Transcript Metody optyczne

Elektroniczna aparatura medyczna
cz. 12
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 tu 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:
n1 – współczynnik załamania światła
ośrodka pierwszego,
n2 – współczynnik załamania światła
ośrodka drugiego,
n21 – względny współczynnik
załamania światła ośrodka drugiego
względem pierwszego,
θ1 – kąt padania, kąt między promieniem
padającym a normalną do
powierzchni granicznej ośrodków,
θ2 – 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 (z
zachowanymi proporcjami).
Rdzeń i płaszcz wykonane są ze
szkła krzemionkowego,
pozostałe warstwy z polimerów.
Przepływ strumienia
świetlnego w światłowodzie
jednomodowym
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
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
12
Już w 1850 roku położono pierwszy podwodny kabel
łączący Wielką Brytanię z Francją.
Kable położone na dnie aAtlantyku w 1858, 1865 i 1866 roku
13
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 bowiem 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.
14
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?
15
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, dobitnie 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.
16
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 zarazem bardzo duży skok technologiczny, pozwalał bowiem
na jednoczesne prowadzenie 40 tys. rozmów telefonicznych.
17
Mapa podmorskich kabli internetowych
18
Mapa podmorskich kabli internetowych
19
Mapa podmorskich kabli internetowych
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
http://submarine-cable-map-2013.telegeography.com/
26
Technika światłowodowa w zastosowaniach
medycznych
27
Podstawowe rodzaje światłowodów
Rozchodzenie się światła w
światłowodzie wielomodowym
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
głównie parametry fizyczne takie jak temperaturę, ciśnienie,
przepływ krwi czy ruch perystaltyczny jelit lub też parametry
chemiczne takie jak pH, pO2, pCO2 oraz np. stężenie glukozy.
W zastosowaniach medycznych rozróżnia się sensory inwazyjne i
nieinwazyjne. Ze względu na bezpieczeństwo i komfort pacjenta
należałoby stosować te drugie, 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.
Podstawowymi elementami sensora światłowodowego są:
- 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
- oraz 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.
W czujnikach biochemicznych podstawowym elementem
konstrukcyjnym jest optroda.
Jest to 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. O2, CO2 (zasada
kolorymetryczna) czy też zmienia się intensywność fluorescencji
substancji pobudzonej światłem w zależności od stężenia
mierzonych wielkości (zasada fluorometryczna).
Typowe konfiguracje optrod
34
Przy optycznym pomiarze pH w metodach kolorymetrycznych
wykorzystuje się indykatory, które zmieniają barwę pod wpływem
zmian pH; prowadzi to do selektywnej absorpcji światła lub
selektywnego odbicia. Pomiar pH we krwi w zakresie 7,0 ¸ 7,6 pH
z rozdzielczością 0,01 pH.
Widmo absorpcji dla czerwieni fenolowej dla różnych
współczynników pH
Różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego
Promieniowanie elektromagnetyczne obejmuje bardzo szeroki zakres
długości fal, od promieniowania kosmicznego ( od 10-9 m. ), przez
promieniowanie , rentgenowskie, optyczne, mikrofale, fale radiowe
i TV.
36
Promieniowanie
optyczne (100 nm ÷1
mm) i jego właściwości
wykorzystane w
medycynie.
Naturalnym źródłem
promieniowania
optycznego jest słońce.
37
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.
38
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
39
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.
40
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.
41
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/m2.
Natężenie prom. wyraża się w W/m2 ; Dawkę prom. UV mierzy
się (podaje) w J/m2.
Najbardziej wrażliwymi drobnoustrojami na działanie prom. UV są
wegetatywne formy bakterii, dale spory i wirusy, pleśnie dość
odporne. W praktyce przyjmuje się stosowanie dawki 100 J/m2.
Największa aktywność bakteriobójcza prom. UV jest dla 253,7 nm.
