利用LDO芯片向SDI接收芯片供电，可以保障电源波动稳定性，避免SDI信号接收受扰。同时在DC-DC芯片上，可保障VDC输入与电流输出分别为3.3VDC输入、3A输出，以便于电能转换。此外，在电源管理设计当中考虑到电路故障问题，在供电电路中安装了微信电流、电压传感器，通过信号与系统无线连接，如果电流、电压数据超过最大允许值则会预警，且当超出值达到一定区间会应急断电，但人工可以关闭应急断电功能。

　　四、结语

　　综上，本文对医用3D显示系统的需求与硬件设计进行了研究，通过分析可知该系统区别于常见的佩戴式3D显示系统，属于自由式系统，同时适用于不同的安装环境、医疗工作者、操作系统等，具有良好的通用性表现。同时提出了该系统硬件设计方案，以供相关人员参考。H

　　参考文献

　　[1]穆良柱,张海君.立体影像显示原理及其技术发展[J].物理实验,2008(01).

　　[2]王爱红,王琼华,李大海,等.立体显示中立体深度与视差图获取的关系[J].光学精密工程,2009(02).

　　[3]杨平,方捷新.数字电影2D/3D转换技术解析[J].现代电影技术,2012(11).

　　作者：王文伟

文章名称：医用3D显示系统需求与硬件设计

文章地址：http://www.zhichengg.com/yxlw/16883.html

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