Эндоскопическая аппаратура в интроскопии
В последние годы медицинские эндоскопы претерпели значительные изменения; это связано прежде всего с использованием волоконной оптики. После того как стало технологически возможным изготавливать длинные стеклянные волокна диаметром в несколько микрометров и соединять сотни тысяч этих волокон в жгуты, передающие световую энергию и оптическое изображение на значительные расстояния без традиционных линз и призм, расширились возможности эндоскопии благодаря существенно большей простоте и безопасности применения гибких волоконных эндоскопов по сравнению с жесткими линзовыми системами. Вместе с эндоскопами во внутренние полости тела человека можно вводить всевозможные датчики и излучатели, а также специальные инструменты. Оптические волокна можно использовать для проведения во внутренние полости УФ и ИК-излучений. С использованием в эндоскопах волоконной оптики получила развитие новая область хирургии – эндоскопическая.
Производство медицинских эндоскопов в настоящее время организовано во многих развитых в промышленном отношении странах. Номенклатура известных в мире медицинских эндоскопов насчитывает десятки наименований типов и большое количество моделей составных частей. Гибкие эндоскопы выпускаются в США, Японии, ФРГ, СССР, ГДР и др.
В состав систем для эндоскопических исследований входит собственно эндоскоп, высокоинтенсивный осветитель и оптическая система передачи изображения от эндоскопа к малогабаритной телевизионной камере, которая обычно устанавливается на подвижном штативе. В состав системы входят также ВКУ» видеомагнитофон и устройство управления. Так выглядит, например, телевизионный эндоскоп, выпускаемый совместно фирмами Sony и Olympus (Япония).
Собственно эндоскоп является частью системы, которая вводится во внутренние полости тела человека. На дистальном (удаленном от наблюдателя) конце эндоскопа располагается объектив, формирующий изображение, которое необходимо передать к окуляру, расположенному на внешнем конце эндоскопа. В объективах эндоскопов используются линзовые системы диаметром 1–1,5 мм, передающие изображения при угле зрения до 80–90°.
По способу передачи изображения от объектива к окуляру эндоскопы можно разделить на 2 группы: жесткие и гибкие. В жестких эндоскопах передача изображения осуществляется с помощью линзовой оптики, а в гибких – посредством стекловолоконных жгутов.
Жесткие эндоскопы позволяют получить лучшее качество изображения, и во многих случаях не требуется замена их на гибкие. Следует отметить, что потребность в жестких эндоскопах всегда будет выше, чем в гибких. В связи с этим совершенствованию жестких эндоскопов уделяется большое внимание. Для современных эндоскопов разработаны линзовые оптические системы нового типа – стержневидные, содержащие линзы толщиной, во много раз превосходящей их диаметр. Такие системы обладают более высокими оптическими характеристиками, большей светосилой. Использование стержневидной оптики очень перспективно, хотя стоимость приборов возрастает.
Фирмой Olympus (Япония) разработан эндоскоп с оптической системой переменного увеличения. Некоторые специалисты считают нецелесообразными подобные разработки, так как в процессе эндоскопии изменяется расстояние до исследуемой поверхности, что само по себе приводит к изменению увеличения.
Одним из основных требований при разработке эндоскопов является уменьшение их размеров. В настоящее время выпускаются эндоскопы длиной от 1 до 2 м с наружным диаметром от 2,5 до 12 мм. Есть сообщение о том, что фирмой Olympus (Япония) разработаны жесткие эндоскопы диаметром 1,7 и 2,7 мм, предназначенные для исследования органов с очень малым входным отверстием. Длина эндоскопов 110 и 170 мм, световод несъемный. Объектив эндоскопа позволяет рассматривать исследуемый орган с направлением обзора: прямо, под углом 14° и 90°.
Световедущие волокна гибкого эндоскопа окружены свето-изоляциониыми оболочками и разделены прослойками. Некоторые волокна в жгуте могут быть обломаны, некоторые иметь пониженное пропускание. Сотовая картина на выходе выглядит как сетка с темными пятнами, полосами, наложенными на изображение. Это затрудняет рассматривание объекта. Мозаичность структуры – основной недостаток, из-за которого волоконные системы уступают линзовым. Мозаичность вызывает разрывность изображения штриха и возникновение муаровых картин, маскирующих истинное изображение. Снятие мозаичности структуры не только приводит к повышению более чем вдвое разрешающей способности жгута и увеличению в шесть раз объема передаваемой им информации, но и снижает заметность обломов
отдельных волокон и других дефектов жгута. Для снятия контурности изображения используются движение структуры относительно изображения, спектральный метод, фазовые фильтры, микролинзовые фильтры и методы голографии. Сопоставление этих приемов применительно к задаче повышения качества изображення, передаваемого гибкими эндоскопами, показало, что в настоящее время наилучшие результаты дает спектральный метод, при котором входной объектив каждую точку предмета изображает на торце жгута в виде линейного спектра. Этот спектр по ряду волокон передается на выходной торец жгута, где симметричный входному объектив сворачивает спектр и восстанавливает изображение объекта.
