【作 者】余冬，李根池，馮云浩，楊永環(huán)，郝霞麗

河南省醫(yī)療器械檢驗(yàn)所，鄭州市，450003

基于機(jī)器視覺(jué)的氣管插管圓弧半徑測(cè)量方法研究

【作 者】余冬，李根池，馮云浩，楊永環(huán)，郝霞麗

河南省醫(yī)療器械檢驗(yàn)所，鄭州市，450003

對(duì)于圓心角小于30o的圓弧半徑測(cè)量難度大，現(xiàn)有方法測(cè)量效率低、誤差大。通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，研究圖像檢測(cè)方法對(duì)氣管插管圓弧半徑的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果滿意，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圓弧半徑快速、準(zhǔn)確的測(cè)量，拓展了機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用領(lǐng)域。

機(jī)器視覺(jué)；圓弧半徑；醫(yī)療器械；氣管插管；圖像處理；邊緣檢測(cè)

0 引言

醫(yī)療器械種類(lèi)繁多，對(duì)不同種類(lèi)醫(yī)療器械安全和性能的標(biāo)準(zhǔn)要求及檢驗(yàn)方法也各有特點(diǎn)。在醫(yī)用高分子材料及制品中，氣管插管產(chǎn)品的尺寸要求項(xiàng)目特別多，其中圓弧半徑的測(cè)量、角度的測(cè)量手段存在著一定的局限，類(lèi)似的產(chǎn)品還有喉管、各類(lèi)彎曲形狀的醫(yī)療器械。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備難以在精度、效率及自動(dòng)化程度等方面滿足要求。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、柔性好、精度高、速度快、自動(dòng)化和智能化水平高等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)圖像化檢測(cè)，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 問(wèn)題的提出

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0337.1-2002《氣管插管第1部分：常用型插管及接頭》和YY 0337.2—2002《氣管插管第2部分：柯?tīng)枺–ole）型插管》中均對(duì)氣管插管弧度有明確的尺寸要求。目前，對(duì)于圓心角小于180°的圓弧半徑測(cè)量沒(méi)有通用的測(cè)量器具。對(duì)于圓心角小于30°所對(duì)應(yīng)的大半徑小圓弧，準(zhǔn)確測(cè)量圓弧半徑的難度更大。實(shí)際的測(cè)量對(duì)象中，經(jīng)常遇到的圓弧并非正圓，而是近似于圓弧的弧形，或者看作是多段不同半徑圓弧組成的弧形。因此，測(cè)量圓弧半徑的問(wèn)題相當(dāng)于在弧線中找出與弧線最切合的圓的半徑。

通用量具采用三坐標(biāo)測(cè)量法來(lái)測(cè)量圓弧半徑，通常不易測(cè)準(zhǔn)，誤差很大[1]。究其原因，在于被測(cè)圓弧作為整個(gè)圓的一部分，弧度越小，被丟棄的信息越多，從而引起較大的測(cè)量誤差[2]。此外，非正圓的圓弧半徑各段并不等同，又為圓弧半徑的測(cè)量增加了難度。

在實(shí)際檢測(cè)中，常用的方法是通過(guò)描點(diǎn)，找出圓心測(cè)量圓弧半徑。這種方法快捷，但不夠準(zhǔn)確。對(duì)于小弧度大半徑的圓弧半徑測(cè)量，測(cè)量難度會(huì)變大，準(zhǔn)確性也會(huì)變差。對(duì)于這種情況，需要精密的測(cè)量?jī)x器。

工業(yè)測(cè)量立式投影儀是可用于圓弧半徑測(cè)量的精密儀器，通過(guò)投影放大被測(cè)對(duì)象，投影儀屏幕顯示被測(cè)對(duì)象局部放大的精細(xì)輪廓，移動(dòng)投影儀上被測(cè)對(duì)象，在投影儀屏幕上找出圓弧輪廓上的至少3個(gè)點(diǎn)，計(jì)算圓弧半徑，而圓弧半徑的測(cè)量準(zhǔn)確度取決于取點(diǎn)數(shù)的多少和取點(diǎn)位置的精確性。在投影儀上確定圓弧輪廓上的點(diǎn)，需要通過(guò)X軸和Y軸向的兩個(gè)搖桿，移動(dòng)放置工件平臺(tái)的位置，人工操作繁瑣，取點(diǎn)精度由輪廓清晰度和人眼目力確定。

