医用眼镜诊疗系统的设计

医用眼镜诊疗系统的设计

1内镜诊疗系统的设计医学显微镜是利用光束纤维和显微镜组直接观察患者体内的病变，并利用小型医疗设备进行诊断和手术的重要仪器。它在临床上非常流行，包括直肠镜、胃镜、膀胱镜和咽喉镜。近年来,随着光学和电子技术的不断发展,内窥镜的结构和功能也日新月异,出现了各种各样的硬管、软管内窥镜。内窥镜的主要部分是检测导管,因为检测导管直接进入人体体内,其性能的优劣将直接影响检查的效果和对病人体内软组织损伤的程度,因此,如何在保证检测导管获得优良图像信息的前提下,使可观察的范围最大且损伤最小就成为内窥镜研究的一个方向。目前主要是通过应用柔性光导纤维来扩大内窥镜视野,在这种方法下内窥镜前端导管的活动范围是受限的,弯曲程度的有限也限制了观察的视野,而且要求操作者具有较高的技巧和丰富的操作经验以保证安全。为了解决这个问题,研制了1mm微马达作为主要执行器,设计了一套内窥镜诊疗系统。整个系统的结构组成如图1所示,它采用易于加工制造的硬管内窥镜,并在其前端目镜外加装一片与硬管内窥镜主光轴呈45°的棱镜,由一个微型马达驱动使其作360°低速旋转,利用微型计算机的高速处理能力,采取分时采集、同屏显示的思路,马达每转动60°或90°采集一帧图像,通过软件编程使马达转过一周时采集到的6幅或4幅图像经处理后同屏显示于显示器上,实现前端操作的自动化,该方法避免了现有内窥镜在人体内往往需要作整体旋转或镜头部作大幅度摆动,同时采用光纤传输图像保证了成像清晰,在保证检查效果的前提下减少了对人体内部软组织的损伤几率,缓解了病人的诊疗痛苦。2图像采集监控部分将系统的硬件分成两个部分:内窥镜检测导管和图像采集监控。内窥镜检测导管部由检测导管、内窥镜前端的光学反射镜及其驱动源——直径为1mm的电磁型微马达和它的驱动控制电路组成。图像采集监控部分主要由CCD摄像机、图像采集卡、计算机主机和显示器组成。在CCD摄像机的前端装有一个特制的卡具,将硬管内窥镜后端紧紧卡住,使内窥镜目镜内的图像直接传入CCD摄像头。2.1数字x射线检测系统的设计实际的检测导管前端结构设计中,在检测导管前端装了一个2mm×2mm的光学反射镜,并由电磁型微马达直接驱动反射镜作360°可控旋转,从而间接扩大了硬管内窥镜前端物镜的观察视场,具体的结构如图2所示。由图可知,硬管内窥镜检测导管系统由专用光源及电源、一根导光用光纤和硬管内窥镜组成。硬管内窥镜后端侧面有一导光口,光纤通过专用接口与此导光口相连,并将专用光源产生的光送入内窥镜中。内窥镜外形为圆柱状,中间为图像传输通道,外侧为光路传输通道。前端物镜由一组透镜组成,在此物镜外侧沿内窥镜检测导管管壁安装了一个圆柱形有机玻璃管,将微马达固定安装于玻璃管的顶部,而2mm×2mm光学反射镜则被紧紧地粘贴在微型马达的转子主轴上。在整个装置的设计过程中需特别考虑密封性和光照强度。因为医用内窥镜须被插入人体,内窥镜前端的物镜、微马达及反射镜必须完全密封,所以采用了圆柱形壁厚很薄且透光性极强的有机玻璃套管作为微马达和反射镜的载体,使整个装置的密封性满足了要求。传统的内窥镜光纤照明中,光线都由检测导管前端射出,因此,除导管正前方一定视角范围内具有较强的光照强度外,导管前端四周的照明强度均不能满足图像采集和处理的需要。所以,对检测导管头部的照明光纤作了改进,即在导管头部沿导管横截面方向划出宽约3mm的透光带状区域,使光线能够由此带状区域射向四周,从而加强四周的光照强度;另外,由于反射镜的作用,由前端射出的一部分光线也会被反射照向四周侧壁,进一步加强侧面的照明,使整个被观测区域的光照强度基本达到要求。2.2平面反射镜偏心安装在检测导管的前端设计中,将装有微马达的透明玻璃套管安装于内窥镜检测导管物镜前侧,虽然由于反射镜的作用间接地增大了监视范围,但同时也造成反射镜对于物镜前方光路的遮挡,严重时有可能影响对前方视野的观测效果。