醫(yī)用電子宮腔鏡光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全 薇，張 雷，張正正，趙力強(qiáng)

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

醫(yī)用電子宮腔鏡光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全 薇，張 雷，張正正，趙力強(qiáng)

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

根據(jù)無(wú)麻醉宮腔病變?cè)\斷的需要，設(shè)計(jì)一個(gè)電子宮腔鏡光學(xué)成像系統(tǒng)，可用于1/4英寸CCD 宮腔鏡成像。該系統(tǒng)視場(chǎng)角為80°，工作景深為15～150mm，放大倍率為26倍，組成系統(tǒng)所有透鏡的口徑均小于4.5mm。該系統(tǒng)畸變小于4%，能實(shí)現(xiàn)局部范圍內(nèi)病灶的低畸變高清晰圖象放大，適用于無(wú)麻醉宮腔病變的診斷，為子宮惡性腫瘤的早期診斷提供可靠依據(jù)。

電子宮腔鏡;1/4 英寸CCD;光學(xué)成像系統(tǒng)；宮腔疾病診斷

目前在臨床醫(yī)學(xué)中，子宮疾病的診斷方法主要有超聲技術(shù)和電子內(nèi)窺鏡。超聲技術(shù)是將超聲探查部分置于各種體腔內(nèi)，通過(guò)超聲斷層影像，進(jìn)行疾病診斷的醫(yī)療技術(shù)。超聲技術(shù)只能觀察到器官斷層結(jié)構(gòu)的剖面，無(wú)法呈現(xiàn)光學(xué)圖像，具有圖像不直接、視野小、操作不靈活等缺點(diǎn)[1]。電子內(nèi)窺鏡可以直接觀察到人體腔內(nèi)及內(nèi)臟器官的組織形態(tài)和體內(nèi)病變情況，方便而準(zhǔn)確地對(duì)疾病進(jìn)行診斷。應(yīng)用電子內(nèi)窺鏡可以提高早期疾病檢出率，尤其是早期腫瘤的診斷，因此在臨床上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2-3]。電子內(nèi)窺鏡的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是子宮癌的早期診斷，但目前醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡的硬質(zhì)部外徑均超出了無(wú)麻醉宮腔診斷所容許的8mm上限[4]。用于宮腔疾病診斷時(shí)需做麻醉，故只適宜做手術(shù)的情況，不適宜單純作為子宮癌癥的早期診斷，限制了其在宮腔癌癥早期診斷方面的應(yīng)用[5]。

目前CCD(電荷耦合元件)產(chǎn)品已有尺寸為四分之一英寸、八分之一英寸，像素高數(shù)達(dá)幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)。在這樣條件下，研制適宜于單純作為子宮癌癥早期診斷的電子宮腔鏡，設(shè)計(jì)和研制小外徑、高分辨率的內(nèi)窺鏡光學(xué)成像系統(tǒng)成為關(guān)鍵。ZHANG Mei等人[4]研究的電子宮腔鏡成像物鏡，適用于1/4英寸CCD圖像傳感器，但視場(chǎng)角為74°，不利于無(wú)盲區(qū)的診斷；張薇等人[6]設(shè)計(jì)的二元變焦內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)，雖然視場(chǎng)角達(dá)到80°，但邊緣視場(chǎng)下空間頻率僅為40lp/mm，且最大畸變達(dá)到30%，成像質(zhì)量不佳；趙秋玲等人[7]研究的口腔內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，視場(chǎng)角為62°，視場(chǎng)角較小，限制了觀察視野；吳瓊等人[8]研究的基于梯度折射率透鏡的關(guān)節(jié)鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，鏡頭最大口徑雖然僅為4.6mm，但視場(chǎng)角只有60°；葉斌[9]的高清晰醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡關(guān)鍵技術(shù)研究，視場(chǎng)角較大達(dá)到140°，但畸變達(dá)到60%，成像質(zhì)量不佳。本文根據(jù)無(wú)麻醉宮腔病變?cè)\斷的需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)80°視場(chǎng)角，最大外徑為4.5mm，高清晰、低畸變，且可用于1/4英寸CCD的電子宮腔鏡光學(xué)系統(tǒng)。

1 電子宮腔鏡光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

光學(xué)成像系統(tǒng)是電子宮腔鏡探頭中的主要部件，作為醫(yī)用電子宮腔鏡的成像物鏡，須滿(mǎn)足如下要求：

1)視場(chǎng)：雖然電子宮腔鏡的成像系統(tǒng)需要有較大視場(chǎng)角[6]。但過(guò)大視場(chǎng)角又會(huì)引起系統(tǒng)畸變過(guò)大，成像不夠清晰，不能準(zhǔn)確診斷患者的病變。綜合考慮因素及實(shí)際應(yīng)用，所設(shè)計(jì)的電子宮腔鏡光學(xué)成像系統(tǒng)的視場(chǎng)角應(yīng)不小于80°。

