人工智能輔助下一種便攜式醫用內窺鏡技術探討

【關鍵字】醫用內窺鏡；便攜式；人工智能；WiFi 傳輸

引言

電子內窺鏡是一種醫療設備，主要用于通過口腔、鼻腔等途徑進入人體內部，檢查和治療消化道、呼吸道等內臟器官的疾病。它由鏡頭、燈光和顯微鏡等組成，能夠觀察病變情況并進行診斷和治療。這種醫療設備可以廣泛應用于胃潰瘍、十二指腸潰瘍、食管癌、肺部疾病等疾病的檢查、診斷和治療。在消化內科、呼吸內科等醫學專業中，電子內窺鏡被視為不可或缺的重要設備之一。它具有無創、高效、準確等優點，操作相對簡單，能夠減輕患者的痛苦，因此在現代醫學中扮演著不可或缺的重要角色。隨著科技的發展，人們對醫療過程的便捷性和準確性提出了更高的要求[1]。

近年來，人工智能技術飛速發展，為各行各業的智能化提供了技術支持，在醫療領域也是一大助力。尤其是在醫學影像等方面，包括智能圖像分析、圖像處理、輔助診斷、實時監測、數據分析與研究等等?？傮w而言，人工智能為醫生提供更好的輔助工具和決策支持，推動醫療技術的發展和進步[2]。

在一般性的腸胃檢查中，傳統內窺鏡圖像質量比較差，圖像傳輸方式單一且只在特定場所適用，另外，一些內窺鏡依托于醫用臺車，只適用于有限的場景，十分不便，已經無法滿足現代醫學的基礎性要求。與之相比，在人工智能輔助圖像處理情況下具有遠程數據傳輸方式的便攜式內窺鏡攜帶方便，圖像分辨率較好，可以觀察到病變的各個細微區域，在病情分析方面具有明確的優勢，患者和家屬也可以通過顯示器了解一定情況，增強治療依從性[3-5]。

一、便攜式醫用內窺鏡系統設計

便攜式醫用內窺鏡主要系統組成包括三部分，分別是：圖像處理系統、光源系統、圖像傳輸系統[6]。

（一）圖像處理系統

圖像處理系統包括：高分辨傳感器、圖像采集。

高分辨率傳感器具有更高的像素密度，可以捕捉更多的細節和信息，使圖像更加清晰和精確，更高的顏色深度和更大的動態范圍，并且具有更大的輸出尺寸，意味著它們可以生成更大的輸出尺寸。通過捕獲更多的信息和細節，高分辨率傳感器為后期處理提供了更多的空間，使得后期處理操作更加容易、精確。

（二）光源系統

光源設計在內窺鏡的便攜式設計中非常重要，因為它直接關系到內窺鏡的照明效果和圖像質量。我們根據內窺鏡的具體應用和要求進行選擇。除了光源本身，還注意到了照明均勻性、亮度調節、能耗、散熱等因素。此外，對于光源與內窺鏡的連接方式和控制方式也進行了合理設計，以確保穩定的光源供應和方便的操作性能。

（三）圖像傳輸系統

確定適合內窺鏡的WiFi模塊，確保與內窺鏡其他組件兼容，并具備穩定的信號傳輸、數據處理能力和適當的尺寸。在內窺鏡內部建立WiFi連接，使用TCP/IP協議作為圖像傳輸的協議，確保數據傳輸的穩定性和可靠性[7]。在圖像傳輸過程中，采用圖像壓縮技術減少數據量，提高傳輸速度，同時保證圖像質量。在WiFi傳輸過程中采用數據加密技術，保護了圖像數據的安全性。

二、人工智能輔助下的圖像處理系統

（一）高分辨率傳感器

高分辨率的圖像傳感器可以通過增加像素數量來提高圖像質量。CMOS傳感器相比于傳統的CCD（電荷耦合器件）傳感器具有許多優勢。首先，CMOS傳感器集成了模擬-數字轉換器（ADC），可以直接將模擬信號轉換為數字信號，減少了電路復雜性。其次，CMOS傳感器消耗較低的功率，因此電池壽命更長。此外，CMOS傳感器還具有更快的讀取速度和更好的響應性能。CMOS傳感器實現更高的集成度。由于CMOS工藝可以與其他電路集成在同一芯片上，因此可以實現更小、更輕、更便攜的攝像設備。

（二）信號處理

信號處理算法可以對采集到的圖像進行處理，以優化圖像質量并減少噪聲。常用的信號處理算法包括濾波、增強和去噪。例如，采用增強算法可以增加圖像的對比度和亮度，使得細節更容易被觀察到。為了實現強大的信號處理技術，需要使用高效的處理器和算法，并結合先進的圖像處理技術。本文選擇一種線性濾波算法來增強圖像數據的表達。

通常情況下，我們會定義一個二元函數f（x，y）來表示原始圖像。而經過濾波處理后得到的增強圖像則可以表示為另一個二元函數g（x，y）。濾波的基本應用公式可以表述為：

