内窥镜的研究与设计

1 绪论

1.1 内窥镜的国内外发展现状

1.1.1 国内研究现状及主要研究内容

从1980年代起，国内陆续开始自主研究，生产硬式内窥镜、光纤内窥镜，并且引进电子内窥镜技术，生产电子内窥镜系列产品。己投放市场的产品有硬式内窥镜、光纤内窥镜、电子视频内窥镜三类产品。

(l)硬式内窥镜

硬式内窥镜由成像物镜、转像透镜、导光束、目镜、外管组成。硬式内窥镜成像原理是光学物镜成像，然后利用转像系统来传输图像。因此，光学镜片的加工技术水平决定了硬式内窥镜的技术水平。目前，在成像技术上，国内与国外是基本相同的。但是，在产品外部材料和外观上，与国外同类产品相比有差距，但使用效果相同。

(2)光纤内窥镜

制造光纤内窥镜关键的部件是光纤传像束，它决定产品清晰度、分辨率和使用寿命。在光纤传像束直径相同的条件下，国外光纤传像束生产线生产的光纤传像束单丝为2万余根，国产生产线生产的光纤传像束单丝为1万根以内。其内窥镜制造原理一样，但是光纤材料有差别。如果采用进口光纤传像束组装内窥镜，国内与国外同类产品的差距会减小。

例如:EKG一3002型光纤工业内窥镜是一种利用纤维光学、精密机械及电子技术结合而成的新型光学仪器。它利用光导纤维的传光、传像原理及其柔软弯曲性能，可以对设备中肉眼不易直接观察的隐蔽部位方便地进行直接快速的检查。既不需设备解体，也不需另外照明，只要将窥头插入孔内，内部情况便可一目了然。可直视，也可侧视。

还可手控窥头对被检查面进行连续上下左右扫描达100°。可目视，也可照相，还可录像或电视显示，为分析故障原因提供依据。是航天、军事、国防、无损检测、机械制造、发电、石化、汽车、兵器、交通、冶金、压力容器等领域中得心应手的直观高效的检测仪器。

EKG一3002型工业内窥镜主要技术参数:

l)探头外径:Ф6.5～Ф15mm

2)探测长度:1.8～4.5m

3)工作距离:10～80mm

4)视场角:≥100°

(3)电子内窥镜

国内制造商均采用进口CCD原件，组装电子工业内窥镜产品，整机主体技参数与外国产品的相接近。在航天航空行业等己基本能够满足NDT正常使用。国外产品最小直径为6mm，国内产品最小直径为8mm，只是国内产品在外观的主体材料上与国外产品有差距。

1.1.2 国外研究现状及主要研究内容

(l)硬管式内窥镜

硬管式内窥镜的发展经历了两个阶段:即开放式硬式内窥镜和含有光学系统的硬式内窥镜。

早在1795年，德国 Bozzine 首先提出了内窥镜的设想，他利用烛光做光源通过内窥镜看到了直肠和子宫的内腔。

到19世纪末，20世纪初，随着爱迪生发明电灯等技术的发展，用小电珠作为内窥镜的照明光源，利用透镜、棱镜、反光镜等做光学元件，以金属管为外壳而制成硬式内窥镜。

要将这类硬直的内窥镜插到弯曲多变的管腔中去，不仅操作上相当困难，而且小电珠或钨丝灯等外部反射光源照明度低，因而有较多盲区，所以，这些内窥镜的实用性就受到限制。

硬管式内窥镜的构造如图1.1所示。其工作原理是利用转像透镜来传送图像，并由光导光纤传光照明。为了传送清晰的图像，该内窥镜的不锈钢插入部分内设有若干光学元件的转像透镜系统。内置照明光纤把需要的光线从独立的冷光源直接送至工作位置上。

图1.1 硬式内窥镜

（2）半可曲式内窥镜

1932年，光学师 Wolf 和内窥镜学者Schindler共同研制成功了一种半可曲式的内窥镜(semiflexible lens gastroscope)，它是由近端的硬性部和远端的软管部组成。软管部内由许多 20～30mm 长的金属管连接而成，外面再用一层薄橡皮包覆，末端装有棱镜与橡皮头，软管部装有 26 块短焦距棱镜，这样在弯曲 30 度情况下，仍可将图像传送到目镜部分。

