第六章 醫(yī)用光學技術與儀器

第六章醫(yī)用光學技術與儀器第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

醫(yī)用光學技術與儀器

眼科光學儀器手術顯微鏡—顯微外科電視系統(tǒng)醫(yī)用內窺鏡醫(yī)用激光儀器紅外熱像儀

第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三6.1眼科光學儀器

眼科光學儀器屬于精密光學儀器，主要有眼底照相機、電腦視野儀、電腦驗光儀、電腦眼壓儀、電腦角膜曲率儀、裂隙燈顯微鏡等。這類儀器大都是由傳統(tǒng)的眼科光學儀器發(fā)展起來的，在傳統(tǒng)的光學觀察系統(tǒng)基礎上加上電視攝像及微機自動控制、處理系統(tǒng)，能進行程序自動控制、電視圖像顯示、計算機圖像處理、數(shù)據(jù)測算及分析、參數(shù)顯示及打印報告及資料存檔等功能，因此現(xiàn)代眼科光學儀器的名稱大都在原名稱之前加上"電腦"二字。除此之外，一些新型的光學儀器也不斷出現(xiàn)，如近年出現(xiàn)的利用共焦掃描激光技術對眼底成像的"激光眼底掃描照機"。第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1眼底照相機

眼底照相機是用來觀察和記錄眼底——視網(wǎng)膜狀況的光學儀器，它將眼底以黑白或彩色照片的形式保存下來，是眼科醫(yī)生的主要診斷工具?，F(xiàn)代眼底照相機裝有微機及電視圖像系統(tǒng)，可在電視監(jiān)視器屏幕上顯示眼底圖像，供多人同時觀察及動態(tài)記錄

(錄像)。（1）眼球（2）接目物鏡（3）中空反射鏡（4）補償透鏡組（5）成像物鏡組（6）分光棱鏡（7）照相機膠片（8）反射鏡（9）分劃板（10）目鏡（11）觀察者或電視攝像機（12）集光鏡（13）環(huán)形光闌（14）觀察照明白熾燈（15）聚光鏡（16）聚光鏡（17）照相閃光燈第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三(1)照相系統(tǒng)：由接目物鏡、補償透鏡組、成像系統(tǒng)、分光棱鏡及35mm照相機組成。(2)觀察瞄準系統(tǒng)：由分光棱鏡、反射鏡、分劃板及觀察目鏡組成的光路。(3)照明系統(tǒng)。(4)機架、調節(jié)機構及操縱手柄。(5)電視圖像系統(tǒng)及電腦系統(tǒng)，在觀察目鏡位置裝有

CCD攝像機，并由5“單色監(jiān)視顯示圖像。微電腦系統(tǒng)可在屏幕上完成測算功能。此外微電腦還能自動決定攝影條件，在熒光攝影時能自動插入濾色鏡。第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

利用眼底照相機可獲得眼底血管熒光造影像。由前肘靜脈注射熒光素鈉造影劑10~15秒之后，眼底血管即可依照先動脈，后靜脈，而后脈絡膜血管的順序顯示熒光。用連續(xù)攝影機拍攝其過程，從而對眼底血管性狀、眼底視網(wǎng)膜病變做出診斷。第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三6.1.2激光眼底掃描成像

該系統(tǒng)采用共焦掃描激光(ConfocalScanningLaser)技術對眼底進行成像，通過計算機分析，繪制出視盤表面的三維地形圖。所以，此類儀器又叫掃描激光眼底地形圖儀、視網(wǎng)膜層面分析儀、視神經(jīng)圖像處理系統(tǒng)等。

第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

共焦掃描技術可在1秒內，對視盤表面1~3mm的深度范圍內，進行32個層面的共焦掃描，每個層面采集256×256個數(shù)據(jù)點。在某一層面上，如處于共焦點部位的反射成像是清晰的，這個掃描層面也就是此共焦部位的高度，未處于共焦的部位不能成像。通過32個層面的掃描及計算機圖像處理，就可給出視盤表面的三維地形圖，并計算出有關參數(shù)。

