電子宮腔鏡照明系統(tǒng)研究

全 薇，崔秀玲，張 琪，衛(wèi)元駿

(沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 110159)

電子宮腔鏡照明系統(tǒng)研究

全 薇，崔秀玲，張 琪，衛(wèi)元駿

(沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 110159)

研制一種光源外置、光纖導(dǎo)光、用于外徑8mm免麻醉電子宮腔鏡照明系統(tǒng)。光源金鹵燈發(fā)出的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚到光纖接收面，通過光纖束將光導(dǎo)入人體內(nèi)部，導(dǎo)光光纖束采用月牙形排列，在TracePro照明設(shè)計(jì)軟件中建立仿真系統(tǒng)，進(jìn)行照度分析。分析結(jié)果表明，所研制的照明系統(tǒng)具有照度均勻、照度高、對(duì)人體無灼傷等優(yōu)點(diǎn)。

電子宮腔鏡；照明系統(tǒng)；聚光系統(tǒng)；照度分析

在臨床醫(yī)學(xué)中，由于電子內(nèi)窺鏡可以直接觀察人體內(nèi)部的組織形態(tài)和體內(nèi)病變情況、方便而準(zhǔn)確地對(duì)疾病進(jìn)行診斷、提高早期疾病的檢出率，且可以進(jìn)行活檢，以及進(jìn)行與傳統(tǒng)開放性手術(shù)相比具有創(chuàng)傷小、疼痛輕、恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)的微創(chuàng)外科手術(shù)，因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。由于人體內(nèi)環(huán)境封閉黑暗，醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡需要借助外界光源對(duì)體內(nèi)進(jìn)行照明，光學(xué)成像系統(tǒng)才能對(duì)體內(nèi)組織成像[2]。照明系統(tǒng)是使內(nèi)窺鏡成像清晰、圖像分辨率高、色彩逼真的重要因素，其性能的優(yōu)劣直接影響圖像的質(zhì)量，進(jìn)而影響疾病診斷的準(zhǔn)確性。

電子內(nèi)窺鏡的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是子宮癌的早期診斷，但目前醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡的硬質(zhì)部外徑均超過了無麻醉宮腔鏡診斷所需的8mm上限，只適于做手術(shù)，不宜于單純作為無麻醉檢查[3]。文獻(xiàn)[4]研制了外徑為4.6mm的電子內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)，若要進(jìn)行無麻醉檢查，包括照明系統(tǒng)在內(nèi)的電子宮腔鏡系統(tǒng)的外徑尺寸應(yīng)小于或等于8mm。本文根據(jù)電子宮腔鏡照度高、探頭口徑小的需求，研制照度大于2000Lx、外徑尺寸小于8mm要求的照明系統(tǒng)。

1 電子宮腔鏡照明方式選擇

1.1 各種不同照明方式比較

內(nèi)窺鏡的照明方式多種多樣，根據(jù)光源、導(dǎo)光方式及光纖排列形狀可分成不同的種類[5]。

(1)按光源分類：有鹵素?zé)?、金鹵燈、氙氣燈及近幾年興起的LED光源。表1列出了鹵素?zé)?，金鹵燈和LED三種光源的光照度、色溫、壽命、體積、功耗等參數(shù)，其中鹵素?zé)粢詺W司朗(OSRAM)公司的64628型12V，100W燈為例，金鹵燈以韋林公司的14W金鹵燈為例，LED則以科銳(Cree)公司的XRE系列白光LED為例。從表1中可見，鹵素?zé)艄庠瓷珳剌^低，壽命較短，價(jià)格便宜。金鹵燈光源色溫較高，照度也最高，壽命相對(duì)較長，但是價(jià)格最高。LED光源則色溫較高，照度偏低，但壽命最長，價(jià)格也比較便宜。

