利用光纤传像束的内窥镜物镜设计_闫兴涛

什么是纤维镜？纤维内窥镜是相对于过去的硬管镜而言的。

在没有纤难内窥镜之前，医生使用的内窥镜都是由金属硬管子做成的镜子，用这种硬管镜子直接插入人体内为病人作检查，例如胃镜、食道镜、直肠镜、气管镜等等，可想而知病人用上这种硬的金属镜子会有多痛若。

后来纤维内窥镜问世，给病人减轻了极大的痛苦，更主要的是检查的准确性方便性都得到大的提高。

所谓纤维内窥镜的原理是利用玻璃纤维的连续导光性来达到检查诊断的目的的。

纤维内窥镜的最大的优点是柔软、可以任意弯曲、病人痛苦小，对病人无创伤、光源强视野清晰。

现在的纤维内窥镜几乎可以检查全身脏器，如：纤维胃镜、十二指肠镜、胆道镜、纤维气管支气管镜、纤维喉镜、纤维结肠镜、宫腔镜、关节镜、腹腔镜等等。

纤维丝的作用？每个纤维丝相当于画面的一个像素,纤维丝越多,画面越清晰.光纤内窥镜的工作原理及应用领域有哪些？光纤内窥镜的工作原理是利用光导纤维的传光、传像原理及其柔软弯曲性能，可以对设备中肉眼不易直接观察到的任何隐蔽部位方便地进行直接快速的检查，既不需设备解体，亦不需另外照明，只要有孔腔能使窥头插入，内部情况便可一目了然。

既可直视，亦可侧视，光纤内窥镜还可手控窥头对被检查面进行连续上下左右扫描；可目视，另配相关附件后，可屏幕显示、采集图像、录制及分析等，是机械、造船、航空、航天、发电、石化、汽车、兵器、交通、铁路、冶金、压力容器等领域中的使用方便、直观、高效的检测监控仪器纤维内窥镜检查就是胃镜检查吗？不是，目前纤维内窥镜常见有：纤维支气管镜、纤维肠镜、纤维膀胱镜等，目的是为了更好适应身体，减轻患者检查时痛苦。

目前电子胃镜不是纤维构造，其管径较粗，且下胃观察较容易，因此不需要制造成纤维镜。

纤维镜有哪些优势？卓越的视像功能纤维工业内窥镜产品具有观察图像大,可获得更清晰逼真的图像,更换光学转接器可获得不同视角视向的观察图像；美观精巧的外形,单手操作特别适合现场使用,方便于阶段性检查和新旧产品质量的对比。

