University of Cyprus Biomedical Imaging and Applied Optics. ΗΜΥ 370 Εισαγωγή στη Βιοϊατρική Μηχανική. Βιοϊατρική Οπτική I

Transcript

1 University of Cyprus Biomedical Imaging and Applied Optics ΗΜΥ 370 Εισαγωγή στη Βιοϊατρική Μηχανική Βιοϊατρική Οπτική I

2 Λέιζερ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Ενίσχυση φωτός με εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας Ένας ενισχυτή φωτός Einstein, 1917 Βασικές αρχές λειτουργίας Charles Townes και Arthur Schalow, Bell Telephone Laboratories το 1958 G. Gould Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, 1970 Πρώτο πραγματικό λέιζερ Κρύσταλλο ρουβιδίου (Ruby) Theodor Maiman, Hughes Research Laboratories,

3 Λέιζερ Το άτομο του Bohr Υπό τις κατάλληλες συνθήκες ένα ηλεκτρόνιο Μπορεί να μεταβεί από μια θεμελιώδη κατάσταση (ground state ) (χαμηλότερης ενέργειας τροχιά) σε μια ψηλότερη (διεγερμένη (excited) ) κατάσταση απορροφά ενέργεια Μπορεί να υποστεί μετάπτωση (decay) από μια ψηλότερη σε χαμηλότερη κατάσταση εκπέμπει ενέργεια Αλλά δεν μπορεί να παραμείνει μεταξύ των καταστάσεων αυτών Οι επιτρεπόμενες ενεργειακές καταστάσεις είναι κβαντικές Εξαναγκασμένη εκπομπή (Stimulated emission) Φωτόνιο με ενέργεια ~ E 2 -E 1 Προκαλεί μετάπτωση του ηλεκτρονίου εκπέμπεται φωτόνιο με ακριβώς το ίδιο μήκος κύματος, την ίδια κατεύθυνση, και την ίδια φάση (σύμφωνη (coherent) ακτινοβολία) ενίσχυση 3

4 Λέιζερ Το λέιζερ αποτελείται από Μία κοιλότητα κυλινδρικής μορφής, το λεγόμενο σωλήνα λέιζερ, που περιέχει μια ουσία στερεά, υγρή ή αέρια, το υλικό λέιζερ Στα άκρα, δύο παράλληλα κάτοπτρα, το ένα ολικής (100%) και το άλλο μερικής (90-98%) ανάκλασης. Στο εξωτερικό του σωλήνα, μια διάταξη διέγερσης του ενεργού υλικού, η οποία λειτουργεί, ανάλογα με τον τύπο του λέιζερ (δι εκκένωσης, δι αναλαμπών ή δια της εισαγωγής φορτίων) Πηγή Διέγερσης Σωλήνας Λέιζερ Κάτοπτρα (100%, 95%) 4

5 Λέιζερ Λειτουργία Η πηγή διέγερσης προκαλεί την εκπομπή φωτονίων Ανακλώνται επανειλημμένα ανάμεσα στα δύο κάτοπτρα Προκαλούν την εκπομπή ακόμα περισσότερων φωτονίων Όταν τα φωτόνια αυξηθούν αρκετά, τότε μερικά ξεφεύγουν από το κάτοπτρο μερικής ανάκλασης Ακτίνα λέιζερ 5

6 Λέιζερ Επίτευξη συντονισμού (Resonance) Εξαναγκασμένη εκπομπή συμφωνία (coherence) = όλα τα κύματα φωτός σε φάση Αν η κοιλότητα είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του μισού του μήκους κύματος, κάθε κύμα θα είναι στη την ίδια φάση, όταν αντανακλάται από ένα από τα κάτοπτρα της κοιλότητας Υπενθύμιση: ένα φωτόνιο κάνει πολλές διαδρομές μέσα στην κοιλότητα του λέιζερ πριν εκπεμφθεί Αυτό επιτρέπει την ενισχυτική συμβολή μεταξύ όλων των φωτονίων. Άλλα μήκη κύματος δεν θα ενισχύονται σημαντικά, και ως εκ τούτου, θα εξαφανιστούν Στην πράξη, ένα λέιζερ επιτρέπει μεταβάσεις (transitions) σε πάνω από ένα μήκος κύματος (σε συχνότητες με απόσταση Δf) Το υλικό παρέχει ένα εύρο ζώνης κέρδους (gain bandwidth) για διαφορετικά λ Επιλογή κατάλληλου εύρος σε σχέση με το μήκος της κοιλότητας συντονισμού ενίσχυση Δf Μήκος Κοιλότητας Λέιζερ: Διαφορά Συχνότητας μεταξύ παρακείμενων τρόπων: Παράγοντας Ενίσχυσης: L=q(λ/2) Δf = c / (2nL) Amp = (1+Gain) L 6

