口腔内窥镜系统的设计与实现

第36卷第11期光电工程Vol.36,No.112009年11月Opto-ElectronicEngineeringNov,2009文章编号：1003-501X(2009)11-0075-04口腔内窥镜系统的设计与实现吴頔，张红霞，贾大功，井文才，张以谟(天津大学精密仪器与光电子工程学院,光电信息技术科学教育部重点实验室(天津大学)，天津300072)摘要：本文设计一种口腔内窥镜，以满足牙科医学应用。整个系统主要由成像系统、照明系统、图像显示及处理系统三个部分组成。系统具有显微放大的功能，并且亮度及色温可调。文中利用光学软件设计、优化了光学成像系统，给出了系统像差曲线，并构造了光学照明系统。论文结尾使用口腔内窥镜对两种牙齿模型进行了测试实验，系统成像分辨力高于100lp/mm，图像清晰，可以观察到牙齿表面的细节。实验结果表明，系统能够满足牙科医学使用要求。关键词：口腔内窥镜；光学系统；照明系统；牙齿模型中图分类号：TH74；R781文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1003-501X.2009.11.016DesignandRealizationofOralCavityEndoscopeSystemWUDi，ZHANGHong-xia，JIADa-gong，JINGWen-cai，ZHANGYi-mo(CollegeofPrecisionInstrumentandOpto-ElectronicsEngineering,KeyLaboratoryofOpto-ElectronicScienceandTechnology,MinistryofEducation(TianjinUniversity),Tianjin300072,China)Abstract:Anoralcavityendoscopewasdesignedtomeetthepracticalneedsofdentistry.Thewholesystemwascomposedofimagingsystem,illuminatingsystem,imagedisplayandprocessingsystem.Thesystemhasthefunctionofmicro-amplification,andthebrightnessandcolortemperatureisadjustable.Inthispaper,opticssoftwarewasusedtodesignandoptimizetheopticsimagingsystem,andgaveouttheaberrationcurve.Theilluminationsystemwasconstructed.Intheendingofthepapers,theoralcavityendoscopewasusedtotesttwoteethmodel.Thesystemresolutionishigherthan100lp/mmandtheimageisclear.Thedetailsoftoothsurfacecanbeobserved.Theexperimentresultsshowthatthesystemcouldmeettherequirementsofdentalmedicalapplication.Keywords:oralcavityendoscope;opticalsystem;illuminationsystem;teethmodel0引言近年来，口腔内窥镜在口腔临床医学中得到迅速普及与广泛应用[1-3]。它通过将观测探头伸入口腔，在自备光源的照明下，由成像镜头摄取牙齿的细节，成像在COMS或CCD图像传感器上，经过光电转换和图像信号处理后送到显示器上，显示清晰放大的图像供医生观察。目前国内口腔内窥镜多为代理国外公司的产品，自行设计研发的口腔内窥镜产品很少[4]。市场上常见的口腔内窥镜，其成像系统一般是投影成像系统或望远成像系统。相应的照明系统使用贴片封装式的LED，其优点是成本低，结构简单。但是这种口腔内窥镜无法观察牙齿细节，并且不易在色温，亮度，发热等方面进行调节，同时需要复杂时序电路控制。本文利用显微成像系统原理设计一种口腔内窥镜，目的在于观察人眼不易直接看到的牙齿细节，及时发现病变。文中采用图像传感器配合显微成像镜头和光纤照明系统实现清晰的成像效果，并在牙齿模型上收稿日期：2009-03-03；收到修改稿日期：2009-06-11基金项目：国家自然科学基金项目(60577013)；教育部新教师博士点基金项目(200800561022)；天津市自然科学基金项目(2009F2-0019)作者简介：吴頔(1985-)，男(汉族)，辽宁盘锦人。硕士研究生，主要从事口腔观测方面研究。E-mail:[e-mail]。光电工程2009年11月76进行了相关测试。1口腔内窥镜系统设计口腔内窥镜系统主要由成像系统、照明系统、图像显示及处理系统三个部分组成，如图1所示。待观察的牙齿目标通过显微成像系统成像在图像传感器上，在驱动电路的控制下，图像传感器完成图像处理并送入显示设备进行显示及存储。在口腔环境下观察牙齿需要辅助光源照明整个视场。因此口腔内窥镜的设计需要完成成像系统和照明系统的设计。1.1成像系统成像系统由一个显微放大系统和转向系统构成，成像在图像传感器上。作为牙科用医疗仪器，口腔内窥镜的显微放大系统需要分辨2mm×2mm视场内的细节，且镜头性能参数与图像传感器匹配。为了使牙医实际应用时操作方便和口腔内窥镜的结构小型化，设计90°转向系统，所产生的镜像问题通过图像处理来解决。在这种以图像传感器作为接收器件的成像系统中，光学镜头的设计要配合图像传感器的特性[5]。应用于口腔内窥镜的图像传感器，要求功耗低，图像抓取灵活，感光度高，成像清晰，整体体积小。本文采用1/4英寸130万像素COMS图像传感器[6-7]，每个像素尺寸为2.8μm×2.8μm，有效像素数1280×1024。