三維立體硬質電子喉鏡系統及其使用方法

2023-12-07 23:52:01 2

專利名稱：三維立體硬質電子喉鏡系統及其使用方法
技術領域：
本發明屬於醫用器械，具體涉及一種利用多CXD陣列進行立體影像重構的三維立 體硬質電子喉鏡系統。
現有技術內窺鏡按其所成像是平面的還是立體的圖像，可將其分為平面內窺鏡和立體內窺
^Mi ο目前所使用的內窺鏡，按其所採用的目鏡數量還可以分為單目和雙目鏡第一、目前使用的平面內窺鏡，主要是單目內窺鏡，單目內窺鏡是由一個光學系統 成像，醫生可以通過目鏡端直接使用眼睛進行觀察，但是由於是單目鏡，只能獲得物體一個 角度的影像，就像使用單個眼睛看物體一樣的效果，物體缺乏立體感和距離感。第二、目前使用的一些立體內窺鏡，使用的是雙目鏡結構，其內窺鏡前端可以是一 個光學鏡頭或者兩個光學鏡頭，物體的影像通過兩個目鏡輸出，醫生通過雙目鏡可以觀察 到與人眼類似的物體的立體影像，也可以通過連接特殊的處理主機和顯示器，通過處理主 機的處理，可以在顯示器中顯示立體的影像，但是這種影像也是單角度的，具有一定的局限 性，目前已經出現使用這種結構的立體腹腔鏡。但是在其他應用領域還沒有出現。醫生在使用單目內窺鏡進行手術時，由於單目鏡成平面的圖像，缺乏立體的感知， 所以依賴醫生的技術水平。而雙目鏡式立體內窺鏡雖然能得到類似人眼觀察物體的立體感 覺，但由於人體腔體的局限，也不能立體地反映出整個手術區域的立體全貌，所以醫生在使 用現行的內鏡進行手術時，都要受到視覺上的制約，對於手術的開展和提高病症的治癒率 有一定的限制。CCD (Charge-Coupled Device，電荷耦合器件)是可用於立體相機的一種重要組成 部分。它是一種光敏半導體器件，其上的感光單元將接收到的光線轉換為電荷量，而且電荷 量大小與入射光的強度成正比。CCD圖像傳感器的技術極為成熟，可以根據需要拼接成任 何形狀的陣列。1999年富士公司推出超級CCD技術，在與普通CCD相同面積和感光單元數 目的情況下，其解析度提高60 %，動態範圍提高130 %，色彩再現能力提高40 %，能耗下降 40%，進一步提高了 CXD的功能。CXD的感光單元尺寸不斷在減少，目前已經有報導的感光 單元尺寸僅為0. 5μπι，進入了亞微米時代，CCD將會圍繞著高解析度、高讀出速度、低成本、 微型化、結構優化、多光譜應用和3D照相等方面進一步發展。矩陣排列的感光單元構成的 面陣CXD可傳感圖像。C⑶現在被廣泛應用於數位相機和數碼攝像機中，同時也在天文望遠 鏡、掃描儀和條形碼讀取器中有應用。「嫦娥二號」使用96條線CCD陣列對同一目標採樣， 最後把信號全都累加。很暗的目標、解析度很高的目標，「嫦娥二號」都能照出來，其解析度 能達到1米。現有技術中，還沒有將CCD陣列概念與喉鏡結合起來一起應用，因此，為了得到喉 管內清晰地三維立體影像，將多CCD陣列技術與喉鏡結合的內鏡技術迫在眉睫。

發明內容
本發明的目的是克服上述現有技術的不足，公開一種三維立體硬質電子喉鏡，該 三維立體硬質電子喉鏡能在手術過程中對喉管進行立體三維重構，幫助醫護人員了解喉管 內病變狀況，制定處理方案提供更好的圖像依據。為了達到上述技術目的，本發明是通過以下技術方案實現的本發明所述的三維立體硬質電子喉鏡系統，包括硬質電子喉鏡及與硬質電子喉鏡 連接的冷光源主機，所述硬質電子喉鏡包括硬質工作端部、內鏡主體部分，所述硬質工作端 部上設有能對喉管進行三維立體掃描拍攝、顯示其全景三維立體圖像並對喉管進行三維重 構的多CCD陣列模塊，所述多CCD陣列模塊包括至少一置於硬質工作端部先端部前端面的 端面CCD陣列模塊，及至少一置於硬質工作端部先端部外圓表面的圓周面CCD陣列模塊。