基于近红外光的人工流产手术系统设计

发布时间：2017-03-31 02:18

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【摘要】：人工流产手术是一种用手术终止妇女妊娠的方法。迄今为止,负压吸宫术在中国已使用近50年,具有简捷有效、出血量少等特点,其完全流产率仍是最高的。负压吸宫术适用于终止5-10周的妊娠。但传统负压吸宫人工流产手术是凭借操作者的经验和手感在宫腔内进行手术操作的；不能准确地确定孕囊在宫腔里面的位置以及判断胚胎组织是否清除干净,手术过程是在非直接可视的条件下进行的,具有一定的盲目性。内窥镜是一种常见的医疗仪器,用于检查人体内部的中空器官。常见的有肠道内窥镜、子宫内窥镜、耳鼻喉内窥镜、胃内窥镜、膀胱内窥镜、人工流产内窥镜、腹腔镜等。随着医疗技术的快速发展,在内窥镜镜体后接CCD摄像机或照相机,便可观察、取样、保存图像,实现病人资料信息图片网络化、可视化、系统化,这种方案具有良好前景。CCD像素已超过41万,远远大于光纤传像束的5万像素。CCD比普通光导纤维内镜的电子内窥镜色泽逼真,图像更加清晰,分辨率更高,而且可供多人同时观看。采用硬式内窥镜或纤维内窥镜进行负压吸引人工流产时,由于宫腔内的可视空间有限,无法观察宫腔内的全貌。同时被切割处会流出大量的血液,孕期血管的分布即多又密,如不采取某种措施,手术会因血液遮挡目镜导致的视野不清而无法继续进行。目前宫腔镜技术已经解决了上述两个问题,宫腔镜采用充入膨胀介质的方法可使宫腔获得良好的视野,但由于膨胀介质容易形成血栓或者气栓,其在人工流产手术中的应用受到限制。随之,可视化人工流产吸引管逐渐发展起来。负压吸宫术时,子宫会发生两种生物学效应,即宫腔壁的弹性形变和平滑肌的舒缩变化。这两种变化会导致宫腔腔隙发生形变,引起宫腔内压力的变化。负压吸引术时宫腔内的压力为正压,腹腔内的压力一般为负压,宫腔与腹腔会形成一个较大的压力差；根据流动力学原理,当压力差大小能够克服输卵管的阻力时,就会促使宫腔内的血液沿输卵管逆流到腹腔,可能会导致子宫内膜异位等并发症。为了克服现行可视化人工流产手术系统的不足,提供一种可在手术过程中全程观察到整个手术部位的方案,提出了一种基于近红外光的人工流产手术系统的设计方案。采用近红外LED代替现有的可见光LED进行照明,CMOS摄像头在有血液遮挡的情况下有着更佳的成像效果；合理装配CMOS摄像头,使CMOS摄像头的视野可以覆盖吸引窗的位置,准确地进行定点吸引；增加一个减压管道,术中人工流产吸引管接负压吸引器,实时观察宫腔内视频图像,进行定点吸引；当吸引管吸引宫腔组织时,宫腔压力会急剧增加,可以从减压入口,通过减压出口向外排液,减小宫腔压力,避免宫血逆流入腹腔。血液在近红外光区域的吸光度小于可见光区域。在200-1300nm波段,测定人血与动物血液的吸收光谱,比较紫外光区域、可见光区域以及近红外光区域吸光度高低,研究发现人与动物血液均在近红外区域700-1300nm吸光度最低。在近红外光波段,由于近红外光透过血液的吸光度低于可见光的吸光度,近红外光通过血液后的透射光强度比可见光大,CMOS摄像头接收透射光强度大,CMOS摄像头成像效果较好。为此,本实验设计了血液环境下的近红外光模拟实验,来验证CMOS摄像头在近红外光条件下较可见光条件下,具有更高的分辨能力。实验过程选择可见光灯珠,850nm、940nm主波的红外LED灯珠直接作为照明光源。选择光程不同(0.3mm、0.5mm、1mm)装满血液的比色皿,其光程大小表示血液的厚度。CMOS摄像头透过0.3mm的血液,在可见光条件下可以分辨出间隔lmm的线条,但成像效果不好；在850nm、940nm主波的红外光条件下可以分辨出间隔0.5mm的线条,成像效果好。CMOS摄像头透过0.5mm的血液,在可见光条件下分辨不出不同间隔的线条；在850nm、940nm主波的红外条件下可以分辨出间隔1mm距离的线条,但成像效果比较差。