在這個公式中， 表示拉普拉斯算子（Laplacianoperator）; 當對應的矩陣中心為-4或者-8時，c的取值為-1，反之c的取值為1。

從拉普拉斯算子的作用矩陣式可以得知，當領域的中心像素灰度低于其所在鄰域內其它像素的平均灰度時，中心像素的灰度應進一步降低，反之若高于平均灰度時中心像素的灰度應進一步提高，從而實現圖像的銳化處理。因此，利用拉普拉斯算子處理原始圖像可以產生描述灰度突變的中間結果圖像。接著，將中間結果圖像與原始圖像疊加，就可以得到銳化圖像，最終達到圖像修復性增強的效果。

在實際的實驗仿真與測試中，我們可以利用MATLAB軟件內置的imflter函數來實現拉普拉斯線性空間濾波器的算子。

另外，圖像黑白二值化的處理也是一種常見的圖像增強技術。通過該技術，我們可以在一定程度上過濾圖像的噪聲，并且更加突出強化了圖像輪廓的細節。因此，在對彩色圖像進行增強之后，可以使用黑白二值化的圖像處理作為適當的輔助分析方法，以過濾圖像噪聲和強化圖像邊緣輪廓[8]。

三、光源技術

光源技術可以提供更好的照明，使得觀察到的組織結構更為清晰。常用的光源技術包括LED和激光。LED光源可以提供均勻而穩定的照明，LED光源相對于激光光源來說更安全。激光光源產生的光束具有高能量和高濃度，如果使用不當可能會對人體和物體造成損傷。而LED光源產生的光束較為散射，能量分布均勻，對人體和物體的危害較小。這使得LED光源在各種應用場景中具有更大的靈活性和適應性。

四、圖像數據傳輸系統

（一）確定WiFi模塊

首先我們在內窺鏡內部設有容納WiFi模塊的拓展接口，并且保證與內窺鏡的其他組件兼容。根據內窺鏡設備的需求和規格選擇合適的WiFi模塊，我們選擇加裝無線局域網WiFi模塊確保其具有穩定的信號傳輸、良好的數據處理能力以及適當的尺寸。并且在內窺鏡內部有足夠的電源來支持WiFi模塊的正常工作。

（二）建立網絡連接

內窺鏡和其他設備需要同時連接到同一WiFi網絡，這就需要內窺鏡支持相應的WiFi協議，我們選擇的協議為802.11ax，是最新的WiFi標準。一旦連接到WiFi 網絡，內窺鏡就可以與其他連接到同一網絡的設備進行通信。

（三）圖像傳輸

選擇合適的圖像傳輸協議來確保數據傳輸的穩定性和效率。在內窺鏡與其他設備傳輸時，我們選擇TCP/IP協議，這是一種通用的網絡傳輸協議，也可以用于圖像傳輸。TCP/IP協議提供可靠的數據傳輸，可以對數據進行分段，傳輸后再進行重組。TCP/IP協議使用源端口和目標端口來標識不同的應用程序，使用IP地址來標識不同的設備。

在傳輸過程中，我們還通過圖像壓縮技術減小數據量，提高傳輸速度，同時保證圖像質量。我們選擇的圖像壓縮格式為PNG格式。PNG格式采用無損壓縮，這意味著即使進行壓縮，也不會導致圖像質量的損失。PNG格式是一種開放格式，沒有專利限制，因此可以自由使用而不必擔心版權問題。PNG格式支持不同的顏色深度，包括索引色和真彩色，能夠滿足不同圖像色彩的需求。

在數據傳輸過程中采用TLS加密協議，有效保護內窺鏡傳輸的圖像數據的安全性，防止敏感信息泄露和數據篡改的風險。增強內窺鏡系統的安全性，保護患者隱私和醫療數據的機密性。

結語

本文設計便攜式醫用內窺鏡在醫療領域中可以起到重要的作用。它為醫生和醫療專業人員提供了一種方便、靈活和可靠的工具，用于進行檢查、診斷和治療。

通過合理的光源設計，便攜式內窺鏡可以提供高質量的照明效果，確保圖像清晰度和對比度，從而幫助醫生準確地觀察和評估患者的病情。

同時，便攜式內窺鏡的人工智能輔助圖像處理技術還可以進─步提升其在診斷和治療中的效果。針對圖像處理選擇的濾波算法，可以改善便攜式內窺鏡所捕獲到的圖像質量。借助機器學習和深度學習技術，利用人工智能技術來提取有價值的信息并進行數據追蹤，為醫生提供更準確的診斷和治療建議。

此外，數據存儲和傳輸的設計使得醫生可以將檢查過程和圖像保存下來，方便后續的分析和回顧。同時，無線傳輸功能也使得遠程診斷和咨詢成為可能，提高了醫療資源的利用效率。

總體而言，本文所進行的便攜式醫用內窺鏡設計不僅要關注技術實現，還要兼顧醫療需求和用戶體驗，以提供更好的醫療服務。隨著科技的不斷進步，我們可以期待便攜式內窺鏡在未來發展得更加先進和多功能化。