基于醫學(xué)圖像拼接的微表面三維測試系統開(kāi)發(fā)

引言

對于消化道疾病的診斷，目前最常用的方法是采用內窺鏡，但傳統1. 引言

MEMS（微機電系統）廣泛地應用于自動(dòng)控制、信息、生化、醫療、環(huán)境監測、航空航天和國防軍事等各個(gè)領(lǐng)域[1] [2]。隨著(zhù)MEMS器件的迅速發(fā)展，對其測試技術(shù)也相應的提出了更高的要求，如應最大可能同時(shí)具有大視場(chǎng)、橫向和縱向分辨率高等性能[3]。干涉測量技術(shù)和光學(xué)顯微鏡相結合，具有表面信息直觀(guān)、測量精度高和全視場(chǎng)三維測量等優(yōu)點(diǎn)，常被用于表面顯微結構的測量[4]；尤其是引入相移干涉技術(shù)后，使得干涉顯微鏡的測量精度大為提高。而為了取得高分辨率，視場(chǎng)會(huì )非常小。如果要保持分辨率為一個(gè)常數，則需要使用更大的檢測器陣列，但最多也只能得到二倍的區域；還有一個(gè)途徑可以得到更大的視場(chǎng)，就是將一些較小范圍視場(chǎng)的測量結果進(jìn)行拼接[5]。

本文基于計算機微視覺(jué)和顯微干涉技術(shù)測試平臺，加入電控二維平移系統；利用重疊區域的匹配對被測件子區域圖像進(jìn)行拼接，并對不同比例的重疊區域做了對比實(shí)驗，對結果進(jìn)行誤差分析和平面度評價(jià)。

2. 基本原理

2.1相移顯微干涉檢測原理

相移顯微干涉系統的主要構架如圖1所示。系統采用中心波長(cháng)為617nm的orange-red LED提供連續照明。分光路干涉顯微鏡選用Mirau型干涉[6]：從光源出發(fā)的光束經(jīng)顯微物鏡后透過(guò)參考板，被分光板上的半透半反膜分成兩路。一路透過(guò)分光板后透射到被測面上，反射后經(jīng)分光板和參考板回到顯微物鏡。另一路被分光板反射到參考板上表面的小鏡面上，從小鏡面上反射回的光束再次被分光板反射，然后穿過(guò)參考板到達顯微物鏡。兩束光在顯微物鏡視場(chǎng)中會(huì )合并發(fā)生干涉。使用CCD采集干涉圖樣并傳輸到計算機進(jìn)行后續處理工作。將干涉物鏡與納米定位儀的執行部分組合固定，定位儀施加不同的電壓，其執行部分PZT（壓電陶瓷傳感器）帶動(dòng)干涉物鏡產(chǎn)生垂直于載物平臺方向的步進(jìn)位移。PZT帶動(dòng)干涉物鏡每移動(dòng)一次，計算機進(jìn)行一次圖像采集[7]。

相位提取算法本文將采用五步相移算法（Hariharan）[8]。每次相移90°，一共五次，得到五幅連續的相移干涉條紋圖。通過(guò)以下公式，可以用五幅干涉圖的光強得到每一個(gè)像素點(diǎn)的包裹相位值。

其中 是像素點(diǎn)（x，y）的包裹相位值， 為第i幅干涉圖在（x，y）點(diǎn)的光強。而由于物體表面高度的相位變化范圍通常超過(guò)一個(gè)周期相位變化的范圍，得到的相位分布被包裹，形成呈階躍分布的不連續的相位分布圖樣。因此需要進(jìn)行相位展開(kāi)（或相位解包裹，phase unwraping），將多個(gè)截斷相位的區域拼接展開(kāi)成連續相位 。本文相位展開(kāi)后的圖像，其元素包含的數據是相位 信息，需要經(jīng)過(guò)相位－高度轉換才能得到每個(gè)像素點(diǎn)的離面高度數據：

