劉志文臺灣大學：電機工程學研究所陳信彰Chen, Hsin-ChangHsin-ChangChen2007-11-262018-07-062007-11-262018-07-062004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/53305摘 要 隨著光學與資訊電子技術的發展與進步，內視鏡之於內、外科醫學已成為密不可分的一部分，科技之進步也為各式醫療儀器帶進了另一個世代。非侵入式醫療器材為現今醫學診療流行之研究趨勢，而臨床應用的領域越來越大，到最近幾年之中，甚至已成為一個專科領域。 而其中，膠囊內視鏡的興起則是為釵h有消化系統疾病的患者帶來了福音，同時也啟發了我們研究的動機，針對國內廣大的腸胃疾病市場需求對症下藥，研擬出專門取代傳統胃鏡檢驗，以減輕病患就診時的心理壓力，同時又方便操作處理、價格便宜易架設的磁浮內視系統。 在本研究中，我們嘗試以磁浮力作為我們的動力來源，在無損人體的安全係數內進行研究模擬，從驅動磁力大小規劃、選擇適當之儀器乃至設計、成型，配合影像感測元件、影像擷取卡進行內部影像的紀錄，輔以人機介面軟體的處理、分析、歸納，進而建立專屬於個人之電子病歷。而系統硬體架設方面有：可移動之電磁力平台、步進馬達、高必v之電源供應器、通用介面匯流排（GPIB， General Purpose Interface Bus）之介面儀器、個人電腦以及弁鉧膃X之操作搖桿等等；系統軟體顯像方面則是以Visual Basic來建立主要操作介面，再加上影像處理程式及影像擷取卡專屬之函數庫等等，整合軟、硬體介面而成完整的磁浮內視鏡系統。 因研究尚未符合可以進行活體研究之標準，故我們皆先以相似模擬環境來進行模擬實驗，在各式類似環境中模擬之結果皆能初步達成預設之要求，唯模型外觀部分條件仍持續改善，整體之可行性是相當可觀的。 整體而言，本實驗系統旨在成為一便利無負擔之醫療儀器，作為初期診療之用，以節省醫療資源的浪費。考量系統架設的經濟效應及方便性，取材來源皆以市面上容易獲取之器材、零件，相較於動輒百萬以上的貴重醫療儀器而言，是相當具有研究動機存在的。Abstract The progresses in optical engineering, computer science and electronic techniques have made the endoscopy a medical tool in both internal clinics and surgical operations. Non-invaded Medical machine is a trend of study to the medical treatment nowadays. As its applications increase exponentially, it has even become a specialized division in the clinical medicine. However, to rise and develop the capsule endscopy not only brings good news to the patients who have disease in the digestive system but enlightens the motive of our study. To be directed against vast market of gastrointestinal disease, and to develop the convenient cheap maglev endoscopy system instead of traditional gastroscopy mitigating pressure when the patient to see a doctor. In our study, we try to use magnetic power which can be the power resources of maglev endoscopy system. Proceeding to research and to simulate inside the human’s safety factor. We design from the driving magnetic force to instrument and even form the image system. To operate in coordination the elements of image system proceeding to take down the internal image. To handle analyzing and generalizing the Graphical User Interface which can build up personal electronics anamnesis. About computer hardware of the system includes a moving electromagnetic bench, a stepper motor, a power supply in high power, instruments of GPIB, PC and a functional joystick and so on. And computer software