CN113171053A - 一种融合近红外成像的内窥镜手术血管增强检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种融合近红外成像的内窥镜手术血管增强检测方法，其中，该方法包括：(A)内窥镜近红外光源关闭，全色光源开启，使用全色光源采集人体腔道彩色图像；(B)内窥镜近红外光源开启，全色光源关闭，采集人体腔道近红外图像；(C)对红外图像进行灰度处理及降噪处理，利用近红外光对人体组织的穿透作用及血红蛋白对近红外光的吸收作用，提取出人体腔道红外图像中的血管区域；(D)将提取出的血管区域图像与彩色图像相融合，使彩色图像中的血管显像更明显；(E)高速重复上述步骤，输出血管区域增强后的内窥镜视频图像。采用了本发明的该检测方法，解决了在内窥镜手术对体内腔道的血管和出血点成像不明显问题，提升了手术的成功率。
Description
技术领域
本发明涉及医用器材技术领域，尤其涉及内窥镜检测技术领域，具体是指一种融合近红外成像的内窥镜手术血管增强检测方法。
背景技术
随着医疗设备的不断发展，内窥镜在各大医院和门诊中的应用也越来越广泛。内窥镜是具有特殊构造的医用检测仪器，通过将内窥镜由人体的腔道送入体内，对体内疾病进行检查，可以直接观察到脏器的病变，确定其部位、范围，并进行照相、采样或刷片，采集图像或影像传输给显示设备。在显示屏上显示并放大。在内窥镜的帮助下医生能更好的发现体内组织的病变，大大的提高了诊断的准确率，并可通过内窥镜进行一些治疗。
传统的内窥镜通常采用使用彩色摄像头或灰度摄像头来采集人体内部腔道图像，但由于体内腔道狭窄，摄像头不能清楚的采集腔道内壁的血管图像，在进行内窥镜手术时如操作不当，会导致内壁血管破裂，严重影响内窥镜采集图像，给内窥镜手术带来了很大的困难。
与可见光相比，近红外光(波长为700nm-900nm)可穿透更深的人体组织，且静脉血液中的脱氧血红蛋白对近红外光能量吸收明显高于脂肪和黑色素等血管周围组织，因此，采用近红外光成像的方法可以显著提高血管与周围组织的对比度，得到比较清晰的血管结构图像。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种成像清晰、操作便捷的融合近红外成像的内窥镜手术血管增强检测方法。该方法不仅可以检测出人体腔道内血管的所在位置，而且可以增强血管区域图像，帮助使用者在手术时避开血管区域，避免因操作不当而造成的困难。
为了达到上述目的，本发明的发明构思是：通过内窥镜拍摄人体内部的红外图像，利用脱氧血红蛋白对近红外光的吸收作用，提取出图像中的血管及不易察觉的毛细血管，再将血管在内窥镜采集的彩色图像上标识出来。
本发明的一种融合近红外成像的内窥镜手术血管增强检测方法如下：
该内窥镜手术红外血管增强的检测方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(A)内窥镜近红外光源关闭，全色光源开启，使用全色光源采集人体腔道彩色图像；
(B)内窥镜近红外光源开启，全色光源关闭，采集人体腔道近红外图像；
(C)对红外图像进行灰度处理及降噪处理，利用近红外光对人体组织的穿透作用及血红蛋白对近红外光的吸收作用，提取出人体腔道红外图像中的血管区域图像；
(D)将提取出的血管区域图像与彩色图像相融合，使彩色图像中的血管显像更明显；
(E)高速重复执行步骤A至步骤D，输出血管增强后的内窥镜视频图像。
较佳地，所述的内窥镜的结构包括：
内窥镜前端包含全色光源，用以采集所述的人体腔道彩色图像；
内窥镜前端包含波长在700nm～900nm的近红外光源，用以采集所述的人体腔道红外图像；
内窥镜采用同时满足采集彩色图像和红外图像的摄像头，用以采集人体腔道内的图像。
较佳地，所述的采集人体腔道增强图像具体包括以下步骤：
(3-1)内窥镜光源分别控制红外和全色光源的交替开启和关闭；
(3-2)所述的内窥镜光源通过分别开启和关闭，通过内窥镜交替采集彩色图像和红外图像；
(3-3)图像芯片通过将交替采集到的彩色图像和红外图像分离，形成彩色图像视频流和红外图像视频流，并将该彩色图像视频流和红外图像视频流以时间序列匹配；
(3-4)通过处理红外图像，将红外图像中的血管区域提取出来，与彩色图像进行融合，增强人体腔道彩色图像中的血管区域。
较佳地，所述的增强人体腔道彩色图像中的血管区域具体包括以下步骤：
(4-1)图像分割：红外摄像头捕捉人体腔道血管图像，进行初步分割，提取血管图像，分割血管区域；
(4-2)对比度调节：通过图像直方图对对比度进行调整，增强所述的血管区域的对比度；
