CN107765418A - 光源内置的医用电子内窥镜 - Google Patents

Abstract

一种光源内置的医用电子内窥镜，所述内窥镜为管状，前端设置有光电转换单元和照明单元，其中：光电转换单元用于将通过成像窗口和成像镜头采集的光信号转换为静态图像和/或视频的电信号；照明单元发出的光通过所述医用电子内窥镜前端与成像窗口并排设置的照明窗口对内窥镜指向的目标区域进行均匀光照；成像镜头的成像镜筒后端设为全圆角，结合滤光片对光电转换单元和成像镜头进行物理隔离，提升内窥镜在使用时的电气安全性。本内窥镜***体积小，操作方便，成像清晰，电气安全性好，支持高温高压消毒降低使用成本。

Description

光源内置的医用电子内窥镜

技术领域

本发明属于硬管内窥镜技术领域，尤其涉及一种光源内置的医用电子内窥镜。

背景技术

医用内窥镜通过自然通道或者微创切口进入人体内的封闭环境，需要有光源进行照明并对体内组织进行成像，外科医生通过显示屏进行相应的手术操作。内窥镜照明质量、成像质量、操作的便捷程度、***的性能稳定对手术尤其是复杂手术的成功率有着重要的影响。

首先，光源照明质量的好坏是影响窥镜性能的一个重要的因素。现有的内窥镜大多采用外置的医用冷光源，通常为卤素灯通过红外滤光片过滤大部分红外光谱，然后通过一段很长的光纤束传输到内窥镜头端。这种外置的光源有几个显著的缺点：(1)外置的光源功率较高，光电转换效率很低，输入的电功率绝大部分转成热能，由于需要散热，导致光源主机噪声比较大；(2)外置光源需要占用一定的手术室空间，对空间比较小的手术室来说是个负担；(3)由于医生手持的内窥镜后面需要一根光纤束进行传输，增加了操作的不方便性，光纤束弯折角度稍大容易出现损坏，造成照明的衰减甚至失效，从而增加医生进行手术操作的负担。

其次，内窥镜图像的传输方式也是影响成像质量的另一个重要因素。传统的光学镜通过若干中继透镜(一般是棒状镜)进行光信号传输，这种传输方式具有明显的缺陷：(1)数十片中继透镜的高精度装配，将显著提高内窥镜制造的难度和成本；(2)光信号在中继透镜中多次折反射，将不可避免地出现信号光强的衰减，并导致杂散光出现显著增加，降低***的信噪比，从而降低了成像质量。

再者，为保证成像镜头的装配精度，成像镜头需要通过镜管前端进行较严格的限位，镜管传导到成像镜头之间电荷导通。医用内窥镜要求镜头应具有大视场角、大景深的特点，根据几何光学可知镜头的后截距将会很短，这意味着镜筒的后端和图像传感器及其PCB板距离很近。电刀工作时存在电流泄露，镜筒上存在静电，电荷如果击穿空气流到图像传感器的电路板上，将使图像传感器PCB板出现功能异常甚至损坏的情况，静电隔离的设计对于内窥镜性能的稳定有重要影响。

最后，现有内窥镜未能大范围在医院普及，其很大一个原因则是内窥镜的使用成本高。内窥镜镜管如果支持高温高压消毒，实现多次重复使用将大幅度地降低内窥镜的使用成本。胶粘剂固定镜筒内的部分光学元件和机械模组，封闭内窥镜镜管使之成为密闭空间，其中择取的胶粘剂的热稳定性、粘接强度将直接决定内窥镜的使用寿命。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种光源内置的医用电子内窥镜，以期至少部分地解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种光源内置的医用电子内窥镜，所述医用电子内窥镜为管状，其特征在于，所述医用电子内窥镜前端设置有光电转换单元和照明单元：

