CN102058387A - 一种新型三维立体电子胆道镜系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医用器械，具体涉及一种利用多CCD阵列进行立体影像重构的新型三维立体电子胆道镜系统，其包括软质电子胆道镜，以及与其连接的处理主机、光源主机、工作站组件，三维立体软质电子胆道镜可以经由胆囊底部小切口进入胆囊腔内，也可以在术中通过胆管壁上的小切口进入胆道，然后通过良好的柔软性和操控性拐入胆囊管，进而进入胆总管，对胆总管的情况进行探查，其软质工作端部先端部的多CCD阵列模块对胆总管，甚至肝内胆管进行精细扫描，得到胆管等的三维立体影像，医生根据三维立体影像对胆管病变进行处理。

Description

一种新型三维立体电子胆道镜系统及其使用方法

技术领域

本发明属于医用器械，具体涉及一种利用多CCD阵列进行立体影像重构的新型三维立体电子胆道镜系统。

背景技术

CCD(Charge-Coupled Device，电荷耦合器件)是可用于立体相机的一种重要组成部分。它是一种光敏半导体器件，其上的感光单元将接收到的光线转换为电荷量，而且电荷量大小与入射光的强度成正比。CCD图像传感器的技术极为成熟，可以根据需要拼接成任何形状的阵列。1999年富士公司推出超级CCD技术，在与普通CCD相同面积和感光单元数目的情况下，其分辨率提高60％，动态范围提高130％，色彩再现能力提高40％，能耗下降40％，进一步提高了CCD的功能。CCD的感光单元尺寸不断在减少，目前已经有报道的感光单元尺寸仅为0.5μm，进入了亚微米时代，CCD将会围绕着高分辨率、高读出速度、低成本、微型化、结构优化、多光谱应用和3D照相等方面进一步发展。矩阵排列的感光单元构成的面阵CCD可传感图像。CCD现在被广泛应用于数码相机和数码摄像机中，同时也在天文望远镜、扫描仪和条形码读取器中有应用。“嫦娥二号”使用96条线CCD阵列对同一目标采样，最后把信号全都累加。很暗的目标、分辨率很高的目标，“嫦娥二号”都能照出来，其分辨率能达到1米。

目前所使用的内窥镜，可以分为单目和双目镜，单目内窥镜是由一个光学系统成像，医生可以通过目镜端直接使用眼睛进行观察，但是由于是单目镜，只能获得物体一个角度的影像，就像使用单个眼睛看物体一样的效果，物体缺乏立体感和距离感。医生使用单目内窥镜进行手术，由于单目镜成平面的图像，缺乏立体的感知，所以需依赖医生的技术水平。

一些体视内窥镜，使用的是双目镜结构，其内窥镜前端可以是一个镜头或者两个镜头，物体的影像通过两个目镜输出，医生通过双目镜可以观察到与人眼类似物体的立体影像，也可以通过连接特殊的处理主机和显示器，通过处理主机的处理，可以在显示器中显示立体的影像，但是这种影像也是单角度的，具有一定的局限性。双目镜立体内窥镜虽然能得到类似人眼观察物体的立体感觉，但由于人体腔体的局限，也不能立体地反映出整个手术区域的立体全貌，所以医生在使用现行的内镜进行手术时，都要受到视觉上的制约，对于手术的开展和提高病症的治愈率有一定的限制。

现有技术中，还没有将CCD阵列概念与软质胆道镜结合起来一起应用，因此，为了得到胆管内清晰的三维立体影像，设计一种将多CCD阵列技术与纤维胆道镜结合的内镜技术迫在眉睫。

发明内容

本发明克服了现有胆道镜现有技术中的一些缺点，提供了一种新型三维立体电子胆道镜系统，使得软质胆道镜能进入胆囊管、胆总管甚至肝内胆管，利用其工作端部先端部的多CCD阵列模块对胆管进行三维立体扫描，得到立体的影像。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种新型三维立体电子胆道镜系统，包括软质电子胆道镜，以及与其连接的处理主机、光源主机、工作站组件，所述软质电子胆道镜包括软质工作端部，操作部及与外部连接的数据端口，该软质工作端部包括可控弯曲的先端部，该先端部与所述操作部连接，所述先端部设有进行三维立体扫描拍摄、显示全景三维立体图像，并对胆道腔进行立体影像重构的多CCD阵列模块，所述多CCD阵列模块包括至少一设于该先端部前端面的第一CCD阵列，以及至少一设于先端部外圆表面的第二CCD阵列，所述先端部的前端面和先端部外圆表面上对应设有测距器。

