Homework 6 / Κατ Οίκον Εργασία

Transcript

1 Homework 6 / Κατ Οίκον Εργασία 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 1 x v0t at v v ax 0 1 x ( v v0 ) t a t t at t at a ( 1 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) For other objects Doppler Ultrasound v v fd fus fus 1 US fus v US US vus

2 Πλέγματα (Gratings) m sin( a) sin( b) R md o a o mnlines m L arcsin md a Απεικόνιση (Imaging) si hi n 1 M f R1 R f so s i s o h /# f f o D D 1 NA sin f f /# Επίπεδη δέσμη (Flat beam).44 f 1. f d.44 f /# z 1. cos D NA D Γκαουσιανή δέσμη (Gaussian beam).54 f 1.7 f d.54 f /# z 1.7 cos D NA D 1. z NA 1.7 z D w NA Οπτική Ιστών (Tissue Optics) I I e o t b ' (1 g) ' t s a Φθορισμός (Fluorescence) F x, m I A( m ) Z.303Io x CL m Z s s l t 1 t Κώδικας DNA Αμινοξέων (Amino acid DNA code) Note: The start codon is ATG (same as Met)

3 Multiple Choice Questions (15 x = 30 pts) Ερωτήσεις Πολλαπλής Επιλογής (15 x = 30 μ.) 1. Which of the following modalities does not use a form of ionizing radiation? Ποια από τις πιο κάτω μεθόδους δεν χρησιμοποιεί μια μορφή ιονίζουσας ακτινοβολίας; A. X-ray radiography / Ακτινογραφία Ακτινών Χ B. Computed tomography / Αξονική Τομογραφία C. Positron emission tomography / Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων D. Magnetic resonance imaging / Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού. 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 3. 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. 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

4 5. A solution with anisotropy, g, of -1 will scatter light Ένα διάλυμα με ανισοτροπία, g,-1 θα σκεδάζει το φως A. Backwards Πίσω B. Forwards Μπροστά C. Isotropically Ισοτροπικά 6. Which of the following is an advantage of placing the camera at the front part of the endoscope? Ποιο από τα πιο κάτω είναι πλεονέκτημα της τοποθέτησης της κάμερας στο μπροστινό μέρος του ενδοσκοπίου; A. There is no need for an imaging bundle Δεν χρειάζεται δέσμη απεικόνισης B. There is no need for an illumination bundle Δεν χρειάζεται δέσμη φωτισμού C. The resolution and sensitivity remain the same Η ευκρίνεια και ευαισθησία παραμένει η ίδια D. The images are all analog Οι εικόνες είναι εξ ολοκλήρου αναλογικές 7. 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 8. A.5 mm diameter diffraction grating has 1/Λ = 830 lines per mm. Light is incident normally on the grating. Two spectral lines have wavelengths close to λ 0 = 577 nm and the difference in their wavelengths is small. The smallest difference in the wavelengths of the two spectral lines that can be resolved by the grating in the first order (m=1) is closer to: Ένα πλέγμα περίθλασης, με.5 mm διάμετρο, έχει 1/Λ = 830 γραμμές ανά mm. Φως προσπίπτει κάθετα στο πλέγμα. Δύο φασματικές γραμμές έχουν μήκη κύματος κοντά στο λ 0 = 577 nm και η διαφορά στο μήκος κύματος τους είναι πολύ μικρή. Η μικρότερη διαφορά στα μήκη κύματος των δύο φασματικών γραμμών (σε nm) που μπορεί να ξεχωρίσει αυτό το πλέγμα στην πρώτη τάξη (m = 1) είναι περίπου: A. 0.6 B. 0.4 C. 0.3 D. 0.1

