專利名稱：帶環(huán)形透鏡的無線膠囊內(nèi)窺鏡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于臨床醫(yī)學輔助設備技術領域，涉及一種帶環(huán)形透鏡的無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。
背景技術：
人類使用內(nèi)窺鏡來偵測體內(nèi)器官的歷史可追溯到19世紀。1806年德國科學家 Philipp Bozzini首次發(fā)明了使用燭光偵測人體膀胱和腸道的內(nèi)窺鏡雛形。此后，不同種類的內(nèi)窺鏡(如用以偵測胃部病變的胃鏡、用以檢測腸道病變的結腸鏡)得到不斷地發(fā)展與改進，這極大的幫助了醫(yī)生對病人進行活體消化系統(tǒng)的病癥檢測。在過去的十多年中，內(nèi)窺鏡相關的科學技術得到了迅速的發(fā)展，特別是一種能用于彌補并提升胃鏡和結腸鏡的醫(yī)學輔助設備——無線膠囊內(nèi)窺鏡的誕生，使同時檢測胃部及腸道病癥變成了可能。不同于傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡的使用方法，在應用膠囊內(nèi)窺鏡時，醫(yī)生無需將帶軟管的內(nèi)鏡塞入病人體內(nèi)，這可使患者可保持正?；顒雍蜕?。由于膠囊內(nèi)窺鏡可供人吞服，其具有較小的體積，因此很大程度降低了傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡(帶軟質管道的)給病人帶來的痛苦；而且方便衛(wèi)生，得到了醫(yī)學界的認可。同時，胃鏡及結腸鏡等傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡因軟管長度及可彎曲度的限制導致其可深入人體觀測的范圍有限，而無線膠囊內(nèi)窺鏡的應用為觀測人體小腸段的病變提供了可能性。無線膠囊內(nèi)窺鏡是一種膠囊外形的小型電子醫(yī)療設備，內(nèi)置提供光源的LED、捕捉圖像的成像系統(tǒng)、多種傳感器、用于提供電源的電池、發(fā)射模塊和天線(用于傳輸和處理信號)等元件。目前已被應用的無線膠囊內(nèi)窺鏡，如由Olympus醫(yī)藥公司研發(fā)的M2A型膠囊內(nèi)窺鏡(尺寸為IlmmX27mm)，在被人體吞入后，可連續(xù)工作7 8小時。吞入后會以每秒兩幀的速率對消化系統(tǒng)進行拍照，最終獲取約50，000張彩色圖片。膠囊外殼是由特殊生物材料密封，可抵抗胃酸和強大的消化酶。被病人吞咽后，膠囊內(nèi)窺鏡可由消化道蠕動或定位控制系統(tǒng)的牽引慢慢的推進或在病兆部位停留，為長達5-7米的小腸全段提供有效的檢查手段。然而，目前的膠囊內(nèi)窺鏡技術仍存在諸多問題，例如第一，一些傳統(tǒng)膠囊內(nèi)窺鏡 (如美國專利編號US6939^5)中，捕捉圖像的透鏡位于膠囊的一端。如圖4(a)示，較遠端的腸道圖像會在更靠近圖像傳感器的中心部分成像。由于鏡頭可捕獲的圖像距離有限，圖像傳感器靠近中心區(qū)域無法得到有效的利用。經(jīng)統(tǒng)計，所拍攝的照片會在中心部分呈現(xiàn)約占圖片面積10%至15%的無效區(qū)域(在圖片上顯示黑色色塊)，這降低照片的有效面積及利用率，另外由于其成像區(qū)域僅限于前方，致使小腸側壁信息容易遺漏。第二，現(xiàn)有技術中被拍攝區(qū)域距離無線膠囊內(nèi)窺鏡的圖像傳感器的距離較遠，需要較強的照明系統(tǒng)支持，以保證圖片質量。而提供大功率的LED或增加LED數(shù)量將增加電能消耗，縮短膠囊內(nèi)窺鏡在人體體內(nèi)的運作時間。第三，現(xiàn)有技術的成像系統(tǒng)中，鏡頭焦距和像距是固定的，而物距則在很大的范圍內(nèi)變化(如圖4(a)所示，圖中L的長度可展示鏡頭所能拍攝到的物距范圍)。