电子内窥镜图像实时采集与视频显示系统设计与实现

电子内窥镜是继第一代硬式胃镜和第二代光导纤维内镜之后的第三代内窥镜,它主要由内镜(endoscopy)、电视信息系统中心(video information sytem center)和电视监视器(television monitor)三部分组成.它的成像主要依赖于镜身前端装备的微型图像传感器CCD(电荷耦合器件).传统的电子内窥镜是利用电视信息中心装备的光源所发出的光,经内镜内的导光纤维将光导入受检体腔内,CCD接收到体腔内粘膜面反射来的光,将此光信号转换成电信号,再通过电缆将信号输送到电视信息中心,电视信息中心将这些电信号经过贮存和处理,最后传输到电视监视器中,在屏幕上显示出受检脏器的彩色粘膜图像.

　　医用电子内窥镜利用计算机丰富的软硬件资源,可突破传统内窥镜在数据的处理、表达、传送和存储等方面的限制.为了使计算机能得到内窥镜图像,必须利用数字图像采集系统使图像输入计算机.现有的ISA、EISA、和MCA等扩展总线已不能满足数字图像实时数据传输的要求; VL-BUS局部总线只是486微机上的一个经济实用的高性能总线;USB与IEEE1394的规范还有待发展成熟[2],在现有的领域内也尚未普及;PCI总线明确而严格的规范保证了具有良好的兼容性和扩展性,同时再加上PCI严格的时序及灵活的自动配置能力,已使之成为通用的I/O部件标准,将跨越几代平台,是一种具有广泛应用前景的总线[3].

　　在本电子内窥镜系统中采用PCI总线实现了高品质视频图像的实时采集,采集频率达33 MHz,显示图像的帧频达50帧/s,分辨率为800×600.

1　内窥镜实时图像采集系统的硬件设计

1.1　系统的功能和组成

　　本系统以PC机作为数据采集平台,通过PC机的数据总线将采集到的图像数据高速传输到PC机的内存中,配合驱动程序和上层应用程序对图像进行实时显示和存储工作.它具有图像位置精度高、功能扩展灵活、性能价格比较高等特点,对医学诊断具有一定的辅助作用.同时,也为医学信息及图像的远程传输以及动态图像的实时处理奠定了基础.

系统由内窥镜探头的CCD、PCI图像采集卡和计算机组成,如图1所示.其中图像采集卡完成视频图像的采集、暂存和传输的功能;计算机完成对采集工作的控制、图像数据的存储及在显示器上显示的功能.

从结构上看,采集卡的硬件系统由PCI接口控制、高速缓存FIFO、传输控制模块FPGA和配置电路组成,如图2所示.

　　1)PCI接口控制,用来提供外设与PCI总线之间的数据通路.采用AMCC公司推出专用的PCI接口控制芯片S5933实现了PCI接口.S5933如同一个PCI总线的“代理”,它作为采集卡和PCI总线打交道的桥梁,不仅使开发者免于直接面对复杂的总线规范和操作进程,同时提供多种工作模式可让开发者根据具体要求和硬件的实际性能灵活选择[4].本系统采用了S5933的FIFO异步传输方式,将大批量的图像数据由PCI总线传送至计算机内存,进行实时显示,同时形成了可供分析处理的数据文件.