隨著圖像處理技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，以機(jī)器視覺(jué)為手段的檢測(cè)方法逐漸成為一種便捷高效的技術(shù)?；跈C(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的儀器設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、數(shù)字化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多功能化，具備在線檢

測(cè)、實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)控制的能力，在軍事、工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[3]。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在彎曲半徑及弧度、角度等的測(cè)量中，可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、靈活的檢測(cè)。

2 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)及圖像獲取

2.1 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)基本組成部分包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)一般包括光源、光學(xué)鏡頭、相機(jī)和圖像采集卡等構(gòu)成，在此基礎(chǔ)上配以必要的軟件[4]。為獲取氣管插管等產(chǎn)品的圓弧半徑等尺寸信息，設(shè)計(jì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)Fig.1 The machine vision system

CCD攝像頭固定在水平的懸架上，懸架高度可以調(diào)整，CCD攝像頭周?chē)胖肔ED照明光源，正對(duì)CCD攝像頭下方的是樣品放置平臺(tái)，樣品平臺(tái)的背景采用漫反射的白色背景或黑色背景，具有較強(qiáng)的通用性，能夠增強(qiáng)被測(cè)樣品的對(duì)比度，減少干擾信息，獲取質(zhì)量穩(wěn)定的圖像。

攝像機(jī)采用500萬(wàn)像素的CCD，鏡頭為CS 1/3"，最大分辨率為2 592×1 944 dpi。通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)連接，通過(guò)設(shè)計(jì)算法和軟件程序快速計(jì)算出圓弧半徑等參數(shù)信息。

2.2 圖像獲取

對(duì)氣管插管樣品進(jìn)行測(cè)量，在白色背景下獲取實(shí)時(shí)圖像。獲取的氣管插管圖像如圖2所示，可以清晰的顯示出輪廓。

圖2 氣管插管Fig.2 Tracheal intubation

3 圖像分析

圓弧半徑的圖像測(cè)量方法采用“三點(diǎn)坐標(biāo)”法，通過(guò)測(cè)量直角坐標(biāo)系下圓弧的至少3點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)圓的直角坐標(biāo)方程，確定圓心位置及圓弧半徑。

為獲取氣管插管圓弧部分，首先需要準(zhǔn)確找出氣管插管的邊緣，尤其是圓弧部分的邊緣。并在圓弧部分的邊緣上找到若干點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)圓的一般方程推導(dǎo)圓心坐標(biāo)和半徑長(zhǎng)度。

3.1 邊緣檢測(cè)

圖像邊緣檢測(cè)是圖像檢測(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，常被用于圖像分割和特征的提取。邊緣檢測(cè)是所有基于邊界的分割方法的第一步[5]。

邊緣檢測(cè)的精度通常決定著計(jì)算分析過(guò)程最終的成敗。對(duì)于灰度圖像中的一條線可視為一段邊緣線段，該線兩側(cè)的背景灰度要么遠(yuǎn)亮于該線像素的灰度，要么遠(yuǎn)暗于該線像素的灰度[6]。兩個(gè)具有不同灰度值的相鄰區(qū)域之間總存在邊緣。邊緣是灰度值不連續(xù)的結(jié)果，這種不連續(xù)可以通過(guò)求導(dǎo)數(shù)檢測(cè)到，一般常用一階和二階導(dǎo)數(shù)來(lái)檢測(cè)邊緣。

對(duì)比使用Prewitt、Sobel和Canny邊緣檢測(cè)方法，Canny邊緣檢測(cè)方法檢測(cè)的氣管插管圖像邊緣對(duì)于噪聲干擾的抑制效果最好，得到的圖像邊緣較為理想，如圖3所示。

圖3 Canny算法的邊緣檢測(cè)Fig.3 Canny algorithm for edge detection

由圖3可以看出，所檢測(cè)樣品的邊緣輪廓較為清晰，但圖中的其他干擾比較嚴(yán)重，尤其是圖像亮度不足且背景有污漬的時(shí)候，干擾甚至強(qiáng)過(guò)了氣管插管的輪廓。

