深圳大学物理与光电工程学院，教育部/广东省光电子器件与系统重点实验室，广东 深圳 518060
介绍各种非线性光学显微成像的基本原理，并阐述非线性光学成像的多模态耦合所面临的技术挑战与解决方案。从成像速度、空间分辨率以及信噪比三个方面介绍了多模态非线性光学成像的研究进展，并扩展了多模态非线性光学内窥镜和图像分析方法。最后展望了多模态非线性光学成像的发展趋势和所面临的挑战，以期给相关领域研究人员提供参考。
成像系统 显微成像 非线性光学 多模态光学成像 光学内窥镜
1 浙江大学光电信息科学与工程学院，浙江 杭州 310027
2 浙江省医疗器械审评中心，浙江 杭州 310009
3 之江实验室类人感知研究中心，浙江 杭州 311100
采用蒙特卡罗模拟技术对血管组织在可见光波段的多光谱成像进行建模仿真，通过分析不同血氧饱和度下血液后向散射功率的绝对值、相对值、绝对差值和对比度，并考虑可能的干扰因素，优选出适合内窥环境下使用的450 nm、525 nm、630 nm和660 nm 4个成像波段。基于4个优选的成像波段展开了血氧饱和度检测的实验验证。在血管仿体组织上的实验结果表明，在95%的置信水平下，血氧饱和度的检测偏差为1.24%。研究结果验证了利用四波段进行内窥组织血氧饱和度检测的可行性。
医用光学 多光谱成像 内窥镜 血氧饱和度 蒙特卡罗仿真
中国工程物理研究院 总体工程研究所, 四川 绵阳 621000
光纤内窥镜被广泛应用于复杂结构狭小空间里的破坏损伤探测, 但因其固有特性及外界噪声影响致使采集到的图像呈现蜂窝网格状, 且存在30%左右的桶形畸变。针对此问题, 提出了一种基于光纤内窥镜图像标定方法, 首先设计了可自由移动的标定系统, 然后采用高斯滤波、二值化处理、mark点识别、畸变矫正等方法对标定板图像中的光纤束进行处理, 最后使用该标定方法对光纤内窥镜拍摄的不同类型的标定板图像进行标定矫正。试验结果表明, 所提标定方法适合多种场景和不同质量图像的矫正识别, 测量误差仅为10 μm。
光纤内窥镜 标定系统 畸变矫正 微位移 optical fiber endoscope, calibration system, disto
1 浙江大学 光电科学与工程学院, 浙江 杭州 310027
2 之江实验室 类人感知研究中心, 浙江 杭州 311100
全景内窥成像技术可有效减小体内器官的观察盲区，具有缩短手术时间、降低术中出血风险、改善手术预后、缩短术后恢复时间等多种优点，在微创手术和术前检查中有重要应用价值，是近年来的研究热点。本文从原理和产品应用两个方面对全景内窥成像技术进行了梳理。首先，综述了基于二维和三维成像的各种全景内窥成像技术，阐述了它们各自的实现方式，并分析了其关键指标和性能。其次，对比分析了由全景内窥成像技术衍生出来的胶囊内窥镜、全景结直肠镜等多种不同类型的产品，并展望了全景内窥成像技术的发展趋势和应用前景。
内窥镜 全景成像 3D重建 图像拼接 endoscope panoramic imaging 3D reconstruction image stitching
东莞理工学院电子工程与智能化学院, 广东 东莞 523808
胶囊内窥镜具有体积小、续航时间长、无疼痛等优势, 被广泛应用于人体内部空间的观察。但传统的胶囊内窥镜存在观察范围小、成像相对照度较低、图像质量较低等缺点。设计了一款成像范围大、相对照度高、分辨率高的胶囊内窥镜镜头, 镜头视场角(FOV)为150°, F数为2.8, 总长度小于6 mm, 平均视野中相对亮度超过90%。调制传递函数(MTF)在200 lp/mm时超过30%, 并且镜头仅用了5片球面镜, 结构紧凑, 解决了传统的胶囊内窥镜的劣势, 利于医护人员对病情进行准确的判断。
胶囊内窥镜 大视场 光学设计 像差 分辨率 capsule endoscope large field of view optical design aberration resolution
1 西安交通大学第一附属医院Med-X研究院再生与重建医学研究所，陕西 西安 710049
2 西安交通大学第一附属医院陕西省再生医学与外科工程研究中心，陕西 西安 710061
3 西安交通大学第一附属医院肝胆外科，陕西 西安 710061
4 西安交通大学第一附属医院激光光动力诊疗中心，陕西 西安 710061
