浅谈光纤内窥镜的原理与医学应用

光导纤维, 简称光纤。被广泛地应用于传输光能 (或光信号) 。用光纤制成的医用内窥镜, 因光纤束柔软, 可以弯曲灵活地插入人的体腔, 实现导光、传像, 在医学上具有广泛应用。内窥镜技术已成为促进医学科学发展的一种强有力的工具。

内窥镜之所以能够完成导光、传像功能, 其主要原理就是光的全内反射 (或称全反射) 。把光纤束经过合适的途径插入人体体腔, 一方面把外部光源发出的光通过光纤束导入体内, 照亮人体内需要检查的部位;另一方面, 再由光纤束把观察到的体内器官的病变图像传出体外, 供医生观看或作照相、摄像记录。

1 光纤导光、传像原理

光纤是一根极细的玻璃纤维, 通常只有几个微米, 非常柔软。这种极细的光纤一般是由两层材料做成的, 内层称为纤芯, 折射率n1较大 (约1.8) ;外层称为包层, 折射率n2较小 (约1.5) 。两者之间形成一个良好的光学界面。

1.1 光纤导光原理

导光, 是指把外部光源的光导入体内, 用于照亮观察部位。设光纤是粗细均匀的圆柱体, 光线以合适的入射角θ从光纤入射端面进入光纤。由于纤芯的折射率较大, 光线在纤芯与包层交界面上很容易实现全内反射, 并在行进中发生第2次全内反射, 经过多次这样的全内反射, 光线即可从光纤的一端传至另一端, 并以与入射角相同的角度从出射端面射出。为了使进入光纤的光线不会逸出, 一般应选择n1>n2, 且差值较大的材料来制造光纤。

在实际应用中, 柔软的光纤束均可以弯曲, 这对光纤束的导光和传像基本上不会产生影响。这一特点, 对医学临床应用非常有利。

1.2 光纤传像原理

光纤传像, 是由光纤特性和结构所决定的。为了利用光纤束传像, 光纤束必须具备以下条件: (1) 在理想情况下, 每根光纤都有良好的光学绝缘。即光纤束中的每一根光纤都能独立传光, 不受周围光纤的影响。 (2) 多根光纤两端必须是相关排列, 一一对应。即每根光纤在出射端和入射端的几何位置的排列应完全一致。 (3) 光纤束的每根光纤的端面都可看作是一个取样孔, 各自携带着一个像元。入射图像可看作是由许多亮度不同的像元所组成, 光纤束则可看作由若干个取样孔规则排列的析像器, 它按自己排列的规律性, 把入射图像分成和取样孔数目相等的像元。像元的大小等于取样的孔径, 每根光纤都通过自己的取样孔而独立地传递一个像元。 (4) 在理想情况下, 光线在光纤出射端的出射角与从光纤入射端的入射角的绝对值相等, 其符号由全内反射次数的奇偶而定。奇数次符号为正, 偶数次符号为负。这一性质对传递图像十分有用。

以上条件决定了光纤束把一幅图像从一端传至另一端时, 保持图像不变形。例如, 入射端图像是由多个像元组成的“┻”形, 经传像束传至出射端的图像仍是相同的“┻”形。

1.3 影响传像质量的主要因素

影响传像质量的因素, 主要有这样几个方面: (1) 光透过率 (T) 。光纤束在传光过程中光能损失越小, 说明它的透过性能越好, 常用光透过率T来表示。T为输出光通量与输入光通量之比, 即: (2) 数值孔径。这里是指理论数值孔径, 是表示光纤接收入射光的特性。设纤芯的折射率为n1, 包层的折射率为n2, 光纤接收角为θα, 数值孔径用NA表示:。此式说明, n1与n2的差值越大, 数值孔径值就越大。 (3) 分辨本领。分辨本领也称分辨率或解像力。是指可以分辨的两个目标像元之间的最小距离。一般来说, 光纤越细, 分辨率就越高。 (4) 排列性能。很明显, 如果光纤束排列不好, 分辨率就会下降。如果有个别光纤错位, 则此处的分辨率将下降;如果两端面在排列上存在弯曲, 那么此处的图像会发生畸变, 分辨率则会下降。

