医用电子内窥镜光源分色系统研究

　目前,国内外应用于临床的内窥镜有两大类:一类是纤维内窥镜或电子内窥镜(例如胃镜、肠镜、支气管镜),另一类是硬管式内窥镜(例如腹腔镜、子宫镜、膀胱镜),其中应用最广的是纤维内窥镜和电子内窥镜.

　　医用电子内窥镜应用先进的微电子器件代替传统的纤维导像束和目镜,通过装在内窥镜先端部的电荷耦合器件CCD(charge coupled dovice),将传送过来的光学图像转换成电子图像,经电缆传递至图像处理器,经视频处理在显示器重现图像[1].电子内窥镜具有图像明亮、清晰、色彩真实、寿命长等优点.

　　选择最佳的CCD彩色成像系统方案,对于医用电子内窥镜至关重要.

　　本文首先分析三种CCD彩色成像系统的机理,通过比较各自的优缺点,提出采用场顺序制机理的原因,即满足对医用电子内窥镜成像系统分辨率高、体积小、结构简单等的基本要求.其次,通过对核心器件CCD特性的简介,详细分析影响整个医用电子内窥镜系统光谱特性的各种因素,着重说明对整个光源分色系统中起关键作用的分色轮、R、G、B三基色滤光片的设计过程,并且给出了相关数据.最后,总结整个设计过程,并指出本研究工作还需深入研究和解决的问题.

1　CCD彩色成像系统的原理

　　进入人体内部的内窥镜镜头部分,其直径受到人体内腔(如消化道、呼吸道)的限制,一般应在Φ=10mm左右.作为医用电子内窥镜成像系统的核心,CCD是放在镜头内紧贴在成像物镜后面,其尺寸受到较大限制,必须选定最佳CCD彩色成像系统方案.

　　以CCD为光电转换器件的彩色成像系统可分为如下三种类型:

　　1)三片单色CCD成像系统:采用三片单色CCD同时接收分光棱镜分出的R、G、B三基色光.由于三片超小型CCD价格昂贵,且三片CCD和三路A/D转换电路使摄像系统体积太大,故不能满足小尺寸的要求.

　　2)单片彩色CCD成像系统[2]:彩色CCD是在CCD光敏面上划出R、G、B区,在一场时间内同时输出R、G、B三色信号.这种CCD控制信号相对简单,但与同体积的单色CCD比较,分辨率低;在分辨率相近的情况下,彩色CCD比单色CCD的体积大得多,且价格异常昂贵.

3)单片单色CCD成像系统:采用一个与电视系统中场频同步旋转的分色轮盘,产生三基色光,顺序照明物体,依次摄取三基色图像,经过显示缓存控制,同时输出到监视器显示彩色图像(见图1).这种系统亦称为场顺序制系统,虽然采集时间较长,但是系统的体积小,分辨率高,因此是可供选择的最佳方案.

　　医用内窥镜冷光源一般采用氙灯.本课题采用功率为350 W的直流点灯的短弧氙灯,具有足够的光通量、高色温、高光效等特点,能够无失真地还原被照明组织本身的颜色.