电子宫腔镜照明系统研究

全 薇，崔秀玲，张 琪，卫元骏

(沈阳理工大学 理学院，沈阳 110159)

电子宫腔镜照明系统研究

全 薇，崔秀玲，张 琪，卫元骏

(沈阳理工大学 理学院，沈阳 110159)

研制一种光源外置、光纤导光、用于外径8mm免麻醉电子宫腔镜照明系统。光源金卤灯发出的光经过光学系统聚到光纤接收面，通过光纤束将光导入人体内部，导光光纤束采用月牙形排列，在TracePro照明设计软件中建立仿真系统，进行照度分析。分析结果表明，所研制的照明系统具有照度均匀、照度高、对人体无灼伤等优点。

电子宫腔镜；照明系统；聚光系统；照度分析

在临床医学中，由于电子内窥镜可以直接观察人体内部的组织形态和体内病变情况、方便而准确地对疾病进行诊断、提高早期疾病的检出率，且可以进行活检，以及进行与传统开放性手术相比具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优点的微创外科手术，因此得到了越来越广泛的应用[1]。由于人体内环境封闭黑暗，医用电子内窥镜需要借助外界光源对体内进行照明，光学成像系统才能对体内组织成像[2]。照明系统是使内窥镜成像清晰、图像分辨率高、色彩逼真的重要因素，其性能的优劣直接影响图像的质量，进而影响疾病诊断的准确性。

电子内窥镜的一个重要应用领域是子宫癌的早期诊断，但目前医用电子内窥镜的硬质部外径均超过了无麻醉宫腔镜诊断所需的8mm上限，只适于做手术，不宜于单纯作为无麻醉检查[3]。文献[4]研制了外径为4.6mm的电子内窥镜光学系统，若要进行无麻醉检查，包括照明系统在内的电子宫腔镜系统的外径尺寸应小于或等于8mm。本文根据电子宫腔镜照度高、探头口径小的需求，研制照度大于2000Lx、外径尺寸小于8mm要求的照明系统。

1 电子宫腔镜照明方式选择

1.1 各种不同照明方式比较

内窥镜的照明方式多种多样，根据光源、导光方式及光纤排列形状可分成不同的种类[5]。

(1)按光源分类：有卤素灯、金卤灯、氙气灯及近几年兴起的LED光源。表1列出了卤素灯，金卤灯和LED三种光源的光照度、色温、寿命、体积、功耗等参数，其中卤素灯以欧司朗(OSRAM)公司的64628型12V，100W灯为例，金卤灯以韦林公司的14W金卤灯为例，LED则以科锐(Cree)公司的XRE系列白光LED为例。从表1中可见，卤素灯光源色温较低，寿命较短，价格便宜。金卤灯光源色温较高，照度也最高，寿命相对较长，但是价格最高。LED光源则色温较高，照度偏低，但寿命最长，价格也比较便宜。

表1 不同光源的比较

(2)按导光方式分类：有光源置于其前端的光源前置照明方式和光源置于后端或驱动器内的光源后置照明方式。光源后置照明方式一般采用光导纤维传光束，将后端光源发出的光传导至前端。表2对前置LED和应用光纤束光源后置照明方式进行了比较。从表2可以看出，前置LED的最大优势是装配简单、功耗较低，但头端部会产生热量，对人体会有灼伤；而光纤最大优势是光纤束只传导光，本身不会发热，在头端部不会产生热量，且光纤束由若干根直径25～50μm的光纤丝组成，占用头端部的空间较小，可根据不同的头端部设计成各种形状，以适应各种各样的成像器件及尺寸要求。

表2 前置LED和光源后置光纤束导光照明方式比较

(3)按光纤排列形状分类：光纤束照明的光纤排列方式如图1所示，有两点式照明、月牙形照明、环形照明及半圆形照明。可根据不同的观察对象和头部尺寸及成像器件综合考虑，选择合适的光纤排列方式。

图1 不同光纤排列方式

1.2 宫腔镜照明系统要求

为满足宫腔镜的工作需要，照明系统应满足以下要求：

(1)照明强度：宫腔镜的观察环境湿润且黑暗，照明系统应有较高的照明强度，以达到CCD(Charge Coupled Device)能够成像的目的，一般宫腔镜照明系统的照度大于2000Lx可满足要求。

(2)照度均匀性：照明平面上的光线照度要均匀，便于人体组织情况的观察。

(3)头端部尺寸：由于人体内部空间狭窄，并且也应尽量减轻患者的痛苦，照明系统的头端部尺寸应尽可能小。用于免麻醉宫腔疾病检查的电子宫腔镜，包括光学成像系统和照明系统的前端部外径应小于8mm。

(4)热源敏感性：人体内部对热源敏感，不宜产生热量。

1.3 照明方式选择

由于电子宫腔镜照明系统要求细孔径，并且进入人体必须是冷光源，不能产生热辐射，以免灼伤人体组织，所以照明系统采用光源后置、光纤光导照明方式。通过比较，采用色温和照度都较高的金卤灯作为光源，这里选择PHILIP公司21V/150W的金属卤素灯泡，功率150W，色温2500～3200K，显色指数85，输出光照度120000Lx。光纤选用德国生产的玻璃光纤S120型号，光纤直径为25μm，光纤端面加工成37°角出射，保证照明视场中心和成像中心重合。用于免麻醉宫腔检查的电子宫腔镜前端外径要小于8mm，光学系统透镜组的直径为4.6mm，再考虑到厚度为1mm的外被管的尺寸，则光纤束的最大厚度为1.4mm，光纤束占据的空间如图2所示，光纤束排列方式采用月牙形，这样可以减小头端部尺寸。