視盤的改變是青光眼的早期診斷唯一的客觀指標。近年又出現(xiàn)了利用相交的激光偏振光掃描視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層的視神經(jīng)纖維分析儀，對于青光眼的早期診斷更有用。

第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三6.1.3電腦視野儀

視野儀用以測定視區(qū)范圍及某視區(qū)有無功能損害。

視野儀已由早期的弧形動態(tài)視野儀而發(fā)展的微機程序控制靜態(tài)自動視野儀。電腦視野儀在球形屏幕積分球的白色背景上，分布有不同亮度梯度的光刺激點。這些光刺激點用發(fā)光二極管或導光纖維制作，在微機控制下顯示不同的亮度梯度，給眼以刺激。根據(jù)病人分辨這些刺激點的多少及亮度梯度，可自動打印出視野范圍的大小、功能缺損的部位及缺損的程度，定量顯示出二維視野狀態(tài)，進一步有三維立體定量顯示視野改變的結果。第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三6.1.4電腦角膜曲率儀

角膜的曲率是影響眼屈光狀態(tài)的重要因素。配戴角膜接觸鏡、白內障術后置入人工晶體的度數(shù)的選擇，以及近視眼手術放射狀角膜切開等都需要測定角膜曲率。

現(xiàn)代角膜曲率儀也是一個光學系統(tǒng)與計算機相結合的電視圖像系統(tǒng)。它是以100%黑白對比度的多個同心圓環(huán)(Placido氏盤)在角膜上顯示的影像，以計算機偽彩色處理和顯示整個角膜各子午線的曲率，并可自正面及各不同側面顯示角膜曲率狀態(tài)，或以彩色顯示角膜表面的地形圖，并打印出角膜圖形、屈率及屈光度等參數(shù)。第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三6.1.5電腦眼壓儀

老式的眼壓儀是一種帶有儀表指示的機械裝置。現(xiàn)代眼壓儀由微機控制，測量探頭上帶有壓力傳感器，壓力信號經(jīng)放大由A/D轉換為數(shù)字信號，由微機處理后顯示出4分鐘的眼壓變化曲線，依據(jù)此曲線可判定房水生成、排出量以及眼壓的水平，用以判定有無早期青光眼。因為眼內房水循環(huán)失調則導致眼內壓異常，從而發(fā)生青光眼。第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三6.2手術顯微鏡

(顯微外科電視系統(tǒng))

手術顯微鏡的產(chǎn)生和手術水平的提高形成了一門嶄新的學科—顯微外科。顯微外科應用手術顯微鏡進行精細的手術（如小血管的對接縫合），被廣泛地應用于眼科、耳鼻喉科、外科、婦科、整形外科中。

傳統(tǒng)的手術顯微鏡是雙目立體顯微鏡，觀察時有立體感，以保證手術精確順利。放大倍數(shù)1.6~80倍可變，有足夠大的工作距離

(9cm~40cm)，物鏡視場較大

(通常l5mm~40mm)?，F(xiàn)代手術顯微鏡上裝有電視圖像系統(tǒng)，又稱為顯微外科電視系統(tǒng)。第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三手術顯微鏡結構形式很多，有可移動式及固定式兩大類。可移動式又有立柱式和夾持式兩種，固定式又有吊式、墻式、桌式等多種。手術顯微鏡的組成由觀察系統(tǒng)、照明、支架及照相、電視攝像顯示系統(tǒng)組成。其中觀察系統(tǒng)有兩支獨立的光路以一定的夾角對物體成像，所以從兩個目鏡觀察到的是立體像。照相機或電視攝像系統(tǒng)通過光學接口與手術顯微鏡相連，在電視監(jiān)視器上顯示手術情況，可供多人共覽、會診、教學科研及錄像機記錄存檔。第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三6.3醫(yī)用內窺鏡

