Видеоэндоскоп
VIDEO ENDOSCOPE

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройствам для наблюдения технических или биологических объектов, доступных для обследования с использованием эндоскопии, и может быть использовано при выполнении процедур технической или медицинской диагностики внутренних полостей.
Уровень техники
Известны эндоскопические устройства, которые излучают рассеянный свет для получения изображения объектов, расположенных во внутренних полостях, с помощью телевизионных камер. Видеоэндоскопы подобного вида содержат средство съемки изображения, которое направляет подсвечивающий свет от широкополосного источника света с диаграммой направленности, близкой к круговой, в полость тела с использованием световода или подобного ему устройства и которое снимает изображение объекта исследования в свете, отраженном данным объектом. Однако общим недостатком данных устройств визуализации изображений внутренних объемов, имеющих цилиндрическую форму, куда вводится дистальный конец видеоэндоскопа, является явно выраженная неравномерность освещенности поля изображения. При относительно равномерном освещении, создаваемом типовыми осветителями, участки цилиндрического объема, примыкающие к точке выхода светового потока, имеют существенно усиленное освещение, в то время как удаленные по ходу цилиндра области освещены существенно слабее. Это связано с тем, что освещенность объектов обратно пропорциональна квадрату расстояния от них до источника света. Поэтому объекты, расположенные, например, на расстоянии 5 мм от выхода светового потока на дистальном конце эндоскопа, будут освещены примерно в 16 раз сильнее, чем те, которые находятся на удалении в 20 мм по ходу оси исследуемой цилиндрической поверхности (фиг. 1).
Это означает, что в пределах динамического диапазона воспроизведения яркости изображения для телевизионной камеры - матричного фотоприемника, являющегося источником видеосигнала, периферические области изображения будут слишком светлыми, а центральная его часть, относящаяся к удаленным отрезкам цилиндра, слишком темной для нормального воспроизведения. При этом детальность изображения в темных и светлых областях будет потеряна, так как оптимальный динамический диапазон воспроизведения матричных фотоприемников будет соответствовать только среднему участку удаленности цилиндра, где воспроизводятся все градации яркости изображения. Этот участок оптимального просмотра на изображении известных современных видеоэндоскопов воспроизводится в виде кольца, занимающего около 40-60 процентов от всей площади экрана дисплея, а это существенно ограничивает возможности качественной визуализации изображений при интроскопии (показано условно на фиг. 2). Следует отметить, что центральная часть изображения, занимающая до 10 процентов от площади телевизионного растра, будет безвозвратно потеряна для полутонового воспроизведения изображения идеализированной цилиндрической поверхности, так как расположена на слишком большом удалении от выхода светового потока, формируемого на дистальном конце эндоскопа, то есть за границей резкости объектива и физически доступной глубины просмотра, ограничиваемой конечной мощностью излучения осветителя.
Также следует принять во внимание, что средства дальнейшей обработки (видеопроцессоры, компьютеры и т.п.) оцифрованного видеосигнала матричного фотоприемника не смогут внести заметного улучшения в качество изображения краевых и центральной областей (с помощью гистограммных методов или гамма-коррекции…), т.к. число уровней квантования исходного видеосигнала в данных областях вблизи уровней соответственно «белого» и «черного» крайне мало.
Так, в японском патенте JP 2003-93336 предлагается эндоскопическое устройство с узкополосным осветителем, которое выполняет обработку сигналов изображения, получаемым с подсвечивающим светом в видимом диапазоне спектра, для создания изображения с дискретным спектром и получения информации о ткани на участке биологической ткани на требуемой глубине. Это производится посредством арифметической обработки электрических сигналов способом вычисления матриц над цветовым сигналом изображения, снятом в широком диапазоне длин волн без использования узкополосного светофильтра. Однако устройство по патенту JP 2003-93336 имеет описанные выше недостатки, так как не содержит технических средств для компенсации неравномерности освещенности поля изображения.
