中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

 

一次性内镜、3D内镜、4K超高清内镜发展迅速 医疗器械设备展分享内镜技术研究进展及物镜系统初始结构的优化提升

2022-06-08

内窥镜是集中了光学、人体工程学、精密机械、现代电子、数学、软件等各项技术的一体化监测仪器,由窥镜系统、图像显示系统和照明系统三大部分组成。内窥镜系统作为具有光学镜头、图像传感器、光源照明、机械装置等多重组件的光学系统,临床实践中,经人体的天然孔道或是经皮穿刺通道进入人体内,可以直接看到有关部位的病变,直视下做出病变诊断或取病灶活检进行病理诊断,同时也可对病变进行及时治疗或植入具有治疗作用的人造产品。

内窥镜按照管道是否可弯曲,可以分为硬管式内窥镜(简称硬镜)和软管式内窥镜(简称软镜),按照发展历史及成像构造分类,可以分为硬管式内窥镜、纤维内窥镜(一般是软镜)和电子内窥镜(分为硬镜和软镜)。目前,纤维内窥镜已基本被电子内窥镜所替代。医用内窥镜可以经人体的天然孔道或手术切口进入人体内,观察内部成像结果。利用内窥镜可以看到X射线不能显示的病变,因此它在医学上有非常重要的作用。常见的医用内窥镜有胃镜、肠镜、宫腔镜、神经内镜等。

随着国内医疗市场对内窥软镜品质需求不断提高,内窥镜产业的多元化多科室需求产品逐步成为未来医疗市场的主题曲,医疗器械设备展Medtec China今年自2016年起布局医疗电子,从最初的电子部件、电机&传动控制展区到2021年首开的高端医疗设备设计与制造专区,一大批高质量展商加盟Medtec,经过多年的积淀,2022年有源医疗装备核心部件展区应运而生,展区将覆盖光学组件,内窥镜部件,激光器,成像解决方案 ,芯片传感,集成电路,连接器线束,电源电机,软件配套等展品和相关企业,近年来,医用内窥镜种类越来越多,如胃镜、食管镜、小肠镜、膀胱镜、腹腔镜、宫腔镜等。医生不仅可通过内窥镜直接观察到空腔器官、体腔及间隙的病变,证实其他检查方法已获得的诊断,还可修正某些诊断,发现某些易漏诊的早期病变,并可以进行多种内外科手术。那么在内窥软镜制造链环节,尤其对于高品质、灵活性强、安全性高、价格实惠的软镜柔性蛇骨来说。本文分为内窥镜的主要结构、系统分析、性能提升和总结等五个部分进行解析。

内窥镜的主要结构:

内窥镜可结合主机(图像处理装置/摄像系统主机)、光源、显示器和其他辅助设备构成内窥镜成像系统。内窥镜成像系统工作原理是光源向内窥镜发出照射光,内窥镜内部的导像束将从物镜入射的来自被摄物的光传送至目镜部或者将图像的光信号转换为电信号,然后传送至成像系统中主机(图像处理装置/摄像系统主机)。主机接收来自内窥镜的图像信号并转换成视频信号,最终在显示器上呈现,方便观察、取样、保存图像等需求。

不同种类的内窥镜会有一些功能和结构上的差别,下图是一个常见的用于胃肠道检测的软管内窥镜完整结构示意图。它的主要结构包含了插入导管、目镜/视频转换器、导光管等。其中,光学物镜包含在插入导管的其中一个通道中。


而下图则是一幅插入导管的内部结构图,所示的为硬式导管(硬式导管和软式导管的内部结构大体相似)。


我们可以看到,导管内的结构包含棒形透镜 (Rod Lens)、隔圈 (Spacer)、物镜组合件 (Objective Assembly),还有位于上部的光纤 (Light Fibers)。本文将讨论的模型即位于内窥镜导管末端的物镜部分。

内窥镜的系统分析:

首先需要说明的是,不同的成像系统所选用的分析评判标准可能有所不同,可选用 RMS光斑尺寸、系统波前差或者 MTF 作为成像质量的评判标准。因此,在优化时可以设置不同的操作数对系统的成像质量进行优化。本文中的内窥镜物镜系统选用的评判标准为 MTF曲线,并且需考虑的优化/限制的条件还包括封装要求、圆锥系数、畸变值、相对照度等,本文在其中选取了几个影响较大的对象进行讨论。

