CN102078179A - 三维立体电子结肠镜系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医用器械，涉及一种三维立体电子结肠镜系统，包括软质电子结肠镜，该软质电子结肠镜包括软质工作端部，该软质工作端部设有进行三维立体扫描拍摄、显示其全景三维立体图像，并对结肠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，以及至少一设于软质工作端部先端部外圆表面的第二CCD阵列，本发明对结肠道进行环形和线性的影像拍摄，得到关于结肠道内的图像资料，并将数据传输到处理主机进行集中处理重构，重现结肠道内的立体环境，结肠道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。

Description

三维立体电子结肠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三维立体电子结肠镜系统。

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阵列概念与结肠镜结合起来一起应用，因此，为了得到结肠内清晰的三维立体影像，设计一种将多CCD阵列技术与结肠镜结合的内镜技术迫在眉睫。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提出一种三维立体电子结肠镜系统，能在手术过程中对结肠道进行立体三维重构，帮助医护人员了解腔内病变状况，为制定处理方案，提供更好的图像依据。

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：

一种三维立体电子结肠镜系统，包括软质电子结肠镜，该软质电子结肠镜包括软质工作端部，该软质工作端部设有进行三维立体扫描拍摄、显示其全景三维立体图像，并对结肠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，以及至少一设于软质工作端部先端部外圆表面的第二CCD阵列。

进一步，所述软质工作端部的先端部外圆周面套设有旋转圆环载体，所述第二CCD阵列设于该旋转圆环载体上，所述先端部的前端面和旋转圆环载体上设有测距器。

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。

进一步，所述软质工作端部的外径小于等于15mm，其先端部长度为8-12mm。

进一步，所述软质工作端部设有气囊，所述气囊充气后的最大直径小于等于200mm。

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，所述软质电子结肠镜还连接有处理数据用的处理主机，以及工作站组件，所述工作站组件与处理主机通过数据线连接，工作站组件包括监视器，工作站主机以及控制部件。

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，用于接收和处理三维立体电子结肠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。

三维立体电子结肠镜系统的使用方法：

(1)软质电子结肠镜的软质工作端部经患者肛门进入结肠；

(2)通过多CCD阵列模块对结肠进行直线和旋转的扫描拍摄，同时即对结肠进行三维立体扫描拍摄、显示全景三维立体图像、并对结肠进行立体影像重构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明对结肠道进行环形和线性的影像拍摄，得到关于结肠道内的图像资料，并将数据传输到处理主机进行集中处理重构，重现结肠道内的立体环境，结肠道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是本发明所述的三维立体电子结肠镜系统示意图；

图2a是本发明的软质电子结肠镜的结构图；

图2b是电子结肠镜上的气囊示意图；

图3是本发明的软质电子结肠镜的先端部示意图；

图4是本发明的软质电子结肠镜的先端部多CCD阵列模块剖面示意图；

图5是本发明所述的三维立体电子结肠镜系统的外部固定支架结构示意图；

图6是本发明所述的三维立体电子结肠镜系统的临床应用示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的三维立体电子结肠镜系统，包括软质电子结肠镜1、外部固定支架2、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，监视器7和外部设备8。

如图2a、2b所示，软质电子结肠镜1包括软质工作端部11、控制手把部分13、数据接头端15、器械通道12等，器械通道12内径小于等于3.0mm。所述的软质电子结肠镜1的软质工作端部11采用软质纤维材料制造，其前端具有主动弯曲的功能，控制部件131设置在控制手把部分13上，软质工作端部11能承受一定的夹取压力，外部固定支架2的固定夹具23与软质工作端部11配合，可以控制软质工作端部11以一定的速度运动，配合先端部的多CCD阵列模块进行胃部9的扫描拍摄。软质电子结肠镜1的软质工作端部11，外径小于等于15mm，其前端10mm为先端部，先端部设计有多CCD阵列模块、光导纤维部分159、器械通道出口131。先端部后面设计一个气囊14，气囊14充气后的最大直径小于等于200mm，其作用是固定软质电子结肠镜1在结肠道9内的位置，为进行结肠道9的扫描拍摄创造条件，光导纤维部分159提供立体三维软质电子结肠镜1前端和圆形端面观察必要的亮度，其出口至少分为两个部分，一个部分为先端部的前端提供光源，一个部分为先端部圆周360°的范围提供光源。

