专利名称：三维立体硬质电子关节镜系统及其使用方法
本发明的目的是克服现有技术的不足，具体公开一种三维立体硬质电子关节镜， 该三维立体硬质电子关节镜能在手术过程中对关节腔进行立体三维重构，帮助医护人员了 解关节腔内病变状况，为制定处理方案提供更好的图像依据。为了达到上述技术目的，本发明是通过以下技术方案实现的本发明所述的三维立体硬质电子关节镜系统，包括硬质电子关节镜及与硬质电子 关节镜连接的冷光源主机，所述硬质电子关节镜包括硬质工作端部、内镜主体部分，所述硬 质工作端部上设有能对关节腔进行三维立体扫描拍摄、显示其全景三维立体图像并对关节 腔进行三维立体重构的多CXD阵列模块，所述多CXD阵列模块包括至少一置于硬质工作端 部先端部前端面的端面CCD阵列模块，及至少一置于硬质工作端部先端部外圆表面的圆周 面CCD阵列模块。所述具有多阵列模块能对关节腔进行三维立体扫描拍摄、显示全景三维 立体图像的硬质电子关节镜称之为三维立体硬质电子关节镜。本发明所述的三维立体硬质电子关节镜，按照是否具有治疗的功能和是否带把 手，可以分为带有通道带把手的三维立体硬质电子关节镜、有通道无把手的三维立体硬质 电子关节镜，和不带通道带把手、不带通道无把手的三维立体硬质电子关节镜共四种结构 形式，具体如下第一种，带有通道无把手的三维立体硬质电子关节镜，其包括硬质工作端部、内镜 主体部分、数据接头端、冷光源接头、器械通道、进水通道和出水通道等。第二种，带有通道带把手的三维立体硬质电子关节镜，其包括硬质工作端部、内镜 主体部分、把手部分和一体化接口、和冷光源接头、器械通道、进水通道和出水通道第三种，不带通道无把手的三维立体硬质电子关节镜，其结构包括硬质工作端部、 内镜主体部分、数据接头端和冷光源接头等。第四种，不带通道带把手的三维立体硬质电子关节镜，其结构包括硬质工作端部、 内镜主体部分、把手部分和一体化接口或者数据接头端和冷光源接头等。本发明中，上述带通道的三维立体硬质电子关节镜的硬质工作端部，其外径小于 等于12mm，且所述硬质工作端部长150 200mm，其前端6 15mm为先端部，先端部设计有 多CXD阵列模块、光导纤维部分、器械通道出口和进出水通道出口。本发明中，上述不带通道的三维立体硬质电子关节镜的硬质工作端部，其外径小 于等于12mm，工作端部长150 200mm，其前端6 15mm为先端部，先端部设计有多CXD阵 列模块、光导纤维部分。本发明所述的多CCD阵列模块，包括先端部端面的CCD阵列和测距器，先端部外圆 表面的CXD阵列及其测距器。本发明中，所述置于先端部端面的端面CCD阵列模块包括端面CCD阵列和端面测 距器，所述端面CXD阵列的内部最少包括2个CXD元件，所述CXD元件线性排列，且每个CXD 对应一组光学镜头，能同时对同一个腔内部分成像，每组光学镜头的视场角至少90°，CXD 阵列至少具有每秒拍摄5张的速度。所述的端面测距器利用激光或者声波等的反射原理， 对关节腔距离、深度进行测定。端面测距器的工作频率与端面CCD阵列的工作频率一致，保 证数据同步，利于进行立体重建。本发明中，所述置于先端部外圆表面的圆周面CCD阵列模块包括圆周面CCD阵列和圆周面测距器，所述圆周面CXD阵列至少包括一组CXD阵列，一组CXD阵列包括至少2个 CCD元件及对应的光学镜头，能同时对同一个腔内部分成像，每组光学镜头的视场角至少 90°，C⑶阵列至少具有每秒拍摄5张的速度。一组CXD阵列的适当位置配置一个测距器， 其工作频率与CCD阵列的工作频率一致，保证数据同步，以利于进行立体重建。CCD阵列安 装在能以主轴做旋转运动的圆环载体上，能对关节腔进行旋转的CCD影像拍摄，圆环载体 旋转的速度与外部固定支架的运动速度成比例，以保证关节腔内的影像能进行多角度的无 缝结合，对三维立体重构有重要意义。本发明所述的光导纤维部分，是为三维立体硬质电子关节镜的工作提供足够光源 的传输光路，其出口至少分为两个部分，一个部分为先端部的前端提供光源，一个部分为先 端部圆周360°的范围提供光源。本发明所述的带有通道的三维立体硬质电子关节镜，其器械通道内径小于等于 3. 0mm，进水通道和出水通道分别小于等于1. 0mm。本发明所述的外部固定支架，其作用是配合三维立体硬质电子关节镜进行关节腔 的CCD阵列扫描，其移动速度与三维立体硬质电子关节镜先端部的多CCD阵列旋转扫描拍 摄速度成比例。其结构包括固定夹具、支架、精密移动装置。