本文關(guān)鍵詞：基于LED光源的窄帶成像內(nèi)鏡影像系統(tǒng)的研制

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【摘要】：食道癌、胃癌、直腸癌和結(jié)腸癌等消化道疾病在我國有很高的發(fā)病率和死亡率。近年來,隨著內(nèi)鏡技術(shù)的深入推廣,該類疾病的檢出率己得到很大程度提高,但是對(duì)于預(yù)后至關(guān)重要的早期癌變的發(fā)現(xiàn)和診斷卻不盡如人意,仍有較大提升空間。研究表明,腫瘤的形成過程伴有血管增生,血管增生會(huì)使早期癌變部位的顏色及紋理結(jié)構(gòu)與周圍正常組織產(chǎn)生差異。另外,黏膜中血管形態(tài)的改變被認(rèn)為與異型增生或腫瘤的發(fā)生、進(jìn)展有直接關(guān)系。消化道內(nèi)的早期腫瘤往往表現(xiàn)為平坦型、凹陷型的微小黏膜病變和異常的微血管改變。但在普通白光內(nèi)鏡下觀察時(shí)卻很難觀察到微血管的上述改變,若檢查設(shè)備能夠突出顯示微血管形態(tài),將有效提高早期癌變的檢出率�；谏鲜雠R床背景,在專家們的不懈努力下,出現(xiàn)了一些能夠進(jìn)行黏膜內(nèi)血管成像的新型電子內(nèi)鏡系統(tǒng)。其中,比較具代表性的有：奧林巴斯(Olympus)公司的窄帶成像(narrow-band imaging, NBI)系統(tǒng),富士能(Fujinon)公司的智能電子分光比色(Fujinon intelligent chromo endoscopy,FICE)系統(tǒng)以及賓得(PENTAX)公司的I-Scan系統(tǒng),本文統(tǒng)稱上述三種系統(tǒng)為特殊光學(xué)內(nèi)鏡系統(tǒng)。奧林巴斯NBI系統(tǒng)在疝氣白光冷光源后端裝配主波長分別為415nm、540nm,帶寬均為30nm的窄帶旋轉(zhuǎn)濾光器,該窄帶旋轉(zhuǎn)濾光器可以將白光光源中的大部分寬帶光濾除,僅剩余與窄帶旋轉(zhuǎn)濾光器光學(xué)特性幾近一致的窄帶藍(lán)光與綠光,經(jīng)窄帶旋轉(zhuǎn)濾光器過濾后的窄帶光經(jīng)過電子內(nèi)鏡中的光纖照射到被檢部位,然后電子內(nèi)鏡先端的CCD圖像傳感器將被檢部位反射回的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出到圖像處理工作站進(jìn)行窄帶圖像處理;FICE系統(tǒng)利用系統(tǒng)后端軟件將CCD所采集到的白光圖像,分解成若干個(gè)5nm帶寬的窄帶分光圖像,再根據(jù)醫(yī)生的觀察需求將不同波長的分光圖像重建得到窄帶圖像；I-SCAN系統(tǒng)是在系統(tǒng)前端通過軟件控制白光光源,使其根據(jù)觀察需要發(fā)射窄帶光,系統(tǒng)后端的圖像處理工作站對(duì)CCD圖像傳感器輸出的數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的后處理從而生成窄帶圖像。以上三種系統(tǒng)均基于窄帶圖像增強(qiáng)技術(shù),可增強(qiáng)顯示黏膜組織與微血管的結(jié)構(gòu)形態(tài),提高病變組織與周圍正常組織的對(duì)比度,方便醫(yī)生判別,提高早癌檢出率。上述系統(tǒng)均使用疝氣白光冷光源作為基礎(chǔ)光源,產(chǎn)生窄帶光源的原理和結(jié)構(gòu)復(fù)雜,疝氣燈功耗高、壽命短,使用500小時(shí)后必須更換新燈泡,使用成本高�，F(xiàn)有系統(tǒng)均為部件分離式設(shè)計(jì),系統(tǒng)龐大復(fù)雜,動(dòng)輒數(shù)百萬的昂貴價(jià)格不利于大范圍普及使用,造成疾病早期檢出技術(shù)無法普惠大眾。