医用电子宫腔镜光学成像系统设计

全 薇，张 雷，张正正，赵力强

(沈阳理工大学 理学院，辽宁 沈阳 110159)

医用电子宫腔镜光学成像系统设计

全 薇，张 雷，张正正，赵力强

(沈阳理工大学 理学院，辽宁 沈阳 110159)

根据无麻醉宫腔病变诊断的需要，设计一个电子宫腔镜光学成像系统，可用于1/4英寸CCD 宫腔镜成像。该系统视场角为80°，工作景深为15～150mm，放大倍率为26倍，组成系统所有透镜的口径均小于4.5mm。该系统畸变小于4%，能实现局部范围内病灶的低畸变高清晰图象放大，适用于无麻醉宫腔病变的诊断，为子宫恶性肿瘤的早期诊断提供可靠依据。

电子宫腔镜;1/4 英寸CCD;光学成像系统；宫腔疾病诊断

目前在临床医学中，子宫疾病的诊断方法主要有超声技术和电子内窥镜。超声技术是将超声探查部分置于各种体腔内，通过超声断层影像，进行疾病诊断的医疗技术。超声技术只能观察到器官断层结构的剖面，无法呈现光学图像，具有图像不直接、视野小、操作不灵活等缺点[1]。电子内窥镜可以直接观察到人体腔内及内脏器官的组织形态和体内病变情况，方便而准确地对疾病进行诊断。应用电子内窥镜可以提高早期疾病检出率，尤其是早期肿瘤的诊断，因此在临床上得到了越来越广泛的应用[2-3]。电子内窥镜的一个重要应用领域是子宫癌的早期诊断，但目前医用电子内窥镜的硬质部外径均超出了无麻醉宫腔诊断所容许的8mm上限[4]。用于宫腔疾病诊断时需做麻醉，故只适宜做手术的情况，不适宜单纯作为子宫癌症的早期诊断，限制了其在宫腔癌症早期诊断方面的应用[5]。

目前CCD(电荷耦合元件)产品已有尺寸为四分之一英寸、八分之一英寸，像素高数达几十万到几百万。在这样条件下，研制适宜于单纯作为子宫癌症早期诊断的电子宫腔镜，设计和研制小外径、高分辨率的内窥镜光学成像系统成为关键。ZHANG Mei等人[4]研究的电子宫腔镜成像物镜，适用于1/4英寸CCD图像传感器，但视场角为74°，不利于无盲区的诊断；张薇等人[6]设计的二元变焦内窥镜光学系统，虽然视场角达到80°，但边缘视场下空间频率仅为40lp/mm，且最大畸变达到30%，成像质量不佳；赵秋玲等人[7]研究的口腔内窥镜光学系统设计，视场角为62°，视场角较小，限制了观察视野；吴琼等人[8]研究的基于梯度折射率透镜的关节镜光学系统设计，镜头最大口径虽然仅为4.6mm，但视场角只有60°；叶斌[9]的高清晰医用电子内窥镜关键技术研究，视场角较大达到140°，但畸变达到60%，成像质量不佳。本文根据无麻醉宫腔病变诊断的需要，设计了一个80°视场角，最大外径为4.5mm，高清晰、低畸变，且可用于1/4英寸CCD的电子宫腔镜光学系统。

1 电子宫腔镜光学成像系统设计指标

光学成像系统是电子宫腔镜探头中的主要部件，作为医用电子宫腔镜的成像物镜，须满足如下要求：

1)视场：虽然电子宫腔镜的成像系统需要有较大视场角[6]。但过大视场角又会引起系统畸变过大，成像不够清晰，不能准确诊断患者的病变。综合考虑因素及实际应用，所设计的电子宫腔镜光学成像系统的视场角应不小于80°。

2)孔径：固定焦点内电子宫腔镜需要一个较长的景深，使其对远近不同的部位都能获得清晰的图像，这样可减少探头的移动及对焦时间，使用方便。一般摄像物镜的景深可表示为[7]。

(1)

(2)

式中：Δ1和Δ2分别为远景深度和近景深度；F为F/#的取值；p为对准平面到系统入瞳的距离；Z′为像平面上的弥散斑大小。

由式(1)和式(2)可知，F/#取值越大(即相对孔径越小),景深越大；但像面照度与相对孔径的平方成正比，相对孔径越小像面照度越弱[8]。综合考虑景深和像面照度两方面因素，定义设计目标为F/6。为实现光学系统与CCD探测器相匹配，当镜头内接于1/4英寸CCD矩形框时，镜头最大口径应为4.5mm[7]。

3)光谱范围：电子宫腔镜采用白光LED冷光源照明。根据三基色白光LED光谱范围，电子宫腔镜光学成像系统的波长范围为400～650nm。

4)空间分辨率：目前CCD的种类有很多种，为满足电子内窥镜的硬质部外径无麻醉宫腔诊断8mm上限的要求，选用1/4英寸CCD。

本文所使用的1/4英寸CCD，水平分辨率为480TVL,光敏面尺寸为3.2mm×2.4mm。设面阵CCD沿x方向像元宽度为Ra，像元中心距为Rb。令Ra=Rb，则空间分辨率为

fN=480/2Rb=480/(2×3.2)=75lp/mm

(3)

