基于LED光源的窄帶成像內(nèi)鏡造影像系統(tǒng)的研制.pdf

1、食道癌、胃癌、直腸癌和結(jié)腸癌等消化道疾病在我國(guó)有很高的發(fā)病率和死亡率。近年來，隨著內(nèi)鏡技術(shù)的深入推廣，該類疾病的檢出率已得到很大程度提高，但是對(duì)于預(yù)后至關(guān)重要的早期癌變的發(fā)現(xiàn)和診斷卻不盡如人意，仍有較大提升空間。
　　研究表明，腫瘤的形成過程伴有血管增生，血管增生會(huì)使早期癌變部位的顏色及紋理結(jié)構(gòu)與周圍正常組織產(chǎn)生差異。另外，黏膜中血管形態(tài)的改變被認(rèn)為與異型增生或腫瘤的發(fā)生、進(jìn)展有直接關(guān)系。消化道內(nèi)的早期腫瘤往往表現(xiàn)為平坦型、凹陷型

2、的微小黏膜病變和異常的微血管改變。但在普通白光內(nèi)鏡下觀察時(shí)卻很難觀察到微血管的上述改變，若檢查設(shè)備能夠突出顯示微血管形態(tài)，將有效提高早期癌變的檢出率。
　　基于上述臨床背景，在專家們的不懈努力下，出現(xiàn)了一些能夠進(jìn)行黏膜內(nèi)血管成像的新型電子內(nèi)鏡系統(tǒng)。其中，比較具代表性的有:奧林巴斯(Olympus)公司的窄帶成像(narrow-band imaging，NBI)系統(tǒng)，富士能(Fujinon)公司的智能電子分光比色(Fujinon i

3、ntelligent chromo endoscopy，F(xiàn)ICE)系統(tǒng)以及賓得(PENTAX)公司的I-Scan系統(tǒng)，本文統(tǒng)稱上述三種系統(tǒng)為特殊光學(xué)內(nèi)鏡系統(tǒng)。
　　奧林巴斯NBI系統(tǒng)在疝氣白光冷光源后端裝配主波長(zhǎng)分別為415nm、540nm，帶寬均為30nm的窄帶旋轉(zhuǎn)濾光器，該窄帶旋轉(zhuǎn)濾光器可以將白光光源中的大部分寬帶光濾除，僅剩余與窄帶旋轉(zhuǎn)濾光器光學(xué)特性幾近一致的窄帶藍(lán)光與綠光，經(jīng)窄帶旋轉(zhuǎn)濾光器過濾后的窄帶光經(jīng)過電子內(nèi)鏡中的光纖

4、照射到被檢部位，然后電子內(nèi)鏡先端的CCD圖像傳感器將被檢部位反射回的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出到圖像處理工作站進(jìn)行窄帶圖像處理;FICE系統(tǒng)利用系統(tǒng)后端軟件將CCD所采集到的白光圖像，分解成若干個(gè)5nm帶寬的窄帶分光圖像，再根據(jù)醫(yī)生的觀察需求將不同波長(zhǎng)的分光圖像重建得到窄帶圖像;I-SCAN系統(tǒng)是在系統(tǒng)前端通過軟件控制白光光源，使其根據(jù)觀察需要發(fā)射窄帶光，系統(tǒng)后端的圖像處理工作站對(duì)CCD圖像傳感器輸出的數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的后處理從而生成

5、窄帶圖像。
　　以上三種系統(tǒng)均基于窄帶圖像增強(qiáng)技術(shù)，可增強(qiáng)顯示黏膜組織與微血管的結(jié)構(gòu)形態(tài)，提高病變組織與周圍正常組織的對(duì)比度，方便醫(yī)生判別，提高早癌檢出率。
　　上述系統(tǒng)均使用疝氣白光冷光源作為基礎(chǔ)光源，產(chǎn)生窄帶光源的原理和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，疝氣燈功耗高、壽命短，使用500小時(shí)后必須更換新燈泡，使用成本高?，F(xiàn)有系統(tǒng)均為部件分離式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)龐大復(fù)雜，動(dòng)輒數(shù)百萬(wàn)的昂貴價(jià)格不利于大范圍普及使用，造成疾病早期檢出技術(shù)無(wú)法普惠大眾。
　

6、　本文針對(duì)以上問題展開專題研究，旨在開發(fā)一種基于LED光源的窄帶成像內(nèi)鏡影像系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED-NBI系統(tǒng)。該系統(tǒng)窄帶光源的產(chǎn)生原理簡(jiǎn)單，可靠性高。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，可作為手持便攜式設(shè)備使用。同時(shí)生產(chǎn)制造成本大大降低，有利于向基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)或體檢市場(chǎng)普及推廣，作為一種粘膜下早期病變的初篩設(shè)備，大大提高早癌檢出率，降低醫(yī)療成本，造福廣大群眾。
　　LED-NBI系統(tǒng)包含系統(tǒng)主控子系統(tǒng)、窄帶LED光源子系統(tǒng)、圖像采集與處理子系統(tǒng)和

7、圖像顯示子系統(tǒng)等四部分。
　　系統(tǒng)主控子系統(tǒng)采用飛思卡爾MCIMX6Q6AVT10AD四核A9處理器（簡(jiǎn)稱:IMX6處理器）作為系統(tǒng)主控芯片，主要負(fù)責(zé):控制窄帶光源的三色相對(duì)功率和光通量占比;對(duì)圖像信號(hào)處理器ISP輸出的數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行編解碼處理;對(duì)采集的視頻信號(hào)按照NBI成像處理方式逐幀進(jìn)行處理;控制視頻流的多路顯示和存儲(chǔ)。IMX6處理器是本系統(tǒng)的控制核心，與圖像信號(hào)處理器ISP構(gòu)成了本系統(tǒng)的軟硬件處理平臺(tái)。
　　窄帶光源

