Оптическая система эндоскопа

Оптическая система эндоскопа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к оптическим системам эндоскопических приборов, предназначенным для наблюдения узких биологических каналов и труднодоступных полостей тела человека, а также для диагностики объектов техники.

Известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ, ОПТОВОЛОКОННОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ БИОТКАНИ IN VIVO [патент РФ №2148378, А61В 6/08, G01B 9/02, G02B 26/10], используемое для диагностики поверхностей полостей и внутренних органов человека in vivo, а также для технической диагностики труднодоступных полостей объектов техники. Решение поставленных задач обеспечивается использованием миниатюрного оптоволоконного зонда, выполненного с возможностью размещения его в дистальном конце инструментального канала эндоскопа, торакоскопа, бронхоскопа, лапароскопа и другого диагностического комплекса, имеющего специальный световод для исследования труднодоступных областей. Часть измерительного плеча оптоволоконного интерферометра может быть гибкая с возможностью введения ее в полости внутренних органов человека in vivo и в труднодоступные полости объектов техники также для технической диагностики. Оптоволоконное сканирующее устройство содержит стационарную и подвижную части. Диагностику проводят по состоянию внешнего вида внутренних органов. Использование для реализации способа оптоволоконного световода позволяет диагностировать состояние внутренних органов пациента путем размещения оптоволоконного световода в инструментальном канале диагностического комплекса, например эндоскопа.

Устройство работает следующим образом. Световод вводится в исследуемую полость, например желудок. Световод разделен как минимум на два канала. Один используется для освещения. Второй для передачи изображения поверхности исследуемого органа. Изображение выводится на плоский телевизионный экран или экран телепроектора. Полученное изображение на плоском экране и рассматривается как плоское, двухмерное. Используя его, достаточно легко определить координаты рассматриваемой точки по оси X и по оси Y, но сложно определить координату глубины Z. Считается, что с целью получения эффекта наблюдения объемного изображения (или обеспечения высокого пространственного разрешения по глубине) возможно использовать низкокогерентное оптическое излучение. Тогда двухмерное изображение на плоских экранах видим как объемное (с возможностью оценивания координаты Z, отличной от координаты Z плоскости экрана).

Такой подход снижает область возможного применения изобретения и ограничивает возможности диагностического комплекса, что является недостатком данного изобретения.

Известен РЕНТГЕНО-ОПТИЧЕСКИЙ ЭНДОСКОП [заявка №98105263/28, G01N 23/223] для комплексного рентгеновского и визуального контроля объектов, находящихся в труднодоступных полостях, содержащий объединенные конструктивно в едином корпусе и оптически сопряженные волоконно-оптические каналы формирования, передачи и воспроизведения одновременно и/или последовательно рентгеновского и визуального изображения визуализируемых с помощью единой черно-белой телевизионной системы. Для обеспечения максимальной информационной емкости рентгеновского и оптического изображений каждое из них вписывается полностью в растр ПЗС-матрицы с помощью поликоллиматорной оптической системы с телецентрическим ходом лучей между элементами, таким образом, чтобы фокусные расстояния этих элементов отвечали условиям f₁/f₂=d/A и f₂/f₃=d/A, где f₁, f₂ - фокусные расстояния выходных объективов рентгеновского и соответственно оптического каналов, f₃ - фокусное расстояние объектива перед РЗС-матрицей, d и А - размеры выходных торцов регулярного жгута визуального канала и волоконно-оптической шайбы УЯИ рентгеновского канала соответственно. При использовании телевизионной системы, выполненной на базе цветной ПЗС-матрицы и цветного монитора, имеется возможность контроля объекта по визуальному каналу в естественных цветах и/или спектрозональным методом, например, для спектрального контрастирования дефектов типа налетов, наплывов и т.п.

Устройство работает следующим образом. Наблюдателю подается рентгеновское изображение отдельного участка и оптическое изображение этого же участка. Изучая два изображения, полученных в разных спектрах, наблюдатель изучает исследуемый орган.

Недостатком данного устройства является сложность совмещения двух изображений одного и того же участка.

