在微创外科手术快速发展的背景下，腹腔镜技术因具有创伤小、恢复快的特点已成为普外科、泌尿外科及妇科等领域的核心术式 ^[1-3]。然而，腹腔镜手术受限于二维视野、器械操作自由度低及光源反射干扰等因素，对术中使用的缝合针可视性提出了更高的要求 ^[4-6]。传统金属银色缝合针在强光照射下易产生眩光，导致术野对比度降低，增加了腹腔镜手术操作者的视觉疲劳与操作失误风险 ^[6-8]。而具有黑色氧化涂层的医用缝合针，通过降低表面光反射率，显著提升了与人体组织的色彩对比度，成为改善微创手术操作效率的关键器械 ^[9-10]。尽管黑色医用缝合针的临床价值已得到广泛认可，但其核心性能指标——光反射率的量化检测仍面临严峻的技术挑战。这一挑战主要源于黑色医用缝合针的独特物理特性：其直径通常 < 1 mm，表面曲率复杂且三维形态不规则。传统光反射率测量方法及装置主要针对平面或规则几何体设计，在应用于微小、复杂、低反射目标时，面临根本性困难：首先，针体小尺寸的特点使其有效反射面积微小，产生的反射光信号本身微弱，易被环境噪声淹没；其次，其复杂的表面曲率和不规则三维形态导致入射光发生高度散射和漫反射，而非形成规则、可预测的反射光路，使得探测器难以捕捉到稳定、一致的反射信号；最后，现有检测装置的置样端口难以适配缝合针的曲率和微小尺寸，这种结构上的失配会进一步引入杂散光干扰、光场空间不均匀等误差效应。因此，本研究创新性地构建了专用于黑色医用缝合针的光学检测装置，通过优化样品适配机制和光路设计，以解决黑色缝合针体积小、表面曲率复杂以及三维形态不规则带来的检测难题，提高其质量控制水平，现报道如下。

1 设计思路

针对黑色医用缝合针直径微小、表面为曲面且光反射率极低（吸光特性强）的特点，传统基于平面反射的测量方式难以适用。本装置的设计主要解决以下 3 个关键物理测量问题：（1）微弱信号采集。由于单根黑色缝合针的有效反射面积极小，反射光通量极低，易受环境噪声干扰。本研究采用多针并置堆叠的方法，将单一的线状样品组合为宽度约 10 mm 的“面状”样品束。这一设计在不改变样品表面光学特性的前提下，显著增加了有效检测面积，提高了反射光信号的绝对强度和信噪比，同时通过平均效应降低了单针表面缺陷造成的随机误差。（2）曲面散射干扰。缝合针的圆柱状表面会导致入射光发生各向异性散射，常规的定角度探测器难以捕获完整的反射信号，且对样品的微小转动极度敏感。本装置设计引入积分球光学系统，利用球体内壁的高漫反射涂层，将缝合针表面产生的各个方向的散射光在球内进行空间积分与匀化。该设计确保了探测器采集到的是样品半球空间内的总反射光通量，从而消除了样品截面形状和表面曲率对测量结果的几何影响。（3）样品标准化定位。为避免因样品位置偏移导致的测量孔径渐晕效应，装置设计了具有梯形截面的自适应导向槽。利用梯形结构的几何约束与重力作用，使不同曲率半径和直径的缝合针束能自然落入并贴合检测窗口中心。这种机械结构设计保证样品始终处于光学测量中心，确保测量结果的重复性与再现性。

2 装置设计

本检测装置围绕黑色手术缝合针光反射率的定量检测需求，构建了包含缝针前处理模块、光路激发与采集模块、光电信号处理模块的完整检测系统。缝针前处理模块通过专用固定结构实现黑色缝合针的稳定装夹与定位，实现测试样品的标准化制备；光路激发与采集模块负责激发入射光并收集缝合针表面的反射光信号；光电信号处理模块将采集到的光信号转换为电信号，并进行数据处理与分析，最终输出定量结果。以上各模块协同运作，形成从样品准备、光学测量到数据分析的完整流程，能够简便、快速地完成黑色缝合针光反射率的定量检测，为其质量评价提供技术支撑。

2.1 缝针前处理模块

缝针前处理模块主要由制样装置及样品承载基板组成。制样装置包括固定针和底座（图 1），其标准化制样流程如下：（1）根据黑色缝合针的几何形状，在底座上调整固定针的位置；（2）将单根缝合针置于固定针与底座形成的卡位中；（3）沿垂直方向堆叠多根缝合针样品，直至组合体宽度达到 10 mm；（4）用少量黏合剂固定样品束的首尾两端（避开中间检测区域）。该方法通过多针并置使光学检测区域扩大，降低单针微尺度可能引起的随机误差，同时控制样品宽度为 10 mm，可确保不同规格样品的测试可比性。

