在視頻喉鏡的設計過程中，會遇到顯示屏上有雜散光等雜質的問題。針對此問題，利用 TracePro 光學仿真軟件模擬光路狀態，設計了一種光學結構。該結構采用尺寸為 4.5 mm×18 mm CMOS 傳感器采集圖像，像元尺寸為 1.75 μm×1.75 μm。傳感器放置在尺寸為 9 mm×10 mm 的喉鏡彎頭中，實現了視頻喉鏡要求的大視角（80°）、短焦距（2.8 mm）、長工作距離（10 cm）、無雜質的光學特性。該結構設計合理，通過測試，其成像圖像清晰，在照度符合規定的情況下，視角內無反射光斑和雜質，達到了消除雜散光、提高圖像質量的目的。
引用本文： 羅恩斯, 劉洪英, 周建萍, 蔡金芷, 尹曼, 皮喜田. 新型視頻喉鏡圖像傳感器結構設計. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(1): 57-61. doi: 10.7507/1001-5515.201601038 復制
引言
氣管插管技術是維持呼吸道通暢的有效方法，同時也是急診搶救和重癥醫學治療的常見操作。視頻喉鏡可以使醫生在圖像的引導下進行氣管插管，消除了視差和視覺盲區導致的額外損傷[1]。資料顯示，使用視頻喉鏡使醫生更容易操作，患者的心血管反應較輕[2]，同時還可避免患者聲帶水腫、舌根拉傷等并發癥的發生。視頻喉鏡要求有較高的成像質量，視角內無雜散光及雜質[3]。
國內大部分喉鏡經銷商都停留在代理國外廠商產品或者簡單的改裝重組階段，產品的穩定性、價格和質量都無法和國外產品相比[4]。調查顯示大部分的視頻喉鏡生產企業在產品設計過程中都會遇到很多難題，比如喉鏡顯示屏中會有比較明顯的反射光斑和窺視片的雜質等。如圖 1所示，矩形框內為反射光斑，橢圓形框內為圖像的窺視片雜質。雜散光是沒有按預定光路傳播的光線，其存在會造成像面對比度降低，成像質量下降[5-6]。目前，對于內窺鏡的雜散光分析及消除的研究很少，其抑制手段還停留在采用遮擋、噴漆以及添加雜散光收集結構等階段，鮮有從光學系統結構本身入手消除雜散光的方法[7-8]。針對視頻喉鏡顯示屏內有雜散光這一研發過程中的難題，本文采用 TracePro 軟件對視頻喉鏡圖像傳感器反射光路進行了仿真，以期解決視頻喉鏡研發過程中顯示屏內出現雜散光和雜質的問題。
圖1
顯示屏內的反射光斑和雜質
Figure1.
Reflected light spot and impurities in the display screen
1 問題提出和解決方案
視頻喉鏡在進行整機調試的時候發現顯示屏上有明顯的反射光斑和窺視片雜質，針對這個問題，開始僅僅以為是圖像傳感器的角度不對和 LED 光源沒有放置在正確的位置，于是采取如下措施：①調整圖像傳感器在視頻喉鏡彎頭中的放置位置；②調整 LED 光源在傳感器周圍的焊接位置。經過實踐上述解決方案無效，資料顯示，解決上述問題要從光學結構入手，利用光學仿真軟件對光路進行仿真分析，根據分析結果設計圖像傳感器的結構及視頻喉鏡彎頭的結構。
2 光路的 TraceRro 軟件仿真及結論
對于有反射光斑和雜質的光學系統進行仿真時，由于視頻喉鏡的前端彎頭的空間極小，根據實際測試，在視頻喉鏡窺視片前端的 0～6 mm 范圍內可以調整 LED 的擺放位置，由于不能將 0～6 mm 范圍內的光照圖全部仿真出來，在本文中選擇 3 mm 和 6 mm 處進行仿真，以此推論光線的均勻性分布情況。本文采用 TracePro 軟件對 LED 光線進行分析。TracePro 是一套普遍用于照明系統、光學分析、輻射度分析及光度分析的光線模擬軟件。相比傳統的設計模擬軟件，TracePro 具有可建立逼真的實體模型、優秀的光學分析功能、強大的資料轉換能力及簡易的圖形使用界面等特點，極大地節約了人力資源，縮短了設計周期[9-10]，因此，TracePro在 LED 模擬設計中有重要作用。TracePro 用于照明設計的一般流程如圖 2 所示[11]。
圖2
模擬設計流程圖
Figure2.
