Оптика -наука, которая изучает оптические явления. Физики по праву гордятся ей. Однако немногие знают, что на заре развития науки в ее создании активно участвовали врачи. И самих врачей называли «физиками», от греческого physis — «природа». Еще в XVIII-XIX веках органы управления здравоохранением в Петербурге и Москве именовались «физикатами», а в английском языке до сих пор «врач» — physician.
Оптика — всего лишь одна из частей физики, но заметим, что многие из перечисленных выше работ врачей-физиков касались изучения именно оптических явлений. Явления, связанные с распространением света, разнообразны, соответственно и «оптик» в физике несколько: фотометрия, геометрическая и волновая оптика, оптическая спектроскопия, нелинейная оптика, квантовая оптика. Разнообразны и оптические приборы и методы, применяемые в медицине как с лечебными, так и с диагностическими целями.
Прежде чем приступать к лечению, надо понять, чем болен пациент, изучить особенности протекания болезни именно у него. Большинство анализов выполняют при участии оптических методов. Любой осмотр проводится с помощью уникального природного оптического прибора — глаза врача. Лабораторные исследования образцов крови и других биологических препаратов — это спектрофотометрия и оптическая микроскопия.
Значит, анализируя это оптическое явление, можно попытаться получить информацию о состоянии человека.
Оптическая неинвазивная диагностика и ее применение
Оптическая неинвазивная диагностика появилось примерно в середине 1980-х годов, когда стали доступными персональные компьютеры, световоды и лазеры. Некоторые его методы схожи с методами лабораторной спектрофотометрии и люминесцентного анализа, но освещению и последующему изучению здесь подвергаются не образцы крови или отдельные фрагменты биотканей, а непосредственно живые ткани — тело пациента. Благо свет при не слишком большой его яркости безвреден.
Наш организм по отношению к лучу света — оптически мутная среда. Поэтому для обработки результатов измерений нужны серьезные методы физики и математики, а именно методы теории переноса и рассеяния света в мутных средах. Они пришли в медицину из астрофизики (теория переноса излучения в звездах), а теперь успешно развиваются в биомедицинской оптике.
Оказалось возможным не только оценивать изменение силы и спектра рассеянного в тканях света, то есть проводить спектрофотометрию, но и регистрировать плотность рассеивателей (неоднородностей) в тканях по глубине, а также вычислять допплеровский сдвиг частоты света при рассеянии света на том, что движется, — на эритроцитах, лейкоцитах и т. д. и, стало быть, оценивать скорость движения крови и ряд других параметров гемодинамики в мелких сосудах кожи и слизистых оболочках органов.
Скорость света и методы ее определения
... методы измерения скорости света земных источников. Первые попытки таких экспериментов были предприняты в начале XIX века. 1.3 Метод прерываний (метод Физо) Первый экспериментальный метод определения скорости света ... земных источников был разработан в 1449 г. французским физиком Арманом Ипполитом ...
С точки зрения врача, процедура проста: поднести к обследуемому участку тела пациента оптический датчик (световод), затем считать показания с экрана компьютера. По световоду к пациенту подводится излучение (как правило, монохроматическое, лазерное), и по световоду же рассеянный и отраженный пациентом свет возвращается в прибор. Там он преобразуется в электрический сигнал, который обрабатывает программа.
Это позволяет в реальном времени наблюдать изменения биохимических и морфологических показателей у пациента и корректировать с их учетом ход курса лечения.
Оптическая неинвазивная диагностика решает десятки задач. Это дифференциальная диагностика в дерматологии и хирургии, контроль нарушений периферического кровообращения, мониторинг ожогов, гнойных процессов, оценка оптической неоднородности ткани на предмет поиска опухолевых процессов и многое другое.
Сегодня интенсивно развиваются несколько направлений такой диагностики — лазерная когерентная и диффузионная томография, флюоресцентная диагностика, лазерная допплеровская флоуметрия и ряд других направлений. Наиболее развиты методы оптической пульсоксиметрии, позволяющие измерять частоту пульса и содержание в артериальной крови фракций гемоглобина, насыщенных кислородом (сатурация).