成像光纤原理
成像光纤是一种用于传输图像的光纤，它具有特殊的内部结构，可以将光束准确地导引到目标位置以形成图像。

成像光纤的原理是利用传输的光束在光纤内部多次的全反射。

光束首先被引导进入光纤的输入端。

在光纤的内部，光束会不断地与光纤的壁面发生全反射，使其沿着光纤的轴线继续传输。

在传输过程中，光束会经历不断的弯曲和折射，这些折射会导致光束的路径发生改变，从而形成图像。

为了实现图像的传输，成像光纤的内部结构通常由一个或多个聚焦物镜组成。

这些聚焦物镜可以使光束在传输过程中保持聚焦状态，使得图像质量更高。

此外，光纤的外部表面也会进行特殊的处理，以减少光束的损失和干扰。

成像光纤可以在医学、工业检测、摄像等领域中得到广泛应用。

在医学领域，成像光纤可以用于内窥镜、光学相干断层扫描等技术，使医生能够观察到人体内部的情况。

在工业领域，成像光纤可以用于检测设备的内部情况，以及进行无损检测。

在摄像领域，成像光纤可以用于提高摄像设备的图像品质和灵活性。

总之，成像光纤通过利用全反射的原理，在光纤内部精确地传输光束，从而实现图像的传输。

它在各个领域中都有着广泛的应用前景。

中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2007年 第37卷 增刊: 138~145收稿日期: 2007-05-20; 接受日期: 2007-09-03Australia Research Council 和国家自然科学基金(批准号: 60410131, 90508003)资助项目* E-mail:《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS 光纤非线性光学显微成像付 玲①②* M. Gu ①②(① 华中科技大学武汉光电国家实验室(等), 武汉 430074; ② Centre for Micro-Photonics, Faculty of En-gineering and Industrial Sciences, Swinburne University of Technology, Hawthorn, Victoria 3122, Australia)摘要 在光学显微成像领域, 基于光纤的小型非线性光学显微镜和内窥镜作为传统显微镜和其他光学成像方法的一种重要补充形式, 近几年来受到人们的关注. 该文介绍和总结了光纤非线性光学显微成像技术及其在生物医学中的应用.首先介绍了结合非线性光学显微技术和单模光纤耦合器获得小型非线性光学显微镜的方法; 特别对基于双包层光子晶体光纤和微电机系统扫描镜的光纤非线性内窥成像系统进行了分析; 最后通过消化器官的组织成像实验说明了光纤非线性光学显微镜的重要应用. 研究证明了基于光纤和微电机系统MEMS 扫描镜的非线性内窥镜的新概念, 并用于生物组织的成像.关键词 非线性光学显微成像 光纤耦合器 双包层光子晶体光纤 微电机系统扫描镜 组织成像显微镜改变了人类认识世界的方法, 是人类历史上最重要的发明之一. 经过300多年的发展, 光学显微成像已成为自然科学研究领域中的重要分支, 为生命和信息等科学领域不断提供新方法和新概念[1]. 特别是上世纪末期出现的非线性光学显微镜具有光学层析能力并能在厚组织(毫米量级)内实现高空间分辨率(亚微米)成像, 是现代光学显微成像技术的革新, 为人们研究厚组织中的分子和细胞功能提供了有力的工具[2,3]. 非线性光学成像技术主要基于多光子吸收(multiphoton absorption)[4]、高次谐波(higher harmonic)[5]和相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering, CARS)[6]等光学非线性效应, 其中以双光子荧光成像的应用最为广泛. 自非线性光学显微镜诞生以来[4], 科学家们一直致力于将其用于活体(in vivo )成像. 然而, 复杂的光学系统和沉重的光学器件使非线性光学显微成像的研究局限于庞大的显微镜系统, 无法应用到活体的内部器官(internal organs)和整体动物(intact animals)成像.近年来, 随着新型光纤和微制造技术的迅猛发展, 光纤非线性显微镜和内窥镜(fiber-optic nonlinear optical microscopy/endoscopy)的研究正在扭转这一局面[7]. 