CN111588342A - 一种纤支镜插管智能辅助系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤支镜插管智能辅助系统，整套系统包括纤支镜、外置光源、光信号转化器、视频录制盒、视频采集卡、笔记本电脑以及电子显示器；所述纤支镜完成光信息的采集；所述外置光源为纤支镜前端镜头提供照明；所述光信号转换器将纤支镜镜头采集到的光信号转换成A/V视频信号；该信号被所述视频录制盒转换为HDMI数字视频信号输入所述视频采集卡并输出笔记本电脑可接收的USB‑Camera数字视频信号。软件部分搭载在笔记本电脑内，由软件后端计算部分的人工智能算法对视频信息进行分析计算，得出辅助决策结果，并将分析结果通过软件前端的用户界面，可视化地显示到电子显示器上，供医师参考。

Description

一种纤支镜插管智能辅助系统
技术领域
本发明属于智能医疗领域，具体涉及一种纤支镜插管智能辅助系统。
背景技术
随着国内生活水平的提高与医疗保障制度的完善，居民患病就诊比例大幅提高，但与之相对的是医疗资源增速缓慢，特别是需要长期学习和培训的医师，数量缺口巨大，无法应对庞大的病患需求。为了缓解医师的工作负担，许多的信息化技术成果逐渐被引入到医疗场景中，同时还有许多热门技术的引入，“人工智能 + 医疗”正是这些技术的其中之一。
目前应用于医疗领域的器械工具，大多只是医师感官的延伸，帮助医师获取更多的信息，但需要医师根据自身的知识和经验对获取的信息进行分析。而知识的学习和经验的培养又需要漫长的时间积累，导致患者都倾向于求助年龄更大的医师，但这样的现象不仅会给大龄医师更加繁重的工作量，也会造成年轻医师的成长缓慢，不利于医师资源的良性发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种纤支镜插管智能辅助系统，可以进行有监督的学习，可以理解为经验的积累，使其具备对信息的分析能力，从而辅助医师工作，甚至最终可以达到在某些方面代替医师的作用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种纤支镜插管智能辅助系统，包括纤支镜、外置光源、光信号转化器、视频录制盒、视频采集卡、笔记本电脑以及电子显示器；
所述纤支镜用于对气管内的光信号进行采集；所述外置光源安装在纤支镜头部，发出白光，用于为纤支镜前端镜头提供照明；所述光信号转换器外接于纤支镜尾部，用于将纤支镜镜头采集到的光信号转换成视频信号；所述光信号转换器再连接到视频录制盒，所述视频录制盒连接到视频采集卡，所述视频采集卡的输出接入到笔记本电脑的USB接口；
所述输入到笔记本电脑的视频数据被笔记本电脑搭载的软件部分读取，软件内后端计算部分的人工智能算法对视频信息进行分析计算，得出辅助决策结果，并将分析结果与实时视频影像通过软件前端的用户界面可视化地显示到与笔记本电脑连接的电子显示器上；
所述笔记本电脑搭载分析软件，分为前端用户可视化交互界面与后端计算两部分；所述后端计算部分包括：（1）抓取视频帧：将动态视频流按帧拆分为静态图片；（2）视频帧预处理：将图像帧压缩剪裁为输入网络所需要的 460×460 大小的中心视野部分；（3）加载网络模型，计算并输出决策结果：读取由标注数据训练完成的深度卷积网络，将处理后的图像帧输入其中，通过网络进行计算，得到最终决策结果编号；（4）查找字典，将决策结果编号翻译为中文字符串，向前端输出对应的中文字符提示信息与图像化决策提示指令；
所述前端用户可视化交互界面用于：一是可视化界面，显示视频流输入的视频影像与后端计算反馈的决策结果；二是交互式命令，用户从前端对后端进行控制。
进一步地，所述纤支镜的镜头采集到的光信号被光信号转化器转换为每秒50帧的视频A/V信号。
进一步地，所述视频录制盒采用哈帕克采集卡录制盒。
进一步地，所述视频采集卡采用圆刚BU110采集卡。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过外接计算能力可靠的笔记本电脑，能对拍摄的实时画面进行决策分析，速度远超人类平均反应速度，具有较高的实时性。并且在智能系统的辅助下，帮助医师分析画面，极大提高医师的插管效率。