光动力疗法是一种利用激光、光敏剂发生光化学反应从而特异性杀灭肿瘤细胞的药械联合疗法。治疗的柔性光纤可随人体自然腔道的弯曲而弯曲，通过内窥镜活检通道，光纤能够到达腔内近距离照射肿瘤部位。内窥镜辅助光动力疗法因具有显著的局部疗效和微创治疗优势而被广泛应用于腔道恶性肿瘤的治疗中。本文介绍了光动力治疗肿瘤疾病的内窥镜技术的发展，提出了在实现术前诊断、术中可视、视场统一及诊疗一体等目标中存在的技术问题，并汇总了解决方案。本文概述了光动力诊疗内窥技术在腔道肿瘤诊疗中的临床应用现状，以期为光动力治疗的精准化发展提供参考。
医用光学 光动力疗法 光动力诊断 腔道肿瘤 内窥镜
天津大学 精密仪器与光电子工程学院，光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
近年来，内窥镜广泛应用于复杂环境下小尺寸零件缺陷检测，该文设计一种用于航空发动机叶片检测的工业内窥镜光学系统。系统基本结构采用二次成像，物镜采用非对称反远距结构，将大视场光线收束进小口径腔体中，适配镜将物镜所成一次实像放大21倍，后接对角线长42 mm高速相机。系统基于Zemax设计软件进行系统优化、公差分析和像质评价，最终系统具有大视场（120°）、细孔径（3 mm）、耐高温（25 ℃~180 ℃）等特点。由于对视场、孔径和适配镜放大率有较高要求，因此合理引入非球面提高系统成像质量，入瞳直径提高至0.5 mm，系统空间截止频率在17 lp·mm?1处，全视场调制传递函数值均大于0.28，最大畸变值小于21.2 %。
光学设计 工业内窥镜 小口径 大视场 optical design industrial endoscope small caliber large field of view
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 中国人民解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科医学部，北京 100039
3 国家耳鼻咽喉疾病临床医学研究中心，北京 100039
为了实现从前鼻孔进镜对鼻黏膜表面进行直接显微成像，从而进行无创性观察和测量在体鼻纤毛运动，设计了一种能够分辨鼻纤毛，并且带有30°视向角的变倍硬性显微内窥镜。所设计的硬性内窥镜系统物方数值孔径为0.15，分辨率为272 lp/mm，工作距离为3.00 mm，视向角为30°，物面高度为0.40 mm，系统总长度为205.62 mm，物方口径为4.65 mm，放大倍率为6×~10×。此鼻黏膜纤毛显微内窥镜将可以避免取材造成的纤毛功能损害和受试者痛苦，极大地提高纤毛相关疾病的临床诊断能力，成为助益纤毛领域科研和临床工作的重要突破。
医用光学 鼻黏膜纤毛 硬性内窥镜 视向角 变倍 高分辨率
南京理工大学 电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
基于等腰棱镜和单摄像机设计了一款小型化工业内窥镜系统, 它能够同时获取同一场景的两个视图并在单帧CCD图像上显示。通过建立系统结构参数模型, 分析测量范围对系统测量误差的影响, 结果表明: 近距离测量时, 测量范围小系统误差小, 随着测量范围变大测量误差也会变大, 并且在沿着直线ω1=ω2方向, 误差变化平缓。利用该系统测量高精度标定板的方格尺寸, 测量误差达到微米量级, 平均误差为2.06%, 符合工业应用需求。文章系统结构紧凑, 系统参数相对较少, 对工业内窥镜的结构设计与应用具有一定的指导意义。
等腰棱镜 工业内窥镜 双目立体视觉 误差分析 biprism industrial endoscope binocular stereo vision error analysis
1 上海健康医学院发展规划处，上海 201318
2 上海大学机电工程与自动化学院，上海 200444
医用内窥物镜由于空间狭窄，设计难点在于如何进行局部光学变焦并分辨出局部放大人体组织的成像视图，因此物镜要满足低色差、高可靠性、微型化等需求。从分析内窥镜光学变焦存在的技术路线出发，应用阿尔瓦雷斯透镜在内窥物镜中实现光学变焦，这种结构变焦简单、结构稳定、快速且成像可靠。进一步以高斯括号法和像差理论为出发点，发展了基于阿尔瓦雷斯透镜内窥镜物镜消色差变焦光学设计理论。然后依据该理论，推导得到消色差物镜系统光学设计初始值。最后应用光学色差理论求解验证了理论的正确性，为进一步应用阿尔瓦雷斯透镜设计内窥镜提供了光学设计理论基础。
医用光学 镜头 变焦 内窥镜 光学设计 激光与光电子学进展
2022, 59(24): 2417001
