CN104236515A - 医用电子内窥镜视场角自动测量装置 - Google Patents

Abstract

一种医用电子内窥镜视场角自动测量装置，包括显示装置、内镜末端定位装置、图像采集单元和中央处理器，显示装置、内镜末端定位装置和图像采集单元均与中央处理器连接，显示装置设置于内镜末端定位装置的前方，被测电子内窥镜的末端固定在内镜末端定位装置上，中央处理器控制和获取显示装置所显示图形的形状、尺寸和显示位置，获取来自内镜末端定位装置输出的被测内镜末端与显示装置显示屏之间的距离，接收来自图像采集单元的图像数据，测量和计算被测电子内窥镜的顶点视场角和入瞳视场角。该装置能够对医用电子内窥镜的顶点视场角和入瞳视场角进行自动测量，无需要求严苛的调整操作，测量方便快捷，测量精度高。

Description

医用电子内窥镜视场角自动测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于对医用内窥镜视场角进行测量的装置，属于医用电子内窥镜视场角测量技术领域。

背景技术

医用内窥镜是一种临床重要的诊疗设备，可通过自然孔道或者外科切口进入人体内部，进行观察、诊断或治疗。目前临床上常见的医用内窥镜主要有三类：硬性内窥镜、纤维内窥镜、电子内窥镜。视场角是医用内窥镜重要的技术指标，直接反映了医用内窥镜的观察范围，是衡量内窥镜技术性能的基本指标。视场角的测量在医用内窥镜的研发、制造、质量控制等领域都具有必要性和重要意义。

我国医药行业标准YY0068.1-2008《医用内窥镜硬性内窥镜第1部分：光学性能及测试方法》提供了一种用于硬性内窥镜视场角的测量方法。该方法使用分划环作为测标，测量硬性内窥镜的视场角。其测量难点在于，该方法要求操作人员通过反复的调整操作，“使测标分划环与视场同心并垂直视轴”(见该标准A.2.2.3条款)。事实上，该调整操作是整个测量过程中最费时费力的环节，需要操作人员反复调整测标、夹具、被测硬性内窥镜以及测试距离等多方面影响因素才能够满足上述测试要求。实验证明，即便是有经验的操作人员，通常也需要耗费30分钟以上的时间才能达到“使测标分划环与视场同心并垂直视轴”的要求。

试图将上述硬性内窥镜视场角测量方法用于电子内窥镜视场角的测量是不切实际的。首先，电子内窥镜的镜体是柔性的，可在一定程度上向四周自由弯曲，其视轴不易由肉眼直接准确识别。其次，电子内窥镜镜体长度一般较长，内部元器件易受力损坏，使调整操作实施起来非常困难。以上两点原因使硬性内窥镜视场角测量方法用于电子内窥镜视场角的测量不具备实际的可操作性。

目前，尚未检索到关于医用电子内窥镜视场角测量方法或装置的文献资料。

发明内容

本发明针对医用电子内窥镜视场角自动测量技术的空白，提供一种操作方便快捷、测量精度高的医用电子内窥镜视场角自动测量装置。

本发明的医用电子内窥镜视场角自动测量装置，包括显示装置、内镜末端定位装置、图像采集单元和中央处理器：

(1)显示装置，设置于内镜末端定位装置的前方，与中央处理器相连接，依据中央处理器的指令在显示装置上的指定位置显示规定尺寸及几何关系的图形；

(2)内镜末端定位装置，与中央处理器相连，用于固定被测电子内窥镜的末端并使其目镜朝向显示装置，使被测电子内窥镜末端能够沿着显示装置显示屏的垂直中心轴进行移动，测量被测电子内窥镜末端与显示装置显示屏之间的距离并将结果输出至中央处理器；

(3)图像采集单元，与被测电子内窥镜的图像输出接口相连接并采集被测电子内窥镜所获取的图像，与中央处理器相连接并将被测电子内窥镜的图像传输至中央处理器；

(4)中央处理器，与显示装置、内镜末端定位装置、图像采集单元相连接，用于控制和获取显示装置所显示图形的形状、尺寸和显示位置，获取来自内镜末端定位装置输出的被测内镜末端与显示装置显示屏之间的距离，接收来自图像采集单元的图像数据，按以下过程测量和计算被测电子内窥镜的顶点视场角和入瞳视场角：

