CN111956168A

CN111956168A - 一种胶囊内窥镜系统和用于胶囊内窥镜的测距方法

Info

Publication number: CN111956168A
Application number: CN202010710304.2A
Authority: CN
Inventors: 游庆虎; 段晓东
Original assignee: Ankon Medical Technologies Shanghai Ltd
Current assignee: Ankon Medical Technologies Shanghai Ltd
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2020-11-20

Abstract

本发明实施例公开了一种胶囊内窥镜系统和用于胶囊内窥镜的测距方法。根据本发明实施例的胶囊内窥镜系统包括：胶囊内窥镜，包括外壳以及位于所述外壳内的摄像元件，所述摄像元件采用自动曝光参数在腔体的预定位置拍摄腔壁的图像；磁球，采用磁力控制所述胶囊内窥镜在所述腔体中的位置和姿态，从而到达所述预定位置；以及测距装置，从所述胶囊内窥镜获取所述自动曝光参数获得所述预定位置相对于腔体内壁的距离。根据本发明实施例的胶囊内窥镜系统和用于胶囊内窥镜的测距方法，能够方便、快捷地得到待测距离。

Description

一种胶囊内窥镜系统和用于胶囊内窥镜的测距方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种胶囊内窥镜系统和用于胶囊内窥镜的测距方法。

背景技术

内窥镜用于检测肠胃和食道的健康状况，能够帮助医生做出准确地诊断，在医疗领域得到越来越广泛地应用。在进行体内检测的过程中，明确内窥镜距离待测部位（例如为胃壁）的距离参数对医生准确知道内窥镜的位置以及拍摄区域至关重要。

在现有技术中，内窥镜使用飞行时间测距法（time of flight，TOF）进行测距。图1示出了根据现有技术的距离测量装置的测量原理示意图。如图1所示，内窥镜上设置有距离测量装置（TOF芯片）10，包括激光发射器11、接收器12和计算器13。激光发射器11给待测目标30连续发送光脉冲，接收器12接收从待测目标30返回的光。计算器13根据这些发射和接收光脉冲的飞行（往返）时间计算得到内窥镜到待测目标30的距离。现有的使用飞行时间测距法的内窥镜，由于发射角度和接收角度比较小，导致测量距离不能太小，对近距离测量不起作用。

因此，希望能有一种新的胶囊内窥镜系统和用于胶囊内窥镜的测距方法，能够克服上述问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种胶囊内窥镜系统和用于胶囊内窥镜的测距方法，从而方便、快捷地得到测试距离。

根据本发明的一方面，提供一种胶囊内窥镜系统，包括：胶囊内窥镜，包括外壳以及位于所述外壳内的摄像元件，所述摄像元件采用自动曝光参数在腔体的预定位置拍摄腔壁的图像；磁球，采用磁力控制所述胶囊内窥镜在所述腔体中的位置和姿态，从而到达所述预定位置；以及测距装置，从所述胶囊内窥镜获取所述自动曝光参数获得所述预定位置相对于腔体内壁的距离。

优选地，所述磁球控制所述胶囊内窥镜转动至第一取向的第一姿态，拍摄腔壁顶部的第一图像，以及控制所述胶囊内窥镜转动至与所述第一取向相反的第二取向的第二姿态，拍摄腔壁底部的第二图像，所述测距装置根据所述第一图像的自动曝光参数获得距离腔壁顶部的第一距离，根据所述第二图像的自动曝光参数获得距离腔壁底部的第二距离，以及根据所述第一距离和所述第二距离实现定位。

优选地，所述测距装置根据以下公式（1）从自动曝光参数中的曝光时间计算所述距离：

D=T^b 公式（1）

其中，D表示从所述摄像元件开始计算的距离，T表示曝光时间，b表示正相关系数。

优选地，所述磁球控制所述胶囊内窥镜的位置和姿态以接触腔壁并且拍摄第三图像，所述测距装置根据以下公式（7）获得所述正相关系数：

其中，D₀表示所述摄像元件至所述壳体外表面的距离,T₀表示曝光时间。

优选地，所述测距装置根据以下公式（2）从自动曝光参数中的曝光时间和数字增益计算所述距离：

其中，D表示从所述摄像元件开始计算的距离，gain表示数字增益，T表示曝光时间，b表示正相关系数。

优选地，所述测距装置根据以下公式（5）从自动曝光参数中的曝光时间和图像亮度计算所述距离：

其中，D表示从所述摄像元件开始计算的距离，Y表示图像亮度，c表示亮度相关系数，T表示曝光时间，b表示正相关系数。

优选地，将所述摄像元件获取的所述图像的图像像素合并成至少一个模块，并计算所述模块内的图像亮度。

优选地，所述测距装置根据以下公式（6）从自动曝光参数中的曝光时间和常量参数计算所述距离：

其中，D表示从所述摄像元件开始计算的距离，T表示曝光时间，b表示正相关系数，C₁、C₂、C₃、C₄表示常量参数；通过多次测量，求解和/或拟合得到所述常量参数。

优选地，所述测距装置位于所述胶囊内窥镜的内部和/或外部，并且经由内部总线或连线与图像处理模块相连接；所述图像处理模块用于所述图像的处理。

根据本发明的另一方面，提供一种用于胶囊内窥镜的测距方法，包括以下步骤：在腔体内的预定位置处采用自动曝光的方式获取腔壁处的图像；以及根据自动曝光参数获得所述预定位置相对于腔体内壁的距离。

