ОСВЕТИТЕЛЬ ДЛЯ ЭНДОСКОПОВ

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к осветителям для эндоскопов и может использоваться при эндоскопических исследованиях и выполнении эндоскопических манипуляций.
На протяжении длительного времени в эндоскопии для освещения объекта исследования использовались только источники белого света с непрерывным спектром. Качество визуализации при этом определялось лишь мощностью источника излучения. В последние годы стали использоваться  новые технологии визуализации биологических объектов, основанных на зависимости характеристик поглощения и рассеяния света от длины волны источника освещения.
Наиболее известный способ визуализации получил название – узкоспектральная визуализация (Narrow Bang Imaging – NBI). Технология была разработана компанией Olympus и реализованна в эндоскопических видиосистемах EXERA. В первом варианте осветителя белый свет видимого диапазона пропускается через вращающийся цветной светофильтр и попадает на объект исследования чередующимися кадрами. После сложной обработки отраженного сигнала объект исследования можно визуализировать на мониторе видиосистемы как в обычном режиме – освещение белым светом, так и в режиме NBI (изображение с дискретным спектром, обычно сине-зеленый диапазон). Например, в источнике света видиосистемы Olympus установлены оптические фильтры, пропускающие свет синей и зеленой частей спектра с длиной волны 415 нм и 540 нм. В режиме узкоспектральной визуализации лучше визуализируются сосудистые структуры и измененные участки слизистой оболочки, что позволяет более достоверно отличить зоны воспаления и раковой трансформации. Известно также несколько других вариантов реализации данного метода исследования. В разных вариантах оборудование было запатентовано как в самой Японии, так и в других странах компанией ОЛИМПУС МЕДИКАЛ СИСТЕМЗ КОРП. (JP) (RU 2378977, RU 2378976, US8000776B2). Технология не предполагает смешивание цветов, синтез изображения происходит программно, что требует синхронизации работы осветителя и видеорегистрации.
Недостатком данной технологии является сложность конструкции устройства и программного обеспечения, что значительно увеличивает стоимость оборудования. Кроме того, в осветителе использована ксеноновая лампа мощностью 300 Вт, что определяет габариты устройства, высокое энергопотребление и относительно небольшой срок службы в сравнении с современными источниками излучения.
Известен также другой способ получения изображений с дискретным спектром, не требующий использования оптических фильтров. Данная технология была разработана компанией FUJIFILM и получила название - технология спектрального цветового выделения (Flexible spectral Imaging Color Enhancement, FICE). При использовании режима FICE при эндоскопии белый свет от ксеноновой лампы (спектральный диапазон от 400  до 700 нм) направляется с помощью эндоскопа на исследуемый участок ткани. Свет, отраженный от этого участка, регистрируется ПЗС-матрицей эндоскопа и преобразуется в эндоскопическое изображение на экране монитора. Функция FICE позволяет ограничивать спектральный диапазон светового сигнала и выводить на экран изображения, характеризующиеся разными длинами волн. Недостатком метода также является сложность и высокая стоимость оборудования. Кроме того, поскольку в данном методе не используется узкоспектральное освещение, имеется риск, что после цифровой обработке сигналов, изображение, отображаемое на мониторе, не будет в полной мере соответствовать реальным патологическим изменениям в тканях.
Другие способы получения изображения с дискретными спектральными характеристиками связаны с использованием многоцветных источников света – цветных светодиодов. Использование светодиодов с разными спектральными характеристиками позволяет не только реализовать технологию NBI, но и повысить качество изображения в целом. Дело в том, что современные системы регистрации изображения, применяемые в эндоскопии, на самом деле позволяют получить изображение наилучшего качества при использовании не одного, а нескольких источников света с дискретными спектральными характеристиками. Например, в патенте Кореи KR101124269B1 речь идет о подборе оптимальной комбинации источников света для получения изображения, наиболее пригодного для различения сосудистых структур в тканях. Авторы патента, на основании проведенных исследований, предлагаю использовать светодиоды пяти цветов со следующим соотношением коэффициентов мощности: красный - 0,0981, зеленый - 0,6515, синий - 0,2732, белый - 0,6721 и янтарный - 0,1988.
