Прилади медичної оптики

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Вступ

1. Окуляри, їх медичне застосування при різних патологіях

2. Мікроскоп, його застосування. Види мікроскопів

3. Ендоскопи, їх види та застосування

4. Поляриметр, його застосування. Види поляриметрів

5. Рефрактометр, його застосування. Рефрактометрія

6. Нефелометр, нефелометрія

7. Фотоколориметр

Список використаної літератури

Вступ

Прилади медичної оптики мають велике значення в клінічній практиці та лабораторній діагностиці. Вони покращують зір пацієнтів, дозволяють зазирнути в тіло хворого, визначити концентрацію певних сполук у біологічних рідин і поглянути на мікроскопічну будову органів чи тканин.

1. Окуляри, їх медичне застосування при різних патологіях

Окуляри - це оптичний прилад, що складається з системи лінз застосовується для виправлення вад зору (астигматизм, гіперметрія, міопія ).

Лінза - це найпростіший оптичний елемент, виготовлений із прозорого матеріалу, обмежений двома заломлюючими поверхнями, які мають спільну вісь, або взаємно перпендикулярні площини симетрії. При міопії (короткозорості) використовують розсіювальні лінзи (рис.1а), при гіперметропії (далекозорості) використовують збиральні лінзи (рис.1б), при астигматизмі використовують лінзи з неоднаковою кривизною. Окуляри найпоширеніший оптичний прилад в медицині.

а б

Рисунок 1 - Корекція зору за допомогою лінз

2. Мікроскоп, його застосування. Види мікроскопів

Мікроскоп - це прилад для розглядання дрібних, невидимих для неозброєного ока, предметів у збільшеному зображенні. Мікроскоп використовують в лабораторній діагностиці та мікрохірургії(при зшиванні нервів). Роздільна здатність мікроскопа - це здатність видавати чітке роздільне зображення двох близько розташованих точок об'єкта. Ступінь проникнення в мікросвіт, можливості його вивчення залежать від роздільної здатності приладу. Ця характеристика визначається насамперед довжиною хвилі використовуваного в мікроскопії випромінювання (видиме, ультрафіолетове, рентгенівське випромінювання). Фундаментальне обмеження полягає в неможливості отримати за допомогою електромагнітного випромінювання зображення об'єкта, меншого за розмірами, ніж довжина хвилі цього випромінювання. «Проникнути глибше» в мікросвіт можливо при застосуванні випромінювань з меншими довжинами хвиль.

Оптичний мікроскоп. Людське око - це природна оптична система, що характеризується певною роздільною здатністю, тобто найменшою відстанню між елементами спостережуваного об'єкта (сприйманими як точки або лінії), при якому вони ще можуть бути відмінні один від іншого. Для нормального ока при видаленні від об'єкту на т. з. відстань найкращого бачення (D = 250 мм), середньостатистичне нормальний дозвіл складає 0,176 мм. Розміри мікроорганізмів, більшості рослинних і тваринних клітин, дрібних кристалів, деталей мікроструктури металів і сплавів і т. п. значно менше цієї величини. До середини XX століття працювали тільки з видимим оптичним випромінюванням, в діапазоні 400-700 нм, а також з ближнім ультрафіолетом (люмінесцентний мікроскоп). Оптичні мікроскопи не могли давати роздільної здатності менше напівперіоду хвилі опорного випромінювання (діапазон довжин хвиль 0,2-0,7 мкм, або 200-700 нм). Таким чином, оптичний мікроскоп здатний розрізняти структури з відстанню між точками до ~ 0,20 мкм, тому максимальне збільшення, якого можна було домогтися, становило ~ 2000 крат.

Електронний мікроскоп. Пучок електронів, які мають властивості не тільки частинки, але і хвилі, може бути використаний в мікроскопії.

