Осветительная система эндоскопа.
Московский государственный технический университет
Имени Н.Э. Баумана
______________________________________________________________________________
Факультет «Биомедицинская техника»
Кафедра «Биомедицинские технические системы»
УДК 615.47:616-085
Г.Н. Змиевской
ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
МЕДИЦИНСКИХ ЭНДОСКОПОВ
С ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Учебное издание
Методические указания к выполнению лабораторных работ
по дисциплине « Биомедицинская оптика»
Под редакцией А.В. Самородова
Москва 2019
Введение.
Эндоскопия в настоящее время превратилась в один из важнейших методов диагностики и лечения широкого круга различных заболеваний, в основном внутренних органов, но также и системного характера. С помощью эндоскопической техники проводятся визуальный осмотр внутренних полостей организма, взятие проб для лабораторных исследований, хирургические и терапевтические воздействия на патологические области различными факторами, в частности, лазерным излучением, промывание полости и введение в нее жидких лекарственных препаратов, удаление инородных тел и т.д. Кроме визуального наблюдения, через эндоскоп может проводиться фото- и видеосъемка исследуемых полостей с последующим анализом изображений, введенных в виде файлов в компьютер.
Основой медицинского эндоскопа является оптическая система, позволяющая получить изображение биообъекта, наблюдение которого невооруженным глазом невозможно в силу анатомии человеческого организма. Главная техническая задача, стоящая перед разработчиком эндоскопа — получение изображения достаточно высокого качества, позволяющего как делать диагностические заключения, так и осуществлять лечебное воздействие. Это качество оценивается как геометрическими факторами, так и фотометрическими и колориметрическими, т.е. правильностью воспроизведения формы, распределением интенсивности и цветовой структуры в изображении объекта.
|
|
|
Современные эндоскопы — сложные оптико-механические и оптико-электронные приборы. При их разработке необходима тщательная проработка принципиальной схемы прибора, конструктивная увязка всех систем при ограниченных поперечных размерах, использование высококачественных комплектующих. При изготовлении и сборке эндоскопа требуется применение специальных технологических процессов и высокое профессиональное мастерство.
Хотя исторические корни создания эндоскопов уходят в начало XIX века (Германия, Филипп Боццини, 1805 г.), настоящее внедрение эндоскопической техники в медицинскую практику следует отнести к 60-м годам минувшего века, когда появились первые автономные источники света для эндоскопии и первые волоконно-оптические элементы и узлы, позволяющие «заглянуть» в самые труднодоступные полости организма.
|
|
|
Следует подчеркнуть заслуги отечественной оптико-механической промышленности, наладившей выпуск широкой номенклатуры эндоскопов прежде всего на научно-производственном объединении «Красногвардеец» (Ленинград), работавшего в тесном сотрудничестве с московским ВНИИ медицинского приборостроения и в лучшие годы (середина 80-х) выпускавшего более 70 наименований эндоскопов различного назначения. С начала 80-х в процесс создания новых эндоскопов включилось оптико-механическое объединение ЛОМО, плотно взаимодействующее с ГОИ им. С.И. Вавилова (Ленинград).
Поскольку в 80-е годы лидирующие позиции в мире, в особенности в эндоскопии с использованием волоконно-оптических устройств, заняли японские фирмы (прежде всего фирма «Olimpus»), в перестроечный период (конец 80-х-начало 90-х) эти предприятия преобразовались в открытые акционерные общества, опирающиеся на закупки японских технологий и использование зарубежных комплектующих. С 1992 года разработки новых эндоскопов (в значительно суженной по сравнению с советским периодом номенклатуре) ведет объединение «ВНИИМП-Оптимед», организованное на базе ликвидированного ВНИИ медицинского приборостроения. Однако возможности «ВНИИМП-Оптимед» весьма ограничены и не позволяют разрабатывать и внедрять в производство эндоскопическую технику, отвечающую современным требованиям и способную конкурировать с мировыми лидерами. Тем не менее, сам факт сохранения объединения «ВНИИМП-Оптимед» позволяет надеяться на будущее возрождение отечественной эндоскопии в случае должного внимания к этой отрасли медицинского приборостроения со стороны властей.
|
|
|
Целью работы является ознакомление с принципом действия, конструкцией и параметрами медицинских эндоскопов с волоконно-оптическими элементами, а также овладение навыками измерения наиболее типичных характеристик медицинских эндоскопов, как жестких, так и гибких.
