专利名称：三维立体硬质电子关节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CXD阵列进行立体影像重构的三维立 体硬质电子关节镜系统。
现有技术内窥镜按其所成像是平面的还是立体的图像，可将其分为平面内窥镜和立体内窥 镜；目前所使用的内窥镜，按期使用的目镜的数量还可以分为单目和双目镜第一、目前使用的平面内窥镜，主要是单目内窥镜，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。第二、目前使用的一些立体内窥镜，使用的是双目镜结构，其内窥镜前端可以是一 个光学镜头或者两个光学镜头，物体的影像通过两个目镜输出，医生通过双目镜可以观察 到与人眼类似的物体的立体影像，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，目前已经出现使用这种结构的立体腹腔镜。但是在其他应用领域还没有出现。医生在使用单目内窥镜进行手术时，由于单目镜成平面的图像，缺乏立体的感知， 所以依赖医生的技术水平。而双目镜式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。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 CXD的功能。CXD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. 5μπι，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CXD可传感图像。C⑶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。现有技术中，还没有将CCD阵列概念与关节镜结合起来一起应用，因此，为了得到 关节腔内清晰地三维立体影像，将多CCD阵列技术与关节镜结合的内镜技术迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，具体公开一种三维立体硬质电子关节镜， 该三维立体硬质电子关节镜能在手术过程中对关节腔进行立体三维重构，帮助医护人员了 解关节腔内病变状况，为制定处理方案提供更好的图像依据。为了达到上述技术目的，本发明是通过以下技术方案实现的本发明所述的三维立体硬质电子关节镜系统，包括硬质电子关节镜及与硬质电子 关节镜连接的冷光源主机，所述硬质电子关节镜包括硬质工作端部、内镜主体部分，所述硬 质工作端部上设有能对关节腔进行三维立体扫描拍摄、显示其全景三维立体图像并对关节 腔进行三维立体重构的多CXD阵列模块，所述多CXD阵列模块包括至少一置于硬质工作端 部先端部前端面的端面CCD阵列模块，及至少一置于硬质工作端部先端部外圆表面的圆周 面CCD阵列模块。所述具有多阵列模块能对关节腔进行三维立体扫描拍摄、显示全景三维 立体图像的硬质电子关节镜称之为三维立体硬质电子关节镜。本发明所述的三维立体硬质电子关节镜，按照是否具有治疗的功能和是否带把 手，可以分为带有通道带把手的三维立体硬质电子关节镜、有通道无把手的三维立体硬质 电子关节镜，和不带通道带把手、不带通道无把手的三维立体硬质电子关节镜共四种结构 形式，具体如下第一种，带有通道无把手的三维立体硬质电子关节镜，其包括硬质工作端部、内镜 主体部分、数据接头端、冷光源接头、器械通道、进水通道和出水通道等。第二种，带有通道带把手的三维立体硬质电子关节镜，其包括硬质工作端部、内镜 主体部分、把手部分和一体化接口、和冷光源接头、器械通道、进水通道和出水通道第三种，不带通道无把手的三维立体硬质电子关节镜，其结构包括硬质工作端部、 内镜主体部分、数据接头端和冷光源接头等。第四种，不带通道带把手的三维立体硬质电子关节镜，其结构包括硬质工作端部、 内镜主体部分、把手部分和一体化接口或者数据接头端和冷光源接头等。本发明中，上述带通道的三维立体硬质电子关节镜的硬质工作端部，其外径小于 等于12mm，且所述硬质工作端部长150 200mm，其前端6 15mm为先端部，先端部设计有 多CXD阵列模块、光导纤维部分、器械通道出口和进出水通道出口。