42
Lampy bakteriobójcze
http://www.woda.com.pl/index.php?p1176,fuv-p4-lampabakteriobojcza-aquafilter-sterylizator-wody
http://eko-technika.com.pl/?page_id=84
http://www.eurowater.pl/produkty/produkty_standardowe/lampy
_uv.aspx
http://www.tma.pl/
43
Zastosowanie elektrycznych źródeł nadfioletu
proces
zastosowanie
polimeryzacja
Poligrafia
rodzaj lampy
zakres UV
rtęciowa wysokoprężna UVA, UVB, UVC
tuszu
metalohalogenkowa
UVA
grawerunek
wysokoprężna
UVA
ksenonowa
Powielanie
naświetlanie
świetlówka
UVA
rtęciowa wysokoprężna
UVA
metalohalogenkowa
UVA
rtęciowa wysokoprężna
UVA, UVB, UVC
naświetlanie
rtęciowa wysokoprężna
UVA
naświetlanie
rtęciowa wysokoprężna
UVA
świetlówka
UVA
dokumentów (system
diazo)
Malarnie
Półprzewodniki
Obwody drukowane
polimeryzacja
farb
44
Reaktory
reakcje fotochemiczne
fotochemiczne
Kosmetyka (solaria)
Pułapki na owady
Medycyna -
UVA
wysokoprężna
opalanie
świetlówka
UVA
higiena żywności
świetlówka
UVA
choroby skóry
świetlówka
UVA, UVB
łuszczyca
rtęciowa
UVA, UVB
fototerapia
Dezynfekcja
rtęciowa
wysokoprężna
bielactwo
metalohalogenkowa
UVA, UVB
Wody (np. baseny,
rtęciowa
UVC
oczyszczalnie ścieków),
niskoprężna
UVC
powierzchni (np.
rtęciowa
UVB, UVC
narzędzia medyczne) i
wysokoprężna
powietrza (np. sale
metalohalogenkowa
operacyjne)
źródło: Working group report: Ultraviolet radiation &Health. Current knowledge of
exposure and health risks. Affsse, InVS, Afssaps, May 2005
45
Mierniki promieniowania UV
Miernik promieniowania UV
zakres 0-200 mW/cm
http://glass24.pl/p-2487/miernik-promieniowania-uv-0200mwcm178-nr-kat-5500300.html
46
W zależności od potrzeb konkretny model przeznaczony jest do
pomiaru promieniowania UV o różnej długości fal:
-od 220 do 275nm (UVC) –ST512
-od 290 do 370nm (UVAB) –ST513
-od 320 do 380nm (UVA) –ST510
47
Klasyfikacja detektorów ultrafioletu
Schematy działania detektorów fotoemisyjnych i półprzewodnikowych
48
Fotodetektor
Fotodetektory bazują na zjawiskach fizycznych takich jak:
Fotoemisja – czyli 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.
49
Fotodetektor
Fotoprzewodnictwo – czyli 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.
50
Przykłady fotodetektorów
Fotodioda – jest w zasadzie diodą spolaryzowaną w kierunku
zaporowym. Przy oświetleniu złącza p-n rośnie prąd upływu.
Podobnie zachowuje się dioda Schottky'ego, tzn. złącze powstałe
na styku metalu i półprzewodnika.
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.
Dioda PIN polaryzowana jest w kierunku zaporowym – posiada
szerokie pasmo i niski poziom szumów, jest bardzo szybka.
51
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. Jest 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.
52
Czułość widmowa
fotodetektorów
53
Czułość widmowa fotodetektora GaN
54
Fotodiody UV
https://www.elfaelektronika.pl/elfa3~pl_pl/elfa/init.do?toc=20394
55
Diody laserowe
https://www.elfaelektronika.pl/elfa3~pl_pl/elfa/init.do?toc=20425
56
&name=Diody+laserowe
Lasery
https://www.elfaelektronika.pl/elfa3~pl_pl/elfa/init.do?toc=20422
57
&name=Lasery
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.
58