Оптичні системи жорстких медичних ендоскопів

Нижче розглядається ряд оптичних схем ендоскопів, побудованих з використанням стрижнеподібних лінз, визначені їх основні переваги і недоліки.

Головний об'єктив 1, відповідно до рисунку 2.20, а, формує зображення даних об'єктів в зменшеному вигляді перед першою з обертаючих систем 2 всередині стрижнеподібного колективу 3. Отримане зображення послідовно передається за допомогою ряду компонентів до окуляра 4. Окуляр дозволяє розглядати зображення із збільшенням [29].

Недоліком розглянутої схеми, пов'язаним з її конструктивними особливостями, є значна величина дисторсії. Для підвищення якості зображення в роботі [30] пропонується оптична схема, представлена на рисунку 2.20, б. Оптична схема містить головний об'єктив 1, що складається з негативного (2) і позитивного (3) компонентів, обертаючої систему 4 і окуляр 5. Система забезпечена компенсатором 6, встановленим за обертаючою системою на відстані, що не перевищує двох діоптрій від фокальної площини окуляра 5, виконаним у вигляді негативної плоско-ввігнутої (7) і позитивної опукло-плоскої (8) лінз, при цьому показник заломлення останньою перевищує не менше, чим на 0,2, показник заломлення негативної лінзи 7. Пучки променів, проходячи через компенсатор 6, заломлюються на негативній (7) і позитивній (8) лінзах. Внаслідок того, що абераційні властивості оптичної поверхні залежать як від величини і знаку її кривизни, так і від кута падіння променів відносно нормалей в місцях зустрічі променів з цією поверхнею, при проходженні пучків променів через лінзи 7 і 8 відбувається зменшення дисторсії і поліпшення якості зображення.

У роботі [31] запропонована оптична схема ендоскопа, що дозволяє підвищити якість зображення за рахунок покращеної корекції астигматизму при одночасному підвищенні якості центрування оптичних деталей в одному склеюваному блоці (не перевищує 4 деталей, в попередній схемі використовується до 5 деталей).

Оптична схема ендоскопа, представлена на рис. 2.20, в, може бути виконана з двома варіантами орієнтування поверхонь склеювання: а - поверхні склеювання з негативною оптичною силою крайніх компонентів угнутістю повернені до середнього компонента; б - те ж, опуклістю до середнього компонента.

Оптична схема ендоскопа містить головний об'єктив 1, послідовно розташовані однакові симетричні обертаючі системи 2, що складаються з трьох позитивних стрижнеподібних двоопуклих компонентів 3, 4 і 5 (середній компонент 4 виконаний склеєним з двох плоско-опуклих лінз 6 і 7 і розташованої між ними плоскопаралельної пластини 8, а найближча до середнього компонента 4 поверхня склеювання крайніх компонентів 3 і 5 має негативну оптичну силу), і окуляр 13.

Рис. 2.20. Оптичні схеми жорстких медичних ендоскопів

Причому, якщо поверхня склеювання з негативною оптичною силою крайніх компонентів 3 і 5 орієнтована до середнього компонента 4, то кожен крайній компонент 3 і 5 включає позитивну двоопуклу лінзу 9 і увігнуто-плоску лінзу 10, плоскопаралельну пластину 11 і плоско-опуклу лінзу 12, при цьому показник заломлення увігнуто-плоскої лінзи 10 перевищує показник заломлення двоопуклої лінзи 9 на величину від 0,1 до 0,3. Якщо ж поверхня склеювання з негативною оптичною силою крайніх компонентів 3 і 5 орієнтована опуклістю до середнього компонента 4, то кожен крайній компонент 3 і 5 включає негативну вгнуто-опуклу лінзу 14 і опукло-плоску лінзу 15, плоскопаралельну пластину 16 і плоско-опуклу лінзу 17, при цьому показник заломлення вгнуто-опуклої негативної лінзи 14 більший показника заломлення плоско-опуклої лінзи 17 на величину від 0,1 до 0,3.

Дана система може бути реалізована, наприклад, в оптичній системі цистоскопу, конструктивні параметри половинки обертаючої системи якої представлені в додатку 8.

Технічні характеристики обертаючої системи (варіант а):

Технічні характеристики обертаючої системи (варіант б):

Розглянутим вище оптичним схемам ендоскопів властивий загальний недолік - мале віддалення площини вихідної зіниці при використанні короткофокусного окуляра. Це пов'язано з тим, що всі об'єктиви обертаючих систем системи передачі зображення виконані однаковими з телецентричним ходом головних променів, що обумовлює розташування вихідної зіниці системи в задній фокальній площині окуляра (рисунок 2.21). Крім того, велика собівартість виготовлення оптичної системи і недостатня надійність її роботи, оскільки кожен з компонентів обертаючої системи склеєний з 2-5 оптичних деталей, що пояснюється виправленням подовжньої аберації (астигматизм, сферична, хроматизм) в кожному компоненті системи передачі зображення.

Рис. 2.21. Положення вихідної зіниці при телецентричному ході променів

У роботі [32] запропонована оптична схема ендоскопа з віддаленим положенням вихідної зіниці і спрощеною конструкцією (рисунок 2.22, а). Це досягається за рахунок виконання в системі передачі зображення крайніх компонентів відносно тонкими. У такому компоненті немає оптичної поверхні (як це має місце в стрижнеподібному компоненті), що виконує роль колективу, який пригинає до оптичної осі головні промені. Ця обставина дозволяє отримати положення вихідної зіниці за задньою фокальною площиною окуляра. А самі крайні склеєні з трьох лінз компоненти, що працюють як об'єктиви обертаючої системи, дозволяють компенсувати залишкову повздовжню аберацію, властиву простим внутрішнім компонентам системи передачі зображення, забезпечивши тим самим прийнятну якість отримуваного зображення.

