1、医用光学技术与仪器,医用光学仪器主要有眼科光学仪器、显微镜、医用内窥镜和医用激光仪器四大类。眼科光学仪器主要有眼前部、眼压、眼底、视野等多种检查仪器，特别是微电脑及电视图像技术的应用，使传统的眼科光学仪器得以迅速地更新换代。显微镜最早应用在医疗中，现代手术显微镜配备了电视图像系统，称为显微外科电视系统。医用内窥镜是随着光导纤维的出现而发展起来的，广泛应用于消化道、泌尿科、肺科、妇科、五官科、骨科中的诊断和治疗。装有CCD摄像机及电视图像系统的内窥镜又称电子内窥镜，可实时地显示脏器内的黑白或真彩色图像。医用激光仪器主要有CO2、氦氖、YAG及新发展起来的半导体激光器四大类型，主要用于治疗，其次用
2、于诊断。,医用光学技术与仪器,眼科光学仪器 显微镜医用内窥镜 医用激光仪器红外热像仪,1 眼科光学仪器,眼科光学仪器属于精密光学仪器，主要有眼底照相机、视野仪、验光仪、眼压仪、角膜曲率仪、裂隙灯显微镜等。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，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。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。,1.1 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
3、，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)。,（1）眼球 （2）接目物镜 （3）中空反射镜 （4）补偿透镜组 （5）成像物镜组（6）分光棱镜 （7）照相机胶片 （8）反射镜 （9）分划板 （10）目镜（11）观察者或电视摄像机 （12）集光镜 （13）环形光阑 （14）观察照明白炽灯（15）聚光镜 （16）聚光镜 （17）照相闪光灯,(1)照相系统：由接目物镜、补偿透镜组、成像系统、 分光棱镜及35mm照相机组成。(2)观察瞄准系统：由分光棱镜、反射镜、分划板及
4、观察目镜组成的光路。(3) 照明系统。(4) 机架、调节机构及操纵手柄。(5) 电视图像系统及电脑系统，在观察目镜位置装有 CCD摄像机，并由5” 单色监视显示图像。微电脑 系统可在屏幕上完成测算功能。此外微电脑还能 自动决定摄影条件，在荧光摄影时能自动插入滤 色镜。,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1015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。,1.2 激光眼底扫描成像,该系统采用共焦扫描激光(Confocal Scanning Laser)技术对眼底进行成
5、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13mm的深度范围内，进行32个层面的共焦扫描，每个层面采集256256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。,1.3
6、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。,1.4 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
7、率。 角膜曲率计是利用角膜的反射性质来测量角膜曲率半径的。在角膜前的一特定位置放一特定大小的物体，该物体经角膜反射后产生像，测量此像的大小即可计算出角膜前表面的曲率半径。,1.5 电脑眼压仪,老式的眼压仪是一种带有仪表指示的机械装置。现代眼压仪由微机控制，测量探头上带有压力传感器，压力信号经放大由A/D转换为数字信号，由微机处理后显示出4分钟的眼压变化曲线，依据此曲线可判定房水生成、排出量以及眼压的水平，用以判定有无早期青光眼。因为眼内房水循环失调则导致眼内压异常，从而发生青光眼。,1.6光学显微镜的成像原理,物体AB发出的光线经物镜O1放大后成一倒立实像AB，再经目镜O2放大后，就可以获得一
8、个经两次放大的倒立虚像A B，该虚像成在观察者的明视距离处。,显微镜原理与结构,光学显微镜的成像原理,显微镜的成像光路如图，它通过目镜、物镜等光学器件构成放大光路，而使所得虚像AB的距离恰好等于人眼的明视距离250毫米，以获得将标本放大10200倍的可见影像。,显微镜原理与结构,显微镜的光学参数,镜检时，我们希望能看到反差适度、清晰明了的理想图像。这不仅要求所观察的标本适于某种显微镜的镜检方法，同时也要求将显微镜的各项技术性能充分发挥出来。光学显微镜主要的技术参数包括：数值孔径、分辨率、放大率焦深、视场宽度、覆盖差、工作距离和图像亮度与视场亮度等。这些参数在观测过程中必须达到最佳状态。各项技术
