腹腔鏡照明系統(tǒng)的研究

吳倩倩　張欣婷　劉仲宇

摘 要：20世紀(jì)90年代初期，電視腹腔鏡的出現(xiàn)，低創(chuàng)傷外科（MIS）得到迅速的發(fā)展,MIS的關(guān)鍵是醫(yī)生利用電視腹腔鏡觀察電視屏進(jìn)行手術(shù)操作，手術(shù)后只留下很小的傷口，恢復(fù)時(shí)間快，節(jié)省醫(yī)療費(fèi)用，深受廣大患者的歡迎。1987年法國Mamret首先使用電視腹腔鏡技術(shù)做了第一例膽囊切除手術(shù)，后逐漸擴(kuò)展到了50多種。其范圍涉及到肝、膽、胃，腸、腹部外科、婦科和泌尿科。隨著國內(nèi)開展的電視腹腔鏡手術(shù)技術(shù)已趨成熟，低創(chuàng)傷外科（MIS）手術(shù)的普及率會(huì)越來越高。作為醫(yī)用內(nèi)窺鏡的一個(gè)組成部分，照明光源有著特殊的意義，在手術(shù)時(shí)，必須有良好的光源照亮物體才可以其成像。因而光源的好壞直接影響到物體的成像質(zhì)量，而有較高的成像質(zhì)量是內(nèi)窺鏡應(yīng)用時(shí)的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：腹腔鏡技術(shù) 冷光源 氙燈

中圖分類號(hào)：R656 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791(2012)10(c)-0232-01

1 光源的選擇標(biāo)準(zhǔn)

從照明角度來講,太陽光是最理想的光源,物體在陽光的照射下,顏色的傳遞沒有失真。因此太陽光的光色最好,顯色指數(shù)最高、色表最白、色溫適中,所以人們把在太陽光照射下人眼所產(chǎn)生的顏色視覺作為辨色標(biāo)準(zhǔn)。光源的顏色有兩方面的意思,一是人眼直接觀察光源所看到的顏色,稱為光源的色表;另一方面是指光源發(fā)出的光照射到物體所產(chǎn)生的觀看效果。如果光源照射到多色物體所呈現(xiàn)出的顏色效果和校準(zhǔn)光源(黑體或標(biāo)準(zhǔn)晝光)照射一樣,則認(rèn)為該光源的顯色性好(顯色指數(shù)高)。光源發(fā)光的顏色是用色溫來表示的,當(dāng)光源所發(fā)射的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色相同時(shí),黑體的這個(gè)溫度就稱為該光源的顏色溫度,色溫是衡量照明光源的一個(gè)重要的物理量。

1.1 氙燈光源的介紹

對(duì)于內(nèi)窺鏡冷光源而言,不論是用于直接觀察,還是用于電視內(nèi)窺鏡,對(duì)其要求主要有以下三點(diǎn):(1)彩色還原性好;(2)亮度要高;(3)發(fā)光穩(wěn)定。低壓鈉燈的色表和顯色性能都不好,高壓汞燈色表好。但顯色性不好,鎢絲燈色表不好,但顯色性好,而氙燈的色表和顯色性都很好。從前兩項(xiàng)要求來看氙燈是較為理想的。氙燈的顯色性好,光色穩(wěn)定,其顯色指數(shù)為95,彩色還原性很強(qiáng),顏色失真很少,它的光色接近中午的太陽光。

氙燈是50年代才發(fā)展起來的新燈種,它是利用惰性氣體氙的弧光放電輻射光能量的。氙燈分為長弧氙燈,短弧氙燈,脈沖氙燈三種。本文研究的是極間距離很短的短弧氙燈,它的輻射是連續(xù)的,同太陽的光譜極其相似。所以氙燈的色溫也在5500 K左右,氙燈的顯色指數(shù)為95,其彩色還原性很強(qiáng),顏色失真很小,它的光色十分接近中午的太陽光,而且十分穩(wěn)定。一方面,當(dāng)燈內(nèi)氙氣壓強(qiáng)在較大范圍變化時(shí),它的光譜能量分布不變,顯色指數(shù)和色溫基本上也不變;另一方面,當(dāng)燈的工作電流大幅度變化時(shí),氙燈的光色也不變化。氙氣這兩個(gè)特點(diǎn)是其他氣體所沒有的。球形高壓氙燈兩個(gè)電極之間的距離可以做的很短,在2－3mm之間,在陰極前有一個(gè)極亮的光斑,形狀是個(gè)圓錐體,錐頂離陰極只有1 mm,光斑尺寸非常小,而亮度卻極高。氙燈的亮度大部分集中在這個(gè)光斑上,它補(bǔ)償了氙燈光效低的弱點(diǎn)。這對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常的有利。采用錐橢球冷光鏡把陰極光斑與冷反光鏡的一個(gè)焦點(diǎn)重合在一起,使光的利用率最高。氙燈的啟動(dòng)時(shí)間短,可隨時(shí)開關(guān),使用方便,具有正阻的伏安特性,一般氣體放電的伏安特性都是負(fù)阻性的,所謂負(fù)阻性是指燈電壓下降時(shí)電流增加,然而高氣壓大電流的氙氣放電,因氙氣電離處于飽和,正阻區(qū)的電阻率也變?yōu)楹愣ㄖ?所以氙燈具有正阻的伏安特性,為電路的設(shè)計(jì)提供了方便。