进一步，所述软质工作端部的直径小于等于6.0mm，长度小于等于500mm，所述先端部长度为至少20mm。

进一步，所述软质工作端部先端部外圆表面设有旋转圆环载体，所述第二CCD阵列设于该旋转圆环载体上，所述测距器设于先端部的前端面和旋转圆环载体上。

进一步，所述操作部设有控制上述先端部弯曲的控制轮，控制影像微调的按钮和器械通道。

进一步，所述软质工作端部内设有驱动旋转圆环载体旋转的微型马达。

进一步，所述第一CCD阵列至少包括2个CCD元件，每个CCD元件对应一组镜头。

进一步，所述CCD元件线性排列，每组镜头的视场角至少90°。

进一步，所述第二CCD阵列包括至少一组CCD阵列，一组CCD阵列包括至少2个CCD元件及对应的镜头。

进一步，还包括外部固定支架，该外部固定支架包括精密移动装置、支架和固定夹具，该精密移动装置通过电机驱动，该精密移动装置通过支架、固定夹具和所述软质工作端部固接。

进一步，所述处理主机的核心部分采用高速的中央处理器和高性能显卡，用于接收和处理软质电子胆道镜返回的图像信息和测距器的数据组成的数据包，通过分析数据包的各种数据，对腔体图像进行立体重构，还原腔体的立体三维图像。

进一步，三维立体胆道镜系统的使用方法：

(1)将软质电子胆道镜经由胆囊底部的微小切口进入胆囊腔内，通过软质电子胆道镜工作端部先端部的主动受控弯曲的导引作用，可以方便找到胆囊管并通过适当的操作手法进入胆囊管，进而进入胆总管；

(2)通过先端部设置的多CCD阵列模块即对胆总管、胆囊管进行三维立体扫描拍摄、显示全景三维立体图像、并对胆总管、胆囊管进行立体影像重构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明对胆管进行环形和线性的影像拍摄，得到的数据经处理主机的综合处理，得到胆囊管、胆总管或者肝内胆管的三维立体影像，胆管的立体图像对于医生以多角度观察其内在的病变及研究其环境，制定最合理有效的处理方案，具有实际意义。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的系统及临床手术示意图；

图2是本发明的软质电子胆道镜的结构示意图；

图3是本发明的软质电子胆道镜的先端部示意图；

图4是本发明的软质电子胆道镜的先端部多CCD阵列模块剖面示意图；

图5是本发明的外部固定支架结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述新型三维立体电子胆道镜系统包括软质电子胆道镜1，外部固定支架2，以及与其连接的处理主机3、光源主机5、工作站组件，工作站组件包括工作站主机4，控制部件6(键盘鼠标等)，监视器7和外部设备8(外部储存器、打印机等)等。所述的工作站组件与处理主机通过数据线连接，工作站组件的功能是显示处理主机3输出的三维立体图像，分析、储存数据和打印相关资料等。处理主机3的核心部分采用高速的中央处理器和高性能显卡，用于接收和处理软质电子胆道镜1返回的图像信息和测距器的数据组成的数据包，通过分析数据包的各种数据，对腔体图像进行立体重构，还原腔体的立体三维图像。内部的运动控制卡用于精确控制外部固定支架运动。

如图2所示为本发明的软质电子胆道镜1的结构示意图。软质电子胆道镜1的结构至少包括软质工作端部11，操作部12和连接外部处理主机3和光源主机5的数据端口13。其软质工作端部11的直径小于等于6.0mm，有效长度小于等于500mm，其软质工作端部11前至少20mm为可控弯曲部分，称为先端部，先端部111同时设有进行三维立体扫描拍摄、显示全景三维立体图像的多CCD阵列模块(131，132，134，135)；其操作部12是提供医生握持操作的部分，设置有控制先端部弯曲的控制轮123，控制内镜状态的按钮122和器械通道121等；数据端口13外接处理主机3和光源主机5，为多CCD阵列模块(131，132，134，135)的数据提供输出的通道。