7 Λέιζερ Συνεχές Κύμα (Continuous Wave) Η ισχύς εξόδου είναι σταθερή, χωρίς χρονικές διακοπές Μαθηματικά χαρακτηρίζεται από μια και μόνο συχνότητα Παλμικό (Pulsed) Ισχύς έρχεται σε μικρές δόσεις Σύντομους παλμούς. Μπορεί να έχει τεράστια μέγιστη ένταση, αλλά χαμηλή μέση ισχύ Μαθηματικά χαρακτηρίζεται από συμβολή πολλών συχνοτήτων Παλμοί μικρότεροι από μερικά μsec (10-6 s) εύκολα παράγονται με απευθείας αυξομείωση της εξόδου ενός CW λέιζερ μηχανικοί, ηλεκτρο-οπτικοί, ή ακουστο οπτικοί μηχανισμοί κλείστρου Πιο μικρής διάρκειας παλμοί, της τάξης των nsec (10 9 s) ή μικρότεροι, επιτυγχάνονται με ειδικά σχεδιασμένα λέιζερ 7

8 Λέιζερ Το μέγεθος και η μορφή των λέιζερ ποικίλει μινιατούρες λέιζερ καρδιά των οπτικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μετρίου μεγέθους μήκος οπτικού από cm ως m μεγάλων διαστάσεων > 10m μήκους Χιλιάδες τύποι λέιζερ υπάρχουν σήμερα Συμπεριλαμβανομένου του φαγώσιμου λέιζερ από ζελέ ( Jello laser) Μπορούμε να τα κατατάξουμε σε κατηγορίες σύμφωνα με το είδος του ενεργού τους υλικού την περιοχή εκπομπής τους την ισχύ της δέσμης τους Μικρότερο λέιζερ στον κόσμο Διάμετρος 50 μm Μεγαλύτερο λέιζερ στον κόσμο λέιζερ ηλεκτρονίων μπορεί να φτάσει περίπου τα 60 μέτρα 8

9 Λέιζερ Μοναδικές ιδιότητες της ακτινοβολίας τους Μονοχρωματικότητα Ένα μήκος κύματος Καλύτερη υπαρκτή προσέγγιση προς το ιδανικό μονοχρωματικό φως. Κατευθυντικότητα Απόκλιση ~ 1mrad Αύξηση της διαμέτρου της δέσμης κατά 1mm ανά μέτρο διαδρομής Λαμπρότητα Πηγές μεγάλης λαμπρότητας και έντασης ακτινοβολίας Συμφωνία Απόλυτη και σταθερή συσχέτιση μεταξύ των μεταβολών του ηλεκτρικού πεδίου Ψηλότερος δυνατός βαθμός συμφωνίας Πόλωση Πολλά λέιζερ παράγουν πολωμένο φως 9

10 Λέιζερ Οι εφαρμογές των λέιζερ Επικοινωνίες Οπτική επικοινωνία CD, DVD, BlueRay, κλπ Φωτογραφίζεται ή λαμβάνεται μικροφωτογραφία ή το ολογράφημα ενός αντικειμένου. Χημικές Εφαρμογές Προσδιορίζεται το φάσμα απορρόφησης ή εκπομπής ενός υλικού ή προκαλείται μια συγκεκριμένη χημική, βιολογική ή φωτοχημική αντίδραση. Βιομηχανικές Εφαρμογές Προσδιορίζονται τα σφάλματα σε μια κατασκευή ή σε ένα βιομηχανικό προϊόν Επιρρίπτεται σε τμήμα ενός υλικού, για να το λειώσει, να το κατεργαστεί, να το συγκολλήσει, να το φωτίσει, ή να το καταστρέψει Στρατιωτικές Μετριέται η απόσταση ή ταχύτητα ή προσδιορίζεται η διεύθυνση επίγειων στόχων ή μετριέται το βάθος υποθαλάσσιων στρωμάτων, υποβοηθάτε η κατασκευή μεγάλων έργων 10