Flow chart of simulation design
在光學仿真過程中，主要思路是根據圖像傳感器的 LED 照明光源位置的改變，分析其照度和光斑分布情況。首先在 TracePro 中建立一個 LED 光源，選擇 1 000 條出射光線，其光路圖如圖 3 所示。
圖3
LED 的光路仿真圖（1 000 條光線）
Figure3.
LED light path simulation (1 000 rays)
在 LED 的前端 3 mm（即Z=3 mm）處放置一個大小為 10 mm×9 mm 的接受面，模擬視頻喉鏡彎頭前端的玻片和窺視片，對照射在接受面上的光進行仿真，經過軟件的自行分析得到接受面上的光斑圖和照度曲線圖如圖 4 所示，配光曲線圖如圖 5 所示。
圖4
接受面在 3 mm 處的光斑圖和照度曲線圖
Figure4.
Figure at 3 mm spot and illumination curve of receiving surface
圖5
接受面在 3 mm 處的配光曲線圖
Figure5.
Light distribution curve of the receiving surface at 3 mm
將接受面向后移，放置在距離 LED 燈 6 mm（即Z=6 mm） 處，重復上述操作，得到相應的光斑圖和照度曲線圖如圖 6 所示，配光曲線圖如圖 7 所示。
圖6
接受面在 6 mm 處的光斑圖和照度曲線圖
Figure6.
Figure at 6 mm spot and illumination curve of receiving surface
圖7
接受面在 6 mm 處的配光曲線圖
Figure7.
Light distribution curve of the receiving surface at 6 mm
根據仿真的光斑分布圖可以看出，接受面距 LED 的距離為 6 mm 相比于 3 mm 處，光線數和光通量等參數都有所減少，光線分布則更加均勻，而在配光曲線圖中的 cd 軸數值衰減嚴重，這說明在 6 mm 處的光強減弱，經過實際測試，6 mm 的光強是能達到設計要求的，所以本文忽略了 cd 軸數值的衰減，得出的結論為適當增大 LED 和接受面的距離能夠改善光線分布的均勻性。當進行圖像傳感器結構設計的時候，在滿足光照度要求的前提下，可以采用后置照明 LED 的方式改進視頻喉鏡顯示屏內的圖像質量。
3 視頻喉鏡光學結構部分的設計
照明 LED 后置方案的具體設計為：圖像傳感器采用直徑為 4.5 mm、長度為 18 mm 的 CMOS 攝像頭，在攝像頭的后端 6 mm 處加 0805 型號的單 LED，LED 的電路板大小為 6 mm×7 mm，LED 放置在電路板的上端，利用 solidworks 軟件設計其三維圖如圖 8 所示。
圖8
圖像傳感器三維圖及重要器件標注
Figure8.
