基于醫(yī)學(xué)圖像拼接的微表面三維測試系統(tǒng)開發(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(nèi)窺鏡，但傳統(tǒng)1. 引言

MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）廣泛地應(yīng)用于自動控制、信息、生化、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、航空航天和國防軍事等各個領(lǐng)域[1] [2]。隨著MEMS器件的迅速發(fā)展，對其測試技術(shù)也相應(yīng)的提出了更高的要求，如應(yīng)最大可能同時具有大視場、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(jié)合，具有表面信息直觀、測量精度高和全視場三維測量等優(yōu)點，常被用于表面顯微結(jié)構(gòu)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，視場會非常小。如果要保持分辨率為一個常數(shù)，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(qū)域；還有一個途徑可以得到更大的視場，就是將一些較小范圍視場的測量結(jié)果進(jìn)行拼接[5]。

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

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(tǒng)的主要構(gòu)架如圖1所示。系統(tǒng)采用中心波長為617nm的orange-red LED提供連續(xù)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)顯微物鏡后透過參考板，被分光板上的半透半反膜分成兩路。一路透過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，然后穿過參考板到達(dá)顯微物鏡。兩束光在顯微物鏡視場中會合并發(fā)生干涉。使用CCD采集干涉圖樣并傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行后續(xù)處理工作。將干涉物鏡與納米定位儀的執(zhí)行部分組合固定，定位儀施加不同的電壓，其執(zhí)行部分PZT（壓電陶瓷傳感器）帶動干涉物鏡產(chǎn)生垂直于載物平臺方向的步進(jìn)位移。PZT帶動干涉物鏡每移動一次，計算機(jī)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(xù)的相移干涉條紋圖。通過以下公式，可以用五幅干涉圖的光強(qiáng)得到每一個像素點的包裹相位值。

其中 是像素點（x，y）的包裹相位值， 為第i幅干涉圖在（x，y）點的光強(qiáng)。而由于物體表面高度的相位變化范圍通常超過一個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(xù)的相位分布圖樣。因此需要進(jìn)行相位展開（或相位解包裹，phase unwraping），將多個截斷相位的區(qū)域拼接展開成連續(xù)相位 。本文相位展開后的圖像，其元素包含的數(shù)據(jù)是相位 信息，需要經(jīng)過相位－高度轉(zhuǎn)換才能得到每個像素點的離面高度數(shù)據(jù)：

其中 是光源的波長。

2.2微表面三維測試系統(tǒng)概述

測量系統(tǒng)分為以下四個子系統(tǒng)，如圖2所示：

相移顯微干涉系統(tǒng)：為本文系統(tǒng)的測試基礎(chǔ)，其基本原理在上一節(jié)講明，實現(xiàn)視場內(nèi)被測件表面高度信息的測量。

二維電控平移系統(tǒng)：主要包括二維電控平移臺、控制平移臺運動的驅(qū)動器、靈活設(shè)計脈沖的單片機(jī)以及提供合適電壓的直流穩(wěn)壓電源，實現(xiàn)了被測件的面內(nèi)平移，擴(kuò)大了被測表面的測量范圍，解決了物鏡視場局限的問題。并加入精密升降臺一個，以方便被測件的調(diào)焦對準(zhǔn)。

采集系統(tǒng)：包括CCD和圖像采集卡，用于圖像信息的采集。

圖像處理系統(tǒng)：為本文系統(tǒng)的核心部分，對采集的圖像信息進(jìn)行拼接、相位提取、相位展開等處理，輸出對被測表面測量的結(jié)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，因而視場范圍很小。比如，放大倍率為50×，又CCD使用800×800像素的陣列，實測的范圍僅為173.6×173.6 。，為得到高分辨率大視場的結(jié)果，將測得的較小范圍視場的結(jié)果進(jìn)行拼接。被測件分割成有重疊部分的區(qū)域分別測量，利用重疊區(qū)域?qū)⑧徑膬煞鶊D拼接，需要知道在測量時樣品被移動的精確距離，可通過電控平移臺的精確定位實現(xiàn)。通過單片機(jī)設(shè)定的脈沖可以控制平移臺移動的距離：

其中，S是電機(jī)步距角： ；L是螺桿導(dǎo)程：1mm；P是脈沖數(shù)；F是電控平移臺驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)。最大可取128細(xì)分，平移臺的最小位移量可達(dá)39nm。

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

a（1）x+a（2）y+a（3）+z=0 （4）

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

4. 實驗分析

本文使用美國標(biāo)準(zhǔn)計量局（NIST）認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)三角形臺階作為被測件進(jìn)行測試實驗。圖3是重疊度為35% 時利用式（1）得到的子區(qū)域的包裹相位圖。圖4是拼接后的未調(diào)平的灰度圖。圖5是調(diào)平后的灰度圖。圖6是調(diào)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(qū)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(shù)據(jù)如表1。

在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)重疊比例越大，拼接效率越高，據(jù)以上數(shù)據(jù)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(qū)域數(shù)量越大，拼接次數(shù)也越多，拼接過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(jié)

