（光学专业论文）细径光纤内窥镜研究.pdf

摘要 p $ 2 0 3 ； 细径光纤内窥镜是8 0 年代发展起来的一种新型内镜。它可在极小创伤下进 入人体狭窄部位，对病变组织进行观测，并做出病理诊断，是一种介入疗法理想 的诊断治疗工具。而国内市场上可用于血管诊断的极细径光纤内窥镜产品全部由 国外公司生产，且性能指标不是最先进的、价格昂贵，患者难以承受。因此细径 光纤内窥镜的研究具有十分重要的意义。 本论文对细径光纤内窥镜系统微型光学成像部件的光学特性进行了分析， 并定量给出了微型光学成像部件和传像光纤参数之间的匹配。为了提高光源的光 能利用率，设计了聚光耦合系统，并测试了它的耦合效率。给出了最佳的传光光 纤排列方式。对系统的设计和组装工艺进行了研究，在此基础上研制了两种功能 的装置：“细径柔性光纤显微内窥镜”和“数码光纤根管显微内窥镜”，并测试了 它们的参数。 “细径柔性光纤显微内窥镜”的模拟血管实验表明该装置分辨能力达到了 显微术所要求的水平，可清晰观察到不同颜色的管内异物，满足医学诊断的要求。 “数码光纤根管显微内窥镜”的临床实验表明，该装置具有显微分辨能力，能够 直接观察牙髓腔根管内细微的病灶，可广泛应用于口膝内科各类疾病的辅助临床 诊断与治疗。 关键词：细径柔性光纤显微内窥镜， 微内窥镜，聚光耦合系统， 光学分辨率 照明系统，图像传输系统，数码光纤根管显 微型光学成像部件，传像光纤，传光光纤， a b s t r a c t t h i n d i a m e t e ro p t i c a lf i b e rm i c r o e n d o s c o p e sa r ean e wk i n do f e n d o s c o p e l t c a ne n t e rs m a l ll u m e nt h r o u g ht h i nw o u n do fb o d y a n do b s e r v ep a t h o l o g i c a lc h a n g e s o nt i s s u e s oi ti sp e r f e c td i a g n o s t i ca n dr e m e d i a lt o o lo fi n t e r v e n t i o nt h e r a p e u t i c si n d o m e s t i c m a r k e t s , a l l o ft h i n d i a m e t e r o p t i c a l f i b e r m i c r o e n d o s c o p e s a r e m a n u f a c t u r e db yf o r e i g n o w e dc o m p a n y a n dt h e s ep r o d u c t sa r ev e r ye x p e n s i v es o t h e s t u d y o ft h i n - d i a m e t e rf l e x i b l e o p t i c a l f i b e r m i c r o e n d o s c o p e s i s v e r y s i g n i f i c a t i v e f i r s tw es t u d yo p t i c a lc h a r a c t e ro fm i c r o - i m a g i n gc o m p o n e n t ，a n da n a l y z et h e m a t c hb e t w e e nt h em i c r o i m a g i n gc o m p o n e n ta n dt h ei m a g ef i b e r , t h e nw ed e s i g n t h el i g h ts o u r c ec o u p l i n gs y s t e mt oi n c r e a s eb r i g h t n e s s ，a n dt e s ti t se f f i c i e n c yw ea l s o g e to p t i m a la r r a n g eo ft h ei l l u m i n a t i n gf i b e r s f i n a l l y w ed e v e l o pt w od i f f e r e n t f u n c t i o n a l s y s t e m ：“t h i n - d i a m e t e r f l e x i b l e o p t i c a l f i b e r m i c r o e n d o s c o p e s ”a n d “d i g i t a lf i b e rr o o tc a n a lm i c r o e n d o s c o p e s a n dm e a s u r e t h e i ro p t i c a lp a r a m e t e r s t h es i m u l a t i