其中 是光源的波長(cháng)。

2.2微表面三維測試系統概述

測量系統分為以下四個(gè)子系統，如圖2所示：

相移顯微干涉系統：為本文系統的測試基礎，其基本原理在上一節講明，實(shí)現視場(chǎng)內被測件表面高度信息的測量。

二維電控平移系統：主要包括二維電控平移臺、控制平移臺運動(dòng)的驅動(dòng)器、靈活設計脈沖的單片機以及提供合適電壓的直流穩壓電源，實(shí)現了被測件的面內平移，擴大了被測表面的測量范圍，解決了物鏡視場(chǎng)局限的問(wèn)題。并加入精密升降臺一個(gè)，以方便被測件的調焦對準。

采集系統：包括CCD和圖像采集卡，用于圖像信息的采集。

圖像處理系統：為本文系統的核心部分，對采集的圖像信息進(jìn)行拼接、相位提取、相位展開(kāi)等處理，輸出對被測表面測量的結果。

3. 拼接測量

為了保證一定的分辨率，采用較高倍率的顯微鏡，因而視場(chǎng)范圍很小。比如，放大倍率為50×，又CCD使用800×800像素的陣列，實(shí)測的范圍僅為173.6×173.6 。，為得到高分辨率大視場(chǎng)的結果，將測得的較小范圍視場(chǎng)的結果進(jìn)行拼接。被測件分割成有重疊部分的區域分別測量，利用重疊區域將鄰近的兩幅圖拼接，需要知道在測量時(shí)樣品被移動(dòng)的精確距離，可通過(guò)電控平移臺的精確定位實(shí)現。通過(guò)單片機設定的脈沖可以控制平移臺移動(dòng)的距離：

其中，S是電機步距角： ；L是螺桿導程：1mm；P是脈沖數；F是電控平移臺驅動(dòng)器的細分數。最大可取128細分，平移臺的最小位移量可達39nm。

本文將被測件分為四個(gè)鄰接的表面按2×2陣列分開(kāi)。由于每個(gè)子區域的測量都使用了相移技術(shù)，經(jīng)過(guò)相位展開(kāi)的處理后，子區域在離面位置上有偏差，其灰度圖很明顯的可以看出子區域平面的不一致。選取第一個(gè)子區域的底面部分作為基準建立平面方程：

a（1）x+a（2）y+a（3）+z=0 （4）

將其它子區域的底面分別按照此基準進(jìn)行修正。然后，對得到的表面信息通過(guò)平面度的評定，以了解拼接對被測表面平面度的影響。

4. 實(shí)驗分析

本文使用美國標準計量局（NIST）認證的標準三角形臺階作為被測件進(jìn)行測試實(shí)驗。圖3是重疊度為35% 時(shí)利用式（1）得到的子區域的包裹相位圖。圖4是拼接后的未調平的灰度圖。圖5是調平后的灰度圖。圖6是調平后的3D形貌圖。

分別對其三角臺階表面和底面的平面度進(jìn)行評定，得到臺階表面平面度為4.100nm，底面平面度為2.725nm?？紤]重疊區域比例大小對拼接的影響，又分別在重疊度為20%和35%的情況下進(jìn)行拼接測量，得到對比數據如表1。

在實(shí)驗過(guò)程中，發(fā)現重疊比例越大，拼接效率越高，據以上數據分析顯示平面度也越好。但是，若針對較大型的被測件，重疊度越大，則子區域數量越大，拼接次數也越多，拼接過(guò)程造成的誤差累積也越大，且影響了拼接的速度。綜合考慮以上因素，可選取重疊度20%進(jìn)行拼接。

5.小結

本文對微表面三維測量進(jìn)行系統的研究和探討，搭建了測試平臺、設計了相關(guān)圖像處理程序，通過(guò)實(shí)驗驗證了系統的可行性，并進(jìn)行一組對比實(shí)驗，對不同重疊度的影響進(jìn)行了有益的探討。

參考文獻

[1] 孫立寧。抓住機遇，全面推動(dòng)我國MEMS的發(fā)展[J].機器人技術(shù)與應用，2003，2：3-6.

