一种用于内镜测量的物像关联因子的建立方法及其在内镜测量中的应用

摘要

一种用于内镜测量的物像关联因子的建立方法及其在内镜测量中的应用，首先，给定至少一个平面参照物，该参照物中至少有一条过中心两端距离相等的直线，量取一条作为基准线，长度记为l；将内镜镜头垂直对准该参照物的中心，并使与内镜连接的电脑屏幕上完整显示出与该参照物对应的畸变后的图形，量取内镜镜头与参照物平面垂直的距离，记为h；量取电脑屏幕上显示的该图形中与参照物基准线对应的畸变中心线长度，记为s；计算物像关联因子参数f，根据物像关联因子表征的物象之间的关系，将由内镜测量显示在电脑屏幕上的病灶的尺寸，直接换算出病灶的实际尺寸。本发明的理论严密、操作方便、结果准确，具有很强的应用价值和潜在商业价值。

说明书

技术领域

本发明涉及内镜测量领域，尤其是一种能消除内镜测量中桶形畸变的测量参数的建立和应用，具体地说是一种用于内镜测量的物像关联因子的建立方法及其在内镜测量中的应用。 

背景技术

随着医学技术的发展，内镜技术已经成为精细检查和微创手术的主要技术。送入人体腔道内的腔镜通过微型摄像头将影像显示在电脑屏幕上，以便在直观下进行检查和治疗，还可用图像处理技术获得病变组织即病灶的图像，它不但能获得组织器官形态学的诊断信息，而且也能对组织器官各种生理机能进行测定。但是，除去价格昂贵的超声内镜与立体内镜之外，普通电子内镜下对于病灶的实际尺寸无法准确测量，目前进行测量的主要手段是目测法、张钳法或器械尺等。现有的目测方法缺乏客观依据，极不可靠；后两种测量手段由于受到内镜广角镜头光学畸变的干扰，亦不准确。现有的测量技术无法满足精确、高效地测量病灶实际发小的要求，不能用图像分析技术实现对病变进行定量分析和定量诊断，不能适应现有医疗技术的需要。然而，内镜下病灶大小的测量，对于内镜报告客观正确的描述、疾病预后的判断、治疗适应症的掌握等，均具有重要实际意义。而这一普通电子内镜下病灶大小的准确测量问题一直悬而未决。 

目前，由于内镜图像的桶形畸变，现有内镜测量的方法均没有很好解决测量误差较大、方法繁琐、成本昂贵等问题。 

发明内容

本发明的目的是针对现有内镜测量方法所存在的测量误差较大、方法繁琐和成本昂贵的问题，提出一种理论严密、操作方便、结果准确，具有很强的应用价值和潜在商业价值的用于内镜测量的物像关联因子的建立方法及其在内镜测量中的应用。 

本发明的技术方案是： 

一种用于内镜测量的物像关联因子的建立方法，它包括以下步骤： 

(a)、给定至少一个平面参照物，该参照物中至少有一条过中心两端距离相等的直线，量取一条过中心两端距离相等的直线作为基准线，长度记为l； 

(b)、将内镜镜头垂直对准该参照物的中心，并使与内镜连接的电脑屏幕上完整显示出与该参照物对应的畸变后的图形，量取内镜镜头与参照物平面垂直的距离，记为h； 

(c)、量取电脑屏幕上显示的该图形中与参照物基准线对应的畸变中心线长度，记为s； 

(d)、计算物像关联因子参数f，该参数f满足下述公式： 

$f=\frac{s}{\arctan \left(\frac{l}{2h}\right)}---\left(1\right).$

本发明的参照物为平面的圆形、正方形或椭圆形。 

本发明中，给定n个不同大小的平面参照物，或者给定一个平面参照物，将内镜镜头垂直对准该参照物的中心，在垂直方向上n次移动镜头，改变内镜镜头与参照物平面垂直的距离，采用权利要求1所述的方法计算相应的n个物像关联因子参数f_n，计算物像关联因子的平均数 

一种用于内镜测量的物像关联因子在内镜上的应用，根据物像关联因子表征的物象之间的关系，将由内镜测量显示在电脑屏幕上的病灶的尺寸，直接换算出病灶的实际尺寸。 

本发明中，采用内镜对病灶进行测量时，调整内镜镜头与病灶平面垂直并使镜头对准要测量的能反映病灶大小的径线中心，量取镜头与病灶的垂直距离，记为H；在内镜连接的电脑屏幕上出现一与病灶对应的畸变后的病灶，量取该畸变病灶图形上相应的径线长度，记为S；根据物像关联因子f，计算病灶径线的长度L，可用于反映病灶的实际大小，采用以下公式计算： 

$L=2H\tan \left(\frac{S}{f}\right)---\left(2\right).$

本发明中，采用内镜对病灶进行测量时，调整内镜镜头与病灶平面垂直并使镜头对准要测量的能反映病灶大小的径线中心，量取镜头与病灶的垂直距离，记为H；在内镜连接的电脑屏幕上出现一与病灶对应的畸变后的病灶，量取该畸变病灶图形上相应的径线长度，记为S；根据物像关联因子的平均数 计算病灶径线的长度L，可用于反映病灶的实际大小，采用以下公式计算： 