本发明的决策结果能可视化地显示在电子显示器上，清晰明朗。且标注符合纤支镜的移动方式，医师能够迅速理解。且软件运行只有开关后台计算一个按钮，使用便捷，操作简单。
本发明只在原有纤维支气管镜设备的基础上外接了一台笔记本电脑，改装方便。且笔记本电脑完全可以放在原有的电子显示器下方，不占用任何其他空间。并且只用一台笔记本电脑的成本就可以将原有的硬件设备改造为智能系统，成本低廉。
附图说明
图1为本发明系统结构图。
图2为本发明软件系统框架图。
图3为本发明可视化界面示例图。
图4为本发明前端界面示例图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1、2、3和4所示，本发明系统包括OlympusA10-T2 纤维支气管镜设备、视频录制盒、视频采集卡、计算机以及电子显示器组成。OlympusA10-T2 纤维支气管镜设备完成对视频图像信息的采集，视频录制盒和视频采集卡对采集到的视频信号转换为笔记本电脑可以接收的信号种类。软件部分搭载在计算机（包括笔记本电脑）内，由软件的人工智能算法对视频信息进行分析，并将分析结果和原始视频画面可视化到电子显示器上，供医师参考。
本系统基于在麻醉手术中常见的OlympusA10-T2 纤维支气管镜设备实现，整套设备包括纤支镜、外置光源、光信号转化器以及电子显示器这四个主要模块组成，需要外部电源供电。整套OlympusA10-T2 纤维支气管镜设备组成的基本系统不具备运行复杂算法所需的高计算力，也就是不具备智能性，因此需要借助外部计算平台的帮助。通常在考虑到便捷性与低成本的条件下，一般会选择单片机等嵌入式设备作为计算平台，但由于深度学习对GPU加速与高计算力的需求，因此采用个人电脑会更为合适。
其中，所述纤支镜是一种软管状医疗器械，其头部有一个镜头，可以自动调焦，具有三个方向的自由度。通过后端握柄上的推杆实现垂直于前端镜头所在的视野平面方向的上下弯曲；同时，通过操作医生手腕的扭动或是自身的位移，纤支镜镜头还可以实现平行于视野平面的转动；并且纤支镜本身在视野平面的法向量方向拥有前进后退的平动自由度。所述外置光源的作用是发出白光，为纤支镜前端镜头提供照明，由于体外光线不能照入人体内，在没有与纤支镜配套光源的情况下，纤支镜不能捕获气管的光信号信息。所述光信号转换器的作用是将纤支镜镜头采集到的光信号转换成视频信号（每秒50帧的电视A/V信号）。电子显示器不仅呈现采集到的原始视频信息，也将智能算法计算出的决策结果进行标注，方便医师在一个显示器上观察原始视频信息以及软件的辅助决策结果。
考虑到手术室内的各类仪器本来就很多，使用的个人电脑为便携的笔记本电脑ASUS华硕FX53VD7700，其配备了NVIDIA GTX 1050规格的显卡（GPU），在运行算法时，可通过GPU加速，具有比较充足的计算能力。在确定好了外部计算平台后，所需要的工作就 是使外部计算平台能够读取来自纤支镜设备的视频信号即可。但是由于个人电脑能够接受并处理的视频信号输入必须为USB-Camera数字视频信号，一般的内窥镜设备负责信号输出的光信号转换器均不带有此种信号输出，因此还需要对内窥镜设备输出信号进行转换，转换成个人电脑能够读取的USB信号，相当于使内窥镜充当与个人电脑连接的 USB 摄像头。
OlympusA10-T2 纤维支气管镜设备配套的光信号转换器的输出端口均为电视 A/V信号输出端口，A/V信号是一种面世数十年的模拟电视信号，但现今市面上的笔记本电脑都不具备读取电视A/V信号的能力，所以需要将光信号转换器输出的A/V信号先输入到哈帕克采集卡录制盒中，所述录制盒具有常见的HDMI数字视频信号输出，再接入圆刚BU110采集卡，输出USB-Camera数字视频信号，通过所述笔记本电脑的USB接口输入笔记本。至此，视频数据的采集、转换工作全部完成。
输入的数据通过设计的智能软件进行分析，并给出辅助决策结果。软件部分的设计上，主要分为前端用户可视化交互界面与后端计算两部分。