[2] 林俊。微機電系統（MEMS）的測試問(wèn)題[J].國外電子測量技術(shù)，2005，25（8）：3.

[3] 胡春光。利用相移顯微干涉術(shù)和頻閃成像技術(shù)研究MEMS離面運動(dòng)[D].天津：天津大學(xué)，2004，1-12.

[4] WYANT J C，CREATH K.Advances in Interferometric Optical Profiling[J].Int. J. Mach. Tools Manufact. 1992, 32（1/2）， 5-10.

[5] JAMES C W, SCHMIT J.Large Field of View, High Spatial Resolution, Surface Measurement[J/OL].http://www.optics.arizona.edu/jcwyant/pdf/Meeting_papers/Surfconf97.pdf.

[6] BHUSHAN B, WYANT J C, KOLIOPOULOS C L.Measurement of Surface Topography of Magnetic Tapes by Mirau Interferometry[J].Appl. Opt., 1985, 28:1489-1497.

[7] 焦國華，李育林，胡寶文，等。Mirau相移干涉法測量微透鏡陣列面形[J].光子學(xué)報，2007，36（10）：1924-1927.

[8] AFIFI M, NASSIM K, RACHAFI S.Five-frame Phase-shifting Algorithm Insensitive to Diode Laser Power Variation[J].Optics Communications, 2001, 197, 37-42.

本文來(lái)自： 賽微電子網(wǎng)-電子工程師社區 原文地址：http://www.srvee.com/med/apply/jyyxtxpjdwbmswcsxtkf_3401.html內窺鏡使用插入導管的方式，存在著(zhù)諸多弊端，例如操作困難；屬于有創(chuàng )檢測，給病人帶來(lái)很大的肉體痛苦；診察范圍有限，僅限于診斷上消化道及大腸的病變，而對小腸疾病的診斷存在很大的盲區等等。[1]鑒于此，近十年來(lái)，世界各國有不少科研機構在從事人體消化道無(wú)創(chuàng )檢測設備的研究開(kāi)發(fā)工作，而本文所提到的無(wú)線(xiàn)膠囊內窺鏡系統就是其中有代表性的設備之一。

本論文重點(diǎn)介紹了一種無(wú)線(xiàn)膠囊內窺鏡診斷系統體外接收器的原理與結構。該系統采用雙片高速單片機（Silicon Laboratory 8051F130）與FPGA、FIFO相結合的架構，成功實(shí)現了將體內膠囊內窺鏡傳輸出的圖像數據實(shí)時(shí)接收存儲的功能。

在數據存儲上則采用了Sandisk公司的4G大容量高速CF卡SDCFH-4096對采集的數據信號進(jìn)行存儲，滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)非壓縮數據信號對大容量存儲空間的要求。

