«Т.Н. Хацевич, И.О. Михайлов ЭНДОСКОПЫ Учебное пособие Рекомендуется для межвузовского использования Новосибирск СГГА 2002 УДК 681.784.84:616-072.1 С 26 Рецензенты: Кандидат технических наук, директор ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОУ ВПО «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

Т.Н. Хацевич, И.О. Михайлов

ЭНДОСКОПЫ

Учебное пособие

Рекомендуется для межвузовского использования

Новосибирск

СГГА

2002 УДК 681.784.84:616-072.1 С 26 Рецензенты:

Кандидат технических наук, директор Конструкторско-технологического института прикладной микроэлектроники СО РАН П.В. Журавлев Кандидат технических наук, доцент Сибирской государственной геодезической академии Р.Е. Кашлатый Хацевич Т.Н., Михайлов И.О.

С 26 Эндоскопы: Учеб. пособие. – Новосибирск: СГГА, 2002. – 196 с.

ISBN 5-87693-108-Х Учебное пособие содержит основные сведения по назначению, классификации и принципам построения медицинских эндоскопов.

Рассмотрены элементная база жестких и гибких медицинских эндоскопов, особенности расчета оптических схем, особенности конструкций, общие технические требования и методы испытаний медицинских эндоскопов.

Предназначено для студентов 4–5 курсов по специальности «Оптикоэлектронные приборы и системы» и специализации «Медицинское оптическое приборостроение» при изучении дисциплин «Медицинские оптические приборы» и «Эндоскопы».

Утверждено на заседании учебно-методической комиссии Института оптики и оптических технологий.

Рекомендовано Советом учебно-методического объединения вузов России по образованию в области приборостроения и оптотехники для обучения студентов по направлениям подготовки бакалавров и магистров «Оптотехника» и дипломированных специалистов 654000 «Оптотехника»

(специальность 190700 «Оптико-электронные приборы и системы»).

УДК 681.784.84:616-072. © «Сибирская государственная геодезическая академия» (СГГА), Хацевич Т.Н., Михайлов И.О., ISBN 5-87693-108-Х

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Назначение, классификация и принципы построения медицинских эндоскопов

1.1. Назначение и классификация медицинских эндоскопов................ 1.2. Принцип построения оптической схемы эндоскопов

1.2.1. Наблюдательная система эндоскопа

1.2.2. Осветительная система эндоскопа

2. Эндоскопы с линзовой оптикой

2.1. Общая характеристика эндоскопов с линзовой оптикой................. 2.2. Особенности габаритного расчета эндоскопов с линзовой оптикой

2.3. Объективы эндоскопов

2.4. Системы передачи изображения

2.4.1. Линзовые системы передачи изображения

2.4.2. Граданные системы передачи изображения

2.4.3. Телевизионные системы передачи изображения

2.5. Окуляры эндоскопов

2.6. Пример расчета эндоскопа с линзовой системой передачи изображения

2.7. Жесткие медицинские эндоскопы

2.7.1. Оптические схемы жестких медицинских эндоскопов............. 2.7.2. Типы жестких медицинских эндоскопов

2.7.3. Конструкции жестких медицинских эндоскопов

3. эндоскопы с волоконной оптикой

3.1. Обобщенная схема эндоскопа с волоконной оптикой

3.2. Введение в волоконную оптику

3.2.1. Полное внутреннее отражение

3.2.2. Оптика единичных волокон. Распространение меридиональных лучей

3.2.3. Потери света при прохождении через единичное волокно...... 3.2.4. Особенности распространения лучей в изогнутых волокнах.. 3.2.5. Распространение косых лучей в волокне

3.2.6. Нарушение полного внутреннего отражения в оптических волокнах

3.2.7. Передача изображения пучком волокон

3.3. Основные элементы эндоскопов с волоконной оптикой............... 3.3.1. Волоконно-оптические жгуты

3.3.2. Объективы

3.3.3. Окуляры

3.3.4. Осветительные системы эндоскопов

4. конструктивные особенности гибких медицинских эндоскопов....... 4.1. Наружные оболочки гибких медицинских эндоскопов................. 4.2. Механические системы управления эндоскопом

4.2.1. Конструкции гибкой части эндоскопа

4.2.2. Механизм управления гибкой частью эндоскопа

4.2.3. Расчет элементов гибкого сочленения эндоскопа

4.3. Гастродуоденоскоп с волоконной оптикой

4.4. Особо тонкий уретероскоп

5. общие технические требования и методы испытаний медицинских эндоскопов

5.1. Основные технические требования к оптике эндоскопов............. 5.2. Методы испытаний

5.3. Приборы для испытаний и контроля оптики эндоскопов............. 5.3.1. Измерение линейного поля эндоскопа

5.3.2. Измерение видимого увеличения эндоскопа

5.3.3. Определение разрешающей силы эндоскопа

5.3.4. Измерение диаметра и удаления выходного зрачка эндоскопа

5.3.5. Измерение остаточных аберраций эндоскопов

6. правила построения наименований и условных обозначений медицинских эндоскопов

6.1. Построение наименований медицинских эндоскопов.................. 6.2. Построение условного обозначения медицинских эндоскопов... Список использованных источников информации

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

Приложение И

Приложение К

Приложение Л

ВВЕДЕНИЕ

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. Кроме визуального наблюдения, может проводиться фотои ТВ-документирование отдельных этапов эндоскопии.

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 оптикомеханические и оптико-электронные приборы. При их разработке требуются тщательная проработка принципиальной схемы прибора, конструктивная увязка всех систем внутри него при ограниченных поперечных размерах, использование комплектующих высокого качества. Для обеспечения высоких эксплуатационных параметров необходимы специальные технологические процессы и высокое профессиональное мастерство при изготовлении.

Очевидно, что успешное развитие этой области медицинской техники и обеспечение высокого технического уровня и качества зависят от системного, комплексного подхода к решению следующих вопросов:

определение номенклатуры эндоскопов, необходимых для оснащения медицинских учреждений и подлежащих разработке, и разработка оптимальных технических параметров эндоскопов и их комплектующих;

создание номенклатуры типовых комплектующих элементов и разработка конструкций типовых узлов эндоскопов, позволяющих на основе модульного принципа конструирования эффективно осуществлять разработку и модернизацию эндоскопов;

разработка критериев оценки качества эндоскопов;

разработка и освоение специальных технологических процессов производства эндоскопов и их узлов и специальной технологической оснастки;

разработка методик и специальных стендов и установок для испытаний эндоскопов и их узлов.

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. Он назвал свой инструмент, созданный в 1805 г. для исследования каналов светопроводником (Lichtleiter) (рисунок 1), применив в нем в качестве источника света свечу [1, 2, 3]. Однако, сконструированный им аппарат не нашел практического применения и никогда не использовался для исследования на людях. В то время не понимали значения этого изобретения, а сам изобретатель был наказан медицинским факультетом города Вены за «любопытство».

Дальнейшее развитие эндоскопической Рисунок 1. Первый эндоскоп техники прошло следующие основные этапы:

Страсбурга изготовлено уретро-пузырное зеркало, состоящее из длинной, полированной внутри серебряной трубки, у внешнего конца которой помещалось коническое зеркало. Короткая серебряная трубка, зачерненная Рисунок 2. Цистоскоп Дезормо академии. В это время эндоскоп был признан повсеместно как полезный диагностический инструмент. Инструмент Дезормо состоял из набора трубок различного диаметра, которые вводились в полость. Источником света была спиртовая лампа (рисунок 3). Короткая трубка прикреплялась в месте установки лампы на уровне пламени. К этой трубке под прямым углом прикреплялась вторая трубка, несущая отражатель. Лампу устанавливали в вертикальном положении, а система трубок и отражатель могли поворачиваться до горизонтального положения в зависимости от цели исследования.

Конец трубки, несущий окуляр, принимал лучи света, которые направлялись через линзу-конденсор и отражались от исследуемой поверхности.

1867 г. Немецкий стоматолог Юлиус Брук предложил в качестве источника освещения использовать платиновую петлю, светящуюся при прохождении через нее электрического тока. Для предохранения ткани от термического повреждения через цилиндр, окружающий светящуюся платиновую петлю, протекал постоянный поток холодной воды.

1868 г. Куссмауль ввел в практику методику гастроскопии. С помощью металлической трубки с гибким обтуратором, вводимым в желудок, далее вводилась полая трубка. Введение такой трубки было возможно при условии, что верхние зубы находились на одной прямой с осью пищевода. В дальнейшем принцип Куссмауля был положен в основу всех методик с использованием жестких и полужестких гастроскопов.

1868 г. Беван разработал жесткий эзофагоскоп длиной 10 см, который был предназначен для извлечения инородных тел и осмотра опухолей пищевода.

1872 г. Август Хакен из Риги предложил использовать черненые врач из Вены, впервые использовал воздух для наполнения исследуемой полости.

1876 г. Макс Нитце предложил прибор с источником света, который мог быть введен в полость мочевого пузыря. Инструмент представлял собой металлический катетер с загнутым концом. Осветитель проводился внутри тубуса и состоял из платиновой петли, заключенной в тонко обработанное гусиное перо. Нагреваемая петля охлаждалась постоянным потоком воды. С помощью Бенеке, оптика из Вены, была изготовлена система линз, смонтированная в трубке. С по-мощью этой системы было зна-чительно увеличено поле зрения прибора. Первый инструмент этого типа был изготовлен дрезденским мастером Диэке. Впоследствии работа была про-должена известным венским инструментальщиком Лейте-ром. В результате этой работы созданы инструменты, назван-ные цистоскопами Нитце – Лейтера.

1880 г. Изобретение лампы накаливания Томасом Эдисоном.

1881 г. Микулич на основании тщательных анатомических исследований разработал конструкцию аппарата, изогнутого в дистальной трети под углом 30. Его идея в то время была трудно осуществима технически.

Однако этот принцип был использован при дальнейшей разработке аппаратов для осмотра желудка.

1883 г. Ньюман представил первый эндоскоп с использованием лампы накаливания.

1885 г. Буассо де Рошэр представил цистоскоп с лампой накаливания и непрямой оптической системой, позволявшей исследовать стенку мочевого пузыря.