因此在對被觀測物體(即小腸壁)的拍攝當中，僅有一小段區(qū)域滿足理想光學成像條件(傳感器到透鏡的間距與像距差別不大)，其他被拍攝部分因不滿足理想成像條件，會有一定程度的失真 (如導致成像較為模糊)。第四，如圖4(a)所示，由于在圖像傳感器上的成像距離不同(腸道壁AB面的等效成像面為A’ B’面)，致使所攝照片上距圖片中心不同距離的單位像素所對應的實物(即小腸壁)大小不同。例如，對應分辨率為256X256的圖片，其最外圍像素對應的實物長度為 1mm，而距離圖片中心一半半徑處像素對應的實物長度約為4mm，距離圖片中心1/3半徑處像素對應的實物長度約為9mm，造成圖像嚴重失真。第五，申請?zhí)枮?00910047789. 5的中國專利申請公開了一種改進的新型膠囊內(nèi)窺鏡，該內(nèi)窺鏡成像方向和視野空間主動調節(jié)裝置可帶動外反膜三棱鏡沿軸轉動，通過體外設備的檢測調節(jié)旋轉速度，旋轉角度等參數(shù)，改變成像方向，可有針對性的通過改變鏡頭方向和拍攝頻率對視野空間進行掃描。然而，該方式雖然改善了傳統(tǒng)設計缺陷(如上述的第一，二，三，四這些問題)，但引入了新的問題一，帶動棱鏡轉動及不斷調節(jié)視野方向的拍攝會造成額外的功率消耗，縮短膠囊內(nèi)窺鏡的運作時間；二，棱鏡截面圖所示直角邊的長度與能捕捉到的圖像寬度相等；如此，為獲取與一般設計相同尺寸的腸道內(nèi)壁圖像，需增大棱鏡尺寸，占用較多膠囊內(nèi)部空間；三，因外反膜棱鏡的角度可變，致使同次拍攝的視野受限，在獲取全面的圖像信息時需對同一段腸道進行多步掃描(一次拍照可認定為對圖像傳感器的一次使用)由此對比其他方法在獲取相同數(shù)量的圖像信息時，此種設計將多次使用圖像傳感器；致使整個膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)之后的步驟(如傳輸，處理圖像信號，體外人工調節(jié)操控等)使用更多時間，不能即時處理圖像(與即時圖像處理系統(tǒng)相配合)，也為偵測病情造成不便；四，此種設計需要長時間的體外操控，提高了人工成本，降低了膠囊的自動化。第六，美國專利申請US2006238614提供了一種改進的膠囊結構(OLYMPUS醫(yī)藥公司)，該方案中光線通過膠囊兩端的透明外殼，再經(jīng)由兩個光學透鏡與分別垂直入射兩個半棱鏡的直角面，在斜面上反射后到達圖像傳感器。此種方法可在同一張圖片中顯示同一時刻處于膠囊兩側(頭部及尾部)的圖像，增加有效圖片數(shù)量，預防漏檢。由于僅一個圖像傳感器被使用于此發(fā)明，相比同樣在膠囊頭尾使用兩套光學鏡頭系統(tǒng)，但應用兩套圖像傳感器的編號為W002/0M932A2的方法，OLYMPUS的此種設計可有效減少圖像傳輸處理的步驟和時間。然而，這種方法在帶來便捷和效率的同時，依舊存在不足之處。首先，此種設計的成像方向與傳統(tǒng)設計(如US693^%)無異，則針對上述提及的前四條缺陷未進行改善。其次，為區(qū)別由單一圖像傳感器獲取的同張圖片中的兩幅圖像(分別拍攝于膠囊的頭部與尾部)，在設計鏡頭和棱鏡大小等數(shù)值時，需在兩幅圖像之間會保留一定長寬的間距。部分傳感器面積未被利用，致使圖像傳感器的利用率下降。再者，同一傳感器被分割為兩部分，每幅圖像尺寸被壓縮成小于原本尺寸(相比于其他設計的尺寸)一半的大小，降低了圖像質量，不利于圖像的觀察。由此可見，現(xiàn)有的膠囊內(nèi)窺鏡診察過程由于電能消耗，圖像質量不高，處理時間較長等原因將遺漏大量信息，存在相當大的漏檢可能與診斷延誤可能，嚴重影響診斷的全面性，準確性和實效性，在胃腸疾病診斷方面的應用價值受到限制
