直接檢眼鏡圖像數字化系統的研究

吳聲炳 劉 丹 田雅琪 柯 凡 譚 娟 殷 海

（湖北科技學院 湖北·咸寧 437100）

0 引言

直接眼底鏡是目前眼科使用最廣泛的檢查儀器，簡單的結構但卻能觀察到眼后的視網膜和視神經。它的結構簡單，由光源提供光線，經一系列鏡片的處理以平行光折射、從瞳孔進入眼球底部，反射帶出眼底的景象。眼底神經、視網膜等一系列的變化可以反映身體其他組織器官的病變。甚至是一些細小的變化，也可以預知身體的發展。通過眼底檢查，可以早期預防和治療。

人眼觀察到的景象為光信號，而想將光信號呈現的屏幕上甚至是做一些優化處理，那就需要轉化為數字信號。“數碼顯微攝像術”是以電子儲備為載體，通過電感耦合器將光信號轉換成相應模擬量的電信號，這種電信號經模擬數字轉換器進行模擬及數字信號轉換后，再經數字壓縮記錄到內存卡或散速存儲卡等一些移動式存儲器中，形成數字影像文件[1]。數碼攝像裝置從根本上解決了傳統顯微鏡裝置取景觀察不便、圖像傳送難、效率低、速度慢等問題。

圖像還可以基于手機圖像處理軟件上進行處理。對每個單元的信息進行圖像處理，就能完成完美的蛻變。數碼顯微攝像技術是對電鏡的優化，原理和手機攝像也是相似的。眼底鏡的圖像數字化也可以借鑒這種模式，借用圖像傳感器將光信號轉換為電信號，存儲在電容中；再由具有模數處理功能的模數轉換器變為數字信號，最后連接顯示器顯示。但是兩者最后的顯示和存儲模式不適合醫療服務中的觀察，所以可以將最后的存儲卡改為圖像卡，通過微機接口與電腦連接。不僅可以實現眼底圖像清晰顯示，還能完成打印、存儲、圖像信號處理等一系列操作。

隨著時代的發展，醫療儀器也發展得越來越快，眼底鏡的圖像數字化技術也勢必會主流。通過圖像傳感器的光電轉換功能，將圖像信息以電信號的形式傳遞給具有模數處理功能的圖像卡，最后由顯示屏顯示，或是直接傳遞給PC機進行進一步的處理分析。而且圖像傳感器的不斷優化和醫療信息處理系統的完善，眼底檢查甚至可以更加的精確、簡單。醫療檢查成本的降低和優化，可以大幅度地減少因治療不及時而失明的人數，還可以對其他疾病進行篩查。

1 系統硬件組成

該系統流程圖，見圖1。

圖1：圖像數字化系統流程圖

1.1 光導纖維

光導纖維是一種石英制的及輕的能最大程度傳到光信號的理想工具。二氧化硅的材質致使光導纖維只能傳到光信號，而不能傳遞電信號。從眼底反射回來的光線，通過光導纖維的傳遞，可以最大限度地還原光信號。根據眼底鏡的參數，可以算出眼底的圖像大小，然后根據據圖像大小，可以算出需要的光纖數量。

1.2 自動定焦鏡頭

通過改變透鏡的位置來改變物距和相距使圖像清晰──即自動變焦技術[2]。

能夠實現自動變焦技術的是自動對焦鏡頭，它是由多個棱鏡片和驅動馬達、DSP控制系統組成的，可以實現自動對焦。在對焦過程中，其實圖片是一直產生的。把鏡頭在某個位置的圖像送到圖片處理器處理，得到該圖片的具體信息，再送到對焦算法庫進行計算，由計算機計算每個點的圖片清晰度值。同時判斷下一步鏡頭該往哪個方向移動；接著繼續拍照、得到另一張圖片、再計算、精確。如此下來，圖片就會越來越清晰。

圖2：變焦鏡頭結構圖

1.3 光學照相機

光學照相機，是此套系統中最重要的部分。實現光信號轉換為模擬信號的重要步驟。攝像機中，最重要部分就是圖像傳感器[3]。但它并不是傳統意義上的傳感器，只是說它有不同信號轉換的功能。能將感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的電信號。

1.4 圖像采集卡

圖像信號的傳輸對于傳輸速度有著很高的要求，所以需要運用高效的圖像采集裝置。

圖像采集卡。是一種可以獲取數字化視屏信息的高速裝置。并且它能夠儲存和播放這些信號。它是圖像采集部分和圖像處理部分的中轉站。圖像經過這樣的步驟轉化為數字圖像并且實現輸入、存儲，將信號傳輸到計算機中，利用軟件，還能進行圖片的后期處理。

