Эндоскопическая аппаратура и ее применение в клинической практике.

Эндоскопия - метод исследования полых органов и полостей тела с помощью специального прибора - эндоскопа, который вводится в организм через естественные отверстия или произведенные под наркозом небольшие разрезы.

Основными элементами эндоскопов являются: источник света, сам эндоскоп, оптическая система передачи света и изображения. Объектив эндоскопа, являющийся его основной частью, располагается на дистальном (удаленном от наблюдателя) конце. Он является своего рода приемником изображения, и от его возможностей зависит получаемая информация.

Часто так же, как в микроскопии, используются несколько микроскопических объектов с независимыми каналами передачи оптического изображения. Они могут иметь разные увеличения и углы обзора. На другом конце оптической системы располагается окуляр, через который эндоскопист проводит наблюдение. Часто в гибких системах передачи изображения предусмотрена возможность манипуляции дистальным концом эндоскопа.

В настоящее время используются два вида эндоскопов: гибкие и жесткие. Они отличаются по способу передачи изображения от объектива к окуляру.

В жестких эндоскопах передача изображения осуществляется с помощью линзовой оптики, а в гибких – посредством стекловолоконных жгутов. Жесткие эндоскопы позволяют получить лучшее качество изображения и во многих случаях не требуется их замены на гибкие.

Важную роль в развитии эндоскопической техники играет создание совершенных источников света. Раньше источник света располагался на дистальном конце эндоскопа, что было сопряжено с рядом неудобств. В первую очередь – это вероятность разрушения источника света в осматриваемой области. Второе - малая сила миниатюрных лампочек. Третье - цветовые искажения изображения, обусловленные недостаточно широким спектром их излучения.

В эндоскопах более позднего поколения источник света располагается за пределами исследуемой области. Свет от мощного источника, находящегося вне эндоскопа, передается по световолокнам на расстояние до 2 метров практически без потерь, что значительно повышает информативность метода.

Оптические волокна можно использовать для проведения во внутренние органы ультрафиолетового, инфракрасного и лазерного излучений. С помощью эндоскопов берут пробы ткани – биопсию для дальнейших лабораторных анализов, вводят лекарства, заклеивают специальным составом язвы и повреждения, так же, как в эндоскопической хирургии, расширяют суженные участки, с помощью специальной петли удаляют полипы.

Эндоскопическая хирургия - область хирургии, позволяющая выполнять радикальные операции или диагностические процедуры без широкого рассечения покровов либо через точечные проколы тканей, либо через естественные физиологические отверстия.

Примеры решения задач

1. Врач осматривает гортань пациента с помощью плоского зеркала. На сколько отклонится отраженный от зеркала световой луч при повороте зеркала на 10º?

Решение:

При повороте зеркала на 10º на столько же повернется перпендикуляр, восстановленный к поверхности зеркала в точке падения светового луча. Таким образом, на 10º возрастет и угол падения луча. На столько же возрастет и угол отражения. При повороте зеркала угол между падающим и отраженным лучами возрастет с 20º до 40º, т.е. отклонение светового луча составит 20º.

2. Луч падает под углом 30 º на поверхность стекловолокна эндоскопа. Определить угол отклонения луча от первоначального направления, если показатель преломления стекловолоконного покрытия равен 1,8.

Решение:

В соответствии с законом Снеллиуса для границы раздела воздух-стекловолокно можно записать: , где (воздух) - показатель преломления стекловолокна.

º. Величина отклонения луча º.

Лекция №10

Волновые свойства света

1. Интерференция света.

2. Дифракция света. Разрешающая способность оптических приборов.

3. Дифракция от одной щели. Дифракционные спектры. Дифракционная решетка.

1. Интерференция света.

Под интерференцией света называют такое наложение световых волн от когерентных источников, в результате которого образуется устойчивая картина их взаимного усиления или ослабления.

Когерентные источники света – это такие источники, которые излучают с постоянной разностью фаз.

Естественных когерентных источников света в природе не существует, поскольку свет, исходящий от светящегося тела, представляет собой совокупность множества электромагнитных волн, излучаемых отдельными частицами (атомами и молекулами тела), условия излучения которых непрерывно и беспорядочно изменяются. Поэтому для получения когерентных источников прибегают к искусственному приему: «раздваивают» свет, исходящий от источника, например, посредством экрана с двумя малыми отверстиями.

В соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля источник света S создает в отверстиях экрана вторичные источники света S₁ и S₂, которые являются когерентными.

Другой способ получения когерентных источников основан на отражении света от двух плоских зеркал (зеркал Френеля), установленных под углом , близким к 180 º. Когерентными источниками служат изображения S₁ и S₂ основного источника света S.

Результат интерференции двух волн в некоторой точке Р зависит от величины разности хода лучей. Интерференционные max и min наблюдаются при следующих условиях.

Если в разности хода лучей укладывается целое число волн (четное число полуволн), т.е.

, (1)

то в точке Р будет максимум света ( -длина волны, n = 0, 1, 2, 3, …). Если же в разности хода лучей укладывается нечетное число полуволн, т.е. если

, (2)

то в точке Р будет минимум света (темнота)

Выясним, как выглядит интерференционная картина, создаваемая на экране двумя когерентными источниками монохроматического света S₁ и S₂. Пусть расстояние между этими источниками d, а расстояние от источников до экрана L, причем d << L.

Определим расстояние х от точки О (одинаково удаленной от S₁ и S₂) до тех точек Р, в которых будут наблюдаться интерференционные максимумы.

Из прямоугольных треугольников PCS₁ и PBS₂ находим:

. или

. Но , а и

(3)

Учитывая формулы (1) и (2), получим, что максимумы света располагаются на расстоянии

. (4)

А минимумы на расстоянии

(5)

Эти максимумы и минимумы имеют соответственно вид светлых и темных полос, параллельных друг другу. Центральный максимум соответствующий n = 0, проходит через точку О. Расстояние между соседними максимумами (или минимумами) равно

(6)

Таким образом, интерференционная картина, создаваемая на экране двумя когерентными источниками света, представляет собой чередование светлых и темных полос. На основании формулы (6) можно экспериментально определить длину световой волны по измеренным значениям d, L и .

1. Дифракция света. Разрешающая способность оптических приборов.

Явление непрямолинейного распространения света вблизи преграды (огибание световым лучом преграды) называется дифракцией света. При использовании белого света дифракционная картина приобретает радужную окраску.

Дифракцией света обусловлена разрешающая сила (способность) оптических приборов, т.е. способность этих приборов давать раздельное изображение мелких, близко расположенных друг к другу деталей (точек) предмета.

Объектив всякого оптического прибора обязательно имеет входное отверстие. Дифракция света на входном отверстии объектива неизбежно ведет к тому, что изображения отдельных точек наблюдаемого предмета оказываются уже не точками, а светлыми дисками, окаймленными темными и светлыми кольцами. Если рассматриваемые точки (детали) предмета находятся близко друг от друга, то их дифракционные изображения (в фокальной плоскости объектива) могут более или менее перекрываться.

Две близкие точки предмета можно еще видеть раздельно, если световые диски их дифракционных изображений взаимно перекрываются не более чем на величину радиуса диска (рис. а).

Если же диски перекрываются более чем на радиус (рис. б), то раздельное видение точек становиться невозможным; прибор уже не разделяет, или, как говорят, не разрешает, таких точек.

Наименьшее расстояние , при котором две точки предмета еще можно видеть раздельно, называют разрешающим расстоянием.

Разрешающую способность оптического прибора принято измерять величиной 1/ , обратной разрешаемому расстоянию.

Для микроскопа разрешаемое расстояние выражается формулой

, (7)

где - длина волны света, n –показатель преломления среды, находящейся между предметом и объективом, u - апертурный угол, т.е. угол, образованный крайними лучами светового пучка, попадающего в объектив. Произведение называется числовой апертурой.

Согласно (7), разрешающая способность микроскопа 1/ пропорциональна числовой апертуре и обратно пропорциональна длине волны света. Следовательно, для повышения разрешающей способности микроскопа необходимо увеличить его числовую апертуру, так как , то числовую апертуру можно несколько увеличить, если предмет поместить в иммерсионную жидкость, например, в глицерин (n=1.47) или кедровое масло (n=1,52).

Т.о., числовая апертура микроскопа ~1, а из (7) следует, что (если полагать, что =0,5 мкм). Это означает, что в оптический микроскоп нельзя рассматривать предметы, размер которых меньше 0,3 мкм.

Разрешающая способность ставит предел полезному увеличению микроскопа. При увеличении порядка 10³ разрешающему расстоянию(0,3 мкм) соответствует достаточно крупное изображение (0,3 мм). Добиваться большего увеличения не имеет смысла.

