浅谈光纤内窥镜的原理与医学应用

　　光导纤维,简称光纤。被广泛地应用于传输光能(或光信号)。用光纤制成的医用内窥镜,因光纤束柔软,可以弯曲灵活地插入人的体腔,实现导光、传像,在医学上具有广泛应用。内窥镜技术已成为促进医学科学发展的一种强有力的工具。内窥镜之所以能够完成导光、传像功能,其主要原理就是光的全内反射(或称全反射)。把光纤束经过合适的途径插入人体体腔,一方面把外部光源发出的光通过光纤束导入体内,照亮人体内需要检查的部位;另一方面,再由光纤束把观察到的体内器官的病变图像传出体外,供医生观看或作照相、摄像记录。

　　1 光纤导光、传像原理

　　光纤是一根极细的玻璃纤维,通常只有几个微米,非常柔软。这种极细的光纤一般是由两层材料做成的,内层称为纤芯,折射率 n1较大(约 1.8);外层称为包层,折射率 n2较小(约 1.5)。两者之间形成一个良好的光学界面。

　　1 . 1 光纤导光原理

　　导光,是指把外部光源的光导入体内,用于照亮观察部位。设光纤是粗细均匀的圆柱体,光线以合适的入射角θ从光纤入射端面进入光纤。由于纤芯的折射率较大,光线在纤芯与包层交界面上很容易实现全内反射,并在行进中发生第 2 次全内反射,经过多次这样的全内反射,光线即可从光纤的一端传至另一端,并以与入射角相同的角度从出射端面射出。为了使进入光纤的光线不会逸出,一般应选择 n1>n2,且差值较大的材料来制造光纤。

　　在实际应用中,柔软的光纤束均可以弯曲,这对光纤束的导光和传像基本上不会产生影响。这一特点,对医学临床应用非常有利。

　　1 . 2 光纤传像原理

　　光纤传像,是由光纤特性和结构所决定的。为了利用光纤束传像,光纤束必须具备以下条件:(1)在理想情况下,每根光纤都有良好的光学绝缘。即光纤束中的每一根光纤都能独立传光,不受周围光纤的影响。(2)多根光纤两端必须是相关排列,一一对应。即每根光纤在出射端和入射端的几何位置的排列应完全一致。(3)光纤束的每根光纤的端面都可看作是一个取样孔,各自携带着一个像元。入射图像可看作是由许多亮度不同的像元所组成,光纤束则可看作由若干个取样孔规则排列的析像器,它按自己排列的规律性,把入射图像分成和取样孔数目相等的像元。像元的大小等于取样的孔径,每根光纤都通过自己的取样孔而独立地传递一个像元。(4)在理想情况下,光线在光纤出射端的出射角与从光纤入射端的入射角的绝对值相等,其符号由全内反射次数的奇偶而定。奇数次符号为正,偶数次符号为负。这一性质对传递图像十分有用。

　　以上条件决定了光纤束把一幅图像从一端传至另一端时,保持图像不变形。例如,入射端图像是由多个像元组成的“┻”形,经传像束传至出射端的图像仍是相同的“┻”形。