所 述具有多陣列模塊能對喉管進行三維立體掃描拍攝、顯示全景三維立體圖像的硬質電子喉 鏡稱之為三維立體硬質電子喉鏡。本發明所述的三維立體硬質電子喉鏡，按照是否具有治療的功能和是否帶把手， 可以分為帶有通道帶把手的三維立體硬質電子喉鏡、有通道無把手的三維立體硬質電子喉 鏡，和不帶通道帶把手、不帶通道無把手的三維立體硬質電子喉鏡共四種結構形式，具體如 下第一種，帶有通道無把手的三維立體硬質電子喉鏡，其包括硬質工作端部、內鏡主 體部分、數據接頭端、冷光源接頭、器械通道、進水通道和出水通道等。第二種，帶有通道帶把手的三維立體硬質電子喉鏡，其包括硬質工作端部、內鏡主 體部分、把手部分和一體化接口、和冷光源接頭、器械通道、進水通道和出水通道第三種，不帶通道無把手的三維立體硬質電子喉鏡，其結構包括硬質工作端部、內 鏡主體部分、數據接頭端和冷光源接頭等。第四種，不帶通道帶把手的三維立體硬質電子喉鏡，其結構包括硬質工作端部、內 鏡主體部分、把手部分和一體化接口或者數據接頭端和冷光源接頭等本發明中，上述帶通道的三維立體硬質電子喉鏡的硬質工作端部，其外徑小於等 於10mm，該硬質工作端部長小於等於200mm，其前端5 12mm為先端部，先端部設計有多 CXD陣列模塊、光導纖維部分、器械通道出口和進出水通道出口。本發明中，上述不帶通道的三維立體硬質電子喉鏡的硬質工作端部，其外徑小於 等於10mm，所述硬質工作端部長小於等於200mm，其前端5 12mm為先端部，先端部設計有 多ccd陣列模塊、光導纖維部分。本發明中，所述置於先端部端面的端面CCD陣列模塊包括端面CCD陣列和端面測 距器，所述端面CXD陣列的內部最少包括2個CXD元件，所述CXD元件線性排列，且每個CXD 對應一組光學鏡頭，能同時對同一個腔內部分成像，每組光學鏡頭的視場角至少90°，CXD 陣列至少具有每秒拍攝5張的速度。所述的端面測距器利用雷射或者聲波等的反射原理， 對喉管距離、深度進行測定。端面測距器的工作頻率與端面CCD陣列的工作頻率一致，保證 數據同步，利於進行立體重建。本發明中，所述置於先端部外圓表面的圓周面CCD陣列模塊包括圓周面CCD陣列 和圓周面測距器，所述圓周面CXD陣列至少包括一組CXD陣列，一組CXD陣列包括至少2個 CCD元件及對應的光學鏡頭，能同時對同一個腔內部分成像，每組光學鏡頭的視場角至少90°，C⑶陣列至少具有每秒拍攝5張的速度。一組CXD陣列的適當位置配置一個測距器， 其工作頻率與CCD陣列的工作頻率一致，保證數據同步，以利於進行立體重建。CCD陣列安 裝在能以主軸做旋轉運動的圓環載體上，能對喉管進行旋轉的CCD影像拍攝，圓環載體旋 轉的速度與外部固定支架的運動速度成比例，以保證喉管內的影像能進行多角度的無縫結 合，對三維立體重構有重要意義。本發明所述的光導纖維部分，是為三維立體硬質電子喉鏡的工作提供足夠光源的 傳輸光路，其出口至少分為兩個部分，一個部分為先端部的前端提供光源，一個部分為先端 部圓周360°的範圍提供光源。本發明所述的帶有通道的三維立體硬質電子喉鏡，其器械通道內徑小於等於 3. Omm0本發明所述的外部固定支架，其作用是配合三維立體硬質電子喉鏡進行喉管的 CCD陣列掃描，其移動速度與三維立體硬質電子喉鏡先端部的多CCD陣列旋轉掃描拍攝速 度成比例。其結構包括固定夾具、支架、移動裝置。