醫療內窺鏡影像系統的設計與實現

醫療內窺鏡是目前常用的一種臨床診斷工具，醫生通過內窺鏡能直接觀察到人體內部器官的病變情況，如潰瘍，腫瘤等，還可以利用它進行微創的外科手術，在醫學界應用廣泛。
電子內窺鏡主要由光學鏡頭、信息采集系統、監視器等組成。電子內窺鏡的成像原理是：信息采集系統裝備的光源發出的光信號，經鏡頭內的導光纖維導人人體體腔，經體腔內表面反射后，被鏡身前端裝備的微型圖像傳感器CCD接收，CCD將光信號轉換成電信號，再通過導線輸送到信息采集系統，信息采集系統將圖像信號處理后顯示在監視器屏幕上。
本項目開發的醫療內窺鏡影像系統可與多種型號的消化系統內窺鏡配套使用，且可以在胃鏡與腸鏡之間靈活切換。

1 系統設計與實現
本系統的硬件構成包括：消化系統內窺鏡(胃鏡／腸鏡)，監視器，CCD，內窺鏡影像系統，視頻采集卡，彩色打印機，腳踏開關，硬件結構如圖1所示。

醫療內窺鏡影像系統的功能大致為：影像實時顯示與采集、數字圖像預處理、病例信息的管理、典型病例庫的維護、診斷報告的生成與維護等。其具體實現如下：
(1)影像實時顯示。
內窺鏡系統的影像數據來自鏡頭上的CCD，CCD將鏡頭獲取的光信號轉換為電信號，經導線傳送到視頻采集卡，視頻采集卡將電信號轉換為計算機可以理解的數字信號，方便影像的實時顯示與獲取。
本系統使用的視頻采集卡為天敏公司生產的SDK3000，PCI卡為單卡1塊SAA7130芯片，可以傳輸4路Video和1路SVideo實時視頻信號。在機器性能允許的情況下可實現單機多卡運行。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：一種是操作者在計算機旁使用鼠標采集；另一種是操作者使用腳踏開關采集。腳踏開關連接在計算機的串口，每次觸發腳踏開關，計算機的串口會接收到一串16進制字符串，然后執行單幀圖像采集的功能。
從視頻采集卡獲取的圖像數據為yuv格式，而大部分圖像處理是基于RGB顏色空間的，所以要進行顏色空間的轉換。
除支持全屏采集外，還可以手動設置采集區域。用戶可用鼠標圈選出一個矩形區域為有效區域，有效區域外的圖像被舍棄。實現方法是根據用戶選擇的矩形區域和圖像的原始尺寸計算出圖像的有效尺寸，截取有效數據，進行Yuvtorgb轉換，將轉換后的數據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。另一方面可以幫助醫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，本系統采用VC中已注冊的Windows Media Player組件，支持視頻播放、暫停、快進等。
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函數可以自動調用xvid解碼器。
PGETFRAME pGF=AVIStreamGetFrameOpen(pAStream，NULL)；
這種方式獲取的是原始xvid格式的數據，與期望不符。
獲取RGB格式數據的具體步驟為：
Step1獲取格式大小；
Step2獲取格式信息頭；
Step3修改信息頭的壓縮方式和緩沖區大小；
Step4將修改后的信息頭傳入上式的第2個參數，得到的返回值即為RGB格式數據。
(4)病歷管理。
在實際使用中，同一時間可能有多個人掛號，操作者可以將多個病患的基本信息錄入系統，然后再按順序安排內窺鏡檢查。因此系統提供了4個病歷導航鍵，“第一個”，“前一個”，“后一個”，“最終”，方便醫護人員查看。
另外，本系統還提供了多種方式查看歷史病歷。例如可以按姓名，檢查號等關鍵字查詢病歷，還可以由診斷名進行模糊查詢，統計查詢結果。
(5)圖像預處理。
單幀圖像預處理使用了圖形庫——CxImage，如圖2所示。CxImge與其他的優秀的圖形庫如OpenIL，FreeImage，PaintLib等相比，不僅擁有強大而齊全的功能，而且是完全開源的。對于數字圖像處理，不僅能靈活地使用它完成陜速開發，而目能學習其內部的核心實現代碼。

利用CxImage庫，不僅可以進行圖像格式間的靈活轉換，而且圖像的基本預處理變得很容易，如亮度、色度、飽和度的調整，圖像的縮放和旋轉等。
(6)報告生成與維護。
—份圖文并茂的診斷報告由病人的基本文字信息，圖像信息和診斷結果組成。基本文字信息包括：病人姓名，住址，電話，職業，主治醫生，主訴，術前準備等，這類信息需要醫護人員手工錄入。圖像信息指病變圖像或視頻，由于數據庫容量有限，醫生從采集的所有圖像中選擇16張存入數據庫，其中4張將打印在診斷報告上。診斷結果包括病人消化系統各個部位的健康狀況描述，以及診斷結果，這部分信息可以手工錄入，也可以在合適的典型病例上進行適當的修改。若醫生在病人體內提取了活檢樣本，還需要記錄活檢樣本的部位名稱和塊數。診斷報告產生后，就可以預覽和打印。