内窥镜的研究与设计.docx

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内窥镜的研究与设计

1绪论

1.1内窥镜的国内外发展现状

1.1.1国内研究现状及主要研究内容

从1980年代起，国内陆续开始自主研究，生产硬式内窥镜、光纤内窥镜，并且引进电子内窥镜技术，生产电子内窥镜系列产品。

己投放市场的产品有硬式内窥镜、光纤内窥镜、电子视频内窥镜三类产品。

（I）硬式内窥镜

硬式内窥镜由成像物镜、转像透镜、导光束、目镜、外管组成。

硬式内窥镜成像原理是光学物镜成像，然后利用转像系统来传输图像。

因此，光学镜片的加工技术水平决定了硬式内窥镜的技术水平。

目前，在成像技术上，国内与国外是基本相同的。

但是，在产品外部材料和外观上，与国外同类产品相比有差距，但使用效果相同。

⑵光纤内窥镜

制造光纤内窥镜关键的部件是光纤传像束，它决定产品清晰度、分辨率和使用寿命。

在光纤传像束直径相同的条件下，国外光纤传像束生产线生产的光纤传像束单丝为2万余根，国产生产线生产的光纤传像束单丝为1万根以内。

其内窥镜制造原理一样，但是光纤材料有差别。

如果采用进口光纤传像束组装内窥镜，国内与国外同类产品的差距会减小。

例如:

EKG—3002型光纤工业内窥镜是一种利用纤维光学、精密机械及电子技术结合而成的新型光学仪器。

它利用光导纤维的传光、传像原理及其柔软弯曲性能，可以对设备中肉眼不易直接观察的隐蔽部位方便地进行直接快速的检查。

既不需设

备解体，也不需另外照明，只要将窥头插入孔内，内部情况便可一目了然。

可直视,也可侧视。

还可手控窥头对被检查面进行连续上下左右扫描达100°。

可目视，也可照相,

还可录像或电视显示，为分析故障原因提供依据。

是航天、军事、国防、无损检测、机械制造、发电、石化、汽车、兵器、交通、冶金、压力容器等领域中得心应手的直观高效的检测仪器。

EK—3002型工业内窥镜主要技术参数：

1）探头外径：

①6.5〜①15mm

2）探测长度:

1.8〜4.5m

3）工作距离:

10〜80mm

4）视场角：

＞100°

（3）电子内窥镜

国内制造商均采用进口CCDM件，组装电子工业内窥镜产品，整机主体技参数与外国产品的相接近。

在航天航空行业等己基本能够满足NDT正常使用。

国外产品最小直径为6mm国内产品最小直径为8mm只是国内产品在外观的主体材料上与国外产品有差距。

1.1.2国外研究现状及主要研究内容

（I）硬管式内窥镜

硬管式内窥镜的发展经历了两个阶段：

即开放式硬式内窥镜和含有光学系统的硬式内窥镜。

早在1795年，德国Bozzine首先提出了内窥镜的设想，他利用烛光做光源通过内窥镜看到了直肠和子宫的内腔。

到19世纪末，20世纪初，随着爱迪生发明电灯等技术的发展，用小电珠作为内窥镜的照明光源，利用透镜、棱镜、反光镜等做光学元件，以金属管为外壳而制成硬式内窥镜。

要将这类硬直的内窥镜插到弯曲多变的管腔中去，不仅操作上相当困难，而且

小电珠或钨丝灯等外部反射光源照明度低，因而有较多盲区，所以，这些内窥镜的实用性就受到限制。

硬管式内窥镜的构造如图1.1所示。

其工作原理是利用转像透镜来传送图像，并由光导光纤传光照明。

为了传送清晰的图像，该内窥镜的不锈钢插入部分内设有若干光学元件的转像透镜系统。

内置照明光纤把需要的光线从独立的冷光源直接送至工作位置上。

（2）半可曲式内窥镜

1932年，光学师Wolf和内窥镜学者Schindler共同研制成功了一种半可曲式的内窥镜（semiflePiblelensgastroscope），它是由近端的硬性部和远端的软管部

组成。

软管部内由许多20〜30mn长的金属管连接而成，外面再用一层薄橡皮包覆，末端装有棱镜与橡皮头，软管部装有26块短焦距棱镜，这样在弯曲30度情况下，仍可将图像传送到目镜部分。

