基于自体荧光成像技术的胃肠道癌前病变检测系统设计

发布时间：2020-09-01 12:32

　　近年来,胃肠道疾病的发病率和死亡率逐年增加,严重危害人们的生命健康安全,而早期胃肠道癌变的诊断和治疗能大大降低死亡率,因此早期发现癌变,并采取相应的治疗措施至关重要。胃肠道疾病检测的常用手段是内窥镜,但它属于有创检测,会对病人的身心造成较大伤害,胶囊内窥镜克服了传统内窥镜的缺陷,但是难以发现微小病变,会出现漏诊或误诊。为了提高组织病变的检测成功率,一些新型检测技术被研制出来,自体荧光成像技术由于能有效诊断出其它方法诊断不出的早期癌变,因而成为研究热点。现有的自体荧光检测系统大多是短腔道检测系统,用于检测短腔道病变,如口腔、宫颈等,胃肠道自体荧光检测系统由于是长腔道检测系统,对信号传输质量以及进入人体胃肠道的检测设备的尺寸要求较高,因而研制难度大、技术难点多;现有的自体荧光检测系统存在体积庞大、结构复杂等缺陷,从而制约了自体荧光检测技术的发展和推广;此外,图像质量直接影响着诊断结果,而在获取自体荧光图像时,图像的插值恢复直接影响了图像质量,而现有的大多插值算法难以兼顾图像恢复效率和恢复效果,导致算法过于复杂而实现困难或者图像失真。为了解决这些问题,本文针对胃肠道癌前病变检测,开展了自体荧光检测系统的设计研究,实现了软硬件优化,有效缩小了系统尺寸、简化了硬件结构、改进了插值算法。系统选用新型医学专用CMOS图像传感器采集图像数据,采用大功率专用紫外LED作激发光源,使用FPGA进行图像传感器配置和图像增强,相比其它系统可以减少硬件搭建,有效简化结构;系统仅将图像传感器和光源置于检测前端,其余部件全部被置于后端,可以有效缩小进入人体胃肠道的检测设备的尺寸;Bayer格式图像的插值算法的改进基于双线性插值算法和边缘导向插值算法,运用梯度法和色差定律,对R、G、B三通道均使用了边缘导向插值恢复。本文针对现有胃肠道癌前病变自体荧光检测系统存在的问题,在检测前端的尺寸、图像质量增强、系统结构和插值算法上进行了软硬件优化设计,系统的检测前端尺寸最小可达到6mm,系统硬件结构得到简化、体积缩小,运用改进的插值算法恢复得到的图像显示效果较好,图像的R、G、B三通道的PSNR值可以达到38。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R735;TP391.41
【部分图文】：

主动运动,内镜检查,检查时间,源线

Lower endoscopy Upper endoscopy图 1-1 传统内镜检查Fig.1-1 Traditional Endoscopy 1-2 所示，胶囊内镜中集成了图像传感器、光学源线和数据线，检测过程无痛无创，且不需要人盲区，检查区域包括整个消化道，其缺点是胶囊，不能主动运动，因此检查时间很长。

自体荧光光谱

图 1-3 自体荧光技术原理Fig.1-3 Principle of auto fluorescence technique和癌变组织的自体荧光辐射信号的光谱差异[23]如图 1-4然正常组织和病变组织都在 500nm 的波长处达到峰值光强度明显强于病变组织，因此可以根据组织的自体荧变组织[24]，且不需要使用外源性荧光物质。使用自体检测病变虽然比较客观，但是光谱信号较难采集，且光以实现。电子跃迁粘膜组织荧光图像激发光激光器生物分子发射光换能器成像光谱光谱曲线

框图,内部功能,框图

出的是 Bayer 模式图像数据，其光学尺寸仅为 1/10.6”，封装尺寸仅为 1.81mm×1.81mm，相比于 CCD 传感器，尺寸大大减小，成像系统更易搭建，结构更为简单。OV6930 的内部功能框图如图 3-1 所示，OV6930 内部包含定时计数器和控制逻辑、图像阵列的行列选择、放大器、增益控制、PLL 等功能模块，此外还包括 SCCB 接口，用于 OV6930 内部寄存器的配置，图中的 XVCLK、SIOC、SIOD为芯片的部分引脚,分别表示输入时钟，SCCB 配置时钟引脚，SCCB 配置数据引脚。图 3-1 OV6930 内部功能框图Fig 3-1 Internal block diagram of OV6930图 3-2 为系统的 OV6930 传感器外观示意图，微小尺寸设计便于医学内窥镜

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