системи передачі зображення 3, побудованого з ряду послідовно розташованих обертаючих систем 4, кожна з яких складається з двох двоопуклих компонентів 5, 6; 7, 8; 9, 10. Причому крайні компоненти 5 і 10 виконані однаковими, склеєними з трьох лінз 11, 12, 13. Поверхні склеювань 14 і 15 виконані з негативною оптичною силою. Внутрішні компоненти 6, 7, 8 і 9 систем передачі зображення виконані однаковими у вигляді простих стрижнеподібних лінз. Зокрема, це може бути симетрична, концентрична кульова лінза, з показником заломлення.

Залежно від технології виготовлення стрижнеподібної лінзи, кожен з внутрішніх компонентів 6, 7, 8, 9 систем передачі зображення 3 може бути виконаний склеєним з опукло-плоскої 14, плоско-опуклої 16 лінз і розташованого між ними стрижня 15 з плоскопаралельними торцями, як це зроблено в оптичній системі цистоскопу (рисунок 2.22, б). Для зниження кривизни зображення лінзи 14 і 16 виконані із скла з вищим показником заломлення, чим розташований між ними стрижень 15.

Рис. 2.22. Оптичні схеми ендоскопів

Оптична схема ендоскопа складається з об'єктиву 1, окуляра 2,

Кожен з крайніх компонентів 5 і 10 систем передачі зображення 3 для усунення повздовжньої аберації виконані склеєними з трьох лінз 11, 12, 13. Переважно виконувати лінзи 11 і 13 у вигляді менісків з негативною оптичною силою, а розташовану між ними лінзу 12 - двоопуклою, такою, що має показник заломлення менший, ніж в лінз 11 і 13 (рисунок 2.22, а).

У даній схемі ендоскопа головні промені, які розходяться, потрапляють в окуляр 4 і перетинають оптичну вісь за задньою фокальною площиною окуляра (рисунок 2.23), що дозволяє забезпечити віддалення вихідної зіниці більше величини заднього фокального відрізку.

Рис. 2.23. Положення вихідної зіниці при нетелецентричному ході променів

Конструктивні параметри двох варіантів ендоскопа приведені в додатку 9.

Всі розглянуті оптичні схеми ендоскопів містять набори лінз, розділені повітряними проміжками. Така конструкція призводить до зниження коефіцієнта пропускання, збільшенню розсіяного світла і, як результат, до зниження контрасту зображення. У роботі [33] пропонується обертаючу систему виконувати у вигляді моноблоку 2 (рисунок 2.22, в), що містить на кінцях плоско-опуклі колективи 4, 5 і розташована між ними парна кількість об'єктивів 6, 7, 8, 9, розділених пластинками 10, 11, 12, 13, 14 з осьовою довжиною, що перевищує товщину об'єктивів. Скорочення кількості поверхонь, що межують з повітрям, забезпечує підвищення коефіцієнта пропускання оптичної системи і поліпшення контрасту зображення, побудованого об'єктивом 1 і що розглядається за допомогою окуляра 3.

2.6.2. Типи жорстких медичних ендоскопів

Жорсткі ендоскопи поставляються у вигляді наборів компонентів. Мінімальний комплект постачання містить жорсткі оптичні трубки, троакари, освітлювач і набір інструментів для діагностики і проведення терапевтичних процедур або хірургічних операцій.

Троакари (рисунок 2.24) різні за будовою і розмірами. Вони призначені для забезпечення доступу до операційного поля і створення операційного простору. Є порожнистими трубками, з один або декількома каналами різного призначення, що містять: оптичний канал, канал для закачування газів або рідини, інструментальний канал і ін. Залежно від призначення каналів, троакар може містити фіксатори для оптичних трубок, один або декілька каналів для керування газовими або рідинними потоками, адаптери для під'єднування різних інструментів і так далі. Зовнішня поверхня троакарів може бути круглою і некруглою (еліптичною, овальною і ін.) [7].

Рис. 2.24. Троакар

Освітлювачі є апаратами, що містять джерело електроживлення, джерело світла, а також світловолоконний кабель для з'єднання освітлювача з оптичною трубкою. У зоні окуляра в оптичну трубку вмонтований штуцер для під'єднування світловолоконного кабелю, пов'язаного з джерелом світла.

Жорсткі ендоскопи підрозділяють на дві великі групи, одна з яких призначена для занурення в порожнину тіла через природні отвори, а друга група, звана лапароскопами, - через один або декілька проколів. Жорсткі ендоскопи першої групи називають за назвами порожнин, для дослідження і лікування яких вони призначені (див. додаток 1). До лапароскопів традиційно відносять лише ті ендоскопи, які призначені для досліджень черевної порожнини. При цьому, не дивлячись на відсутність принципових конструктивних відмінностей, лапароскопам часто привласнюють спеціальні назви залежно від досліджуваної порожнини (синускопи, нефроскопи, пельвіскопи і так далі).

У комплект постачання можуть входити декілька троакарів, що відрізняються один від одного не лише конструктивними ознаками, але і лінійними параметрами, а також декілька оптичних трубок, що відрізняються напрямом огляду.

Жорсткі ендоскопи забезпечуються набором специфічних інструментів і відповідних апаратів. Окрім них, ендоскопічний набір може додатково включати відеокамеру з виходом на стандартний монітор або відеомагнітофон, насос для аспірації (відсмоктування) і іригації (накачування) рідини, електрохірургічний високочастотний апарат, термокоагуляційний апарат.