1887 г. Нитце и Лейтер создали инструменты с системой линз и лампой накаливания для осмотра стенок мочевого пузыря (рисунок 4).

1889 г. Буассо де Рошэр предложил инструмент, принцип которого положен в основу современных цистоскопов. Источник света был вынесен из полости мочевого пузыря, системы линз для освещения и наблюдения стали раздельными.

1898 г. Келлинг изобрел управляемый гастроскоп.

1898 г. Ф. Ланге и Д. Мельтсинг изобрели гастрокамеру для фотографирования желудка без визуального осмотра.

Буэргер модифицировал линзовую систему цистоскопа, изображение и улучшив его качество. Маккарти предложил пан-эндоскоп с панорамным обзором, снабдив его передней наклонной линзой.

сконструировал эзофагоскоп с электрическим освещением, применявшийся в практике до 70-х гг. XX столетия.

1910 г. Шведский врач Ганс Христиан Якобеус ввел термины «лапароскопия» и «торакоскопия» [4, 5].

1920 г. Врач из Чикаго Ондорфф разработал троакар с автоматическим клапаном для введения лапароскопических инструментов и предотвращения утечки газа. Он же описал преимущества пирамидального стилета.

1929 г. Врач из Берлина Хайниц Кальк разработал троакар с дополнительным рабочим каналом для инструмента.

1932 г. Р. Шиндлер разработал конструкцию полугибкого линзового гастроскопа, который представлял собой трубку длиной 78 см, с гибкой частью длиной 24 см, 12 мм в диаметре, содержащую большое число короткофокусных линз.

1956 г. Разработана система, включающая в себя электронную вспышку, позволившую делать снимки эндоскопических изображений высокого качества.

1958 – 1960 гг. В СССР создан первый в мире аппарат для контактного разрушения камней – электрогидравлический цистолитотриптор «Урат-1»

(авторы – Ю.Г. Единый, О.Г. Балаев и Н.А. Король) (рисунок 5).

1960 г. Создан автономный источник холодного света.

1966 г. В жестких эндоскопах применены стержневидные линзы, предложенные британским физиком Хопкинсом, заметно повысившие разрешение и яркость изображения.

1969 г. Воул и Смит (Bell Laboratories) создали прибор с зарядовой связью (ПЗС), преобразующий оптические сигналы в электрические импульсы.

1986 г. Появление видеоэндоскопов.

Приоритет в создании и выпуске эндоскопических приборов в нашей стране принадлежит научно-производственному объединению «Красногвардеец» (Санкт-Петербург). На рубеже 1980-х гг. в процесс создания новых высоконадежных приборов включилось оптико-механическое объединение ЛОМО. Было развернуто производство гастродуоденоскопа «Пучок МТ-11» с осветителем МТО-225 на ксеноновой лампе. С этого момента началось соперничество двух производителей оптико-механической продукции в области производства эндоскопов. В советский период более сильный рывок осуществило ЛОМО, закупив японскую технологическую линию по производству тубусов гибких эндоскопических приборов, что позволило значительно увеличить выпуск современных и относительно недорогих приборов. «Красногвардеец», в свою очередь, не только увеличивал ассортимент жестких эндоскопов, в частности, цистоуретроскопов, но и не сдавал позиции в части производства гибких эндоскопов. С началом экономических реформ эти предприятия преобразуются в открытые акционерные общества, при этом второе производство НПО «Красногвардеец», где выпускалась вся оптика, получило название «Оптимед».

С целью разработки и серийного производства современных сверхтонких жестких медицинских эндоскопов в 1992 г. было создано объединение, включающее три предприятия: ТОО «ВНИИМП-ОПТИМЕД», организованное на базе ВНИИ медицинского приборостроения (Москва), Научнопроизводственное предприятие «ЭКОМП», организованное на базе Могилевского машиностроительного института (Белоруссия), ЗАО «ГРИНЕКСТ» (Санкт-Петербург) [6].

ТОО «ВНИИМП-ОПТИМЕД» проводит теоретическую разработку медицинской техники, организует изготовление сложных деталей микрооптики и проведение технических и медицинских испытаний на территории России, осуществляет связь с Минздравом РФ и другими государственными структурами.

НПП «ЭКОМП» осуществляет серийное производство основных комплектующих изделий для эндоскопических комплексов, организует проведение технических и медицинских испытаний на территории Белоруссии.

ЗАО «ГРИНЕКСТ» разрабатывает и серийно производит широкую номенклатуру градиентных оптических элементов, служащих основой оптической системы ряда жестких эндоскопов.

В настоящее время разработкой, изготовлением и поставкой эндоскопического оборудования занимаются организации, информацию о которых можно получить из публикаций [7, 8].

По сложившейся специализации оптико-механические предприятия сибирского региона не занимаются производством эндоскопического оборудования. Однако в новых экономических условиях последнего десятилетия наметились тенденции поиска новых направлений их деятельности, растет число организаций, занимающихся сервисным обслуживанием приборов данного класса. Поэтому для расширения возможности адаптации студентов оптического факультета в реальных экономических условиях на кафедре оптических приборов СГГА введена специализация «Медицинское оптическое приборостроение». Данное учебное пособие предназначено для студентов Института оптики и оптических технологий указанной специализации при изучении дисциплины «Эндоскопы», а также для студентов, обучающихся по специальности 190700 «Оптикоэлектронные приборы и системы», при изучении дисциплины «Медицинские оптические приборы», и может быть полезно инженерам, специализирующимся в области проектирования и технического обслуживания эндоскопического оборудования.

1. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ

МЕДИЦИНСКИХ ЭНДОСКОПОВ

1.1. Назначение и классификация медицинских эндоскопов В общем случае эндоскопом1 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. Терминология в области медицинских эндоскопов определяется ГОСТ 18305 «Эндоскопы медицинские. Термины и определения»

[9].

В зависимости от назначения, медицинские эндоскопы делятся на следующие типы:

смотровой – медицинский эндоскоп, предназначенный для исследования внутренних полостей и органов человека путем осмотра;

биопсийный – медицинский эндоскоп, предназначенный для взятия пробы ткани с требуемого участка под визуальным контролем с целью последующего гистологического анализа;

операционный – медицинский эндоскоп, предназначенный для проведения диагностических, лечебных и хирургических манипуляций путем введения инструментов под визуальным контролем.

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;

предназначенные для формирования и передачи изображения объекта к наблюдателю (в жестком или гибком исполнении).

Разнообразие эндоскопов по конструкции и назначению требует определенной их классификации, которая осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТ 23496 «Эндоскопы медицинские. Общие технические требования и методы испытаний» [10].

Эндоскоп образован от греч. endon – внутри и skopeo – смотрю, рассматриваю, наблюдаю.

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 возраста пациентов, эндоскопы подразделяют на следующие виды:

эндоскопы для взрослых;

эндоскопы детские.

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.

Номенклатура эндоскопов достаточно обширна и зависит от области медицинского приложения, а также от цели медицинского вмешательства (диагностика, лечение, хирургия). В таблице 1 приведена классификация медицинских эндоскопов в зависимости от полости тела человека, для исследования которой он предназначен, при этом наименование вида эндоскопа образовано от принятого в медицине названия соответствующей полости.

Наименование эндоскопа Медицинский эндоскоп, вводимый через влагалище для Аминоскоп Медицинский эндоскоп, вводимый во время операции через разрез Ангиоскоп стенки крупных кровеносных сосудов для исследования их Медицинский эндоскоп, вводимый через анальное отверстие для Аноскоп исследования и лечения заболеваний анального отверстия и Медицинский эндоскоп, вводимый путем прокола стенки нижнего Антроскоп носового хода в верхнечелюстную пазуху для исследования и Медицинский эндоскоп, вводимый путем прокола в полость Артроскоп коленного сустава для исследования и лечения его заболеваний Бронхоскоп исследования их внутренней поверхности, лечения их заболеваний и Медицинский эндоскоп, состоящий из набора тубусов, вводимых в Бронхоэзофагоскоп исследования их внутренней поверхности, лечения их заболеваний и Медицинский эндоскоп, вводимый во время операции при вскрытой Вентрикулоскоп полости черепа в мозговые желудочки для исследования и лечения Медицинский эндоскоп, вводимый через гортаноглотку и пищевод в Гастроскоп Медицинский эндоскоп, вводимый через влагалище в полость матки Гистероскоп Медицинский эндоскоп, вводимый через гортаноглотку, пищевод и Дуоденоскоп желудок в двенадцатиперстную кишку для исследования и лечения Медицинский эндоскоп, вводимый через анальное отверстие в Колоноскоп толстый кишечник для исследования и лечения его заболеваний Медицинский эндоскоп, вводимый через разрез заднего свода Кульдоскоп влагалища для исследования и лечения заболеваний органов малого Медицинский эндоскоп, вводимый путем прокола брюшной стенки в Лапароскоп Медицинский эндоскоп, вводимый в гортань для исследования и Ларингоскоп Литотриптор- Цистоскоп, предназначенный для дробления камней в мочевом цистоскоп пузыре под визуальным контролем Медицинский эндоскоп, вводимый оперативным путем при Медиастиноскоп вскрытии грудной стенки в полость средостения для исследования и Медицинский эндоскоп, вводимый путем прокола в спиномозговой Миелоскоп Медицинский эндоскоп, вводимый по нижнему носовому ходу в Отосальпингоскоп носоглотку для исследования и лечения заболеваний слуховой трубы Медицинский эндоскоп, вводимый в наружный слуховой проход для Отоскоп исследования и лечения заболеваний слухового прохода и Медицинский эндоскоп, вводимый во время хирургической Пиелоскоп операции на верхних мочевых путях через разрез почки в ее лоханки Медицинский эндоскоп, вводимый через анальное отверстие для Ректоскоп исследования и лечения заболеваний прямой кишки и нижнего Медицинский эндоскоп, вводимый в полость носа для исследования Риноскоп Медицинский эндоскоп, вводимый через анальное отверстие и Сигмоидоскоп прямую кишку в S-образную (сигмовидную) кишку для Медицинский эндоскоп, вводимый путем прокола грудной клетки Торакоскоп для исследования и лечения заболеваний органов плевральной Медицинский эндоскоп, проводимый через цистоскоп для Уретероскоп исследования и лечения заболеваний верхних мочевых путей Медицинский эндоскоп, вводимый в мочеиспускательный канал для Уретроскоп исследования и лечения заболеваний его внутренней поверхности Медицинский эндоскоп, вводимый во время операции на желчных Холедохоскоп путях через разрез общего желчного протока для его исследования Медицинский эндоскоп, вводимый через влагалище в канал шейки Цервикоскоп Медицинский эндоскоп, вводимый по мочеиспускательному каналу Цистоскоп для исследования и лечения заболеваний мочевого пузыря и верхних Цистоскоп, предназначенный для удаления опухолевых тканей при Цистоскоп- аденоме предстательной железы введением под визуальным резектоскоп контролем электропроводящей режущей петли, подключенной к Медицинский эндоскоп, вводимый в пищевод для исследования Эзофагоскоп внутренней поверхности и лечения его заболеваний Эндоскопическая аппаратура – это совокупность оптических, механических, электронных и светотехнических систем, объединенных в единый медицинский прибор. Блок-схема эндоскопа (рисунок 6) 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 – 14 – наблюдательную систему эндоскопа [11].