本发明中，上述不带通道的三维立体硬质电子关节镜的硬质工作端部，其外径小 于等于12mm，工作端部长150 200mm，其前端6 15mm为先端部，先端部设计有多CXD阵 列模块、光导纤维部分。本发明所述的多CCD阵列模块，包括先端部端面的CCD阵列和测距器，先端部外圆 表面的CXD阵列及其测距器。本发明中，所述置于先端部端面的端面CCD阵列模块包括端面CCD阵列和端面测 距器，所述端面CXD阵列的内部最少包括2个CXD元件，所述CXD元件线性排列，且每个CXD 对应一组光学镜头，能同时对同一个腔内部分成像，每组光学镜头的视场角至少90°，CXD 阵列至少具有每秒拍摄5张的速度。所述的端面测距器利用激光或者声波等的反射原理， 对关节腔距离、深度进行测定。端面测距器的工作频率与端面CCD阵列的工作频率一致，保 证数据同步，利于进行立体重建。本发明中，所述置于先端部外圆表面的圆周面CCD阵列模块包括圆周面CCD阵列和圆周面测距器，所述圆周面CXD阵列至少包括一组CXD阵列，一组CXD阵列包括至少2个 CCD元件及对应的光学镜头，能同时对同一个腔内部分成像，每组光学镜头的视场角至少 90°，C⑶阵列至少具有每秒拍摄5张的速度。一组CXD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。CCD阵列安 装在能以主轴做旋转运动的圆环载体上，能对关节腔进行旋转的CCD影像拍摄，圆环载体 旋转的速度与外部固定支架的运动速度成比例，以保证关节腔内的影像能进行多角度的无 缝结合，对三维立体重构有重要意义。本发明所述的光导纤维部分，是为三维立体硬质电子关节镜的工作提供足够光源 的传输光路，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。本发明所述的带有通道的三维立体硬质电子关节镜，其器械通道内径小于等于 3. 0mm，进水通道和出水通道分别小于等于1. 0mm。本发明所述的外部固定支架，其作用是配合三维立体硬质电子关节镜进行关节腔 的CCD阵列扫描，其移动速度与三维立体硬质电子关节镜先端部的多CCD阵列旋转扫描拍 摄速度成比例。其结构包括固定夹具、支架、精密移动装置。固定夹具用于紧密固定三维立 体硬质电子关节镜的内镜主体部分，支架连接固定夹具与精密移动装置，精密移动装置使 用高性能的电机驱动，电机的运动速度由处理主机统一控制。精密移动装置传动方式不限， 可以采用丝杆传动或者导轨传动，精密移动装置固定在刚性平台之上。本发明所述的处理主机，其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硬质电子关节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，对关节腔图像进行立体重构，还原关节腔的立体三维图像。内部的 运动控制卡用于精确控制外部固定支架运动。所述的工作站组件与处理主机通过数据线连接，工作站组件包括监视器、工作站 主机、控制部件(键盘鼠标等)及外部设备(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。本发明所述的三维立体硬质电子关节镜系统，其临床使用方法及系统连接如下 医生对患者关节作消毒麻醉后，作微小切口，通入三维立体硬质电子关节镜先作观察，经进 水通道通入生理盐水，扩大关节腔，需要进行关节腔的全景立体重建时，则需要使用外部固 定支架固定好内镜主体部分，通过调节支架，使得三维立体硬质电子关节镜进入关节腔内， 固定好支架，同时尽可能稳定病人，使得内镜和关节腔腔尽可能减少干扰，准备完毕后，开 启扫描功能，外部固定支架驱动内镜均勻速度往外移动。多CCD阵列模块对关节腔进行直 线和旋转的扫描拍摄的同时，外部固定支架做勻速的移动，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阵列与关节腔内组织的精确距离，多CCD阵列模块和测 距器的数据包通过数据线传输至处理主机进行计算处理，传输至工作站组件的监视器进行 三维立体图像的显示。与现有技术相比，本发明的有益效果本发明所述的三维立体关节镜参考了嫦娥二号绕月卫星上的CXD立体相机的相 关概念和原理，首次使用多CXD阵列对人体腔道进行立体扫描拍摄和立体重建，通过处理 主机的处理，获得关节腔的腔体和腔道的立体影像，关节的立体图像对于医生以多角度观察其内在的病变及研究病变成因，制定最合理有效的处理方案，具有重要的实际意义。因 此，本发明所述的三维立体关节镜方便医生通过在立体的影像的指导下可以进行手术处 理，病症研究等临床和科研的研究，将医生的手术习惯从平面引入到立体的层面，革新了手 术手段，提高病症的处理效率和准确率等。
