共聚焦显微内窥镜系统探头断丝监测方法与流程

本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种共聚焦显微内窥镜系统探头断丝监测方法。

背景技术：

共聚焦显微内窥镜是一种可以借助胃镜、结肠镜等通道伸入人体，获取局部组织学图像来实现微小病灶、胃肠道病变及早期胃肠道癌变的精准诊断的医疗设备。因为具有快速、准确且无创等特点，它可能在不久的未来取代传统的内镜活检与病理学检查，成为胃肠道疾病及早期胃肠道癌变诊断的主要手段及设备。

如CN102389288B、CN202342011U、CN1327264C等文献描述，共聚焦显微内窥镜的探头主要由微物镜组和光纤束组成。光纤束由数万根一定长度、直径仅有数微米的光纤紧密排列集合成束，经固化磨抛而成。光纤束是传递图像的二维阵列光学器件，其两端的光纤端面是一一对应的。传像过程中，图像被光纤束的每根光纤分割成不同的像元进行传输。共聚焦显微内窥镜检查过程中，探头可能会因为多次弯曲而产生疲劳，疲劳过度则容易造成光纤束断丝。如果光纤束中存在断丝，则断丝对应的光纤无法传递像元信息，在传输后的图像中对应位置会产生黑点。如果断丝状况超过一定限度，共聚焦显微内窥镜得到的图像中会产生伪像，图像质量不佳，可信度降低，无法为诊断提供有效的信息，甚至提供错误的诊断信息。这种情况下需要立即更换合格的探头进行检查，避免因探头断丝造成的不良后果。共聚焦显微内窥镜探头的断丝状况是共聚焦显微内窥镜系统中影响图像质量的一个重要因素，因而现有标准中对传像光纤束的断丝状况有以下规定：在YY/T 0283-2007中规定纤维传像束的断丝数在视场范围50％内，不得多于5根，总数不得多于10根。在YY 1028-2008中规定在视场直径范围的50％内断丝数不得多于3根，且断丝数不得相邻；在视场直径范围的50％外断丝数不得多于10根，且不得有3根及以上的断丝数相邻，相邻断丝数不得多于2处。

共聚焦显微内窥镜探头的断丝主要发生在检查过程中，目前为止未发现任何可以用于在共聚焦显微内窥镜检查过程中监测探头断丝的方法。与之相近的文献有如下两篇：《纤维光学内窥镜传像束断丝数的检测》(管丽梅，医疗装备2014年第4期)一文中设计了测标板用于对纤维光学内窥镜进行断丝数检测，肉眼通过目镜或显示器进行观察，这种方法适用于术前对机器状况进行检查，不适于检查过程中实时监测。《光纤传像束断丝率的自动检测》(陈前荣，沈英春，光纤与电缆及其应用技术)介绍了使用高分辨率数码相机获取光纤束端面图像由计算机处理，统计断丝率的方法。该方法计算量大，文中提到该方法处理一幅图像耗时256秒，这显然达不到检查过程中实时监测的要求。

技术实现要素：

本发明提供一种共聚焦显微内窥镜系统探头断丝监测方法，目的在于为现有共聚焦显微内窥镜检查过程中提供持续实时监测探头断丝状况的功能，发现断丝状况不合格时及时给出提示，使用户更换合格探头再行检查。