本文針對(duì)以上問題展開專題研究,旨在開發(fā)一種基于LED光源的窄帶成像內(nèi)鏡影像系統(tǒng),簡稱為LED-NBI系統(tǒng)。該系統(tǒng)窄帶光源的產(chǎn)生原理簡單,可靠性高。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,集成度高,可作為手持便攜式設(shè)備使用。同時(shí)生產(chǎn)制造成本大大降低,有利于向基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)或體檢市場普及推廣,作為一種粘膜下早期病變的初篩設(shè)備,大大提高早癌檢出率,降低醫(yī)療成本,造福廣大群眾。LED-NBI系統(tǒng)包含系統(tǒng)主控子系統(tǒng)、窄帶LED光源子系統(tǒng)、圖像采集與處理子系統(tǒng)和圖像顯示子系統(tǒng)等四部分。系統(tǒng)主控子系統(tǒng)采用飛思卡爾MCIMX6Q6AVT10AD四核A9處理器(簡稱：IMX6處理器)作為系統(tǒng)主控芯片,主要負(fù)責(zé)：控制窄帶光源的三色相對(duì)功率和光通量占比；對(duì)圖像信號(hào)處理器ISP輸出的數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行編解碼處理；對(duì)采集的視頻信號(hào)按照NBI成像處理方式逐幀進(jìn)行處理；控制視頻流的多路顯示和存儲(chǔ)。IMX6處理器是本系統(tǒng)的控制核心,與圖像信號(hào)處理器ISP構(gòu)成了本系統(tǒng)的軟硬件處理平臺(tái)。窄帶光源子系統(tǒng)由窄帶LED光源、光源控制電路及相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)程序構(gòu)成。血管內(nèi)的主要吸光物質(zhì)血紅蛋白對(duì)波長為415nm的藍(lán)光窄帶光源和波長為540nm的綠光窄帶光源有較強(qiáng)的吸收能力。光源的穿透能力具有波長依賴性,波長越長的光對(duì)被照組織的穿透能力越強(qiáng)。415nm的藍(lán)光窄帶光源穿透能力較弱,只能照射到組織黏膜表層,在該窄帶光源的照射下,系統(tǒng)對(duì)組織黏膜表層的微血管結(jié)構(gòu)具有較好的顯示能力。而540nm的綠光窄帶光源則可以照射到組織黏膜的中下層,在它的照射下,系統(tǒng)對(duì)組織黏膜中層的微血管結(jié)構(gòu)具有較好的顯示能力。由于早期癌變通常發(fā)生在黏膜表層與中層,所以本文選擇中心波長為415nm的窄帶藍(lán)光光源和波長為540nm的綠光窄帶光源為照明光源。通過反復(fù)選型及測試,最終確定了半高寬為18nm、波長為415nm的藍(lán)光窄帶LED和半高寬為20nm、波長為540nm的綠光窄帶LED作為系統(tǒng)的主光源,并定制了小批量樣品。為了使兩種窄帶光源照射到被檢組織的光譜能量分布均勻,本文根據(jù)測試效果將藍(lán)光窄帶LED光源與綠光窄帶LED光源按2：1的比例,依品字形并聯(lián)封裝在了同一光學(xué)透鏡下。由于在不同使用環(huán)境中,需要的光源照度不同。并且,光源發(fā)射的光譜特性也會(huì)隨著流經(jīng)光源的電流大小的變化而變化。針對(duì)上述問題,本文設(shè)計(jì)了一種可以調(diào)節(jié)光源電流大小的調(diào)節(jié)電路以及與其對(duì)應(yīng)的程序,用戶在需要調(diào)節(jié)光源電流大小時(shí),只需旋轉(zhuǎn)主機(jī)上的旋鈕增加或減小光源電流即可達(dá)到調(diào)節(jié)目的。圖像采集與處理子系統(tǒng)包括CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensor, SENSOR),和與之配套使用的圖像信號(hào)處理器(Image Signal Processor, ISP)。