本发明的有益效果： 

本发明的理论严密、操作方便、结果准确，具有很强的应用价值和潜在商业价值。

本发明根据几何学原理首次提出内镜测量的物像关联因子，对于不同的内镜系统，可在体外一次性测量获得。基于此因子(f)，给出内镜下病变大小(L)仅依赖于镜头与被测物体垂直距离(H)和物像大小(S)的计算公式，极大地简化了病变大小的内镜测量方法。该方法与虚拟内标内镜测量法相比，不受H需调整在特定距离下的限制，可任意连续变化，这一特点为在实际测量时通过变动H调整到最佳视野下进行测量提供了条件。 

附图说明

图1是本发明的测量结构示意图。 

图2是本发明的参照物示意图。 

图3是本发明的内镜镜头正对参照物平面图中心拍摄后显示在电脑屏幕上的畸变后的图形。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

如图1所示，一种用于内镜测量的物像关联因子的建立方法，测量方法如下： 

1、物像关联因子的获得 

我们发现，标准物距测量与图像显示大小之间在内镜下实施对物体的测量时，在一定条件下，例如镜头参数与电脑屏幕参数固定时，存在一个具有恒定性的物像关联因子(interaction factor，记为f)。该因子可以在体外采用一定的装置测定出来。 

在平面下给定一正方形网格图，每格边长为定长(记为l，可取10mm、20mm、30mm等整数值)的正方形网格作为标准参照物大小，设置内镜镜头与网格平面垂直的距离(记为h)，调整镜头正对居中的正方形的中心，测定在电脑屏幕上与居中的正方形对应的过正方形中心的横径大小(记为s)，见示意图1。 

图2为内镜镜头正对平面正方形格图中心的正方形格原图；图3为拍摄后显示在电脑屏幕上的“桶形畸变”效果图。 

我们推导出物像关联因子的计算公式： 

$f=\frac{s}{\arctan \left(\frac{l}{2h}\right)}\left(1\right)$

该因子系根据几何学原理，在理论上推导出的解析函数表达式。理论上，只需要1次测量即可获得物像关联因子数值，我们称该方法为“单点法”。但考虑到一次测量结果可能不够稳定，我们另外还提出两种方法。可以利用多 次测量分别物像关联因子，然后求其平均值，可称之为“多点平均法”。当然，如果有多次测量数据，可以s作为应变量，h作为自变量，采用SPSS 16.0软件对测量结果按公式(1)进行曲线拟合(nonlinear regression)，设定残差平方和(sum of squared residuals)作为损失函数(loss function)，即可获得该模型参数即物像关联因子的最小二乘估计值，还可利用模型的确定系数R²对模型拟合效果进行评价，该法可称之为“多点拟合法”。 

2、内镜下病变大小的测量 

当获得物像关联因子后，则在内镜下进行测量时，如果获得了镜头与病变的垂直距离(记为H)以及要测量的病变在电脑屏幕上的大小(记为S)，则可以容易得到病变的实际大小(记为L)，用以下公式计算： 

$L=2H\tan \left(\frac{S}{f}\right)---\left(2\right)$

可见，物像关联因子固定后，病变实际大小完全取决于H和S，在任意的H下只要获得病变大小的屏幕显示值S即可得到病变大小的测量结果。 

具体实施时： 

为了验证上面提出的内镜下病变大小测量的新方法，表1列举了体外实际测量的一组数据。实际大小为30mm的正方形，变化镜头与被测正方形平面垂直距离，从20mm开始，每间隔5mm测量一次，共完成7次测量，相应测得电脑屏幕上显示的正方形的横径大小。 

表1镜头与物体平面不同的垂直距离下30mm正方形在屏幕上大小的测量数据 

理论上，如果l、h、s三者均为准确测量，物像关联因子是一恒定值。但真实世界中不可能达到完全准确。表1给出30mm固定物距经7次测量的结果，根据公式(1)计算所得的转换因子在41.02557-43.13621之间，均数±标准差为41.9320±0.82185，可见各单次测量结果间还是有误差的。以镜物距35mm，测量30mm的正方形，其屏幕显示大小为16.8mm，该单次测量算得的物像关联因子为41.49257，将该结果代入公式(2)可求得另外6次测量下原正方形的大小，其相对误差最大为4.6％。如果将前3次测量结果，用多点平均法计算物像关联因子，结果为42.67460，代入公式(2)可求得另外4次测量下原正方形的大小，其相对误差最大为4.1％；用多点拟合法得物像关联因子为42.54102，另4次测量的相对误差最大为3.8％。进一步，如果把7次测量结果，用多点拟合法可算得物像关联因子为42.15650，回代进行内部验证，结果表明，7次测量的原正方形大小估测值上下不超过1mm，其相对误差上下不超过3％。 

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。