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1、第三章 医用内窥镜内窥镜是用来观察内部体腔的，通过它能直接观察到内脏器官的组织形态。内窥镜已成为医疗诊断的可靠工具。专门用于诊察的内窥镜常常冠以具体名称以指明其用途。例如，胃镜用于诊察胃，膀胱镜用于诊察膀胱。早期的内窥镜附有刚性管子，管中的光学系统可使所研究或诊断的组织成清晰像，这种内窥镜叫做硬性内窥镜。随着纤维光学技术的发展，制成了用光导纤维束传像和导光的内窥镜，这种内窥镜称作纤维内窥镜。由于它的柔软和良好的操作性能，在医学上得到广泛的应用和迅速的发展。近年来，在纤维内窥镜上采用激光进行手术，对急性消化道出血或其它病灶进行光凝止血和治疗，这是内窥镜发展上的一个新动向。光学内窥镜的发展已有一百
2、余年的历史。早期的内窥镜利用透镜、棱镜、反光镜等光学元件，以金属管子为外壳，是硬直管型的内窥镜。其光源采用小电珠内光源或钨丝灯外部反射光源，照明亮度很低，影像不够清晰，观察盲点多，诊断效果较差。这种直管型内窥镜插入人体内腔各部位很困难，会给病人带来很大的痛苦。本世纪50年代初期出现纤维光学以后，医用内窥镜技术得到迅速的发展，出现了以光导纤维束代替透镜棱镜等作为导光传像的元件，以光导纤维束外接冷光源的纤维内窥镜。目前纤维内窥镜已成为医学上诊断某些疑难病必不可少的工具。3.1 硬性内窥镜硬性内窥镜的种类很多，常用的有膀胱镜，鼻咽镜，腹腔镜，子宫镜，声带镜、关节镜、输尿管肾镜等。各种内窥镜的光学原理
3、和机械原理很相似，只是根据各种不同的使用条件，其光学系统和机械有少许差异。下面以国产膀胱镜为例，对其光学系统和结构作简略介绍， 一、光学系统1877年，迈克思尼兹(Max Nitzc)发明了膀胱镜。膀胱镜除能对膀胱直接观察外，还可间接对肾脏疾病、前列腺疾病进行诊断。通过膀胱镜的各种手术器械可进行病变组织活体取样、电烧灼、碎石、切割肿瘤等手术。膀胱镜有很多种，但基本结构都包括镜鞘与窥镜两个部分。窥镜是膀胱镜的光学部分，由一系列透镜组成，其作用是把膀胱内观察到的物体通过光学系统成像在观察者的视网膜上，因此对光学元件的质量要求较高。镜鞘为膀胱镜的外壳，带有充水装置及电源结合部等。按观察方向，膀胱镜分
4、为直视式，斜视式和侧视式等数种，其视向角(即镜鞘方向轴线和窥镜前端部光轴的夹角)为0115。直视式膀胱镜的视向角为0，在检查膀胱时，仅能看到膀胱镜前方的膀胱壁，不能观察膀胱的前壁及颈部。当用直视式膀胱镜观察膀胱的侧壁或底部时，由于观察点到膀胱镜物镜的距离(物距)有明显的不同而使物像变形，从而影响诊断的正确性见图6-1。视向角为90的侧视式膀胱镜能对膀胱的大部分进行观察从而弥补了直视式膀胱镜的不足，见图62。斜视式膀胱镜的视向角为115，它对膀胱前壁的观察更为方便， 下面简要介绍国产侧视式膀胱镜窥镜中的光学系统。该膀胱镜的视向角为90，在物镜前装了一个球面棱镜，被观察的物体经球面棱镜后光轴转90
5、，而后再经物镜系统成像。球面棱镜的形状如图63所示。它是将玻璃球磨去一半，再磨出与底面成45的斜面，并在底面镀反射膜而成的。当球面棱镜装入仪器后，与底面成45的斜面放在水平位置作为进光的窗口，因而球面棱镜可看作是棱镜与透镜的组合。手术用膀胱镜窥镜中的球面棱镜尺寸比检查用膀胱镜的球面棱镜尺寸小，因为手术用膀胱镜的窥镜中要留一间隙以备手术器械插入。手术用膀胱镜中的球面棱镜尺寸见图-6-3(b)，检查用膀胱镜的球面棱镜尺寸见图6-3(a)。由图可见，它们相应与球面棱镜组合的透镜球面半径为R1.2mm和R1.6mm。当棱镜玻璃选定后，应用光学理论即可求出各自的像方焦距。检查用窥镜的光学系统如图6-4所
