醫(yī)用內(nèi)窺鏡方案開發(fā)

內(nèi)窺鏡的應(yīng)用在五官科（耳鼻咽喉）相關(guān)的疾病治療中是相當(dāng)廣泛的,我們設(shè)計的這款用于耳內(nèi)的內(nèi)窺鏡可以很好地滿足現(xiàn)在耳科學(xué)應(yīng)用，設(shè)計的分辨類達到100lp/mm。圖像清晰，完全可以滿足耳科科學(xué)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。內(nèi)窺鏡的主要作用就是確定觀察病變組織，提早進行診斷治療[1-2]。內(nèi)窺鏡在五官科（耳鼻咽喉）疾病診療過程中的應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的[3-4]。早期五官科的器械包括耳鏡、間接鼻咽鏡、間接喉鏡等，屬于第一代產(chǎn)品。而第二代產(chǎn)品將這些器材和設(shè)備整合形成。

隨著科技發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字化高清五官科內(nèi)窺鏡診療工作站，可以提供高清五官科內(nèi)窺鏡視頻。近年來，耳內(nèi)窺鏡在耳科臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。它通過將觀測探頭伸入耳內(nèi)，在自備光源的照明下，有成像鏡頭拍攝耳朵的細節(jié)，成像在 CMOS 或 CCD 圖像傳感器上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和圖像信號處理后送到顯示器上，顯示清晰放大的圖像供醫(yī)生觀察。而目前市場上，大部分的耳內(nèi)窺鏡是代理國外公司的產(chǎn)品，自主研發(fā)的耳內(nèi)窺鏡極少。

一、設(shè)計思路

1.1 初始結(jié)構(gòu)的選擇

合理的初始結(jié)構(gòu)選取才能得到一個良好的鏡頭，并且直接影響設(shè)計是否能夠順利的進行。其中有兩種方法可供設(shè)計人員選擇，一種是通過設(shè)計人員的經(jīng)驗使用近軸光學(xué)原理設(shè)計一個初始結(jié)構(gòu)，然后逐步調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)以得到需要的結(jié)果。但是僅僅依靠設(shè)計者創(chuàng)造初始機構(gòu)是非常難的，需要設(shè)計人員擁有一定的工作經(jīng)驗和豐富的理論儲備。另一種方法是在相關(guān)文獻和專利中選取合適的初始結(jié)構(gòu)進行光學(xué)設(shè)計，然后優(yōu)化。本設(shè)計的初始結(jié)構(gòu)采用一個美國專利作為設(shè)計起始點。初始結(jié)構(gòu)的選取原則是光圈值與視場和設(shè)計指標要求相同，焦距可以通過縮放鏡頭大小來實現(xiàn)。

二、設(shè)計過程

2.1 初始結(jié)構(gòu)的輸入選取相應(yīng)的初始結(jié)構(gòu)后，就要對初始結(jié)構(gòu)的各方面指標進行修改，通過對焦距的縮放及波長、視場角、F 數(shù)的輸入，讓初始結(jié)構(gòu)達到一個基本的尺寸要求。首先將焦距縮放至 1.3mm 大小，再將 F 數(shù)設(shè)為 7.65，本文采用視場角來控制視場，在 Zemax中輸入視場和波長以及初始結(jié)構(gòu)的鏡片參數(shù)[5]。

三、設(shè)計結(jié)果

鏡頭優(yōu)化后的外形結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)如圖 1、表 1 所示。該系統(tǒng)由 10 片透鏡組合而成，其中有兩組組雙膠合透鏡，兩片雙凸透鏡，一片彎月形透鏡，一片雙凸透鏡，一片平板透鏡。其中玻璃材料從第一片到最后一片依次為：H-ZF62、H-LAF10L、H-LAK53A、H -ZLAF75A、H -ZLAF53A、H -LAK2、H -ZF7LA、K9、 F5、BAF8。冕牌玻璃與火石玻璃的搭配有利于校正像差。