本发明提供一种共聚焦显微内窥镜系统探头断丝监测方法，其特征在于，该方法主要包括如下步骤：

步骤一：获取所述内窥镜系统的图像视场区域，其中该步骤的主要过程包括：

获取所述内窥镜系统在不同激光功率的两幅输出图像，求两幅输出图像差，对所述图像差进行平滑处理、阈值分割后提取最大连通域；

对所述连通域进行圆拟合获取所述拟合圆的圆心和半径，建立所述内窥镜系统的图像视场区域、中间半视场区域和外围半视场区域；

步骤二：获取每根光纤所属区域

获取所述内窥镜系统在K种不同激光功率下的图像，并且对所述图像都计算方差，找到方差最大值所对应的图像；

对所述方差最大值所对应的图像进行平滑处理及反转操作后，利用分水岭算法对其进行分割获得分割后的图像；

对所述分割后的图像提取连通域，获得多个连通域，提取所述每个连通域的质心并且建立质心点集，计算邻近质心点对距离均值；

对所述质心点集进行Denaulay三角剖分，形成三角网格，所述三角网格中的质心点以及与该质心点直接相连的质心点所代表的区域定义为簇；

步骤三：检测断丝

获取所述内窥镜系统采集的每一帧图像，从第2帧图像开始，计算所述步骤二中每个连通域的当前帧与前一帧信号值的变化量，计算所述步骤二中每个连通域的信号值累计变化量；计算所述步骤二中获得的簇中的每个簇所属区域的当前帧与前一帧信号值的变化量，计算所述步骤二中获得的簇中的每个簇所属区域信号值累计变化量；设置所述每个簇所属区域信号值累计变化量的阈值，当每个簇所属区域信号值累计变化量都大于所述阈值时停止获取所述内窥镜系统采集的图像，此时如果某个连通域信号值累计变化量小于所述阈值，则判定该连通域断丝。

进一步地，所述步骤一中的不同激光功率分别为所述内窥镜系统中的最大激光功率及最小激光功率。

进一步地，所述步骤三中的阈值为随机选取的区间(0,0.1]的常数乘以所述内窥镜系统能表述的信号最大值。

进一步地，在所述步骤三之后还包括步骤四：找出相邻断丝连通域，其中具体为：

获取所述步骤三中判定为断丝连通域的质心，生成集合；

计算任意两个断丝连通域质心的距离；

通过如下判定规则来判定任意两个断丝连通域是否相邻：将所述任意两个断丝连通域质心的距离与区间(1,2)内的随机常数乘以所述步骤二中所述邻近质心点对距离均值的结果进行比较，若小于等于，则判定所述两个断丝连通域是相邻的，否则判定为不相邻。

进一步地，在所述步骤四之后还包括步骤五，具体为：基于所述步骤四的结果完成如下指标的断丝统计，其中所述指标为视场内断丝总数、中间半视场内断丝总数、外围半视场内断丝数、中间半视场内断丝相邻数、外围半视场内断丝相邻数、中间半视场内断丝区域最大断丝数、外围半视场内断丝区域最大断丝数。

进一步地，在所述步骤五之后还包括步骤六：与标准或设置的指标进行对比，依据如下指标来判定断丝状况的合格：标准视场内断丝总数、标准中间半视场内断丝数、标准外围半视场内断丝数、标准中间半视场内断丝相邻数、标准外围半视场内断丝相邻数、标准中间半视场内断丝区域最大断丝数、标准外围半视场内断丝区域最大断丝数。

按照本发明实现的探头断丝的监测方法，能够取得如下的有益技术效果：

现有技术中的断丝检测方法在原理上或处理速度上无法满足共聚焦显微内窥镜检查过程中实时监测探头断丝状况的需求，只能用于术前检测探头断丝状况，而探头断丝发生在探头的使用过程中，即内窥镜检查过程中。本发明实现的探头断丝的监测方法，可以在共聚焦显微内窥镜检查过程中提供持续实时监测探头断丝状况的功能，发现断丝状况不合格时及时给出提示，使用户更换合格探头再行检查，可以避免因断丝造成的图像中出现干扰或伪像而导致的，图像质量不佳，可信度降低，无法为诊断提供有效的信息，误诊、漏诊等不良后果。

附图说明

图1是探头式共聚焦显微内窥镜的结构示意图；

图2是共聚焦显微内窥镜探头结构示意图；

图3是本发明提供的探头断丝状况监测方法流程示意图；

附图中各部件的标记如下：1为激光器，2为光纤环形器，3为准直镜组，4为光束扫描装置，5为中继镜组，6为耦合物镜，7为探头，8为光电探测器，9为处理单元，10为扫描控制单元，11为显示设备，701为微物镜组，702为传像光纤束，703为连接头。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，探头式聚焦显微内窥镜一般由以下部分组成：激光器1，光纤环形器2，准直镜组3，光束扫描装置4，中继镜组5，耦合物镜6，探头7，光电探测器8，处理单元9，扫描控制单元10，显示设备11。