光电转换单元，位于所述医用电子内窥镜内部，用于将通过成像窗口和成像镜头采集的光信号转换为静态图像和/或视频的电信号；

照明单元，位于所述医用电子内窥镜内部，且与所述光电转换单元相对于所述医用电子内窥镜的中心轴平行设置；所述照明单元发出的光通过所述医用电子内窥镜前端与成像窗口并排设置的照明窗口对所述医用电子内窥镜指向的目标区域进行均匀光照。

其中，所述照明单元包括微型贴片式LED光源。

其中，所述微型贴片式LED光源的基板采用氮化铝、氧化铍或铜-碳纤维材料制成，导热系数大于260W/(m·K)。

其中，所述照明单元与所述光电转换单元之间设置有阻挡光线的间隔物。

其中，所述照明窗口和成像窗口均采用透光率≥98％、硬度≥7、不含铝的玻璃作为基板；

作为优选，所述照明窗口为半月型结构。

作为优选，所述微型贴片式LED光源设置在距离照明窗口后侧0.5-2mm的位置处。

其中，所述成像镜头设置于一成像镜筒内，所述成像镜筒采用热膨胀系数≤18×10-⁶/℃、抗拉强度≥230MPa的金属材质；

作为优选，所述成像镜筒的内壁为黑色。

其中，所述成像镜筒通过一镜座固定在所述医用电子内窥镜的镜管内，所述镜座采用聚醚醚酮材料制备；

所述光电转换单元安装于一蓝玻璃片上，所述蓝玻璃片的非感光区域通过胶粘剂粘接在所述镜座上，通过所述蓝玻璃片和镜座的低电导率形成半包围结构，隔离所述光电转换单元与所述成像镜筒；

作为优选，所述成像镜筒后端边缘设为全圆角，前端边缘设为直角。

其中，所述光电转换单元的感光元件前端设置有红外截止滤光片，以进行滤光。

其中，所述成像镜头包括若干光学镜片，所述光学镜片的材料均为光学玻璃。

其中，所述医用电子内窥镜中部分元件的固定是通过胶粘剂，所述胶粘剂为医疗级耐134℃高温、收缩率≤0.1％、粘接面剪切强度≥12MPa的一种环氧树脂；

作为优选，所述环氧树脂为联苯基型环氧树脂，环氧树脂体系中添加了二氧化硅纳米颗粒。

基于上述技术方案可知，本发明的医用电子内窥镜相对于现有技术具有如下有益效果：

(1)LED光源适当加热镜管前端窗片防止窗片雾化，LED光源内置无需脆弱的光纤导光，体积小，功率低，操作便捷，照明光分布均匀、功耗低；

(2)内置图像传感器芯片，无需数十片中继透镜进行传像，抑制了信号光强度的衰减以及杂散光的产生，装调简单，成像清晰；

(3)对图像传感器及其PCB板进行了静电屏蔽设计，提升了内窥镜的电气安全性；

(4)采用一种医疗级耐高温、高粘接强度的环氧树脂对内窥镜镜管进行密封，保证了高温高压消毒时内窥镜***的稳定性，实现了内窥镜***的重复使用；

(5)使用方便。

附图说明

图1是本发明的光源内置的医用电子内窥镜的纵截面结构示意图。

图2是本发明的光源内置的医用电子内窥镜镜管前端的元件分布示意图；

图3是本发明的光源内置的医用电子内窥镜的成像镜筒及镜座的元件结构示意图。

上图中，附图标记含义如下：

1 照明单元

2 镜管

3 成像镜头

4 成像窗口

5 成像镜座

6 热沉

7 线缆

8 微型贴片式LED光源

9 照明窗口

10 屏障

11 基板

12 PCB板

13 感光元件

14 蓝玻璃片/红外截止滤光片

15 成像镜筒

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种光源内置的医用电子内窥镜，该内窥镜为薄壁细管状，前端设置有光电转换单元和照明单元：照明单元，设置在镜管管壁内，且与光电转换单元相对于镜管的中心轴平行设置，该照明单元发出的光通过内窥镜前端与成像窗口并排设置的照明窗口对目标区域进行均匀的光照；成像镜头，其前端靠近成像窗口，后端固定在镜管内壁上；光电转换单元，位于成像镜头后，用于将通过成像窗口和成像镜头采集的光信号转换为静态图像和/或视频的电信号。