固定夾具用於緊密固定三維立體硬質電 子喉鏡的內鏡主體部分，支架連接固定夾具與移動裝置，移動裝置使用高性能的電機驅動， 電機的運動速度由處理主機統一控制。移動裝置傳動方式不限，可以採用絲杆傳動或者導 軌傳動，移動裝置固定在剛性平臺之上。本發明所述的處理主機，其核心部分採用高速的中央處理器和高性能顯卡，用於 接收和處理三維立體硬質電子喉鏡返回的圖像信息和測距器的數據組成的數據包，通過分 析數據包的各種數據，對喉管圖像進行立體重構，還原喉管的立體三維圖像。內部的運動控 制卡用於精確控制外部固定支架運動。所述的工作站組件與處理主機通過數據線連接，工作站組件包括監視器、工作站 主機、控制部件(鍵盤滑鼠等)及外部設備(外部儲存器、印表機等)。工作站組件的功能 是顯示處理主機輸出的三維立體圖像，分析、儲存數據和列印相關資料等。所述的三維立體硬質電子喉鏡系統，其臨床使用方法及系統連接如下患者首先 做適當體位，向患者口腔部放入支撐器並固定，做好消毒等準備工作，通入三維立體硬質電 子喉鏡先作觀察，需要進行喉管的全景立體重建時，則需要使用外部固定支架固定好內鏡 主體部分，通過調節支架，使得三維立體硬質電子喉鏡進入喉管內，固定好支架，同時盡可 能穩定病人，使得內鏡和喉管儘可能減少幹擾，準備完畢後，開啟掃描功能，外部固定支架 驅動內鏡均勻速度往外移動。多CCD陣列模塊對喉管進行直線和旋轉的掃描拍攝的同時， 外部固定支架做勻速的移動，其速度與CCD陣列的旋轉成比例，測距器將實時測量先端部 的CCD陣列與喉管內組織的精確距離，多CCD陣列模塊和測距器的數據包通過數據線傳輸 至處理主機進行計算處理，傳輸至工作站組件的監視器進行三維立體圖像的顯示。與現有技術相比，本發明的有益效果本發明所述的三維立體喉鏡參考了嫦娥二號繞月衛星上的CXD立體相機的相關 概念和原理，首次使用多CXD陣列對人體腔道進行立體掃描拍攝和立體重建，通過處理主 機的處理，獲得喉管的立體影像，喉的立體圖像對於醫生以多角度觀察其內在的病變及研 究病變成因，制定最合理有效的處理方案，具有重要的實際意義。因此，本發明所述的三維 立體喉鏡方便醫生通過在立體的影像的指導下可以進行手術處理，病症研究等臨床和科研 的研究，將醫生的手術習慣從平面引入到立體的層面，革新了手術手段，提高病症的處理效率和準確率等。


圖1是本發明的三維立體硬質電子喉鏡系統結構示意圖。圖加、圖2b是本發明的帶通道三維立體硬質電子喉鏡的結構圖(包括不帶把手和 帶把手兩種形式)。圖3a是本發明中帶通道三維立體硬質電子喉鏡先端部結構示意圖(對應於上述 圖 2a、圖 2b)。圖2c、圖2d是本發明的不帶通道三維立體硬質電子喉鏡的結構圖(包括不帶把手 和帶把手兩種形式)。圖北是本發明中帶通道三維立體硬質電子喉鏡先端部結構示意圖(對應於上述 圖 2c、圖 2d)。圖4是本發明的三維立體硬質電子喉鏡的先端部多CCD陣列模塊剖面示意圖。圖5是本發明的不帶通道三維立體硬質電子喉鏡系統的外部固定支架結構示意 圖。圖6是本發明的不帶通道三維立體硬質電子喉鏡系統的臨床應用示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的詳述如圖1所示，本發明所述的三維立體硬質電子喉鏡系統包括三維立體硬質電子 喉鏡1、外部固定支架2、處理主機3、光源主機5、工作站組件等，工作站組件包括工作站主 機4，控制部件6，監視器7和外部設備8。