固定夹具用于紧密固定三维立 体硬质电子关节镜的内镜主体部分，支架连接固定夹具与精密移动装置，精密移动装置使 用高性能的电机驱动，电机的运动速度由处理主机统一控制。精密移动装置传动方式不限， 可以采用丝杆传动或者导轨传动，精密移动装置固定在刚性平台之上。本发明所述的处理主机，其核心部分采用高速的中央处理器和高性能显卡，用于 接收和处理三维立体硬质电子关节镜返回的图像信息和测距器的数据组成的数据包，通过 分析数据包的各种数据，对关节腔图像进行立体重构，还原关节腔的立体三维图像。内部的 运动控制卡用于精确控制外部固定支架运动。所述的工作站组件与处理主机通过数据线连接，工作站组件包括监视器、工作站 主机、控制部件(键盘鼠标等)及外部设备(外部储存器、打印机等)。工作站组件的功能 是显示处理主机输出的三维立体图像，分析、储存数据和打印相关资料等。本发明所述的三维立体硬质电子关节镜系统，其临床使用方法及系统连接如下 医生对患者关节作消毒麻醉后，作微小切口，通入三维立体硬质电子关节镜先作观察，经进 水通道通入生理盐水，扩大关节腔，需要进行关节腔的全景立体重建时，则需要使用外部固 定支架固定好内镜主体部分，通过调节支架，使得三维立体硬质电子关节镜进入关节腔内， 固定好支架，同时尽可能稳定病人，使得内镜和关节腔腔尽可能减少干扰，准备完毕后，开 启扫描功能，外部固定支架驱动内镜均勻速度往外移动。多CCD阵列模块对关节腔进行直 线和旋转的扫描拍摄的同时，外部固定支架做勻速的移动，其速度与CCD阵列的旋转成比 例，测距器将实时测量先端部的CCD阵列与关节腔内组织的精确距离，多CCD阵列模块和测 距器的数据包通过数据线传输至处理主机进行计算处理，传输至工作站组件的监视器进行 三维立体图像的显示。与现有技术相比，本发明的有益效果本发明所述的三维立体关节镜参考了嫦娥二号绕月卫星上的CXD立体相机的相 关概念和原理，首次使用多CXD阵列对人体腔道进行立体扫描拍摄和立体重建，通过处理 主机的处理，获得关节腔的腔体和腔道的立体影像，关节的立体图像对于医生以多角度观察其内在的病变及研究病变成因，制定最合理有效的处理方案，具有重要的实际意义。因 此，本发明所述的三维立体关节镜方便医生通过在立体的影像的指导下可以进行手术处 理，病症研究等临床和科研的研究，将医生的手术习惯从平面引入到立体的层面，革新了手 术手段，提高病症的处理效率和准确率等。图1是本发明的三维立体硬质电子关节镜系统结构示意图。图加、图2b是本发明的带通道三维立体硬质电子关节镜的结构图(包括不带把手 和带把手两种形式)。图3a是本发明中带通道三维立体硬质电子关节镜先端部结构示意图(对应于上 述图2a、图2b)。图2c、图2d是本发明的不带通道三维立体硬质电子关节镜的结构图(包括不带把 手和带把手两种形式)。图北是本发明中带通道三维立体硬质电子关节镜先端部结构示意图(对应于上 述图2c、图2d)。图4是本发明的三维立体硬质电子关节镜的先端部多CCD阵列模块剖面示意图。图5是本发明的不带通道三维立体硬质电子关节镜系统的外部固定支架结构示 意图。图6是本发明的不带通道三维立体硬质电子关节镜系统的临床应用示意图。 如图2c、2d为本发明所述的不带通道的三维立体硬质电子关节镜1的结构图。所 述不带通道的三维立体硬质电子关节镜1有两种形式第一种是不带把手、不带通道的三维立体硬质电子关节镜，如图2c所示，其包括 硬质工作端部11、内镜主体部分10、数据接头端12、冷光源接头15等。第二种是带把手的不带通道的三维立体硬质电子关节镜，如图2d所示，其包括硬 质工作端部11、内镜主体部分10、把手部分18、一体化接口 19，一体化接口 19集成有冷光 源接头和数据接头端12的作用，设计在把手部分18内部。上述两种不带通道的三维立体硬质电子关节镜1的硬质工作端部11，其外径小于 等于12mm，工作端部长150 200mm，其前端IOmm为先端部111，如图北所示，所述先端部 111设计有多CCD阵列模块(包括端面CCD阵列模块、圆周面CCD阵列模块)、光导纤维部 分121，光导纤维部分121提供立体三维电子关节镜1前端和圆形端面观察必要的亮度。如图3a、图北所述，所述端面CXD阵列模块，包括置于先端部111端面的端面CXD 阵列151和端面测距器152。所述的先端部端面的CXD阵列153，其内部结构最少包括2个 CCD元件，CCD元件线性排列，每个CCD对应一组镜头，能同时对同一个关节腔壁的部分成 像，每组镜头的视场角至少90°，C⑶阵列至少具有每秒拍摄5张的速度。