2 光纤内窥镜的光学系统和结构

2.1 光纤内窥镜的光学系统

光纤内窥镜, 简称内镜或纤镜。其光学系统通常包括照明系统、观察系统和照相记录系统等部分组成。 (1) 照明系统主要有光源、导光束、凹透镜等部分。外部光源发出的光经导光束传至内窥镜先端部的一个凹透镜上, 经凹透镜发散, 以获得更宽广的照明视场。 (2) 观察系统主要有直角屋脊棱镜、成像物镜、传像束、目镜等部分。成像光线进入观察系统, 首先经直角屋脊棱镜将光线作90°转向后射至成像物镜, 并由该物镜成像在传像束的一个端面上, 再经光纤束传到其另一端, 从目镜后即可看到清晰的物像。 (3) 作照相记录时, 上述观察系统中的目镜则起到照相机镜头 (即照相机物镜) 作用。当调整好焦距, 按下照相机快门按钮, 即可将像记录在照相底片上。

2.2 光纤内窥镜的结构

现以胃镜为例, 来说明光纤内窥镜的结构。胃镜的结构主要包括先端部、弯角部、导像管、导光管、导光管接头和操作部等部分。 (1) 先端部。先端部是最先插入体腔的部分, 长约31mm, 直径约13mm。其上设有导光窗口、观察窗口、吸引口、送气送水喷出孔, 以及为增大照明视场而设置的凹透镜、用于成像的棱镜和成像物镜等。先端部是光纤内窥镜的一个关键部件。 (2) 弯角部。起到连接先端部和导像束的作用。弯角部可以作大角度弯曲, 且弯曲灵活。 (3) 导像管。管内有导像束、送气送水管道、吸引管等。 (4) 导光管。该管内有导光束和各种电缆, 结构与导像管相似。 (5) 导光管接头。其一端与冷光源连接, 一般还装有水瓶连接嘴、光束罩和吸引嘴, 以及作高频手术的镜子等部件。 (6) 操作部。是内窥镜的控制和观察中心, 上面装有方向调节钮、紧固钮, 送气送水按钮, 吸引按钮, 活检钳调节钮, 以及目镜和照相、摄像系统等。

另外, 光纤内窥镜还可配备如冷光源、活检钳、细胞刷、照相机、教学镜等。

3 光纤内窥镜的医学应用

目前已研制出各种用途的医用光纤内窥镜。除上面提到的胃镜外, 还有膀胱镜、直肠镜、食道镜、支气管镜、腹腔镜、结肠镜、小儿专用内窥镜等。

检查时, 把光纤束经过合适的途径插入体腔, 外部高强度冷光源发出的光通过导光束传至内窥镜的先端部, 经导光窗口射出, 照亮体腔内部需要观察的部位, 观察到的图像通过观察窗棱镜改变方向后, 由物镜成像在传像束的端面上, 再经传像束传至目镜, 供医生观看或作照相、摄像。如配以教学镜, 则可供多人同时观看。

由于内窥镜的光纤束具有细软、弯曲灵活等优点, 即使是插入人体体腔的复杂部位, 操作起来也比较方便。内窥镜的应用范围很广, 其附件也在不断完善。

例如, 作胃镜检查时, 如需取活检, 可使用活体取样钳, 在直视下钳取组织标本。有的还配有pH计, 可直接测出食道或胃粘膜的pH值。内窥镜上还可安装放射线探测器, 可对某些早期癌症做出诊断。

另外, 内镜也可用于治疗。对于在以往必须通过手术才能治疗的病症, 如用内窥镜, 则可减轻手术给病人造成的痛苦。在内窥镜下对局部止血, 可避免手术下止血的复杂过程, 这对减轻病人痛苦具有明显效果。配有大功率激光传输的内窥镜, 可进行内腔激光治疗。如对肠腔组织增生的肠息肉, 使用激光内窥镜可以方便地将其切除。

随着医用物理技术和微电子高新技术的进步, 光纤内窥镜的功能也在不断地发展。可以相信, 今后还会有各种新用途的光纤内窥镜问世, 以更好地服务于医学。

摘要：本文分析了医用物理技术之一——光纤内窥镜。主要包括光纤导光、传像原理, 光纤内窥镜的光学系统和结构, 以及光纤内窥镜的医学应用。

关键词：光纤原理,内窥镜,医用物理,医学应用