图 1 制样装置示意图

样品承载基板中心区域设有梯形截面置样口（图 2），该渐进式导引结构设计可实现：上宽口容纳不同弧度的缝合针自然落位；下窄底约束针体轴向偏移，确保光学检测区居中；斜面过渡使得针体在重力作用下自适应贴合，形成稳定检测姿态。该结构使不同弧度和针长的缝合针均可实现免调节定位，显著提升检测系统的规格兼容性。

图 2 样品承载基板示意图

2.2 光路激发与采集模块

光路激发与采集模块包含卤素光源（100 W，广州瑞科光电科技有限公司）、光纤（600 μm，广州瑞科光电科技有限公司）及反射率积分球（38 mm，广州瑞科光电科技有限公司）等光学组件。卤素光源波长范围为 300 ~ 2 000 nm，输出光束经入射光纤传导，通过积分球入射端口进入积分球。光束在积分球内壁经过多次漫反射，于球腔内形成均匀的稳定光场。样品表面反射光经球腔匀化后，从出射端口经由采集光纤传输至下游信号处理模块。其中，积分球结构能够有效消除局部光强波动对微尺度样品的测量干扰，同时漫反射光路设计能一定程度消除针体局部曲率变化导致的反射角度敏感性误差。反射率积分球结构示意图见图 3。

图 3 反射率积分球结构示意图

2.3 光电信号处理模块

光电信号处理模块主要包括光谱仪（广州瑞科光电科技有限公司，型号：S2000）与计算机系统（Spectra，广州瑞科光电科技有限公司），通过USB 接口实现数据交互。其工作流程分为系统校准与样品检测两个阶段。系统校准时，分别在使用标准白板及关闭光源条件下测量得到参考光通量与暗背景光通量；在样品检测阶段，将测试样品放置于样品承载基板的置样口，测量得到样品反射光通量。计算机通过公式

处理，得到样品在可见光波长范围内的平均光反射率。式中：ρ _样品为被测样品的平均光反射率，ρ _参考为标准白板的光反射率，θ(i) _样品为被测样品的反射光通量，θ(i) _参考为标准白板的反射光通量，θ(i) _暗为暗背景光通量。

该模块将光学测量转化为可量化的反射率数值，为质量评估提供客观依据。

3 实验方法与结果

3.1 材料与方法

选取不同针径（1.18、0.88、0.68、0.48 mm）、不同针长（8、12、14、17 mm）、不同针型（圆针、角针、钝针、钻石针）、不同弧度（1/2、3/8、5/8、1/4）的普通不锈钢缝合针与黑色医用缝合针作为实验材料，依据标准化制样流程制备缝针检测样品，每组样品束数量为 10。分别对不同针径（检测横向尺寸敏感性）、针长（检测轴向尺寸兼容性）、针型（检测几何形态适应性）、弧度（检测曲面反射特性捕获能力）的缝针检测样品进行光反射率检测。每组重复测量 3 次，取平均值作为最终检测结果。

3.2 检测方法

首先打开光源电源，预热 10 min，使光源达到稳定状态。在计算机中启动 Spectra 光通量测量软件，将标准白板置于测量窗口，关闭暗箱，测量参考光通量；随后关闭电源，形成暗背景，测量暗背景光通量，完成系统校准。校准完成后，打开暗箱，取下标准白板，将装有样品的样品承载基板安装在测量窗口上，关闭暗箱，打开电源对样品进行测试，记录样品反射光通量数据，计算机根据公式计算光反射率。检测装置见图 4。

图 4 检测装置图

3.3 装置准确性验证

为验证检测装置在可见光波段的测量准确性，特别是针对低反射率样品的检测精度，本研究引入标准漫反射板进行对照测试。选取经计量认证的系列标准漫反射板作为参照标准（标定值分别为 2.00%、5.00%、10.00%、20.00%、50.00% 及80.00%），每块标准板重复测量 3 次，记录仪器测得的反射率数值。通过计算测量值与标定值之间的绝对误差与相对误差来评估装置的准确度。

3.4 统计学处理

采用 Microsoft Excel 2019 软件进行数据分析。计量资料以 x ±s 表示，采用 t 检验。P< 0.05 为差异有统计学意义。

3.5 结果

3.5.1 系统准确性验证结果

在 2.00% 至 80.00% 的全量程范围内， 装置测量值与标准板标定值高度吻合。特别是在覆盖黑色医用缝合针反射特征的低反射率区间（2.0% ~ 10.0%），测量的最大绝对误差仅为 0.12%，相对误差不超过 2.00%。见表 2。

