基于自聚焦微透镜的内窥镜诊疗系统设计

目前医用内窥镜主要有三大类, 一类是用微电子器件 (微型CCD) 借助于传统光学的微成像透镜, 将在体内拍摄到的图像, 用电信号的方式传送出来, 这类内窥镜由于受到微型CCD外形尺寸的限制, 整个窥镜的外径难以做到5mm以下, 不能在狭窄的地方使用, 有局限性。另一类是传统硬管内窥镜, 利用传统光学的原理, 用一组棒型微透镜, 将体内的图像传送出来, 用肉眼直接进行观察或用CCD接收到监视器显示。由于用传统方式加工微小 (口径小于1.0mm) 照相透镜或棒型透镜组, 难度非常大, 所以这类内窥镜虽然成本比电子窥镜低, 但由于工作距离不能缩短, 不具备柔性等, 使用也有局限性。第三类就是基于自聚焦微透镜的超细内窥镜, 以自聚焦微透镜做物镜, 用传像光纤或阵列传像束将体内的图像传到体外, 再用显微光学系统将图象传给CCD, 经过图象处理系统变成数字信号后, 在计算机上进行图象显示处理分析和上网传送, 较前两类从技术方面有创造性的突破, 其关键技术如下:

1 自聚焦微透镜技术

在基于自聚焦微透镜的内窥镜诊疗系统中, 自聚焦微透镜性能决定了超细内窥镜镜体的外径尺寸和临床使用时的图像质量, 其制作工艺包括玻璃配料、熔炼、浇注、退火、光学冷加工、磨抛成圆柱棒、拉丝、离子交换、镀膜等过程, 参数离散性大, 造成产品成品率低, 一致性难以保证, 无法保证批量生产的产品质量, 因此提高批量制作的自聚焦透镜光学性能一致性的方法和工艺极为关键。另外利用等离子处理、准分子激光处理等技术在自聚焦纤维镜组件保护体的表面形成微细结构, 开发自聚焦纤维镜组件保护体的表面处理技术, 可以提高内窥镜使用过程中的视场清晰度。自聚焦微透镜又名变折射率透镜, 具有数值孔径大, 可大于0.6, 焦距短、直径小、圆柱形、聚焦光斑小, 成像分辨率高等特点。自聚焦透镜的主要参数为:中心折射率、径向折射率分布常数、周期、外径、长度等, 确保当观察物在标准距离时, 物的像正好落在其后端面上, 并兼顾视场角, 系统景深等, 满足设计要求的工作范围和分辨率, 保证成像效果和质量。

自聚焦透镜与传统光学透镜比较, 它不但具备了普通光学透镜的所有特性, 而且还具备了自己独有的特点:自聚微焦透镜的两个端面是平面, 而不是球面;其它的光学性能与透镜的长度有关。自聚焦透镜可以实现传光、传像器械通道并为一个光学器械通道的设计, 传光光纤均匀排列在传像系统周围, 镜体外径进一步缩小。这些特性特别适合于解决医用软体内窥镜的技术难点——微型化。

2 传光传像束设计技术

2.1 传光束

用作光纤传光束的光纤一般为采用多组份光学玻璃的阶跃型光纤, 其单丝直径约在3μm～30μm之间。光线在光纤中传输机理为当光线由光密介质射入光疏介质的光滑分界面时, 且入射角大于临界角, 则入射光线在两种介质的分界面上就会发生全反射。当光纤的端面与光纤的轴线垂直, 且端面的平面性和垂直性 (即光纤端面垂直度) 良好时, 入射在光纤端面且小于其数值孔径的光线就会在光纤内经多次全反射后又出射端面射出, 光纤的数值孔径表示光纤接收光能的多少。当光纤输入端面入射的为斜平行光束或圆锥状会聚光束时, 在光纤直径均匀且保持直圆柱条件下, 其输出端面出射的将为对称的环状平行光束或圆锥发散光束。