o n e x p e l i m e r i t o f “t h i n d i a m e t e rf l e x i b l e o p t i c a l f i b e r m i c r o e n d o s c o p e s ”s h o w st h a tt h es y s t e mc a ni d e n t i f yd i f f e r e n tc o l o ro b j e c ti nac a n a l m e e t i n gc o n d i t i o n so f m e d i c i n ed i a g n o s e t h ec l i n i ce x p e r i m e n to f “d i s i t a tf i b e rr o o t c a n a lm i c r o e n d o s c o p e s ”s h o w st h a tt h es y s t e mh a sm i c r o s c o p i c a lr e s o l v i n gp o w e r , s o i tc a nb eu s e di ne n d o d o n f i c se x t e n s i v e l y k e y w o r d s ：t h i n d i a m e t e rf l e x i b l e o p t i c a l f i b e r m i c r o - e n d o s c o p e s i l l u m i n a t i o n s y s t e m ，i m a g i n gs y s t e m d i g i t a lf i b e rr o o tc a n a lm i c r o e n d o s c o p e s ，l i g h t s o u r c ec o u p l i n gs y s t e m , m i c r o - i m a g i n gc o m p o n e n t ，i m a g ef i b e r i l l u m i n g f i b e lo p t i c a lr e s o l u t i o n 声明 本论文研究内容未经导 师同意，任何机构和个人不得 以任何形式公开，否则承担侵 犯知识产权责任。 第一章绪沦 第一章绪论 内窥镜( e n d o s c o p e ) 是一种新型的医疗设备。它体积小、重量轻，可以进入 人体的内部直接观察内脏器官的组织形态，提高了诊断的准确性。因此内窥镜被 广泛用于临床，如胃镜、肠镜、胆道镜等等。它具有图像清晰、操作灵活、安全 卫生的特点，已经成为医疗诊断的可靠工具。 本论文研究的细径光纤显微内窥镜是一种新型的内窥镜。它具有外径极细、 柔软可弯曲等优点，可被应用于许多领域。血管内窥镜( a n g i o s c o p e ) 就是它的一 种应用，这种内窥镜可以进入弯曲的血管来诊断粥样斑块、血栓以及夹层等血管 内部病变，结合血管内窥镜施行的内外科诊疗技术的诸多优点，已为医学界所共 识。 第一节内窥镜的研究背景及意义 内窥镜可以进入人体内部避行观察和治疗，这为医生提供了新的诊断和治疗 方式：同时也减少了病人的痛苦和感染的危险。因此，内窥镜的出现是现代医疗 器械的一大避步。 1 i 内窥镜的分类 在内窥镜的发展过程中，不但出现了血管内窥镜，也出现了许多其他和类的 医用内窥镜设备：按检查部位分类，可分为胃镜、肠镜和胆道镜等等，血管内窥 镜就鼹于这种分类；按制造材料手工作原理分为光学内窥镜、超声内窥镜和电子 内窥镜等等。本论文研究的内窥镜系统就是属于光学内窥镜的范围，但是要比一 般的光学内窥镜直径更细，并具有柔软性，应用的领域也更拥广泛。 1 2 光学内窥镜的发展历史 。 光学内窥镜的发展经历了漫长的时期，而血管内窥镜就是在这发展过程中 第一章绪论 出现并逐步发展起来的。光学内窥镜的发展可主要划分为三个阶段： 第一阶段：硬性光学内窥镜 1 8 0 6 年，德国人p h i l l i p pb o z z i n i 发明了硬性内窥镜。当时叫光导器 ( l i c h t l e i t o r ) ，用于检查膀胱和尿道，打开了内窥镜的应用和发展之路。而血 管肉窥镜的研究最早可追溯到1 9 1 3 年【l ，1 】，但由于受材料和技术方面的限制， 一直进展不大。 第二阶段：光导纤维内窥镜 1 9 3 2 年，s c h i n d l e r 和柏林器械制造师g e o r gw o i f 制成一种半可曲胃镜。 开创了软性内窥镜应用的新阶段【l2 】。到5 0 年代初期，光纤技术和生物高分子 技术的兴起为内窥镜的研制创造了技术条件。1 9 5 7 年5 月h i r s c h o w i t z 制造 出了第一台纤维光学胃十二指肠镜。 第三阶段：细径柔性光纤内窥镜 由于血管内窥镜工作环境的特点，所以要求铽造血管内窥镜的材料必须柔 软、可弯盥并且直径极细。超声内窥镜和电子内窥镜由于制造技术上的限制，因 此对于细径柔性内窥镜仍然采用光纤系统。