Тема 17. Медицинские оптические приборы: эндоскопы, офтальмологические приборы.

Эндоскоп

Одним из важнейших методов диагностики и лечения различных заболеваний является эндоскопия. С помощью эндоскопической техники проводятся визуальный осмотр внутренних полостей организма человека, биопсия, хирургическое и терапевтическое воздействие на биологические ткани лазерным излучением, промывание полости и наполнение ее воздухом или жидкостью, введение лекарственных растворов, удаление новообразований и инородных тел и т.д.

Основой медицинского эндоскопа является оптическая система, позволяющая получить изображение биологического объекта, наблюдение которого невооруженным глазом невозможно в силу особенностей строения организма человека. Задачей, стоящей перед разработчиком оптической системы медицинского эндоскопа, является получение изображения биологического объекта высокого качества. Это качество оценивается геометрическим, фотометрическим и колориметрическим подобием изображения объекта, т.е. правильным воспроизведением формы, распределением яркости и цветовой структуры объекта.

Современные эндоскопы представляют собой сложные оптико-механические и оптико-электронные приборы.

Исторические корни создания эндоскопических приборов уходят в XIX в. Родоначальницей этого класса медицинских приборов стала Германия, где работы врача из Франкфурта-на-Майне Филиппа Боццини (1773 – 1809 г.) заложили основу современной эндоскопии.

В общем случае эндоскопом называется устройство, имеющее осветительную, наблюдательную системы и приспособления. Это устройство предназначено для введения во внутренние полости тела человека машин и механизмов с целью осмотра и проведения различных манипуляций. Все эндоскопы делятся на два больших класса: технические и медицинские. Медицинским эндоскопом называется эндоскоп, вводимый во внутренние полости и органы человека через естественные каналы или хирургическим путем. Далее, говоря об эндоскопах, мы будем иметь в виду только медицинские эндоскопы.

Любой эндоскоп содержит осветительную и наблюдательную системы:

- осветительное устройство эндоскопа – функциональный узел эндоскопа, включающий источник света и другие элементы конструкции и предназначенный для освещения наблюдаемого объекта. При этом светопроводящая система эндоскопа может быть выполнена в жестком или гибком исполнении. Для передачи света от источника, установленного вне эндоскопа, к его светопроводящей системе служит световодный кабель эндоскопа – функциональный узел, состоящий из волоконного световода, в эластичной оболочке, с присоединительными элементами;

- наблюдательная система эндоскопа – части эндоскопа, предназначенные для формирования и передачи изображения объекта к наблюдателю (в жестком или гибком исполнении).

В зависимости от системы передачи изображения, эндоскопы подразделяют на следующие подгруппы:

• эндоскопы с волоконной оптикой – гибкие эндоскопы, в оптической схеме которых используются гибкие волоконные световоды для передачи изображения. Необходимо их отличать от эндоскопов с волоконным световодом, в которых освещение наблюдаемого объекта создается световым потоком, передаваемым по волоконному световоду от источника света, установленного вне исследуемой области;

• эндоскопы с линзовой оптикой – эндоскопы, оптическая наблюдательная система которых построена с применением линз;

• эндоскопы тубусные – простейшие эндоскопы, представляющие собой полую трубку, которая может быть снабжена лупой.

Для применения эндоскопа важное значение имеет исполнение его рабочей части, т.е. той части медицинского эндоскопа, которая предназначена для введения в исследуемую область и имеет форму и размеры, соответствующие анатомическому каналу, по которому вводится эндоскоп.

В зависимости от конструкции рабочей части, эндоскопы делятся на следующие типы:

• гибкие эндоскопы – медицинские эндоскопы, рабочая часть которого может плавно изгибаться в определенных пределах;

• жесткие эндоскопы – медицинские эндоскопы, рабочая часть которого выполнена жесткой.

При этом эндоскопы с волоконной оптикой также подразделяют на гибкие эндоскопы с волоконной оптикой и жесткие эндоскопы с волоконной оптикой.

В зависимости от способа регистрации изображения, различают следующие виды эндоскопов:

• фотоэндоскоп предназначен для регистрации изображения наблюдаемого объекта на фотопленку при помощи фотографического устройства, расположенного на проксимальном конце эндоскопа;

• киноэндоскоп предназначен для регистрации изображения наблюдаемого объекта на кинопленку;

• телевизионный эндоскоп обеспечивает передачу изображения наблюдаемого объекта на телевизионный экран;

• проекционный эндоскоп предназначен для проецирования изображения наблюдаемого объекта на экран.