根据本发明实施例的胶囊内窥镜系统和用于胶囊内窥镜的测距方法，使用曝光参数运算得到待测距离，无需成本增加，测距方法方便、快捷。

根据本发明实施例的胶囊内窥镜系统和用于胶囊内窥镜的测距方法，通过曝光参数获得胶囊内窥镜距离不同位置的距离，从而实现胶囊内窥镜在腔体内的定位。

根据本发明实施例的胶囊内窥镜系统和用于胶囊内窥镜的测距方法，通过测试获得正相关系数，进而根据正相关系数和曝光参数运算得到待测距离，无需添加额外的装置便可实现测距。

根据本发明实施例的胶囊内窥镜系统和用于胶囊内窥镜的测距方法，根据曝光参数和常量运算得到待测距离，常量通过多次测量或拟合得到，能够得到更加准确的测距结果。

根据本发明实施例的胶囊内窥镜系统和用于胶囊内窥镜的测距方法，根据曝光参数和图像的亮度运算得到待测距离，得到的测距结果更加准确。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据现有技术的距离测量装置的测量原理示意图；

图2示出了根据本发明第一实施例的胶囊内窥镜系统的结构示意图；

图3示出了根据本发明第一实施例的测距方法的流程图；

图4示出了根据本发明第一实施例的测距原理示意图；

图5示出了根据本发明第二实施例的测距方法的流程图；

图6示出了根据本发明第三实施例的胶囊内窥镜的结构示意图；

图7示出了根据本发明第三实施例的测距方法的流程图；

图8示出了根据本发明第三实施例的测距原理示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

图2示出了根据本发明第一实施例的胶囊内窥镜系统的结构示意图。如图2所示，根据本发明第一实施例的胶囊内窥镜系统包括胶囊内窥镜40、测距装置20和磁球50。

胶囊内窥镜40包括外壳以及位于外壳内的摄像元件41。摄像元件41采用自动曝光参数在腔体（例如在胃中）的预定位置拍摄腔壁的图像。

磁球50采用磁力控制胶囊内窥镜40在腔体中的位置和姿态，从而到达预定位置。

测距装置20从胶囊内窥镜40获取自动曝光参数获得预定位置相对于腔体内壁的距离。可选地，测距装置20与摄像元件41相连接以获取自动曝光参数，并根据自动曝光参数运算得到预定位置相对于腔体内壁的距离。

在本发明的一个可选实施例中，磁球50控制胶囊内窥镜40转动至第一取向的第一姿态，拍摄腔壁顶部的第一图像，以及控制胶囊内窥镜40转动至与所述第一取向相反的第二取向的第二姿态，拍摄腔壁底部的第二图像。测距装置20根据第一图像的自动曝光参数获得距离腔壁顶部的第一距离，根据第二图像的自动曝光参数获得距离腔壁底部的第二距离，以及根据所述第一距离和所述第二距离实现定位。

在本发明的一个可选实施例中，测距装置20位于胶囊内窥镜40的内部和/或外部，并且经由内部总线或连线与图像处理模块相连接。图像处理模块用于图像的处理。

图3示出了根据本发明第一实施例的测距方法的流程图。如图3所示，根据本发明第一实施例的测距方法包括以下步骤：

在步骤S101中，在腔体内的预定位置处采用自动曝光的方式获取腔壁处的图像；

在腔体（例如为胃部）内的预定位置处采用自动曝光的方式获取腔壁处的图像。获取的图像例如包括胶囊内窥镜采集的图片。

在步骤S102中，根据自动曝光参数获得所述预定位置相对于腔体内壁的距离。

采用自动曝光的方式获取图像时，会有相应的自动曝光参数。根据获取图像时的自动曝光参数，运算得到预定位置相对于腔体内壁的距离。预定位置例如是用于获取图像的摄像元件41所处的位置。

图4示出了根据本发明第一实施例的测距原理示意图。如图4所示，根据本发明第一实施例的测距装置20（图中未示出）设置在胶囊内窥镜40上。胶囊内窥镜40用于检测胃体内的情况。胶囊内窥镜40位于胃中，例如漂浮在水面（胃部液体）上。外部磁球50能够控制胶囊内窥镜40的姿态，磁球50与胶囊内窥镜40之间相互的作用力如图中箭头所示。

