Elektroniczna aparatura medyczna Metody optyczne w diagnostyce i

Elektroniczna aparatura medyczna Metody optyczne w diagnostyce i terapii medycznej 1

Metody optyczne w diagnostyce i terapii medycznej Optyka - fizyki, zajmujący się badaniem natury światła, prawami opisującymi jego emisję, rozchodzenie się, oddziaływanie z materią oraz pochłanianie przez materię. Metody pierwotnie przeznaczone do badania światła widzialnego, stosowane są obecnie także do badania rozchodzenia się innych zakresów promieniowania elektromagnetycznego - podczerwieni i ultrafioletu. 2

Optyka geometryczna – najstarsza i podstawowa do dziś część optyki. Podstawowym pojęciem optyki geometrycznej jest promień świetlny, czyli nieskończenie cienka wiązka światła (odpowiednik prostej w geometrii). Rozchodzenie się światła opisywane jest w optyce geometrycznej jako bieg promieni, bez wnikania w samą naturę światła. Zgodnie z założeniami optyki geometrycznej, światło rozchodzi się w ośrodkach jednorodnych po liniach prostych, na granicy ośrodków występuje odbicie lub załamanie światła. 3

Historia Euklides (325 - 265 p. n. e. ) był pierwszym twórcą praw optyki. Swoją naukę o optyce rozpoczął razem z nauką geometrii. Prawo Snelliusa (załamania) 1621 – prawo fizyki opisujące zmianę kierunku biegu promienia światła przy przejściu przez granicę między dwoma ośrodkami przezroczystymi o różnych współczynnikach załamania. Na mocy prawa załamania można uzasadnić zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia oraz określić warunki, w jakich ono zachodzi. 4

gdzie: n 1 – współczynnik załamania światła ośrodka pierwszego, n 2 – współczynnik załamania światła ośrodka drugiego, n 21 – względny współczynnik załamania światła ośrodka drugiego względem pierwszego, θ 1 – kąt padania, kąt między promieniem padającym a normalną do powierzchni granicznej ośrodków, θ 2 – kąt załamania, kąt między promieniem załamanym a normalną. 5

Przykłady Załamanie (połączone z częściowym odbiciem) promienia światła na płaskiej powierzchni szklanego półwalca Efekty wynikające z załamania światła 6

Odbicie fali 7

Całkowite wewnętrzne odbicie Na mocy prawa załamania: jeśli , to , dlatego wartość kąta granicznego, : Zjawisko to jest wykorzystywane w pryzmatach oraz światłowodach. Jest także przyczyną powstawania refleksów w oszlifowanym diamencie. 8

Całkowite wewnętrzne odbicie w bloku pleksi Rozszczepienie światła białego w pryzmacie Rozchodzenie się światła w wielomodowym światłowodzie włóknistym 9

Światłowody włókniste dzielimy na jedno- i wielomodowe. Schemat standardowego światłowodu jednomodowego. Przepływ strumienia świetlnego w światłowodzie jednomodowym Rdzeń i płaszcz wykonane ze szkła krzemionkowego, pozostałe warstwy z polimerów. 10

Światłowody jednomodowe charakteryzują się średnicą rdzenia od 8 do 10 mikrometrów, a także skokową zmianą współczynnika załamania światła. Światłowody wielomodowe charakteryzują się zwykle średnicą rdzenia 50 lub 62, 5 mikrometra. W światłowodzie wielomodowym fala o takiej samej długości fali może rozchodzić się wieloma drogami zwanych modami. Prędkość ruchu modów wzdłuż falowodu może być różna powodując zniekształcenie (rozmycie) impulsu. 11

Podstawowe rodzaje światłowodów Rozchodzenie się światła w światłowodzie wielomodowym 12

Przepływ strumieni świetlnych w światłowodzie wielomodowym gradientowym Przepływ strumieni świetlnych w światłowodzie wielomodowym skokowym Pierwszy w Polsce kabel światłowodowy został zaprojektowany i stworzony pod koniec lat 70. XX wieku przez pracowników naukowych Uniwersytetu Marii Skłodowskiej-Curie w Lublinie (w Pracowni Technologii Światłowodów http: //www. umcs. lublin. pl/jednostki. php? id=323 ). Pierwszy na świecie ok. 10 lat wcześniej 13

