刚性内窥镜设计

内窥镜是一种旨在收集人体内部最小图像的医疗设备。内窥镜可以分为两类:刚性内窥镜和柔性内窥镜。刚性内窥镜是将中继镜头堆叠在一起，通常可以产生高质量的图像;柔性内窥镜是一种成本较低的设备，在内窥镜尖端附近插入摄像头，图像通过电线或光纤传输。在今天的文章中，我们将讨论刚性内窥镜的设计参数。在未来的博客中，我们将讨论柔性内窥镜的设计。

组件

任何内窥镜系统都有一些基本组成部分。首先，我们需要一个光源。传统上，使用氙源(较少使用金属卤化物和钨卤化物)。近年来，LED宽带LED光源越来越普遍。第二件需要的事情是一种将光传送到人体内部的方法。通常使用一环光纤来完成此任务。需要注意的是，照明的光线不会穿过用于观察手术的光学镜片。内窥镜使用组织散射的光来生成图像，以避免光学系统中背光反射造成的最终图像退化。

传统上，刚性内窥镜使用中继镜头将图像从物镜中转到相机传感器。在过去的一篇文章中，我们讨论了中继透镜原理我们讨论过一个孔镜它的设计和一个刚性的内窥镜很相似。刚性透镜的原理图如图1所示。

有可能用梯度折射率透镜(GRIN)替代某些中继透镜。GRIN透镜的主要优点是简化了内窥镜的制造。然而，一个缺点是由于低GRIN透镜的数值孔径，视场减少和亮度降低。

内窥镜规范

与任何医疗器械一样，内窥镜的设计都有非常严格的控制，从长度和直径到视野和图像分辨率。然而，在工业环境中可能很重要的一些偏差在这里就不那么重要了。例如，由于需要广角视图，失真是可以接受的。有时外科医生需要观察身体的一部分，而不是直接在内窥镜尖端前面。在使用内窥镜(关节镜)进行膝关节手术的情况下，有时需要向30 - 70度的方向观察。因此，有必要在内窥镜尖端安装棱镜。

在物理尺寸的情况下，直径是一个非常重要的参数。典型的膝关节镜的轴径为4毫米。在这个直径中，我们有一个外管，一个较小的管包含照明系统，第三个管包含继电器镜头。这将光学元件的直径限制在2.8毫米左右。镜头直径限制了几乎所有其他参数。镜头直径限制了镜头f数，从而限制了图像亮度。即使需要更高的照明，在剩余空间中可以添加的光纤数量也有限制。

ISO8600标准用于评价内窥镜的性能。这是一个老标准，但它仍然有用，可以帮助建立一个基本框架来开发我们的设计。

关于内窥镜的设计还有很多信息，一篇文章不足以涵盖所有可能的主题。如果你有兴趣了解更多，我推荐D. Leiner的书《数字内窥镜设计》作为这一主题的很好的介绍。