3.2 圖像預(yù)處理

針對(duì)圖像中的噪聲干擾，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)圖像特點(diǎn)，圖像背景是固定的，氣管插管圖像與背景圖像進(jìn)行減影后，可以去除較大的圖像噪聲干擾，但仍有顆粒狀的圖像噪聲。可以進(jìn)一步采取圖像增強(qiáng)的方式濾除顆粒噪聲。通過(guò)圖像增強(qiáng)后檢測(cè)的圖像邊

緣圖像如圖4所示，已能獲取清晰的邊緣。

圖4 圖像處理后的邊緣檢測(cè)Fig.4 Edge detection by image processing

3.3 特征點(diǎn)獲取

氣管插管的管路輪廓連續(xù)邊緣，是測(cè)量圓弧半徑的依據(jù)。圖像特征點(diǎn)就在管路邊緣上獲取。

首先，確定測(cè)量的圓弧區(qū)域。選擇氣管插管中間彎曲程度最大的區(qū)段。接著，查找最外側(cè)邊緣線。確定外側(cè)邊緣線后，在邊緣線上等距離的獲取若干點(diǎn)的坐標(biāo)位置，計(jì)算圓心位置和圓弧半徑尺寸。

測(cè)量所需特征點(diǎn)數(shù)量至少應(yīng)有3個(gè)點(diǎn)，但僅僅測(cè)量3點(diǎn)位置對(duì)測(cè)量結(jié)果的誤差影響很大[7]。而且，氣管插管的圓弧半徑在圓弧不同位置會(huì)略有不同，增加特征點(diǎn)數(shù)量能夠提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，因此，取15個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.4 圓弧半徑計(jì)算

在直角坐標(biāo)系下，圓方程為(x-a)2+ (y-b)2= R2。在圓弧半徑測(cè)量中，圓心坐標(biāo)為(a, b) , 半徑為R，均為未知量，也是要測(cè)量的參數(shù)。圓方程上的點(diǎn)為已知量，通過(guò)獲取圓上點(diǎn)的坐標(biāo)位置（xn, yn），可以計(jì)算出圓心坐標(biāo)（a, b）和R的值。

圖像中的邊緣點(diǎn)坐標(biāo)為圖像像素坐標(biāo)位置，測(cè)量得到圓心坐標(biāo)也是圖像像素坐標(biāo)位置，測(cè)量得到的半徑值是像素值，需要換算為對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離。圖像背景中心部分的黑框尺寸包括長(zhǎng)、寬和對(duì)角尺寸均已知，作為計(jì)算圖像像素尺寸的依據(jù)。

4 測(cè)量結(jié)果

4.1 圖像測(cè)量結(jié)果

根據(jù)上述方法，對(duì)氣管插管的彎曲半徑進(jìn)行測(cè)量，圖像測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

特征點(diǎn)在紅框區(qū)域內(nèi)選取，圓弧邊緣上共均勻選擇15個(gè)點(diǎn)，將不同組合的3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)代入圓方程公式，計(jì)算圓心坐標(biāo)位置和圓半徑，取平均值。

圖像上管路邊緣的特征點(diǎn)用“紅色星號(hào)”標(biāo)示，計(jì)算出的“圓弧所在圓的輪廓”用“藍(lán)色點(diǎn)劃線”在圖像中標(biāo)示，圓心位置用“藍(lán)色圓點(diǎn)”在圖像中標(biāo)示?？梢钥闯鏊x區(qū)域邊緣所在的圓與氣管插管彎曲部分基本重合，但在氣管插管彎曲部分之外，逐漸分離，說(shuō)明圓弧半徑在不同的位置有所不同。

圖5 圖示測(cè)量結(jié)果Fig.5 Measurement results on image

4.2 測(cè)量結(jié)果分析

測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表1所示。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的測(cè)量值在該產(chǎn)品規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，與其他檢驗(yàn)方法的檢驗(yàn)結(jié)論一致。