5 9. The following are true, regarding capsule vs. standard endoscopy, EXCEPT Τα πιο κάτω είναι ορθά, ως προς τη σχέση ενδοσκόπησης με κάψουλα και συνηθισμένης ενδοσκόπησης, ΕΚΤΟΣ A. Capsules are actively pushed through the bowel at a constant speed whereas the standard endoscope is moved manually. Οι κάψουλες ωθούνται ενεργά μέσω του εντέρου σε σταθερή ταχύτητα, ενώ το συνηθισμένο ενδοσκόπιο μετακινείται χειροκίνητα. B. Neither the capsule nor the standard endoscope can image beyond bowel obstructions Ούτε οι κάψουλες ούτε και το συνηθισμένο ενδοσκόπιο μπορούν να δουν πέρα από αποφράξεις του εντέρου C. The images of capsule endoscopy are of worse quality than standard endoscopy Οι εικόνες της ενδοσκόπησης με κάψουλα είναι χειρότερης ποιότητας από αυτές της συνηθισμένης ενδοσκόπησης D. Capsule endoscopy is better at visualizing malignancies of the small intestine than standard endoscopy Η ενδοσκόπηση με κάψουλα είναι καλύτερη στην απεικόνιση κακοηθειών του λεπτού εντέρου σε σχέση με τη συνηθισμένη ενδοσκόπηση 10. Which of the following is NOT true regarding nanostructures? Ποιο από τα πιο κάτω ΔΕΝ είναι σωστό σε σχέση με τις νανοδομές; A. Cellular mechanisms (e.g. receptors, ion channels, etc) can be considered nanostructures Κυτταρικοί μηχανισμοί (π.χ. υποδοχείς, δίαυλοι ιόντων, κλπ) μπορούν να θεωρούνται νανοδομές B. Nanoparticle size and waveguiding can change the color of natural and artificial objects Το μέγεθος των νανοσωματιδίων και κυμματοδήγηση μπορούν να αλλάξουν το χρώμα φυσικών και τεχνητών αντικειμένων C. Due to their artificial (metallic or semiconductor) nature nanoparticles cannot easily enter cells Λόγω της τεχνητής φύσης τους (μεταλλικά ή ημιαγωγοί) τα νανοσωματίδια δεν μπορούν εύκολα να μπουν μέσα στα κύτταρα D. Nanoparticles and other nanostructures can be used to deliver drugs to specific tissues in the body Νανοσωματίδια και άλλες νανοδομές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παροχή φαρμάκων σε συγκεκριμένους ιστούς στο σώμα 11. Personalizing the administration of a drug, which is known to cure 15% of all colon cancer patients, based on the presence or absence of certain genes in the patients' genome, can result in Ένα φάρμακο είναι γνωστό ότι θεραπεύει το 15% όλων των ασθενών με καρκίνο του παχέος εντέρου. Εξατομίκευση της χορήγησης, με βάση την παρουσία ή απουσία ορισμένων γονιδίων στο γονιδίωμα των ασθενών, μπορεί να οδηγήσει σε A. An increase in the number of colon cancer patients cured Αύξηση του αριθμού των ασθενών με καρκίνο του παχέος εντέρου που θα θεραπευτούν B. A decrease in the overall cost of treating colon cancer Μείωση στο ολικό κόστος της θεραπείας του καρκίνου του παχέος εντέρου C. A decrease in the side effects in the persons treated by the drug Μείωση των παρενεργειών στα άτομα που θα λάβουν το φάρμακο D. Certain death for the patients not treated by the drug Σίγουρο θάνατο για τους ασθενείς που δεν θα λάβουν το φάρμακο

6 1. 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 Θεραπευτικών και μαγνητικών μεθόδων 13. 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.

7 For questions 14-15, fill the blanks with ONE right answer from the choices shown below (A-N). Each choice may be used more than one time. Για τις ερωτήσεις 11-15, συμπληρώστε τα κενά με ΜΙΑ σωστή απάντηση από τις επιλογές που αναγράφονται πιο κάτω (Α-Ν). Κάθε επιλογή μπορεί να χρησιμοποιηθεί περισσότερο από μια φορά. A. X-rays / Ακτίνες Χ B. Γ rays / Ακτίνες Γ C. Sound waves / Ηχητικά κύματα D. Radio frequencies / Ραδιοσυχνότητες E. Absorbed / Απορροφούνται F. Reflected / Ανακλούνται G. Transmitted / Εκπέμπονται H. X-ray imaging / Ακτινογραφία I. Computed Tomography (CT) / Αξονική Τομογραφία J. Magnetic Resonance Imaging (MRI) / Μαγνητική Τομογραφία K. Ultrasound Imaging / Υπερηχογράφημα L. Pozitron Emission Tomography (PET) / Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίου M. Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) / Τομογραφία Μονο-φωτονικής Εκπομπής 14. The diagnostic methods with the least health risks are and Οι διαγνωστικές μέθοδοι που εγκυμονούν τους λιγότερους κινδύνους είναι οι J και K. 15. In an ultrasound imaging we measure which are from the tissues Στο Υπερηχογράφημα μετρούμε C που F από τους ιστούς

