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医疗光电技术与仪器

光电仪器现代设计论文

论文题目：

医疗光电技术与仪器

医疗光电技术与仪器

摘要：

随着光电技术的不断发展进步，光电技术在测量领域中的应用发挥着越来越重要的作用，其精度越来越高，应用范围越来越广，在医疗领域扮演着不可取代的角色。

本文旨在对光电技术与仪器在医疗保健领域的应用情况和发展现状进行总结概括。

关键词：

医疗光电仪器医疗仪器设计眼科光学仪器手术显微镜医用内窥镜医用激光仪器

1.医疗光电仪器概述

医学仪器是指单独或者组合使用于人体的仪器、设备、器具、材料或者其他物品，包括所需要的软件；其用于人体体表及体内的作用不是用药理学、免疫学或者代谢的手段获得，但是可能有这些手段参与并起一定的辅助作用。

如果按临床应用分类，医学仪器可以分为如下三类：

诊断仪器，治疗仪器和辅助仪器。

诊断仪器包括医用电子设备，医用成像装置，医用检验仪器和医用光学仪器；治疗仪器包括人工器官和物理治疗仪器；而对于辅助仪器的定义，包括一部分与医疗有关的仪器既不直接用于作疾病诊断，也不直接用于疾病的治疗，这些是医学辅助设备。

从上述可知，医用光学仪器属于诊断仪器的范畴，而医用光学仪器和医疗光电仪器的概念是等同的。

按照应用范围和机理的不同，医用光学仪器主要分为四大类，即医用眼科仪器，手术显微镜，医用内窥镜和医用激光仪器。

其中医用激光仪器的核心——激光在显微镜和眼科仪器中也有所涉及，所以此分类并不十分严格。

下面将对此四类医用光学仪器进行分别介绍。

1.1眼科光学仪器

眼科光学仪器属于精密光学仪器，在传统的光学观察系统基础上加上电视摄像及微机自动控制、处理系统，能进行程序自动控制、电视图像显示、计算机图像处理、数据测算及分析、参数显示及打印报告及资料存档等功能，因此现代眼科光学仪器的名称大都在原名称之前加上"电脑"二字。

除此之外，一些新型的光学仪器也不断出现，如近年出现的利用共焦扫描激光技术对眼底成像的"激光眼底扫描照机"。

按照具体的功能，眼科光学仪器又细分为：

眼底检测仪器，验光检测仪器，角膜测量仪器，裂隙灯显微镜，视野计，眼压计。

其中角膜曲率仪测定角膜前表面曲率可为选择合适的软性角膜接触镜基弧提供依据，也可通过角膜曲率仪检查了解角膜散光度，为验光提供参考依据。

裂隙灯显微镜顾名思义就是灯光透过一个裂隙对眼睛进行照明。

由于是一条窄缝光源，因此被称之为“光刀”。

将这种“光刀”照射于眼睛形成一个光学切面，即可观察眼睛各部位的健康状况。

其原理是利用了英国物理学家丁达尔的“丁达尔现象”。

丁达尔现象是：

当一束光线透过胶体，从入射光的垂直方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”，这种现象叫丁达尔现象，也叫丁达尔效应。