表1 不同光源的比較

(2)按導(dǎo)光方式分類：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驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的光源后置照明方式。光源后置照明方式一般采用光導(dǎo)纖維傳光束，將后端光源發(fā)出的光傳導(dǎo)至前端。表2對(duì)前置LED和應(yīng)用光纖束光源后置照明方式進(jìn)行了比較。從表2可以看出，前置LED的最大優(yōu)勢是裝配簡單、功耗較低，但頭端部會(huì)產(chǎn)生熱量，對(duì)人體會(huì)有灼傷；而光纖最大優(yōu)勢是光纖束只傳導(dǎo)光，本身不會(huì)發(fā)熱，在頭端部不會(huì)產(chǎn)生熱量，且光纖束由若干根直徑25～50μm的光纖絲組成，占用頭端部的空間較小，可根據(jù)不同的頭端部設(shè)計(jì)成各種形狀，以適應(yīng)各種各樣的成像器件及尺寸要求。

表2 前置LED和光源后置光纖束導(dǎo)光照明方式比較

(3)按光纖排列形狀分類：光纖束照明的光纖排列方式如圖1所示，有兩點(diǎn)式照明、月牙形照明、環(huán)形照明及半圓形照明。可根據(jù)不同的觀察對(duì)象和頭部尺寸及成像器件綜合考慮，選擇合適的光纖排列方式。

圖1 不同光纖排列方式

1.2 宮腔鏡照明系統(tǒng)要求

為滿足宮腔鏡的工作需要，照明系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

(1)照明強(qiáng)度：宮腔鏡的觀察環(huán)境濕潤且黑暗，照明系統(tǒng)應(yīng)有較高的照明強(qiáng)度，以達(dá)到CCD(Charge Coupled Device)能夠成像的目的，一般宮腔鏡照明系統(tǒng)的照度大于2000Lx可滿足要求。

(2)照度均勻性：照明平面上的光線照度要均勻，便于人體組織情況的觀察。

(3)頭端部尺寸：由于人體內(nèi)部空間狹窄，并且也應(yīng)盡量減輕患者的痛苦，照明系統(tǒng)的頭端部尺寸應(yīng)盡可能小。用于免麻醉宮腔疾病檢查的電子宮腔鏡，包括光學(xué)成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的前端部外徑應(yīng)小于8mm。

(4)熱源敏感性：人體內(nèi)部對(duì)熱源敏感，不宜產(chǎn)生熱量。

1.3 照明方式選擇

由于電子宮腔鏡照明系統(tǒng)要求細(xì)孔徑，并且進(jìn)入人體必須是冷光源，不能產(chǎn)生熱輻射，以免灼傷人體組織，所以照明系統(tǒng)采用光源后置、光纖光導(dǎo)照明方式。通過比較，采用色溫和照度都較高的金鹵燈作為光源，這里選擇PHILIP公司21V/150W的金屬鹵素?zé)襞?，功?50W，色溫2500～3200K，顯色指數(shù)85，輸出光照度120000Lx。光纖選用德國生產(chǎn)的玻璃光纖S120型號(hào)，光纖直徑為25μm，光纖端面加工成37°角出射，保證照明視場中心和成像中心重合。用于免麻醉宮腔檢查的電子宮腔鏡前端外徑要小于8mm，光學(xué)系統(tǒng)透鏡組的直徑為4.6mm，再考慮到厚度為1mm的外被管的尺寸，則光纖束的最大厚度為1.4mm，光纖束占據(jù)的空間如圖2所示，光纖束排列方式采用月牙形，這樣可以減小頭端部尺寸。

圖2 電子宮腔鏡照明系統(tǒng)光纖排列方式

2 電子宮腔鏡照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 聚光系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)

為提高照度，照明系統(tǒng)通常應(yīng)用聚光系統(tǒng)將光線會(huì)聚，聚光系統(tǒng)由球面反射鏡和透鏡組組成，其作用主要為：(1)提高光源的利用率，使光源發(fā)出的光能盡可能多地進(jìn)入到光纖接收面；(2)使物平面照明均勻。

