腹腔鏡照明系統的研究

吳倩倩　張欣婷　劉仲宇

摘 要：20世紀90年代初期，電視腹腔鏡的出現，低創傷外科（MIS）得到迅速的發展,MIS的關鍵是醫生利用電視腹腔鏡觀察電視屏進行手術操作，手術后只留下很小的傷口，恢復時間快，節省醫療費用，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做了第一例膽囊切除手術，后逐漸擴展到了50多種。其范圍涉及到肝、膽、胃，腸、腹部外科、婦科和泌尿科。隨著國內開展的電視腹腔鏡手術技術已趨成熟，低創傷外科（MIS）手術的普及率會越來越高。作為醫用內窺鏡的一個組成部分，照明光源有著特殊的意義，在手術時，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量，而有較高的成像質量是內窺鏡應用時的關鍵。

關鍵詞：腹腔鏡技術 冷光源 氙燈

中圖分類號：R656 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791(2012)10(c)-0232-01

1 光源的選擇標準

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生的顏色視覺作為辨色標準。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出的光照射到物體所產生的觀看效果。如果光源照射到多色物體所呈現出的顏色效果和校準光源(黑體或標準晝光)照射一樣,則認為該光源的顯色性好(顯色指數高)。光源發光的顏色是用色溫來表示的,當光源所發射的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色相同時,黑體的這個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重要的物理量。

1.1 氙燈光源的介紹

對于內窺鏡冷光源而言,不論是用于直接觀察,還是用于電視內窺鏡,對其要求主要有以下三點:(1)彩色還原性好;(2)亮度要高;(3)發光穩定。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。從前兩項要求來看氙燈是較為理想的。氙燈的顯色性好,光色穩定,其顯色指數為95,彩色還原性很強,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,氙燈的顯色指數為95,其彩色還原性很強,顏色失真很小,它的光色十分接近中午的太陽光,而且十分穩定。一方面,當燈內氙氣壓強在較大范圍變化時,它的光譜能量分布不變,顯色指數和色溫基本上也不變;另一方面,當燈的工作電流大幅度變化時,氙燈的光色也不變化。氙氣這兩個特點是其他氣體所沒有的。球形高壓氙燈兩個電極之間的距離可以做的很短,在2－3mm之間,在陰極前有一個極亮的光斑,形狀是個圓錐體,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光斑上,它補償了氙燈光效低的弱點。這對光學系統的設計非常的有利。采用錐橢球冷光鏡把陰極光斑與冷反光鏡的一個焦點重合在一起,使光的利用率最高。氙燈的啟動時間短,可隨時開關,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阻性的,所謂負阻性是指燈電壓下降時電流增加,然而高氣壓大電流的氙氣放電,因氙氣電離處于飽和,正阻區的電阻率也變為恒定值,所以氙燈具有正阻的伏安特性,為電路的設計提供了方便。

1.2 氙燈具有的缺點

(1)高壓氙燈為使其觸發點燃,需在瞬間加一高壓使氣體達到預電離狀態,高氣壓大電流的氙氣放電使氙氣電離趨于飽和而連續發光。因此氙燈電源系統需要一套較為復雜的高壓觸發。同時,還要考慮到同大電流直流供電回路的銜接、匹配和隔離,因此整個電源較為復雜,要減少故障率必須附加各種保護電路,所以整機的成本必然增加。因此市售氙燈冷光源價格比較高。

(2)高壓球形氙燈本身,國內產品其性能尚不穩定。據廠方透露,與氙氣的質量有關。氙燈性能的不穩定主要體現在觸發狀態的不穩定,我們在實驗中發覺,觸發參數的設定因季節和氣候條件的不同而有很大差別,因此出現出廠時已調好而后來在應用中難以觸發點燃的情況。

為解決上述矛盾,在本項研究中采用充氙鹵素燈。該燈具有同氙燈相近的光色,燈絲結構緊湊,可以在相應的光學系統的配合下使光束集中,使光能充分利用產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故障而停止手術,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

外接冷光源的內窺鏡與燈泡照明的內窺鏡相比,有以下優點:(1)采用冷光源照明可以提高亮度,使觀測目標圖像清晰,提高了診斷的準確度。(2)用外來冷光源后,燈泡不再裝入內窺鏡中,在內窺鏡中減少了一個熱源,也不會發生燈泡熱源燙傷肌體組織的現象,故安全可靠。(3)由于光源照度高,為在內窺鏡觀察機體時進行靜態攝像及動態電視系統觀察提供了有利條件。

鑒于用外來冷光源通過光導纖維導光的內窺鏡有以上優點,到目前為止,幾乎所有的內窺鏡都采用外來冷光源的照明方式。

在醫用光學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膜。多層介質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射,從而達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,還是氯素燈的拋物面反光鏡,都不能完全濾掉紅外線。為了達到更好的濾光效果,可以在光源與光導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,進入內窺鏡的物體發射光的光通量差別很小,在監視器必須得到高亮度差別也很大的圖像,CCD攝像機和彩色監視器的AGC電路雖然都對圖像的亮度做一些調節,但其調節范圍也有限,還不能滿足各種情況的使用要求,所以,必須調節冷光源進入光導纖維的光通量。

3 結語

氙燈冷光源實現了高亮度,高色溫,能與CCD攝像機和監視器配套,可實現自動調光功能。用鹵鎢燈作為輔助光源,增加了冷光源的實用性和可靠性。分析了電視腹腔鏡系統的光能傳遞過程。腹腔鏡的光學系統成像清晰,初始結構合理,加工和安裝方便。