光纤非线性显微镜和内窥镜是小型的非线性光学显微成像系统, 由光纤传输激发光或者非线性光信号, 并利用微型扫增刊付玲等: 光纤非线性光学显微成像139描机制构建光学图像. 光纤的超小尺寸(一般只有数百个微米的直径)与良好的机械和光学性能增加了成像系统的灵活性并减小了系统的尺寸, 使非线性光学成像技术在内部器官和活体动物中的研究成为可能. 自Denk研究小组和Gu研究小组先后研制出基于单模光纤的双光子荧光显微镜之后[8,9], 光纤非线性显微镜和内窥镜的研究在短短6年之内进展迅速[10~19]. 光纤非线性显微镜和内窥镜研究中的关键问题是: (ⅰ) 近红外波段超短脉冲激光的传输和非线性光信号的收集. 光纤的色散和自相位调制等非线性效应会导致脉冲宽度和光谱的展宽, 降低激发效率[20]; 光纤的低数值孔径和小芯径限制了可见光信号的高效收集、系统的信噪比和成像深度. (ⅱ) 扫描机制. 扫描器件应该具有毫米量级的尺寸, 并能实现快速扫描和高图像分辨率来实时监测生物过程. (ⅲ) 系统设计. 系统设计是非线性内窥镜研究的关键, 直接决定了系统的灵活性, 功能和应用范围. 该文研究了基于单模光纤耦合器(single-mode fibre coupler)和双包层光子晶体光纤(double-clad photonic crystal fibre, DCPCF)的非线性光学显微成像系统, 首次实现了基于光纤耦合器的双光子荧光和二次谐波显微成像技术, 并证明了基于DCPCF和微电机系统(microelectromechanical system, MEMS)扫描镜的非线性内窥镜的新概念, 使光纤成像系统的信噪比提高了两阶.1基于单模光纤耦合器的非线性光学显微镜Bird和Gu[10,11]首次将单模光纤耦合器引入双光子荧光显微成像, 证明了三端口的单模光纤耦合器能传输近红外波段的超短脉冲激发光并收集荧光. 与基于单模光纤的非线性光学显微镜相比[9], 使用单模光纤耦合器能将非线性显微镜的纵向分辨率提高30%, 且使系统更紧凑并具有自准直的特性. 然而, 二次谐波比双光子荧光更远离单模光纤耦合器的工作波长; 二次谐波源于相干过程, 其偏振各向异性的测量(polarisation anisotropy measurement)要求光纤耦合器能同时传输偏振的激发光和谐波信号[15]. 因此, 我们首先研究了单模光纤耦合器在不同波长的传输特性, 结果如图1(a). 实验中端口3单模光纤耦合器(Newport, F-CPL-S12785)的工作波长为780 nm, 分束比(Splitting ratio)是50:50, 纤芯与包层的直径分别为5和125 μm. 当波长范围在770~870 nm时, 耦合器中端口3~1的耦合效率为20%~41%; 端口2~1在435~532 nm 波长范围内的耦合效率为29%~41%. 当长度为2 m的光纤耦合器传输80~150 mW的激发光至样品端时, 尽管光纤中的群速度色散和自相位调制使脉冲展宽到数皮秒, 系统仍有足够的激发光功率用于非线性成像. 实验结果还表明, 单模光纤耦合器在可见光波段的功能类似于普通光学显微镜中的二向色镜(Dichroic mirror). 当435 nm的激光耦合入端口1, 端口2和端口3的分束比为99.6:0.4, 而且两个端口的输出模式分别表现出单模和多模的特征(图1(b), (c)). 532 nm的激光在单模光纤耦合器中传播时, 测量得到的分束比和输出模式也具有相同特征(图1(d)). 因此, 为了优化在基于单模光纤耦合器的非线性显微镜系统中激发光与非线性信号的传输, 超短脉冲激光通过端口3(激发臂)传递到端口1(样品臂), 后向散射的双光子荧光和二次谐波则由端口1通过端口2(信号臂)被探测器收集(图1). 光纤纤芯能消除焦点以外的杂散光, 在成像系统中具有共聚焦针孔(Pinhole)的功能.除了单模光纤耦合器传输特性的研究, 二次谐波光谱的研究也是验证光纤成像系统的关键. 在图1的实验系统中, 我们以AF-50为样品, 用光谱仪(Acton Research Corporation)测量了经过单模光纤耦合器的双光子荧光和二次谐波的光谱. 当激发波长是800 nm时, 通过单模光纤耦合器的辐射谱包含400 nm的二次谐波谱线和430~600 nm的双光子荧光(图2). 二次谐波140中国科学G辑物理学力学天文学第37卷的光谱宽度约为9 nm, 约为激发光带宽的. 