因此血管内窥镜是细径柔性光纤内窥 镜的一个主要应用领域。 从8 0 年代初，国外开始进行血管内窥镜的研制，到8 0 年代中期，技术己发 展成熟，形成了产品，进入了临床应用【l ，3 i4 1 。 l 3 细径柔性光纤内窥镜的现状 目前国际上的血管内窥镜产品外径越来越细。甚至可以达到1 o m m 以下。 如美国的e d w o r d s 公司和日本的o l y m d u s 公司都研铽成功了比较成熟的产品。表 l ，1 列出了美国医疗市场上的三种血管内窥镜产品的技术信息( 摘自f i b e r t e c h 公司，b a x t e r 公司，e d w o r d s 公司的网页) 。表1 2 和1 3 列出了o l y m p u s 公司的 a f 和p f 两个系列的血管内窥镜产品。图l1 是美国t r i m e d y n e 公司的一种血管 内窥镜产品的外观，图12 是其端头的横切面示意图。图l3 是o l y m p u s 公司的 一种血管内窥镜产品的外观。 2 第一章绪论 表1 1 美国医疗市场上三种血管内窥镜的产品信息 m o d e ln u m b e r7 0 4 0 0 07 0 0 0 4 6a s - 0 0 3a f 3 7 1 5 f p r o d u c e rb a x t e rb a x t e rf i b e r t e c h a n g i o s c o p ed i a m e t e r 2 5 m m25 m m2 m m w o r k i n gl e n g t h 7 0 c m8 0 c =1 6 0 c m n u m b e ro fp i x e l s 3 3 0 03 3 0 06 0 0 0 w o r k i n gc h a n n e l 1 2 m m0 6 m m 0 7 5 m m ( 包括传光 d i a m e t e r光纤和传像光纤) d e p t ho ff i e l d 2 5 0 n2 5 0 l 瑚l s m m f i e l do fv i e wi nw a t e r 5 2 05 2 07 0 0 l i g h ts o u r c e 1 0 5 1 3 0 v3 0 0 w2 2 0 * - 2 4 0 v3 0 0 w2 2 0 2 4 0 v2 4 0 d i a m e t e rd o vw lc h a r m e lc a t 群 05 m m6 01 5 0 c mn oa f 5 0 8 m m5 5 51 3 0 c mn oa f 8 l4 m m7 51 3 0 c mn oa f 1 4 22 m m7 51 0 0 c m1 0 m ma f 2 8 c d i a m e e rd o vw lc h a m 叫c a t # 08 m m6 01 2 0 c mn op f 8 l4 m m7 51 2 0 c mn op f 1 4 2 2 m m7 51 2 0 c mn op f 2 2 2 s m m7 51 2 0 c ml0 r a mp f 2 8 d o v = d i r c c f i o no f “e w ( 视场角) w l = w o r k i n gl e n g t h ( 血管内窥镜长度) a f a n g i o s c o p ac o m p a t i b l ew i t ho t v - a c l v - a ( 带有o t v - m c u v - a 照明系统) p f a n g i o s c o p ec o m p a t i b l e w i t h o t v - 5 6 c l v 一5 3 0 ( 带胄o t v 一5 6 c l v - 5 3 0 照明系统) 3 第一章绪论 图1 it d m e d y a e 公司的血管内窥镜产品的外观 l ig h ts o u r c e c h a n n e l t r a n s p o r t c h a n n e l v i e w i n gb u n d l e i n f l a t i o nc u f f 圈1 2 图1 1 中所示血管内窥镜产品端头的横切面示意图 圈1 30 1 、i n v a s 公司的血管内窥镜产品的外现 在我国，内窥镜方面的研制工作多是涉及电子内窥镜和尺寸较粗的光学内窥 镜，关于二光纤内窥镜的报道多限于国外的产品或临床应甩情况以及部分部件的 研究工作。文献【l5 1 在内窥镜的研究方面作了一些尝试，但仅仅着重在自聚焦潍 透镜的成像测试。本课题组在细径地纤内窥镜的研究方面做了一系列工作文献 第一章绪论 1 16 】【l7 】在血管内窥镜图像传输系统方面作了许多原理性的探索工作，组装了三 套细径内窥镜实验装置，并建立了内窥镜图像系统分辨率的理论评价方法。文献 【l8 】在成像理论分析方面做出了很多有益的尝试。文献【l9 】在工艺上作了一些尝 试，研究了内窥镜的照明系统。以上工作为本论文工作奠定了理论和技术基础。 1 4 研究细径柔性光纤显微内窥镜的意义 医学领域的微创和介入疗法是2 l 世纪的发展方向，细径柔性光纤内窥镜是 理想的医学诊断治疗工具。