获取小切口深部手术中高质量图像的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种小切口深部手术图像的获取方法和装置，尤其是涉及一种获取小切口深部手术中高质量图像的方法及装置，包括壳体、LED显示器、键盘、照明系统、摄像系统和图像处理单元，其中所述照明系统包括光源组件，所述光源组件设有一冷光源接口，该冷光源接口上装有多根导光束，每根所述导光束均独立设置于一根可定型蛇形管内；所述摄像系统包括一个由可定型蛇形管固定在所述壳体上的高清CMOS微型摄像头，所述微型摄像头通过导线与所述图像处理单元连接；所述图像处理单元用于对所述摄像系统拍摄到的图像数据进行颜色校正、对比度增强、白平衡、测光模式及轮廓强调处理，最终通过所述LED显示器显示出来。
【专利说明】获取小切口深部手术中高质量图像的方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种小切口深部手术图像的获取方法和装置，尤其是涉及一种获取小 切口深部手术中高质量图像的方法及装置。
【背景技术】
[0002] 随着医疗科技的不断发展，在目前的开放性W及小切口、微创手术中技术已经开 展普及在腹腔、胸腔等各个科室。W往的设备例如无影灯照明和摄像则无法进行手术照明 和摄像，所W在小切口手术时医生只能选用手术头灯和头灯摄像。
[0003] 近年来，对手术头灯和头灯摄像的研发也在不断更新，方向主要集中在减轻手术 头灯的重量，增加手术头灯摄像的清晰度，W此让手术医生更加舒适的进行小切口手术的 深部照明和摄像。但是手术大夫头上的装备无论如何轻，手术时间超过一个小时后，大夫的 不适感将会逐渐增加，包括手术头灯的光热量对于额头的影响也会随着时间越来越大。
[0004] 同时，随着微型CCD摄像机的引入，越来越多的医生青睐于此，但微型CCD摄像机 的问题也逐渐暴露，一是微型摄像传感器敏感度不够，在很多腔体手术中呈现到显示屏上 的图像亮度不足，阴影现象明显。二是在组织和血管上的区别不够细腻，主要是显示色彩和 实际色彩存在差异，在很多关键部分的手术上给医生造成很大的压力。
[0005] 在当前小切口微创技术开展普及的同时，现有手术头灯和头灯摄像存在W下问 题：
[0006] 第一.摄像距离远，从而清晰度成为头灯摄像的硬伤，并且在使用手术头灯进行 深部照明时，离得太远会亮度不足，离得太近会造成手术大夫头部不适及无法达到无影的 效果；大夫在手术时的头部晃动会造成录制的视频的晃动，需要后期的编辑，录制下来的视 频无法同步进行远距离传输及远程会诊。
[0007] 第二.尽管微型内窥镜系统的图像清晰度、对比度相对常规电子内窥镜系统都得 到了长足的进步，可W发现形态或颜色发生明显改变的病灶，但是对于消化道微小的、扁平 的早期病变及异型增生则不易诊断，甚至常常导致漏诊，W及血管和表皮的混淆。
[0008] 第H .高清数字视频技术在微创手术中特别是腔体手术，呈现的图像光线不足， 阴影现象明显。该一现象必须通过在腔体范围内提供足够亮度的光源得W解决，然而在 GB7906. 19-2000中明确规定，冷光源在体内组织上的照射温度不得高于4rC，所W如何在 执行国标的同时提高光源的亮度目前的解决方案还不明确。
[0009] 第四，我国是一个幅员广阔的国家，医疗水平有明显的区域性差别，特别是广大农 村和边远地区医疗技术相对较差。优质医疗资源集中在省级及地市级医院，基层群众必须 前往省级及地市级医院才能享受专家的优质医疗服务。在十二五计划中，国家重点突出了 将物联网应用在医疗领域，实现远程会诊、远程监护等功能，用于加强两极医疗资源的融 合。故对于摄像医疗设备来说，远程功能特别是无线远程传输功能将逐渐成为一种重要发 展趋势。
[0010] 综上所述，本领域人员急需一种能获得完全满足于小切口深部手术要求的高质量 图像资料的方法及装置，W实现小切口深部手术的创新。
【发明内容】
