专利名称：内窥镜照度的智能调节装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是ー种医疗器械自动控制技术领域的装置，具体是ー种内窥镜照度的智能调节装置。
背景技术：
近年来，医用内窥镜系统在临床医学中得到广泛应用。医用内窥镜是ー种可以将摄像头放入人体内的微型摄像系统，在自备光源照射下，通过光学系统将被观察目标成像在图像传感器的靶面上，由光信号转变为电信号，经放大、图像处理后在显示器上显示清晰 的放大图像。在内窥镜系统的协助下，医生能更好地发现人体内软硬组织上发生的病变，并能让患者直观地、全面地了解自己身体中存在的各种问题。这些图像还能通过相应的通信接ロ存储在患者的数据库中，与文字、图形、X射线片图像等信息共同组成新一代的电子病历，能很方便地调阅和用于会诊，学术报告等场合，是新医疗模式的ー个重要特点。尽管内窥镜作为人体内器官诊疗的医疗器械在临床上已经日益显示出其重要的医学意义和作用，但是，根据内窥镜不同的制造エ艺，其技术性能却存在着极大的差别。其中，借助冷光源通过导光束来提供合适的亮度以便达到诊断和治疗的效果是医生进行临床观察时竭カ追求的技术境界，然而，也是当前内窥镜配套エ艺技术尚未真正解决的技术难题。这是因为人体内器官生理条件极为复杂、多变，如病人可能存在积水、积便、内压波动、内脏蠕动等，造成被观察病灶处于非常复杂的运动状态，被观察部位往往相对内窥镜的采像点处于不稳定状況，一旦冷光源亮度不足，远处病灶可能会模糊不清，反之，亮度过强又容易引起泛光反射与衍射等现象，同样会影响图像的清晰度。要在内器官复杂的生理环境条件下取得良好的观察效果，冷光源输出光照度的智能化自动调节技术成为ー项至关内窥镜临床诊断准确性的关键技木。当前较为流行的方法是通过CXD内置的自动增益来实现成像清晰度的适度补偿，然而，此类方法并不具备调光功能，加上CCD自动增益调节范围小，増益调节模块已经集成于CXD内置的DSP模块上，无法进行修改或二次开发，这就极大程度地限制了临床使用的环境与条件，还必须要求病人的高度配合。显而易见，当前使用的内窥镜所配备的冷光源输出光照度不具备智能化调节功能严重制约了内窥镜的临床使用效果。本发明不但能够极大限度地提高现有内窥镜技术水平，而且能够有效实现内窥镜照度的智能化调节。经对现有技术文献的检索发现，专利“口腔显微内窥镜”(申请号200810052271.6,尚未授权)介绍“ー种口腔显微内窥镜，有电源，显微成像単元和照明单元，以及对应设置在显微成像単元的末端的图像传感器，分别与图像传感器的输出端相连的控制单元和监视器，电源分别连接图像传感器和照明単元。显微成像単元有接收待观测目标的第一组成像物镜和与图像传感器的输入端衔接，将所接收到的图像送到图像传感器的第二组成像物镜，设置在第一组成像物镜和第二组成像物镜之间的转向装置。照明单元有与电源相连的光纤冷光源，与光纤冷光源相连的耦合透镜，以及一端与耦合透镜相连，另一端用于照明待观测目标的照明光纤束。本发明可以随意观察牙齿的任意细节，也可以进行不同尺寸细节的连续观察，具有发热低，连续工作，调节色温，改变光纤出光照度等特点。”但是，该专利所述的“改变光纤出光照度”是通过人工观察显微图像效果，再由人工调节“色温滤光片”来改变“光纤出光照度”。专利技术说明书中所述“控制単元”也仅仅是用于处理“采用反射镜时，因为经过奇数次反射，存在镜像问題”。因此，该项技术在“光纤出光照度”的调节存在较大的技术不足。