传统的血管造影术对一些人群产生过敏反应。在国外， 细径光纤内窥镜产品在心脑血管外科已得到广泛临床应用。对传统的血管造影术 是一个极好的补充，特别对造影术过敏的人群，细径光纤内镜的应用无疑给他们 带来福音。 在我国，细径柔性光纤内窥镜的研究工作仍属空白。因此内窥镜对血管疾病 进行治疗大大受到制约。仅几家医院有能力购买这种类型的肉镜，且性能指标并 不是最先进的，使我国无论在研究领域还是在医学临床治疗上都远远落后于国外 发达国家。 本项研究内容涉及细径柔性光纤内窥镜的核心技术，可以为细径柔性光纤内 窥镜的研制奠定理论及技术基础。如果能实现产品化，则国内可自行生产细径柔 性光纤内镜，为微创疗法提供先进的医疗设备，将大大促进我国在医疗诊治疾病 方面的水平。提高诊治疾病先进性、安全性和准确性，使患者减少痛苦，降低医 疗费用，从而提高我们人民的生活质量和健康水平。 第二节细径柔性光纤内窥镜的结构和特点 2 1 细径光纤内窥系统的结构 细径光纤内窥系统主要是由图像系统组成。图像系统包括照明系统和图像传 输系统两部分。 照明系统主要由光源和传光光纤组成，它的主要作用就是照明图像传输系统 观察的部位。照明系统要求光源必须有足够的光照强度并且其光谱分布应与日光 第一章绪论 接近。照明系统将光源的光通过传光光纤照射到图像传输系统观察的部位一些 系统为了在光源功率不变的情况下增加照明亮度，在光源和传光光纤问加入了透 镜耦合系统以提高光能量的利用率。 在照明系统的照明端，传光光纤的排列方式也应根据实际要求加以选择。传 光光纤数目一般为4 1 2 根，芯径为l o o u m 左右【l1 0 1 。 图像传输系统由传像光纤，微型光学成像元件，图像耦合系统和c c d 摄像头 组成。图像传输系统采用微型光学成像元件将观察物的图像成像于传像光纤前端 面，像由传像光纤后端面传出，经图像耦含系统成像到c c d 摄像头接收匦上最 后由图像输出系统显示出来，以便医生进行观察。传像光纤一般有几千到一万个 像素。 2 2 可用于血管诊断的细径柔性光纤显徽内窥镜的特点 血管内窥镜是细径柔性光纤显微内窥镜的一种，主要用来检查外周血管、肺 动脉、心脏以及冠状动脉，且可以通过经皮刺穿在手术中用作监测的手段。血管 内窥镜一般有细径柔性光纤显微内窥镜和灌输系统。灌输系统由一根管道和透明 液体灌输设备构成。血管内充满着红色的血液，为了清晰地观察血管内壁，必须 先清除血管内窥镜视野中的血液和表皮碎片。一般通过这根管道向血管内注入生 理盐水【1 1 1 】，清除观察范围内的血液，使视场更清晰。清除血液的- 亨式有使用 气囊的和不用气囊的两种【1 1 2 。带气囊的血管窥镜一般将气囊装在窥镜的顶端， 当内窥镜接近目标时，给气囊充气，贴在血管壁或心脏内壁上，挡住血液的流动， 然后再注入生理盐水，使视场更加清晰。不用气囊的则注入特定的清洗液，将血 液和碎片排除。 由于血管是一种有纵深感的目标，因此为了获得清晰的图象，图像传输系统 需要具有足够的分辨率一定的景深和合适的视场角，一般要求分辨率应达到 5 0 - 1 0 0 u m 11 3 】，景深为2 6 m t a 1 1 4 ，视场角为5 0 。一7 0 。【1 1 5 】。 袭l4 是血管内窥镜与血管内超声的比较【1 1 6 1 ，扶中我们可以看出，细径 光纤血管内窥镜的导管直径可以傲到05 1 o m m 之间尺寸更细更适合在血管 一类的极细径腔体内工作。 6 第一章绪论 表l4 血管内超生和血管内窥镜的性能比较 血管内超声血管内窥镜 导管人小 08 一l6 m m05 一1 o m m 影像黑臼断层彩色、直观 血栓良 最优 钙化优不良 内膜一般优 组织形状 良一般 分辨力 空间距离0 1 方位o 2 加3 m m0 0 6 r a m 时间0 0 6 秒连续 在临床上，细径光纤血管内窥镜不仅可以用于检查虾周血管，冠状动脉核心 前的病变情况，而且可以配合血管手术做相关的监测。与其他检查手段如血管造 影法、超声波法及病理检查相比较，使用光纤内窥镜有许多优点。一是直观性 可直接观察血管内部的图像，可以区别出动脉粥样硬化斑块、血栓、溃疡等不同 病变【l1 7 】。二是细致性，可识别出病变组织的颜色和形态细节可见查处动脉 周扬硬化斑块的破碎、撷裂、内皮脱落、薄壁血栓等不韪被造影法检查出来的理 象。这些特点决定了用它进行诊断的可靠性。荏使用激光或形术或气囊对血管的 病变进行治疗时，血管内窥镜可用来提供狭窄的管腔轮襄以引导激光的方向 【l1 8 1t 9 ，同时通过实时监视治疗状况从而决定激光的用量和照射时间【l2 0 ， 为保证血管再通术的安全性和有效性起着十分重要的作罨= 当然，细径光纤血管内窥镜也有其局限性比如它不能估计出治疗点的厚度， 以及不适用于很长的阻塞部位l2 1 1 ，不能提供血管造影法所提供的一些资料 妇血管内血流速度、血管闭塞的严重程度、冠状动脉的总体情况等 12 2 1 ，2 3 。 因而不能完全取代血管造影法。所以，与其他方法相结合使用，可道一步提高诊 断的准去性和全面性。它与管内超声波探针榍结合使雁i 以得到血管壁厚和外 膜位置，配合荧光诊断工具可以形成智能内窥镜，是种很有窿用潜力的诊断 工具。 