一种手持式内窥镜成像系统的制作方法

1.本实用新型涉及手术显微镜技术领域，具体而言，涉及一种手持式内窥镜成像系统。

背景技术：

2.内窥镜是现代医学的一项关键技术，主要包括两部分，一部分是光学成像系统，用于对可疑病变进行可视化检查，一部分是工作通道，用于插入手术工具。光学成像系统与工作通道的结合不仅使临床医生能进行病理活检，也能进行各种微创手术，大大拓展了手术范围，提高了手术精密度和治愈率，其中，光学成像系统的成像好坏直接影响着内窥镜的使用效果。
3.通常，光学成像系统在物方都具备较高分辨率的设计，以便使医生能看清手术部位的精细结构，但高分辨率与大景深不可兼顾，高分辨率的显微内窥镜其景深却很小，内窥镜的景深决定着成像系统在光轴方向能成清晰像的范围，景深越小，在光轴方向上能看到的深度范围也就越小。而手持式显微内窥镜在使用中难免会在小范围内发生抖动，因景深小，所以医生在操作过程中因抖动等动作很容易使像面失焦，使医生能看清的区域非常有限，进而影响手术的效果。因此，扩展景深成为当前成像系统的迫切需要，传统的景深扩展方法如变焦距法、变孔径法、离焦法和景深叠加法等虽可以获得大景深的图像，但不适合实时在线使用，且没考虑系统放大倍数的变化。
4.为了满足实时在线诊断检测，需要成像系统不仅具有大的景深还要保证放大倍数基本不变，因此，亟需开发一种新型内窥镜成像系统以适应市场需求。