该文件展示了一个已经设计得到的内窥镜物镜系统初始结构。多重结构编辑器下我们可以看到系统包含了三个结构,它们之间的主要区别是系统的物距不同,分别为8 mm、15.584 mm和80 mm。在内窥镜设计中用到多重结构,是考虑到内窥镜的实际使用情况。通常内窥镜物镜可能会在不同的距离对物体进行观察,而不是只在一个特定的距离上,所以我们希望它在不同物距下都能有较好的成像质量,因此需要设置多重结构对系统进行分析。

点击2D视图,在工具栏的红色框选项中可选取查看不同结构的布局图:

选取结构1(即1/3)可得到如下所示的内窥镜物镜视图:


系统由五片透镜组成,全视场角为70度,波长选用可见光波段,参考波长为d光,等效焦距为1.496mm,系统总长为7.16mm。我们可以从2D视图和镜头数据编辑器中,看到绝大多数与封装相关的参数,比如元件厚度、元件机械半直径、元件之间的厚度比等。从这个模型的2D视图中可以看出,第3和第4个透镜之间非常靠近,对应在镜头数据编辑器中两个透镜之间的距离为0.052mm,的确是一个非常小的数值。为了便于实际的生产制造,我们可以在优化时将各个元件之间的距离控制在0.1mm以上。第11个面的厚度也小于0.1mm,但这个物镜系统可能还要被耦合到后续的中继系统中,因此在这里不对它进行优化。


再看到镜头数据编辑器的圆锥系数列,如下图所示,可以看到其中一个透镜的圆锥系数的数值为-306.353,在实际的生产制造中,如果将圆锥系数控制在-100到100这个范围当中会比较利于生产加工,因此我们也可以对这个圆锥系数进行优化。


由于我们并不知道其他比如系统总长、机械孔径大小等具体的封装要求,因此这部分边界条件控制不在本文中进行讨论。

除了内窥镜的高精尖技术,医疗器械设备展Medtec China内窥镜部件供应商也将在现场带来内窥镜镜头、功能内窥镜测试平台、OVM 6946内窥镜模组、4K内窥镜摄像系统、电子肾盂膀胱输尿管镜等,点击快速预登记。

通常,对于成像质量较高的光学系统而言,仅考虑RMS光斑尺寸或者波前差的成像评判标准无法完整考虑系统因为衍射效应造成的成像质量降低,因此我们在此选用MTF作为当前内窥镜系统的成像评判标准,并执行后续优化。

点击打开当前系统的MTF曲线。通常情况下,我们会需要根据CCD/CMOS探测器对应的响应频率设置MTF的空间频率进行曲线观察,在这里我们选择MTF的空间频率显示至70周期/mm。


从结构2对应的MTF曲线图可得知,在35周期/mm时,系统的MTF为0.42左右;在70周期/mm时,系统的MTF为0.13左右。


从结构3对应的MTF曲线图可得知,在35周期/mm时,系统的MTF为0.32左右;在70周期/mm时,系统的MTF为0.09左右。点击分析-像差分析-场曲/畸变功能,分别选择不同的结构,可得到如下图所示的畸变曲线:


从结构1的畸变曲线可看出,系统内最大畸变为-21.12%,畸变程度较大。通过文本数据结果也可以查看到0.5相对视场高度时(通常为观测区域),其畸变值为-5.64%。


从结构2的畸变曲线可看出,系统内最大畸变为-21.17%,畸变程度较大。通过文本数据结果查看到0.5相对视场高度时,畸变值为-5.58%。


而从结构3的畸变曲线可看出,系统内最大畸变为-21.4%,0.5相对视场高度时,畸变值为-5.98%。由于内窥镜物镜的总长和体积都比较小,难以在短距离和小口径镜片中矫正畸变,三种结构中的畸变值总体上都是可以接受的。

系统性能如何提升

我们可以从四个方面对内窥镜物镜系统进行优化:元件间距、圆锥系数、MTF值以及畸变值。点击优化-评价函数编辑器以设置具体的评价函数。

首先,用三个CONF操作数将评价函数编辑器分为三个部分,在第一个CONF操作数的结构#一栏输入1,即在此操作数后插入的后续操作数均用于对结构1进行优化;在所有关于第一个结构的操作数后,插入第二个CONF操作数,并在结构#一栏输入2,同样在此操作数后插入所有用于优化结构2的优化操作数;第三个CONF操作数同理。

