帶手柄吻合器頭部的漏針檢測裝置及其檢測方法

2023-07-22 21:14:36 2

專利名稱：：帶手柄吻合器頭部的漏針檢測裝置及其檢測方法
技術領域：
：本發明涉及一種用於檢測吻合器漏針的儀器，尤其是一種基於反射成像原理的帶手柄吻合器漏針在線自動檢測裝置及其檢測方法。
背景技術：
：吻合器推針座外殼是塑質材料製成，針座頭部針槽內有成圓形排列的兩排互相交錯的縫釘，後連接擊發手柄。消化道手術中，握住手柄將縫釘擊發，在組織上擊入的縫釘，並同時以環行刀將其內側的組織切斷，可以很簡便地進行管腔器官的吻合。吻合器縫釘由金屬鈦或鉭製成，縫釘纖細(0.110.13mm)、數量多(至少16個)、釘腿較短極易脫落。若漏釘則可能造成釘合不全，發生吻合口出血、狹窄及腸瘻等併發症，直接影響治療效果，危及患者的生命健康。因此，吻合器漏針檢測成為保障吻合器質量，有效防止滲漏，減低吻合口漏的發生率的關鍵。傳統的人眼檢測，費時費力，且不能保證檢測效果，檢測人員疲勞或精力不集中的情況下容易形成誤判。國外採用X光檢測，雖然結果準確，但X射線輻射會影響檢測人員的身體健康而且檢測成本較高。中國發明專利申請號200510111564.3，2006.06.2公開了一種吻合器漏針檢測系統，它包括計算機、攝像機、光源燈、吻合器定位裝置，攝像機由CMOS圖像傳感器和CMOS攝像頭組成；吻合器定位裝置包括底座，夾具座，夾具，鏡頭架，導軌，升降機構，底座上面設有燕尾立柱導軌，與燕尾導軌相活配的燕尾槽活塊上面安裝有升降機構，升降機構上面設有鏡頭架，底座上面導軌前固定連接有夾具座，夾具座通過燕尾槽與夾具固定連接，夾具下面底座上放置毛玻璃，毛玻璃下面置有光源，固定在鏡頭架上的攝像機鏡頭中心、夾具中心、夾具內的被測工件中心在同一垂直線上。該系統能夠有效地識別漏針的元件，判斷漏針的個數，從準確性和精確性兩方面能保證檢測的有效性，並且具有速度快、結構簡潔的特點。但是該系統不適用於帶手柄吻合器頭部的漏針檢測，其主要存在的技術問題是該系統採用背面光照明系統，透射成像原理無法採集帶手柄吻合器的原始圖像，不能用於帶手柄吻合器的檢測，以及吻合器定位裝置中的夾具無法滿足帶手柄吻合器的夾緊和調節。
發明內容本發明是要提供一種帶手柄吻合器頭部的漏針檢測裝置及其檢測方法，該裝置和方法能夠有效地實現帶手柄吻合器的漏針檢測，識別漏針的元件，判斷漏針的個數，從準確性和精確性兩方面能保證檢測的有效性，並且具有速度快、結構簡潔的特點。本發明的技術方案是一種帶手柄吻合器頭部的漏針檢測裝置，包括計算機，由CMOS圖像傳感器和鏡頭組成的攝像機、光源燈、吻合器定位裝置；吻合器定位裝置由底座，吻合器夾具，光源架，攝像機架，立柱，升降機構組成，攝像機與計算機通過USB2.0通用串行總線接口連接，底座上面固定連接立柱，其特點是光源燈是基於反射成像原理的低角度正面投照的環形光源燈，立柱上面從上至下依次通過升降機構連接安裝有攝像機的攝像機架，安裝有光源燈的光源架，吻合器夾具；其中，攝像機鏡頭中心、環形光源燈中心、夾具中心、吻合器夾具內的被測工件中心在同一垂直線上；吻合器夾具包括滑動板，部件滑動臺、齒條、固定底座、調整輪、鎖緊裝置，固定板，滑動臺上固定安裝滑動板，固定底座上固定安裝固定板，固定板和滑動板的夾緊帶手柄吻合器頭部的凹口向內相對應，部件滑動臺安裝有齒條，側面安裝有調整輪和鎖緊裝置。