(4-3)卷积处理：对血管做锐化，突出血管边缘与图像其他部分的灰度级跳变，使血管的边缘灰度级跳变明显；
(4-4)边缘检测：对锐化后的血管图像采用垂直边缘提取算法，辅助以45°角的边缘检测，准确确定血管边界；
(4-5)降噪处理：去除血管图像中的孔洞噪声，填充孔洞；连通血管小块缺失区域，去除边界产生的干扰，使血管连续可见；
(4-6)图像融合：将降噪后的红外血管图像与彩色图像融合，标记出人体腔道壁上的血管区域及皮下不易察觉的毛细血管。
采用了本发明的该融合近红外成像的内窥镜手术血管增强检测方法，通过采集人体腔道近红外图像和彩色图像，利用血红蛋白对近红外光的吸收作用及近红外光对人体组织的穿透作用，获取血管增强的红外图像，融合彩色图像生成血管增强内窥镜图像。能够有效的解决在内窥镜手术中对体内腔道的血管和出血点成像不明显问题，可以帮助医生在手术中进行更精准的操作，提高了内窥镜手术的精度和成功率。
附图说明
图1为本发明的内窥镜手术红外血管增强检测方法的流程图。
图2为本发明的内窥镜手术红外血管增强检测方法的血管图像提取的流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
在详细说明根据本发明的实施例前，应该注意到的是，在下文中，术语“包括”、“包含”或任何其他变体旨在涵盖非排他性的包含，由此使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包含这些要素，而且还包含没有明确列出的其他要素，或者为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
该内窥镜手术红外血管增强的检测方法，其中，所述的方法包括以下步骤：
(A)内窥镜近红外光源关闭，全色光源开启，使用全色光源采集人体腔道彩色图像；
(B)内窥镜近红外光源开启，全色光源关闭，采集人体腔道近红外图像；
(C)对红外图像进行灰度处理及降噪处理，利用血红蛋白对近红外光的吸收作用，提取出人体腔道红外图像中的血管区域图像；
(D)将提取出的血管区域图像与彩色图像相融合，使彩色图像中的血管显像更明显；
(E)高速重复执行步骤A至步骤D，输出血管增强后的内窥镜视频图像。
作为本发明的优选实施方式，所述的内窥镜的结构包括：
内窥镜前端包含全色光源，用以采集所述的人体腔道彩色图像；
内窥镜前端包含波长在700nm～900nm的近红外光源，用以采集所述的人体腔道红外图像；
内窥镜采用同时满足采集彩色图像和红外图像的摄像头，用以采集人体腔道内的图像。
作为本发明的优选实施方式，所述的采集人体腔道增强图像具体包括以下步骤：
(3-1)内窥镜光源分别控制红外和全色光源的交替开启和关闭；
(3-2)所述的内窥镜光源通过分别开启和关闭，通过内窥镜交替采集彩色图像和红外图像；
(3-3)图像芯片通过将交替采集到的彩色图像和红外图像分离，形成彩色图像视频流和红外图像视频流，并将该彩色图像视频流和红外图像视频流以时间序列匹配；
(3-4)通过处理红外图像，将红外图像中的血管区域提取出来，与彩色图像进行融合，增强人体腔道彩色图像中的血管区域。
作为本发明的优选实施方式，所述的增强人体腔道彩色图像中的血管区域具体包括以下步骤：
(4-1)图像分割：红外摄像头捕捉人体腔道血管图像，进行初步分割，提取血管图像，分割血管区域；
(4-2)对比度调节：通过图像直方图对对比度进行调整，增强所述的血管区域的对比度；
(4-3)卷积处理：对血管做锐化，突出血管边缘与图像其他部分的灰度级跳变，使血管的边缘灰度级跳变明显；
(4-4)边缘检测：对锐化后的血管图像采用垂直边缘提取算法，辅助以45°角的边缘检测，准确确定血管边界；
(4-5)降噪处理：去除血管图像中的孔洞噪声，填充孔洞；连通血管小块缺失区域，去除边界产生的干扰，使血管连续可见；
(4-6)图像融合：将降噪后的红外血管图像与彩色图像融合，标记出人体腔道壁上的血管区域及皮下不易察觉的毛细血管。
在本发明的一具体实施方式中，本技术方案具体通过以下方式予以实现：
(1)采用能够同时采集彩色图像和红外图像的摄像头，用以采集人体腔道内的图像。
(2)采用全色光源，用以采集人体腔道内的彩色图像。
(3)采用波长在700～900nm的近红外光源，用以采集人体腔道内的红红外图像。
(4)为了连续采集图像形成视频，使用光源驱动对光源的开关进行控制，当全色光源开启时，摄像头采集彩色图像，当红外光源开启时，采集红外图像。