三种结构除了物距以外,其他的透镜参数是完全相同的,因此,元件间距和圆锥系数的优化操作数只需插入到其中一个CONF操作数后。 元件间距:为了便于实际的生产制造,对第3、4个透镜之间的间距进行控制,插入MNCA操作数(最小中心空气厚度),将目标值设为0.1 mm,权重设为1,起始面定义为表面7,终止面定义为表面8,通过优化控制第3、4个透镜间的距离大于0.1 mm。

圆锥系数:同样对于实际的生产制造,通常我们想要控制圆锥系数分布在-100~100之间,则需使用到COGT操作数(圆锥系数>目标值)和COLT操作数(圆锥系数<目标值)。首先输入COGT操作数,表面序号设置为表面 8,因为我们主要需要对第8个面的圆锥系数进行限制,然后将目标值设为-48,权重设为1;再输入COLT操作数,同样在面栏处输入8,将目标值设为50,权重设为1,使得圆锥系数的值分布在-48~50之间,收紧对应的优化目标。

MTF值:由于系统中仅使用了偶次非球面表面和标准球面,属于旋转对称系统,因此我们只需要使用MTFT操作数(切向调制函数)控制和优化系统子午方向MTF值即可。系统的三种结构对应不同的MTF表现,因此需要在每个CONF操作数后都添加MTFT操作数以对其相应结构的MTF进行优化。对所有的MTFT操作数,在采样一栏输入2,波长一栏输入2(本例中的参考波长),设置9个视场(可以根据实际需要添加或删减),空间频率设为70,权重设为2。

而目标值可根据初始结构的MTF数值来设置,本例中,内窥镜物镜系统的初始结构1在70周期/mm时的MTF为0.23,则最开始优化时将目标值设为0.3,优化后评估值达到0.3后,再将目标值提升为0.4……依此对目标值进行修改,以渐进的方式对系统MTF进行多次优化,直到各优化操作数的评估值不再满足目标值,则停止对MTF的目标值进行提升。本例结构1中,70周期/mm最终的MTF为0.47左右。而对结构2、3的MTFT设置方法与结构1的相同,先观察初始结构的MTF,再以渐进的方式修改目标值对相应的结构进行优化。

畸变:本例中没有对畸变进行过多的限制。一般情况下,可使用DIMX操作数(最大畸变值)控制系统中的畸变。输入相应的视场和波长编号,然后再设定目标的畸变值,即可控制畸变不超过目标值。本例中,在三个CONF操作数后均插入DIMA操作数,将视场设为4(最大视场角度),波一栏设为2,目标值均设为21(与内窥镜物镜初始结构原有畸变值非常接近)。优化后得到系统三个结构在最大视场角处的畸变值均为-2左右。

有效焦距为了使系统的有效焦距保持一定的大小,需对其进行限制。而对于三个结构来说,有效焦距相同,因此只需在其中一个CONF操作数后插有效焦距EFFL优化操作数。在波长一栏输入2,目标值设为1.496(与原系统相同)。点击执行优化后,评估值与目标值有一定程度的偏,这是因为在视场一定的情况下,有效焦距会因畸变值、透镜曲率半径等参数的改变而改变,只要不发生大的偏差,总体上都是可以接受。


随后,在镜头数据编辑器中将系统所有透镜的曲率半径、第7、8面之间的厚度、第8面的圆锥系数设为变量,点击执行优化。设置的变量也可以根据实际情况而修改,本例为了使得系统的总长度不发生太大的变化,没有把所有的厚度都设为变量。

在优化过程中,可能还会有一些小的改动,比如修改不同操作数的权重值,或者根据优化后的系统变化添入新的操作数,这些都可以根据实际情况来定。在本例的优化过程中,为了使第1和第2个透镜保持一定的间隔,添加了MNEA操作数(最小边缘空气厚度),控制第1和第2个透镜之间的边缘空气厚度大于0.1mm。

以下是本文中的内窥镜物镜系统优化后的2D视图、镜头数据编辑器、MTF曲线图以及场曲/畸变图,可以看到系统的布局看起来是美观的,元件之间的中心距离和边缘距离都大于0.1mm,系统总长为7.383mm,所有圆锥系数都在-50到50之间。三个结构的MTF都得到了显著的提升。