После выполнения работы студенты смогут:
- измерять основные характеристики медицинских эндоскопов с помощью штатных средств измерения:
- определять область применения конкретных эндоскопов в медицине;
- оценивать перспективы развития современной медицинской эндоскопии.
|
|
|
Краткие сведения из теории.
В общем случае эндоскопом называется устройство, имеющее осветительную, наблюдательную системы и приспособления.
Медицинским эндоскопом называется эндоскоп, вводимый во внутренние полости и органы человека через естественные каналы или хирургическим путем.
В зависимости от назначения, медицинские эндоскопы делятся на следующие типы:
• смотровой — медицинский эндоскоп, предназначенный для исследования внутренних полостей и органов человека путем осмотра;
• биопсийный — медицинский эндоскоп, предназначенный для взятия пробы ткани с требуемого участка под визуальным контролем с целью последующего гистологического анализа;
• операционный — медицинский эндоскоп, предназначенный для проведения диагностических, лечебных и хирургических манипуляций путем введения инструментов под визуальным контролем.
Любой эндоскоп содержит осветительную и наблюдательную системы:
- осветительное устройство эндоскопа — функциональный узел эндоскопа, включающий источник света и другие элементы конструкции и предназначенный для освещения наблюдаемого объекта. При этом светопроводящая система эндоскопа может быть выполнена в жестком или гибком исполнении. Для передачи света от источника, установленного вне эндоскопа, к его светопроводящей системе служит световодный кабель эндоскопа – функциональный узел, состоящий из волоконного световода в эластичной оболочке с присоединительными элементами;
- наблюдательная система эндоскопа — части эндоскопа, предназначенные для формирования и передачи изображения объекта к наблюдателю (в жестком или гибком исполнении).
Для применения эндоскопа важное значение имеет исполнение его рабочей части, т.е. той части медицинского эндоскопа, которая предназначена для введения в исследуемую область организма и имеет форму и размеры, соответствующие анатомическому каналу, по которому вводится эндоскоп.
В зависимости от конструкции рабочей части эндоскопы делятся на следующие типы:
• гибкие эндоскопы — медицинские эндоскопы, рабочая часть которых может плавно изгибаться в определенных пределах;
• жесткие эндоскопы — медицинские эндоскопы, рабочая часть которых выполнена не допускающей изгибов.
Номенклатура эндоскопов достаточно обширна и зависит от области медицинского приложения, а также от цели медицинского вмешательства (диагностика, лечение, хирургия). Классификация медицинских эндоскопов проводится в зависимости от полости тела человека, для исследования которой он предназначен, при этом наименование вида эндоскопа образовано от принятого в медицине названия соответствующей полости.
В общем виде блок–схема эндоскопа включает: (рис.1): источник света 1, конденсор 2, волоконный световод 3, переходное устройство 4, светопроводящую систему 5, включая систему формирования пучка подсветки 6, объектив эндоскопа 7, систему передачи изображения 8, окуляр 9, фотографический объектив 10, фотопленку 11, телевизионный объектив 12, телевизионную камеру 13, монитор 14. При этом позицией 16 отмечена изучаемая биологическая ткань, а 15 — глаз наблюдателя. Элементы 1 – 6 образуют осветительное устройство, а 7 – 14 — наблюдательную систему эндоскопа.
Рис. 1. Обобщенная блок схема эндоскопа
Наблюдательная система эндоскопа состоит из трех основных частей: объектива 1, системы передачи изображения 2 и окуляра 3 (рис. 2).
Так как исследуемый объект расположен перед объективом на конечном расстоянии, то формально данная система может быть названа микроскопической. Однако, исходя из особенности конструкции и работы эндоскопа, необходимо отметить, что, во-первых, наблюдательная система имеет малую величину числовой апертуры в пространстве предметов; во-вторых, объектив имеет небольшую величину фокусного расстояния (от 1 до 20 мм) и малое относительное отверстие (от 1:8 до 1:15); в-третьих, расстояние до исследуемой поверхности изменяется в пределах от 10 до 100 мм, что в несколько раз превышает величину фокусного расстояния объектива; в-четвертых, отсутствует фокусировка на различные расстояния до объекта. Поэтому эндоскоп целесообразнее рассматривать как телескопическую систему небольшого увеличения.
Рис. 2. Принципиальная оптическая схема наблюдательной системы эндоскопа
К основным оптическим характеристикам эндоскопов относятся следующие: рабочее расстояние s (расстояние от первой поверхности защитного стекла до объекта наблюдения); угловое поле 2ω в пространстве предметов; видимое увеличение Г; разрешающая способность N; диаметр D' выходного зрачка.