Известен ПАНОРАМНЫЙ СВЕТОВОЛОКОННЫЙ ЭНДОСКОП [патент РФ №2116044, А61В 1/00], предназначенный для диагностики и лечения трубовидных органов и полостей с возможностью регулируемого малодискретного панорамного просмотра участков для выявления патологий и оценки размеров и взаимного расположения выявленных участков. Эндоскоп содержит коаксиально размещенный внутри первого корпуса с возможностью вращательного движения второй гибкий трубчатый корпус. Внутри второго корпуса закреплены световолоконный жгут и диск дискретного поворота с дополнительным сквозным отверстием, закрепленный на наружной поверхности второго корпуса со стороны его проксимального конца. Микрометрический винт азимутального сканирования жестко установлен на наружной поверхности первого корпуса со стороны проксимального конца. На первой микрометрической гайке с лимбом и пальцем, пропущенным через дополнительное сквозное отверстие диска дискретного поворота, нанесен накат для ручного относительного поворота второго корпуса. На торце второго корпуса со стороны дистального конца закреплены диаметрально расположенные друг относительно друга кронштейны с подшипниками. В подшипниках установлена ось с закрепленным на ней отражательным зеркалом. Свободные концы кронштейнов пропущены в сквозные отверстия микрометрического винта сканирования по углу места, который установлен во второй микрометрической гайке. Гайка закреплена на внутренней поверхности передней части обтекателя, установленного на дистальном конце первого корпуса. Внутри прозрачного обтекателя установлено отражательное зеркало, оптически состыкованное с формирующим объективом и световолоконным жгутом. Отражательное зеркало шарнирно связано с одним концом шатуна, другой конец которого шарнирно связан с микрометрическим винтом сканирования по углу места. В первом корпусе со стороны проксимального конца под углом сорок пять градусов к оси световолоконного жгута установлено светоделительное зеркало, напротив которого установлен источник света, а с другой стороны - трансформирующий объектив. Такая конструкция эндоскопа позволяет обеспечить пространственную привязку внутреннего органа к общей панораме изображения, которое складывается из набора состыкованных друг с другом отдельных панорам внутренней поверхности органа, что позволяет расширить панорамный просмотр участков для выявления патологий и оценки размеров взаимного расположения выявленных участков.

Система работает следующим образом. Для улучшения изображения стандартная оптическая система, используемая в эндоскопии и в аналогичных комплексах, заменяется на предлагаемую, что улучшает качество изображения. При необходимости, подведя к оптической системе телекамеру, имеется возможность записать видеоизображение и анализировать его, выводя на двухмерный телевизионный экран.

Недостатком данной системы является отсутствие возможности наблюдать объемную модель исследуемого органа.

Известна ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭНДОСКОПА [заявка №96116500, А61В 1/00, А61В 1/055], наиболее близкая к предлагаемому изобретению (прототип).

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к оптическим системам эндоскопических приборов, предназначенных для наблюдения узких биологических каналов и труднодоступных полостей тела человека. Оптическая система эндоскопа содержит объектив, выполненный из двух плосковыпуклых компонентов, систему передачи изображения и окуляр. Выпуклые поверхности компонентов установлены навстречу друг другу. Первый компонент объектива выполнен склеенным из плоскопараллельной пластины и плосковыпуклой линзы. Вторым компонентом объектива является линза, плоской поверхностью наклеенная на входной торец системы передачи изображения. Плосковыпуклые линзы первого и второго компонентов выполнены с определенными расчетной толщиной и радиусами. Система передачи изображения выполнена в виде градиентного оптического элемента с радиальным распределением показателя преломления. Плоскопараллельная пластина выполнена с осевой длиной, превышающей фокусное расстояние объектива. Техническим результатом изобретения является повышение качества изображения при повышении технологичности конструкции объектива в целом.

Система работает следующим образом. Для улучшения изображения стандартная оптическая система, используемая в эндоскопии и в аналогичных комплексах, заменяется на предлагаемую, что улучшает качество изображения. При необходимости, подведя к оптической системе телекамеру, имеется возможность записать видеоизображение и анализировать его, выводя на двухмерный телевизионный экран.

Недостатком данной системы является отсутствие возможности наблюдать объемную модель исследуемого органа.

Наблюдение с помощью указанных оптических систем изображений внутренних органов человека или исследуемых полостей дает не совсем желанный результат, так как полученное изображение или является двухмерным при выводе его на плоский телевизионный экран, или при отсутствии телевизионных систем не представляется возможным провести запись видеоизображений для последующего исследования.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение качества диагностики. Это достигается тем, что в оптическую систему эндоскопа, содержащую объективы разной конструкции, оптическую передающую систему и окуляр, согласно предлагаемому изобретению введены телевизионная передающая камера, канал связи, телевизионный приемник и коллиматор. При этом выход объектива соединен с входом передающей системы, выход передающей системы соединен с входом окуляра, выход окуляра соединен с входом передающей камеры, выход передающей камеры соединен с входом канала связи, выход канала связи соединен с входом телевизионного приемника, выход телевизионного приемника соединен с входом коллиматора.

Использование оптической системы эндоскопа, передающей изображение в видимом спектре излучения, передающей телевизионной камеры, канала связи и телевизионного приемника, передающих и воспроизводящих изображение в цвете, позволяет просматривать цветное, увеличенное, объемное изображение исследуемых органов с возможностью оценивать расстояние между наблюдаемыми объектами по координате Z, что улучшает качество диагностики и проведения операций.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемой системы.