Рисунок 6. Блок-схема оптической системы эндоскопа В конкретной конструкции эндоскопа отдельные блоки могут отсутствовать, причем существуют различные варианты исполнения элементов схемы.

Все современное эндоскопическое оборудование для нормальной эксплуатации требует температуры окружающего воздуха от +10 до +45 С при относительной влажности от 30 до 80% (без выпадения конденсата) и при нормальном атмосферном давлении от 86,6 до 106 кПа (от 650 до 800 мм рт.

ст.). Как правило, рассматриваемое эндоскопическое оборудование для своей эксплуатации в европейских странах и в России требует наличия однофазных сетей электропитания напряжением 220 В (±10%) и частотой 50 Гц.

1.2. Принцип построения оптической схемы эндоскопов 1.2.1. Наблюдательная система эндоскопа Наблюдательная система эндоскопа состоит из трех основных частей:

объектива 1, системы передачи изображения 2 и окуляра 3 (рисунок 7). 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 [12] небольшого увеличения, снабженную оборачивающей системой.

Рисунок 7. Принципиальная оптическая схема наблюдательной системы 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 2 в пространстве предметов; видимое увеличение Г; разрешающая способность N; диаметр D' выходного зрачка.

Строение биологического канала или обследуемой полости определяет габаритные размеры (диаметр и длину рабочей части) и оптические характеристики эндоскопа. Диаметры трубчатых элементов иногда по традиции приведены в таких единицах, как Шарьеры1 (Ch). Для каждой исследуемой полости и для каждого вида эндоскопа определены оптимальные рабочие расстояния, для которых следует рассчитывать оптическую систему и задавать оптические характеристики (таблица 2) [13].

Рабочее расстояние в соответствии с назначением эндоскопа для различных видов может колебаться в диапазоне от 5 до 100 мм [13]. Анализируя данные таблицы 2, обратим внимание, что если показатель преломления n рабочей среды перед объективом эндоскопа отличен от 1, то рекомендуемое для разработки оптической схемы эндоскопа рабочее расстояние в воздухе меньше в n раз по сравнению с расстоянием до предмета в рабочей среде.

Номер по шкале Шарьера – условная единица, применяемая для измерения величины поперечного сечения рабочей части эндоскопа и равная его периметру в миллиметрах. Номер по шкале Шарьера для круглого сечения эндоскопа равен трем диаметрам сечения в миллиметрах [9].

Поле зрения и увеличение. При наблюдении через эндоскопы, особенно с диагностическими целями, увеличение на рабочем расстоянии чаще задается в пределах от 1,1 до 1,3. Такое увеличение обеспечивает наиболее естественное восприятие наблюдаемых внутриполостных объектов. Повышение увеличения влечет снижение величины поля зрения, являющегося важным параметром эндоскопа. От смотровых и диагностических эндоскопов требуется возможно большее поле зрения при небольших увеличениях для наилучшего обзора полости. Операционные эндоскопы могут иметь большее увеличение (от 1,6 до 1,8 ) для уверенного проведения различных манипуляций под визуальным контролем. Поле зрения находится в диапазоне от 50 до 90 для жестких эндоскопов и в диапазоне от 50 до 135 для гибких эндоскопов с волоконной оптикой 2.

Как известно, в телескопической системе, расположенной в воздухе, видимое увеличение ГТ может быть определено через основные характеристики несколькими способами:

где f 'об – фокусное расстояние объектива телескопической системы;

f ок – фокусное расстояние окуляра телескопической системы;

2 ' – угловое поле в пространстве изображений окуляра;

2 – угловое поле в пространстве предметов объектива;

D, D' – диаметры входного и выходного зрачков телескопической системы соответственно.

В немецких эндоскопах часто вместо конкретных угловых величин значение угла поля зрения указывается, как стандартное (порядка 85 ± 5 ) или широкое – WA (порядка 135 ± 30 ).

Мочевой пузырь операционные и Желудок Брюшная полость Бронхи Гайморова (верхнечелюстная) пазуха Если предмет находится перед объективом на конечном расстоянии, да еще и в среде с показателем преломления, отличным от 1, то видимое увеличение будет отличаться от рассчитанного по формуле (1). Найдем связь между видимым увеличением ГТ телескопической системы и видимым увеличением ГЭ эндоскопа на расчетном расстоянии в рабочей среде с показателем преломления n. В соответствии с рисунком 7 можно записать, что tg y s, а за окуляром прибора величина угла определится в соответствии с соотношением:

Если предмет величиной y рассматривается в воздухе невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения a (обычно a = 250 мм), то он виден под углом tg Н y a. Следовательно, при наблюдении в эндоскоп он будет восприниматься с видимым увеличением Последняя формула позволяет определить требуемое видимое увеличение ГТ, для которого и должна рассчитываться телескопическая система:

Так как s < na, то и ГТ < ГЭ. Для реализации в эндоскопе видимого увеличения ГЭ = (1 1,8) на рабочих расстояниях s/n = (4 60) мм наблюдательная телескопическая система должна иметь увеличение ГТ в диапазоне от 0,02 до 0,43, т.е. для всего диапазона рабочих расстояний эндоскопов увеличение меньше 1, а в силу этого величина углового поля эндоскопа в пространстве предметов больше, чем в пространстве изображений.

Далее найдем связь между основными параметрами оптической системы эндоскопа.

Дифракционный предел разрешения телескопической системы может быть оценен по известной формуле В свою очередь, для получения наименьших поперечных размеров эндоскопа его оптическая система проектируется так, что световые диаметры Dсв компонентов системы переноса изображения определяются величиной изображения 2y, построенного объективом. Следовательно, можно записать, что Выразив из последней формулы фокусное расстояние объектива, а из формулы (4) – диаметр входного зрачка, найдем следующее соотношение между основными параметрами эндоскопа:

где К – диафрагменное число объектива.

Так как разрешающая способность N эндоскопов обычно выражается числом разрешаемых линий на 1 мм объекта, установленного на расчетном рабочем расстоянии, то, очевидно, что между N и существует простая связь:

N 1 s, воспользовавшись которой, можно иначе записать соотношение (6):

Из последнего соотношения следует, что увеличение поля зрения при прочих равных условиях приводит к уменьшению разрешающей способности эндоскопа. Необходимо учитывать, что взятая в вышеприведенных рассуждениях за основу формула (4) определяет теоретическую разрешающая способность эндоскопа, которая в реальной оптической системе снижается изза наличия аберраций.

С другой стороны, если диаметр входного зрачка выразить из формулы (1), а фокусное расстояние – из формулы (5), то получится следующее соотношение:

которое показывает, что видимое увеличение, поле зрения и диаметр выходного зрачка определяются величинами светового диаметра оптической системы и относительным отверстием ее объектива.

Эндоскопы условно могут быть разделены по сложности оптической системы на три группы [14]:

1) простейшие эндоскопы, состоящие из полой трубки и осветителя;

2) эндоскопы с традиционной оптической схемой;

3) эндоскопы со сложными объективами и системами передачи изображения.

Рассмотрим более подробно принцип построения оптической системы эндоскопа на примере традиционный схемы, представленной на рисунке 8.

Предмет, имеющий угловые размеры 2 и находящийся перед объективом на расстоянии s, превышающем в несколько раз величину фокусного расстояния объектива, проецируется последним в плоскость, расположенную вблизи фокальной плоскости объектива 1. Так как s >> f1, то линейное увеличение определится как 1 f s. При этом величина изображения, построенная объективом, составит Рисунок 8. Принципиальная схема меридиональная кома, хроматизм увеличения и дисторсия.

Для получения требуемой длины оптической системы эндоскопа после первой оборачивающей системы устанавливается коллектив 7 и вторая оборачивающая система 8, 9, аналогичная первой. При необходимости получения большой длины эндоскопа число оборачивающих может быть увеличено, при этом общее число компонентов в системе может достигать нескольких десятков.

В приведенной на рисунке 8 схеме показаны две оборачивающих системы, и в плоскости третьего действительного изображения также установлен коллектив 10. Для того, чтобы изображение объекта получилось после окуляра на расстоянии наилучшего видения, передняя фокальная плоскость окуляра располагается несколько левее (по ходу луча) плоскости последнего действительного изображения так, что на выходе из оптической системы лучи идут к глазу наблюдателя расходящимися пучками (от минус 3 до минус дптр).

Для компенсации аметропии глаза наблюдателя окуляр эндоскопа имеет диоптрийную подвижку в пределах 5 дптр.

Для осуществления бокового наблюдения перед объективом установлена призма 2 типа АкР-90, обеспечивающая вместе с оборачивающими системами прямое изображение.

Защитные стекла 1 и 12 предохраняют оптическую систему от влияния внешней среды как в процессе работы, так и в процессе обработки оптической трубки эндоскопа.