(5)内窥镜摄像头采集帧率为60帧，其中每秒采集彩色图像30帧，红外图像30帧，彩色图像和红外图像交替拍摄。
(6)图像芯片通过将交替采集到的彩色图像和红外图像分离，形成彩色图像视频流和红外图像视频流，并将其以时间序列匹配。
(7)通过处理红外图像，利用血红蛋白对近红外光的吸收作用，将红外图像中的血管区域提取出来。其可以通过图2所示的流程实现，具体步骤如下：
(7-1)图像分割:利用红外摄像头捕捉人体血管红外图像，转换成灰度图像，利用OTSU算法对人体腔道血管进行初步分割。通过OTSU算法计算出人体腔道图像的前景与背景间的阈值，将背景灰度值置零，前景保持不变。此算法可有效提取管腔壁区域，去除背景和部分噪声。
(7-2)对比度调节:利用图像直方图对对比度进行调整，使得亮度可以更好地在直方图上分布，这样就可以达到增强血管的对比度而不影响整体的对比度。
(7-3)锐化处理:对血管做锐化，以突出血管边缘与图像其他部分的灰度级跳变；使血管的边缘灰度级跳变明显，为血管的提取做好预处理。
卷积处理通过以下公式实现：
其中，f为原始图像，h为根据之前经验调整好预设值的模板，g为原始图像经过卷积处理后的图像；
将卷积核设定为
此时锐化效果较好。
(7-4)边缘检测:对锐化后的血管图像采用垂直sobel边缘提取算法，辅助以45°角的sobel边缘检测，准确确定静脉边界。
(7-5)降噪处理:利用形态学闭运算去除血图像中的孔洞噪声，填充孔洞；利用形态学连通域方法连通血管小块缺失区域，去除边界产生的干扰，使血管连续可见。
(8)图像融合:将降噪后的血管图像与彩色图像融合，标记处血管区域及不易察觉的毛细血管。由于提取出的血管图像是经图像处理后，只包含血管信息的图像，因此将此图与彩色图像进行特征点匹配，就可以确保红外血管图像精准的映射到体内腔道血管所在位置，实现二者的精准重合。
在本发明的一具体实施方式中，请参阅图1所示，该内窥镜手术红外血管增强的检测方法，其中，所述的方法包括以下步骤：
步骤S1：彩色图像采集，即将内窥镜送入人体腔道内，使用光源控制器开启全色光源，采集人体腔道内的彩色图像。
步骤S2：红外图像采集，即使用光源控制器，关闭全色光源，开启近红外光源，采集人体腔道内的红外图像。
步骤S3：血管图像提取，即对红外图像中的血管区域进行处理，将其与背景分离。
请参阅图2所示，步骤S3具体包括以下处理步骤：
(3-1)图像分割：通过OTSU算法计算出人体腔道图像的前景与背景间的阈值，将背景灰度值置零，前景保持不变。此算法可有效提取管腔壁区域，去除背景和部分噪声。此算法可有效提取管腔壁区域，去除背景和部分噪声。
(3-2)对比度调节：利用图像直方图对对比度进行调整，增强血管区域的对比度，使得亮度可以更好地在直方图上分布，这样就可以达到增强血管的对比度而不影响整体的对比度。
(3-3)卷积处理：对血管做锐化，以突出血管边缘与图像其他部分的灰度级跳变；使血管的边缘灰度级跳变明显，为血管的提取做好预处理。
卷积处理通过以下公式实现：
其中，f为原始图像，h为根据之前经验调整好预设值的模板，g为原始图像经过卷积处理后的图像；
将卷积核设定为
此时锐化效果最好。
(3-4)边缘检测：对锐化后的血管图像采用垂直sobel边缘提取算法，辅助以45°角的sobel边缘检测，准确确定静脉边界。
(3-5)降噪处理：利用形态学闭运算去除血图像中的孔洞噪声，填充孔洞；利用形态学连通域方法连通血管小块缺失区域，去除边界产生的干扰，使血管连续可见；
步骤S4：图像融合，即将提取出的血管图像与彩色图像融合，标记出血管部分及不易察觉的毛细血管。将提取出的血管图像与彩色图像进行特征点匹配，就可以确保红外血管图像精准的映射到体内腔道血管所在位置，实现二者的精准重合。
步骤S5：视频输出，即将融合后彩色图像形成视频输出至显示屏。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定过程的步骤的片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、“实施例”或“实施方式”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
采用了本发明的该融合近红外成像的内窥镜手术血管增强检测方法，通过采集人体腔道近红外图像和彩色图像，利用血红蛋白对近红外光的吸收作用，获取血管增强的红外图像，融合彩色图像生成血管增强内窥镜图像。能够有效的解决在内窥镜手术中对体内腔道的血管和出血点成像不明显问题，可以帮助医生在手术中进行更精准的操作，提高了内窥镜手术的精度和成功率。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (4)