又经对现有技术文献的检索发现，刘涛的“ 口腔微腔成像系统的设计与实现”(2008年，天津大学工学硕士学位论文)“针对牙科医生临床诊断的实际需要设计观察口腔内微小细节的口腔微腔成像系统，进行口腔内窥镜仪器的研制，主要包括口腔内窥镜仪器的总体设计方案的制定、口腔微腔成像光学系统设计、仪器照明系统设计、产品的机械设计以及样机产品的实验测试等部分”，其中，对照明系统的设计给出了较为详尽的方案，井口腔内窥镜系统的照明提供了光源及光纤的选择方法。但是，该论文始終未涉及内窥镜系统的光纤照度调节技术问题
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供ー种内窥镜照度的智能调节装置，能够通过信号处理器对接收到的图像信息进行智能判断来优化冷光源照度的输出强度。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括医用内窥镜、图像采集卡、信号处理器、控制器、开关电源模块、冷光源。医用内窥镜的图像输出接ロ与图像采集卡的输入接ロ连接，图像采集卡的输出接ロ与信号处理器的输入接ロ连接，信号处理器的输出接ロ与控制器的输入接ロ连接，控制器的输出接ロ与开关电源模块的控制信号输入接ロ连接，开关电源模块的电源输入接ロ与直流电输出接ロ连接，开关电源模块的输出接ロ与冷光源的输入接ロ连接。冷光源发出的光照度射入医用内窥镜，医用内窥镜将光信号转变成图像信号，并通过其图像输出接ロ将图像信号经图像采集卡传送给信号处理器；信号处理器接收图像采集卡传送的图像信号并进行处理，通过建立经典彩色图像及其色彩特征数据库，对实时采集的图像进行偏色校正、图像亮度校正，并将冷光源照度输出控制指令传送给控制器；控制器根据接收到的信号处理器控制指令，改变开关控制信号输出相位，使得开关电源模块输出的直流电压产生相应的变化，进而改变了冷光源的工作电压，因此冷光源输出照度获得优化调节。所述医用内窥镜，由头端部、弯曲部、主软管、操作部、微型(XD、图像输出接ロ、导光插头构成机电一体化部件。头端部，包括微型凸透物镜、传像光纤始端、传光光纤末端；微型凸透物镜设置于头端部的前端，用于接收来自物体表面的反射光；弯曲部是头端部与主软管的中段机械连接部件，头端部的后端与弯曲部的前端连接，弯曲部的后端与主软管的前端连接，主软管中的传像光纤后端与微型CXD的输入端ロ连接；微型CXD即微型电荷耦合图像传感器，制作时在其输入接ロ已经将微型凸透目镜与CXD芯片集成、固化在一起；微型CXD的输出端ロ与图像输出接ロ连接；主软管除了包裹传像光纤和传光光纤之外，还包含一根调节内窥镜头端部窥视角度的微细钢丝，微细钢丝的前端与头端部的前端机械紧固，微细钢丝的后端与操作部的调节旋钮连接，随着操作部调节旋钮的转动能够改变微细钢丝在主软管中的长短尺寸，进而改变弯曲部的曲率，因此能够达到头端部窥视角度的变化；主软管中的传光光纤后端与导光插头光输出端ロ连接。从冷光源发出的光，由导光插头光输入端ロ将冷光源光束送入传光光纤，经传光光纤将冷光源光束传输到头端部照明被观察物体或视场。为使整个视场照度均匀，传光光纤照明范围应大于视场角，因此不仅要求传光光纤的直径尽量小，柔软性好，而且要求有较高的数值孔径，才能达到提高视场光照度的要求。被观察物体的反射光经过头端部得微型凸透物镜汇聚后，成像于传像光纤的端面上，经过传像光纤传出，再经过微型凸透目镜放大后，投射到CXD的靶面上通过光电转换，把光信号转变成图像像素序列电信号，通过图像输出接ロ将图像信号经图像采集卡传输到信号处理器。所述信号处理器，包括输入接ロ、信号处理模块、数据库模块、输出接ロ。输入接ロ输入端ロ接收来自图像采集卡输出的数字图像信号，输入接ロ输出端ロ与信号处理模块的输入端ロ连接；信号处理模块的输出端ロ与输出接ロ的输入端ロ连接；数据库模块作为信号处理器的内存模块通过数据总线与信号处理模块进行数据交互；输出接ロ的输出端ロ与控制器的输入接ロ连接。