Известно также устройство для наблюдения биологических объектов по патенту РФ №2381737 (А61В 1/00, конвенционный приоритет 12.05.2005 JP 2005-140379 и 12.05.2005 JP 2005-140383). Оно содержит секцию формирования цветового сигнала изображения, которая выполняет обработку сигналов либо над первым снятым сигналом изображения, для которого объект, подлежащий исследованию, подсвечиваемый белым подсвечивающим светом, снимают через цветной светофильтр, обладающий характеристикой пропускания множества длин волн в широком диапазоне, либо над вторым снятым сигналом изображения, для которого объект, подлежащий исследованию, снимают с освещением подсвечивающими световыми потоками с чередованием кадров, которые охватывают видимый диапазон спектра, и формирует цветовой сигнал изображения. Устройство для наблюдения биологических объектов содержит секцию формирования спектрального сигнала изображения, которая формирует спектральный сигнал изображения, соответствующий узкополосному сигналу изображения посредством обработки сигналов над цветовым сигналом изображения, исходя из первого или второго снятого сигнала изображения. Данное устройство выполнено так, что обработка сигналов над снятым сигналом изображения из средства съемки изображения выполняется видеопроцессором для отображения эндоскопического изображения на контрольном мониторе для рассмотрения наблюдаемой области, например болезненной части. Тем не менее, и в данном техническом решении присутствуют недостатки, связанные с неравномерностью освещенности поля изображения.
Известен рентгенооптический эндоскоп по патенту РФ №2386955 (А61В 1/00, 04.08.2008), который содержит рентгеновский и оптический каналы. Данное техническое решение по совокупности признаков является наиболее близким к совокупности существенных признаков заявляемого изобретения. Оптический канал состоит из объектива, в плоскости изображения которого расположена цветная ПЗС-матрица, блока осветителя с лампой, оптического аттенюатора и световода. Совмещение и обработка изображений оптического и рентгеновского каналов осуществляется с помощью компьютера с дисплеем. Оптический канал данного эндоскопа также имеет указанные выше недостатки, так как не содержит технических средств для компенсации неравномерности освещенности поля изображения.
Как следует из вышеизложенного, существует потребность в новом техническом решении - устройстве для наблюдения внутриполостных объектов, выполняющем функцию минимизации площади переосветленных (крайних) и темных (центральных) участков изображения.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является повышение качества визуализации объектов диагностики на внутренних поверхностях цилиндрического вида в пределах заданной глубины просмотра при интроскопии.
Другой задачей является улучшение различимости аномальных образований (объектов диагностики) по максимально возможной площади телевизионного растра.
Указанная задача решается тем, что в видеоэндоскопе, включающем матричный фотоприемник, объектив матричного фотоприемника, соосный с его светочувствительной поверхностью, осветительное устройство, формирующее на дистальном конце видеоэндоскопа расходящееся световое излучение, по своей центральной оси однонаправленное с оптической осью объектива матричного фотоприемника, и устройство воспроизведения изображения, подключенное к выходу матричного фотоприемника, перед светочувствительной поверхностью матричного фотоприемника расположен светофильтр с переменной оптической плотностью, плавно увеличивающейся от его центральной части к периферии.
При этом осветительное устройство может быть выполнено в составе осветителя со сходящимся световым потоком и световода, приемный конец которого расположен в фокусе осветителя, или в виде светодиода,или группы светодиодов, установленных на дистальном конце видеоэндоскопа и формирующих световое излучение, однонаправленное с оптической осью объектива матричного фотоприемника.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого видеоэндоскопа, состоит в компенсации неравномерности освещенности поля изображения внутренних объемов, имеющих цилиндрическую форму.
Технический результат достигается тем, что в светофильтре с переменной оптической плотностью заявляемого видеоэндоскопа оптическая плотность в центральной области близка к нулю и далее круговыми зонами плавно увеличивается к периферии светофильтра, где достигает максимума, определяемого расчетами или экспериментальным путем.