本文使用低照特性好的背照式SENSOR,能有效提高圖像對(duì)比度,降低噪聲。本文使用的ISP集成了較多的基本圖像處理算法,包括自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、Gamma校正、動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整。本系統(tǒng)基于NBI的成像準(zhǔn)則,借助ISP將原有的R、G、B通道信息進(jìn)行重新匹配,將415nm光產(chǎn)生的B通道信號(hào)同時(shí)分配給B與G通道,使表淺毛細(xì)血管呈棕褐色,將540nm光產(chǎn)生的G通道信號(hào)分配給R通道使中下層粗大血管呈青藍(lán)色,有效地突出了黏膜組織內(nèi)的血管結(jié)構(gòu)。ISP可根據(jù)窄帶成像的曝光策略和環(huán)境光強(qiáng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)SENSOR的曝光時(shí)間和增益,并對(duì)SENSOR采集到的信號(hào)進(jìn)行有效處理。ISP與IMX6處理器以高速總線方式進(jìn)行通信,將處理后的視頻信息傳輸?shù)絀MX6處理器,供處理器對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行編解碼處理和輸出顯示。本設(shè)計(jì)中的圖像顯示子系統(tǒng)采用4英寸TFT液晶屏和HDMI外接專業(yè)醫(yī)用高清顯示器,系統(tǒng)輸出最高支持1920*1080,60幀視頻。所選專業(yè)醫(yī)用高清顯示器支持sRGB、Adobe RGB、DICOM、PROGRAMMABLE等圖像格式,可以自由選擇上述5種格式中的任意一種觀察同一副圖像。另外該專業(yè)醫(yī)用顯示器支持10bit的廣色域,具有14bit的伽馬校正功能,具有1000：1的高對(duì)比度和10億734萬種顏色的色彩顯示功能。正因?yàn)榫哂幸陨咸攸c(diǎn),該專業(yè)顯示器可以逼真的顯示被檢部位的細(xì)節(jié),提高醫(yī)生診斷的客觀性。相對(duì)于奧林巴斯NBI系統(tǒng),FICE系統(tǒng)和I-SCAN系統(tǒng)而言,本系統(tǒng)具有簡單的光源照明系統(tǒng),高集成度的圖像采集與圖像處理系統(tǒng)和功能強(qiáng)大的主處理器。奧林巴斯NBI系統(tǒng),FICE系統(tǒng)和I-SCAN系統(tǒng)采用部件分離式設(shè)計(jì),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大,不便于移動(dòng)。而本文將LED-NBI系統(tǒng)的光源、圖像傳感器、圖像采集系統(tǒng)和主處理器集成于一種手持式設(shè)備,適用于門診、急診和內(nèi)鏡室等多種環(huán)境。本文設(shè)計(jì)了一種在成像質(zhì)量方面可以與奧林巴斯NBI系統(tǒng)進(jìn)行媲美的高性能便攜式LED-NBI系統(tǒng)。在使用過程中,醫(yī)生可以根據(jù)臨床需要調(diào)節(jié)本系統(tǒng)光源電流的大小達(dá)到觀察目的。它可以有效突出組織黏膜內(nèi)的血管形態(tài)結(jié)構(gòu),增加血管與周圍組織對(duì)比度,增加癌癥檢出率,具有重要的臨床意義�？偠灾�,該系統(tǒng)具備性能好,體積小,結(jié)構(gòu)簡單,成本低,可移動(dòng)使用和適用范圍廣等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH789

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本文編號(hào)：1270940