王 成, 董肖娜, 蔡 干, 陳明惠, 鄭 剛

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與視光學(xué)研究所, 上海 200093)

耳鼻喉內(nèi)窺鏡視頻高清光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 成, 董肖娜, 蔡 干, 陳明惠, 鄭 剛

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與視光學(xué)研究所, 上海 200093)

為了實(shí)現(xiàn)高清數(shù)字化醫(yī)療內(nèi)窺成像,使用成像質(zhì)量良好的耦合透鏡系統(tǒng)耦合內(nèi)窺鏡目鏡和CCD相機(jī),成為高清視頻內(nèi)窺鏡。基于實(shí)際應(yīng)用的要求,設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于耳鼻喉科內(nèi)窺鏡耦合CCD相機(jī)的透鏡系統(tǒng),該系統(tǒng)可以用于1/1.8 in(1 in=25.4 mm)、200萬像素的CCD相機(jī)成像,并且具有12°視場角,4.4的F數(shù)。在調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)大于0.1判據(jù)下,透鏡系統(tǒng)各視場的分辨率都在111 lp/mm以上,在全視場范圍都能取得很好的成像效果。實(shí)際測試表明,該系統(tǒng)光學(xué)成像清楚,圖像細(xì)節(jié)表現(xiàn)明顯,分辨率達(dá)到了高清成像的要求,雖然結(jié)構(gòu)簡單,但達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo),不但有利于加工和裝配,而且降低了大量的成本。

內(nèi)窺鏡; 耦合; 高清; CCD相機(jī); 耳鼻喉科

引 言

內(nèi)窺鏡是用來無創(chuàng)或微創(chuàng)地觀察其他成像設(shè)備無法進(jìn)入內(nèi)部體腔的成像醫(yī)療設(shè)備,通過它能在人體自然狀態(tài)下,高分辨地直接觀察到內(nèi)臟器官的組織形態(tài),如耳腔、胃部等,內(nèi)窺鏡已成為醫(yī)療診斷的可靠工具。內(nèi)窺鏡最早于1877年由Maximilian Nitze發(fā)明,由物鏡組、轉(zhuǎn)像透鏡組和目鏡組三部分組成[1]。在內(nèi)窺鏡發(fā)展史上,最具代表性的是在1959年Harold等發(fā)明了棒狀透鏡,棒狀透鏡的使用大大增加了內(nèi)窺鏡的傳光能力,大大提高了成像的對比度[2-3]。1963年Karl Stotz又結(jié)合棒狀透鏡成像和光纖束傳輸照明光,基本奠定了當(dāng)前硬性內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)[4-5]。在此基礎(chǔ)上,于1992年證明了內(nèi)窺鏡目鏡與CCD耦合的視頻內(nèi)窺鏡的可行性[1]。隨著光源技術(shù)、電子顯示技術(shù)等的發(fā)展,視頻內(nèi)窺鏡得到了長足的發(fā)展[6-7]。通過內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)將被觀察目標(biāo)成像在CCD靶面上,經(jīng)光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?再經(jīng)信號處理和圖像處理后,實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示清晰的放大圖像。在內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的協(xié)助下,醫(yī)生能更好地發(fā)現(xiàn)被觀察組織發(fā)生的病變,并能讓患者直觀地、全面地了解自己身體內(nèi)存在的問題。這些圖像還能存儲(chǔ)在患者的數(shù)據(jù)庫中,與文字、圖形、圖像等信息共同組成新一代的電子病歷,便于調(diào)閱和用于會(huì)診、學(xué)術(shù)報(bào)告等場合。趙秋玲等[8]基于實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)了一個(gè)90°視向角的光學(xué)系統(tǒng),該系統(tǒng)可用于1/4 in(1 in=25.4 mm)CCD口腔內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)且具有視場角62°,F數(shù)為7,各視場的光學(xué)傳遞函數(shù)在80 lp/mm處取值良好,景深大、像面照度均勻,整個(gè)系統(tǒng)的最大口徑小于4.6 mm。提高視頻內(nèi)窺鏡的性能[9-10],使圖像能更高清晰地呈現(xiàn)組織的特性一直是研究人員努力的方向。這除了要求內(nèi)窺鏡和CCD性能提高以外,對連接內(nèi)窺鏡和CCD相機(jī)的耦合光學(xué)系統(tǒng)也提出了更高的要求。本文根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡單,成本低,適合于200萬像素、1/1.8 in CCD相機(jī)的高清內(nèi)窺鏡耦合光學(xué)系統(tǒng)。