如图3所示为本发明所述新型的三维立体胆道镜1的先端部示意图。软质电子胆道镜1的先端部设计有多CCD阵列模块(131，132，134，135)、光导纤维部分133和器械通道出口1211，光导纤维部分133提供软质电子胆道镜1前端和圆形端面观察必要的亮度。

如图4，结合图3所示的是软质电子胆道镜1的先端部示意图和剖面图，多CCD阵列模块包括先端部前端面的第一CCD阵列131和测距器132，先端部外圆表面的第二CCD阵列134及其测距器135。先端部前端面的第一CCD阵列131，其内部结构最少包括2个CCD元件，CCD元件线性排列，每个CCD对应一组镜头，能同时对同一个腔内部分成像，每组镜头的视场角至少90°，CCD阵列至少具有每秒拍摄5张的速度。测距器132利用激光或者声波等的反射原理，对腔体距离、深度进行距离的测定。测距器132的工作频率与CCD阵列的工作频率一致，保证数据同步，利于进行立体重建。先端部外圆表面的第二CCD阵列134，至少包括一组CCD阵列，一组CCD阵列包括至少2个CCD元件及对应的镜头，能同时对同一个腔内部分成像，每组镜头的视场角至少90°，CCD阵列至少具有每秒拍摄5张的速度。一组CCD阵列的适当位置配置一个测距器1325，其工作频率与CCD阵列的工作频率一致，保证数据同步，以利于进行立体重建。第二CCD阵列134安装在能以软质工作端部11的先端部111主轴做旋转运动的旋转圆环载体136上，能对腔体进行旋转的CCD影像拍摄，旋转圆环载体136旋转的速度与外部固定支架2的运动速度成比例，以保证腔体内的影像能进行多角度的无缝结合。先端部前端面的第一CCD阵列131和测距器132为固定形式，第一CCD阵列131的视场角最少90°，其作用主要是拍摄内镜前端的三维图像；所述的先端部外圆表面的第二CCD阵列134和测距器135安装在内镜先端部的可以绕内镜工作端部11先端部111主轴旋转的旋转圆环载体136上，旋转圆环载体136通过配合固定在内镜内部的固定机构138，可以与固定机构138进行平滑的相对旋转运动，第二CCD阵列134和测距器135的数据也通过适当传输方式经数据线137传输至处理主机，旋转圆环载体136的动力来自于内镜先端部的微型马达139，通过传动结构提供旋转圆环载体136绕固定机构138旋转的能量。

如图5所示为本发明所述的外部固定支架2的结构简图。外部固定支架2的作用是配合软质电子胆道镜1进行腔体的CCD阵列扫描，其移动速度与三维立体软质电子胆道镜1先端部的多CCD阵列模块(131，132，134，135)旋转扫描拍摄速度成比例。其结构包括固定夹具23、支架22、精密移动装置21。固定夹具23用于紧密固定软质电子胆道镜1的内镜主体部分，支架22连接固定夹具23与精密移动装置21，精密移动装置21使用高性能的电机驱动，电机的运动速度由工作站主机4统一控制。精密移动装置21传动方式不限，可以采用丝杆传动或者导轨传动，精密移动装置21固定在刚性平台之上。

