基于液體透鏡的可調(diào)焦3-d膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種醫(yī)療設(shè)備，特別涉及一種基于液體透鏡的可調(diào)焦3-D膠囊內(nèi)窺鏡 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 膠囊內(nèi)窺鏡也稱為醫(yī)用無線內(nèi)鏡，可以在無創(chuàng)狀態(tài)下，有效獲得人體消化道內(nèi)部 的圖像。受檢者在吞服膠囊內(nèi)窺鏡之后，其會沿著人體消化道移動，記錄受檢者整個消化系 統(tǒng)內(nèi)的情況。醫(yī)生通過對膠囊內(nèi)窺鏡所拍攝和存儲的照片進(jìn)行分析，來確定受檢者的消化 系統(tǒng)是否存在病變。與胃鏡等相比，承受的痛苦大大減輕，準(zhǔn)確率也有所提高。
[0003] 傳統(tǒng)膠囊內(nèi)窺鏡的成像系統(tǒng)，通常采用一個定焦系統(tǒng)，因此存在分辨率與景深的 相互制約關(guān)系。這是因?yàn)橄到y(tǒng)的分辨率與景深均與相對孔徑有關(guān)，相對孔徑越小，景深越 大，但進(jìn)入系統(tǒng)的光通量會減少，分辨率將降低。同時，由于膠囊內(nèi)窺鏡的使用方法，通常是 通過人體消化系統(tǒng)的蠕動，促使膠囊在人體內(nèi)進(jìn)行被動運(yùn)動，或通過某種人工控制的方式 實(shí)現(xiàn)主動運(yùn)動，來進(jìn)行連續(xù)拍攝。也就是說，膠囊內(nèi)窺鏡的使用過程，是在運(yùn)動條件下實(shí)現(xiàn) 拍攝的。由于定焦系統(tǒng)的景深問題，必然會造成某些位置的圖片拍攝不清晰。膠囊內(nèi)窺鏡 工作一次會拍攝數(shù)千幅圖片，其中存在大量不清晰圖片，而醫(yī)生是根據(jù)這些圖片信息來進(jìn) 行診斷治療的，這會嚴(yán)重增大醫(yī)生的工作量，同時給診斷帶來很大不便。
[0004] 傳統(tǒng)的膠囊內(nèi)窺鏡不能獲得被拍攝目標(biāo)的3-D信息，醫(yī)生看到的只是二維平面信 息。由于拍攝的圖片序列的不連貫性，以及由于圖片存在畸變等問題，導(dǎo)致一些具體病變， 如小腸節(jié)點(diǎn)處息肉或潰瘍等的模糊不清，使醫(yī)生不能準(zhǔn)確判定檢查目標(biāo)的實(shí)際情況，給診 斷帶來不確定性。研宄表明，三維信息能夠大大方便醫(yī)生確定病變的位置及病變的程度，根 據(jù)具體情況進(jìn)行醫(yī)學(xué)治療，盡可能早發(fā)現(xiàn)早治療，減輕病患的痛苦。且通過三維圖像重構(gòu) 后，醫(yī)生不需要像原來一樣閱覽上大量圖片方可診斷，可以提高醫(yī)生的工作效率。
[0005] 有文獻(xiàn)提出可直接使用傳統(tǒng)的膠囊內(nèi)窺鏡拍攝的圖片序列進(jìn)行3-D信息重構(gòu)，但 由于傳統(tǒng)的膠囊內(nèi)窺鏡拍攝的圖片中存在大量不清晰圖片，會嚴(yán)重影響到3D信息重構(gòu)的 計(jì)算精度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明是針對目前膠囊內(nèi)窺鏡獲取的圖像景深較小，不清晰圖片數(shù)量過多的問 題，提出了一種基于液體透鏡的可調(diào)焦3-D膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，將可變焦液體透鏡加入到膠 囊內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)中，在保證一定分辨率的同時，能夠擴(kuò)大系統(tǒng)景深，使系統(tǒng)在工作過程中 能夠獲得被拍攝目標(biāo)的清晰的圖像序列。在此基礎(chǔ)上，再通過圖像處理算法，采用變焦系統(tǒng) 及厚透鏡模型，計(jì)算出被拍攝目標(biāo)的3-D信息，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對被拍攝物的3-D成像或三維 測距功能，方便醫(yī)生進(jìn)行更準(zhǔn)確有效地診斷。