9.12.2010
Wykład 9: Fizyka medyczna.
Światłowody
1) jednomodowe  przesył na duże odległości , większe koszty użycia
2) wielomodowe  większe problemy z dyspersja, na złączach, na zgięciach ,
wykorzystanie co najwyżej do kilku km,
Dyspersja modowa:
 główne światłowody wielomodowe w gradientowych jest nieznaczna
 impuls światła w światłowodzie jest superpozycja wielu modów, z których prawie każdy
na skutek różnych kątków odbicia od granicy rdzenia ma do przebycia inną....
Światłowody
 długość kabla światłowodowego jest ograniczona przez jego dyspersję i tłumienie
 dyspersja materiałowa
opisuje rozmycie impulsu świetlnego spowodowane zmianą współczynnika załamania
materiału z jakiego jest wykonany światłowód w funkcji długości fali
ºÄ…2 n s
ÁÄ…
M = · [ ]
cmd
c km· nm
ºÄ…ÁÄ…2
TA
UMIENNOŚĆ:
1. straty energii zależą od:
 rodzaju materiału, długości fali,
 absorpcji  silna absorpcja w podczerwieni i nadfiolecie, - absorpcja przez jony OH-
 rozpraszania: - rozpraszanie Rayleigha (w wynika zmian gęstości i składu materiału) , -
rozproszenie Mie (nieregularność struktury), - rozproszenie Ramana i Brillouina
(rozproszenie nieliniowe)
2. miarą jest tłumienność
P0
10 log
P
dB
L
·Ä…= [ ]
L km
gdzie:
P0 moc wprowadzona,
P - moc wyprowadzona ze światłowodu
L
Straty falowodowe
 wynikają z niejednorodności światłowodu powodowanymi fluktuacjami średnicy rdzenia,
zgięciami włókna, nierównomiernością rozkładu współczynnika załamania w rdzeniu i
płaszczu oraz wszelkimi innymi odstępstwami od geometrii idealnego światłowodu
cylindrycznego
 deformacje włókna mające duży wpływ na tłumienie światłowodu to mikrozgięcia i
makrozgięcia:
mikrozgięcia powstają w procesie wytwarzania włókien
ENDOSKOPIA:
schemat endoskopu:
 z
ródło światła zimnego wraz ze światłowodem
 endoskop
 tor wizyjny
 przyrządy do wypełniania badanego narządu płynem bądz
gazem
 osłona z zatyczkami
 narzędzia ręczne
y
RÓDA
A ÅšWIATA
A
 światło zimne (wyładowania jarzeniowe)
 żarówka kryptonowa z filtrem odcinającym podczerwień i ksenonowe z
ródło światła o
mocy 300-400 W, 100-230 V, 50/60 Hz  wyładowcza lampka ksenonowa widmo ciągłe
Endoskopy
wziernik, teleskop, optyka  przyrzÄ…d optyczny
cytoskop  endoskop sztywny , ocena śluzówki pęcherza moczowego
Artroskopia  endoskopowe oglądanie wnętrza stawów
-shaver (nóż obrotowy) shaver posiada specjalne okienko w metalowej osłonie w którym
znajdujÄ… siÄ™ ostrza.