当激发光在780~870 nm范围内调谐时, 二次谐波光谱的中心波长则随激发光波长改变, 始终展示出倍频的特性.图1 基于单模光纤耦合器的双光子荧光和二次谐波成像系统(a) 单模光纤耦合器在可见光和近红外波段的耦合效率. (b)~(d) 可见光在激发臂和信号臂的输出模式; O1和O2为 0.25 NA10×显微物镜, O3为0.85 NA 40×显微物镜双光子荧光和二次谐波显微镜中的光学层析能力源于信号光强度与激发光强度的非线性关系, 纵向分辨率是非线性显微成像系统的重要参数. 通过在纵向位置扫描薄层AF-50, 我们得到了基于单模光纤耦合器的显微镜系统对双光子荧光和二次谐波的响应曲线(图2中的插图). 此结果表明, 在激发波长为800 nm时, 光纤显微镜对二次谐波和双光子荧光成像的纵向分辨率分别为1.8和2.1 μm. 可见二次谐波较短的信号波长使其成像的纵向分辨率比双光子荧光成像的纵向分辨率提高了14%. 当激发光波长由800 nm调谐到860 nm时, 二次谐波成像的纵向分辨率增加到 1.9 μm. 通过三维相干传递函数的理论计算, 我们发现与光纤参数和光学系统参数相关的归一化光纤尺寸对基于单模光纤的二次谐波成像系统的纵向分辨率起决定性的作用, 光纤中二次谐波波长的增加使归一化光纤尺寸增大, 纵向分辨率降低[21].图2 基于单模光纤耦合器的非线性显微镜的双光子荧光(TPEF)和二次谐波(SHG)光谱与纵向响应曲线增刊付玲等: 光纤非线性光学显微成像141用偏振的二次谐波信号来反应结构蛋白的形态是二次谐波显微镜的特性之一. 为了证明基于单模光纤耦合器的成像系统具有探测二次谐波偏振各向异性的能力, 我们研究了单模光纤耦合器对偏振光传输和成像的影响. 测量结果表明, 在整个近红外和可见光波段, 单模光纤耦合器中的材料双折射特性使其能传播特定偏振方向的线性偏振光[22]. 因此单模光纤耦合器能传递线性偏振的激发光与高度有序的蛋白纤维(例如鱼鳞, black tetra fish scale)相互作用, 二次谐波经过光纤耦合器后的偏振状态可通过转动探测器前的偏振片并测量收集到的二次谐波强度来确定. 图3(a)和(b)是在探测器前偏振片(Newport, 10GT04)转角正交情况下光纤系统收集到的鱼鳞的二次谐波图像, 激发波长为800 nm, 探测器前的滤光片为400/9 nm. 当偏振片转角改变时, 收集到的二次谐波强度与转角θ 满足cos2θ 的关系(图3(c)). 此结果证明, 基于单模光纤耦合器的显微镜系统能保持二次谐波信号的线性偏振态, 并对结构蛋白成像.图3 二次谐波偏振各向异性的测量(a)和(b)偏振方向正交的二次谐波成像, 箭头方向为探测器前偏振片的转角方向. 标尺为20 μm. (c) 二次谐波的强度与探测器前偏振片转角的cos2θ 关系2基于双包层光子晶体光纤的非线性光学内窥镜由于单模光纤能传输高质量的激光束并改善成像系统的层析能力, 因而在光纤成像系统中被普遍采用. 但是单模光纤的低数值孔径(约0.1~0.2)和较小的纤芯尺寸极大地限制了对生物样品中微弱光信号的收集和探测, 使非线性光学显微镜系统的灵敏度较低. 作为光纤领域的革新产物, 光子晶体光纤能通过设计光纤中二维光子晶体的结构实现普通光纤不能具备的功能, 彻底地改变了光纤传输光束的方式. 我们首次改造了有源的DCPCF, 并将其用于光学显微成像来提高系统的灵敏度. 由于MEMS器件具有小尺寸、低功耗、利于建造“芯片显微镜”等优点, 显微内窥成像系统中的扫描机制则由MEMS扫描镜来实现. 基于DCPCF和MEMS 扫描镜的非线性内窥成像系统如图4. 飞秒脉冲光经过光栅对(Newport, 1200 grooves/mm)和一个显微物镜(Melles Griot, 4×/0.12NA)后被耦合到DCPCF. 光纤中出射的光经过MEMS扫描镜后被渐变折射率(Gradient index, GRIN)透镜聚焦到样品上. 非线性光信号则通过MEMS扫描镜后被DCPCF收集到探测器.142 中国科学 G 辑 物理学 力学 天文学 第37卷图4 基于DCPCF 和MEMS 扫描镜的非线性光学内窥镜系统右上角是双包层光子晶体光纤的扫描电子显微镜图像与800 nm 激发光输出模式的叠加, 右下角是能实现两维扫描的MEMS 扫描镜非线性光学内窥成像系统中的DCPCF 是由用于光纤激光器的有源DCPCF 演化而来. 