摘要:详细地介绍了设计的一种新型铊玻璃自聚焦内窥镜的结构和重要特性参数,并利用此系统对目标物进行了观察,得到了很满意的效果。而且实际造价也比较低。

　　1　引　言

　　自聚焦内窥镜是一种新型的医疗仪器,它可以进入人体多种器官,如胃、肠、咽喉、关节、血管、泪眼孔以及子宫等,能观测到器官的腔轮廓及鉴别病变组织。在国外对内窥镜的研究已取得了很大的进展[1-3],在我国也进行了这方面的研究[4-5]。但是这些设计系统都较复杂,而且实际造价也较高。我们设计了一种新型内窥镜,该自聚焦内窥镜主要由图像系统构成,而图像系统又主要包括传光系统和传像系统。该自聚焦内窥镜与以往的内窥镜相比[6-8],其尺寸要小得多,视场孔径角较大,观测图像清晰度高,分辨率高,而且其设计系统也比以往要简单得多[9]。本文采用了自行研制的铊玻璃自聚焦透镜[10]、传像光纤、传光光纤,以及采用市场上既便宜,操作又方便的电脑眼及其配套的计算机摄像系统。该内窥镜图像系统的端头直径为1·5 mm,分辨率达到了189 lp/mm(2·65μm),视场角为60°左右,在3 mm~8 mm内都能获得很清晰的图像。利用此系统我们观测了标准分辨率板及目标物,得到很满意的效果。

　　2　内窥镜图像系统的设计

　　2·1　传光系统的构成

　　传光系统主要包括光源、耦合系统和传光光纤三部分。我们采用光源25 W的小灯泡。为了提高耦合效率,只采用大口径、小焦距为50 mm,20 mm的透镜,利用我们设计的系统使耦合效率高达2倍。传光系统所用的光纤,不仅其尺寸小,还有较高的数值孔径,提高了耦合效率。本系统采用的传光光纤由20根芯径为65μm,外径为150μm的石英光纤组成。传光光纤数值孔径NA=0·5,均匀排列在传像光纤的周围。

　　由于传光光纤排布在传像光纤的周围,本系统在距内窥镜探头端面0·8 mm内为照明盲区,在盲区外,视场角在60°以内的物体均可以被均匀照明。

　　2·2　传像系统的设计

　　实验装备如图1所示,传像系统是由自行研制的铊玻璃自聚焦透镜、传像光纤、显微镜、电脑眼(CMOS摄像芯片)及其配套的计算机采集图像系统组成。传像系统的设计是体现系统性能的关键部分,这样设计不仅可以保证系统具有理想的视场,而且高分辨率也能得到可靠的保证。之所以有这样的优点就是由于选择了很关键的器件———铊玻璃自聚焦透镜,我们研制的这种透镜是通过两步离子交换得到的,其特点有直径小(可达直径为1 mm),分辨率高(可超过200 lp/mm),数值孔径角大(60°以上),成像范围宽,清晰度高,焦距短(成像可在透镜端面上)等优点[11]。本系统的景深与入瞳尺寸和成像透镜的焦距有关,我们所用的成像透镜是我们研制的Ф1·30 mm,F4的铊玻璃自聚焦透镜,其焦距为0·63 mm,数值孔径NA=0·481。传像光纤的芯径为0·5 mm,数值孔径NA=0·3,其像素数为1 800(重庆邮电学院研制)。

　　把传像光纤输出的图像经30×高倍显微镜(重庆光学仪器总公司生产)成像放于电脑眼(西安高科微电子科技有限公司生产)摄像范围内,由电脑眼软件与配套的计算机图像采集系统能采集到清晰的图样,该采集系统既可以采集静态目标物,还可采集到清晰的动态目标物。该系统可随时存取,随时修改,还可以随时放映已采集的目标物动态变化过程,这为以后的实际诊断系统的智能化打下科学有利的基础。