1 體外無(wú)線(xiàn)接收存儲系統的組成

無(wú)線(xiàn)膠囊內窺鏡體外接收存儲系統的接口框圖如圖1所示。整個(gè)系統可以分為數據接收與同步模塊和數據存儲模塊兩大基本模塊。

1.1 數據接收與同步模塊

數據接收與同步模塊包括模擬射頻接收器、低通濾波器、箝位電路、視頻放大器、同步檢測器、模數轉換器、信號處理器MCU1等。

從模擬射頻接收器接收的幀模擬信號經(jīng)過(guò)低通濾波器濾掉高頻干擾分量。低通濾波器采用無(wú)源三階巴特沃斯濾波器實(shí)現。射頻接收器輸出的是交流耦合信號，經(jīng)低通濾波器后仍為交流耦合信號，為了恢復信號的直流分量，必須對通過(guò)箝位電路對其進(jìn)行箝位。經(jīng)箝位電路后，信號的直流分量將為0.38V。視頻放大器的作用是對箝位電路輸出的信號進(jìn)行適當的放大，一方面提高信號的幅值，便于進(jìn)行模數轉換，另一方面，可以提高驅動(dòng)能力，帶動(dòng)后級負載。同步檢測器的功能是從輸入的信號中分離出幀同步和行同步信號，使得可以采用模數轉換器轉換圖像數據。同步檢測采用對信號幅值進(jìn)行比較的方法實(shí)現，其具體結構是一個(gè)電壓比較器。信號處理器MCU1的作用在于通過(guò)檢測同步檢測器的輸出信號判定幀同步信號與行同步信號，據此控制AD轉換器的CLK信號，向后續的數據存儲模塊提供相應的同步標志位SYNC，同時(shí)控制數據存儲模塊的部分電路。

1.2 數據存儲模塊

數據存儲模塊包括CF控制器MCU2、FIFO、FPGA、CF卡等部分，詳細結構及原理過(guò)程將在第3部分作進(jìn)一步介紹。

2 CF卡簡(jiǎn)介

2.1 CF卡結構與工作模式

CF卡是體外接收存儲系統的存儲介質(zhì)，其結構如圖2所示。CF卡全稱(chēng)Compact Flash卡，由控制器與Flash存儲器兩大部分組成?？刂破髦饕脕?lái)實(shí)現與主機的接口并控制數據在存儲模塊中的傳輸，Flash存儲器主要負責數據的存儲?？刂破魍ㄟ^(guò)協(xié)議轉換，將外設對Flash Memory的讀寫(xiě)轉化成對控制器的訪(fǎng)問(wèn)，統一了讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的標準（符合PC機內存卡國際聯(lián)合會(huì )PCMCIA和ATA接口規范），從而保證了不同CF卡的兼容性。[2]同時(shí)CF卡采用了緩沖區結構，使CF卡與外界通信的同時(shí)可以對內部Flash Memory進(jìn)行操作，提高了數據傳輸的速率。

CF卡支持包含Memory Mapped、I/O Card和True IDE在內的三種訪(fǎng)問(wèn)模式。本系統采用的是True IDE模式。上電時(shí)，將OE-腳置為低電平，則CF卡進(jìn)入True IDE模式。上電時(shí)，OE-為高電平，CF進(jìn)入PCMCIA模式，即Memory Mapped模式或I/O Card模式。然后可以通過(guò)配置選項寄存器進(jìn)入相應的模式。

2.2 CF卡的操作方式

CF卡與硬盤(pán)類(lèi)似，采用柱面/磁道/扇區的方式組織存放數據。[3]其扇區尋址方式有邏輯尋址（LBA）和物理尋址（CHS）兩種。物理尋址方式（CHS）使用柱面、磁頭、扇區號來(lái)表示一個(gè)特定的扇區；邏輯尋址方式（LBA）將整塊CF 卡進(jìn)行同一尋址，在訪(fǎng)問(wèn)連續的扇區時(shí)，操作速度比物理尋址方式要快，而且也簡(jiǎn)化了對磁盤(pán)的訪(fǎng)問(wèn)。文中使用邏輯尋址方式（LBA）。二者的換算關(guān)系為邏輯LBA地址=（柱面號×磁頭數+磁頭號）×扇區數+扇區號-1。