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于液體透鏡的可調(diào)焦3-D膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，包括可 調(diào)焦膠囊內(nèi)窺鏡光學(xué)子系統(tǒng)、自動調(diào)焦控制子系統(tǒng)和三維信息處理子系統(tǒng)，可調(diào)焦膠囊內(nèi) 窺鏡光學(xué)子系統(tǒng)拍攝目標(biāo)圖像，自動調(diào)焦控制子系統(tǒng)中高速信號發(fā)射/接收器接收可調(diào)焦 膠囊內(nèi)窺鏡光學(xué)子系統(tǒng)成像圖片，高速信號發(fā)射/接收器將圖片傳送至自動調(diào)焦控制子系 統(tǒng)中的體外信息處理系統(tǒng)，體外信息處理系統(tǒng)執(zhí)行基于圖像的自動對焦算法，將糾正信號 送回自動調(diào)焦控制子系統(tǒng)中的可控電壓輸出器，可控電壓輸出器根據(jù)糾正信號調(diào)整可調(diào)焦 膠囊內(nèi)窺鏡光學(xué)子系統(tǒng)中液體可變焦透鏡上的電壓控制信號，從而改變液體可變焦透鏡的 焦距，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，自動調(diào)焦控制子系統(tǒng)接收調(diào)焦后所成的清晰圖像序列傳輸至三維信息處 理子系統(tǒng)，三維信息處理子系統(tǒng)計(jì)算得出被拍攝目標(biāo)的三維信息。
[0008] 所述可調(diào)焦膠囊內(nèi)窺鏡光學(xué)子系統(tǒng)包含照明模塊與成像模塊，成像模塊包括依次 排列的定焦透鏡、孔徑光闌、可變焦液體透鏡、保護(hù)玻璃和圖像傳感器件。
[0009] 所述自動調(diào)焦控制子系統(tǒng)包括一對高速信號發(fā)射/接收器、一組雙向無線控制 器、一個可控電壓輸出器和一臺體外信息處理系統(tǒng)，一對高速信號發(fā)射器/接收器將可調(diào) 焦膠囊內(nèi)窺鏡光學(xué)子系統(tǒng)拍攝的圖像信息傳輸?shù)襟w外信息處理系統(tǒng)；體外信息處理系統(tǒng)存 儲圖像，執(zhí)行自動對焦算法，并將計(jì)算結(jié)果經(jīng)由一組雙向無線控制器實(shí)現(xiàn)反饋控制，體外信 息處理系統(tǒng)輸出信號到一組雙向無線控制器，一組雙向無線控制器實(shí)現(xiàn)對可變焦液體透鏡 的電壓控制信號以及照明控制信號的傳輸；根據(jù)雙向無線控制器輸出的電壓控制信號，可 控電壓輸出器給可變焦液體透鏡施加相應(yīng)的電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)焦。
[0010] 所述基于液體透鏡的可調(diào)焦3-D膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的調(diào)焦方法，首先設(shè)置一個可變 焦液體透鏡的初始焦距，在初始焦距下，系統(tǒng)拍攝一幅圖片，通過高速信號發(fā)射/接收器將 圖片信息傳輸?shù)襟w外信息處理系統(tǒng)；按預(yù)設(shè)步長調(diào)整可控電壓輸出器輸出電壓，改變可變 焦液體透鏡上的電壓，再次進(jìn)行拍攝，將拍攝的圖片傳輸?shù)襟w外信息處理系統(tǒng)；在體外信息 處理系統(tǒng)中，對獲取的兩幅圖片進(jìn)行分析，計(jì)算兩幅圖片的對焦評價函數(shù)，記錄對焦評價函 數(shù)較好的圖像所對應(yīng)的電壓值，并計(jì)算兩幅圖像的對焦評價函數(shù)之差；按預(yù)設(shè)步長再次調(diào) 整可變焦液體透鏡上的電壓，拍攝圖像并傳輸至體外處理系統(tǒng)，計(jì)算對焦評價函數(shù)，與上次 記錄的結(jié)果相比較，記錄下對焦評價函數(shù)較好的圖像所對應(yīng)的電壓值，及兩幅圖像的對焦 評價函數(shù)之差；循環(huán)執(zhí)行上述過程，直至兩幅圖像的對焦評價函數(shù)之差小于設(shè)定閾值，此 時，即找到對焦評價函數(shù)的峰值位置，該位置對應(yīng)的電壓即是最佳對焦位置；將此電壓通過 雙向無線控制器反饋給可控電壓輸出器，調(diào)整施加在可變焦液體透鏡上的電壓值，再次拍 攝獲得清晰圖像，此為最終所需清晰圖片。
