三维医用电子内窥镜已经广泛应用于各类医学诊断、微创手术以及医学培训。三维内窥镜可视化过程中的立体空间几何畸变将直接影响医护人员对于病灶相对大小和距离的视觉感知精确度, 同时也可能成为三维内窥镜使用过程中影响视觉舒适度的重要因素之一。现有研究往往仅关注立体影像获取过程中平面图像的畸变及其矫正, 而忽略了可视化过程中显示系统不匹配及人眼对三维影像的感知特性造成的立体空间几何畸变。本文通过对三维医用电子内窥镜影像获取、显示及感知过程的分析, 建立了三维医用电子内窥镜可视化模型。理想的三维内窥镜影像感知是真实世界空间在各个维度等比例放大的虚拟空间立体感知, 三维内窥镜的参数与可视化过程的参数必须匹配才能达到理想的无畸变各维度等放大率效果, 最终实现精确的视觉感知以及良好的使用舒适度。研究内容有望为三维影像获取与可视化在医疗领域更为精确和舒适的应用提供理论参考。

为了提高医用电子内窥镜所获图像的血管与组织的对比度, 针对内窥镜血管图像的特点, 提出了一种基于多颜色空间非线性对比度拉伸的血管增强处理方法。首先在 RGB颜色空间利用非线性映射函数对绿色(G)分量进行自适应对比度拉伸; 接着依据 G分量的拉伸结果, 相应地调整红色 (R)和蓝色(B)两个分量的灰度值; 然后将图像转换到 HSV颜色空间, 并对图像的饱和度(S)分量进行自适应对比度拉伸; 最后将图像转换回 RGB颜色空间, 最终达到血管增强的目的。在本文中, 利用所提出的算法对多幅电子内窥镜图像进行处理, 结果表明, 算法对于原始特征不明显的细小血管也具有较好的增强效果。通过与其它的增强方法相对比, 增强后图像的细节方差 (DV)显著大于其它方法。将算法嵌入到分辨率为 1280×800的内窥镜软件中, 其处理速度可达 26 f/s。

为快速有效评价临床使用内窥镜图像相对畸变的程度, 提出一种基于椭圆拟合的检测方法。对内窥镜采集到的标准板图像进行二值化处理和图像分割; 运用anny算子对图像进行边缘检测并提取坐标值, 通过最小二乘法拟合椭圆, 求得椭圆参数; 计算相对畸变率。对3支内窥镜进行了椭圆拟合和定位质心相对畸变率检测, 结果显示相对畸变率在30%左右, 一致性差在2%左右, 椭圆拟合相较而言稳定性更好。

目前电子内窥镜仅能观察前方视场, 为了消除后方视野盲区给病人带来的误损伤, 设计了一个可以同时观察前方和后方视场的电子内窥镜。第一片透镜采用类“双胶合”透镜设计的方法, 并在透镜的前表面添加环形反射膜来满足前置物镜透射和反射的需求。系统采用球面设计, 以降低成本。运用Zemax软件对系统进行优化, 并配以1/10 in(1 in=2.54 cm)电荷耦合器件(CCD)接收成像。设计结果表明, 该系统的径向尺寸为5.5 mm, 满足内窥镜对小尺寸的要求, 轴上和轴外像面照度均匀, 各视场在100 lp/mm处的光学传递函数(MTF)值在0.75以上, 接近衍射极限, 满足分辨率的要求。

The subtle color distinction is the important function of electronic endoscope imaging diagnosis. However, after image acquisition, transmission and display, color distortions of intracorporeal organs or tissues occur inevitably, which are adverse to analyze image features accurately or to diagnose early pathological changes. A real-time color correction algorithm based on fourneighborhood and polynomial regression in YUV color space is proposed. Based on polynomial regression the color correction matrix is calculated in YUV color space according to the differences between standard values of color checker and measured values of that imaged by the endoscope. As the correction is only executed on U and V components in YUV color space, the defect that the color of corrected images in RGB color space will change along with luminance can be avoided, and then the stability of image color is improved. Owing to four-neighborhood processing, the signal-to-noise ratio of corrected images is enhanced and the processing speed of correction algorithm is accelerated. The average color difference is reduced from 0.3944 to 0.2850 by application of the proposed algorithm in high-definition electronic endoscope. A total of 17 frames per second can be achieved at the resolution of 1280 × 800, and the color characteristics of the image after processing match that of human visual system.

设计了一款用于医疗方面的视场为 74°的电子内镜物镜.电子内镜外径为 8 mm 从而实现无麻醉,内镜前端可弯曲来实现无盲区检测.物镜有效焦距为 4 mm,后工作距为 4.8 mm. 系统的畸变最大值少于 4 %,场曲最大值为 0.27 mm.为了提高成像质量,将非球面引入此五片镜系统.所设计的光学系统尤其适用于0.25 英寸 CCD 像传感器,且显示模式为 SVGA.