Жёсткие медицинские эндоскопы с волоконной оптикой

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 6Следующая ⇒

В 1960–80-е гг. в Японии и СССР создан новый тип оптических деталей ― градиентные оптические элементы (граданы), оптически эквивалентные линзе, характеристики которой (фокусное расстояние, положение главных плоскостей и т.д.) зависят от длины градана и характера распределения показателя преломления.

Граданы характеризуются неоднородным показателем преломления по объему стекла. Теоретически описаны три типа распределения показателя преломления в градане: сферический градиент, радиальный градиент и осевой градиент. Практический интерес для эндоскопии представляют граданы цилиндрической формы, изготовленные из особых сортов стекла и прошедшие специальную физико-химическую обработку, создающую в градане радиальный градиент показателя преломления, который плавно убывает от оси градана к его наружной цилиндрической поверхности. Освоен выпуск граданов диаметром от 0,35 до 2,7 мм, что позволяет создавать сверхтонкие эндоскопы.

В параксиальной области распределение показателя преломления в первом приближении описывается параболическим полиномом

(9)

где n₀ — показатель преломления материала градана вдоль его оптической оси;

g — коэффициент распределения показателя преломления, определяющий фокусирующие свойства градана, мм^-1;

y — текущее значение радиуса градана, мм.

При расчете оптических систем, построенных на основе градиентных элементов, широко используют методы матричной оптики. Матрица действия градана, представляющего собой цилиндр диаметром D₀ с плоскими входным и выходным торцами (рис. 4), описывающая его оптические свойства в параксиальной области, имеет вид:

где d — длина градана.

Рис. 4. Распространение параксиальных лучей в градане.

При параболическом градиенте показателя преломления траектория меридионального луча в параксиальной области представляет собой синусоиду. Если входной луч параллелен оптической оси градана, как на рис. 4, т.е. y₀ = 0, то

Минимальная длина градана, при которой параллельные на входном торце градана лучи соберутся в точку на выходном торце градана, называется характеристической длиной градана. При этом лучи проходят четверть волны синусоиды (четвертьволновый градан). Таким образом, осевой параллельный пучок лучей при прохождении через градан будет периодически фокусироваться в точку, а затем снова расходиться.

Минимальное (характеристическое) фокусное расстояние, которое можно получить в данном градане, меняя его длину, равно . . Длина градана должна быть равна , где К = 0, 1, 2, . , где К = 0, 1, 2,…

Впервые идея использовать граданы в качестве элементов, составляющих оптическую схему медицинского эндоскопа, была высказана в 1970 г. в СССР.

Оптическая система эндоскопа, построенная на основе граданов, в общем случае включает следующие элементы (рис. 5): высокоапертурный градан, формирующий изображение пространства предметов (градан-объектив); низкоапертурный градан с большим периодом Т_тр, передающий изображение на заданную длину (градан-транслятор); линзовые компоненты, выполняющие роль компенсатора аберраций градиентных элементов; окуляр. Градан-транслятор может быть либо отделен воздушным промежутком от градана-объектива, либо склеен с граданом-объективом.

Рис. 5. Принципиальная оптическая схема эндоскопа на основе градиентных элементов: 1 — градан-объектив, 2 — градан-транслятор, 3 — компенсатор аберраций, 4 — окуляр, d_об — длина градана-объектива, d_тр — длина градана-транслятора.

Для обеспечения максимального значения углового поля в пространстве предметов при заданном диаметре градиентных компонентов необходимо, чтобы градан-объектив имел длину, обеспечивающую телецентрический ход главных лучей после объектива.

Градан-транслятор оптически эквивалентен нескольким оборачивающим системам. Длина транслятора выбирается, исходя из требуемой длины дистального конца прибора, и оценочно равна , , где m = 1, 2, 3, …

Одним из преимуществ граданных элементов является возможность замены двумя граданами нескольких десятков микролинз, составляющих оптическую схему эндоскопа. В эндоскопах, созданных на основе классической оптики, количество оптических деталей достигает 60, а число границ «стекло–воздух» — более 30. Поэтому даже при наличии многослойных просветляющих покрытий коэффициент интегрального светопропускания не превышает величины 40…50%. В случае применения градиентных элементов, в которых оптика дистального конца эндоскопа имеет только две отражающие поверхности, коэффициент интегрального светопропускания значительно возрастает и достигает величины от 85 до 75% при длине градана-транслятора от 50 до 200 мм.

