Homework 6 / Κατ οίκον Εργασία

Transcript

1 Homework 6 / Κατ οίκον Εργασία 6 05 Name/Όνομα: Date/Ημερ.: You may need some (or none) of the following equations/constants Μπορεί να χρειαστείτε κάποιες (ή καμία) από τις πιο κάτω εξισώσεις/σταθερές For linear motion (const. a) For circular motion (const. a) Parabolic Trajectory F ma p mv v x a v t t v v at 0 x v0t at v v ax 0 x ( v v0 ) t a t t at 0 0t at a 0 ( 0 ) t v R g 0 0 sin v0 h sin g v t g sin τ = r x F = F r sinθ = I a For linear uniform objects I = ml (m = mass, l = length) Doppler Ultrasound v v fd fus fus US fus v US US vus

2 Πλέγματα (Gratings) m sin( a) sin( b) R md md a o a o mnlines m L arcsin Απεικόνιση (Imaging) n f R R Επίπεδη δέσμη (Flat beam) f s s D NA sin f f /#.44 f. d.44 f /# D NA Γκαουσιανή δέσμη (Gaussian beam).54 f.7 d.54 f /# D NA Μετασχηματισμός Fourier rf f, f f X Y o i Range: si M s o hi h f z. cos D f z.7 cos D f L D o f f /# D Last:. z NA.7 z NA f D w L D Οπτική Ιστών (Tissue Optics) I I e o t b ' t s a Φθορισμός (Fluorescence) ' ( g), ( ).303 F x m I A m Z Io x CL m Z s s l t t Amino acid DNA code Note: The start codon is ATG (same as Met)

3 Multiple Choice Questions (5 x = 30 pts) Ερωτήσεις Πολλαπλής Επιλογής (5 x = 30 μ.). In the case of pulse oxymetry, the AC portion of the signal is Στην παλμική οξυμετρία, το εναλλασσόμενο μέρος του σήματος είναι A. Proportional to the absorption difference between oxygenated and deoxygenated haemoglobin Ανάλογο της διαφοράς απορρόφησης μεταξύ οξυνογωνομένης και μη-οξυνογωνομένης αιμοσφαιρίνης B. Proportional to the absorption difference between venous and arterial blood Ανάλογο της διαφοράς απορρόφησης μεταξύ φλεβικού και αρτηριακού αίματος C. Dependant on the geometry of the finger. Εξαρτώμενο από τη γεωμετρία του δακτύλου D. Independent of the arterial contents of the blood vessels. Ανεξάρτητο από το αρτηριακό περιεχόμενο των αιμοφόρων αγγείων. A video endoscope Ένα ενδοσκόπιο βίντεο A. Can have a smaller diameter than a fiber optic endoscope Μπορεί να έχει μικρότερη διάμετρο από ένα ενδοσκόπιο οπτικών ινών B. Is not as flexible as a fiber optic endoscope Δεν είναι τόσο εύκαμπτο όσο ένα ενδοσκόπιο οπτικών ινών C. Can provide better resolution than a fiber optic endoscope Παρέχει καλύτερη ευκρίνεια από ένα ενδοσκόπιο οπτικών ινών D. Provides direct viewing of the tissue investigated Παρέχει άμεση θέαση του υπό εξέταση ιστού 3. A laser beam is always Μια ακτίνα λέιζερ είναι πάντοτε A. Diverging / Αποκλίνουσα B. Coherent / Σύμφωνη δέσμη C. Polychromatic / Πολυχρωματική D. Low intensity / Χαμηλής Έντασης 4. The LASIK procedure includes the following stages (in the right order) Η διαδικασία του LASIK περιλαμβάνει τα πιο κάτω στάδια (στη σωστή σειρά) A. Making a flap Laser excision Closing the flap Stitching Healing Δημιουργία κρημνού (flap) Σμίλευση με λέιζερ Κλείσιμο κρημνού Ραφή Επούλωση B. Laser excision Making a flap Natural healing Closing the flap Σμίλευση με λέιζερ Δημιουργία κρημνού (flap) Φυσική επούλωση Κλείσιμο κρημνού C. Making a flap Excision with a microkeratome Closing the flap Natural healing Δημιουργία κρημνού (flap) Σμίλευση με μικροκερατόμο Κλείσιμο κρημνού Φυσική επούλωση D. Making a flap Laser excision Closing the flap Natural healing Δημιουργία κρημνού (flap) Σμίλευση με λέιζερ Κλείσιμο κρημνού Φυσική επούλωση