- waporyzator generator wysokiej częstotliwości RF - wykorzystuje promieniowanie EM
ENDOSKOPIA WIRTUALNA
 bezinwazyjna metoda diagnostyczna
 polega na tworzeniu wirtualnych obrazów wnętrza narządów na podstawie rekonstrukcji
3D wyniku badania TK lub MR
ENDOSKOPIA KAPSUA
KOWA
 wymiary 11 nm 26 mm waga 4 g
 do badania przełyku (co 2 min 30 stopni) i jelita cienkiego
 kamera robi zdjęcia z częstotliwością 2 fotografie na sekundę
 czujnik na końcu kapsułki zbiera dane dodatkowe  temperaturę pH, etc
 dane przesyłane rejestratora (pigułka przesyła fale radiowe odbierane przez rejestrator
danych umieszczony na brzuchu pacjenta)
 odbiornik przesyła dane do komputera
 analiza danych
 jednorazowa
 ograniczenie żywotność baterii 8-12 godz
budowa kapsułki:
kopuła, uchwyt soczewki, soczewka, diody LED, kamera CMOS, bateria, nadajnik , antena
TOMOGRAFIA OPTYCZNA
 metoda przypomina ultrasonografie (b-mode)
 rejestrowana odbita wiązka światła
 w zależności od charakterystyki tkanki na rozpraszanie mogą być obrazowane struktury
do głębokości 0,5-1,5 mm
 z
ródło światła półprzewodnikowa dioda superluminescencyjna 800 nm (+/- 10 nm)
 wiązka diody superluminescencyjnej formowana jest w wąski promień (o średnicy
kilkudziesięciu mikrometrów) i kierowana na badany obiekt wprost lub wprowadzana
światłowodem do jam ciała
 światło rozproszone w kierunku wstecznym na elementach struktury niesie info o
położeniu miejsc znajdujących się na drodze wiązki światła tam gdzie zmienia się
współczynnik załamania (wzdłuż biegu analizującego promienia)
TOMOGRAFIA OPTYCZNA
 metodą spektralną  bez ruchomych elementów
 czas zebrania informacji z jednej linii w głąb struktury wynosi tylko 19 %mikro s (250
razy krótszy)
 im krótszy czas tym mniej ewentualne ruchy oka przeszkadzają w uzyskaniu ostrego
obrazu  wzrost kosztów
 dioda SLD wysyła światło, które dociera do rozdzielacza wiązki i rozdziela wiązkę
padajÄ…ca na dwa ramiona
 w jednym ramieniu znajduje siÄ™ lustro umieszczone na piezoelemencie w drugim zaÅ›
badany obiekt (oko)
 na obiekcie światło rozprasza się wraca, i interferuje ze światłem odbitym od lustra
 powstała zinterferowana wiązka kierowana na siatkę dyfrakcyjna która wraz z soczewka
tworzy widmo rejestrowane przez kamerÄ™ CCD
Obraz przekroju poprzecznego próbki powstaje w wyniki złożenia ze sobą dużej ilości
pojedynczych pomiarów w głąb obiektu
CZASOWY TOMOGRAF OPTYCZNY
 metodę z optyczną linią opóz
niająca utworzoną na przykład przez poruszające się
zwierciadło
 tańsza ale i wolniejsza zbieranie informacji koniecznej do rekonstrukcji jednej linii
obrazu trwa 0,5 sekundy
metoda kombinowana OCT-mikroskop optyczny
 dioda SLD 840 nm
 rozdzielczość przestrzenna 11 ÂÄ… m w powietrzu
 głębokość penetracji 3,6 mm
 akwizycja danych 1220 A-
Ograniczenia rozdzielczości
 szum plamek
ÁÄ…
d =0,61
 średnica plamek gdzie NA  apertura numeryczna
NA
 im większy dystans roboczy tym większe d
 większe powiększenie  mniejsza plamka
 małe detale w obrazie struktury tkanki znikają pod plamkami dla mniejszej wartości
apertury (0,02)
wykorzystanie:
 chirurgia,
 diagnostyka oka
 badania funkcjonalne mózgu problemy do rozwiązania  pochłanianie światła przez
kości, wysoka fotoczułość, zbyt duża jasność
SPEKTRALNY OPTYCZNY KOHERENTNY TOMOGRAF COPERNICUS
 skanowanie siatkówki oka
 wizualizacja 3d
 analiza tarczy nerwu wzrokowego  automatycznie wykonywanie niezbędnych obliczeń
dla np. wczesnego wykrywania jaskry, prezentacja wykresu grubości warstwy włókien
nerwowych
 wykreślanie map: grubości siatkówki, warstwy włókien nerwowych, warstwy nabłonka
barwnikowego oraz deformacji warstwy nabłonka barwnikowego
 prezentacja wyników badan w formie pojedynczych obrazów lub animowanych filmów
 archiwizacja danych w formie wydruków (na płytach CD/DVD lub na twardym
dysku/pamięci przenośnej itd.)