Для развития техники эндоскопии не меньшее значение, чем гибкие волоконные жгуты для передачи изображения, имеет разработка специальных осветителей для того, чтобы от мощного источника, находящегося вне эндоскопа, передать свет на расстояние до 2 м для освещения исследуемой поверхности внутренней полости тела человека. По мнению специалистов, все эндоскопы – и гибкие, и жесткие – следует выпускать с волоконными световодами. Только в этом случае можно получить свет необходимой интенсивности и к тому же холодный. Осветители для аппаратуры со световодами представляют собой лампу-светильник, жестко установленную в эллипсоидном отражателе с зеркальным покрытием. Основными тенденциями развития осветителей можно считать: применение источников света с высокой световой отдачей, большим сроком службы и удобством замены при эксплуатации; использование электронных блоков регулировки светового потока, стабилизации напряжения источников излучения и ограничения перегрузок источника излучения.
Широкое использование эндоскопических методов диагностики потребовало улучшения процесса обучения эндоскопистов и разработки методов документальной регистрации процесса исследования. Для этих целей в настоящее время наиболее широко используются малогабаритные ЦТУ с видеомагнитофонами.
Идея построения телевизионных эндоскопов впервые была высказана Б. Л. Розингом в 1923 г., однако практическое применение в эндоскопии они получили значительно позже, после усовершенствования оптических систем эндоскопических приборов, способов освещения поверхностей обследуемых органов и техники цветного телевидения. С помощью телевидения стало возможным получать цветное изображение внутренней поверхности исследуемого органа на экране цветного видеоконтрольного устройства с увеличением в десятки раз. Телевидение устранило необходимость наблюдения в окуляр и позволило наблюдать изображения одновременно нескольким лицам, что облегчало проведение консилиумов и процесс обучения. Стало возможным изменять контрастность, яркость и цветность наблюдаемого изображения, что в ряде случаев облегчает выявление патологических изменений органов на более ранних стадиях заболеваний. Возможность видеозаписи изображения позволила документально регистрировать процесс исследования и в дальнейшем проводить его детальный анализ.
В состав телевизионного эндоскопа входят собственно эндоскоп, осветитель объекта, ЦТУ с видеомагнитофоном и оптический блок (адаптер), который служит для разделения изображения от эндоскопа на окуляр и телевизионную камеру и для подсоединения световода от осветителя (рис. 102).
Первые ЦТУ для эндоскопии разработаны по последовательной системе получения цветоделенных изображений на передающих телевизионных трубках типа суперортикон (например, ТВ-эндоскоп DTL-001C фирмы Toshiba, Япония). Эти установки не получили широкого применения из-за громоздкости, высокой стоимости, сложности эксплуатации и невозможности применения блоков вещательного, промышленного и бытового телевидения.
Рис. 102. Телевизионная гастроэндоскопия
В настоящее время большинство фирм строят ЦТУ по системе одновременного получения цветоделенных изображений. Первые ЦТУ для эндоскопии этого класса разработаны на трех трубках, например, МК-309А, МСК-02А, ЕТ-9 японских фирм Ikegami, Tokyo Shibaura Electric и JVC соответственно.
В этих условиях применены передающие телевизионные трубки класса видикон с диаметром колбы 18 мм с мишенью из CdSe. Несмотря на достаточно высокое качество изображения, обеспечиваемое трехтрубочными камерами (хорошая цветопередача по полю изображения, разрешающая способность не менее 400 строк, отношение сигнал/шум не менее 46 дб), они в эндоскопии получили ограниченное применение по ряду причин. Во-первых, камерная головка ЦТУ должна подсоединиться к эндоскопу так, чтобы обеспечить врачу свободное управление эндоскопом. Камерная головка и устройство соединения не должны создавать нагрузку на эндоскоп, так как это опасно для пациента и затрудняет работу врача. Эти требования накладывают жесткие ограничения на массу и габариты камерной головки. У лучших образцов трехтрубочных ЦТУ (например, МК-309А) массу камерной головки удалось снизить только до 2,5 кг, а габариты уменьшить до 90X180X280 мм, что не решает полностью проблему легкой управляемости эндоскопом. Во-вторых, для обеспечения безоператорной работы в трехтрубочных ЦТУ требуются большие затраты на автоматическое поддержание оптимального режима работы установки (совмещение растров, стабилизация режимов трубок и т. д.).
