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医疗成像技术正在不断变革和进步，目的旨在实现早

期诊断、预防和提高患者舒适性。 超声波、数字 x 射线和

磁共振成像 (MRI) 等等医疗成像模式都具有复杂的处理和

性能要求。然而通过开发创新途径来提高集成度、降低噪

声和降低功耗，则新的光电子组件使得高性能医疗成像更

加灵活、实惠和方便。

当今完善的医疗应用终端设备解决方案中用微控制

器、高速放大器与个人医疗设备的高分辨率成像技术在医

疗成像产品领域积累了专门技术。它包括 DLP 3D 生物辨

识、DLP 高光谱影像、DLP 光谱分析、内窥镜、MRI（磁

共振成像）、X 射线数字化成像、超声波系统及便携式超声

波系统。其中 DLP 3D 生物辨识已成为一种医疗监控系统。

与此同时，伴随数字光处理器发展则新型正电子放射层析

成像 (PET) 扫描仪 & 手指静脉医疗成像技术也应运而生。

值此本文将对基于 DLP 技术的医疗成像系统的应用与 DLP

3D 生物辨识作为医疗监控系统的应用特征及其正电子放射

层析成像 (PET) 扫描仪的构建应用作分析说明。

1 首先应对 DLP 理念作说明

DLP(Digital Light Processing) 数字光处理器。也就是

说这种技术要先把影像信号经过数字处理，然后再把光投

影出来。 说得具体点，就是 DLP 投影技术应用了数字微

镜晶片 (DMD-Digital Micromirror Device) 来作为主要关键

元件以实现数字光学处理过程。它是基于 TI 数字微镜元件

(DMD) 来完成可视数字信息显示的技术，其原理是将灯光

发射出的光源通过冷凝透镜，将光均匀化，然后通过一个

色轮 (Color Wheel)，将光分成 RGB 三色（或者更多色），

再将色彩由透镜投射在 DMD 上，最后经过投影镜头投影

成像。

每一个 DLP 芯片组的核心都有一个高反射铝微镜阵

列，即数字微镜器件 (DMD)。DMD 是一种电子输入、光

学输出的微机电系统 (MEMS)，开发人员可借助该系统执

行高速、高效及可靠的空间光调制。

1.1 成像的形成

光源通过色轮后折射在 DMD 芯片上，DMD 芯片在接

受到控制板的控制信号后将光线发射到投影屏幕上。DMD

芯片外观看起来只是一小片镜子，被封装在金属与玻璃组

成的密闭空间内，事实上，这面镜子是由数十万乃至上

百万个微镜所组成的。以 XGA 解析度的 DMD 芯片为例，

基于数字光处理器技术的医疗成像系统及其应用

Medical imaging system based on digital light processor technology and its application

鲁思慧

摘 要 ：本文将对基于数字光处理器 (DLP) 技术的医疗成像系统的应用与 DLP 3D 生物辨识作为医疗监控系统的应用特

征及其正电子放射层析成像 (PET) 扫描仪的构建应用作分析说明。

关键词 ：数字光处理器，数字微镜晶，医疗成像，3D 测量

Abstract: this paper will be based on digital light processor (DLP) technology in the application of medical

imaging system and the 3 d DLP biometric for medical monitoring system application characteristics

and positron emission tomography (PET) scanner construction analysis of the application.

Keywords: DLP, Digital Micromirror Device, dmedical imaging, 3D measurement

中图分类号：TN65 文献标识码：A 文章编号：1606-7517(2014)11-5-145

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在宽 1cm，长 1.4cm 的面积里有 1024×768=786432 个微镜

