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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:随着光电技术得不断发展进步,光电技术在测量领域中得应用发挥着越来越重要得作用,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得角色。本文旨在对光电技术与仪器在医疗保健领域得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
医学仪器就就是指单独或者组合使用于人体得仪器、设备、器具、材料或者其她物品,包括所需要得软件;其用于人体体表及体内得作用不就就是用药理学、免疫学或者代谢得手段获得,但就就是可能有这些手段参与并起一定得辅助作用。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;而对于辅助仪器得定义,包括一部分与医疗有关得仪器既不直接用于作疾病诊断,也不直接用于疾病得治疗,这些就就是医学辅助设备。从上述可知,医用光学仪器属于诊断仪器得范畴,而医用光学仪器和医疗光电仪器得概念就就是等同得。按照应用范围和机理得不同,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。其中医用激光仪器得核心——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,在传统得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得名称大都在原名称之前加上"电脑＂二字。
除此之外,一些新型得光学仪器也不断出现,如近年出现得利用共焦扫描激光技术对眼底成像得"激光眼底扫描照机"。
按照具体得功能,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得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就就是灯光透过一个裂隙对眼睛进行照明。由于就就是一条窄缝光源,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　 各部位得健康状况。其原理就就是利用了英国物理学家丁达尔得“丁达尔现象”。丁达尔现象就就是:当一束光线透过胶体,从入射光得垂直方向可以观察到胶体里出现得一条光亮得“通路”,这种现象叫丁达尔现象,也叫丁达尔效应。视野计就就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得一种眼科专业仪器。
1、1、１检眼镜
检眼镜就就是检查眼屈光介质和视网膜得仪器,故亦称眼底镜,就就是眼科中用于眼底检测一种重要得常用仪器。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,检查者检查到得就就是视网膜本身。
(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,检查者观察到得就就是由检眼镜形成得视网膜像。
检眼镜得光学原理图如图1、1。图中１为光源。光孔盘3位于投射物镜5得物方焦平面上,因而她经投射物镜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　检眼镜得光学原理
1、１、2眼底照相机
眼底照相机就就是用来观察和记录眼底——视网膜状况得光学仪器,她将眼底以黑白或彩色照片得形式保存下来,就就是眼科医生得主要诊断工具。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,而后脉络膜血管得顺序显示荧光。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(Coｎfｏcａｌ Ｓcaｎning Laser)技术对眼底进行成像,通过计算机分析,绘制出视盘表面得三维地形图。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得深度范围内,进行32个层面得共焦扫描,每个层面采集２5６×２56个数据点。在某一层面上,如处于共焦点部位得反射成像就就是清晰得,这个扫描层面也就就就是此共焦部位得高度,未处于共焦得部位不能成像。通过3２个层面得扫描及计算机图像处理,就可给出视盘表面得三维地形图,并计算出有关参数。视盘得改变就就是青光眼得早期诊断唯一得客观指标。近年又出现了利用相交得激光偏振光扫描视网膜神经纤维层得视神经纤维分析仪,对于青光眼得早期诊断更有用。
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。视野仪已由早期得弧形动态视野仪而发展得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得白色背景上,分布有不同亮度梯度得光刺激点。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得亮度梯度,给眼以刺激。根据病人分辨这些刺激点得多少及亮度梯度,可自动打印出视野范围得大小、功能缺损得部位及缺损得程度,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得结果。
1、1、5电脑角膜曲率仪
角膜得曲率就就是影响眼屈光状态得重要因素。配戴角膜接触镜、白内障术后置入人工晶体得度数得选择,以及近视眼手术放射状角膜切开等都需要测定角膜曲率。现代角膜曲率仪也就就是一个光学系统与计算机相结合得电视图像系统。她就就是以100％黑白对比度得多个同心圆环(Ｐlacｉｄo氏盘)在角膜上显示得影像,以计算机伪彩色处理和显示整个角膜各子午线得曲率,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得地形图,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)