视野计是用于生理教学测定眼球视野，和用于医学眼科神经作必要测定的一种眼科专业仪器。

1.1.1检眼镜

检眼镜是检查眼屈光介质和视网膜的仪器，故亦称眼底镜，是眼科中用于眼底检测一种重要的常用仪器。

分为直接检眼镜和间接检眼镜两种：

（1）直接检眼镜可直接检查眼底，不必散大瞳孔，在暗室中进行检查，检查者检查到的是视网膜本身。

（2）间接检眼镜使用时须充分散大瞳孔，在暗室中检查，医者接通电源，检查者观察到的是由检眼镜形成的视网膜像。

检眼镜的光学原理图如图1.1。

图中1为光源。

光孔盘3位于投射物镜5的物方焦平面上，因而它经投射物镜5后以平行光出射，经反射镜6反射至被检眼。

医生通过屈光补偿盘7观察被检眼底。

4为折光镜。

图1.1检眼镜的光学原理

1.1.2眼底照相机

眼底照相机是用来观察和记录眼底——视网膜状况的光学仪器，它将眼底以黑白或彩色照片的形式保存下来，是眼科医生的主要诊断工具。

现代眼底照相机装有微机及电视图像系统，可在电视监视器屏幕上显示眼底图像，供多人同时观察及动态记录（录像）。

利用眼底照相机可获得眼底血管荧光造影像。

由前肘静脉注射荧光素钠造影剂10~15秒之后，眼底血管即可依照先动脉，后静脉，而后脉络膜血管的顺序显示荧光。

用连续摄影机拍摄其过程，从而对眼底血管性状、眼底视网膜病变做出诊断。

1.1.3激光眼底扫描成像

激光眼底扫描成像系统采用共焦扫描激光（ConfocalScanningLaser）技术对眼底进行成像，通过计算机分析，绘制出视盘表面的三维地形图。

所以，此类仪器又叫扫描激光眼底地形图仪、视网膜层面分析仪、视神经图像处理系统等。

共焦扫描技术可在1秒内，对视盘表面1~3mm的深度范围内，进行32个层面的共焦扫描，每个层面采集256×256个数据点。

在某一层面上，如处于共焦点部位的反射成像是清晰的，这个扫描层面也就是此共焦部位的高度，未处于共焦的部位不能成像。

通过32个层面的扫描及计算机图像处理，就可给出视盘表面的三维地形图，并计算出有关参数。

视盘的改变是青光眼的早期诊断唯一的客观指标。

近年又出现了利用相交的激光偏振光扫描视网膜神经纤维层的视神经纤维分析仪，对于青光眼的早期诊断更有用。

1.1.4电脑视野仪

视野仪用以测定视区范围及某视区有无功能损害。

视野仪已由早期的弧形动态视野仪而发展的微机程序控制静态自动视野仪。

电脑视野仪在球形屏幕积分球的白色背景上，分布有不同亮度梯度的光刺激点。

这些光刺激点用发光二极管或导光纤维制作，在微机控制下显示不同的亮度梯度，给眼以刺激。

根据病人分辨这些刺激点的多少及亮度梯度，可自动打印出视野范围的大小、功能缺损的部位及缺损的程度，定量显示出二维视野状态，进一步有三维立体定量显示视野改变的结果。

1.1.5电脑角膜曲率仪

角膜的曲率是影响眼屈光状态的重要因素。

配戴角膜接触镜、白内障术后置入人工晶体的度数的选择，以及近视眼手术放射状角膜切开等都需要测定角膜曲率。

现代角膜曲率仪也是一个光学系统与计算机相结合的电视图像系统。

它是以100%黑白对比度的多个同心圆环（Placido氏盘）在角膜上显示的影像，以计算机伪彩色处理和显示整个角膜各子午线的曲率，并可自正面及各不同侧面显示角膜曲率状态，或以彩色显示角膜表面的地形图，并打印出角膜图形、屈率及屈光度等参数。