4 5. In the case of Mie scattering, scattered light measured at different angles will Στην περίπτωση της σκέδασης Mie, το φως που σκεδάζεται σε διαφορετικές γωνίες θα A. Decrease as a function of angle Μειώνεται σαν συνάρτηση της γωνίας B. Be the same intensity Έχει την ίδια ένταση C. Decrease a function of wavelength Θα μειώνεται σαν συνάρτηση του μήκους κύματος D. Exhibit oscillatory variations which depend on the wavelength Παρουσιάζει ταλαντωτικές διαφορές που θα εξαρτώνται από το μήκος κύματος 6. In the case of Rayleigh scattering, scattered light measured at different angles will Στην περίπτωση της σκέδασης Rayleigh, το φως που σκεδάζεται σε διαφορετικές γωνίες θα A. Decrease as a function of angle Μειώνεται σαν συνάρτηση της γωνίας B. Be the same intensity Έχει την ίδια ένταση C. Decrease a function of wavelength Θα μειώνεται σαν συνάρτηση του μήκους κύματος D. Exhibit oscillatory variations which depend on the wavelength Παρουσιάζει ταλαντωτικές διαφορές που θα εξαρτώνται από το μήκος κύματος 7. A solution with anisotropy, g, of - will scatter light Ένα διάλυμα με ανισοτροπία, g,- θα σκεδάζει το φως A. Backwards Πίσω B. Forwards Μπροστά C. Isotropically Ισοτροπικά 8. Disadvantages of fiber optic endoscopes include Μειονεκτήματα των ενδοσκοπίων οπτικών ινών περιλαμβάνουν A. Require viewing through a monitor Απαιτείται προβολή μέσω οθόνης B. Limited to larger diameters Περιορίζονται σε μεγαλύτερες διαμέτρους C. Cross talk between adjacent image elements Παρεμβολή (διαφωνία) μεταξύ γειτονικών στοιχείων εικόνας D. Not as flexible as video endoscopes Δεν είναι τόσο εύκαμπτα όσο ενδοσκόπια βίντεο 9. The term theragnostics refers to a combination of Ο όρος θεραγνωστική αναφέρεται σε συνδυασμό A. Biocompatible and biodegradable materials Βιοσυμβατών και βιοδιασπώμενων υλικών B. Therapeutic methods and phot-activated materials Θεραπευτικών μεθόδων και φωετο-ενργοποιόμενων υλικών C. Therapeutic and diagnvstic methods Θεραπευτικών και διαγνωστικών μεθόδων D. Therapeutic and magnetic methods

5 Θεραπευτικών και μαγνητικών μεθόδων 0. Nanorobots (nanobots)... Τα νανορομπότ A. Do not exist yet Δεν υπάρχουν ακόμη B. Exist in experimental form in laboratories Υπάρχουν πειραματικά σε εργαστήρια C. Are already used in nanomedicine to remove plaque from the walls of arteries Ήδη χρησιμοποιούνται στη νανοϊατρική για να αφαιρέσουν αθηρωματική πλάκα από τα τοιχώματα των αρτηριών D. Will be used by NASA in the next unmanned mission to Mars Θα χρησιμοποιηθούν από την NASA στην επόμενη μη επανδρωμένη αποστολή στον Άρη.

6 Short Answer Questions (70 pts) Ερωτήσεις με σύντομες απαντήσεις (70 μ.). A slab of soft tissue with one blood vessel in the middle is imaged under an x-ray imaging system, as shown in the figure. The blood vessel may be injected a contrast agent. For ease of computation, assume the tissue and the vessel both have square shaped cross-sections, with dimensions shown in the figure. Further, we assume photons are uniformly shed upon the side of the tissue. For the range of the photon energy of the x-ray used, the absorption coefficients of the soft tissue, the blood vessel and the contrast agent are 0.4 cm- and 0. cm-, and 0 cm-, respectively. Determine the intensity ratio between the regions of the x-ray shown by A and B (i.e. IA/IB) Ένα τεμάχιο μαλακού ιστού με ένα αιμοφόρο αγγείο στη μέση απεικονίζεται με ένα σύστημα απεικόνισης με ακτίνες Χ, όπως φαίνεται στο σχήμα. Στο αιμοφόρο αγγείο μπορεί να εγχυθεί και ένα σκιαγραφικό υλικό. Για ευκολία υπολογισμών, θεωρήστε ότι ο ιστός και το αγγείο έχουν και τα δύο τετραγωνικές διατομές, με διαστάσεις που φαίνονται στο σχήμα. Περαιτέρω, υποθέστε ότι τα φωτόνια φτάνουν ομοιόμορφα κατανεμημένα από την πλευρά του ιστού. Για το εύρος της ενέργειας των φωτονίων των ακτίνων Χ που χρησιμοποιούνται, οι συντελεστές απορρόφησης του μαλακού ιστού, του αιμοφόρου αγγείου και του παράγοντα αντίθεσης είναι 0,4 cm - και 0, cm -, και 0 cm -, αντίστοιχα. Προσδιορίστε την αναλογία έντασης μεταξύ των περιοχών της ακτινογραφίας Α και Β (δηλαδή ΙΑ / ΙΒ) a. when the contrast agent is not injected and όταν δεν υπάρχει σκιαγραφικό και b. when the contrast agent is injected. όταν σκιαγραφικό διέρχεται από το αγγείο. A B

