宋文曉

【摘要】分析了醫(yī)用物理技術(shù)之一——光纖內(nèi)窺鏡。主要包括光纖導(dǎo)光、傳像原理，光纖內(nèi)窺鏡的光學(xué)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)，以及光纖內(nèi)窺鏡的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 光纖原理； 內(nèi)窺鏡； 醫(yī)用物理； 醫(yī)學(xué)應(yīng)用；

【中圖分類號(hào)】R368 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B【文章編號(hào)】1004-4949（2015）03-0648-02

在電子內(nèi)窺鏡基礎(chǔ)上結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)及立體顯示技術(shù)發(fā)展起來的立體電子內(nèi)窺鏡以立體圖像觀察人體內(nèi)部，從而不僅提高醫(yī)療診斷的準(zhǔn)確性，并且使內(nèi)窺鏡越來越多的參與到手術(shù)中，對于微創(chuàng)手術(shù)具有重要的意義。本文介紹了立體電子內(nèi)窺鏡中立體顯示技術(shù)及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，描述了立體電子內(nèi)窺鏡的發(fā)展現(xiàn)狀，并展示了當(dāng)前前沿的機(jī)器人輔助手術(shù)系統(tǒng)中內(nèi)窺鏡導(dǎo)航系統(tǒng)的組成。

一光纖內(nèi)窺鏡的基本結(jié)構(gòu)和原理：

光纖工業(yè)內(nèi)窺鏡是一種利用纖維光學(xué)和光學(xué)、精密機(jī)械及電子技術(shù)結(jié)合而成的新型光學(xué)儀器，它利用光導(dǎo)纖維的傳光、傳像原理及其柔軟彎曲性能，可以對設(shè)備中肉眼不易觀察到的隱蔽部位方便地進(jìn)行直接快速的檢查，既不需設(shè)備的解體，亦不需另外照明，只要有孔能使窺頭插入，內(nèi)部情況便可一目了然，既可直觀，亦可側(cè)視，還可手控窺頭對被檢查面進(jìn)行連續(xù)上下掃描100°；可目視，亦可照像，還可錄像或電視顯示。它與傳統(tǒng)的光學(xué)成像器件相比，具有柔軟、重量輕、使用自由度大、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的圖像傳遞等特點(diǎn)，打破了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)必須成直線或空間折線的僵直、呆板格局。由于柔軟光纖傳像束優(yōu)良的傳像特性和可以彎曲的性能，還能在強(qiáng)電磁干擾、高溫有腐蝕的場合工作。因而使其被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測、科研、軍事等多種領(lǐng)域中。

光纖工業(yè)內(nèi)窺鏡的基本結(jié)構(gòu)和成像原理：

光纖工業(yè)內(nèi)窺鏡如1圖所示，由頭端部、彎曲部、主軟管、操作部、目鏡、

導(dǎo)光軟管、導(dǎo)光插頭、冷光源所構(gòu)成。

圖1 光纖內(nèi)窺鏡的基本結(jié)構(gòu)

其工作原理是：從光源內(nèi)發(fā)出的強(qiáng)光，經(jīng)導(dǎo)光束照明被觀察物體；圖像經(jīng)透鏡聚

焦后，會(huì)聚到柔性光纖傳光束一端，經(jīng)光纖傳光束傳輸?shù)筋^端照明被觀察物體（或視場）。為使整個(gè)視場照度均勻，光纖傳光束照明范圍應(yīng)大于視場角，因此不僅要求傳光光纖的直徑盡量小，柔軟性好，而且要求有較高的數(shù)值孔徑，才能達(dá)到提高視場光照度的要求。被觀察物體的反射光經(jīng)過物鏡匯聚后，成像于光纖傳像束的端面上，然后經(jīng)過個(gè)光纖傳像束傳出，再經(jīng)過目鏡放大后，通過CCD進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，最后顯示在計(jì)算機(jī)或顯示器上，進(jìn)行錄像或儲(chǔ)存。由于光在光纖內(nèi)傳輸?shù)倪^程中有損耗，因此光纖工業(yè)內(nèi)窺鏡的使用距離受到一定的限制，傳像束的長度一般不超過6 m。