技术实现要素：

5.为此，本实用新型提供了一种手持式内窥镜成像系统，改进系统的放大镜模块，在放大镜模块内设置液体透镜，利用液体透镜的快速变焦实现成像系统景深的扩展，并在照明模块内设置指示光作为成像的中心靶标，解决了内窥镜使用过程中因手抖造成的成像质量下降的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型主要采用以下技术方案：
7.一种手持式内窥镜成像系统，包括物镜模块、中继镜模块、放大镜模块、相机、显示器、控制模块及照明模块，所述物镜模块用于收集物面反射的光信号并成像至第一像面，所述中继镜模块将所述第一像面上的图像等比例传至第二像面，所述放大镜模块用于将所述第二像面的图像放大并成像至所述相机中，所述控制模块用于所述放大镜模块的变焦和相机的图像采集及显示器的图像显示，所述照明模块用于为所述内窥镜成像系统提供照明光，其中，所述物面位于所述物镜模块的前焦面上，所述物镜模块的后端连接所述中继镜模块的前端，所述中继镜模块的侧面连接所述照明模块，所述中继镜模块的后端连接所述放大镜模块的前端，所述相机设置于所述放大镜模块的后焦面上，所述放大镜模块包含液体透镜，且所述液体透镜、所述相机及所述显示器分别电连接于所述控制模块上。
8.优选地，所述放大镜模块还包括两组玻璃透镜组，所述液体透镜设置在所述两组玻璃透镜组之间。
9.优选地，所述照明模块包括光源装置、光纤束及二向镜，所述光源装置的输出端连接所述光纤束的输入端，所述光源装置发出的光依次经过所述光纤束和所述二向镜后，通过所述中继镜模块和所述物镜模块照射至所述物面上。
10.优选地，所述光源装置包括激光器，用于发出激发光。
11.优选地，所述光源装置还包括指示光源，位于所述光纤束中心的多条光纤的输入端连接所述指示光源。
12.优选地，所述照明模块还包括照明透镜组，所述照明透镜组设置在所述光纤束出光口与所述二向镜之间。
13.优选地，所述中继镜模块包括第一中继镜和第二中继镜，所述二向镜位于所述第一中继镜和所述第二中继镜之间。
14.优选地，所述照明模块还包括激发滤光片，所述激发滤光片位于所述二向镜和所述光纤束的出光口之间。
15.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：1)在手持式内窥镜成像系统的放大镜模块中设置液体透镜，液体透镜在控制模块的作用下实现快速变焦，进而改变放大镜模块的焦距和工作距，使其能接收到物面前后表面的成像，增大了物方的景深，降低了手纵向抖动对成像质量的影响；2)在手持式内窥镜成像系统的照明模块光纤束的中心增设指示光源，使医生在观看图像时产生一个中心靶标作为参照基准，降低了手横向抖动对成像质量的影响。
附图说明
16.图1为本实用新型实施例手持式内窥镜成像系统结构示意图；
17.图2为本实用新型实施例中光纤束出光面的结构示意图。
具体实施方式
18.下面将结合示意图对本实用新型的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
19.本实用新型提供了一种手持式内窥镜成像系统，如图1所示，在本成像系统中，靠近物面的方向称为前，远离物面的方向称为后，该成像系统包括物镜模块1、中继镜模块2、放大镜模块3、相机4、显示器5、控制模块6及照明模块7，物镜模块1的后端连接中继镜模块2的前端，中继镜模块2的后端连接放大镜模块3的前端，中继镜模块2的侧面连接照明模块7，相机4设置于放大镜模块3的后焦面上，其中，放大镜模块3包含液体透镜32，且放大镜模块3、相机4及显示器5分别电连接于控制模块6。该成像系统通过控制液体透镜32的快速变焦及相机4的采集同频，结合物镜模块1及中继镜模块2的优化，有效改善因操作过程中手的纵向抖动造成的图像质量不稳定的问题，在放大倍率不变的基础上，保证了多种共轭距下的成像质量，通过人眼视觉的暂留对多张相同放大倍数的图像进行自动融合，实现获取高分辨率、大景深的实时图像。
20.在本实施方案中，物镜模块1用于收集物面100反射的光信号并成像至第一像面200，其包括多组玻璃透镜。中继镜模块2用于将第一像面200上的图像等比例传至第二像面300，其包括第一中继镜21及第二中继镜22。放大镜模块3用于将第二像面300的图像成像至相机4，其包括两个玻璃透镜组31及设置在两个玻璃透镜组31之间的液体透镜32，液体透镜32连接于控制模块6。照明模块7用于为成像系统提供照明光，其包括光源装置(图中未示出)、光纤束71及二向镜72，其中二向镜72设置于第一中继镜21和第二中继镜22之间，优选地，还包括照明透镜组73，其设置于光纤束71出光口与二向镜72之间，用于将照明光准直为平行光。相机4用于完成物面图像的拍摄，设置于放大镜模块3的后焦面上并连接于控制模块6。显示器5电连接于控制模块6，其用于对相机4采集到的图像进行输出显示，以供医生术中观看，在本实施方案中，高速相机4与高速显示器5的配合使用，结合人眼的视觉暂留，可同时观看到多张物面前后一定范围内的图像，这样就有效解决了医生操作中因手的抖动效应造成图像质量下降的问题。