Three dimensional image sensor and important component annotation
如圖 8 所示，圖像傳感器采取LED燈后置的方案，LED燈距離鏡頭孔平面 6 mm，圖像傳感器的直徑為4.5 mm，LED的PCB板的大小為 6 mm×7 mm。
設計匹配的視頻喉鏡彎頭，組裝成視頻喉鏡的光學部分，經過驗證，該方案解決了實際研發過程中出現的顯示屏內有反射光斑和雜質的問題。
4 總結
基于視頻喉鏡實際開發過程中遇到的顯示屏內有反射光斑和雜質的問題，利用 TracePro 光學模擬軟件進行仿真，分析結果得出合理設計圖像傳感器的照明 LED 位置可以消除視屏內的反射光斑及雜質，本文根據仿真結果，采用將 LED 的位置設計在傳感器探頭后 6 mm 處，傳感器 PCB 尺寸為 6 mm×7 mm，大小為 4.5 mm×18 mm，成功地解決了視頻喉鏡顯示屏內有反射光斑和雜質的難題。目前此設計僅提供了消除視屏內光斑的方法，后續改進工作為增加照明 LED 的數量以提高光強，采用軟件仿真尋求最優化方案，設計合理的配套窺視彎頭等。
引言
氣管插管技術是維持呼吸道通暢的有效方法，同時也是急診搶救和重癥醫學治療的常見操作。視頻喉鏡可以使醫生在圖像的引導下進行氣管插管，消除了視差和視覺盲區導致的額外損傷[1]。資料顯示，使用視頻喉鏡使醫生更容易操作，患者的心血管反應較輕[2]，同時還可避免患者聲帶水腫、舌根拉傷等并發癥的發生。視頻喉鏡要求有較高的成像質量，視角內無雜散光及雜質[3]。
國內大部分喉鏡經銷商都停留在代理國外廠商產品或者簡單的改裝重組階段，產品的穩定性、價格和質量都無法和國外產品相比[4]。調查顯示大部分的視頻喉鏡生產企業在產品設計過程中都會遇到很多難題，比如喉鏡顯示屏中會有比較明顯的反射光斑和窺視片的雜質等。如圖 1所示，矩形框內為反射光斑，橢圓形框內為圖像的窺視片雜質。雜散光是沒有按預定光路傳播的光線，其存在會造成像面對比度降低，成像質量下降[5-6]。目前，對于內窺鏡的雜散光分析及消除的研究很少，其抑制手段還停留在采用遮擋、噴漆以及添加雜散光收集結構等階段，鮮有從光學系統結構本身入手消除雜散光的方法[7-8]。針對視頻喉鏡顯示屏內有雜散光這一研發過程中的難題，本文采用 TracePro 軟件對視頻喉鏡圖像傳感器反射光路進行了仿真，以期解決視頻喉鏡研發過程中顯示屏內出現雜散光和雜質的問題。
圖1
顯示屏內的反射光斑和雜質
Figure1.
Reflected light spot and impurities in the display screen
1 問題提出和解決方案
視頻喉鏡在進行整機調試的時候發現顯示屏上有明顯的反射光斑和窺視片雜質，針對這個問題，開始僅僅以為是圖像傳感器的角度不對和 LED 光源沒有放置在正確的位置，于是采取如下措施：①調整圖像傳感器在視頻喉鏡彎頭中的放置位置；②調整 LED 光源在傳感器周圍的焊接位置。經過實踐上述解決方案無效，資料顯示，解決上述問題要從光學結構入手，利用光學仿真軟件對光路進行仿真分析，根據分析結果設計圖像傳感器的結構及視頻喉鏡彎頭的結構。
2 光路的 TraceRro 軟件仿真及結論
對于有反射光斑和雜質的光學系統進行仿真時，由于視頻喉鏡的前端彎頭的空間極小，根據實際測試，在視頻喉鏡窺視片前端的 0～6 mm 范圍內可以調整 LED 的擺放位置，由于不能將 0～6 mm 范圍內的光照圖全部仿真出來，在本文中選擇 3 mm 和 6 mm 處進行仿真，以此推論光線的均勻性分布情況。本文采用 TracePro 軟件對 LED 光線進行分析。TracePro 是一套普遍用于照明系統、光學分析、輻射度分析及光度分析的光線模擬軟件。相比傳統的設計模擬軟件，TracePro 具有可建立逼真的實體模型、優秀的光學分析功能、強大的資料轉換能力及簡易的圖形使用界面等特點，極大地節約了人力資源，縮短了設計周期[9-10]，因此，TracePro在 LED 模擬設計中有重要作用。TracePro 用于照明設計的一般流程如圖 2 所示[11]。
圖2
模擬設計流程圖
Figure2.
