人工智能輔助下一種便攜式醫(yī)用內(nèi)窺鏡技術(shù)探討

【關(guān)鍵字】醫(yī)用內(nèi)窺鏡；便攜式；人工智能；WiFi 傳輸

引言

電子內(nèi)窺鏡是一種醫(yī)療設(shè)備，主要用于通過口腔、鼻腔等途徑進入人體內(nèi)部，檢查和治療消化道、呼吸道等內(nèi)臟器官的疾病。它由鏡頭、燈光和顯微鏡等組成，能夠觀察病變情況并進行診斷和治療。這種醫(yī)療設(shè)備可以廣泛應(yīng)用于胃潰瘍、十二指腸潰瘍、食管癌、肺部疾病等疾病的檢查、診斷和治療。在消化內(nèi)科、呼吸內(nèi)科等醫(yī)學(xué)專業(yè)中，電子內(nèi)窺鏡被視為不可或缺的重要設(shè)備之一。它具有無創(chuàng)、高效、準確等優(yōu)點，操作相對簡單，能夠減輕患者的痛苦，因此在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中扮演著不可或缺的重要角色。隨著科技的發(fā)展，人們對醫(yī)療過程的便捷性和準確性提出了更高的要求[1]。

近年來，人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，為各行各業(yè)的智能化提供了技術(shù)支持，在醫(yī)療領(lǐng)域也是一大助力。尤其是在醫(yī)學(xué)影像等方面，包括智能圖像分析、圖像處理、輔助診斷、實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析與研究等等?？傮w而言，人工智能為醫(yī)生提供更好的輔助工具和決策支持，推動醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展和進步[2]。

在一般性的腸胃檢查中，傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡圖像質(zhì)量比較差，圖像傳輸方式單一且只在特定場所適用，另外，一些內(nèi)窺鏡依托于醫(yī)用臺車，只適用于有限的場景，十分不便，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)性要求。與之相比，在人工智能輔助圖像處理情況下具有遠程數(shù)據(jù)傳輸方式的便攜式內(nèi)窺鏡攜帶方便，圖像分辨率較好，可以觀察到病變的各個細微區(qū)域，在病情分析方面具有明確的優(yōu)勢，患者和家屬也可以通過顯示器了解一定情況，增強治療依從性[3-5]。

一、便攜式醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)設(shè)計

便攜式醫(yī)用內(nèi)窺鏡主要系統(tǒng)組成包括三部分，分別是：圖像處理系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)[6]。

（一）圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)包括：高分辨?zhèn)鞲衅?、圖像采集。

高分辨率傳感器具有更高的像素密度，可以捕捉更多的細節(jié)和信息，使圖像更加清晰和精確，更高的顏色深度和更大的動態(tài)范圍，并且具有更大的輸出尺寸，意味著它們可以生成更大的輸出尺寸。通過捕獲更多的信息和細節(jié)，高分辨率傳感器為后期處理提供了更多的空間，使得后期處理操作更加容易、精確。

（二）光源系統(tǒng)

光源設(shè)計在內(nèi)窺鏡的便攜式設(shè)計中非常重要，因為它直接關(guān)系到內(nèi)窺鏡的照明效果和圖像質(zhì)量。我們根據(jù)內(nèi)窺鏡的具體應(yīng)用和要求進行選擇。除了光源本身，還注意到了照明均勻性、亮度調(diào)節(jié)、能耗、散熱等因素。此外，對于光源與內(nèi)窺鏡的連接方式和控制方式也進行了合理設(shè)計，以確保穩(wěn)定的光源供應(yīng)和方便的操作性能。

（三）圖像傳輸系統(tǒng)

確定適合內(nèi)窺鏡的WiFi模塊，確保與內(nèi)窺鏡其他組件兼容，并具備穩(wěn)定的信號傳輸、數(shù)據(jù)處理能力和適當?shù)某叽?。在?nèi)窺鏡內(nèi)部建立WiFi連接，使用TCP/IP協(xié)議作為圖像傳輸?shù)膮f(xié)議，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性[7]。在圖像傳輸過程中，采用圖像壓縮技術(shù)減少數(shù)據(jù)量，提高傳輸速度，同時保證圖像質(zhì)量。在WiFi傳輸過程中采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)，保護了圖像數(shù)據(jù)的安全性。