CMOS圖像傳感器的最高解析度2048*1536，像素尺寸為3.2『3.2，，光學尺寸為1/2inch,信噪比〉42dB，動態範圍〉60dB，敏感度在550nm的光源下為1V/lux-sec。光學鏡頭的焦距為55mm，圖像最大尺寸8.8腿*6.6mm，光圈F2.8-F32C，焦點0.14m-Inf，工作距離140mm_Inf，光學放大率0.5x。光源燈為低角度環形LED光源。光源架為由五個矩形條組成，其中，一條矩形條上面固定有連接杆，二邊對稱可轉動連接一對由二條矩形條組成的連杆，形成在前後左右四個自由度活動，最外側的二個矩形條上設有M4螺孔，通過螺栓與環形燈源配合連接。一種帶手柄吻合器頭部的漏針檢測方法，其特徵在於，具體檢測步驟如下(5)CMOS傳感器採集原始圖像，並在原始圖像中自動提取環形相關興趣區域，運用灰度分割粗略定位相關區域，再利用自動找圓算子和半徑範圍進行擬合，準確的定位所要檢測的環形目標區域；(6)利用目標區域的雙閾值灰度直方圖，完成自動閾值分割，在圓環區域內提取針槽興趣區域，其中採用形態學處理中圓形膨脹模板，圖像會產生一個Minkowski增量，有效去除針槽邊緣反射所產生的噪聲，其表達式如下^5=u{^+6:6e5}(1)其中，A為提取出的高亮度區域，B為結構元素，選擇半徑為R的圓形作為模板，在A的範圍內平移，得到膨脹後的圖像A^B;將膨脹後圖像取反，就能在分離高亮度區域的同時去除噪聲，有效得到僅含有檢測關心的針槽的興趣區域；(7)圖像特徵提取，運用基於模糊集理論的局部閾值分割算法，對興趣區域圖像採用15X15的均值濾波平滑模板進行增強f(m，n)和g(m，n)分別是輸入圖像和輸出圖像，W是在位置(m，n)的像素周圍選擇的適當鄰域，即15X15的濾波窗範圍內的像素點，平滑處理後邊緣階躍較大的特徵針，灰度變化明顯；較為模糊的底座反射平滑效果相對較弱，灰度值改變小；再運用平滑濾波的結果作為模糊運算的軟閾值，根據每個像素屬於具體區域的程度進行局部閾值分割f255,/(x,力2g(x，力+o炎"；1A/(x，力〈gO，力+o炎"；將原圖像f(x,y)於平滑後圖像g(x，y)的差大於Offset的圖像提取出來，其中Offset#0，模板的選擇和Offset的選取具有很大的靈活性，能夠有效提取出各種顏色型號的吻合器縫針；(8)採用最有效的檢測到識別圖像中的面積特徵判斷該針槽是否漏針，將檢測產品分為/eU，II|漏針；有針}兩類；為增加判別的穩定性，先進行膨脹處理，填充分割過程中產生的斷裂，使每個特徵針形成一個整體的連通區域根據每個連通區域面積依次判斷(4)M為面積元，輸出縫針個數，判斷產品是否合格。本發明的有益效果是本裝置由計算機實時控制，CMOS攝像機由軟體驅動控制，通過攝像機初始化及實時顯示模塊觀察吻合器的圖像；對圖像進行增強、形態學腐蝕等處理；針對吻合針區域的特徵，局部閾值分割提取圖像中信息；特徵參數採用合適的識別準則檢測漏針情況，運用數字圖像處理和特徵識別技術，檢測結果可通過顯示器直觀顯示，亦可方便地存儲並能通過印表機輸出報表。由於吻合器夾具採用滑動板，部件滑動臺、齒條、固定底座、調整輪、鎖緊裝置，固定板，滑動臺上固定安裝滑動板，固定底座上固定安裝固定板，固定板和滑動板的夾緊帶手柄吻合器頭部的凹口向內相對應，使得帶手柄吻合器夾緊和調節方便，完全能滿足帶手柄吻合器頭部的漏針檢測的要求，並且具有結構簡單，調節使用方便等特點。