8 Short Answer Questions (70 pts) Ερωτήσεις με σύντομες απαντήσεις (70 μ.) 1. In the mid-80s, during the presidency of the not-so-bright Ronald Reagan, the USA spent a considerable amount of money trying to develop a laser-based missile defense system. The idea was to detect intercontinental ballistic missiles at mid-flight (at a height of 100 km) half-way from the source (about 1500 km distance) and shoot them down with a laser beam. The figure below is a simplified schematic of the proposed setup. The project was nicknamed Star Wars and needless to say it remained the stuff of science fiction. Let s explore the issue a little. Στα μέσα της δεκαετίας του 80, κατά τη διάρκεια της προεδρίας του όχι-και-τόσο-έξυπνου Ronald Reagan, οι ΗΠΑ ξόδεψαν σημαντικά ποσά προσπαθώντας να αναπτύξουν ένα σύστημα πυραυλικής προστασίας με λέιζερ. Η ιδέα ήταν να ανιχνεύουν διηπειρωτικούς βαλλιστικούς πυραύλους στο μέσο της πτήσης (σε ύψος 100 χιλιόμετρα) στα μισά της διαδρομής από την πηγή (περίπου 1500 χιλιόμετρα απόσταση) και να τους καταρρίπτουν με μια δέσμη λέιζερ. Το παρακάτω σχήμα είναι ένα απλοποιημένο σχηματικό διάγραμμα του προτεινόμενου συστήματος. Στο εγχείρημα αυτό δόθηκε το παρατσούκλι "Star Wars" και είναι περιττό να αναφέρουμε ότι παρέμεινε ιστορία επιστημονικής φαντασίας. Ας διερευνήσουμε το θέμα λίγο. 100 km 1500 km a. When the sky is blue the particles that cause scattering are small (Rayleigh scattering) whereas when the sky is cloudy the scattering particles are large (Mie scattering). As the wavelength of the laser is increased, what would happen to the laser power delivered at the missile in each case (you can ignore absorption for this question)? (3) Όταν ο ουρανός είναι μπλε, τα σωματίδια που προκαλούν σκέδαση είναι μικρά (σκέδαση Rayleigh) ενώ όταν ο ουρανός είναι συννεφιασμένος τα σωματίδια σκέδασης είναι μεγάλα (σκέδαση Mie). Καθώς το μήκος κύματος του λέιζερ αυξάνεται, τι θα συμβεί με την ισχύ του λέιζερ που παραδίδεται στο βλήμα σε κάθε περίπτωση (μπορείτε να αγνοήσετε απορρόφησης σε αυτήν την ερώτηση); (3) b. Given the statements about the scattering, in the previous question, and the fact that absorption in the atmosphere is mostly water (like the human body!), what wavelength(s) do you think is (are) the most suitable for the purpose of Star Wars? Why? () Λαμβάνοντας υπόψη τις δηλώσεις, στην προηγούμενη ερώτηση, σχετικά με τη σκέδαση καθώς και το γεγονός ότι η απορρόφηση στην ατμόσφαιρα είναι κυρίως λόγω νερού (όπως και στο ανθρώπινο σώμα!), ποιο(α) μήκος(η) κύματος νομίζετε ότι είναι το(α) πλέον κατάλληλο(α) για τους σκοπούς του Star Wars ; Γιατί; () c. To destroy the missile, the laser intensity on its surface must be 40 MW/cm. The total power of the laser is 10 MW in the form of a Gaussian beam. What diameter lens must be used on the surface in order to focus the light and destroy the missile? Assume the lens is placed very close to the laser at the surface and the wavelength is 750 nm. (5) Για να καταστρέψει τον πύραυλο, η ένταση του λέιζερ στην επιφάνεια του πρέπει να είναι 40 MW/cm. Η συνολική ισχύς του λέιζερ είναι 10 MW, με τη μορφή μιας Γκαουσιανής δέσμης. Τι φακό διαμέτρου πρέπει να χρησιμοποιηθεί στην επιφάνεια προκειμένου να εστιασθεί το φως και να καταστρέψει τον πύραυλο; Υποθέστε ότι ο φακός τοποθετείται πολύ κοντά στο λέιζερ στην επιφάνεια και το μήκος κύματος είναι 750 nm. (5)

