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?cè)O(shè)計(jì)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(jì)的分辨類達(dá)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(jìn)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(cè)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(xì)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(hào)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(chǎng)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(jì)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(gè)良好的鏡頭，并且直接影響設(shè)計(jì)是否能夠順利的進(jìn)行。其中有兩種方法可供設(shè)計(jì)人員選擇，一種是通過設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)使用近軸光學(xué)原理設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)者創(chuàng)造初始機(jī)構(gòu)是非常難的，需要設(shè)計(jì)人員擁有一定的工作經(jīng)驗(yàn)和豐富的理論儲(chǔ)備。另一種方法是在相關(guān)文獻(xiàn)和專利中選取合適的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，然后優(yōu)化。本設(shè)計(jì)的初始結(jié)構(gòu)采用一個(gè)美國專利作為設(shè)計(jì)起始點(diǎn)。初始結(jié)構(gòu)的選取原則是光圈值與視場(chǎng)和設(shè)計(jì)指標(biāo)要求相同，焦距可以通過縮放鏡頭大小來實(shí)現(xiàn)。

二、設(shè)計(jì)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(duì)初始結(jié)構(gòu)的各方面指標(biāo)進(jìn)行修改，通過對(duì)焦距的縮放及波長(zhǎng)、視場(chǎng)角、F 數(shù)的輸入，讓初始結(jié)構(gòu)達(dá)到一個(gè)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(chǎng)角來控制視場(chǎng)，在 Zemax中輸入視場(chǎng)和波長(zhǎng)以及初始結(jié)構(gòu)的鏡片參數(shù)[5]。

三、設(shè)計(jì)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(chǎng)曲和畸變

場(chǎng)曲反映了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)像面彎曲的情況，對(duì)于此類內(nèi)窺鏡鏡頭場(chǎng)曲小于 0．2 mm 即可，從圖 2 可知，場(chǎng)曲校正在0．05mm 以內(nèi)。另外，對(duì)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(chǎng)畸變?cè)?10%以內(nèi)，在 0.7 視場(chǎng)的時(shí)候，畸變?cè)?5%左右，滿足設(shè)計(jì)要求。

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(qiáng)度分布函數(shù)經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像后，其對(duì)比度(即振幅)的衰減程度。對(duì)于目視系統(tǒng)來說人眼的閾值為 0.3，對(duì)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(chǎng)均大于 0.3。滿足設(shè)計(jì)要求[7-8]。

3.3 光扇圖

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

3.4 點(diǎn)列圖

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

3.5 相對(duì)照度

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

四、公差分析

4.1 公差分析方法

為了提高這個(gè)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(duì)其中一個(gè)參數(shù)的變化波動(dòng)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(duì)這一組的公差要求應(yīng)當(dāng)要嚴(yán)格，反之可以應(yīng)用比較寬松的公差。窺鏡對(duì)成像要求相對(duì)較高，所以對(duì)光學(xué)系統(tǒng)公差要求較為嚴(yán)格。運(yùn)用 ZEMAX 軟件里面的公差計(jì)算和分析程序來計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)里面各個(gè)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(yùn)用 ZEMAX 光學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)樣本為一個(gè)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(jì)軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后得到了一款達(dá)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)角下畸變控制較優(yōu)秀，分辨率達(dá) 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。