刚性内窥镜设计

内窥镜是用来收集人体内部最小图像的医疗设备。内窥镜可分为两类:一种是刚性内窥镜，它的中继镜头堆叠在一起，通常可以产生高质量的图像;另一种是柔性内窥镜，它的成本较低，摄像机插入内窥镜的尖端，图像通过电线或光纤传输。在今天的文章中，我们将讨论刚性内窥镜的设计参数。在以后的博客文章中，我们将讨论柔性内窥镜的设计。

组件

任何内窥镜系统都有一些基本组成部分。首先，我们需要一个光源。传统上，氙源被使用(很少使用金属卤化物和钨卤化物)。近年来，LED宽带LED光源越来越普遍。第二件需要做的事情是找到一种将光转移到人体内部的方法。通常，一圈光纤用于这项任务。值得注意的是，照明光不会穿过用于观察手术的光学镜片。内窥镜使用组织散射的光来创建图像，以避免最终图像因光学系统中的背光反射而退化。

传统上，刚性内窥镜使用中继透镜来中继图像物镜到相机传感器。在过去的文章中，我们讨论了中继透镜的基本原理我们讲过孔镜它的设计和刚性内窥镜很相似。刚性透镜的示意图如图1所示。

有可能用梯度折射率透镜(GRIN)代替这些接力透镜。GRIN透镜的主要优点是简化了内窥镜的制造。然而，缺点是由于低GRIN透镜的数值孔径，视场减小和亮度降低。

内窥镜规范

与任何医疗器械一样，内窥镜的设计从长度和直径，到视野和图像分辨率都有非常严格的控制。然而，一些在工业环境中可能很重要的偏差在这里就不那么重要了。例如，由于需要广角视图，失真是很好地接受的。有时外科医生需要观察身体的一部分，而不是直接在内窥镜头前面。在使用内窥镜(关节镜)的膝关节手术中，有时需要在30 ~ 70度的方向观察。所以有必要在内窥镜尖端安装棱镜。

在物理尺寸方面，直径是一个非常重要的参数。典型的膝关节镜轴直径为4毫米。在这个直径范围内，我们有一个外管，一个较小的管，用来装照明系统，第三个管，用来装中继透镜。这将光学元件的直径限制在2.8毫米左右。镜头直径决定了几乎所有其他参数的限制。透镜的直径限制了透镜的f值，从而限制了图像的亮度。即使需要更高的照明，在剩余空间中可以添加的光纤数量也有限制。

采用ISO8600标准评价内窥镜的性能。这是一个旧的标准，但它仍然有用，可以帮助建立一个基本的框架来发展我们的设计。

还有很多关于内窥镜设计的信息，一篇文章不足以涵盖所有可能的主题。如果你有兴趣了解更多，我推荐D. Leiner的书《数字内窥镜设计》作为这一主题的一个很好的介绍。