胶囊内窥镜40例如要获取胃壁上区域的图像。在外部磁球50的控制下，胶囊内窥镜40中的摄像元件41（图中未示出）朝向要检测的区域（胃壁上区域）。胶囊内窥镜40通过摄像元件41采用自动曝光的方式在腔体的预定位置拍摄腔壁的图像，并获取相应的自动曝光参数。测距装置20根据自动曝光参数，运算得到胶囊内窥镜40与检测区域（胃壁上区域）之间的距离D。

在本发明的一个可选实施例中，胶囊内窥镜40持续地获取并输出视频图像。在需要拍摄获取特定位置的图像信息时，摄像元件（镜头）41自动曝光一定的时间，以获取特定位置的亮度合适的图像信息（图片）。根据拍摄时曝光的时间，计算得到特定位置与胶囊内窥镜之间的距离。

在本发明的一个可选实施例中，可以通过调整摄像元件（镜头）41的焦距，调整要拍摄的位置。

图5示出了根据本发明第二实施例的测距方法的流程图。如图5所示，根据本发明第二实施例的测距方法包括以下步骤：

在步骤S201中，获取内窥镜拍摄的图像和拍摄图像时的曝光时间；

获取内窥镜拍摄的图像和拍摄图像时的曝光时间T。

在步骤S202中，根据拍摄图像时的曝光时间，运算得到内窥镜与拍摄图像部位之间的距离。

根据拍摄图像时的曝光时间T，运算得到内窥镜距离拍摄图像部位的距离D。

具体地讲，在进行体内检测的过程中，例如检测胃体内的情况，不同时刻t内窥镜拍摄的胃壁图像的曝光参数直接相关。当内窥镜距离胃壁近时，只需要很短的曝光时间T就可以得到亮度合适的内窥镜图像；当内窥镜距离胃壁比较远时，需要增大曝光时间T，内窥镜才能拍摄到合适亮度的图像。内窥镜与胃壁之间的距离D与每次曝光时间T成一个正相关，可表示为下述公式（1）：

其中，D表示内窥镜与胃壁之间的距离，T表示曝光时间，b为正相关系数。

根据上述公式（1），便可运算得到内窥镜距离拍摄图像部位的距离。

在本发明的一个可选实施例中，曝光参数根据图像信息的亮度确定。可选地，图像信息中的像素合并成模块（block），计算模块内的图像亮度。

在本发明的一个可选实施例中，测距方法还包括以下步骤：

改变内窥镜的姿态，获得内窥镜距离不同位置的距离。

在本发明的一个可选实施例中，测距方法用于胶囊内窥镜。通过外界的磁球能够控制胶囊内窥镜的姿态。可选地，通过改变磁球磁力的方向，改变胶囊内窥镜的姿态，利用上述测距方法，运算得到不同方位的距离。

在本发明的一个可选实施例中，在进行体内检测的过程中，例如检测胃体内的情况，不同时刻t内窥镜拍摄的胃壁图像的曝光参数直接相关。内窥镜距离胃壁的距离不同时，有不同的数字增益gain。内窥镜与胃壁之间的距离D与数字增益gain成一个正相关。曝光参数与距离之间的关系可以表示为下述公式（2）：

其中，D表示内窥镜与胃壁之间的距离，gain表示数字增益，T表示曝光时间，b为正相关系数。

根据上述公式（2），便可运算得到内窥镜距离拍摄图像部位的距离。

图6示出了根据本发明第三实施例的胶囊内窥镜的结构示意图。如图6所示，根据本发明第三实施例的胶囊内窥镜40内设置有摄像元件41。摄像元件41采用自动曝光参数在腔体（例如在胃中）的预定位置拍摄腔壁的图像。摄像元件41位于胶囊内窥镜40的前端，距离胶囊内窥镜40前壳的距离为D₀。

