Как определить разрешающую способность гибких эндоскопов: ключевые моменты

Разрешающая способность гибких эндоскопов определяется их оптической системой, а именно качеством объектива и видеочипа. Это влияет на четкость и детализацию изображения при проведении процедур внутри организма.

В следующих разделах статьи мы рассмотрим особенности оптической системы гибких эндоскопов, влияние разрешающей способности на диагностику и лечение, а также методы повышения качества изображения при использовании гибких эндоскопов. Узнайте, как улучшить эффективность процедур и обеспечить точную диагностику благодаря современным технологиям в области эндоскопии!

Определяющий фактор разрешения гибких эндоскопов

Данное обзорное исследование охватывает основные характеристики гибких и жестких эндоскопов, выявляет возможности технических эндоскопов как инструмента неконтактного контроля в разных отраслях промышленности.

Контроль основных материалов, сварных соединений, и составляющих изделий проводится глазами или с помощью оптических приборов: луп, микроскопов, а Визуально-оптических приборов, таких как эндоскопы, перископические дефектоскопы, зеркала, зрительные трубы и многое другое.

Данная статья призвана познакомить читателей с эндоскопами. В соответствии с ГОСТ 24521-80 "Контроль неразрушающий оптический. Термины и определения", эндоскоп представляет собой прибор оптической природы, оснащенный системой освещения, который предназначен для осмотра внутренних поверхностей объекта контроля.

Прежде чем продолжить, необходимо прояснить терминологию. Из разнообразных типов эндоскопов, таких как бороскопы, фиброскопы, цистоскопы, гастроскопы и т.д., мы выделим эндоскоп как ключевой термин. Этот термин происходит от греческих слов "endon" — внутри и "skopeo" — изучать. Эндоскопы могут быть гибкими или жесткими в зависимости от их конструкции.

В зарубежной литературе бороскопы называются как общим наименованием эндоскопов, так и жестких типов. Гибкие эндоскопы имеют английские названия — фиброскоп и флексоскоп, производные от слов fiber (волокно) и flexible (гибкий). Остальные энδоскопические медицинские устройства имеют специальные наименования и применяются для назначенных им целей: например, гастроскоп — для осмотра желудка, бронхоскоп — для исследования бронхов и так далее. В связи с этим, использование подобных наименований не всегда корректно в сфере техники, особенно учитывая, что разные наименования могут называть один и тот же эндоскоп, но с различным дополнительным оборудованием.

Хардоскопы применяются с целью проверки визуально доступных узлов, особенно в тех случаях, когда эндоскопическое исследование планируется на стадии проектирования продукта. Жесткие эндоскопы используются для осмотра газовоздушного тракта авиадвигателей, полостей машин и механизмов, пустот в стенах зданий, каналов и труб малых диаметров, полостей отливок, шлифованных и хонингованных отверстий.

Оптический трубка, широко известный как жесткий эндоскоп, основан на визуальной и осветительной системе. Визуальная система включает в себя линзовую, стержневую или градиентную оптику, которая заключена внутрь металлической трубки. Осветительная система, в свою очередь, состоит из оптического волокна, расположенного между двумя металлическими трубками: внешней и внутренней.

Характеристики жестких эндоскопов включают в себя основные параметры: диаметр рабочей части, длина рабочей части, угол направления наблюдения и угол поля зрения.

Существуют наиболее распространенные размеры рабочих частей: 1.7, 2, 2.7, 4, 6, 8 и 10 мм. Жесткие эндоскопы имеют длину обычно от 100 до 1000 мм и изменяются с шагом 200-300 мм. Основные углы направления наблюдения включают: 0, 30, 45, 75, 90 и 110°. В эндоскопах с качающейся призмой угол направления наблюдения может плавно изменяться от 30 до 110°. Угол поля зрения, как правило, колеблется от 50 до 90°.

Необходимо помнить, что чрезмерное увеличение поля зрения ухудшает детализацию изображения — можно либо увидеть много и мелкое, либо мало и крупное.