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種帶環(huán)形透鏡的無線膠囊內(nèi)窺鏡及膠囊內(nèi)窺鏡光學成像系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術中無線膠囊內(nèi)窺鏡由于物距變化較大導致的圖像嚴重失真、成像圖像有較大的不可利用區(qū)域以及電能消耗，圖像質量不高，處理時間較長等問題。為了解決現(xiàn)有技術中的這些問題，本發(fā)明提供的技術方案是一種帶環(huán)形透鏡的無線膠囊內(nèi)窺鏡，包括膠囊殼體、控制裝置、照相裝置、光源、用于無線傳輸拍攝的圖像的無線收發(fā)裝置、和為控制裝置、照相裝置、光源、無線收發(fā)裝置分別提供能源的能源供應裝置，所述控制裝置、照相裝置、光源、無線收發(fā)裝置、能源供應裝置均密封在膠囊殼體內(nèi)，其特征在于所述膠囊殼體上設置供光源將光線投射出的透明區(qū)域， 所述照相裝置包括圖像傳感器、圖像傳感器與透明區(qū)域間設置反射鏡，所述反射鏡外側套設環(huán)形透鏡，所述環(huán)形透鏡將透明區(qū)域外側的光線反射到圖像傳感器上成像。優(yōu)選的，所述反射鏡、圖像傳感器排列在同一光軸上。優(yōu)選的，所述圖像傳感器連接有圖像傳感器控制器，所述圖像傳感器控制器與控制裝置連接，將圖像傳感器接收的電信號進行處理后發(fā)送給控制裝置。優(yōu)選的，所述無線膠囊內(nèi)窺鏡與體外控制無線膠囊內(nèi)窺鏡的體外裝置通過無線傳輸，所述體外裝置包括數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，所述控制裝置與無線收發(fā)裝置連接將圖像信號傳輸給體外裝置。優(yōu)選的，所述反射鏡的表面為凸面。反射鏡可為透鏡。優(yōu)選的，所述反射鏡的反射面為錐面或弧面。優(yōu)選的，所述光源為設置在圖像傳感器的外側的微型照明系統(tǒng)；所述控制裝置為膠囊微處理器；所述無線收發(fā)裝置為帶天線的膠囊無線收發(fā)功能模塊；所述能源供應裝置為微型電池。優(yōu)選的，所述膠囊殼體由具有透明區(qū)域的透明球殼和非透明的膠囊外殼組成。本發(fā)明改進現(xiàn)有技術的不足，提供一種在不增加能耗的情況下，提升視野角度，獲得更加清晰、保真、覆蓋面更廣泛的膠囊內(nèi)窺鏡光學成像系統(tǒng)。本發(fā)明通過特殊設計的光學成像系統(tǒng)，減小了傳統(tǒng)膠囊內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的失真(包括因成像距離不同導致的像素分布與實體圖像不成比例，及因同張圖片上相距不同致使圖片部分區(qū)域不滿足理想光學成像條件導致的圖像模糊)，擴大了所采集圖像的有效面積，提高了同等照明條件下的圖像亮度， 從側面減少了電池消耗，提高了無線膠囊內(nèi)窺鏡對胃腸疾病診斷的應用價值。本發(fā)明為了獲得具有更廣闊視野，較高圖像亮度與超低失真度的無線膠囊內(nèi)窺鏡，本發(fā)明在體內(nèi)無線膠囊內(nèi)窺鏡的透明外殼內(nèi)增添了環(huán)形透鏡(其軸截面類似于兩個凸透鏡)及反射鏡。此種設計使成像方向發(fā)生改變；與US6939295提供的在膠囊一端安裝透鏡鏡頭(圖4)(成像面并不垂直于膠囊行進方向，會導致圖像失真)相比，成像方向從捕捉由膠囊頭部拍攝的畫面改變?yōu)榇怪迸臄z平行于膠囊主體外側一段腸道環(huán)狀面積(即成像面垂直于膠囊行進方向，且縮短了物距或等效的物距，物距的變化比較小)，達到使無線膠囊內(nèi)窺鏡擁有廣闊視野和精確成像能力的目的，減少診斷過程中信息的遺漏。相對于現(xiàn)有技術中的方案，本發(fā)明的優(yōu)點是第一，本發(fā)明環(huán)形透鏡與反射鏡結合的裝置，有效的利用的圖像傳感器。利用本發(fā)明所訴的系統(tǒng)拍攝的照片沒有中央黑區(qū)，大大提高了圖片有效信息量。第二，由于本發(fā)明中的環(huán)形透鏡的光軸垂直于小腸壁，大大縮短了被拍攝區(qū)域與圖像傳感器間的距離，降低了對照明系統(tǒng)的要求，降低能耗，并保證了圖片質量。第三，同樣因為本發(fā)明可以垂直拍攝小腸壁圖像，被拍攝區(qū)域與鏡頭距離基本恒定，使得同張圖像上每點的物距基本相同。