以后，许多学者又对半可曲式内窥镜进行了大量的改进，并增加了各种附件，使之功能更加齐全、更为实用。

如：

将内窥镜硬性部分进一步改细；增加目镜放大倍率，以利观察；在内窥镜操作部装上了弯角装置，使末端可作“上”“下”两个方向的弯曲，大大减少观察盲区等。

（3）光纤内窥镜

1930年，Lamn首先采用玻璃光纤束来导光，但是，因为没有解决漏光问题，

从而没有建立起实用的光纤光学系统。

直到50年代初期，荷兰的Hell和美国的

Brien在光纤外面加上一层覆层，解决了光纤之间的光绝缘问题。

1954年英国的科学家Hopking及KapanP等研究了纤维丝之间的精密排列，有效地解决了光纤束的图像排列、传递问题，为光纤光学的实际应用奠定了基础，并为光纤内窥镜的出现创造了条件。

1957年，美国Hirschowitz制成了第一台光纤内窥镜、十二指肠镜，从而使

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内窥镜开始进入光纤光学内窥镜的阶段。

当时的光纤内窥镜虽然柔软可弯,插入容易，但是还没有弯曲机构，照明还是老式的小电珠内部光源，所以观察盲点还是很多，光学质量亦比较差。

经过了20年的发展，随着二项重大改革：

光纤内窥镜的头部弯曲机构、采用

导光束外接强冷光源，才使光纤内窥镜进入了成熟完备的应用阶段。

光纤内窥镜的构造如图1.2所示。

它由高品质的传像光纤束来传送图像，通过目镜直接观察。

光纤内窥镜由插入部、前端部、弯曲部与柔软操作部与目镜部组成。

光纤传像束、光纤传光束及调校前端摆头角度的钢丝均全部内置。

并且另配有专用的

冷光源。

产品规格：

直径2.4〜12mm长度50〜6000mm

光纤内窥镜的主体可把人眼睛的视线延深至被探测的物体内，并且可改变视线

方向，这是硬性内窥镜所达不到的。

光纤内窥镜除具备硬性内窥镜的用途以外，因主体柔软、有效工作长度较长，

所以扩大了检测范围。

图1.2光纤内窥镜

光纤内窥镜以玻璃光纤代替传统的透镜、棱镜等作为导光、传像的元件，它细而柔软，加上了头部的弯曲机构以后，头部可以左右、上下转动，插入复杂内腔，操作方便，而且能够减少甚至消灭观察盲点。

利用光纤束传光、传像，就能够采用外部的强冷光源，从而使传输的光量大大增强，并可以自由调节光强而获得清晰的图像。

这种光源色泽接近自然光，更增加了图像的真实感。

因为光量强，所以可以采用静态摄影对检查进行记录，甚至还可以摄像和电视显示作动态的观察和记录。

光纤内窥镜的发展不但克服了原有内窥镜的缺点，而且还具有不少新的优点，大大

提高了检查诊断的效果。

（4）电子内窥镜

电子内窥镜是继第一代硬式内窥镜和第二代光导纤维内窥镜后的第三代内窥

镜。

1983年，美国的WelchAIIPn公司用微型图像传感器（chargecoupleddevice）

代替光纤内窥镜的光纤传像束，宣告了电子内窥镜的诞生，是一次历史性的突破。

电子内窥镜应用先进的微电子器件代替传统的纤维导像束和目镜，通过装在内窥镜

先端部的电荷祸合器件CCD（chargecoupleddevice），将传送过来的光学图像转换成电子图像，经电缆传递至图像处理器，经视频处理在显示器上重现高清晰度的、色彩逼真的图像。