Довжина хвилі електрона залежить від його енергії, а енергія електрона дорівнює E = Ve, де V - різниця потенціалів, прохідна електроном, e - заряд електрона. Довжини хвиль електронів при проходженні різниці потенціалів 200000 В становить порядку 0,1 нм. Електрони легко фокусувати електромагнітними лінзами, так як електрон - заряджена частинка. Електронне зображення може бути легко переведено у видиме.

Скануючий зондовий мікроскоп. Клас мікроскопів заснований на скануванні поверхні зондом. Скануючі зондові мікроскопи (СЗМ) - відносно новий клас мікроскопів. На СЗМ зображення отримують шляхом реєстрації взаємодій між зондом і поверхнею. На даному етапі розвитку можливе реєструвати взаємодія зонда з окремими атомами і молекулами, завдяки чому СЗМ по спроможності співставні з електронними мікроскопами, а за деякими параметрами перевершують їх. Мікроскоп складається з механічної, оптичної та освітлювальної частин (рис. 2).

Рисунок 2 - Будова оптичного мікроскопа

Де А- окуляр, B - об'єктив, C - об'єкт, D - конденсор, E - предметний столик, F - дзеркало. Збільшення,яке дає мікроскоп можна вирахувати за форму лою: Г=Г1*Г2=Дl0/f1*f2, де Г- загальне збільшення мікроскопа, Г1- збільшення об'єктива, Г2- збільшення окуляра, Д- оптична довжина тубуса, l0-відстань найкращого зору, f1-фокусна відстань об'єктива, f2- фокусна відстань окуляра. Відкриття мікроскопу мало «революційні» наслідки для науки. За допомогою мікроскопа роблять аналіз крові, сечі,гістологічні аналізи тощо.

3. Ендоскопи, їх види та застосування

Найважливішим прикладним аспектом медичної оптики, на мою думку, є ендоскопія. Вона дозволяє проводити огляд деяких доступних порожнин організму без порушення цілісності тканин. А також проводити хірургічні втручання шляхом проколу, що має менше негативних наслідків для пацієнта. Сучасні ендоскопи складаються з гнучкого оптичного волокна, що допомагає їх введенню в порожнини тіла. В основі методу ендоскопії лежить явище повного внутрішнього відбивання (явище непроникнення косих світлових променів із середовища із більшою оптичною густиною в середовище із меншою оптичною густиною). Схема ендоскопа (рис. 3): 1 - досліджуваний об'єкт; 2 - джерело світла; 3 - волоконний освітлювальний світловод; 4 - об'єктив ендоскопа; 5 - гнучкий волоконний світловод для передачі зображення; 6 - окуляр.

Рисунок 3 - Схема будови ендоскопа

Ендоскопи вводять через природні отвори тіла (наприклад, при гастро-, бронхо-, ректо-, гістеро-, цистоскопії) або через операційні розрізи (наприклад, при лапароскопії або медіастеноскопії).

Наука про методи дослідження внутрішніх порожнин людського тіла за допомогою ендоскопа називається ендоскопією. Медичні ендоскопи застосовуються в гастроентерології (гастроскопи та ін.), хірургії (лапароскопи), пульмонології (бронхоскоп), оториноларингології (синускопи та ін.), урології (цистоуретроскопії та ін.), гінекології (гістероскопи), проктології (ректоскопи ), травматології (артроскопії), нейрохірургії, при хірургічному лікуванні деяких судинних захворювань та ін. Сучасні ендоскопи поділяють на жорсткі ендоскопи (лапароскопи ) - з лінзовими, градієнтними або волоконними трансляторами зображення, або без них (без трансляторів зображення роблять т. з. тубусні ендоскопи - ректоскопи, амніоскопи) і гнучкі фіброскопи (наприклад, езофагогастроскопія), які відносяться до приладів волоконної оптики. За допомогою останніх можна оглянути і ті органи, які при використанні жорстких ендоскопів залишаються недоступними для огляду (наприклад, дванадцятипала кишка).

В даний час гнучкі фіброскопи великих діаметрів витісняються відеоендоскопами, які забезпечуються мініатюрними відеокамерами на дистальному кінці і передають інформацію в електронному вигляді. Такі прилади дають істотно більш високу якість зображення ніж фіброскопи.