图3、图4所示的是软质电子结肠镜1的先端部示意图和剖面图，所述的多CCD阵列模块，包括设于先端部前端面的第一CCD阵列151和测距器152，先端部外圆表面的旋转圆环载体155上设有第二CCD阵列153及其测距器154。先端部端面的第一CCD阵列151的内部结构最少包括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152、154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152的工作频率与第一CCD阵列151的工作频率一致，保证数据同步，利于进行立体重建。第二CCD阵列153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，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153安装在能以软质工作端部11主轴做旋转运动的旋转圆环载体155上，能对腔体进行旋转的CCD影像拍摄，旋转圆环载体155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。先端部端面的第一CCD阵列151和测距器152为固定形式，第一CCD阵列151的视场角最少90°，其作用主要是拍摄内镜前端的三维图像；先端部外圆表面的第二CCD阵列153和测距器154安装在内镜先端部的可以绕内镜工作端部主轴旋转的旋转圆环载体155上，旋转圆环载体155通过配合固定在内镜内部的固定机构158，可以与固定机构158进行平滑的相对旋转运动，第二CCD阵列153和测距器154的数据也通过适当传输方式经数据线156传输至处理主机3，旋转圆环载体155的动力来自于内镜先端部的微型马达157，通过传动结构提供旋转圆环载体155绕固定机构158旋转的能量。

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结肠镜1进行腔体的CCD阵列扫描，其移动速度与软质电子结肠镜1先端部的第二CCD阵列153和测距器154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结肠镜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。

图6为本发明所述的三维立体电子结肠镜系统的临床应用示意图。软质电子结肠镜1连接冷光源主机5及处理主机3，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结肠镜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2运动，工作站组件(4、6、7、8)处于正常工作状态，与处理主机3通过数据线连接，工作站组件包括监视器，主机，控制部件(键盘鼠标等)，外部设备(外部储存器、打印机等)，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。

本发明的临床使用方法及系统连接如下：医生要求患者作适当体位，消毒麻醉后，把软质电子结肠镜1经患者肛门91通过端部的弯曲功能，顺利进入结肠道9，医生可以通过三维立体电子结肠镜做清晰的观察，并可以通入器械，治疗结肠息肉等病症；要对结肠道9进行三维立体的扫描拍摄，则需要固定住先端部，可以通过膨胀气囊14使得先端部固定在结肠道91中间部分，软质工作端部11固定在外部固定支架2的固定夹具23上，软质电子结肠镜1的数据接头15端外接处理主机3和光源主机5，工作站主机4与处理主机3和外部固定支架2通过数据线连接。对结肠道91进行三维立体扫描的过程中应尽量保持结肠道91的状态稳定，同时启动软质电子结肠镜1的多多CCD阵列模块(151、152、153、154)和外部固定支架2，在多CCD阵列模块(151、152、153、154)对结肠道9进行直线和旋转扫描拍摄的同时，外部固定支架2做匀速的移动，其速度与CCD阵列的旋转成比例，测距器将实时测量先端部的CCD阵列与结肠道91组织的精确距离，多多CCD阵列模块(151、152、153、154)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)

1.一种三维立体电子结肠镜系统，包括软质电子结肠镜，该软质电子结肠镜包括软质工作端部，其特征在于：该软质工作端部设有进行三维立体扫描拍摄、显示其全景三维立体图像，并对结肠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，以及至少一设于软质工作端部先端部外圆表面的第二CCD阵列。

2.根据权利要求1所述的三维立体电子结肠镜系统，其特征在于：所述软质工作端部的先端部外圆周面套设有旋转圆环载体，所述第二CCD阵列设于该旋转圆环载体上，所述先端部的前端面和旋转圆环载体上设有测距器。

3.根据权利要求1所述的三维立体电子结肠镜系统，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。

4.根据权利要求3所述的三维立体电子结肠镜系统，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°。

5.根据权利要求1所述的三维立体电子结肠镜系统，其特征在于：所述第二CCD阵列至少包括一组CCD阵列，一组CCD阵列包括至少2个CCD元件及对应的镜头。

6.根据权利要求1所述的三维立体电子结肠镜系统，其特征在于：所述软质工作端部的外径小于等于15mm，其先端部长度为8-12mm。

7.根据权利要求1所述的三维立体电子结肠镜系统，其特征在于：所述软质工作端部设有气囊，所述气囊充气后的最大直径小于等于200mm。

8.根据权利要求1至7任一项所述的三维立体电子结肠镜系统，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。

9.根据权利要求1所述的三维立体电子结肠镜系统，其特征在于：所述软质电子结肠镜还连接有处理数据用的处理主机，以及工作站组件，所述工作站组件与处理主机通过数据线连接，工作站组件包括监视器，工作站主机以及控制部件。

10.根据权利要求9所述的三维立体电子结肠镜系统，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结肠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所述的三维立体电子结肠镜系统的使用方法，其特征在于：

(1)软质电子结肠镜的软质工作端部经患者肛门进入结肠；

(2)通过多CCD阵列模块对结肠进行直线和旋转的扫描拍摄，同时即对结肠进行三维立体扫描拍摄、显示全景三维立体图像、并对结肠进行立体影像重构。

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