本發明所述的三維立體硬質電子喉鏡根據其是否帶有通道和是否帶有把手可分 成以下形式，具體是如圖2a、圖2b所示，本發明帶通道的三維立體硬質電子喉鏡1的結構 圖，帶通道三維立體硬質電子喉鏡1至少兩種形式第一種是不帶把手的三維立體硬質電子喉鏡1，其結構包括硬質工作端部11、內 鏡主體部分10、數據接頭端15、冷光源接頭12、器械通道13。第二種是帶把手的三維立體硬質電子喉鏡1，如圖2b所示，其包括硬質工作端部 11、內鏡主體部分10、把手部分18、一體化接口 19、器械通道13等，所述一體化接口 19集成 有冷光源接頭和數據接頭端的作用，設計在把手部分18內部。上述兩種形式的帶通道的三維立體硬質電子喉鏡1的硬質工作端部11，其外徑小 於等於10mm，所述硬質工作端部11長小於等於200mm，其前端IOmm為先端部111，如圖3a 所示，先端部111設計有多CCD陣列模塊(包括端面CCD陣列模塊、圓周面CCD陣列模塊)、 光導纖維部分121、器械通道出口 171和進出水通道出口 131、141，光導纖維部分121提供 立體三維電子喉鏡1前端和圓形端面觀察必要的亮度。如圖2c、2d為本發明所述的不帶通道的三維立體硬質電子喉鏡1的結構圖。所述 不帶通道的三維立體硬質電子喉鏡1也有以下兩種形式第一種是不帶把手也不帶通道的三維立體硬質電子喉鏡1，如圖2c所示，其包括 硬質工作端部11、內鏡主體部分10、數據接頭端12、冷光源接頭15等。
第二種是帶把手但不帶通道的三維立體硬質電子喉鏡1，如圖2d所示，其包括硬 質工作端部11、內鏡主體部分10、把手部分18、一體化接口 19，所述一體化接口 19集成有 冷光源接頭和數據接頭端12的作用，設計在把手部分18內部。上述兩種不帶通道的三維立體硬質電子喉鏡1的硬質工作端部11，其外徑小於等 於10mm，所述硬質工作端部長小於等於200mm，其前端IOmm為先端部111，如圖北所示，先 端部111設計有多ccd陣列模塊塊(包括端面CCD陣列模塊、圓周面CCD陣列模塊)、光導 纖維部分121，光導纖維部分121提供立體三維電子喉鏡1前端和圓形端面觀察必要的亮度。如圖3a、!3b所示，所述端面CXD陣列模塊，包括先端部端面的端面CXD陣列151和 端面測距器152，所述端面CXD陣列153的內部結構最少包括2個CXD元件，CXD元件線性 排列，每個CCD對應一組光學鏡頭，能同時對同一個喉管壁的部分成像，每組光學鏡頭的視 場角至少90°，C⑶陣列至少具有每秒拍攝5張的速度。所述端面測距器152利用雷射或 者聲波等的反射原理，對喉管距離、深度進行測定。所述端面測距器152的工作頻率與端面 C⑶陣列151的工作頻率一致，從而保證數據同步，利於進行立體重建。所述圓周面CXD陣列模塊包括置於先端部外圓表面的圓周面CXD陣列153及圓周 面測距器154。所述圓周面CXD陣列153，至少包括一組CXD陣列，一組CXD陣列包括至少 2個CCD元件及對應的光學鏡頭，能同時對同一個喉管內部分成像，每組鏡頭的視場角至少 90°，C⑶陣列至少具有每秒拍攝5張的速度。一組C⑶陣列的適當位置配置一個測距器 (圓周面測距器1M)，該圓周面測距器IM得工作頻率與圓周面CXD陣列153的工作頻率 一致，保證數據同步，以利於進行立體重建。如圖4所示，是本發明所述的三維立體硬質電子喉鏡的先端部多CCD陣列模塊剖 面示意圖。所述置於先端部端面的端面CCD陣列151和端面測距器152直接固定於先端部 的端面，所述端CCD陣列151的視場角最少90°，其作用主要是拍攝內鏡前端的三維圖像。