Стереоэндоскоп
STEREOENDOSKOPE

Изобретение относится к области медицины и медицинской техники, в частности, к устройствам для эндоскопических малоинвазивных оперативных вмешательств и может быть использовано при построении нейрохирургических стереоэндоскопов.
Известен стереоэндоскоп, содержащий корпус с продольной осью O1-O2 вдоль координаты X, первым торцом круглой формы и вторым торцом, при этом в зоне первого торца расположен вход оптической системы, в корпусе установлен первый датчик изображения и второй датчик изображения, сопряженные оптической системой с ее входом и соединенные с блоком управления и визуализации [патент RU 2389428].
Недостаток этого устройства заключается в том, что оно имеет низкое качество изображения, связанное с потерей сигнала в оптической системе и с необходимостью применения малогабаритных низкоразрешающих датчиков изображения, а также повышенную травматичность тканей при воздействии на них круглым первым торцом увеличенного размера.
Например, можно построить стереоэндоскоп на CMOS датчиках изображения Omnivision OV6946 с размером 1,0×1,0 мм. При этом можно реализовать круглый первый торец диаметром 4 мм. Однако формат (количество элементов изображения) такого датчика изображения составляет только 400×400. Кроме того, такой датчик не обеспечивает точную передачу красного цвета, что особенно важно в медицинской эндоскопии.
2
При построении стереоэндоскопа на CCD (ПЗС-матрицах) Sony ICX257 обеспечивается качественная передача цвета при повышенной разрешающей способности датчика изображения 510×582, при котором общее количество элементов изображения почти в два раза больше, чем для OV6946. Однако размер ICX257 составляет 2,0×2,0 мм и диаметр круглого первого торца при этом не может быть менее 6 мм, что существенно с точки зрения травматичности окружающих тканей при применении эндоскопа.
Также известна эндоскопическая стереокамера, содержащая корпус с одной стороны, направленный вдоль координаты X, с первым торцом, имеющим удлиненную форму вдоль координаты Z, перпендикулярной длинной стороне. В корпусе размещены первый и второй датчики изображения, установленные в зоне первого торца и связанные с блоком управления и визуализации [патент US 2015/0190037].
Однако описанное в патенте US 2015/0190037 решение относится только к эндоскопической стереокамере. Представленный стереоэндоскоп имеет овальную форму на всем протяжении, что значительно суживает область визуализации, уменьшает зону доступности для проведения хирургических манипуляций, увеличивает травматичность для окружающих тканей.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании изобретения, является создание стереоэндоскопа, параметры и характеристики которого удовлетворяют требованию повышения качества изображения при условии одновременного снижения травматичности.
Технический результат изобретения заключается в повышении качества изображения и снижении травматичности за счет придания стереоэндоскопу формы, согласованной с анатомическим строением черепа человека.
Указанный технический результат достигается тем, что стереоэндоскоп содержит корпус с одной стороны, направленный вдоль координаты X, с первым торцом, имеющим удлиненную форму вдоль координаты Z, перпендикулярной длинной стороне. В корпусе размещены первый и второй датчики изображения, установленные в зоне первого торца и связанные с блоком управления и визуализации. Первый торец выполнен со световыми прорезями и имеет максимальный продольный размер, превышающий, как минимум, на 1/3 минимальный поперечный размер. Датчики изображения выполнены в виде полупроводниковых сенсоров с объективами, общая площадь которых составляет от  до 2/3 площади первого торца. Корпус включает первую часть, примыкающую к первому торцу, и вторую часть, примыкающую ко второму торцу, при этом размеры поперечного сечения первой части корпуса, примыкающей к первому торцу, больше размеров поперечного сечения второй части корпуса, примыкающей ко второму торцу, при этом размеры поперечного сечения первой части корпуса, примыкающей к первому торцу, больше размеров поперечного сечения второй части корпуса, примыкающей ко второму торцу.
Такая форма вводимой части нейрохирургического стереоэндоскопа позволяет ввести в рабочую зону хирургический инструмент, отсос и другой микрохирургический инструментарий после введения стереоэндоскопа в полость носа, полость основной пазухи, в полость турецкого седла, либо в другие «зоны интереса» нейрохирурга. Малый диаметр предлагаемого эндоскопа позволяет свободно проводить манипуляции при доступе к различным структурам основания черепа. Расширение на конце эндоскопа, небольшое по размерам, не суживает «зону доступности» и ограничивает манипуляции нейрохирурга. Кроме того, нейрохирург может поворачивать по оси (в обе стороны) эндоскоп, выбирая наиболее приемлемую позицию в ране расширяемой дистальной части эндоскопа. Таким образом, достигается снижение травматичности окружающих тканей, при сохранении качества изображения.