6、示。图中1为球面棱镜，2为外物镜，3为内物镜，4和5为转像透镜，6为目镜，7为道威棱镜，8为保护玻璃。保护玻璃的作用是保持光学系统的干燥，防止潮湿空气进入窥镜内部影响成像的清晰度。球面棱镜，外物镜和内物镜组成物镜系统。当物体为右手坐标O-X-Y-Z时，经物镜系统扁所得像为正立的左手坐标O-X-Y-Z(因球面棱镜的底面为一反射面)。假定球面棱镜组合的透镜光焦度为1，外物镜和内物镜的光焦度各为2和3，三者都看作是薄透镜，而且薄透镜之间的间隔d很小，则合成后的总光焦度=123()。已知球面棱镜、外物镜和内物镜的像方焦距f1、f2和f3很小，即光焦度1，2和3很大，因此合成后的总光焦度也很大，也就是合
7、成光组的总焦距很小。由牛顿公式 (此处x为物点到透镜物方焦点的距离，x为像点到像方焦点的距离，f为透镜的像方焦距，f为透镜的物方焦距)可知当合成总焦距f很小时，f也很小。在x较大时，x很小，即像的位置离开合成光组的像方焦点 f很近。这可以通过下面的例子说明：有三组透镜，用A、B、C表示，其像方焦距各为f1=20mm，f2=10mm，f3=4mm，而物距x=-80mm,通过牛顿公式所计算出的像距x见表61。从表61可以看出，在物距相同的情况下，合成焦距小的光组，像距也小，即像的位置离光组像方焦点的距离也近。由物镜系统成的像再经过转像透镜4和5后，在转像透镜5的像方焦面成的像为倒立的左手坐标像。一
8、般情况下转像系统的横向放大率后取1，有时也可取为1/23，通常转像系统的数量为奇数。在目镜之后加一道威棱镜，通过道威棱镜所看到的像为正立的右手坐标像，即物像关系完全一致。图6-5是手术用膀胱镜的窥镜光学系统图。图中为球面棱镜，2为外物镜，3为内物镜，4、5、7，8为转像透镜，6为场镜，9为目镜，10为道威棱镜，11为保护玻璃。如果物体为右手坐标，通过球面棱镜1及内外物镜2、3所组成的物镜系统，在物镜系统像方焦点附近成的像为正立的左手坐标。此像再经过转像系统4，5，在转像透镜5的像方焦面上， 即场镜6处成一倒立的左手坐标像。这像再经第二组转像透镜7和8，在转像透镜8的像方焦面处成正立的左手坐标像
9、。在目镜9后面装有道威棱镜，所以通过道威棱镜所看到的像为倒立的右手坐标像。此处转像系统用的数量为偶数，这在习惯上是较少的，因为转像系统为偶数，所以不能起到正像的作用，只是为了借此增加镜管的长度。场镜6的作用是使来自转像透镜5的轴外光束偏折到转像系统7，8上来。如果不加场镜，在视场较大时，轴外光束就不能通过转像系统7、8。此时，转像系统7，8要有相当大的孔径才能对这部分轴外光束成像。这不仅增大了窥镜的横向尺寸，而且还因主光线在转像系统7，8上高度的增大使轴外像差增大，对系统的结构和设计非常不利，因而是不允许的。窥镜光学系统的视角放大率为1-球面棱镜，内外物镜所组成的物镜系统的横向放大;2、3-转
10、像系统横向放大率(当只有一组转像系统时，横向放大率也只有一个数据);-目镜放大率由于膀胱镜的视场角(此处所说膀胱镜的视场角就是应用光学中所讲的物方视场角，即入射窗边缘对入射光瞳中心所张的角度范围。球面棱镜的窗口为入射光瞳，从窗口中心对入射窗边缘所张的角为膀胱镜的物方视场角)为一固定值，从图66可见，倘若球面棱镜距离观察部位较远，则可窥见较大的范围。但由于物体经过球面棱镜的横向放大率 (f为球面棱镜中透镜的物方焦距，x为物点到物方焦点的距离)，x的绝对值愈大；则横向放大率愈小。相反，如果球面棱镜离观察部位较近，则可窥见较小的范围，而放大率较大。通过调整球面棱镜与观察部位的距离，就可以改变放大倍率
11、。目镜的放大倍数与观察者从目镜中所看到被放大的物像的亮度有直接关系，因为亮度与出射光瞳半径的平方成反比，当目镜放大倍数增加时，亮度衰减很快，因而放大过甚，物像将无法看清。目镜放大倍数一般在1020之间。下面对膀胱镜的结构作简单介绍。一，镜鞘镜鞘是一根装有照明设备及冲水装置的空心管，做膀胱检查时首先要将镜鞘插入膀胱内。镜鞘因顶端的弯头形式不同而分为两种。一种是顶端弯头为135，窥镜的观察窗与弯头凹面在同侧。另一种是顶端弯头仍为135，窥镜的观察窗在弯头凹面之对侧。小型钨丝灯泡放在顶端作光源(后面将介绍用导光束传输冷光源的新型膀胱镜光源)。在光源附近开一椭圆孔，光线由此射出而照亮被观察机体。灯泡的