Видимое увеличение телескопической системы эндоскопа определяется как где об.с. – линейное увеличение каждой оборачивающей системы;

При рассмотренном принципе построения оптической схемы линейное увеличение оборачивающей системы определится отношением фокусных расстояний ее компонентов и для обеспечения об.с. = -1 фокусные расстояния компонентов оборачивающих систем принимаются равными между собой, а от их числа будет зависеть характер оборачивания. Если в системе применяется головная призма, то и она влияет на оборачивание изображения, что не отражается формулой (8). Для удобства ориентации при наблюдении и проведения необходимых манипуляций оптическая система эндоскопа должна обеспечивать прямое изображение.

Положение входного зрачка системы определяется из условия обеспечения минимальных размеров головной призмы или объектива. Выходной зрачок для удобства совмещения с ним зрачка глаза наблюдателя должен быть расположен на расстоянии не менее 10 15 мм от наружной поверхности защитного стекла окуляра.

1.2.2. Осветительная система эндоскопа Поскольку при наблюдении в эндоскоп 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 прикладной оптики для расчета величины освещенности изображения, построенного оптической системой, которые применительно к оптической системе эндоскопа можно записать в виде:

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

Lоб – яркость объекта наблюдения;

об, об.с. – коэффициенты пропускания объектива и системы переноса изображения (оборачивающей системы);

A – апертурный угол в пространстве изображений объектива (см.

рисунок 8);

об.с. – линейное увеличение системы переноса изображения.

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

D 2s, получим выражение для числовой апертуры в пространстве изображений объектива sin ' A ' Dz 2 sf 'об, при этом отрезки s и z при проведении светотехнического расчета можно принять равными.

С учетом вышесказанного, выражение (9) при однократном увеличении системы переноса изображения примет вид сформулировать требование к величине освещенности объекта:

осветительная система должна создавать величину освещенности наблюдаемого в эндоскоп объекта в 4K об об.с. раз выше, чем желаемая величина освещенности изображения в предметной плоскости окуляра (здесь К – диафрагменное число объектива).

Количественная оценка показывает, что освещенность объекта должна превышать желаемую освещенность изображения на три порядка. Поскольку диафрагменное число K 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.

В зависимости от расположения источника света, осветительные устройства эндоскопов делятся на дистальные и проксимальные.

Дистальное осветительное устройство эндоскопа – осветительное устройство эндоскопа, источник света которого расположен в дистальном, т.е.

противоположном от наблюдателя, конце эндоскопа.

Проксимальное осветительное устройство – осветительное устройство эндоскопа, источник света которого расположен в проксимальном, т.е. обращенном к наблюдателю, конце эндоскопа [9].

В дистальных осветительных устройствах используются миниатюрные лампы накаливания [15]. Такая система имеет ряд существенных недостатков:

малая освещенность объекта; разогрев лампы может вызвать ожог слизистой;

длина дистального конца увеличивается на длину лампы; поперечные размеры дистального конца при прямом направлении наблюдения значительно возрастают (лампа располагается рядом с оптической трубкой).

Указанные недостатки устранены в жестких эндоскопах с волоконным световодом, конструкция которых позволяет устанавливать мощный источник света на проксимальном конце. Излучение, поступающее в полость, в этом случае будет «холодным». Длина дистального конца сократится на длину лампы. Его диаметр при прямом направлении наблюдения в определенном конструктивном исполнении уменьшится. Освещенность участков наблюдения будет значительно выше. Именно такие осветительные устройства используются в большинстве современных моделей эндоскопов (см. далее п.

3.3.4).

В осветителях применяют либо линзовые, либо зеркальные конденсоры.

Например, отражатель осветителя ОС-150-01 представляет собой эллипсоид Рисунок 9. Принципиальная схема поглощения последнего в осветителях с источника «холодного» света линзовыми конденсорами устанавливают теплофильтры.

Реальный цвет биологического объекта определяется при освещении его белым светом, например, источником типа В или С с цветовой температурой 4 800 и 6 500 К соответственно. При эндоскопии биологический объект освещается излучением, формируемым осветительным каналом эндоскопа.

Галогенные лампы, применяемые в осветителях эндоскопов, имеют более низкую цветовую температуру от 3 150 до 3 500 К, причем отечественные осветители дают желтый оттенок [11].

Кроме того, оптические детали наблюдательного канала, особенно изготовленные из тяжелых стекол, например, СТФ11, ТФ12, еще больше изменяют результирующий цвет наблюдаемого биологического объекта.

Поскольку все компоненты оптической системы эндоскопа вносят изменения в спектральный состав светового излучения, достигающего глаза наблюдателя, то трудно достичь колориметрического подобия. Это затрудняет верификацию патологии, особенно в случаях проведения хромоэндоскопии с применением витальных красителей [11], так как наблюдаемый цвет биологического объекта не будет соответствовать его реальному цвету. Поэтому вопросы колориметрического подобия необходимо учитывать при разработке как осветительных, так и наблюдательных систем эндоскопов.

2. ЭНДОСКОПЫ С ЛИНЗОВОЙ ОПТИКОЙ

2.1. Общая характеристика эндоскопов с линзовой оптикой Эндоскопы с линзовой оптикой относятся к группе жестких эндоскопов, геометрическая и оптическая ось которых остается неизменной в процессе эндоскопического исследования. Номенклатура таких эндоскопов обширна и зависит от области медицинского применения, а также от цели медицинского вмешательства. Строение биологического канала или обследуемой полости определяет габариты прибора (диаметр и длину рабочей части) и его оптические характеристики (поле зрения, увеличение, разрешающую способность, направление наблюдения). Значения основных параметров эндоскопов с линзовой оптикой в соответствии с [10] приведены в таблице 3.

Наблюдательная система эндоскопа, выполненная в виде трубки с заключенными в ней оптическими деталями и служащая для передачи изображения, называется оптической трубкой эндоскопа [9]. Кроме традиционной характеристики поля зрения, оптические трубки характеризуются еще и углом направления наблюдения, т.е. углом между осью рабочей части эндоскопа и осью телесного угла поля зрения:

оптическая трубка прямого наблюдения – оптическая трубка эндоскопа, угол наблюдения которой равен 180 (рисунок 10а);

оптическая трубка бокового наблюдения – оптическая трубка эндоскопа, угол наблюдения которой равен 90 (рисунок 10б);

оптическая трубка проградного наблюдения – оптическая трубка эндоскопа, угол наблюдения которой находится в промежутке от 90 до (рисунок 10в);

оптическая трубка ретроградного наблюдения – оптическая трубка эндоскопа, угол наблюдения которой находится в промежутке от 0 до (рисунок 10г).

Рисунок 10 – Типы оптических трубок эндоскопов: а) прямого наблюдения; б) бокового наблюдения; в) проградного наблюдения; г) ретроградного наблюдени Таблица 3. Значения основных параметров эндоскопов с линзовой оптикой и тубусных Наименование параметра Размер поперечного сечения рабочей части, мм, не более Допустимое отклонение размера поперечного сечения рабочей части, % не менее Длина рабочей части, мм, не менее Допустимое откл. длины раб.

части, %, не более Угловое поле опт. сист.

пространстве предметов, в воздухе, номинальное значение, не менее Допустимое отклонение углового поля оптической системы, %, не более от +10 до – Допустимое отклонение угла направления наблюдения, %, не более Допустимое отклонение видимого увеличения (на расчетном рабочем расстоянии), %, не более:

Разрешающая способность (на расчетном рабочем расстоянии), мм-1, не менее ** Допустимое отклонение разрешающей способности (на расчетном рабочем расстоянии), %, не более*** Допустимое отклонение диаметра выходного зрачка оптических трубок, %, не более:

* Для эндоскопов, выпускаемых с 01.01.97.

**Для оптических трубок диаметром не менее 4 мм и длиной не более мм (при угле поля зрения не более 70 ).

***Допуск не ограничен по верхнему пределу.

2.2. Особенности габаритного расчета эндоскопов с линзовой оптикой Исходными данными для проведения габаритного расчета наблюдательной системы эндоскопа обычно являются видимое увеличение на рабочем расстоянии, угловое (или линейное на рабочем расстоянии) поле в пространстве предметов, наибольший световой диаметр оптических деталей, длина оптической системы, размер и удаление выходного зрачка. Кроме того, дополнительно задается коэффициент виньетирования наклонных пучков лучей, величина которого часто принимается равной 0,5. Очевидно, что при разработке оптической схемы эндоскопа для увеличения коэффициента пропускания необходимо стремиться к уменьшению количества оборачивающих систем, т.е. к оптимальному использованию световых диаметров всех компонентов оптической схемы.

В соответствии с таблицей 3, наружные размеры эндоскопов с линзовой оптикой, зависящие от анатомических размеров и формы полостей, составляют для различных видов эндоскопов: длина – от 100 до 345 мм, диаметр – от 5,0 до 32,0 мм, при этом длина превышает диаметр от 4 до 40 раз.

Оптическую схему наблюдательного канала целесообразно рассматривать как телескопическую систему, поэтому, прежде всего, по формуле (3) определяется видимое увеличение ГТ и угловое поле 2 в (если задана величина 2y), приведенное к воздуху в пространстве предметов. Для определения последнего, если в пространстве предметов эндоскопа находится среда с показателем преломления n, необходимо воспользоваться соотношением где, так же, как и на рисунке 8, 2y – линейное поле, а s – расстояние до объекта. Дальнейший расчет проводится по методике расчета телескопических систем с двухкомпонентными линзовыми оборачивающими системами с параллельным ходом лучей между компонентами.

На рисунке 11 показана расчетная оптическая схема эндоскопа в тонких компонентах с тремя оборачивающими системами, с ходом осевого и наклонного пучков лучей, позволяющая получить формулы для проведения габаритного расчета. Схема предназначена для оптической трубки прямого наблюдения.

Габаритный расчет эндоскопа целесообразно начинать с определения фокусного расстояния объектива. Его величина должна быть такой, чтобы обеспечить требуемое угловое поле при заданном размере изображения:

где 2y – величина изображения, построенного объективом.

Как отмечалось в п. 1.2.1, линейное увеличение оборачивающих систем в эндоскопах принимается равным -1х, поэтому для обеспечения расчетного увеличения необходимо рассчитать фокусное расстояние окуляра:

При этом значение ГТ следует подставлять по абсолютной величине.

Фокусные расстояния компонентов оборачивающих систем f 'обор выбираются из условия обеспечения необходимого диаметра выходного зрачка D':

где Dобор – световой диаметр компонентов оборачивающих систем.