Жесткие эндоскопы обладают высокой разрешающей способностью — до 25 линий на миллиметр, что является их основным преимуществом.

Однако существуют также гибкие эндоскопы.

Иногда невозможно получить прямой доступ к объекту, или же объект имеет сложную геометрию, вроде газотурбинных, электрических двигателей, котлов, теплообменников, а также труб водоснабжения, канализации, и промышленных коммуникаций. В таких ситуациях для произведения визуального контроля используются гибкие эндоскопы.

В области гибких эндоскопов визуальную систему и передачу света представляет собой волоконную оптику, которая устанавливается внутри гибкой трубки с управляемым дистальным концом. Для передачи изображения используется линзовый объектив, который создает изображение исследуемого объекта на торце кабеля для передачи изображения. Затем изображение передается по кабелю, состоящему из множества волокон диаметром 10-12 мкм. Расположение торцов волокон на входе кабеля должно соответствовать их расположению на выходе, что обеспечивает регулярную укладку. Изображение, полученное на конце кабеля, рассматривается через окуляр, который имеет возможность подстройки под глаза с помощью диоптрийной подвижки.

Для передачи света используется канал, состоящий из светорассеивающей линзы и световолоконного жгута, который имеет волокна толщиной 2S мкм и нерегулярное уложение. Конец световолоконного жгута подключается к осветителю через специальный наконечник.

Управляемый дистальный конец гибких эндоскопов может изгибаться в одной или двух плоскостях, в зависимости от диаметра рабочей части. Эндоскопы малого диаметра обычно имеют изгиб только в одной плоскости, а более крупные — в двух. Угол изгиба может варьироваться от 90 до 180° в зависимости от производителя.

Кроме того, эндоскопы могут комплектоваться насадками или объективами бокового наблюдения, что позволяет осматривать стенки труб малого диаметра, где изгиб дистального конца невозможен.

Для выполнения различных манипуляций, таких как захват предметов или взятие пробы, эндоскопы оснащаются каналом для гибкого инструмента.

Однако, гибкие эндоскопы обладают менее высокой разрешающей способностью в сравнении с жесткими эндоскопами.

Когда выбирают гибкий эндоскоп, руководствуются двумя основными параметрами: диаметром и длиной рабочей части. 4, 6, 8 и 10 мм являются наиболее распространёнными диаметрами, хотя в последнее время производители предлагают гибкие эндоскопы с диаметром рабочей части от 0,5 до 2 мм. Длины рабочей части изменяются от 500 до 3000 мм с шагом в 500 мм. Угол обзора составляет 0-60° и может быть увеличен до 90-100°, если необходимо.

Гибкие эндоскопы обычно имеют герметичную маслобензостойкую рабочую часть, покрытую нержавеющей сталью.

В современных видеоэндоскопах были устранены недостатки гибких волоконно-оптических эндоскопов, такие как низкая разрешающая способность и ограничения по длине. Для того, чтобы улучшить качество передачи изображения и увеличить длину устройств, был заменен волоконно-оптический жгут на электронику. За счет этого появились видеоэндоскопы, в которых изображение попадает на ПЗС матрицу через объектив, а затем передается по кабелю в блок преобразования и выводится на монитор. Сейчас в мире производятся видеоэндоскопы с диаметрами рабочей части от 6 до 20 мм и длиной от 2 до 30 м.

Для обеспечения эффективной визуальной проверки объектов требуется обеспечить хорошее освещение. В эндоскопах для достижения этой цели применяется система передачи света, которая работает в сотрудничестве с мощным источником, называемым осветителем.

Осветители делятся на галогенные, металлогаллоидные и ксеноновые типы в зависимости от использования лампы.

Галогенные осветители обычно используют лампы галогенного типа мощностью 100 или 150 Вт. Их основное преимущество — низкая стоимость. Недостатки включают высокий уровень потребления энергии при относительно низком уровне светового потока, короткий срок эксплуатации лампы (около 50 часов) и спектр смещенный в желтый диапазон цветов.