of the system is using Visual Basic to build up main interface which includes image processing program and image library and so on. Assembling Software and hardware to accomplish full maglev endoscopy image system. In conclusion, our experimental system is purpose-built convenient medical instrument to make a diagnosis and give treatment at the primary stage and to avoid wasting medical resource. To think about Economic benefits and convenience of the system, so obtaining materials from business situations. Comparing with valuable medical instrument, it is a motivator to this study.中文摘要 i 英文摘要 iii 目錄 v 圖目錄 viii 表目錄 xi 第一章 緒論 1.1 研究背景 P1 1.2 研究動機與目的 P3 1.3 研究貢獻 P4 1.4 章節概述 P5 第二章 系統設計與實驗架構 2.1 系統架構設計概念介紹 P6 2.2 硬體控制架構 P6 2.2.1 體內攝影控制系統 P7 2.2.2 外圍控制系統 P10 2.3 軟體控制架構 P21 2.3.1 主磁場磁通控制……………………………P21 2.3.2 主磁線圈升降及受測物之旋轉方位控制…P22 2.3.3 影像擷取控制與影像處裡…………………P23 2.4 人機介面操控設計……………………………………P24 2.4.1 指令輸入操控裝置設計……………………..P25 2.4.2 監控畫面設計規劃…………………………P27 第三章 內視攝影控制理論 3.1 數位影像處理的基本概念 P29 3.1.1 以PC及軟體為基礎之影像處理系統……….P32 3.2 透鏡攝影成像 P33 3.2.1 針孔攝影模型與透鏡攝影模型……………P33 3.2.2 景深與對焦…………………………………P36 3.3 影像擷取 P38 3.3.1 鏡頭…………………………………………P38 3.3.2 影像感測器概述……………………………P40 3.3.3 影像感測器特性……………………………P51 3.3.4 NTSC介紹…………………………………P53 3.4 影像處理理論 P54 3.4.1 色彩空間轉換………………………………P54 3.4.2 影像處理技術………………………………P58 3.5 光學系統成像…………………………………………P63 3.5.1 光源種類……………………………………P63 3.5.2 光源架設……………………………………P65 第四章 磁力控制理論 4.1 磁場迴路理論………………………………………P70 4.2 磁浮傳輸原理………………………………………P72 4.2.1 磁浮力產生方式……………………………P73 4.2.2 磁浮系統介紹………………………………P75 4.3 磁性材料說明………………………………………P81 第五章 內視鏡磁浮影像系統研製成果 5.1 實驗系統現況 P85 5.2 實驗系統模擬 P86 5.3 影像處理流程 P94 5.4 實驗結果討論與比較 P95 第六章 結論與展望 6.1 結論 P100 6.2 未來研究方向 P102 參考文獻 P104 圖 目 錄 圖1.1 內視鏡之演進過程…………………………………………P2 圖2.1 膠囊內視鏡控制系統架構圖………………………………P7 圖2.2 膠囊內視鏡內部結構圖……………………………………P8 圖2.3 主磁場控制膠囊示意圖……………………………………P10 圖2.4 磁力控制平台架構示意圖…………………………………P11 圖2.5 膠囊內視鏡在胃部活動模擬圖……………………………P12 圖2.6 藉由空氣壓力將胃部撐大，以利進行檢查………………P13 圖2.7 膠囊末端受擠壓變形示意圖………………………………P14 圖2.8 MPS2100-006G壓力感測器結構圖………………………P15 圖2.9 MPS1001-006G壓力感測器結構圖………………………P16 圖2.10 影像擷取卡結構圖…………………………………………P17 圖2.11 鏡頭俯仰角控制示意圖……………………………………P18 圖2.12 光二極體動作原理…………………………………………P20 圖2.13 磁場及受測物之旋轉方位控制之控制規劃流程…………P23 圖2.14 影像擷取控制與影像處理之控制規劃流程………………P24 圖2.15 人機介面操控示意圖………………………………………P25 圖2.16 搖桿弁鄐雯苤K……………………………………………P26 圖2.17 影像監控畫面………………………………………………P27 圖2.18 影像存檔畫面………………………………………………P28 圖2.19 搖桿操作監控值……………………………………………P28 圖3.1 動態影像判別架構…………………………………………P30 