Разработка многоканальных преобразователей свет–сигнал, сохраняющих информацию о цвете передаваемых объектов, позволила создать ЦТУ с малогабаритными и легкими камерными головками, которые уже практически заменили трехтрубочные ЦТУ в эндоскопии (табл. 16).
Анализ особенностей построения и технических параметров ЦТУ на одном преобразователе свет – сигнал показывает следующее.
Из трех методов кодирования цветовой информации (частотный, частотно-фазовый и индексный), использующих принцип пространственного разделения мишени на элементы, каждый из которых передает определенный цвет, наиболее совершенным с точки зрения цветопередачи по полю изображения является индексный тип на триниконе. В триниконе искажения цветопередачи по полю изображения, обусловленные неравномерностью глубины модуляции сигналов по полю изображения, неидеальностью спектральных характеристик кодирующих светофильтров (нет 100% пропускания в области прозрачности и 100% поглощения в области отсечки), движением передаваемых объектов, изменением апертурной характеристики с изменением освещенности, сведены к минимуму путем усложнения узла мишени трубки.
В передающих трубках с частотным и частотно-фазовым методом кодирования цветоделенных изображений перечисленные выше причины нарушают баланс белого по полю изображения, так как в них информация об одних цветах получается с крупных деталей, а в других – с мелких. Их широкое применение обусловлено относительной простотой конструкции трубки и использованием ряда методов компенсации искажений цветопередачи, каждый из которых компенсирует, как правило, искажения, вызванные только одной причиной. Корректировка качества цветопередачи иногда влияет на другие параметры изображения: разрешающую способность, отношение сигнал/шум, чувствительность, динамический диапазон так, что интегральное качество изображения ухудшается. Этим объясняется широкое распространение в эндоскопии ЦТУ на триниконах, которые не имеют искажений цветопередачи по полю изображения.
Применение в ЦТУ твердотельных одноматричных преобразователей свет – сигнал вместо видиконов имеет целый ряд преимуществ. Малые габариты и масса, большой срок службы, малое энергопотребление, возможность работы в безоператорном режиме, отсутствие растровых искажений, линейность световой характеристики, малая инерционность и высокая чувствительность выдвигают эти ЦТУ на первое место по сравнению с другими типами телевизионных систем.
В США фирмой Welch Allyn запатентован телевизионный эндоскоп с последовательной передачей цветоделенных изображений. Эндоскоп включает в себя миниатюрную камерную головку на ПЗС-матрице, блок канала с устройствами кадровой памяти и преобразователем стандарта, видеоконтрольное устройство и осветитель, В осветитель входят 3 источника белого света, перед которыми установлены соответственно красный, зеленый к синий светофильтры. Свет от источников с помощью световода передается к эндоскопу для освещения объекта. При содействии стробирующего устройства во время обратного хода кадровой развертки осуществляется последовательное включение источников света. Таким образом, в течение 7 секунд объект поочередно освещается красным, зеленым и синим светом. На торце камерной головки располагается микрообъектив, который проецирует изображение на светочувствительную поверхность ПЗС-матрицы, содержащую 488x358 элементов. С матрицы видеосигнал записывается в кадровой памяти и далее обрабатывается в видеопроцессоре, после чего изображение воспроизводится на цветном ВКУ. Такая схема позволяет исключить из состава канала изображения эндоскопа дорогостоящую и сложную в изготовлении волоконную оптику и обеспечивает качество изображения, пригодное для постановки диагноза. Качество изображения может быть дополнительно улучшено путем электронной обработки видеосигнала.
Продолжается поиск новых способов получения и передачи изображения в медицинских эндоскопах, в том числе голографических. Начали развиваться флюоресцентная, рентгеновская, инфракрасная, ультрафиолетовая, ультразвуковая эндоскопия. Ведутся работы по интерактивной и автоматической обработке эндоскопических изображений.