Фонари с металлогаллоидными лампами имеют высокую мощность 24 Вт. Они стоят дороже галогенных, но имеют ряд преимуществ: экономичное потребление энергии при яркости, сопоставимой с галогенной лампой мощностью в 200 Вт; долгий срок службы лампы — от 600 до 800 часов; спектр света, который приближен к естественному белому свету. Фонари с металлогаллоидными лампами являются наиболее популярным выбором для использования с техническими эндоскопами.

Ксеноновые светильники, хоть и являются наиболее мощными осветительными системами, но также являются самыми дорогими и используются в небольшом количестве.

Эндоскопические видеосистемы созданы для передачи изображения на монитор и сохранения результатов контроля. Они работают с жесткими и гибкими оптическими эндоскопами.

Как правило, видеосистема включает в себя оптико-механический адаптер с видеокамерой, соединённой с окуляром эндоскопа, блок управления и монитор. Некоторые видеосистемы могут не содержать блок управления, а видеосигнал может передаваться на телевизионный экран или компьютер через соответствующее устройство ввода-вывода.

Видеокамеры, в зависимости от цели использования, выпускаются в чёрно-белом или цветном исполнении. В общем случае их разрешающая способность составляет около 470 ТВ линий (З-УНБ).

Применение эндоскопов в различных отраслях

Основная функция эндоскопов — проведение быстрого и качественного визуального исследования труднодоступных полостей технических устройств и механизмов, не разбирая их. Внизу представлены некоторые наиболее яркие примеры использования в различных сферах.

В электроэнергетике эндоскопы используются для контроля состояния техники на электростанциях, включая теплотехническое и электрическое оборудование, а также другие устройства. Например, для проверки состояния внутренних охлаждающих каналов на валах, обмотках генераторов и трансформаторов, а Внутренних стенок трубопроводов.

В водоснабжении и канализации эндоскопы используются для обнаружения трещин, коррозии, разрывов, засоров и посторонних предметов в трубах различных диаметров, контроля состояния насосных систем и осмотра баков.

Металлургический сектор — используется для поддержания производственных средств, например, осматривая узлы печей, а также для осуществления проверки качества отливок.

Авиационный и космический сектор — служит для контроля состояния силовых элементов корпусных конструкций, стенок баков, лопастей газовых турбин и компрессоров, форсунок, обечаек, распылителей камер сгорания и применяется при проектировании, настройке и производстве ракетных двигателей и пневмогидросистем.

Машиностроительные предприятия используют оборудование для контроля качества изготовления изделий и проверки технического состояния различных узлов и деталей машин, таких как полосы пресс-форм, деталей механо-передач, трубопроводов, подшипников, полостей сварных и паяных конструкций.

Службы, занимающиеся обеспечением безопасности, а также таможенные службы используются для быстрого обнаружения взрывоопасных устройств, наркотических веществ, оружия и контрабанды. Кроме того, они также применяются для осмотра содержимого непрозрачной тары, без необходимости ее вскрытия, а также для многих других специальных целей.

В архитектуре и строительстве необходимо проверять состояние силовых элементов перекрытий, внутренних полостей, арматуры и гидроизоляции стен, а также трубопроводов, а это Важно при архитектурном моделировании.

В газоперекачивающих станциях следует контролировать состояние лопаток, камер сгорания, топливной системы и других узлов газоперекачивающих агрегатов, а также проверять наличие эрозии, коррозии, отложений и усталостных трещин в различных узлах, включая краны, задвижки, трубопроводы, сепараторы и другие узлы.

Химическая и нефтехимическая промышленность также требует проведения систематических и аварийных осмотров трубопроводов, сосудов высокого давления, теплообменников, а также узлов пневмо-гидроавтоматики и других аппаратов.

Контроль качества в автомобильной промышленности требуется для проверки методов очистки отливок от стержней, сварки и окраски, а также для контроля гидро- пневмосистем и качества сборки двигателей. Следует отметить, что важен также контроль состояния клапанов, гильз цилиндров, зубьев шестерен и коррозии деталей кузова в процессе эксплуатации.

