光学原理及医用光学仪器

李文静

（商丘医学高等专科学校公共学科部,河南商丘 476100）

1 手术无影灯

1.1 光的直线传播和影子现象

光源发出的光在同种均匀介质中沿直线传播，但当光在传播过程中遇到不透明的物体时，在物体后方就会形成影子，这种现象是由光的直线传播形成的。我国古代就能利用日影的移动原理制成计时工具，如日晷、圭表等，现代建筑领域则利用影子做好建筑设计，如建筑物朝向、合理间距设计等。

但在手术室，医生手术的视野内形成的任何阴影都会妨碍他们对手术部位的观察和判断，对患者而言甚至性命攸关，因此必须消除影子的形成，手术无影灯已成为手术中重要的照明工具。

图1 整体反射式手术无影灯的光路图

1.2 手术无影灯原理及应用

物体在光源下生成的影子由本影和半影组成，光不能到达的完全黑暗的区域为本影，只有部分光到达的半暗区域为半影。手术无影灯是利用多点光源效应的原理设计的，即当有多个光源照射一个物体时，其中有些光源的光线被物体遮挡而无法照到接收面产生阴影时，其他光源的光线会从另一个角度照射到这个阴影区域，从而减弱并消除这个区域的阴影，最终形成无影区。

手术无影灯有整体反射式和透镜多孔式两种结构形式。

目前，整体反射式手术灯经过计算机设计成多达3800片的多镜面反射系统，从不同角度进行反射照明，使灯头边缘和潜在阴影区域的光线得以增强，创造无影效果；若采用多灯头同时照明时，每个灯头均可独立覆盖整个手术区域，多个灯头则更能在照明面形成多重叠加光斑，极利于深部照明。即便因手术医师的头部、肩部及手臂的遮挡，也不会导致光亮度减弱，手术视野的无影效果及亮度均始终良好。

整体反射手术灯能提供非常明亮的照明，用于常规外科手术，具有高亮度、高敏感等特性，是目前手术室的主流手术灯。由于手术室的层流要求，多孔式现在逐渐被取代。

2 医用光学显微镜

2.1 光的折射现象和透镜

当光从一种介质进入到另一种介质时，在两种介质的界面处光路发生改变的现象即光的折射现象。

透镜是根据光的折射规律由透明物质（如玻璃、水晶等）制成的光学元件。在古希腊和古罗马时期，人们就知道透镜的放大性能，还用于聚光引火，矫正视力。.

1590年荷兰的杨森父子利用透镜首创了光学显微镜，1610年左右，意大利科学家伽利略才首先利用显微镜观察了昆虫的运动器官和感觉器官，以及昆虫的复眼，后来显微镜成为重要的科学研究工具。

2.2 医用光学显微镜原理及应用

光学显微镜由两组凸透镜组合而成，靠近物体的一组透镜叫做物镜，靠近观察者眼睛的一组透镜叫做目镜。物镜起放大被观察物体线度的作用，而目镜则起放大视角的作用，二者配合使用可获得不同的放大率。

显微镜的放大率是基于透镜成像的光学原理，即当被检物AB位于物镜的2倍焦距以内焦点F1以外的位置时形成放大倒立的实像A1B1，若该实像A1B1的位置恰好位于目镜的焦点F2以内，目镜就像一块放大镜，第一次成的像A1B1将被目镜放大成直立的虚像A2B2。这样，我们从目镜中看到的物体的虚像A2B2，是经过两次放大的像，所以显微镜的视角增大的倍数要比放大镜高得多，显微镜的放大率是物镜的线放大率与目镜的角放大率之积。

图2 光学显微镜的光路图

目前，在医学领域中，显微镜是常用的检验和研究工具，随着制造工艺和加工水平的改良，显微镜的性能不断提高，而光学显微技术的不断创新则产生了用于不同观察领域的光学显微镜。目前，除用于外科手术、病理解剖、切片机刀具的安装、体外生育胚胎的检查，也用于对未经染色的病原体和活体标本表面特征和运动形态的观察，观察活性细胞的结构以及衡量活细胞中的生理现象和生化活动，用于研究活体细胞中较大的细胞器颗粒及细胞器的运动等。

图3 光的全反射现象原理图

3 医用内窥镜

3.1 光的全反射和光纤

当光从光密介质射向光疏介质时，一般情况下，反射现象和折射现象同时产生。折射角I‘大于入射角I，若增大入射角，折射角也随之增大。当入射角增大到一定程度，即为临界角Im时，折射角等于900；如果再增大入射角，光线将全部反射回原介质中，此时这种现象称为光的全反射。以上看出，产生全反射必须具备的条件是光从光密介质射向光疏介质且入射角大于临界角。

光导纤维简称光纤。光纤是依据全反射原理制成的光学元件，它是用透明度很好的物质（如玻璃、石英）拉成直径在几微米到几十微米的细纤维，并在纤维的外表面涂一层折射率较小的介质制成。把许多两端面磨平抛光的光纤整齐地排列在一起，制成光导纤维束，具有传光（图4）、传像功能。传光原理如图4所示，而光导纤维束输入端的图像被紧密排列在一起的数万根细光纤分解成许多像元，经光纤传输到输出端就会成为传输的图像，实现传像功能，在医学中利用光纤制作成各种内窥镜，广泛用于疾病的诊断和治疗。

图4 光纤导光原理图

3.2 医用内窥镜及应用

外部高强度冷光源所发出的光，通过导光束传至内窥镜的先端部，光线经导光窗射出，照亮体腔内欲观察的部位，观察到的图像则通过观察窗棱镜改变入射角方向后，再由物镜成像在传像束的端面上，然后经蛇形管中的传像束传至目镜，供医生观看。

光纤内窥镜的纤维束具有细软易弯曲的特点，在插入人体的复杂体腔时，即方便、安全，又能减少患者的痛苦。因采用冷光源，避免了对黏膜的灼伤。随着内窥镜结构的不断改进及其附件的逐渐完善，已广泛地应用于消化道、呼吸道、泌尿生殖道、胸腔、腹腔、耳鼻咽喉腔、关节腔甚至脑室等部位的疾病的诊断和治疗。

[1]王强.LED手术无影灯的设计[D].华中科技大学，2011.

[2]潘志达.医学物理学[M].北京：人民卫生出版社，2009.

[3]高英.光学显微技术与应用[J].临床合理用药杂志，2011，04（25）：146-147

[4]宣自力.显微镜重要的是视角放大[J].卫生职业教育，2005，23（4）：112-112

[5]卢毅.医用内窥镜的结构及常见故障处理[J].中国医疗设备，2011，10（26）：134-135