Технический результат может достигается тем, что в светофильтре с переменной оптической плотностью заявляемого видеоэндоскопа оптическая плотность в центральной области близка к нулю, а на периферийной окружности светофильтра оптическая плотность составляет от 0,2 до 1,5.
В одном из вариантов видеоэндоскопа светофильтр с переменной оптической плотностью выполнен на основе пленочного оптически прозрачного носителя с селективным нанесением светопоглощающего материала.
В другом варианте видеоэндоскопа устройство воспроизведения изображения подключено к выходу матричного фотоприемника через компьютер или видеопроцессор.
Указанная задача может быть также решена, если в видеоэндоскопе, содержащем матричный фотоприемник, объектив матричного фотоприемника, соосный с его светочувствительной поверхностью, осветительное устройство, формирующее на дистальном конце видеоэндоскопа расходящееся световое излучение, по своей центральной оси однонаправленное с оптической осью объектива матричного фотоприемника, и устройство воспроизведения изображения, подключенное к выходу матричного фотоприемника, на светочувствительной поверхности матричного фотоприемника выполнен светофильтр с переменной оптической плотностью, плавно увеличивающейся от его центральной части к периферии. При этом осветительное устройство может быть выполнено в составе осветителя со сходящимся световым потоком и световода, приемный конец которого расположен в фокусе осветителя, или в виде светодиода, или группы светодиодов, установленных на дистальном конце видеоэндоскопа и формирующих световое излучение, однонаправленное с оптической осью объектива матричного фотоприемника.
Введение оптического светофильтра с переменной оптической плотностью, которая плавно увеличивается от центра к периферии матричного фотоприемника (разновидность градиентного фильтра), перед светочувствительной поверхностью или на самой светочувствительной поверхности матричного фотоприемника направлено на устранение эффекта, связанного с неравномерностью освещенности поля изображения внутриполостных цилиндрических поверхностей, и повышение качества диагностики, то есть визуального исследования аномальных физических и биологических объектов. Это позволит подавить эффект излишней освещенности на периферийных участках изображения и оставить ее оптимально высокой в центральной области, максимально удаленной от точки выхода светового потока дистального конца, а следовательно, компенсировать неравномерность освещенности поля изображения. Данное решение позволит оптимизировать гистограмму изображения по растру в целом и повысить качество воспроизведения деталей на всех участках просматриваемого изображения цилиндрической поверхности в пределах заданной глубины просмотра. То есть будет достигнут заявленный технический результат настоящего изобретения - повышение качества изображения исследуемых объектов за счет компенсации неравномерности освещенности поля изображения внутренних объемов.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Иллюстрация распределения светового потока, исходящего от дистального конца видеоэндоскопа внутри цилиндрической полости.
Фиг. 2 - Иллюстрация (условно) телевизионного изображения внутренней полости, воспроизводимого устройствами, не содержащими оптических светофильтров с переменной оптической плотностью, установленных перед светочувствительной поверхностью матричного фотоприемника.
Фиг. 3 - Функциональная схема видеоэндоскопа.
Осуществление изобретения
Пример 1
Функциональная схема осуществления предлагаемого устройства изображена на фиг. 3
Видеоэндоскоп содержит осветительное устройство, состоящее из осветителя (1) со сходящимся световым потоком и световода (2), приемный конец которого расположен в фокусе осветителя 1, матричный фотоприемник (3), объектив (4) фотоприемника, соосный со светочувствительной поверхностью матричного фотоприемника 3 и расположенный однонаправленно с выходной частью световода 2, причем перед светочувствительной поверхностью фотоприемника 3 расположен оптический светофильтр (5), оптическая плотность которого плавно увеличивается от его центральной части к периферии. Устройство также содержит дисплей (6) воспроизведения изображения, подключенный к выходу фотоприемника 3.
