Elektroniczna aparatura medyczna VII Lasery i technika światłowodowa

Transkrypt

1 Elektroniczna aparatura medczna SEMESTR V Człowiek- najlepsza inwestcja Projekt współfinansowan przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Elektroniczna aparatura medczna V Laser i technika światłowodowa Kompatbilność elektromagnetczna Bezpieczeństwo pacjenta

2 Laser i technika światłowodowa w medcnie 3 Laser i technika światłowodowa w medcnie Zastosowania - diagnostka obrazowanie pomiar perfuzji - terapia bardzo szeroki zakres zastosowań - inne światłowod jako element torów pomiarowch słabch sgnałów - światłowod jako element izolacjne Literatura. K.Patorski M.Kujawińska L.Sałbut nterferometria laserowa OWPW 005. Fiedor P et al. red Zars klinicznch zastosowań laserów Ankar 995 4

3 Promieniowanie laserowe Zasada działania lasera dostarczenie energii tak b nastąpiło przejście atomu na wższ poziom energetczn E0 =>E taki stan stan wzbudzon jest nietrwał następuje powrót do stanu E0 i emisja fotonu emisja spontaniczna. Jeśli do atomu w stanie wzbudzenia dotrze kolejn kwant energii o wartości równej różnic poziomów wmusi przejście do niższego poziomu energetcznego oraz emisję kwantów promieniowania o tej samej fazie długości fali polarzacji i kierunku propagacji emisja wmuszona podstawa działania lasera. 5 Promieniowanie laserowe Warunek niezbędn dla uzskania emisji wmuszonej inwersja obsadzeń poziomów energetcznch tj. więcej atomów ośrodka powinno znaleźć się na poziomie E. Wprowadzenie do takiego ośrodka promieniowania światła przniesie siln wzrost emisji z tego ośrodka - w porównaniu ze stanem bez inwersji obsadzeń. nwersję obsadzeń uzskuje się przez doprowadzenie do ośrodka energii np. przez pompowanie optczne światło z lamp łukowej błskowej przepłw prądu przez złącze p-n lub gaz. 6 3

4 Promieniowanie laserowe Jeśli w ośrodku nastąpi inwersja obsadzeń wówczas promieniowanie pochodzące z emisji spontanicznej spowoduje emisję wmuszoną która będzie narastać lawinowo dla fali światła rozchodzącej się wzdłuż ośrodka. Niewkonalne technicznie rozwiązanie z bardzo długim ośrodkiem zastąpiono sstemem zwierciadeł z którch jedno odbija niecałkowicie część energii przechodzi przez nie i stanowi wiązkę laserową. Zjawisko to nastąpi pod warunkiem zapewnienia warunku faz fala stojąca w rezonatorze całkowita liczba połówek fali międz zwierciadłami oraz amplitud wzmocnienie promieniowania w ośrodku rezonatora przewższa strat także wiązka wchodząca z lasera jest rozumiana jako strata. 7 Promieniowanie laserowe Właściwości promieniowania laserowego - monochromatczność - zbieżność ==> wsoka gęstość moc do 0 W/cm - spójność - stał związek faz fali w przekroju wiązki i międz dwoma przekrojami 8 4

5 9 Oddziałwanie promieniowania lasera na tkanki Oddziałwanie wiązki światła lasera na tkanki Zależne od rodzaju tkanki gęstości moc promieniowania czasu oddziałwania i długości fali a także rodzaju tkanki miękka twarda. Efekt: - fototermiczne - fotojonizacjne - fotochemiczne - fototoksczne - fotostmulacjne. 0 5