Важнейшей характеристикой, определяющей эксплуатационные возможности наблюдательного прибора, является его разрешающая способность. Для системы, работающей на достаточно больших расстояниях до предмета по сравнению с диаметром ее входного зрачка, т.е. в режиме телескопа, предел разрешения N мм^-1 равен

Для системы, работающей на близких расстояниях, т.е. в режиме микроскопа, теоретическая разрешающая способность равна

где А = n_срU₀ — числовая апертура оптической системы;

λ — длина волны излучения.

Окончательно выражение для теоретической разрешающей способности системы «объектив–транслятор» имеет вид:

(10)

Во ВНИИ медицинского приборостроения был создан параметрический ряд градиентных оптических систем сверхтонких жестких медицинских эндоскопов, продолжаемый разрабатываться во «ВНИИМП-Оптимед».

Гибкие медицинские эндоскопы

Создание медицинских эндоскопов с изгибаемым в широком диапазоне дистальным концом стало возможным с появлением волоконно-оптических гибких жгутов, передающих свет по изогнутым каналам. Номенклатура таких эндоскопов (фиброскопов), представленных на мировом рынке, весьма обширна. Наибольшим разнообразием отличаются гибкие эндоскопы для исследования различных отделов пищеварительного тракта и дыхательных путей. Менее разнообразна номенклатура приборов для использования в оториноларингологии, урологии и гинекологии. Несмотря на разнообразие гибких медицинских эндоскопов, большинство из них строятся по типовой схеме, представленной на рис. 6, с разделением оптического канала передачи изображения на компоненты 4, 5, 6 и осветительного канала на компоненты 2, 3.

Рис. 6. Типовая схема гибкого медицинского эндоскопа: 1 — исследуемый объект; 2 — источник света; 3 — оптоволоконный осветительный жгут; 4 — объектив эндоскопа; 5 — оптоволоконный кабель для передачи изображения; 6 — окуляр.

Исследуемый объект 1 освещается источником света 2 при помощи гибкого осветительного жгута 3. Объектив 4 эндоскопа строит изображение исследуемого объекта на входном торце оптоволоконного жгута с регулярной укладкой волокон 5, который переносит изображение на выходной торец. Изображение рассматривается при помощи окуляра 6.

В общем виде гибкий эндоскоп (рис. 7) представляет собой гибкую протяженную трубку I, соединенную с корпусом II, который служит рукояткой для удержания прибора при эксплуатации; на корпусе установлен окуляр III. Гибкий кабель IV через разъем V соединяет эндоскоп с внешним источником света, воздуха и воды.

Рис. 7. Общий вид гибкого медицинского эндоскопа с волоконной оптикой: I — гибкая рабочая часть, II — корпус, III — окуляр, IV — соединительный кабель, V — разъем осветителя; 1 — управляемый дистальный конец, 2 — головка, 3 — кнопка подачи воды и воздуха, 4 — кнопка управления аспирацией, 5 — ручки управления дистальной частью, 6 — вход инструментального канала

Дистальный конец 1 рабочей части I при помощи ручек управления 5 может принудительно изгибаться под разными углами в одной или двух плоскостях, благодаря чему осуществляются введение прибора и последовательный осмотр участков исследуемой полости.

Внутри гибкой рабочей части расположены основные функциональные системы прибора: каналы передачи изображения и света, воздуха и воды, канал 6 для проведения гибких инструментов, который используется также для аспирации содержимого полости при исследовании. Каналы имеют выход через головку 2 дистальной управляемой части I.

В корпусе II монтируются механические системы управления изгибом дистальной части, подачей воздуха, воды и аспирацией.

Рабочая часть снаружи покрыта эластичными оболочками, обеспечивающими нетравматичное проведение прибора по анатомическому каналу и защищающими от попадания влаги во внутренние коммуникации эндоскопа.

Основой гибкого эндоскопа является оптическая система передачи изображения, состоящая из установленного в головке 2 объектива и гибкого жгута из регулярно уложенных кварцевых нитей, проложенного внутри гибкой части I, а также окуляра III, с помощью которого рассматривается получаемое после оптического жгута изображение с некоторым увеличением.

Необходимый для осмотра внутренней полости уровень освещения обеспечивается передачей света через гибкий оптоволоконный жгут, расположенный внутри кабеля IV и с помощью стандартизованного разъема V присоединяемый к внешнему источнику света. Через кабель от источника также подаются необходимые для проведения исследования воздух и вода, переключение которых производится с помощью установленной на корпусе кнопки 3; аналогичная кнопка 4 служит для управления аспирацией содержимого полости.

Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 281; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!