结构1的2D视图(结构2、3的布局图与结构1相比只有物距上的差别)。


结构1的镜头数据编辑器(结构2、3的编辑器数据与结构1相比主要差别为物距)。


对于结构1,在70周期/mm时,MTF为0.47;35周期/mm时,MTF为0.74。


对于结构2,在70周期/mm时,MTF为0.48;35周期/mm时,MTF为0.71。


对于结构3,在70周期/mm时,MTF为0.3;35周期/mm时,MTF为0.6。


对于结构1,半视场角为35°时,畸变值为-20.2%。


对于结构2,半视场角为35°时,畸变值为-20.62%。


对于结构3,半视场角为35°时,畸变值为-21 %。

根据上述结果,在我们对该内窥镜物镜设置了具体的MTF优化后,系统性能在各结构下都得到了明显的提升,并且系统畸变也控制在一个合理的范围中。对于如同内窥镜物镜系统这样具有较高成像性能要求的系统,都可以遵循类似方式进行以MTF为指标的优化控制。在优化过程中,也可使用优化向导。

内窥镜未来发展趋势

随着内窥镜技术的不断提高,内窥镜可提供比以往更高画质、更清晰的内窥镜图像,医生可通过内窥镜直接观察病变部位进行诊断,提高了检查和诊断效率,特别是恶性肿瘤早期的筛查率,内窥镜已逐渐成为医疗中不可或缺的诊断设备。医疗器械设备展Medtec China了解到目前我国内窥镜市场几乎被国外的内窥镜公司垄断,因此内窥镜的研究对我国医疗设备的发展有着重要的意义。电子内窥镜是医用内窥镜重要的发展方向之一。随着科技的发展,人工智能、远程会诊等辅助技术已融入到内窥镜技术中。对于今后内窥镜技术发展有以下几点期望。 1.成像高分辨率

电子内窥镜具有高分辨率、高清晰度等优点,支持远距离多人观察诊断,并与多种治疗附件配合使用,完成多种治疗。与硬管内窥镜相比,其在上下消化道、外科等领域的诊断和治疗上都具有巨大优势,未来具有广阔的发展及应用空间。

2. 微型化

内窥镜外径的大小直接影响患者舒适度,细径化可以减轻患者痛苦和不适感,并加速术后恢复。因此,微型化也是未来医用内窥镜技术发展的重要方向。

3. 智能化

随着计算机、智能设备、机器人、大数据、云计算等产业的不断发展以及医疗技术的不断进步,未来医用内窥镜技术将逐渐与其他技术相互融合,例如可开发计算机辅助的半自动诊断系统,进而减少诊断对医生经验的依赖,提高诊断的正确率。借助机器人动作精确、工作可靠的优点,可使内窥镜手术更具稳定性,大大减轻医务人员的劳动强度。通过人工智能技术,对专家隐性知识进行数字处理,从而实现信息共享的研究也在进行中。

4. 医学技术手段交互化

随着医疗技术的发展,人们对自身的认知也随之加深。在此过程中,对于医学相关学科间的联系将进一步增强,出现诸如超声与内窥镜结合、医学显微镜与内窥镜结合等新型的医疗器械。该类交互型医疗器械的出现,将避免对患者进行反复检查,提升医生诊疗效率。

5.远程医疗设备

借助无线局域网等方式为远程医生提供清晰、准确的检查图像,有助于远程诊断的便捷性与准确性,有效改善我国医疗资源分布不均衡的现状,使患者不再因看病难、看病贵而错过最佳救治时机。

6. 系统集成

推进系统集成,从同一个终端操作多个器械,有望提高手术人员的工作效率并防止人为错误。此外,机器人手术技术得以发展,外科医生可以从专用终端操作能自由弯曲先端且带有关节的机械手。与外科医生直接操作钳子和电手术刀相比,实现了更精密的器械控制。以da Vinci外科手术系统为代表的手术机器人克服了腹腔镜技术的不足,在国外得到了越来越广泛的应用,并取得了良好的效果。

内窥镜作为一类综合了人体工程、电子、影像等多学科的医疗器械,每次革新式的突破都离不开科学技术的发展,而内窥镜技术的发展也为现代临床医学提供了强有力的支撑。就核心技术问题的持续研究,不断攻克科技壁垒。

来源:Medtec医疗器械设计与制造