Już w 1850 roku położono pierwszy podwodny kabel łączący Wielką Brytanię z Francją. Kable położone na dnie Atlantyku w 1858, 1865 i 1866 roku 14

Pierwszy kabel położony na dnie Atlantyku składał się z siedmiu niezależnych, izolowanych drutów miedzianych, a łącznie z izolacją i osłoną, chroniącą od uszkodzeń mechanicznych, ważył około 500 kilogramów na kilometr. Niestety, działał tylko przez kilka dni, podczas których telegram do amerykańskiego prezydenta przesłała m. in. angielska królowa. Na kolejne transatlantyckie połączenie trzeba było czekać aż do lipca 1866 roku (próba przeprowadzona w 1865 roku zakończyła się fiaskiem). Już dwa miesiące później Europę z Ameryką Północną łączyły dwa niezależne kable - udało się wydobyć ten zerwany w 1865 roku i dociągnąć go do wybrzeża. Od tamtego czasu łączność pomiędzy kontynentami nigdy nie została przerwana. 15

Prędkość transmisji początkowo była bardzo niewielka – pierwszy transatlantycki kabel umożliwiał przekazywanie około jednego słowa na dziesięć minut. Dzięki lepszej jakości kabla położonego w 1866 roku możliwości komunikacji znacząco wzrosły. Można było przesyłać do ośmiu słów na minutę, a na początku XX wieku osiągnięto przepustowość sięgającą 120 słów na minutę. W ciągu następnych kilku lat rozwój globalnej sieci telekomunikacyjnej był bardzo szybki; do 1871 roku Europa zyskała połączenie ze wszystkimi zamieszkałymi kontynentami, a do 1900 roku położono w sumie 190 tys. kilometrów podmorskich kabli, z których niemal 75 proc. należało do brytyjskich firm. Co to oznaczało? 16

Około 1800 roku przesłanie listu z Londynu do Bombaju zabierało nawet pół roku, a na odpowiedź – ze względu na porę monsunów – trzeba było czekać nawet ponad rok. Siedemdziesiąt lat później przesłanie telegramu zabierało około 5 godzin, co oznaczało, że odpowiedź można było dostać jeszcze tego samego dnia. Dalszym usprawnieniem komunikacji był położony w 1903 roku pierwszy kabel transpacyficzny. O tym, jak bardzo skurczył się świat, przekonał się król Jerzy V, który w 1924 roku na wystawie imperium brytyjskiego wysłał sam do siebie wiadomość. Sygnał biegnący po brytyjskich liniach telekomunikacyjnych okrążył świat i wrócił do nadawcy w ciągu 80 sekund. 17

Pierwszy podmorski światłowód połączył Europę i Stany Zjednoczone w 1988 roku. Kabel TAT-8 był wspólną inicjatywą firm AT&T, France Telecom i British Telecom i kosztował wówczas 350 mln dolarów. Oznaczał bardzo duży skok technologiczny, pozwalał bowiem na jednoczesne prowadzenie 40 tys. rozmów telefonicznych. 18

Mapa podmorskich kabli internetowych 19

Mapa podmorskich kabli internetowych (https: //www. submarinecablemap. com/) 20

Mapa podmorskich kabli internetowych 21

Mapa podmorskich kabli internetowych 22

Mapa podmorskich kabli internetowych 23

Mapa podmorskich kabli internetowych 24

Mapa podmorskich kabli internetowych 25

Mapa podmorskich kabli internetowych 26

http: //submarine-cable-map-2013. telegeography. com/ 27

Technika światłowodowa w zastosowaniach medycznych 28

Źródła strat w światłowodach 29

Czujniki światłowodowe Zasada ich działania oparta jest na wykorzystaniu wpływu czynników zewnętrznych, które mogą powodować zmiany odbicia, absorpcji lub emisji światła ( fluorescencji ) w światłowodach lub w przestrzeni między światłowodami. Stąd można je podzielić na: - bezpośrednie - w których zmiana odpowiedniej wielkości optycznej odbywa się w interesującej nas tkance; - pośrednie - w których stosuje się odczynnik zmieniający swe właściwości pod wpływem zmian w tkance. 30