图7示出了根据本发明第三实施例的测距方法的流程图。如图7所示，根据本发明第三实施例的测距方法包括以下步骤：

在步骤S301中，获取正相关系数；

获取胶囊内窥镜与胃壁之间的距离D与每次曝光时间T之间的正相关系数b。具体地讲，胶囊内窥镜与胃壁之间的距离D与每次曝光时间T成一个正相关，可表示为下述公式（1）：

可选地，获取的正相关系数b为预设的固定值。

在本发明的一个可选实施例中，获取正相关系数b包括以下步骤：

将胶囊内窥镜紧贴胃壁，也就是D=D₀，其中，D₀为已知的摄像元件（镜头）41到胶囊内窥镜外壳（前壳）的距离；

获取胶囊内窥镜紧贴胃壁拍摄图像的曝光时间T₀；

根据D₀、T₀和公式（1），运算得到正相关系数b，

优选地，可以紧贴不同位置处的胃壁，通过多次测量求解正相关系数b。

在步骤S302中，获取任意时刻胶囊内窥镜拍摄的图像和拍摄图像时的曝光时间；

获取任意时刻t时胶囊内窥镜拍摄的图像和拍摄图像时的曝光时间T_t。

在步骤S303中，根据拍摄图像时的曝光时间和正相关系数，运算得到胶囊内窥镜与拍摄图像部位之间的距离。

根据t时刻拍摄图像的曝光时间T_t，运算得到胶囊内窥镜距离拍摄图像部位的距离D_t。

具体地讲，在进行体内检测的过程中，例如检测胃体内的情况，不同时刻t下胶囊内窥镜拍摄的胃壁图像的曝光参数直接相关。不同时刻t下胶囊内窥镜与胃壁之间的距离D_t与每次曝光时间T_t成一个正相关，可表示为下述公式（3）：

其中，D_t表示t时刻胶囊内窥镜与胃壁之间的距离，T_t表示t时刻获取的图像的曝光时间，b为正相关系数。

根据上述公式（3），便可运算得到t时刻下胶囊内窥镜距离拍摄图像部位的距离。

图8示出了根据本发明第三实施例的测距原理示意图。如图8所示，根据本发明实施例的测距装置20（图中未示出）设置在胶囊内窥镜40上。用于获取图像的摄像元件（镜头）41距离胶囊内窥镜40的外壳（前壳）具有一定的距离。摄像元件41透过胶囊内窥镜40的前壳获取图像。外部磁球50能够控制胶囊内窥镜40的姿态，磁球50与胶囊内窥镜40之间相互的作用力如图中箭头所示。

胶囊内窥镜40例如要获取胃部的图像。在外部磁球50的控制下，胶囊内窥镜40的前壳紧贴胃壁（如图8所示），也就是D=D₀，D₀为已知的摄像元件（镜头）41距离前壳的距离；并记录下胶囊内窥镜紧贴胃壁拍摄图像的曝光时间T₀。根据D₀、T₀和公式（1）计算得到正相关系数b。

在外部磁球50的控制下，胶囊内窥镜40移动至检测区域。胶囊内窥镜40通过摄像元件41拍摄获取图像信息，并获取相应的曝光参数。测距装置20（图中未示出）根据相应的曝光参数和正相关系数b，运算得到胶囊内窥镜与检测区域之间的距离。

在本发明的一个可选实施例中，摄像元件41曝光一定的时间以获取亮度合适的图像，并定义图像的亮度为Y。亮度Y例如是YUV颜色编码（YUV是编译颜色空间（color space）的种类。“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值，“U”和“V”表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色）。亮度Y与图像各个颜色通道的关系可以表示为下述公式（4）。

其中，α、β、γ为不小于0的实数；R为红色通道强度；G为绿色通道强度；B为蓝色通道强度。

当α=1，且β=γ=0时，Y=R，即是亮度Y为图像红色通道强度；

当β=1，且α=γ=0时，Y=G，即是亮度Y为图像绿色通道强度；

当γ=1，且α=β=0时，Y=B，即是亮度Y为图像蓝色通道强度。

可选地，根据本发明实施例的测距方法在进行运算时，考虑图像的亮度Y。测距装置20根据下述公式（5）运算得到内窥镜与拍摄图像部位之间的距离。

其中，D为内窥镜与拍摄图像部位之间的距离；Y为图像的亮度；T为曝光时间；c为亮度相关系数；b为正相关系数。

可选地，图像的亮度Y可以是整幅图像的亮度、指定区域的亮度或者像素的亮度。

在本发明的一个可选实施例中，图像的亮度Y采用RGB编码。

在本发明的一个可选实施例中，测距装置20根据下述公式（6）运算得到内窥镜与拍摄图像部位之间的距离。公式（6）根据实际情况，加入了常量因子。

其中，D为内窥镜与拍摄图像部位之间的距离；T为曝光时间；b为正相关系数；C₁、C₂、C₃为常量因子。

可选地，通过多次测量，求解或者拟合出对应的常量因子C₁、C₂和C₃。

在本发明的一个可选实施例中，根据本发明实施例的测距方法包括：

对图像信息进行预处理。具体地讲，将获取的图像信息中的像素合并成模块（block），计算模块内的图像亮度和/或模块内的距离。例如将8*8个像素合成一个模块，则480*480个像素的图像合并为60*60个模块，分别计算模块内的图像亮度和/或模块内的距离。

在上述实施例中，通过将图像像素合并成模块，进而对模块进行运算处理，提高了运算的速度。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。