医用电子内窥镜成像系统的研制

　　1　引　　言

　　随着内窥镜外科、微创外科技术的迅猛发展,集传统内窥镜技术与现代计算机技术、微电子技术等高新技术于一身的医用电子内窥镜已经成为当前应用非常广泛的一种医疗仪器[1]。医生通过内窥镜不仅能直接观察到人体内脏器官的组织形态,体内病变情况,方便地进行诊断,而且观察到的图像还可进行输出和存储以便进一步的诊疗和处理,其诊疗优势已为医学界所共识。

　　目前世界上医用电子内窥镜产品主要来自日本奥林巴斯(Olympus)公司和宾得(Pentax)公司。而国内医用电子内窥镜的产品目前还是一个空白。为此,实验室经过科技攻关,实现了医用电子内窥镜成像技术中彩色CCD图像采集及编码[2～4]、图像畸变实时校正[5]、视频驱动亮度控制[6]以及图像后处理的方法,最终研制成具有高分辨率彩色图像畸变实时校正功能的医用电子内窥镜系统。

　　2　医用电子内窥镜成像系统原理

　　医用电子内窥镜成像系统主要包括4个部分:

　　(1)光学成像系统,(2)CCD驱动、图像采集、编码电路(驱动CCD、控制图像采集与编码),(3)彩色图像畸变实时校正系统(用于实时在线校正内窥镜光学系统的畸变),(4)视频驱动亮度控制系统(调节光源的发光亮度)。如图1所示。

　　医用电子内窥镜系统的工作原理为:光源发出的光通过传光束(光纤)照射到人体内腔,从腔内反射的光进入光学系统,在高分辨率彩色面阵CCD上成像,由CCD驱动电路控制CCD采集图像,经编码电路输出标准彩色视频信号。亮度控制系统根据CCD输出的视频信号调节光源的亮度,确保输出图像上没有白色高亮度区域。由于光学系统存在畸变,CCD输出带有畸变的视频信号,图像畸变校正系统对其进行在线实时校正,并输出校正后的标准彩色视频信号。

　　3　CCD驱动、图像采集与编码系统

　　作为医用电子内窥镜图像采集的核心,电荷耦合器件—CCD在系统中起着举足轻重的作用。CCD图像采集与显示是医用电子内窥镜系统中的核心部分。系统采用日本Sony公司生产的彩色面阵CCD芯片,其分辨率达到795(H)×596(V)。

　　由于CCD输出的图像信号与标准彩色视频信号不同,必须进一步处理才能在监视器上显示。在对CCD的驱动控制中,由于电平转换电路已由Sony公司提供,因此其难点在于如何产生时钟信号的时序逻辑,在系统中采用现场可编程门阵列(FPGA)产生。由于FPGA是可再编程器件,只要在“软件”上根据需要分别设计相应的程序就可实现不同CCD器件的驱动。

　　图2是CCD输出信号到彩色全电视信号转换的CCD图像采集、编码部分原理框图。其工作原理为:首先对CCD输出信号进行显示缓存处理,然后将处理后的CCD信号和同步信号同时　　送入彩色视频编码器,最终产生彩色全电视信号。系统采用FPGA作为主控芯片,产生在信号转换过程中所需的同步信号与时钟信号,这些信号一方面用于控制图像显示,另一方面混合到图像信号中,和图像信号一起形成全电视信号输出。