Система объемного телевидения содержит:

1 - объектив,

2 - оптическую передающую систему,

3 - окуляр,

4 - передающую камеру,

5 - канал связи,

6 - телевизионный приемник,

7 - коллиматор.

Выход объектива 1 соединен с входом оптической передающей системы 2. Выход оптической передающей системы 2 соединен с входом окуляра 3. Выход окуляра 3 соединен с входом передающей камеры 4. Выход передающей камеры 4 соединен с входом канала связи 5. Выход канала связи 5 соединен с входом телевизионного приемника 6. Выход телевизионного приемника 6 соединен с входом коллиматора.

Оптическая система эндоскопа работает следующим образом.

Объектив 1 подводится к рассматриваемому предмету, изображение этого предмета через передающую систему 2 (в ее качестве, как показали эксперименты, могут выступать все известные типы оптических передающих систем) передается к окуляру 3. Окуляр 3 позволяет получить достаточно резкое изображение рассматриваемого предмета. Передающая камера 4 формирует телевизионные сигналы о рассматриваемом предмете. Полученные телесигналы через канал связи 5 подаются на вход телевизионного приемника 6. Полученное на экране телевизионного приемника 6 двухмерное изображение, являющееся трехмерной проекцией видимого через объектив рассматриваемого предмета, подается на вход коллиматора 7 (в качестве коллиматора могут использоваться все известные типы как с "узким" зрачком, так и с "широким" зрачком), который, увеличивая картину, уносит ее в бесконечность, настраивая таким образом глаз на "взор в бесконечность" (эффект аккомодации). Поскольку передаваемые телевизионные изображения, как правило, являются последовательностью кадров, сформированных подвижным объективом, соединенным с оптической передающей системой, а также то обстоятельство, что рассматриваемые внутри живого человека органы находятся в движении, так как человек дышит, бьется его сердце, то есть имеется ряд подвижных объектов, при сканировании изображения глазом человека начинает работать глазная мышца (эффект конвергенции). В результате конвергенции в сочетании с аккомодацией человек воспринимает получаемое изображение как объемное, наблюдаемое через пирамиду видимости, сформированную объективом, оптической передающей системой, окуляром и объективом передающей камеры.

Объединение оптической системы эндоскопа с системой объемного телевидения, как показывают опыты, дает новое качество - устойчивый эффект наблюдения несколькими наблюдателями объемного изображения рассматриваемого органа независимо от используемых оптических передающих систем. Данный эффект сложно получить другими методами, так как известные оптические системы эндоскопа позволяют рассматривать в объеме исследуемые органы одному человеку. А в эндоскопических стойках разной конструкции, использующих передающую камеру и телевизионный приемник, возможно рассматривать нескольким наблюдателям плоское изображение.

Использование коллиматора для получения объемного изображения вместе с телевизионным приемником, каналом связи и передающей камерой дает возможность рассмотрения объемной модели при рассмотрении перемещающегося объекта или перемещающегося наблюдателя при отсутствии перед объективом передающей камеры какой-либо оптической передающей системы с фокусными расстояниями, отличными от объектива передающей камеры. В роли рассматриваемых в изобретении оптических передающих систем может выступать:

- световод, например, в виде волоконно-оптического кабеля, без дополнительных линз,

- оптическая система из одной или нескольких линз,

- оптическая система из линз и световода.

В данных оптических системах фокусное расстояние часто определить сложно. Однако, как показывают опыты, объемное изображение исследуемых органов получается всегда.

Предложенная система дает возможность нескольким наблюдателям (в зависимости от типа используемого коллиматора) видеть объемное изображение исследуемого органа. Это частично объясняется тем, что при диагностике in vivo человек дышит, и его внутренние органы постоянно находятся в движении, что создает хорошие условия для создания эффекта наблюдения объемного изображения, но не объясняет того факта, что объемное изображение наблюдается при различных оптических передающих системах.

Эксперименты показывают, что устойчивое объемное изображение рассматриваемых органов при любой оптической передающей системе и при любом освещении (при попадании света извне через разрез, или при освещении исследуемого органа с помощью дополнительных источников освещения, введенных в организм человека через другой надрез, или переданных по дополнительному световоду, например, в случае использования световода из волоконно-оптического кабеля, часть волокон которого используется для подсветки исследуемого органа, а часть для передачи требуемого изображения). Получение объемного изображения является экспериментально подтвержденным фактом, трудно поддающимся теоретическому объяснению, так как сложно рассчитать оптическую систему из линз зрачка оптической передающей системы в совокупности с оптическим каналом передачи изображения от линз зрачка оптической передающей системы к видеокамере и в дальнейшем согласовать с фокусным расстоянием коллиматора. Опыты показывают, что коэффициент увеличения зависит от используемого световода, вводимого внутрь человека при операции. При использовании одного и того же световода хирург быстро привыкает к соразмерности движений инструмента эндоскопической стойки и видимого им объемного изображения.

