基于近红外光的人工流产手术系统设计

孔凡洋， 孙桂芹， 彭 建， 余学飞

（1.南方医科大学生物医学工程学院医学工程系，广东广州510515；2.南方医院妇产科，广东广州510515；3.广东康业医疗设备有限公司，广东广州510403）

基于近红外光的人工流产手术系统设计

孔凡洋1， 孙桂芹2， 彭 建3， 余学飞1

（1.南方医科大学生物医学工程学院医学工程系，广东广州510515；2.南方医院妇产科，广东广州510515；3.广东康业医疗设备有限公司，广东广州510403）

提出一种基于近红外光的人工流产手术系统的设计方案.人工流产吸引管采用CMOS图像传感器和近红外LED光源技术.在有血液的环境下，进行可见光与近红外光成像效果对比实验，并在此基础上，进行了不同波长近红外单色光成像效果对比实验，以确定CMOS摄像头在血液环境下的最佳红外波长.吸引管有3个腔道构成，分别为主吸引腔道、走线腔道、减压通道.人工流产吸引管的减压通道，在术中可以利用压差将宫腔内升高的压力以流体力学的方式排出，减少宫血逆流等并发症、促进血窦闭合、减少出血、减轻疼痛.

人工流产手术； CMOS图像传感器； 血液吸光度； LED光源； 近红外光； 减压通道

人工流产，通常是对避孕失败的一种补救措施.根据我国卫生统计年鉴公布的数据［1］，2012年我国人工流产的总数已达到669万；人工流产可分为手术流产和药物流产［2］；传统人工流产手术是凭借操作医生的经验与手感对宫腔盲刮，在怀孕早期孕囊发育不大时无手感，需要大面积刮宫，对子宫损伤比较大，易造成吸宫不全等并发症［3］.

内窥式可视人工流产手术［4］是将内窥镜安装在带吸管孔道的镜鞘中，再进入宫腔行手术操作，医生在可视条件下，可以避免盲刮，尤其适用于孕周小、孕囊小的病例；但现行内窥可视人工流产手术系统均采用可见光作为照明光源，手术出血时，血液遮挡镜头，严重影响手术视野，不能实现真正的可视化.

针对以上问题，已有研究者发现血液在近红外光区域小于可见光区域的吸光度.吴文娟等［5］测量了常温条件下血液在400～1 000 nm的光学吸收特性参数：近红外光吸光度小于可见光吸光度.陈荣等［6］在200～1 300 nm波段，测定了人血与动物血液的吸收光谱，比较了紫外光区域、可见光区域以及近红外光区域吸光度高低，发现人与动物血液均在近红外区域700～1 300 nm吸光度最低.王乐新［7］也测量了人体血液在200～800 nm的吸收特性，实验结果与文献［4］、文献［5］、Randeberg等［8］在可见光范围内测量相符.而近年来有更多文献集中于测量血液不同成分（血氧含量不同以及病变红细胞）吸收光谱，以研究血氧量与病变红细胞对血液吸收特性的影响［9－10］.

人工流产手术负压吸引时，只有吸管窗口处和吸管内是负压，周围宫腔内均为正压，并且由于子宫被牵拉，宫腔内压力明显增高，易发生宫腔积血即由输卵管进入腹腔，同时有活动功能的子宫内膜随之进入腹腔，导致子宫内膜异位症，易引发不孕症［11］.

1 系统设计

为了克服现行可视化人工流产手术系统的不足［12－13］，提供1种可在手术过程中全程观察到整个手术部位的方案，设计工作从以下几点进行展开：

（1）采用近红外LED代替现有的可见光LED进行照明，CMOS摄像头在有血液遮挡的情况下有着更佳的成像效果.

（2）合理装配CMOS摄像头，使CMOS摄像头的视野可以覆盖吸引窗的位置，使宫腔组织从吸引窗吸进吸引通道时可见，准确地进行定点吸引.

（3）增加一个减压管道，利用压差将吸宫时宫腔内升高的压力以流体力学特有的方式排出，从而达到减少宫腔压力的目的.