Flow chart of simulation design
在光學仿真過程中，主要思路是根據圖像傳感器的 LED 照明光源位置的改變，分析其照度和光斑分布情況。首先在 TracePro 中建立一個 LED 光源，選擇 1 000 條出射光線，其光路圖如圖 3 所示。
圖3
LED 的光路仿真圖（1 000 條光線）
Figure3.
LED light path simulation (1 000 rays)
在 LED 的前端 3 mm（即Z=3 mm）處放置一個大小為 10 mm×9 mm 的接受面，模擬視頻喉鏡彎頭前端的玻片和窺視片，對照射在接受面上的光進行仿真，經過軟件的自行分析得到接受面上的光斑圖和照度曲線圖如圖 4 所示，配光曲線圖如圖 5 所示。
圖4
接受面在 3 mm 處的光斑圖和照度曲線圖
Figure4.
Figure at 3 mm spot and illumination curve of receiving surface
圖5
接受面在 3 mm 處的配光曲線圖
Figure5.
Light distribution curve of the receiving surface at 3 mm
將接受面向后移，放置在距離 LED 燈 6 mm（即Z=6 mm） 處，重復上述操作，得到相應的光斑圖和照度曲線圖如圖 6 所示，配光曲線圖如圖 7 所示。
圖6
接受面在 6 mm 處的光斑圖和照度曲線圖
Figure6.
Figure at 6 mm spot and illumination curve of receiving surface
圖7
接受面在 6 mm 處的配光曲線圖
Figure7.
Light distribution curve of the receiving surface at 6 mm
根據仿真的光斑分布圖可以看出，接受面距 LED 的距離為 6 mm 相比于 3 mm 處，光線數和光通量等參數都有所減少，光線分布則更加均勻，而在配光曲線圖中的 cd 軸數值衰減嚴重，這說明在 6 mm 處的光強減弱，經過實際測試，6 mm 的光強是能達到設計要求的，所以本文忽略了 cd 軸數值的衰減，得出的結論為適當增大 LED 和接受面的距離能夠改善光線分布的均勻性。當進行圖像傳感器結構設計的時候，在滿足光照度要求的前提下，可以采用后置照明 LED 的方式改進視頻喉鏡顯示屏內的圖像質量。
3 視頻喉鏡光學結構部分的設計
照明 LED 后置方案的具體設計為：圖像傳感器采用直徑為 4.5 mm、長度為 18 mm 的 CMOS 攝像頭，在攝像頭的后端 6 mm 處加 0805 型號的單 LED，LED 的電路板大小為 6 mm×7 mm，LED 放置在電路板的上端，利用 solidworks 軟件設計其三維圖如圖 8 所示。
圖8
圖像傳感器三維圖及重要器件標注
Figure8.
Three dimensional image sensor and important component annotation
如圖 8 所示，圖像傳感器采取LED燈后置的方案，LED燈距離鏡頭孔平面 6 mm，圖像傳感器的直徑為4.5 mm，LED的PCB板的大小為 6 mm×7 mm。
設計匹配的視頻喉鏡彎頭，組裝成視頻喉鏡的光學部分，經過驗證，該方案解決了實際研發過程中出現的顯示屏內有反射光斑和雜質的問題。
4 總結
基于視頻喉鏡實際開發過程中遇到的顯示屏內有反射光斑和雜質的問題，利用 TracePro 光學模擬軟件進行仿真，分析結果得出合理設計圖像傳感器的照明 LED 位置可以消除視屏內的反射光斑及雜質，本文根據仿真結果，采用將 LED 的位置設計在傳感器探頭后 6 mm 處，傳感器 PCB 尺寸為 6 mm×7 mm，大小為 4.5 mm×18 mm，成功地解決了視頻喉鏡顯示屏內有反射光斑和雜質的難題。目前此設計僅提供了消除視屏內光斑的方法，后續改進工作為增加照明 LED 的數量以提高光強，采用軟件仿真尋求最優化方案，設計合理的配套窺視彎頭等。