其中，照明单元包括微型贴片式LED光源。该微型贴片式LED光源的数量不限于1个，可以根据空间位置及具体要求进行设置，例如为1、2、3、4、5、6、7、8、10、12、24个。该微型贴片式LED光源的基板采用氮化铝、氧化铍或铜-碳纤维材料制成，导热系数大于260W/(m·K)。优选该微型贴片式LED光源的基板直接固定在热沉和/或热管上，以增强散热。该热沉和热管均采用高导热金属制成。

其中，照明单元前端设有照明窗口，该窗口例如为半月形结构，可以采用透光率≥98％、硬度≥7、不含铝的玻璃为基板。

其中，照明单元的照明窗口与成像镜头之间设置有阻挡光线的间隔物，防止LED光源的光直接入射到成像镜头，成为杂散光降低镜头的成像质量。

其中，照明单元距离照明窗口为0.2-3mm，优选为0.5-2mm，LED光源适当加热窗口玻片，起到防止雾化的作用。

在一个实施方式中，本发明的成像镜头设置于一成像镜筒内，该成像镜筒例如采用热膨胀系数≤18×10-⁶/℃、抗拉强度≥230MPa的金属材质，以保证精密光学镜片装配的精度和稳定性，镜筒内壁要求被涂黑避免光线在筒内壁多次反射影响成像效果。

其中，成像镜筒通过一镜座固定在该内窥镜的镜管内，镜座采用体积电阻为10¹⁵Ω·cm数量级、具有良好生物相容性、耐134℃循环高压灭菌的塑材制备，例如可以采用聚醚醚酮(PEEK)、聚甲醛(POM)等材料制备，以防止电刀工作时的泄露电流直接流到光电转换单元的PCB板上，造成PCB板的功能异常甚至损坏PCB板。

光电转换单元可以安装于一蓝玻璃片之上或之后，该蓝玻璃片的非感光区域通过胶粘剂粘接在镜座上，利用蓝玻璃片的低电导率，形成半包围结构增大静电的爬电距离，即蓝玻璃片和镜座形成半包围结构，进一步隔离光电转换单元和可能带静电的成像镜筒后端。

作为优选，该成像镜筒后端设为电荷密度较小的全圆角，前端设为电荷密度高、易释放静电的直角，从而改善电荷的分布情况，避免镜筒后端和图像传感器之间可能出现的空气击穿造成光电转换单元的PCB板的功能异常。

其中，该光电转换单元的感光元件前端设置有红外截止滤光片进行滤光。该感光元件例如为图像传感器芯片。

其中，成像镜头内的光学镜片的材料均为光学玻璃，不使用光学塑料以耐高温消毒。

在一个实施方式中，成像镜头内的部分光学、机械结构的配合以及封闭内窥镜镜管的窗口的固定均使用胶粘剂，该胶粘剂为医疗级收缩性小、耐高温的一种环氧树脂。

其中胶粘剂为医疗级耐134℃高温、收缩率≤0.1％、粘接面剪切强度≥12MPa的一种环氧树脂。作为优选，该环氧树脂为联苯基型环氧树脂，环氧树脂体系中添加了二氧化硅纳米颗粒，以提高环氧树脂粘接剂的热稳定性。

下面通过一些具体实施例结合图1-3对本发明的光源内置的医用电子内窥镜的各部分的技术方案进行进一步阐述说明。

实施例1：照明单元

如图1所示，本实施例对本发明的照明单元1进行详细描述，本发明的医用电子内窥镜为管状，照明单元1设置在医用电子内窥镜的镜管2内，且与成像镜头3相对于镜管2的中心轴平行设置，光源发出的光通过照明窗口9对医用电子内窥镜针对的目标区域进行均匀的光照。

