CN116271386A - 一种具有成像增强功能的可视双腔气管插管及其成像增强方法 - Google Patents

一种具有成像增强功能的可视双腔气管插管及其成像增强方法 Download PDF

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CN116271386A CN202310218033.2A CN202310218033A CN116271386A CN 116271386 A CN116271386 A CN 116271386A CN 202310218033 A CN202310218033 A CN 202310218033A CN 116271386 A CN116271386 A CN 116271386A
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蒋永振
崔安琳
韩世英
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Abstract

本发明属于有源医疗器械技术领域，涉及一种具有成像增强功能的可视双腔气管插管及其成像增强方法。该气管插管具备成像增强特性，包括管体、图像处理主机及操作手柄，图像处理主机的一侧通过航空插头与管体连接，另一侧通过USB Type‑C与操作手柄连接。图像处理主机包括图像获取单元、存储器、处理器、显示器，其中处理器通过调用程序指令来执行对比度增强和暗部细节增强模块，对比度增强模块用于将输入的视频图像帧的对比度进行增强处理，暗部细节增强模块用于将对比度增强模块的输出作为输入，对视频图像帧的亮度进行提升。本发明提供的的成像增强方法计算复杂度较低，能够满足实时处理要求，具有普适性，同时摆脱了对硬件的要求。

Description

一种具有成像增强功能的可视双腔气管插管及其成像增强 方法
技术领域
本发明属于有源医疗器械技术领域，涉及一种具有成像增强功能的可视双腔气管插管及其成像增强方法。
背景技术
可视双腔气管插管是一种用于临床医院的医疗辅助设备，是保证麻醉安全的重要部分，主要用于胸科肺部手术及肺隔离等适应症。在现有的支气管插管手术中，医护人员主要采用病人端设置有一次性摄像头的可视双腔支气管插管进行手术，使支气管插管手术在可视化下进行，让整个过程可通过动态视频监测，避免“盲插”而对患者的腔道造成损伤。
在手术过程中，医护人员对患者体内的视频监测几乎完全依赖可视双腔气管插管摄像头采集和传输的图像，成像的质量直接影响观察的效果，进而影响到一次插管成功率的大小和手术安全性的高低。而成像质量高低主要取决于摄像头分辨率和光源强度的大小，目前可视双腔气管插管采用的摄像头分辨率一般为一百万。但是由于光源的不稳定性以及人体内部特殊构造的原因，目前可视双腔气管插管成像效果普遍存在以下情况：（1）图像噪点较多，影响图像质量；（2）光源照射不均匀，图像整体较暗，进而导致暗部的组织结构等细节不易观察；（3）图像对比度较低，较难区分不同人体组织；这些问题都不利于医生在手术过程中观察病人体内的具体情况。
目前为了提升可视双腔成像效果，主要有以下两种方法：（1）采用更高分辨率（如100万像素）的摄像头，虽然采用高分辨率摄像头可以有效提升图像质量，但是并不会减少噪声和光源带来的影响；（2）LED白光光源采用带直流恒压恒流的CV/CC芯片，降低光频闪，减少感光干扰带来的图像噪声，该方法尽可能减少了光源不稳定引入的图像噪声，但是依然存在光源照射不均匀，部分组织结构暗部细节无法观察的问题。
此外，以上方法都是在硬件层面对成像效果进行改进，最终的成像效果与光源、摄像头的硬件配置有很大关联，因此开发一种通过图像处理的方法进行图像增强，具有普适性，摆脱硬件要求的成像增强方法是目前需要解决的一个问题。
发明内容