Кроме улучшения цветопередачи и расширения диагностических возможностей, использование в качестве источников света светодиодов позволяет повысить эксплуатационные характеристики осветителей - уменьшить габариты и энергопотребление, продлить срок службы и т.д. Уменьшение размеров позволило интегрировать осветители в конструкцию эндоскопов.
В патенте Японии JP 2006-166940A описан эндоскопический аппарат с источником света, расположенным в дистальной части эндоскопа. В источнике света использованы четыре светодиода – красный, с длиной волны излучения 610 нм, зеленый, с диной волны 550 нм и два синих, с длинами волн 470 нм и 415 нм для режима флуоресценции. Средство управления позволяет включать светодиоды разных цветов последовательно или одновременно. Благодаря сложной обработке сигнала и синхронизации работы осветителя с камерой эндоскопа удается реализовать три режима работы – режим RGB для получения нормального изображения, режим NBI для узкоспектральной визуализации и режим флюоресценции.
Однако при расположении разных по цвету светодиодов рядом друг с другом в дистальной части эндоскопа невозможно добиться равномерного светораспределения без использования элементов смешивающих световые потоки от разных источников. Поскольку таковых элементов в конструкции не описано, единственным способом получить равномерное распределение цветов остается синтез изображения из отдельных «кадров», полученных при последовательном включении светодиодов (по аналогии с вращающимся светофильтром), их работа синхронизирована с камерой эндоскопа, что требует сложной электрической схемы и программного обеспечения, определяющих высокую стоимость оборудования.
Для упрощения конструкции и исключения необходимости использовать сложное программное обеспечение обработки сигнала, а также для снижения стоимости оборудования в патенте Японии JP2006136453A предлагается изменить конструкцию осветителя. Устройство представляет собой эндоскопический аппарат со встроенным осветителем, содержащий множество светоизлучающих источников с разными спектральными характеристиками,  средство управления излучением и устройство для объединения светового потока от всех источников в виде дихроидной призмы перекрестного типа. Согласно формуле изобретения источник света (светодиоды красного, зеленого и синего цвета) расположены в дистальной части эндоскопа. Но, для уменьшения габаритов рабочей части эндоскопа авторы описывают вариант расположения источника света и устройства объединения световых потоков в проксимальной части эндоскопа, непосредственно в блоке управления. При этом световой поток от источника света к дистальной части эндоскопа подводится с помощью оптических волокон. Однако использование дихроидной призмы для смешивания светового потока ограничивает число источников света с разными спектральными характеристиками, что снижает функциональность устройства. Кроме того, использование встроенного осветителя существенно усложняет конструкцию и требует разработки нового осветителя для каждой модели эндоскопа.
Наиболее близким к заявляемому является «Эндоскоп с интегрированным источником света» (заявка США US20060171693A1). Интегрированный источник света, рассмотренный в заявке, может быть съемным, и хотя он имеет конструктивную связь с эндоскопом, является отдельным устройством. Источник света располагается в проксимальной части эндоскопа и представляет собой матрицу светодиодов с системой охлаждения и блоком управления. Над светодиодами имеется слой люминофора для поглощения части синего света. Светодиоды могут иметь разные спектральные характеристики, а система управления может контролировать работу каждого отдельного светодиода, например, для получения «теплого» или «холодного» света или для синтеза белого света из трех основных цветов. Световой поток от светодиодов собирается в составной параболический коллектор, а затем попадает в оптические волокна эндоскопа, направляющие свет в его дистальную часть. Составной параболический коллектор предназначен для смешивания цветов, например, при синтезе белого света.