所述数据库模块，其结构由区构成，每个区存储人体器官内部经典彩色图像及其色彩特征数据，如食道区存储食道内窥镜经典彩色图像及其色彩特征数据，胃区存储胃壁内窥镜经典彩色图像及其色彩特征数据，结肠区存储结肠壁内窥镜经典彩色图像及其色彩特征数据等。所述色彩特征，包括RGB彩色空间三基色R (红)、G (緑)、B (蓝)的像素值R0 (U，V)、G0 (u，v)、B0 (u，v)及其匹配比例系数、均值瓦(", 、(~l, (", V)、B0 (//, V)和三均值之间的最大与最小值。R0(u, V)、Gq(u，V)、Bq(u，v)又被称为经典图像像素值，其均值为
K ("，、’)=—L Σ ("·v)
1 m JiG0 (h, v)=——ΣΣ(;0( ，ν)(公式一)
/x,(W,v)=—及其综合均值J。为= r^r^hIr^("’V) + がん("’V)+hI("，v)](公式ニ )其中，m、η分别为图像坐标的行、列数；r、g、b分别为三基色R、G、B的匹配比例系数。三均值之间的最大与最小值为
1Oimx (w’v)=眶[尾(u,v),G0(u,y),B0 ( へV)]、 (公式三)
Ainnn ("，り=1!1111ド (". Γ),(ん("'V), /ん(".V)」其中，(U，V)为内窥镜所采集到图像的像素坐标，U、V分别表示图像的列与行坐标值。Itlmax (U，V)、Itlmin(U，V)又被分别称为经典图像的最大、最小亮度输出。所述信号处理模块对接收到的图像信号进行处理，首先分别获取RGB实时彩色图像的R、G、B三基色像素值及其均值，然后对实时采集的图像进行偏色校正，再选取偏色校正后的三基色像素值中的最大与最小值，进行图像亮度校正，接着求取图像亮度校正后的图像像素均值及其综合均值，通过比较图像亮度校正后的图像像素综合均值与数据库中经典图像像素综合均值的大小，最終将调节冷光源照度的控制指令输出给控制器。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果①使得内窥镜临床操作十分简便，临床医生能够全神贯注地寻找与观察病灶，不必为调节照度而费神、费カ；②无论内窥镜如何弯曲，其照度能够实现智能调节并达到优化效果。因此，本发明既是能够省时省事、提高医疗诊断效果与效率的一项新技木。
图I是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明中信号处理器的结构框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图I所示，本实施例包括医用内窥镜I、图像采集卡2、信号处理器3、控制器4、开关电源模块5、冷光源6。医用内窥镜I的图像输出接ロ与图像采集卡2的输入接ロ连接，图像采集卡2的输出接ロ与信号处理器3的输入接ロ连接，信号处理器3的输出接ロ与控制器4的输入接ロ连接，控制器4的输出接ロ与开关电源模块5的控制信号输入接ロ连接，开关电源模块5的电源输入接ロ与12V直流电输出接ロ连接，开关电源模块5的输出接ロ与冷光源6的输入接ロ连接。