圖3是所設(shè)計(jì)的聚光系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)圖，聚光系統(tǒng)由球面反射鏡1、折射透鏡2和折射透鏡3組成。當(dāng)長5mm、直徑3.6mm柱體光源金鹵燈5置于球面反射鏡1右側(cè)處工作時(shí)，投射到球面反射鏡1的光線反射后，由折射透鏡2和折射透鏡3將光會(huì)聚到光纖接收面4上。

圖3 聚光系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)

2.2 聚光系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

考慮到透鏡的成本和裝配工藝，將折射透鏡3設(shè)置為平凸透鏡，透鏡材料為玻璃K9，透鏡組的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮使盡可能多的光聚集到相距出光孔0.5mm、直徑為6mm的光纖接收面上。

在ZMAX軟件中建立聚光系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，初始結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示，光源為可見光，入射光瞳為20mm，物面高度為-2.5mm、-1.75mm、0mm、1.75mm、2.5mm。

表3 聚光系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)初始參數(shù) mm

將透鏡2和透鏡3的曲率半徑、厚度以及兩透鏡間的距離設(shè)為變量進(jìn)行優(yōu)化，使光線匯聚到像面上，優(yōu)化后透鏡間隔為-11.8mm。因間隔為負(fù)，則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了扭曲，所以將間隔設(shè)置為11.8mm，并再次對(duì)曲率半徑和厚度進(jìn)行優(yōu)化。表4是所設(shè)計(jì)的聚光系統(tǒng)的最終光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖4是聚光系統(tǒng)光線追跡結(jié)構(gòu)圖。從圖4中可以看出，光線經(jīng)過透鏡組后聚集到光纖接收面上，達(dá)到了聚光要求。

表4 光學(xué)結(jié)構(gòu)最終參數(shù) mm

3 照明系統(tǒng)模擬仿真及照度分析

TracePro照明設(shè)計(jì)軟件是用于照明系統(tǒng)的光學(xué)分析、輻射度分析及光度分析的光線模擬軟件。運(yùn)用TracePro將所研制的照明系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 Tracepro中照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

TracePro軟件中，在距離頭端部10mm的位置上設(shè)置20mm×20mm的接收面，設(shè)置10000根光線進(jìn)行光線追跡，接收面上光照度二維分布圖如圖6所示。從圖6中可以看出，10000根光線進(jìn)行追跡時(shí)：

(1)在接收面中間區(qū)域內(nèi)照度很均勻，可以近似認(rèn)為該照明系統(tǒng)的照度比較均勻。

(2)最高照度大約為2900Lx；以接收面中心為原點(diǎn)，形成半徑為7mm左右的圓形區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)照度大于2000Lx，達(dá)到照度的要求；說明照明系統(tǒng)的照明質(zhì)量很好。

通過照明質(zhì)量的分析，表明所設(shè)計(jì)的醫(yī)用宮腔鏡照明系統(tǒng)能夠滿足照度大于2000Lx、照度均勻、照明質(zhì)量好、對(duì)觀察部位成像清晰的要求。

圖6 光照度二維分布圖

4 結(jié)論

研制了可用于最大外徑為8mm的免麻醉電子宮腔鏡照明系統(tǒng)，照明系統(tǒng)采用光源外置、光纖導(dǎo)光的照明方式，對(duì)人體無灼傷；光源應(yīng)用色溫和照度都較高的金鹵燈，光纖呈月牙形排列，最大厚度為1.4mm；光線經(jīng)聚光系統(tǒng)匯聚后，在接收面照度大于2000Lx，且照度均勻。所研制的照明系統(tǒng)滿足免麻醉電子宮腔鏡照明、對(duì)人體無損傷的需求。

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[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，張雷，張正正，等.醫(yī)用電子宮腔鏡光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33(5)：6-9.

[5]陸小建，楊琰，濮悅.內(nèi)窺鏡照明方式的選擇[J].無損檢測，2013，35(3)：60-61.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

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

沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目(F12-277-1-27)

全薇(1964—)，女，教授，研究方向：光學(xué)工程。

1003-1251(2017)02-0029-04

TH776

A