A.当内镜末端定位装置将被测电子内窥镜末端与显示装置显示屏之间的距离固定在某个值时，中央处理器通过内镜末端定位装置获取该距离量a；

B.中央处理器搜索视轴交点的位置，计算视轴交点与显示装置显示屏中心点的距离b以及被测电子内窥镜末端与视轴交点之间的距离视轴交点为显示装置显示屏与被测电子内窥镜视轴的交点；

中央处理器搜索视轴交点位置的过程如下所述：

图像采集单元采集一幅被测电子内窥镜的输出图像，传输至中央处理器，中央处理器对该图像进行如下分析处理：使用边缘提取算法提取被测电子内窥镜的图像视野边缘；在图像视野范围内搜索图像视野的中心点并进行存储；以图像视野中心点为圆心、以图像视野中心点与图像视野边缘的最短距离为半径，划定一个圆形范围，该圆形范围称为有效图像视野；

中央处理器控制显示装置依次显示各个像素点，并根据被测电子内窥镜的输出图像计算所显示像素点的像与图像视野中心点的距离，在依次显示各个像素点的过程中，当所显示像素点的像与图像视野中心点的距离等于零时，此时该像素点的显示位置即为显示装置显示屏与被测电子内窥镜视轴的交点，也就是视轴交点；

C.中央处理器搜索显示装置显示屏上有效视场的范围，并确定视场计算半径r；

具体过程如下所述：

中央处理器搜索显示装置显示屏上具有以下特征的像素点：经被测电子内窥镜成像后，该像素点的像位于被测电子内窥镜的图像有效视野的边缘上；中央处理器控制显示装置依次显示各个像素点，每显示一个像素点，中央处理器就通过图像采集单元采集一幅被测内镜的输出图像，并根据该输出图像判断所显示的像素点的像是否位于图像有效视野边缘上，如此循环，直至搜索到所有符合要求的像素点，显示装置具有上述特征的像素点划定的范围称为有效视场，上述像素点的集合称为有效视场边缘；

中央处理器计算并搜索有效视场边缘上与视轴交点间距离最大或最小的点，该点与视轴交点所确定的直线即为有效视场对称轴，在显示装置显示屏上，过视轴交点且垂直于有效视场对称轴的直线称为视场计算轴，中央处理器搜索视场计算轴与有效视场边缘的交点，并计算该交点与视轴交点间的距离r，该距离称为视场计算半径。

D.中央处理器按照以下公式计算被测内镜的顶点视场角α：

$\mathrm{\α}=2\arctan \left(\frac{r}{c}\right);$

E.内镜末端定位装置将被测电子内窥镜末端与显示装置显示屏之间的距离调整至另一固定值，重复步骤A、B、C和D，得到被测电子内窥镜末端与视轴交点之间另一距离c’和另一视场计算半径r’，中央处理器按照以下公式计算被测电子内窥镜的入瞳视场角β：

$\mathrm{\β}=2\arctan \left(\frac{r^{\′}-r}{c^{\′}-c}\right).$

所述内镜末端定位装置，包括基座、直线滑轨、滑块和环形锁套；直线滑轨安装在基座上，滑块安装于直线滑轨上，滑块上安装有环形锁套，滑块和直线滑轨上装有位移传感装置，位移传感装置与中央处理器连接。环形锁套用于固定被测电子内窥镜的末端。

本发明能够对医用电子内窥镜的顶点视场角和入瞳视场角进行自动测量，无需要求严苛的调整操作，测量方便快捷，测量精度高，本装置将成为医用电子内窥镜研发、制造和质量控制等领域的重要测量工具。

附图说明

图1是本发明医用电子内窥镜视场角自动测量装置的结构框图。

图2是本发明中内镜末端定位装置的结构示意图。

图3是某次测量中搜索到的有效视场的示意图。

其中，1、显示装置，2、内镜末端定位装置，3、图像采集单元，4、中央处理器，5、滑块，6、直线滑轨，7、环形锁套，8、基座。

具体实施方式

如图1所示，本发明的医用电子内窥镜视场角自动测量装置，包括显示装置1、内镜末端定位装置2、图像采集单元3和中央处理器4，显示装置(显示器)1、内镜末端定位装置2和图像采集单元3均与中央处理器4连接。

