CN102058384A - 一种新型三维立体电子膀胱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膀胱镜系统，其包括软质镜鞘、镜鞘型芯和膀胱镜主体三部分组成的软质电子膀胱镜，以及与其连接的处理主机、光源主机、工作站组件，软质电子膀胱镜通过软质镜鞘进入膀胱腔内，然后通过膀胱镜主体的膀胱镜工作端部先端部的多CCD阵列模块对膀胱腔进行精细扫描，得到膀胱腔的三维立体影像，医生根据三维立体影像对膀胱病变进行处理。

Description

一种新型三维立体电子膀胱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膀胱镜系统。

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阵列概念与软质膀胱镜结合起来一起应用，因此，为了得到膀胱腔内清晰的三维立体影像，设计一种将多CCD阵列技术与软质膀胱镜结合的内镜技术迫在眉睫。

发明内容

本发明克服了膀胱镜现有技术中的一些缺点，提供了一种新型三维立体电子膀胱镜系统，其软质镜鞘与镜鞘型芯的配合，经由尿道进入膀胱腔内，通入膀胱镜主体通过其工作端部先端部的多CCD阵列对膀胱腔进行三维立体扫描，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膀胱镜系统，包括软质电子膀胱镜，以及与其连接的处理主机、光源主机、工作站组件，该软质电子膀胱镜包括软质镜鞘、镜鞘型芯和膀胱镜主体，所述软质镜鞘包括镜鞘软质工作端部，所述膀胱镜主体包括膀胱镜软质工作端部，所述膀胱镜软质工作端部设有进行三维立体扫描拍摄、显示全景三维立体图像，并对膀胱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膀胱腔镜软质工作端部先端部前端面的第一CCD阵列，以及至少一设于膀胱腔镜软质工作端部先端部外圆表面的第二CCD阵列，所述先端部前端面和先端部外圆表面上对应设有测距器。

进一步，所述软质镜鞘设有至少两条进水或者进气体的通道，该镜鞘软质工作端部长度范围为250～350mm，其外径最大不超过10mm。

进一步，该膀胱镜主体还包括数据接口和至少一条通道，所述膀胱镜软质工作端部的长度大于镜鞘软质工作端部至少10mm。

进一步，所述膀胱镜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端面和旋转圆环载体上。

进一步，所述膀胱镜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、固定夹具和所述膀胱镜主体固接。

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膀胱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，新型三维立体电子膀胱镜系统的使用方法：

(1)将软质电子膀胱镜的软质镜鞘和镜鞘型芯作配合，利用镜鞘型芯的先端部钝状，可以缓慢地导入患者尿管进入膀胱腔内；

(2)然后取出其中的镜鞘型芯，由于软质镜鞘的工作端部为软性，可以减轻患者的痛苦，医生通过软质镜鞘可以对膀胱注入生理盐水等操作，使得膀胱充盈，通入膀胱镜主体并与软质镜鞘的连接结构有效连接，同时即对膀胱腔进行三维立体扫描拍摄、显示全景三维立体图像、并对膀胱腔进行立体影像重构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明对膀胱腔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，得到膀胱腔的三维立体影像，膀胱腔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。软质镜鞘与柔性或者刚性的镜鞘型芯进行紧密配合，以便于导入尿道进入膀胱腔内，软质镜鞘的长度以与软质镜鞘能尽量达到无缝的效果为标准。

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是本发明的软质镜鞘及镜鞘型芯配合示意图；

图3是本发明的软质镜鞘及膀胱镜主体配合示意图；

图4是本发明的软质电子膀胱镜的膀胱镜主体先端部示意图；

图5是本发明的膀胱镜软质工作端部先端部多CCD阵列模块剖面示意图；

图6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膀胱镜系统包括软质镜鞘11、镜鞘型芯12和膀胱镜主体13三部分组成的软质电子膀胱镜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膀胱镜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膀胱镜1的软质镜鞘11及镜鞘型芯12配合示意图。软质电子膀胱镜1的软质镜鞘11的结构有镜鞘软质工作端部111，至少两条进水或者进气的通道112和113，与镜鞘型芯12和膀胱镜主体配合的连接结构114，镜鞘软质工作端部111长度范围为250～350mm，其外径最大不超过10mm；镜鞘型芯12的结构包括柔性或者刚性的工作端部121和后部的把持结构122，其工作端部121长度以与软质镜鞘11能尽量达到无缝的效果为标准，工作端部121的先端部必须制造成钝状，以利于顺利进入膀胱腔内。镜鞘型芯12通过软质镜鞘11的连接结构114相配合，经由患者尿道缓慢进入膀胱腔内，然后退出镜鞘型芯12，通入膀胱镜主体13。

如图3所示为本发明所述的软质电子膀胱镜1的软质镜鞘11及膀胱镜主体13配合示意图。膀胱镜主体13的结构包括膀胱镜软质工作端部131，数据接口132和至少一条通道133，膀胱镜主体13通过软质镜鞘11的连接结构114相配合，其膀胱镜软质工作端部131的长度以与软质镜鞘11相配合，并伸出镜鞘软质工作端部111先端部至少10mm为标准，配合后，软质电子膀胱镜1进入人体的工作端部具有柔软的弯曲功能，能减轻患者的痛苦并方便医生进行操作。