3.1 FIFO與FPGA、MCU2協(xié)同工作流程

作為該體外接收存儲系統接收信號的發(fā)射源，無(wú)線(xiàn)膠囊內窺鏡使用的是由Omnivision公司提供的OV6650微型圖像傳感器。其輸出圖像大小設定為CIF格式（352×288），圖像格式為Raw RGB。[4]為降低功耗，膠囊內窺鏡采用輸出一幀圖像后即進(jìn)入休眠狀態(tài)的工作方式。每幀圖像的持續時(shí)間約為63ms，兩幀之間的休眠時(shí)間約為430ms。單幀圖像的數據量在90K左右。圖像數據的每幀數據量大，傳輸速率快，在圖像傳感器的PCLK管腳輸入為2MHz的情況下，每個(gè)像素點(diǎn)的傳輸時(shí)間為500ns?？紤]到今后提高傳輸速率的需要，采用在膠囊工作時(shí)用MCU1控制FIFO，直接將一幀圖像數據緩存，在膠囊休眠期間將FIFO中的圖像寫(xiě)入CF卡的解決方案。另外考慮到以后擴展的方便，在設計中采用了FPGA作為FIFO與高速單片機MCU2 （8051F130）之間的讀操作時(shí)鐘源，完成單片機對FIFO的讀時(shí)序控制。

數據存儲模塊的具體電路連接圖如圖3所示。該部分結構對應于圖1的虛線(xiàn)框。FIFO采用Cypress公司的CY7C4291V。該低電壓FIFO芯片的緩存為128K×9。[5]AD轉換芯片采用TI公司的ADS931。MCU采用Silicon Laboratory公司的8051F130，經(jīng)過(guò)倍頻后可達到100MIPS的處理速率，可為以后系統升級預留足夠的空間。

濾波箝位后的模擬幀數據信號在MCU1產(chǎn)生的時(shí)鐘信號CLKIN的控制下，經(jīng)過(guò)ADS931轉換為8位數據。MCU1同時(shí)向CY7C4291V提供WCLK、/WEN1、WEN2引腳的輸入控制，將模數轉換后的圖像數據緩存入FIFO。在檢測到SYNC_IN管腳輸入的一幀結束標志后，MCU1停止向ADS931及FIFO輸出時(shí)鐘，并向FPGA的SYNC管腳提供一個(gè)脈沖。此時(shí)對FIFO的控制權轉交給FPGA。在FPGA產(chǎn)生的RCLK，/REN1，/REN2，ADCLK1的時(shí)序控制下，MCU2將FIFO中所緩存一幀圖像以較低的速率讀入，并寫(xiě)入CF卡緩存，達到了與CF Card寫(xiě)入周期的匹配。[6]

FPGA各引腳時(shí)序圖如圖4所示。

3.2 向CF中存儲數據

對CF卡的操作只需讀寫(xiě)任務(wù)寄存器即可。CF卡共有30條指令，數據讀寫(xiě)的最小單位為1個(gè)扇區。8位格式訪(fǎng)問(wèn)時(shí)對應1個(gè)扇區數據量為512字節，16位格式訪(fǎng)問(wèn)是對應1個(gè)扇區數據量為256字。連續存取字節兩次則依次存取數據寄存器的偶字節和奇字節。本系統中采用8位模式進(jìn)行操作。在MCU2對CF卡進(jìn)行寫(xiě)入操作之前，先向命令寄存器寫(xiě)入0Efh，將默認的16位模式改為8位模式。每次執行CF卡命令前，需要讀取狀態(tài)寄存器（偏移量為07H）來(lái)確定當前CF卡所處的狀態(tài)。狀態(tài)寄存器D7位為零，表示控制空閑；D6，D4均為1，表示CF卡準備好接收下一條指令。執行命令前，程序要寫(xiě)7個(gè)寄存器，其中前6個(gè)為參數，最后1個(gè)為命令碼。[7]讀扇區命令字為20H或21H，寫(xiě)扇區命令字為：30H或31H。其中扇區讀寫(xiě)流程如圖5所示。