以后，许多学者又对半可曲式内窥镜进行了大量的改进，并增加了各种附件，使之功能更加齐全、更为实用。如: 将内窥镜硬性部分进一步改细；增加目镜放大倍率，以利观察；在内窥镜操作部装上了弯角装置，使末端可作“上”“下”两个方向的弯曲，大大减少观察盲区等。

（3）光纤内窥镜

1930 年，Lamn首先采用玻璃光纤束来导光，但是，因为没有解决漏光问题，从而没有建立起实用的光纤光学系统。直到50年代初期，荷兰的Hell和美国的Brien在光纤外面加上一层覆层，解决了光纤之间的光绝缘问题。1954年英国的科学家Hopking及Kapany等研究了纤维丝之间的精密排列，有效地解决了光纤束的图像排列、传递问题，为光纤光学的实际应用奠定了基础，并为光纤内窥镜的出现创造了条件。

1957 年，美国 Hirschowitz 制成了第一台光纤内窥镜、十二指肠镜，从而使内窥镜开始进入光纤光学内窥镜的阶段。当时的光纤内窥镜虽然柔软可弯，插入容易，但是还没有弯曲机构，照明还是老式的小电珠内部光源，所以观察盲点还是很多，光学质量亦比较差。

经过了 20 年的发展，随着二项重大改革：光纤内窥镜的头部弯曲机构、采用导光束外接强冷光源，才使光纤内窥镜进入了成熟完备的应用阶段。

光纤内窥镜的构造如图1.2所示。它由高品质的传像光纤束来传送图像，通过目镜直接观察。光纤内窥镜由插入部、前端部、弯曲部与柔软操作部与目镜部组成。光纤传像束、光纤传光束及调校前端摆头角度的钢丝均全部内置。并且另配有专用的冷光源。产品规格:直径2.4～12mm，长度50～6000mm。

光纤内窥镜的主体可把人眼睛的视线延深至被探测的物体内，并且可改变视线方向，这是硬性内窥镜所达不到的。

光纤内窥镜除具备硬性内窥镜的用途以外，因主体柔软、有效工作长度较长，

所以扩大了检测范围。

图1.2 光纤内窥镜

光纤内窥镜以玻璃光纤代替传统的透镜、棱镜等作为导光、传像的元件，它细而柔软，加上了头部的弯曲机构以后，头部可以左右、上下转动，插入复杂内腔，操作方便，而且能够减少甚至消灭观察盲点。利用光纤束传光、传像，就能够采用外部的强冷光源，从而使传输的光量大大增强，并可以自由调节光强而获得清晰的图像。这种光源色泽接近自然光，更增加了图像的真实感。因为光量强，所以可以采用静态摄影对检查进行记录，甚至还可以摄像和电视显示作动态的观察和记录。光纤内窥镜的发展不但克服了原有内窥镜的缺点，而且还具有不少新的优点，大大提高了检查诊断的效果。

（4）电子内窥镜

电子内窥镜是继第一代硬式内窥镜和第二代光导纤维内窥镜后的第三代内窥镜。

1983年，美国的Welch Allyn公司用微型图像传感器(charge coupled device)代替光纤内窥镜的光纤传像束，宣告了电子内窥镜的诞生，是一次历史性的突破。电子内窥镜应用先进的微电子器件代替传统的纤维导像束和目镜，通过装在内窥镜先端部的电荷祸合器件CCD(charge coupled device)，将传送过来的光学图像转换成电子图像，经电缆传递至图像处理器，经视频处理在显示器上重现高清晰度的、色彩逼真的图像。而且分辨率高，可供多人同时观看。由于电子内窥镜的问世，在工业和医疗科研中发挥出它巨大的优势。

电子内窥镜主要有内镜(endoscope)、电视信息系统中心(video information system center)和电视监视器(television monitor)三部分组成。

另外，还配备一些辅助装置，如照相机、录像机以及用来输入各种信息的键盘等。

它的成像主要依赖镜身前端装备的成像物镜。CCD就是一台光电转换器件，把图

像的光信号转换成电信号，显示在电视监视器上。电子视频内窥镜的构造原理如

图1.3所示。

图1.3电子内窥镜

电子内窥镜与光纤内窥镜相比，具有以下优点:

1)减少内镜检查时间，快速抓拍。