разделы_5 и 6

Глаз врача

2

3

8

1

9

7

Глаз пациента

Рис. 5.9 – Оптическая схема офтальмокоагулятора ОК-2

Для наведения и фокусирования лазерного пучка на выбранную точку глаза пациента применен безрефлексный офтальмоскоп, состоящий из офтальмоскопической линзы 7, двух преломляющих зеркал 8 и 9, системы 10 подсветки глазного дна и микроскопа 11.

В поле зрения микроскопа наблюдается одновременно изображение глазного дна, даваемое линзой 7, и контур зеркала 6, причем часть изображения глазного дна, находящаяся под площадкой с диэлектрическим покрытием, будет видна в «бескрасном» свете. Это дает возможность использовать площадку с диэлектрическим покрытием в качестве спектральной метки для наведения потока излучения в выбранное место глазного дна.

Излом оптической оси офтальмоскопа с помощью зеркал 8 и 9 дает возможность проводить лечение больных в положении лежа.

Для регулирования величины энергии, подаваемой в глаз пациента лучом лазера, предусмотрен набор фильтров. В конструкции прибора предусмотрена также механическая шторка, защищающая глаз врача при вспышке лазера.

Методика работы заключается в том, что врач, наблюдая через оптическую систему прибора изображение глазного дна, наводит метку на выбранную точку сетчатки, и, нажимая спусковую кнопку, направляет в эту точку луч лазера. В месте воздействия лазерного луча происходит коагуляция «сваривание» сетчатки с сосудистой оболочкой глаза. Повторяя такие наведения на различные точки сетчатки и подвергая их импульсному воздействию лазерного луча, получают прочный шов в месте отслойки сетчатки.

Лазерная офтальмологическая установка «Ятаган».

Предназначена для проведения микрохирургических операций на переднем отделе глаза сфокусированным пучком импульсного лазера на рубине с модулированной добротностью (модулирование добротности применяется для обеспечения регулирования мощности в импульсе). Модуляция добротности осуществляется фототропным затвором, обеспечивающим длительность импульса 50…70 нс.

На рис. 5.10 показана оптическая схема прибора. Характерной особенностью прибора является использование специального светосуммирующего элемента 3 для совмещения излучений рубинового 1 и гелий-неонового 5 лазеров.

5

Рис. 5.10 – Оптическая схема лазерной офтальмологической установки «Ятаган»:

1 рубиновый лазер; 2 калориметр гелий-неоновый; 3 светосуммнрующая призма; 4 поворотное зеркало; 5 гелий-неоновый лазер; 6 подвижное зеркало; 7 поворотно-

фокуснрующая линза-призма; 8 гониолинза; 9 глаз пациента; 10 заслонка; 11 микроскоп

Фокусировка излучения осуществляется поворотно-фокусирующей линзой-призмой 7, а дополнительная фокусировка гониолинзой 8, имеющей переднюю выпуклую сферическую поверхность. Использование сравнительно малого количества оптических элементов на пути лазерного луча позволило ограничить потери энергии до 30%. Следует отметить отсутствие ореола рассеянного излучения в зоне воздействия, высокую точность наведения сфокусированного импульсного излучения лазера на объекте и надежную защиту врача от воздействия отраженного излучения.

5.5. Разновидности и параметры эндоскопов

Среди инструментальных методов исследования состояния здоровья человека важное место занимает эндоскопия, которая и связи с использованием волоконной оптики получает особенно широкое применение.

Внастоящее время в гастроэнтерологии используются эндоскопы следующих типов:

эзофагоскопы для исследования пищевода;

гастроскопы для исследования желудка;

дуоденоскопы для исследования двенадцатиперстной кишки,

лапароскопы (перитонеоскопы) для исследования органов брюшной полости.

Эндоскопы разделяются на смотровые (исследовательские) и биопсийные. В зависимости от конструкции головной части оптической системы различают эндоскопы с постоянным и переменным углом наблюдения, а также панорамные. Известны эндоскопы жесткие и гибкие. Оптическая схема эндоскопа может быть линзовой (рис. 5.11, а), а в гибких эндоскопах она имеет также волоконный элемент (рис. 5.11, б).