Последнее стало возможным благодаря открытию того самого врача-физика Майера — цвет крови зависит от насыщения ее кислородом. Быстрая и неинвазивная оценка сатурации очень важна в задачах реаниматологии и анестезиологии.
Применение линз в медицине. Очковые линзы
оптический медицина линза эндоскоп
Очковая оптика является разделом офтальмологической оптики, в котором рассматривается оптические средства коррекции зрения, а также разделом прикладной оптики и оптического приборостроения. В настоящие время действуют три основных стандарта, определяющих основную терминологию в очковой оптике.
Согласно этим стандартам принята следующая терминология:
Очковая линза-линза, предназначенная для коррекции зрения. Для определения оптической силы применяется термин «рефракция».
Рефракция -величина, обратная фокусному расстоянию очковой линзы, измеренному в метрах.Единицей рефракции является диоптрия.
Также для характеристики линзы используют такие понятия как:
Передняя вершинная рефракция — это величина, обратная переднему фокальному отрезку очковой линзы, измеренному в метрах.
Задняя вершинная рефракция -это величина, обратная переднему фокальному расстоянию отрезку очковой линзы, измеренному в метрах.
Очень часто корригирующая очковая линза является стигматической.Стигматическая линза-линза, сводящая пучок параксиальных световых лучей в один фокус.
Астигматическая линза- линза, которая имеет в параксиальной области два фокуса для двух взаимно перпендикулярных плоскостей сечений, падающего пучка.
Классификация очковых линз
По своему оптическому действию линзы подразделяются на:
Пресбиопия: коррекция прогрессивными очковыми линзами
... очки для дали и снимают очки для работы вблизи. 3 Диагностика и лечение пресбиопии. Диагностика пресбиопии не отличается от диагностики других видов нарушений рефракции (преломляющая сила оптической системы глаза, ...
- сферические
- астигматические (цилиндрические, торические)
- афокальные (призматические, эйконические)
По форме преломляющей поверхности: сферические, асферические, ретикулярные.
- стигматические линзы, которые имеют две полностью сферические преломляющиеся поверхности. Они обладают одинаковой преломляющей силой в каждом из меридианов;
- астигматические линзы обладают одной торической поверхностью, а другой — сферической. Они имеют разную преломляющую силу в двух перпендикулярных сечениях главных относительно друг друга;
- афокальные линзы вовсе не обладают оптической силой и применяются для солнцезащитных очков.
По количеству оптических зон линзы для очков классифицируются по следующим категориям: монофокальные и мультифокальные (бифокальные, трифокальные, прогрессивные).
Монофокальная линза имеет один фокус (точку пересечения световых лучей, преломлённых ею), чему и обязана своим названием. Она дает возможность чётко видеть предметы на определённом расстоянии. Данные линзы используются для коррекции миопии, гиперметропии, астигматизма, могут также назначаться при возрастном ослаблении аккомодации (пресбиопии).
Страдающие пресбиопией могут использовать бифокальные линзы, которые состоят из двух частей: верхняя используется для зрения вдаль, а нижняя — для близи (чтения, шитья и т.д.).
Они разделяются чёткой границей, что не позволяет чётко видеть предметы, расположенные между дальней и ближней точкой видения.
В этом плане более удобны трифокальные линзы, которые помимо зон для дали и близи имеют таковую для средней дистанции (50-70 см).
Однако и они не лишены такого ощутимого недостатка, как резкие переходы между зонами, что не позволяет глазу плавно переходить от объекта к объекту, расположенным на разных расстояниях .
«Офисные» линзы эффективны на оптических дистанциях до 3 метров и позволяют без труда работать за компьютером, общаться с коллегами за столом, подписывать или читать документы. С «офисными» линзами вы будете ощущать существенный зрительный комфорт.