Эндоскопическая аппаратура – это совокупность оптических, механических, электронных и светотехнических систем, объединенных в единый медицинский прибор. Блок-схема эндоскопа (рис.1) в общем случае включает в себя следующие элементы: источник света 1, конденсор 2, волоконный световод 3, переходное устройство 4, светопроводящую систему 5, включая систему формирования пучка подсветки 6, объектив эндоскопа 7, систему передачи изображения 8, окуляр 9, фотографический объектив 10, фотопленку 11, телевизионный объектив 12, телевизионную камеру 13, монитор 14. При этом позицией 16 отмечена изучаемая биологическая ткань, а 15 – глаз наблюдателя. Элементы 1 – 6 образуют осветительное устройство, а 7 – 14 – наблюдательную систему эндоскопа.

Рис. 1. Блок-схема оптической системы эндоскопа

В конкретной конструкции эндоскопа отдельные блоки могут отсутствовать, причем существуют различные варианты исполнения элементов схемы.

Наблюдательная система эндоскопа состоит из трех основных частей: объектива 1, системы передачи изображения 2 и окуляра 3 (рис.2). Так как исследуемый объект расположен перед объективом на конечном расстоянии, то формально данная система может быть отнесена к группе микроскопов. Однако, исходя из особенности конструкции и работы эндоскопа, необходимо отметить, что, во-первых, наблюдательная система имеет малую величину числовой апертуры в пространстве предметов; во-вторых, объектив имеет небольшую величину фокусного расстояния (от 1 до 20 мм) и малое относительное отверстие (от 1: 8 до 1:15); в-третьих, расстояние до исследуемой поверхности изменяется в пределах от 10 до 100 мм, что в несколько раз превышает величину фокусного расстояния объектива; в-четвертых, отсутствует фокусировка на различные расстояния до объекта. Поэтому эндоскоп целесообразнее рассматривать как телескопическую систему небольшого увеличения, снабженную оборачивающей системой.

Рис. 2. Принципиальная оптическая схема наблюдательной системы эндоскопа

При разработке оптической системы эндоскопа необходимо задать оптимальные исходные параметры, которые можно подразделить на три группы: оптические характеристики; габаритные размеры; качество оптического изображения.

К основным оптическим характеристикам эндоскопов относятся следующие: рабочее расстояние s (расстояние от первой поверхности защитного стекла до объекта наблюдения); угловое поле 2ω в пространстве предметов; видимое увеличение Г; разрешающая способность N; диаметр D' выходного зрачка.

Поскольку при наблюдении в эндоскопе отсутствует внешнее освещение, то от осветительной системы зависит сама возможность наблюдения биологического объекта с помощью эндоскопа. Поэтому основная задача осветительной системы эндоскопа заключается в обеспечении высокой освещенности поля зрения и создании колориметрического подобия изображения объекту.

Для оценки требуемой величины освещенности наблюдаемого объекта в поле зрения эндоскопа используются формулы для расчета величины освещенности изображения, построенного оптической системой, которые применительно к оптической системе эндоскопа можно записать в виде:

(1)

где E '_из – освещенность на оси изображения в предметной плоскости окуляра эндоскопа;

L_об – яркость объекта наблюдения;

– коэффициенты пропускания объектива и системы переноса изображения (оборачивающей системы);

– апертурный угол в пространстве изображений объектива;

– линейное увеличение системы переноса изображения.

В соответствии с законом Ламберта для диффузно отражающих поверхностей соотношение между яркостью объекта L_об и его освещенностью E_об определяется коэффициентом диффузного рассеяния: .

Подставляя в закон синусов выражение для линейного увеличения объектива и, приняв во внимание, что , получим выражение для числовой апертуры в пространстве изображений объектива , при этом отрезки s и z при проведении светотехнического расчета можно принять равными.

С учетом вышесказанного, выражение (1) при однократном увеличении системы переноса изображения примет вид: .

Используя последнее выражение, можно таким образом сформулировать требование к величине освещенности объекта: осветительная система должна создавать величину освещенности наблюдаемого в эндоскоп объекта в раз выше, чем желаемая величина освещенности изображения в предметной плоскости окуляра (здесь А – диафрагменное число объектива).