Czujniki światłowodowe stosowane w medycynie mogą mierzyć parametry fizyczne: temperaturę, ciśnienie, przepływ krwi, ruch perystaltyczny jelit lub parametry chemiczne: p. H, p. O 2, p. CO 2 oraz np. stężenie glukozy. W zastosowaniach medycznych rozróżnia się sensory inwazyjne i nieinwazyjne. Ze względu na bezpieczeństwo i komfort pacjenta odpowiedniejsze nieinwazyjne, lecz dla uzyskania wiarygodnych i dokładnych wartości mierzonych parametrów fizjologicznych, fizycznych lub chemicznych czasem konieczne jest stosowanie sensorów inwazyjnych. Ważnym problemem w tym przypadku jest miniaturyzacja, zgodność biologiczna i elektromagnetyczna stosowanych materiałów. 31

Podstawowe elementy sensora światłowodowego: - źródło światła z układem jego sterowania ( najczęściej lasery, diody laserowe, diody elektroluminescencyjne); - tor światłowodowy ( jeden światłowód lub wiązka ); - modulator - w którym wykorzystuje się modulację np. natężenia (amplitudy), fazy, długości fali (barwy), - fotodetektor – fotodiody p-i-n i lawinowe, fotopowielacze, fototranzystory - układy elektroniczne do przetwarzania, obróbki i wizualizacji wyników pomiarów; - elementy uzupełniające: złącza, elementy pozycjonujące, soczewki, lustra, pryzmaty, polaryzatory, siatki dyfrakcyjne, przełączniki, sprzęgacze, rozgałęźniki, filtry optyczne. 32

W czujnikach biochemicznych podstawowym elementem konstrukcyjnym jest optroda. Optroda - odpowiednio spreparowana końcówka światłowodu, gdzie intensywność światła odbitego zmienia się na skutek reakcji chemicznych zachodzących w specjalnie dobranej substancji (indykatorze) pod wpływem czynników zewnętrznych takich jak jony kwasowe lub zasadowe lub też gazy np. O 2, CO 2 (zasada kolorymetryczna) czy też zmienia się intensywność fluorescencji substancji pobudzonej światłem w zależności od stężenia mierzonych wielkości (zasada fluorometryczna). 33

Typowe konfiguracje optrod 34

Przy optycznym pomiarze p. H w metodach kolorymetrycznych wykorzystuje się indykatory, które zmieniają barwę pod wpływem zmian p. H, prowadzi to do selektywnej absorpcji światła lub selektywnego odbicia. Pomiar p. H we krwi w zakresie 7, 0 ¸ 7, 6 p. H z rozdzielczością 0, 01 p. H. Widmo absorpcji dla czerwieni fenolowej dla różnych współczynników p. H 35

Klasyfikacja fotodetektorów: Schematy działania detektorów fotoemisyjnych i półprzewodnikowych 36

Fotodetektory bazują na zjawiskach fizycznych takich jak: Fotoemisja – zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne, które polega na uwolnieniu elektronu z oświetlanego materiału do przestrzeni swobodnej pod wpływem energii padającego fotonu. Aby zaobserwować to zjawisko, energia przekazana przez foton musi być przynajmniej równa pracy wyjścia. Elektron pod wpływem tej energii przechodzi z pasma walencyjnego przez przerwę energetyczną do pasma przewodnictwa, a następnie z pasma przewodnictwa do przestrzeni swobodnej. 37