9、参数使用过程中彼此之间既相互联系又相互制约，每个参数都有其自身的合理界限。在使用时，应根据镜检的目的和实际情况加以协调，以适应最佳分辨率为准绳，争取达到最好的镜检效果。,显微镜原理与结构,显微镜的光学参数-放大率,放大率 是指物体经物镜、目镜两次成像后眼睛所能看到像的大小对原物体大小的比值。 显微镜配有放大倍数不同的物镜和目镜，各厂家均已在物镜和目镜上标出各自的放大倍数，两者相乘即可。 如在双目镜或三目镜筒内增加棱镜，有的棱镜也有放大倍数，因此显微镜的总放大率应加以考虑。,显微镜原理与结构,Magnification,1000mm,35 mm slide24x35 mm,投影出去的图像是我们人
10、眼在250mm处看到图像的28倍如果我们用一个10倍的放大镜观察投影图像，我们可以得到一个280倍的图像，但我们减少10倍的视场范围。,如：一台投影仪,p,显微镜的光学参数-孔径角,孔径角(镜口角)，是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。孔径角越大，物镜的光通量就越高。 它与物镜前透镜的有效直径成正比，但与焦点的距离成反比。,显微镜原理与结构,显微镜的光学参数-数值孔径,数值孔径：物体与物镜间媒质的折射率n与物镜孔径角的一半的正弦值的乘积。干物镜的数值孔径始终小于1，浸液（水、油）物镜增大n值，值，结果增大数值孔径值 。,显微镜原理与结构,数值孔径,Resolving pow
11、er is directly related to numerical aperture.分辨能力直接与数值孔径有关The higher the NA the greater the resolution数值孔径越高，分辨能力越强。Resolving power:分辨能力 aThe ability of an objective to resolve two distinct lines very close together 物镜分辨两个非常接近的两条线的能力a = 0.61/n sin u (n=the lowest refractive index between the object
12、and first objective element) (hopefully 1) u is 1/2 the angular aperture of the objective,A,m,NA=n(sin m),Light cone,(n=refractive index),6.2 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。 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1.680倍可变，有足够大的
13、工作距离 (9cm40cm)，物镜视场较大 (通常l5mm40mm)。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。,手术显微镜结构形式很多，有可移动式及固定式两大类。可移动式又有立柱式和夹持式两种，固定式又有吊式、墙式、桌式等多种。手术显微镜的组成由观察系统、照明、支架及照相、电视摄像显示系统组成。其中观察系统有两支独立的光路以一定的夹角对物体成像，所以从两个目镜观察到的是立体像。照相机或电视摄像系统通过光学接口与手术显微镜相连，在电视监视器上显示手术情况，可供多人共览、会诊、教学科研及录像机记录存档。,内窥镜,,ENDOSCOPY内窥镜,Endoscopy, is the ex
14、amination of internal body cavities using a specialized medical instrument called an endoscope.内窥镜是用来检测人体内腔道的特殊医疗仪器。 Physicians use endoscopy to diagnose, monitor, and surgically treat various medical problems.病理学家使用内窥镜诊断，监测和手术处理各种医学问题。,全反射，光学纤维若则与入射光线相比，折射光线将偏离法线。当 时，当 时，就不再有折射光线而光全部被反射。这种对光线只有反射而无
15、 折射的现象叫全反射。 称为临界角。n2=1的空气相对于n1=1.5的玻璃而言， 临界角,光学纤维：使光线沿着弯曲路程传播的光学元件，由直径约几微米的多根或单根玻璃纤维组成的，每根纤维也分内外两层，内层 左右， 左右。可得： 对于空气中的纤维 则： 为了使更大范围内的光束能在纤维中传播，我们应选择n1和n2的差值较大的材料去制造光学纤维。,医用内窥镜按结构可分为四类： 1.硬性内窥镜 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