1.1 人工流产吸引管结构

图1 基于近红外光源的人工流产手术系统的主视图Fig.1 Front view of a infrared induced abortion operation system

图2 基于近红外光源的人工流产手术系统的俯视图Fig.2 Vertical view of a infrared induced abortion operation system

如图1、图2、图3、图4，该人工流产吸引管远端有一个椭圆形吸引窗4.吸引管远端为封闭结构，近端为开口结构，吸引管内部被隔板分为3个独立的腔道：主吸引腔道1、走线腔道2和减压通道3.主吸引腔道1由平板11、弯板13和吸引管内壁构成；走线腔道2由平板11、竖板12、透明隔板13、封闭板14和吸引管内壁构成；减压通道3由平板11、竖板12、封闭板14、封闭板15、减压入口10、减压出口16和吸引管内壁构成，并且走线腔道2的深度大于主吸引腔道1，主吸引腔道1的深度大于减压通道3.

图3 基于近红外光源的人工流产手术系统的仰视图Fig.3 Bottom view of a infrared induced abortion operation system

图4 基于近红外光源的人工流产手术系统的A-A剖面图Fig.4 A-A sectional view of a infrared induced abortion operation system

1.2 吸引管头部组件设计

如图5，本设计前端装配有CMOS模组，该CMOS模组包括CMOS图像传感器7、前端的成像物镜8、照明光源9、FPC软性线路板6.CMOS图像传感器贴在FPC软性线路板上，其电源信号线放置在CMOS模组电源信号线腔道2内.照明光源9采用近红外LED，代替传统可见光LED.CMOS模组成像物镜8朝向吸引窗4的方向，准确地观察孕囊的位置以及术中吸宫时宫腔里面的情况.CMOS模组后面有一个楔形块5，起到固定CMOS模组的作用，防止CMOS模组在吸引管中晃动而影响成像效果.CMOS摄像头采用广角摄像头，摄像头可以观察到最大范围的夹角为β，即视场角β≥90°.吸引管的轴向方向与CMOS成像物镜的中心轴之间的夹角为α，100°≤α≤135°.CMOS模组前端放置一个透明隔板13，防止手术出血时污染CMOS模组镜头.

图5 基于近红外光源的人工流产手术系统的B-B剖面图Fig.5 B-B sectional view of a infrared induced abortion operation system

术中人工流产吸引管后接负压吸引器，实时观察宫腔内视频图像，进行定点吸引；当吸引管吸引宫腔组织时，宫腔压力会急剧增加，可以从减压入口10，通过减压出口16向外排液，减小宫腔压力，避免宫血逆流入腹腔.

CMOS摄像头模拟信号通过WDM采集卡进行采集，应用程序通过DirectShow与WDM视频采集卡驱动程序无缝对接的特性，通过操作DirectShow过滤器完成对视频信号的采集.在可视的情况下进行流产手术，实现真正的全程可视化人工流产.

吸光度是指波长为λ的光线通过溶液或者某一物质前的入射光强度与该光线通过介质后的透射光强度比值的对数.在近红外光波段，由于近红外光透过血液的吸光度低于可见光的吸光度，近红外光通过血液后的透射光强度比可见光大，CMOS摄像头接收透射光强度大，CMOS摄像头成像效果较好.为此在血液环境下进行了近红外光模拟实验，来验证在CMOS摄像头在近红外光条件下较可见光条件下，具有更好的分辨能力.

2 近红外光模拟实验

本实验设计的透过血液的近红外光成像系统示于图6，主要有可见光、850、940 nm主波的LED灯珠、卤素光源（LS-3000）、传光光纤、支架、黑匣子、CMOS摄像头、视频采集盒、窄带滤色片（10 nm）、比色皿.比色皿的光程分别为0.3、0.5、1 mm.窄带滤色片（透过率T＞80%）的波长分别为800、850、900、925、975、1 000、1 025、1 050、1 075 nm.

图6 近红外光成像系统图Fig.6 Near-infrared light imaging system

实验用的血液样本来源于南方医科大学附属南方医院，采用柠檬酸钠9NC真空抗凝管采集，采集后12 h之内测量.在不同光源条件下用CMOS摄像头透过不同厚度的血液（0.3、0.5、1.0 mm）观察比色皿另一侧不同间隔距离（分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 mm）的线条成像效果.选择光程不同装满血液的比色皿，其光程大小表示血液的厚度.整个实验装置放在黑匣子里面，以减小实验过程中自然光对实验结果的影响.

3 实验结果与分析

3.1 可见光、近红外光LED光源的实验结果与分析

实验中，选择可见光LED，850、940 nm主波的近红外LED直接作为照明光源.CMOS摄像头透过0.3、0.5、1.0 mm厚度的血液，观察比色皿另一侧不同间隔距离的线条成像效果.