图1是本发明的三维立体硬质电子关节镜系统结构示意图。图加、图2b是本发明的带通道三维立体硬质电子关节镜的结构图(包括不带把手 和带把手两种形式)。图3a是本发明中带通道三维立体硬质电子关节镜先端部结构示意图(对应于上 述图2a、图2b)。图2c、图2d是本发明的不带通道三维立体硬质电子关节镜的结构图(包括不带把 手和带把手两种形式)。图北是本发明中带通道三维立体硬质电子关节镜先端部结构示意图(对应于上 述图2c、图2d)。图4是本发明的三维立体硬质电子关节镜的先端部多CCD阵列模块剖面示意图。图5是本发明的不带通道三维立体硬质电子关节镜系统的外部固定支架结构示 意图。图6是本发明的不带通道三维立体硬质电子关节镜系统的临床应用示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的详述如图1所示，本发明所述的三维立体硬质电子关节镜系统包括三维立体硬质电 子关节镜1、外部固定支架2、处理主机3、光源主机5、工作站组件等，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。本发明所述的三维立体硬质电子关节镜根据其是否带有通道和是否带有把手可 分成以下形式，具体是如图2a、图2b所示，本发明带通道的三维立体硬质电子关节镜1的 结构图，带通道三维立体硬质电子关节镜1至少两种形式第一种是不带把手的三维立体硬质电子关节镜，如图加所示，该三维立体硬质电 子关节镜包括硬质工作端部11、内镜主体部分10、数据接头端15、冷光源接头12、器械通道 17、进水通道13和出水通道14等。第二种是带把手的，三维立体硬质电子关节镜，如图2b所示，其包括硬质工作端 部11、内镜主体部分10、把手部分18、一体化接口 19、器械通道17、进水通道13和出水通道 14等，所述一体化接口 19集成有冷光源接头和数据接头端的作用，设计在把手部分18内部。上述两种带通道的三维立体硬质电子关节镜1的硬质工作端部11，其外径小于等 于12mm，所述硬质工作端部长150 200mm，其前端IOmm为先端部111，如图3a所示，所述 先端部111设计有多CCD阵列模块(端面CCD阵列模块、圆周面CCD阵列模块)、光导纤维 部分121、器械通道出口 171和进出水通道出口 131、141，光导纤维部分121提供立体三维 电子关节镜1前端和圆形端面观察必要的亮度。
如图2c、2d为本发明所述的不带通道的三维立体硬质电子关节镜1的结构图。所 述不带通道的三维立体硬质电子关节镜1有两种形式第一种是不带把手、不带通道的三维立体硬质电子关节镜，如图2c所示，其包括 硬质工作端部11、内镜主体部分10、数据接头端12、冷光源接头15等。第二种是带把手的不带通道的三维立体硬质电子关节镜，如图2d所示，其包括硬 质工作端部11、内镜主体部分10、把手部分18、一体化接口 19，一体化接口 19集成有冷光 源接头和数据接头端12的作用，设计在把手部分18内部。上述两种不带通道的三维立体硬质电子关节镜1的硬质工作端部11，其外径小于 等于12mm，工作端部长150 200mm，其前端IOmm为先端部111，如图北所示，所述先端部 111设计有多CCD阵列模块(包括端面CCD阵列模块、圆周面CCD阵列模块)、光导纤维部 分121，光导纤维部分121提供立体三维电子关节镜1前端和圆形端面观察必要的亮度。如图3a、图北所述，所述端面CXD阵列模块，包括置于先端部111端面的端面CXD 阵列151和端面测距器152。所述的先端部端面的CXD阵列153，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，能同时对同一个关节腔壁的部分成 像，每组镜头的视场角至少90°，C⑶阵列至少具有每秒拍摄5张的速度。所述的测距器 152利用激光或者声波等的反射原理，对关节腔距离、深度进行距离的测定。