Оптичні системи фіброскопів (ендоскопів з волоконної оптикою - за термінологією російських стандартів) складаються з великої кількості скляних волокон (світловодів) діаметром 0,01-0,02 мм по яких і передається зображення за рахунок явища повного внутрішнього відбивання на межі розділу середовищ.

Винахід і поширення ендоскопів зумовило можливість не тільки огляду органу, а й прицільного проведення біопсії та хірургічних втручань (видалення сторонніх тіл, поліпів, коагуляція кровоточивих судин і т.д.). Сучасні ендоскопи дозволяють проводити дослідження, зменшуючи ймовірність і тяжкість ускладнень. Серед хірургічних ендоскопічних методів лідирує бурхливо розвивається лапароскопія.

4. Поляриметр, його застосування. Види поляриметрів

Поляриметр - оптичний прилад, застосовуваний у багатьох напрямках наукових досліджень: астрофізиці, інженерії, хімії, медицині. Допомагає вивчати активність магнітних полів, вирішувати технічні завдання, виявляти властивості і структуру розчинів і фізіологічних рідин. В основу роботи пристрою закладено вимірювання рівня поляризації випромінювань різної природи і оцінка оптичної активності однорідних і прозорих середовищ. Залежно від призначення прилад може мати певні конструкційні особливості. Класичний поляриметр для лабораторій хімічної, харчової, фармацевтичної, медичної промисловості складається з декількох базових елементів. До них відносяться: джерело випромінювання, світлофільтр, поляризатори, пластини-компенсатори, вимірювальний пристрій. У вигляді джерела світла зазвичай використовуються натрієві елементи або лампи розжарювання з захисним екраном, що не допускає потрапляння ІК випромінювання на зразок. Для підвищення об'єктивності вимірів в конструкцію вводиться матове скло, що забезпечує рівномірну подачу променя на аналізовану область. Фільтр необхідний для виділення певної ділянки в спектрі, оскільки даний метод дослідження заснований на монохроматичному світінні. Зазвичай з цією метою використовується призма або фільтруюча пластина. Зразок під час експерименту розміщується між двома поляризаторами, один з яких завжди є поляроїд, а другий може бути призмою. Обов'язковими елементами приладу також є пластини-компенсатори (товщина яких кратна довжині хвилі, що дозволяє підібрати ефективний метод вимірювань) і вимірювальний пристрій (електронний датчик). За допомогою поляриметра з успіхом проводять дослідження будь-яких однорідних прозорих розчинів, визначають концентрацію оптично активних компонентів, здійснюють глюкометр, вимірюють вміст у рідині білка. Це один з основних інструментів для спостереження за пацієнтами з цукровим діабетом, який може використовуватися в домашніх умовах.

5. Рефрактометр, його застосування. Рефрактометрія

Рефрактометр - прилад, що вимірює показник заломлення світла в середовищі. оптичний ендоскопічний діагностика колориметр

Рефрактометрія. Рефрактометрія (від лат. Refractus - заломлений і др.-грец. МефсЭщ «вимірюю») - це метод дослідження речовин, заснований на визначенні показника (коефіцієнта) заломлення (рефракції) і деяких його функцій. Рефрактометрія (рефрактометричний метод) застосовується для ідентифікації хімічних сполук, кількісного і структурного аналізу, визначення фізико-хімічних параметрів речовин. Показник заломлення n являє собою відношення швидкостей світла в межують середовищах. Для рідин і твердих тіл n зазвичай визначають щодо повітря, а для газів - щодо вакууму. Значення n залежать від довжини хвилі л світла і температури, які вказують відповідно в підрядковій і надіндексом. Наприклад, показник заломлення при 20 ° C для D-лінії спектру натрію (л = 589 нм) -. Часто використовують також лінії спектра водню С (л = 656 нм) і F (л = 486 нм). У разі газів необхідно також враховувати залежність n від тиску (вказувати його або наводити дані до нормального тиску).