11 Λέιζερ Θεραπευτική Χρήση Λέιζερ Αγγειολογία Κιρσώδεις φλέβες Αραχνοειδής φλέβες Δερματολογία Αισθητική Σημάδια Τεντώματος Κυτταρίτιδα Ρυτίδες Αναζωογόνηση δέρματος Ουλές από ακμή Ουλές από τραύματα Γυναικολογία Φλεγμονή τραχήλου μήτρας Κονδυλώματα Δυσπλασία Δερματολογία Πλαστική Χειρουργική Τελεαγγειεκτάσεις Σπύλοι (κοινώς ελιές ) Κρεατοελιές Δερματοστιξίες Αιμαγγειώματα Αγγειακές δυσπλασίες Αναδιαμόρφωση βλεφάρων Τατουάζ Τριχοφυΐα Οδοντιατρική Διάγνωση τερηδόνας, αφαίρεση τερηδόνας Συγκολλήσεις μετάλλων Αποκάλυψη εμφυτευμάτων Ουλοπλαστική Καταστροφή μικροβίων Διάνοιξη κοιλότητας για σφράγισμα Φωτοπολυμερισμός Αφαίρεση ογκιδίων στο στόμα Ορθοπεδική Αυχενικοί πόνου Ισχιαλγία Οσφυαλγία Αρθρίτιδα Καρπικό σύνδρομο Ουλές Αθλητικοί τραυματισμοί Νευραλγίες Τριεμβρυική νευραλγία Μετά-ερπετική νευραλγία Οφθαλμολογία Γλαύκωμα Διαβητική αµφιβληστροειδοπάθεια Αποκόλληση του αμφιβληστροειδούς Καταρράκτης Διόρθωση αμετρωπειών Χειρουργική Χρήση Λέιζερ Αρθροσκοπική Χειρουργική Σχάσης μηνίσκων Διάστρεμμα συνδέσμων Γαστρεντερολογία Αιμορραγίες στομάχου Πολύποδες Όγκοι. Γενική Χειρουργική Αιμορροΐδες, Συρίγγια Δεσμοειδής κύστη Αιμορραγίες Λαπαροσκοπική Χειρουργική Λύση προσκολλήσεων Χολοκυστεκτομή Ωοθηκικές κύστεις Ινώματα Ορθοπεδική Χειρουργική Διαδερματικό δισκεκτομή Καρπικό σύνδρομο Ουρολογία Προστατεκτομή Κονδυλώματα Παιδιατρική Χειρουργική Αιμαγγειώματα Πνευμονολογία Όγκοι Ωτορινολαρυγγολογία Ροχαλητό, Ρινίτιδα Αμυγδαλεκτομή Εκτομή αναβολέα 11

12 Διόρθωση της Όρασης Μεγάλο μέρος των αμετρωπιών (μυωπία, υπερμετρωπία, αστιγματισμός) μπορούν να διορθωθεί με λέιζερ Υπέρυθρο λέιζερ Αργόν και αέριο φθορίου Μη-θερμική ή ψυχρή ακτίνα φωτός λέιζερ Σπάει μοριακούς δεσμούς ("φωτεκτομή") Αξιοσημείωτη ακρίβειά Αφαιρεί 0,25 μικρόμετρα ιστού (1/200 της ανθρώπινης τρίχας) Αιμοστατικό Στόχος δεν είναι η πλήρης αποβολή των γυαλιών ή των φακών επαφής Εντυπωσιακή μείωση της εξάρτησης Βελτίωσης της ποιότητας ζωής Ακόμα και με άριστο αποτέλεσμα γυαλιά κατά την οδήγηση το βράδυ γυαλιά κατά την ανάγνωση 12

13 LASIK Ενδοστρωματική κερατοσμίλευση με λέιζερ (LASIK) Χαρτογράφηση της διαθλαστικής ικανότητας του ματιού Χορηγούνται αναισθητικές σταγόνες στον οφθαλμό Ο χειρούργος δημιουργεί ένα κρημνό σαν καπάκι και το σηκώνει προς τα πίσω. Το έσω κερατοειδικό στρώμα διαμορφώνεται με τη χρήση του λέιζερ Εφαρμογή του λέιζερ διαρκεί λιγότερο από 1 λεπτό Ο χειρούργος κλείνει τον κρημνό. Ο κρημνός προσκολλάτε με ασφαλή και φυσικό τρόπο. Όλη διαδικασία δεν διαρκεί περισσότερο από 5-10 λεπτά δεν χρειάζεται προστατευτικός φακός ή ράμματα δεν υπάρχει πόνος ή ενόχληση μετεγχειρητικά 13