为了解决上述问题,在安装平面反射镜时将其作偏心安装(即其几何中心偏于内窥镜透镜组的主光轴),使其仅仅遮挡物镜光路的1/2,这样通过摄像机采集的一帧图像就可分为左右两个部分,一半是镜头前方的图像,另一半是由平面反射镜反射的侧面图像。同时在用户界面上增加了一个显示窗口(位于用户界面的右上角)专门用于显示内窥镜物镜正前方景物的图像,微马达每转动90°,监控程序刷新此窗口的1/2,这样在被监控物体位移速度不是很快时,基本可以保持显示前方图像的完整性和连续性,整个画面不会出现部分被马达遮挡的现象。2.3图像信息的采集为了能够实现图像的实时采集、处理、显示和存储,系统采用了高分辨的图像采集处理装置,结构如图3所示。可以随意调整摄像机的参数以便随着用户的要求方便地调整分辨率。本系统采用了WAT-202D型CCD摄像机、特制的3mm光学内窥镜和MVPCI-V2图象采集卡来采集图像信息。在整体结构中,设计了两种不同的观察、监控方式:一种是采用单画面监控。在这种监控方式下,用户界面中仅有一个显示窗口,通过调节微马达的转速,使观察者可对360°范围内的景物进行扫描式监控。当微马达驱动装置实现的转速小于10rpm时,观察者即可十分清楚和正确地对被观察物体作出相应的判断,另外还可利用微马达控制装置具备的调速、即停和正反转控制等功能,满足用户的各种需求(例如可令马达停转于某一角度,对某一方位进行详细观察)。在另一种监控方式下,用户界面中有5个显示窗口,其中一个显示正前方的景物,其余4个窗口分别对应于4个方向,微马达每转过90°监控装置即采集一幅图像显示于一个窗口,这样马达每转过一周360°,4个显示窗口中的画面即更新一次,从而达到同屏显示360°范围内景物的目的。3监控主程序的实现系统软件整体上分为由微机执行的监控系统软件和运行于单片机上的微马达控制软件。对于在微机平台上的监控软件部分由两个独立的程序组成——参数设置程序和监控主程序。监控主程序是整个软件部分的重要组成,主要可以分成图像采集和显示模块、图像处理模块、图像处理参数设置模块、人机交互处理模块、硬件参数设置模块。其中图像处理参数设置模块用以设置采用图像算法的种类,图像处理模块用以根据选择完成相应的图像处理算法,采集和显示模块则根据系统的预先设定,在用户界面中固定的位置将采集处理后的图像显示出来,基于Windows的应用程序是位于Winmain函数中的消息循环来控制程序的执行的,整个监控主程序的软件结构如图4所示。4图像采集处理模块的实现反射镜转动速率和图像采集卡的采集速率的配合对于整个系统的正常运转是一个关键的问题。正常情况下,微马达每转过90°图像卡需采集一帧图像,这样微马达带动反射镜转过一周后,屏幕上正好显示4个方向的4幅画面;如果微马达的转动速率和图像采集卡的采集速率失配,那么屏幕上所显示的4幅图像就可能出现混乱。要解决这个问题有两个办法:第一种方法是时序控制,即分别调整单片机和微机主机的程序,使微马达的旋转速率与图像卡每采集4幅图像的采集速率相同,由于不同处理能力的微机其采集、处理图像的时间均有所不同,而且易受环境条件的影响,所以这种方法不合适;第二种方法是在单片机控制电路和主机之间建立通信链路,单片机发出一定数量的脉冲,驱动微马达转过一定角度后即向主机发去可以采集的就绪信号,主机收到信号后先采集一帧图像,然后向单片机发回已采集的信号,示意单片机控制马达继续旋转,并开始对图像作进一步处理,整个通信协议的实现如图5所示。在图像采集处理模块中,图像的采集处理是在微马达转过一定角度后,由马达驱动电路发出表示允许采集的信号来启动的;在图像采集结束之后,上位机发回应答信号,告之下位机采集结束可以继续转动,而自己则对图像信息作进一步的处理。5采用分时采集、同屏显示的方法设计并实现了基于1mm超微马达的医用内窥镜系统,该内窥镜采用新颖的1mm电磁型超微马达作为驱动器,设计了一新颖的3mm内窥装置,在目镜外加装一片4