Компьютерные линзы чаще всего используются для медицинских и эстетических целей. Такие очки отличаются особой технологией, предполагающей использование мульти-фильтров, которые угнетают попадание голубого цвета спектра, позволяя значительно снижать нагрузку на глаза и делать пребывание перед монитором комфортным.
Рис. 1 Классификация очковых линз
Медицинский эндоскоп
Элементами оптических систем является: световой пучок, линзы, зеркала, призмы и плоские параллельные пластины, волоконно-оптические детали.Волоконно-оптические детали-детали, которые способны передавать свет по каналам, которые называются светопроводами.
Волоконной оптикой называется раздел оптики, в котором рассматривается передачу света и изображений по светопроводам.
В общем случае эндоскопом называется устройство, имеющее осветительную, наблюдательную системы и приспособления. Это устройство предназначено для введения во внутренние полости тела человека машин и механизмов с целью осмотра и проведения различных манипуляций. Все эндоскопы делятся на два больших класса: технические и медицинские. Медицинским эндоскопом называется эндоскоп, вводимый во внутренние полости и органы человека через естественные каналы или хирургическим путем.В зависимости от назначения, медицинские эндоскопы делятся на следующие типы:
Построение изображения в линзах
... практических задач, где эти условия не выполняются, изображение , даваемое тонкой линзой , довольно не совершенно. Поэтому в большинстве случаев прибегают к построению более сложных оптических систем , имеющих большое ... сторон на одинаковом расстоянии от оптического центра. Если источник света находится в фокусе, то после преломления в линзе лучи будут параллельны главной оптической оси. У всякой ...
- смотровой — медицинский эндоскоп, предназначенный для исследования внутренних полостей и органов человека путем осмотра;
- биопсийный — медицинский эндоскоп, предназначенный для взятия пробы ткани с требуемого участка под визуальным контролем с целью последующего гистологического анализа;
- операционный — медицинский эндоскоп, предназначенный для проведения диагностических, лечебных и хирургических манипуляций путем введения инструментов под визуальным контролем.
Любой эндоскоп содержит осветительную и наблюдательную системы:
- осветительное устройство эндоскопа — функциональный узел эндоскопа, включающий источник света и другие элементы конструкции и предназначенный для освещения наблюдаемого объекта. При этом светопроводящая система эндоскопа может быть выполнена в жестком или гибком исполнении. Для передачи света от источника, установленного вне эндоскопа, к его светопроводящей системе служит световодный кабель эндоскопа — функциональный узел, состоящий из волоконного световода, в эластичной оболочке, с присоединительными элементами;
В зависимости от системы передачи изображения, эндоскопы подразделяют на следующие подгруппы:
- эндоскопы с волоконной оптикой — гибкие эндоскопы, в оптической схеме которых используются гибкие волоконные световоды для передачи изображения. Необходимо их отличать от эндоскопов с волоконным световодом, в которых освещение наблюдаемого объекта создается световым потоком, передаваемым по волоконному световоду от источника света, установленного вне исследуемой области;
- эндоскопы с линзовой оптикой — эндоскопы, оптическая наблюдательная система которых построена с применением линз;
- эндоскопы тубусные — простейшие эндоскопы, представляющие собой полую трубку, которая может быть снабжена лупой.
Для применения эндоскопа важное значение имеет исполнение его рабочей части, т.е. той части медицинского эндоскопа, которая предназначена для введения в исследуемую область и имеет форму и размеры, соответствующие анатомическому каналу, по которому вводится эндоскоп.
В зависимости от конструкции рабочей части, эндоскопы делятся на следующие типы:
- гибкие эндоскопы — медицинские эндоскопы, рабочая часть которого может плавно изгибаться в определенных пределах;
- жесткие эндоскопы — медицинские эндоскопы, рабочая часть которого выполнена жесткой.
При этом эндоскопы с волоконной оптикой также подразделяют на гибкие эндоскопы с волоконной оптикой и жесткие эндоскопы с волоконной оптикой.