如图1所示为本发明所述新型三维立体电子胆道镜系统的临床应用示意图。新型三维立体电子胆道镜系统连接如图1所示，其临床应用方法为：医生使用软质电子胆道镜1经由胆囊9底部的微小切口进入胆囊腔内，也可以在术中通过胆管壁上的小切口进入胆道，通过软质电子胆道镜1工作端部11的先端部111的主动受控弯曲的导引作用，可以方便找到胆囊管并通过适当的操作手法进入胆囊管92，进而进入胆总管91，通过先端部111设置的多CCD阵列可以得到胆总管91、胆囊管92等的清晰图像。要对胆总管91或者胆囊管92进行三维立体的扫描，则首先需要把软质电子胆道镜1固定在外部固定支架2的固定夹具23上，扫描过程尽量保持胆囊9与软质电子胆道镜1之间的稳定，同时启动软质电子胆道镜1的多CCD阵列模块(131、132、134、135)和外部固定支架2，在多CCD阵列模块(131、132、134、135)对胆总管91和胆囊管92进行直线和旋转的扫描拍摄的同时，外部固定支架2做匀速的移动，其速度与第二CCD阵列134的旋转成比例，测距器135将实时测量先端部的第一CCD阵列131与胆总管91或者胆囊管92壁的精确距离，多CCD阵列模块(131、132、134、135)和测距器的数据包通过数据线传输至处理主机3、工作站主机4进行计算处理，传输至工作站组件的监视器7进行三维立体图像的显示。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (11)

1.一种新型三维立体电子胆道镜系统，包括软质电子胆道镜，以及与其连接的处理主机、光源主机、工作站组件，所述软质电子胆道镜包括软质工作端部，操作部及与外部连接的数据端口，该软质工作端部包括可控弯曲的先端部，该先端部与所述操作部连接，其特征在于：所述先端部设有进行三维立体扫描拍摄、显示全景三维立体图像，并对胆道腔进行立体影像重构的多CCD阵列模块，所述多CCD阵列模块包括至少一设于该先端部前端面的第一CCD阵列，以及至少一设于先端部外圆表面的第二CCD阵列，所述先端部的前端面和先端部外圆表面上对应设有测距器。

2.根据权利要求1所述新型三维立体电子胆道镜系统，其特征在于：所述软质工作端部的直径小于等于6.0mm，长度小于等于500mm，所述先端部长度为至少20mm。

3.根据权利要求1所述新型三维立体电子胆道镜系统，其特征在于：所述软质工作端部先端部外圆表面设有旋转圆环载体，所述第二CCD阵列设于该旋转圆环载体上，所述测距器设于先端部的前端面和旋转圆环载体上。

4.根据权利要求1所述新型三维立体电子胆道镜系统，其特征在于：所述操作部设有控制上述先端部弯曲的控制轮，控制影像微调的按钮和器械通道。

5.根据权利要求3所述新型三维立体电子胆道镜系统，其特征在于：所述软质工作端部内设有驱动旋转圆环载体旋转的微型马达。

6.根据权利要求1至5任一项所述新型三维立体电子胆道镜系统，其特征在于：所述第一CCD阵列至少包括2个CCD元件，每个CCD元件对应一组镜头。

7.根据权利要求6所述新型三维立体电子胆道镜系统，其特征在于：所述CCD元件线性排列，每组镜头的视场角至少90°。

8.根据权利要求1至5任一项所述新型三维立体电子胆道镜系统，其特征在于：所述第二CCD阵列包括至少一组CCD阵列，一组CCD阵列包括至少2个CCD元件及对应的镜头。

9.根据权利要求1所述新型三维立体电子胆道镜系统，其特征在于：还包括外部固定支架，该外部固定支架包括精密移动装置、支架和固定夹具，该精密移动装置通过电机驱动，该精密移动装置通过支架、固定夹具和所述软质工作端部固接。

10.根据权利要求1所述新型三维立体电子胆道镜系统，其特征在于：所述处理主机的核心部分采用高速的中央处理器和高性能显卡，用于接收和处理软质电子胆道镜返回的图像信息和测距器的数据组成的数据包，通过分析数据包的各种数据，对腔体图像进行立体重构，还原腔体的立体三维图像。

11.根据权利要求1所述新型三维立体电子胆道镜系统的使用方法，其特征在于：

(1)将软质电子胆道镜经由胆囊底部的微小切口进入胆囊腔内，通过软质电子胆道镜工作端部先端部的主动受控弯曲的导引作用，可以方便找到胆囊管并通过适当的操作手法进入胆囊管，进而进入胆总管；

(2)通过先端部设置的多CCD阵列模块即对胆总管、胆囊管进行三维立体扫描拍摄、显示全景三维立体图像、并对胆总管、胆囊管进行立体影像重构。

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