从冷光源6发出的光，由导光插头光输入端ロ将冷光源6光束送入传光光纤，经传光光纤将冷光源6光束传输到头端部照明被观察物体或视场。所述医用内窥镜，采用规格型号为0° /Φ4Χ170 (mm)的内窥镜，即头端部的物镜平面与弯曲部断面平行，或者说交角为0°，外径为4mm，软管长度(即弯曲部与主软管的总长)为170_。被观察体的反射光经过头端部得微型凸透物镜汇聚后，成像于传像光纤的端面上，经过传像光纤传出，再经过微型凸透目镜放大后，投射到CXD的靶面上通过光电转换，把光信号转变成图像像素序列电信号，通过图像输出接ロ将图像信号经图像采集卡2传输到信号处理器3。如图2所示，所述信号处理器3，包括输入接ロ 31、信号处理模块32、数据库模块33、输出接ロ 34。输入接ロ 31输入端ロ接收来自图像采集卡2输出的数字图像信号，输入接ロ 31输出端ロ与信号处理模块32的输入端ロ连接；信号处理模块32的输出端ロ与输出接ロ 34的输入端ロ连接；数据库模块33作为信号处理器3的内存模块通过数据总线与信号处理模块32进行数据交互；输出接ロ 34的输出端ロ与控制器4的输入接ロ连接。所述数据库模块33，其结构由区构成，每个区存储人体器官内部经典彩色图像及其色彩特征数据。所述经典图像，即由内窥镜图像传感器获取的色彩与清晰度俱佳的人体器官内部彩色图像，称之为人体器官内部经典彩色图像，简称经典图像，如食道区存储食道内窥镜经典彩色图像及其色彩特征数据，胃区存储胃壁内窥镜经典彩色图像及其色彩特征数据，结肠区存储结肠壁内窥镜经典彩色图像及其色彩特征数据等。所述色彩特征，包括=RGB彩色空间三基色R (红)、G (绿)、B (蓝)的像素值R0 (u，v)、G0(u，v)、B0(u，v)及其匹配比例系数、均值良い，1，)、(んぃ，)、パ。("」’)和三均值之间的最大与最小值。R0(u, V)、Gq(u，V)、Bq(u，v)又被称为经典图像像素值，其均值为
权利要求
1.一种内窥镜照度的智能调节装置，其特征在于，包括医用内窥镜、图像采集卡、信号处理器、控制器、开关电源模块和冷光源；医用内窥镜的图像输出接口与图像采集卡的输入接口连接，图像采集卡的输出接口与信号处理器的输入接口连接，信号处理器的输出接口与控制器的输入接口连接，控制器的输出接口与开关电源模块的控制信号输入接口连接，开关电源模块的电源输入接口与直流电输出接口连接，开关电源模块的输出接口与冷光源的输入接口连接；冷光源发出的光照度射入医用内窥镜，医用内窥镜将光信号转变成图像信号，并通过其图像输出接口将图像信号经图像采集卡传送给信号处理器；信号处理器接收图像采集卡传送的图像信号并进行处理，通过建立经典彩色图像及其色彩特征数据库，对实时采集的图像进行偏色校正、图像亮度校正，并将冷光源照度输出控制指令传送给控制器；控制器根据接收到的信号处理器控制指令，改变开关控制信号输出相位，使得开关电源模块输出的直流电压产生相应的变化，进而改变了冷光源的工作电压，因此冷光源输出照度获得优化调节。
2.根据权利要求I所述的内窥镜照度的智能调节装置，其特征是，所述信号处理器包 括输入接口、信号处理模块、数据库模块和输出接口 ；其中输入接口输入端口接收来自图像采集卡输出的数字图像信号，输入接口输出端口与信号处理模块的输入端口连接；信号处理模块的输出端口与输出接口的输入端口连接；数据库模块作为信号处理器的内存模块通过数据总线与信号处理模块进行数据交互；输出接口的输出端口与控制器的输入接口连接。