Матричными фотоприемниками, используемыми в данном техническом решении, могут быть серийные ПЗС- или КМОП-матрицы.
При необходимости, видеоэндоскоп может быть дополнен компьютером (7) или специализированным видеопроцессором, который подключается между выходом фотоприемника 3 и входом дисплея 6. Это обусловлено тем, что в большинстве современных телевизионных датчиков на выходе присутствует цифровой видеосигнал, поэтому для его преобразования и обработки с целью дальнейшего повышения качества изображения в данном случае необходимо использование дополнительного устройства, выполняющего указанные функции.
Светофильтр 5 представляет собой разновидность нейтрального градиентного оптического фильтра. Диапазон изменения оптической плотности от центра к краям светофильтра 5, вводимого перед матричным фотоприемником 3, зависит преимущественно от соотношения диаметра исследуемой цилиндрической поверхности и глубины просмотра. При этом оптическая плотность в центральной области светофильтра 5 должна быть близкой к нулю (что соответствует максимальной прозрачности) для избежания световых потерь, а на периферийной окружности фильтра она может составлять от 0,2 до 1,5, что соответствует диапазону коэффициента пропускания от 63,1% до 3%. Это вытекает из того, что очень слабые и очень сильные неравномерности освещенности корректировать нецелесообразно, последние, свойственные большой глубине просмотра, по причине того, что она и так технически ограничена на практике глубиной резкости объектива и мощностью осветителя.
2
Простейший (приблизительный) способ расчета оптической плотности на периферии светофильтра может быть основан на геометрическом определении максимального и минимального расстояний при просмотре цилиндрической поверхности. В примере, приведенном на фиг. 1, их соотношение равно 4, следовательно, для подавления 16-кратной (4) разницы в освещенности нужно использовать светофильтр с коэффициентом пропускания на периферии 1/16, то есть 6,25%. Это значение соответствует оптической плотности 1,2.
Пример 2
Более точный расчет распределения оптической плотности светофильтра 5 в аналитическом виде может быть выполнен на основе известной зависимости освещенности от расстояния d между точкой выхода светового потока и объектом, а также угла n наклона его поверхности к направлению падающего освещения:
2
Е=(I cosn)/d, где I - сила света источника, близкого по диаграмме направленности к точечному.
При этом согласно фиг. 1 минимальное расстояние до стенки цилиндра, определяемое максимальным углом просмотра 2α, равно dmin=r/sinαmax, где r - радиус цилиндрической поверхности. С учетом того, что cosn=sinα,
3
2
Emax=(I sinαmax)/r.
2
2
2
2
2
Квадрат максимального расстояния равен dmax=L+r, где L - заданная глубина просмотра. Так как на максимальном удалении от дистального конца L существенно больше r, допустимо считать, что cosn для таких углов приблизительно равен r/L, тогда освещенность в зоне максимального удаления будет равна Emin=I r/L(L+r).
Таким образом, отношение Emin/Emax может быть выражено формулой:
3
2
2
3
Emin/Emax=r/L(L+r)sinαmax.
Для выполнения условий компенсации избыточного светового потока данное расчетное значение, умноженное на 100 (процентов), следует считать равным коэффициенту пропускания периферийной кольцевой зоны вводимого светофильтра 5. При этом следует принимать во внимание, что диапазон целесообразных значений коэффициента пропускания периферийных кольцевых зон светофильтров на практике будет составлять от 63,1% до 3%.
Используя данную формулу, аналогичные расчеты можно выполнить и для любого количества промежуточных кольцевых зон оптической плотности при реализации конкретных модификаций светофильтра 5. Текущей переменной в таком случае будет величина угла α.
При необходимости, в полученные расчетные данные также можно внести поправки, учитывающие конкретную конфигурацию диаграммы направленности светового потока на выходе дистального конца видеоэндоскопа.