在實(shí)際的程序運行過(guò)程中，在FIFO存儲完一幀圖像數據后，FPGA開(kāi)始向MCU2提供ADCLK1時(shí)鐘。在MCU2檢測到第一個(gè)時(shí)鐘下降沿時(shí)，向CF卡任務(wù)寄存器寫(xiě)入寫(xiě)卡指令，之后讀CF卡狀態(tài)寄存器，當返回值為58H時(shí)，表明CF卡已進(jìn)入等待數據寫(xiě)入狀態(tài)。在之后的每個(gè)ADCLK1的下降沿，對應一個(gè)像素點(diǎn)的8位數據從FIFO讀入MCU2，隨后即時(shí)送入CF卡的緩存。當一個(gè)扇區的數據，即512Bytes的數據寫(xiě)入緩存后，CF卡需要一定的響應時(shí)間等待寫(xiě)扇區指令的執行。所以FPGA在產(chǎn)生連續512個(gè)周期為200us的ADCLK1后將產(chǎn)生一個(gè)800us的延時(shí)，從而保證CF卡有足夠時(shí)間寫(xiě)入一個(gè)扇區的數據，避免丟失數據的情況發(fā)生。在此同時(shí)，程序查詢(xún)狀態(tài)寄存器的值，若為50H，說(shuō)明一個(gè)扇區的數據已被寫(xiě)入CF卡。此時(shí)FPGA繼續產(chǎn)生ADCLK1時(shí)鐘，MCU2則繼續在時(shí)鐘下降沿查詢(xún)FIFO的輸入，并將其寫(xiě)入CF數據緩存，如此重復寫(xiě)入數扇區，直至一幀圖像數據完全寫(xiě)入CF卡為止。

4 實(shí)驗結果與結論

（1） 采用4G的CF卡（SDCFH-4096）實(shí)現了連續6.2小時(shí)的圖像錄制，與膠囊內窺鏡系統在人體內由SR69W氧化銀電池供能條件下可連續工作時(shí)間（7小時(shí)左右）相近，基本滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)存儲內窺鏡圖像的要求。在對膠囊端的工作頻率進(jìn)行提高后，有望達到更高的圖像接收速率。

（2） 圖6為使用該系統接收的一幀CIF格式8位色Raw RGB圖像數據在PC上還原得到的圖像，圖像質(zhì)量較為理想。這說(shuō)明接收器可以正確接收同步圖像信號并正確寫(xiě)入CF卡。

（3） 由于受模擬傳輸干擾的影響，接收圖像會(huì )隨機出現同步位錯誤造成的圖像失真（圖7），具體出現概率主要取決于接收器的接收頻率是否準確，總體上對接收圖像的影響不大。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗證明，按此種方案設計的無(wú)線(xiàn)膠囊內窺鏡體外接收存儲系統可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)接收并存儲WCE（Wireless Capsule Endoscopy）模擬圖像數據的要求。

參考文獻：

[1] 胡宗泰。 醫用內窺鏡現狀及發(fā)展趨勢[J]. 世界醫療器械， 1997, 1：32-34

[2] SanDisk CompactFlash Memory Card Product Manual[DB/OL]. Version 11.0, Document No. 20-10-00038, January 2006

[3] 毛曉燕，湯健彬，金建詳。 基于8051的CF卡文件系統的實(shí)現[J]. 自動(dòng)化儀表， 2003,6：34-35

[4] OV6650FS Color CMOS CIF （352 x 288） Concept Camera Module Data Sheet. Version 1.1[DB/OL], 2003

[5] CY7C4291V Datasheet. Cypress Semiconductor Corporation[DB/OL]. 1999

[6] 郭振武，李維祥，王文博。 單片機實(shí)現對CF卡的讀寫(xiě)[J]. 單片機與嵌入式系統應用， 2004,11：25-31

[7] 翟亞?wèn)|，史忠科。 基于CF卡的飛行試驗數據記錄器的設計[J]. 計算機測量與控制， 2006,14（10）：1384-1386

[8] 蔡慶喜， 馬孝江， 李聯(lián)玉。 便攜式信號采集分析儀數據管理系統的開(kāi)發(fā)[J]. 機床與液壓， 2004,12：134-136

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