如图4所示为膀胱镜软质工作端部先端部示意图。膀胱镜软质工作端部先端部设计有多CCD阵列模块(1321，1322，1324，1325)、光导纤维部分1323和器械通道出口1331，光导纤维部分1323提供软质电子膀胱镜1前端和圆形端面观察必要的亮度。

如图5，结合图4所示的是本发明所述的软质电子膀胱镜1的先端部示意图和剖面图，多CCD阵列模块包括先端部端面的第一CCD阵列1321和测距器1322，先端部外圆表面的第二CCD阵列1324及其测距器1325。先端部端面的第一CCD阵列1321，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1322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1322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1324，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1324安装在能以膀胱镜工作端部131主轴做旋转运动的旋转圆环载体1311上，能对腔体进行旋转的CCD影像拍摄，旋转圆环载体1311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。膀胱镜工作端部先端部端面的第一CCD阵列1321和测距器1322为固定形式，第一CCD阵列1321的视场角最少90°，其作用主要是拍摄内镜前端的三维图像；膀胱镜工作端部先端部外圆表面的第二CCD阵列1324和测距器1325安装在内镜先端部的可以绕内镜工作端部131主轴旋转的旋转圆环载体1311上，旋转圆环载体1311通过配合固定在内镜内部的固定机构1327，可以与固定机构1327进行平滑的相对旋转运动，第二CCD阵列1324和测距器1325的数据也通过适当传输方式经数据线1326传输至处理主机3，旋转圆环载体1311的动力来自于内镜先端部的微型马达1328，通过传动结构提供旋转圆环载体1311绕固定机构1327旋转的能量。

如图6所示为外部固定支架2的结构简图。外部固定支架2的作用是配合软质电子膀胱镜1进行腔体的CCD阵列扫描，其移动速度与软质电子膀胱镜1先端部的多CCD阵列模块(1321，1322，1324，1325)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膀胱镜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，电机的运动速度由处理工作站主机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膀胱镜系统的临床应用示意图。新型三维立体电子膀胱镜系统连接如图1所示，其临床应用方法为：医生首先将软质电子膀胱镜1的软质镜鞘11和镜鞘型芯12作配合，利用镜鞘型芯12的先端部钝状，可以缓慢地导入患者尿管91进入膀胱腔9内，然后取出其中的镜鞘型芯12，由于镜鞘软质工作端部111为软性，可以减轻患者的痛苦，医生通过软质镜鞘11可以对膀胱注入生理盐水等操作，使得膀胱9充盈，通入膀胱镜主体13并与软质镜鞘11的连接结构有效连接，则可以通过传回的影像观察膀胱腔9内的情况；对膀胱腔9进行三维立体扫描，则首先对三维立体软质电子膀胱镜固定在外部固定支架2的固定夹具234上，对膀胱腔9进行三维立体扫描的过程中应尽量保持膀胱腔9的状态稳定，同时启动立体三维软质电子膀胱镜1的多CCD阵列模块(1321、1322、1324、1325)和外部固定支架2，在多CCD阵列模块(1321、1322、1324、1325)对膀胱腔9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1324的旋转成比例，测距器1325将实时测量先端部的第一CCD阵列1321与膀胱腔组织的精确距离，多CCD阵列模块(1321、1322、1324、1325)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膀胱镜系统，包括软质电子膀胱镜，以及与其连接的处理主机、光源主机、工作站组件，该软质电子膀胱镜包括软质镜鞘、镜鞘型芯和膀胱镜主体，所述软质镜鞘包括镜鞘软质工作端部，所述膀胱镜主体包括膀胱镜软质工作端部，其特征在于：所述膀胱镜软质工作端部设有进行三维立体扫描拍摄、显示全景三维立体图像，并对膀胱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膀胱腔镜软质工作端部先端部前端面的第一CCD阵列，以及至少一设于膀胱腔镜软质工作端部先端部外圆表面的第二CCD阵列，所述先端部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膀胱镜系统，其特征在于：所述软质镜鞘设有至少两条进水或者进气体的通道，该镜鞘软质工作端部长度范围为250～350mm，其外径最大不超过10mm。

3.根据权利要求1所述新型三维立体电子膀胱镜系统，其特征在于：该膀胱镜主体还包括数据接口和至少一条通道，所述膀胱镜软质工作端部的长度大于镜鞘软质工作端部至少10mm。

4.根据权利要求1所述新型三维立体电子膀胱镜系统，其特征在于：所述膀胱镜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端面和旋转圆环载体上。

5.根据权利要求4所述新型三维立体电子膀胱镜系统，其特征在于：所述膀胱镜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膀胱镜系统，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膀胱镜系统，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膀胱镜系统，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膀胱镜系统，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、固定夹具和所述膀胱镜主体固接。

10.根据权利要求1所述新型三维立体电子膀胱镜系统，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膀胱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膀胱镜系统的使用方法，其特征在于：

(1)将软质电子膀胱镜的软质镜鞘和镜鞘型芯作配合，利用镜鞘型芯的先端部钝状，可以缓慢地导入患者尿管进入膀胱腔内；

(2)然后取出其中的镜鞘型芯，由于软质镜鞘的工作端部为软性，可以减轻患者的痛苦，医生通过软质镜鞘可以对膀胱注入生理盐水等操作，使得膀胱充盈，通入膀胱镜主体并与软质镜鞘的连接结构有效连接，同时即对膀胱腔进行三维立体扫描拍摄、显示全景三维立体图像、并对膀胱腔进行立体影像重构。

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