图2 电子宫腔镜照明系统光纤排列方式

2 电子宫腔镜照明系统设计

2.1 聚光系统初始结构

为提高照度，照明系统通常应用聚光系统将光线会聚，聚光系统由球面反射镜和透镜组组成，其作用主要为：(1)提高光源的利用率，使光源发出的光能尽可能多地进入到光纤接收面；(2)使物平面照明均匀。

图3是所设计的聚光系统初始结构图，聚光系统由球面反射镜1、折射透镜2和折射透镜3组成。当长5mm、直径3.6mm柱体光源金卤灯5置于球面反射镜1右侧处工作时，投射到球面反射镜1的光线反射后，由折射透镜2和折射透镜3将光会聚到光纤接收面4上。

图3 聚光系统初始结构

2.2 聚光系统优化设计

考虑到透镜的成本和装配工艺，将折射透镜3设置为平凸透镜，透镜材料为玻璃K9，透镜组的设计应考虑使尽可能多的光聚集到相距出光孔0.5mm、直径为6mm的光纤接收面上。

在ZMAX软件中建立聚光系统光学结构，初始结构参数如表3所示，光源为可见光，入射光瞳为20mm，物面高度为-2.5mm、-1.75mm、0mm、1.75mm、2.5mm。

表3 聚光系统光学结构初始参数 mm

将透镜2和透镜3的曲率半径、厚度以及两透镜间的距离设为变量进行优化，使光线汇聚到像面上，优化后透镜间隔为-11.8mm。因间隔为负，则系统结构发生了扭曲，所以将间隔设置为11.8mm，并再次对曲率半径和厚度进行优化。表4是所设计的聚光系统的最终光学结构参数。图4是聚光系统光线追迹结构图。从图4中可以看出，光线经过透镜组后聚集到光纤接收面上，达到了聚光要求。

表4 光学结构最终参数 mm

3 照明系统模拟仿真及照度分析

TracePro照明设计软件是用于照明系统的光学分析、辐射度分析及光度分析的光线模拟软件。运用TracePro将所研制的照明系统进行模拟仿真，照明系统结构如图5所示。

图5 Tracepro中照明系统结构图

TracePro软件中，在距离头端部10mm的位置上设置20mm×20mm的接收面，设置10000根光线进行光线追迹，接收面上光照度二维分布图如图6所示。从图6中可以看出，10000根光线进行追迹时：

(1)在接收面中间区域内照度很均匀，可以近似认为该照明系统的照度比较均匀。

(2)最高照度大约为2900Lx；以接收面中心为原点，形成半径为7mm左右的圆形区域，在此区域内照度大于2000Lx，达到照度的要求；说明照明系统的照明质量很好。

通过照明质量的分析，表明所设计的医用宫腔镜照明系统能够满足照度大于2000Lx、照度均匀、照明质量好、对观察部位成像清晰的要求。

图6 光照度二维分布图

4 结论

研制了可用于最大外径为8mm的免麻醉电子宫腔镜照明系统，照明系统采用光源外置、光纤导光的照明方式，对人体无灼伤；光源应用色温和照度都较高的金卤灯，光纤呈月牙形排列，最大厚度为1.4mm；光线经聚光系统汇聚后，在接收面照度大于2000Lx，且照度均匀。所研制的照明系统满足免麻醉电子宫腔镜照明、对人体无损伤的需求。

[1]Gordon AG,Magos AL.The development of laparoscopic surgery[J].Baillieres Clin Obstet Gynaecol,2013,3(3):429-449.

[2]Niwa R.The History of Digestive Endoscopy[C]//New Challenges in Gastrointestinal Endoscopy,2012:3-28.

[3]Swain P,Austin R,Bally IC,et al.Development and testing of a tethered,independent camera for NOTES and single-site laparoscopic procedures[J].Surgical Endoscopy,2010，24(8):2013-2021.

[4]全薇，张雷，张正正，等.医用电子宫腔镜光学成像系统设计[J].沈阳理工大学学报，2014，33(5)：6-9.

[5]陆小建，杨琰，濮悦.内窥镜照明方式的选择[J].无损检测，2013，35(3)：60-61.

(责任编辑：赵丽琴)

Development of Illuminating System for Electronic Hysteroscope

QUAN Wei,CUI Xiuling,ZHANG Qi,WEI Yuanjun

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

As electronic hysteroscope is used in uterus examination,CCD is incapable of taking the pictures for the body because it is dark inside the uterus.Therefor,an illuminating system is required in electronic hysteroscope.In the paper an illuminating system was developed for 8mm outside diameter without anesthetics electronic hysteroscope,with an external light source of metal halide lamp and crescent-shaped optical fiber bundle.The light from metal halide lamp was converged on the optical fiber receiving surface by an optical focusing system,then was imported into the human body through the optical fiber bundle.The illuminating system was analyzed using TracePro software,and the results showed the illuminating system had high and uniform illumination intensity on the image plane,and was harmless to the human body for light resource outside.

electronic hysteroscope;illuminating systems;optical focusing system;illumination analysis

2015-12-06

沈阳市科技计划项目(F12-277-1-27)

全薇(1964—)，女，教授，研究方向：光学工程。

1003-1251(2017)02-0029-04

TH776

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