1 耦合光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

1.1基本機(jī)械結(jié)構(gòu)

內(nèi)窺鏡耦合光學(xué)系統(tǒng)(或者稱內(nèi)窺鏡適配鏡)是在現(xiàn)有內(nèi)窺鏡的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)光學(xué)耦合內(nèi)窺鏡目鏡和CCD相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)。具體的安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 內(nèi)窺鏡與CCD相機(jī)耦合結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram for coupling endoscopy with CCD Camera

1.2設(shè)計(jì)要求

MTF是所有光學(xué)系統(tǒng)性能判據(jù)中最全面的判據(jù)。它是像的調(diào)制度與物的調(diào)制度之比,是空間頻率的函數(shù)。通常MTF值隨空間頻率的上升而下降,即一個(gè)鏡頭的MTF值越大越好,MTF曲線包圍的面積越大越好,偏離光軸的點(diǎn)在子午方向和弧矢方向的MTF值越接近越好[11]。且在有效視場范圍內(nèi)一般要求MTF大于0.1處的分辨率越高其圖像分辨率也越好。在本文設(shè)計(jì)中主要參考MTF的值進(jìn)行優(yōu)化,根據(jù)實(shí)際開發(fā)需要,選用的CCD是凌云公司的一款HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)高清接口相機(jī),具體的參數(shù):CCD成像尺寸為1/1.8 in的彩色CCD 芯片,總像素?cái)?shù)為200萬。為了達(dá)到高清效果,本文設(shè)計(jì)的耦合透鏡的最高圖像分辨率要與CCD芯片的圖像分辨率相同,即

芯片的圖像分辨率=1/(2×CCD像素尺寸)=111 lp/mm

根據(jù)前述分析,即要求耦合透鏡系統(tǒng)在圖像分辨率111 lp/mm處的MTF值要大于0.1。

2 光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及像質(zhì)

本設(shè)計(jì)的初始參數(shù)為:波長為F、D、C可見光的三基色波長,半視場角為6°,入瞳距離為5 mm,入瞳直徑為5 mm。為了降低成本,有利于產(chǎn)業(yè)化,本設(shè)計(jì)采用對稱式的雙膠合透鏡結(jié)構(gòu),玻璃材料選用Schott的BK7和F2,都是比較常用的玻璃材料。經(jīng)過反復(fù)在Zemax軟件下優(yōu)化,得到具體的設(shè)計(jì)結(jié)果,如圖2所示。系統(tǒng)前后各有一片平行的薄片為窗口片,采用BK7玻璃材料,1 mm厚度,主要的作用是在安裝時(shí)起到保護(hù)的作用,即將耦合透鏡系統(tǒng)封裝在機(jī)械結(jié)構(gòu)中,起到防水和防塵的作用,有利于消毒和清洗,并且不影響耦合透鏡的性能。

圖2 內(nèi)窺鏡與CCD 相機(jī)耦合的透鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Layout of optical system of coupling lens for endoscopy and CCD camera

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)全視場角為12°,有效焦距為22.0 mm,F數(shù)為4.4,離軸像高為2.3 mm,將使用CCD相機(jī)90%的像面空間。圖3 給出了耦合透鏡系統(tǒng)的波前光程差,除在最大視場角下,最大的光程差為1個(gè)波長左右,其他入射角下的垂軸像差、場曲和畸變都可以滿足高分辨率成像的要求,特別是圖4 顯示圖像分辨率在111 lp/mm處,除了子午方向最大視場的MTF小于0.25以外,其他視場的MTF都大于0.25。圖5給出了相機(jī)在全視場范圍內(nèi)的相對照度曲線,整體照度非常均勻。從這些像差和MTF數(shù)據(jù)可以看出,整個(gè)設(shè)計(jì)滿足預(yù)計(jì)需求。