В ідеальних системах (утворюються без зміни обсягу і поляризації компонентів) залежність показника заломлення від складу близька до лінійної, якщо склад виражений в об'ємних частках (відсотках)

n = n1V1 + n2V2,

де n, n1, n2 - показники заломлення суміші і компонентів, V1 і V2 - об'ємні частки компонентів (V1 + V2 = 1).

Для рефрактометрії розчинів в широких діапазонах концентрацій користуються таблицями або емпіричними формулами, найважливіші з яких (для розчинів сахарози, етанолу та ін.) затверджуються міжнародними угодами і лежать в основі побудови шкал спеціалізованих рефрактометрів для аналізу промислової та сільськогосподарської продукції.

Залежність показника заломлення водних розчинів деяких речовин від концентрації. Вплив температури на показник заломлення визначається двома факторами: зміною кількості частинок рідини в одиниці об'єму і залежністю поляризуємості молекул від температури. Другий фактор стає істотним лише при дуже великому зміні температури.

Температурний коефіцієнт показника заломлення пропорційний температурному коефіцієнту щільності. Оскільки всі рідини при нагріванні розширюються, то їх показники заломлення зменшуються при підвищенні температури. Температурний коефіцієнт залежить від величини температури рідини, але в невеликих температурних інтервалах може вважатися постійним.

Для переважної більшості рідин температурний коефіцієнт лежить у вузьких межах від -0,0004 до -0,0006 1/град. Важливим винятком є вода і розбавлені водні розчини (-0,0001), гліцерин (-0,0002), гліколь (-0,00026).

Лінійна екстраполяція показника заломлення припустима на невеликі різниці температур (10 - 20 ° C). Точне визначення показника заломлення в широких температурних інтервалах проводиться за емпіричними формулами виду: nt = n0 + at + bt2 + ...

Тиск впливає на показник заломлення рідин значно менше, ніж температура. При зміні тиску на 1 атм. зміна n становить для води 1,48 · 10-5, для спирту 3,95 · 10-5, для бензолу 4,8 · 10-5. Тобто зміна температури на 1 ° C впливає на показник заломлення рідини приблизно також, як зміна тиску на 10 атм.

Зазвичай n рідких і твердих тіл рефрактометром визначають з точністю до 0,0001 на рефрактометром, в яких вимірюють граничні кути повного внутрішнього відображення. Найбільш поширені рефрактометри Аббе з призматичними блоками і компенсаторами дисперсії, що дозволяють визначати в "білому" світлі за шкалою або цифровому індикатору. Максимальна точність абсолютних вимірів (10.10 -10) досягається на гоніометрів за допомогою методів відхилення променів призмою з досліджуваного матеріалу. Для вимірювання n газів найбільш зручні інтерференційні методи. Інтерферометри використовують також для точного (до 10 · 10-7) визначення різниць n розчинів. Для цієї ж мети служать диференціальні рефрактометри, засновані на відхиленні променів системою двох-трьох порожнистих призм.

Автоматичні рефрактометри для безперервної реєстрації n в потоках рідин використовують на виробництвах при контролі технологічних процесів і автоматичному управлінні ними, а також в лабораторіях для контролю ректифікації і як універсальні детектори рідинних хроматографів.

Рефрактометрія, що виконується за допомогою рефрактометрів, є одним з поширених методів ідентифікації хімічних сполук, кількісного і структурного аналізу, визначення фізико-хімічних параметрів речовин. Прилад застосовується в фармакологічній промисловості(контроль концентрації аскорбінової кислоти і цетогулонової кислоти при виробництві вітаміну С), в діагностиці (визначення концентрації цукру, загальний вміст білка, ідентифікація речовини), в офтальмології ( визначають заломлюючу силу ока людини, що використовується лікарями для діагностики таких захворювань, як короткозорість, далекозорість та астигматизм).