В зависимости от возраста пациентов, эндоскопы подразделяют на следующие виды:
- эндоскопы для взрослых;
- эндоскопы детские.
В зависимости от способа регистрации изображения, различают следующие виды эндоскопов:
- фотоэндоскоп предназначен для регистрации изображения наблюдаемого объекта на фотопленку при помощи фотографического устройства, расположенного на проксимальном конце эндоскопа;
- киноэндоскоп предназначен для регистрации изображения наблюдаемого объекта на кинопленку;
- телевизионный эндоскоп обеспечивает передачу изображения наблюдаемого объекта на телевизионный экран;
- проекционный эндоскоп предназначен для проецирования изображения наблюдаемого объекта на экран.
Оптические приборы
К оптическим относятся приборы, способные показывать окружающее в совсем другом свете. Спектры света в данных приборах преобразуются и показывают то, что мы не можем видеть в привычном для нас свете.
Спектральные приборы. Основы оптики. Теория изображения
... соответствующий набор узких линий — изображений входной щели, которые и называются спектральными линиями. В реальных спектральных приборах эти изображения искажены аберрациями оптической системы и ... светом, то и изображение А' за объективом 062(1) представляет собой белую линию. Система «коллиматор — параллельные пучки — объектив» используется во многих оптических приборах, нс только спектральных. ...
Для того, чтобы определить качество оптического прибора, нужно обратить внимание на его характеристики.
К ним относятся способность концентрировать силу света, силу его излучения; возможность различать соседние предметы и детали; обеспечение увеличения изображения. Кроме того, для некоторых приборов имеет значение также и угол обзора, особенно это важно для медицинских приборов.
Разрешающая сила прибора — это его способность различать такие линии и точки, которые при обычном рассмотрении увидеть невозможно.
Такие особенности прибора достигаются в том случае, если мастер тщательно совмещает различные линзы для правильного преломления света или преображения изображений. Здесь очень важно точно рассчитать и отцентрировать линзы по одной оси. Создание любого оптического прибора — очень сложный процесс, который может быть достигнут только высокой профессиональностью мастеров, работающих в данном направлении не первый год.
Даже самая незначительная ошибка может привести к тому, что изображение будет показываться совершенно в другом виде, нежели должно было бы. В создании оптических приборов обращается внимание не только на увеличение изображения, но также и на то, чтобы оставить достаточно малую светосилу.
Все оптические приборы различаются по своей
Для изготовления каждого оптического прибора используется своё оборудование, которое совершенствуется по мере развития современных технологий. Это позволяет создавать всё более качественные и надёжные приборы, которые максимально эффективно позволяют получить то изображение, которое нам необходимо. Особенно это касается приборов, используемых если в медицине и механике.
Пульсоксиметр- медицинский контрольно-диагностический прибор для неинвазивного измерения уровня сатурации кислородом капиллярной крови.Существует множество патологий, течение которых сопровождается хроническим недостатком кислорода в крови (гипоксией).
В данном случае показатель сатурации кислорода крови требует постоянного наблюдения.
Датчики пульсоксиметров сегодня встраивают во все модели прикроватных мониторов. Когда увидите в кино бегущий график «биений сердца» на экране монитора и крупные цифры, а на пальце у пациента некую «прищепку», знайте: вам показывают оптическую пульсоксиметрию.
Рис.2 Различные модели пульсоксиметров
Оптическая когерентная томография (OКT) — это метод получения и обработки оптического сигнала для получения трехмерных изображений внутренней структуры образца за счет рассеивания света в объеме материала.
Оптические преобразователи сигнала
... прибора определяется светосилой второй линзы. 2. Зрительная система как приемник оптической информации Зрение, т.е. получение зрительной информации о внешнем мире – форме вещей, их пространственном изображении, ... – соответственно углы зрения для предмета и изображения. Оптические приборы обычно дают двумерное (плоское) изображение трехмерных (пространственных) предметов (объектов). Ограничение угла ...