1.2 氙燈具有的缺點(diǎn)

(1)高壓氙燈為使其觸發(fā)點(diǎn)燃,需在瞬間加一高壓使氣體達(dá)到預(yù)電離狀態(tài),高氣壓大電流的氙氣放電使氙氣電離趨于飽和而連續(xù)發(fā)光。因此氙燈電源系統(tǒng)需要一套較為復(fù)雜的高壓觸發(fā)。同時(shí),還要考慮到同大電流直流供電回路的銜接、匹配和隔離,因此整個(gè)電源較為復(fù)雜,要減少故障率必須附加各種保護(hù)電路,所以整機(jī)的成本必然增加。因此市售氙燈冷光源價(jià)格比較高。

(2)高壓球形氙燈本身,國內(nèi)產(chǎn)品其性能尚不穩(wěn)定。據(jù)廠方透露,與氙氣的質(zhì)量有關(guān)。氙燈性能的不穩(wěn)定主要體現(xiàn)在觸發(fā)狀態(tài)的不穩(wěn)定,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)覺,觸發(fā)參數(shù)的設(shè)定因季節(jié)和氣候條件的不同而有很大差別,因此出現(xiàn)出廠時(shí)已調(diào)好而后來在應(yīng)用中難以觸發(fā)點(diǎn)燃的情況。

為解決上述矛盾,在本項(xiàng)研究中采用充氙鹵素?zé)?。該燈具有同氙燈相近的光?燈絲結(jié)構(gòu)緊湊,可以在相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)的配合下使光束集中,使光能充分利用產(chǎn)生局部高亮度照明效果。電視腹腔鏡在使用過程中不能因氙燈出現(xiàn)故障而停止手術(shù),須選定一輔助光源。有兩種可以供選擇的光源:鹵鎢燈和金屬鹵物燈。

2 冷光源的聚光系統(tǒng)

外接冷光源的內(nèi)窺鏡與燈泡照明的內(nèi)窺鏡相比,有以下優(yōu)點(diǎn):(1)采用冷光源照明可以提高亮度,使觀測目標(biāo)圖像清晰,提高了診斷的準(zhǔn)確度。(2)用外來冷光源后,燈泡不再裝入內(nèi)窺鏡中,在內(nèi)窺鏡中減少了一個(gè)熱源,也不會(huì)發(fā)生燈泡熱源燙傷肌體組織的現(xiàn)象,故安全可靠。(3)由于光源照度高,為在內(nèi)窺鏡觀察機(jī)體時(shí)進(jìn)行靜態(tài)攝像及動(dòng)態(tài)電視系統(tǒng)觀察提供了有利條件。

鑒于用外來冷光源通過光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的內(nèi)窺鏡有以上優(yōu)點(diǎn),到目前為止,幾乎所有的內(nèi)窺鏡都采用外來冷光源的照明方式。

在醫(yī)用光學(xué)儀器上使用光源的輻射中,大部分都是以紅外線輻射出來,可見光只占總輻射的很小一部分,而紅外線又要轉(zhuǎn)變成熱能。因而,為了有效的去掉熱源,使光源變成冷光源,必須在光源中設(shè)法濾掉紅外成分。本文用的是在光源的呈橢球面的燈罩上鍍以多層介質(zhì)膜。多層介質(zhì)膜的作用是使紅外光能高度透過,而可見光則從膜上得到發(fā)射,從而達(dá)到濾去紅外光的目的。為了保證光源有足夠的亮度,光源還得有聚光裝置。本腹腔鏡系統(tǒng)中氙燈光源采用的是橢球面冷反光鏡聚光。在橢球面上,通過其橢球長軸的任何截面都是橢圓。由于無論是氙燈的橢球面反光鏡,還是氯素?zé)舻膾佄锩娣垂忡R,都不能完全濾掉紅外線。為了達(dá)到更好的濾光效果,可以在光源與光導(dǎo)間加一塊可以透過可見光而吸收紅外光的隔熱玻璃。輻射出一定光通量的冷光源照射不同的病變組織和器官時(shí),進(jìn)入內(nèi)窺鏡的物體發(fā)射光的光通量差別很小,在監(jiān)視器必須得到高亮度差別也很大的圖像,CCD攝像機(jī)和彩色監(jiān)視器的AGC電路雖然都對(duì)圖像的亮度做一些調(diào)節(jié),但其調(diào)節(jié)范圍也有限,還不能滿足各種情況的使用要求,所以,必須調(diào)節(jié)冷光源進(jìn)入光導(dǎo)纖維的光通量。

3 結(jié)語

氙燈冷光源實(shí)現(xiàn)了高亮度,高色溫,能與CCD攝像機(jī)和監(jiān)視器配套,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光功能。用鹵鎢燈作為輔助光源,增加了冷光源的實(shí)用性和可靠性。分析了電視腹腔鏡系統(tǒng)的光能傳遞過程。腹腔鏡的光學(xué)系統(tǒng)成像清晰,初始結(jié)構(gòu)合理,加工和安裝方便。