我们除去了有源光纤纤芯中的掺杂元素, 其目的是使近红外波段的激发光能在纤芯进行单模传输, 而位于可见光波段的非线性光信号则能被具有高数值孔径的内包层收集[16]. 成像系统中DCPCF(Crystal Fiber A/S)的纤芯和内包层直径分别为20和165 μm(图4). 纤芯被孔间距比(Hole to hole pitch ratio)为0.26的空气小孔包围. DCPCF 的内包层和外包层则被由一圈空气小孔分开, 使内包层拥有高数值孔径(~ 0.6). 需要指出的是, 这种大面积和高数值孔径的光纤只能利用光子晶体的结构实现, 而非普通光纤的制造技术. 通过对DCPCF 光传输特性的研究, 我们发现如果选择与纤芯数值孔径接近的耦合物镜, 改造过后的DCPCF 在410~870 nm 的耦合效率可达到80%~90%(图5). 而使用高数值孔径(0.65)的耦合物镜则会导致光泄露到内包层, 使耦合效率降低20%. 因此, 低数值孔径的耦合物镜能使近红外光耦合到纤芯中的效率为28%, 可见光耦合到内包层的效率为90%, 此数值是单模光纤对可见光耦合效率的两倍.GRIN 透镜是一种利用特定折射率分布使光线聚焦的小型透镜. 当光纤和GRIN 透镜结合用于非线性光学成像系统, GRIN 透镜的有效数值孔径依赖于光纤和GRIN 透镜之间的距离, 因而直接影响到光纤成像系统的效果[23]. 例如,光束的耦合效率与有效数值孔径有关; 成像的分辨率与有效数值孔径的平方成正比; 双光子荧光的强度与有效数值孔径的4次方成正比. 因此, 研究光纤系统的纵向分辨率和信号水平随光纤和GRIN 透镜距离的变化是优化系统设计的重要途径. 实验采用了直径为0.5 mm, 节距(pitch)为0.2, 数值孔径为0.5的GRIN 透镜(GRINTECH)和AF-50为样品. 实验结果表明, 当DCPCF 与GRIN 透镜之间的距离增大时, 双光子荧光成像的纵向分辨率逐渐得到改善, 而且探测到的荧光强度逐渐增大(图6(a)).如果光纤与透镜之间图5 双包层光子晶体光纤在可见至近红外波段的耦合效率增刊付玲等: 光纤非线性光学显微成像143的距离为5 mm, 激发光束充满GRIN透镜的后孔径, 系统能得到最佳的纵向分辨率, 即双光子荧光和二次谐波的纵向分辨率分别为6和5.4 μm (图6(b)). 与基于单模光纤耦合器和GRIN透镜的非线性显微镜系统相比, 由于DCPCF具有高数值孔径和大截面面积, 使用DCPCF取代单模光纤能实现纵向分辨率和非线性光信号的同时最优化, 而使用单模光纤的成像系统在探测到的荧光信号最强时却不具备最高的纵向分辨率[17,23].图6(a) 双光子荧光强度和纵向分辨率随GRIN透镜和光纤间距的变化, 荧光强度和纵向分辨率能在间距较大时被同时优化;(b) 双光子荧光与二次谐波的纵向响应曲线MEMS扫描镜是成像系统中实现二维光束扫描的器件. 我们使用的MEMS扫描镜是基于电热驱动(Electrothermal actuation)的原理, 在驱动电压少于12 V的情况下其光学扫描角度可达到30°[24]. 镜面的尺寸为0.5 mm, 表面铝膜对800 nm激发光的发射率约为80%(图4). 通过在MEMS扫描镜的快、慢轴应用特殊设计的波形和2.5~7.5 V的电压, 激光束的反射角被改变从而实现二维的线扫描(raster scanning), 其扫描速率为7线/s. 图7(a)是由基于DCPCF、MEMS 扫描镜、和GRIN透镜的显微镜系统获得的荧光微球的双光子荧光图像. 此结果证明了MEMS 扫描镜不仅能传递近红外超短脉冲用于非线性效应的激发, 而且能收集位于可见波段的荧光信号; 飞秒脉冲经过MEMS镜面之后, 脉冲大约展宽了25%, 故可通过镀膜技术来改善这一现象. 更重要的是, 以MEMS扫描镜作为扫描机制的非线性光学成像系统所产生的图像与通过普通扫描台获得的图像高度一致(图7(b)).图7 基于DCPCF, MEMS扫描镜、GRIN透镜(a)和基于单模光纤耦合器、扫描台、GRIN透镜(b)的显微镜系统对微球的双光子荧光成像标尺为10 μm144中国科学G辑物理学力学天文学第37卷DCPCF的独特光学性质使非线性显微镜成像系统的灵敏度得到极大改善. 通过比较由DCPCF和单模光纤耦合器得到的双光子荧光图像(图7(a)和(b)), 我们发现DCPCF的应用使成像系统的信号水平提高了两个量级. 