Нами проведено исследование на 5 кадаверах, при отработке эндоназального эндоскопического доступа к различным структурам основания черепа и краниовертебрального сочленения. Личный хирургический опыт эндоскопических эндоназальных операций в хирургии различных опухолевых и неопухолевых заболеваний основания черепа и области краниовертебрального сочленения одного из авторов патента на изобретение, а именно Шкарубо А.Н., составляет более 1500 операций (это один из самых больших личных опытов подобных операций в мире). При использовании предлагаемого стереоэндоскопа травматичность окружающих тканей такая же, как и при использовании обычного 4 мм двумерного эндоскопа, однако значительно увеличено качество изображения анатомических образований за счет появления эффекта трехмерного изображения, появления четкой глубины изображения. При использовании двумерного (обычного) эндоскопа нет эффекта «глубины изображения», т.е. все анатомические образования расположены в одной плоскости, что осложняет проведение хирургических манипуляций и может приводить к их повреждению.
Стереоэндоскоп дополнительно содержит форсунки для подачи воды и/или воздуха, размещенные на первом торце для омывания или осушивания объективов.
В частных случаях выполнения или использования стереоэндоскоп содержит:
- форсунки для подачи воды и/или воздуха, размещенные на первом торце для омывания или осушивания объективов;
- сечение В-В второй части, перпендикулярное продольной оси O1-O2, может иметь круглую форму;
- корпус сечение В-В второй части, перпендикулярное продольной оси O1-O2, может иметь удлиненную форму вдоль координаты Z, перпендикулярной продольной оси O1-O2;
- механизм поворота по координате Y и/или по координате Z первого торца;
- механизм поворота по координате Y и/или по координате Z, сопряженный с плоским толкателем, расположенным в зоне первого торца.
На фиг. 1 изображена схема стереоэндоскопа в общем виде.
На фиг. 2 изображен вид А на первый торец.
На фиг. 3 изображен первый вариант сечения В-В второго фрагмента.
На фиг. 4 изображен второй вариант сечения В-В второго фрагмента.
На фиг. 5 изображена схема варианта стереоэндоскопа с плоским толкателем.
Стереоэндоскоп содержит корпус 1 (фиг. 1) с продольной осью O1-O2 вдоль координаты X, первым торцом 2 и вторым торцом 3. Корпус 1 может быть изготовлен из нержавеющей стали, например, 12Х18Н10Т. Корпус 1 включает первую часть 4, примыкающую к первому торцу 2, и вторую часть 5, примыкающую ко второму торцу 3. В корпусе 1 установлен первый датчик изображения 6 и второй датчик изображения 7. Датчики изображения включают в себя полупроводниковые микросхемы-сенсоры, формирующие электрический сигнал изображения, и миниатюрные объективы, фокусирующие изображение на фоточувствительной поверхности сенсора. Сигнал изображения передается в блок управления и визуализации 10.
1
2
В качестве первого датчика изображения 6 и второго датчика изображения 7 можно использовать приборы с зарядовой связью (ПЗС; англ. CCD - Charge Coupled Device), например, ICX257 производства компании Sony или приборы, выполненные по технологии КМОП (Комплементарный Металл-Окисел-Полупроводник; англ. CMOS - Complementary Metal-Oxid-Semiconductor), например, OV6946 компании Omnivision. В качестве блока управления и визуализации 10 можно использовать специализированный блок обработки сигнала, преобразующий исходный сигнал датчиков изображения к виду, пригодному для отображения на мониторе или телевизоре, например, с интерфейсом HDMI. Первый датчик изображения 6 и второй датчик изображения 7 установлены в зоне первого торца 2. Закрепление первого датчика 6 и второго датчика 7 в зоне первого торца 2 может быть осуществлено, например, с помощью клея. Соединение первого датчика 6 и второго датчика 7 с блоком управления и визуализации 10 осуществлено посредством, например, электрических кабелей 11. Первый торец 2 имеет удлиненную форму вдоль координаты Z, перпендикулярной продольной оси O1-O2. Высота торца h может составлять величину 6 мм и менее. Ширина торца h (фиг. 2) может составлять величину 4 мм и менее.
Освещение объекта наблюдения осуществляется светом, выходящим из одного или нескольких специальных отверстий 8 на первом торце 2. Источниками света могут быть, например, миниатюрные светодиоды, расположенные в первом торце 2 или выходы волоконных световодов, расположенные в том же торце и подключенные к блоку управления и визуализации 10 (условно не показано).
В первом торце 2 могут также располагаться форсунки 9, через которые подаются вода или воздух, предназначенные, соответственно, для омывания или осушения объективов. Форсунки 9 подключены к блоку подачи воды или воздуха (условно не показано).
Существует вариант, в котором в первом исполнении сечение В-В второй части 5 (фиг. 3), перпендикулярное продольной оси O1-O2, имеет круглую форму 15. Диаметр второй части 5 может составлять величину 4 мм и менее.