[0011] 为克服现有技术的不足之处，本发明的目的之一是提供一种获得高质量的小切口 深部手术视频的方，W解决现有手术头灯和头灯摄像存在的技术问题，W适应当前在医疗 领域高速发展的物联网技术法，本发明的另一目的是提供一种专用于该方法的手术照明摄 像装置。
[0012] 本发明所采用的技术方案是；获取小切口深部手术中高质量图像的方法，包括W 下步骤：
[0013] 首先，采用固定式手术照明摄像设备进行近距离拍摄，所述手术照明摄像设备具 有高清CMOS微型摄像头和高亮度冷光源，所述高清CMOS微型摄像头及高亮度冷光源均采 用可定型蛇形管进行固定，便于深入患者切口内部进行照明和摄像，保证了腔内组织的图 像足够清晰；采用固定式摄像设备，图像稳定，不会产生晃动，采用可定型蛇形管，可进行近 距离照明和摄像，避免出现因摄像距离过远，造成图像清晰度差，亮度低的问题；
[0014] 其次，对所述图像进行校正与优化；包括颜色校正、对比度增强、白平衡、测光模 式、轮廓强调，所述颜色校正是基于YUV颜色空间的四邻域多项式回归法，步骤如下；①将 摄像头采集到的RGB信号数值按照下式转换成YUV的数值，通过排除Y对U、V色差信号进 行多项式回归法拟合，参照标准色卡，最后获得校正系数矩阵A : -Jl「0.3 0.59 0.11 -「如
[00 巧] ^/ = -0.15 -0.29 0.44 ? G F」L 0.51 -0.52 -0.095 \_B
[0016] ②根据多项式回归法，通过对标准色卡电子镜成像的U、V、UV的线性组合，来实现 对色卡的标准的U。、V。、u"v。分量进行拟合，具体表达式如下： 1/q =
[0017] < V。二 a典切寺 a^UV > U,K = a,,U+a,,F+a,,UF
[0018] 上式的矩阵形式为：
[001 引 X = AW
[0020] 其中X是取标准色卡的各色块的标准U、V、UV分量构成3 X 24维矩阵： 飞 U机...締/
[0021] Kl ^24 _ ^/^2 …^」；
[0022] W是标准色卡电子镜实际成像测得的U、V、UV分量构成3x24维矩阵： Un U。- U…
[0023] W= Vn --? V。-, UV化UVn … UV似. y
[0024] 由最小二乘法原理推导得：
[0025] A = X ? WT ? (W ? WT) -1 ;
[002引矩阵A即所求的模型参数，其中，上标T表示矩阵转置，上标-1表示矩阵的逆，A 是维数为3x3的转换系数矩阵： f \ ^ll 该11 访 13
[0027] A = 幻22 《23. 作31 "32 《33
[002引 由所述矩阵A计算获得校正过的U、V、UV分量；
[0029] ③对Y亮度信号采用四领域方法处理；设定i为行，j为列，四邻域坐标即（i，j)、 (i，j+1)、（i+1，j)、（i+1、j+1)，求出该四个像素的平均R、G、B的数值，按照上述RGB与YUV 数值的转换公式进行转换，得出Y亮度分量的四个像素的平均值；
[0030] ④通过所述校正过的U、V、UV分量，再通过反向转换公式求得相应的RGB值，再运 用现有的编码算法把8位的R、G、B中的每路基色信号数据，通过最小转换编码为包含行场 同步信息、时钟信息、数据DE、纠错信息在内的10位数据，经过DC平衡后，最终通过L邸显 示屏显示出来。
[0031] 优选的，所述步骤④中，所述10位数据采用差分传输，一路通过L邸显示屏显示， 另一路通过数字视频接口输出到通信网络的云端服务器上。
[0032] 一种用于获取小切口深部手术中高质量图像的装置，包括壳体、L邸显示器、键盘、 照明系统、摄像系统和图像处理单元，其中所述照明系统包括光源组件，，所述光源组件在 所述壳体表面设有一冷光源接口，该冷光源接口连接有多根导光束，每根所述导光束均独 立设置于一根可定型蛇形管内；
[0033] 所述摄像系统包括一个由可定型蛇形管固定在所述壳体上的高清CMOS微型摄像 头，所述微型摄像头通过导线与所述图像处理单元连接；
[0034] 所述图像处理单元用于对所述摄像系统拍摄到的图像数据进行颜色校正、对比度 增强、白平衡、测光模式及轮廓强调处理，最终通过所述L邸显示器显示出来。所述图像处 理单元优选方案为基于多DSP的在线可重构数字图像并行处理系统。