如果使用光栅对补偿脉冲光在DCPCF中经历的群速度色散, 成像系统的信号水平将会在此基础上再提高一个量级. 成像系统灵敏度的改善主要是因为DCPCF比单模光纤具有更高的数值孔径和更大截面面积, 减少了飞秒脉冲在光纤中传输的自相位调制效应, 使飞秒脉冲具有最小的畸变, 而且对GRIN透镜的色差有更强的兼容性.3基于光纤非线性光学显微镜的组织成像利用基于DCPCF, MEMS扫描镜和GRIN透镜的非线性光学内窥镜系统(图4), 我们对大鼠的大肠和胃部组织进行了成像, 结果如图8. 为了增加荧光成像的对比度, 大肠和胃部组织从大鼠(Sprague-Dawley)中剥离后, 用浓度为1%的Acridine Orange(Sigma)对其内表面上皮组织染色, 成像实验在大鼠牺牲后两小时之内完成. 大肠组织双光子荧光成像的穿透深度约为100 μm, 图8(a)是双光子荧光成像的截面之一. 光纤显微镜系统能清晰地显示表面上皮细胞和肠道孔穴(intestinal crypts, 箭头)的形态信息. 从大鼠胃部组织获取的双光子荧光图像(图8(b))展示出与大肠截然不同的形态结构, 显微系统的分辨率亦能将胃部的坑穴(gastric pits, 箭头)从上皮细胞中区分出来.图8 使用基于DCPCF, MEMS扫描镜和GRIN透镜的光纤内窥镜系统对大鼠大肠组织(a)和大鼠胃部组织(b)的双光子荧光成像标尺为20 μm4总结和展望本文介绍和总结了基于单模光纤耦合器和DCPCF的非线性显微镜系统及其生物医学应用. 单模光纤耦合器能传递近红外波段的激发光和收集可见光波段的双光子荧光和二次谐波, 并在非线性显微镜系统中展示出二向色镜的特性. 基于单模光纤耦合器的成像系统能保持激发光和二次谐波的线性偏振态并用于研究结构蛋白的形态. 通过引入新型的DCPCF, 光纤非线性光学显微镜的灵敏度得到极大改善. MEMS扫描镜和GRIN透镜的结合使基于DCPCF的成像系统更加小型化, 大鼠大肠和胃部的组织成像也证明了非线性光学内窥镜系统的可行性. 在将来的研究中, DCPCF耦合器[25]与内窥镜系统将会实现整个成像系统的全光纤化, 这对光纤非线性光学显微镜的发展有着重要意义. 另外, 此光纤成像技术也可与显微成像领域中新的扫描技术[26,27]结合, 拓展多光子荧光成像的应用. 随着光纤器件和微制造技术的不断发展, 光纤非线性光学显微镜系统将日趋小型化, 为传统的光学显微成像技术提供重要的补充并在生物医学领域发挥作用.增刊付玲等: 光纤非线性光学显微成像145参考文献1 Yuste R. Fluorescence microscopy today. Nat Methods, 2005, 2: 902—904[DOI]2 Zipfel W R, Williams R M, Webb W W. Nonlinear magic: multiphoton microscopy in the biosciences. Nat Biotech, 2003, 21:1369—1377[DOI]3 Helmchen F, Denk W. Deep tissue two-photon microscopy. Nat Methods, 2005, 2: 932—940[DOI]4 Denk W, Strickler J H, Webb W W. Two-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science, 1990, 248: 73—75[DOI]5 Campagnola P J, Loew L M. Second harmonic imaging microscopy for visualizing biomolecular arrays in cells, tissues andorganisms. Nat Biotech, 2003, 21: 1356—1360[DOI]6 Cheng J X, Xie X S. Coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy: instrumentation, theory, and applications. 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电切内窥镜组成结构内窥镜作为一种重要的医疗设备，被广泛应用于医疗诊断和治疗中。