光纖工業(yè)內(nèi)窺鏡的光學(xué)系統(tǒng)：

內(nèi)窺鏡的光學(xué)系統(tǒng)由導(dǎo)光束、物鏡、傳像束及目鏡等組成，是內(nèi)窺鏡最重要的組成部分，其質(zhì)量水平的高低，直接反映光纖內(nèi)窺鏡質(zhì)量水平。與其它光

學(xué)儀器相比，光纖內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)獨(dú)具特色：大視場、小孔徑、景深長、結(jié)構(gòu)小、整機(jī)成像分辨率受傳像束的分辨率影響大。在其設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮物鏡、導(dǎo)光束、傳像束、目鏡等因素，使其參數(shù)相互匹配。

（1）內(nèi)窺鏡物鏡

內(nèi)窺鏡物鏡的特點(diǎn)是小孔徑大視場。小孔徑是針對固定焦點(diǎn)內(nèi)窺鏡仍需較長景深而設(shè)計(jì)的。大視場是內(nèi)窺鏡應(yīng)用所要求的。在近距離內(nèi)，能觀察到盡可能大的范圍，只有靠大視場角保證。大視場角會(huì)引起畸變增大，但一般內(nèi)窺鏡對畸變要求不是很高，30%-40%的畸變還是能夠使用的。

（2）內(nèi)窺鏡導(dǎo)光系統(tǒng)

內(nèi)窺鏡的照明由導(dǎo)光系統(tǒng)來完成。光源發(fā)出的強(qiáng)光經(jīng)隔熱聚焦后，會(huì)聚到導(dǎo)光束一端，經(jīng)導(dǎo)光束傳輸?shù)筋^端照明被觀察物體。為使整個(gè)視場照度均勻，導(dǎo)光束照明范圍應(yīng)大于視場角，因此導(dǎo)光窗必須增加發(fā)散功能，將導(dǎo)光窗制成平凹透鏡。

（3）內(nèi)窺鏡目鏡

內(nèi)窺鏡傳像束傳輸過來的畫面是通過目鏡放大而供人觀察的。由于每個(gè)操作者的視力不盡相同，在目鏡上設(shè)計(jì)了視度調(diào)整裝置。由于纖維單絲直徑的限制，目鏡的放大倍率不能太高，否則會(huì)影響觀察效果。

光纖工業(yè)內(nèi)窺鏡的機(jī)械系統(tǒng)：

（1）頭端部

頭端部由觀察窗、導(dǎo)光窗等組成。內(nèi)窺鏡頭端部有直視、斜視、側(cè)視部件等，隨著彎曲部件制作水平的提高，一般前視頭端部即可滿足使用要求。

（2）彎曲部

彎曲部是圈狀零件多件連結(jié)而成，其中串有彎角鋼絲繩（四方向4根鋼絲繩，二方向2根鋼絲繩），鋼絲繩的一端被固定在彎曲部的前端。拉緊其中一根鋼絲繩，圈狀零件的另一邊放開，鋼絲繩拉緊側(cè)收縮，這樣就成了一定角度的彎曲。鋼絲繩的另一端被連接在操作部的彎角手輪處，轉(zhuǎn)動(dòng)彎角手輪，彎曲部就作與彎角手輪同一轉(zhuǎn)動(dòng)方向的彎角。

內(nèi)窺鏡性能的好壞，與彎角部性能有很大關(guān)系。通常要求彎角部的彎曲角度要大，但彎曲半徑要小。但如果彎曲角度過大容易使光纖束斷裂，而彎曲半徑過小就會(huì)使像束會(huì)折射到光纖的外包皮層，造成光能的損失，因此對像束和光束都有較高的要求。