2.2 传像束

高分辨率光纤传像束是一种高科技的光学产品, 为了获得高分辨率, 不失真的图像, 对传像束的光谱吸收、单丝直径、几何排列对应关系要求极为严格, 其功能是将被观察的腔内形态, 经过自聚焦微透镜成像到传像束的前端面 (该端面与自聚焦透镜的后端面紧紧相接) , 该像经传像束传到其后端面。光纤传像束最大的优点就是可以弯曲而不影响传像质量。光纤传像束之所以能传递图像是因为组成传像束的每一根光纤都能传递一个像元, 当传像束的光纤成规则的相关排列时, 输出端面的光纤成一一对应关系时, 输入端面的图像由成千上万根纤细的光纤单元 (像元) 组成的, 投射在传像光纤入射端面上的图像被分解成有序排列的离散的图像单元 (也就是采样) , 并被传像光纤传输到后端面上。就传像束中的单根光纤而言, 其传光特性与传光束中的光纤相同, 除要求有一定的光能透过率, 更要求有良好的光谱透过率和光学绝缘性, 以保证获得优良彩色图像, 使每根光学纤维等独立的传光, 而不受临近其它光学纤维的影响。此外还要求传像束应具有良好的图像分辨率。光纤传像束具有离散抽样成像的特点。因此在评价光纤传像束质量时, 需要做不同的分析。分辨率和MTF从对比度调制的角度反映了光纤传像束的成像质量;数值孔径角, 填充系数和透过率则影响光纤传像束传输光能量的大小, 以及最终的像面亮度;断丝率直接决定在传输窗口中有效像元传输的数量, 以及光纤传像束产品的登记;集团断丝率将会严重损失目标的细节信息, 并将对光纤传像系统像质优化的质量产生严重影响。所以, 通常选择以上几个性能参数来综合评价光纤传像束得传像质量。

传像光纤的像元越细, 其分辨率越高。因此, 应选择单位面积上像元数多的传像光纤。另外, 由于工艺方面的原因, 相邻像元之间存在着一定程度的光线泄漏, 即串像现象, 这会影响传像质量。所以, 要选择串像特性小的传像光纤。

2.3 目镜转接系统

由传像光纤传出的图像, 成像在传像束的后端面上。内窥镜CCD的工作需一个透镜放大成像到CCD的光敏面才能进行光电转换。该透镜要求分辨率高, 像差小。考虑到内窥镜整体像质较好的要求, 需要整体的像差小。而自聚焦透镜产生的是负像差, 因此在目镜转接系统中我们采用正双胶合透镜来纠正自聚焦透镜的负像差, 而且保证自身不会带来更大的像差。考虑到传像束像面上的像由若干个分立的像元构成, 传像束端面的放大倍数不宜过大, 一般不超过20倍。为了使此转接系统的长度适中, 可增加一个平凸透镜, 在保证像质的情况下, 缩短转接系统的距离。CCD的选择主要考虑指标是分辨率和灵敏度, 应选择高分辨率, 高信噪比, 低照度的彩色CCD。

2.4 光源

内窥镜光源按选用发光器件的不同可以分成两大类, 一类以热辐射电光源如卤钨灯为发光器件, 另一类则以气体放电光源如氙灯为发光器件。这两类光源各有自己的优缺点和适用领域, 在工作距离短的医用内窥镜如关节镜尿道镜, 选用物美价廉的卤钨灯冷光源便可以满足使用方面的要求, 而在微创伤外科使用的腹腔镜, 因为其工作距离较长, 应选用光强度较高的金属卤化物或氙灯冷光源。所以内窥镜光源产品在设计生产时, 应考虑到产品临床应用范围。内窥镜光源除了应具有较高的发光效率、适宜的发光强度和不高的照明温度之外, 还应具有良好的显色性。经滤光装置处理过的光线为冷光, 从而可以避免灼伤粘膜, 使镜体可以接近肌肉组织, 并保证安全性将某光源下各色物体的颜色与标准光源下各色物体的颜色相比, 以其相符程度来决定该光源的显色性, 以显色指数来度量, 100为最高。可采用亮度可调节的双卤素灯光源, 以防止灯泡故障而停止手术。

