медицина (в том числе крио
.pdf
Применение оптических систем связи и передачи информации обусловлено возможностью эффективного превращения электрических сигналов в оптическое излучение и оптических сигналов в электрические токи. В этом случае источниками света служат полупроводниковые инжекционные лазеры (см. рисунок 2.17) или светоизлучающие диоды.
Рис 2.17 - Инжекционные лазеры
а- различные типы инжекционных лазеров; б- одночастотный инжекционный лазер с перестраиваемой длиной волны генерации
Фотоприёмник – фотоэлектрический приёмник оптического излучения предназначен для непосредственного преобразования световых сигналов в электрические. К ним относятся фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды и т.п.
В оптических системах информационные сигналы, заключённые в последовательность электрических сигналов, моделируют лазерное излучение: полупроводниковый лазер электрические сигналы превращает в световые.
Световое излучение вводится в световод и распространяется по нему на необходимые расстояния. В конечной точке помещается фотоприёмник, преобразующий световые сигналы в электрические. В итоге мы и воспринимаем их в виде звуковых сигналов при телефонном разговоре или на экране телевизора в виде изображения и речевой информации.
Оптическая система для передачи различных информаций обладает следующими основными достоинствами: помехозащищённость по отношению к электромагнитным воздействиям, скрытость передачи (практическое отсутствие излучения при неповреждённых световодах), малый (по сравнению с экранированными кабелями) вес, отсутствие опасности возгорания и коротких замыканий, меньшее количество (по сравнению с традиционными системами) усилительных устройств (5—12 км для кабелей на оптических волокнах и 2—4 км для систем связи с экранированными кабелями), широкая
информационная полоса пропускания (в настоящее время созданы широкополосные многомодовые световоды с полосой пропускания, определяемой разностью между минимальной и максимальной частотами, порядка 1 ГГц/км).
В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) различают три основных вида систем: магистральные сверхширокополосные линии связи длиной десятки и сотни километров, линии средней длины до 2-х километров (внутригородские) и короткие, используемые внутри отдельных объектов (зданий, самолётов, ЭВМ и т.п.).
Рассмотрим лишь один пример – использование ВОЛС в авиации. По мнению зарубежных специалистов целесообразными направлениями использования волоконной техники в авиации являются:
•в системе передачи изображений по волоконным жгутам;
•в самолётных бортовых системах с низкими информационными потоками;
•в самолётных каналах информационного обмена большой ёмкости;
•в наземной технике связи;
•в системе передачи команд в авиационных ракетах.
Жгуты можно использовать для передачи визуальной информации лётчику от различных датчиков изображений (телевизионных и других датчиков). При наземном обслуживании самолётов они используются для контроля за элементами конструкции самолёта в труднодоступных местах.
Наметившаяся тенденция ухода от управления самолётом посредством системы тяг в пользу проводной линии приведёт к снижению его общей массы и позволит более гибко формировать сигналы управления в зависимости от условий его полёта. В этом случае волоконные кабели с низкими информационными потоками вполне могут заменить электрические. В такой системе низкая потребная информационная ёмкость каналов связи определяется относительно медленным изменением параметров полёта самолёта.
Устойчивость к внешним помехам и малая масса ВОЛС говорят о предпочтительности применения этой системы. При построении единой мультиплексной (сложной и многократной) бортовой системы информационного обмена большой ёмкости наибольший выигрыш можно получить от применения волоконно-оптических линий (магистралей). В этом случае на борту самолёта находятся несколько управляющих вычислительных машин (ЭВМ). Каждая из этих машин способна решать все задачи и передавать часть своих задач на другие ЭВМ в случае отказа.
Перспективность использования ВОЛС для связи между блоками ЭВМ в наземных пунктах управления определяется, в частности, такими преимуществами, как гальваническая развязка и отсутствие электрических наводок на кабель.
ВОЛС в системе передачи команд в авиационной ракете применяются в основном благодаря их высокой помехоустойчивости по отношению к электрическим наводкам.
Считается, что с оптическими линиями связи возможно снижение веса самолёта (при других равных условиях) в пределах четырёх тонн, а стоимости до 10 миллионов долларов.