单元，每一个微镜代表一个像素，图像就由这些像素所构成。

由于像素与芯片本身都相当微小，因此业界也称这些采用

微型显示装置的产品为微显示器。

1.2 DLP 的工作运行

DMD 器件是 DLP 的基础，一个 DMD 可被简单描述

成为一个半导体光开关，50~130 万个微镜片聚集在 CMOS

硅基片上。一片微镜片表示一个象素，变换速率为 1000

次 / 秒，或更快。每一镜片的尺寸为 14μm×14μm（或

16μm×16μm），为便于调节其方向与角度，在其下方均

设有类似铰链作用的转动装置。简而言之，DMD 的工作

原理就是借助微镜装置反射需要的光，同时通过光吸收器

吸收不需要的光来实现影像的投影，而其光照方向则是借

助静电作用，通过控制微镜片角度来实现的。

在运行期间，DMD 控制器为每个基本存储单元加载

一个“1”或一个“0”。接下来会施加镜像复位脉冲，这

会引起每个微镜静电偏离大约一个铰链，从而达到相应的

+/- 12°状态。由于会受到两个弹簧顶针的阻力而物理停

止，这两个有效状态的偏离角度是可重复的。在投影系统

中，+12°状态对应“开”像素，-12°状态对应“关”像素。

通过对每个镜片的开 / 关占空比进行编程来创建灰度图形，

并且可以多路复用多个光源以创建 RGB 全彩图像。在其他

应用中，+/- 12°状态为两个通用输出端口提供一个图形

及其反向图形。

1.3 DMD 成像的优势

DMD 可以提供 1670 万种颜色和 256 段灰度层次，从

而确保 DLP 投影机可投影的活动影像画面色彩艳丽细腻、

自然逼真。与传统投影机相比，DLP 投影机将更多的光线

打到屏幕上，这也有赖于 DLP 本身的技术特点。它的生命

期超过 10 万个小时 ；更便利的可移动性， 根据一般应用需

求来看，一个单片 DMD 就可以实现大小、重量和亮度的

统一。目前，大部分的家用或商用 DLP 投影机都采用了单

片结构，而更高级的三片结构一般只应用在数字影院或高

端领域。因此，用户可以得到一个更小、更亮、更易于携

带而且足以提供出色图像质量的系统。DLP 技术是全数字

底层结构，具有最少的信号噪音。

1.4 DLP 系统的分类与技术特点

单片 DLP 系统 ；双片 DLP 系统 ；三片 DLP 系统 另外

一种方法是将白光通过棱镜系统分成三原色。这种方法使

用三个 DMD，一个 DMD 对应于一种原色。应用三片 DLP

投影系统的主要原因是为了增加亮度。DLP 显示板的优点

是它们有极快的响应时间。可以在显示一帧图像时将独立

的像素开关很多次。它使利用一块显示板通过逐场过滤方

式产生真彩图像。

DLP 技术是一种独创的、采用光学半导体产生数字

式多光源显示的解决方案。DLP 技术已被广泛用于满足各

种追求视觉图像优异质量的需求。到目前为止，DLP 和

LCoS （硅基液晶）技术是微型投影仪架构中较为先进的技

术。作为一种成熟的技术，DLP 能够以中等的价位提供

HVGA （480×320 像素）的分辨率。但是这种技术的耗电

量也是最大的，系统级功耗达 3.5W。DLP 针对每个像素

使用独立的微镜，因此更高的分辨率需要体积更大、耗电

量更多的投影仪 ( 即需要更大的微镜设备 )。DLP 技术还是

市场上的多功能显示技术，它是唯一能够同时支持世界上

最小的投影机（低于 2-lbs）和最大的电影屏幕（高达 75

英尺）的显示技术。这一技术能够使图像达到极高的保真度，

给出清晰、明亮、色彩逼真的画面。

据此，DLP 技术在医疗与工业等领域获得广泛应用，

同时由此从 DLP 技术可拓宽与深化出 DLP 3D 生物辨识的

与 DLP 光谱分析等新系统。在此仅对 DLP 技术的在医疗

领域上的应用与 DLP 3D 生物辨识作为医疗监控系统的构

建及应用特征作重点分析。

2 DLP 技术在医疗领域上的应用

DLP 技术发展，也在不断扩大其应用领域，更是开始

向医疗电子领域进军。医疗方面的便携式电子产品经过采

用 DLP 技术后能帮助医疗人员更方便的实现相关操作，以

便在进行相关操作的过程中减少患者的痛苦或节约时间。

而血管成像、牙科扫描等应用都是 DLP 技术在医疗应用领

域的典例。

2.1 血管成像

血管成像是基于数字光处理器的空间光调制器 (SLM)

开发工作平台的应用案例之一。该装置是通过近红外光照

射，使得病人静脉血液将光吸收并反射出去，最终利用红

外传感器找到静脉位置并以 DLP 投影到皮肤上。这样静脉

就能够清晰的显示出来，医护人员不用再费力寻找静脉血

管，患者也不必忍受重复扎针的痛楚，也让护士扎针免去

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了有难之感。正因为血管成像解决方案为医生提供更加的

便捷和应用，也使得多家医疗设备厂商关注这项技术。

2.2 牙科扫描

利用 DLP 的 3D 测量技术，把笔式装置放到口腔里面

扫描口腔、测量出牙齿的 3D 影像（见图 1 所示牙科扫描

示意图）。然后根据这个 3D 影像，就可以在电脑里形成牙

套的形状，从而省掉石膏建模的过程。相比而言，这种采

用 DLP 技术的牙科扫描可以使医生摒弃传统的石膏建模方

式，能够快速在电脑里得到牙套的精确形状。

3 DLP 3D 生物辨识可成为医疗监控系统

由于 DLP 3D 技术的独有特点，所以基于 DLP 3D 技

术的 生物辨识系统被广泛用于医疗领城，即可成为医疗监

控系统。

由于信息技术在在医疗领域的运用，则减轻了医务工

作者的工作强度，提高了医疗水平，减少了患者的负担与

痛苦。而 DLP 3D 生物辨识带来了一系列的新的医疗模式，

如同计算出各项体征信息（包括体温、血压、脉搏、心率）

类同，可组成体征采集子模块，完成信息采集，通过无线

传输技术（或 WIFI 技术或 GPRS/GSM 无线模块），将接收

到体征信息的发展，并准确地送往上位监控机，并可在基

于 FPGA 的上位监控机接收到信息，然后进行分析处理及

控制。应该说，它又给人们的个人保健带来了极大的便利。

在此就基于 DMD 芯片简化的 DLP 3D 生物辨识系统作说明。

3.1 DLP 3D 生物辨识方案的构建

DLP® 技术通过应用 DMD（数字微镜器件）作为空间

光线调节器，可简化 3D 测量。从而构建成 DLP 3D 生物

辨识系统，即医疗监控系统，从图 2 所示的 DLP 3D 生物

辨识系统的框图可知。

3.2 DLP 3D 生物辨识系统解析

在图 2 中可看出， DMD 实现了高质量、快速和灵活的

主题现场顺序成像形式的照明。通常 LED 照明（见图 2 中图 1 DLP 技术可应用是牙科扫描示意图

图 2 DLP 3D 生物辨识系统框图

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间示意）可用于对近红外光谱 (NIR) 波长可见的范围内提