圖3.2 RS170/330之視訊…………………………………………P31 圖3.3 以個人電腦為基礎之影像處理系統基礎架構圖…………P32 圖3.4 針孔攝影成像示意圖（1）…………………………………P33 圖3.5 針孔攝影成像示意圖（2）…………………………………P34 圖3.6 針孔攝影成像示意圖（3）…………………………………P35 圖3.7 攝影成像示意圖……………………………………………P35 圖3.8 從影像平面上的同一個像素射出兩條光線示意圖（1）…..P36 圖3.9 從影像平面上的同一個像素射出兩條光線示意圖（2）....P36 圖3.10 厚透鏡參數示意圖…………………………………………P37 圖3.11 廣角鏡頭（Wide-Angle Field of View Lens）之結構………P40 圖3.12 感光元件顯像架構…………………………………………P41 圖3.13 MOS電容結構……………………………………………P42 圖3.14 三相CCD架構圖…………………………………………P42 圖3.15 兩閘極間的電荷傳送方式…………………………………P43 圖3.16 CCD陣列動作電荷傳送程序………………………………P44 圖3.17 (a)被動像素感測器架構 (b)主動向素感測器架構………P45 圖3.18 感測元件細部結構圖………………………………………P47 圖3.19 CCD影像感測器整體架構圖………………………………P48 圖3.20 CMOS影像感測器整體架構圖……………………………P49 圖3.21 RGB與CIE座標系轉換關係圖……………………………P54 圖3.22 感光元件內部結構…………………………………………P55 圖3.23 RGB彩色模型立體結構……………………………………P56 圖3.24 YIQ與NTSC之轉換關係……………………………………P57 圖3.25 HSI彩色模型架構…………………………………………...P58 圖3.26 圓形色版與HS circle………………………………………P58 圖3.27 具閥值之直方圖(a)、(b)………………………………….…P59 圖3.28 Laplacian mask………………………………………………P60 圖3.29 顏色分量特徵之分類………………………………………P61 圖3.30 系統動作流程圖……………………………………………P62 圖3.31 直向型背光源………………………………………………P66 圖3.32 擴散型背光源………………………………………………P66 圖3.33 直向型前光源………………………………………………P67 圖3.34 擴散型前光源………………………………………………P67 圖3.35 低角度前光源………………………………………………P68 圖3.36 同軸前光源…………………………………………………P68 圖3.37 環形前光源…………………………………………………P69 圖4.1 磁浮傳輸系統架構…………………………………………P73 圖4.2 混合式磁鐵架構……………………………………………P75 圖4.3 吸力型電磁鐵式磁浮系統架構圖…………………………P76 圖4.4 磁路分析圖…………………………………………………P78 圖4.5 併用永久磁鐵之吸力型電磁鐵式磁浮系統架構…………P79 圖4.6 強力永久磁鐵B－H特性圖…………………………………P80 圖4.7 併用永久磁鐵架構…………………………………………P83 圖5.1 磁浮內視影像系統架構……………………………………P85 圖5.2 影像分割示意圖…………………………………………….P86 圖5.3 影像分割(1)…………………………………………………P87 圖5.4 影像分割(2)…………………………………………………P87 圖5.5 影像分割(3)…………………………………………………P88 圖5.6 YIQ模型轉換(1)……………………………………………P88 圖5.7 YIQ模型轉換(2)……………………………………………P89 圖5.8 二值化分析(1)………………………………………………P90 圖5.9 二值化分析(2)………………………………………………P91 圖5.10 影像邊緣檢測(1)……………………………………………P92 圖5.11 影像邊緣檢測(2)……………………………………………P93 圖5.12 影像處理流程圖……………………………………………P94 圖5.13 磁浮內視診療過程…………………………………………P99 圖6.1 口腔內視鏡俯視示意圖…………………………………...P103 表 目 錄 表3.1 CCD與CMOS影像感測器比較……………………………P50 表3.2 各類光源優缺比較…………………………………………P65 表4.1 常見之磁性符號與轉換關係………………………………P84 表5.1 M2A與磁浮內視鏡特性比較….……………………….…P98 表5.2 傳統電子式內視鏡與磁浮內視鏡特性比較……………….P983450236 bytesapplication/pdfen-US磁浮影像系統內視鏡Maglev Image SystemEndoscopy[SDGs]SDG3thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/53305/1/ntu-93-R91921014-1.pdf