 |
Волоконная оптика. Эндоскопия
|
|
|
|
Как используют оптическое волокно в медицине?
Во многих сферах достаточно часто используется волоконно-оптический кабель 16, а также применяется проектировании и строительство волс. Но особенно важно его применение в медицине. Так неупорядоченный пучок световолокон может использоваться для подсветки во время операции, а упорядоченный способен передавать изображение на экран. Как раз на этой функции и построено использование упорядоченных пучков световолокон как оптического ядра любого эндоскопа. Примерно тот же принцип используется, когда происходит видео сварка оптоволокна. Еще одно физическое свойство световолокна также чрезвычайно важно с точки зрения медицины: волокна очень гибкие и это дает возможность применять широко лазерный луч в терапии. Так, практически во всех видах терапии, при которых лазерная энергия должна проникнуть в человеческое тело: в пульмонологии, урологии, гинекологии и т.д. световоды «помогают» лазеру. В тех же случаях, когда лазерную энергию вводят непосредственно в кровоток, используются катетеры, созданные также из волокна. Следует отметить, что в медицине применяются исключительно световоды, созданные из высокочастотного кварцевого стекла, так как высокая механическая крепость и юстированные оптические свойства дают возможность регулировать светопотери в оптическом кабеле.
Изучать и разрезать ткань можно с помощью световодов
Гибкие световоды используют для изучения биотка и контактно и бесконтактно. Когда речь идет о бесконтактном применении, лазерное излучение не касается тканей, как это и следует из названия. Благодаря использованию фокусирующих элементов, излучение сосредотачивается на очень маленьком участке кожи, намного меньше диаметра самого световода. Когда же кварцевое волокно прикасается непосредственно к ткани, обработанной предварительно, такой метод применения называется контактным. Для того чтобы правильно использовать световолокно в медицине обязательно иметь квалификацию хирурга. Однако если не экспериментировать на человеческих органах, достаточно будет пройти курсы сварки оптоволокна.
|
|
|
Для эндоскопических целей можно использовать и обычные стекловолокна. Этому способствует чрезвычайно маленький диаметр (около 0,5 мм-1 мм). Иногда на конце волокна специально удаляют еще и механическую оболочку. Такой вид применения имеет особое название – «оголенное волокно». Если оголенное волокно наложить на биоткань контактным методом и обучать эту ткань с небольшой мощностью(примерно в 20 Вт Nd:YAG-лазером), то возникает четко очерченная зона, в которой излучение лазера полностью поглощается и вследствие этого ткань точено испаряется. В некоторых случаях на волокно надевают металлические наконечники или так называемые «нагревающие зонды». С их помощью лазерное излучение превращается в тепло и попадает на ткань более направленно через отверстие в зонде. В хирургии применяются также заостренные сапфировые наконечники, которые, благодаря особой форме, очень сильно концентрируют излучение и в прямом смысле рассекают ткань. Конечно, такие операции не могут стоить дешево, ведь стоимость сварки оптоволокна зависит от многих условий. Закругленные наконечники из сапфира способствуют равномерному испарению ткани.
Волоконная оптика. Эндоскопия
Феномен полного внутреннего отражения является физической основой волоконной оптики. В волоконной оптике применяют очень тонкие гибкие волокна, сделанные из пластмассы или стекла. Их поверхность покрыта специальным веществом, которое имеет меньший показатель преломления, чем материал волокна для того, чтобы на границе стекло-вещество происходило полное внутреннее отражение. Световые луч запускаются в волокно и могут распространяться вдоль него на большие расстояния с небольшим уменьшением интенсивности. Пучок таких волокон формирует световод.
|
|
|
Волоконная оптика широко используется в медицинской эндоскопии. Различные эндоскопы (гастроскоп, трахеобронхоскоп, цистоскоп, лапароскоп и т.п.) дают возможность наблюдать внутренние органы в диагностических целях и делать фотографии внутренних органов. Один пучок волокон используется, чтобы освещать изучаемую область, а по другому пучку изображение передаётся к человеческому глазу или фотокамере.
Световоды используются также в эндоскопической хирургии. В настоящее время для многих хирургических действий не требуется широких разрезов. Операции могут быть выполнены посредством дистанционных манипуляторов под управлением эндоскопов. Эти методы менее травматичные, чем осуществляемые с помощью обычной хирургической техники. Эктомия желчного пузыря - один из примеров применения эндоскопов в хирургии.
Развитие волоконной оптики позволило внедрить в медицине совершенно новые методики диагностики и оперативного вмешательства - лапароскопическую хирургию и эндоскопию. Данные методики являются основными в малоинвазивной хирургии, направленной на снижение области воздействия на организм и степени травмирования тканей.