[0035] 所述照明系统采用大功率L邸作为光源，配合恒流源驱动电路和聚光模组，将该 光源的光通量提高到1000流明W上，再通过多根导光束将该高亮度光源分流到多个支路 上，最后照射到患者腔内组织上；多根导光束的设计一方面是模拟无影灯效果，在腔体内产 生接近无影的效果，另一方面通过单根导光束输出的光源照度在腔内组织上的温度远小于 41 度，W满足 GB7906. 19-2000 的规定。
[0036] 优选的，所述光源组件包括聚光模组，所述聚光模组包括四块凸透镜片、一块红外 滤光镜片、精密隔圈、聚光模组外壳和后盖，所述四块凸透镜片用于将LED的散光聚合成密 集的强光束，并通过所述红外滤光镜片滤除其中的红外波长；所述四块凸透镜片之间均设 有一精密隔圈；所述聚光模组外壳与后盖采用螺纹连接，将所述精密隔圈和凸透镜片固定 在内腔中；在所述后盖的相切面上有直通的螺纹孔，连接紧固后用顶紧螺丝将整个聚光模 组加固成一体。
[0037] 进一步的，所述精密隔圈采用铅合金材料制成，其表面均锻有反光层。
[0038] 进一步的，所述聚光模组外壳、后盖W及四个精密隔圈均采用4044铅合金材料制 成。
[0039] 优选的，所述装置还包括无线网络通讯模块，该通讯模块与所述图像处理单元输 出端连接，用于将所述图像处理单元输出的图像信号通过无线网络向云端服务器传输图像 数据。
[0040] 有益效果：
[0041] 1、首先在结构上进行优化，避免了医生佩戴头灯和头灯摄像的种种弊端。通过便 携式结构设计，所有配件均可W进行快速接插件连接。摄像部分采用微型高清COMS传感 器，可轻易深入切口内部；同时根据光学原理设计非标的专用导光束W及附属设备，用来保 证光照的均匀性，基本实现了腔内的全方位照明，达到了腔内无影的效果。摄像臂W及光源 臂均可自由调整，使用灵活、固定牢靠。
[0042] 2、摄像处理部分采用高清图像处理加强算法及多种优化技术。通过图像数据的采 集，图像的重建（去马赛克），运用典型图像处理算法（颜色校正、白平衡、轮廓强调、测光模 式、对比度增强）与化SU法血管识别算法，动态多光谱技术相结合、增强细微血管与周围组 织对比度效果；
[0043] 3、采用大功率恒流源技术代替W往的恒压源控制，并加入PID闭环反馈实现冷光 源L邸的输出稳定，同时加载聚光模组，减小散光引起的光热转换，避免组件闭环内的温漂 差异，提高整体输出光通量。
[0044] 4、集成录制、WIFI、3G模块端口，在录制的同时可同步匹配现有的医疗物联网技 术，实现远程会诊、远程医疗监视。可W对乡镇村在操作手术的过程中进行同步指导W及保 存视频用于术后研讨学习交流使用，使乡镇村卫生院在实践中不断积累正确的经验，实现 单独正确操作手术治疗重症患者的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0045] 下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
[0046] 图1为本发明的立体视图，
[0047] 图2为本发明光源组件示意图，
[0048] 图3为聚光模组结构图，
[0049] 图4为聚光光路图，
[0050] 图5为PID闭环反馈系统控制框图，
[0051] 图6为YUV颜色校正算法流程图，
[0052] 图7为本发明各单元功能示意图。
[0053] 图中；1视频输入接口；2摄像组件；3可定型蛇形管；4高清CMOS微型摄像头；5冷 光源接口；6导光束；7光源组件；8、10、14、17凸透镜片；9、11、13、16为精密隔圈；12红外 滤光镜片；15聚光模组外壳；18顶紧螺丝；19后盖；20导光束接口；21亮度值显示界面；22 键盘；23LED显示器；24WIFI模块接口；2抓VI接口；26电源接口；27电源开关。
【具体实施方式】