如图2所示，共聚焦显微内窥镜探头由微物镜组701，传像光纤束702和连接头703组成。

具体实施例：

本发明提出的共聚焦显微内窥镜探头断丝状况监测方法，处理流程如图3所示：

(1)获取内窥镜系统图像视场区域：

(1.1)获取内窥镜系统在最大激光功率时的图像I^mx和最小激光功率时的图像I^mn；

(1.2)求图像I^mx和I^mn之差I^d：I^d＝|I^mx-I^mn|

(1.3)对I^d进行平滑处理，平滑结果图像为I^s；

(1.4)对I^s进行阈值分割，分割结果图像为S^s；

(1.5)在分割结果图像S^s上提取最大的连通域C^m；，即为视场区域A；

(1.6)对连通域C^m进行圆拟合，得到拟合圆的圆心O和半径R。内窥镜系统图像视场区域A、中间半视场区域Aⁱⁿ和外围半视场区域A^out定义为：

A＝{dist(P,O)≤R,P∈C^m}

dist(P,O)表示P和O两点间的距离。

(2)获取每根光纤所属区域：

(2.1)获取内窥镜系统在K种不同激光功率时的图像I₁,I₂,…,I_K；

(2.2)对图像I_k(k＝1,2,…,K)计算方差得到Var_k(k＝1,2,…,K)；

(2.3)找到Var_k(k＝1,2,…,K)最大值对应的图像I^m；

(2.4)对I^m进行平滑处理，平滑结果图像为I^s；

(2.5)对I^s进行反转操作，反转结果图像为I^v；

(2.6)使用分水岭算法对I^v进行分割，分割结果图像为S^v；

(2.7)提取S^v中的连通域，得到的连通域记为{C_n,n＝1,2,…,N}，每个连通域C_n表示一根光纤的所属区域；

(2.8)提取每个连通域C_n的质心Ctd_n；

(2.9)将质心点集{Ctd_n,n＝1,2,…,N}进行Denaulay三角剖分，形成三角网格，三角网格中Ctd_n以及与Ctd_n直接相连的质心点所代表的光纤区域定义为簇{Cls_n,n＝1,2,…,N}；

(2.10)计算邻近质心点对距离均值d^m。

(3)检测断丝：

(3.1)获取内窥镜系统采集的图像并计算信号变化量：

从任意时刻开始获取内窥镜系统采集的每一帧图像，记采集的第j帧图像为M^j(j＝1,2,…)。从第2帧开始，计算每个连通域C_n当前帧M^j与前一帧M^j-1信号值的变化量

计算每个簇Cls_n当前帧M^j与前一帧M^j-1信号值的变化量

计算到第j帧图像为止，每个连通域C_n信号值累计变化量

计算到第j帧图像为止，每个簇Cls_n所属区域信号值累计变化量

设定信号值变化量阈值Ω，可取Ω＝α*R，其中R是内窥镜系统能表述的信号最大值，α是由经验决定的常数，一般是区间(0,0.1]内的常数。获取内窥镜系统采集的每一帧图像到第J帧时，如果每个簇所属区域信号值累计变化量都大于Ω，则停止获取内窥镜系统采集的图像。

(3.2)判断断丝：

如果某个连通域信号值累计变化量小于步骤(3.1)中设定的信号值变化量阈值Ω，则判定该连通域断丝，即对应的光纤断丝。将该断丝连通域质心加入到断丝连通域质心集合SCtd中，记SCtd＝{SCtd_l,l＝1,2,…,L}。

(4)统计断丝状况：

(4.1)找出相邻断丝：

计算步骤(3.2)中断丝连通域质心集合SCtd中任意两个质心SCtd_i和SCtd_j的距离d_ij：

d_ij＝dist(SCtd_i,SCtd_j),i＝1,2,…L-1,j＝i+1,2,…L

如果d_ij≤b*d^m，则SCtd_i和SCtd_j对应的断丝连通域是相邻的；否则SCtd_i和SCtd_j对应的断丝连通域是不相邻的。b是区间(1,2)内的常数，根据经验选取。