采集圖像經過就是采樣量化之后轉換為數字圖像并輸入、存儲到幀存儲器的過程。從CCD相機得到的信號，經過視頻接口送到數字解碼器中──A/D轉換器[4]。對圖像視頻來源進行解碼和數字化，最后將這些信息存儲到電腦硬盤中。

1.5 計算機

圖像采集卡的輸出端和計算機相連，將數字化的圖像信息存儲在電腦的硬盤中。電腦屏幕同時也能同步顯示眼底情況，Tvplus3.0能夠使電腦連接上圖像采集卡上的信息。我們還可以通過其格式轉換軟件進行文件格式的轉換；通過圖像采集軟件對采集的圖像進行編輯處理[5]。由于圖像采集卡采用了視頻處理傳輸芯片，屏幕上可以是任意調節大小或全屏查看。這樣一來，醫生就能更加直觀清晰地觀察到患者眼底的情況，確定病變區域。更是能夠記錄，給病人一個更加直觀的感受，醫患之間的溝通更加簡單方便。眼底的信息還能進行轉載，當某個病例較復雜時。主治醫生就可以直接將圖像發送給任何一位同行，共同診斷，并且能夠快速得到答復。如此一來，醫療服務質量達到得到了提升。

2 軟件系統

軟件系統包括三個部分：圖像采集部分、圖像處理部分和圖像儲存部分。該系統最重要的部分是圖像采集部分[6]。

本系統基于智能手機和數碼顯微鏡成像模式，結合計算機和MATLAB圖像處理算法的圖像系統。使用MATLAB軟件圖像處理工具箱和交互式GUI控件設計眼底血管造影成像處理系統。為此，提出了一種基于MATLAB的眼底成像處理系統，重點分析了灰度變換方法、直方圖均衡化、直方圖規范和邊緣檢測算法。MATLAB眼底影像處理系統可提高眼底影像的對比度，降低噪聲干擾，從而有效提高眼底影像質量，為眼科醫師的臨床診斷提供可靠依據[7]。

3 軟件設計及主要系統功能

該軟件具有一般視頻圖像工作站的基本功能。圖像采集功能可以實時采集眼底信息并自動以AVI格式保存在指定的文件目錄中；靜態圖像的快速圖像采集，捕獲的圖像可以根據需要存儲為BMP、JPEG等格式；后期的圖像處理功能包括靜態圖像翻轉、多重顯示、邊緣增強、文本編輯等。此外，圖像的大小、裁剪、測量、亮度、對比度、色度、飽和度都可以實時調整。

報告診斷系統包括患者信息錄入、查詢、患者圖像信息瀏覽、處理、診斷報告圖文信息編輯、打印等。

4 總結及展望

在探索直接檢眼鏡圖像數字化的過程中，有很多檢眼鏡和圖像轉換的知識，醫療器械對持續改進和持續創新的要求。當前快節奏的生活方式，首先會導致人們的健康問題變得普遍和發展，其次，人們對醫療服務的要求只會越來越高。檢查效率低、醫療質量要求提高，只會迫使各種設備不斷改革創新，直接檢眼鏡也不例外。圖像的數字化不僅可以促進醫患交流、醫療信息的分析和研究；還可以實現單獨檢查和診斷兩個階段，提高效率，簡化流程，甚至可以實現系統自動篩選和遠程診斷。無論是從服務質量、經濟效益，還是醫療發展的角度來看，眼科檢查結果的數字化都將成為一種趨勢。

參照電子顯微鏡的原理，實現光信號→電信號→數字信號→傳輸到顯示器或PC機，實現圖像數字化和醫學信息的記錄、轉載和保存。隨著硬件性能的不斷優化，實惠的價格，以及醫療信息處理軟件的不斷完善，本系統在價格和質量上都會得到很好的發展。雖然目前的設計還很年輕，但相信在不久的將來，這項技術會更好。甚至可以加入常規體檢的行列，篩查大面積的眼底病變，減少眼部疾病的危害。

由于眼底鏡結構簡單、功能強大，在眼科檢查中得到廣泛的應用[8]。但是它檢查結果不能記錄的局限性，限制了醫療信息的交流，為醫患溝通、學術交流帶來了局限性。而且，如果能將檢查結果數字化，就能將檢查和診斷分開。一來，能大大提高檢查效率；二來，也能實現遠程診斷或是程序自動化診斷。如果這項技術得以成熟，并且能夠得到普及，那么就能實現眼底病變的定期、定區域篩查和普查。人體很多全身性的疾病都會在眼底體現，早期雖然不易察覺，但是通過眼底檢查就能進行初步的篩選（例如青光眼）。在青少年時期就實施一個普查，貧困地區定時的篩查，阻止或是延緩病情的惡化，降低國家醫療財政的壓力。最大限度地提高它的醫療價值；定時檢查，以確保能早期發現、及時治療；也要積極探索更精確耐用的設計，以改善醫療環境。