在拍攝被觀察物體時，只需依據(jù)統(tǒng)計得出的腸道到膠囊間距離的平均數(shù)據(jù)調節(jié)焦距，及鏡頭與棱鏡和傳感器間的距離，便可得到理想的光學效果，使同張圖片每個部分的清晰度相同，免去了失焦對圖片質量造成的影響。第四，在本發(fā)明中，因圖像傳感器上的成像距離不同而產(chǎn)生的圖像失真問題得到了很好的解決。應用本發(fā)明，則各像素對應的實物大小也與像素位置無關，完全恒定，由此消除了像素位置帶來的失真。第五，本發(fā)明解決了申請?zhí)枮?00910047789.5的中國專利申請引發(fā)的問題。其一，本系統(tǒng)無需機械牽引棱鏡轉動，降低了能耗。其二，本發(fā)明在棱鏡前段添加環(huán)形透鏡鏡頭，致使拍攝的視野不僅局限于棱鏡的尺寸，從而減小了圖像攝入系統(tǒng)在膠囊內(nèi)部空間所占的比例。其次，獲取圖像時無需對同段腸道多步拍攝，一次拍攝即可獲取等效于前種發(fā)明多次拍攝得到的效果。由此，相對降低了能耗；減少了系統(tǒng)之后傳輸及處理圖像的步驟及時間，提高了偵測和診斷效率。再者，本發(fā)明相無需長時間不間斷的體外操控改變視野方向， 降低了人工成本，提升了膠囊的自動化能力。第六，與美國專利申請US2006238614相比，本發(fā)明可以100%的利用圖像傳感器， 提供了更好的圖像傳感器的利用率。并且，不存在同一傳感器拍攝兩張圖像的問題，由此可獲得更加清晰圖像，便于醫(yī)生對圖片的觀察和使用。由于在本發(fā)明中會拍攝到小腸側壁內(nèi)很多重疊的信息，本發(fā)明可以充分利用這些重疊圖像部分的信息來輔助圖像自動分析技術。本發(fā)明的技術方案可以配合本發(fā)明人已經(jīng)公開的申請?zhí)枮?00910186622. 7名稱為“基于無線膠囊內(nèi)視鏡或視頻內(nèi)窺鏡體內(nèi)攝像的圖像處理方法及其系統(tǒng)”的中國專利申請一起使用。利用該專利申請的技術通過后期圖像處理已經(jīng)捕捉得到的圖像，將其逆投影到腸壁連續(xù)捕獲的二維逆圖像，得到二維到三維圖像的轉換?；诒景l(fā)明寬視野低失真的特性，逆投影技術的可實現(xiàn)度與精確度也可獲得相當大的提升，從而顯著減少醫(yī)護人員研究攝影圖像的時間，大大提高診斷效率。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明解決了其視野空間小，亮度低，失真嚴重導致臨床診斷過程中出現(xiàn)漏檢所導致的問題，可以實現(xiàn)對胃腸疾病全面，準確的診斷。與已有的系統(tǒng)相比， 本發(fā)明更具實際意義和臨床應用價值。


下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述圖1為本發(fā)明無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的總體架構示意圖，包括體外裝置和無線膠囊內(nèi)窺鏡；圖2為本發(fā)明的體內(nèi)無線膠囊內(nèi)窺鏡的結構示意圖。其中實例2(a)采用圓錐狀反射鏡；實例2(b)采用凸面反射鏡；其中，1為膠囊殼體；2為控制裝置；3為照相裝置；4為光源；5為無線收發(fā)裝置；6為能源供應裝置；11為透明區(qū)域；31為圖像傳感器；32為反射鏡；33為環(huán)形透鏡；34為圖像傳感器控制器；圖3為本發(fā)明的成像范圍(視野)說明圖。其中圖3(a)為圓錐棱鏡光線反射原理圖簡例；實例3(b)為由棱鏡和透鏡組成的系統(tǒng)的視野角度示意圖4為膠囊內(nèi)窺鏡成像中像點與源點的對應關系。其中4(a)為傳統(tǒng)膠囊內(nèi)窺鏡； 4(b)為采用圓錐狀反射鏡與環(huán)形透鏡結合的本發(fā)明新式膠囊內(nèi)窺鏡；圖5為本發(fā)明圖像傳感器成像的光學示意圖。
