数字化口腔内窥镜的设计与实现

作者:张宇罗二平秦明新申广浩李志宏漆家学胡晓彦来源:第四军医大学生物医学工程系


摘要

以梯度折射率透镜(自聚焦透镜)为摄像镜头, 通过光电转换, 结合数字信号处理和数据库技术, 设计并实现了数字化口腔内窥镜。临床应用表明, 所研制的自聚焦口腔内窥镜不仅操作简单、成像清晰且便于对患者的各种信息进行管理、查询, 有望成为牙科医生必备的一种新诊疗设备。


1 引言

口腔内窥镜是近年来国际上最新开发的口腔诊疗设备。它是集光、电、机械、多媒体技术于一体的高科技产品。在国际上,美国、法国、德国等国家都在进行口腔内窥镜系统的研制与开发。国内流行的产品一般为进口组装,尚无完全国产化和拥有自主知识产权的口腔内窥镜产品。近年来,口腔内窥镜在一些发达国家的口腔医院得到了迅速的普及与应用,成为牙科医生必备的诊疗器械[1-3]

2 原理和方法

2.1 自聚焦透镜的特点自聚焦透镜又称为梯度变折射率透镜, 是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜, 具有聚焦和成像功能[4]。梯度变折射率透镜是一种高精密度的特种光学圆柱形玻璃体。当光线通过圆柱体端面沿长度传递时, 其光线折射率由中心向边缘逐渐降低, 呈轴对称抛物线分布, 使平行入射光线汇集一点。这种透镜具有周期成像的特点, 圆柱体的不同长度产生不同的成像状态。对它的研究已成为现代微小光学技术的一个重要组成部分。当光线在空气中传播时, 若遇到不同介质, 由于介质的折射率不同会改变其传播方向。传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率,用产生的光程差使光线汇聚成一点


自聚焦透镜同普通透镜的区别在于自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射, 并使折射率的分布沿径向逐渐减小, 从而实现光线平滑且连续地汇聚到一点。

2.2 自聚焦透镜的数学模型自聚焦透镜的数学模型如下式: N ( r)=N0 ( 1- A 2 r2) 上式中:N0 为自聚焦透镜的中心折射率,r 为自聚透镜的半径,A为自聚焦透镜的折射率分布常数。由上式可以得到自聚焦透镜的折射率分布曲线。


通过以上分析可以看出, 由于梯度折射率透镜具有端面准直、耦合和成像特性, 加上它小巧的圆柱状外形特点, 可更加方便地在多种不同的微型光学系统中使用, 尤其在集成光学领域如: 微型光学系统、医用光学仪器、光学复印机、传真机、扫描仪等设备中有着广泛的应用。此外, 梯度折射率透镜是光通讯无源器件中必不可少的基础元器, 应用于要求聚焦和准直功能的各种场合, 被分别使用在光耦合器、准直器、光隔离器、光开关、激光器等方面[5]正是利用了上述的自聚焦特点, 我们成功地将梯度折射率透镜应用于口腔内窥镜系统中。

2.3 系统软硬件的实现硬件系统主要包括: 聚焦口腔内窥镜镜头、 CCD 光电转换系统、照明光源系统、图像采集系统、存储与显示系统、计算机系统。软件系统主要包括:数据库的输入、存储、查询及输出, 图像对比度、亮度、色彩以及图像的锐化、钝化、反转等处理以及功能完善的中文电子病历管理系统   

3 临床应用

   口腔内窥镜被送往兰州军区乌鲁木齐总医院口腔科、解放军474 医院口腔科、成都军区昆明总医院口腔科、武警陕西总队医院口腔科等单位进行临床实验。实验单位得出的基本结论是:该系统克服了以往患者不能直接了解口腔疾病的缺点, 使患者可以通过屏幕了解自己的病情,并掌握医生的治疗过程,可更好地配合医生进行治疗。通过使用口腔内窥镜还可以大大提高社会效益和经济效益。


4 讨论

数字化口腔内窥镜系统由高解析度的微型摄像头对患处进行摄

, 经光电转换、数字电路处理后, 显示器将清晰的患处图像显示在屏幕上, 病人可以通过屏幕了解自己患病部位的情况, 对自己的口腔疾病在治疗前、治疗中、治疗后的全过程进行了解, 密切了医患关系, 同时该机还可以通过多媒体做网上远程会诊、图像资料存贮, 对处理医患关系、医疗纠纷、教学科研都具有较广阔的前景。目前,我国还无法生产自聚焦医用镜头,我们对近距离自聚焦医用镜头关键技术的研究, 填补了我国在自适应聚焦医用镜头生产的空白。我们研制的数字化口腔内窥镜系统,具有完全自主知识产权,有望改变现有数字化口腔内窥镜产品大多依赖进口或进口组装的现状[6 ,7]

参考文献 1 刘德森. 微小光学和微小光子器件 [J]. 光子学报,1997,26(Z1): 21 23 2 Fournier A. Application of the endoscope to dentistry [J].Rev-FrOdontostomatoI,1966,13(5):847~849 3 Grimbleby JB, Talbot CG. Automaticfocusing of medical endoscope cameras[J].J-Phys-[E],1983,16(12):1173~1179 4 高应俊.自聚焦材料折射率分布的干涉法测量研究[M]. 西安: 中科院西安光机所,1982.8 25 5 干福熹. 光学玻璃(上册)[M]. 北京: 科学出版社,1982.4 123 6 刘德森.纤维光学[M]. 北京: 科学出版社,1987.80 104 7 程蒲. 自聚焦透镜的离子交换工艺的进一步研究[J]. 量子电子学,


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