臺灣博碩士論文加值系統

內視鏡在醫療診斷中是個重要的工具，尤其是在觀察彎曲的區域，如消化道需要從口腔緩緩地通過食道抵達胃，或是進行微創手術。切口愈小，愈能減少傷口癒合的時間，降低疼痛和感染的風險。因此內視鏡的直徑在診斷或微創手術都是一個極重要的參數。內視鏡是由照明，成像系統和工作通道組成。如果可以減少照明部分佔有的基底面(footprint)，則可以進一步縮小內視鏡的直徑。目前常規的內視鏡，光源是利用通過纖維束去導引白光LED。若能以單根光纖代替纖維束，可以將照明所佔內視鏡40%的面積大大的降低。然而，LED光源是非同調性的。通過單根光纖耦合將導致無法忍受的功率損失。利用雷射照明由於其高方向性和高同調性，能夠透過單根光纖得到足夠的光強度。
在本研究中，我們成功地利用單根光纖耦合RGB雷射的照明。同時，克服這個架設中存在的一些來自於雷射光源的準直性和同調性的挑戰，包括小的照明角度，光斑和照明均勻性。我們透過不同材料性質的光纖還有加工光纖的尖端，以及機械應力來解決這些問題。使用軟體去同步雷射和相機訊號，重建成彩色影像及影片，還能以不同模式來產生對比影像。當雷射照明的品質與標準光源相似時，單根光纖照明就能有效縮小目前內視鏡中佔有40%的照明系統，達成此實驗之縮小內視鏡直徑的目標。

Endoscope is a powerful tool for medical diagnosis and procedures, particularly in observing small curved tracts and conducting minimally invasive surgery (MIS). In MIS, small incisions reduce the time of wound healing, associated pain, and the risk of infection, whose size depends critically on the diameter of an endoscope. An endoscope is consisted of illumination, video imaging, and (additional) working channels. If the footprint of illumination can be reduced, further reduction on the diameter of endoscope can be made. Currently conventional endoscope light sources include white light LED guided through fiber bundles. By replacing fiber bundles with a single fiber, the footprint of illumination can be greatly reduced. However, LED light is non-coherent. Coupling through a single fiber would result in intolerable loss in power. For comparison, laser lighting, for its coherence, would enable sufficient light transmission through a single fiber.
In this work, we have successfully implemented RGB laser based illumination through a single fiber coupling. There are, however, challenges in such a configuration, including small illumination angle, speckle, and the illumination uniformity. These issues are addressed by modifying the distal end of the fiber and introducing mechanical vibration. We also use software to control lasers and camera signals synchronously for reconstructing video. After illumination quality of novel light source is similar to standard light source, we achieve the goal for shrinking the footprint of endoscope illumination.

摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
圖目錄 v
表目錄 vii
第一章 緒論 1
第一節 前言 1
第二節 論文結構 3
第二章 理論基礎與工作原理 4
第一節 白光雷射 4
壹、雷射工作原理 4
貳、紅綠藍雷射模組 6
第二節 光纖傳輸原理 8
壹、全反射 8
貳、數值孔徑 9
第三節 內視鏡對比影像原理 11
壹、NBI影像 11
貳、FICE影像 13
第四節 照明度量與定義 14
壹、光強度(Luminous intensity) 15
貳、光通量(Luminous Flux) 15
參、照度(Illumination) 15
肆、亮度(Luminance) 16
伍、色溫(Color temperature) 16
陸、光源發光效率(Luminous efficiency) 17
柒、演色性 17
捌、光束角 17
第五節、CIE1931 色度座標圖 19
第六節、提高對比演算法 21
壹、 Imadjust 21
貳、 Histogram equalization 21
第三章 實驗方法與材料 22
第一節 光源系統硬體架設 22
第二節 光源控制及影像系統 23
第三節 光纖特色與製備 24
第四節 光束角的測量 25
第五節 樣品製作與來源 26
第四章 實驗討論與結果 27
第一節 RGB雷射光纖照明之效果 27
壹、 消除光斑 27
貳、 光束角的測量 28
參、 顏色還原能力 29
肆、 動物實驗 30
第二節 對比影像 31
第五章 結論與未來工作 33
第一節、結論 33
第二節、未來展望 35
第六章 參考資料 37

圖目錄
圖2- 1 受激輻射示意圖 4
圖2- 2 居量反轉示意圖 5
圖2- 3 雷射結構示意圖 5
圖2- 4 (A) 光的三原色 (B) 三單色光在CIE1931座標所圍成之三角形圖形 6
圖2- 5 (A) 光在介面上的反射與折射路徑 (B) 光的臨界角 9
圖2- 6 光在光纖內的行徑示意圖 9
圖2- 7 血紅素的吸收光譜和組織的散射光譜，藍光和綠光對應吸收光譜的位置 11
圖2- 8 Olympus外加NBI濾片後，色光的示意圖 12
圖2- 9 人類舌頭的影像 (A) 白光影像 (B) 窄頻影像 12
圖2- 10 FICE的成像原理流程圖 13
圖2- 11 食道胃結合處的影像 (A)白光影像 (B)FICE影像 13
圖2- 12 視見函數 14
圖2- 13 色溫與光色關係圖 16
圖2- 14 光束角狹小示意圖 18
圖2- 15 三種錐狀細胞的感光光譜 19
圖2- 16 配色函數圖 19
圖2- 17 CIE1931圖 20
圖3- 1 照明和操作系統架構圖 22
圖3- 2光斑影像 (A)震盪前 (B)震盪後 22
圖3- 3 雷射輸出強度的占控比 23
圖3- 4 黑白CMOS，色光與影像擷取同步 23
圖3- 5 黑白CMOS組合彩色影像的方式 23
圖3- 6 光纖熔燒機進行熔燒前後的影像 24
圖3- 7 光束角的測量方法 25
圖3- 8 Munsell Color Checker 26
圖4- 1 上方：光斑震盪前後的影像 下方：白色中央線的強度分布圖 27
圖4- 2 LED燈和三種光纖的光束角 28
圖4- 3 各光源對色卡的顏色還原能力 29
圖4- 4 小鼠心臟在不同光源架設的影像 30
圖4- 5 (A)原圖和R、G、B的H (B)Imadjust的重建圖和R、G、B的直方圖(C)Histeq的重建圖和R、G、B的直方圖(D)Adaphisteq的重建圖和R、G、B的直方圖 31
圖4- 6 將GBB資訊填入RGB矩陣的對比影像 32
圖4- 7 老鼠心臟的對比影像 32

表目錄
表2- 1 市售燈泡規格資料 14
表2- 2 常見照明設備的演色性 17
表2- 3 累積分布函數轉換的例子 21
表3- 1 光纖的比較 24

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[18]照明設計(2009)，全華科技圖書
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[20]發光效率，經濟部標準檢驗局