Волоконная оптика и её использование в медицинских приборах

Волоконной оптикой называют раздел оптики, в котором рассматривают передачу света и изображения по светопроводам.

Этим же термином иногда называют и сами волоконно-оптические детали и приборы.

Волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего отражения. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отражается и распространяется вдоль этого волокна (рис. 14). Так как при полном отражении коэффициент отражения сравнительно высок (порядка 0,9999), то потери энергии в основном обусловлены поглощением света веществом внутри волокна. Так, например, в видимой области спектра в волокне длиной 1 м теряется 30—70% энергии.

Рис.14

Для передачи больших световых потоков и сохранения гибкости светопроводящей системы отдельные волокна собираются в пучки (жгуты) — световоды. В медицине световоды используют для решения двух задач: передачи световой энергии, главным образом для освещения холодным светом внутренних полостей, и передачи изображения. Для первого случая не имеет значения положение отдельных волокон в световоде, для второго существенно, чтобы расположение волокон на входе и выходе световода было одинаковым.

Примером применения волоконной оптики для модернизации существующих медицинских аппаратов является эндоскоп (от греч. эндо (внутри) и греч. ... скопо (смотрю) — специальный прибор для осмотра внутренних полостей (желудок, прямая кишка и др.)

Эндоскоп фактически представляет собой микроскоп с небольшим увеличением, приспособленный для введения в полость, то есть имеющий малый диаметр при большой длине тубуса

Вопрос №84

Основные характеристики теплового излучения.Черноетело.Серое тело.

Тепловое излучение свойственно всем телам при абсолютной температуре Т>0, и его источником является внутренняя энергия излучающих тел, а точнее, энергия хаотического теплового движения их атомов и молекул. В зависимости от температуры тела изменяются интенсивность излучения и спектральный состав, поэтому далеко не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение.

Рассмотрим некоторые основные характеристики теплового излучения. Среднюю мощность излучения за время, значительно большее периода световых колебаний, принимают за поток излучения Ф. В СИ он выражается в ваттах (Вт).

Поток излучения, испускаемый 1 м² поверхности, называют энергетической светимостью R_е. Она выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

Нагретое тело излучает электромагнитные волны различной длины волны. Выделим небольшой интервал длин волн от λ до λ + Δλ. Энергетическая светимость, соответствующая этому интервалу, пропорциональна ширине интервала:

(13)

где - спектральная плотность энергетической светимости тела, равная отношению энергетической светимости узкого участка спектра к ширине этого участка, Вт/м³.

Зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны называют спектром излучения тела.

Проинтегрировав (13), получим выражение для энергетической светимости тела:

(14)

Способность тела поглощать энергию излучения характеризуют коэффициентом поглощения, равным отношению потока излучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него:

α = Фпогл /Фпад (15)

Так как коэффициент поглощения зависит от длины волны, то (15) записывают для потоков монохроматического излучения, и тогда это отношение определяет монохроматический коэффициент поглощения:

αλ = Фпогл (λ) /Фпад (λ)

Из (15) следует, что коэффициенты поглощения могут принимать значения от 0 до 1. Особенно хорошо поглощают излучение тела черного цвета: черная бумага, ткани, бархат, сажа, платиновая чернь и т. п.; плохо поглощают тела с белой поверхностью и зеркала.

Тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех длин волн (частот), называют черным. Оно поглощает все падающее на него излучение при любой температуре.

Черных тел в природе нет, это понятие — физическая абстракция. Моделью черного тела является маленькое отверстие в замкнутой непрозрачной полости. Луч, попавший в это отверстие, многократно отразившись от стенок, почти полностью будет поглощен. В дальнейшем именно эту модель будем принимать за черное тело (рис.26).

Рис.26

Тело, коэффициент поглощения которого меньше единицы и не зависит от длины волны света, падающего на него, называют серым.

Серых тел в природе нет, однако некоторые тела в определенном интервале длин волн излучают и поглощают как серые. Так, например, тело человека иногда считают серым, имеющим коэффициент поглощения приблизительно 0,9 для инфракрасной области спектра.