[0054] 参见图7,如图所示，一种用于获取小切口深部手术中高质量图像的装置，包括壳 体、L邸显示器23、键盘22、照明系统、摄像系统和图像处理单元。26为12V电源接口，27为 电源开关，24为WIFI模块接口；25为DVI接口，21为亮度值显示界面。壳体右前方接口左 侧为视频输入接口 1，可匹配摄像组件2进行视频数据采集。
[00巧]照明系统包括光源组件7,光源组件7在所述壳体上设有一冷光源接口 5,该冷光 源接口 5连接有多根非标专用导光束6,导光束6 W树状结构分布，每根导光束6均独立设 置于一根可定型蛇形管内；目前图中给出的结构为一分四结构。导光束6采用二重构造， 纤芯采用具有高透光性能的特殊光学玻璃，外侧的包层采用的是抗风化性能强的玻璃。
[0056] 由上可知，本产品的摄像系统和照明系统均可自由活动和固定，与医生、患者均不 接触，使医生在诊疗时更加灵活。
[0057] 摄像系统包括一个由可定型蛇形管固定在壳体上的高清CMOS微型摄像头4 (下称 微型摄像头4)，微型摄像头4通过导线与图像处理单元连接；采用高清CMOS微型摄像头4， 比同类CCD摄像传感器的光敏感度要强，在相同光线的情况下亮度要高达2倍W上，同时可 定型蛇形管3可将摄像，微型摄像头4在空间范围内定型。
[0058] 图像处理单元用于对微型摄像头4拍摄到的图像数据进行颜色校正、对比度增 强、白平衡、测光模式及轮廓强调处理，最终通过L邸显示器23显示出来。图像处理单元优 选方案为基于多DSP的在线可重构数字图像并行处理系统。图像处理单元包括单片机系统 和多个工业级GPU,由GPU和单片机系统协同工作来处理图像处理的各个工作任务，单片机 系统和各GPU均采用现有技术，但对颜色校正算法进行了优化，在后面会详细叙述。
[0059] 用于获取小切口深部手术中高质量图像的装置，还包括无线网络通讯模块（如蓝 牙模块、Wifi模块、2G/3G通讯模块），用于将图像处理单元输出的图像信号，本实施例采用 Wifi模块，通过WIFI模块接口 24连接无线网络，向云端服务器传输图像数据。
[0060] 在光源性能上，光源组件7由内部采用大功率LED, W往的恒压源驱动方案不能保 证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性和寿命，因此我们采用恒流源驱动，为了避免 使用纯硬件恒流下的元器件精度偏差造成的亮度偏差，加入基于DSP采用PID算法形成闭 环反馈，保证了 L邸的光照强度和输出精度。同时，加入人机交互界面4和控制按键3,可根 据不同腔体环境和对象进行亮度的调整。
[0061] 参看图5,为本PID反馈控制的系统控制框图，I为给定的电流数值量，i为实际的 电流信号，通过DSP芯片AD端口通过采样得到的实际电流数值量IA，EI为设定值和实际值 的偏差值，通过PID对反馈控制系统的偏差值进行运算，因为采样周期非常短，用求和代替 积分，差商代替微商，使PID算法离散化，从而由微分方程变成差分方程。
[0062] PID算法控制子程序为：
[0063]
【权利要求】
1.获取小切口深部手术中高质量图像的方法，其特征在于包括以下步骤： 首先，采用固定式手术照明摄像设备进行近距离拍摄，所述手术照明摄像设备具有高 清CMOS微型摄像头和高亮度冷光源，所述高清CMOS微型摄像头及高亮度冷光源均采用可 定型蛇形管进行固定，便于深入患者切口内部进行照明和摄像，保证了腔内组织的图像足 够清晰；采用固定式摄像设备，图像稳定，不会产生晃动，采用可定型蛇形管，可进行近距离 照明和摄像，避免出现因摄像距离过远，造成图像清晰度差，亮度低的问题； 其次，对所述图像进行校正与优化：包括颜色校正、对比度增强、白平衡、测光模式、轮 廓强调，所述颜色校正是基于YUV颜色空间的四邻域多项式回归法，步骤如下：①将摄像头 采集到的RGB信号数值按照下式转换成YUV的数值，通过排除Y对U、V色差信号进行多项 式回归法拟合，参照标准色卡，最后获得校正系数矩阵A : '71「0.3 0.59 0.11]「， U - -0.15 -0.29 0.44 · G v\ [ 0.51 -0.52 -O.O95J [ff ②根据多项式回归法，通过对标准色卡电子镜成像的u、V、UV的线性组合，来实现对色 卡的标准的分量进行拟合，具体表达式如下： + ?