显示装置1用于显示各种测试图形。设置在内镜末端定位装置2的前方(参见图2)。显示装置1所采用的显示屏为平面显示屏，显示面积应足够大以保证在测量过程中被测电子内窥镜的视场始终完全位于显示屏以内。显示屏可采用液晶显示屏、电子墨水屏或发光二极管阵列等方式实现。显示装置1受中央处理器4的控制。显示装置1所采用显示屏的物理分辨率(像素密度)、显示面积、像素行列数等显示参数事先存储进中央处理器4。中央处理器4能够根据上述显示参数控制显示装置1所显示图形的形状、尺寸和显示位置。具体实例中，显示装置1使用白色(或高亮度)作为显示背景，使用黑色(或低亮度)来显示测试图形，并应尽可能提高显示图形的对比度。

图像采集单元3可采用图像或视频采集卡实现。图像采集单元3通过相应的接口连接至被测电子内窥镜的图像输出接口，可将显示装置1显示的测试图形经被测电子内窥镜成像后进行采集，并传输至中央处理器4。

内镜末端定位装置2的结构，如图2所示，包括基座8、直线滑轨6、滑块5和环形锁套7。基座8上安装有直线滑轨6，滑块5安装于直线滑轨6上，可沿直线滑轨6往复直线运动，并可锁定于直线滑轨6的某一位置以便进行测量。滑块5上安装有环形锁套7，环形锁套7用于固定被测电子内窥镜的末端。环形锁套7通过具有旋转调节和锁定功能的光学调整架(例如由接杆和杆架组成的调整架)安装在滑块5上，也可以采用其它能够使环形锁套7旋转调节和锁定的装置或结构。通过光学调整架，环形所套7可绕其垂直中心轴旋转并可被锁定于某个旋转角度，以此来调节并锁定被测电子内镜末端的朝向，以便于在测量斜视、侧视或后视电子内窥镜时将其目镜朝向显示装置1。显示装置1安装于直线滑轨6的前方(图2中的左侧为前)，直线滑轨6垂直于显示装置1的显示屏。环形锁套7的中心点位于显示装置1显示屏的垂直中心轴(图2中的点划线)上，以保证测量时被测电子内窥镜末端也位于显示装置1显示屏的垂直中心轴上。如图2所示，为避免搬运移动后重新调整各部件的几何位置关系，可将显示装置1安装于基座8上，以确保各部件的几何位置关系固定不变。在滑块5和直线滑轨6上装有位移传感装置(例如容栅传感器)，该位移传感装置与中央处理器4连接，可通过测量滑块5与直线滑轨6的相对位移来测量环形锁套7与显示装置1显示屏之间的距离并将结果输出至中央处理器4。该距离量实际上表征了被测内窥镜末端与显示装置1显示屏之间的距离。

在测量被测内窥镜的视场角时，中央处理器4控制显示装置1，在显示装置1显示屏中心点处显示一个标记图形，如圆点、十字或其他易于识别的图形，以标明显示装置1显示屏中心点的位置。具体实例中采用圆点作为标记图形。

在直线滑轨6上移动滑块5的位置，使显示装置1显示屏位于被测电子内窥镜的工作距离范围内。将被测电子内窥镜的末端安装于环形锁套7上，调节被测内镜末端的朝向，使显示装置1显示屏的中心点(该中心点已由标记图形所标记)位于被测电子内窥镜的视野内。调整完毕后，锁定被测电子内窥镜末端、环形锁套7和滑块5，使它们在后续测量中保持相对位置不变。中央处理器4通过滑块5和直线滑轨6上的位移传感装置读取被测电子内窥镜末端与显示装置1显示屏之间的距离a。