二、人工智能輔助下的圖像處理系統(tǒng)

（一）高分辨率傳感器

高分辨率的圖像傳感器可以通過增加像素數(shù)量來提高圖像質(zhì)量。CMOS傳感器相比于傳統(tǒng)的CCD（電荷耦合器件）傳感器具有許多優(yōu)勢。首先，CMOS傳感器集成了模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），可以直接將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，減少了電路復(fù)雜性。其次，CMOS傳感器消耗較低的功率，因此電池壽命更長。此外，CMOS傳感器還具有更快的讀取速度和更好的響應(yīng)性能。CMOS傳感器實現(xiàn)更高的集成度。由于CMOS工藝可以與其他電路集成在同一芯片上，因此可以實現(xiàn)更小、更輕、更便攜的攝像設(shè)備。

（二）信號處理

信號處理算法可以對采集到的圖像進行處理，以優(yōu)化圖像質(zhì)量并減少噪聲。常用的信號處理算法包括濾波、增強和去噪。例如，采用增強算法可以增加圖像的對比度和亮度，使得細節(jié)更容易被觀察到。為了實現(xiàn)強大的信號處理技術(shù)，需要使用高效的處理器和算法，并結(jié)合先進的圖像處理技術(shù)。本文選擇一種線性濾波算法來增強圖像數(shù)據(jù)的表達。

通常情況下，我們會定義一個二元函數(shù)f（x，y）來表示原始圖像。而經(jīng)過濾波處理后得到的增強圖像則可以表示為另一個二元函數(shù)g（x，y）。濾波的基本應(yīng)用公式可以表述為：

在這個公式中， 表示拉普拉斯算子（Laplacianoperator）; 當對應(yīng)的矩陣中心為-4或者-8時，c的取值為-1，反之c的取值為1。

從拉普拉斯算子的作用矩陣式可以得知，當領(lǐng)域的中心像素灰度低于其所在鄰域內(nèi)其它像素的平均灰度時，中心像素的灰度應(yīng)進一步降低，反之若高于平均灰度時中心像素的灰度應(yīng)進一步提高，從而實現(xiàn)圖像的銳化處理。因此，利用拉普拉斯算子處理原始圖像可以產(chǎn)生描述灰度突變的中間結(jié)果圖像。接著，將中間結(jié)果圖像與原始圖像疊加，就可以得到銳化圖像，最終達到圖像修復(fù)性增強的效果。

在實際的實驗仿真與測試中，我們可以利用MATLAB軟件內(nèi)置的imflter函數(shù)來實現(xiàn)拉普拉斯線性空間濾波器的算子。

另外，圖像黑白二值化的處理也是一種常見的圖像增強技術(shù)。通過該技術(shù)，我們可以在一定程度上過濾圖像的噪聲，并且更加突出強化了圖像輪廓的細節(jié)。因此，在對彩色圖像進行增強之后，可以使用黑白二值化的圖像處理作為適當?shù)妮o助分析方法，以過濾圖像噪聲和強化圖像邊緣輪廓[8]。

三、光源技術(shù)

光源技術(shù)可以提供更好的照明，使得觀察到的組織結(jié)構(gòu)更為清晰。常用的光源技術(shù)包括LED和激光。LED光源可以提供均勻而穩(wěn)定的照明，LED光源相對于激光光源來說更安全。激光光源產(chǎn)生的光束具有高能量和高濃度，如果使用不當可能會對人體和物體造成損傷。而LED光源產(chǎn)生的光束較為散射，能量分布均勻，對人體和物體的危害較小。這使得LED光源在各種應(yīng)用場景中具有更大的靈活性和適應(yīng)性。