14 Αλληλεπίδραση φωτός και ιστών Αλληλεπίδραση φωτός και ιστών Ανάκλαση (Reflection) Διάθλαση (Refraction) Απορρόφηση (Absorption) Σκέδαση (Scattering) Φθορισμός (Fluorescence) Light Source Optical Signal Εξαρτάται από Τα συστατικά του ιστού Οπτικές ιδιότητες του ιστού Διάδοση του φωτός Tissue 14

15 Απορρόφηση (Absorption) Εξαγωγή ενέργειας από το φως από κάποια μόρια Απορρόφηση εμφανίζεται όταν η συχνότητα του φωτονίου ταιριάζει με την συχνότητα της μεταβατικής ενέργεια του μορίου Τα ηλεκτρόνια απορροφούν την ενέργεια του φωτός και τη μετατρέπουν σε δονητική (vibrational) κίνηση Τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με τα γειτονικά άτομα μετατρέπουν δονητική ενέργεια σε θερμική ενέργεια 15

16 Απορρόφηση (Absorption) Νόμος Lambert-Beer: I o I e a b μ α = συντελεστής Απορρόφησης (Absorption Coefficient), [cm -1 ] Χαρακτηριστικό του υλικού I 0 = Η ένταση που εισέρχεται στο δείγμα (z = 0) [w/cm 2 ] I = Η ένταση που βγαίνει από το δείγμα [w/cm 2 ] b = το μήκος της διαδρομής μέσα στο δείγμα [cm] Απορρόφηση στους Ιστούς NIR VISIBLE UV NIR Αιμοσφαιρίνη (Hemoglobin) Λιπίδια (Lipids) Νερό (Water) UV-VIS DNA Αιμοσφαιρίνη (Hemoglobin) Λιπίδια (Lipids) Δομικές Πρωτεΐνες (Structural protein)* Φορείς Ελεκτρονίων (Electron carriers)* Αμινοξέα (Amino acids)* * Φθορίζουν όταν διεγερθούν με UV-VIS 16

17 Σκέδαση (Scattering) Αλλαγή της κατεύθυνσης της διάδοσης ή/και ενέργειας του φωτός από κάποια μόρια ή σωματίδια Αποκλειστικά απορρόφηση Με σκέδαση Photon pathlength = L Photon pathlength >> L L Ο Νόμος Lambert- Beer δεν ισχύει εδώ!!! Πρέπει να ξανα-υπολογιστεί το πραγματικό μήκος διαδρομής (pathlength) του φωτός. 17

18 Σκέδαση (Scattering) Αλλαγή της κατεύθυνσης της διάδοσης ή/και ενέργειας του φωτός από κάποια μόρια ή σωματίδια Σκέδαση Rayleigh Σκέδαση από πολύ μικρά σωματίδια λ/10 Η σκέδαση Rayleigh είναι αντιστρόφως ανάλογη της 4ης δύναμης του μήκους κύματος του προσπίπτοντος φωτός I 1 4 λ είναι το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός I είναι η ένταση του σκεδασμένου φωτός o Σκέδαση Mie Σκέδαση από σωματίδια της τάξης ή και μεγαλύτερα από το μήκος κύματος Εμπρόσθια κατεύθυνση σκέδασης (forward scattering) g t b (1 g) s a b o I I e I e Εξολοκλήρου οπίσθια (backward) σκέδαση Ισοτροπική (isotropic) σκέδαση Εξολοκλήρου πρόσθια (forward) σκέδαση Βιολογικοί Ιστοί: 0.65 < g <

19 Σκέδαση (Scattering) Γιατί ο ουρανός είναι μπλε, λευκά τα σύννεφα και το ηλιοβασίλεμα κόκκινο; Ο μπλε ουρανός είναι αποτέλεσμα της σκέδασης των μικρότερων μήκων κύματος Το ορατό φως (μοβ και μπλε) σκεδάζεται επιλεκτικά από το O 2 και N 2 Σκεδάζεται ξανά και ξανά Όταν το φως συναντά μεγαλύτερα σωματίδια (νέφωση, ομίχλη), παρουσιάζει σκέδαση Mie Σκέδαση Mie πολλά μήκη κύματος φαίνονται λευκά Όπως και ο καπνός του τσιγάρου Στη δύση του ηλίου Το φως αναγκάζεται να ταξιδέψει σε μεγαλύτερη διαδρομή μέσα από την ατμόσφαιρα Το μπλε/πράσινο σκεδάζεται μακριά και μόνο το κόκκινο/πορτοκαλί (λιγότερη σκέδαση) φτάνει τα μάτια μας 19