第一章绪论 第三节本论文研究工作的主要内容 本文的研究工作是在前面一系列研究工作的基础上【1 6 ，17 ，l8 ，l9 】，分析和 解决在研究“细径柔性光纤内窥镜”过程中遇到的关键问题如： 1 提高照明系统中光源的光能利用率的问题； 2 微型光学元件和传像光纤的匹配问题； 3 照明系统和图像传输系统的一体化并减小系统整体尺寸的问题等等。 我们解决了这些问题，为细径柔性光纤内窥镜的产品化奠定了基础。 本论文研究工作的主要内容包括： 1 细径光纤内窥镜照明系统的理论分析与设计： 2 细径光纤内窥镜图像传输系统的理论分析与设计： 3 研究各部件及系统间的匹配对系统性能的影响； 4 研究细径光纤内窥镜各部件间组装工艺： 5 组装以细径光纾内窥镜为核心的实用装置，进行装置的参数测量及摸拟 血管的观察实验和l 临床实验。 第一章绪论 参考文献： f 1 1 1 r h e a ll ，t h es 吧i c a lt r e a t m e n to fm i t r a ls t e n o s i s ：e x p e r i m e n t a la n dc l i n i c a ls t u d i e s ，a r c h s t a g v o l9 ，1 9 2 4 ，6 8 9 6 9 0 ( i2 l 李励，医千j 内窥镜的发展历程，医疗设备信息，n o 4 ，1 9 9 5 5 1 5 3 【l _ 3 l 贾刚田，血管内窥镜心血管译文tv o l ，5 ，1 9 8 7 【14 1g a r r e t tl e ee ta l ，h a z a r d so fa n g i o s c o p i ce x a m i n a t i o n ：d o c u m e n t a t i o no fd a m a g et ot h e a r t e r i a l i n t i m a ，a m e r i c a n h e a r tj o u r n a l ，v 0 1 1 6 ( 6 ) 1 9 8 8 ，1 5 3 1 - l5 3 4 1 15 l 张滨，血管内窥镜的研究天津大学硕士论文，1 9 9 0 【1 6 】房芳，血管内窥镜的实验研究南开大学硕士论文，1 9 9 6 【l7 】李英杰，血管内窥镜的设计与实验研究，南开大学硕士论文1 9 9 9 i l8 】钟向红血管内窥镜图像传输系统的实验研究南开大学硕士论文2 0 0 1 【1 9 】郭宇，细径光纤图像传输系统的实验研究，南开大学硕士论文，2 0 0 2 【l1 0 】f r a n kdd a m e l i e ，f i b e ro p e ca n g i o s e o o e s ，o p t i c a le n g i n e e r i n g v o 2 4 ( 4 ) 1 9 8 5 ，6 7 2 - 6 7 5 11 1 】t a k t a a b ut o m a r a e ca 1 r e d u c t i o no ft h r o m b o g e n i c i t y 州t ha r g o nl a s e ra n g i o p l a s t yj p n h e a r tj o u r n a l v 0 1 3 4 ( i ) ，1 9 9 2 ，7 9 【l1 2 】植田康弘血管用内窥镜特许公报特开平6 - 2 2 4 9 3 n o 3 1 9 9 4 7 7 ( 11 3 】w a r r e nsg r u n d f e s tc ta 1 d e l i n e a t i o no f p e r i p h e r a la n dc o r o n a r yd e t a i lb 、i n t r a n p e r a t i x e a n g i o s c o p e a n n s a r g v b l 2 0 2 ( 3 ) 1 9 8 5 ，3 9 4 i l1 4 】b r e t tt r o u t h e m ，t e c h n i c a lc o n s i d e r a t i o n sf o ra n g i o s c o p i ci m a g i n g s p i eo p t i c a lf i b e r si n m e d i c m e ，v o t 1 2 0 1 ，1 9 9 0 5 8 0 【i1 5 ja b r a h a mk a t z 吐l a s e r sa n do p t i c a lf i b e r s i nm e d i c i n e o p t i c s & p h o t o n i c s ，v o l2 ( 2 ) 1 9 9 1 1 7 【l1 6 1 陈绍良，牧一彦，佐佐本弥盛铁仁，徐诅玲等冠状动林内窥镜的临味应用心血 管病学进覆v o l1 9 ( 1 ) 1 9 9 8 ，1 1 6 1 1 7 l l1 7 1y a s u m iu c h i d ae ta 1 a n g i o s e o p x 。