基于此，本发明的目的在于通过数字图像处理技术对可视双腔气管插管的成像效果进行改善，在移动端实现最终的图像显示，主要包括以下两方面的提升：（1）解决光源照射不均匀导致的部分图像区域过暗，提升其暗部组织结构的细节信息；（2）增强对比度，便于医生更好地区分不同的人体组织，如血管和肌肉。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种成像增强型可视双腔气管插管，包括管体、图像处理主机及操作手柄，其特征在于：具备成像增强特性，所述图像处理主机包括图像获取单元、存储器、处理器、显示器，所述图像获取单元用于获取视频图像。所述存储器用于存储程序指令。所述处理器包括对比度增强模块和暗部细节增强模块；所述对比度增强模块用于将输入的视频图像帧的对比度进行增强处理，输出对比度增强的图像；所述暗部细节增强模块用于将对比度增强模块的输出作为输入，对视频图像帧的亮度进行提升，输出成像增强的图像。所述显示器用于显示处理后的视频图像；所述图像处理主机的一侧通过航空插头与管体连接，另一侧通过USB Type-C与操作手柄连接。
本发明还提供了一种用于成像增强型可视双腔气管插管的成像增强方法，其特征在于：包括对比度增强处理和暗部细节增强处理步骤；所述对比度增强处理包括对输入图像进行像素值分析和拷贝步骤、创建对比度映射变换函数步骤；所述暗部细节增强处理包括HSV色彩空间转换、创建双向Gamma矫正函数对、Gamma矫正融合输出步骤。
进一步地，所述对输入图像进行像素值分析和拷贝步骤用于生成新的图像帧，包括以下步骤：
步骤（A），采用公式（1）将输入的彩色图像由RGB颜色空间转换为灰度图像，
Figure SMS_1
（1）
其中，R、G、B和Gray分别为R通道像素值、G通道像素值、B通道像素值和灰度图像像素值;
步骤（B），遍历灰度图找到具有最大灰阶值的像素并统计数量，将具有最大灰阶值的像素赋值为0得到掩模图像，将输入的图像在掩模图像上不为0的对应像素点进行拷贝，得到所述新的图像帧。
进一步地，所述创建对比度映射变换函数用于图像对比度增强，包括以下步骤：
步骤（C），直方图建立：分别统计对输入图像进行像素值分析和拷贝步骤生成的新的图像帧的R、G、B三个通道的直方图；
步骤（D），上限值和下限值的获取：分别从R、G、B三通道直方图的像素最小值递增方向和像素最大值递减方向开始迭代，计算两个方向上分别累计的像素数目，当像素数目分别满足设定的阈值时，停止迭代，并记录此时对应的像素值大小下限值MinR、MinG、MinB和上限值MaxR、MaxG、MaxB，取三通道中下限值最小的值为Min、上限值最大的值为Max；
步骤（E），函数创建：根据Min和Max构建对比度映射分段函数。
进一步地，所述步骤（E）中函数创建包括预设像素数目的设定，所述预设像素数目的设定以灰度图像的总像素数目减去灰度图像中像素值为0的像素数目以及像素值为最大灰阶值的像素数目，然后乘上预先设定的比例因子s，采用以下公式（2）或（3）中任意一种方式进行计算，
Figure SMS_2
（2）
Figure SMS_3
（3）
其中，sum、s为预设像素数目和比例因子；MinMask、MaxMask分别是灰度图像总像素数目、灰度图像中像素值为0的像素数目和灰度图像中像素值为最大灰阶值的像素数目；w、h、MinValue分别是Image_Mask的行数、列数以及Image_Mask中值为0的像素数目。
进一步地，所述步骤（E）中函数创建包括如下步骤：判断当前像素值i的大小，然后与Min和Max作比较，根据公式（4）构建分段变换函数；通过分段函数将图像中较暗部分向更暗的灰度级扩展，将较亮部分向更亮的灰度级扩展；根据对比度映射函数对图像进行映射处理，所述映射处理采用提前建立映射表，然后利用查找表的方式更新像素值，
Figure SMS_4
（4）
其中，i为当前像素值的大小，Min和Max为下限值和上限值。
进一步地，所述步骤（E）中，当步骤（D）中Max和Min的差值小于预设值Threshold时,则不对输入图像进行对比度处理，输出原图。
进一步地，所述HSV色彩空间转换用于将待处理的图像由RGB色彩空间转换到HSV色彩空间，将HSV空间的图像作为新的图像帧输入下一步骤。