Из подобия заштрихованных на рисунке 11 треугольников следует, что где k 2m D – коэффициент виньетирования крайних наклонных пучков лучей, характеризующий, какую часть от диаметра входного зрачка составляет размер проходящего через него наклонного пучка лучей.

Рисунок 11. Расчетная оптическая схема трубки прямого наблюдения в тонких Из последнего соотношения определяется расстояние dобор между компонентами оборачивающей системы:

Если ввести обозначение то длина телескопической системы L в тонких компонентах, в соответствии с рисунком 11, определится как где n – количество оборачивающих систем.

Величина kобор определяется в зависимости от коэффициента виньетирования, и в эндоскопах обычно находится в пределах от 0,6 до 1,5. При меньших значениях kобор увеличивается количество оптических элементов и, как следствие, происходит снижение коэффициента пропускания системы, а при больших – происходит заметное снижение освещенности на краю поля изображения.

При оптимальном использовании светового диаметра эндоскопа принимается соотношение Dобор= 2y', а коэффициент виньетирования равным 0,5, тогда получается, что kобор = 1.

Последняя формула позволяет по заданной длине оптической системы определить количество оборачивающих систем:

Из рассмотрения хода пучков лучей на рисунке 11 следует, что для того, чтобы световые диаметры компонентов оборачивающей системы определялись ходом осевого пучка лучей, необходимо соответствующим образом рассчитать оптическую силу коллективов. Для этого удобнее всего воспользоваться известной из прикладной оптики формулой, связывающей оптические силы объектива 1, коллектива 2 и окуляра 3 в простой телескопической системе:

где aP и a'P' – расстояния от главных плоскостей объектива и окуляра соответственно до входного и выходного зрачков.

Рассматривая совместно объектив 1 (рисунок 11), коллектив 2 и первый компонент 3 эндоскопа как телескопическую систему, выходным зрачком которой является апертурная диафрагма, расположенная посредине между компонентами 3 и 4 оборачивающей системы, можно определить оптическую силу первого коллектива по формуле (13), которая для данного случая с учетом введенного коэффициента (12) примет следующий вид:

Для определения фокусных расстояний коллективов, стоящих между оборачивающими системами (в данной схеме это коллективы 5 и 8), формула получается еще проще:

В частности, при kобор = 1 получается, что фокусные расстояния промежуточных коллективов равняются фокусным расстояниям компонентов оборачивающей системы.

Аналогично для коллектива, расположенного между последней оборачивающей системой и окуляром (в данной схеме это коллектив 11), можно записать, что где a'P' – удаление выходного зрачка от задней главной плоскости окуляра.

Если в оптической системе эндоскопа световые диаметры коллективов и компонентов оборачивающих систем равны, то, учитывая соотношение (2) и заменяя tg y / s, из формулы (7) можно найти связь между тремя важнейшими оптическими характеристиками эндоскопа с линзовой оптикой:

Как видно из последней формулы, видимое увеличение ГЭ, линейное поле 2y в пространстве предметов и диаметр выходного зрачка D' связаны между собой таким образом, что их произведение для заданного расстояния до предмета и заданных габаритных размеров (длина и диаметр) есть число постоянное. Поэтому нельзя одновременно увеличивать значения этих оптических характеристик, так как увеличение одной из них приводит к снижению другой (или двух остальных) [14]. Формула (14) может использоваться и при оценке рассчитанных систем. При правильной постановке коллективов, симметричном ходе лучей через оборачивающие системы и оптимальном использовании светового диаметра произведение трех главных оптических характеристик системы достаточно близко к максимально возможному, равному 250Dсв fобор.

В следующих подразделах подробнее рассматривается элементная база оптики линзовых эндоскопов: объективы, оборачивающие системы (системы переноса изображения) и окуляры.

2.3. Объективы эндоскопов Объектив эндоскопа предназначен для формирования уменьшенного изображения исследуемых объектов. В соответствии с рекомендациями, содержащимися в таблице 3, объективы должны иметь угловые поля от 50 до 135 и более. Так как изображение, построенное объективом, должно иметь малый размер, обусловленный малыми поперечными размерами оптической трубки эндоскопа, то в соответствии с формулами (10) и (11) объективы должны иметь малую величину фокусного расстояния. Именно это обстоятельство позволяет проводить наблюдение объектов, расположенных на различных расстояниях от объектива без перефокусировки. В работе [14] показано, что для этого достаточно, чтобы фокусное расстояние объектива эндоскопа было в 10 раз меньше расстояния до объекта наблюдения.

Итак, объектив эндоскопа можно отнести к оптическим системам с малым фокусным расстоянием (от 3 до 20 мм), которые при сравнительно небольших относительных отверстиях обладают большими угловыми полями в пространстве предметов.

В самом простом варианте объектив эндоскопа может быть выполнен в виде одиночной линзы. Для увеличения поля зрения в широкоугольных эндоскопах перед объективом устанавливается плоско-вогнутая линза, обращенная плоской стороной к предмету, которая одновременно играет роль защитного стекла. Для обеспечения требуемого угла направления наблюдения в оптическую схему между объективом и защитным стеклом может вводиться призма. Очевидно, для уменьшения ее размеров необходимо рассчитывать систему таким образом, чтобы призма располагалась в области входного зрачка. Таким образом, собственно короткофокусный объектив работает с вынесенным входным зрачком, который удален от него на большое расстояние (по сравнению с его фокусным расстоянием). Именно эта особенность определяет форму однолинзового объектива эндоскопа как плоско-выпуклой линзы, обращенной плоской поверхностью к удаленному предмету. Дело в том, что при расчете объективов различного назначения с вынесенным входным зрачком в качестве базового компонента используется именно плоско-выпуклая линза, так как позволяет создать систему, свободную от астигматизма и комы [16].

С аберрационной точки зрения, целесообразно рассматривать и рассчитывать объектив эндоскопа совместно с толстой плоскопараллельной пластиной и отрицательным компонентом – защитным стеклом. Так как первый коллектив часто имеет большую толщину (соизмеримую с его диаметром) и располагается на малом расстоянии от объектива, то при расчетах объектива он также может включаться в расчетную схему объектива.

Защитное стекло 1 (рисунок 12), призма 2, линза 3 объектива и коллектив образуют сложный объектив, принципиальная схема которого представляет собой перевернутый телеобъектив. На рисунке 12 призма заменена редуцированной плоскопараллельной пластинкой.

Рисунок 12. Принципиальная оптическая схема объектива эндоскопа в тонких На качество изображения, как известно, наряду с дифракцией, существенное влияние оказывают остаточные аберрации оптической системы.

При расчете объективов эндоскопов устраняются, прежде всего, такие аберрации, как хроматизм положения и увеличения, астигматизм, кривизна изображения, кома и аберрации в зрачках. Сферическая аберрация в силу небольшой величины относительного отверстия оказывается малой. Величины остаточных аберраций объектива должны быть такими, чтобы их величина за окуляром не превышала предельных значений, допустимых для визуальных оптических систем. Как известно, устранение дисторсии требует значительного усложнения схемы, но в широкоугольных системах, каковыми являются эндоскопы, правильное восприятие формы объекта осуществляется как раз в том случае, если в системе присутствует дисторсия определенной величины. Поэтому в эндоскопах указанная аберрация допускается, если, по мнению [17], она не достигает такой степени, что узнавание предмета по его изображению становится невозможным.

На рисунке 13 приведены оптические схемы некоторых объективов эндоскопов. По данным [17], в разных схемах астигматизм составляет 0,2 0, мм для угловых полей 56 и 0,33 9 мм для угловых полей 90, меньше всего его величина для схем, изображенных на рисунках 13в, д, е, – не более 0,50 мм для углового поля 90. Зная фокусное расстояние окуляра и не учитывая возможную компенсацию аберраций объектива и последующих оптических элементов системы, легко оценить величину астигматизма в диоптрийной мере за окуляром эндоскопа по известной формуле A 1000 z 'S z 'M f 'ок и сравнить ее с допустимой величиной (0,5 1) дптр для визуальных систем.

Рисунок 13. Оптические схемы объективов эндоскопов Все схемы, представленные на рисунке 13, содержат в себе призму, причем базовая плоско-выпуклая линза может выполняться либо непосредственно на призме, либо наклеиваться на нее (рисунок 13а, д).

Существует объектив эндоскопа, содержащий отрицательную линзу, призму и трехлинзовый положительный компонент, состоящий из переднего мениска, положительной двояковыпуклой склеенной линзы и заднего мениска.

Выполнение менисков в виде одиночных линз не позволяет компенсировать отрицательную кривизну, присущую линзовой оборачивающей системе и окуляру, что приводит к снижению качества изображения всей системы эндоскопа. К этому же приводит и недостаточная коррекция хроматизма увеличения. Для исправления названных аберраций в работе [18] предложен объектив, оптическая схема которого представлена на рисунке 14.

В объективе мениски выполнены в виде склеек из двояковогнутой отрицательной и двояковыпуклой положительной линз, разности показателей преломления стекла которых лежат в диапазоне от 0,02 до 0,2, и разность коэффициентов дисперсий определяется диапазоном от 10 до 28, а радиус поверхности склейки менисков меньше заднего фокусного расстояния объектива. Конструктивные параметры объектива приведены в приложении А.

Переисправление кривизны изображения доведено в объективе до значения x m = 0,132 мм; x s = 0,092 мм на краю поля зрения, что позволяет существенно компенсировать отрицательную кривизну, вносимую линзовой оборачивающей системой и окуляром и, тем самым, устранить эту аберрацию для всей системы эндоскопа. Хроматизм увеличения исправлен до значения yхр= 0,0005 мм, что является вполне достаточным.

Рисунок 14. Оптическая схема объектива эндоскопа с переисправленной кривизной изображения и исправленным хроматизмом В отношении устранения аберрации в зрачках выгодно использовать симметричные дублеты из двух или трех линз (рисунок 13в, г). Использование тройной склейки в объективах эндоскопов оправдано при расчете короткофокусных объективов до 3 мм с хорошим качеством изображения при углах поля в пространстве предметов более 50.