8、子系統(tǒng)由窄帶LED光源、光源控制電路及相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)程序構(gòu)成。血管內(nèi)的主要吸光物質(zhì)血紅蛋白對(duì)波長(zhǎng)為415nm的藍(lán)光窄帶光源和波長(zhǎng)為540nm的綠光窄帶光源有較強(qiáng)的吸收能力。光源的穿透能力具有波長(zhǎng)依賴性，波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光對(duì)被照組織的穿透能力越強(qiáng)。415nm的藍(lán)光窄帶光源穿透能力較弱，只能照射到組織黏膜表層，在該窄帶光源的照射下，系統(tǒng)對(duì)組織黏膜表層的微血管結(jié)構(gòu)具有較好的顯示能力。而540nm的綠光窄帶光源則可以照射到組織黏膜的中下層，在它的照射

9、下，系統(tǒng)對(duì)組織黏膜中層的微血管結(jié)構(gòu)具有較好的顯示能力。由于早期癌變通常發(fā)生在黏膜表層與中層，所以本文選擇中心波長(zhǎng)為415nm的窄帶藍(lán)光光源和波長(zhǎng)為540nm的綠光窄帶光源為照明光源。通過反復(fù)選型及測(cè)試，最終確定了半高寬為18nm、波長(zhǎng)為415nm的藍(lán)光窄帶LED和半高寬為20nm、波長(zhǎng)為540nm的綠光窄帶LED作為系統(tǒng)的主光源，并定制了小批量樣品。為了使兩種窄帶光源照射到被檢組織的光譜能量分布均勻，本文根據(jù)測(cè)試效果將藍(lán)光窄帶LED光源

10、與綠光窄帶LED光源按2∶1的比例，依品字形并聯(lián)封裝在了同一光學(xué)透鏡下。
　　由于在不同使用環(huán)境中，需要的光源照度不同。并且，光源發(fā)射的光譜特性也會(huì)隨著流經(jīng)光源的電流大小的變化而變化。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種可以調(diào)節(jié)光源電流大小的調(diào)節(jié)電路以及與其對(duì)應(yīng)的程序，用戶在需要調(diào)節(jié)光源電流大小時(shí)，只需旋轉(zhuǎn)主機(jī)上的旋鈕增加或減小光源電流即可達(dá)到調(diào)節(jié)目的。
　　圖像采集與處理子系統(tǒng)包括CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sens

11、or，SENSOR)，和與之配套使用的圖像信號(hào)處理器(Image Signal Processor，ISP)。
　　本文使用低照特性好的背照式SENSOR，能有效提高圖像對(duì)比度，降低噪聲。本文使用的ISP集成了較多的基本圖像處理算法，包括自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、Gamma校正、動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整。本系統(tǒng)基于NBI的成像準(zhǔn)則，借助ISP將原有的R、G、B通道信息進(jìn)行重新匹配，將415nm光產(chǎn)生的B通道信號(hào)同時(shí)分配給B與G通道，使表淺毛細(xì)血管

12、呈棕褐色，將540nm光產(chǎn)生的G通道信號(hào)分配給R通道使中下層粗大血管呈青藍(lán)色，有效地突出了黏膜組織內(nèi)的血管結(jié)構(gòu)。ISP可根據(jù)窄帶成像的曝光策略和環(huán)境光強(qiáng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)SENSOR的曝光時(shí)間和增益，并對(duì)SENSOR采集到的信號(hào)進(jìn)行有效處理。ISP與IMX6處理器以高速總線方式進(jìn)行通信，將處理后的視頻信息傳輸?shù)絀MX6處理器，供處理器對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行編解碼處理和輸出顯示。
　　本設(shè)計(jì)中的圖像顯示子系統(tǒng)采用4英寸TFT液晶屏和HDMI外接專業(yè)醫(yī)

13、用高清顯示器，系統(tǒng)輸出最高支持1920*1080，60幀視頻。所選專業(yè)醫(yī)用高清顯示器支持sRGB、Adobe RGB、DICOM、PROGRAMMABLE等圖像格式，可以自由選擇上述5種格式中的任意一種觀察同一副圖像。另外該專業(yè)醫(yī)用顯示器支持10bit的廣色域，具有14bit的伽馬校正功能，具有1000∶1的高對(duì)比度和10億734萬(wàn)種顏色的色彩顯示功能。正因?yàn)榫哂幸陨咸攸c(diǎn)，該專業(yè)顯示器可以逼真的顯示被檢部位的細(xì)節(jié)，提高醫(yī)生診斷的客觀性。

14、
　　相對(duì)于奧林巴斯NBI系統(tǒng)，F(xiàn)ICE系統(tǒng)和I-SCAN系統(tǒng)而言，本系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單的光源照明系統(tǒng)，高集成度的圖像采集與圖像處理系統(tǒng)和功能強(qiáng)大的主處理器。奧林巴斯NBI系統(tǒng)，F(xiàn)ICE系統(tǒng)和I-SCAN系統(tǒng)采用部件分離式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，不便于移動(dòng)。而本文將LED-NBI系統(tǒng)的光源、圖像傳感器、圖像采集系統(tǒng)和主處理器集成于一種手持式設(shè)備，適用于門診、急診和內(nèi)鏡室等多種環(huán)境。
　　本文設(shè)計(jì)了一種在成像質(zhì)量方面可以與奧林巴斯NBI