Однако составные параболические коллекторы обладают невысоким коэффициентом концентрации (Ioan Sarbu, Calin Sebarchievici «Solar heating and cooling systems: fundamentals, experiments and applications», 2017, p. 424). То есть в этих концентраторах  площадь входной апертуры не может существенно отличатся от площади принимающей излучение поверхности. Следовательно, при необходимости добавления новых режимов исследования и для улучшения цветопередачи возникают ограничения по площади светодиодной матрицы, не позволяющие увеличить количество светодиодов с разными спектральными характеристиками. Таким образом, в устройстве нельзя совмещать несколько режимов визуализации, что снижает его функциональность. Также интеграция осветителя в эндоскоп усложняет конструкцию и лишает ее универсальности, то есть возможности использования осветителя с разными эндоскопами.
Техническая проблема заключается в разработке осветителя для эндоскопов со светодиодным мультицветным источником света.
Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения количества светодиодов при сохранении диаметра излучающей поверхности.
Техническая проблема решается тем, что осветитель для эндоскопов, включающий светодиодный мультицветный источник света соединенный с устройством для смешивания световых потоков, блок питания и блок управления согласно решению устройство для смешивания световых потоков представляет собой переплетение волоконных световодов, проксимальные части которых соединены в пучки, подведенные к излучающим поверхностям источника света, а дистальные части переплетены в жгут с единой излучающей поверхностью на торце.
Нами впервые разработан осветитель для эндоскопов со светодиодным мультицветным источником света, блоком питания, блоком управления и устройством для смешивания световых потоков, в котором светодиодная матрица может быть любого необходимого размера с максимально возможным числом светодиодов с разными спектральными характеристиками. Осветитель может использоваться с разными эндоскопами.
Сущность предложенного устройства поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1 представлен общий вид осветителя для эндоскопов.
На фиг. 2 представлен мультицветный источник света осветителя для эндоскопов с устройством для смешивания световых потоков.
На фиг. 3 представлен ход пучков волоконных световодов устройства для смешивания световых потоков.
Элементы конструкции осветителя обозначены следующим образом: 1 – корпус осветителя для эндоскопов, 2 - светодиодный мультицветный источник света, 3 - устройство для смешивания световых потоков, 4 – излучающая поверхность устройства для смешивания световых потоков, 5 – система охлаждения, 6 – блок питания, 7 – блок управления, 8 – оптический разъем, 9 – дистальная часть устройства для смешивания световых потоков, 10 – светодиоды, 11 – плата, 12 – адаптирующая пластина, 13 – основание устройства для смешивания световых потоков, 14 – отверстия в основании устройства для смешивания световых потоков, 15 – пучки волоконных световодов, 16 – жгут, 17 – втулка, 18 – отверстия для крепежных элементов, 19 – держатели, 20 – отверстия в адаптирующей пластине для светодиодов.
На фиг. 1 изображен общий вид осветителя для эндоскопов. Осветитель для эндоскопов имеет корпус 1, внутри которого расположены светодиодный мультицветный источник света 2, устройство для смешивания световых потоков 3 с излучающей поверхностью 4, система охлаждения 5, блок питания 6, блок управления осветителем 7 с функцией управления цветом путем изменения диаграммы интенсивности светового потока от источников излучения.  В стенке корпуса напротив излучающей поверхности 4 встроен оптический разъем 8 для подключения к осветителю оптического кабеля. Дистальная часть 9 устройства для смешивания световых потоков может иметь форму усеченного конуса (при разных диаметрах излучающей поверхности 4 и оптического разъема 8 для их согласования) или цилиндрическую форму (при равных диаметрах излучающей поверхности 4 и оптического разъема 8).