1.2手术显微镜（显微外科电视系统）

手术显微镜的产生和手术水平的提高形成了一门崭新的学科—显微外科。

显微外科应用手术显微镜进行精细的手术（如小血管的对接缝合），被广泛地应用于眼科、耳鼻喉科、外科、妇科、整形外科中，大大提高了手术成功率。

传统的手术显微镜是双目立体显微镜，观察时有立体感，以保证手术精确顺利。

放大倍数1.6~80倍可变，有足够大的工作距离（9cm~40cm），物镜视场较大（通常l5mm~40mm）。

现代手术显微镜上装有电视图像系统，又称为显微外科电视系统。

1.2.1手术显微镜的分类

从外形和安装方法上手术显微镜可以分为：

（1）台式手术显微镜：

这类手术显微镜比较简单，体积较小，可在手术台或实验台上使用。

（2）立式手术显微镜（落地式）：

这类手术显微镜的特点是位置可以任意摆放，比较灵活。

安装方便

（3）吊顶式手术显微镜：

这类手术显微镜对固定的手术台使用方便，减少占地空间，但不能移动，安装较困难。

1.2.2手术显微镜的结构

手术显微镜系统主要包括三个子系统，即机械系统，光路系统和电子系统。

机械系统的作用是固定整个装置、能够灵活自如地将观察和照明系统移到手术所需要的位置。

光路系统主要包括观察系统和照明系统。

电子系统主要由集成电路、齿轮、微型电机等组成，使用者用手或脚操纵开关，使显微镜能灵活、准确、调焦、变倍、控制光源。

1.2.3手术显微镜的临床应用

（1）手术显微镜砸在泪小管断裂吻合术中的应用

泪小管断裂是眼睑外伤中常见并发症。

如不及时通过手术修复接通，将会造成终生溢泪。

泪小管断裂吻合术以重建泪道功能为目的，手术成功的关键是找到鼻侧泪小管断端。

根据l豳床实践，我们认为，直视法能找到绝大部分泪小管鼻侧断端，近年因在显微镜下操作，为这种方法提供了技术保证。

显微镜下查找断端成功率可达100％。

手术显微镜具有放大倍率高，照明强度大，视线集中，焦点易调整，双目立体，操作方便等优点，易于找到陷入组织中的泪小管断端，其在泪小管吻合手术中的应用降低了手术难度。

并且改良泪道冲洗针带牵引线吻合泪小管，避免了费时费力寻找泪小管鼻侧断端，对于组织损伤重，受伤时间长，解剖层次不清的患者也能容易找到，且制作容易，操作简便，提高了手术成功率。

（2）手术显微镜在牙髓治疗牙的修复的应用

牙髓治疗牙常需行全冠修复，而该修复体失败的主要原因是其边缘悬突引起的牙周损伤和微渗漏所致的继发龋及根管系统的再感染。

应用手术显微镜进行精确的牙体预备，尤其是在预备龈缘部分时，在彻底地去除龋坏组织的情况下尽可能的保存健康牙体组织，从而防止修复后继发龋的发生，提高修复体的固位和抗力。