由圖可知，所述先端部外圓表面的圓周面CCD陣列153和圓周面測距器154是安 裝在內鏡先端部111的可以繞內鏡工作端部主軸旋轉的圓環載體巧5上，以便於能對喉管 進行旋轉的CCD影像拍攝，圓環載體155旋轉的速度與外部固定支架2的運動速度成比例， 以保證喉管內的影像能進行多角度的無縫結合。在本發明中，圓環載體155通過配合固定 在內鏡內部的固定機構158，可以與固定機構158進行平滑的相對旋轉運動，CCD陣列153 和測距器154的數據也通過適當傳輸方式經數據線156傳輸至處理主機，圓環載體155的 動力來自於內鏡先端部的微型馬達157，通過傳動結構提供圓環載體繞固定機構158旋轉 的能量。如圖5所示為本發明所述的外部固定支架2的結構簡圖。外部固定支架2的作用 是配合三維立體硬質電子喉鏡1進行喉管的CCD陣列掃描，其移動速度與三維立體硬質電 子喉鏡1先端部的多CXD陣列(包括端面CXD陣列151、圓周面CXD陣列153)旋轉掃描拍 攝速度成比例。其結構包括固定夾具23、支架22、移動裝置21。固定夾具23用於緊密固定 三維立體硬質電子喉鏡1的內鏡主體部分10，支架22連接固定夾具23與移動裝置21，移 動裝置21使用高性能的電機驅動，電機的運動速度由處理工作站主機4統一控制。移動裝 置21傳動方式不限，可以採用絲杆傳動或者導軌傳動，移動裝置21固定在剛性平臺之上。如圖6所示為本發明所述的三維立體硬質電子喉鏡系統的臨床應用示意圖。三維立體硬質電子喉鏡1連接冷光源主機5及處理主機3，工作站組件(工作站主機4，控制部 件6，監視器7和外部設備8)處於正常工作狀態，三維立體硬質電子喉鏡1的硬質工作端部 11經患者口腔的支撐器91進入喉管9內，三維立體硬質電子喉鏡1固定在外部固定支架2 之上，兩者狀態穩定，儘量減少外接對喉管道9和三維立體硬質電子喉鏡1的幹擾，通過工 作站組件(工作站主機4，控制部件6，監視器7和外部設備8)啟動三維立體硬質電子喉鏡 1的多CCD陣列的掃描拍攝功能，同時啟動外部固定支架2的移動裝置21，其移動速度與三 維立體硬提供質電子喉鏡1的先端部的環形載體155的旋轉速度成比例，以保證成像質量 和有利於處理主機進行三維立體重建，所有數據通過處理主機3處理後傳輸至工作站組件 的工作站主機4進行進一步計算合成，重建成三維立體影像，顯示在監視器7。三維立體硬 質電子喉鏡1對整個喉管9進行掃描後，可以清晰地顯示出喉管9的全景三維圖，為醫生了 解喉管道9的深層情況更為詳細的依據。喉管9的三維立體影像重建後，醫生可以根據三 維圖像，使用帶有通道的三維立體硬質電子喉鏡1對喉管內病變進行處理。
權利要求
1.三維立體硬質電子喉鏡系統，包括硬質電子喉鏡及與硬質電子喉鏡連接的冷光源主 機，所述硬質電子喉鏡包括硬質工作端部、內鏡主體部分，其特徵在於所述硬質工作端部 上設有能對喉管進行三維立體掃描拍攝、顯示全景三維立體圖像、並對喉管進行三維立體 重構的多CXD陣列模塊，所述多CXD陣列模塊包括至少一置於硬質工作端部先端部前端面 的端面CCD陣列模塊，及至少一置於硬質工作端部先端部外圓表面的圓周面CCD陣列模塊。
2.根據權利要求1所述的三維立體硬質電子喉鏡系統，其特徵在於所述硬質電子喉 鏡按照其是否帶有通道和是否帶把手，可以分為帶有通道帶把手的硬質電子喉鏡、有通道 無把手的硬質電子喉鏡、不帶通道帶把手的硬質電子喉鏡和不帶通道無把手的硬質電子喉 鏡共四種結構形式。
3.根據權利要求1所述的三維立體硬質電子喉鏡系統，其特徵在於所述硬質電子喉 鏡的硬質工作端部，其外徑小於等於10mm，該硬質工作端部長小於等於200mm，其前端5 12mm為先端部。
