基于LED光源的窄带成像内镜影像系统的研制

发布时间：2017-12-09 15:34

  本文关键词：基于LED光源的窄带成像内镜影像系统的研制

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【摘要】：食道癌、胃癌、直肠癌和结肠癌等消化道疾病在我国有很高的发病率和死亡率。近年来,随着内镜技术的深入推广,该类疾病的检出率己得到很大程度提高,但是对于预后至关重要的早期癌变的发现和诊断却不尽如人意,仍有较大提升空间。研究表明,肿瘤的形成过程伴有血管增生,血管增生会使早期癌变部位的颜色及纹理结构与周围正常组织产生差异。另外,黏膜中血管形态的改变被认为与异型增生或肿瘤的发生、进展有直接关系。消化道内的早期肿瘤往往表现为平坦型、凹陷型的微小黏膜病变和异常的微血管改变。但在普通白光内镜下观察时却很难观察到微血管的上述改变,若检查设备能够突出显示微血管形态,将有效提高早期癌变的检出率。基于上述临床背景,在专家们的不懈努力下,出现了一些能够进行黏膜内血管成像的新型电子内镜系统。其中,比较具代表性的有：奥林巴斯(Olympus)公司的窄带成像(narrow-band imaging, NBI)系统,富士能(Fujinon)公司的智能电子分光比色(Fujinon intelligent chromo endoscopy,FICE)系统以及宾得(PENTAX)公司的I-Scan系统,本文统称上述三种系统为特殊光学内镜系统。奥林巴斯NBI系统在疝气白光冷光源后端装配主波长分别为415nm、540nm,带宽均为30nm的窄带旋转滤光器,该窄带旋转滤光器可以将白光光源中的大部分宽带光滤除,仅剩余与窄带旋转滤光器光学特性几近一致的窄带蓝光与绿光,经窄带旋转滤光器过滤后的窄带光经过电子内镜中的光纤照射到被检部位,然后电子内镜先端的CCD图像传感器将被检部位反射回的光学信号转换为电信号输出到图像处理工作站进行窄带图像处理;FICE系统利用系统后端软件将CCD所采集到的白光图像,分解成若干个5nm带宽的窄带分光图像,再根据医生的观察需求将不同波长的分光图像重建得到窄带图像；I-SCAN系统是在系统前端通过软件控制白光光源,使其根据观察需要发射窄带光,系统后端的图像处理工作站对CCD图像传感器输出的数字图像信号进行相应的后处理从而生成窄带图像。以上三种系统均基于窄带图像增强技术,可增强显示黏膜组织与微血管的结构形态,提高病变组织与周围正常组织的对比度,方便医生判别,提高早癌检出率。上述系统均使用疝气白光冷光源作为基础光源,产生窄带光源的原理和结构复杂,疝气灯功耗高、寿命短,使用500小时后必须更换新灯泡,使用成本高。现有系统均为部件分离式设计,系统庞大复杂,动辄数百万的昂贵价格不利于大范围普及使用,造成疾病早期检出技术无法普惠大众。本文针对以上问题展开专题研究,旨在开发一种基于LED光源的窄带成像内镜影像系统,简称为LED-NBI系统。该系统窄带光源的产生原理简单,可靠性高。系统结构紧凑,集成度高,可作为手持便携式设备使用。同时生产制造成本大大降低,有利于向基层医疗机构或体检市场普及推广,作为一种粘膜下早期病变的初筛设备,大大提高早癌检出率,降低医疗成本,造福广大群众。LED-NBI系统包含系统主控子系统、窄带LED光源子系统、图像采集与处理子系统和图像显示子系统等四部分。系统主控子系统采用飞思卡尔MCIMX6Q6AVT10AD四核A9处理器(简称：IMX6处理器)作为系统主控芯片,主要负责：控制窄带光源的三色相对功率和光通量占比；对图像信号处理器ISP输出的数字视频信号进行编解码处理；对采集的视频信号按照NBI成像处理方式逐帧进行处理；控制视频流的多路显示和存储。IMX6处理器是本系统的控制核心,与图像信号处理器ISP构成了本系统的软硬件处理平台。窄带光源子系统由窄带LED光源、光源控制电路及相应的控制调节程序构成。血管内的主要吸光物质血红蛋白对波长为415nm的蓝光窄带光源和波长为540nm的绿光窄带光源有较强的吸收能力。