在圖像解析度為2048*1536，正常採集速度，選取最佳的曝光條住和增益係數，白平衡調節採用試驗的經驗數值的條件下，對四種型號的200個吻合器進行在線檢測，漏針識別率100%，平均時間2.385s，效果良好。本發明是一套快速、準確的檢測裝置及其檢測方法，可以解決帶手柄吻合器的漏針檢測問題，提高產品合格率和安全性，避免人為的誤判，提高檢測效率，保證產品的質量。因此，具有準確度高、速度快、結構設計簡潔的優點，適合推廣使用。圖1是本發明的結構立體總裝示意圖2夾具立體示意圖3滑動臺內部結構立體示意圖4燈源夾具與燈源裝配示意圖5是系統的工作流程圖6是特徵識別的關鍵技術的示意圖7是系統檢測流程圖。具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步的描述。如圖1所示，基於反射成像原理的帶手柄吻合器頭部的漏針檢測裝置，包括計算機l，攝像機2、光源燈3、吻合器定位裝置4，攝像機2由CMOS圖像傳感器和鏡頭組成。吻合器定位裝置4包括底座5，吻合器夾具6，光源架7，攝像機架8，立柱9，升降機構IO、11、12。底座5上面固定安裝立柱9，立柱9上面從上至下安裝有升降機構10、11、12，升降機構10上面固定安裝有鏡頭架8，升降機構ll上面固定安裝有光源架7，光源架7上固定環形光源燈3，升降機構12上面固定安裝有吻合器夾具6。固定在攝像機架8上的攝像機2鏡頭中心、環形光源燈3中心、吻合器夾具6中心、吻合器夾具6內的被測工件中心在同一垂直線上；攝像機2與計算機1通過USB2.0通用串行總線接口連接。計算機(1)作業系統為WindowsXP+SP2，所用軟體為自行開發的多種數字圖像處理方法和特徵識別軟體。本裝置採用CMOS(互補金屬氧化物半導體，ComplementaryMetal-OxideSemiconductor)感光器件構成的攝像機2採集圖像，自行設計了統一、簡潔的光路和機械裝置，運用多種數字圖像處理方法和特徵識別技術，實現了吻合器漏針在線識別。(1)CMOS圖像傳感器與周邊電路的整合性高，體積較小，電源消耗量較低，傳輸速度可以較快。採用的高解析度數字攝像機2已經完成了ADC、採集卡、控制晶片及電路的整合，體積小，重量輕，攜帶方便，並且和計算機l的接口採用USB2.0通用串行總線接口，傳輸速度高達480Mb/s，適合高速、實時的設計要求。由於被檢元件根據型號不同大小顏色有區別，圓形最大直徑34mm，縫釘0.20.3mm，為提高所攝取圖像的解析度，決定了光學器件的參數。表1所選光學元件的主要參數tableseeoriginaldocumentpage13(2)低角度環形LED光源，高密度的紅色LED陣列排列在傘狀結構中，在照明光源中心區域高度集中的光亮，在光源上加上漫反射圈，可以清晰地顯現吻合器細節，同時傳感器只收集漫反射均勻光線，降低目標物的直接反射，增加對比度，避免全反射造成的圖像過亮，特徵物難以分辨。在25°C室溫，持續以50%亮度照明的情況下，LED光源使用壽命超過30，000小時，照明強度穩定。(3)該機械裝置的設計目的主要為攝像頭和被測元件提供一個穩定良好的工作環境，以便準確定位和圖像的採集。