浅谈光纤内窥镜的工作原理与发展现状

宋文晓

【摘要】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；

【中图分类号】R368 【文献标识码】B【文章编号】1004-4949（2015）03-0648-02

在电子内窥镜基础上结合计算机技术及立体显示技术发展起来的立体电子内窥镜以立体图像观察人体内部，从而不仅提高医疗诊断的准确性，并且使内窥镜越来越多的参与到手术中，对于微创手术具有重要的意义。本文介绍了立体电子内窥镜中立体显示技术及其系统结构，描述了立体电子内窥镜的发展现状，并展示了当前前沿的机器人辅助手术系统中内窥镜导航系统的组成。

一光纤内窥镜的基本结构和原理：

光纤工业内窥镜是一种利用纤维光学和光学、精密机械及电子技术结合而成的新型光学仪器，它利用光导纤维的传光、传像原理及其柔软弯曲性能，可以对设备中肉眼不易观察到的隐蔽部位方便地进行直接快速的检查，既不需设备的解体，亦不需另外照明，只要有孔能使窥头插入，内部情况便可一目了然，既可直观，亦可侧视，还可手控窥头对被检查面进行连续上下扫描100°；可目视，亦可照像，还可录像或电视显示。它与传统的光学成像器件相比，具有柔软、重量轻、使用自由度大、易实现复杂空间结构的图像传递等特点，打破了传统光学系统必须成直线或空间折线的僵直、呆板格局。由于柔软光纤传像束优良的传像特性和可以弯曲的性能，还能在强电磁干扰、高温有腐蚀的场合工作。因而使其被广泛地应用于医学、工业检测、科研、军事等多种领域中。

光纤工业内窥镜的基本结构和成像原理：

光纤工业内窥镜如1图所示，由头端部、弯曲部、主软管、操作部、目镜、

导光软管、导光插头、冷光源所构成。

图1 光纤内窥镜的基本结构

其工作原理是：从光源内发出的强光，经导光束照明被观察物体；图像经透镜聚

焦后，会聚到柔性光纤传光束一端，经光纤传光束传输到头端照明被观察物体（或视场）。为使整个视场照度均匀，光纤传光束照明范围应大于视场角，因此不仅要求传光光纤的直径尽量小，柔软性好，而且要求有较高的数值孔径，才能达到提高视场光照度的要求。被观察物体的反射光经过物镜汇聚后，成像于光纤传像束的端面上，然后经过个光纤传像束传出，再经过目镜放大后，通过CCD进行光电转换，把光信号转变成电信号，最后显示在计算机或显示器上，进行录像或储存。由于光在光纤内传输的过程中有损耗，因此光纤工业内窥镜的使用距离受到一定的限制，传像束的长度一般不超过6 m。

光纤工业内窥镜的光学系统：

内窥镜的光学系统由导光束、物镜、传像束及目镜等组成，是内窥镜最重要的组成部分，其质量水平的高低，直接反映光纤内窥镜质量水平。与其它光

学仪器相比，光纤内窥镜光学系统独具特色：大视场、小孔径、景深长、结构小、整机成像分辨率受传像束的分辨率影响大。在其设计时应综合考虑物镜、导光束、传像束、目镜等因素，使其参数相互匹配。

（1）内窥镜物镜

内窥镜物镜的特点是小孔径大视场。小孔径是针对固定焦点内窥镜仍需较长景深而设计的。大视场是内窥镜应用所要求的。在近距离内，能观察到尽可能大的范围，只有靠大视场角保证。大视场角会引起畸变增大，但一般内窥镜对畸变要求不是很高，30%-40%的畸变还是能够使用的。

（2）内窥镜导光系统

内窥镜的照明由导光系统来完成。光源发出的强光经隔热聚焦后，会聚到导光束一端，经导光束传输到头端照明被观察物体。为使整个视场照度均匀，导光束照明范围应大于视场角，因此导光窗必须增加发散功能，将导光窗制成平凹透镜。

（3）内窥镜目镜

内窥镜传像束传输过来的画面是通过目镜放大而供人观察的。由于每个操作者的视力不尽相同，在目镜上设计了视度调整装置。由于纤维单丝直径的限制，目镜的放大倍率不能太高，否则会影响观察效果。