进一步地，所述创建双向Gamma矫正函数对包括如下步骤：
步骤（F），保留HSV色彩空间转换生成的图像帧中的色度通道
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，生成新的图像帧，该图像帧包含
Figure SMS_55
三个通道，将该图像帧由HSV色彩空间转换到RGB色彩空间，输出处理结果。
本发明的有益效果是：
1.可视双腔的图像显示设备的灰度-电压响应曲线通常遵循幂函数规律，往往会产生比原图像更暗的显示结果，导致图像暗部区域的亮度差减小，图像暗部细节丢失。采用本发明提供的暗部细节增强方法，可以根据图像的亮度信息自适应构建双向Gamma矫正函数对，提高图像的整体亮度，增强暗部细节，同时保证图像的亮部细节不失真。该方案的计算复杂度较低，能够满足实时处理要求。
2.本发明创新性地引入了数字图像处理的方法对可视双腔气管插管的图像内容进行增强：解决了光源照射不均匀导致的图像过暗的问题，提升了暗部组织结构的细节信息；增强了对比度，便于医生更好地区分不同的人体组织；减少了视频中出现的噪点，提升了图像的清晰度。
3.可视双腔气管插管临床使用时需要实时进行图片处理，因此对算法的运行速度有很高的要求，本发明的两个算法计算复杂度低，运行速度快，可以很好地满足实时性的需求。
4.本发明提供的一种通过图像处理的方法进行图像增强，具有普适性，摆脱了对硬件的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1为对比度增强方法流程示意图。
附图2为对比度增强方法的成像增强效果示意图。
附图3为暗部细节增强方法流程示意图。
附图4 为暗部细节增强方法的成像增强效果示意图。
附图5为暗部细节增强方法中的Gamma矫正指数设定函数的超参数选择示意图。
附图6为暗部细节增强方法中的双向Gamma矫正函数对以及该方法最终的等效Gamma映射示意图。
附图7为图像处理主机结构示意图。
实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所提到的实施例均在以本发明的技术方案为前提下实施，给出了详细的实施过程，但是需要声明的是，本发明的保护范围不仅仅局限于下述实施例。
实施例
首先将待处理图像进行对比度增强，然后将输出的图像作为下一算法的输入，进行暗部细节的增强处理，得到输出图像。
图1显示了本发明对比度增强方法的基本步骤。图2中的图像IMG1_0、IMG2_0和IMG3_0显示了对比度增强方法中待处理的输入图像，首先对待处理图像进行预处理,获得Image_Mask。具体地，输入图像为灰度分辨率为8bit的彩色图像，像素值范围为[0,255]，由R、G、B三个通道组成。灰度图像Gray是单通道图像，这类图像通常显示为从最暗黑色到最亮的白色的灰度。通过公式(1)将彩色图像转换为灰度图像。
Figure SMS_56
（1）
统计灰度图像中像素值为255的像素数量：设置起始计数值start为0，遍历灰度图像，逐个判断像素的灰度值是否为255，如果是，则将该像素灰度值设为0，并且start加1，直到图像遍历结束，记录下start的值，最终得到灰度掩膜图像。
灰度掩模图像大小与输入彩色图像大小一致，如果灰度掩膜图像中某像素值不为0，则将输入的彩色图像对应位置的三通道像素值复制到Image_Mask对应位置中，其它位置的像素值都置为0。由于摄像头光源直射导致图像存在明显的部分区域过曝，这部分的像素值达到了最大灰阶值，这类像素对于后续计算参数Max值存在影响，而彩色图像中三通道全为0的像素极少，可以忽略不计，通过该预处理步骤，将图像中最亮部分的像素值进行置0反转，提升了后续参数计算的准确性。