表 2 标准漫反射板测量结果验证（%）

3.5.2 不同针径缝合针光反射率检测结果

不同针径黑色医用缝合针的光反射率均低于普通不锈钢缝合针（P< 0.05），见表 3。

表 3 不同针径缝合针光反射率比较（%，x ±s）

3.5.3 不同针长缝合针光反射率检测结果

不同针长黑色医用缝合针的光反射率均低于普通不锈钢缝合针（P< 0.05），见表 4。

表 4 不同针长缝合针光反射率比较（%，x ±s）

3.5.4 不同针型缝合针光反射率检测结果

不同针型黑色医用缝合针的光反射率均低于普通不锈钢缝合针（P< 0.05），见表 5。

表 5 不同针型缝合针光反射率比较（%，x ±s）

3.5.5 不同弧度缝合针光反射率检测结果

不同弧度黑色医用缝合针的光反射率均低于普通不锈钢缝合针（P< 0.05），见表 6。

表 6 不同弧度缝合针光反射率比较（%，x ±s）

4 讨论

在临床手术尤其是腹腔镜手术中，由于操作空间狭小且需要借助光学设备进行观察，光线的反射和散射会严重影响手术视野的清晰度。黑色医用缝合针表面经过特殊处理，具有较低的光反射率，能够在手术过程中减少光线的反射和散射，从而提高手术视野的清晰度，有助于外科医师更准确地识别并对组织进行操作，降低误伤周围组织的风险，提高手术的成功率和安全性；此外，其低反射特性还可以减少术中光线对医师眼睛的刺激，降低视觉疲劳，使医师能够更长时间地保持专注和稳定的操作状态，这对于复杂的腹腔镜手术尤为重要。精准量化缝合针光反射特性，对优化缝合针在腹腔镜术中可视化效果具有重要的意义。

HOVI 等 ^[11] 在评估针状样本的反射率测量性能时发现，由于置样端口的几何适配偏差以及圆柱状不规则曲面引发的多向散射干扰，传统的双积分球系统往往会产生 5%~39% 的系统性反射率低估。此外，LIAO 等 ^[12] 虽然提出了利用像散光学头基于 S 曲线斜率来量化复杂曲面的反射率，但该方法在处理大批量、高柔性的医用缝合针时，其检测通量及样品夹持的重复性仍难以满足工业级高精度质控的需求。

本研究构建的一种黑色医用缝合针专用光学检测装置展现出如下优势。（1）显著提升样本检测效率：通过垂直堆叠形成标准化样品束的精密设计，该方法将单次检测所需的样品数量从数千根降低了至少 2 个数量级，极大提升了样品制备的效率与标准化程度。（2）测量准确性与可靠性较高：反射率测量偏差主要来源为样品位置对中不准与光束覆盖不全。本系统通过采用梯形置样槽设计，有效消除了此类几何测量误差。在覆盖黑色医用缝合针反射特征的低反射率区间（2.0%~10.0%），测量的最大绝对误差仅为 0.12%，相对误差不超过 2.00%，表明本装置具有良好的测量准确性与量值溯源能力，可满足黑色医用缝合针微弱反射信号的精确检测要求，显著提升了目标探测物反射率测量的准确性与可靠性。（3）具备极高的区分灵敏度：实验结果表明，不同针径、针长、针型及弧度的黑色医用缝合针光反射率均低于普通不锈钢缝合针（P<0.05），仅为普通不锈钢针的 10% 左右。而传统群体检测法由于无法有效过滤杂散光和几何失配，测得的反射响应常高达普通针的 80% 左右，导致区分度不足。这一结果验证了本系统在基于光反射率区分缝合针性能方面，具有更高的敏感性和可靠性，为黑色医用缝合针质量评价提供了更精确、更具区分度的技术手段。

综上所述，本研究开发的一种黑色医用缝合针光反射率检测装置通过构建包含缝针前处理、光路激发与采集、光电信号处理模块的完整检测系统，有效解决了黑色缝合针光反射率量化检测难题。该装置能够准确检测不同针径、针长、针型、弧度的普通不锈钢与黑色医用缝合针的光反射率差异，为黑色医用缝合针的质量控制提供了可靠的检测手段，有助于提升术中缝合针的可视性与手术安全性，具有重要的临床应用价值。未来可进一步优化检测装置，拓展检测范围，推动黑色医用缝合针的临床应用与技术优化。

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