ГРАДИЕНТНЫЙ СВЕРХТОНКИЙ ЖЕСТКИЙ ЭНДОСКОП Российский патент 2003 года по МПК A61B1/55 G02B23/24 

Предлагаемое изобретение относится к медицинской технике, а именно к системам жестких эндоскопов, предназначенных для контроля за проведением диагностических, лечебных и хирургических манипуляций, а также визуального осмотра особо узких полостей и биологических каналов организма человека.

Оптические системы сверхтонких жестких эндоскопов известны, в том числе системы прямого видения и системы с направлением наблюдения, отличным от прямого. Наиболее высокое качество получаемого изображения в сверхтонких жестких эндоскопах обеспечивают оптические системы, в которых в качестве объектива и системы передачи изображения (транслятора) используются градиентные оптические элементы - граданы - с радиальным распределением показателя преломления (РПП).

Так известна градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа [1], содержащая линзовый головной объектив с призменной системой для изменения направления оптической оси, градиентную систему передачи изображения (транслятор) и окуляр.

Недостатком известной оптической системы является сложность изготовления микролинз объектива, диаметр которых не превышает 1,5 мм. Процесс сборки и юстировки такого объектива является сложным и трудоемким. Для обеспечения качественного изображения предмета количество микролинз в головном объективе может достигать десяти и более. Наличие такого большого количества границ "воздух-стекло" обуславливает значительные потери света.

Известна также оптическая система сверхтонкого эндоскопа [2], которая содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси устройство изменения направления оптической оси (оптический клин) градан-объектив, градан-транслятор и окуляр. При этом объектив и транслятор имеют плоские торцы и расположены взаимно без зазора, а объектив имеет длину по оси, равную четверти периода градана. Эта оптическая система сверхтонкого эндоскопа отличается от оптической системы [1] большей технологичностью из-за отсутствия микролинз, а также значительным светопропусканием. Однако и этой оптической системе присущ ряд недостатков.

Во-первых, мал угол поля зрения в пространстве предметов, и недостаточна величина диапазона возможных углов направления наблюдения. Это связано с тем, что входной зрачок градиентной оптической системы, в которой используется объектив с длиной, равной четверти периода, расположен на первой поверхности объектива [3] . Известно, что наибольший угол поля зрения достигается в случае, когда входной зрачок оптической системы эндоскопа располагается посередине призмы или иного устройства изменения направления наблюдения [4].

Во-вторых, в указанной системе эндоскопа качество изображения снижено из-за того, что изображение, сформированное граданом-объективом, имеющим длину по оси, равную четверти периода, располагается в плоскости склеенных поверхностей градана-объектива и градана-транслятора. Поэтому при рассматривании изображения через окуляр достаточно большого увеличения четко наблюдаются все дефекты склейки (мельчайшие воздушные пузыри, трещины, царапины, недополировка и т.п.).

Кроме указанных систем известна градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа с направлением наблюдения, отличным от прямого [5], содержащая последовательно расположенные вдоль оптической оси устройство изменения направления оптической оси, градан-объектив, градан-транслятор и окуляр. При этом градан-объектив и градан-транслятор имеют плоские торцы и расположены взаимно без зазора, длина объектива определяется расчетным путем, исходя из требований к расстоянию от первой поверхности градана-объектива до входного зрачка оптической системы, а устройство изменения направления оптической оси выполнено:
- либо в виде двух оптических клиньев, наружные поверхности которых расположены перпендикулярно оси эндоскопа, а внутренние поверхности наклонены в противоположные стороны к той же оси;
- либо в виде одиночного оптического клина, входная поверхность которого расположена перпендикулярно к оси эндоскопа, а за клином установлена тонкая защитная плоскопараллельная пластина, наклеенная на входной торец градана-объектива.

Данная градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа в значительной мере устраняет недостатки перечисленных градиентных оптических систем. Однако и ей присущи недостатки, заключающиеся в том, что существенно ограничен диапазон углов направления наблюдения, а качество получаемого с ее помощью изображения остается низким из-за большого уровня фона.

Известна также оптическая система сверхтонкого жесткого эндоскопа прямого наблюдения [6] , которая содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси апертурную диафрагму, градан-объектив, градантранслятор, окуляр и видеокамеру. При этом объектив и транслятор имеют плоские торцы и расположены взаимно без зазора.

Данная градиентная оптическая система является наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, и поэтому выбрана авторами за прототип.

Недостатком устройства - прототипа и других аналогичных известных градиентных оптических систем как с прямым видением, так и с направлением наблюдения, отличным от прямого, является узкий диапазон углов направления наблюдения. Иначе говоря, с помощью этих систем не удается посмотреть на объект исследования одновременно в прямом направлении и в направлении наблюдения, отличном от прямого, например под углом 90^o, что часто бывает необходимо сделать в процессе наблюдения особо узких полостей и биологических каналов организма человека. Кроме того, качество получаемого известными системами изображения предмета остается несмотря на принятые в них меры низким из-за наличия в изображении высокого уровня регулярного фона, обусловленного краевыми эффектами градиентной оптики и дифракцией света на входном зрачке, размеры которого в сверхтонких жестких эндоскопах не превышают 0,2-0,3 мм.