从表1、表2、表3可以看出红外LED发出的近红外光可以穿透一定厚度的血液并且使CMOS摄像头成像效果比可见光LED条件下好.验证了以上设计的合理性.

表1 不同波长光源条件下穿透0.3 mm厚度血液的成像Table 1 Imaging of different wavelengths of light at 0.3 mm blood thickness

表2 不同波长光源条件下穿透0.5 mm厚度血液的成像Table 2 Imaging of different wavelengths of light at 0.5 mm blood thickness

表3 不同波长光源条件下穿透1.0 mm厚度血液的成像Table 3 Imaging of different wavelengths of light at 1.0 mm blood thickness

CMOS光谱响应受Si半导体材料限制，同种Si材料的光谱响应基本一致，其光谱响应区间从400～1 100 nm，峰值响应在近红外附近；在近红外区域，随着波长增大，CMOS传感器的响应度与量子效率都发生改变，进而影响到CMOS的成像效果［14］；因此如何确定在血液环境下使CMOS摄像头成像效果最佳的波长成为关键.

3.2 不同波长近红外光的实验效果与分析

在血液环境下，为了进一步确定可以使CMOS摄像头成像效果最佳的波长，进行了不同波长的近红外光成像实验.由于近红外LED灯珠各个波段波长不好控制，用红外光源、滤色片以及传光束代替近红外LED进行原理性验证.下面以近红外穿透0.3 mm厚度血液为例，进行原理性的实验验证，不会对理论实验结果造成偏差.

实验中，选择钨卤灯光源（波长360～2 000 nm），10 nm窄带滤色片（波长分别为800、850、900、925、975、1 000、1 025、1 050、1 075 nm）组成的单一波长的近红外光，作为照明光源，用传光束进行照明.进而观察装满血液的光程为0.3 mm的比色皿另一侧不同间隔距离的线条成像效果.

从表4可以看出照明光源采用波长为900 nm附近的近红外光，可以使CMOS摄像头在有血液的情况下成像效果最佳.进一步确定了在血液环境下使CMOS摄像头成像效果最佳的近红外波长.

表4 不同波长的单色光穿透0.3 mm厚度血液的成像Table 4 Imaging of different wavelengths of monochromatic light at 0.3 mm blood thickness

4 结论

本实验完成了基于近红外光的人工流产手术系统设计的工作，采用近红外光LED代替现有可视化系统可见光LED，使CMOS摄像头在有血液遮挡的情况下有着更好的成像效果；经验证在波长900 nm左右近红外光成像最佳.合理装配CMOS摄像头，使CMOS摄像头的视野覆盖吸引窗的位置，不仅在术前快速找到孕囊的位置，而且在宫腔组织从吸引窗吸进吸引通道时可见，使人工流产手术全程可视化.人工流产吸引管增加一个减压通道，吸宫时将宫腔内升高的压力排出，避免因宫血逆流而导致的子宫内膜异位症，促进血窦闭合，减少出血、减轻疼痛.

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［责任编辑：刘蔚绥］

Development of a near-infrared induced-abortion operation system

KONG Fanyang1， SUN Guiqin2， PENG Jian3， YU Xuefei1
（1.Department of Biomedical Engineering，School of Biomedical Engineering，Southern Medical University，Guangzhou 510515，China；2.Medical Department of Nanfang Hospital，Guangzhou 510515，China；3.Guangdong Konye Medical Equipment Co.，LTD，Guangzhou 510403，China）

To develop a near-infrared light-induced abortion operation system solution，a CMOS module with near-infrared LED light was accurately assembled in the attraction channel.To observe the comparative experiment quality between visible and near-infrared light，a series of experiments were conducted on the experimental group in blood environment.Imaging experiments of different wavelengths of monochromatic light were made to determine the best infrared wavelengths of CMOS in blood environment.A decompression pipe was designed to reduce the pressure inside the uterine cavity in the form of fluid mechanics to avoid complications such as uterine blood reflux.In addition，it could promote the blood sinus closed，reduce bleeding and reduce pain.

induced abortion； CMOS； blood absorbance； LED； near-infrared light； decompression pipe

R318.6

A

1000－9965（2015）02－0119－05

10.11778／j.jdxb.2015.02.005

2014－10－09

广东省科技计划项目（2012A032200015）；广州市科技计划项目（201300000193）

孔凡洋（1990－），研究方向：智能医学仪器设计

余学飞（1965－），博士，教授，硕士生导师，Tel：020－62789318；E-mail：xuefeiyu＠smu.edu.cn