超细电子胆道镜机械结构的模块化设计与实现

摘要：胆道疾病诊疗中，超细电子胆道镜需求迫切。当前相关设备存在外径、成像质量等方面不足，难以满足临床需求。本文以研发直径3mm、工作长度390mm以上等参数的超细胆道镜样机为目标，围绕光学系统、机械结构模块化、图像处理技术展开研究，旨在实现样机并测试，为胆道疾病诊疗提供支持。

关键词：超细电子胆道镜；模块化设计；3mm直径；图像处理技术；胆道疾病诊疗

引言

胆道疾病发病率逐年攀升，精准诊疗依赖微创器械。传统胆道镜因外径偏大，易对胆道组织造成损伤，且部分设备成像模糊、工作长度不足，无法适配复杂胆道环境。临床亟需外径更细、成像清晰、性能稳定的器械，以提升诊疗安全性与准确性，这为超细电子胆道镜的研发提供了现实依据。

一、研究背景与目标

近年来，胆道疾病发病率呈逐年上升趋势，临床对微创诊疗器械的精准性、安全性要求不断提高。传统胆道镜受限于技术设计，普遍存在外径偏大的问题，在进入狭窄胆道时易对周围组织造成挤压或损伤，且部分设备成像系统分辨率不足导致图像模糊、工作长度较短难以覆盖复杂胆道通路，无法满足临床对深层胆道病变探查与治疗的需求，亟需性能更优的新型器械突破现有瓶颈。基于此，本研究以解决临床痛点为导向，确定核心研究目标：研发1台超细胆道镜样机，其中镜体直径需控制在3mm以内，工作长度达到390mm以上，同时保证视场角不低于90°、景深覆盖3mm-50mm，通过光学系统优化、机械结构模块化设计及适配图像处理技术，实现器械的超细尺寸与高清成像、稳定操作的协同，为胆道疾病微创诊疗提供更可靠的技术支撑。

二、超细电子胆道镜的光学系统设计

超细电子胆道镜的光学系统设计包含成像系统与照明系统两大核心模块，需在保证镜体超细尺寸的同时兼顾成像质量与照明效果。研究初期，设计团队初步确定采用物镜加光纤传像束的成像模式，但经试验测试发现该方案存在明显矛盾：若维持3.0mm的镜体外径，传像束截面会受限，导致采集和传导的物体反射光不足，最终呈现的图像质量较差；若为提升图像清晰度而加大传像束截面积，则无法满足镜体超细的设计要求。为解决这一矛盾，研究团队经深入探讨后决定改用电子内窥镜模式，通过图像传感器接收并传导图像信号。经过多轮筛选测试，最终选定豪威的OVM6946图像传感器，该传感器尺寸仅为1.05mm×1.05mm，能适配超细镜体设计，同时具备120°视场角、3～50mm景深及16万像素分辨率，可充分满足临床成像需求。照明系统方面，经对比试验后选用0301型号LED贴片灯珠，其低功率、高亮度、高显色指数的特性，既能为诊疗提供充足且真实的光线，又不会增加镜体能耗与体积，与成像系统协同保障了超细电子胆道镜的光学性能。

三、超细胆道镜机械结构的模块化设计

在光学系统确定后，超细胆道镜机械结构采用模块化设计，分为头端部、弯曲部、插入部、操作部和连接部五大模块，各模块功能明确且协同配合。头端部由聚碳酸酯（PC）材料注塑的头端座与连接环构成，内部粘接固定豪威OVM6946图像传感器、0301型号LED灯珠，还固定聚四氟乙烯（PTFE）管作为器械通道，连接环实现与弯曲部的衔接。弯曲部以不锈钢蛇骨管为核心，其头端连连接环，第一节焊接不锈钢丝绳以控制弯曲；蛇骨管外覆不锈钢编织网增强抗断裂能力，最外层套聚氨酯（TPU）套管实现密封与减摩。插入部采用Pebax编织管提供支撑力，助力头端部与弯曲部进入体内，内部不锈钢毛细管套在钢丝绳上，防止编织管因弯曲部反作用力弯曲。操作部中，ABS注塑的手柄配备弯曲操控装置与器械通道入口，操控装置通过旋转件和推杆拉动钢丝绳驱动弯曲，入口选用6%鲁尔圆锥锁定接头适配附件。连接部由手柄线与航空插头组成，手柄线在手柄内连接图像传感器和LED灯珠线缆，航空插头则对接电子内窥镜图像处理器。