为充分利用CCD的性能，电子宫腔镜光学系统的分辨率应大于75lp/mm。

2 电子宫腔镜光学系统设计及成像质量分析

电子宫腔镜光学成像系统选择反远光学成像系统，反远系统可以拉长后工作距；由于反远系统是由光焦度为负的前光具组和光焦度为正的后光具组组成，光学成像系统的轴外光束通过反远系统的前光具组发散，再经反远系统的后光具组会聚，光线的像方孔径角小于物方孔径角，能更好的矫正系统像差，同时达到小孔径和大视场的设计目标。

光学系统的相对孔径D/f′(D为入瞳直径)、视场角2ω和焦距f′是光学系统的主要参数，三者的关系如下[9]：

相对孔径=D/f′

(4)

y′=f′tanω

(5)

式中y′为像高。从式(4)、(5)可知，相对孔径D/f′和视场角2ω与焦距f′成反比，这三个光学系统参数影响系统像差的校正[10]，因此在光学系统像差校正及优化设计中，要综合考虑相对孔径D′f′、视场角2ω与焦距f′三个参数的变化关系。

在医用电子宫腔镜光学成像系统的优化设计过程中，以光学系统的有效焦距和中心视场的畸变为优化目标，对系统的结构参数进行优化。当优化到基本满足优化目标后，再逐渐增大视场角，以光学系统的调制传递函数MTF为优化目标，对系统进行整体性的优化[11-12]。光学系统整体优化过程中，对于不同的像高，以系统的畸变为优化目标进行逐步优化，直至光学系统在最大视场角下满足畸变的要求。图1是优化后光学系统的结构图。系统由五片镜组成，前两片镜组成的光具组光焦度为负，是反远系统的前组，后三片折射透镜组成的光具组光焦度为正，是反远系统的后组，系统的最大视场可达到80°，最大镜头孔径为4.5mm，有效焦距为2.89mm。为容易加工和装配，所设计的电子宫腔镜光学成像系统全部采用球面。

图1 电子宫腔镜光学成像系统结构图

由式(3)得到1/4英寸CCD的空间分辨率fN=75lp/mm，根据下面公式[13]：

(6)

(7)

于是有：

(8)

因此只要光学系统的调制传递函数MTF曲线的空间分辨率在75lp/mm处的MTF值高于0.2，即可满足1/4英寸CCD空间分辨率的要求。

图2给出了光学系统在0°、40°、67.2°、80°视场的调制传递函数MTF曲线，在80°视场下空间分辨率在75lp/mm处，系统的MTF为0.27，达到了1/4英寸CCD对电子宫腔镜光学成像系统空间分辨率的要求。

图2 光学系统MTF曲线

光学成像系统的场曲和f-θ畸变曲线如图3所示，可以看出，系统的畸变在8%以内，由于视场角较大，导致了较大的畸变，可以通过图像处理来降低畸变，将其降至4%范围内[14]。由图3可以看出，系统的场曲小于0.2mm。

图3 场曲和f-θ畸变曲线图

光学成像系统的点列图如图4所示，在0°、40°、67.2°、80°视场的弥散斑半径的均方根值(RMS)分别为2.560μm、2.829μm、9.775μm、13.913μm，均小于15μm的艾里斑半径，表明系统的成像质量较好。

对于较大视场的光学系统，像面的照度通常不均匀，边缘视场的照度相对光轴中心视场降低很多，当视场角不超过60°时，如果视场边缘的照度小于中心照度的56%，会影响系统视场边缘的分辨率[7]。图5给出了本文所设计的电子内窥镜光学成像系统像面的相对照度，从图5中可以看出，像面边缘处的相对照度是中心视场的71.5%，说明整个像面的照度的均匀性较好，不会影响系统视场边缘的分辨率。

图4 点列图

图5 系统像面的相对照度

上述对所设计的光学系统成像质量分析，表明所设计的医用电子宫腔镜光学成像系统能够满足1/4英寸CCD探测器的要求，并且成像质量好，图像清晰，满足对病人患处的观察、成像、图像处理及其图像分析的需要。

3 结论

设计了一个大视场角的光学系统，可用于1/4英寸CCD宫腔镜的成像。系统的最大视场角为80°，相对孔径为F/6，最大空间分辨率高于75lp/mm，具有较大的景深，像面照度均匀。垂轴像差、场曲、色差都得到很好的校正，有很好的成像质量。系统的口径小于4.5mm，满足小于8mm的免麻醉电子宫腔镜的尺寸要求。

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DesignofOpticalImagingSystemforMedicalElectronicEndoscope

QUAN Wei,ZHANG Lei,ZHANG Zhengzheng,ZHAO Liqiang

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China )

According to the requirement of the diagnosis of uterine cavity lesions without anesthesia,an optical imaging system for medical electronic endoscope was designed,and its maximum lens diameter was less than 4.5mm.The optical imaging system is used for 1/4 "CCD image sensor.The viewing angle is 80°,working depth 15mm-150mm,magnification 26 times.The distortion of optical imaging system is less than 4% and the maximum field curvature 0.2 mm,which can get a high definition magnified image and realize the diagnosis of uterine diseases without anesthesia,especially early-stage malignant tumors.

medical electronic endoscope;1/4 inch CCD;optical imaging system;diagnosis of uterine diseases

2013-11-19

沈阳市科技计划项目(F12-277-1-27)

全薇(1964—)，女，教授，研究方向：光学工程.

1003-1251(2014)05-0006-04

TH74

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赵丽琴)