Рис. 5.11 – Оптическая схема эндоскопа: а линзового; б с волоконным элементом

Схема эндоскопа включает головной объектив 1, систему для переноса изображения 2 и окуляр 3. Головной объектив формирует изображение А'В' предмета АВ, затем уменьшенное изображение с помощью системы для переноса передается в переднюю фокальную плоскость

окуляра. Чтобы картина, рассматриваемая через окуляр, имела прямое изображение, необходимо иметь нечетное число оборачиваний на 180° вокруг его оси.

Внешние габаритные параметры эндоскопов:

длина L (50…1000 мм);

максимальный диаметр D (1…10 мм);

угол наблюдения 2 (40…90 , часто 50…60 ).

Оптическую схему всего эндоскопа можно рассматривать как сложную

телескопическую систему (s1=- ) или как сложный микроскоп (s1 - ), к оптическим характеристикам которых относятся видимое увеличение Г, угловое или линейное поле 2 (2у) и диаметр выходного зрачка. К светотехническим параметрам относятся коэффициенты пропускания и рассеяния. Качество получаемого изображения характеризуется значениями остаточных аберраций и разрешающей способностью.

В большинстве эндоскопов для наблюдения используются оптические трубки. В этом случае оптическая система (рис. 5.12) обычно имеет переднее защитное стекло 1, головную призму 2, объектив 3, первый коллектив 4, оборачивающие системы 5, 6, 8, 9, 11, 12, коллективы 7, 10 и 13, окуляр 14, призму для обращения изображения 15 и заднее защитное стекло 16. Световые лучи проходят через защитное стекло I, отклоняются призмой 2 и попадают в объектив 3, который дает уменьшение изображения объекта в плоскости I. Затем оборачивающими системами изображение передается вдоль оптической оси последовательно в плоскости II и III, как правило, без изменения увеличения. После этого изображение рассматривается глазом через окуляр 14, который позволяет видеть его увеличенным.

РИС. 5.12 – Пример оптической схемы линзового эндоскопа

Оптические схемы эндоскопов должны иметь малые диаметры при большой длине. Кроме того, высокие требования предъявляются к характеристикам эндоскопов, особенно к размеру углового поля и качеству изображения. Общее увеличение оптической трубки эндоскопа на заданном расстоянии обычно составляет 1,1:2,2. При изменении расстояния до предмета увеличение заметно меняется.

Оптическая схема прибора для обследования печени холедохоскопа типа Х-ВВ-1, снабженного волоконным световодом, представлена на рис. 5.13.

Прибор выполнен в виде двух жестких колен, соединенных между собой под углом 120 . Внутри них смонтированы все системы эндоскопа: оптическая, осветительная и промывная. Оптическая схема прибора за счет использования в ней новых стержневидных компонентов обладает высокими характеристиками. Объектив (f'=2 мм, 2 =50 ) позволяет получить без дополнительной фокусировки глубину резкости от 5 до 30 мм по всему диапазону рабочих расстояний. В осветительную систему прибора входит гибкий волоконный световод диаметром 3,5 мм, который проложен внутри прибора.

I

II

Рис. 5.13 – Оптическая схема холедохоскопа: I…IV – плоскости промежуточных изображений

5.6. Волоконно-оптические жгуты эндоскопов

Различают жгуты с регулярной (когерентной) и нерегулярной укладками, при этом первые используются для передачи изображения, вторые – для освещения объектов.

Основные оптические характеристики жгутов:

светопропускание,

разрешающая способность,

числовая апертура,

частотно-контрастная характеристика,

дефектность, выражающаяся в локальной частичной потере светопропускания (отдельных

волокон или группы).

Разрешающая способность неподвижного пучка волокон.

Разрешающая способность пучка одножильных волокон в основном зависит от их диаметра и минимального расстояния – периода или шага между их центрами.

Волокна (рис. 5.14) в пучке могут быть уложены так, что линии, соединяющие их центры, образуют квадрат (квадратная укладка), или так, что центры световедущих жил лежат в вершинах равносторонних треугольников (гексагональная укладка). Последний тип укладки более рационален с точки зрения как устойчивости положения волокон в пучке, так и минимизации потерь элементов изображения. Площадь нерабочего пространства между волокнами в этом случае равна 9% площади сечения пучка, тогда как при квадратной укладке она составляет 21,5%.