Это позволяет хирургу как проводить более точное диагностирование, так и более точно рассчитать движения хирургических инструментов не только по координатам X и Y, но и по координате Z, что улучшает качество операций.

Опыты показывают, что предлагаемую систему можно использовать как во время операций, так и для создания учебных пособий (в частности для демонстрации объемного изображения проведения конкретной операции по Интернет).

Опыты показывают, что в предложенном изобретении в качестве световода может быть использована любая из известных оптических систем передачи изображения изнутри человека во внешнюю среду.

При использовании моноцветных систем передачи и воспроизведения изображения, при использовании предлагаемой системы наблюдатель видит моноцветное объемное изображение (как правило черно-белое, так как большинство нецветных телевизионных приемников выводят на экран черно-белое изображение). Такой же эффект наблюдается при использовании передающей телевизионной камеры, канала связи, передающих изображение в цвете, и телевизионного приемника, воспроизводящего черно-белое изображение.

При использовании цветных систем передачи и воспроизведения изображения наблюдатель видит цветное объемное изображение.

Качество получаемого изображения зависит от:

- световода;

- используемой камеры;

- канала передачи данных;

- телевизионного приемника;

- коллиматора;

- расположения источников освещения и линз зрачка световода (при направлении источника света прямо в линзу зрачка изображение исчезает, "засвечиваясь" световым пятном).

Опыты показали, что при использовании коллиматоров с углами зрения 40°×30° и телевизионных приемников с телевизионными экранами 14-15", воспроизводящих стандартное чрезстрочное изображение с разрешением 640×480 пикселей, наблюдатель видит слитное объемное изображение, качество которого улучшается при применении прогрессивной развертки и (или) при увеличении разрешения в сторону увеличения 800×600, 1400×1200 и т.д. Качество изображения улучшается и при использовании телевизионных экранов с более мелким зерном, что было заметно при замене телевизионного экрана с зерном 0.28 на экран с зерном 0.25.

В качестве коллиматоров использовались устройства РЭЛЛИ, СВЕТЛАНА, ЭЛЬВИРА 15/м (произведенных на общественных началах) и ОКУ производства ОАО НПП «ЭРА». С указанными коллиматорами использовались телевизор Funay со сферическим телевизионным экраном и монитором ViewSonic E40 со сферическим телевизионным экраном, монитор SAM-TRON 56E с плоским телевизионным экраном. Во всех случаях наблюдался хороший эффект наблюдения трехмерного изображения с возможностью определять координаты по Z при рассмотрении всех наблюдаемых объектов.

Опыты показали, что изобретение возможно позволяет использовать все типы волоконно-оптических кабелей и все типы телевизионных экранов: сферические, выпукло-вогнутые, плоские. Незначительные отличия в искажениях наблюдаемых объектов не сказываются на качестве изображения в целом при нахождении наблюдателя вблизи фокуса коллиматора. При удалении от фокуса коллиматора вдоль оптической оси наблюдается эффект увеличения рассматриваемого изображения, при удалении от оптической оси появляются нелинейные искажения рассматриваемых объектов. Область перед коллиматором, откуда возможно наблюдать объемное изображение, достаточна для размещения в ней двух наблюдателей, что достаточно при проведении операций.

Клинические испытания показали, что при использовании коллиматоров с "узкими" зрачками (ЭЛЬВИРА, СВЕТЛАНА) к стандартной эндоскопической стойке целесообразно подключить два индикатора с коллиматорами, одну систему расположить слева от обычного плоского телевизора, вторую справа (Фиг.2).

Такой подход позволяет всем видеть плоское изображение на центральном телевизионном приемнике (находящемся обычно в изголовье от оперируемого).

Группе, находящейся справа, появляется возможность видеть все в объеме, просматривая изображение от правой системы.

Группе, находящейся слева, появляется возможность видеть все в объеме, просматривая изображение от левой системы.

Опыты проводились с тремя разными системами и во всех случаях фиксировался положительный результат.

Оптическая система эндоскопа, содержащая объектив, оптическую передающую систему, световод, используемый для освещения, отличающаяся тем, что дополнительно введены передающая камера, канал связи, телевизионный приемник, коллиматор, при этом выход объектива соединен с входом передающей системы, выход передающей системы соединен с входом окуляра, выход окуляра соединен с входом передающей камеры, выход передающей камеры соединен с входом канала связи, выход канала связи соединен с входом телевизионного приемника, выход телевизионного приемника соединен с входом коллиматора.