获取Min和Max。分别计算Image_Mask三通道的直方图数据：建立三个大小为256的数组，用于存放每个像素值对应的像素数目；然后遍历Image_Mask，分别记录R、G、B三个通道中不同大小的像素值出现的次数，并按照数组索引将对应的像素值频数统计结果存放在三个数组中；分别从两个方向对三个数组进行迭代计数，即从数组索引0向上增加的方向和从索引255向下减少的方向，记录迭代过程中两个方向上不同索引下数组值的累计值，直到达到预设的像素数目。此时从数组索引0向上增加的方向上记录的累计值即为下限值，从数组索引255向下减少的方向上记录的累计值为上限值。三个通道会得到三个下限值和三个上限值，对三个下限值取最小得到最终的下限值Min，对三个上限值取最大得到最终的上限值Max。
预设像素数目sum的设定依照公式（2）计算：统计预处理步骤中灰度图像的总像素数目total和像素值为0的像素数目MinMask以及像素值为最大灰阶值的像素数目MaxMask,s为预设的比例因子。
Figure SMS_57
（2）
另一种获得预设像素数目sum的方法如下：计算ImageMask的行数h和列数w、统计Image_Mask中值为0的像素数目MinValue，然后根据公式（3）计算得到：
Figure SMS_58
（3）
构建对比度映射变换函数的步骤如下：判断当前像素值i的大小，然后与Min和Max作比较，根据公式（4）构建分段变换函数。通过分段函数将图像中较暗部分向更暗的灰度级扩展，将较亮部分向更亮的灰度级扩展，从而提升图像层次感，增强对比度。根据对比度映射函数即可对图像进行映射处理，映射处理采用提前建立映射表，然后利用查找表的方式更新像素值，这样避免了大量的循环判断和计算，只需简单的查询操作即可，可以大大提升图像处理速度，保证视频处理过程的实时性。
Figure SMS_59
（4）
在以上步骤的基础上可以增加其它处理步骤来提升对比度增强的稳健性：当图像中出现场景特征单一的情况时，得到的Min和Max相差很小，导致处理后的图像严重失真，因此有必要对图像的内容进行判断，判断方法为计算Max和Min的差值，如果小于预设值Threshold,则不对输入图像进行对比度处理，输出原图。本发明中的各种预设值均可通过试验得到，具体方式是选定若干个值进行试验，对比试验结果得到效果最优的值作为预设值，本发明中比例因子s设定为0.1，Threshold设定为40。
对比度增强方法处理的结果图像作为暗部细节增强方法的输入图像，图3展示了本发明中的暗部细节增强方法的基本步骤。
首先对输入图像进行预处理。图4中的图像IMG1_1、IMG2_1和IMG3_1显示了本实施例中的暗部细节增强方法的输入图像，这些图像是对比度增强方法的输出结果。输入图像在RGB色彩空间，图像的灰度分辨率
Figure SMS_60
，因此其R、G、B三个通道的灰度范围均为
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。分别统计各个输入图像中每个像素是R、G、B分量中的最大、最小值，计算其/>
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创建双向Gamma矫正函数对。保留HSV色彩空间的输入图像中的色度通道
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Gamma矫正融合输出。利用函数
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综合以上步骤，输入图像的亮度通道
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所示，该映射函数在有效提高图像整体亮度，增强图像暗部细节的同时，抑制了图像中高亮区域的曝光程度，防止过曝，减少亮部细节损失。
使用
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，并将该图像帧由HSV色彩空间转换到RGB色彩空间，输出结果如图4中的图像IMG1_2、IMG2_2和IMG3_2所示。