γ^/V 1 ~ αι^ + α2?^+ a23UF > ~ a^UV 上式的矩阵形式为： X = AW 其中X是取标准色卡的各色块的标准u、V、UV分量构成3 X 24维矩阵： ^01 --' ^24 ^ · · ^024 U、 UVp …UV似· W是标准色卡电子镜实际成像测得的U、V、UV分量构成3x24维矩阵： Un Un "/24 W= νΛ Vn ··· FI24 υνη UVn …UVM . 由最小二乘法原理推导得： A = X · ffT · (ff · ffT)； 矩阵A即所求的模型参数，其中，上标T表示矩阵转置，上标-1表示矩阵的逆，A是维 数为3x3的转换系数矩阵： r an an "13、 γ Ka3\ a32 a33 y 由所述矩阵A计算获得校正过的U、V、UV分量； ③ 对Y亮度信号采用四领域方法处理：设定i为行，j为列，四邻域坐标即（i，j)、 (i，j+1)、（i+1，j)、（i+1、j+1)，求出这四个像素的平均R、G、B的数值，按照上述RGB与YUV 数值的转换公式进行转换，得出Y亮度分量的四个像素的平均值； ④ 通过所述校正过的U、V、UV分量，再通过反向转换公式求得相应的RGB值，再运用现 有的编码算法把8位的R、G、B中的每路基色信号数据，通过最小转换编码为包含行场同步 信息、时钟信息、数据DE、纠错信息在内的10位数据，经过DC平衡后，最终通过LED显示屏 显示出来。
2. 根据权利要求1所述获取小切口深部手术中高质量图像的方法，其特征在于：所述 步骤④中，所述10位数据采用差分传输，一路通过LED显示屏显示，另一路通过数字视频接 口输出到通信网络的云端服务器上。
3. -种用于获取小切口深部手术中高质量图像的装置，其特征在于：包括壳体、LED显 示器、键盘、照明系统、摄像系统和图像处理单元，其中所述照明系统包括光源组件，所述光 源组件在所述壳体表面设有一冷光源接口，该冷光源接口连接有多根导光束，每根所述导 光束均独立设置于一根可定型蛇形管内； 所述摄像系统包括一个由可定型蛇形管固定在所述壳体上的高清CMOS微型摄像头， 所述微型摄像头通过导线与所述图像处理单元连接； 所述图像处理单元用于对所述摄像系统拍摄到的图像数据进行颜色校正、对比度增 强、白平衡、测光模式及轮廓强调处理，最终通过所述LED显示器显示出来。
4. 根据权利要求3所述一种用于获取小切口深部手术中高质量图像的装置，其特征 在于：所述光源组件包括聚光模组，所述聚光模组包括四块凸透镜片、一块红外滤光镜片、 精密隔圈、聚光模组外壳和后盖，所述四块凸透镜片用于将LED的散光聚合成密集的强光 束，并通过所述红外滤光镜片滤除其中的红外波长；所述四块凸透镜片之间均设有一精密 隔圈；所述聚光模组外壳与后盖采用螺纹连接，将所述精密隔圈和凸透镜片固定在内腔中； 在所述后盖的相切面上有直通的螺纹孔，连接紧固后用顶紧螺丝将整个聚光模组加固成一 体。
5. 根据权利要求4所述一种用于获取小切口深部手术中高质量图像的装置，其特征在 于：所述精密隔圈采用铝合金材料制成，其表面均镀有反光层。
6. 根据权利要求4或5所述一种用于获取小切口深部手术中高质量图像的装置，其特 征在于：所述聚光模组外壳、后盖以及四个精密隔圈均采用4044铝合金材料制成。
7. 根据权利要求3-5任一项所述一种用于获取小切口深部手术中高质量图像的装置， 其特征在于：所述装置还包括无线网络通讯模块，该通讯模块与所述图像处理单元输出端 连接，用于将所述图像处理单元输出的图像信号通过无线网络向云端服务器传输图像数 据。
【文档编号】A61B1/313GK104224106SQ201410534860
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年10月12日 优先权日:2014年10月12日
【发明者】傅强, 沈爱宗, 葛建军, 曾国华, 龙萍, 马骙 申请人:合肥德铭电子有限公司