На фиг. 2 представлен источник света осветителя для эндоскопов. Источник света содержит светодиоды 10 с разными спектрами излучения, расположенные на плате 11. Плата со светодиодами через адаптирующую пластину 12 соединена с основанием 13 устройства для смешивания световых потоков. В основании 13, в проекции светодиодов, имеются отверстия 14, через которые к каждому светодиоду подводятся отдельные пучки волоконных световодов 15, переплетенные в единый жгут 16 с излучающей поверхностью 4. Дистальная часть жгута 16 закреплена во втулке 17 и может иметь форму цилиндра или усеченного конуса. Коническая форма дистальной части жгута 16 придается в процессе производства в соответствии с известной технологией изготовления волоконно-оптических фоконов. Обратная сторона платы контактирует с системой охлаждения 5. Система охлаждения, в зависимости от мощности светодиодов и их количества, может быть пассивной (например, состоять из радиатора с подложкой) или активной (например, с воздушным или термоэлектрическим охлаждением). Система охлаждения 5, плата 11, адаптирующая пластина 12 и основание 13 устройства для смешивания световых потоков соединяются между собой с помощью крепежных элементов, проведенных через отверстия 18. Втулка 17 фиксирована к основанию 13 устройства для смешивания световых потоков с помощью держателей 19.
На фиг. 3 представлен ход пучков волоконных световодов устройства для смешивания световых потоков в источнике света осветителя для эндоскопов. Пучки волоконных световодов 15 устройства для смешивания световых потоков проклеены в отверстиях 14 металлического основания 13, входные (проксимальные) торцы их отполированы со стороны собирающей свет поверхности. Между платой 11 со светодиодами и основанием 13 устройства для смешивания световых потоков располагается адаптирующая пластина 12. В адаптирующей пластине 12 имеются отверстия 20 для светодиодов, соответствующие им по диаметру. Адаптирующая пластина 12 имеет толщину равную высоте светодиода, что позволяет собирать излучение в устройстве для смешивания световых потоков непосредственно от излучающей поверхности каждого светодиода – от линзы, при наличии первичной оптики, или от кристалла, при ее отсутствии. Отверстия 20 могут иметь зеркальные стенки и цилиндрическую или коническую форму. Отверстия могут быть заполнены полимером, оптической смолой или иным веществом для повышения эффективности передачи светового потока от излучающей поверхности во входные торцы пучков волоконных световодов устройства для смешивания световых потоков. Пучки волоконных световодов 15 от светодиодов разного цвета при объединении в единый оптический жгут 16 переплетаются, что обеспечивает равномерное цветораспределение на излучающей поверхности 4. То есть на излучающей поверхности 4 не создается отдельных зон, образованных торцами световодов, передающих излучение с одинаковыми спектральными характеристиками.
Для уменьшения габаритов устройства светодиоды в источнике света могут располагаться на нескольких платах, например на трех платах прямоугольной формы, соединенных в виде трехгранника. Излучающая поверхность светодиодов при этом направлена внутрь конструкции, а система охлаждения крепится к платам снаружи. Корпус осветителя может иметь, например, цилиндрическую форму с оптическим разъемом на торце и использоваться как рукоять эндоскопа. Устройство для смешивания световых потоков при такой конструкции осветителя состоит из трех элементов, повторяющих форму плат, также соединенных в виде трехгранника. Пучки волоконных световодов от светодиодов перемешиваются и объединяются в единый жгут внутри конструкции, и подходят к оптическому разъему на торце корпуса осветителя. Блок управления и блок питания могут располагаться как внутри корпуса осветителя, так и вне его, и подключатся к осветителю через отдельный разъем.