醫(yī)用內窺鏡是一種光學裝置，可以插入人體內臟器官，從人體外直接觀察到人體內臟器官的組織形態(tài)。醫(yī)用內窺鏡按結構可分為四類：

1.硬性內窺鏡

硬性內窺鏡的發(fā)展已經(jīng)歷了漫長的歷史。早在1795年Bozzine就首次制造出一個以燭光為光源的硬件內窺鏡，可觀察到直腸和子宮內腔。硬性內窺鏡以金屬管為外殼，內裝有物鏡，目鏡、棱鏡、反光鏡等光學元件的硬性直管性內窺鏡。其種類主要有腹腔鏡、宮腔鏡、尿道膀恍鏡、關節(jié)鏡、胸腔鏡、腦顱鏡、直腸鏡、鼻竇鏡等。第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

2.軟性內窺鏡軟性內窺鏡出現(xiàn)于20世紀50年代光纖出現(xiàn)以后，它以柔韌的光纖傳導光源和影像，稱為光導纖維內窺鏡。主要種類有胃腸鏡、肺鏡、腎結石鏡等。第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三光導纖維內窺鏡分頭端(醫(yī)生手持操縱端)、遠端(插入臟器端)及彎曲部分三部分組成。彎曲部分是密封的軟性套管，內有兩種光導纖維光束，導光束和傳像束，它們都是由3萬~5萬根光導纖維組成的光導纖維束。導光束用于照明，它將來自光源的光傳輸?shù)絻雀Q鏡的末端以照明視場。導光束一般有兩個，兩端都安裝有導光透鏡。傳像束有一個，遠端裝有物鏡，頭端裝有目鏡，傳像束的每根光導纖維在內窺鏡頭尾兩端的相對位置總是一致的，因此在目鏡上重建一幅拼成的圖像的位置不會混亂。第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三一般來說，內窺鏡套管還有1~2個工作鉗道，以便插入外科器械；另外還有送氣/送水孔道，以清洗鏡面和充氣及清洗操作部位。內窺鏡頭端部有操縱件，可操縱插入管遠端的彎曲頭能上、下、左、右四個方向強烈彎角，以便觀察臟器內的任何位置

(不同用途的內窺鏡，遠端結構不一樣)。第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

3.電子內窺鏡電子內窺鏡是1983年由美國Welch-Allyn公司首次推出的，被稱為第三代內窺鏡。電子內窺鏡由光源、視頻圖像系統(tǒng)及外科工作鉗道組成。電子內窺鏡是在光導纖維內窺鏡的基礎上加視頻圖像系統(tǒng)組成的，但它不需要傳像束和目鏡，而是在物鏡后裝一個CCD攝像頭，由導線引出電信號，傳送到視頻處理器經(jīng)處理后，顯示在彩色監(jiān)視器上。屏幕上的圖像還可以記錄在錄像機上，或用視頻激光打印機打印出來，或存儲在磁盤上，由計算機進一步處理。第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

電子內窺鏡代表了內窺鏡技術發(fā)展的高峰，但由于價格、穩(wěn)定性、可靠性、方便性等諸多因素的限制，現(xiàn)在醫(yī)院里大量使用的仍是光導纖維內窺鏡。電子內窺鏡將進一步提高CCD的性質以使之超小型化，采用高保真圖像技術和計算機圖像文件管理系統(tǒng)，并實現(xiàn)圖像實時高速處理。第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

4.超聲內窺鏡

超聲內窺鏡于20世紀80年代初問世。它是將超聲探頭

(線陣和扇形)裝入內窺鏡中，在內窺鏡導引下，將超聲探頭插入體內進行掃描，通過此方式得到的信息要比在體表上獲得的掃描信息準確詳細。

此外，激光內窺鏡、三維內窺鏡和檢查腸彎曲部內窺鏡也在發(fā)展之中。激光內窺鏡是內窺鏡診斷和激光治療結合在一起的新一代內窺鏡。三維內窺鏡將三臺電子內窺鏡結合可提供三維立體圖像，能使許多高難度的手術得以順利進行。第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

醫(yī)用內窺鏡若以臨床應用范圍分類，可分為以下八類：⑴胃腸內窺鏡，⑵腹腔內窺鏡，⑶脊柱內窺鏡，⑷顱內內窺鏡，⑸關節(jié)內窺鏡，⑹泌尿系統(tǒng)內窺鏡