如图2所示，照明窗口9为半月型结构，照明单元1位于成像窗口4的一侧，使成像窗口4呈偏心设计，充分利用了内径≤10mm的管内空间。

照明窗口9采用透光率≥98％且不含铝的玻璃作为基板，如融石英，保证膜层在玻璃基板上的具有高附着力，使膜层能经循环高压灭菌消毒的过程。朝向照明区域的镜片外表面镀制增透膜，并且在增透膜的表面镀制超硬防污膜，照明窗口9的另一表面镀制增透膜，提高LED光源的光能利用率，并避免照明窗口外表面在清洗消毒过程中可能出现的划痕。

该照明单元1与成像单元之间设置有阻挡光线的屏障10，防止照明单元1发出的光未通过成像窗口4就入射到成像单元的成像镜头3中，成为杂散光降低镜头的成像质量。

微型贴片式LED光源8的基板11采用高导热材料，如氮化铝制成，其导热系数大于260W/(m·K)。微型贴片式LED光源8采用热沉6等进行降温，热沉6采用高导热金属制成。

微型贴片式LED光源8距离照明窗口9距离为1mm，微型贴片式LED光源8可对照明窗口9进行适度加热。当外部气体温湿度和人体温湿度存在差异时，可避免手术过程中照明窗口或光学镜片存在表面气体液化的现象，影响内窥镜成像。

实施例2：光电转换单元

本实施例对本发明的成像单元进行详细描述，如图1所示，光电转换单元位于内窥镜镜管2前端，沿光轴方向从被检测物起依次为成像窗口4、成像镜头3、红外截止滤光片14、感光元件13、PCB板12、线缆7，通过成像镜头3采集来的光信号转换为静态图像或视频的电信号，通过线缆输出到镜管2后端；

成像窗片4采用透光率≥98％且不含铝的玻璃作为基板，如融石英，保证膜层在玻璃基板上具有高附着力，使膜层能经循环高压灭菌消毒的过程。

朝向照明区域的成像窗口4外表面镀制增透膜，并且在增透膜的表面镀制超硬防污膜，成像窗口4朝向手柄的另一端面镀制增透膜，充分利用微型贴片式LED光源8有限的光通量，并避免成像窗口4外表面在清洗消毒过程中可能出现的划痕，这种划痕对于小口径的光学***可能是灾难性的。

其中，成像单元的感光元件13前端设有红外截止滤光片14进行滤光。

其中，成像镜头3设置于成像镜筒15内，该成像镜筒15采用热膨胀系数≤18×10-⁶/℃、抗拉强度≥230MPa的金属材质制成，以保证精密光学镜片装配的精度和稳定性；成像镜筒15内壁做发黑处理，避免光线在成像镜筒15内壁多次反射影响成像效果。

其中，成像镜头3采用若干光学镜片，其材质均为光学玻璃，不使用光学塑料以耐高温消毒。

成像镜头3内的部分光学、机械结构的配合以及封闭内窥镜镜管的窗片的固定均使用了胶粘剂，该胶粘剂为医疗级耐134℃高温、收缩率≤0.1％、粘接面剪切强度≥12MPa的一种环氧树脂，该环氧树脂为联苯基型环氧树脂，环氧树脂体系中添加了SiO₂纳米颗粒、以提高环氧树脂粘接剂的热稳定性。

实施例3：静电屏蔽结构

本实施例是在实施例2的基础上，结合图3对实施例2内窥镜成像***的静电屏蔽设计进行详细描述。

将成像镜头3固定在镜管2内的成像镜座5上，该成像镜座5采用耐134℃循环高压灭菌、具有良好生物相容性、常温下体积电阻≥10¹⁵Ω·cm数量级的塑材，即PEEK材料制成，防止电子内窥镜工作时的泄露电流通过成像镜座5直接流到感光元件13的PCB板12上，造成成像单元PCB板12的功能异常甚至损坏PCB板12。