手术显微镜也可用于印模检查，以便及时发现一些肉眼难以发现的缺陷。

对于结角膜的肿瘤过去常规手术为肉眼下进行手术切除，不易彻底，易复发。

手术在手术显微镜下进行，严格避免用器械接触肿瘤，一次性完整切除被肿物浸润的结膜、角膜和巩膜组织。

1.3医用内窥镜

医用内窥镜是一种光学装置，可以插入人体内脏器官，从人体外直接观察到人体内脏器官的组织形态。

医用内窥镜系统主要包括三个子系统：

（1）窥镜系统：

镜鞘，镜体（物镜、传像元件、目镜、照明元件、及辅助元件）。

（2）图像显示系统：

CCD光电传感器，显示器，计算机，图像处理系统。

（3）照明系统：

照明光源（氙灯冷光源、卤素灯冷光源、LED光源），传光束。

按照成像构造分类，医用内窥镜可分为硬性内窥镜、纤维内窥镜和电子内窥镜。

1.3.1硬性内窥镜的工作原理

硬性内窥镜的发展已经历了漫长的历史。

早在1795年Bozzine就首次制造出一个以烛光为光源的硬件内窥镜，可观察到直肠和子宫内腔。

硬性内窥镜以金属管为外壳，内装有物镜，目镜、棱镜、反光镜等光学元件的硬性直管性内窥镜。

其种类主要有腹腔镜、宫腔镜、尿道膀恍镜、关节镜、胸腔镜、脑颅镜、直肠镜、鼻窦镜等。

硬管内窥镜主要由光学成像系统和照明系统组成。

光学成像系统由物镜系统、转像系统、目镜系统三大系统组成。

被观察物经物镜所成的倒像，通过转像系统将倒像转为正像，并传输到目镜，再由目镜放大后，为人眼所观察。

为构成不同的视向角，需加入不同的棱镜。

不同用途的内窥镜根据使用要求制作成不同的外形、外径、长度，以达到使用所需的要求。

照明传输系统由光导纤维组成。

原理图如图1.2，工作原理是，将冷光源的光经过光导纤维传输到内窥镜前端，照亮被观察物。

图1.2硬管内窥镜的工作原理

1.3.2纤维内窥镜

软性内窥镜出现于20世纪50年代光纤出现以后，它以柔韧的光纤传导光源和影像，称为光导纤维内窥镜。

主要种类有胃肠镜、肺镜、肾结石镜等。

纤维内窥镜一般由目镜、手轮（软性或半硬性）、钳道口、导光束接口、导像束、导光束组成，有些产品还包括送水（气）孔、闭孔器等。

结构图如图1.3。

图1.3纤维内窥镜结构图

1.3.3电子内窥镜

电子内窥镜是1983年由美国Welch-Allyn公司首次推出的，被称为第三代内窥镜。

电子内窥镜主要由内镜、电视信息系统中心和电视监视器三个主要部分组成。

它的成像主要依赖于镜身前端装备的微型图像传感器（chargecoupleddevice,CCD），CCD的主要功能是能把光信号转变为电信号。

电子内窥镜就是一台微型摄像机将图像经过图像处理器处理后，显示在电视监视器的屏幕上。

比普通光导纤维内镜的图像清晰，色泽逼真，分辨率更高，而且可供多人同时观看。

电子内窥镜代表了内窥镜技术发展的高峰，但由于价格、稳定性、可靠性、方便性等诸多因素的限制，现在医院里大量使用的仍是光导纤维内窥镜。

电子内窥镜将进一步提高CCD的性质以使之超小型化，采用高保真图像技术和计算机图像文件管理系统，并实现图像实时高速处理。

电子内窥镜的成像原理是利用电视信息中心装备的光源所发出的光，经内镜内的导光纤维将光导入受检体腔内，CCD图像传感器接受到体腔内粘膜面反射来的光，将此光转换成电信号，再通过导线将信号输送到电视信息中心，再经过电视信息中心将这些电信号经过贮存和处理，最后传输到电视监视器中在屏幕上显示出受检脏器的彩色粘膜图像。

此外，超声内窥镜于20世纪80年代初问世。

它是将超声探头（线阵和扇形）装入内窥镜中，在内窥镜导引下，将超声探头插入体内进行扫描，通过此方式得到的信息要比在体表上获得的扫描信息准确详细。

激光内窥镜、三维内窥镜和检查肠弯曲部内窥镜也在发展之中。

激光内窥镜是内窥镜诊断和激光治疗结合在一起的新一代内窥镜。

三维内窥镜将三台电子内窥镜结合可提供三维立体图像，能使许多高难度的手术得以顺利进行。

1.4医用激光仪器

医用激光仪器主要使用CO2、YAG、Ar+及半导体激光器。

在临床上，激光已广泛的应用到眼科、皮肤科、肿瘤科、外科、内科、妇产科、神经科、耳鼻喉科和口腔科等各个方面。

激光在医学上的应用主要分三类：

激光生命科学研究，激光诊断和激光治疗。

其中激光治疗又分为：

激光手术治疗、弱激光生物刺激作用的非手术治疗和激光的光动力治疗。

激光对人体组织有热效应、电离效应和光化学效应。

激光照射后组织吸收光能转换为热量，使组织局部温度升高，引起组织内蛋白质变性而发生凝固，称为光凝作用；组织接受更强的激光照射，细胞内外的水会汽化变成水蒸汽，同时产生电离效应，使细胞膨胀破裂，从而达到切割组织的作用；组织达到汽化后如再持续照射，可使组织达到碳化的程度，用来切割骨组织。

1.4.1激光治疗原理

激光治疗通过特定强度的650纳米的激光照射，人体组织会产生一系列的应答反应，同时引起广泛的生物学效应，改变血液流变学性质，降低全血粘度及血小板凝集能力；促进ATP酶的生成，增加红细胞的变形能力、流动性；同时提高红细胞携氧能力，以及增强组织对氧的利用；促进机体的代谢机能，改善微循环，降低体内中分子物质，增强体内超氧化物（SOD）的活性，这样可以很好的净化血液，清除血液中的毒素、自由基；分解、消溶、清除血栓和动脉硬化斑块，调节机体免疫力。

从根本上康复心脑血管疾病。

1.4.2激光显微手术

激光对组织进行切割和分离时，由于激光束聚焦后的光点非常小，能量高度集中，作用时间又短，因而它对组织的破坏最小，并且其创面或器官表面如遇出血或附着粘液时，就会阻碍进一步照射，临床表明，用激光进行分离和切割，操作简便，防护措施也很简单，患者出血也少，切口愈合平滑、整齐。

因而深受医护人员和患者的欢迎。

2.光电仪器设计

医学仪器的种类繁多，医学测量仪器是医学仪器中最普遍，最重要，最具代表性一类，多数医学电子仪器以测量为主，虽然还有少量的医学电子仪器以控制为主，但其中仍然不可缺少测量环节。