4.根據權利要求1所述的三維立體硬質電子喉鏡系統，其特徵在於所述端面CCD陣 列模塊包括硬質工作端部先端部的端面CCD陣列和端面測距器，所述端面CCD陣列其包括 至少兩個呈線性排列的C⑶元件，且每個CXD元件對應一組光學光學鏡頭，每組光學光學鏡 頭的視場角至少是90°。
5.根據權利要求4所述的三維立體硬質電子喉鏡系統，其特徵在於所述端面CCD陣 列至少具有每秒拍攝5張的速度，所述端面測距器的工作頻率與端面CCD陣列的工作頻率 一致。
6.根據權利要求1所述的三維立體硬質電子喉鏡系統，其特徵在於所述圓周面CCD 陣列模塊包括硬質工作端部先端部的圓周面CCD陣列和圓周面測距器，所述圓周面CCD陣 列其包括至少兩個呈線性排列的CXD元件，且每個CXD元件對應一組光學光學鏡頭，每組光 學光學鏡頭的視場角至少是90°。
7.根據權利要求6所述的三維立體硬質電子喉鏡系統，其特徵在於所述圓周面CCD 陣列至少具有每秒拍攝5張的速度，所述圓周面測距器的工作頻率與圓周面CCD陣列的工 作頻率一致。
8.根據權利要求7所述的三維立體硬質電子喉鏡系統，其特徵在於所述硬質工作端 部的先端部套設有一能以內鏡主體的主軸做旋轉運動的圓環載體，所述圓周面CCD陣列和 圓周面測距器設於該圓環載體上。
9.根據權利要求8所述的三維立體硬質電子喉鏡系統，其特徵在於所述喉鏡內鏡部 分的內鏡主體上還固定連接有外部固定支架，該外部固定支架包括依次連接固定夾具、支 架和移動裝置，所述移動裝置固定在剛性平臺上且由驅動電機進行驅動。
10.根據權利要求1所述的三維立體硬質電子喉鏡系統，其特徵在於所述硬質電子喉 鏡還連接有處理數據用的處理主機以及工作站組件，所述工作站組件與處理主機通過數據 線連接，工作站組件包括監視器、工作站主機、控制部件、外部設備；所述處理主機，其核心 部分採用高速的中央處理器和高性能顯卡，用於接收和處理三維立體硬質電子喉鏡返回的 圖像信息和測距器的數據組成的數據包，通過分析數據包的各種數據，對喉圖像進行立體 重構，還原喉的立體三維圖像。
11.根據權利要求1所述的三維立體硬質電子喉鏡系統的使用方法，其特徵在於(1)將硬質電子喉管鏡通過口腔進入喉部；(2)通過置於硬質電子喉鏡硬質工作端部的多CXD陣列模塊對喉部進行直線和旋轉的 掃描拍攝的同時即對喉部進行三維立體掃描拍攝、顯示全景三維立體圖像、並對喉部進行 立體影像重構。
全文摘要
本發明屬於醫用器械領域，具體公開一種三維立體硬質電子喉鏡系統，其包括硬質電子喉鏡，所述硬質電子喉鏡包括硬質工作端部、內鏡主體部分，所述硬質工作端部上設有能對喉管進行三維立體掃描拍攝、顯示其全景三維立體圖像並對喉管進行三維立體重構的多CCD陣列模塊，所述多CCD陣列模塊包括至少一置於硬質工作端部先端部前端面的端面CCD陣列模塊，及至少一置於硬質工作端部先端部外圓表面的圓周面CCD陣列模塊。本發明通過至少兩個部分的CCD陣列模塊配合內窺鏡的縱深運動，所得到的所有關於喉內的圖像資料和和測距器測出的距離數據傳輸到處理主機進行集中處理重構，重現喉的立體環境，幫助醫護人員更為清楚地了解喉管內病變狀況，為制定處理方案提供更好的圖像依據，具有重要的實際意義。
文檔編號A61B1/05GK102058380SQ20111003330
公開日2011年5月18日 申請日期2011年1月31日 優先權日2011年1月31日
發明者喬鐵, 何群芝, 冼軍健, 謝景夏, 鄭旭君 申請人:廣州寶膽醫療器械科技有限公司