具體實施例方式以下結合具體實施例對上述方案做進一步說明。應理解，這些實施例是用于說明本發(fā)明而非限制本發(fā)明的范圍。但本發(fā)明的保護范圍不受膠囊內(nèi)部非圖像獲取系統(tǒng)(即除透鏡、棱鏡、圖像傳感器設計之外的部分)的實施例的限制。實施例1錐面反射鏡與環(huán)形透鏡配合的無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)本實施例的無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)總體架構如圖1所示，包括無線膠囊內(nèi)窺鏡和體外裝置，所述無線膠囊內(nèi)窺鏡與體外控制無線膠囊內(nèi)窺鏡的體外裝置通過無線傳輸，所述體外裝置包括數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，所述控制裝置與無線收發(fā)裝置連接將圖像信號傳輸給體外裝置。該無線膠囊內(nèi)窺鏡為帶環(huán)形透鏡的無線膠囊內(nèi)窺鏡，如圖2(a)所示，包括膠囊殼體1、控制裝置2、照相裝置3、光源4、用于無線傳輸拍攝的圖像的無線收發(fā)裝置5、和為控制裝置2、照相裝置3、光源4、無線收發(fā)裝置5分別提供能源的能源供應裝置6，所述控制裝置 2、照相裝置3、光源4、無線收發(fā)裝置5、能源供應裝置6均密封在膠囊殼體1內(nèi)，所述膠囊殼體1上設置供光源4將光線投射出的透明區(qū)域11，所述照相裝置3包括圖像傳感器31、圖像傳感器31與透明區(qū)域11間設置反射鏡32，所述反射鏡32外側套設環(huán)形透鏡33，所述環(huán)形透鏡33將透明區(qū)域11外側的光線反射到圖像傳感器31上成像。所述反射鏡32、圖像傳感器31排列在同一光軸上。圖像傳感器31連接有圖像傳感器控制器34，所述圖像傳感器控制器34與控制裝置2連接，將圖像傳感器31接收的電信號進行處理后發(fā)送給控制裝置2。所述反射鏡32的反射面為錐面。所述光源4為設置在圖像傳感器31的外側的微型照明系統(tǒng)；所述控制裝置 2為膠囊微處理器；所述無線收發(fā)裝置5為帶天線的膠囊無線收發(fā)功能模塊；所述能源供應裝置6為微型電池。所述膠囊殼體1由具有透明區(qū)域11的透明球殼和非透明的膠囊外殼組成。如圖2(a)所示，在體內(nèi)無線膠囊內(nèi)窺鏡的透明外殼內(nèi)增添了環(huán)形透鏡(截面類似于兩個凸透鏡)，及反射鏡。此種設計使成像方向(對比傳統(tǒng)設計之一US693i^95，在膠囊一端安裝透鏡鏡頭)從捕捉由膠囊頭部拍攝的畫面(由于成像面并不垂直于膠囊行進方向， 會導致圖像失真，在前文已做過解釋)改變?yōu)榇怪迸臄z平行于膠囊主體外側一段腸道環(huán)狀面積(即成像面垂直于膠囊行進方向，且縮短了等效的物距)，達到使無線膠囊內(nèi)窺鏡擁有廣闊視野和精確成像能力的目的，減少診斷過程中信息的遺漏。實施例2弧面反射鏡與環(huán)形透鏡配合的無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)總體架構和結構類似實施例1，但采用的無線膠囊內(nèi)窺鏡如圖2(b)所示，由以下具體的部件構成，如透明球殼，環(huán)形透鏡33，弧面反射鏡32，微型照明系統(tǒng)，圖像傳感器31，圖像傳感器控制器34，膠囊微處理器，膠囊無線收發(fā)功能模塊，天線， 微型電池和膠囊外殼。上述部件全部密封在膠囊外殼之內(nèi)。各組成部件的連接關系為環(huán)形透鏡33圍繞著弧面反射鏡32，弧面反射鏡32及圖像傳感器31依次沿同一光軸排列，透明球殼位于膠囊外殼靠近反射鏡的一端，膠囊微處理器通過膠囊無線收發(fā)功能模塊連接到天線，圖像傳感器31與圖像傳感器控制器34相連，圖像傳感器控制器34與膠囊微處理器相連。微型電池分別連接微型照明系統(tǒng)、圖像傳感器31、圖像傳感器控制器34、膠囊微處理器、膠囊無線收發(fā)功能模塊并為它們供電，以保障整個系統(tǒng)的正常運行。