醫療內窺鏡影像系統的設計與實現

摘 要：人們借助各種儀器設備，比如醫療內窺鏡，以此檢查人體內部器官的健康情況，從而提高人類自身對于各類疾病的了解以及在醫療診斷過程中的精確度。本文在傳統的醫療內窺鏡系統中加入了數字化的影像處理系統，從而提高儀器數據的采集、顯示、處理、表達、傳送各個方面的效率，為醫療診斷帶來更大的便利。

關鍵詞：醫療內窺鏡；數字化；影像系統

中圖分類號：TP274.2 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）06-0028-02

Abstract：People use a variety of instruments and equipment，such as medical endoscopes to check the health of the internal organs of the human body，so as to improve the human understanding of various diseases and the accuracy of medical diagnosis. In this paper，a digital image processing system is added to the traditional medical endoscope system to increase the efficiency of instrument data collection，display，processing，expression，and transmission，and bring greater convenience to medical diagnosis.

Keywords：medical endoscope；digitization；imaging system

0 引 言

通過醫療內窺鏡這一在醫院中廣泛使用的醫療診斷器具，醫生得以用肉眼檢查病患身體內部的各個器官，從而及早發現患者體內的病灶以及病情具體發展情況，因此，醫療內窺鏡是醫生治療診斷過程中關鍵的醫療影像設備之一。

計算機的廣泛應用使得其不斷滲透到社會中的各行各業，醫療衛生領域也毫不例外。鑒于傳統醫療內窺鏡影像系統的一些缺點，我們在其基礎上將其影像系統進行數字化處理，即使用計算機或者相關的網絡技術對醫療影像進行數字化處理。該數字化的內窺鏡影像系統能夠較好地處理醫療診斷過程中的數字化采集、數字化處理、數字化存儲、數字化傳輸醫療影像等一系列的問題。以下將對該數字化的醫療內窺鏡影像系統進行設計和介紹。

1 醫療內窺鏡影像系統的主體架構設計

1.1 內窺鏡影像系統的主要硬件

此次設計的醫療內窺鏡影像系統主要使用國內外的高性能電子器件和光學元件，通過嵌入式處理器CPU和大規模可編程邏輯器件FPGA做視頻圖像處理，同時與高分辨率的光學和CCD系統共同構成一個數字化的醫療內窺鏡影像系統。

該醫療內窺鏡影像系統的主要硬件有：（1）腔鏡系統內窺鏡（腹腔鏡/宮腔鏡）；（2）監視器；（3）CCD；（4）內窺鏡影像系統；（5）視頻采集卡；（6）彩色打印機；（7）腳踏開關。其中的關鍵部分是內窺鏡攝像系統的設計和光學光路的設計，各個系統的可靠性設計對醫療產品也尤為重要。

1.2 硬件連接圖

如圖1所示，主要的使用過程：首先，醫療內窺鏡的CCD截取到光學信號之后，會先進行一個信號轉化過程，即把光學信號轉化成為電學信號，再將該電學信號通過導線輸送至視頻采集卡處。接著，在視頻采集卡處，能夠把電學信號轉換經過編碼的數字信號，CPU和FPGA會運行算法將這些數字信號做濾波、編解碼等處理。最后通過內窺鏡影像系統把圖像顯示到監視器上，并且可以存儲到相應的存儲介質上。

2 醫療內窺鏡影像系統的主要功能模塊設計

2.1 模塊一：影像采集

醫療內窺鏡影像系統中的影像采集是整個系統中重要的組成部分，處于整個系統的前端，對影像的真實還原至關重要。包括了光電轉換CCD部分、數據傳輸；光電轉換模塊CCD將光信號轉換成模擬信號，但與傳統的內窺鏡系統不同的是，我們的設計中不是直接傳輸模擬信號到計算機，而是用專門的ISP處理器將采集到的信號數字化，并且就在前端的ISP中對原始的數字信號做濾波、增益調整、白平衡處理等，減輕后端計算機的處理壓力。由于內窺鏡系統采集的圖像質量是1080i的高清圖像，還要用高速的數據接口發送器發送數據，數據接口采用的是高速的HMDI接口，相比傳統的只能傳輸標清圖像的模擬接口，傳輸能力大大提高，并且更加穩定和可靠，醫生使用起來更加清晰真實[1]。

2.2 模塊二：影像處理

影像數據采集由攝像系統的影像處理模塊實現，它是整個系統的核心。影像系統處理模塊有基于FPGA、ARM、DSP的處理器，在我們的設計中是基于FPGA和ARM。FPGA采用的是賽靈思ZYNQ系列的大規模可編程邏輯陣列，有豐富的邏輯資源和靈活的接口，相比于ARM和DSP有更快的圖像硬件加速性能。ARM采用國內廣泛應用于安防、醫療、通信領域的海思處理器，專門用于圖像處理，對圖像的處理和編解碼也有很高性能的處理。這兩大核心器件分別負責圖像的處理和人機交互，以及數據存儲。