為進(jìn)一步分析測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，通過(guò)立式投影儀的三點(diǎn)坐標(biāo)法，取3點(diǎn)對(duì)氣管插管B樣品測(cè)量，將數(shù)據(jù)結(jié)果在表1中進(jìn)行對(duì)比。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果及比較(mm)Tab.1 Measurement data and data comparison(mm)

根據(jù)圖像尺寸和分辨率可以計(jì)算出像素精度為0.05 mm，立式投影儀可讀出的最小位數(shù)為0.001 mm。從結(jié)果對(duì)比看，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的測(cè)量值和立式投影儀測(cè)量值，兩者測(cè)量平均值的差值在2 mm以?xún)?nèi)。若采取高效的亞像素圖像分析方法[8-9]，將相鄰兩像素之間細(xì)分，進(jìn)行亞像素邊緣檢測(cè)，則機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量精度能有大幅提高；兩者測(cè)量結(jié)果與注冊(cè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中要求的120±20 mm相比，完全在接受范圍之內(nèi)。

同機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)相比，立式投影儀的檢測(cè)精度更高，但立式投影儀投影的邊緣輪廓不夠清晰，測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)都需要通過(guò)X軸和Y軸搖桿找到點(diǎn)的位置，選點(diǎn)的過(guò)程人為誤差較大；通過(guò)測(cè)量3個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)所得的測(cè)量結(jié)果僅反映了3點(diǎn)所在區(qū)段內(nèi)的圓弧半徑，容易不穩(wěn)定；若測(cè)量15個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，選點(diǎn)工作量非常大。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的測(cè)量精度取決于CCD分辨率和鏡頭在特定照明效果下所能夠達(dá)到的像素分辨率，測(cè)量過(guò)程由計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)完成，只需選擇特定被測(cè)區(qū)域即可，測(cè)量點(diǎn)數(shù)較多，符合圓弧半徑測(cè)量要求，測(cè)量效率更高。

5 結(jié)論

通過(guò)上述分析，可以看出，基于機(jī)器視覺(jué)的圖像測(cè)量方法可以很好的解決圓弧半徑測(cè)量中的難題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。與傳統(tǒng)的鋼板尺量具檢測(cè)方法相比，檢測(cè)精度與自動(dòng)化程度顯著提高；與立式投影儀相比精度要差，但機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)儀器成本遠(yuǎn)低于立式投影儀，檢測(cè)自動(dòng)化程度更高，并且若進(jìn)一步采取亞像素方法檢測(cè)精度能夠有效提高。與立式投影儀相比，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)也可以用于其他尺寸的檢測(cè)，如氣管插管的管徑尺寸、角度、套囊直徑等一系列尺寸及外觀等要求的測(cè)量，是進(jìn)一步發(fā)揮機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)功能的方向之一。

當(dāng)然，在機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，也存在著一些問(wèn)題。圖像質(zhì)量的穩(wěn)定是測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確與穩(wěn)定的關(guān)鍵，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的照明是檢測(cè)圖像質(zhì)量的重要保障。對(duì)此，還需要進(jìn)一步完善。

總之，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)的圖像測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)圓弧半徑的快速、準(zhǔn)確、非接觸測(cè)量，是機(jī)器視覺(jué)在醫(yī)療器械檢驗(yàn)領(lǐng)域新的應(yīng)用。

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Study on Tracheal Intubation’s Circular Arc Radius Measuring Method Based on Machine Vision

【W(wǎng)riters】YU Dong, LI Genchi, FENG Yunhao, YANG Yonghuan, HAO Xiali
Henan Medical Instrument Testing Institute, Zhengzhou, 450003

It is difficult to measure the circular arc radius for central angle less than 30 degrees. The existing measuring methods are of low efficiency and big error. Through designing the machine vision system and studying the image detecting method for measurement, It is obtained good results by using the new measurement for tracheal intubation’s circular arc radius, Realized a rapid and accurate measurement of the circular arc radius, and expanded the application in the field of machine vision.

machine vision, circular arc radius, medical instruments, tracheal intubation, image processing, edge detection

TP23；TP751

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.03.014

1671-7104(2015)03-0206-03

2014-12-29

余冬，E-mail: ydline@163.com