在微型照明系統(tǒng)的照明下，胃腸道內(nèi)壁圖像通過透明球殼，環(huán)形透鏡33和弧面反射鏡32成像在圖像傳感器 31上，并轉換為電信號，圖像傳感器控制器34將上述電信號進行處理并發(fā)送給膠囊微處理器，膠囊微處理器通過膠囊無線收發(fā)功能模塊和天線將腸道內(nèi)壁圖像信號無線發(fā)射到體外裝置。所述的體外裝置包括電源、電源開關、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊(圖像)及數(shù)據(jù)顯示模塊。體外裝置的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊及數(shù)據(jù)處理模塊接收體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)， 并在數(shù)據(jù)顯示模塊上進行顯示。以下為對本膠囊圖像獲取系統(tǒng)的結構及其原理進行具體解釋如圖2(a)所示，實施例1中無線膠囊內(nèi)窺鏡的膠囊殼體內(nèi)所包含的環(huán)形透鏡33 的截面為i、ii，截面的一端與透明膠囊外殼部分及反射鏡(圓錐棱鏡)頂點對齊(或略靠近膠囊頭部)；且環(huán)形透鏡的截面徑長(i的長度)應與反射鏡(圓錐棱鏡)的頂點到底邊的長度(即圓錐的高的長度)相等。反射鏡(圓錐棱鏡)能使斜射在反射鏡(圓錐棱鏡32) 表面的光線發(fā)生全反射，其截面的兩個底角為45°，截面底邊的直徑長度應與圖像傳感器 (31)的尺寸保持一致。同時，透鏡截面i及ii距離膠囊透明區(qū)域11的遠近，透鏡截面i及 ii (實際上是凸透鏡)的焦距，透鏡截面i及ii與反射鏡32 (圓錐棱鏡)間的間距，反射鏡 32(圓錐棱鏡)與圖像傳感器31間的間距均可依據(jù)已有數(shù)據(jù)模擬后進行合理的調整。本發(fā)明基于圓錐棱鏡原理提出的實施例2，即反射鏡使用弧面椎狀棱鏡取代圓錐棱鏡可更大程度的提升視野廣度。如實施例2所述的圖2 (b)方案，與實施例1所述的圖2 (a)方案基本保持一致。無線膠囊內(nèi)窺鏡的膠囊殼體內(nèi)所包含的環(huán)形透鏡的截面為i及ii，截面的一端與膠囊透明區(qū)域11部分及反射鏡32 (弧面棱鏡)頂點對齊(或略靠近膠囊頭部)；且環(huán)形透鏡的截面徑長(i的長度)應與反射鏡32 (弧面棱鏡)的頂點到底邊的長度(即圓錐的高的長度)相等。反射鏡32 (弧面棱鏡)能使斜射在反射鏡32 (弧面棱鏡)表面的光線發(fā)生全反射，其切面的斜率可按需通過計算做出適當調整以改變視野寬度。環(huán)形透鏡的截面i及ii底邊的直徑長度應與圖像傳感器31的尺寸保持一致。同時，透鏡截面i及ii距離透明區(qū)域11的遠近，環(huán)形透鏡(截面i及ii)的焦距，環(huán)形透鏡(截面i及ii)與反射鏡32 (弧面棱鏡) 間的間距，反射鏡32 (弧面棱鏡)與圖像傳感器31間的間距均可依據(jù)已有數(shù)據(jù)模擬后得出合理的調整。通過改變不同參數(shù)的大小，圖2(b)所示方案可提供較圖2(a)更為廣闊的視野寬度。以下對實施例中無線膠囊內(nèi)窺鏡的圖像成像原理進一步的闡述圖3(a)為利用棱鏡反射原理獲取“擬直視”圖像的原理簡圖。由圖可見，深色的 AC段為不添加透鏡鏡頭時可拍攝到的圖像范圍。由于反射鏡32的截面為等腰直角三角形 (即兩底角為45° )，任意一條射入反射鏡32反射面的光線都會發(fā)生90°的角度變化。若圖像傳感器31的半徑與反射鏡32底面半徑相等，則恰好使得成像范圍的較近端點A在圖像傳感器31的中心成像(為A’點)，同時較遠端點C在圖像傳感器31的邊緣成像(為C’ 點)。所成虛像距離應與實際光線傳播距離相等，則虛像成像面為圖中所示的A’ B’ C’面，從而間接改變了拍攝方向，達到了類似于直視前方的“擬直視”效果。圖3(b)為添加了透鏡鏡頭的拍攝圖像視野范圍示意圖。