Fotodetektor Fotoprzewodnictwo – zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. W odróżnieniu od fotoemisji, w tym przypadku elektrony nie opuszczają materiału, ale przemieszczają się pomiędzy pasmami energetycznymi. Pod wpływem energii padającego fotonu, elektrony przechodzą z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa powodując wzrost przewodnictwa materiału. Zjawisko to jest charakterystyczne dla półprzewodników. W ciemności elementy te mają bardzo małe przewodnictwo, które rośnie wraz z oświetleniem. Absorpcja termiczna – fotony padając na materiał, powodują wzrost temperatury. Prowadzi to do zmian właściwości fizycznych materiału. Dzięki obserwacjom tych zmian można określić ilość światła padającego na materiał. 38

Przykłady fotodetektorów Fotodioda – jest diodą spolaryzowaną w kierunku zaporowym, dioda pełni rolę rezystora którego opór zależy od oświetlenia. Przy oświetleniu złącza p-n rośnie prąd upływu. Podobnie zachowuje się dioda Schottky'ego, tzn. złącze powstałe na styku metalu i półprzewodnika. 39

Przykład OPT 201 40

Przykłady fotodetektorów Fotorezystor – element zmienia swoją rezystancję w funkcji natężenia światła. Od materiału półprzewodnikowego i koncentracji wbudowanych domieszek zależy długości fali świetlnej, dla której fotorezystor ma najwyższą czułość. Wadą fotorezystorów jest długi czas reakcji. 41

Przykłady fotodetektorów Dioda PIN jest diodą półprzewodnikową, w której pomiędzy warstwami o przewodnictwie typu p i typu n znajduje się szeroka, słabo domieszkowana warstwa o przewodnictwie samoistnym. Dla prądu wysokiej częstotliwości dioda zachowuje się jak opornik, którego rezystancja jest zależna od koncentracji nośników. Dla polaryzacji w kierunku zaporowym diody PIN, dzięki niskiej koncentracji nośników, charakteryzuje wysoka rezystancja oraz niska pojemnością. Stosowana w szybkich detektorach promieniowania (od dalekiej podczerwieni po rentgenowskie). 42

Przykłady fotodetektorów Fototranzystor – działa podobnie jak zwykły tranzystor, ale ładunki nadmiarowe w jego bazie generowane są w wyniku naświetlenia promieniowaniem widzialnym, a nie z zewnętrznego obwodu zasilania bazy, nieco wolniejszy od fotodiody. Fotodioda lawinowa jest szybsza niż fototranzystor, posiada wyższe wzmocnienie. Fotoogniwo – następuje w nim przemiana energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego. 43

Czułość widmowa fotodetektorów 44

Rodzaje promieniowania elektromagnetycznego - promieniowanie ultrafioletowe Promieniowanie elektromagnetyczne obejmuje bardzo szeroki zakres długości fal, od promieniowania kosmicznego ( od 10 -9 m. ), przez promieniowanie , rentgenowskie, optyczne, mikrofale, fale radiowe i TV. Promieniowanie optyczne (100 nm ÷ 1 mm) i jego właściwości wykorzystane w medycynie. Naturalnym źródłem promieniowania optycznego jest słońce. 45

46

Najkrótsze długości fal promieniowania optycznego należą do ultrafioletu, którego zdolność przenikania przez materię, jak i efekty oddziaływania z nią, zależne są od energii kwantów promieniowania UV - od długości fali - dlatego wyróżnia się trzy podzakresy: UV-A - 315 ÷ 380 nm - stosunkowo przenikliwy, przenika przez naskórek, odgrywa istotną rolę w pigmentacji skóry (opalenizna); UV-B - 280 ÷ 315 nm - ( promieniowanie Dorno ) używany w terapii świetlnej do leczenia krzywicy; UV-C - 180 ÷ 280 nm - znacznie mniej przenikliwy, gdyż zostaje pochłonięty przez naskórek - działanie bakteriobójcze i niszczące tkanki przez rozkład aminokwasów, kwasów nukleinowych, denaturację białek - zrywa wiązania białkowe. 47

Zakres widma promieni UV i najważniejsze związane z nim skutki biologiczne: A - efekt przeciwkrzywiczy; B - rumień; C - powstawanie pigmentu; D - efekt bakteriocydowy; E - wywoływanie zapalenia spojówek; F - działanie rakotwórcze 48