20 Σκέδαση (Scattering) Εξάρτηση σκέδασης Mie ως προς μήκος κύματος Όταν d περίοδος Χαρακτηριστικά Περίοδος κορυφών μέγεθος σκεδαστή Πλάτος διαμόρφωσης αριθμός των σκεδαστών Πιο συχνά μείγμα από σκεδαστές Υπέρθεση (Superposition) φασμάτων Normalized Q backsc d=1 μm d=2 μm d=4 μm Wavelength (nm) 20

21 Σκέδαση (Scattering) Σκέδαση στους ιστούς Από τους ιστούς βγαίνει ένα μείγμα Rayleigh και Mie σκέδασης 10 m 1 m Σκέδαση Mie 0.1 m Σκέδαση Rayleigh 0.01 m κύτταρα πυρήνας μιτοχόνδρια λυσοσώματα, κιστίδια γραμμώσεις σε ινίδια κολλαγόνου Συμφύρματα μακρομορίων (macromolecular aggreagates) μεμβράνες 21

22 Διάδοση φωτός στους ιστούς Σκέδαση και απορρόφηση συμβαίνουν ταυτόχρονα και εξαρτώνται από το μήκος κύματος Η σκέδαση μειώνεται μονοτονικά με το μήκος κύματος Η απορρόφηση είναι μεγάλη στο UV, ορατό, και IR Η απορρόφηση είναι χαμηλή στο κόκκινο και το NIR Οπτικό ή Θεραπευτικό παράθυρο (Optical or Therapeutic window): 600 λ 1000 nm 22

23 Φθορισμός Εκπομπή μετά από απορρόφηση Εκπομπή σε μεγαλύτερο μήκος κύματος (λιγότερη ενέργεια) Φθορισμός ή Φωσφορισμός Η εκπομπή φθορισμού είναι πολύ πιο γρήγορη από ότι του φωσφορισμού Απορρόφηση και εκπομπή σε πολλά πιθανά μήκη κύματος Λόγω των δονητικών ενεργειακών επιπέδων Φάσμα απορρόφησης και φάσμα εκπομπής v =5 v =0 S 1 v=5 v=0 S 0 23

24 Φθορισμός Βιολογικές Φθορίζουσες Χρωστικές (Fluorophores) Ενδογενή Φθοροφόρα Αμινοξέα Δομικές πρωτεΐνες Ένζυμα και συνένζυμα Βιταμίνες Λιπίδια Πορφυρίνες Εξωγενή Φθοροφόρα Χρωστικές κυανίνης Φωτοευαισθητοποιητές Μοριακοί δείκτες - GFP, κλπ. 24

25 Φασματοσκοπία (Spectroscopy) Τι είναι; Φασματοσκοπία = μέτρηση της έντασης των διαφορετικών μηκών κύματος ( χρωμάτων ) του φωτός Τι μπορούμε να μάθουμε από τη φασματοσκοπία; Ενεργειακά επίπεδα τόμων και μορίων Θεμελιώδεις διαδικασίες Τα μοριακά συστατικά των ιστών spectrum to be analyzed dispersion element Wavelengths separated by angle 25

26 Διασπορά (Dispersion) με Πρίσματα n=n(λ) monochromatic light white light 26

27 Διασπορά (Dispersion) με Πρίσματα Χρήσιμα μόνο όπου είναι αρκετή μια χαμηλή διακριτική ικανότητα. Πλεονεκτήματα: Απλά (αλλά το υλικό πρέπει να είναι υψηλής ποιότητας) Μειονεκτήματα: Δεν έχουν δυνατή ψηλή διακριτική ικανότητα Διακριτική ικανότητα και ευκρίνεια μπορεί να διαφέρουν έντονα με λ Διακριτική Ικανότητα (Resolving Power) R prism Φασματική Ευκρίνεια Resolution) R dn t d t (Spectral 27