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

參考文獻(xiàn)

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本文來自： 賽微電子網(wǎng)-電子工程師社區(qū) 原文地址：http://www.srvee.com/med/apply/jyyxtxpjdwbmswcsxtkf_3401.html內(nèi)窺鏡使用插入導(dǎo)管的方式，存在著諸多弊端，例如操作困難；屬于有創(chuàng)檢測，給病人帶來很大的肉體痛苦；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(qū)等等。[1]鑒于此，近十年來，世界各國有不少科研機(jī)構(gòu)在從事人體消化道無創(chuàng)檢測設(shè)備的研究開發(fā)工作，而本文所提到的無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)就是其中有代表性的設(shè)備之一。

本論文重點介紹了一種無線膠囊內(nèi)窺鏡診斷系統(tǒng)體外接收器的原理與結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用雙片高速單片機(jī)（Silicon Laboratory 8051F130）與FPGA、FIFO相結(jié)合的架構(gòu)，成功實現(xiàn)了將體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡傳輸出的圖像數(shù)據(jù)實時接收存儲的功能。

在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信號進(jìn)行存儲，滿足了實時非壓縮數(shù)據(jù)信號對大容量存儲空間的要求。

1 體外無線接收存儲系統(tǒng)的組成

無線膠囊內(nèi)窺鏡體外接收存儲系統(tǒng)的接口框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)接收與同步模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊兩大基本模塊。

1.1 數(shù)據(jù)接收與同步模塊

數(shù)據(jù)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(shù)轉(zhuǎn)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)過低通濾波器濾掉高頻干擾分量。低通濾波器采用無源三階巴特沃斯濾波器實現(xiàn)。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(fù)信號的直流分量，必須對通過箝位電路對其進(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(dāng)?shù)姆糯?，一方面提高信號的幅值，便于進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，另一方面，可以提高驅(qū)動能力，帶動后級負(fù)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(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換圖像數(shù)據(jù)。同步檢測采用對信號幅值進(jìn)行比較的方法實現(xiàn)，其具體結(jié)構(gòu)是一個電壓比較器。信號處理器MCU1的作用在于通過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(jù)此控制AD轉(zhuǎn)換器的CLK信號，向后續(xù)的數(shù)據(jù)存儲模塊提供相應(yīng)的同步標(biāo)志位SYNC，同時控制數(shù)據(jù)存儲模塊的部分電路。

1.2 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊包括CF控制器MCU2、FIFO、FPGA、CF卡等部分，詳細(xì)結(jié)構(gòu)及原理過程將在第3部分作進(jìn)一步介紹。

2 CF卡簡介

2.1 CF卡結(jié)構(gòu)與工作模式

CF卡是體外接收存儲系統(tǒng)的存儲介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。CF卡全稱Compact Flash卡，由控制器與Flash存儲器兩大部分組成?？刂破髦饕脕韺崿F(xiàn)與主機(jī)的接口并控制數(shù)據(jù)在存儲模塊中的傳輸，F(xiàn)lash存儲器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲?？刂破魍ㄟ^協(xié)議轉(zhuǎn)換，將外設(shè)對Flash Memory的讀寫轉(zhuǎn)化成對控制器的訪問，統(tǒng)一了讀寫訪問的標(biāo)準(zhǔn)（符合PC機(jī)內(nèi)存卡國際聯(lián)合會PCMCIA和ATA接口規(guī)范），從而保證了不同CF卡的兼容性。[2]同時CF卡采用了緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，使CF卡與外界通信的同時可以對內(nèi)部Flash Memory進(jìn)行操作，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?/p>

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

2.2 CF卡的操作方式

CF卡與硬盤類似，采用柱面/磁道/扇區(qū)的方式組織存放數(shù)據(jù)。[3]其扇區(qū)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(qū)號來表示一個特定的扇區(qū)；邏輯尋址方式（LBA）將整塊CF 卡進(jìn)行同一尋址，在訪問連續(xù)的扇區(qū)時，操作速度比物理尋址方式要快，而且也簡化了對磁盤的訪問。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(shù)+磁頭號）×扇區(qū)數(shù)+扇區(qū)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(tǒng)接收信號的發(fā)射源，無線膠囊內(nèi)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(shè)定為CIF格式（352×288），圖像格式為Raw RGB。[4]為降低功耗，膠囊內(nèi)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(xù)時間約為63ms，兩幀之間的休眠時間約為430ms。單幀圖像的數(shù)據(jù)量在90K左右。圖像數(shù)據(jù)的每幀數(shù)據(jù)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，每個像素點的傳輸時間為500ns?？紤]到今后提高傳輸速率的需要，采用在膠囊工作時用MCU1控制FIFO，直接將一幀圖像數(shù)據(jù)緩存，在膠囊休眠期間將FIFO中的圖像寫入CF卡的解決方案。另外考慮到以后擴(kuò)展的方便，在設(shè)計中采用了FPGA作為FIFO與高速單片機(jī)MCU2 （8051F130）之間的讀操作時鐘源，完成單片機(jī)對FIFO的讀時序控制。