如图7所示，图像处理主机包括图像获取单元、处理器、存储器以及计算机程序和显示器，图像获取单元包括摄像头、视频捕获设备定义的协议标准。处理器执行所述实施例中的方法步骤。终端设备可以是台式计算机、笔记本、开发板及其外接设备。显示器可以是液晶显示屏、LED显示屏。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种成像增强型可视双腔气管插管，包括管体、图像处理主机及操作手柄，其特征在于：具备成像增强特性，所述图像处理主机包括图像获取单元、存储器、处理器、显示器，所述图像获取单元用于获取视频图像，所述存储器用于存储程序指令，所述处理器通过调用程序指令来执行对比度增强和暗部细节增强模块，所述显示器用于显示处理后的视频图像；所述图像处理主机的一侧通过航空插头与管体连接，另一侧通过USB Type-C与操作手柄连接。
2.根据权利要求1所述的一种成像增强型可视双腔气管插管，其特征在于：所述处理器包括对比度增强模块和暗部细节增强模块；所述对比度增强模块用于将输入的视频图像帧的对比度进行增强处理，输出对比度增强的图像；所述暗部细节增强模块用于将对比度增强模块的输出作为输入，对视频图像帧的亮度进行提升，输出成像增强的图像。
3.一种权利要求1或2所述的成像增强型可视双腔气管插管的成像增强方法，其特征在于：包括对比度增强处理和暗部细节增强处理步骤；所述对比度增强处理包括对输入图像进行像素值分析和拷贝步骤、创建对比度映射变换函数步骤；所述暗部细节增强处理包括HSV色彩空间转换、创建双向Gamma矫正函数对、Gamma矫正融合输出步骤。
4.根据权利要求3所述的成像增强方法，其特征在于，所述对输入图像进行像素值分析和拷贝步骤用于生成新的图像帧，包括以下步骤：
步骤（A），采用公式（1）将输入的彩色图像由RGB颜色空间转换为灰度图像，
Figure QLYQS_1
（1）
其中，R、G、B和Gray分别为R通道像素值、G通道像素值、B通道像素值和灰度图像像素值;
步骤（B），遍历灰度图找到具有最大灰阶值的像素并统计数量，将具有最大灰阶值的像素赋值为0得到掩模图像，将输入的图像在掩模图像上不为0的对应像素点进行拷贝，得到所述新的图像帧。
5.根据权利要求3所述的成像增强方法，其特征在于，所述创建对比度映射变换函数用于图像对比度增强，包括以下步骤：
步骤（C），直方图建立：分别统计对输入图像进行像素值分析和拷贝步骤生成的新的图像帧的R、G、B三个通道的直方图；
步骤（D），上限值和下限值的获取：分别从R、G、B三通道直方图的像素最小值递增方向和像素最大值递减方向开始迭代，计算两个方向上分别累计的像素数目，当像素数目分别满足设定的阈值时，停止迭代，并记录此时对应的像素值大小下限值MinR、MinG、MinB和上限值MaxR、MaxG、MaxB，取三通道中下限值最小的值为Min、上限值最大的值为Max；
步骤（E），函数创建：根据Min和Max构建对比度映射分段函数。
6.根据权利要求5所述的成像增强方法，其特征在于，所述步骤（E）中函数创建包括预设像素数目的设定，所述预设像素数目的设定以灰度图像的总像素数目减去灰度图像中像素值为0的像素数目以及像素值为最大灰阶值的像素数目，然后乘上预先设定的比例因子s，采用以下公式（2）或（3）中任意一种方式进行计算，
Figure QLYQS_2
（2）
Figure QLYQS_3
（3）
其中，sum、s为预设像素数目和比例因子；MinMask、MaxMask分别是灰度图像总像素数目、灰度图像中像素值为0的像素数目和灰度图像中像素值为最大灰阶值的像素数目；w、h、MinValue分别是Image_Mask的行数、列数以及Image_Mask中值为0的像素数目。
7.根据权利要求5所述的成像增强方法，其特征在于，所述步骤（E）中函数创建包括如下步骤：判断当前像素值i的大小，然后与Min和Max作比较，根据公式（4）构建分段变换函数；通过分段函数将图像中较暗部分向更暗的灰度级扩展，将较亮部分向更亮的灰度级扩展；根据对比度映射函数对图像进行映射处理，所述映射处理采用提前建立映射表，然后利用查找表的方式更新像素值，
Figure QLYQS_4