组成相邻断丝集合：

设置L个集合Asm₁,Asm₂,…Asm_l,…Asm_L，其中第l个集合定义为Asm_l＝{SCtd_l},l＝1,2,…,L。将相邻断丝连通域质心集合合并，记合并后的集合为每一个集合中元素数量大于1的集合中的断丝连通域质心都是两两相邻的。

(4.3)统计断丝指标

统计视场内断丝总数T^all:

T^all＝#{SCtd_l,l＝1,2,…,L}＝L

统计中间半视场内断丝数Tⁱⁿ：

Tⁱⁿ＝#{SCtd_l∈Aⁱⁿ,l＝1,2,…,L}

统计外围半视场内断丝数T^out：

T^out＝#{SCtd_l∈A^out,l＝1,2,…,L}

统计中间半视场内断丝相邻数Hⁱⁿ：

中所有点∈Aⁱⁿ,g＝1,2,…,G}

统计外围半视场内断丝相邻数H^out：

中所有点∈A^out,g＝1,2,…,G}

统计中间半视场内断丝区域最大断丝数Qⁱⁿ：

中所有点∈Aⁱⁿ,g＝1,2,…,G}

统计外围半视场内断丝区域最大断丝数Q^out：

中所有点∈A^out,g＝1,2,…,G}

上述步骤中的#表示求集合中元素的数量。

(5)判断断丝状况是否合格：

(5.1)设定断丝状况指标合格标准：标准视场内断丝总数标准中间半视场内断丝数标准外围半视场内断丝数标准中间半视场内断丝相邻数标准外围半视场内断丝相邻数标准中间半视场内断丝区域最大断丝数标准外围半视场内断丝区域最大断丝数

如果遵从YY/T 0283-2007标准，则设定如下：

如果遵从YY 1028-2008标准，则设定如下：

(5.2)判断各指标是否合格，只要某一指标不合格，则断丝状况不合格，跳至步骤(6)；

将步骤(4.3)中所求得的视场内断丝总数T^all与步骤(5.1)中设定的标准视场内断丝总数比较，如果则断丝状况合格；否则断丝状况不合格；

将步骤(4.3)中所求得的中间半视场内断丝数Tⁱⁿ与步骤(5.1)中设定的标准中间半视场内断丝数比较，如果则断丝状况合格；否则断丝状况不合格；

将步骤(4.3)中所求得的外围半视场内断丝数T^out与步骤(5.1)中设定的标准外围半视场内断丝数比较，如果则断丝状况合格；否则断丝状况不合格；

将步骤(4.3)中所求得的中间半视场内断丝相邻数Hⁱⁿ与步骤(5.1)中设定的标准中间半视场内断丝相邻数比较，如果则断丝状况合格；否则断丝状况不合格；

将步骤(4.3)中所求得的外围半视场内断丝相邻数H^out与步骤(5.1)中设定的标准外围半视场内断丝相邻数比较，如果则断丝状况合格；否则断丝状况不合格；

将步骤(4.3)中所求得的中间半视场内断丝区域最大断丝数Qⁱⁿ与步骤(5.1)中设定的中间半视场内断丝区域最大断丝数比较，如果则断丝状况合格；否则断丝状况不合格；

将步骤(4.3)中所求得的外围半视场内断丝区域最大断丝数Q^out与步骤(5.1)中设定的标准外围半视场内断丝区域最大断丝数比较，如果则断丝状况合格；否则断丝状况不合格；

(6)提示：提示断丝状况不合格。

上述步骤中(1)和(2)可以在共聚焦显微内窥镜启动过程中完成，步骤(3)、(4)、(5)和(6)在共聚焦显微内窥镜执行检查过程中进行。步骤(3)、(4)、(5)和(6)计算量可以在实时要求下完成，且不妨碍共聚焦显微内窥镜成像功能。按照本发明实施例所述的方法，可以实现共聚焦显微内窥镜系统检查过程中实时监测探头断丝状况的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。