數(shù)據(jù)存儲模塊的具體電路連接圖如圖3所示。該部分結(jié)構(gòu)對應(yīng)于圖1的虛線框。FIFO采用Cypress公司的CY7C4291V。該低電壓FIFO芯片的緩存為128K×9。[5]AD轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司的ADS931。MCU采用Silicon Laboratory公司的8051F130，經(jīng)過倍頻后可達(dá)到100MIPS的處理速率，可為以后系統(tǒng)升級預(yù)留足夠的空間。

濾波箝位后的模擬幀數(shù)據(jù)信號在MCU1產(chǎn)生的時鐘信號CLKIN的控制下，經(jīng)過ADS931轉(zhuǎn)換為8位數(shù)據(jù)。MCU1同時向CY7C4291V提供WCLK、/WEN1、WEN2引腳的輸入控制，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的圖像數(shù)據(jù)緩存入FIFO。在檢測到SYNC_IN管腳輸入的一幀結(jié)束標(biāo)志后，MCU1停止向ADS931及FIFO輸出時鐘，并向FPGA的SYNC管腳提供一個脈沖。此時對FIFO的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給FPGA。在FPGA產(chǎn)生的RCLK，/REN1，/REN2，ADCLK1的時序控制下，MCU2將FIFO中所緩存一幀圖像以較低的速率讀入，并寫入CF卡緩存，達(dá)到了與CF Card寫入周期的匹配。[6]

FPGA各引腳時序圖如圖4所示。

3.2 向CF中存儲數(shù)據(jù)

對CF卡的操作只需讀寫任務(wù)寄存器即可。CF卡共有30條指令，數(shù)據(jù)讀寫的最小單位為1個扇區(qū)。8位格式訪問時對應(yīng)1個扇區(qū)數(shù)據(jù)量為512字節(jié)，16位格式訪問是對應(yīng)1個扇區(qū)數(shù)據(jù)量為256字。連續(xù)存取字節(jié)兩次則依次存取數(shù)據(jù)寄存器的偶字節(jié)和奇字節(jié)。本系統(tǒng)中采用8位模式進(jìn)行操作。在MCU2對CF卡進(jìn)行寫入操作之前，先向命令寄存器寫入0Efh，將默認(rèn)的16位模式改為8位模式。每次執(zhí)行CF卡命令前，需要讀取狀態(tài)寄存器（偏移量為07H）來確定當(dāng)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(zhǔn)備好接收下一條指令。執(zhí)行命令前，程序要寫7個寄存器，其中前6個為參數(shù)，最后1個為命令碼。[7]讀扇區(qū)命令字為20H或21H，寫扇區(qū)命令字為：30H或31H。其中扇區(qū)讀寫流程如圖5所示。

在實際的程序運行過程中，在FIFO存儲完一幀圖像數(shù)據(jù)后，F(xiàn)PGA開始向MCU2提供ADCLK1時鐘。在MCU2檢測到第一個時鐘下降沿時，向CF卡任務(wù)寄存器寫入寫卡指令，之后讀CF卡狀態(tài)寄存器，當(dāng)返回值為58H時，表明CF卡已進(jìn)入等待數(shù)據(jù)寫入狀態(tài)。在之后的每個ADCLK1的下降沿，對應(yīng)一個像素點的8位數(shù)據(jù)從FIFO讀入MCU2，隨后即時送入CF卡的緩存。當(dāng)一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)，即512Bytes的數(shù)據(jù)寫入緩存后，CF卡需要一定的響應(yīng)時間等待寫扇區(qū)指令的執(zhí)行。所以FPGA在產(chǎn)生連續(xù)512個周期為200us的ADCLK1后將產(chǎn)生一個800us的延時，從而保證CF卡有足夠時間寫入一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)，避免丟失數(shù)據(jù)的情況發(fā)生。在此同時，程序查詢狀態(tài)寄存器的值，若為50H，說明一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)已被寫入CF卡。此時FPGA繼續(xù)產(chǎn)生ADCLK1時鐘，MCU2則繼續(xù)在時鐘下降沿查詢FIFO的輸入，并將其寫入CF數(shù)據(jù)緩存，如此重復(fù)寫入數(shù)扇區(qū)，直至一幀圖像數(shù)據(jù)完全寫入CF卡為止。

4 實驗結(jié)果與結(jié)論

（1） 采用4G的CF卡（SDCFH-4096）實現(xiàn)了連續(xù)6.2小時的圖像錄制，與膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)在人體內(nèi)由SR69W氧化銀電池供能條件下可連續(xù)工作時間（7小時左右）相近，基本滿足了實時存儲內(nèi)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(dá)到更高的圖像接收速率。

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

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

經(jīng)過實驗證明，按此種方案設(shè)計的無線膠囊內(nèi)窺鏡體外接收存儲系統(tǒng)可以滿足實時接收并存儲WCE（Wireless Capsule Endoscopy）模擬圖像數(shù)據(jù)的要求。

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