RU236703U1 - Источник мультиспектрального освещения - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к биомедицинской аппаратуре, а именно к источникам мультиспектрального освещения с программным управлением, востребованных, например, в системах микрохирургической визуализации. Техническим результатом является обеспечение равномерного освещения операционного поля хирургического микроскопа с требуемой интенсивностью последовательно в нескольких спектральных каналах. Для достижения технического результата предлагается применить источник мультиспектрального освещения, состоящий из светодиодов, излучающих в различных спектральных диапазонах, фокусирующих оптических систем для ввода излучения светодиодов в световоды, полимерных оптических волокон, оптически сопряженных со светодиодами, основанного на полном внутреннем отражении гомогенизатора светового потока, диафрагмы, ограничивающей световое пятно, и проекционной оптической системы, формирующей световое пятно заданной площади на требуемом расстоянии. Источник может быть использован для решения задачи улучшения дифференциации тканей во время микрохирургических операций на основании различия их спектральных характеристик.

Description

Полезная модель относится к биомедицинской аппаратуре, а именно к источникам мультиспектрального освещения с программным управлением, востребованных, например, в системах микрохирургической визуализации, где она может быть использована для улучшения дифференциации тканей во время хирургических операций за счет анализа их спектральных характеристик. Активно развивающееся направление в минимально инвазивной хирургии - хирургия под визуальным контролем обуславливает потребность в источниках мультиспектрального освещения, обеспечивающих формирование направленного оптического излучения с заданными спектральными, пространственными и временными характеристиками. Основными требованиями к таким системам является возможность при стандартном увеличении хирургического микроскопа (5-25 крат) обеспечить на расстоянии не менее 20 см от системы, то есть достаточном для осуществления хирургических манипуляций в стерильных условиях, равномерное освещение области площадью не менее 25 см² в каждом спектральном канале и возможностью программного управления переключением между спектральными каналами.

На современном уровне развития техники известны следующие технические решения для создания мультиспектральных источников освещения:

1. Совмещение источника широкополосного излучения, формирующей световой поток оптической системы и цветных оптических светофильтров, размещенных в колесе светофильтров и служащих для выделения узких спектральных линий [1]. Ограничением такого подхода является сложность управления последовательностью и длительностью излучения по каждому отдельному каналу, небольшое быстродействие и недостаточная надежность подобных систем.

2. Совмещение источника широкополосного излучения, формирующей световой поток оптической системы и оптических элементов для перестройки полосы пропускания (дифракционные решетки, акустооптические фильтры, фильтры на основе жидких кристаллов и т.д.). [2, 3]. Эти системы имеют большое число спектральных каналов, но не обеспечивают достаточную выходную мощность ввиду ее уменьшения пропорционально ширине полосы выделяемого спектрального поддиапазона.

3. Совмещение в единый массив отдельных спектральных каналов в виде независимых источников света и формирующих световой поток оптических систем [4]. Разделение оптических систем обеспечивает достаточный световой поток, но приводит к появлению различий в углах освещения объекта в разных спектральных каналах и может создавать артефакты из-за различий в ракурсе, что затрудняет цифровую обработку изображений. Создание «бестеневого» освещения для такой схемы требует значительного увеличения источников света, что не всегда приемлемо.

4. Совмещение световых потоков отдельных спектральных каналов в виде независимых источников света и формирующих световой поток оптических систем за счет использования оптических призм и полупрозрачных зеркал, либо применения рассеивающего фильтра. На выходе системы может быть установлен проекционный объектив [5, 6, 7, 8]. Такие системы обеспечивают соосность выходных световых потоков отдельных каналов и исключают «теневые» артефакты, однако конструктивные особенности таких источников ограничивает количество возможных спектральных каналов и, как следствие, режимов освещения.

5. Прототипом предлагаемой полезной модели является схема источника света, в которой совмещение световых потоков от отдельных светодиодных источников света осуществляется за счет использования световодов в виде оптических стеклянных волокон [9]. Волокна устанавливаются входным торцом в непосредственной близости к излучающей поверхности светодиодов и соединены в единый жгут, переносящий излучение на выходной торец и формирующий после него световое пятно. Для выравнивания интенсивности светового пучка предлагается установить за выходным торцом волоконного жгута один из вариантов интегрирующего оптического стержня.