28 Ουράνια Τόξα (Rainbows) Πως δημιουργούνται τα ουράνια τόξα; Διασπορά από σταγονίδια βροχής Γωνία μεταξύ προσπίπτουσας και εξερχόμενης ακτίνας 42 μοίρες για το κόκκινο 40 μοίρες για το μωβ Σχηματίζεται μια κυκλική στεφάνη από χρώματα στον ουρανό ουράνιο τόξο! Δευτεροταγή (Secondary) ουράνια τόξα Διπλή ανάκλαση του ηλιακού φωτός μέσα στο σταγονίδιο Εμφανίζονται σε γωνίες μοίρες Τα σταγονίδια πρέπει να έχουν το κατάλληλο μέγεθος για να γίνει αυτό Μπορεί να παρουσιαστούν και ουράνια τόξα ανωτέρων τάξεων 28

29 Διασπορά με Πλέγμα (Grating) Περιθλαστικό Πλέγμα (Diffraction grating) Ένα οπτικό στοιχείο με περιοδικές αυλακώσεις Διαχωρίζει το πολυχρωματικό φως σε μια συνεχή σειρά μονοχρωματικών ακτινών Κοιτάξτε την πίσω πλευρά ενός CD ή DVD 29

30 Διασπορά με Πλέγμα (Grating) Περίθλαση (Diffraction) m sin( a) sin( b) Γωνία Littrow (α=β) m 2 Διακριτική Ικανότητα (Resolving Power) R sin( a) o a mnlines Φασματική Ευκρίνεια (Spectral Resolution) o md a md Η αποδοτικότητα (Efficiency) μειώνεται με τη Λ και τη m Προσπίπτουσα Περιθλώμενη (+) A Reflection grating Κάθετος β α β 0 Ανακλώμενη β -1 m: τάξη περίθλασης (ακέραιος) λ : μήκος κύματος Λ = 1/d περίοδος αυλακώσεων α: γωνία πρόσπτωσης β: γωνία περίθλασης D a : διάμετρος διαφράγματος (δηλ. διάμετρος φωτισμού) d Περιθλώμενη (-) α > 0, β 1 >0 β 0 < 0, β -1 < 0 30

31 Φασματογράφος Φασματογράφος (Spectrometer) Συσκευή μέτρησης φάσματος του φωτός Συνήθως με πλέγμα Το πλάτος της σχισμής (slit), w, καθορίζει: Διακριτική ικανότητα (w, R ) Διαπέραση (Throughput) SNR (w, I ) Ως εκ τούτου υπάρχει πάντα μια συμβιβαστική αντιστάθμιση (trade-off) μεταξύ ευκρίνειας και SNR 31

32 Οπτική Βιοψία Ορισμός Η επιτόπια (in situ) ανάλυση ή απεικόνιση της μικροδομής του ιστού με ευκρίνεια που προσεγγίζει εκείνη της ιστολογίας, αλλά χωρίς την ανάγκη για βιοψία ή εκτομή και επεξεργασία των ιστών Διάφορες τεχνολογίες Φασματοσκοπίες Ενδοσκόπηση 32

33 Φασματοσκοπία Ανάκλασης (Reflectance Spectroscopy) Μετρά Αλλαγές στο φάσμα της πηγής Που είναι αποτέλεσμα Σκέδασης (Scattering) Mie και Rayleigh Απορρόφησης (Absorption) Διάφοροι απορροφητές στους ιστούς Εξοπλισμός (Instrumentation) Ενός σημείου (Single point) Δύο οπτικές ίνες (προσπίπτον και ανακλώμενο φώς) Απεικόνισης (Imaging) Πολλές οπτικές ίνες δυσδιάστατος φασματογράφος Περιορισμένη χωρική (spatial) ευκρίνεια Κάμερα με μεταβαλλόμενα φίλτρα Περιορισμένη φασματική ευκρίνεια (τόσα μήκη κύματος όσα και φίλτρα) Εφαρμογές Π.χ. παλμικό οξύμετρο μέτρηση οξυγόνωσης του αίματος 33

34 Παλμικό Οξύμετρο (Pulse Oximeter) Χρήση: Μέτρηση κορεσμού αρτηριακού αίματος Πλεονεκτήματα: Μη επεμβατικό Εξαιρετικά φορητό Συνεχής παρακολούθηση Φτηνό Αξιόπιστο Περιορισμοί: Αξιόπιστο όταν ο κορεσμός Ο 2 είναι πάνω από 70% Δεν είναι πολύ αξιόπιστο όταν η ροή επιβραδύνεται Μπορεί να επηρεαστεί από την κίνηση και τις διαφοροποιήσεις στο φωτισμό του δωματίου Δεν παρέχει ένδειξη του επίπεδου οξυγόνωσης του ιστού 34