按照COMS的特性提出镜头结构的参数，镜头的最小分辨尺寸应该和CMOS像素大小相匹配，另外系统必须有足够大的孔径和光学系统透射比。在对以上因素综合考虑后确定光学镜头的参数为：镜头放大率×−=2β，焦距10'=fmm，数值孔径12.0=NA。整个系统的分辨力由光学镜头分辨力和CMOS传感器的分辨力共同决定，在此光学系统分辨力设计为100lp/mm。考虑到口腔内窥镜成像系统尺寸要求、棱镜安装要求以及成本要求等方面因素，本文选用直角反射棱镜完成90°转向功能。在光学设计软件ZEMAX环境下设计光学系统结构如图2所示(图中光学结构为像方到物方)：系统由两组双胶合透镜组成，两组双胶合透镜玻璃材料为k9/ZF2，直角棱镜的材料为k9，优化后的系统物距13.07mm，像距27.99mm。口腔内窥镜光学系统是低倍显微放大系统，属于小视场系统，需要校正球差，正弦差等像差，光学系统的成像质量如下。图2镜头光学结构Fig.2Opticalstructureoflens图1口腔内窥镜系统框图Fig.1SchematicdiagramoforalcavityendoscopeTeethmodelMicroscopicimagingsystemIlluminatingfiber90°turnImagesensorColdlightsourcePowerDrivingcontrolcircuitShowandprocessimageComputerMonitorShowimage图3光学传递函数曲线Fig.3Curveofmodulationtransferfunction图4场曲和畸变Fig.4Fieldcurvatureanddistortion第36卷第11期吴頔等：口腔内窥镜系统的设计与实现77图3是调制传递函数曲线，其中横坐标是空间频率，单位为线对/毫米(lp/mm)，纵坐标是光学传递函数值。由图可知，在空间频率150lp/mm时系统MTF=0.3，达到了系统的分辨力设计要求。图4是场曲和畸变曲线图，S代表弧矢方向，T代表子午方向，图中场曲小于0.1mm，畸变小于1%，可以看出系统的像差校正满足要求。1.2照明系统由于目前普遍采用的LED照明的缺点明显，考虑到口腔内窥镜仪器的体积要求及安全性、易操作性等方面，本文在口腔内窥镜的照明系统设计中采用了广泛应用于口腔照明灯的光纤照明系统[8]，用大数值孔径的传光光纤和外置高功率冷光源组成照明系统。这种照明方式照度更高，亮度可调，而且可以通过更换色温片调整色温，采用传光光纤引入口腔照明避免了长时间使用导致的温度升高的问题。冷光源采用了EKE型卤素灯泡，具有涂反射冷光膜的反射杯和过滤UV和IR的镜片[9]。综合考虑观察视场的照度及深入口腔内部的探头部分的体积等要求，本文将光纤端面加工成37°角出射，保证了照明视场中心和成像中心重合，如图5所示。这种方式充分利用了物镜下方的空间，保证了探头的体积要求，在高性能外置冷光源的配合下又能完全满足照度需要。利用该光纤照明系统进行了照度实验测试，实验表明光纤端面出光照度达到0∼3000Lx，完全满足牙科观测的照度要求。2实验测试与结果本文采用傅科式分辨力板测定了光学系统的分辨力[10]，实验结果表明，口腔内窥镜的分辨力高于100lp/mm，达到了设计要求，成像效果良好。2.1口腔内窥镜系统观察正常牙齿模型实验测试用所设计口腔内窥镜观察正常的牙齿模型，单个正常牙齿成像的效果如图6所示。由成像效果可见，本文设计的口腔内窥镜系统能够对牙齿细节清晰成像。由于设计的视场较小，不能对单个牙齿完整成像。在牙医的实际应用中，更多的是需要仔细观察牙齿某个病变部位的细节信息，对整个牙齿的观察直接(或借助反射镜)用眼睛即可实现，从实验结果可以看到口腔内窥镜系统能够很好的对人眼不能直接看清的细节进行成像，实现了显微放大的作用。2.2口腔内窥镜系统观察烟民病变牙齿模型实验同样，利用设计的口腔内窥镜观察烟民的病变牙齿模型，烟民牙齿模型的表面有很多牙齿缺陷，模拟了牙齿的病变情况，用口腔内窥镜系统对其观察，可清晰的观察到牙齿表面微小的病变细节，如图7所示。图7口腔内窥镜系统观察病变牙齿模型Fig.7Imageofdiseaseteethmodelwithoralcavityendoscope图6口腔内窥镜观察正常牙齿模型Fig.6Imageofnormalteethmodelwithoralcavityendoscope图5照明光纤示意图Fig.5DiagramofilluminatingfiberIlluminatingfiber光电工程2009年11月783总结本文设计的基于光纤照明的口腔内窥镜系统成像效果良好，分辨力高，实现了显微放大功能，在观察牙齿微小病变细节等方面具有实用性。照明系统亮度连续可调，照明视场与观察视场恰当匹配，保证了成像效果的清晰。并且通过对正常牙齿模型及存在缺陷的病变牙齿模型进行实际观察表明了系统的实用性、操作性等均达到了设计要求。参考文献：[1]李景艳，刘德森，刘刚，等.医用内窥镜光学系统的应用及发展趋势[J].医疗装备，2005，18(7)：9-12.LIJing-yan，LIUDe-sen，LIUGang，etal.ApplicationandDevelopmentofMedicalEndoscopeOpticalSystem[J].MedicalEquipment，2005，18(7)：9-12.[2]赵胜利.数字化诊断系统在口腔保健医疗中的应用[J].西南国防医药，2004，14(4)：391-392.ZHAOSheng-li.TheApplicationofDigitalDiagnosisSysteminOralHealthMedical[J].MedicalJournalofNationalDefendingForcesinSouthwestChina，2004，14(4)：391-392.[3]HeenanAF，M