醫(yī)療內(nèi)窺鏡影像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

  醫(yī)療內(nèi)窺鏡是目前常用的一種臨床診斷工具，醫(yī)生通過內(nèi)窺鏡能直接觀察到人體內(nèi)部器官的病變情況，如潰瘍，腫瘤等，還可以利用它進(jìn)行微創(chuàng)的外科手術(shù)，在醫(yī)學(xué)界應(yīng)用廣泛。
    電子內(nèi)窺鏡主要由光學(xué)鏡頭、信息采集系統(tǒng)、監(jiān)視器等組成。電子內(nèi)窺鏡的成像原理是：信息采集系統(tǒng)裝備的光源發(fā)出的光信號(hào)，經(jīng)鏡頭內(nèi)的導(dǎo)光纖維導(dǎo)人人體體腔，經(jīng)體腔內(nèi)表面反射后，被鏡身前端裝備的微型圖像傳感器CCD接收，CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過導(dǎo)線輸送到信息采集系統(tǒng)，信息采集系統(tǒng)將圖像信號(hào)處理后顯示在監(jiān)視器屏幕上。
    本項(xiàng)目開發(fā)的醫(yī)療內(nèi)窺鏡影像系統(tǒng)可與多種型號(hào)的消化系統(tǒng)內(nèi)窺鏡配套使用，且可以在胃鏡與腸鏡之間靈活切換。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    本系統(tǒng)的硬件構(gòu)成包括：消化系統(tǒng)內(nèi)窺鏡(胃鏡／腸鏡)，監(jiān)視器，CCD，內(nèi)窺鏡影像系統(tǒng)，視頻采集卡，彩色打印機(jī)，腳踏開關(guān)，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    醫(yī)療內(nèi)窺鏡影像系統(tǒng)的功能大致為：影像實(shí)時(shí)顯示與采集、數(shù)字圖像預(yù)處理、病例信息的管理、典型病例庫的維護(hù)、診斷報(bào)告的生成與維護(hù)等。其具體實(shí)現(xiàn)如下：
    (1)影像實(shí)時(shí)顯示。
    內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的影像數(shù)據(jù)來自鏡頭上的CCD，CCD將鏡頭獲取的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)導(dǎo)線傳送到視頻采集卡，視頻采集卡將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以理解的數(shù)字信號(hào)，方便影像的實(shí)時(shí)顯示與獲取。
    本系統(tǒng)使用的視頻采集卡為天敏公司生產(chǎn)的SDK3000，PCI卡為單卡1塊SAA7130芯片，可以傳輸4路Video和1路SVideo實(shí)時(shí)視頻信號(hào)。在機(jī)器性能允許的情況下可實(shí)現(xiàn)單機(jī)多卡運(yùn)行。SDK3000支持多制式的視頻源(PAL制、NTFS制、SECAM制)。
    使用1塊卡輸出的幀率，視頻源50 Hz輸出的幀率最大為25幀，視頻源60 Hz輸出的幀率最大為30幀。
    (2)影像采集。影像采集包括單幀數(shù)字圖像的采集和視頻的錄制。
    單幀圖像采集有兩種方式：一種是操作者在計(jì)算機(jī)旁使用鼠標(biāo)采集；另一種是操作者使用腳踏開關(guān)采集。腳踏開關(guān)連接在計(jì)算機(jī)的串口，每次觸發(fā)腳踏開關(guān)，計(jì)算機(jī)的串口會(huì)接收到一串16進(jìn)制字符串，然后執(zhí)行單幀圖像采集的功能。
    從視頻采集卡獲取的圖像數(shù)據(jù)為yuv格式，而大部分圖像處理是基于RGB顏色空間的，所以要進(jìn)行顏色空間的轉(zhuǎn)換。
除支持全屏采集外，還可以手動(dòng)設(shè)置采集區(qū)域。用戶可用鼠標(biāo)圈選出一個(gè)矩形區(qū)域?yàn)橛行^(qū)域，有效區(qū)域外的圖像被舍棄。實(shí)現(xiàn)方法是根據(jù)用戶選擇的矩形區(qū)域和圖像的原始尺寸計(jì)算出圖像的有效尺寸，截取有效數(shù)據(jù)，進(jìn)行Yuvtorgb轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)加上文件頭和信息頭組合成一幅有效圖像。
    錄制視頻一方面可用于科研教學(xué)。另一方面可以幫助醫(yī)生采集遺漏的病變圖像，視頻一般采用XviD MPEG-4編碼方式，幀率為25。
    (3)視頻回放及2次采集。
    視頻回放有多種方法，本系統(tǒng)采用VC中已注冊的Windows Media Player組件，支持視頻播放、暫停、快進(jìn)等。
    2次采集指從視頻流中采集可能遺漏的病變圖像。由于視頻是基于XviD MPEG-4編碼方式壓縮的，從中獲取單幀圖像需要解碼。使用avi的API函數(shù)可以自動(dòng)調(diào)用xvid解碼器。
    PGETFRAME pGF=AVIStreamGetFrameOpen(pAStream，NULL)；
    這種方式獲取的是原始xvid格式的數(shù)據(jù)，與期望不符。
    獲取RGB格式數(shù)據(jù)的具體步驟為：
    Step1獲取格式大?。?br />     Step2獲取格式信息頭；
    Step3修改信息頭的壓縮方式和緩沖區(qū)大?。?br />     Step4將修改后的信息頭傳入上式的第2個(gè)參數(shù)，得到的返回值即為RGB格式數(shù)據(jù)。
    (4)病歷管理。
    在實(shí)際使用中，同一時(shí)間可能有多個(gè)人掛號(hào)，操作者可以將多個(gè)病患的基本信息錄入系統(tǒng)，然后再按順序安排內(nèi)窺鏡檢查。因此系統(tǒng)提供了4個(gè)病歷導(dǎo)航鍵，“第一個(gè)”，“前一個(gè)”，“后一個(gè)”，“最終”，方便醫(yī)護(hù)人員查看。
    另外，本系統(tǒng)還提供了多種方式查看歷史病歷。例如可以按姓名，檢查號(hào)等關(guān)鍵字查詢病歷，還可以由診斷名進(jìn)行模糊查詢，統(tǒng)計(jì)查詢結(jié)果。
    (5)圖像預(yù)處理。
    單幀圖像預(yù)處理使用了圖形庫——CxImage，如圖2所示。CxImge與其他的優(yōu)秀的圖形庫如OpenIL，F(xiàn)reeImage，PaintLib等相比，不僅擁有強(qiáng)大而齊全的功能，而且是完全開源的。對于數(shù)字圖像處理，不僅能靈活地使用它完成陜速開發(fā)，而目能學(xué)習(xí)其內(nèi)部的核心實(shí)現(xiàn)代碼。