　　3　结果与讨论

　　我们对铊玻璃自聚焦内窥镜系统的分辨率、视场角等主要参数进行了实验测量,并利用此系统对目标物进行了观察,同时还进行了性能价格比的比较。

　　系统的分辨率主要由自聚焦棒透镜和传像光纤的分辨率决定。在物距为标准面时所获得的分辨率板图像如图2所示。从图像中可以看出。分辨率板号(标准1#分辨率板)为24号(189 lp/mm)的条纹(条纹之间的宽度为2·65μm)可以清晰分辨出来,这比以往研制的内窥镜[8]的分辨率高得多。在3 mm~8 mm范围内至少可达到126 lp/mm(3·97μm),足够满足观察器官内病变组织的需要。

　　由于系统的视场角主要是与自聚焦透镜的焦距和数值孔径有关。而该系统中的自聚焦透镜是选用我们研制的铊玻璃自聚焦透镜。由成像公式可知,系统的视场角

　　式中d为成像的有效面积;f为自聚焦透镜的焦距。

　　由传像光纤和自聚焦透镜的数据可知传像系统的视场角为60°。

　　图3是系统观察的复杂目标物的图像,物距端面为2 mm,结果表明该图像系统能很好的满足内窥镜的要求。我们已制作了一台铊玻璃自聚焦内窥镜,估计基本价在6 000元人民币左右,这比现有在市场上购买一台要低得多。

　　4　总　结

　　本文设计的铊玻璃自聚焦内窥镜系统长150 cm,端头直径1·5 mm,视场角为60°,在物距透镜端2 mm处的最佳分辨率为189 lp/mm(2·65μm),在3 mm~8 mm内分辨率为126 lp/mm(3·97μm),已大大提高内窥镜的成像质量,也明显扩大了内窥镜的视场范围。而且造价也比以往低得多。我们用该系统观测了目标物,得到很好的效果。如果我们按照此方案,制作不同大小铊玻璃自聚焦透镜,就可制成不同用途的内窥镜,比如:胃镜、肠镜、咽喉镜、关节镜、血管内窥镜、很细小的泪道镜以及计划生育用节育镜等医疗仪器。这样不但大大提高了科学诊断病变的可靠性,得出客观真实的病情,而且还降低了仪器设备价格,使这些医疗设备走向中小医院,乃至家庭,减少病人看病的医疗费用。

　　参考文献:

　　[1] Yasumi Uchida·Percutaneous coronary angioscopy in patients with is-chemic Heart disease [J]·American Heary Journal,November 1987,1216~1222

　　[2] Yasumi Uchida·Percutaneous coronary angioscopy by means of a fiber-scope with a steeazble guide wire [J]·American Heary Journal,May1989,1153~1155

　　[3] Leiuer D C, Drescott R·Correction of chromatic aberrations in GRINendocops[J]·Appl·Opt, 1983,22(3):383

　　[4]谢树森,李晖,郑蔚·医学光子学[J]·光子学报,1999,28(Z1):455~460

　　[5]姚胜利等·直径0·9mm自聚焦内窥镜的研制[J]·吉林大学自然科学学报,1999:97

　　[6]高凤,姚胜利·自聚焦内窥镜的光学系统[C]·第二届全国光子学学术会议论文集,1998:59

　　[7]刘德森等·MGE—1微型自聚焦内窥镜的研制[C]·第三届全国纤维光学与集成光学学术研讨会,第二届全国光计算学术研讨会,湖南大庸,1988:96

　　[8]房芳等·血管内窥镜图像系统的设计及实验研究[J]·光子学报,1999,28(Z1):427~429

　　[9] Podbielska H·Fiberoscopic Optical Systems and their Application [J]·Laser Interferometry IV: Computer-Aided Interferometry, SPIE1991,1553:516~521

　　[10]周自刚等·铊玻璃自聚焦透镜边缘折射率分布的改进[J]·光子学报,1999,28(10):943~946

　　[11]周自刚·铊玻璃自聚焦透镜的两步离子交换理论、技术及其光学特性研究[D]·西南师范大学硕士学位论文,2000:26~36

　　作者简介:周自刚(1973-),男,四川资中人,西南师范大学光电所讲师,博士,主要从事自聚焦透镜研制及其应用研究。

上一篇 : 暂无             下一篇 : 烤地瓜机 烤地瓜机烤地瓜的原理