35 Παλμικό Οξύμετρο (Pulse Oximeter) Λειτουργία: Μέτρηση του οπτικού σήματος που μεταδίδεται μέσα από το δάχτυλο Το φως περνά από στρώματα ιστών (διαφορετικό πάχος), φλέβες και αρτηρίες Σταθερή απορρόφηση Παλμική απορρόφηση (μόνο λόγω παλμικής ροής αίματος) Φωτισμός με 2 μήκη κύματος Αμφίπλευρα του ισοσβεστικού σημείου (π.χ. 660 και 940 nm) Ισοσβεστικό σημείο: μήκος κύματος όπου διασταυρώνονται τα φάσματα Hb και HbO 2. Προσπίπτουσα Ακτινοβολία % Οξυγόνωση Μη Παλμική Ροή Ισοσβεστικό σημείο Μεταβλητή (παλμική απορρόφηση) Παλμική Ροή Αρτηριακό Αίμα Φλεβικό Αίμα Ιστοί Χρόνος Οξυγονωμένη Αιμοσφαιρίνη Φλεβική Αιμοσφαιρίνη 35

36 Φασματοσκοπία Οπτικής Σκέδασης Πληροφορία από το φάσμα της σκέδασης Σκέδαση Mie Φασματική εξάρτηση του φωτός από το μέγεθος και τη δομή των σωματιδίων της σκέδασης Διαγνωστικά χρήσιμη Τι βλέπουν οι ιστοπαθολόγοι; Δομικές (Architectural) αλλαγές Χαρακτηριστικά των κυττάρων Πυκνότητα και κατανομή Σχήμα Σχήμα του πυρήνα (nucleus) Λόγος πυρήνα ως προς τον ολικό όγκο του κυττάρου Κατανομή της χρωματίνης (Chromatin) Δομή των οργανιδίων Πολυμορφισμό (ποικιλομορφία στο πυρηνικό μέγεθος) και την πυκνότητα του DNA) Όλα τα πιο πάνω επηρεάζουν (και αλλάζουν) το φάσμα του σκεδαζόμενου φωτός Normal cells Scattering on nuclei Connective Tissue Cancer cells Epithelium 36

37 Παράδειγμα απλού συστήματος LSS Φασματογράφος Οπτικές Ίνες Πηγή Φωτός 37

38 Καθετήρες (probes) οπτικών ινών 38

39 Φασματοσκοπία Οπτικής Σκέδασης Εξάρτηση ως προς μήκος κύματος Προσπίπτουσα Ακτινοβολία Μεγάλου Εύρους Φυσιολογικά Κύτταρα Παχέως Εντέρου Ανίχνευση Καρκινικά Κύτταρα Perelman et al. Phys Rev Let 80: (1998); Backman et al. Nature 406: (2000) 39

40 Φασματοσκοπία Φθορισμού Ο φθορισμός είναι μία άκρως ευαίσθητη μέθοδο (μπορεί να μετρήσει συγκέντρωσεις αναλύτη από 10-8 Μ) Κυριότερα μέρη εξοπλισμού φασματοσκοπίας φθορισμού Πηγή φωτός Ευρύ φάσμα (Xe lamp) Μονοχρωματική (LED, laser) Μεταφορά του φωτός στο δείγμα Φακοί/Κάτοπτρα Οπτικές Ίνες Διαχωρισμός μηκών κύματος (είτε για τη διέγερση είτε και για την εκπομπή) Φίλτρα (Filters) Φασματογράφος (Spectrograph) Ανιχνευτής Φωτοπολλαπλασιαστής (PMT) Κάμερα CCD Πηγή Φωτός Έλεγχος/Ανίχνευση Διέγερση Καθετήρας Οπτικών Ινών Ιστός CCD Φασματογράφος Εκπομπή 40

41 Φασματοσκοπία Φθορισμού Επιτόπια (in situ) ανίχνευση καρκίνου του πνεύμονα με το σύστημα απεικόνισης LIFE Ο αυτοφθορισμός βελτιώνει την ικανότητα να εντοπιστούν μικρές προ-καρκινικές αλλοιώσεις Carcinoma in situ White light bronchoscopy Autofluorescence ratio image Courtesy of Xillix Technologies ( 41