21.本成像系统中包括两个光路传输，一个是照明光路，一个是物面成像获取光路。照明光路用于把光源装置输出的光传输至物面100，物面成像获取光路用于将物面100反射的光信号成像至相机4。
22.在照明光路中，光源装置可以为一种光源，如led照明光源，光源装置发出的光依次经光纤束71、照明透镜组73后由二向镜72反射进入第一中继镜21，再经物镜模块1汇聚在物面100上，具体为光源装置输出端连接光纤束71的输入端，光纤束71的输出端发出的光进入照明透镜组73，经照明透镜组73后变成平行光，输出的平行光经二向镜72反射进入第一中继镜21并汇聚至第一像面200，而后再经物镜模块1汇聚至物面100，物面100的反射光进入物面成像获取光路，从而实现对物面100的照明。当待观看的物面100为被染的病灶部位，则需要输入激发光，此时光源装置可为激光器，激光器发出的光的入射光路传输与上述照明光源的入射光路传输相同，当激发光传至被染的物面100时则会激发出荧光，该物面100的萤光反射进入物面成像获取光路也即采用同轴照明方式实现物面的成像。优选的，当照明模块7包括激光器时，在激发光入射光路中的照明透镜组73和二向镜72之间设置激发滤光片74，激发滤光片74会使传输至物面100的激发光的波段更窄，也更符合物面组织的荧光激发需求。在光源装置还可包括多种光源，如照明光源组合指示光源，或激发光源组合指示光源，如图2所示，光纤束71中心的多条光纤710的输入端单独聚集在一起磨平来连接指示光源，指示光源优选近红外光，如850nm，光纤束71的其他光纤另外聚集并且端面磨平接收激发光源或照明光源，光路传输至物面100后在物面100的中心会有一块区域的红外反射光，该红外反射光也会被相机4接收。在照明模块7中添加指示光源后，在物面成像的图像中心会有一个较亮的中心指示光，医生在观看物面成像时，中心指示光相当于中心靶标，增强了人的主动控制意识，降低了手持内窥镜的横向抖动，有利于手对内窥镜拿捏得更稳定。
23.在物面成像获取光路中，由物面100反射的光依次经物镜模块1、第一中继镜21、第二中继镜22、放大镜模块3传至相机4，实现在相机4中成像。物面100的反射光先经物镜模块1成像至第一像面200，第一像面200的图像再经第一中继镜21、二向镜72及第二中继镜22等比例传至第二像面300，第二像面300的图像经放大镜模块3放大并再次成像至相机4中。物镜模块1与中继镜模块2的组合是将物面100反射光信号成像至第二像面300，也即物面
100与第二像面300是一对共轭关系，对于物面100前的表面或者物面100后的表面，其共轭面在第二像面300的后面(靠近相机为后)或者第二像面300的前面，这个时候可以成像，但是物面100前的表面或者物面100后的表面的成像质量不如物面的成像质量，为了解决这个问题，本实用新型的内窥镜成像系统的物镜模块1与中继镜模块2利用多重结构设计方法通过调整透镜组的参数及位置关系来保证物面100在一定范围内移动，且放大镜模块3接收像的质量不下降，质量评价指标主要有分辨率、相对照度、场平度，也即传统内窥镜成像系统只用保证一种共轭距下的成像质量，本实用新型提供的内窥镜成像系统有效保证了多种共轭距下的成像质量。
24.其中，在放大镜模块3中包括液体透镜32，液体透镜32具备快速变焦的性能，可根据控制模块输入的电信号大小来改变两层液体中间的曲率半径从而实现改变液体透镜32的焦距，进而改变放大镜模块3的焦距和工作距(放大镜模块的前端至第二像面的距离)，放大镜模块3后端与相机4间的距离不变，第二像面300距离放大镜模块3的前端距离发生变化，因为物面100前后表面的成像位置分别在第二像面300的前面和后面，这样放大镜模块3就能接收到物面100前后表面的成像，因此增大的物方的景深。
25.对于该放大镜模块3的设计需要满足以下条件：
26.(f2*f1)/((x2+
△2)(x1+
△1))＝(f2*f1)/(x2*x1)
27.以上公式中，
△1为物面100前后移动的距离，f1为物镜模块1和中继镜模块2的组合焦距，x1为物面100位置的物距，x2为第二像面300与物面100互为共轭面时，放大镜模块3的物距，f2为此时放大镜模块3的焦距，
△2为放大镜模块3为了匹配物面100移动
△1的物距变化，f2为放大镜模块3物距变化
△2时的焦距。此式限制了设计放大镜模块3的基本要求，即物距匹配第二像面300的变化，同时焦距的改变需要配合物方放大倍率的变化，使得物面100的前后移动对于整个内窥镜成像系统而言，放大倍率不变，成像质量不变。物面100的前后移动相对应于术中手持内窥镜的纵向抖动，也即该成像系统改善了手持显微内窥镜的景深，降低了医生手的纵向抖动对图像质量的影响。
28.在物面成像获取光路中，当物面100的反射光包括激发光和指示光时，优选在该物面成像获取光路的二向镜72与第二中继镜22之间设置一个发射滤光片75，二向镜72全反射激发光，半反半透指示光，发射滤光片75透射荧光波段和指示光，指示光的波长大于荧光波段范围内任意值，发射滤光片75能调整透射过的荧光波段和指示光以更好地将光信号成像至相机4。
29.将该内窥镜成像系统应用于观看被染的物面100，则该成像系统的组成及工作原理如下：