在CMOS摄像头透过1mm的血液,在可见光、850nm主波的红外光、940nm主波的红外光条件下都不能分辨出不同间隔距离的线条,成像效果很差。实验证明了在红外光照明条件下,CMOS摄像头可以穿透约0.3mm厚度的血液并且成像效果比可见光成像效果好。而CMOS图像传感器的光谱范围为350-1100nm,峰值响应波长在700nm附近,并且CMOS图像传感器有各自的截止波长。随着红外光波长越长,CMOS传感器的响应度与量子效率都发生了改变,会对成像效果有一定的影响。所以,在透过血液成像的条件下,合理的选择红外光波长成为关键,使成像效果达到最佳。为此,设计以下实验方案,进一步确定最佳红外波长。实验选择钨卤灯光源(波长范围360～2000nm),10nm窄带滤色片(800、900、925、975、1000、1025、1050、1075nm)组成的单一波长的红外光,作为照明光源,用传光束进行传光照明。与上面实验相比只是照明光源不相同,其他实验条件相同。COMS摄像头透过0.3mm的血液,可以观察到比色皿后面的不同间隔距离的线条,800、900nm波长的红外光的成像效果较好。925、975nm波长的红外光成像效果逐渐变差,1000、1025、1050、1075nm波长的红外光成像效果最差。CMOS摄像头透过0.5mm的血液,几乎看不到比色皿后面的不同间隔距离的线条。摄像头透过lmm的血液,完全分辨不出比色皿后面的不同间隔距离的线条。在不同波长单色光下CMOS摄像头透过0.5mm、1.0mm血液成像图效果较差。实验验证了照明光源采用波长为900nm附近的单色光,可以使CMOS摄像头在0.3mm血液厚度的情况下成像效果最佳。DirectShow与WDM视频采集卡驱动程序有着无缝对接的特性。CMOS图像传感器的模拟信号可以通过WDM采集卡进行采集,通过对DirectShow过滤器进行编程实现对视频信号的采集。在可视的情况下进行流产手术,可以实现真正的可视化人工流产。CMOS图像传感器采用OmniVision公司的1/18英寸的0V6922低功耗医用传感器,非常适合于外径要求小于4mm一次性人工流产系统中医疗成像应用中。由于子宫颈的特殊生理结构,要求吸引管体直径不能超过9mm,使用0V6922芯片CMOS模组可以满足上述要求。该CMOS模组包括CMOS图像传感器、前端的成像物镜、照明光源、软性线路板(FPC)。CMOS图像传感器贴在FPC软性线路板上,其电源信号线放置在CMOS模组电源信号线腔道内。照明光源采用近红外LED,代替传统可见光LED。CMOS模组成像物镜朝向吸引窗的方向,准确地观察孕囊的位置以及术中吸宫时宫腔里面的情况。CMOS模组后面有一个楔形块,起到固定CMOS模组的作用,防止CMOS模组在吸引管中晃动而影响成像效果。CMOS摄像头采用广角摄像头,摄像头可以观察到最大范围的夹角为β,即视场角β≥90°。吸引管的轴向方向与CMOS成像物镜的中心轴之间的夹角为α,100。≤α≤135。。CMOS模组前端放置一个透明隔板,防止手术出血时污染CMOS模组镜头。DirectShow不仅可以与硬件设备进行通信,还可以与高层的应用程序进行通信。DirectShow在应用层提供统一规范的COM接口,可以简便的通过编程实现从设备获取多媒体数据,而不用考虑硬件的一些具体特性。首先要构造出一个适当的过滤器图,然后构建过滤器图中的每个过滤器,并将它们连接起来；再通过应用程序控制过滤器图管理器来完成视频采集的功能。使用VC++的MFC实现了视频采集界面的设计。运行该软件,点击“视频预览”、“视频录像”、“图像处理”“视频格式”等按钮,可实现视频预览、视频录像、视频图像处理等功能；视频图像处理功能具体包括亮度、对比度、饱和度、色度等。经试验测试,以上功能全部实现。
【关键词】：人工流产手术 CMOS图像传感器 近红外光 减压通道 DirectShow技术 过滤器