Излучение, падающее на входной торец любой элементарной жилы, независимо от распределения освещенности по площади торца, равномерно распределяется по выходному торцу световедущей жилы вследствие действия эффекта симметризации снопа лучей по сечению жилы.

В соответствии с теоремой Котельникова разрешающая способность max пучка волокон:

Параметры особо тонких волоконно-оптических жгутов с гексагональной укладкой:

Световой диаметр жгута – 0,3…1,4 мм;

Длина жгута – 500…3200 мм;

Разрешающая способность – 40…50 (до 100) мм-1;

Числовая апертура – 0,5;

Интегральный коэффициент светопропускания на длинах волн от 450 до 650 мкм –

0,2…0,3.

В зависимости от способа изготовления, жгуты с регулярной укладкой могут иметь площадь дефектов от 0,001 до 1%. Эти жгуты допускают многократный изгиб с радиусом, равным 5...8 диаметрам жгута. Общее число жил в жгуте составляет 14000...25000.

Обычно осветительный жгут, применяемый в эндоскопах, раздваивается на два жгута, дистальные концы которых располагаются симметрично относительно жгута, передающего изображение (рис. 5.15, а).

Однако миниатюризация эндоскопов, используемых, например, в офтальмологии, вызвала разработку системы "осветительный жгут – разрешающий жгут" в виде коаксиальных кольца и цилиндра (рис. 5.15, б).

2 1 2 1 2

Рис. 5.15 – Расположение осветительного и передающего изображение жгутов в эндоскопах: а) традиционное; б) коаксиальное; 1 – жгут, передающий изображение; 2 – осветительный жгут;

3 – металлические втулки

5.7. Объективы эндоскопов

Если предметная плоскость расположена на значительном расстоянии по сравнению с фокусным расстоянием, то

2a tg do

Диаметр D входного зрачка объектива должен быть таким, чтобы числовая апертура в пространстве изображений объектива не превышала числовую апертуру волоконнооптического жгута.

Для предмета, расположенного на значительном расстоянии, необходимо

D f tg ,

об a

где a – апертурный угол волоконно-оптического жгута.

где n – показатель преломления материала линз.

С целью компенсации кривизны изображения последней поверхности объектива может быть придана сферическая форма, близкая к поверхности Петцваля. Для лучшей коррекции хроматических аберраций в один или оба компонента можно ввести хроматические поверхности склейки.

Рис. 5.19 – Оптическая схема трехлинзового объектива эндоскопа без воздушных промежутков

Все линзы склеены друг с другом и образуют трехлинзовый объектив, не содержащий воздушных промежутков. Объектив приклеен к волоконному световоду 5. Апертурная диафрагма 6 находится внутри объектива и совпадает со второй поверхностью.

Объектив уретероскопа (рис. 5.20) диаметром 0,6 мм представляет собой монолитный блок из последовательно склеенных между собой защитного стекла 1 (плоскопараллельной пластинки), объемной апертурной диафрагмы 2 и шаровой линзы 3. При склеивании этих элементов между защитным стеклом, находящемся в контакте с одной из поверхностей апертурной диафрагмы, и шаровой линзой, находящейся в контакте с краями отверстия второй поверхности апертурной диафрагмы, из клея формируется плоско-вогнутая линза 4, играющая роль отрицательного оптического элемента. Эта линза увеличивает задний отрезок, уменьшает хроматизм и способствует увеличению углового поля в пространстве предметов. Объектив располагается на оптической оси волоконно-оптического жгута 5.

Рис. 5.20 – Оптическая схема объектива особо тонкого эндоскопа

Форма, размеры и материалы оптических элементов выбираются таким образом, чтобы обеспечивался телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений. Показатели преломления компонентов 1, 4 и 3 выбираются из соотношений: n1 n4 n3; 1,7 n3 1,95. В этом случае обеспечиваются следующие основные характеристики системы: угловое поле в пространстве предметов – от 51 до 127° и достаточно большая величина заднего фокального