其中，电切内窥镜是一种结合了电切技术的内窥镜，具有更高的准确性和可操作性。

本文将详细介绍电切内窥镜的组成结构，包括主要部件和其功能。

1. 光学系统电切内窥镜的光学系统是其最基本的部分，它由镜筒、光纤束、物镜、目镜等组成。

光学系统的主要功能是将被检查部位的图像传输到观察者的眼睛中。

•镜筒：镜筒是内窥镜的主体部分，通常由金属材料制成。

它负责保护光学系统的其他组件，并提供结构支持。

•光纤束：光纤束是将光线从光源传输到被检查部位的关键部分。

它由数百个细小的光纤组成，能够将光线高效地传输到目标区域。

•物镜：物镜位于光纤束的末端，负责对被检查部位的图像进行聚焦。

它通常具有高分辨率和高清晰度的特点，能够提供清晰的图像。

•目镜：目镜位于光纤束的另一端，观察者通过目镜来观察被检查部位的图像。

目镜通常具有放大功能，以便观察者能够更清楚地看到细节。

2. 电切系统电切内窥镜的另一个重要组成部分是电切系统。

电切系统通过电流传输到内窥镜的末端，可以进行手术切割和凝固。

•电切电缆：电切电缆是将电流传输到内窥镜末端的关键部分。

它由导电材料制成，能够传输高频电流。

•电切刀：电切刀位于内窥镜的末端，通过电流切割和凝固组织。

电切刀通常具有可调节的切割深度和切割速度，以满足不同手术需求。

•电切电源：电切电源是提供电切系统所需电流的设备。

它通常具有可调节的电流强度和频率，以适应不同手术需求。

3. 气体和液体供给系统在内窥镜手术中，气体和液体供给系统起着重要的作用。

它们能够提供清晰的视野和扩大被检查部位的空间。

•气体供给系统：气体供给系统通常使用二氧化碳作为供气介质。

它通过内窥镜的通道将二氧化碳输送到被检查部位，以扩大空间和提供清晰的视野。

•液体供给系统：液体供给系统通常使用生理盐水或其他无菌液体。

它通过内窥镜的通道将液体输送到被检查部位，以清洗和冲洗目标区域，同时也可以帮助减轻疼痛和减少出血。

0 引言医用内窥镜是将一根能够传输光路的导管经过各种人体孔道插入人体器官及脏器进行直接观察，以诊断人体内部情况的医疗仪器，部分内窥镜也有治疗的功能。

举一个例子，可视内窥镜的电动耳勺，内置高清摄像头，掏耳朵时可以清晰地在手机（或者任何蓝牙可连接的有显示屏的设备上）看到耳道内部，一边动手掏耳朵，另一边可以看到自己操作的深度和力度，看得见、更安全，有效地避免了原始的看盲目掏耳朵方式会对耳膜或内外耳道造成的伤害，而且除了耳朵，也可以运用在其他各种需要观察的部位，用来观察口鼻、咽喉、牙齿、血管、脏器都可。

为此，本文将对内窥镜的成像原理、组成模块、技术应用及发展前景进行阐述。

图1 内窥镜所能实现的功能1 成像原理内窥镜的成像原理是利用光源所发出的光，经内镜内的导光纤维将光导入受检体腔内，采用尺寸极小的电子成像元件-CCD(电荷耦合器件)，将所观察的腔内物体通过微小的物镜光学系统成像到CCD 上。

CCD 图像传感器接受到体腔内粘膜面反射来的光，将此光转换成电信号，再通过导线将信号输送到图像处理中心，这些信号通过导像纤维束将接收到的图像信号送到图像处理系统上，经过贮存和处理，最后传输到监视器中在屏幕上显示出受检脏器的彩色粘膜图像，供医生观察和诊断。

2 组成模块医疗器械产品的结构要区别于普通工业产品的结构，电子内窥镜主要由内镜、图像处理中心和监视器三大模块组成。

我们团队在设计制作电子内窥镜时，着重学习了光敏集成电路摄像系统，简称CCD。

微型图像传感器的CCD 器件是电荷耦合器件，是在硅基片上制成的大规模面阵集成电路芯片，是一种全固态成像器件。

CCD 芯片借助必要的光学系统（内窥镜先端物镜）和专用外围驱动与信号处理电路，可以将图像通过CCD 面阵进行逐点、逐行、逐帧依次存储、传输，转换，在其输出端产生一个图像相关的时序视频信号经电缆传输至外部电路转换处理系统经取样、A/D 转换、数字信号处理、D/A 转换、电视信号编码、最后在监视器上还原成可供观察的图像和相关文字信息。