    利用CxImage庫，不僅可以進(jìn)行圖像格式間的靈活轉(zhuǎn)換，而且圖像的基本預(yù)處理變得很容易，如亮度、色度、飽和度的調(diào)整，圖像的縮放和旋轉(zhuǎn)等。
    (6)報(bào)告生成與維護(hù)。
    —份圖文并茂的診斷報(bào)告由病人的基本文字信息，圖像信息和診斷結(jié)果組成?；疚淖中畔ǎ翰∪诵彰?，住址，電話，職業(yè)，主治醫(yī)生，主訴，術(shù)前準(zhǔn)備等，這類信息需要醫(yī)護(hù)人員手工錄入。圖像信息指病變圖像或視頻，由于數(shù)據(jù)庫容量有限，醫(yī)生從采集的所有圖像中選擇16張存入數(shù)據(jù)庫，其中4張將打印在診斷報(bào)告上。診斷結(jié)果包括病人消化系統(tǒng)各個(gè)部位的健康狀況描述，以及診斷結(jié)果，這部分信息可以手工錄入，也可以在合適的典型病例上進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?。若醫(yī)生在病人體內(nèi)提取了活檢樣本，還需要記錄活檢樣本的部位名稱和塊數(shù)。診斷報(bào)告產(chǎn)生后，就可以預(yù)覽和打印。

    (7)典型病例庫的維護(hù)。
    經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生可以在大量的內(nèi)窺鏡檢查病歷中總結(jié)出常見的病歷描述。本系統(tǒng)提供了一個(gè)典型病歷庫，用戶選擇合適的典型病例，少量修改后，即可產(chǎn)生一份病歷報(bào)告，同時(shí)提供邊修改邊預(yù)覽功能，不僅減少醫(yī)護(hù)人員手工錄入的工作量，“所見即所得”的方式也更直觀更高效，如圖4所示。用戶還可以按照自己的經(jīng)驗(yàn)增刪、修改典型病例庫中的內(nèi)容。

    數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)中最核心的數(shù)據(jù)表為病歷報(bào)告表。以StomachReport表為例，其主要字段如表1所示。

2 系統(tǒng)測試
    醫(yī)療內(nèi)窺鏡輔助診斷系統(tǒng)是內(nèi)窺鏡圖像信息獲取、處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)闹行?。其功能完備性、穩(wěn)定性、安全性和易操作性在內(nèi)窺鏡的臨床使用中起著重要的作用。

3 結(jié)束語
    文中介紹的醫(yī)療內(nèi)窺鏡影像系統(tǒng)主要配合消化系統(tǒng)胃／腸內(nèi)窺鏡使用，輔助醫(yī)師進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，兼容多種鏡頭，并以提高診斷效率為出發(fā)點(diǎn)，為使用者提供了典型病例庫等方便報(bào)告生成的輔助功能。