3
4
Во втором исполнении сечение В-В второй части 5, перпендикулярное продольной оси O1-O2, имеет удлиненную форму 16 вдоль координаты Z, перпендикулярной продольной оси O1-O2. Высота второго фрагмента 5 hможет составлять величину 4 мм и менее. Ширина второго фрагмента h может составлять величину 3 мм и менее.
Существует вариант, в котором устройство снабжено механизмом поворота головной части 13 с первым торцом 2 по координатам Y и/или Z 12 (фиг. 1). Механизм поворота по координатам Y и/или Z 12 может быть выполнен, например, в виде механизма управления ориентацией дистального конца прибора с тросовым приводом (Т.Н. Хацевич, И.О. Михайлов. ЭНДОСКОПЫ. Учебное пособие. Новосибирск. СГГА.2002, http://www.rvi.ru/pdf/endoscopes.pdf с. с. 127-138; А.Б. Чигирко, А.А. Чигирко. Узлы и системы волоконно-оптических эндоскопов. Издательство Томского политехнического университета. 2007. с. 81 - 93). Механизм поворота по координатам Y и/или Z 12 может быть закреплен на втором торце 3 корпуса 1.
Существует вариант, в котором устройство снабжено механизмом поворота головной части 13 с первым торцом 2 по координатам Y и/или Z 12 (фиг. 5), сопряженным тягой 17 с плоским толкателем 14, расположенным в зоне первого торца 2. Плоский толкатель 14 может быть изготовлен из нержавеющей стали, например, 12Х18Н10Т. Его высота может равняться высоте hi первого торца 2. Толщина плоского толкателя может быть в диапазоне 0,5 мм - 1 мм.
Стереоэндоскоп работает следующим образом.
Изображение объекта фокусируется на светочувствительную поверхность датчиков изображения 6 и 7 с помощью объективов. Сигнал с выхода датчиков изображения 6 и 7 передается посредством канала связи (проводного или беспроводного) 11 в блок управления и визуализации 10. В блоке управления и визуализации 10 сигнал, переданный из датчика изображения, проходит следующую обработку:
- оцифровку аналоговых сигналов с выходов датчиков изображения 6 и 7 с последующим цветовым декодированием;
- запись в память изображения двух кадров видеосигнала, например, формата 1280×360;
- интерполяцию каждого кадра видеосигнала с целью увеличения формата и коррекции геометрических искажений;
- объединение сигналов двух датчиков в единый кадр в памяти изображения;
- чтение объединенного сигнала формата HD из памяти с выводом на монитор или телевизор по интерфейсу HDMI.
Несимметричная форма первого торца 2 стереоэндоскопа, позволяет использовать датчики изображения с большим размером светочувствительной площадки, что при прочих равных условиях увеличивает размер элемента изображения, а, следовательно, чувствительности и разрешающей способности, т.е. повышает качество изображения.
То, что в стереоэндоскопе, содержащем корпус 1 с продольной осью O1-O2 вдоль координаты X, первым торцом 2 и вторым торцом 3, при этом в корпусе 1 установлен первый датчик изображения 6 и второй датчик изображения 7, сопряженные с блоком управления и визуализации 10, первый датчик изображения 6 и второй датчик изображения 7 установлены в зоне первого торца 2, который имеет удлиненную форму вдоль координаты Z, перпендикулярной продольной оси O1-O2, повышает качество изображения и уменьшает травматичность при механическом воздействии на ткани организма первым торцом 2 по координате Y.
То, что корпус 1 включает первую часть 4, примыкающую к первому торцу 2, и вторую часть 5, примыкающую ко второму торцу 3, при этом сечение В-В второй части 5, перпендикулярное продольной оси O1-O2, имеет круглую форму 15 уменьшает травматичность за счет возможной минимизации диаметра круглого сечения второй части 5 при сохранении ее прочности.
То, что корпус 1 включает первую часть 4, примыкающий к первому торцу 2, и вторую часть 5, примыкающий ко второму торцу 3, при этом сечение В-В второй части 5, перпендикулярное продольной оси O1-O2, имеет удлиненную форму 16 вдоль координаты Z, перпендикулярной продольной оси O1-O2 уменьшает травматичность при воздействии второй части 5 на ткани человеческого тела по координате Y.
То, что устройство снабжено механизмом поворота головной части 13 с первым торцом 2 по координате Y и/или по координате Z 12 расширяет функциональные возможности наблюдения за счет увеличения зоны обзора в результате наведения датчиков изображения на наблюдаемый объект при сохранении низкой травматичности.
То, что устройство снабжено механизмом поворота головной части 13 с первым торцом 2 по координате Y и/или по координате Z 12, сопряженным с плоским толкателем 14, расположенным в зоне первого торца 2 расширяет функциональные возможности наблюдения при сохранении низкой травматичности.