Основным преимуществом прототипа является возможность использования большого числа независимых спектральных каналов. При этом малая апертура оптических волокон обусловливает большие энергетические потери при вводе света в волокно, делая неэффективным применение мощных светодиодов с большой площадью излучающей поверхности и широкой апертурой.

Технической задачей является создание мультиспектрального источника света, одновременно удовлетворяющего следующим требованиям:

- необходимое число независимых во времени спектральных каналов для обеспечения различных режимов визуализации;

- обеспечение в каждом спектральном канале достаточного освещения объекта площадью не менее 25 см², расположенного на расстоянии не менее 20 см от объектива;

- равномерное освещение объекта, лишенное «теневых» артефактов, во всех спектральных каналах.

Техническим результатом полезной модели является обеспечение равномерного освещения операционного поля хирургического микроскопа с требуемой интенсивностью последовательно в нескольких спектральных каналах.

Для решения поставленной технической задачи с достижением указанного технического результата предлагается применить источник мультиспектрального освещения с несколькими спектральными каналами и возможностью программного управления, состоящий из светодиодов, излучающих в различных спектральных диапазонах, полимерных оптических волокон, оптически сопряженных со светодиодами с помощью фокусирующих оптических систем, основанного на полном внутреннем отражении гомогенизатора светового потока, диафрагмы, ограничивающей световое пятно, и устанавливаемой после гомогенизатора проекционной оптической системы, формирующей световое пятно заданной площади на требуемом расстоянии.

К существенным признакам, совпадающим с прототипом, относятся:

- применение в качестве источников света светодиодов, излучающих в различных спектральных диапазонах, что позволяет независимо управлять временными и энергетическими характеристиками спектральных каналов;

- использование оптических волокон, собранных на выходе в жгут, для передачи световой энергии от светодиодов в оптическую схему, что позволяет обеспечить соосность световых потоков при сохранении компактности устройства;

- наличие гомогенизатора - оптического элемента, обеспечивающего равномерность светового потока на выходе системы.

К существенным признакам, отличным от прототипа, относятся:

- применение в качестве источников света светодиодов, характеризующихся увеличенной площадью излучающей поверхности и, как следствие, повышенной мощностью;

- использование мультичиповых светодиодов для увеличения количества спектральных каналов без увеличения размеров устройства;

- использование в качестве световодов полимерных оптических волокон, диаметр которых сопоставим с площадью излучающей поверхности светодиода, что вместе с увеличенной оптической апертурой существенно снижает потери энергии при введении света в волокно;

- применение фокусирующей оптической системы для дополнительного повышения эффективности ввода излучения в волокно;

- использование не менее двух светодиодов на один канал вместо одного, что обеспечивает повышение мощности и равномерности выходного излучения;

- использование проекционной оптической системы для формирования светового пятна заданной площади на требуемом расстоянии.

Предложенная конструкция поясняется чертежами.

Фиг. 1. Схема основных узлов источника мультиспектрального освещения: 1 - светодиод, 2 - фокусирующая система, 3 - полимерное оптическое волокно, 4 - гексогональный гомогенизатор светового потока, 5 - диафрагма, 6 - проецирующая оптическая система.

Фиг. 2. Результат работы образца источника мультиспектрального освещения.

Осуществление полезной модели:

При включении нескольких светодиодов, соответствующих одному спектральному каналу (Фиг. 1, поз. 1), свет от каждого из них коллимируется и фокусируется оптической системой (Фиг. 1, поз. 2) в торец полимерного оптического волокна (Фиг. 1, поз. 3). Далее световое излучение передается по оптическому волокну в общий для всех каналов гомогенизатор светового потока (Фиг. 1, поз. 4), где происходит многократное полное внутреннее отражение световых пучков, приводящее к выравниванию светового потока на выходе гомогенизатора светового потока. Форма светового пучка определяется диафрагмой (Фиг. 1, поз. 5). Далее световой пучок от торца гомогенизатора светового потока собирается и фокусируется оптической системой, состоящей из двух сферических линз (Фиг. 1, поз. 6), на расстоянии 200 мм.

Возможный вариант реализации системы.

Для подтверждения возможности решения технической задачи с помощью предложенной полезной модели была собран образец источника мультиспектрального освещения (Фиг. 2).