四、圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

（一）確定WiFi模塊

首先我們在內(nèi)窺鏡內(nèi)部設(shè)有容納WiFi模塊的拓展接口，并且保證與內(nèi)窺鏡的其他組件兼容。根據(jù)內(nèi)窺鏡設(shè)備的需求和規(guī)格選擇合適的WiFi模塊，我們選擇加裝無線局域網(wǎng)WiFi模塊確保其具有穩(wěn)定的信號傳輸、良好的數(shù)據(jù)處理能力以及適當?shù)某叽?。并且在?nèi)窺鏡內(nèi)部有足夠的電源來支持WiFi模塊的正常工作。

（二）建立網(wǎng)絡(luò)連接

內(nèi)窺鏡和其他設(shè)備需要同時連接到同一WiFi網(wǎng)絡(luò)，這就需要內(nèi)窺鏡支持相應(yīng)的WiFi協(xié)議，我們選擇的協(xié)議為802.11ax，是最新的WiFi標準。一旦連接到WiFi 網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)窺鏡就可以與其他連接到同一網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進行通信。

（三）圖像傳輸

選擇合適的圖像傳輸協(xié)議來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率。在內(nèi)窺鏡與其他設(shè)備傳輸時，我們選擇TCP/IP協(xié)議，這是一種通用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，也可以用于圖像傳輸。TCP/IP協(xié)議提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，可以對數(shù)據(jù)進行分段，傳輸后再進行重組。TCP/IP協(xié)議使用源端口和目標端口來標識不同的應(yīng)用程序，使用IP地址來標識不同的設(shè)備。

在傳輸過程中，我們還通過圖像壓縮技術(shù)減小數(shù)據(jù)量，提高傳輸速度，同時保證圖像質(zhì)量。我們選擇的圖像壓縮格式為PNG格式。PNG格式采用無損壓縮，這意味著即使進行壓縮，也不會導(dǎo)致圖像質(zhì)量的損失。PNG格式是一種開放格式，沒有專利限制，因此可以自由使用而不必擔心版權(quán)問題。PNG格式支持不同的顏色深度，包括索引色和真彩色，能夠滿足不同圖像色彩的需求。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用TLS加密協(xié)議，有效保護內(nèi)窺鏡傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)的安全性，防止敏感信息泄露和數(shù)據(jù)篡改的風險。增強內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的安全性，保護患者隱私和醫(yī)療數(shù)據(jù)的機密性。

結(jié)語

本文設(shè)計便攜式醫(yī)用內(nèi)窺鏡在醫(yī)療領(lǐng)域中可以起到重要的作用。它為醫(yī)生和醫(yī)療專業(yè)人員提供了一種方便、靈活和可靠的工具，用于進行檢查、診斷和治療。

通過合理的光源設(shè)計，便攜式內(nèi)窺鏡可以提供高質(zhì)量的照明效果，確保圖像清晰度和對比度，從而幫助醫(yī)生準確地觀察和評估患者的病情。

同時，便攜式內(nèi)窺鏡的人工智能輔助圖像處理技術(shù)還可以進─步提升其在診斷和治療中的效果。針對圖像處理選擇的濾波算法，可以改善便攜式內(nèi)窺鏡所捕獲到的圖像質(zhì)量。借助機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，利用人工智能技術(shù)來提取有價值的信息并進行數(shù)據(jù)追蹤，為醫(yī)生提供更準確的診斷和治療建議。

此外，數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)脑O(shè)計使得醫(yī)生可以將檢查過程和圖像保存下來，方便后續(xù)的分析和回顧。同時，無線傳輸功能也使得遠程診斷和咨詢成為可能，提高了醫(yī)療資源的利用效率。

總體而言，本文所進行的便攜式醫(yī)用內(nèi)窺鏡設(shè)計不僅要關(guān)注技術(shù)實現(xiàn)，還要兼顧醫(yī)療需求和用戶體驗，以提供更好的醫(yī)療服務(wù)。隨著科技的不斷進步，我們可以期待便攜式內(nèi)窺鏡在未來發(fā)展得更加先進和多功能化。