圖中透鏡(截面i)為環(huán)形透鏡的部分截面圖，其中f與f’表明了透鏡(截面i)的兩個焦點。由于經(jīng)由凸透鏡焦點的光線將平行射出透鏡(截面i)，則圖中經(jīng)由焦點f的兩條光線標明了系統(tǒng)可拍攝范圍的兩個極限。深色區(qū)域AC標明了本設計的視野范圍，其廣度可由透鏡焦距等因素確立和改變。由此可見，此種方案使得膠囊圖像獲取系統(tǒng)的視野范圍變得更廣，更靈活。以下通過傳統(tǒng)無線膠囊內(nèi)窺鏡與本發(fā)明的無線膠囊內(nèi)窺鏡圖像成像像素對應實物比例的對比進行具體說明圖4(a)中展示了傳統(tǒng)無線膠囊內(nèi)窺鏡成像中像點與源點的對應關系。由于圖中小腸內(nèi)壁與透鏡中心軸及出射光線相互平行。對于腸道內(nèi)相等間距的三個點A，B和C;如假設，A，B，C在圖像傳感器上的成像也是等距的，則需bb’ //aa，，才有ab = bc。然而，bb’ 與aa’均為經(jīng)過焦點f的兩條光線，兩線平行不成立。由此可知，以上假設不成立，即當AB = BC 時，A" B〃乒 B" C"；通過以上證明可知，對于傳統(tǒng)膠囊內(nèi)窺鏡成像方式，等距的多個實物像點在圖像傳感器上并非等距成像，由此造成前文提及的同張圖片各區(qū)域成像比例不同，是使得圖像失真的原因。圖4(b)中展示了本發(fā)明膠囊內(nèi)窺鏡成像中像點與源點的對應關系。同樣由圖中小腸內(nèi)壁與透鏡中心軸及出射光線相互平行，對于腸道內(nèi)相等間距的三個點A，B和C，易知油=-=^ b〃 =b〃 c'；且因為棱鏡切面底角為45°，任意入射光線都會在棱鏡表面發(fā)生全反射后，經(jīng)90°角度改變出射，如圖所示經(jīng)過焦點的入射光線平行射出透鏡，則即當AB = BC 時，A" B" =B" C"成立。由此可知，本發(fā)明的成像原理可使等距的多個實物像點在圖像傳感器上等距成像，則各像素對應的實物大小也與像素位置無關，完全消除了像素位置帶來的失真。以下對兩種已有設計和本發(fā)明無線膠囊內(nèi)窺鏡的圖像傳感器的利用率進行對比說明如圖4(a)中所示，對于傳統(tǒng)的膠囊內(nèi)窺鏡設計來說，越遠離膠囊的小腸內(nèi)壁源像點，其成像越靠近圖像傳感器的中心0處。理論上，圖像傳感器不應有黑區(qū)。然而，對目前的攝像鏡頭來說，可拍攝的遠度受限(即不能拍攝到無窮遠處的圖像)，從而造成了約10% 到15%的中央黑區(qū)，降低了圖像傳感器的利用率。美國專利申請US2006238614的新型膠囊內(nèi)鏡可同時拍攝處于膠囊兩端的圖像， 其出于分割同張圖片上的兩幅圖像的目的，亦會犧牲圖像傳感器利用率。圖5展示了本發(fā)明的膠囊內(nèi)窺鏡成像的光學示意圖全景，由圖可知位于膠囊上下部的兩個透鏡(截面i及ii)所攝入的光線可分別于棱鏡的兩個表面Ou)和Qd)上發(fā)生與入射光線成90°角的全反射。通過配合反射鏡32，透鏡(截面i及ii)及圖像傳感器31 的大小遠近等因素可恰好使圖像傳感器得到100%的利用。綜上所述，本發(fā)明解決了傳統(tǒng)無線膠囊內(nèi)窺鏡視野范圍小，亮度低，失真嚴重導致臨床診斷過程中出現(xiàn)漏檢所導致的問題，提供一種比現(xiàn)有技術具有更廣闊視野的無線膠囊內(nèi)窺鏡，減小了傳統(tǒng)技術帶來的失真，擴大了所采集圖像的有效面積，提高了同等照明條件下的圖像亮度，從而減少了電池消耗，并且為后期圖像處理提供了方便，從整體上提高無線膠囊內(nèi)窺鏡對胃腸疾病診斷的應用價值。 