测距器152的 工作频率与(XD阵列的工作频率一致，保证数据同步，利于进行立体重建。所述圆周面CXD阵列模块包括置于先端部111外圆表面的圆周面CXD阵列153及 圆周面测距器154。所述的圆周面C⑶阵列153，至少包括一组C⑶阵列，一组CXD阵列包 括至少2个CXD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°，C⑶阵列至少具有每秒拍摄5张的速度。一组C⑶阵列的适当位置配置一个圆周面 测距器154，该圆周面测距器154的工作频率与圆周面CXD阵列153的工作频率一致，保证 数据同步，以利于进行立体重建。如图4所示是本发明所述的三维立体硬质电子关节镜的先端部多CCD阵列模块剖 面示意图。由图可知，所述端面CCD阵列151和端面测距器152直接固定于先端部111端 面的，端面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。所述 的先端部111外圆表面的圆周面CCD阵列153和圆周面测距器IM安装在内镜先端部11 的可以绕内镜工作端部11主轴旋转的圆环载体巧5上，能对关节腔进行旋转的CCD影像拍 摄，圆环载体巧5旋转的速度与外部固定支架2的运动速度成比例，以保证关节腔内的影像 能进行多角度的无缝结合。所述圆环载体1 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，CXD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，圆环载体155的动力来自于内镜先端部的微型 马达157，通过传动结构提供圆环载体绕固定机构158旋转的能量。如图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 是配合三维立体硬质电子关节镜1进行关节腔腔的CCD阵列扫描，其移动速度与三维立体 硬质电子关节镜1先端部的CCD阵列(包括端面CCD阵列151、圆周面CCD阵列153)旋转 扫描拍摄速度成比例。其结构包括固定夹具23、支架22、移动装置21。固定夹具23用于紧 密固定三维立体硬质电子关节镜1的内镜主体部分10，支架22连接固定夹具23与移动装 置21，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主机4统一控制。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6所示为本发明所述的三维立体硬质电子关节镜系统的临床应用示意图。三 维立体硬质电子关节镜1连接冷光源主机5及处理主机3，工作站组件(工作站主机4，控 制部件6，监视器7和外部设备8)处于正常工作状态，三维立体硬质电子关节镜1的硬质 工作端部11经关节患处的微小缺口进入关节腔9内，三维立体硬质电子关节镜1固定在外 部固定支架2之上，两者状态稳定，尽量减少外接对关节腔道9和三维立体硬质电子关节 镜1的干扰，通过工作站组件(工作站主机4，控制部件6，监视器7和外部设备8)启动三 维立体硬质电子关节镜1的多CCD阵列的扫描拍摄功能，同时启动外部固定支架2的精密 移动装置21，其移动速度与三维立体硬质电子关节镜1的先端部的环形载体155的旋转速 度成比例，以保证成像质量和有利于处理主机进行三维立体重建，所有数据通过处理主机3 处理后传输至工作站组件的主机4进行进一步计算合成，重建成三维立体影像，显示在监 视器7。三维立体硬质电子关节镜1对整个关节腔9进行扫描后，可以清晰地显示出关节 腔9的全景三维图，为医生了解关节腔道9的深层情况提供更为详细的依据。关节腔9的 三维立体影像重建后，医生可以根据三维图像，使用带有通道的三维立体硬质电子关节镜1 对关节腔内病变进行处理。
权利要求
1.三维立体硬质电子关节镜系统，包括硬质电子关节镜及与硬质电子关节镜连接的冷 光源主机，所述硬质电子关节镜包括硬质工作端部、内镜主体部分，其特征在于所述硬质 工作端部上设有能对关节腔进行三维立体扫描拍摄、显示其全景三维立体图像并对关节腔 进行三维立体重构的多CXD阵列模块，所述多CXD阵列模块包括至少一置于硬质工作端部 先端部前端面的端面CCD阵列模块，及至少一置于硬质工作端部先端部外圆表面的圆周面 CCD阵列模块。