Одним из способов уменьшения предела разрешения микроскопа – использование света с меньшей длиной волны. В вязи с этим применяют ультрафиолетовый микроскоп, в котором микрообъекты исследуются в ультрафиолетовых лучах. Так как глаз непосредственно не воспринимает этого излучения, то употребляются фотопластинки, люминесцентные экраны или электронно-оптические преобразователи.

1. Дифракция от одной щели. Дифракционные спектры. Дифракционная решетка.

В лабораторной практике дифракционную картину получают обычно от узких светящихся щелей.

Пучок параллельных монохроматичесих лучей, проходя через линзу фокусируется в точке О, давая светлую полосу.

Учтем теперь, что благодаря дифракции лучи от щели пойдут не только в первоначальном направлении, но и под различными углами к этому направлению ( -угол дифракции).

Рассмотрим пучок лучей, дифрагирующих от щели под таким углом = ₁, что разность хода между крайними лучами пучка будет равна длине световой волны . Тогда весь пучок можно разделить на такие 2 равные зоны 1 и 2, называемые зонами Френеля, для которых разность хода между каждым лучом первой зоны и соответствующим лучом второй зоны окажется равной .

Будучи собраны линзой на линии, проходящей через точку О₁, эти лучи проинтерферируют и взаимно погасятся. В результате через О₁ пройдет темная полоса -дифракционный минимум. Такой же дифракционный минимум пройдет через О’₁, симметричную О₁.

Рассмотрим другой пучок лучей, дифрагирующих под таким углом = ₂, что разность хода между крайними лучами пучка равна 3 . Тогда весь пучок можно разделить на три зоны Френеля: 1, 2 и 3. Соседние зоны погасят друг друга (1 и 2), так как разность хода между лучами этих зон равна , а третья зона останется непогашенной и даст дифракционный максимум на линии, проходящей через О₂. Такой же максимум появится на линии, проходящей через точку О’₂.

Таким образом, пучки лучей, дифрагирующих под углами, соответствующими нечетному числу зон Френеля, создают на экране дифракционные максимумы, а пучки лучей, дифрагирующих под углами, соответствующими четному числу зон Френеля, создают дифракционные минимумы. Освещенность максимумов уменьшатся при увеличении участка дифракции лучей, создающих эти максимумы.

Таким образом, дифракционная картина, получаемая от одной из щелей, представляет собой чередующиеся темные и светлые полосы, симметрично расположенные по обе стороны от центрального максимума.

Освещенность светлых полос быстро убывает при увеличении угла дифракции лучей.

Дифракционные максимумы получаются при разности хода лучей . А дифракционные минимумы при , Поскольку , где а - ширина щели, то дифракционные максимумы наблюдаются под углами, для которых , а дифракционные минимумы под углами, для которых .

При использовании белого света каждый максимум (кроме центрального) приобретает радужную окраску. Дифракционные максимумы называют дифракционными спектрами, а число n – порядком спектра.

Совокупность большого числа узких параллельных щелей, расположенных близко друг от друга, называется дифракционной решеткой, а расстояние d между соседними щелями – периодом решетки.

Посредством дифракционной решетки проводятся очень точные измерения длины световых волн. Для этого пользуются дифракционным спектром.

Примеры решения задач

1. В опыте с зеркалами Френеля расстояние между мнимыми изображениями источника света d = 0,5 мкм, расстояние до экрана L = 5 м. В зеленом свете на экране получились интерференционные полосы на расстоянии =5 мм друг от друга. Найти длину волны зеленого света.

Решение:

Расстояние между соседними интерференционными полосами . Тогда мкм.

2. На щель шириной 0,1мм нормально падает параллельный пучок света от монохроматического источника ( = 0,6 мкм). Определить ширину центрального максимума в дифракционной картине, проектируемой при помощи линзы, находящейся непосредственно за щелью, на экране, отстоящем от линзы на расстоянии L=1м.

Решение:

Максимумы интенсивности света при дифракции от одной щели наблюдаются под углами , определяемыми условиями:

(1)

Расстояние между двумя минимумами .

Так как при малых углах

(2)

Выразим из (1) и подставим в (2), получим: см

Лекция №11

Поляризация света

1. Поляризация света. Закон Малюса.

2. Вращение плоскости поляризации. Оптически активные вещества.

3. Исследование биологических тканей в поляризованном свете.