光源的穿透能力具有波长依赖性,波长越长的光对被照组织的穿透能力越强。415nm的蓝光窄带光源穿透能力较弱,只能照射到组织黏膜表层,在该窄带光源的照射下,系统对组织黏膜表层的微血管结构具有较好的显示能力。而540nm的绿光窄带光源则可以照射到组织黏膜的中下层,在它的照射下,系统对组织黏膜中层的微血管结构具有较好的显示能力。由于早期癌变通常发生在黏膜表层与中层,所以本文选择中心波长为415nm的窄带蓝光光源和波长为540nm的绿光窄带光源为照明光源。通过反复选型及测试,最终确定了半高宽为18nm、波长为415nm的蓝光窄带LED和半高宽为20nm、波长为540nm的绿光窄带LED作为系统的主光源,并定制了小批量样品。为了使两种窄带光源照射到被检组织的光谱能量分布均匀,本文根据测试效果将蓝光窄带LED光源与绿光窄带LED光源按2：1的比例,依品字形并联封装在了同一光学透镜下。由于在不同使用环境中,需要的光源照度不同。并且,光源发射的光谱特性也会随着流经光源的电流大小的变化而变化。针对上述问题,本文设计了一种可以调节光源电流大小的调节电路以及与其对应的程序,用户在需要调节光源电流大小时,只需旋转主机上的旋钮增加或减小光源电流即可达到调节目的。图像采集与处理子系统包括CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor, SENSOR),和与之配套使用的图像信号处理器(Image Signal Processor, ISP)。本文使用低照特性好的背照式SENSOR,能有效提高图像对比度,降低噪声。本文使用的ISP集成了较多的基本图像处理算法,包括自动曝光、自动白平衡、Gamma校正、动态范围调整。本系统基于NBI的成像准则,借助ISP将原有的R、G、B通道信息进行重新匹配,将415nm光产生的B通道信号同时分配给B与G通道,使表浅毛细血管呈棕褐色,将540nm光产生的G通道信号分配给R通道使中下层粗大血管呈青蓝色,有效地突出了黏膜组织内的血管结构。ISP可根据窄带成像的曝光策略和环境光强实时调节SENSOR的曝光时间和增益,并对SENSOR采集到的信号进行有效处理。ISP与IMX6处理器以高速总线方式进行通信,将处理后的视频信息传输到IMX6处理器,供处理器对视频信号进行编解码处理和输出显示。本设计中的图像显示子系统采用4英寸TFT液晶屏和HDMI外接专业医用高清显示器,系统输出最高支持1920*1080,60帧视频。所选专业医用高清显示器支持sRGB、Adobe RGB、DICOM、PROGRAMMABLE等图像格式,可以自由选择上述5种格式中的任意一种观察同一副图像。另外该专业医用显示器支持10bit的广色域,具有14bit的伽马校正功能,具有1000：1的高对比度和10亿734万种颜色的色彩显示功能。正因为具有以上特点,该专业显示器可以逼真的显示被检部位的细节,提高医生诊断的客观性。相对于奥林巴斯NBI系统,FICE系统和I-SCAN系统而言,本系统具有简单的光源照明系统,高集成度的图像采集与图像处理系统和功能强大的主处理器。奥林巴斯NBI系统,FICE系统和I-SCAN系统采用部件分离式设计,系统结构庞大,不便于移动。而本文将LED-NBI系统的光源、图像传感器、图像采集系统和主处理器集成于一种手持式设备,适用于门诊、急诊和内镜室等多种环境。本文设计了一种在成像质量方面可以与奥林巴斯NBI系统进行媲美的高性能便携式LED-NBI系统。在使用过程中,医生可以根据临床需要调节本系统光源电流的大小达到观察目的。它可以有效突出组织黏膜内的血管形态结构,增加血管与周围组织对比度,增加癌症检出率,具有重要的临床意义。总而言之,该系统具备性能好,体积小,结构简单,成本低,可移动使用和适用范围广等多个优点。
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH789

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