[0011] 所述三維信息處理子系統(tǒng)將對焦后獲得的清晰圖片保存在體外信息處理系統(tǒng)中， 獲得了與傳統(tǒng)膠囊內(nèi)窺鏡數(shù)據(jù)量相當(dāng)?shù)膱D片序列，三維信息處理子系統(tǒng)基于清晰的圖片序 列，實(shí)施3D重構(gòu)算法，計(jì)算出被拍攝目標(biāo)的3-D信息，實(shí)現(xiàn)對被拍攝物的3-D成像或三維 測距，在3D重構(gòu)算法中，采用了變焦系統(tǒng)模型，即分別獲得調(diào)焦前后兩幅圖片的內(nèi)矩陣K1， K2 ;并在確定內(nèi)矩陣時，采用厚透鏡模型來修正主面位置。
[0012] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明基于液體透鏡的可調(diào)焦3-D膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，與 普通膠囊內(nèi)窺鏡相比，在不增加光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的情況下，通過調(diào)焦控制可以得到人 體消化道的更清晰的圖像；利用可調(diào)焦膠囊內(nèi)窺鏡所獲得的圖像序列，采用圖像處理的方 法進(jìn)行計(jì)算，獲得被拍攝目標(biāo)的三維信息，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對被拍攝目標(biāo)的3-D成像或三維 測距功能，方便醫(yī)生診斷；在采用圖像處理的方法計(jì)算被拍攝目標(biāo)的三維信息時，由于采用 的是系統(tǒng)調(diào)焦后獲得的清晰的圖像序列，且采用變焦系統(tǒng)及厚透鏡模型的計(jì)算方法，相較 于普通膠囊內(nèi)窺鏡圖像直接進(jìn)行3-D重構(gòu)，可以提高計(jì)算精度，更準(zhǔn)確的獲得被拍攝目標(biāo) 的三維信息。能有效提高膠囊內(nèi)窺鏡診斷的準(zhǔn)確度及醫(yī)生的工作效率，具有廣泛的應(yīng)用前 景。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明基于液體透鏡的可調(diào)焦3-D膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明可調(diào)焦膠囊內(nèi)窺鏡光學(xué)子系統(tǒng)成像模塊結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明執(zhí)行自動對焦的流程示意圖； 圖4為本發(fā)明三維信息處理流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)按功能可劃分為三個子系統(tǒng)：可調(diào)焦膠囊內(nèi)窺 鏡光學(xué)子系統(tǒng)11、自動調(diào)焦控制子系統(tǒng)12和三維信息處理子系統(tǒng)13。三個子系統(tǒng)協(xié)同工 作，可實(shí)現(xiàn)在膠囊內(nèi)窺鏡工作過程中，對被拍攝目標(biāo)清晰成像，并獲得被拍攝目標(biāo)的三維信 息。除此外，還應(yīng)有供電系統(tǒng)14 (一般為電池)。