o b s e r v a t i o no ft h ec o r o n a d 1 u m i n a lc h a n g e si n d u c e db 、 p c r c u t a n e o n st r a m l u m m a lc o r o n a r 3 a n g i o p l a s t y , a m e r i c a nh e a r tj o u r n a l v 0 1 1 l7 ( 4 ) 1 9 8 9 7 6 9 【11 8 】m n s a m i s a k u r a d ae t a 1 a n g i o s c o p i cb ) ad e wp c r c u t a n c o u s i r a n s l u m i n a lc o r o n a r 3 a n g i o s c o p 3 , s h eo p t i c a lf i b e r s i nm e d i c i n e v o l1 2 0 1 ，1 9 9 0 6 3 【l1 9 】g e o r g es a b e l ae ta l ，l a s e ra n g i 叩l 硒乜、一出a n g i o s c o p i cg u i d a n c ei nh u m a n s l a s e r 9 第一章绪论 t h e r a p y , v o l8 ( 1 ) ，1 9 8 6 ，1 8 4 f12 0 lg a r r e t tl e e c ta 1 c l i n i c a ll a s e rr e c a n a l i z a t i o ao f c o r o n a e , o b s t r u c t i o n ，c h e s t , v 0 1 9 0 ( 5 ) ， 1 9 8 6 ，7 7 0 i1 21jg e o 缶e yhw h i t ec ta l ，e x p e r i m e n t a la n dc l i n i c a la p p l i c a f i o n so f a n g i o s c o p i cg u i d a n c ef o r l a s e ra n g i o p i a s b - , a m e r i c a nj o u r n a lo f s u r g e r y , x b 1 1 5 8 ( 1 2 ) ，1 9 8 9 4 9 5 【l2 2 l 胡大一，冠状动脉血管内窥镜对于认识急性冠状动脉综合症发病机理的意义，起搏与 心脏v o l ( 4 ) ，1 9 9 0 ，2 2 0 f l2 3 】孙广辉，冠状血管镜在冠心病中的应用价值内镜v 0 1 9 ( 3 ) 1 9 9 2 1 6 0 1 0 第二章细径光纤显微内窥镜系统原理 第二章细径光纤显徽内窥镜系统原理 第一节系统原理概述 细径光纤显微内窥镜( 简称细径内镜) 的图像系统是内窥镜的核心部分；它 是依据光学成像原理及光纤图像传输原理构成的，它主要由照明系统和图像传输 系统组成。 照明系统由光源、聚光耦合系统和传光光纤构成，如图21 所示。光源1 发 出的光由聚光耦合系统2 耦合到传光光纤3 的前端面上，再经传光光纤传输，照 明被观察物。图像传输系统是由微型光学成像系统、传像光纤、图像耦合系统、 彩色c c d 及p c 计算机组成。微型光学成像系统4 将被观测物成像于传像光纤j 的前端面上。并将图像传输到传像光纤的后端面。由图像耦合系统6 将图像耦 合到c c d 7 的靶面上。c c d 将图像的光信号转换为电信号输入计算机8 。计算机对 图像进行采集并显示在荧光屏上，并可对图像进行存储、后期处理及进行文件管 弹。 俸光光纤3 闰2l 细径光纤显微内窥缝结掏 笙三垦塑堡堂堑墨丝堕塞望墨堕堕矍 第二节照明系统工作原理 细径光纤显微内窥镜的照明系统一般由光源、聚光耦合系统和传光光纤构 成。为r 获得比较亮的视场，要求光源肆宵比较大的功：簪：为了使褪场的照明范 围更大并且视场内照明均匀，传光光纤应具有较大的数值孔径并按一定的方式排 列。 内窥系统的照明光源一般使用x e 灯这种灯的功率般花7 0 一1 0 0 0 w 。大 功率光源的优点是可以提高视场的亮度，但缺点也是很明显的：增加了照明系统 的尺寸，并且带来了散热等一系列问题。 灯丝发光面积的尺寸通常为几个毫米左右如果采用直接耦合的方式，藕合 效率比较低因此设计合适的光源和传光光纤的聚光耦合系统是非常必要的。 2 1 传光光纤 在传光光纤的选择上，要求：( 1 ) 传光光纤具有适当的数值孔径，以使照 明视场与图像传输系统的成像视场相匹配，即照明光最大限度充满成蟓视场。( 2 ) 保证成像视场内的照明均匀。 传光光纤结构如图22 所示。 巨2 2 传光光终结托 因为传迕光纤的包层极薄，昕以在图2 8 中来画q - ：传，匕光纤雕于图像传输 系统的照明，这要求它；盘该有较大的数值孔径，为了敞少血管内窥镜系统的尺寸， 还要求传光光纤的外径尽量小。 倦七光纤的夸敛磬见酣录 第二章细径光纤显微内窥镜系统原理 2 2 光源 在内窥镜中，一般要求照明系统有比较亮的照明视场，为此光源必须具有较 高的发光效率。