16、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。,2.软性内窥镜 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。,光导纤维内窥镜分头端(医生手持操纵端)、远端(插入脏器端)及弯曲部分三部分组成。弯曲部分是密封的软性套管，内有两种光导纤维光束，导光束和传像束，它们都是由3万5万根光导纤维组成的光导纤维束。导光束用于照明，它将来自光源的,光传输到内窥镜的末端以照明视场。导光束一般有两个，两端都安装有导光透镜。传像束有一个，远端装有物镜，头端装有目镜，传像束的每根光导纤维在内窥
17、镜头尾两端的相对位置总是一致的，因此在目镜上重建一幅拼成的图像的位置不会混乱。,一般来说，内窥镜套管还有12个工作钳道，以便插入外科器械；另外还有送气/送水孔道，以清洗镜面和充气及清洗操作部位。内窥镜头端部有操纵件，可操纵插入管远端的弯曲头能上、下、左、右四个方向强烈弯角，以便观察脏器内的任何位置 (不同用途的内窥镜，远端结构不一样)。,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。电子内窥镜由光源、视频图像系统及外科工作钳道组成。电子内窥镜是在光导纤维内窥镜的基础上加视频图像系统组成的，但它不需要传像束和目镜，而是在物镜后装一个CCD摄
18、像头，由导线引出电信号，传送到视频处理器经处理后，显示在彩色监视器上。屏幕上的图像还可以记录在录像机上，或用视频激光打印机打印出来，或存储在磁盘上，由计算机进一步处理。,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。,4.超声内窥镜 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
19、描信息准确详细。 此外，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。,医用内窥镜若以临床应用范围分类，可分为以下八类：胃肠内窥镜，腹腔内窥镜，脊柱内窥镜，颅内内窥镜，关节内窥镜，泌尿系统内窥镜 (膀恍镜、前列腺镜、肾镜、输尿管镜)，妇产科内窥镜，内窥镜视频摄像机。 医用内窥镜朝着超细径化 (胃肠窥镜的直径为7.912.8mm，而近年出现可观察深部栓塞及肾结石的内窥镜，直径为0.19mm)、配各种传感器以检测各种参数、装配机械式治疗装置及激光、
20、微波、高频电灼、电气水压等先进技术的治疗装置、装配超小型摄像机及计算机图像处理系统等方向发展。,4 医用激光仪器,激光器是利用受激辐射放大电磁波的原理，在可见光、红外以及紫外区产生激光辐射的器件。根据受激工作物质的不同，激光器可分为固体激光器(红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石(YAG)、气体激光器(二氧化碳(CO2)、氦氖 (He-Ne)、氩(Ar+)等)、半导体激光器和液体激光器。激光的特点是具有极高的亮度、放向性高度集中、高单色性和具有良好的相干性。在工业上用于打孔、切割、焊接高熔点材料，在医学上主要用于治疗。,自从1960年梅曼（T.H.Maiman）制成第一台红宝石激光器之后，第二年激光就被
21、用于眼科的视网膜焊接。此后的几十年间，激光的应用逐渐发展，成为一门应用十分广泛的科学技术。激光对人体组织有热效应、电离效应、机械效应、非线性效应和光化学效应。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。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
22、面。,1.对组织进行切割和分离 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.对组织进行气化和融解 由于高功率的CO2激光器，其光点温度可达200以上，并具有一定的压强，它不仅能熔融组织，而且具有很强的穿透破坏作用。临床表明，激光对机体皮肤粘膜的表浅病变以及通过手术暴露的深部肿瘤，经过照射治疗，其病变的表层将立即气化，而周围的健康组织界限清楚
23、，若进行反复气化融解，可使大块实体组织蒸发消融。其特点是方法简便，治疗愈合快，周围组织反应小，功能基本不受影响。,3.对组织进行烧灼和止血 因为激光光点具有高温，可使组织凝固，脱水和细胞破坏。临床上已成为一种很好的烧灼工具。若用于止血，其失血量和止血速度都比目前所应用的电烙法效果好。 4.对组织进行凝固和封闭 临床表明，激光的凝结作用，可使组织结疤，阻塞和封闭血管及淋巴管，还可以引起组织萎缩。利用这一特点可用于治疗上唇血管瘤和淋巴管瘤以及背部血管瘤。,5.对组织进行离焦照射 若将激光不予聚焦，而进行散射。当散射到适当距离时，再进行照射，这种方法适用于治疗下肢溃疡，慢性鼻炎等。 6.对穴位进行照