Для уменьшения габаритов осветителя также можно использовать в источнике света один мощный RGB светодиода (или иной многоцветный светодиод). В этом случае осветитель также имеет корпус, внутри которого расположены мультицветный светодиод с устройством для смешивания световых потоков, система охлаждения, блок питания, блок управления с функцией управления цветом. В стенке корпуса напротив излучающей поверхности источника света встроен оптический разъем для подключения устройства к эндоскопу. Источник света содержит плату с одним светодиодом без первичной оптики, соединенную с устройством для объединения световых потоков через адаптирующее кольцо, равное по толщине высоте корпуса светодиода. Световоспринимающие отверстия в основании устройства для смешивания световых потоков расположены в проекции излучающих кристаллов на матрице светодиода и соответствуют им по размерам. Свет от излучающих элементов светодиода собирается в пучках волоконных световодов устройства для смешивания световых потоков. Излучение с разными характеристиками перемешивается и равномерно распределяется на излучающей поверхности источника света. Данный вариант устройства отличается компактностью и экономичностью, что позволяет фиксировать его в проксимальной части эндоскопа или в его рукоятке.
При работе осветителя излучение от каждого из светодиодов собирается в отдельные пучки волоконных световодов 15, передающих излучение с одинаковыми спектральными характеристиками к общей излучающей поверхности 4 устройства для смешивания световых потоков. При объединении отдельных пучков в жгут 16 световоды в их составе от светодиодов разного цвета перемешиваются, и на общей излучающей поверхности 4 не остается зон, соответствующих расположению светодиодов одного цвета. То есть на входе и выходе из устройства для смешивания световых потоков световоды имеют разное взаимное расположение, что приводит к фрагментации зон одного цвета и перемешиванию фрагментов исходного изображения. Таким образом, уже на выходе осветителя удается реализовать пространственное смешивание цветов, являющегося разновидностью аддитивного способа синтеза цвета, и равномерное светораспределение по всей излучающей поверхности осветителя.
Предложенное устройство позволяет получить белый свет при одновременном включении светодиодов трех основных цветов – красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) и смешивании световых потоков. В дальнейшем при работе осветителя в режиме узкоспектральной (цветной) подсветки уменьшение яркости или полное выключение светодиодов одного цвета, например, красных, для получения сине-зеленной подсветки, не меняет светораспределение, не нарушает однородность цвета на излучающей поверхности осветителя и, соответственно, в зоне исследования.
Устройство для смешивания световых потоков «собирает» свет только от излучающих поверхностей светодиодной матрицы и диаметр излучающей поверхности получается сопоставимым с диаметром входного торца оптического кабеля или разъема эндоскопа. То есть отпадает необходимость в использовании дополнительных оптических элементов для концентрации и смешивания светового потока, что снижает потери от источника света.
Однако, для достижения максимальной яркости осветителя, необходимой при некоторых исследованиях, а также для повышения качества цветопередачи и для реализации отдельных методик исследования может потребоваться большее количество светодиодов. Например, кроме светодиодов красного, зеленого и синего цветов могут понадобиться светодиоды голубого (Cyan), перламутрового (Magenta), желтого (Yellow) цветов или светодиоды с излучением ультрафиолетового или инфракрасного диапазонов. Необходимость увеличения числа светодиодов обоснована в патенте Кореи KR101124269B1. В результате увеличится как размер светодиодной матрицы, так и диаметр излучающей поверхности устройства для смешивания световых потоков. В этом случае для сопоставления диаметров излучающей поверхности 4 и оптического разъема 8 дистальная часть жгута 16 устройства для смешивания световых потоков (фиг. 2-3) может быть выполнена в виде фокусирующего конуса (фокона), что позволяет не использовать дополнительных оптических элементов (концентраторов) и избежать потерь света.
Как видно из описания и фигур в предлагаемом осветителе на плате источника света может быть размещено любое необходимое количество светодиодов с разными спектральными характеристиками для реализации разнообразных режимов освещения и для достижения необходимой яркости. Конструкция устройства для смешивания световых потоков обеспечивает однородное смешивание цветов и равномерное светораспределение на выходе из осветителя с максимальной оптической эффективностью. Совместимость осветителя с разными эндоскопами расширяет их диагностические возможности при использовании узкоспектральных режимов освещения. Использование светодиодов и современной элементной базы ведет к уменьшению габаритов осветителя и его энергопотребления, а также повышает надежность и безопасность при эксплуатации.