如圖1所示，被測工件中心為工作中心，保證鏡頭中心、光源中心、夾具中心在同一垂直線上，工作平面為工件夾具上緣，利用升降機構10、11、12實現了攝像機、光源、被測工件間工作距離的靈活調節。吻合器的夾具6(如圖2)，由部件滑動臺14、齒條15、固定底座16、調整輪17、鎖緊裝置18，形成一套光學調整架。保證被測工件的中心和被測面是整個機械裝置的工作中心和工作平面。滑動臺14上固定安裝滑動板13，固定底座16上固定安裝固定板19，部件滑動臺14安裝有齒條15,側面安裝有調整輪17和鎖緊裝置18。滑動臺內部結構(如圖3)由20齒輪、21裝配調整條、22鎖緊孔構成。鎖緊裝置，保證檢測工件水平穩定。光源架7(如圖4)為由五個矩形條組成，其中，一條矩形條上面固定有連接杆，二邊對稱可轉動連接一對由二條矩形條組成的連杆，形成在一定範圍內前後左右四個自由度活動。最外側的兩個矩形條上有M4螺孔，可用螺栓與環形燈源配合連接。(4)整個裝置的工作流程(圖5)如下初始化設備；採集圖像至內存(實時和單幀採集、停止、讀取、存儲)；實時參數設置完成反饋；圖像處理和判別；檢測結果(存儲、列印)。系統軟體的運行環境是2G內存、160GB硬碟、2.33GHz主頻的微處理器，作業系統為WindowsXP+SP2中文版，採用VisualC++6.0編制軟體。該系統軟體能夠設置和實時調節攝像頭的多個參數(解析度、圖像窗口、曝光、增益、白平衡、Gamma校正等)，使圖像採集質量達到最佳；從獲得的數字圖像中提取特徵，以此為判據實現高正確率、高精度的漏針檢測，功能完善、運行可靠、界面友好、使用方便。(5)數字圖像處理與特徵識別關鍵技術本發明從計算機視覺的角度提出了一種基於圖像處理和特徵識別技術的吻合器漏針自動檢測的方法(圖7)。具體的算法流程如下(9)在CMOS傳感器採集的原始圖像中自動提取環形相關興趣區域。運用灰度分割粗略定位相關區域，再利用自動找圓算子和半徑範圍進行擬合，準確的定位所要檢測的環形目標區域。(10)利用目標區域的雙閾值灰度直方圖，完成自動閾值分割，在圓環區域內提取針槽興趣區域。採用形態學處理中圓形膨脹模板，圖像會產生一個Minkowski增量，有效去除針槽邊緣反射所產生的噪聲。其表達式如下^e5=u{J+6:6e5}(1)其中，A為提取出的高亮度區域，B為結構元素。選擇半徑為R的圓形作為模板，在A的範圍內平移，得到膨脹後的圖像A十B。將膨脹後圖像取反，就能在分離高亮度區域的同時去除噪聲，有效得到僅含有檢測關心的針槽的興趣區域。(11)圖像特徵提取是軟體系統的核心，特徵識別關鍵技術是提出運用基於模糊集理論的局部閾值分割算法(圖6)。對興趣區域圖像採用15X15的均值濾波平滑模板進行增強g(W，")=I^ZS/(W—^"")，(W)e『(2)f(m，n)和g(m，n)分別是輸入圖像和輸出圖像，W是在位置(m,n)的像素周圍選擇的適當鄰域，即15X15的濾波窗範圍內的像素點。平滑處理後邊緣階躍較大的特徵針，灰度變化明顯；較為模糊的底座反射平滑效果相對較弱，灰度值改變小。再運用平滑濾波的結果作為模糊運算的軟閾值，根據每個像素屬於具體區域的程度進行局部閾值分割formulaseeoriginaldocumentpage15formulaseeoriginaldocumentpage15(3)將原圖像f(x，y)於平滑後圖像g(x，y)的差大於Offset的圖像提取出來。其中Offset#0。