上述實例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人是能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種帶環(huán)形透鏡的無線膠囊內(nèi)窺鏡，包括膠囊殼體(1)、控制裝置(2)、照相裝置 (3)、光源(4)、用于無線傳輸拍攝的圖像的無線收發(fā)裝置(5)、和為控制裝置(2)、照相裝置 (3)、光源(4)、無線收發(fā)裝置(5)分別提供能源的能源供應裝置(6)，所述控制裝置(2)、照相裝置(3)、光源(4)、無線收發(fā)裝置(5)、能源供應裝置(6)均密封在膠囊殼體(1)內(nèi)，其特征在于所述膠囊殼體(1)上設置供光源(4)將光線投射出的透明區(qū)域(11)，所述照相裝置 (3)包括圖像傳感器(31)、圖像傳感器(31)與透明區(qū)域(11)間設置反射鏡(32)，所述反射鏡(32)外側套設環(huán)形透鏡(33)，所述環(huán)形透鏡(33)將透明區(qū)域(11)外側的光線反射到圖像傳感器(31)上成像。
2.根據(jù)權利要求1所述的帶環(huán)形透鏡的無線膠囊內(nèi)窺鏡，其特征在于所述反射鏡 (32)、圖像傳感器(31)排列在同一光軸上。
3.根據(jù)權利要求2所述的帶環(huán)形透鏡的無線膠囊內(nèi)窺鏡，其特征在于所述圖像傳感器(31)連接有圖像傳感器控制器(34)，所述圖像傳感器控制器(34)與控制裝置(2)連接， 將圖像傳感器(31)接收的電信號進行處理后發(fā)送給控制裝置(2)。
4.根據(jù)權利要求2所述的帶環(huán)形透鏡的無線膠囊內(nèi)窺鏡，其特征在于所述無線膠囊內(nèi)窺鏡與體外控制無線膠囊內(nèi)窺鏡的體外裝置通過無線傳輸，所述體外裝置包括數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，所述控制裝置(2)與無線收發(fā)裝置(5)連接將圖像信號傳輸給體外裝置。
5.根據(jù)權利要求2所述的帶環(huán)形透鏡的無線膠囊內(nèi)窺鏡，其特征在于所述反射鏡 (32)的表面為凸面。
6.根據(jù)權利要求5所述的帶環(huán)形透鏡的無線膠囊內(nèi)窺鏡，其特征在于所述反射鏡 (32)的反射面為錐面或弧面。
7.根據(jù)權利要求2所述的帶環(huán)形透鏡的無線膠囊內(nèi)窺鏡，其特征在于所述光源(4)為設置在圖像傳感器(31)的外側的微型照明系統(tǒng)；所述控制裝置(2)為膠囊微處理器；所述無線收發(fā)裝置(5)為帶天線的膠囊無線收發(fā)功能模塊；所述能源供應裝置(6)為微型電池。
8.根據(jù)權利要求2所述的帶環(huán)形透鏡的無線膠囊內(nèi)窺鏡，其特征在于所述膠囊殼體 (1)由具有透明區(qū)域(11)的透明球殼和非透明的膠囊外殼組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶環(huán)形透鏡的無線膠囊內(nèi)窺鏡，包括膠囊殼體(1)、控制裝置(2)、照相裝置(3)、光源(4)、用于無線傳輸拍攝的圖像的無線收發(fā)裝置(5)、和為控制裝置(2)、照相裝置(3)、光源(4)、無線收發(fā)裝置(5)分別提供能源的能源供應裝置(6)，所述控制裝置(2)、照相裝置(3)、光源(4)、無線收發(fā)裝置(5)、能源供應裝置(6)均密封在膠囊殼體(1)內(nèi)，其特征在于所述膠囊殼體(1)上設置供光源(4)將光線投射出的透明區(qū)域(11)，所述照相裝置(3)包括圖像傳感器(31)、圖像傳感器(31)與透明區(qū)域(11)間設置反射鏡(32)，所述反射鏡(32)外側套設環(huán)形透鏡(33)，所述環(huán)形透鏡(33)將透明區(qū)域(11)外側的光線反射到圖像傳感器(31)上成像。該內(nèi)窺鏡通過環(huán)形透鏡與反射鏡結合，有效的利用的圖像傳感器。利用本發(fā)明所訴的系統(tǒng)拍攝的照片沒有中央黑區(qū)，大大提高了圖片有效信息量。
文檔編號A61B1/00GK102370453SQ201110331099
公開日2012年3月14日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權日2011年10月27日
發(fā)明者林永義, 王炤, 羅天明, 陳瑾慧 申請人:西交利物浦大學