9 a. When the wavelength of the laser is increased, Rayleigh scattering decreases as a function of λ -4 and therefore the power delivered to the missile increases. However, when it is cloudy (Mie scattering) the scattering can increase or decrease as a function of the wavelength and the size of the particles, and, therefore, the power can vary as a function of wavelength. b. The most suitable wavelengths are those where the absorption of water has a minimum and the scattering is reduced as well. This happens in the near infrared region, around 800 nm. c. 10MW A MW 40 A 0.5cm r r 0.8cm d 0.56cm cm f f km.44 f.44( e3)(750 e 9) d D 67.74m D (0.56e )

10 . 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-1 and 0. cm-1, and 0 cm-1, 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 -1 και 0, cm -1, και 0 cm -1, 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 stlst I A I0e I A e st ( lst lv ) vl v I I B I0e e B e stlst st ( lst lv ) vlv a. b. I I I I A B A B 0.4x4 e e x3.50.x05 0.4x4 e e x3.50x0.5

11 3. Cancer and Targeted Drug Delivery Καρκίνος και Στοχευμένη Χορήγηση Φαρμάκων a. Chemotherapy remains one of the main options in the therapy of cancer despite all its shortcomings and side effects. What does chemotherapy target and how does this lead to the destruction of cancer cells? () Η χημειοθεραπεία παραμένει μία από τις κύριες επιλογές στη θεραπεία του καρκίνου, παρά τις αδυναμίες της και τις παρενέργειες. Τι στοχεύει η χημειοθεραπεία και πώς αυτό οδηγεί στην καταστροφή των καρκινικών κυττάρων; () b. Why are there so many severe side effects after chemotherapy treatment? () Γιατί υπάρχουν τόσο πολλές και σοβαρές παρενέργειες μετά τη χημειοθεραπεία; () c. How could targeted delivery help in increasing the effectiveness of chemotherapy and decreasing the side effects? () Πώς θα μπορούσε η στοχευμένη παροχή να βοηθήσει στην αύξηση της αποτελεσματικότητας της χημειοθεραπείας και στη μείωση των παρενεργειών της; () d. What would you need to make a targeted drug delivery system theranostic? () Τι θα χρειαζόταν να κάνετε για να μετατρέψετε ένα στοχευμένο σύστημα χορήγησης φαρμάκων σε θεραγνωστικό ; () e. Receptor-mediated cancer targeting has failed miserably in clinical settings. Why is cancer targeting so difficult? () Η στόχευση του καρκίνου μέσω υποδοχέων έχει αποτύχει παταγωδώς σε κλινικές δοκιμές. Γιατί η στόχευση του καρκίνου είναι τόσο δύσκολη; () a. Chemotherapy targets the pathways of cells that divide and replicate rapidly and, since cancer cells do divide more rapidly than most normal cells, the chemotherapeutic agents destroy the cancer cells more than the normal ones. b. Unfortunately, some normal cells also divide and replicate as well, e.g. epithelial cells, and they are killed by the chemotherapeutic agents as well resulting in serious side-effects. c. With targeted delivery the chemotherapeutic agent could be transported to the location of the tumor and released or activated there locally. In that way, there will be a much higher concentration of the drug at the tumor thus increasing the effectiveness of the therapy. At the same time, the concentration elsewhere will be extremely low thus reducing the side-effects significantly. d. A theranostic system is one that can be used to diagnose the disease as well as treat it. A targeted delivery system can be made into a theranostic system by adding to it a molecule or particle that can be detected non-invasively (e.g. a paramagnetic molecule to act as a contrast agent which can be detected using MRI). In that way, when the combined system aggregates at the site of the tumor, the tumor can be detected with MRI (diagnosis) and at the same time the drug will be delivered (therapy). e. Cancer targeting is very difficult since cancer cells are not foreign to the body and hence do not have enough differences in membrane molecules that could be targeted effectively while at the same time avoiding normal cells.