7 . In a single lens optical imaging system, the object is placed cm to the left and the image plane is placed at 8cm to the right of the imaging lens. The medium surrounding the lens is air. Σε ένα σύστημα οπτικής απεικόνισης με ένα μόνο φακό, το αντικείμενο τοποθετείται εκατοστά προς τα αριστερά και το επίπεδο εικόνας τοποθετείται στα 8 εκατοστά προς τα δεξιά του φακού απεικόνισης. Το μέσο που περιβάλλει το φακό είναι αέρας. a. What should be the focal length of the lens if the image is to be in focus? Τι θα πρέπει να είναι το εστιακό μήκος του φακού, ώστε η εικόνα να είναι εστιασμένη; b. What is the magnification? Ποια είναι η μεγέθυνση; c. If the numerical aperture (NA) of this optical system is to be 0., and there are no other physical apertures in the system, what is be the diameter of the imaging lens? Εάν το αριθμητικό άνοιγμα (ΝΑ) αυτού του οπτικού συστήματος είναι 0,, και δεν υπάρχουν άλλα φυσικά ανοίγματα στο σύστημα, ποια είναι η διάμετρος του φακού απεικόνισης; d. If this optical system is illuminated by monochromatic light at wavelength λ = µm and using the parameters from the previous questions, what is the resolution limit? Αν αυτό το οπτικό σύστημα φωτίζεται από μονοχρωματικό φως σε μήκος κύματος λ = μm και χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους από τις προηγούμενες ερωτήσεις, ποιο είναι η ευκρίνεια του συστήματος; e. What size camera (physical dimensions and number of pixels) would you need to adequately image an cm diameter object at the above resolution? Ποιο μέγεθος κάμερας (φυσικές διαστάσεις και αριθμός pixel) θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί για να απεικονίζεται επαρκώς ένα αντικείμενο διαμέτρου cm αντικείμενο με την πιο πάνω ευκρίνεια;

8 3. Right after graduation, you are hired by a medical instrumentation company based in Uganda. As your first assignment, you are asked to design a super-cheap laparoscope for microsurgeries. A laparoscope is an instrument to view inside the abdomen during laparoscopic surgery. Its shape is a tube with an outer diameter of 0 mm and an inner diameter of 8 mm. Its length should be 30 cm. It should image at a distance of cm from the tip and have a field of view of 0.5 mm and a resolution of 3μm. All specification must be met within ±0% error. Failure to provide the right design at minimal cost is punishable by death in Uganda! You decide to go as simple as possible so you put one lens at one end and a CCD camera at the other end of the laparoscope tube. To reduce the cost you must pick an off-the-shelf lens with a diameter of 8 mm and choose a focal length,, 3, 4, etc cm. Unfortunately, the only CCDs available in Uganda are 56x56 pixels. Design the system and show whether it meets the specifications (s i, FOV and resolution) within the 0% limit. Use 53 nm as the mean wavelength. Αμέσως μετά την αποφοίτηση σας, σας προσλαμβάνουν σε μια εταιρία ιατρικού εξοπλισμού με βάση την Ουγκάντα. Ως πρώτη σας αποστολή σας ανατίθεται να σχεδιάσετε ένα πολύ φτηνό λαπαροσκόπιο για μικροχειρουργικές επεμβάσεις. Το λαπαροσκόπιο είναι ένα εργαλείο για να βλέπουμε μέσα στη κοιλιακή χώρα κατά τη διάρκεια της λαπαροσκοπικής επέμβασης. Το σχήμα του είναι ένας σωλήνας με εξωτερική διάμετρο 0 mm και εσωτερική 8 mm. Το μήκος του είναι 30 cm. Πρέπει να απεικονίζει επιφάνειες σε απόσταση cm από την άκρη του και να έχει ένα οπτικό πεδίο 0.5 mm και ευκρίνεια 3 μm. Όλα τα τεχνικά χαρακτηριστικά πρέπει να υλοποιηθούν με σφάλμα μικρότερο ή ίσο του ±0%. Αποτυχία να παραδώσετε το σωστό σχέδιο με το μικρότερο δυνατό κόστος τιμωρείται με θάνατο στην Ουγκάντα! Αποφασίζετε να προχωρήσετε με τον πιο απλό δυνατό τρόπο και έτσι βάζετε ένα φακό στη μία άκρη του σωλήνα του λαπαροσκοπίου και την κάμερα CCD στην άλλη. Για να μειώσετε το κόστος πρέπει να διαλέξετε φακούς από το εμπόριο με διάμετρο 8 mm και ως εκ τούτου έχετε να επιλέξετε εστιακές αποστάσεις,, 3, 4, κλπ. Δυστυχώς οι μόνες κάμερες CCD που υπάρχουν στην Ουγκάντα είναι 56x56 εικονοστοιχεία. Σχεδιάστε το σύστημα και δείξετε κατά πόσο πληροί τα τεχνικά χαρακτηριστικά (s i, FOV και ευκρίνεια) μέσα στα πλαίσια του περιθωρίου 0%. Χρησιμοποιείστε 53 nm σαν το μέσο μήκος κύματος. Lens CCD s o = cm s i = 30 cm