后端计算是系统软件程序部分的核心，主要工作为：（1）抓取视频帧：由 USB-Camera 信号输送给计算机的数据为持续播放的摄像头视频流，需要从视频流中抓取所需要进行辅助决策的图像帧，也就是将源源不断输入计算机的动态视频数据转变为辅助插管决策计算所需要的静态图像数据。考虑到一般人的反应时间，本发明将视频帧抓取的时间间隔设置为0.5秒左右，纤支镜视频流的输出帧率为50FPS，因此系统会每25帧输出一次当前帧的决策结果，决策结果的每一次更新相隔24帧，系统输出的滞后为1帧左右，由于插管速度不会太快，帧间变化不会非常大，实际应用时落后一帧并不会造成影响。(2) 视频帧预处理：将图像帧的分辨率压缩调整为适配网络输入的720×540，并将调整分辨率后的图像帧进行裁剪，只保留输入网络所需要的460×460大小的中心视野部分。 (3)加载网络模型，计算并输出决策结果：加载并读取由标注数据训练完成的深度卷积网络，输入经过预处理的图像帧，得到决策输出结果，需要注意的是，分类模型完成的是矩阵运算，模型的输入输出均为数值化表示，因此分类模型实际输出的结果并非类别标签，而是类别数字编号，也就是决策输入图像属于第几个类别，要输出便于理解的中文字符串还需要后续处理。(4) 查找字典，将决策结果编号翻译为中文字符串：预先编译好将类别编号与中文提示指令一一对应的字典，在得到模型输出的决策结果后，通过查找字典向前端输出对应的中文字符提示信息与图形化决策提示指令。
前端用户界面主要需要有两个功能：一是可视化界面，用于显示视频流输入的视频影像与后端计算反馈的决策结果；二是交互式命令，方便用户从前端对后端进行控制。图形化指示信号的上下空白区域将分别显示插管方向指令的决策结果与插管终点判断的决策结果，当系统判断未到达插管决策的终点时，图形化指示信号上下方分别显示方向决策的文字信息与“保持前进” 字样，当系统判断到达插管决策终点时，将只显示“停止决策”字样。除关机情况外，根据医师操作动作归纳出6种决策结果及其对应可视化显示方式。可视化操作指令入附图3所示，图3(a)表示后端计算关闭时的待机画面，图3(b)表示后退10毫米指令，图3(c)表示顺时针旋转向上弯曲指令，图3(d)表示顺时针旋转向下弯曲 指令，图3(e)表示逆时针旋转向上弯曲指令，图3(f)逆时针旋转向下弯曲指令，图3(g)表示到达支气管口终止决策指令；前端界面如附图4所示，界面左侧展示原始视频画面，右侧展示智能算法决策结果。

Claims (4)

1.一种纤支镜插管智能辅助系统，其特征在于，包括纤支镜、外置光源、光信号转化器、视频录制盒、视频采集卡、笔记本电脑以及电子显示器；
所述纤支镜用于对气管内的光信号进行采集；所述外置光源安装在纤支镜头部，发出白光，用于为纤支镜前端镜头提供照明；所述光信号转换器外接于纤支镜尾部，用于将纤支镜镜头采集到的光信号转换成视频信号；所述光信号转换器再连接到视频录制盒，所述视频录制盒连接到视频采集卡，所述视频采集卡的输出接入到笔记本电脑的USB接口；
所述输入到笔记本电脑的视频数据被笔记本电脑搭载的软件部分读取，软件内后端计算部分的人工智能算法对视频信息进行分析计算，得出辅助决策结果，并将分析结果与实时视频影像通过软件前端的用户界面可视化地显示到与笔记本电脑连接的电子显示器上；
所述笔记本电脑搭载分析软件，分为前端用户可视化交互界面与后端计算两部分；所述后端计算部分包括：（1）抓取视频帧：将动态视频流按帧拆分为静态图片；（2）视频帧预处理：将图像帧压缩剪裁为输入网络所需要的 460×460 大小的中心视野部分；（3）加载网络模型，计算并输出决策结果：读取由标注数据训练完成的深度卷积网络，将处理后的图像帧输入其中，通过网络进行计算，得到最终决策结果编号；（4）查找字典，将决策结果编号翻译为中文字符串，向前端输出对应的中文字符提示信息与图像化决策提示指令；
所述前端用户可视化交互界面用于：一是可视化界面，显示视频流输入的视频影像与后端计算反馈的决策结果；二是交互式命令，用户从前端对后端进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种纤支镜插管智能辅助系统，其特征在于，所述纤支镜的镜头采集到的光信号被光信号转化器转换为每秒50帧的视频A/V信号。
3.根据权利要求1所述的一种纤支镜插管智能辅助系统，其特征在于，所述视频录制盒采用哈帕克采集卡录制盒。
4.根据权利要求1所述的一种纤支镜插管智能辅助系统，其特征在于，所述视频采集卡采用圆刚BU110采集卡。
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