1.一种内窥镜手术红外血管增强的检测方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(A)内窥镜近红外光源关闭，全色光源开启，使用全色光源采集人体腔道彩色图像；
(B)内窥镜近红外光源开启，全色光源关闭，采集人体腔道近红外图像；
(C)对红外图像进行灰度处理及降噪处理，利用近红外光对人体组织的穿透作用及血红蛋白对近红外光的吸收作用，提取出人体腔道红外图像中的血管区域图像；
(D)将提取出的血管区域图像与彩色图像相融合，使彩色图像中的血管显像更明显；
(E)高速重复执行步骤A至步骤D，输出血管区域增强后的内窥镜视频图像。
2.根据权利要求1所述的内窥镜手术红外血管增强的检测方法，其特征在于，所述的内窥镜的结构包括：
内窥镜前端包含全色光源，用以采集所述的人体腔道彩色图像；
内窥镜前端包含波长在700nm～900nm的近红外光源，用以采集所述的人体腔道红外图像；
内窥镜采用同时满足采集彩色图像和红外图像的摄像头，用以采集人体腔道内的图像。
3.根据权利要求2所述的内窥镜手术红外血管增强的检测方法，其特征在于，所述的采集人体腔道增强图像具体包括以下步骤：
(3-1)内窥镜光源分别控制红外和全色光源的交替开启和关闭；
(3-2)所述的内窥镜光源通过分别开启和关闭，通过内窥镜交替采集彩色图像和红外图像；
(3-3)图像芯片通过将交替采集到的彩色图像和红外图像分离，形成彩色图像视频流和红外图像视频流，并将该彩色图像视频流和红外图像视频流以时间序列匹配；
(3-4)通过处理红外图像，将红外图像中的血管区域提取出来，与彩色图像进行融合，增强人体腔道彩色图像中的血管区域。
4.根据权利要求3所述的内窥镜手术红外血管增强的检测方法，其特征在于，所述的增强人体腔道彩色图像中的血管区域具体包括以下步骤：
(4-1)图像分割：红外摄像头捕捉人体腔道血管图像，进行初步分割，提取血管图像，分割血管区域；
(4-2)对比度调节：通过图像直方图对对比度进行调整，增强所述的血管区域的对比度；
(4-3)卷积处理：对血管做锐化，突出血管边缘与图像其他部分的灰度级跳变，使血管的边缘灰度级跳变明显；
(4-4)边缘检测：对锐化后的血管图像采用垂直边缘提取算法，辅助以45°角的边缘检测，准确确定血管边界；
(4-5)降噪处理：去除血管图像中的孔洞噪声，填充孔洞；连通血管小块缺失区域，去除边界产生的干扰，使血管连续可见；
(4-6)图像融合：将降噪后的红外血管图像与彩色图像融合，标记出人体腔道壁上的血管区域及皮下不易察觉的毛细血管。
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|---|---|---|---|---|
| CN114041737A (zh) * | 2021-11-16 | 2022-02-15 | 四川大学华西医院 | 应用于内窥镜的成像装置 |
| CN115100147A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-23 | 华中科技大学协和深圳医院 | 一种智能切换的脊柱内镜***、装置和计算机可读介质 |
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2021
- 2021-04-27 CN CN202110457495.0A patent/CN113171053A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114041737A (zh) * | 2021-11-16 | 2022-02-15 | 四川大学华西医院 | 应用于内窥镜的成像装置 |
| CN115100147A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-23 | 华中科技大学协和深圳医院 | 一种智能切换的脊柱内镜***、装置和计算机可读介质 |
| CN115100147B (zh) * | 2022-06-24 | 2023-10-24 | 华中科技大学协和深圳医院 | 一种智能切换的脊柱内镜***、装置和计算机可读介质 |
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