而且分辨率高，可供多人同时观看。

由于电子内窥镜的问世，在工业和医疗科研中发挥出它巨大的优势。

电子内窥镜主要有内镜（endoscope）、电视信息系统中心

（videoinformationsPstemcenter）和电视监视器（televisionmonitor）三部分组

成。

另外，还配备一些辅助装置，如照相机、录像机以及用来输入各种信息的键盘等。

它的成像主要依赖镜身前端装备的成像物镜。

CCDS是一台光电转换器件，把图像的光信号转换成电信号，显示在电视监视器上。

电子视频内窥镜的构造原理如图1.3所示。

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图1.3电子内窥镜

电子内窥镜与光纤内窥镜相比，具有以下优点：

1）减少内镜检查时间，快速抓拍。

2）具有录像、储存功能，能将病变部位的图像储存起来，便于查看及连续对照观察；

3）色泽逼真，分辨率高，图像清晰，图像经过特殊处理，可将图像放大，便于观察；

4）采用屏幕显示图像，实现1人操作多人同时观看，便于疾病会诊、诊断、教学。

同时有以下的缺点：

1）除内窥镜及光源外，还要配置视频图像显示控制单元和电视监视器，不便于

携带。

2）前端安装的电子元件，受使用温度范围的限制。

3）价格较高。

几种内窥镜的基本原理都是利用光学系统将被检物体成像，再经传像系统传送，以利于人眼直接观察或在显示器上显示、记录，从而获取所需要的信息。

但是因为它们之间又有所区别，所以具有各自的特点和使用场合。

下面介绍一下德国汉能SF6—1000型6mm半柔性管内窥镜。

德国汉能工业内窥镜广泛应用于航空航天、工业制造、压力容器、电力建设、造船、汽车工业等行业中的机械设备表面及内部状况的检查、维修。

其柔性光纤内窥镜高亮度，高清晰成像，焦距可调。

技术参数：

1）工作长度:

1000mm

2）探头直径:

6mm

3）亮度:

16mm处可达120KK0IP

4）视向:

O°

5）工作距离:

10mm^60mm

6）角形侧视适配器90°及110°

7）防水耐油探头

（5）胶囊式内窥镜

胶囊式内窥镜的想法最早产生于1981年，是由以色列一名导弹专家根据智能

导弹上的遥控摄像装置技术研制而成的。

胶囊式内窥镜是体外无线遥控、图像接收和图像处理等装置组成系统，主要用于检查人的消化系统疾病，它可以清晰地展现出病变所在位置及其实际情况，比其

他体外影像系统（如:

CT、MR、P光透射、红外成像）用于诊断消化道疾病更具有优势。

图1.4胶囊内窥镜

胶囊内窥镜由以下部分构成：

具有可摄像体腔内图像的摄像部的摄像装置、利用照明光照明体腔内部的照明装置、向摄像装置以及照明装置供给电力的电源装置、在内部至少配设了摄像装置、照明装置以及电源装置的胶囊壳体，并且构成胶囊壳体的顶端盖部具备照明用窗部，该照明用窗部导出来自照明装置的照明光，并

使照明光难以反射到摄像装置。

胶囊式内窥镜是消化道系统无损伤性诊断的一种革命性的技术创新。

主要技术指标：

I）视场角（可视范围）:

140°

2）最小可测距离：

0.1mm

3）外形尺寸：

直径9mm长度23mm

4）图像分辨率（象素、解析度）:

640P480

5）图像传输速率:

2帧/秒，15帧/秒，30帧/秒

6）工作方式:

模拟/数字视频、单工/双工数据通信、自带电池/体外无线供电

7）运行时长:

7〜10个小时。

胶囊内窥镜是一种新型无创无痛的消化道影像无线诊疗系统；通过口服智能胶

囊完成消化道影像检查；主要由智能胶囊、图像一记录仪、手持无线监视仪、影像分析处理工作站等。

克服了传统的推进式内窥镜体积大，检测过程痛苦的缺点，但不适用于老年、纤弱和危险病人。

具有体积小、重量轻、检查方便、不影响受检者的正常工作。

日本RFSPSTEMIA经过五年时间的研究，成功开发出目前世界上最先进的、也是最小的胶囊式内窥镜（智能化小机器人）。

NORIKA胶囊直径9mm长23mm是目前世界上最小的内窥镜胶囊。

在胶囊内部采用高清晰度的CCD成像系统，具有很高的图像清晰度，可达410000像素。

它以数字方式由微波发送，被外部接收后转换成图像显示在屏幕上，进行实时检测，并可以硬盘储存，以便随时调取研判。

病人身穿嵌有三组发射线圈和接收线圈的背心，线圈发送射频。

胶囊内同样有三组线圈，在经磁线圈接收并经电容器转换后感应出电流，形成一个三极电机的模式，从而控制胶囊的旋转，以便不同方向观察病灶。

镜头四周有二个白色灯和二个近红外线灯，从外部控制其不同亮度的比例，可产生模拟三维图像。

CCD成像系统镜头也可由外部控制来调节焦距，它每秒能摄取30幅图像，通过网络传输还可进行远程会诊。

此外，胶囊内部设有一个喷药仓和一个取活检仓，由医生外部控制可根据需要，对患部进行喷药或伸出微型钦金属针取活检。

NORIKAfl胶囊在20KK年推出适合于3岁以下婴儿和60岁以上老人的超小型胶囊（JR型），其尺寸仅为直径smm长15mm另外还将推出具有更多功能的WAR型。

它内部将放置2个CCD8个镜头，前后摄像以进行全方位360°观察。

美国智能药丸公司研制的聪明药丸SmartPin是一种在医疗上起着内窥镜检查作用的感应器或者摄像头，当患者把这个维生素颗粒大小的小球吞下去后，它将会自动探测患者消化道内的压力、pH值和温度等指标信号，并把探测结果发射到体外的接收器上，医生通过接收到的信号和图像，就可对患者的胃肠性疾病进行诊断。