6 Oddziałwanie promieniowania lasera na tkanki Efekt fototermiczne: absorpcja promieniowania nagrzewanie denaturacja koagulacja odparowanie i usunięcie. Zakres skutków zależ od dostarczonej energii czasu dostarczania i skuteczności odprowadzania ciepła przez tkankę. Podgrzanie do 40 C nie powoduje nieodwracalnch zmian powżej 45 C zacznają się takie zmian powżej C koagulacja tkanki powżej 90 C parowanie wod powżej 00 C wrzenie rozrwanie tkanki dalej zwęglenie. Oddziałwanie promieniowania lasera na tkanki Efekt fotojonizacjne: wnik podawania krótkotrwałch impulsów promieniowania o dużej gęstości moc ponad 00MW/cm powstanie plazm silnie absorbującej promieniowanie laserowe ekspansja plazm powstanie fali uderzeniowej rozrwanie tkanki. Wkorzstwane do mikrochirurgii przedniej części oka rozbijania złogów nerkowch i żółciowch i zatorów w naczniach krwionośnch. 6

7 Oddziałwanie promieniowania lasera na tkanki Efekt fotochemiczne/fototoksczne: wnik selektwnej absorpcji promieniowania przez tkanki chromofor. DNA absorbuje nadfiolet zmian chemiczne. Fotoablacja na zimno krótkotrwałe impuls promieniowania laserowego UV o dużej gęstości moc mogą rozrwać wiązania chemiczne bez nagrzewania tkanki chirurgia rogówki. 3 Oddziałwanie promieniowania lasera na tkanki Efekt fotostmulacjne: absorpcja promieniowania laserowego o małej moc. Przpuszczenia promieniowanie laserowe powoduje stmulację transportu elektronów i angiogenez. Zastosowania - terapia bólu urazów 4 7

8 Oddziałwanie promieniowania lasera na tkanki 5 nterferometria pomiar/obrazowanie wkorzstujące nakładanie się interferencję dwóch lub więcej fal światła którego wnik zależ od relacji fazowch międz tmi falami. Fala elektromagnetczna E A - amplituda ω - pulsacja φ - faza E z t A zep[ j t z] Dwie fale E i E E z t A z ep[ j t z] E z t A zep[ j t z] Suma fal E z t Ei z t i 6 8

9 9 nterferencja wnik koherentnej superpozcji fal Natężenie światła dla sum fal intenswność - wartość średniokwadratowa sum fal * oznacza wielkość sprzężoną : Dla dwóch fal o tch samch pulsacjach i równoległch polarzacjach rozkład intenswności ma postać: - intenswność fal i Δφ - różnica faz tch fal E E t z * * * * E E E E E E E E E E t z ] cos[ z t z ] ep[ z t j z A t z E ] ep[ z t j z A t z E ntenswność Obraz prążkow intenswności Maksima interferogramu wstępują dla różnic faz będącej wielokrotnością lub różnic długości dróg optcznch równej wielokrotności. - kontrast intenswności min ma min ma ] cos[ z t z 7 8

10 nterferometria technika pomiarowa wkorzstująca interferencję wiązek światła w najprostszm przpadku dwóch Schemat blokow interferometru 9 Parametr źródła laserowego Droga koherencji l c : dioda laserowa 6m światło białe.um laser He-Ne 300m czas koherencji: l c c c f c c Δf c - szerokość widmowa wznaczana z rozkładu widmowej gęstości moc promieniowania WGMf: f c WGM f df 0 WGM f df 0 0 0

11 Zakres jednoznacznego interferometrcznego pomiaru różnic dróg faz ograniczon jest do części długości fali /4. Zakres ten można rozszerzć stosując dwie długości fali promieniowania. Wted tzw. ekwiwalentna długości fali wnosi ekw = / -. c lc f c nnm skuteczniejszm rozwiązaniem jest śledzenie maksimum koherencji czasowej korelacji międz wiązkami przedmiotową i odniesienia. Wmaga to zastosowania źródła o niskiej koherencji czasowej czli o szerokim widmie emitowanej wiązki np. diod laserowej. Wted długość koherencji jest l c mała i sgnał interferencjn ma postać jak na rsunku. c lc f c Długość koherencji jest mała i sgnał interferencjn ma postać jak obok. Kontrast wsokie amplitud wstępują tlko w obszarze koherencji. Rozdzielczość wzdłużną określa więc długość koherencji pasmo promieniowania w takim zakresie można detekować odbite lub rozproszone przez badan obiekt promieniowanie skanując głębokość poprzez zmianę położenia zwierciadła odniesienia a skanowanie lateralne zapewnia inne zwierciadło pewna analogia do ultrasonografii. Obrazowanie wmaga emisji bardzo krótkich impulsów światła fs.