[0015] 可調(diào)焦膠囊內(nèi)窺鏡光學(xué)子系統(tǒng)11包含照明模塊111與成像模塊112兩部分，其 中，照明模塊111與普通膠囊內(nèi)窺鏡的照明方式類似，可采用LED照明等方式。成像模塊 112結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由依次排列的普通定焦透鏡21、孔徑光闌22、可變焦液體透鏡 23、保護(hù)玻璃24和圖像傳感器件25構(gòu)成。成像模塊中定焦透鏡、光闌、可變焦液體透鏡的 數(shù)量、相對位置、結(jié)構(gòu)參數(shù)等可以根據(jù)不同的成像性能要求發(fā)生變化。在本示例中，為了使 可調(diào)焦膠囊內(nèi)窺鏡光學(xué)子系統(tǒng)11更加緊湊，只采用了一片普通定焦透鏡，并將其設(shè)計(jì)為膠 囊的外壁，在其他設(shè)計(jì)中，也可采用多片普通定焦透鏡，或改變普通定焦透鏡、光闌及液體 透鏡的相對位置，或在系統(tǒng)中加入非球面等方式，來進(jìn)行像差平衡提高成像質(zhì)量。在本示例 中，可變焦液體透鏡采用的是一種單液體電控可變焦液體透鏡，在其他設(shè)計(jì)中，也可采用雙 液體電潤濕型液體透鏡或其他形式的液體透鏡，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦的功能。
[0016] 具體工作過程描述如下： 可調(diào)焦膠囊內(nèi)窺鏡光學(xué)子系統(tǒng)中含有液體可變焦透鏡23,液體可變焦透鏡23的焦距 可由電壓控制發(fā)生變化，通過改變液體可變焦透鏡23的焦距，可實(shí)現(xiàn)可調(diào)焦膠囊內(nèi)窺鏡光 學(xué)子系統(tǒng)11的調(diào)焦功能。自動調(diào)焦控制子系統(tǒng)12采用基于圖像的自動對焦算法，控制液 體可變焦透鏡23的驅(qū)動電壓至合適值，從而使膠囊內(nèi)窺鏡的光學(xué)系統(tǒng)11達(dá)到最佳調(diào)焦位 置，實(shí)現(xiàn)對被拍攝目標(biāo)的清晰成像。將調(diào)焦后所成的清晰圖像序列傳輸至體外并保存后，三 維信息處理子系統(tǒng)13通過三維圖像處理算法，計(jì)算得出被拍攝目標(biāo)的三維信息，從而實(shí)現(xiàn) 對被拍攝目標(biāo)的三維測距或三維成像。
[0017]由于膠囊內(nèi)窺鏡在工作過程中，會在人體內(nèi)隨著消化道的蠕動而向前移動，因此 對于某一固定的目標(biāo)，膠囊內(nèi)窺鏡的移動會造成成像模糊的問題。在本發(fā)明中，自動調(diào)焦控 制子系統(tǒng)12采用基于圖像的自動對焦算法，通過電壓控制可變焦液體透鏡，改變其表面面 型，也即改變其焦距，實(shí)現(xiàn)可調(diào)焦膠囊內(nèi)窺鏡光學(xué)子系統(tǒng)的調(diào)焦。如圖2所示，通過改變電 壓，可以改變可變焦液體透鏡23的前表面曲率半徑，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)焦。系統(tǒng)通過調(diào)焦，可 以實(shí)現(xiàn)對被拍攝目標(biāo)的清晰成像。
[0018]自動調(diào)焦控制子系統(tǒng)12利用基于圖像的自動對焦算法，計(jì)算出能夠拍攝清晰圖 像的可變焦液體透鏡的所對應(yīng)的電壓，并將對應(yīng)的控制電壓反饋到液體透鏡上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 調(diào)焦，獲得對拍攝目標(biāo)的清晰成像。
[0019]自動調(diào)焦控制子系統(tǒng)由一對高速信號發(fā)射/接收器121、一組雙向無線控制器 122、一個可控電壓輸出器123、以及一臺體外信息處理系統(tǒng)124 (通常為一臺計(jì)算機(jī))構(gòu)成。 自動調(diào)焦控制子系統(tǒng)通過一對高速信號發(fā)射器/接收器121，將可調(diào)焦膠囊內(nèi)窺鏡光學(xué)子 系統(tǒng)拍攝