2.5 专用图像处理系统软件

在能清晰观察到体内状况的时候, 将实际的情形纪录并保存, 同时还可形成影像文件, 通过网络传送。所以需要专门开发能够将图像资料转换成数字文件的图像数字处理软件, 实现病例资料图片可视化、系统化、智能化、网络化。软件应具有以下特点: (1) 显示:可在计算机显示器上同步显示动态图像, 记录每一步操作的过程, 控制操作过程实现轨迹再现, 并进行电影回放; (2) 采集:具有高分辨率实时视频, 方便医生计算机中观察手术状况, 可通过鼠标, 键盘, 脚踏开关多种方式的图像采集, 应保证不影响实时图像的流畅性;支持矩形框、椭圆形框、圆弧角矩形框区域采集图像;能够通过调节图像对比度、色温等让图像更适合医生习惯, 可随时采集整个操作过程中的任一幅图像, 并可同时显示采集到的多幅图像; (3) 增强处理:对采集的图像进行水平翻转、垂直翻转、灰度显示, 并可对采集的任一幅图像可进行负片、边界、平滑、清晰化等处理, 方便观察; (4) 缩放处理:可对采集到的任一幅图像的任意大小的区域进行缩放处理, 便于观察; (5) 文字标准:可在采集到的图像上任意部位进行文字标注, 且文字大小可以改变; (6) 测量:可在采集到的图像上直接进行长度、周长、面积的测量; (7) 病人信息管理:可以添加、编辑、删除、单个条件或多条件组合查询病人信息, 并可进行报告统计, 按照日期、检查医师、病人性别等多种因素计算已做过的手术信息, 在对报告编制中可直接导入多种预定义好的报告模板, 医生只需输入最少几个字便可快速完成报告, 同时多条件的组合查询方式方便医务人员统计病情信息; (8) 打印:可根据需要打印采集到的一幅或几幅图像提供数据进行分析、研究; (9) 远程图像传输:通过网络可实现实时远程图像传输。

3 结语

基于自聚焦微透镜的内窥镜诊疗系统设计涉及自聚焦微透镜技术、传光传像束技术、光学接口技术、光源技术、图像处理技术, 可带动内窥镜生产行业整体水平的提升, 镜体柔软可弯曲、管径细, 视角广, 可达到人体更小更细的管腔, 能最大程度地降低病人的痛苦与损伤, 更便于诊断与操作, 代表着新一代内窥镜的发展方向, 是医疗卫生系统内窥镜的新选择。

摘要：内窥镜是医学微创手术的首选设备, 而基于自聚焦微透镜的内窥镜因能达到传统光学及电子内镜无法满足5mm以下管腔微创手术的要求, 又可最大限度减少患者痛苦和手术风险而成为内镜发展的主流趋势。利用0.1mm～3mm的自聚焦微透镜核心技术研制新一代超细内镜诊疗设备系列产品, 其外径0.9mm～8mm, 可作为妇科医生常规检查的新式武器——“看诊器”, 用于阴道、宫腔及输卵管疾病的无创及微创诊疗, 是传统光学宫腔镜的升级换代产品, 并可向血管、胆管、眼科等各种细小管腔疾病的微创诊疗产品延伸。

关键词：自聚焦透镜,内窥镜,诊疗系统,关键技术

参考文献

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[3] 李景艳, 刘德森, 刘刚, 等.医用内窥镜光学系统的应用及发展趋势[D].中国科学院上海冶金研究所材料物理与化学 (专业) 博士论文, 2000.

[4] 李景艳.侧视人工流产内窥镜系统的研制[D].西南大学硕士论文, 2006.