9 4. The range around 800 nm wavelength is called the tissue imaging window. What two factors make this range ideal for imaging and other tissue optics applications? Η περιοχή γύρω από το μήκος κύματος 800 nm αποκαλείται παράθυρο απεικόνισης ιστών. Ποιοι δύο παράγοντες κάνουν αυτή την περιοχή ιδανική για απεικόνιση και άλλες οπτικές τεχνικές σε ιστούς;

10 5. The optical properties of liver tissue are given below: Οι οπτικές ιδιότητες του ηπατικού ιστού που δίνονται παρακάτω: Wavelength (nm) μ a (cm - ) μ s (cm - ) g (a) What is the average distance that a laser beam at a wavelength of 55 nm will travel into the liver? (b) Same question for the 064 nm wavelength. (a) Ποια είναι η μέση απόσταση που μια ακτίνα λέιζερ με μήκος κύματος 55 nm θα ταξιδέψει στο συκώτι; (b) Το ίδιο ερώτημα για το μήκος κύματος 064 nm.

11 6. A fluorescence spectroscopy system is constructed as shown in the following figure. Light from a laser source is directed to the tissue via an optical fiber and then is collected via a separate fiber and taken to a grating-based spectrograph. The characteristics of the fluorophore are also shown in the figure. Ένα σύστημα φασματοσκοπίας φθορισμού είναι κατασκευασμένο όπως το πιο κάτω σχήμα. Φώς από το λέιζερ κατευθύνεται στον ιστό δια μέσου οπτικής ίνας και μετά συλλέγεται από ξεχωριστή οπτική ίνα και μεταφέρεται σε ένα φαματογράφο με πλέγμα. Τα χαρακτηριστικά της φθορίζουσας ουσίας φαίνονται επίσης στο σχήμα. Extinction Coefficient (M - cm - ) Fluorescence Intensity * Fiber Fiber θ L L φ a. What wavelength would be the best to use for excitation and why? Πιο θα ήταν το πιο κατάλληλο μήκος κύματος για διέγερση και γιατί; b. If the light comes out of the fiber at an angle θ = 8 o and lens L has a focal length of f =8 mm, how many grooves must the grating have per mm to obtain a spectral resolution of at least 0. nm for the middle wavelength of the emission spectrum (450 nm) at the first order (m=-)? Αν το φώς βγαίνει από την οπτική ίνα με γωνία θ = 8 o και ο φακός L έχει εστιακή απόσταση f =8 mm, πόσες αυλακώσεις πρέπει να έχει το πλέγμα ανά mm ώστε να έχουμε φασματική ευκρίνεια τουλάχιστον 0. nm για το μέσο μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φάσματος (450 nm) για πρώτη τάξη περίθλασης (m=-);

12 7. A lot of research interest is focused on drug delivery systems. a. For what reasons do we need drug delivery systems? Mention and explain at least three reasons. b. Receptor-mediated cancer targeting has failed miserably in clinical settings. Why is cancer targeting so difficult?