2)孔徑：固定焦點(diǎn)內(nèi)電子宮腔鏡需要一個(gè)較長(zhǎng)的景深，使其對(duì)遠(yuǎn)近不同的部位都能獲得清晰的圖像，這樣可減少探頭的移動(dòng)及對(duì)焦時(shí)間，使用方便。一般攝像物鏡的景深可表示為[7]。

(1)

(2)

式中：Δ1和Δ2分別為遠(yuǎn)景深度和近景深度；F為F/#的取值；p為對(duì)準(zhǔn)平面到系統(tǒng)入瞳的距離；Z′為像平面上的彌散斑大小。

由式(1)和式(2)可知，F(xiàn)/#取值越大(即相對(duì)孔徑越小),景深越大；但像面照度與相對(duì)孔徑的平方成正比，相對(duì)孔徑越小像面照度越弱[8]。綜合考慮景深和像面照度兩方面因素，定義設(shè)計(jì)目標(biāo)為F/6。為實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)與CCD探測(cè)器相匹配，當(dāng)鏡頭內(nèi)接于1/4英寸CCD矩形框時(shí)，鏡頭最大口徑應(yīng)為4.5mm[7]。

3)光譜范圍：電子宮腔鏡采用白光LED冷光源照明。根據(jù)三基色白光LED光譜范圍，電子宮腔鏡光學(xué)成像系統(tǒng)的波長(zhǎng)范圍為400～650nm。

4)空間分辨率：目前CCD的種類(lèi)有很多種，為滿(mǎn)足電子內(nèi)窺鏡的硬質(zhì)部外徑無(wú)麻醉宮腔診斷8mm上限的要求，選用1/4英寸CCD。

本文所使用的1/4英寸CCD，水平分辨率為480TVL,光敏面尺寸為3.2mm×2.4mm。設(shè)面陣CCD沿x方向像元寬度為Ra，像元中心距為Rb。令Ra=Rb，則空間分辨率為

fN=480/2Rb=480/(2×3.2)=75lp/mm

(3)

為充分利用CCD的性能，電子宮腔鏡光學(xué)系統(tǒng)的分辨率應(yīng)大于75lp/mm。

2 電子宮腔鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及成像質(zhì)量分析

電子宮腔鏡光學(xué)成像系統(tǒng)選擇反遠(yuǎn)光學(xué)成像系統(tǒng)，反遠(yuǎn)系統(tǒng)可以拉長(zhǎng)后工作距；由于反遠(yuǎn)系統(tǒng)是由光焦度為負(fù)的前光具組和光焦度為正的后光具組組成，光學(xué)成像系統(tǒng)的軸外光束通過(guò)反遠(yuǎn)系統(tǒng)的前光具組發(fā)散，再經(jīng)反遠(yuǎn)系統(tǒng)的后光具組會(huì)聚，光線(xiàn)的像方孔徑角小于物方孔徑角，能更好的矯正系統(tǒng)像差，同時(shí)達(dá)到小孔徑和大視場(chǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑D/f′(D為入瞳直徑)、視場(chǎng)角2ω和焦距f′是光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)，三者的關(guān)系如下[9]：

相對(duì)孔徑=D/f′

(4)

y′=f′tanω

(5)

式中y′為像高。從式(4)、(5)可知，相對(duì)孔徑D/f′和視場(chǎng)角2ω與焦距f′成反比，這三個(gè)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)影響系統(tǒng)像差的校正[10]，因此在光學(xué)系統(tǒng)像差校正及優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要綜合考慮相對(duì)孔徑D′f′、視場(chǎng)角2ω與焦距f′三個(gè)參數(shù)的變化關(guān)系。

在醫(yī)用電子宮腔鏡光學(xué)成像系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，以光學(xué)系統(tǒng)的有效焦距和中心視場(chǎng)的畸變?yōu)閮?yōu)化目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)優(yōu)化到基本滿(mǎn)足優(yōu)化目標(biāo)后，再逐漸增大視場(chǎng)角，以光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體性的優(yōu)化[11-12]。光學(xué)系統(tǒng)整體優(yōu)化過(guò)程中，對(duì)于不同的像高，以系統(tǒng)的畸變?yōu)閮?yōu)化目標(biāo)進(jìn)行逐步優(yōu)化，直至光學(xué)系統(tǒng)在最大視場(chǎng)角下滿(mǎn)足畸變的要求。圖1是優(yōu)化后光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)由五片鏡組成，前兩片鏡組成的光具組光焦度為負(fù)，是反遠(yuǎn)系統(tǒng)的前組，后三片折射透鏡組成的光具組光焦度為正，是反遠(yuǎn)系統(tǒng)的后組，系統(tǒng)的最大視場(chǎng)可達(dá)到80°，最大鏡頭孔徑為4.5mm，有效焦距為2.89mm。為容易加工和裝配，所設(shè)計(jì)的電子宮腔鏡光學(xué)成像系統(tǒng)全部采用球面。