Основным инструментом для реализации данного метода служит эндоскоп – прибор, имеющий линзовый, градиентный или волоконный транслятор изображения. Эндоскоп помещают внутрь исследуемой области, изображение передается по тонкой трубке на регистрирующее устройство (например, цифровую камеру), либо глаз человека. В последнее время обыкновенные гибкие эндоскопы постепенно вытесняются видеоэндоскопами – миниатюрными камерами, передающими информацию в цифровом виде на монитор. Качество изображения при этом значительно превосходит эндоскопы с волоконной оптикой.
3 ЭНДОСКОПЫ С ВОЛОКОННОЙ ОПТИКОЙ
3.1 Обобщенная схема эндоскопа с волоконной оптикой
Создание медицинских эндоскопов с изгибаемым в широком диапазоне дистальным концом стало возможным с появлением волоконной оптики – гибких жгутов, состоящих из тонких стеклянных нитей, передающих свет по изогнутым каналам.
|
|
|
Номенклатура эндоскопов с волоконной оптикой (фиброэндоскопов), представленных на мировом рынке, весьма обширна (приложение Г, таблицы 2 – 10). Наибольшим разнообразием отличаются гибкие эндоскопы для исследования различных отделов пищеварительного тракта и дыхательных путей. Менее разнообразна номенклатура приборов для использования в оториноларингологии, урологии и гинекологии.
Несмотря на разнообразие гибких медицинских эндоскопов, большинство из них строятся по типовой схеме, представленной на рисунке 43, с разделением оптического канала передачи изображения на компоненты 4, 5, 6 и осветительного канала на компоненты 2, 3.
Рисунок 43 - Типовая схема гибкого медицинского эндоскопа: 1 – исследуемый объект; 2 – источник света; 3 – волоконный осветительный световод; 4 – объектив эндоскопа; 5 – гибкий волоконный световод для передачи изображения; 6 – окуляр
Исследуемый объект 1 освещается источником света 2 при помощи гибкого осветительного световода 3. Объектив 4 эндоскопа строит изображение исследуемого объекта на входном торце волоконного жгута с регулярной укладкой волокон 5, который переносит изображение на выходной торец. Изображение рассматривается при помощи окуляра 6.
В общем виде гибкий эндоскоп (рисунок 44) представляет собой гибкую протяженную трубку I, соединенную с корпусом II, который служит рукояткой для удержания прибора при эксплуатации; на корпусе установлен окуляр III. Гибкий кабель IV через разъем V соединяет эндоскоп с внешним источником света, воздуха и воды.
Дистальный конец 1 рабочей части I при помощи ручек управления 5 может принудительно изгибаться под разными углами в одной или двух плоскостях, благодаря чему осуществляются введение прибора и последовательный осмотр участков исследуемой полости.
Внутри гибкой рабочей части расположены основные функциональные системы прибора: каналы передачи изображения и света, воздуха и воды, канал 6 для проведения гибких инструментов, который используется также для аспирации содержимого полости при исследовании. Каналы имеют выход через головку 2 дистальной управляемой части I.
|
|
|
Рисунок 44 - Общий вид гибкого медицинского эндоскопа с волоконной оптикой: I – гибкая рабочая часть, II – корпус, III – окуляр, IV – соединительный кабель, V – разъем осветителя; 1 – управляемый дистальный конец, 2 – головка, 3 – кнопка подачи воды и воздуха, 4 – кнопка управления аспирацией, 5 – ручки управления дистальной частью, 6 – вход инструментального канала
В корпусе II монтируются механические системы управления изгибом дистальной части, подачей воздуха, воды и аспирацией.
Рабочая часть снаружи покрыта эластичными оболочками, обеспечивающими нетравматичное проведение прибора по анатомическому каналу и защищающими от попадания влаги во внутренние коммуникации эндоскопа.
Основой гибкого эндоскопа является оптическая система передачи изображения, состоящая из установленного в головке 2 объектива и гибкого жгута из регулярно уложенных стеклянных нитей, проложенного внутри гибкой части I, а также окуляра III, с помощью которого рассматривается получаемое после оптического жгута изображение с некоторым увеличением.
Необходимый для осмотра внутренней полости уровень освещения обеспечивается передачей света через гибкий стекловолоконный световод, проложенный внутри гибкой части эндоскопа и переходящий в кабель IV, последний с помощью стандартного разъема V присоединяется к внешнему источнику света. Через кабель от источника также подаются необходимые для проведения исследования воздух и вода, переключение которых производится с помощью установленной на корпусе кнопки 3; аналогичная кнопка 4 служит для управления аспирацией содержимого полости.
Одним из факторов системного подхода к созданию гибких эндоскопов явилась разработка нормативных документов: ГОСТ 23496-89 «Эндоскопы медицинские. Общие технические требования и методы испытаний» и РД 92-7500-90 «Методические указания, методы испытаний эндоскопов медицинских».
|
|
|