(膀恍鏡、前列腺鏡、腎鏡、輸尿管鏡)，⑺婦產(chǎn)科內窺鏡，⑻內窺鏡視頻攝像機。

醫(yī)用內窺鏡朝著超細徑化

(胃腸窺鏡的直徑為7.9~12.8mm，而近年出現(xiàn)可觀察深部栓塞及腎結石的內窺鏡，直徑為0.19mm)、配各種傳感器以檢測各種參數(shù)、裝配機械式治療裝置及激光、微波、高頻電灼、電氣水壓等先進技術的治療裝置、裝配超小型攝像機及計算機圖像處理系統(tǒng)等方向發(fā)展。第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三6.4醫(yī)用激光儀器

激光器是利用受激輻射放大電磁波的原理，在可見光、紅外以及紫外區(qū)產(chǎn)生激光輻射的器件。根據(jù)受激工作物質的不同，激光器可分為固體激光器(紅寶石、釹玻璃、釔鋁石榴石(YAG))、氣體激光器(二氧化碳(CO2)、氦氖

(He-Ne)、氬(Ar+)等)、半導體激光器和液體激光器。激光的特點是具有極高的亮度、放向性高度集中、高單色性和具有良好的相干性。在工業(yè)上用于打孔、切割、焊接高熔點材料，在醫(yī)學上主要用于治療。第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

自從1960年梅曼（T.H.Maiman）制成第一臺紅寶石激光器之后，第二年激光就被用于眼科的視網(wǎng)膜焊接。此后的幾十年間，激光的應用逐漸發(fā)展，成為一門應用十分廣泛的科學技術。激光對人體組織有熱效應、電離效應和光化學效應。激光照射后組織吸收光能轉換為熱量，使組織局部溫度升高，引起組織內蛋白質變性而發(fā)生凝固，稱為光凝作用；組織接受更強的激光照射，細胞內外的水會汽化變成水蒸汽，同時產(chǎn)生電離效應，使細胞膨脹破裂，從而達到切割組織的作用；組織達到汽化后如再持續(xù)照射，可使組織達到碳化的程度，用來切割骨組織。醫(yī)用激光儀器主要使用CO2、YAG、Ar+

及半導體激光器。在臨床上，激光已廣泛的應用到眼科、皮膚科、腫瘤科、外科、內科、婦產(chǎn)科、神經(jīng)科、耳鼻喉科和口腔科等各個方面。第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

1.對組織進行切割和分離

激光對組織進行切割和分離時，由于激光束聚焦后的光點非常小，能量高度集中，作用時間又短，因而它對組織的破壞最小，并且其創(chuàng)面或器官表面如遇出血或附著粘液時，就會阻礙進一步照射，臨床表明，用激光進行分離和切割，操作簡便，防護措施也很簡單，患者出血也少，切口愈合平滑、整齊。因而深受醫(yī)護人員和患者的歡迎。

第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三2.對組織進行氣化和融解

由于高功率的CO2激光器，其光點溫度可達200℃以上，并具有一定的壓強，它不僅能熔融組織，而且具有很強的穿透破壞作用。臨床表明，激光對機體皮膚粘膜的表淺病變以及通過手術暴露的深部腫瘤，經(jīng)過照射治療，其病變的表層將立即氣化，而周圍的健康組織界限清楚，若進行反復氣化融解，可使大塊實體組織蒸發(fā)消融。其特點是方法簡便，治療愈合快，周圍組織反應小，功能基本不受影響。第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

3.對組織進行燒灼和止血

因為激光光點具有高溫，可使組織凝固，脫水和細胞破壞。臨床上已成為一種很好的燒灼工具。若用于止血，其失血量和止血速度都比目前所應用的電烙法效果好。

4.對組織進行凝固和封閉

臨床表明，激光的凝結作用，可使組織結疤，阻塞和封閉血管及淋巴管，還可以引起組織萎縮。利用這一特點可用于治療上唇血管瘤和淋巴管瘤以及背部血管瘤。第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