（4）
其中，i为当前像素值的大小，Min和Max为下限值和上限值。
8.根据权利要求5所述的成像增强方法，其特征在于，所述步骤（E）中，当
步骤（D）中Max和Min的差值小于预设值Threshold时,则不对输入图像进行对比度处理，输出原图。
9.根据权利要求3所述的成像增强方法，其特征在于，所述HSV色彩空间转换用于将待处理的图像由RGB色彩空间转换到HSV色彩空间，将HSV空间的图像作为新的图像帧输入下一步骤。
10.根据权利要求3所述的成像增强方法，其特征在于，所述创建双向Gamma矫正函数对包括如下步骤：
步骤（F），保留HSV色彩空间转换生成的图像帧中的色度通道
Figure QLYQS_6
和饱和度通道/>
Figure QLYQS_10
不变，统计亮度通道/>
Figure QLYQS_19
的像素均值/>
Figure QLYQS_7
，所述/>
Figure QLYQS_9
通道像素均值为/>
Figure QLYQS_15
，其中，/>
Figure QLYQS_18
表示/>
Figure QLYQS_5
通道的灰度分辨率，/>
Figure QLYQS_11
表示/>
Figure QLYQS_13
通道图像的最大灰阶值，/>
Figure QLYQS_17
表示/>
Figure QLYQS_8
通道中取值为/>
Figure QLYQS_12
的像素个数，/>
Figure QLYQS_14
为/>
Figure QLYQS_16
通道图像中的像素总数；
步骤（G），根据
Figure QLYQS_20
设定Gamma矫正指数/>
Figure QLYQS_21
，所述矫正指数/>
Figure QLYQS_22
，其中/>
Figure QLYQS_23
为自然常数，/>
Figure QLYQS_24
和/>
Figure QLYQS_25
为超参数；
步骤（H），根据Gamma矫正指数
Figure QLYQS_26
创建双向Gamma矫正函数对/>
Figure QLYQS_27
和/>
Figure QLYQS_28
，所述
Figure QLYQS_29
，所述/>
Figure QLYQS_30
，其中，/>
Figure QLYQS_31
。
11.根据权利要求3所述的成像增强方法，其特征在于，所述Gamma矫正融合输出包括如下步骤：
步骤（I），分别使用Gamma矫正函数
Figure QLYQS_32
和/>
Figure QLYQS_33
对步骤（F）中的/>
Figure QLYQS_34
通道进行映射调整，得到图像帧/>
Figure QLYQS_35
和/>
Figure QLYQS_36
；
步骤（G），分别计算图像帧
Figure QLYQS_37
和/>
Figure QLYQS_38
的像素均值/>
Figure QLYQS_39
和/>
Figure QLYQS_40
；
步骤（K），根据步骤（G）中得到的像素均值
Figure QLYQS_43
和/>
Figure QLYQS_47
分别计算/>
Figure QLYQS_50
和/>
Figure QLYQS_42
的加权融合权重/>
Figure QLYQS_46
和/>
Figure QLYQS_48
，并使用权重加权融合/>
Figure QLYQS_52
和/>
Figure QLYQS_41
，得到新的亮度通道/>
Figure QLYQS_45
，所述
Figure QLYQS_49
，所述/>
Figure QLYQS_51
，所述/>
Figure QLYQS_44
；
步骤（L），使用
Figure QLYQS_53
替换原来的亮度通道/>
Figure QLYQS_54
，生成新的图像帧，该图像帧包含/>
Figure QLYQS_55
三个通道，将该图像帧由HSV色彩空间转换到RGB色彩空间，输出处理结果。
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