Следует отметить, что качество получаемого изображения существенно зависит и от уровня освещенности зоны просмотра. Повысить освещенность рабочего поля за счет увеличения диаметра световолоконного жгута подсветки в сверхтонких жестких эндоскопах не представляется возможным. Расчеты показывают, что в сверхтонких жестких эндоскопах с диаметром рабочей части порядка 3 мм, диаметр входного торца световолоконного жгута подсветки удается сделать не более 1,5-2 мм. Вместе с тем, стандартные световодные кабели существующих источников света имеют диаметры 3,5 и 5 мм. В результате несоответствия диаметров световодного кабеля источника света и световолоконного жгута эндоскопа при их стыковке происходит потеря части света, приводящая к снижению освещенности зоны просмотра и соответственно к снижению качества получаемого изображения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение диапазона углов направления наблюдения в сверхтонких жестких эндоскопах и повышение качества получаемого изображения.

В соответствии с достигаемым техническим результатом, в градиентный сверхтонкий жесткий эндоскоп, содержащий световолоконный жгут для подсветки зоны просмотра и расположенные последовательно вдоль оптической оси градан-объектив, градан-транслятор, окуляр и видеокамеру, введены градановая линза, дихроический спектроделитель, полевая диафрагма и дифференциальный усилитель, при этом градановая линза присоединена к входному торцу световолоконного жгута канала подсветки, дихроический спектроделитель пристыкован вплотную рабочей гранью к входному торцу градана-объектива, полевая диафрагма установлена между граданом-транслятором и окуляром в плоскости последнего изображения, а дифференциальный усилитель электрически связан с выходом видеокамеры.

На чертеже изображена схема градиентного сверхтонкого жесткого эндоскопа.

Эндоскоп содержит градановую линзу 1, выполняющую роль конденсора, которая присоединена к входному торцу световолоконного жгута 2 канала подсветки зоны наблюдения. Канал получения изображения наблюдаемой зоны включает в себя последовательно расположенные вдоль оптической оси дихроический спектроделитель 3 (например, призму-куб), градан-объектив 4, градан-транслятор 5, полевую диафрагму 6, окуляр 7 и видеокамеру 8. При этом дихроический спектроделитель 3, градан-объектив 4 и градан-транслятор 5 имеют плоские торцы и расположены взаимно без зазора, полевая диафрагма 6 установлена в плоскости построения последнего промежуточного изображения, видеокамера 8 присоединена к окуляру 7, а к выходу видеокамеры 8 подключен через соединительный кабель дифференциальный усилитель 9.

Работа градиентного сверхтонкого жесткого эндоскопа заключается в следующем.

Свет определенного спектрального состава, излучаемый источником света, поступает по световодному кабелю к эндоскопу и концентрируется градановой линзой 1 в пятно, равное диаметру торца световолоконного жгута 2 канала подсветки. Далее свет по световолоконному жгуту 2 поступает на дихроический спектроделитель 3 и в зависимости от своего спектрального состава либо проходит через него (Δλ₁) и освещает зону просмотра прямого видения, либо отражается под углом 90^o (Δλ₂) и также освещает зону просмотра, но уже бокового направления наблюдения. Дихроический спектроделитель 3 имеет многослойное интерференционное покрытие, обладающее высоким отражением в определенной области спектра и большим светопропусканием в прилегающей к ней области спектра [7].

Далее свет, отраженный от исследуемого объекта, который расположен в прямом направлении или под углом 90^o, вновь поступает на дихроический спектроделитель 3, проходит его и попадает в градан-объектив 4, который формирует первое промежуточное изображение объекта в плоскости, расположенной за объективом. Затем это изображение с помощью системы передачи изображения 5 (градана-транслятора) доставляют в плоскость расположения полевой диафрагмы 6, осуществляющей диафрагмирование части световых лучей, участвующих в формировании изображения и выходящих из краевой зоны градана-транслятора, а также рассеянного в градане-трансляторе излучения. Свободное от краевых эффектов и рассеянного излучения изображение затем переносят посредством окуляра 7 и приемной оптики видеокамеры 8 в плоскость ее светочувствительной площадки.

Зарегистрированное изображение объекта преобразуют видеокамерой 8 в электрический сигнал (видеосигнал), который по соединительному кабелю подают на дифференциальный усилитель 9, позволяющий получать как суммарные, так и разностные сигналы. С помощью инверсного каскада усилителя [8] формируют два одинаковых по величине и противоположных по полярности сигнала, которые затем складывают и получают удвоенный по амплитуде полезный сигнал с отсечкой постоянного (регулярного) фона, снижающего качество получаемого изображения.