将被测电子内窥镜的图像输出接口与图像采集单元3相连接。图像采集单元3采集一幅被测电子内窥镜的输出图像，传输至中央处理器4。中央处理器4对该图像进行如下分析处理：使用边缘提取算法提取被测电子内窥镜的图像视野边缘；在图像视野范围内搜索图像视野的中心点并进行存储；以图像视野中心点为圆心、以图像视野中心点与图像视野边缘的最短距离为半径，划定一个圆形范围。在本发明中，该圆形范围称为有效图像视野。

接下来，中央处理器4控制显示装置1依次显示各个像素点。每显示一个像素点，中央处理器4就根据被测电子内窥镜的输出图像计算所显示像素点的像(显示装置1所显示的像素点经被测电子内窥镜所成的像)与图像视野中心点的距离，以判断两者是否重合。在依次显示各个像素点的过程中，当所显示像素点的像与图像视野中心点的距离等于零时，此时该像素点的显示位置即为显示装置1显示屏与被测电子内窥镜视轴的交点(本发明中称为视轴交点)。中央处理器4计算视轴交点与显示装置1显示屏中心点的距离b。然后，中央处理器4依据勾股定理计算被测电子内窥镜末端与视轴交点之间的距离

接下来，中央处理器4搜索显示装置1显示屏上具有以下特征的像素点：经被测电子内窥镜成像后，该像素点的像位于被测电子内窥镜的图像有效视野的边缘上。中央处理器4控制显示装置1依次显示各个像素点。每显示一个像素点，中央处理器4就通过图像采集单元3采集一幅被测内镜的输出图像，并根据该输出图像判断所显示的像素点的像是否位于图像有效视野边缘上。如此循环，直至搜索到所有符合要求的像素点。为了提高搜索效率，还可采用以视轴交点为起点的渐开线搜索或者分区搜索等高级搜索策略。本发明中，显示装置1上具有上述特征的像素点划定的范围称为有效视场，上述像素点的集合称为有效视场边缘。通常，由于被测电子内窥镜的视轴不垂直于显示装置1，有效视场并非圆形，而是一个近似椭圆的轴对称图形，如图3所示。

为提高所采集图像的利用率和搜索效率，上述的视轴交点的搜索和有效视场边缘的搜索也可以同时进行，即：每显示一个像素点，采集一幅被测内镜的输出图像，中央处理器4同时判断该像素点是否为视轴交点和是否为有效视场边缘上的点。

中央处理器4计算并搜索有效视场边缘上与视轴交点间距离最大(或最小)的点。该点与视轴交点所确定的直线即为有效视场对称轴(参见图3)。在显示装置1的显示屏上，过视轴交点且垂直于有效视场对称轴的直线称为视场计算轴(参见图3)。中央处理器4搜索视场计算轴与有效视场边缘的交点，并计算该交点与视轴交点间的距离r，该距离称为视场计算半径(参见图3)。

中央处理器4按照以下公式计算被测内镜的顶点视场角α：

$\mathrm{\α}=2\arctan \left(\frac{r}{c}\right),$

其中arctan()为反切函数。

通过内镜末端定位装置2将被测电子内窥镜末端与显示装置1显示屏之间的距离调整至另一新的固定值。该调整应使显示装置1仍然位于被测电子内窥镜的工作距离范围内。重复上述测量步骤，得到在新的距离下被测电子内窥镜末端与视轴交点之间的距离c’和视场计算半径r’。中央处理器4按照以下公式计算被测内镜的入瞳视场角β：

$\mathrm{\β}=2\arctan \left(\frac{r^{\′}-r}{c^{\′}-c}\right).$

Claims (4)

1.一种医用电子内窥镜视场角自动测量装置，包括显示装置、内镜末端定位装置、图像采集单元和中央处理器，其特征是：

(1)显示装置，设置于内镜末端定位装置的前方，与中央处理器相连接，依据中央处理器的指令在显示装置上的指定位置显示规定尺寸及几何关系的图形；

(2)内镜末端定位装置，与中央处理器相连，用于固定被测电子内窥镜的末端并使其目镜朝向显示装置，使被测电子内窥镜末端能够沿着显示装置显示屏的垂直中心轴进行移动，测量被测电子内窥镜末端与显示装置显示屏之间的距离并将结果输出至中央处理器；