Объектив, построенный по схеме объектива Хилля (рисунок 13е) с передней отрицательной линзой менискообразной формы, позволяет достичь угловых полей до 180 без значительного снижения освещенности на краях поля зрения.

Для повышения коррекционных возможностей предложена схема объектива, представленная на рисунке 15 [19], содержащая плосковогнутую линзу, мениск и двояковыпуклую линзу. В объективе мениск склеен из отрицательной и положительной линз, величина разностей показателей преломления которых лежит в диапазоне от 0 до 0,02 и разности коэффициентов средней дисперсии стекол – в диапазоне от 22 до 23, кривизна поверхности склейки линз мениска составляет величину от 0 до 0,1 оптической силы объектива.

Рисунок 15. Оптическая схема объектива эндоскопа с пониженной сферической Объектив может быть использован в эндоскопах для визуальных исследований и при выполнении фото- и телевизионных съемок.

Рисунок 16. Оптическая схема объектива запотеванию оптики в процессе эндоскопа с малым рабочим диаметром работы. Для исключения этого при одновременном снижении диаметра эндоскопа предлагается объектив выполнять в виде единого блока (рисунок 16), состоящего из склеенных между собой двух положительных линз из материала с высоким показателем преломления, например, сверхтяжелого крона, разделенных отрицательной линзой из материала с низким показателем преломления, например, фтористого натрия, а радиусы кривизны поверхностей отрицательной линзы равны между собой. Кроме того, для улучшения качества изображения за счет коррекции хроматических аберраций одна из положительных линз головного объектива, например, вторая, состоит из склеенных между собой положительной и отрицательной линз из материалов с близкими значениями показателей преломления и различными по величине дисперсиями, так что радиус склейки влияет только на коррекцию хроматизма увеличения.

Так как в научно-технической и патентной литературе недостаточно информации о конструктивных параметрах объективов эндоскопов, то в качестве примера нами был рассчитан простой объектив для трубки эндоскопа прямого наблюдения, оптическая схема которого построена на основе двух двухлинзовых склеенных компонентов и отрицательного защитного стекла.

Принципиальная схема объектива близка к представленной на рисунке 15, а конструктивные параметры и величины остаточных аберраций приведены в приложении Б. Параметры объектива могут быть использованы в качестве исходных при расчете оптических систем эндоскопов при курсовом и дипломном проектировании.

Объектив при фокусном расстоянии 3 мм, угловом поле в пространстве предметов 90 и наибольшем световом диаметре линз 3,6 мм обеспечивает размер изображения 6 мм. Для обеспечения большого поля зрения перед двумя склеенными компонентами установлена отрицательная линза. Для того, чтобы эта линза не вносила кому и астигматизм, ее рекомендуется выполнять плосковогнутой со сферической поверхностью, концентричной центру входного зрачка расположенной за ней части объектива [21]. Расстояние между первой отрицательной линзой объектива и двухлинзовыми склеенными компонентами выбрано больше величины эквивалентного переднего фокального отрезка последних. При этом обеспечиваются фокусное расстояние объектива меньше эквивалентного фокусного расстояния склеенных компонентов, т.е.

и относительно большие значения радиусов кривизны поверхностей в склеенных компонентах.

При относительном отверстии 1 : 6 размер аберрационного кружка рассеяния для точки на оси не превышает 0,011 мм, астигматизм для поля не превышает 0,08 мм. Объектив имеет достаточно большую отрицательную дисторсию, достигающую –27% на краю поля. Еще раз обратим внимание, что в широкоугольных объективах, к каким относятся и объективы эндоскопов, для получения меньших перспективных искажений как раз и не следует стремиться к обеспечению ортоскопичносности [16]. В рассматриваемом объективе закон построения изображения близок не к ортоскопическому, а к линейному, т.е. y' = (для строгого соблюдения линейного закона дисторсия на краю поля должна быть –21,5%). Именно это обстоятельство, наряду с телецентрическим ходом главных лучей в пространстве изображений объективов, способствует улучшению светораспределения. Но при телецентрическом ходе главных лучей световой диаметр линз объектива получается несколько больше размера изображения, что для объективов эндоскопов не всегда приемлемо. В данном объективе ход главных лучей в пространстве изображений приближен к телецентрическому: после объектива угол наклона главного луча крайнего пучка лучей уменьшен до 8.

При использовании такого объектива в конкретной схеме эндоскопа необходимо провести его пересчет на требуемое рабочее расстояние. Например, при расположении предметной плоскости на расстоянии 60 мм от объектива положение плоскости изображения смещается на 0,14 мм, а сферическая аберрация и астигматизм изменяются незначительно (приложение Б).

Как известно, введение в оптическую схему объектива толстых плоскопараллельных пластин благоприятно влияет на аберрационную коррекцию системы, поэтому при необходимости установки призмы после отрицательного компонента потребуется некоторая оптимизация конструктивных параметров с помощью программ по расчету оптических систем.

2.4. Системы передачи изображения Система передачи изображения переносит сформированное объективом изображение на проксимальный1 конец прибора в предметную плоскость окуляра либо объектива кинофотоустройства или телевизионной камеры. Для передачи сигнала также могут быть использованы ПЗС-матрицы.

В эндоскопах с линзовой оптикой применяются два типа систем передачи изображения: линзовая и граданная. В жестких эндоскопах, кроме двух указанных систем, применяются также и волоконно-оптические жгуты.

2.4.1. Линзовые системы передачи изображения Большинство жестких эндоскопов содержит линзовую систему передачи изображения, включающую в себя несколько последовательно расположенных линзовых оборачивающих систем с коллективными линзами между ними.

Если в общем случае в пространстве предметов, где находится изображение, передаваемое оборачивающей системой, показатель преломления обозначить no, то формулу (14) можно преобразовать следующим образом:

где Dсв – световой диаметр линз оборачивающей системы;

Проксимальный конец эндоскопа – часть эндоскопа, обращенная к наблюдателю.

2y – размер промежуточного изображения, передаваемого оборачивающей системой;

Aобор – апертурный угол в пространстве предметов оборачивающей системы.

После деления левой и правой частей на произведение sDсв получается где I – инвариант Лагранжа-Гельмгольца.

Выражение в левой части полученного равенства, выраженное через основные оптические характеристики эндоскопа, называют коэффициентом информативности Kи [12]. Очевидно, чем больше величина Ku, тем выше эксплуатационные свойства и качество прибора в целом. Из формулы (15) следует, что коэффициент Ku непосредственно связан с характеристиками оборачивающей системы следующей зависимостью:

Если для сравнения различных оптических систем эндоскопов их привести к единому рабочему расстоянию s = 250 мм, то выражение для Ku упростится Из последнего выражения следует, что из ряда оборачивающих систем, работающих при одинаковых условиях, та обеспечит наивысшие оптические характеристики эндоскопа, для которой величина I будет наибольшей [22].

В зависимости от конструктивного выполнения компонентов линзовых оборачивающих систем, последние можно разделить на три основные типа, принципиальные схемы которых представлены на рисунке 17.

Рисунок 17. Схемы линзовых систем передачи изображения в эндоскопах: а) с оборачивающими системами из ахроматических линзовых склеек; б) с двухлинзовым компенсатором; в) со стержневидными линзами Так как угловые поля и относительные отверстия компонентов оборачивающих систем небольшие, то в их качестве традиционно используются ахроматические линзовые склейки (рисунок 17а).

Однако, преследуя цель сократить количество оптических деталей в эндоскопе и упростить его изготовление, линзы оборачивающей системы можно выполнять одиночными, а для исправления хроматизма и сферической аберрации ввести афокальный двухлинзовый склеенный компенсатор [16] (рисунок 17б).

Наиболее высокие значения оптических характеристик достигаются в эндоскопах, в системе передачи изображения которых используются так называемые стержневидные линзы (рисунок 17в).

Анализ формул с (15) по (16) свидетельствует, что повышением показателей преломления сред между линзами оборачивающей системы, а также до и после этой системы можно достичь повышения коэффициента информативности эндоскопа, т.е. разработать эндоскоп с большим угловым полем и меньшим диаметром. Одновременно при равных значениях инварианта Лагранжа-Гельмгольца можно добиться и увеличения длины оборачивающей системы, так как при сохранении неизменными диаметров линз при переходе к пространствам с показателями преломления, отличными от единицы, получается возрастание фокусных расстояний пропорционально показателям преломления. Этот переход может быть осуществлен заполнением пространства перед и за оборачивающей системой, а также между ее линзами стеклянными плоскопараллельными пластинками с толщинами, равными фокусным расстояниям линз. Таким образом, необходимо ввести три дополнительных оптических компонента (плоскопараллельные пластины).

Существует большое число различных оптических схем оборачивающих систем эндоскопов. В работе [22] приведен сравнительный анализ восьми часто используемых схем, для которых проведена коррекция трех продольных аберраций (сферической, хроматизма положения и кривизны изображения) при выполнении следующих дополнительных условий: линейное увеличение -1, расстояние L от плоскости предмета до плоскости изображения составляет 100 мм, световой диаметр линз равен 5 мм, виньетирование крайних наклонных пучков света не превышает 30%, главные лучи имеют телецентрический ход в пространствах предметов и изображений (рисунок 18).

Рисунок 18. Схема работы оборачивающей системы эндоскопа: 1 – объектив, Результаты анализа представлены в таблице 4, где приведены числовые значения некоторых параметров, характеризующих наиболее важные свойства оптической системы: качество изображения ( – коэффициент кривизны изображения Пецваля); наибольшую длину прибора (SI зр – коэффициент сферической аберрации третьего порядка, возникающей в зрачках системы и ограничивающей возможное число оборачивающих систем, используемых в эндоскопе); технологичность – наименьший радиус rmin оптической поверхности и N – число оптических деталей в одной оборачивающей системе;

степень совершенства прибора по его оптическим параметрам (K = Kи / Kк.с. – относительный коэффициент информативности, Kк.с. – коэффициент информативности классической оборачивающей системы, представленной в первой строке таблицы).

Схема 1. Классическая оборачивающая система, состоящая из достаточно тонких компонентов и коллективных линз, проста и весьма технологична в изготовлении. Основным ее недостатком является то, что она имеет наибольшую из всех рассмотренных систем величину кривизны изображения и невысокий коэффициент информативности (Kк.с.= 0,128).