Количественная оценка показывает, что освещенность объекта должна превышать желаемую освещенность изображения на три порядка. Поскольку диафрагменное число А объектива определяется наблюдательной системой эндоскопа и не может быть малым в силу необходимости обеспечения определенной глубины резко изображаемого пространства, то в оптических системах эндоскопов большое значение имеют меры по повышению коэффициентов пропускания объектива и системы переноса изображения.

Осветительные системы современных эндоскопов создают величину освещенности наблюдаемого биологического объекта от нескольких тысяч до десятков тысяч люкс.

Появление в 1980-х гг. миниатюрной цветной видеокамеры с высоким разрешением позволило разработать съемный узел, закрепленный на окуляре эндоскопа и передающий изображение на экран монитора (рис.3).

Рис.3. Видеосистема OTV-F3 OES

Основным элементом эндовидеокамеры является ПЗС-матрица (полупроводниковый кристалл с большим числом фоточувствительных элементов – пикселов, который предназначен для преобразования оптического изображения в электрический сигнал). В эндовидеокамерах используют ПЗС-матрицы, в которых фоточувствительные элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам.

Создание медицинских эндоскопов с изгибаемым в широком диапазоне дистальным концом стало возможным с появлением волоконной оптики – гибких жгутов, состоящих из тонких стеклянных нитей, передающих свет по изогнутым каналам.

Несмотря на разнообразие гибких медицинских эндоскопов, большинство из них строятся по типовой схеме, представленной на рисунке 4, с разделением оптического канала передачи изображения на компоненты 4, 5, 6 и осветительного канала на компоненты 2, 3.

Рис.4. Типовая схема гибкого медицинского эндоскопа:

1 – исследуемый объект; 2 – источник света; 3 – волоконный осветительный световод;

4 – объектив эндоскопа; 5 – гибкий волоконный световод для передачи изображения;

6 – окуляр

Исследуемый объект 1 освещается источником света 2 при помощи гибкого осветительного световода 3. Объектив 4 эндоскопа строит изображение исследуемого объекта на входном торце волоконного жгута с регулярной укладкой волокон 5, который переносит изображение на выходной торец. Изображение рассматривается при помощи окуляра 6.

Тема 18. Оптические сигналы и их свойства. Свойства поля излучения, яркость источника излучения. Оптические сигналы их аналитическое представление, параметры, характеристики. Спектральное представление одномерных и многомерных оптических сигналов, понятие пространственной частоты, пространственно-частотные и фазо-частотные характеристики. Типовые сигналы и их свойства (единичный скачок, дельта функция, одиночный импульс). Случайный процесс, его описание, понятие случайного оптического сигнала. Понятие дисперсии и корреляционной функции сигнала, способы их оценки.

Типовые оптические сигналы

В каждом случае применения ОЭП имеется свое распределение яркости в пространстве предметов. Наиболее часто встречающиеся на практике распределения, при этом рассматривается только интегральная яркость.

Идеальный точечный источник. Вся энергия излучения сосредоточена в идеальной геометрической точки с координатами (x₀, y₀). Тогда распределение яркости опишется δ-функцией:

Спектр Фурье равен:

.

Амплитудная и фазовая характеристики спектра имеют вид:

;

.

Таким образом, во всей области пространственных частот амплитуда одинакова и равна L₀.

Рис.1. Идеальный точечный источник и его спектр

Количество информации, которое может быть получено от точечного источника, определится суммой:

Так как , следовательно, для идентификации формы яркостного профиля источника достаточно располагать одной точкой отсчета:

,

где ρ - отношение квадрата величины потока Ф на единичном входном зрачке к дисперсии его фотонных флуктуаций - приблизительно это отношение равно среднему числу фотонов N, попадающему на входной зрачок в единицу времени.

Если функция плотности вероятности нахождения точечного источника в точке с координатами (x, y) равна W(x, y), то

,

где - минимальные ошибки, с которыми могут быть измерены координаты источника (определяются способом измерения, по критерию Рэлея).

ρ₀ - конечное расстояние, на котором два идеальных точечных источника могут быть различимы в силу дифракции.

Если функция W(x, y) подчинена нормальному закону

, то

.

Суммарное количество информации:

.