Область использования волоконных световодов не ограничивается системами связи и передачи информации. Примером применения инфракрасных световодов является волоконно-оптический фторидный лазер (см. рисунок 2.18)
фирмы General Telephone and Electronics, Inc. Здесь активным элементом ла-
зера служит световод из фторидного стекла с добавкой неодима. Такой световод помещён между зеркалами, одно из которых полупрозрачное. Устройство преобразует сине-зелёное лазерное излучение в инфракрасное за счёт того, что сине-зелёный свет возбуждает ионы неодима, вкраплённые в фторидное стекло световода, которое затем испускает инфракрасное излучение.
Рис 2.18 - Фторидный волоконно-оптический лазер
2.5 Световоды в медицине
2.5.1 Щелевые световоды
В медицине щелевые световоды применяются для освещения взрывоопасных барокамер, где лечение или хирургическая операция больных происходит в атмосфере чистого кислорода при повышенном давлении. В этих
случаях традиционное электрическое освещение барокамер возможно только при принятии соответствующих мер повышенной предосторожности.
При применении щелевых световодов лампы находятся вне барокамеры, внутренний объём которой освещается световодами, расположенными внутри помещения.
2.5.2 Волоконные световоды
Как мы уже знаем, в медицине используются различные лазеры, которые генерируют излучение от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона. Мы также рассмотрели их лечебные возможности.
При этом основной задачей становится метод подвода лазерного луча к любому больному участку тела и внутреннему органу пациента. В этом случае, видимо, волоконные световоды и жгуты с небольшими поперечными сечениями и сопоставимыми потерями могут быть наиболее подходящими для указанных целей. Недаром в последние годы наиболее широкое применение в медицине волоконные световоды нашли в области передачи энергии лазерного излучения внутрь человеческого тела для хирургических и терапевтических целей.
Применение оптических волоконных световодов в медицине также связано и с использованием их в диагностической практике в качестве систем передачи изображений, которые называются фиброскопами. На рисунке 2.19 (а) показан общий вид фиброскопа и фотография полипов, полученная с его помощью в клинике Мэйо (рисунок 2.19 (б)).
Рис 2.19 - Фиброскоп
а- общий вид и строение; б- фотография полипов, полученная с помощью фиброскопа.
Из рисунка 2.19 (а) видно, что фиброскоп состоит из внешнего и внутреннего жгутов волоконных световодов, плотно уложенных между собой. Внешний жгут – осветительный, а внутренний – информационный (передача изображения к наблюдателю). Свет из мощного источника (например, ксеноновая лампа) направляется на приёмник. Линза приёмника фокусирует свет от лампы на торец жгута. Свет, проходя по световодам жгута, освещает полип (например, в желудке).
Отражённый от живой ткани свет собирается линзой и фокусируется на торец внутреннего жгута. Изображение можно наблюдать в окуляр, записывать на видеоплёнку и т.д. Новейшие фиброскопы содержат до 10000 световодов в жгуте диаметром около 1 мм. Разрешающая способность такого фиброскопа высока. Он позволяет рассматривать предметы, имеющие размер 70 мкм в поперечнике.
Фиброскопы часто включаются в состав более сложных приборов, называемых эндоскопами. Эндоскопы также имеют дополнительные каналы, позволяющие расширить функции этого прибора. Например, через один канал можно ввести воду для очистки раны от инородных веществ, через другой – миниатюрные скальпели для разрезания биоткани, через третий – иглы для впрыскивания лекарств. Современные эндоскопы имеют длину от 0,3 до 1,2 м и диаметр от 2,5 до 15 мм. На рисунке 2.19 (б) показана концевая часть эндоскопа, в дополнительный канал которого введены миниатюрные ножницы для отделения полипа. На рисунке 2.20 показана возможная конструкция эндоскопа для введения через плечевую артерию для наблюдения фрагментов сердца и разрушения бляшек и других наростов в сосудах. Через него можно наблюдать за клапанами сердца и закупорками в венечных артериях, разрушать бляшки и т.п. На вставке рисунка 2.20 показана концевая часть эндоскопа, состоящего из фиброскопа, надувной манжеты, силового световода для подвода лазерного излучения и вспомогательного канала. Фиброскоп позволит визуально обнаружить бляшки и другие закупорки сосудов. Затем, для временной остановки кровотока манжета надувается.