四、内窥镜图像处理技术与实现

超细电子胆道镜光学成像系统确定采用豪威OVM6946图像传感器后，图像处理技术的实现以适配该传感器、满足临床成像需求为核心。由于OVM6946图像传感器技术成熟且已广泛应用，市场上存在多款适配的成熟图像处理系统，无需额外投入资源重新开发，因此研究重点转向筛选性能最优的适配方案。

经多维度对比，最终选定北京嘉恒中自图像技术有限公司的OK_ES201_V4型号内窥镜板，作为超细胆道镜适配图像处理器的主板。该主板与OVM6946图像传感器实现完美兼容，核心算法采用Bayer模型的颜色差值算法与颜色矫正矩阵，能精准还原图像细节，呈现丰富的颜色层次，同时通过FPGA芯片实现高效降噪，有效提升图像清晰度。

在功能上，该主板具备降噪、色彩还原、边缘增强、图像放大、坏点消除和一键白平衡等核心功能，还支持亮度、对比度、红/绿/蓝饱和度、锐度、3D降噪、伽马及放大倍数等参数的灵活调节，满足不同临床场景下的成像需求；此外，其图像冻结、保存与视频录制功能，也为诊疗记录与复盘提供便利。接口方面，主板配备HDMI和DVI双高清输出接口，输出图像分辨率可达1024×768（60Hz）。基于此，研究进一步设计了便携式图像处理器，内置电源保障移动使用需求，搭载显示屏并连接HDMI高清接口，同时外置DVI接口，兼顾便捷性与扩展性，全面符合临床对图像处理与显示的要求。

五、超细电子胆道镜的模块化实现与样机测试

1模块化实现​

基于前述光学系统与机械结构设计，超细电子胆道镜采用模块化组装方式完成集成。首先进行头端部组装，将OVM6946图像传感器、0301型号LED灯珠精准粘接于PC材质头端座内，同时固定PTFE器械通道管，再通过连接环与弯曲部对接。弯曲部组装时，先将不锈钢钢丝绳焊接在蛇骨管第一节，外侧依次包覆不锈钢编织网与TPU套管，确保各部件贴合紧密。插入部以Pebax编织管为基础，内部穿入套有不锈钢毛细管的钢丝绳，两端分别与弯曲部蛇骨管、操作部旋转件连接。操作部组装中，ABS材质手柄与弯曲操控装置（旋转件、推杆）、6%鲁尔圆锥锁定接头集成，实现钢丝绳的牵拉控制与器械通道适配。最后通过连接部的手柄线，完成图像传感器、LED灯珠与航空插头的线路连接，航空插头可直接对接OK_ES201_V4内窥镜主板，整体组装过程高效，各模块拆装便捷，便于后续调试与维护。​

2样机测试​

完成1台超细胆道镜样机组装后，围绕设计指标开展多维度测试。尺寸测试采用高精度卡尺测量，结果显示样机直径3mm，工作长度450mm，满足设计要求；光学性能测试中，通过标准视场角工装与景深测试卡检测，视场角达120°，景深覆盖3mm-50mm，优于预设指标。成像测试借助模拟胆道环境的Phantom体模，连接便携式图像处理器后，观察到体模内细节清晰，色彩还原准确，无明显噪点，图像分辨率符合1024×768（60Hz）输出标准。机械性能测试方面，反复操作弯曲操控装置，样机弯曲部可实现上、下270°灵活转动，连续操作500次后，钢丝绳无松动、蛇骨管无变形；插入部在模拟胆道通路中推进顺畅，无卡顿现象。此外，通过密封性测试，将样机浸泡于生理盐水24小时，内部无进水，各接口连接稳固，整体测试结果表明，样机各项性能均达到临床使用要求。

六、讨论与展望

本研究的模块化设计，让超细胆道镜组装便捷且性能达标，但器械通道兼容性仍有提升空间。未来可优化通道尺寸适配更多器械，探索更轻质耐磨材料减小时长损耗，结合AI技术升级图像处理，实现病变自动识别，推动其在微创诊疗中更广泛应用。

参考文献

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基金项目：吉林省科技发展计划项目（20220204088YY）