另外，人体内不同结构组织的颜色有很大区别，为了将它们区分 开，必须获取观察区域内的真实颜色。为此，光源发出的光要求接近自然自光， 即中午的太阳光其色温为6 0 0 0 k 21 。而且，由于一些光源的光谱缺少某些波 长的单色光成分，在它们的照明下观察物体，某些颜色就会发生色变。所以光源 的显色性问题也是衡量光源照明质量的一个重要指标 22 。 我们选用卤钨灯作为照明光源，其额定功率为1 2 v ，i o o w ，色温在3 0 0 0 k 左右， 显色指数9 5 1 0 0 ( 显色指数超过8 5 的光源是用于辨别颜色要求较高的视觉工作) 22 。它体积小，寿命长，发光效率高，使用简便显色性好。但它的功率小 色温不够高，发出的光更偏长波，使用其照明的物体看起来发黄。与之相比一 般血管内窥镜所用的氙灯功率大，可高达1 0 0 0 w ，色温在6 0 0 0 k 左右，更接近 于太阳光，显色指数也在9 j 以上 22 2 - 3 。但它功率太高，产生的热量也多， 会缩短整个系统的寿命。而卤钨灯操作简单价格也便宜。综合考虑我们最终确 定用卤钨灯照明。 2 3 聚光耦合系统 我们的聚光耦合系统是为灯丝形状为螺旋状的灯泡设计的。我们采用的卤钨 灯可以等效成长a = 2 3 7 m m ，宽b = 1 0 5 m m 的矩形，灯丝距灯泡壁1 = 5 r a m ；并采用 1 2 根l o o u m 传光光纤传输光能，传光光纤束的一端【靠近成像端头) 均匀分布 在图像传输系统的周围，与光源耦合的另一端，分成四组，每组3 根，排列成 04 9 m m x 05 6 m m 的矩形，见图23 。 毒飘工 图2 3 传光光纤光源接收瑞排列方式 第二章细径光纤显微内窥镜系统原理 自炽灯与光纤的直接耦台效率的最大值为 2 4 ： 、= 寿t 酱n a ，2g + z口s 5 ( 2 一1 ) 式中，o ，为光纤芯半径，n a ，为光纤的数值孔径- 疗，为光源的半径，n a ，为光 源的发射孔径g 为折射率分布参数，对于阶越型光纤g 斗z 。将其化简为 、= 睾s 呐争 q m n x3 i ” ( 2 - 2 ) 式中，a f 为光纤酝积，a 。为光源的面积- 2 0 为光纤的孔径角。1 2 根传光光纤 按图2 3 排布，面积为a ，：1 2 翮，：， ，= a b ，f i n o = n a = 0 3 2 5 ，将它们带入式 ( 2 2 ) ，得1 2 撮1 0 0 u m 传光光纤的直接耦合的最大效率可一= o 9 3 2 。 从上面的分析可以知道，直接耦合的耦合效率非常低。因此，设计一个合适 的光源与传光光纤的聚光耦合系统是很有必要的。在聚光耦合系统的设计中，主 要考虑的是：( 1 ) 其出射光束的数值孔径与传光光纤的数值孔径匹配，即保证耦 合系统的光束最大出射角等于传光光纤的数值孔径角( 2 ) 灯丝像的大小与传光 光纤入射端面的尺寸匹配即保汪汇聚的光能量集中在传光光纤端面上。( 3 耦 合系统的尺寸要小，便于整个系统的装配小型化。 灯丝 上i| 卜+ i 圈24孔径角示意图 a f 第二章细径光纤显微内窥镜系统原理 我们选定的初始结构包括一个双胶合透镜和一个单透镜，用光学计算软件 o f f 0 对系统进行了优化，优化的方式是通过调整透镜的曲率，透镜间的距离， 以及对不同种类的玻璃的选择，以达到最佳耦合的目的。 圈2 5 聚光耦合系统结构图 像面 m m 耦台系统的结构如图2 5 所示。系统总长度1 2 r a m 。双胶合透镜【的焦距 f l = 1 14 6 m m 其中凸透镜孔径为6 5 m m ，所用玻璃为，凹透镜孔径为7 5 m m ， 所用玻璃为z r 。单透镜l ：的焦距厶= 52 5 6 ，孔径为6 m ，所用玻璃为b a k 。耦合 系统的焦距f = 5 5 3 4 m m ，物距工= 5 80 3 r a m ，像距f 61 2 r a m ，放大率p 一01 1 像 方数值孔径n a = o 6 。经软件计算，耦合系统离焦1 6 5 时的轴上的光斑直径为 01 6 3 r a m ，9 0 的能量集中在直径为o0 6 的光斑中，此时的放大率为b k 一0 1 3 灯 丝像的尺寸为o3 l m m 和0 1 4 m m 。 我们设计了一个实验来测试聚光藕合系统的性能。测试装置如图2 6 所示。 照明系统和光源如前面所述实验中所用功率计为l p e - i a 型功率计，用2 m w 档 来测量。固定光源将传光光纤用来耦合的一端放置在一个三维调节架上，另一 端对准功率计的靶面。改变灯丝到聚光耦合系统前端面的距离，并调节传光光纤， 使功率计上显示最大值。 第二章细径光纤显微内窥镜系统原理 图2 6聚光耦合系统性能测试装置 功率计 实验中所用的传光光纤为芯径l o o u m ，数值孔径0 3 2 5 。并用单根该类型传 光光纤测试了聚光耦合系统的耦台效率。该实验测试了聚光耦合系统距灯丝不同 距离时的耦合能量，实验数据列于表2i 。 