По силовому световоду подаётся лазерное излучение для разрушения, например, бляшки. После проведённой операции из манжеты выпускается воздух и поток крови восстанавливается. Первоначально для удаления бляшек применяли аргоновый лазер, излучающий зелёный свет, из-за его надёжности и эффективности передачи его излучения по обычным кварцевым световодам. Оказалось, что зелёный свет вызывает обширные тепловые разрушения близлежащих тканей. При этом происходит недостаточно эффектив-
ное удаление бляшки. Для этих целей более эффективными оказались импульсное ультрафиолетовое или инфракрасное лазерное излучение. Для таких операций очень важным является защита кровеносных сосудов от прожигания лазерным лучом. Считается, что волоконные световоды способны передавать инфракрасное излучение СО2 лазера, позволяя создавать безопасные, надёжные и долговечные хирургические системы.
Рис 2.20 - Возможная конструкция эндоскопа
На рисунке 2.21(а) показана полностью закупоренная бедренная артерия. После воздействия лазерного луча, подведённого через световод от исходной закупорки остаётся примерно 30 % (рисунок 2.21 (б)). Для расширения канала кровотока в артерию вводят катетер с надувным баллончиком (рисунок 2.21(в)). После проведенных манипуляций кровоток восстанавливается.
Рис 2.21 - Рентгеновские снимки бедренных артерий
а- Артерия полностью заблокирована; б- Артерия после воздействия лазерного излучения (от исходной закупорки осталось только 30 %); в- Для расширения канала кровотока в артерию вводят катетер с надувным баллончиком, после чего нормальный кровоток восстанавливается.
Волоконные световоды также применяются для обнаружения и лечения небольших опухолей. На рисунке 2.22 (а) показана опухоль, закупорившая трахею. Больному вводят краситель, который опухолью поглощается быстрее, чем здоровой тканью. Через введённый в опухоль волоконный световод подводят лазерное излучение, воздействующее на краситель (рисунок 2.22 (б)). Через два дня (рисунок 2.22 (в)) опухоль после облучения омертвилась и теперь её можно удалить.
Рис 2.22 - Фотодинамическая терапия
а- опухоль, закупорившая трахею; б- введённый в опухоль волоконный световод подводит лазерное излучение, воздействующее на краситель; в- опухоль после облучения омертвилась
Описанный метод – метод фотодинамической терапии. Для осуществления этого метода применялся криптоновый лазер, генерирующий ультрафиолетовое излучение. Облучение опухоли проводилось через кварцевый световод. Краситель – производная гематопарфирина. Этот краситель сильно поглощает красный свет. Для выделения красного света на выходе жгута наблюдения помещается фильтр, пропускающий красный свет и отсекающий отражённое ультрафиолетовое излучение.
Если же поражённую ткань со введённым в неё красителем облучить лазерным излучением красного света большой интенсивности, то энергия поглощения вызывает серию фотохимических реакций, которые убивают злокачественные опухоли. Лазер на парах золота может излучать высокоинтенсивный красный свет. Присоединяя миниатюрные датчики к концам световодов, можно производить измерения физиологических параметров. Например, созданы датчики для измерения давления в артериях, мочевом пузыре, мочеиспускательном канале и в прямой кишке.
Датчик представляет собой прикреплённую к концу световода трубку, дальний конец которой герметизирован тонкой отражающей мембраной (рисунок 2.23). Работа датчика происходит следующим образом. Когда давление вне трубки больше, чем внутри (рисунок 2.23(а)), мембрана прогибается во внутрь, образуя выпуклое зеркало, отражающее в световод только часть света. Это означает, что давление высокое. Если же давление вне трубки ниже, чем внутри, то мембрана, изгибаясь наружу, образует вогнутое зеркало, которое в световод направляет больше света. В этом случае давление низкое.
Рис 2.23 - Волоконно-оптический датчик
При помощи волоконно-оптических средств возможны: измерение скорости кровотока, определение содержания кислорода в крови, проведение прямого и быстрого биохимического и клинического анализов крови, а также решение других проблем физиологии человека.
Лазерная медицинская система 405-4А (Болгария) укомплектована световодами с соответствующими наконечниками (см. рисунок 2.24 (а)).
Рис 2.24 - Гибкие моноволоконные световоды к лазерной медицинской системе 405-4А
а- световоды со специальными наконечниками; б- подвод световода к оперативному полю
Световоды с фиксированным фокальным пятном серии 405-4А-100 дают возможность доводить лазерное излучение до оперативного поля и используются как лазерный скальпель (см. рисунок 2.24 (б)). Благодаря использованию моноволоконного световода лазерный скальпель (модуль) имеет малые габариты и отвечает требованиям хирургии по эргономичности. В модуль встроена линия для обдувания зоны операции буферным газом. Он ком-