24、射 临床表明，利用激光进行穴位照射，一方面给穴位以刺激，另一方面给穴位也输入一定的能量，故激光照射具有针刺和炙法的作用。,7.眼科治疗 激光在治疗方面首先应用于眼科。如眼科中治疗眼底病、屈光不正(近视、远视、角膜切除、角膜成形)、白内障、青光眼等。有些国家已把激光作为眼科常规疗法，世界各国用激光器做视网膜剥离凝固术已治愈数万人，治愈率达80%以上。如果采用波长为694.3nm的红宝石激光器，就可以将凝固区的直径缩小到0.3mm。所以激光不仅可治疗视网膜剥离和破裂，也可以治疗中心性视网膜炎。,氩激光器发射波长488nm和514.5nm的光，血液和血管可很好地吸收它。而且它比红宝石激光器能更好地聚
25、焦和连续地发射光，这样可使它自由地调节照射时间和调节凝固视网膜病变的大小。由于这种特点，可用来治疗糖尿病视网膜病和出血性病变。除上述外，应用激光还可以治疗眼内炎、近视、青光眼、眼底血管瘤、凝固睫状体、前房玻璃体出血和虹膜切开术等多种眼科疾病。利用激光治疗眼病，其优点是能量集中、作用时间只几毫秒、无疼感，凝固面小、愈合快等。,8.肿瘤治疗 用激光治疗肿瘤已为治疗肿瘤开创了新途径。剂量不大的氦氖激光器发生的单一红色激 光的作用能提高组织再生能力，并对各种病理过程有着刺激作用，用这种激光器照射慢性而长期不愈的伤口、灼伤面、营养性和光照后的溃疡，能便愈合过程明显加快。治疗皮肤癌及癌的皮性转移可使用不同
26、的激光作用，采用激光聚焦光照射、聚焦光凝固、光刀切除的综合方法及激光配合手术、化疗治疗肿瘤结节、散性黑色素瘤、和有多发性转移的结节都获得了完全满意的直接和近期效果，临床观察表明，连续作用的气体激光，不仅能够破坏面积不大的肿瘤，而且能够破坏扩散型肿瘤。,对于破坏较小面积的恶性皮肤瘤及癌的皮肤性转移，激光凝固法能够同时凝固多发性的肿瘤结节。而且具有照射时间短，对祝体副作用极少、直接和近期疗效好。激光的特别价值是，能保证手术伤口不发生肿瘤转移，大大减少手术部位的肿瘤复发的危险性。目前常采用二氧化碳、氩、红宝石以及钕玻璃激光器治疗黑色素皮肤癌、恶性血管瘤、基底细胞上皮癌、喉癌以及乳腺癌、淋巴瘤等。如果
27、将激光装入到内窥镜的器件，可以在观察到出血点辅助这种器件来制止胃粘膜的出血。,9.耳鼻喉科治疗 在耳鼻喉科方面，已采用激光治疗声带原位的结节和息肉、乳头瘤、角化病和癌症。用红宝石激光器照射治疗龋齿也取得了疗效。10.妇科治疗 使用激光早期发现子宫癌能可靠地识别出平均率为97%的子宫癌阴性细胞涂片。用CO2激光器照射治疗子宫颈糜兰，可减沙感染、分泌增多和由于手术后形成痂而致出血的危险性，优于电手术装置或冷冻手术的疗法。 目前正在大力研究激光-CT，这将为医学成像开辟新的途径。,5 红外热像仪,任何物体的温度只要高于绝对零度(-273)就会辐射红外线，且辐射的红外线能量与其自身绝对温度的四次方成正
28、比。红外热像仪是一种二维平面成像的红外系统，它通过光学系统将红外辐射能量聚集在红外深测器上，并转换为电子视频信号，送电视监视器显示出来，称为红外热图像。,红外热像仪最早是因军事需要而发展起来的，用于夜视。后来发展为民用，在工业上用于远距离非接触式无损探伤、故障探测等；在医疗诊断上用于探测人体浅表肿瘤(例如乳腺癌)、各种炎症、血管障碍、观察药物疗效和气功研究等。这是因为人体具有一定体温，其内部热量通过皮肤辐射，波长范围3ml6m。组织病变会引起体表温度变化，导致红外辐射能量的改变。用红外探测器探测人体皮肤辐射的红外线能量并形成皮肤表面的热像图，也就是皮肤表面的温度分布图。,现代医用红外热像仪的温
29、度测量范围为-1050，温度分辨率为0.01。采用电子扫描，每秒25帧。而且配有图像数字化仪和计算机图像处理系统，能以伪彩色显示图像(温度高的区域用黄色，温度中的区域用红色，温度低的区域用兰色和紫色)，并具有测量和分析功能。,红外热像仪的由红外摄像机、扫描同步器、视频放大及处理电路、彩色电视监视器组成。带有计算机图像系统的红外热像仪还有图像数字化仪(视频信号采集、存储、显示电路板)、彩色喷墨打印机及主计算机 (PC机)组成。,红外摄像机中装有热像仪的核心部件：红外探测器。红外探测器根据探测波长的不同，可分为长波探测器(使用HgCdTe半导体光子探测器，探测波长范围814m)、短波探测器(使用InSb半导体光子探测器。探测波长范围35.6m)及双波探测器 (包含HgCdTe和InSb两种器件，上述两种波长范围都探测。探测器使用液氮进行冷却。,