В качестве источника излучения для подсветки зоны просмотра может быть использован серийно выпускаемый производственной фирмой "Аксиома" галогенный осветитель ОС-150-01-М. Он предназначен для применения в качестве источника света для эндоскопических, офтальмологических и других медицинских приборов с волоконными световодами. Осветитель обеспечивает возможность освещения объекта в красной, желтой и синей областях спектра. Следует отметить, что работа в синей области спектра ухудшает колометрическое подобие формируемого эндоскопом изображения самому биообъекту, так как в этой области спектра коэффициент отражения большинства биологических тканей внутренних органов человека не превышает величины 0,2-0,25. Поэтому целесообразно использовать для освещения зоны просмотра две соседние области спектра - красную и желтую. В пользу применения этих областей спектра говорит и то, что почти все существующие в настоящее время миниатюрные видеокамеры на ПЗС-матрицах имеют максимальную квантовую эффективность именно в этих областях.

Таким образом, использование в эндоскопе дихроического спектроделителя 3, пристыкованного вплотную рабочей гранью к входному торцу градана-объектива 4, а также применение для подсветки зоны просмотра двух соседних спектральных областей позволяет посмотреть на объект исследования, как в прямом направлении, так и под углом 90^o к оси эндоскопа. Причем для смены направления наблюдения достаточно лишь переключить тумблер на панели источника света. Кроме того, при боковом наблюдении зоны просмотра (под углом 90^o) появляется возможность расширить диапазон наблюдения за счет поворота эндоскопа в направляющей гильзе троакара вокруг его оптической оси. Все это позволяет существенно расширить диапазон углов направления наблюдения по сравнению с прототипом и другими известными аналогичными системами.

Повышение качества получаемого изображения в предлагаемом изобретении достигается за счет введения в эндоскоп градановой линзы 1, полевой диафрагмы 6 и дифференциального усилителя 9. Так, при установке на входной торец световолоконного жгута 2 градановой линзы 1 устраняются потери света, имеющие место при состыковке более крупного по диаметру светового кабеля с более тонким световолоконным жгутом 2 канала подсветки. Благодаря этому увеличивается освещенность зоны просмотра, а следовательно повышается качество формируемого изображения.

Повышение качества изображения достигается также установкой диафрагмы 6 в плоскости изображения, создаваемого граданом-транслятором 5. Качество изображения повышается за счет диафрагмирования части световых лучей, участвующих в построении изображения и выходящих из краевой зоны градана-транслятора 5. Кроме того, установленная диафрагма 6 будет препятствовать попаданию на приемник значительной части рассеянного на внутренних поверхностях градана-транслятора излучения. Это позволяет повысить контраст изображения, а следовательно и его качество. И, наконец, установка на выходе видеокамеры 8 дифференциального усилителя 9 дает возможность устранить в изображении постоянный (регулярный) фон, проявляющийся в виде пелены и обусловленный дифракцией света на входном зрачке эндоскопа. Благодаря этому, существенно повышается контраст и качество формируемого изображения.

В настоящее время на предприятии разработана конструкторская документация и изготовлены опытные образцы предложенного сверхтонкого эндоскопа, которые проходят испытания.

Источники информации
1. Патент США 4735491, кл. 350-413, 1988.

2. Эндоскоп модели А 17-17-14-70 (проспект фирмы "Olimpus", Япония).

3. Медицинская техника. - 1994, 5, с. 19-24.

4. Новости медицинской техники. - 1980, вып.1, с. 9-12.

5. Патент RU 2108609 С1, кл. G 02 B 23/24.

6. Архипова Л.Н., Карапетян Г.О. и др. Градиентная оптика для медицинских эндоскопов. - Оптический журнал, 1994, 12, с. 51 - прототип.

7. Фурман Ш.А. Тонкослойные оптические покрытия. - Л.: Машиностроение, 1977, с. 186.

8. Цикин Г.С. Усилительные устройства. - М.: Связь, 1971, с. 254.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к системам жестких эндоскопов, предназначенных для контроля за проведением медицинских манипуляций, а также визуального осмотра особо узких полостей и каналов организма человека. Эндоскоп содержит световолоконный жгут для подсветки зоны просмотра, последовательно расположенные вдоль оптической оси дихроический спектроделитель, пристыкованный вплотную рабочей гранью к входному торцу градан-объектива, градан-транслятор, полевую диафрагму, окуляр и видеокамеру. Дополнительно, к входному торцу световолоконного жгута канала подсветки присоединена градановая линза, а полевая диафрагма установлена между граданом-транслятором и окуляром в плоскости последнего изображения. Дифференциальный усилитель электрически связан с выходом видеокамеры. Использование изобретения позволяет расширить диапазон углов направления наблюдения в сверхтонких жестких эндоскопах и повысить качество получаемого изображения. 1 ил.

Градиентный сверхтонкий жесткий эндоскоп, содержащий световолоконный жгут для подсветки зоны просмотра и расположенные последовательно вдоль оптической оси градан-объектив, градан-транслятор, окуляр и видеокамеру, причем объектив и транслятор имеют плоские торцы и расположены взаимно без зазора, отличающийся тем, что в него введены градановая линза, дихроический спектроделитель, полевая диафрагма и дифференциальный усилитель, при этом градановая линза присоединена к входному торцу световолоконного жгута канала подсветки, дихроический спектроделитель пристыкован вплотную рабочей гранью к входному торцу градана-объектива, полевая диафрагма установлена между граданом-транслятором и окуляром в плоскости построения последнего изображения, а дифференциальный усилитель электрически связан с выходом видеокамеры.