供单色或多色、高亮度照明，则需要同步摄像机充足的分

辨率、敏感度和捕捉帧速率才能以完成 3D 测量循环。如

今 DMD 控制器提供同步输出以触发摄像机快门，用于按

顺序捕捉每种图像样式。其摄像机镜头的分辨率应该与

DMD 分辨率相当，以实现 x、y 和 z（深度）各尺寸最好

的测量质量（见图 2 下端手掌示意）。投影样式和摄像机成

像区域都应密切匹配。

3D 测量取决于几何三角原理。这要求在图像透镜和

摄像机透镜之间具有一定数量的基线偏移，两个透镜都针

对主题区域。应该提供透镜和摄像机光学器件的安全定位，

以建立和维护测量校准。

选定的测量算法可决定使用图像的类型和数量。类型

可以是二进制或“灰度”。主要是粗到细的图像分析。测量

算法与使用的样式类型及数量会影响测量的速度与分辨率

和准确度。测量算法的软件实施是在 PC 或嵌入式处理器上

执行。测量算法的输出可有多个种类。示例之一是颜色变

换深度（景深）（见图 2 下端手掌示意）。另一个由 3D 测量

作可视化程序处理，例如 Mesh Lab，mesh 指每英寸分成的

等分大小，其含义是 3D 测量大小为每英寸分成的等分大小，

而 Lab 色彩模型是由照度 L 和有关色彩的 a，b 三个要素组

成，L 表示亮度，a 表示从洋红色至绿色的范围，b 表示从

黄色至蓝色的范围。在测量期间，主题科目必须保持固定

（静态）以便避免模糊、带条纹和测量错误。如今新型的评

估模块 DLP® LightCrafter ™ 4500，是一个全新的光控制解决

方案，具有高分辨率和高亮度，可适用在医疗等应用领域。

而 DLP 芯片组是具有高效能的芯片解决方案，又可适用于

3D 测量感应、数字曝光、波长控制和智能照明等应用。

4 新型正电子放射层析成像 (PET) 扫描仪的构

建与应用

4.1 方案设计思想

正电子放射层析成像是一种非侵入性的诊断技术。

PET 扫描可利用人体的放射性辐射（此类辐射源于由患者

所吞服的放射性化学元素）以产生人体器官或组织的生理

图像，如对癌细胞的生长情况的鉴别便是其应用实例之一。

其新型 PET 构建方案框图见图 3 所示。

从图 3 可看出，放射性辐射将通过闪烁晶体检测器转

换为光信号，并经由光电倍增管 (PMT) 进行放大并转换为

输出电流。PMT 的电流输出随后被转换为电压，在经过放

大器及滤波之后由模数转换器 (ADC) 转换为数字信号。对

于接收通道的检测器信号处理以及控制功能而言，信号处

理是必需的。DSP、微控制器及数模转换器 (DAC) 在该应

用中实现多种功能，例如改变输入放大器增益、控制 PMT

的高电压电源以及检测器环状装配部件和通过电机驱动以

控制患者进入 / 退出等多种功能。

DSP 可用于 PET 扫描仪控制及信号处理单元。滤波反

投影算法则可用于图像重构（当今也有诸多的迭代法已被

用于 PET 图像重构），如欲校正各种人为干扰 ( 例如衰减

改变、检测器几何结构和效率改变等 )，则有可能需要额外

的信号预调节功能。图像重构后再经过图像处理后在 LCD

显示器上呈现出生理图像。

4.2 通过产品组合构建实现新型 PET 扫描仪

通过放大器、电源管理产品和其他模拟器件将用于将

放射性辐射转换为光，以及图像的重构和校正。

用 TMS320C6455 等数字信号处理器 (DSP) 能够改变

图 3 新型 PET 构建方案框图

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输入放大器增益，控制光电倍增管 (PMT) 的高电压电源以

及检测器环状装配部件和通过电机驱动以控制患者进入 /

退出。另外，DSP 还适用于 PET 扫描仪控制和信号处理单元。

针对 PET 功能模块提供创新型 IC 有 ：带串行化 LVDS

接囗的 8 通道、超低功耗、12/10 位、50 至 65MSPS 的模

数转换器 (ADC)ADS5281 型 ；增益调节范围大于 40dB 的

宽带增益放大器 VCA821 型 ；16 位乘法转换器、0.5μs 转

换时间、-105dB 总谐波失真、相对 AC 的精度为 1LSB（最

小有效位）的数模转换器 DAC88141 型。