2.根据权利要求1所述的三维立体硬质电子关节镜系统，其特征在于所述硬质电子 关节镜按照其是否带有通道和是否带把手，可以分为带有通道带把手的硬质电子关节镜、 有通道无把手的硬质电子关节镜、不带通道带把手的硬质电子关节镜和不带通道无把手的 硬质电子关节镜共四种结构形式。
3.根据权利要求1所述的三维立体硬质电子关节镜系统，其特征在于所述硬质电子 关节镜的硬质工作端部的外径小于等于12mm，其长度范围是150 200mm，其前端6 15mm 为先端部。
4.根据权利要求1所述的三维立体硬质电子关节镜系统，其特征在于所述端面CCD 阵列模块包括硬质工作端部先端部的端面CCD阵列和端面测距器，所述端面CCD阵列其包 括至少两个呈线性排列的CXD元件，且每个CXD元件对应一组光学光学镜头，每组光学光学 镜头的视场角至少是90°。
5.根据权利要求4所述的三维立体硬质电子关节镜系统，其特征在于所述端面CCD 阵列至少具有每秒拍摄5张的速度，所述端面测距器的工作频率与端面CCD阵列的工作频 率一致。
6.根据权利要求1所述的三维立体硬质电子关节镜系统，其特征在于所述圆周面CCD 阵列模块包括硬质工作端部先端部的圆周面CCD阵列和圆周面测距器，所述圆周面CCD阵 列其包括至少两个呈线性排列的CXD元件，且每个CXD元件对应一组光学光学镜头，每组光 学光学镜头的视场角至少是90°。
7.根据权利要求6所述的三维立体硬质电子关节镜系统，其特征在于所述圆周面CCD 阵列至少具有每秒拍摄5张的速度，所述圆周面测距器的工作频率与圆周面CCD阵列的工 作频率一致。
8.根据权利要求7所述的三维立体硬质电子关节镜系统，其特征在于所述硬质工作 端部的先端部安装有一能以内镜主体的主轴做旋转运动的圆环载体，所述圆周面CCD阵列 和圆周面测距器设于该圆环载体上。
9.根据权利要求8所述的三维立体硬质电子关节镜系统，其特征在于所述关节镜内 镜部分的内镜主体上还固定连接有外部固定支架，该外部固定支架包括依次连接固定夹 具、支架和移动装置，所述移动装置固定在刚性平台上且由驱动电机进行驱动。
10.根据权利要求1所述的三维立体硬质电子关节镜系统，其特征在于所述硬质电子 关节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、控制部件、外部设备；所述处理主机，其 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硬质电子关节镜 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，对关节图像 进行立体重构，还原关节的立体三维图像。
11.根据权利要求1所述的三维立体硬质电子关节镜系统的使用方法，其特征在于(1)将硬质电子关节镜通过关节处的切口进入关节腔内；(2)通过置于硬质电子关节镜硬质工作端部的多CXD阵列模块对关节腔进行直线和旋 转的扫描拍摄的同时即对关节腔进行三维立体扫描拍摄、显示全景三维立体图像、并对关 节腔进行立体影像重构。
全文摘要
本发明属于医用器械领域，具体公开一种三维立体硬质电子关节镜系统，其包括硬质电子关节镜，所述硬质电子关节镜包括硬质工作端部、内镜主体部分，所述硬质工作端部上设有能对关节腔进行三维立体扫描拍摄、显示其全景三维立体图像并对关节腔进行三维立体重构的多CCD阵列模块，所述多CCD阵列模块包括至少一置于硬质工作端部先端部前端面的端面CCD阵列模块，及至少一置于硬质工作端部先端部外圆表面的圆周面CCD阵列模块。本发明通过至少两个部分的CCD阵列模块配合内窥镜的纵深运动，所得到的所有关于关节内的图像资料和和测距器测出的距离数据传输到处理主机进行集中处理重构，重现关节的立体环境，帮助医护人员更为清楚地了解关节腔内病变状况，为制定处理方案提供更好的图像依据，具有重要的实际意义。
文档编号A61B1/31GK102090880SQ20111003343
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月31日 优先权日2011年1月31日
发明者乔铁, 伍晓光, 何群芝, 谢景夏 申请人:广州宝胆医疗器械科技有限公司