Promienie Schumanna - 100 180 nm - są bardzo silnie pochłaniane przez powietrze atmosferyczne (przez cząsteczki tlenu), ich działanie bardziej poznane to wytwarzanie ozonu i tlenków azotu. Promienie UV są wykorzystywane jako prosty i skuteczny sposób dezynfekcji powietrza i powierzchni w niektórych salach szpitalnych ( operacyjnych, zabiegowych, sale noworodków, śluzy między pomieszczeniami czystymi a skażonymi, poczekalniach ), w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym ( chłodnie, mleczarnie, rzeźnie itp. ). Lampy UV są często stosowane w pomieszczeniach, w których powietrze powinno być możliwie jałowe, włącza się je na czas potrzebny do zredukowania liczby bakterii do min. - proces ten powinien być kontrolowany miernikami napromienienia. 49

Źródła UV: • lampy łukowe - ciała podgrzane do wysokiej temperatury • lampy rtęciowe - pary rtęci pobudzane do świecenia pod wpływem przepływającego przez pary prądu elektr. ; niskociśnieniowe (0, 0004 ÷ 0, 02 mm Hg) lampy bakteriobójcze - tzw. lampy zimne; • lampy ksenonowe - wykonane też ze szkła kwarcowego - przepuszczalnego dla UV - świecenie luminescencyjne ksenonu spowodowane zachodzącymi w tym gazie wyładowaniami elektrycznymi, podobne do słonecznego. 50

Wykorzystywane są również do sterylizacji wody - zestaw składa się z mosiężnego cylindra chromowanego wewnętrznie, umożliwiającego max odbijanie prom. UV; wewnątrz lampa o niskim lub średnim ciśnieniu par rtęci w osłonie kwarcowej. Woda przepływając przez taki zestaw powinna otrzymać dawkę ok. 2000 J/m 2. Natężenie prom. wyraża się w W/m 2 ; Dawkę prom. UV mierzy się (podaje) w J/m 2. Najbardziej wrażliwymi drobnoustrojami na działanie prom. UV są wegetatywne formy bakterii, spory i wirusy, natomiast pleśnie dość odporne. W praktyce przyjmuje się stosowanie dawki 100 J/m 2. Największa aktywność bakteriobójcza prom. UV jest dla 253, 7 nm. 51

Lampy bakteriobójcze http: //www. woda. com. pl/index. php? p 1176, fuv-p 4 -lampabakteriobojcza-aquafilter-sterylizator-wody http: //eko-technika. com. pl/? page_id=84 http: //www. eurowater. pl/produkty_standardowe/lamp y_uv. aspx http: //www. tma. pl/ 52

53

54

Mierniki promieniowania UV Miernik promieniowania UV zakres 0 -200 m. W/cm http: //glass 24. pl/p-2487/miernik-promieniowania-uv-0200 mwcm 178 -nr-kat-5500300. html 55

W zależności od potrzeb konkretny model przeznaczony jest do pomiaru promieniowania UV o różnej długości fal: -od 220 do 275 nm (UVC) –ST 512 -od 290 do 370 nm (UVAB) –ST 513 -od 320 do 380 nm (UVA) –ST 510 56

Czułość widmowa fotodetektora Ga. N 57

Fotodiody https: //www. elfadistrelec. pl/pl/optoelektronika/detektory-optyczne-czujnikiprzelaczniki/fotodiody/c/cat-DNAV_PL_1918346 58

Diody laserowe https: //www. elfadistrelec. pl/pl/optoelektronika/wyposazenie-laserowe/diodylaserowe/c/cat-DNAV_PL_020703 59

Lasery https: //www. elfadistrelec. pl/search? q=lasery&filter_category. Code. Path. ROOT=c at-L 2 -3 D_525341&page=2 60

Zastosowania optyki w terapii to wykorzystanie światła do cięcia, topienia, spawania tkanek, do koagulacji, rozdrobnienia, karbonizacji i waporyzacji (odparowania). Chirurgiczne zabiegi laserowe stosowane są w chirurgii tkanek miękkich, w dermatologii estetycznej, w stomatologii i w innych działach medycyny. 61