ZASTOSOWANIA
okulistyka
 diagnostyka jaskry poprzez ocenÄ™ zmian w kacie przesÄ…czenia oka
 obrazowanie takich rejonów oka jak komora przednia, kat przesącza oka, siatkówka,
plamka żółta, dysk optyczny  diagnostyka chorób powodujących zmiany w tych
obszarach oka
stomatologia
 tomogramy zęba jednak zaabsorbuje światło w znacznie większym stopniu niż skóra czy
oko
DIAGNISTYKA
I TERAPIA
FOTODYNAMICZNA
Diagnostyka fotodynamiczna PDD  aktywacja światłem fotouczulaczy
(fotosensybilizatorów) kumulujących się selektywnie w komorach nowotworowych
Terapia fotodynamiczna PDT  forma światłoterapii
 wykorzystuje ten sam zwiÄ…zek fotuczulajÄ…cy co w przypadku diagnostyki
ODBICIE
 NA GRANICY OŚRODKÓW O RÓŻNYCH Współczynnikach (n-1 dla powietrza i nok 1,38 dla
tkanki)
 W zależności od tekstury powierzchni
odbicie zwierciadlane
A0 2 tg śą·Ä…  ¸Ä…źą 2
R=śą źą =[ ] ·[cos2ËÄ… cos2śą·Ä…ƒÄ…¸Ä…źąƒÄ…sin2 ËÄ…cos2śą·Ä…  ¸Ä…źą]
AP sin śą·Ä…ƒÄ…¸Ä…źą
gdzie:
·Ä… , ¸Ä…  kat zaÅ‚amania
śą1  Rźą2
c
F śą Rźą= =Ä… ·
ÂÄ…Z
2R
gdzie:
R - współczynnik odbicia
c - stężenie absorbentów
ą - absorpcyjność molowa
ÂÄ…Z - współczynniku rozpraszajÄ…cymi tkanki
Prawo Lamberta-Beera
I
=e·Ä… l c A=log10 I
,
I0 I0
gdzie:
I natężenie światła padającego na ciało
0
I  nateżenie światła po przejściu przez ciało
·Ä…  molowy współczynnik absorpcji (absorbancja molowa)
l  droga pokonana w ciele
c  stężenie molowe substancji w ciele
Natężenie promieniowania na głębokości z
założenie:powierzchnia tkanki jest naświetlana (prostopadle do powierzchni) wiązką o średnicy
kilku centymetrów
1 1
ÈÄ…= =
ÂÄ…EFEKTYWNE 3 · ÂÄ…0 śąÂÄ…0ƒÄ…ÂÄ…1śą1ƒÄ…g źąźą
ćą
Własności optyczne tkanek (specyficzne medium optyczne  niejednorodne, wielowarstwowe,
mętne)
właściwości absorpcyjne i rozpraszające
WODA (75-80% w komórce) - największy
Metody badania in vivo:
badanie widma absorpcyjnego melaniny
Wielkości dozymetryczne związane z PDT
parametry sygnału optycznego:
 długość fali promieniowania,
 natężenie światła,
 czas naświetlania
 własności fotochemiczne uczulacza:
 dawka fotodynamiczna  ilość fotonów absorbowanych przez fotouczulacz na gram
tkanki
 wartość progowa dawki TD (treshold dose)
TD=Ph ·C (ph  natężenie Å›wiatÅ‚a, c- koncentracja fotouczulacza)
Mechanizmy reakcji fotodynamicznej
 główny mechanizm komórkowej cytotoksyczności
mechanizm I
 po absorpcji fotonu, fotouczulacz z singletowego podstawowego atomu energetycznego
przechodzi do wzbudzonego stanu singletowego, a następnie do wzbudzonego stanu
tripletowego
 fotouczulacz będący we wzbudzonym stanie tripletowym reaguje z biomolekułami ,
dochodzi do przeniesienia elektronu lub wodoru
mechanizm II
 dominujący i najważniejszy mechanizm reakcji PDT,
 po absorpcji fotonu i przejściu fotouczulacza do wzbudzonego stanu tripletowego,
dochodzi do przekazania energii na czÄ…steczkÄ™ tlenu znajdujÄ…cego siÄ™ w podstawowym
stanie tripletowym, Powstaje tlen w stanie wzbudzonym  tzw singletowy,
charakteryzujący się stosunkowo długim czasem życia oraz silnymi właściwościami
utleniajÄ…cymi
1
F ƒÄ…h ÃÄ… 1 F"3 F"
3
F"ƒÄ…3O21 F =3 O2"
mechanizm III
1
F ƒÄ…h ÃÄ… 1 F"
1
F"ƒÄ…1M 2 F ƒÄ…...