12 4. In a single lens optical imaging system, the object is placed 1cm 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 1 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 0.1, 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 0,1, 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 = 1µm 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 = 1 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 1 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 1 cm αντικείμενο με την πιο πάνω ευκρίνεια; a x8 f 4.8cm f so si 1 8 b. si 8 M so 1 c. D NA sin D x4.8x cm f d x1m d 1.m NA 0.1 e. ho 1cm hi cm hi 0.666cm N d 1.m A 0.666x0.666 cm camera with at least 109 pixels is required

13 5. 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 10 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 ±10% 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 1,, 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 10% 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 10 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 ±10%. 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 1,, 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 10%. Χρησιμοποιείστε 53 nm σαν το μέσο μήκος κύματος. Lens CCD s o = cm s i = 30 cm Since s i and s o are given, you first choose the lens: f 1.875cm f s s o f cm i so.143cm f s s o i.143 % error 7.15% This is OK so you will not be executed! Now check whether the resolution is possible:

14 .44 f.44( cm)(53 nm) d 3.5m D 8mm % error 8.33% 3 This is OK so you will not be executed! Now check whether the field of view is possible: si 30 M 14 s.143 o D 8mm FOV 571.4m M 14 This is >0.5 mm so you will not be executed! Next you have to choose the CCD: FOV N pixels d 3.5 FOV d 4, 46m N 56 pixels 4.46 % error 13% Run for your life!

15 6. 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; Around 800 nm, absorption from hemoglobin, melanin and water are at a minimum. At the same time scattering is reduced for longer wavelengths. Around 800 nm, μt is minimized thus allowing better penetration. 7. The optical properties of liver tissue are given below: Οι οπτικές ιδιότητες του ηπατικού ιστού που δίνονται παρακάτω: Wavelength (nm) μ a (cm -1 ) μ s (cm -1 ) g (a) What is the average distance that a laser beam at a wavelength of 515 nm will travel into the liver? (b) Same question for the 1064 nm wavelength. (a) Ποια είναι η μέση απόσταση που μια ακτίνα λέιζερ με μήκος κύματος 515 nm θα ταξιδέψει στο συκώτι; (b) Το ίδιο ερώτημα για το μήκος κύματος 1064 nm. l t 1 ) a l cm (1 0.8) ' t s a (1 g) s a 1 b) l cm (1 0.9)

16 8. 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. L Extinction Coefficient (M -1 cm -1 ) Fluorescence Intensity * Fiber Fiber θ L 1 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 1 has a focal length of f 1 =8 mm, how many grooves must the grating have per mm to obtain a spectral resolution of at least 0.1 nm for the middle wavelength of the emission spectrum (450 nm) at the first order (m=-1)? Αν το φώς βγαίνει από την οπτική ίνα με γωνία θ = 8 o και ο φακός L 1 έχει εστιακή απόσταση f 1 =8 mm, πόσες αυλακώσεις πρέπει να έχει το πλέγμα ανά mm ώστε να έχουμε φασματική ευκρίνεια τουλάχιστον 0.1 nm για το μέσο μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φάσματος (450 nm) για πρώτη τάξη περίθλασης (m=-1); a. The most appropriate wavelength is 350 nm since it is at the absorption peak and will therefore yield the strongest fluorescence signal. b. D (the diameter of the beam illuminating the grating) also depends on the incident angle, but it will always be greater (i.e. better resolution) than normal incident D f tan( ) (8 mm) tan(8).49mm 1 o mda 0.1nm.49mm 4.998x10 mm ~ 000mm md 450nm a o 4 1