3.1 場曲和畸變

場曲反映了整個光學(xué)系統(tǒng)像面彎曲的情況，對于此類內(nèi)窺鏡鏡頭場曲小于 0．2 mm 即可，從圖 2 可知，場曲校正在0．05mm 以內(nèi)。另外，對于該低成本內(nèi)窺鏡鏡頭來說，畸變要求比較低，從圖 2可知，邊緣視場畸變在 10%以內(nèi)，在 0.7 視場的時候，畸變在 5%左右，滿足設(shè)計要求。

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3.2 調(diào)制傳遞函數(shù)

調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)是表示各種不同頻率的正弦強度分布函數(shù)經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像后，其對比度(即振幅)的衰減程度。對于目視系統(tǒng)來說人眼的閾值為 0.3，對于攝像系統(tǒng)來說其閾值為0．1。如圖 3 所示，在 100lp/mm 處，所有視場均大于 0.3。滿足設(shè)計要求[7-8]。

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3.3 光扇圖

光扇圖是關(guān)于光瞳坐標函數(shù)的光線像差，繪圖的數(shù)據(jù)是光線與像面交點的坐標和主光線與面交點的坐標之差。它們可以很好地反映像面上光線的實際會聚情況[9]。如圖 4 所示，光線的會聚情況是比較良好的。

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3.4 點列圖

由圖 5 與圖 6 可以看出，該系統(tǒng)各視場的成像彌散斑均方根半徑均遠遠小于艾里斑半徑，能量較集中，符合設(shè)計要求。

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3.5 相對照度

相對照度所指的是視場邊緣照度與中心照度兩者的比值而這個比值越高表示邊緣越明亮。一般而言，相對照度在 50％以上便可以接受。由圖 7 可知，本鏡頭的相對照度均在 70％以上，符合設(shè)計要求。

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四、公差分析

4.1 公差分析方法

為了提高這個光學(xué)系統(tǒng)成像方面的質(zhì)量，該系統(tǒng)內(nèi)的全部參數(shù)都需要分配可變公差，若系統(tǒng)對其中一個參數(shù)的變化波動較大或者較為敏感，系統(tǒng)則是需要比較高的性能水平，因此對這一組的公差要求應(yīng)當(dāng)要嚴格，反之可以應(yīng)用比較寬松的公差。窺鏡對成像要求相對較高，所以對光學(xué)系統(tǒng)公差要求較為嚴格。運用 ZEMAX 軟件里面的公差計算和分析程序來計算光學(xué)系統(tǒng)里面各個參數(shù)性能下降的敏感度，也就是分析所有元件的加工、裝調(diào)公差。

4.2 公差分配結(jié)果

運用 ZEMAX 光學(xué)設(shè)計軟件，通過靈敏度分析、反轉(zhuǎn)靈敏度分析及蒙特卡羅分析得到顯微物鏡合理的公差分配。通過計算分析每一公差參數(shù)在 Nyquist 空間頻率 100lp/mm 處的 MTF 下降情況，最終確定合適的公差。靈敏度公差分析結(jié)果、蒙特卡羅公差分析結(jié)果分別如表 2、表 3 所示。蒙特卡羅公差分析結(jié)果顯示該顯微物鏡系統(tǒng) 90% 以上的蒙特卡羅樣本MTF0.156524163，每個樣本為一個模擬加工、裝調(diào)后的光學(xué)系統(tǒng)。

五、總結(jié)

通過建立此光學(xué)系統(tǒng)的理想初態(tài)與初始結(jié)構(gòu)，利用 Zemax光學(xué)設(shè)計軟件對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，然后得到了一款達工業(yè)標準可生產(chǎn)的內(nèi)窺鏡鏡頭。該鏡頭相比其他同類鏡頭來說在 90°視場角下畸變控制較優(yōu)秀，分辨率達 100lp/mm，更有利于觀察病變組織。綜上所述，該內(nèi)窺鏡滿足醫(yī)療需要。

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