Рабочее расстояние в соответствии с назначением эндоскопа для различных видов может колебаться в диапазоне от 5 до 100 мм. Если показатель преломления n рабочей среды перед объективом эндоскопа отличен от 1, то рекомендуемое для разработки оптической схемы эндоскопа рабочее расстояние в воздухе меньше в n раз по сравнению с расстоянием до предмета в рабочей среде.
Поле зрения и увеличение. При наблюдении через эндоскопы, особенно с диагностическими целями, увеличение на рабочем расстоянии чаще задается в пределах от 1,1× до 1,3×. Такое увеличение обеспечивает наиболее естественное восприятие наблюдаемых внутриполостных объектов. Повышение увеличения влечет снижение величины поля зрения, являющегося важным параметром эндоскопа. От смотровых и диагностических эндоскопов требуется возможно бόльшее поле зрения при небольших увеличениях для наилучшего обзора полости. Операционные эндоскопы, напротив, могут иметь бόльшее увеличение (от 1,6× до 1,8×) для уверенного проведения различных манипуляций под визуальным контролем. Поле зрения находится в диапазоне от 50 до 90° для жестких эндоскопов и в диапазоне от 50 до 135° для гибких эндоскопов с волоконной оптикой.
Как известно, в телескопической системе, расположенной в воздухе, видимое увеличение ГТ может быть определено через основные характеристики несколькими способами:
(1)
где f 'об — фокусное расстояние объектива телескопической системы;
f 'ок — фокусное расстояние окуляра телескопической системы;
2ω' — угловое поле в пространстве изображений окуляра;
2ω — угловое поле в пространстве предметов объектива;
D, D' — диаметры входного и выходного зрачков телескопической системы соответственно;
Если предмет находится перед объективом на конечном расстоянии, да ещё и в среде с показателем преломления n, отличным от 1, то видимое увеличение будет отличаться от рассчитанного по формуле (1).
Если предмет величиной y рассматривается в воздухе невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения a (обычно a = 250 мм), то при наблюдении в эндоскоп он будет восприниматься с видимым увеличением
(2)
Последняя формула позволяет определить требуемое видимое увеличение ГТ, для которого и должна рассчитываться телескопическая система:
(3)
Так как s < na, то и ГТ < ГЭ. Для реализации в эндоскопе видимого увеличения ГЭ = (1 ÷ 1,8)× на рабочих расстояниях s/n = (4÷60) мм наблюдательная телескопическая система должна иметь увеличение ГТ в диапазоне от 0,02 до 0,43×, т.е. для всего диапазона рабочих расстояний эндоскопов увеличение меньше 1×, а в силу этого величина углового поля эндоскопа в пространстве предметов больше, чем в пространстве изображений.
Дифракционный предел разрешения телескопической системы может быть оценен по известной формуле
(4)
Так как разрешающая способность N эндоскопов обычно выражается числом разрешаемых линий на 1 мм объекта, установленного на расчетном рабочем расстоянии, то, очевидно, что между N и ψ существует простая связь:
воспользовавшись которой, можно иначе записать:
(5)
Здесь К — диафрагменное число объектива. Из соотношения (5) следует, что увеличение поля зрения при прочих равных условиях приводит к уменьшению разрешающей способности эндоскопа. Необходимо учитывать, что взятая в вышеприведенных рассуждениях за основу формула (4) определяет теоретическую разрешающую способность эндоскопа, которая в реальной оптической системе снижается из-за ряда причин (аберрации, возможности волоконно-оптического кабеля для передачи изображения и т.д.).
Построение оптической системы эндоскопа.
Осветительная система эндоскопа.
Поскольку при наблюдении отсутствует внешнее освещение, от осветительной системы зависит сама возможность наблюдения биообъекта. Поэтому основная задача осветительной системы — обеспечение высокой освещённости поля зрения и создание колориметрического подобия изображения объекту.
Для оценки требуемой величины освещенности наблюдаемого объекта в поле зрения используются формулы прикладной оптики для расчета величины освещённости изображения. Применительно к оптической системе эндоскопа можно записать для освещённости:
(6)
Здесь:
E 'из — освещенность на оси изображения в предметной плоскости окуляра эндоскопа;
Lоб — яркость объекта наблюдения;
τоб, τоб.с. — коэффициенты пропускания объектива и системы переноса изображения;
— апертурный угол в пространстве изображений объектива;
βоб.с. — линейное увеличение системы переноса изображения.
