Οπτικες ινες και ενδοσκοπιο Εφαρμογές στην ιατρική

Ιστορική ανασκόπηση

Το 1880 ο William Wheeling πρότεινε μία μέθοδο μεταφοράς του φωτός που ονόμασε «piping light» Ο Alexander Graham Bell ανέπτυξε ένα σύστημα οπτικής μεταφοράς της φωνής, το «φωτόφωνο» (photophone)

Το 1956 ο Narinder Kapany μαζί με τον Brian O'Brien και άλλους συνεργάτες χρησιμοποίησαν γυάλινες οπτικές ίνες σε μία συσκευή μεταφοράς εικόνας Το 1966 οι Charles Kao και Charles Hockham δημοσίευσαν μία εργασία Το 1970 κατασκευάστηκε οπτική ίνα με εξασθένηση μικρότερη από 20dB/km Το 1972 ο Καο κατασκευάζει μονοτροπική οπτική ίνα με ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 100Mbit/sec

Η φυσική των οπτικών ινών

Δείκτης διάθλασης (n) ονομάζεται το πηλίκο της ταχύτητας του φωτός στο κενό διά την ταχύτητα του φωτός σε ένα υλικό Ολική ανάκλαση

Είδη οπτικών ινών – στοιχεία κατασκευής

Διάκριση με βάση την κατανομή του δείκτη διάθλασης του πυρήνα Ίνες βηματικoύ δείκτη (step-index): ο δείκτης διάθλασης έχει σταθερή τιμή σε όλη τη διάμετρο του πυρήνα - ευθύγραμμες πορείες Ίνες βαθμιαίου δείκτη (graded-index): ο δείκτης διάθλασης έχει μέγιστη τιμή στο κέντρο και ελαττώνεται βαθμιαία προς την οριακή επιφάνεια – καμπύλες τροχιές

Διάκριση με βάση την διάμετρό τους Πολυτροπικές ίνες (multi mode fibers): διαστάσεις 50-100μm - βηματικού ή βαθμιαίου δείκτη διάθλασης Μονοτροπικές ίνες (single mode fibers): διαστάσεις μέχρι 10μm – βηματικού δείκτη διάθλασης

Ο τρόπος παρασκευής των οπτικών ινών και τα υλικά που χρησιμοποιούνται εξαρτώνται άμεσα από την εφαρμογή για την οποία προορίζονται. Το βασικό υλικό κατασκευής των οπτικών ινών είναι το γυαλί, το οποίο αποτελείται από οξείδια πυριτίου, βορίου, φωσφόρου, αλουμινίου, γερμανίου και νατρίου. Υπάρχουν οπτικές ίνες, οι οποίες κατασκευάζονται από πλαστικό. Προς το παρόν δεν είναι μέσα στις προδιαγραφές, που καθορίζονται από τα διεθνή πρότυπα. Καταβάλλονται όμως προσπάθειες για να βελτιωθούν τα χαρακτηριστικά τους. Η πολύτροπη πλαστική ίνα ενδέχεται να αποτελέσει αξιόπιστο μέσο μετάδοσης στο μέλλον.

Μετάδοση πληροφορίας μέσω οπτικών ινών

Μετάδοση πληροφορίας (ομιλία, μουσική, κείμενο, εικόνα) Οπτοηλεκτρονικές διατάξεις εκπληρώνουν τον σκοπό αυτό

Πομπός Μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα εισόδου σε οπτικό σήμα, κωδικοποιημένο με βάση την λογική Boole Εκπέμπει στο εσωτερικό της ίνας το οπτικό σήμα Συνήθως, χρησιμοποιούνται δίοδοι εκπομπής φωτός (light emitting diodes, LEDs) ή lasers ημιαγωγού (semiconductor lasers, LDs)

Δέκτης Ανιχνεύει τους φωτεινούς παλμούς Μετατρέπει το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό, θεωρώντας πως ένας φωτεινός παλμός αντιστοιχεί στο λογικό 1, ενώ απουσία παλμού στο λογικό 0 Οπτικοί δέκτες είναι συνήθως φωτοδίοδοι ή φωτοτρανζίστορς, που συνοδεύονται από ενισχυτές, φίλτρα και αντισταθμιστές.

Εξασθένιση σήματος

Εγγενή χαρακτηριστικά Όσο ακριβής και αν είναι η διαδικασία επεξεργασίας του γυαλιού, είναι αδύνατο να εξαλειφθούν όλοι οι ρύποι. Σκέδαση Rayleich ή απορρόφηση    

Εξωτερικοί παράγοντες «Μακροσκοπική» κάμψη: ορατή με γυμνό μάτι – μέγιστη ακτίνα κάμψης «Μικροσκοπική» κάμψη: ατέλειες στην κυλινδρική συμμετρία κατά την κατασκευή – δεν γίνεται εμφανής κατά τον έλεγχο

Διασπορά τρόπων (Modal Dispersion) Εμφανίζεται εντονότερα στις πολυτροπικές ίνες με βηματική κατανομή.

Εφαρμογές των οπτικών ινών

Τηλεπικοινωνίες Αρχιτεκτονικός φωτισμός, διαφήμιση, μόδα Φωτισμός έργων τέχνης Συστήματα πληροφόρησης Βιομηχανικός έλεγχος Ιατρικές εφαρμογές

Ενδοσκόπιο

Το ενδοσκόπιο είναι ιατρικό, κατά κύριο λόγο, εργαλείο Το ενδοσκόπιο είναι ιατρικό, κατά κύριο λόγο, εργαλείο. Αποτελείται από έναν λεπτό, εύκαμπτο ή άκαμπτο σωλήνα, ο οποίος μεταφέρει φως στην περιοχή προς εξέταση, ενώ παράλληλα μεταφέρει εικόνα στον χειριστή.

Ένα μέρος του οπτικού αγωγού καταλαμβάνεται από τις οπτικές ίνες που οδηγούν το φως μέσα στην κοιλότητα και ο υπόλοιπος από τις οπτικές ίνες που μεταφέρουν την εικόνα του εσωτερικού της κοιλότητας στην ειδική οθόνη της αίθουσας της επέμβασης. Όταν ο οπτικός αγωγός μεταφέρει μόνο φως, οι οπτικές του ίνες δεν χρειάζεται να διατηρούν αυστηρή διάταξη και παραλληλία. Όταν ο οπτικός αγωγός μεταφέρει εικόνες, οι οπτικές του ίνες πρέπει να διατηρούν αυστηρή διάταξη.

Φυσιολογικός βλεννογόνος στομάχου Στα ενδοσκόπια που η εικόνα μεταφέρεται με οπτικές ίνες, η διάμετρος και το πλήθος των ινών θέτει το όριο στη λεπτομέρεια της εικόνας που είναι δυνατόν να γίνει διακριτή, δηλαδή στη διακριτική ικανότητα της συσκευής. Φυσιολογικός βλεννογόνος στομάχου Πολύποδας στομάχου

Το ενδοσκόπιο αποτελεί και χειρουργικό εργαλείο.

Ματιά στο μέλλον

Από την πλευρά των γιατρών υπάρχει ανάγκη για τρισδιάστατη απεικόνιση. Οι φυσικοί προσανατολίζονται στην περαιτέρω ανάπτυξη των ιδιοτήτων των οπτικών ινών – «έξυπνες» οπτικές ίνες – βιοαισθητήρες.

Ευχαριστώ για την προσοχή σας