所以本文重点介绍医学测量仪器的设计。

医学仪器的一般结构如图2.1所示。

图2.1医学电子仪器的一般结构

2.1光电仪器总体设计

光电医疗仪器的设计要遵循自上而下的原则。

首先要从整体考虑，要明确被测量的量是什么，采用什么样的采集方法或者光电传感器；信号的大小与频率在什么数量级，需要控制参数；仪器的测量与控制的精度、性能有什么要求；还有很重要的是要明确仪器的使用条件和仪器所具有的功能，如信号的显示、记录、存储及其它一些功能。

同时必须考虑的实际问题还包括仪器的成本、设计或研发的时间，工艺条件。

在仪器的功能确定之后，也就把仪器的大致结构确定下来。

再以信号增益（信号的放大倍数）和误差分配，来确定前向信号通道（指从传感器到模数转换器的模拟信号放大、处理部分电路）所需信号放大、滤波或变换电路的级数，各级的增益，滤波器的阶数、形式和截止频率等。

生物医学上可能需要测量的参量如表2.1所示，常见医学测量仪器的对应的生理信号测量范围如表2.2所示。

表2.1生物医学上的各种参量

表2.2常见生理信号测量范围

2.2光电仪器详细设计

在仪器的功能确定之后，也就把仪器的大致结构确定下来。

再以信号增益（信号的放大倍数）和误差分配，来确定前向信号通道（指从传感器到模数转换器的模拟信号放大、处理部分电路）所需信号放大、滤波或变换电路的级数，各级的增益，滤波器的阶数、形式和截止频率等。

下一步则要确定各个组成部分的具体设计要求。

绝对不能将各级电路孤立地考虑，必须考虑到电路前、后级之间的联系。

而考虑电路前、后级之间联系的主要因素是输出、输入阻抗和信号幅值。

如表2.2所示，被测的生理信号大多很微弱，对于测量仪器来讲对于信噪比要求就比较高，使得测量过程中的噪声和电磁干扰不可忽略。

2.2.1噪声

噪声是被测对象和仪器内部固有的，噪声的种类也有很多，有来自电路部分的与温度成正比的电阻热噪声，由晶体管内载流子随机运动造成的分配噪声、散粒噪声和1/f噪声，这些噪声在微弱信号测量的时候都是不可忽略的量。

2.2.2干扰

干扰则是被测对象和仪器以外的原因造成的。

磁场的干扰来源于变压器、电动机和荧光灯的镇流器等设备，这些设备中的线圈通以交流电时，就会产生一个交变的磁场，在交变磁场中的其他导线环路，或其他线圈都会感应出电动势。

根据法拉第电磁感应定律，这种干扰的强度与电路或线圈的环路面积成正比。

磁场干扰直接影响医学测量仪器，必须采取措施予以抑制。

一般说来，磁场干扰的频率较低，作用距离较近，作用较强。

改变设备或电路的放置方向（但不改变空间位置），检测电路的输出，如果输出信号的幅值发生变化，即可初步判定存在磁场干扰。

如果电路输出信号的频率与可能的干扰源的工作频率相同（如日光灯的镇流器或其它设备的电源变压器的工作频率为50Hz），则可有进一步的把握判定磁场干扰的来源。

有可能的话，停止可能的干扰源的工作，如果电路的输出也显著降低甚至消逝，此时可以确定产生磁场干扰的来源。

电场的干扰主要来源于交流电源，其中50Hz的工频干扰最普遍，50Hz的交流电场主要通过位移电流引入仪器输入端及其引线，如传感器及其引线。

交流电电线与引线之间都具有电容性质，因此50Hz的电场将通过容性耦合形成电场干扰。

由于电场干扰的主要来源是交流电线，因而其频率固定（为50Hz）。

改变设备、传感器、输入引线或电路的放置位置，检测电路的输出，如果输出信号（50Hz）的幅值发生变化，即可初步判定存在电场干扰。

如果在可能的干扰源与设备、传感器、输入引线或电路之间放置一块大小合适并接到大地的金属板，电路的输出信号（50Hz）的幅值发生变化，即可判定存在电场干扰的来源。

3.总结

本文主要对光电技术与仪器在医疗领域的原理、应用以及光电医疗仪器的设计做了简要概括。

对于各类医疗仪器由于其各自不同的优点而应用在不同领域，但又都存在着各式各样的问题或限制，因此还需要不断的进行新产品的开发或改进。