Схема 2. Конструкция оборачивающей системы со стержневидными коллективами (известная под названием «люмена-оптика») имеет близкий к классической схеме коэффициент информативности. Так как преломляющие поверхности коллективной линзы находятся на большом расстоянии от плоскости промежуточного изображения, то к их чистоте предъявляют пониженные требования.

Таблица 4. Сравнительные характеристики различных схем оборачивающих Схема 3. Оборачивающая система, включающая стержневидные объективы и коллектив, так же, как первые две имеет технологичные в изготовлении линзы, но больший по сравнению с ними коэффициент информативности.

Схема 4. Самый высокий коэффициент информативности получен в оборачивающей системе, конструкция которой представляет собой моноблок, склеенный из большого числа линз и плоскопараллельных пластин. В такой системе для отдельных линз применяются стекла с очень высокими показателями преломления. Это позволяет уменьшить и кривизну изображения.

Оборачивающая система по этому принципу может представлять собой оптическую трубку, компоненты которой расположены в жидкой среде [23].

Схема 5. В этой схеме функции объектива и коллектива выполняет один стержневидный компонент, имеется всего две поверхности, граничащие с воздухом, обеспечивается сравнительно высокий коэффициент информативности, но малое значение радиуса кривизны склеенной поверхности снижает технологичность. Схема предложена Хопкинсом [12].

Схема 6. Имеет высокий коэффициент информативности и позволяет собирать весьма длинные системы для переноса изображения, содержащие пять и более оборачивающих систем, так как имеет малые аберрации в зрачках и уменьшенную кривизну изображения.

Схема 7. Использование стержневидного компонента менискообразной формы позволяет значительно уменьшить или полностью устранить кривизну изображения. Но в этом случае требуются крутые радиусы кривизны, а коэффициент информативности получается меньше, чем у классической системы. Поэтому оборачивающую систему указанного типа, по рекомендациям [22], целесообразно применять в фотоэндоскопах, особенно с боковым направлением наблюдения, в которых затруднено применение головных объективов, компенсирующих кривизну изображения.

Схема 8. Сочетает преимущества «люмена-оптики» (стержневидный коллектив) и оптики Хопкинса и обеспечивает увеличенный, по сравнению с классической системой, коэффициент информативности, уменьшенную кривизну изображения и простую технологичную форму линз.

Итак, оборачивающие системы, содержащие стержневидные компоненты, позволяют улучшить оптические характеристики эндоскопа по сравнению с классической оборачивающей системой, при незначительном снижении технологичности оптических деталей. Некоторым усложнением стержневидных компонентов можно добиться либо значительного увеличения коэффициента информативности, либо полного исправления кривизны изображения, либо частично того и другого одновременно.

В работе [24] проведено исследование в области аберраций третьего порядка оптической схемы объектива оборачивающей системы эндоскопа, построенной по схеме Хопкинса, с исправленными сферической аберрацией, хроматизмом положения и астигматизмом при вынесенном положении входного зрачка. Объектив состоит из менисковой линзы (рисунок 19), наклеенной на сферический торец стеклянного стержня, другой сферический конец которого находится вблизи плоскости изображения и выполняет функции коллектива.

При этом для обеспечения в пространстве изображения телецентрического хода главных лучей центр входного зрачка располагается в переднем фокусе объектива.

Рисунок 19. Расчетная схема стержневидного объектива оборачивающей системы с ходом первого и второго вспомогательных лучей Найдем выражение для оптической силы объектива. Для этого рассмотрим ход первого луча при следующей нормировке:

и при условии, что n1 = n4 = 1, а задняя фокальная плоскость объектива совпадает с его последней поверхностью.

Для второго луча условия нормировки Воспользуемся формулами параксиальной оптики где nk – показатель преломления среды с номером k;

hk – высота пересечения луча с поверхностью k;

dk – толщина после k-й поверхности;

rk = 1/ k – радиус кривизны поверхности k.

В соответствии с формулами (17) можно записать где Ф н.л. n3 f 'нл – оптическая сила наклеенной линзы.

Последняя формула с учетом (20), (19) и (18) позволяет получить искомое выражение для оптической силы объектива В случае тонкой наклеенной линзы мы принимаем d1 = 0. Тогда выражение станет еще проще Толщина d2 определится из условия h3 = h2 – 3 · d2 = 0. Принимая во внимание, что 3 = 1/n3, получаем:

Полученные выше соотношения показывают, что длина стержневидного объектива вдоль оптической оси получается больше его фокусного расстояния примерно в n3 раз. Это позволяет получить более длинные оборачивающие системы при прочих равных условиях.

Далее рассмотрим условие устранения хроматизма положения в стержневидном объективе с тонкой наклеенной линзой. Для этого необходимо продифференцировать выражение (21) по n и найти такое соотношение между радиусами объектива, при котором оптическая сила объектива не будет меняться при изменении показателей преломления стекол в зависимости от длины волны:

и, следовательно, радиусы наклеенной линзы должны быть связаны соотношением Приравнивая выражение (21) к единице в соответствии с принятыми условиями нормировки 1 и учитывая соотношение (23), определяем радиус первой преломляющей поверхности Если n3 < n2, то по формулам (23), (24) получается, что r1 > 0 и r2 > 0, т.е. первая линза должна иметь форму мениска, как и показано на рисунке 19.

Итак, по формулам (24), (23) и (22) можно последовательно рассчитать конструктивные параметры стержневидного объектива оборачивающей системы, а затем, введя конечную толщину линзы, осуществить оптимизацию полученной базовой системы.

В качестве примера рассмотрим расчет компонента оборачивающей системы с использованием следующих марок стекол:

Расчет по формулам (24) и (23) дает следующие значения радиусов кривизны тонкого наклеенного компонента стержневидного объектива оборачивающей системы:

r1 = 0,41917, ТФ10;

Затем проведем пересчет радиусов на требуемую величину фокусного расстояния, например, 30 мм, введем толщину и осуществим оптимизацию, в результате чего и получим конструктивные параметры (приложение В) компонента оборачивающей системы (рисунок 20).

При диаметре входного зрачка 4 мм и угловом поле 16 полученный компонент имеет малую величину сферической и сферохроматической аберраций, астигматизма, кривизны поля изображения и относительно небольшую величину дисторсии.

Рисунок 20. Объектив оборачивающей системы со стержневидным В работе [24] исследовано влияние толщины наклеенной линзы на положение входного зрачка, при условии, что сферическая аберрация и астигматизм линзы исправлены. С увеличением толщины наклеенной линзы удаление входного зрачка и кривизна поверхности изображения уменьшаются.

Толщина мениска, при которой удаление входного зрачка не превышает 0,5f', соответствует наклеенной линзе с приблизительно концентрическими радиусами. Для устранения хроматизма положения толщина концентрического мениска должна выбираться в соответствии с формулой Исследования, проведенные в работе [24], позволили сформулировать основные закономерности при выборе конструктивных параметров стержневидных элементов, которые сводятся к следующему:

с увеличением разности (n2 – n3) уменьшаются толщина d1, кривизна поверхностей концентрической линзы, а также отношение d1/r1;

с увеличением показателя преломления среды n3 увеличиваются толщина d1, отношение d1/r1 и общая длина компонента;

с увеличением n3 величина кривизны поверхности изображения уменьшается;

при повышении показателей преломления линз аберрации высших порядков уменьшаются.

Использование стержневидных линз в качестве коллективов также весьма оправдано [25]. Главные плоскости стержневидных компонентов расположены на некотором удалении друг от друга, что позволяет получить оптическую систему с длиной, превышающей длину системы (при одинаковых остальных оптических характеристиках эндоскопа), построенной из тонких компонентов, на величину НН', равную сумме расстояний между главными плоскостями отдельных ее компонентов (рисунок 21). В оптической системе эндоскопа содержится большое количество таких компонентов (в некоторых типах приборов превышает 30).

Для выяснения влияния формы линзы на величину расстояния между главными плоскостями используют известные выражения для определения ее кардинальных элементов:

где НН' – расстояние между главными плоскостями;

f' – фокусное расстояние линзы;

r1, r2 – радиусы кривизны первой и второй преломляющих поверхностей соответственно;

d – толщина линзы вдоль оптической оси;

n – показатель преломления стекла.

Рисунок 21. Схема увеличения длины оптической системы эндоскопа из-за наличия расстояния между главными плоскостями в отдельных ее компонентах:

1 – входной зрачок; 2 – объектив; 3 – коллектив; 4 – оборачивающая линза; 5 – окуляр; 6 – выходной зрачок; Lтонк и L – длина оптической системы, состоящей из тонких и реальных компонентов соответственно Из уравнения (26) и условия f' = 1 можно записать, что где 1, 2 – величины, обратные радиусам преломляющих поверхностей.

После подстановки выражения (27) в выражение (25) получено Находя первую производную выражения (28) по r1 и приравнивая ее нулю, определено, что расстояние между главными плоскостями будет иметь экстремальное значение в двояковыпуклой линзе с одинаковыми по абсолютной величине радиусами кривизны преломляющих поверхностей, при этом [25] где d n – приведенная толщина линзы.

получаем выражение для толщины линзы d:

а по формуле (25) – расстояние между главными плоскостями:

Выразив r из (29) и подставив его в последнее выражение, получаем Первая производная выражения (30) по В имеет вид Из последнего выражения следует, что НН' принимает максимальное значение при В = 1, то есть когда d = r.

кардинальных элементов линзы получены чрезвычайно простыми (рисунок 22):

Повышение значения п приводит к увеличению НН'.

Рисунок 22. Схема работы стержневидного коллектива Простые стержневидные линзы могут использоваться в качестве коллективов, согласующих положения зрачков объективов оборачивающих систем. При расчете оптических систем необходимо учитывать, что кривизна изображения в двояковыпуклой линзе с равными радиусами и максимально разнесенными главными плоскостями несколько больше по сравнению с тонкой линзой.

При использовании стержневидных коллективов в оптической системе эндоскопа длина или оптические характеристики последнего могут быть улучшены по сравнению с системой, включающей тонкие коллективы.

