淺談光纖內窺鏡的工作原理與發展現狀

宋文曉

【摘要】分析了醫用物理技術之一——光纖內窺鏡。主要包括光纖導光、傳像原理，光纖內窺鏡的光學系統和結構，以及光纖內窺鏡的醫學應用。

【關鍵詞】 光纖原理； 內窺鏡； 醫用物理； 醫學應用；

【中圖分類號】R368 【文獻標識碼】B【文章編號】1004-4949（2015）03-0648-02

在電子內窺鏡基礎上結合計算機技術及立體顯示技術發展起來的立體電子內窺鏡以立體圖像觀察人體內部，從而不僅提高醫療診斷的準確性，并且使內窺鏡越來越多的參與到手術中，對于微創手術具有重要的意義。本文介紹了立體電子內窺鏡中立體顯示技術及其系統結構，描述了立體電子內窺鏡的發展現狀，并展示了當前前沿的機器人輔助手術系統中內窺鏡導航系統的組成。

一光纖內窺鏡的基本結構和原理：

光纖工業內窺鏡是一種利用纖維光學和光學、精密機械及電子技術結合而成的新型光學儀器，它利用光導纖維的傳光、傳像原理及其柔軟彎曲性能，可以對設備中肉眼不易觀察到的隱蔽部位方便地進行直接快速的檢查，既不需設備的解體，亦不需另外照明，只要有孔能使窺頭插入，內部情況便可一目了然，既可直觀，亦可側視，還可手控窺頭對被檢查面進行連續上下掃描100°；可目視，亦可照像，還可錄像或電視顯示。它與傳統的光學成像器件相比，具有柔軟、重量輕、使用自由度大、易實現復雜空間結構的圖像傳遞等特點，打破了傳統光學系統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良的傳像特性和可以彎曲的性能，還能在強電磁干擾、高溫有腐蝕的場合工作。因而使其被廣泛地應用于醫學、工業檢測、科研、軍事等多種領域中。

光纖工業內窺鏡的基本結構和成像原理：

光纖工業內窺鏡如1圖所示，由頭端部、彎曲部、主軟管、操作部、目鏡、

導光軟管、導光插頭、冷光源所構成。

圖1 光纖內窺鏡的基本結構

其工作原理是：從光源內發出的強光，經導光束照明被觀察物體；圖像經透鏡聚

焦后，會聚到柔性光纖傳光束一端，經光纖傳光束傳輸到頭端照明被觀察物體（或視場）。為使整個視場照度均勻，光纖傳光束照明范圍應大于視場角，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值孔徑，才能達到提高視場光照度的要求。被觀察物體的反射光經過物鏡匯聚后，成像于光纖傳像束的端面上，然后經過個光纖傳像束傳出，再經過目鏡放大后，通過CCD進行光電轉換，把光信號轉變成電信號，最后顯示在計算機或顯示器上，進行錄像或儲存。由于光在光纖內傳輸的過程中有損耗，因此光纖工業內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。

光纖工業內窺鏡的光學系統：

內窺鏡的光學系統由導光束、物鏡、傳像束及目鏡等組成，是內窺鏡最重要的組成部分，其質量水平的高低，直接反映光纖內窺鏡質量水平。與其它光

學儀器相比，光纖內窺鏡光學系統獨具特色：大視場、小孔徑、景深長、結構小、整機成像分辨率受傳像束的分辨率影響大。在其設計時應綜合考慮物鏡、導光束、傳像束、目鏡等因素，使其參數相互匹配。

（1）內窺鏡物鏡

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

（2）內窺鏡導光系統

內窺鏡的照明由導光系統來完成。光源發出的強光經隔熱聚焦后，會聚到導光束一端，經導光束傳輸到頭端照明被觀察物體。為使整個視場照度均勻，導光束照明范圍應大于視場角，因此導光窗必須增加發散功能，將導光窗制成平凹透鏡。

（3）內窺鏡目鏡

內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。由于每個操作者的視力不盡相同，在目鏡上設計了視度調整裝置。由于纖維單絲直徑的限制，目鏡的放大倍率不能太高，否則會影響觀察效果。

光纖工業內窺鏡的機械系統：

（1）頭端部

頭端部由觀察窗、導光窗等組成。內窺鏡頭端部有直視、斜視、側視部件等，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，轉動彎角手輪，彎曲部就作與彎角手輪同一轉動方向的彎角。

內窺鏡性能的好壞，與彎角部性能有很大關系。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使像束會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，則由外至內有以下幾層組成：不銹鋼外編織網管，聚氨酷涂覆層，不銹鋼內編織網管及螺旋彈簧管，此四層共同組成軟管壁，軟管內裝有導像束、導光束、牽引鋼絲繩等。

（4）操作部（控制部）

操作部是內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

轉動彎角鈕手柄，鼓輪隨之轉動，拉動牽引鋼絲繩，因鋼絲繩牽引彎角部的蛇骨管，引起蛇骨管各關節作上下左右四個方向運動，并帶動頭端部作相應的彎角運動。

2）彎角鎖緊鈕及鎖緊原理

使用中有時須將頭端部固定于某一特定的位置，故在彎角手輪旁設計了彎角鎖緊鈕。

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。當鎖緊鈕作順時針旋轉時，尼龍脫離彎角手輪，因此不影響彎角手輪的轉動，此時稱為“自由”狀態。若將鎖緊鈕作逆時針旋轉時，尼龍壓緊彎角手輪，牽引鋼絲被“固定”在某一狀態，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產生較大的阻尼，彎角“固定”于某一位置，但此時并非“鎖死”。這是為了防止操作者忘了在鎖緊狀態下而將內窺鏡強行拉出時，造成意外損傷。

（5）導光插頭部

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

二.性能特點：

1、現場快速檢查，無須拆卸，可大大縮短故障檢測時間，提高工作效率，大幅度節約生產、維修成本。

2、采用特封，高分辨率消色差透鏡，圖像真實，色彩純正鮮亮。

3、光纖傳導內窺鏡，在有可燃性氣體的孔穴中檢測，燈泡發生內爆時，不會引起燃燒；可浸入特定的液體（如水、油等）中，鏡頭不會形成霧氣；溫度可達120℃；儀器頂端不產生熱量。

4、可對目鏡焦距進行無限平穩調控圖像清晰明朗。

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，旋轉管套鏡可作360°全方位觀察。

6、雙層不銹鋼結構，制造精密，性能非常可靠，工作壽命長。

三.光纖工業內窺鏡的應用：

光纖工業內窺鏡可用于高溫、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器、設備、組裝物體的內部，不需折卸或破壞組裝就能進行有效的質量管理，可與照相機、攝像機或電子計算機藕接，可組成照相、攝像和圖像處理系統，從而可進行視場目標的監視、記錄、貯存和圖像分析。因此，在現代工業的各部門發揮了越來越重要的作用。