醫用內窺鏡攝像系統與傳統的監控攝像系統不同，要求具備圖像顯示、凍結、存儲、回放等功能，且攝像的圖像色彩失真小，可以根據診斷需要進行處理[2]。在實際的醫療使用中，醫療攝像系統相比于普通的安防、攝像攝影等應用對圖像的還原性和顯示都要求高很多，所以醫療內窺鏡影像系統中要對圖像做多種處理，暗強增強、銳利度調整、噪聲濾波、圖像凍結、高清錄制、圖像的編解碼、色彩處理等。每一種處理都需要運行非常復雜的算法，有大量的計算，需要特別強大的處理器才能處理。在我們的設計中，FPGA是基于硬件的并行處理，可以同時高速運行多種算法，但不會出現影像的傳輸延時甚至死機的情況，對醫生進行準確診斷至關重要。

采集影像步驟含有：單幀數字影像的采集以及視頻的錄制。

首先，單幀圖像采集有兩種方式：一種是醫療操作者在攝像系統的操作面板上按相應的按鍵采集；另一種是醫療操作者使用腳踏開關采集[2]。腳踏的開關與攝像系統的串口相聯系，每當操作者觸動腳踏開關的時候，會觸發一個信號給攝像系統，之后馬上展開單幀圖像采集。

影像信息的采集還包括必要的視頻錄制：錄制視頻一方面可用于科研教學，另一方面可以幫助醫生采集遺漏的病變圖像，錄制的視頻采用H2.64的編碼方式，幀率為50幀。原始的高清影像數據量巨大，使用H2.64硬件壓縮，可大大減小影像存儲的數據量，同時又可以真實地還原高清影像。存儲高清影像有兩種介質，一種是常用的U盤，另外一種是移動硬盤。U盤需支持FAT格式，使用時插到攝像系統的USB接口上，按下拍照或者錄制視頻的按鍵后，影像信號就會被高性能的ARM處理器按H2.64的協議硬件壓縮，再傳輸到U盤上。如果想存儲更多的影像數據到移動硬盤上，需要借助高清視頻錄制盒，開始錄制前先將錄制盒通過HMDI高清數據線連接到攝像系統的高清影像輸出HDMI接口上，并且將移動硬盤也插到錄制盒上，移動硬盤需支持NTFS格式，開始錄制后，監視器上看到的影像都會被存儲到移動硬盤上。

2.3 模塊三：數據輸送

對于數字化的內窺鏡影像系統而言，流媒體的傳輸是比較重要的一環。其中還包括了數據分割這一關鍵技術。

當我們運用計算機對內窺鏡影像系統進行數字化以后，有利的一個方面是對于醫生在醫療診斷過程中遇到的大量的影像可進行可控化的數字處理，從而方便醫生的后期復查閱讀，能在后期對病患的大致情況有進一步了解，同時，另外一個有利方面是我們能夠運用當下的互聯網技術實現內窺鏡影像在網絡上的及時傳輸，從而適應未來遠距離醫療診斷的新的發展形勢。

MPEG-2是一種以DCT/MC為基礎的混合編碼類型，DCT自身的低頻系數能夠反映出圖象的背景輪廓大小，從而能夠確保影像在傳輸過程中的業務質量QOS等一系列的關鍵信息。而對于DCT的高頻系數而言，則能夠代表一些圖像的邊界信息以及一些相對比較細節、次要的信息，數據分割可分級性可以直接在DCT頻域進行[3]。數據分割是一種能夠把一個視頻流分化成兩個層次的操作技術。它的關鍵部分是把比特流分割之后，分別在兩個通道中進行一定的存儲和輸送操作。在傳送的碼流中的一些關鍵數據，比如信頭，運動向量以及低頻DCT系數能夠在一些性能穩定的信號道上進行快速輸送，而對于一些比較次要的信息，比如高頻DCT系數會在性能相對較差且較為不穩定的信號道上傳輸。通過這樣的數據分流，可以更好地保護碼流中一些關鍵信息。

3 結 論

本文通過在傳統的醫療內窺鏡影像系統中加入計算機及網絡操作系統，讓內窺鏡影像系統實現數字化，從采集影像、處理影像、輸送數據三個環節來簡要介紹，通過這一數字化的影像系統，大大提高醫生的診斷效率和診斷準確度。

參考文獻：

[1] 張君，鐘建東，王登平，等.醫療內窺鏡影像系統的設計與實現 [J].電子科技，2010，23（9）：103-105.

[2] John Baillie，Winston-Salem. The Endoscope [J]. Gastrointestinal endoscopy，2007，65（6）：886-893.

[3] 胡貽薈.醫用電子內窺鏡的影像采集、處理與傳輸 [D].杭州：浙江大學，2014.

作者簡介：余杰華（1985.03-），男，漢族，廣東恩平人，本科。研究方向：醫療內窺鏡攝像系統的開發。