Железнодорожный и морской транспорт также нуждаются в инспекции дизельных и электрических двигателей, генераторов, трансформаторов и других агрегатов и узлов.

В электронной промышленности критически важен контроль и обеспечение качества производства и сборки электронных устройств.

В сфере науки и образования требуется инструментарий для наблюдений за животными и насекомыми, изучения корневой системы растений и проведения археологических и поисковых работ. Важен при обследовании внутренних полостей статуй и памятников.

Лидирующие мировые производители технических эндоскопов – Olympus из Японии, Everest VIT и ITI из США и Karl Storz из Германии — предлагают широкий выбор продукции высокого качества, основанной на опыте работы с крупными промышленными компаниями и оригинальных технических решениях. Например, Olympus использует видеоэндоскоп со сменными бинокулярными объективами для всенаправленного измерения, в то время как Everest VIT VideoProbe XLM модели "С" имеет видеокадр с 440 000 точек стандарта S-VHS, встроенный в рукоятку управления эндоскопом и TFT-монитором с измерением линейных размеров и погрешностью измерений на уровне 2-3%.

Компания Оптимед, базирующаяся в Санкт-Петербурге, имеет обширный опыт в создании и производстве как гибких, так и жестких эндоскопов. Благодаря использованию градиентных систем передачи изображения, возникает возможность получения очень тонких и длинных эндоскопов, но этот тип оборудования не всегда обладает высоким разрешением и часто бывает мозаичным в отображении.

Градиентные системы передачи изображения и разновидности гибких эндоскопов

Использование оптиковолоконных систем передачи сигналов позволяет производить различных типов эндоскопы, заточенные под определенные задачи и требования. Так, гибкие эндоскопы могут быть как многоразовыми, так и одноразовыми, а некоторые из них обладают дополнительными функциями, такими как измерение давления и температуры.

В 60-80-е годы были созданы градиентные системы передачи изображения, которые отличались неоднородным распределением показателя преломления по сечению стекла. Однако, в настоящее время наиболее эффективным методом считается использование градиентов с радиальным распределением показателя преломления. Они состоят из длинных цилиндрических стержней с плоскими полированными торцами, которые изготавливаются из особых материалов.

Процесс физико-химической обработки градантов создает радиальный градиент показателя преломления, который постепенно уменьшается от оси граданта к его наружной поверхности. Эта конструкция эквивалентна линзе, а несколько десятков микролинз могут быть заменены двумя градантами. Именно благодаря такой системе жестких эндоскопов существенно повысилась их разрешающая способность.

Во время операции, зона действия подсвечивается светом от фонаря, который передает изображение на конец эндоскопа. В сравнении с гибким эндоскопом, жесткий эндоскоп показывает более качественное изображение, благодаря использованию телескопа, расположенного в защитном тубусе. Этот тубус также имеет различные рабочие каналы, через которые благодаря специальным инструментам возможны различные манипуляции, такие как моно- и биполярная коагуляция, биопсия и рассечение тканей.

Конструкция гибкого эндоскопа включает в себя несколько элементов: окуляр (1), кольцо с диоптрийной наводкой (2), клапаны для отверстий рабочих инструментов (3), для аспирации (4) и для подачи воздуха и воды (5). Также присутствуют рукоятки для управления изгибом дистального конца эндоскопа — вправо и влево (6) и вверх и вниз (8), которые фиксируются соответствующими фиксаторами (7 и 9).

Обычно, жесткие эндоскопы имеют систему ирригации-аспирации, расположенную внутри тубуса. Некоторые модели также оснащены специальным каналом для лазерного световода. Эндоскопические системы обычно оснащены разноугольными телескопами и оптическими системами, включающими оптику: прямого вида (0 градусов); переднего вида (30 градусов); широкоугольного вертикального вида (70 градусов); бокового вида (90 градусов); ретроспективного вида. Различные телескопы могут быть заменены во время операции для изменения угла изображения, и при этом инструменты в рабочих каналах остаются на месте вместе с тубусом.