3.根据权利要求2所述的内窥镜照度的智能调节装置，其特征是，所述数据库模块，其结构由区构成，每个区存储人体器官内部经典彩色图像及其色彩特征数据；所述人体器官内部经典彩色图像，即由内窥镜图像传感器获取的色彩与清晰度俱佳的人体器官内部彩色图像； 所述色彩特征，包括=RGB彩色空间三基色R(红)、G (绿)、B (蓝)的像素值Rtl (u, v)、G0(u, V)、Bq(U，V)及其匹配比例系数、均值^o(M,V)、G(M,V)、瓦(M,V)和三均值之间的最大与最小值。
4.根据权利要求2所述的内窥镜照度的智能调节装置，其特征是，所述信号处理模块对接收到的图像信号进行处理，首先分别获取RGB实时彩色图像的R、G、B三基色像素值及其均值，然后对实时采集的图像进行偏色校正，再选取偏色校正后的三基色像素值中的最大与最小值，进行图像亮度校正，接着求取图像亮度校正后的图像像素均值及其综合均值，通过比较图像亮度校正后的图像像素综合均值与数据库中经典图像像素综合均值的大小，将调节冷光源照度的控制指令输出给控制器。
5.根据权利要求I所述的内窥镜照度的智能调节装置，其特征是，所述医用内窥镜由头端部、弯曲部、主软管、操作部、微型CCD、图像输出接口、导光插头构成；其中头端部包括微型凸透物镜、传像光纤始端、传光光纤末端，微型凸透物镜设置于头端部的前端，用于接收来自物体表面的反射光；弯曲部是头端部与主软管的中段机械连接部件，头端部的后端与弯曲部的前端连接，弯曲部的后端与主软管的前端连接，主软管中的传像光纤后端与微型CCD的输入端口连接；微型CCD即微型电荷耦合图像传感器，微型CCD的输出端口与图像输出接口连接；主软管中的传光光纤后端与导光插头光输出端口连接。
6.根据权利要求5所述的内窥镜照度的智能调节装置，其特征是，所述导光插头光输入端口将冷光源光束送入传光光纤，经传光光纤将冷光源光束传输到头端部照明被观察物体或视场，被观察物体的反射光经过头端部得微型凸透物镜汇聚后，成像于传像光纤的端面上，经过传像光纤传出，再经过微型凸透目镜放大后，投射到CXD的靶面上通过光电转换，把光信号转变成图像像素序列电信号，通过图像输出接口将图像信号经图像采集卡传输到信号处理器。
7.根据权利要求5所述的内窥镜照度的智能调节装置，其特征是，所述主软管除了包裹传像光纤和传光光纤之外，还包含一根调节内窥镜头端部窥视角度的微细钢丝，微细钢丝的前端与头端部的前端机械紧固，微细钢丝的后端与操作部的调节旋钮连接。
8.根据权利要求I所述的内窥镜照度的智能调节装置，其特征是，所述开关电源模块是由电力电子开关器件构成的输出电压可控的直-直开关电源电路。
全文摘要
本发明公开一种内窥镜照度的智能调节装置，包括医用内窥镜、图像采集卡、信号处理器、控制器、开关电源模块和冷光源；冷光源发出的光送入医用内窥镜，医用内窥镜将光信号转变成图像信号，并通过其图像输出接口将图像信号经图像采集卡传送给信号处理器；信号处理器接收图像采集卡传送的图像信号并进行处理，通过建立经典彩色图像及其色彩特征数据库，对实时采集的图像进行偏色校正、图像亮度校正，并将冷光源照度输出控制指令传送给控制器；控制器根据接收到的信号处理器控制指令，改变开关控制信号输出相位，使得开关电源模块输出的直流电压产生相应的变化，进而改变了冷光源的工作电压，冷光源输出照度获得优化调节。
文档编号A61B1/00GK102846301SQ20121005707
公开日2013年1月2日 申请日期2012年3月6日 优先权日2011年7月8日
发明者张秀彬, 张弓, 张艺博, 王胜永, 朱磊 申请人:上海交通大学