12、一个极通过顶端的金属小帽与镜干联结，并通过镜干与电源接触部的一个极相通，另一个极与镜鞘内的绝缘金属导线相连，导线又与电源接触部的另一极相通。电源接触部通过旋转式插销开关(或其它形式的插销开关)与电源接通。镜干是一截面形状为椭圆形的金属管，长度为20cm左右。二、窥镜膀胱镜中的窥镜可分为检查用窥镜及手术用窥镜两种。检查用窥镜比手术用窥镜的直径大。手术用窥镜的后端有三个插孔，左右两侧为输尿管导管插入孔，中央较大的孔为手术器械插孔，所以手术用窥镜的尺寸相对就要压缩。三、纤维导光膀胱镜纤维导光膀胱镜与普通灯泡照明膀胱镜的区别在于纤维导光膀胱镜使用的光为外来光(即冷光)。冷光通过光导纤维输入到膀胱镜中的
13、传光纤维，照亮被观察物体。使用外接冷光源的纤维导光硬性内窥镜与灯泡照明的硬性内窥镜相比，有以下优点(1)采用冷光源照明可以提高亮度，使观测目标图像清晰，提高了诊断的准确度。(2)用外来冷光源后，在内窥镜中减少了一个热源，也不会再发生灯泡热源烫伤机体组织的现像，故安全可靠。(3)由于光源照度高，为在内窥镜观察机体时进行静态摄像及动态电视系统观察提供了有利条件。鉴于用外来冷光源通过光导纤维导光的硬性内窥镜有以上优点，到目前为止，几乎所有内窥镜(不论是硬性内窥镜还是纤维导像内窥镜)都采用导光束传输外来冷光源的照明方式。下面将冷光源的特点分别介绍如下：1冷光源的特点在医用光学仪器上所用光源的辐射中，大
14、部分都是以红外线辐射出来，可见光只占总辐射的很小一部分，而红外线又要转变为热能；因而，为了有效地去掉热源，。使光源变成冷光源，必须在光源中设法滤掉红外成分。现在普遍采用的一种方法是使用非球面冷光镜。内部的形状不是球面而是其他曲面，例如椭球面。在椭球上，通过其椭球长轴的任何截面都是椭圆。从理论上讲，只要把灯丝放在椭圆的一个焦点至顶点的中间，经过椭球面反射后，光线总会落到另一个焦点至其顶点的范围内，其聚光效率比较高。灯罩可以用玻璃材料 (例如3G5)，在其椭球面上镀以多层介质膜。多层介质膜的作用是使红外光能高度透过，而可见光则从膜上得到反射，从而达到滤去红外光的目的。导光纤维端面应放在椭球面的焦点
15、(灯丝位于椭球面的另一焦点)附近。为了达到更好的滤光效果，可以在冷光镜和光导纤维之间再加一块可以透过可见光而吸收红外光的隔热玻璃。在实际使用时，灯丝发的光可能有一部分没有通过冷光镜，也就是说可能还有部分红外光会在光导纤维及隔热玻璃处产生热。另外，隔热玻璃吸收了红外光以后也会使温度升高鉴于以上两个原因，需要在灯丝外边隔热玻璃处加个冷却风扇，实行强迫冷却。冷光源纤维导光系统可参看图614。图中上为凹透镜，它装在内窥镜观察窗旁边的光导纤维输出端外，其作用是使出射光线有更广的照明视场。2为导光束，3为溴钨灯，4为非球面反射镜(冷光镜)，S为冷却风扇，6为隔热玻璃。冷光源箱中有溴钨灯，冷光镜、隔热玻璃、
16、冷却风扇、冷光源的电气线路等。近来在内窥镜的使用上，人们认为送水送气和吸引功能是必不可少的，因此冷光源装置中又增加了气泵、供水瓶。控制开关等设备。第二节 光纤光学系统光线由光纤的一端入射，沿着光纤传播，最后由另一端出射。单条光纤只能起传光的使用，不能成像，如图11-1所示，如果把许多光纤固定在一起，构成光纤束，就可以把具有一定面积的像面，通过每根光纤，逐点地把像从光纤束的一端传至另一端。光线在光纤内表面发生多次全反射，使光线由一端沿着光纤传播至另一端。这种光纤的缺点是光纤表面的很小的缺陷，尘埃，污物都将使光发生散射而射出光纤，引起光能损失。在一般光学系统中的全反射棱镜的反射面上，虽然也存在这些缺陷，但是在一个棱镜系统中只有若干次反射，因而影