Количественная оценка показывает, что освещенность объекта должна превышать желаемую освещенность изображения на три порядка. Поскольку диафрагменное число K объектива определяется наблюдательной системой эндоскопа и не может быть малым в силу необходимости обеспечения определенной глубины резко изображаемого пространства, то в оптических системах эндоскопов большое значение имеют меры по повышению коэффициентов пропускания объектива и системы переноса изображения.
Осветительные системы современных эндоскопов создают величину освещенности наблюдаемого биологического объекта от нескольких тысяч до десятков тысяч люкс.
На сегодняшний день дистальные осветительные устройства почти исключительно используют волоконные световоды, вытеснившие ранее применявшиеся миниатюрные лампы накаливания. Очевидные принципиальные недостатки ламп (малая освещенность, разогрев лампы, увеличение размеров дистального конца, опасность для внутренней полости в случае разрушения баллона лампы) устранены в случае передачи осветительного потока через световоды.
В осветителях применяют либо линзовые, либо зеркальные конденсоры. Например, отражатель отечественного осветителя ОС-150-01 представляет собой эллипсоид вращения, изготовленный из кварцевого стекла, в заднем фокусе которого располагается нить накала галогенной лампы типа КГИ 150/15, а в переднем фокусе — входной торец световодного кабеля эндоскопа (рис. 3). На внутреннюю поверхность отражателя наносится многослойное интерференционное покрытие с высокими коэффициентами отражения в видимой области спектра и пропускания — в инфракрасной. Для поглощения последнего в осветителях с линзовыми конденсорами устанавливаются теплофильтры.
Рис. 3. Принципиальная схема источника «холодного» света с зеркальным конденсором.
Системы построения и передачи изображения.
Исходными данными для проведения габаритного расчета наблюдательной системы эндоскопа обычно являются видимое увеличение на рабочем расстоянии, угловое (или линейное на рабочем расстоянии) поле в пространстве предметов, наибольший световой диаметр оптических деталей, длина оптической системы, размер и удаление выходного зрачка. Кроме того, дополнительно задается коэффициент виньетирования наклонных пучков лучей, величина которого часто принимается равной 0,5. Очевидно, что при разработке оптической схемы эндоскопа для увеличения коэффициента пропускания необходимо стремиться к уменьшению количества оборачивающих систем, т.е. к оптимальному использованию световых диаметров всех компонент оптической схемы.
Оптическую схему наблюдательного канала целесообразно рассматривать как телескопическую систему, поэтому, прежде всего, по формуле (3) определяется видимое увеличение ГТ и угловое поле 2ωв (если задана величина 2y), приведенное к воздуху в пространстве предметов. Для определения последнего, если в пространстве предметов эндоскопа находится среда с показателем преломления n, необходимо воспользоваться соотношением
(7)
где 2y — линейное поле, а s — расстояние до объекта. Дальнейший расчет проводится по методике расчета телескопических систем с двухкомпонентными линзовыми оборачивающими системами с параллельным ходом лучей между компонентами.
Если в оптической системе эндоскопа световые диаметры компонентов оборачивающих систем равны, то можно найти связь между тремя важнейшими оптическими характеристиками эндоскопа с линзовой оптикой:
(8)
Как видно из (8), видимое увеличение ГЭ, линейное поле 2y в пространстве предметов и диаметр выходного зрачка D' связаны между собой таким образом, что их произведение для заданного расстояния до предмета и заданных габаритных размеров (длина и диаметр) есть величина постоянная. Поэтому нельзя одновременно увеличивать значения этих оптических характеристик, так как увеличение одной из них приводит к снижению другой (или двух остальных).
Объектив эндоскопа предназначен для формирования уменьшенного изображения исследуемых объектов. В соответствии с рекомендациями, обусловленными медико-техническими требованиями, объективы должны иметь угловые поля от 500 до 135° и более. Так как изображение, построенное объективом, должно иметь малый размер, обусловленный малыми поперечными размерами оптической трубки эндоскопа, то объективы должны иметь малую величину фокусного расстояния. Именно это обстоятельство позволяет проводить наблюдение объектов, расположенных на различных расстояниях от объектива, без перефокусировки. Для этого достаточно, чтобы фокусное расстояние объектива эндоскопа было в 8÷10 раз меньше расстояния до объекта наблюдения.
Система передачи изображения переносит сформированное объективом изображение на проксимальный конец прибора в предметную плоскость окуляра либо объектива кинофотоустройства или видеокамеры. Для передачи сигнала могут быть использованы ПЗС-матрицы.
Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 576; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!