模板的選擇和Offset的選取具有很大的靈活性，能夠有效提取出各種顏色型號的吻合器縫針。(12)採用最有效的特徵參數(檢測到識別圖像中的面積特徵)判斷該針槽是否漏針，將檢測產品分為/eU，IIl漏針；有針}兩類。為增加判別的穩定性，先進行膨脹處理，填充分割過程中產生的斷裂，使每個特徵針形成一個整體的連通區域根據每個連通區域面積依次判斷，^=!]2>",力(4)M為面積元，輸出縫針個數，判斷產品是否合格。國外採用X光檢測吻合器漏針的情況，儘管精確度很高，但可能存在輻射洩漏的危險，對操作人員帶來潛在的威脅，而國內企業生產吻合器的過程中則一直延用人工眼睛觀査漏針與否，既費精力又費時間，且不能保證檢測效果。根據實際工作環境，圖像解析度為2048*1536，正常採集速度，選取最佳的曝光條件和增益係數，白平衡調節採用試驗的經驗數值的條件下，對4種型號的200個吻合器進行在線檢測，漏針識別率100%，平均時間2.385s，效果良好。該裝置能夠有效地識別漏針的元件，且可以判斷漏針的個數，從準確性和精確性兩方面能保證了檢測的有效性。解決的帶手柄吻合器成品的非接觸質量檢測問題，提高生產實踐效率，發展了數字圖像處理技術的應用領域，具有準確度高、速度快、結構設計簡潔的優點，適合推廣使用。權利要求1.一種帶手柄吻合器頭部的漏針檢測裝置，包括計算機(1)，由CMOS圖像傳感器和鏡頭組成的攝像機(2)、光源燈(3)、吻合器定位裝置(4)；所述吻合器定位裝置(4)由底座(5)，吻合器夾具(6)，光源架(7)，攝像機架(8)，立柱(9)，升降機構(10、11、12)組成，底座(5)上面固定連接立柱(9)，所述攝像機(2)與計算機(1)通過USB2.0通用串行總線接口連接，其特徵在於，所述光源燈(3)是基於反射成像原理的低角度正面投照的環形光源燈，所述立柱(9)上面從上至下依次通過升降機構(10、11、12)連接安裝有攝像機(2)的攝像機架(8)，安裝有環形光源燈(3)的光源架(7)，吻合器夾具(6)；其中，攝像機(2)鏡頭中心、環形光源燈(3)中心、夾具(6)中心、吻合器夾具(6)內的被測工件中心在同一垂直線上；所述吻合器夾具(6)包括滑動板(13)，部件滑動臺(14)、齒條(15)、固定底座(16)、調整輪(17)、鎖緊裝置(18)，固定板(19)，滑動臺(14)上固定安裝滑動板(13)，固定底座(16)上固定安裝固定板(19)，且固定板(19)和滑動板(13)的夾緊帶手柄吻合器頭部的凹口向內相對應；部件滑動臺(14)安裝有齒條(15)，側面安裝有調整輪(17)和鎖緊裝置(18)。2.根據權利要求1所述的帶手柄吻合器頭部的漏針檢測裝置，其特徵在於，所述CMOS圖像傳感器的最高解析度2048*1536，像素尺寸為3.2/"附*3.2/^，光學尺寸為1/2inch,信噪比〉42dB，動態範圍〉60dB，敏感度在550nm的光源下為1V/Iux-sec。3.根據權利要求1所述的帶手柄吻合器頭部的漏針檢測裝置，其特徵在於，所述光學鏡頭的焦距為55mm，圖像最大尺寸8.8mm*6.6mm，光圈F2.8-F32C，焦點0.14m-Inf，工作距離140訓-Inf，光學放大率O.5x。4.根據權利要求1所述的帶手柄吻合器頭部的漏針檢測裝置，其特徵在於，所述光源燈(3)為低角度環形LED光源。5.