手术显微镜得产生和手术水平得提高形成了一门崭新得学科—显微外科。显微外科应用手术显微镜进行精细得手术(如小血管得对接缝合),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。
传统得手术显微镜就就是双目立体显微镜,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,有足够大得工作距离 (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 手术显微镜得分类
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):这类手术显微镜得特点就就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得手术台使用方便,减少占地空间,但不能移动,安装较困难。
１、２、２ 手术显微镜得结构
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。机械系统得作用就就是固定整个装置、能够灵活自如地将观察和照明系统移到手术所需要得位置。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 手术显微镜得临床应用
(１)手术显微镜砸在泪小管断裂吻合术中得应用
泪小管断裂就就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得,手术成功得关键就就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得泪小管断端,其在泪小管吻合手术中得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,解剖层次不清得患者也能容易找到,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得修复得应用
牙髓治疗牙常需行全冠修复　,而该修复体失败得主要原因就就是其边缘悬突引起得牙周损伤和微渗漏所致得继发龋及根管系统得再感染。应用手术显微镜进行精确 得牙体预备,尤其就就是在预备龈缘部分时,在彻底地去除龋坏组织得情况下尽可能得保存健康牙体组织,从而防止修复后继发龋得发生,提高修复体得固位和抗力。
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得缺陷。对于结角膜得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得结膜 、角膜和巩膜组织 。
1、3医用内窥镜
医用内窥镜就就是一种光学装置,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得组织形态。
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硬性内窥镜得工作原理
硬性内窥镜得发展已经历了漫长得历史。早在1795年Bozｚｉne就首次制造出一个以烛光为光源得硬件内窥镜,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、反光镜等光学元件得硬性直管性内窥镜。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得倒像,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。为构成不同得视向角,需加入不同得棱镜。不同用途得内窥镜根据使用要求制作成不同得外形、外径、长度,以达到使用所需得要求。照明传输系统由光导纤维组成。原理图如图1、2,工作原理就就是,将冷光源得光经过光导纤维传输到内窥镜前端,照亮被观察物。

图１、2硬管内窥镜得工作原理
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,她以柔韧得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
电子内窥镜就就是１983年由美国Welｃh-Allｙｎ公司首次推出得,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。她得成像主要依赖于镜身前端装备得微型图像传感器(cｈarge coupled devicｅ,　CＣD),CCD得主要功能就就是能把光信号转变为电信号。电子内窥镜就就就是一台微型摄像机将图像经过图像处理器处理后,显示在电视监视器得屏幕上。比普通光导纤维内镜得图像清晰,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得高峰,但由于价格、稳定性、可靠性、方便性等诸多因素得限制,现在医院里大量使用得仍就就是光导纤维内窥镜。电子内窥镜将进一步提高CCＤ得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。
电子内窥镜得成像原理就就是利用电视信息中心装备得光源所发出得光,经内镜内得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得光,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得彩色粘膜图像。
此外,超声内窥镜于20世纪8０年代初问世。她就就是将超声探头 (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,通过此方式得到得信息要比在体表上获得得扫描信息准确详细。
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。激光内窥镜就就是内窥镜诊断和激光治疗结合在一起得新一代内窥镜。三维内窥镜将三台电子内窥镜结合可提供三维立体图像,能使许多高难度得手术得以顺利进行。