30.该内窥镜成像系统包括物镜模块1、第一中继镜21、发射滤光片75、第二中继镜22、包含液体透镜32的放大镜模块3、相机4、显示器5、控制模块6及照明模块7，照明模块7包括光源装置、光纤束71、照明透镜组73、激发滤光片74及二向镜72，其中，光源装置包括激发光源和指示光源。激发光及指示光经光源装置输出并被收集进入光纤束71被传导输出，光纤束71出光口发出的光经照明透镜73后变成平行光，再经激发滤光片74滤光，激发光和指示光穿过激发滤光片74后，激发光的波段变得更窄，使激发光更符合物面组织的荧光激发需求，经二向镜72反射进入中继镜模块2前组(也即第一中继镜21)并汇聚在第一像面200上，再经物镜模块1汇聚在物面100，激发放置在物面100上的组织的荧光，物镜模块1将物面
100发出的荧光收集并成像在第一像面200上，中继镜模块2(含第一中继镜和第二中继镜)将第一像面200的像等比例的传递至第二像面300，放大镜模块3把第二像面300的像放大并再次成像至相机4中，控制模块6控制液体透镜32变焦频率，将相机4采集到的图像由显示器5同频输出显示，利用人眼的视觉暂留使医生能同时观看液体透镜32变焦十几次的物面图像，通过人眼自动融合图像，可以清晰看到物面100前后一定范围内的图像，这样医生手的抖动效应将会被大幅降低。
31.本实用新型提供的内窥镜成像系统包括物镜模块1、中继镜模块2、放大镜模块3、相机4、显示器5、控制模块6及照明模块7，物镜模块1的后端连接中继镜模块2的前端，中继镜模块2的后端连接放大镜模块3的前端，中继镜模块2的侧面连接照明模块7，相机4设置于放大镜模块3的后焦面上，且放大镜模块3、相机4及显示器5分别电连接于控制模块6。该内窥镜成像系统有效解决了医生在使用内窥镜过程中因手抖造成的图像质量下降的问题，通过在放大镜模块3中设置液体透镜32，增大了成像系统的景深，降低了手纵向抖动对图像质量的影响，通过在照明模块7中光纤束71的中心设置指示光作为成像的中心靶标，增强了医生的主动控制意识，降低了手横向抖动对图像质量的影响，使该成像系统在使用过程中能取得更高地成像质量。
32.以上所述仅是本实用新型的优选实施例而已，并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种手持式内窥镜成像系统，其特征在于，包括物镜模块、中继镜模块、放大镜模块、相机、显示器、控制模块及照明模块，所述物镜模块用于收集物面反射的光信号并成像至第一像面，所述中继镜模块将所述第一像面上的图像等比例传至第二像面，所述放大镜模块用于将所述第二像面的图像放大并成像至所述相机中，所述控制模块用于所述放大镜模块的变焦和相机的图像采集及显示器的图像显示，所述照明模块用于为所述内窥镜成像系统提供照明光，其中，所述物面位于所述物镜模块的前焦面上，所述物镜模块的后端连接所述中继镜模块的前端，所述中继镜模块的侧面连接所述照明模块，所述中继镜模块的后端连接所述放大镜模块的前端，所述相机设置于所述放大镜模块的后焦面上，所述放大镜模块包含液体透镜，且所述液体透镜、所述相机及所述显示器分别电连接于所述控制模块上。2.根据权利要求1所述的手持式内窥镜成像系统，其特征在于，所述放大镜模块还包括两组玻璃透镜组，所述液体透镜设置在所述两组玻璃透镜组之间。3.根据权利要求1所述的手持式内窥镜成像系统，其特征在于，所述照明模块包括光源装置、光纤束及二向镜，所述光源装置的输出端连接所述光纤束的输入端，所述光源装置发出的光依次经过所述光纤束和所述二向镜后，通过所述中继镜模块和所述物镜模块照射至所述物面上。4.根据权利要求3所述的手持式内窥镜成像系统，其特征在于，所述光源装置包括激光器，用于发出激发光。5.根据权利要求4所述的手持式内窥镜成像系统，其特征在于，所述光源装置还包括指示光源，位于所述光纤束中心的多条光纤的输入端连接所述指示光源。6.根据权利要求3所述的手持式内窥镜成像系统，其特征在于，所述照明模块还包括照明透镜组，所述照明透镜组设置在所述光纤束出光口与所述二向镜之间。7.根据权利要求3所述的手持式内窥镜成像系统，其特征在于，所述中继镜模块包括第一中继镜和第二中继镜，所述二向镜位于所述第一中继镜和所述第二中继镜之间。8.根据权利要求4所述的手持式内窥镜成像系统，其特征在于，所述照明模块还包括激发滤光片，所述激发滤光片位于所述二向镜和所述光纤束的出光口之间。

技术总结

本实用新型公开了一种手持式内窥镜成像系统，包括物镜模块、中继镜模块、放大镜模块、相机、显示器、控制模块及照明模块，所述物面位于所述物镜模块的前焦面上，所述物镜模块的后端连接所述中继镜模块的前端，所述中继镜模块的侧面连接所述照明模块，所述中继镜模块的后端连接所述放大镜模块的前端，所述相机设置于所述放大镜模块的后焦面上，所述放大镜模块包含液体透镜，且所述液体透镜、所述相机及所述显示器分别电连接于所述控制模块上。本实用新型的利用液体透镜的快速变焦实现成像系统景深的扩展，解决了内窥镜使用过程中因手抖造成的成像质量下降的问题。的成像质量下降的问题。的成像质量下降的问题。