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN219;R169.42
【目录】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-23
• 1.1 人工流产的现状及技术进展14-18
• 1.1.1 药物流产14
• 1.1.2 传统负压吸宫人工流产手术14-15
• 1.1.3 无痛人工流产手术15-16
• 1.1.4 超声引导下的人工流产手术16-17
• 1.1.5 旋动式人工流产手术17-18
• 1.1.6 内窥镜引导下可视人工流产手术18
• 1.2 研究可视化人工流产手术系统的意义18-21
• 1.2.1 药物流产存在的并发症18-19
• 1.2.2 人工流产手术存在的并发症19-20
• 1.2.3 此项研究的必要性20
• 1.2.4 此项研究所要解决的问题20-21
• 1.3 本文研究的主要内容21-23
• 第二章 电子内窥镜技术进展及在人工流产系统中应用23-31
• 2.1 医用内窥镜的发展及现状23-26
• 2.1.1 硬管式内窥镜23
• 2.1.2 软式内窥镜23-24
• 2.1.3 电子内窥镜24-26
• 2.2 现行可视化人工流产吸引手术装置存在问题分析26-30
• 2.3 本章小结30-31
• 第三章 基于近红外光的人工流产手术系统硬件设计31-41
• 3.1 宫腔环境的分析31
• 3.2 负压吸宫术宫腔内压力分析31-34
• 3.2.1 宫腔压力的测定32-33
• 3.2.2 理论分析33-34
• 3.3 改进的可视人工流产吸引手术装置设计34-39
• 3.3.1 人工流产吸引管结构34-37
• 3.3.2 吸引管头部组件设计37-39
• 3.3.3 CMOS模块设计39
• 3.4 本章小结39-41
• 第四章 在血液环境下近红外光源成像实验方案设计41-49
• 4.1 血液吸光度41-42
• 4.1.1 朗伯-比耳定律41
• 4.1.2 血液吸光度41-42
• 4.1.3 讨论与分析42
• 4.2 采用近红外光源的模拟实验42-47
• 4.3 本章小结47-49
• 第五章 在血液环境下不同波长近红外光源成像效果分析49-54
• 5.1 可见光、近红外光LED光源的实验结果与分析49-51
• 5.1.1 可见光、近红外光LED光源的成像实验结果49-50
• 5.1.2 可见光、近红外光LED光源的成像实验结果分析50-51
• 5.2 不同波长近红外光源的成像实验结果与分析51-53
• 5.2.1 不同波长近红外光源的成像实验结果51-53
• 5.2.2 不同波长近红外光源的成像实验结果分析53
• 5.3 本章小结53-54
• 第六章 基于DirectShow的人工流产视频采集系统设计54-62
• 6.1 系统软件设计54
• 6.2 DIRECTSHOW54-56
• 6.2.1 DirectShow系统架构54-56
• 6.2.2 DirectShow主要COM接口56
• 6.3 系统实现56-58
• 6.3.1 构造视频采集过滤器56-57
• 6.3.2 Capture Filter和其他Filter之间的连接57-58
• 6.3.3 创建Smart Tee和Video Renderer Filter58
• 6.4 视频采集58-61
• 6.5 本章小结61-62
• 第七章 总结和展望62-64
• 7.1 总结62
• 7.2 展望62-64
• 参考文献64-68
• 攻读硕士期间成果68-69
• 致谢69-70

【共引文献】

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  本文关键词：基于近红外光的人工流产手术系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：278665