12 Kontrast wsokie amplitud koherencji wstępują tlko w obszarze koherencji. Rozdzielczość wzdłużną określa więc długość koherencji pasmo promieniowania w takim zakresie można detekować odbite lub rozproszone przez badan obiekt promieniowanie skanując głębokość poprzez zmianę położenia zwierciadła odniesienia a skanowanie lateralne zapewnia odpowiednie zwierciadło pewna analogia do ultrasonografii. Obrazowanie wmaga emisji bardzo krótkich impulsów światła fs. 3 nterferometrczne OCT obraz ścian pęcherza moczowego. Epitelium w przpadku fizjologicznm jest znacznie ciemniejsze od tkanki łącznej niż w przpadku wstępowania stanu zapalnego biała kreska - odcinek mm. A.Johansson K.Kromer R.Sroka H. Stepp Clinical optical diagnostics status and perspectives Medical Laser Application

13 Laser i technika światłowodowa w medcnie Światłowod w technice pomiarowej Prawo Snelliusa n sin n sin Jeśli ośrodek jest optcznie mniej gęst od ośrodka tj. n <n może dojść do całkowitego odbicia fali światła na granic ośrodków. Kąt dla którego to zjawisko zachodzi nazwan kątem granicznm. n sin gr n To właśnie zjawisko wkorzstwane jest w technice światłowodowej. 5 Laser i technika światłowodowa w medcnie Światłowod w technice pomiarowej Gęstsz optcznie rdzeń otoczon jest mniej gęstą powłoką. Stożek akceptacji stożek utworzon przez krtczn kat a dla którego promień może wniknąć do światłowodu z powietrza. n 3 sin a n sin b 6 3

14 Laser i technika światłowodowa w medcnie Światłowod w technice pomiarowej W obrębie stożka akceptacji możliwe są różne wartości kąta co oznacza że promienie może mieć różnej długości drogi w światłowodzie. Mówim wted o różnch modach. Drogi modów mogą znacznie się różnić co prowadzi do dspersji. 7 Laser i technika światłowodowa w medcnie Światłowod w technice pomiarowej dspersja Sgnał wejściow Skutek dspersji Skutek dspersji nakładanie się impulsów światła 8 4

15 Laser i technika światłowodowa w medcnie Światłowod w technice pomiarowej Wnikające z uszkodzeń powłoki Strat Wnikające z odbić zachodzącch na połączeniach zapewnienie dopasowania 9 Laser i technika światłowodowa w medcnie Dioda laserowa i jej parametr Parametr Prąd progow Wjściowa moc optczna Nachlenie ch-ki przejściowej Długość fali Rozbieżność wiązki podłużna 50mA tp 0mW min 0.5mW/mA tp 785nm tp deg tp Rozbieżność wiązki poprzeczna 30 deg tp 30 5

16 Laser i technika światłowodowa w medcnie Dioda laserowa i jej parametr 3 Światłowod i diod laserowe w technice pomiarowej 3 6

17 Światłowod i diod laserowe w technice pomiarowej 33 Światłowod i diod laserowe w technice pomiarowej Pomiar słuchowch potencjałów wwołanch stanu ustalonego Stanowisko do badań - przedwzmacniacz HS4 i wzmacniacz DB4 firm Tucker-Davis Technologies uwaga połączenie światłowodowe HS4 i DB4! - słuchawki audiometrczne TDH-39 - komputer z kartą dźwiękową 34 7