光纤工业内窥镜的机械系统：

（1）头端部

头端部由观察窗、导光窗等组成。内窥镜头端部有直视、斜视、侧视部件等，随着弯曲部件制作水平的提高，一般前视头端部即可满足使用要求。

（2）弯曲部

弯曲部是圈状零件多件连结而成，其中串有弯角钢丝绳（四方向4根钢丝绳，二方向2根钢丝绳），钢丝绳的一端被固定在弯曲部的前端。拉紧其中一根钢丝绳，圈状零件的另一边放开，钢丝绳拉紧侧收缩，这样就成了一定角度的弯曲。钢丝绳的另一端被连接在操作部的弯角手轮处，转动弯角手轮，弯曲部就作与弯角手轮同一转动方向的弯角。

内窥镜性能的好坏，与弯角部性能有很大关系。通常要求弯角部的弯曲角度要大，但弯曲半径要小。但如果弯曲角度过大容易使光纤束断裂，而弯曲半径过小就会使像束会折射到光纤的外包皮层，造成光能的损失，因此对像束和光束都有较高的要求。

（3）插入部（主软管）

插入部连接操纵部及弯角部。不同用途的内窥镜，其软管部长短亦不相同。若对软管部作一横切面，则由外至内有以下几层组成：不锈钢外编织网管，聚氨酷涂覆层，不锈钢内编织网管及螺旋弹簧管，此四层共同组成软管壁，软管内装有导像束、导光束、牵引钢丝绳等。

（4）操作部（控制部）

操作部是内窥镜的主要部件之一，由弯角手轮、弯角锁紧钮等组成。

1）弯角钮

转动弯角钮手柄，鼓轮随之转动，拉动牵引钢丝绳，因钢丝绳牵引弯角部的蛇骨管，引起蛇骨管各关节作上下左右四个方向运动，并带动头端部作相应的弯角运动。

2）弯角锁紧钮及锁紧原理

使用中有时须将头端部固定于某一特定的位置，故在弯角手轮旁设计了弯角锁紧钮。

弯角锁紧是通过左旋螺纹来压紧手轮来完成的。锁紧钮连接左旋螺纹，并装有尼龙和弹性片。当锁紧钮作顺时针旋转时，尼龙脱离弯角手轮，因此不影响弯角手轮的转动，此时称为“自由”状态。若将锁紧钮作逆时针旋转时，尼龙压紧弯角手轮，牵引钢丝被“固定”在某一状态，故能使弯角部“固定”在一特定位置。

弯角手轮紧锁只是使弯角时产生较大的阻尼，弯角“固定”于某一位置，但此时并非“锁死”。这是为了防止操作者忘了在锁紧状态下而将内窥镜强行拉出时，造成意外损伤。

（5）导光插头部

导光插头部是连接冷光源的装置。导光插管端面位于冷光源灯炮的聚焦点上，为了得到尽可能高的光亮度，导光束端面应与导光插管端面平齐，以保证其同样位于冷光源灯泡的聚焦点上。

二.性能特点：

1、现场快速检查，无须拆卸，可大大缩短故障检测时间，提高工作效率，大幅度节约生产、维修成本。

2、采用特封，高分辨率消色差透镜，图像真实，色彩纯正鲜亮。

3、光纤传导内窥镜，在有可燃性气体的孔穴中检测，灯泡发生内爆时，不会引起燃烧；可浸入特定的液体（如水、油等）中，镜头不会形成雾气；温度可达120℃；仪器顶端不产生热量。

4、可对目镜焦距进行无限平稳调控图像清晰明朗。

5、全方位观察，0°40°视场，可装各种套管镜，分别作70°、90°、120°视向观察，旋转管套镜可作360°全方位观察。

6、双层不锈钢结构，制造精密，性能非常可靠，工作寿命长。

三.光纤工业内窥镜的应用：

光纤工业内窥镜可用于高溫、有毒、核辐射及人眼无法直接观察到的场所的观察，可以方便而且迅速地检查各种机器、设备、组装物体的内部，不需折卸或破坏组装就能进行有效的质量管理，可与照相机、摄像机或电子计算机藕接，可组成照相、摄像和图像处理系统，从而可进行视场目标的监视、记录、贮存和图像分析。因此，在现代工业的各部门发挥了越来越重要的作用。