Кроме базовых приемов, основные инструменты, используемые через основные каналы (однопортовая эндоскопия), могут быть также использованы вспомогательными портами, которые расположены немного дальше от основного порта (бипортовая или трипортовая эндоскопия).

Гибкие эндоскопы

Еще одним типом эндоскопа, применяемым в хирургии, являются гибкие эндоскопы. Использование оптико-волоконной техники позволяет придать гибким эндоскопам их особую маневренность.

Принцип передачи света по волокнам основан на явлении полного внутреннего отражения и позволяет передавать световой пучок с минимальными потерями на дистанции нескольких десятков микрон. Для этого каждое световодное волокно покрыто специальным слоем стекла с низким показателем преломления. Луч света, попавший в волокно, последовательно отражается от его стенок и достигает противоположного конца, передавая изображение точки объекта. Колеблющиеся в руках врача эндоскопы оснащены волоконным жгутом, состоящим из нескольких десятков тысяч отдельных волокон, способных передавать как свет, так и изображение. Изгибы и повороты волокон не препятствуют передаче света, обеспечивая гибкость и удобство использования эндоскопа.

Обычно гибкий эндоскоп имеет два отдельных канала: один для подачи света и другой для передачи изображения. Чтобы получить изображение, применяется волоконный жгут, который объединяет все точки на ближнем конце. Затем через окуляр виден рассматриваемый объект, который имеет мозаичную структуру. Каждое волокно в жгуте лежит в определенной последовательности, что обеспечивает принцип когерентности. Если этот принцип не соблюдается, то эндоскопическое изображение будет искаженным.

Структура гибкого эндоскопа состоит из дистальной управляемой головки и гибкой средней части.

Для оптимального изучения объекта, параметр увеличения оптических систем эндоскопа обычно ограничивается 1-2 кратами. Пониженное увеличение объясняется желанием исследователя получить истинное представление о объекте. Формула для определения увеличения оптической системы эндоскопа выглядит следующим образом: Гэнд = Воб * Гок, где Воб — увеличение объектива системы, а Гок — видимое увеличение окуляра.

Увеличение объектива обратно пропорционально расстоянию до объекта: Воб = -fоб/(Sраб+Sвхзр), где fоб — фокус объектива (величина постоянная), Sраб — расстояние до объекта (величина переменная), а Sвхзр — удаление входного зрачка объекта (величина постоянная).

Изложим по-другому, что оптическая система увеличивает изображение в зависимости от расстояния до объекта, и чем ближе трубка к объекту, тем больше увеличение. Кроме того, количество точек, определяемых параметром "разрешающая способность N" на расчетном рабочем расстоянии, измеряется в миллиметрах в минус первой степени и зависит от минимального расстояния между двумя точками или штрихами, которые можно наблюдать отдельно через оптическую систему.

В настоящее время в эндоскопах всех типов используют волоконно-оптические элементы для передачи света. Эти элементы представляют собой пучки или жгуты волоконных световодов, состоящих из множества элементарных световодов, которые способны передавать свет. Элементарный световод — это стеклянная нить, включающая сердцевину (1), состоящую из стекла с высоким показателем преломления, и оболочку (2), изготовленную из стекла с низким показателем преломления.

В световодах Выделяют входной торец (3) — конец, на который падают лучи света от источника, и выходной торец (4) — конец, из которого выходят лучи света, прошедшие через световод. Диаметр элементарного световода обычно находится в диапазоне от 5 до 30 мкм. Это позволяет передавать свет через элементарный световод, даже если он изогнут.

Световод имеет два основных параметра — коэффициент светопропускания и номинальную числовую апертуру A0, которая определяется как sin U0, где U0 — это угол апертуры.

Коэффициент светопропускания — это соотношение энергии светового потока, выходящего из торца световода, к энергии светового потока, падающего на входной торец световода. Однако, световод испытывает потери светового потока из-за отражения от торцов, поглощения и рассеивания внутри сердцевины и других факторов. Коэффициент светопропускания всегда меньше единицы.