（3）插入部（主軟管）

插入部連接操縱部及彎角部。不同用途的內(nèi)窺鏡，其軟管部長短亦不相同。若對軟管部作一橫切面，則由外至內(nèi)有以下幾層組成：不銹鋼外編織網(wǎng)管，聚氨酷涂覆層，不銹鋼內(nèi)編織網(wǎng)管及螺旋彈簧管，此四層共同組成軟管壁，軟管內(nèi)裝有導(dǎo)像束、導(dǎo)光束、牽引鋼絲繩等。

（4）操作部（控制部）

操作部是內(nèi)窺鏡的主要部件之一，由彎角手輪、彎角鎖緊鈕等組成。

1）彎角鈕

轉(zhuǎn)動(dòng)彎角鈕手柄，鼓輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，拉動(dòng)牽引鋼絲繩，因鋼絲繩牽引彎角部的蛇骨管，引起蛇骨管各關(guān)節(jié)作上下左右四個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)頭端部作相應(yīng)的彎角運(yùn)動(dòng)。

2）彎角鎖緊鈕及鎖緊原理

使用中有時(shí)須將頭端部固定于某一特定的位置，故在彎角手輪旁設(shè)計(jì)了彎角鎖緊鈕。

彎角鎖緊是通過左旋螺紋來壓緊手輪來完成的。鎖緊鈕連接左旋螺紋，并裝有尼龍和彈性片。當(dāng)鎖緊鈕作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，尼龍脫離彎角手輪，因此不影響彎角手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)稱為“自由”狀態(tài)。若將鎖緊鈕作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，尼龍壓緊彎角手輪，牽引鋼絲被“固定”在某一狀態(tài)，故能使彎角部“固定”在一特定位置。

彎角手輪緊鎖只是使彎角時(shí)產(chǎn)生較大的阻尼，彎角“固定”于某一位置，但此時(shí)并非“鎖死”。這是為了防止操作者忘了在鎖緊狀態(tài)下而將內(nèi)窺鏡強(qiáng)行拉出時(shí)，造成意外損傷。

（5）導(dǎo)光插頭部

導(dǎo)光插頭部是連接冷光源的裝置。導(dǎo)光插管端面位于冷光源燈炮的聚焦點(diǎn)上，為了得到盡可能高的光亮度，導(dǎo)光束端面應(yīng)與導(dǎo)光插管端面平齊，以保證其同樣位于冷光源燈泡的聚焦點(diǎn)上。

二.性能特點(diǎn)：

1、現(xiàn)場快速檢查，無須拆卸，可大大縮短故障檢測時(shí)間，提高工作效率，大幅度節(jié)約生產(chǎn)、維修成本。

2、采用特封，高分辨率消色差透鏡，圖像真實(shí)，色彩純正鮮亮。

3、光纖傳導(dǎo)內(nèi)窺鏡，在有可燃性氣體的孔穴中檢測，燈泡發(fā)生內(nèi)爆時(shí)，不會(huì)引起燃燒；可浸入特定的液體（如水、油等）中，鏡頭不會(huì)形成霧氣；溫度可達(dá)120℃；儀器頂端不產(chǎn)生熱量。

4、可對目鏡焦距進(jìn)行無限平穩(wěn)調(diào)控圖像清晰明朗。

5、全方位觀察，0°40°視場，可裝各種套管鏡，分別作70°、90°、120°視向觀察，旋轉(zhuǎn)管套鏡可作360°全方位觀察。

6、雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)，制造精密，性能非常可靠，工作壽命長。

三.光纖工業(yè)內(nèi)窺鏡的應(yīng)用：

光纖工業(yè)內(nèi)窺鏡可用于高溫、有毒、核輻射及人眼無法直接觀察到的場所的觀察，可以方便而且迅速地檢查各種機(jī)器、設(shè)備、組裝物體的內(nèi)部，不需折卸或破壞組裝就能進(jìn)行有效的質(zhì)量管理，可與照相機(jī)、攝像機(jī)或電子計(jì)算機(jī)藕接，可組成照相、攝像和圖像處理系統(tǒng)，從而可進(jìn)行視場目標(biāo)的監(jiān)視、記錄、貯存和圖像分析。因此，在現(xiàn)代工業(yè)的各部門發(fā)揮了越來越重要的作用。