所述的测距器 152利用激光或者声波等的反射原理，对关节腔距离、深度进行距离的测定。测距器152的 工作频率与(XD阵列的工作频率一致，保证数据同步，利于进行立体重建。所述圆周面CXD阵列模块包括置于先端部111外圆表面的圆周面CXD阵列153及 圆周面测距器154。所述的圆周面C⑶阵列153，至少包括一组C⑶阵列，一组CXD阵列包 括至少2个CXD元件及对应的镜头，能同时对同一个腔内部分成像，每组镜头的视场角至少 90°，C⑶阵列至少具有每秒拍摄5张的速度。一组C⑶阵列的适当位置配置一个圆周面 测距器154，该圆周面测距器154的工作频率与圆周面CXD阵列153的工作频率一致，保证 数据同步，以利于进行立体重建。如图4所示是本发明所述的三维立体硬质电子关节镜的先端部多CCD阵列模块剖 面示意图。由图可知，所述端面CCD阵列151和端面测距器152直接固定于先端部111端 面的，端面CCD阵列151的视场角最少90°，其作用主要是拍摄内镜前端的三维图像。所述 的先端部111外圆表面的圆周面CCD阵列153和圆周面测距器IM安装在内镜先端部11 的可以绕内镜工作端部11主轴旋转的圆环载体巧5上，能对关节腔进行旋转的CCD影像拍 摄，圆环载体巧5旋转的速度与外部固定支架2的运动速度成比例，以保证关节腔内的影像 能进行多角度的无缝结合。所述圆环载体1 通过配合固定在内镜内部的固定机构158，可 以与固定机构158进行平滑的相对旋转运动，CXD阵列153和测距器154的数据也通过适 当传输方式经数据线156传输至处理主机，圆环载体155的动力来自于内镜先端部的微型 马达157，通过传动结构提供圆环载体绕固定机构158旋转的能量。如图5所示为本发明所述的外部固定支架2的结构简图。外部固定支架2的作用 是配合三维立体硬质电子关节镜1进行关节腔腔的CCD阵列扫描，其移动速度与三维立体 硬质电子关节镜1先端部的CCD阵列(包括端面CCD阵列151、圆周面CCD阵列153)旋转 扫描拍摄速度成比例。其结构包括固定夹具23、支架22、移动装置21。固定夹具23用于紧 密固定三维立体硬质电子关节镜1的内镜主体部分10，支架22连接固定夹具23与移动装 置21，移动装置21使用高性能的电机驱动，电机的运动速度由处理主机4统一控制。移动装置21传动方式不限，可以采用丝杆传动或者导轨传动，精密移动装置21固定在刚性平台 之上。 如图6所示为本发明所述的三维立体硬质电子关节镜系统的临床应用示意图。三 维立体硬质电子关节镜1连接冷光源主机5及处理主机3，工作站组件(工作站主机4，控 制部件6，监视器7和外部设备8)处于正常工作状态，三维立体硬质电子关节镜1的硬质 工作端部11经关节患处的微小缺口进入关节腔9内，三维立体硬质电子关节镜1固定在外 部固定支架2之上，两者状态稳定，尽量减少外接对关节腔道9和三维立体硬质电子关节 镜1的干扰，通过工作站组件(工作站主机4，控制部件6，监视器7和外部设备8)启动三 维立体硬质电子关节镜1的多CCD阵列的扫描拍摄功能，同时启动外部固定支架2的精密 移动装置21，其移动速度与三维立体硬质电子关节镜1的先端部的环形载体155的旋转速 度成比例，以保证成像质量和有利于处理主机进行三维立体重建，所有数据通过处理主机3 处理后传输至工作站组件的主机4进行进一步计算合成，重建成三维立体影像，显示在监 视器7。三维立体硬质电子关节镜1对整个关节腔9进行扫描后，可以清晰地显示出关节 腔9的全景三维图，为医生了解关节腔道9的深层情况提供更为详细的依据。关节腔9的 三维立体影像重建后，医生可以根据三维图像，使用带有通道的三维立体硬质电子关节镜1 对关节腔内病变进行处理。
本发明属于医用器械领域，具体公开一种三维立体硬质电子关节镜系统，其包括硬质电子关节镜，所述硬质电子关节镜包括硬质工作端部、内镜主体部分，所述硬质工作端部上设有能对关节腔进行三维立体扫描拍摄、显示其全景三维立体图像并对关节腔进行三维立体重构的多CCD阵列模块，所述多CCD阵列模块包括至少一置于硬质工作端部先端部前端面的端面CCD阵列模块，及至少一置于硬质工作端部先端部外圆表面的圆周面CCD阵列模块。本发明通过至少两个部分的CCD阵列模块配合内窥镜的纵深运动，所得到的所有关于关节内的图像资料和和测距器测出的距离数据传输到处理主机进行集中处理重构，重现关节的立体环境，帮助医护人员更为清楚地了解关节腔内病变状况，为制定处理方案提供更好的图像依据，具有重要的实际意义。