5.對組織進行離焦照射

若將激光不予聚焦，而進行散射。當散射到適當距離時，再進行照射，這種方法適用于治療下肢潰瘍，慢性鼻炎等。

6.對穴位進行照射臨床表明，利用激光進行穴位照射，一方面給穴位以刺激，另一方面給穴位也輸入一定的能量，故激光照射具有針刺和炙法洪的作用。

第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三7.眼科治療

激光在治療方面首先應用于眼科。如眼科中治療眼底病、屈光不正(近視、遠視、角膜切除、角膜成形)、白內障、青光眼等。有些國家已把激光作為眼科常規(guī)療法，世界各國用激光器做視網(wǎng)膜剝離凝固術已治愈數(shù)萬人，治愈率達80%以上。如果采用波長為694.3nm的紅寶石激光器，就可以將凝固區(qū)的直徑縮小到0.3mm。所以激光不僅可治療視網(wǎng)膜剝離和破裂，也可以治療中心性視網(wǎng)膜炎。第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

氬激光器發(fā)射波長488nm和514.5nm的光，血液和血管可很好地吸收它。而且它比紅寶石激光器能更好地聚焦和連續(xù)地發(fā)射光，這樣可使它自由地調節(jié)照射時間和調節(jié)凝固視網(wǎng)膜病變的大小。由于這種特點，可用來治療糖尿病視網(wǎng)膜病和出血性病變。除上述外，應用激光還可以治療眼內炎、近視、青光眼、眼底血管瘤、凝固睫狀體、前房玻璃體出血和虹膜切開術等多種眼科疾病。利用激光治療眼病，其優(yōu)點是能量集中、作用時間只幾毫秒、無疼感，凝固面小、愈合快等。第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

8.腫瘤治療

用激光治療腫瘤已為治療腫瘤開創(chuàng)了新途徑。劑量不大的氦氖激光器發(fā)生的單一紅色激

光的作用能提高組織再生能力，并對各種病理過程有著刺激作用，用這種激光器照射慢性而長期不愈的傷口、灼傷面、營養(yǎng)性和光照后的潰瘍，能便愈合過程明顯加快。治療皮膚癌及癌的皮性轉移可使用不同的激光作用，采用激光聚焦光照射、聚焦光凝固、"光刀"切除的綜合方法及激光配合手術、化療治療腫瘤結節(jié)、散性黑色素瘤、和有多發(fā)性轉移的結節(jié)都獲得了完全滿意的直接和近期效果，臨床觀察表明，連續(xù)作用的氣體激光，不僅能夠破壞面積不大的腫瘤，而且能夠破壞擴散型腫瘤。第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三對于破壞較小面積的惡性皮膚瘤及癌的皮膚性轉移，激光凝固法能夠同時凝固多發(fā)性的腫瘤結節(jié)。而且具有照射時間短，對祝體副作用極少、直接和近期療效好。激光的特別價值是，能保證手術傷口不發(fā)生腫瘤轉移，大大減少手術部位的腫瘤復發(fā)的危險性。目前常采用二氧化碳、氬、紅寶石以及釹玻璃激光器治療黑色素皮膚癌、惡性血管瘤、基底細胞上皮癌、喉癌以及乳腺癌、淋巴瘤等。如果將激光裝入到內窺鏡的器件，可以在觀察到出血點咐甫這種器件來制止胃粘膜的出血。

第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

9.耳鼻喉科治療在耳鼻喉科方面，已采用激光治療聲帶原位的結節(jié)和息肉、乳頭瘤、角化病和癌癥。用紅寶石激光器照射治療齲齒也取得了療效。10.婦科治療使用激光早期發(fā)現(xiàn)子宮癌能可靠地識別出平均率為97%的子宮癌陰性細胞涂片。用CO2激光器照射治療子宮頸糜蘭，可減沙感染、分泌增多和由于手術后形成痂而致出血的危險性，優(yōu)于電手術裝置或冷凍手術的療法。目前正在大力研究激光-CT，這將為醫(yī)學成像開辟新的途徑。

第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三6.5紅外熱像儀

任何物體的溫度只要高于絕對零度(-273℃)就會輻射紅外線，且輻射的紅外線能量與其自身絕對溫度的四次方成正比。紅外熱像儀是一種二維平面成像的紅外系統(tǒng)，它通過光學系統(tǒng)將紅外輻射能量聚集在紅外深測器上，并轉換為電