成像单元中蓝玻璃片14的非感光区域通过胶粘剂充分粘接在镜座5上，利用蓝玻璃片14和成像镜座5的低电导率，形成相对封闭的半包围结构，增大静电的爬电距离避免空气击穿，隔离光电转换单元与可能带静电的成像镜筒15后端。

成像镜头的成像镜筒15后端设计为电荷密度较小的全圆角，前端设为电荷密度高的直角，从而改善电荷的分布情况，进一步避免成像镜筒15后端和感光元件13可能出现的空气击穿造成成像单元PCB板12的功能异常。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光源内置的医用电子内窥镜，所述医用电子内窥镜为管状，其特征在于，所述医用电子内窥镜前端设置有光电转换单元和照明单元：

光电转换单元，位于所述医用电子内窥镜内部，用于将通过成像窗口和成像镜头采集的光信号转换为静态图像和/或视频的电信号；

照明单元，位于所述医用电子内窥镜内部，且与所述光电转换单元相对于所述医用电子内窥镜的中心轴平行设置；所述照明单元发出的光通过所述医用电子内窥镜前端与成像窗口并排设置的照明窗口对所述医用电子内窥镜指向的目标区域进行均匀光照。

2.根据权利要求1所述的医用电子内窥镜，其特征在于，所述照明单元包括微型贴片式LED光源。

3.根据权利要求2所述的医用电子内窥镜，其特征在于，所述微型贴片式LED光源的基板采用氮化铝、氧化铍或铜-碳纤维材料制成，导热系数大于260W/(m·K)。

4.根据权利要求2所述的医用电子内窥镜，其特征在于，所述照明单元与成像镜头之间设置有阻挡光线的间隔物。

5.根据权利要求2所述的光源内置的医用电子内窥镜，其特征在于，所述照明窗口和成像窗口均采用透光率≥98％、硬度≥7、不含铝的玻璃作为基板；

作为优选，所述照明窗口为半月型结构。

作为优选，所述微型贴片式LED光源设置在距离照明窗口后侧0.2-3mm的位置处。

6.根据权利要求1所述的医用电子内窥镜，其特征在于，所述成像镜头设置于一成像镜筒内，所述成像镜筒采用热膨胀系数≤18×10^-6/℃、抗拉强度≥230MPa的金属材质；

作为优选，所述成像镜筒内壁为黑色。

7.根据权利要求6所述的光源内置的医用电子内窥镜，其特征在于，所述成像镜筒通过一镜座固定在所述医用电子内窥镜的镜管内，所述镜座采用聚醚醚酮材料制备；

所述光电转换单元安装于一蓝玻璃片上，所述蓝玻璃片的非感光区域通过胶粘剂粘接在所述镜座上，通过所述蓝玻璃片和镜座的低电导率形成半包围结构，隔离所述光电转换单元与所述成像镜筒；

作为优选，所述成像镜筒后端边缘设为全圆角，前端边缘设为直角。

8.根据权利要求1所述的医用电子内窥镜，其特征在于，所述光电转换单元的感光元件前端设置有红外截止滤光片，以进行滤光。

9.根据权利要求1所述的医用电子内窥镜，其特征在于，所述成像镜头包括若干光学镜片，所述光学镜片的材料均为光学玻璃。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的医用电子内窥镜，其特征在于，所述医用电子内窥镜中部分元件的固定是通过胶粘剂，所述胶粘剂为医疗级耐134℃高温、收缩率≤0.1％、粘接面剪切强度≥12MPa的一种环氧树脂；

作为优选，所述环氧树脂为联苯基型环氧树脂，环氧树脂体系中添加了二氧化硅纳米颗粒。