(3)图像采集单元，与被测电子内窥镜的图像输出接口相连接并采集被测电子内窥镜所获取的图像，与中央处理器相连接并将被测电子内窥镜的图像传输至中央处理器；

(4)中央处理器，与显示装置、内镜末端定位装置、图像采集单元相连接，用于控制和获取显示装置所显示图形的形状、尺寸和显示位置，获取来自内镜末端定位装置输出的被测内镜末端与显示装置显示屏之间的距离，接收来自图像采集单元的图像数据，按以下过程测量和计算被测电子内窥镜的顶点视场角和入瞳视场角：

A.当内镜末端定位装置将被测电子内窥镜末端与显示装置显示屏之间的距离固定在某个值时，中央处理器通过内镜末端定位装置获取该距离量a；

B.中央处理器搜索视轴交点的位置，计算视轴交点与显示装置显示屏中心点的距离b以及被测电子内窥镜末端与视轴交点之间的距离视轴交点为显示装置显示屏与被测电子内窥镜视轴的交点；

C.中央处理器搜索显示装置显示屏上有效视场的范围，并确定视场计算半径r；

D.中央处理器按照以下公式计算被测内镜的顶点视场角α：

$\mathrm{\α}=2\arctan \left(\frac{r}{c}\right);$

E.内镜末端定位装置将被测电子内窥镜末端与显示装置显示屏之间的距离调整至另一固定值，重复步骤A、B、C和D，得到被测电子内窥镜末端与视轴交点之间另一距离c’和另一视场计算半径r’，中央处理器按照以下公式计算被测电子内窥镜的入瞳视场角β：

$\mathrm{\β}=2\arctan \left(\frac{r^{\′}-r}{c^{\′}-c}\right).$

2.根据权利要求1所述的医用电子内窥镜视场角自动测量装置，其特征是，所述内镜末端定位装置，包括基座、直线滑轨、滑块和环形锁套；直线滑轨安装在基座上，滑块安装于直线滑轨上，滑块上安装有环形锁套，滑块和直线滑轨上装有位移传感装置，位移传感装置与中央处理器连接。

3.根据权利要求1所述的医用电子内窥镜视场角自动测量装置，其特征是，所述中央处理器搜索视轴交点位置的过程如下所述：

图像采集单元采集一幅被测电子内窥镜的输出图像，传输至中央处理器，中央处理器对该图像进行如下分析处理：使用边缘提取算法提取被测电子内窥镜的图像视野边缘；在图像视野范围内搜索图像视野的中心点并进行存储；以图像视野中心点为圆心、以图像视野中心点与图像视野边缘的最短距离为半径，划定一个圆形范围，该圆形范围称为有效图像视野；

中央处理器控制显示装置依次显示各个像素点，并根据被测内镜的输出图像计算所显示像素点的像与图像视野中心点的距离，在依次显示各个像素点的过程中，当所显示像素点的像与图像视野中心点的距离等于零时，此时该像素点的显示位置即为显示装置显示屏与被测电子内窥镜视轴的交点，也就是视轴交点。

4.根据权利要求1所述的医用电子内窥镜视场角自动测量装置，其特征是，所述中央处理器搜索显示装置显示屏上有效视场的范围并确定视场计算半径r的具体过程如下所述：

中央处理器搜索显示装置显示屏上具有以下特征的像素点：经被测电子内窥镜成像后，该像素点的像位于被测电子内窥镜的图像有效视野的边缘上；中央处理器控制显示装置依次显示各个像素点，每显示一个像素点，中央处理器就通过图像采集单元采集一幅被测内镜的输出图像，并根据该输出图像判断所显示的像素点的像是否位于图像有效视野边缘上，如此循环，直至搜索到所有符合要求的像素点，显示装置上具有上述特征的像素点划定的范围称为有效视场，上述像素点的集合称为有效视场边缘；

中央处理器计算并搜索有效视场边缘上与视轴交点间距离最大或最小的点，该点与视轴交点所确定的直线即为有效视场对称轴，在显示装置显示屏上，过视轴交点且垂直于有效视场对称轴的直线称为视场计算轴，中央处理器搜索视场计算轴与有效视场边缘的交点，并计算该交点与视轴交点间的距离r，该距离称为视场计算半径。