根據權利要求1所述的帶手柄吻合器頭部的漏針檢測裝置，其特徵在於，所述光源架(7)為由五個矩形條組成，其中，一條矩形條上面固定有連接杆，二邊對稱可轉動連接一對由二條矩形條組成的連杆，形成在前後左右四個自由度活動，最外側的二個矩形條上設有M4螺孔，通過螺栓與環形燈源配合連接。6.—種帶手柄吻合器頭部的漏針檢測方法，其特徵在於，具體檢測步驟如下(1)CMOS傳感器採集原始圖像，並在原始圖像中自動提取環形相關興趣區域，運用灰度分割粗略定位相關區域，再利用自動找圓算子和半徑範圍進行擬合，準確的定位所要檢測的環形目標區域；(2)利用目標區域的雙閾值灰度直方圖，完成自動閾值分割，在圓環區域內提取針槽興趣區域，其中採用形態學處理中圓形膨脹模板，圖像會產生一個Minkowski增量，有效去除針槽邊緣反射所產生的噪聲，其表達式如下=+(1)其中，A為提取出的高亮度區域，B為結構元素，選擇半徑為R的圓形作為模板，在A的範圍內平移，得到膨脹後的圖像ASB;將膨脹後圖像取反，就能在分離高亮度區域的同時去除噪聲，有效得到僅含有檢測關心的針槽的興趣區域；(3)圖像特徵提取，運用基於模糊集理論的局部閾值分割算法，對興趣區域圖像採用15X15的均值濾波平滑模板進行增強咖，")丄^,("，")，(")e『(2)f(m，n)和g(m，n)分別是輸入圖像和輸出圖像，W是在位置(m,n)的像素周圍選擇的適當鄰域，即15X15的濾波窗範圍內的像素點，平滑處理後邊緣階躍較大的特徵針，灰度變化明顯；較為模糊的底座反射平滑效果相對較弱，灰度值改變小；再運用平滑濾波的結果作為模糊運算的軟閾值，根據每個像素屬於具體區域的程度進行局部閾值分割f255，/(x,力2g(x,力+o炎W;L0，/(x,力〈gO,力+oj^";(3)將原圖像f(x，y)於平滑後圖像g(x，y)的差大於Offset的圖像提取出來，其中Offset#0，模板的選擇和Offset的選取具有很大的靈活性，能夠有效提取出各種顏色型號的吻合器縫針；(4)採用最有效的檢測到識別圖像中的面積特徵判斷該針槽是否漏針，將檢測產品分為/"I，II|漏針；有針}兩類；為增加判別的穩定性，先進行膨脹處理，填充分割過程中產生的斷裂，使每個特徵針形成一個整體的連通區域根據每個連通區域面積依次判斷formulaseeoriginaldocumentpage4(4)M為面積元，輸出縫針個數，判斷產品是否合格,全文摘要本發明涉及一種帶手柄吻合器頭部的漏針檢測裝置及其檢測方法，包括計算機，攝像機、光源燈、吻合器定位裝置，攝像機由CMOS圖像傳感器和鏡頭組成；吻合器定位裝置由底座，吻合器夾具，光源架，攝像機架，立柱，升降機構組成，吻合器夾具包括滑動板，部件滑動臺、齒條、固定底座、調整輪、鎖緊裝置，固定板，滑動臺上固定安裝滑動板，固定底座上固定安裝固定板，部件滑動臺安裝有齒條，側面安裝有調整輪和鎖緊裝置。基於反射成像原理採用低角度環形光正面投照方式檢測。它可以解決帶手柄吻合器的漏針檢測問題，提高產品合格率和安全性，避免人為的誤判，提高檢測效率，保證產品的質量，具有準確度高、速度快、結構設計簡潔的優點，適合推廣使用。文檔編號A61B10/00GK101427912SQ20081020023公開日2009年5月13日申請日期2008年9月23日優先權日2008年9月23日發明者穎周,張敏燕,雪楊,斌葛,謝海明,郭世俊,露韓申請人:上海理工大學