圖3 耦合透鏡系統(tǒng)的像差Fig.3 Aberration curves of the coupling lens system

圖4 耦合透鏡系統(tǒng)的MTF曲線圖Fig.4 MTF curve of the coupling lens system

圖5 系統(tǒng)相對照度曲線Fig.5 Relative illumination curve of the coupling lens system

3 測試結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng),加工了耦合透鏡系統(tǒng),結(jié)合內(nèi)窺鏡和CCD 相機(jī)測試了成像的效果,具體的測試系統(tǒng)如圖6所示。CCD采用的是凌云公司的HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)高清接口的相機(jī),耦合透鏡系統(tǒng)已經(jīng)裝配在機(jī)械結(jié)構(gòu)中,該機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了調(diào)焦的功能,可以在內(nèi)窺鏡和CCD相機(jī)間調(diào)節(jié)位置,以便CCD能更好地對焦,CCD相機(jī)圖像在Sony顯示器上顯示。圖7給出了內(nèi)窺鏡圖像經(jīng)耦合透鏡系統(tǒng)成像在CCD上的照片,由圖可見成像清楚,圖像細(xì)節(jié)表現(xiàn)明顯,分辨率達(dá)到了高清成像的要求。

圖6 耦合透鏡系統(tǒng)測試系統(tǒng)Fig.6 Testing system for coupling lens system

圖7 內(nèi)窺鏡圖像經(jīng)耦合透鏡系統(tǒng)成像在CCD上照片F(xiàn)ig.7 Photograph taken by CCD camera using coupling lens system

4 結(jié) 論

視頻內(nèi)窺鏡是當(dāng)前臨床使用的主流,醫(yī)生使用內(nèi)窺鏡和CCD相機(jī)耦合的視頻成像方式進(jìn)行病情觀察已越來越廣泛,這就要求有一個(gè)成像質(zhì)量良好的耦合透鏡系統(tǒng)耦合內(nèi)窺鏡目鏡和CCD相機(jī)?；趯?shí)際應(yīng)用的要求,設(shè)計(jì)了適用于耳鼻喉科內(nèi)窺鏡耦合CCD相機(jī)的耦合透鏡系統(tǒng)。實(shí)際測試表明:所設(shè)計(jì)的耦合透鏡系統(tǒng),成像清楚,圖像細(xì)節(jié)表現(xiàn)明顯,分辨率達(dá)到了高清成像的要求;另外,對于生產(chǎn)來說,因?yàn)椴捎玫氖莻鹘y(tǒng)材料和雙膠合對稱結(jié)構(gòu),降低了加工的成本,更有利于產(chǎn)業(yè)化。

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Designandimplementationofvideolenswithhigh-definitionresolutionforotolaryngologyendoscope

WANG Cheng, DONG Xiaona, CAI Gan, CHEN Minghui, ZHENG gang

(Institute of Biomedical Optics and Optometry, School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

In order to achieve high-definition digital medical endoscopic imaging,a coupling lens system with high imaging quality is needed to couple the eyepiece of an endoscope and the camera.According to the clinical application requirements,one coupling lens system suitable to otolaryngology was designed for a CCD camera with 1/1.8 inch imaging area and 2 megapixels.The coupling lens system has a 12° angle of field andFnumber of 4.4.Under the criterion of the modulation transfer functions(MTF) of the coupling lens system in each field are greater than 0.1,and the resolution is better than 111 lp/mm so that it can achieve excellent imaging quality in the whole field of view.The testing results have shown that the designed coupling lens system is able to obtain a high-definition resolution imaging with uniform illumination.Although it is very simple in the structure,the expected results have been accomplished.It is not only better to manufacture and assemble but also save a lot of cost.

endoscopy; coupling; high-definition; CCD camera; otolaryngology

1005－5630（2017）05－0059－05

2017-04-04

王 成(1977—),男,副教授,主要從事生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與視光學(xué)方面的研究。E-mail:shhwangcheng@163.com

O 438

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2017.05.010

(編輯:劉鐵英)