Вопрос №85

Закон излучения черного тело

Абсолютно черное тело – тело, которое полностью поглощает электромагнитные волны любых частот, т.е. все лучи, падающие на тело и ничего не отражает. Поглощая энергию, абсолютно чёрное тело нагревается и само начинает излучать. Примеры: сажа, черный бархат, платиновая чернь. (днем окна домов кажутся темнымиит.д

1.Закон Стефана — Больцмана:Мощность излучения абсолютно чёрного тела прямопропорциональна площади поверхности и четвёртой степени температуры тела:P = SεσT⁴, где ε - степень черноты (для всех веществ ε <1, для абсолютно черного тела ε = 1).

σ (сигма) –постояннаяСтефана — Больцмана= 5,67 Вт/(м²*К⁴)

2.Закон смещения Вина Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Вина: λ_ms = b / T. гдеb=0,28978* 10(-2 степени)м*К-постоянная Вина.Пользуясь законом смещения Вина, можно измерять высокие тел на расстоянии, например, расплавленных , космических тел и др.

3.Закон Планка.Интенсивности излучения абсолютно черного тела зависят от и длины волны. По мере увеличения длины волны энергия лучей возрастает, при некоторой длине волны достигает максимума, затем убывает. Кроме того, для луча одной и той же длины волны энергия его увеличивается с возрастанием тела, испускающего лучи. З-ны Стефана-Больцмаа и Вина позволяют, регистрируя изучение тел ,определять их температуры(оптическая пирометрия)

Вопрос №86 Ультрафиолетовое и инфракрасное излучение и их применение в медицине

Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красной границей видимого света (λ=0.76 мкм) и коротковолновым радиоизлучением [λ=(1-2) мм], называют инфракрасным (ИК).

Лечебное применение инфракрасного излучения основано на его тепловом действии. Наибольший эффект достигается коротковолновым ИК-излучением, близким к видимому свету. Для лечения используют специальные лампы .

Инфракрасное излучение проникает в тело на глубину около 20 мм, поэтому в большей степени прогреваются поверхностные слои. Терапевтический эффект как раз и обусловлен возникающим температурным градиентом, что активизирует деятельность терморегулирующей системы. Усиление кровоснабжения облученного места приводит к благоприятным лечебным последствиям.

Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между фиолетовой границей видимого света (λ=400 нм) и длинноволновой частью рентгеновского излучения (λ=10 нм), называют ультрафиолетовым (УФ).

УФ-излучение необходимо для работы ультрафиолетовых микроскопов , люминесцентных микроскопов, для люминесцентного анализа . Главное применение УФ-излучения в медицине связано с его специфическим биологическим воздействием, которое обусловлено фотохимическими процессами .

Ультрафиолетовые лучи имеют наибольшую энергию, поэтому при их поглощении происходят значительные изменения в электронной структуре атомов и молекул. Поглощенная энергия ультрафиолетовых лучей может мигрировать и использоваться для разрыва слабых связей в молекулах белка.

- Коротковолновые ультрафиолетовые лучи вызывают денатурацию белковых полимеров, которые выпадают в осадок, теряя свою биологическую активность.

- Особое влияние ультрафиолетовых лучей отмечено на молекулы ДНК: нарушается удвоение ДНК и деление клеток, идет окислительное разрушение белковых структур, которое приводит к гибели клетки. Облученная клетка сначала теряет способность к делению, а затем, два-три раза разделившись, погибает.

- Немаловажно и витаминообразующее действие ультрафиолетовых лучей. Провитамины, находящиеся в коже, под влиянием средневолнового ультрафиолетового излучения превращаются в витамин D.

- Ультрафиолетовые лучи проникают всего на 0,1 мм, но несут большую энергию по сравнению с другими электромагнитными колебаниями видимого и инфракрасного спектра.

- Продукты распада белков вызывают расширение сосудов, отек кожи, миграцию лейкоцитов с раздражением рецепторов кожи, внутренних органов с развитием нейрорефлекторных реакций. Продукты разрушения белков разносятся по току крови, оказывая гуморальное воздействие.

- В косметологии ультрафиолетовое облучение широко применяется в соляриях для получения ровного красивого загара. В соляриях, в отличие от естественных условий, применяются фильтры, которые поглощают коротковолновые и средневолновые лучи. Облучение в соляриях начинается с минимального времени - одной минуты, а затем постепенно продолжительность инсоляции увеличивается. Передозировка ультрафиолетовыми лучами приводит к преждевременному старению, снижению эластичности кожи, развитию кожных и онкологических заболеваний.

Вопрос №87