圖1 電子宮腔鏡光學(xué)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由式(3)得到1/4英寸CCD的空間分辨率fN=75lp/mm，根據(jù)下面公式[13]：

(6)

(7)

于是有：

(8)

因此只要光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線(xiàn)的空間分辨率在75lp/mm處的MTF值高于0.2，即可滿(mǎn)足1/4英寸CCD空間分辨率的要求。

圖2給出了光學(xué)系統(tǒng)在0°、40°、67.2°、80°視場(chǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線(xiàn)，在80°視場(chǎng)下空間分辨率在75lp/mm處，系統(tǒng)的MTF為0.27，達(dá)到了1/4英寸CCD對(duì)電子宮腔鏡光學(xué)成像系統(tǒng)空間分辨率的要求。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線(xiàn)

光學(xué)成像系統(tǒng)的場(chǎng)曲和f-θ畸變曲線(xiàn)如圖3所示，可以看出，系統(tǒng)的畸變?cè)?%以?xún)?nèi)，由于視場(chǎng)角較大，導(dǎo)致了較大的畸變，可以通過(guò)圖像處理來(lái)降低畸變，將其降至4%范圍內(nèi)[14]。由圖3可以看出，系統(tǒng)的場(chǎng)曲小于0.2mm。

圖3 場(chǎng)曲和f-θ畸變曲線(xiàn)圖

光學(xué)成像系統(tǒng)的點(diǎn)列圖如圖4所示，在0°、40°、67.2°、80°視場(chǎng)的彌散斑半徑的均方根值(RMS)分別為2.560μm、2.829μm、9.775μm、13.913μm，均小于15μm的艾里斑半徑，表明系統(tǒng)的成像質(zhì)量較好。

對(duì)于較大視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)，像面的照度通常不均勻，邊緣視場(chǎng)的照度相對(duì)光軸中心視場(chǎng)降低很多，當(dāng)視場(chǎng)角不超過(guò)60°時(shí)，如果視場(chǎng)邊緣的照度小于中心照度的56%，會(huì)影響系統(tǒng)視場(chǎng)邊緣的分辨率[7]。圖5給出了本文所設(shè)計(jì)的電子內(nèi)窺鏡光學(xué)成像系統(tǒng)像面的相對(duì)照度，從圖5中可以看出，像面邊緣處的相對(duì)照度是中心視場(chǎng)的71.5%，說(shuō)明整個(gè)像面的照度的均勻性較好，不會(huì)影響系統(tǒng)視場(chǎng)邊緣的分辨率。

圖4 點(diǎn)列圖

圖5 系統(tǒng)像面的相對(duì)照度

上述對(duì)所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量分析，表明所設(shè)計(jì)的醫(yī)用電子宮腔鏡光學(xué)成像系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足1/4英寸CCD探測(cè)器的要求，并且成像質(zhì)量好，圖像清晰，滿(mǎn)足對(duì)病人患處的觀察、成像、圖像處理及其圖像分析的需要。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一個(gè)大視場(chǎng)角的光學(xué)系統(tǒng)，可用于1/4英寸CCD宮腔鏡的成像。系統(tǒng)的最大視場(chǎng)角為80°，相對(duì)孔徑為F/6，最大空間分辨率高于75lp/mm，具有較大的景深，像面照度均勻。垂軸像差、場(chǎng)曲、色差都得到很好的校正，有很好的成像質(zhì)量。系統(tǒng)的口徑小于4.5mm，滿(mǎn)足小于8mm的免麻醉電子宮腔鏡的尺寸要求。

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DesignofOpticalImagingSystemforMedicalElectronicEndoscope

QUAN Wei,ZHANG Lei,ZHANG Zhengzheng,ZHAO Liqiang

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China )

According to the requirement of the diagnosis of uterine cavity lesions without anesthesia,an optical imaging system for medical electronic endoscope was designed,and its maximum lens diameter was less than 4.5mm.The optical imaging system is used for 1/4 "CCD image sensor.The viewing angle is 80°,working depth 15mm-150mm,magnification 26 times.The distortion of optical imaging system is less than 4% and the maximum field curvature 0.2 mm,which can get a high definition magnified image and realize the diagnosis of uterine diseases without anesthesia,especially early-stage malignant tumors.

medical electronic endoscope;1/4 inch CCD;optical imaging system;diagnosis of uterine diseases

2013-11-19

沈陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目(F12-277-1-27)

全薇(1964—)，女，教授，研究方向：光學(xué)工程.

1003-1251(2014)05-0006-04

TH74

A

趙麗琴)