腹腔镜照明系统的研究

吴倩倩　张欣婷　刘仲宇

摘 要：20世纪90年代初期，电视腹腔镜的出现，低创伤外科（MIS）得到迅速的发展,MIS的关键是医生利用电视腹腔镜观察电视屏进行手术操作，手术后只留下很小的伤口，恢复时间快，节省医疗费用，深受广大患者的欢迎。1987年法国Mamret首先使用电视腹腔镜技术做了第一例胆囊切除手术，后逐渐扩展到了50多种。其范围涉及到肝、胆、胃，肠、腹部外科、妇科和泌尿科。随着国内开展的电视腹腔镜手术技术已趋成熟，低创伤外科（MIS）手术的普及率会越来越高。作为医用内窥镜的一个组成部分，照明光源有着特殊的意义，在手术时，必须有良好的光源照亮物体才可以其成像。因而光源的好坏直接影响到物体的成像质量，而有较高的成像质量是内窥镜应用时的关键。

关键词：腹腔镜技术 冷光源 氙灯

中图分类号：R656 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2012)10(c)-0232-01

1 光源的选择标准

从照明角度来讲,太阳光是最理想的光源,物体在阳光的照射下,颜色的传递没有失真。因此太阳光的光色最好,显色指数最高、色表最白、色温适中,所以人们把在太阳光照射下人眼所产生的颜色视觉作为辨色标准。光源的颜色有两方面的意思,一是人眼直接观察光源所看到的颜色,称为光源的色表;另一方面是指光源发出的光照射到物体所产生的观看效果。如果光源照射到多色物体所呈现出的颜色效果和校准光源(黑体或标准昼光)照射一样,则认为该光源的显色性好(显色指数高)。光源发光的颜色是用色温来表示的,当光源所发射的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时,黑体的这个温度就称为该光源的颜色温度,色温是衡量照明光源的一个重要的物理量。

1.1 氙灯光源的介绍

对于内窥镜冷光源而言,不论是用于直接观察,还是用于电视内窥镜,对其要求主要有以下三点:(1)彩色还原性好;(2)亮度要高;(3)发光稳定。低压钠灯的色表和显色性能都不好,高压汞灯色表好。但显色性不好,钨丝灯色表不好,但显色性好,而氙灯的色表和显色性都很好。从前两项要求来看氙灯是较为理想的。氙灯的显色性好,光色稳定,其显色指数为95,彩色还原性很强,颜色失真很少,它的光色接近中午的太阳光。

氙灯是50年代才发展起来的新灯种,它是利用惰性气体氙的弧光放电辐射光能量的。氙灯分为長弧氙灯,短弧氙灯,脉冲氙灯三种。本文研究的是极间距离很短的短弧氙灯,它的辐射是连续的,同太阳的光谱极其相似。所以氙灯的色温也在5500 K左右,氙灯的显色指数为95,其彩色还原性很强,颜色失真很小,它的光色十分接近中午的太阳光,而且十分稳定。一方面,当灯内氙气压强在较大范围变化时,它的光谱能量分布不变,显色指数和色温基本上也不变;另一方面,当灯的工作电流大幅度变化时,氙灯的光色也不变化。氙气这两个特点是其他气体所没有的。球形高压氙灯两个电极之间的距离可以做的很短,在2－3mm之间,在阴极前有一个极亮的光斑,形状是个圆锥体,锥顶离阴极只有1 mm,光斑尺寸非常小,而亮度却极高。氙灯的亮度大部分集中在这个光斑上,它补偿了氙灯光效低的弱点。这对光学系统的设计非常的有利。采用锥椭球冷光镜把阴极光斑与冷反光镜的一个焦点重合在一起,使光的利用率最高。氙灯的启动时间短,可随时开关,使用方便,具有正阻的伏安特性,一般气体放电的伏安特性都是负阻性的,所谓负阻性是指灯电压下降时电流增加,然而高气压大电流的氙气放电,因氙气电离处于饱和,正阻区的电阻率也变为恒定值,所以氙灯具有正阻的伏安特性,为电路的设计提供了方便。

1.2 氙灯具有的缺点

(1)高压氙灯为使其触发点燃,需在瞬间加一高压使气体达到预电离状态,高气压大电流的氙气放电使氙气电离趋于饱和而连续发光。因此氙灯电源系统需要一套较为复杂的高压触发。同时,还要考虑到同大电流直流供电回路的衔接、匹配和隔离,因此整个电源较为复杂,要减少故障率必须附加各种保护电路,所以整机的成本必然增加。因此市售氙灯冷光源价格比较高。

(2)高压球形氙灯本身,国内产品其性能尚不稳定。据厂方透露,与氙气的质量有关。氙灯性能的不稳定主要体现在触发状态的不稳定,我们在实验中发觉,触发参数的设定因季节和气候条件的不同而有很大差别,因此出现出厂时已调好而后来在应用中难以触发点燃的情况。

为解决上述矛盾,在本项研究中采用充氙卤素灯。该灯具有同氙灯相近的光色,灯丝结构紧凑,可以在相应的光学系统的配合下使光束集中,使光能充分利用产生局部高亮度照明效果。电视腹腔镜在使用过程中不能因氙灯出现故障而停止手术,须选定一辅助光源。有两种可以供选择的光源:卤钨灯和金属卤物灯。

2 冷光源的聚光系统

外接冷光源的内窥镜与灯泡照明的内窥镜相比,有以下优点:(1)采用冷光源照明可以提高亮度,使观测目标图像清晰,提高了诊断的准确度。(2)用外来冷光源后,灯泡不再装入内窥镜中,在内窥镜中减少了一个热源,也不会发生灯泡热源烫伤肌体组织的现象,故安全可靠。(3)由于光源照度高,为在内窥镜观察机体时进行静态摄像及动态电视系统观察提供了有利条件。

鉴于用外来冷光源通过光导纤维导光的内窥镜有以上优点,到目前为止,几乎所有的内窥镜都采用外来冷光源的照明方式。

在医用光学仪器上使用光源的辐射中,大部分都是以红外线辐射出来,可见光只占总辐射的很小一部分,而红外线又要转变成热能。因而,为了有效的去掉热源,使光源变成冷光源,必须在光源中设法滤掉红外成分。本文用的是在光源的呈椭球面的灯罩上镀以多层介质膜。多层介质膜的作用是使红外光能高度透过,而可见光则从膜上得到发射,从而达到滤去红外光的目的。为了保证光源有足够的亮度,光源还得有聚光装置。本腹腔镜系统中氙灯光源采用的是椭球面冷反光镜聚光。在椭球面上,通过其椭球长轴的任何截面都是椭圆。由于无论是氙灯的椭球面反光镜,还是氯素灯的抛物面反光镜,都不能完全滤掉红外线。为了达到更好的滤光效果,可以在光源与光导间加一块可以透过可见光而吸收红外光的隔热玻璃。辐射出一定光通量的冷光源照射不同的病变组织和器官时,进入内窥镜的物体发射光的光通量差别很小,在监视器必须得到高亮度差别也很大的图像,CCD摄像机和彩色监视器的AGC电路虽然都对图像的亮度做一些调节,但其调节范围也有限,还不能满足各种情况的使用要求,所以,必须调节冷光源进入光导纤维的光通量。

3 结语

氙灯冷光源实现了高亮度,高色温,能与CCD摄像机和监视器配套,可实现自动调光功能。用卤钨灯作为辅助光源,增加了冷光源的实用性和可靠性。分析了电视腹腔镜系统的光能传递过程。腹腔镜的光学系统成像清晰,初始结构合理,加工和安装方便。