Он позволяет получить с микрометровым разрешением трехмерные изображения изнутри рассеивающей среды, например, биологических тканей. По сути, это «оптический ультразвук», визуализация отражений внутри ткани посредством поперечного изображения сечения.
Основными преимуществами ОКТ являются:
изображение в реальном времени с почти микроскопическим разрешением в почти микроскопической резолюции
мгновенная, направленная визуализация морфологии тканей
не требует подготовки образца или объекта
нет ионизирующего излучения
В офтальмологии, например, можно детально исследовать сетчатку глаза на предмет морфологических нарушений в ее строении, а для слизистых оболочек органов, скажем, в гастроэнтерологии (при эндоскопических обследованиях) — выявлять злокачественные новообразования на ранних стадиях.
Наиболее широко применяются офтальмологические томографы.
Только в США их сегодня около двух с половиной тысяч, и на них выполняют ежегодно около 15 миллионов диагностических процедур.
Рис.2 Офтальмологический томограф
Родственный метод — оптическая диффузионная томография. Это тоже зондирование неоднородностей в структуре тканей, только пространственное разрешение грубее, а проникновение в ткани глубже, поэтому можно обследовать, например, молочные железы у женщин, выявляя уплотнения и новообразования. Один из таких томографов — маммографов создается и проходит сегодня испытания в США.
Серьезными возможностями обладают методы неинвазивной флюоресцентной диагностики.
Рис.3 Флюоресцентная диагностика
Их основной областью применения считается онкология, однако многие гнойные, ожоговые и другие подобные процессы в тканях также сопровождаются изменением флюоресценции.
В этой области можно выделить два направления:
Контрастирование опухолей экзогенными (вводимыми извне, например, внутривенно) флюоресцирующими веществами для определения локализации новообразований.
создание более чувствительной аппаратуры, реагирующей на слабую эндогенную (природную) флюоресценцию клеток ткани. Этот метод позволяет исследовать накопление в тканях природных флюорохромов — флавиновых ферментов, эластина, порфирина и т. п., что важно для функциональной диагностики в эндокринологии, дерматологии и других областях медицины.
Неинвазивные методы спектрофотометрии могут использоваться для определения содержания в тканях определенных веществ, например,
билирубина(билирубинометры):
Рис.4Билирубинометр жира (жирометры):
Рис.5Жирометр
Заключение
Методы оптической диагностики предоставляют врачам огромные возможности для измерений без вторжения в организм. Ключевой сдерживающий фактор их развития сегодня — проблемы метрологии, отсутствие эталонных средств измерений. Эти проблемы пока не решены нигде в мире, но они, очевидно, принципиально разрешимы на современном уровне развития науки. А значит — и в России.
Современные методы диагностики заболеваний печени и желчного пузыря
... диагностика с использованием современных методов поможет выявить такие проблемы. печень желчный пузырь болезнь 2. Заболевания желчного пузыря 1 Анатомия желчного пузыря Желчный пузырь ... пищи по кишечнику. ... ткани соединительнотканной капсулой, проникающей вглубь органа. Печеночную дольку составляют клетки печени, называемые гепатоцитами, которые соединяются между собой ярусами, окружая желчные ...
Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/volokonnaya-optika-v-meditsine/
Хацевич Т.Н. Медицинские оптические приборы. Ч. 2. Очковая оптика: Учеб. пособие.-Новосибирск:СГГА.- 2010.-241 с.
Ремизов А.Н. Р38 Медицинская и биологическая физика: учеб. для вузов/ А. Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко .- 6-е изд., стереотип. -М.: Дрофа, 2009. -558 с.
Хацевич Т.Н., Михайлов И.О С26 Эндоскопы: Учеб. пособие. — Новосибирск: СГГА, 2012.- 196 с.
Ландсберг Г.С. Оптика — М.: Наука, 2013. — 928с