Далее, используя известные табличные методы или логарифмическую формулу пересчета, следует осуществить перевод величины коэффициента пропускания в величину оптической плотности. Таким образом, можно построить зависимость изменения оптической плотности светофильтра 5 от зоны окружности, соответствующей глубине просмотра L, где она должна быть близка к нулю, до значений максимальной плотности в периферийной кольцевой зоне, соответствующей полному углу просмотра видеоэндоскопа по горизонтали 2αmax.
При практической реализации предлагаемого устройства следует также исходить из того, что диаметр исследуемых цилиндрических поверхностей будет отличаться от среднего (расчетного для конкретного светофильтра), поэтому условия компенсации неравномерности освещенности будут неидеальными. Это означает, что для исследования полостей с диаметрами, существенно отличающимися по величине, следует использовать светофильтры с оптической плотностью, отличающейся по группам. В пределах каждой из групп использования это обеспечит существенный выигрыш в компенсации неравномерности освещенности по полю изображения.
Как в примере 1, так и в примере 2 диаметр самого светофильтра обусловлен размерами светочувствительной поверхности современных матричных фотоприемников и может составлять от 1 до 20 мм.
В последнем случае данный светофильтр может быть выполнен, например, селективным нанесением [4] светопоглощающих материалов (например, структур GaSe-Ga) на носитель из оптического стекла.
Для реализации светофильтров 5 с минимальными диаметрами необходимо применение тонких оптически прозрачных пленочных носителей, например, полиамидных, поликарбонатных или иных пленок. При этом для реализации заданного закона плавного изменения оптической плотности возможно использование методов селективного ионно-плазменного травления [5] металлов (например, Al, Cu…) или иных светопоглощающих материалов предварительно, напыленных на этот носитель.
Во втором варианте осуществления видеоэндоскопа оптический светофильтр 5, оптическая плотность которого плавно увеличивается от его центральной части к периферии, наносится непосредственно на светочувствительную поверхность матричного фотоприемника 3. Выполнение подобных светофильтров может быть реализовано в том числе и указанными выше способами.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Формируемый осветителем 1 световой поток фокусируется на входном конце световода 2, проходит через него и на выходе обеспечивает круговое освещение объектов внутриполостной диагностики. Отраженный от них информационный световой поток проходит через объектив 4 и светофильтр 5 с оптически переменной плотностью, на периферии которого происходит заданное ослабление избыточного светового потока. В фокальной плоскости объектива 4 располагается светочувствительная поверхность матричного фотоприемника 3, который формирует видеосигнал текущего изображения, поступающий далее на вход дисплея 6, где и происходит визуализация сцены съемки. При необходимости (в вариантах), цифровой видеосигнал дополнительно преобразуется и обрабатывается компьютером 7 или видеопроцессором.
Таким образом, в предлагаемых вариантах устройства производится выравнивание размаха видеосигнала и яркости изображения сцены по всему полю, то есть достигается повышение качества визуализации объектов диагностики на внутренних поверхностях цилиндрического вида в пределах заданной глубины просмотра.
Путем компенсации неравномерности освещенности поля изображения внутриполостных цилиндрических поверхностей с помощью оптического светофильтра с переменной оптической плотностью, плавно увеличивающейся от центральной области к периферии, размещенного перед светочувствительной поверхностью матричного фотоприемника, можно обеспечить существенное увеличение площади детальной визуализации аномальных физических и биологических объектов, то есть повышение качества изображения исследуемых объектов диагностики.
Литература:
1. Патент JP 2003-93336.
2. Патент РФ №2381737.
3. Патент РФ №2386955.
4. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. - М.: Металлургия, 1992.
5. Берлин Е.В., Двинин С.А., Морозовский Н.А., Сейдман Л.А. Реактивное ионно-плазменное травление и осаждение. Ж. «Электроника: наука, технология, бизнес», №8, 2005.