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,激光已广泛得应用到眼科、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。激光在医学上得应用主要分三类: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得非手术治疗和激光得光动力治疗。
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;组织接受更强得激光照射,细胞内外得水会汽化变成水蒸汽,同时产生电离效应,使细胞膨胀破裂,从而达到切割组织得作用;组织达到汽化后如再持续照射,可使组织达到碳化得程度,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得650纳米得激光照射,人体组织会产生一系列得应答反应,同时引起广泛得生物学效应,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酶得生成,增加红细胞得变形能力、流动性;同时提高红细胞携氧能力,以及增强组织对氧得利用;促进机体得代谢机能,改善微循环,降低体内中分子物质,增强体内超氧化物(SOD)得活性,这样可以很好得净化血液,清除血液中得毒素、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,由于激光束聚焦后得光点非常小,能量高度集中,作用时间又短,因而她对组织得破坏最小,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得欢迎。
2、 光电仪器设计
医学仪器得种类繁多,医学测量仪器就就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,虽然还有少量得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得设计。
医学仪器得一般结构如图2、１所示。

图２、1 医学电子仪器得一般结构
２、１ 光电仪器总体设计
光电医疗仪器得设计要遵循自上而下得原则。首先要从整体考虑,要明确被测量得量就就是什么,采用什么样得采集方法或者光电传感器;信号得大小与频率在什么数量级,需要控制参数;仪器得测量与控制得精度、性能有什么要求;还有很重要得就就是要明确仪器得使用条件和仪器所具有得功能,如信号得显示、记录、存储及其她一些功能。同时必须考虑得实际问题还包括仪器得成本、设计或研发得时间,工艺条件。在仪器得功能确定之后,也就把仪器得大致结构确定下来。再以信号增益(信号得放大倍数)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得模拟信号放大、处理部分电路)所需信号放大、滤波或变换电路得级数,各级得增益,滤波器得阶数、形式和截止频率等。生物医学上可能需要测量得参量如表２、１所示,常见医学测量仪器得对应得生理信号测量范围如表2、２所示。
表2、1 生物医学上得各种参量

表2、2 常见生理信号测量范围

2、2 光电仪器详细设计
在仪器得功能确定之后,也就把仪器得大致结构确定下来。再以信号增益(信号得放大倍数)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得模拟信号放大、处理部分电路)所需信号放大、滤波或变换电路得级数,各级得增益,滤波器得阶数、形式和截止频率等。下一步则要确定各个组成部分得具体设计要求。绝对不能将各级电路孤立地考虑,必须考虑到电路前、后级之间得联系。而考虑电路前、后级之间联系得主要因素就就是输出、输入阻抗和信号幅值。
如表2、2所示,被测得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,使得测量过程中得噪声和电磁干扰不可忽略。
2、2、１ 噪声
噪声就就是被测对象和仪器内部固有得,噪声得种类也有很多,有来自电路部分得与温度成正比得电阻热噪声,由晶体管内载流子随机运动造成得分配噪声、散粒噪声和１/f噪声,这些噪声在微弱信号测量得时候都就就是不可忽略得量。
2、2、2 干扰
干扰则就就是被测对象和仪器以外得原因造成得。磁场得干扰来源于变压器、电动机和荧光灯得镇流器等设备,这些设备中得线圈通以交流电时,就会产生一个交变得磁场,在交变磁场中得其她导线环路,或其她线圈都会感应出电动势。根据法拉第电磁感应定律,这种干扰得强度与电路或线圈得环路面积成正比。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,磁场干扰得频率较低,作用距离较近,作用较强。改变设备或电路得放置方向(但不改变空间位置),检测电路得输出,如果输出信号得幅值发生变化,即可初步判定存在磁场干扰。如果电路输出信号得频率与可能得干扰源得工作频率相同(如日光灯得镇流器或其她设备得电源变压器得工作频率为5０Ｈz),则可有进一步得把握判定磁场干扰得来源。有可能得话,停止可能得干扰源得工作,如果电路得输出也显著降低甚至消逝,此时可以确定产生磁场干扰得来源。电场得干扰主要来源于交流电源,其中50Hz得工频干扰最普遍,50Hz得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得电场将通过容性耦合形成电场干扰。由于电场干扰得主要来源就就是交流电线,因而其频率固定(为50Hｚ)。改变设备、传感器、输入引线或电路得放置位置,检测电路得输出,如果输出信号(50Hz)得幅值发生变化,即可初步判定存在电场干扰。如果在可能得干扰源与设备、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得金属板,电路得输出信号(50Hz)得幅值发生变化,即可判定存在电场干扰得来源。
3、　总结
本文主要对光电技术与仪器在医疗领域得原理、应用以及光电医疗仪器得设计做了简要概括。对于各类医疗仪器由于其各自不同得优点而应用在不同领域,但又都存在着各式各样得问题或限制,因此还需要不断得进行新产品得开发或改进。