摘要
3D内窥镜在视频3D腹腔镜系统中发挥了重要作用. 本文介绍了应用于微创手术(MIS,minimal invasive surgery)的立体内窥镜的设计原理. 讨论了光学成像技术和仪器设计及其在MIS 程序中的应用, 然后分析了光学系统的三种设计方法, 描述了成像技术的局限以及可能的解决方案. 这里分析了双光学通道技术来复制人类双眼的立体成像效果. 一个视频内窥镜立体系统包括物镜系统, 中继系统, 目镜系统和目镜与CMOS之间的聚焦透镜. 本文尝试了从物点到系统的等角对. 这种等角属性可以将物/像准确映射到最终的立体图像对上. 医生可以在屏幕上看到真实的立体图像. 该光学系统与普通腹腔镜相比具有长工作距300mm, 宽视场(70°)的特点, 其畸变可以从15%降低到5%.
1.简介
在手术机器人微创领域中, 已经有双目立体观察的产品. 人工内窥镜手术中, 如果可以佩戴VR目镜, 实现进行立体检查, 则操作将变得容易, 手术时间将减少, 患者的痛苦将进一步减少. 当下, 标准的单目内窥镜系统已应用许久, 它只能将要检查的区域可视化为无深度感知的平面图像. 因此, 难以观察体腔壁表面的细微凹凸,在内窥镜引导下观察时难以进行诊断或各种治疗. 微创手术中使用的光学仪器有两大类——刚性内窥镜和柔性内窥镜. Fig.1 显示了一种常见的 2D 视频刚性内窥镜.
远端人体组织被成像到近端彩色CMOS相机上;当年mini相机的0.48M像素(800×600)在内窥镜成像系统中非常重要,现在的构想是2M像素(1600×1200).数值图像送到VR设备显示. Oculus Quest 1为PenTile OLED显示屏,单眼像素1440×1600, Oculus Quest 2为RGB-stripe LCD屏,单眼像素1832×1920, 双眼接近4K. 白光照明通过高亮度光源和光纤束投递,现在可以考虑多颗LED照明.
2.双通道立体内窥镜
Fig.2. 是单目内窥镜的光学系统.它由物镜(lens 1~4),接力镜(lens 5~14),目镜(lens 16~17), 15代表视场光阑. 如果在后方加上筒镜和CMOS就可以得到视频.
立体内窥镜的双物镜相当于双瞳. 为了内窥镜的10mm尺度上产生与人眼相同的角视差, 需要仔细核算工作距离,视场和瞳距的关系. 结构如Fig.3所示.
腹腔镜外径是10mm, 后接柱状接力镜, 转向棱镜. 长工作距离300mm,宽视场70°, 150mm大立体空间. LDM如下：
1）视向棱镜实行一体化设计，降低装配难度
2）转像棒镜采用单边胶合设计，一方面降低成本，另一方面降低高温脱胶概率，提高产品可靠性，
3）设计时采用大的视场光栏设计，提高亮度，比如 10mm腹腔镜国内多数企业的光栏是3.6—4mm，采用新的设计技术使光栏最大孔径达到4.9mm，
和国外的STOZS等的产品基本一致，
4）设计光谱，材料根据各方面情况进行优选，使设计的光学系统色彩还原性好，
5）设计视场角从60度–120度全覆盖, 125度以上采用非球面设计，
6）同一规格产品使用同一种棒设计，降低成本,例如4mm鼻窦镜不同视场的镜子只使用同一种棒
以上几个方面是光学设计方面的新的成果，在结构方面，我们提供优质成熟的结构设计，新的结构设计充分考虑与进口产品的互用性，
装配密闭性，在装配方面我们用装配经验达十几年的师傅提供装配指导
在CCD接口镜头方面我们也可以根据需要进行设计，有现成的为腹腔镜配接镜头f20mm的
腹腔镜（外径5mm）
1. F=1.35mm,
2. 总长：360mm,
3. 视场:110度
4: DIST：45%
5: 渐晕：96%
6: 棒镜为单边胶合
7: F#=7.1
市面上成像性能优秀的4K内窥镜, 景深数据都是差不多. 根据<中华人民共和国医药行业标准YY 0068.1-2008>, 具有景深效果的光学镜在该景深范围内, 视场中心的角分辨力应不低于设计光学工作距处角分辨力测量值的80%. 就本人测量过的多款10mm腹腔镜,于物距50mm处调焦清晰, 前后挪动, 在30mm~ 130mm范围内可以达到标准要求的不低于80%, 即景深为30mm~ 130mm.
0.61*0.55/(2/50)=8.4um airy disc
50*tan(35*pi/180)*2=70mm
2.2um*4K=8.8mm
8.8/70=0.125
CMOS上的airy半径: 1.1um
光学知事隅 