表2l 聚光耦合系统性能测试结果 灯丝距耦台系统前端面 1 02 03 04 05 06 07 0 的距离( m m ) 耦合能量r ：( r o w ) 07 2 06 7 5 0 6 40 6 2 4 0 6 20 ，9 605 0 8 直接耦合能量r ，( m w ) 03 l5 从表中可以看如在 = 丝距离耦合系统前端面l o 跚时，聚光辗合系统的传 光效率最高。直接耦合与通过聚光耦合系统的传光效率之比为 坠一o72rim, 2 3 ( 倍) 式中疆是传光光纤直接和光源耦合时，功率汁接收的 珐0 3 1 5 舯r “ 能量：叩：是聚光耦和系统距离灯丝l o a w 时，通过传光光纤功率计接收的能量。 我们设计的聚光耦合系统将光能量提商到直接耦台的2 倍，同时大大减小了 聚光耦合系统的尺寸，为整个系统的总装和小型化打下了基础。 1 6 一 耋：|莨 繁 ，眨糕卜 第二章细径光纤显链内窥镜系统原理 第三节图像传输系统 图像传输系统是由微型光学成像系统、传像光纤、图像羯合系统、彩色c 及p c 计算机组成。微型光学成像系统将被观测物成像于传像光纤的前端面上， 并将图像传输到传像光纤的后端面。由图像耦合系统将图像耦合到c c d 的靶面 上。c c d 将图像的光信号转换为电信号输入计算机。计算机对图像进行采集并显 示在荧光屏上，并可对图像进行存储、后期处理及文件管理。 3 1 微型光学成像系统 一般光学系统都是用球面镜作为成像部件，而光学内窥镜系统要使用传像光 纤传输图像，这样在传像光纤的端面与像面位置的匹配上精度要求较高，另一方 面，血管内窥镜系统的直径很细，通常都在l m m 左右，虽然一毅的曲面透镜有 着渚多的优点，但由于上面提到的两个原因，限制了它在内窥镜系统中的使用。 棒透镜是一种新型的光学元件，在其截面上折射率分布沿径向呈梯度交化， 如图27 所示，其径向折射率分布由( 2 - 3 ) 式描述【25 】： 一 n ( r ) = n ( o ) 1 一去( 4r ) 2 】 ( 2 3 ) 上 ( 2 3 ) 式中n ( r ) 、n ( o ) 分别是r 处和轴上的折射率， 4 通常称为折射率 分布常数。又称为聚焦常数。由于棒透镜折射率分布约特性，使在媾透镜中传输 的光线轨迹是一正弦曲线，如图2 8 所示。其周期p 由【2 - 4 ) 式描述： p = - 2n 4 a( 2 4 ) 由于光线在捧透镜中的轨迹是p = 2 j 的正弦曲线。因此它和一般透镜 一样，可以聚光成像。图2 9 是捧透镜成像参数的定义。 棒透镜的参数参见附录。 1 7 第二章细径光纤显微内窥镜系统原理 折射事n 吵 如章j ， i、 j i 0 、j 7。 器 譬蓄 ， k ， c ，誊 p1p2 瘦 o，l j 1 太 l，、 一 、ll 图2 9 棒透镜有关参数之定义 捧透镜的光学性能如下： 焦距焦点到主平面仁i 爵z 嚣1 i 了历 焦点( 焦点到端面) s - i 击万c , g ( , - 2 z ) 1 8 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第二章细径光纤显微内窥镜系统原理 主平面h = 二产辔( 4 a z 2 ) ，t ( o ) a 像位置l ：一粤竺曼些墨竺型兰翌兰墅生生竖! 一 ，i ( o ) 爿【，( o ) 爿ls i n ( 4 a z ) 一c o s ( 4 a z ) 】 视场角2 e = 2 a r c t g 号 横向放大率卢2 i 面了覆i 忑习- i 1 两i i 忑了历，0 ) 、一工s i n ( 、4 z ) 一c o 、爿z ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 、 由上述的公式和图27 2 9 可以看出，棒透镜的焦距、焦点等光学参数都是 长度z 的周期函数，棒透镜的长度不同。这些光学参数也不相同。这是棒透镜 和一般透镜不同的显著特点。此外，当捧透镜长度处于1 4 p l 2 p ( p ；周期) 之 间，物处在有限距离时，它的像恰好在棒透镜的后端面上( 这时l 2 = 0 ) ，此时物 距l l 定义为标准工作距离，表达式如下： 标准工作距离le = l i - t g ( 4 a z )( l 2 = o 、 t 2 1 1 ) n ( o ) 4 a 图2 1 0 描述了此时的物像关系。 4 署 hu 司 图21 0 在端面上的倒像tt4 p z 1 2 p 、 这一特性满足了细径光纤显微内窥镜对像面位置精度的要求我们只要篱单 地把捧透镜和传像光纤的端面紧璜占长度为z 的棒透镜就可以砖物距为l l 物体 清晰成像，并且传像光纤端面也正处在像面的位置上。另外俸透镜的直径可以做 得很小，因此选用棒透镜作为系统的成像部件是非常合适的。 第二章细径光纤显微内窥镜系统原理 由公式( 2 - 1 1 ) 可以看出，改变捧透镜的长度z 标准工作距离l l 也随之变 化。这样我们可以通过改变棒透镜的长度得到符合系统要求的标准工作距离。 例如a 型棒透镜的性能参数如下：直径中= 0 5 r a m ，中心折射率n ( 0 ) = l6 5 ， 折射率分布常数4 = l1 2 1 4 ，p = 56 r a m ，na 印6 1 3 ，视场角20 = 7 33 ，若要 求标