В качестве источников света были использованы SMD светодиоды повышенной мощности: 12 монохромных и 1 белый с потребляемой электрической мощностью 1 Вт для ИК диапазона и 5 Вт для видимого и УФ-диапазонов (Фиг. 1, поз. 1). С целью уменьшения количества светодиодов два из них представляли собой мультичиповые светодиоды, обеспечивающие 5 спектральных каналов. Таким образом, собранный образец имел 10 спектральных каналов, расположенных в спектральном диапазоне 415-880 нм и один светодиод белого света для общего освещения операционного поля. В качестве световодов были применены полимерные оптические волокна диаметром 3 мм с сердцевиной из РММА и оболочкой из фторированных полимеров (Фиг. 1 поз. 3). Для ввода света в волокно использовалась оптическая система, состоящая из двух линз из стекла N-BK-7 (Фиг. 1, выноска А, поз. 2). В качестве гомогенизатора светового потока был выбран гомогенизатор гексогонального сечения из стекла N-BK-7 (Schott), длиной 150 мм, диаметром 12,5 мм (Фиг. 1, поз. 4). Полимерные волокна от каждого светодиода на коротком расстоянии объединялись в жгут, срез которого прижат к торцу гексогонального гомогенизатор светового потока (Фиг. 1, выноска Б). К другому концу гомогенизатора светового потока примыкает диафрагма с круглым отверстием диаметром 12,5 мм (Фиг. 1, поз. 5). На выходе оптической схемы располагались две сферические линзы с диаметром 40 мм из стекла N-BK-7 (Schott) с фокусными расстояниями 60 и 200 мм (Фиг. 1, поз. 6), фокусирующие световой пучок на расстоянии 200 мм.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано в составе микрохирургических систем визуализации для улучшения дифференциации тканей, в частности, при онкологических операциях в нейрохирургии, оториноларингологии, офтальмологии, стоматологии, а также в программах вспомогательных репродуктивных технологий для улучшения результатов микродиссекционной экстракции сперматозоидов из тестикул при тяжелых формах мужского бесплодия.

Список литературы:

1. Fei Hu, Yi Li, Yi Yang. Light Source System Employing Wavelength Conversion Materals And Color Filters. Patent US 009631792 B2. Apr. 25, 2017.

2. Digital Light Processing Hyperspectral Imaging Apparatus And Method Zuzak et al. US Patent 009 1985.78 B2 Dec. 1, 2015.

3. Eliot S. Wachman; Daniel L. Farkas:Wen-Hua. Niu. Subicron Imaging System Having An Acousto-Optic Tunable Filter. Patent US 00579652 A. Aug. 18, 1998.

4. Гультяев Ю.П., Клюкин A.B., Ковальчук B.C., Письменный E.В. Светодиодный осветитель с комбинированным спектром излучения. Патент RU 187121 U1. 2018.10.22.

5. Multispectral illumination device Westphal et al.US Patent 009239293 B2 Jan. 19, 2016

6. Источник полихромного излучения с управляемым спектром. Роспатент.2478871 от 10.06.2011.

7. Multi-Color Led Light Source For Mcroscope Illumination/Ravkin. US Patent 20070211460 A1 Ravkin Pub. Date: Sep.13, 2007.

8. Ягудин И.Т., Жуков Н.Д. Мультиспектральный управляемый светодиодный источник излучения. RU 2766307 C1. 2020.11.28.

9. Fournier Р., Pawluczyk R. Bioimaging/Light Sources: Flexible LED light sources for scientific applications. https://www.laserfocusworld.com/lasers-sources/article/14074077/flexible-led-light-sources-for-scientific-applications.

Claims (1)

1. Источник мультиспектрального освещения со спектральными каналами для применения в системах микрохирургической визуализации, включающий светодиоды, излучающие в различных спектральных диапазонах, оптически сопряженные с ними оптические световоды, выходной торец которых прижат к торцу гомогенизатора светового потока, диафрагму, при этом используются светодиоды мощностью 1 Вт для инфракрасного диапазона (ИК) и 5 Вт для видимого и ультрафиолетового (УФ) диапазонов и мультичиповые светодиоды, в качестве световодов применяются полимерные оптические волокна, причем указанный источник включает фокусирующую оптическую систему для ввода излучения светодиодов в указанные полимерные оптические волокна и имеет проекционную оптическую систему для формирования светового пятна заданной площади на требуемом расстоянии, установленную после гомогенизатора по ходу лучей.