Наибольшее повышение характеристик в этом случае достигается при использовании двояковыпуклой линзы, выполненной из стекла с высоким показателем преломления, с радиусами кривизны и толщиной, равными между собой.

При разработке оптических схем эндоскопов весьма выгодно воспользоваться конструктивной схемой, представленной на рисунке 23, состоящей из трех линз, средняя из которых выполнена стержневидной, а у крайних линз поверхности, обращенные к средней линзе, являются конфокальными по отношению к предмету и изображению.

Конструктивно радиусы конфокальных поверхностей наружных линз могут быть сделаны равными радиусам стержневидной линзы. В этом случае до и после конфокальных поверхностей будет реализовываться телецентрический ход лучей, что позволяет при наличии нескольких оборачивающих систем объединять их наружные линзы, которые после объединения становятся тождественными внутренним оборачивающих систем.

В каждой из оборачивающих недоисправленными сферическая аберрация и хроматизм положения, поэтому для их исправления в одну из оборачивающих систем может быть включен специальный коррекционный блок.

2.4.2. Граданные системы передачи изображения Важнейший принцип современной эндоскопии – снижение травматизма при проведении обследований. Особое значение этот принцип приобретает в случаях, когда для проведения эндоскопии необходимо нарушить целостность биологических тканей (инвазивная эндоскопия). Используемые для инвазивной эндоскопии приборы в основном имеют диаметр оптической трубки 2,7 и 4,0 мм, что требует достаточно широкого вскрытия осматриваемой полости.

Одним из путей снижения травматизма при проведении эндоскопических исследований является уменьшение диаметра вводимой в организм рабочей части эндоскопа.

В середине 1980-х гг. в результате разработки новых технологий появились особо тонкие эндоскопы диаметром 1,9 мм, созданные на основе линзовой оптики диаметром около 1,2 мм (например, оптические трубки синоскопов 8660.433, 8660.431 фирмы «Richard Wolf»).

В 1960 – 80-е гг. в Японии и России создан новый тип оптических деталей – градиентные оптические элементы (граданы), оптически эквивалентные линзе, характеристики которой (фокусное расстояние, положение главных плоскостей и т.д.) зависят от длины градана и характера распределения показателя преломления.

Граданы характеризуются неоднородным показателем преломления по объему стекла. Теоретически описаны три типа распределения показателя преломления в градане: сферический градиент, радиальный градиент и осевой градиент. Практический интерес для эндоскопии представляют граданы цилиндрической формы, изготовленные из особых сортов стекла и прошедшие специальную физико-химическую обработку, создающую в градане радиальный градиент показателя преломления, который плавно убывает от оси градана к его наружной цилиндрической поверхности. Освоен выпуск граданов диаметром от 0,35 до 2,7 мм, что позволяет создавать сверхтонкие эндоскопы.

При радиальном распределении показателя преломления точное фокусирование всех меридиональных лучей обеспечивает распределение показателя преломления следующего вида [26]:

где n0 – показатель преломления материала градана вдоль его оптической оси;

g – коэффициент распределения показателя преломления, определяющий фокусирующие свойства градана, мм-1;

y – текущее значение радиуса градана, мм.

В параксиальной области распределение показателя преломления в первом приближении описывается параболическим полиномом При расчете оптических систем, построенных на основе градиентных элементов, широко используют методы матричной оптики. Матрица действия градана, представляющего собой цилиндр диаметром D0 с плоскими входным и выходным торцами (рисунок 24), описывающая его оптические свойства в параксиальной области, имеет вид [26]:

где d – длина градана.

Предположим, что плоскость ОП1 совпадает с первым торцом градана, а плоскость ОП2 перемещается вдоль оптической оси z, формируя оптическую систему с градиентом показателя преломления длиной d.

Рисунок 24. Распространение параксиальных лучей в градане Для входного меридионального луча, заданного в плоскости ОП1 матрицей относительно оси градана), координаты y(d) и U(d) в плоскости ОП определяются произведением матрицы действия градана и матрицы входного луча:

Отсюда определяется координата луча в плоскости ОП2:

Таким образом, при параболическом градиенте показателя преломления траектория меридионального луча в параксиальной области представляет собой синусоиду.

Если входной луч параллелен оптической оси градана, как на рисунке 24, т.е. U0 = 0, то На длине градана d обращается в ноль независимо от высоты луча во входной плоскости ОП1.

Минимальная длина градана d0 2 g, при которой параллельные на входном торце градана лучи соберутся в точку на выходном торце градана, называется характеристической длиной градана. При этом лучи проходят четверть волны синусоиды (четвертьволновый градан). Длина периода Т осцилляции лучей равна T 4d 0 2 g. Очевидно, что для определения параметров градана достаточно рассмотреть градан длиной d 2 g.

Таким образом, осевой параллельный пучок лучей при прохождении через градан будет периодически фокусироваться в точку, а затем снова расходиться.

В соответствии с законами матричной оптики, фокусные расстояния градана, расположенного в воздухе, равны (см. формулу (31)):

градан оптически эквивалентен положительной линзе.

градан оптически эквивалентен отрицательной линзе.

оптически эквивалентен афокальной линзе.

Величина фокусного расстояния градана зависит не только от длины градана, но и от параметра g, который определяет фокусирующие свойства градана. Минимальное (характеристическое) фокусное расстояние, которое можно получить в данном градане, меняя его длину, равно f 1 n0 g. Длина градана должна быть равна d 2 g 2 K 1, где К = 0, 1, 2, ….

Передний и задний фокальные отрезки и положения главных плоскостей градана определяются выражениями:

Для определения связи между положениями и размерами предмета и его изображения обратимся к рисунку 25.

На расстоянии -s от первого торца градана находится плоскость ОП1, совпадающая с плоскостью предмета l, расположенного в среде с показателем преломления nср. Плоскости ОП2 и ОП3 совпадают с торцами градана.

Плоскость ОП4 совпадает с изображением предмета l и расположена на расстоянии s от второго торца градана. Тогда матрицу действия оптической системы, расположенной между плоскостями ОП1 и ОП4, можно представить как произведение элементарных матриц:

Так как для сопряженных плоскостей ОП1 и ОП4 по законам матричной оптики элемент В1 должен равняться нулю, то из В1 = 0 определяется расстояние до изображения:

Рисунок 25. Схема формирования изображения граданом Линейное увеличение оптической системы получается Угловое увеличение оптической системы связано с элементами матрицы следующим образом: nср D1 1 A1. Тогда В качестве и апертурной, и полевой диафрагм выступает наружная цилиндрическая поверхность градана. При этом диаметр входного зрачка и угловое поле связаны следующим выражением:

Впервые идея использовать граданы в качестве элементов, составляющих оптическую схему медицинского эндоскопа, была высказана в 1970 г.

Оптическая система эндоскопа, построенная на основе граданов, в общем случае включает следующие элементы (рисунок 26): высокоапертурный градан, формирующий изображение пространства предметов (градан-объектив);

низкоапертурный градан с большим периодом Ттр, передающий изображение на заданную длину (градан-транслятор); линзовые компоненты, выполняющие роль компенсатора аберраций градиентных элементов; окуляр. Градантранслятор может быть либо отделен воздушным промежутком от граданаобъектива, либо склеен с граданом-объективом.

Для обеспечения максимального значения углового поля в пространстве предметов при заданном диаметре градиентных компонентов необходимо, чтобы градан-объектив имел длину, обеспечивающую телецентрический ход главных лучей после объектива.

Рисунок 26. Принципиальная оптическая схема эндоскопа на основе градиентных элементов: 1 – градан-объектив, 2 – градан-транслятор, 3 – компенсатор аберраций, 4 – окуляр, dоб – длина градана-объектива, dтр – длина Градан-транслятор оптически эквивалентен нескольким оборачивающим системам. Длина транслятора выбирается, исходя из требуемой длины дистального конца прибора, и оценочно равна mTтр 2, где m = 1, 2, 3, ….

Одним из преимуществ граданных элементов является возможность замены двумя граданами нескольких десятков микролинз, составляющих оптическую схему эндоскопа. В эндоскопах, созданных на основе классической оптики, количество оптических деталей достигает 60, а число границ «стекло – воздух» – более 30. Поэтому даже при наличии многослойных просветляющих покрытий коэффициент интегрального светопропускания не превышает величины от 40 до 50%. В случае применения градиентных элементов, в которых оптика дистального конца эндоскопа имеет только две отражающие поверхности, коэффициент интегрального светопропускания значительно возрастает и достигает величины от 85 до 75% при длине градана транслятора от 50 до 200 мм [27].

Таким образом, оптические системы, построенные на основе градиентной оптики, обладают высокой технологичностью и повышенным светопропусканием.

Матрица действия оптической системы «объектив – транслятор»

определяется произведением двух исходных матриц [26] На основании законов матричной оптики определены основные характеристики оптической системы, состоящей из градана-объектива длиной Тоб/4 и градана-транслятора произвольной длины:

апертурный угол в пространстве предметов – способность. Для системы, работающей на достаточно больших расстояниях до предмета, по сравнению с диаметром ее входного зрачка, т.е. в режиме телескопа, предел разрешения N мм-1 равен N Т 1667 D S, или с учетом (34) Для системы, работающей на близких расстояниях, т.е. в режиме микроскопа, теоретическая разрешающая способность равна где А = nсрU0 – числовая апертура оптической системы;

– длина волны излучения.

С учетом (33) выражение для теоретической разрешающей способности системы «объектив – транслятор» имеет вид [26]:

Во ВНИИ медицинского приборостроения был создан параметрический ряд градиентных оптических систем сверхтонких жестких медицинских эндоскопов. Для построения параметрического ряда были разработаны и серийно освоены как высокоапертурные граданы-объективы, так и низкоапертурные граданы-трансляторы (ТУ 92-0482101.033-91 и ТУ 92Основные оптические характеристики и их математические зависимости от длины волны света в диапазоне от 0,48 до 0,6328 мкм ряда граданов приведены в таблице 5 [28].

В таблице 6 приведены некоторые параметры оптических систем из параметрического ряда, состоящих из градана-объектива и градана-транслятора.

Параметры рассчитаны для рабочего расстояния 10 мм [26].