使用聪明药丸可以检查到一些胃镜无法到达的位置，同时也能避免患者做胃镜检查时的痛苦。

以色列格温.艾梅格公司也开发出了类似的胶囊式内窥镜一“PinCam0近年来,有能完成定点给药的遥控释放药丸；还有能在消化道内采样的药丸；韩国研制的药丸式机器人能在体外遥控下完成药物释放、图像采集和手术治疗等多种任务。

不过,这样的全能药丸目前仍处于样机阶段研制。

1.2电子内窥镜技术的现状和发展趋势

随着电子学和数字视频技术的发展，与80年代出现了电子内窥镜，这样便不再以光纤传像，而代之以光敏集成电路摄像系统，主要所能显示的不但影像质量好，光亮度强，而且图像大，可以检查出更细小的病变，而且电子内窥镜的外径更细，图像更加清晰和直观，操作方便。

有些内窥镜甚至还有微型集成电路传感器，将所观察到的信息反馈给计算机。

它不但能获得组织器官形态学的诊断信息，而且也能

对组织器官各种生理机能进行测定。

电子内窥镜主要种类及其优缺点：

（1）按照结构分类：

一类为CCD在探头前部，视频处理在探头后部，它的优点是探头直径可以很小，但缺点是长度会受到限制。

另一类是CCD和视频处理都在探头前面，它的优点是线缆的长度不受限制，可以按照客户要求定制，但缺点是探头头部直径过大，影响探头进入部件的有效工作范围。

（2）按照照明方式分类：

一类采用LED发光管照明，传输电信号，它的优点是线缆的长度不受限制，但发光亮度不如冷光源。

另一类采用光纤照明，光源在控制箱内，它的优点是发光亮度高，但缺点是长度受限，易损易断。

（3）按照视角方式分类：

探头可分为前视和环视两种。

前视：

观察窗位于探头前方，视场角150°，调

节CCD位移，实现电动调焦，可以观察前方有无异物或缺陷；环视：

观察窗位于探头筒壁侧面，利用悬挂动圈方式实现电磁调焦,通过微型马达及滑环结构实现无角度限制任意旋转，可以观察内壁有无缺陷。

它们的优点是长度不受限制，但缺点是探头直径过大。

现在，电子内窥镜的发展趋势是CCD勺超小型化及其性能的提高，高保真图像技术的应用，实时高速图像处理机的开发，图像文件管理系统的采用，立体计测系统的开发及不可见光的利用。

1.3本课题的目的、意义及内容

内窥镜以其特有的诊断直观，正确性高，解决问题较迅速，不需折卸或破坏组装等优点，已被广泛接受，应用于医学，工业，军事等领域。

在医疗方面，内窥镜则主要用于外科手术和常规医疗检查，与传统的外科手术

相比，医用内窥镜的功能性微创手术技术已近得到医生和患者的广泛接受，医用内

窥镜利用人体天然孔洞或在必要的时候开几个小孔，医生只要熟练地将内窥镜镜头深入身体内，通过其他手术器械和摄像显示系统就能在体外进行体内的密闭手术操作。

在工业方面，可用于高温、有毒核、辐射及人眼无法直接观察到的场所的观察，可以方便而且迅速地检查各种机器、设备、组装物体的内部，不需折卸或破坏组装就能进行有效的质量管理，可与照相机、摄像机或电子计算机耦接，可组成照相、摄像和图像处理系统，从而可进行视场目标的监视、记录、贮存和图像分析。

本课题的主要研究内容是电子内窥镜数字图像的实时采集。

2方案论证及系统工作原理

2.1方案论证

本设计主要由两部分构成：

CCDffl像采集系统和数字图像的实时采集和显示系统。

其中，CCD图像采集系统基于CCER现，数字图像的实时采集和显示系统的实现主要是基于数据的高速传输，有两种方案可供选择，介绍如下：

2.1.1方案一基于USB勺高速数据传输

USB是英文UniversalSerialBUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。

是应用