6. Нефелометр, нефелометрія

Нефелометри - спеціальні прилади для вимірювання інтенсивності розсіяного світла використовуються. Їх дія заснована на зрівняння двох світлових потоків: одного від розсіює суспензії, іншого від матового або молочного скляного розсіювача приладу. Один з варіантів нефелометрії - нефелометричне титрування, в якому розчин аналізованого речовини титрують розчином осаджувача. У процесі титрування інтенсивність розсіяного світла збільшується пропорційно кількості виникають частинок. У точці еквівалентності зростання помутніння припиняється. По зламу кривої титрування знаходять обсяг витраченого на реакцію осаджувача. Похибка при цьому складає від 5 до 10%. Нефелометрія (від др.-грец. НецЭлз - «хмара» і мефсЭщ - «вимірюю») - метод дослідження та аналізу речовини за інтенсивністю світлового потоку, що розсіюється зваженими частинками даної речовини. Інтенсивність розсіяного світлового потоку залежить від безлічі факторів, зокрема від концентрації частинок в аналізованої пробі. Велике значення при нефелометрії має об'єм частинок, що розсіюють світло. Важлива вимога до реакцій, застосовуваним при нефелометрії, полягає в тому, що продукт реакції повинен бути практично не розчиняється і представляти собою суспензію (суспензія). Для утримання твердих частинок в підвішеному стані застосовуються різні стабілізатори (наприклад, желатин), що запобігають коагуляцію часток. Для вимірювання інтенсивності розсіяного світла використовуються спеціальні прилади - нефелометрія. Їх дія заснована на зрівняння двох світлових потоків: одного від розсіює суспензії, іншого від матового або молочного скляного розсіювача приладу. Один з варіантів нефелометрії - нефелометричне титрування, в якому розчин аналізованого речовини титрують розчином осаджувача. У процесі титрування інтенсивність розсіяного світла збільшується пропорційно кількості виникають частинок. У точці еквівалентності зростання помутніння припиняється. По зламу кривої титрування знаходять обсяг витраченого на реакцію осаджувача. Похибка при цьому складає від 5 до 10%.

7. Фотоколориметр

Фотоколориметр - оптичний прилад для вимірювання концентрації речовин в розчинах. Дія колориметра засноване на властивості забарвлених розчинів поглинати проходить через них світло тим сильніше, чим вище в них концентрація забарвлюючого речовини. На відміну від спектрофотометра, вимірювання ведуться в променях не монохроматичного, а поліхроматичного вузько спектрального світла, формованого світлофільтром. Застосування різних світлофільтрів з вузькими спектральними діапазонами пропускається світла дозволяє визначати окремо концентрації різних компонентів одного і того ж розчину. На відміну від спектрофотометрів, фотоколориметри прості, недорогі і при цьому забезпечують точність, достатню для багатьох застосувань.

Колориметри поділяються на візуальні і об'єктивні (фотоелектричні) - фотоколориметри. У візуальних колориметрах світло, що проходить через вимірюваний розчин, висвітлює одну частину поля зору, в той час як на іншу частину падає світло, що пройшло через розчин того ж речовини, концентрація якого відома. Змінюючи товщину першого шару одного з порівнюваних розчинів або інтенсивність першого світлового потоку, спостерігач домагається, щоб колірні тони двох частин поля зору не відрізнялися на око, після чого з відомих співвідношенням між товщиною першого шару, інтенсивністю першого світлового потоку та концентрацією може бути визначена концентрація досліджуваного розчину.

Фотоелектричні колориметри (фотоколориметри) забезпечують більшу точність вимірів, ніж візуальні; в якості приймачів випромінювання в них використовуються фотоелементи (селенові і вакуумні), фотоелектронні помножувачі, фоторезистори (фотоопір) і фотодіоди. Сила фотоструму приймачів визначається інтенсивністю падаючого на них світла і, отже, ступенем його поглинання в розчині (тим більшою, чим вище концентрація). Крім фотоелектричного колориметра (фотоколориметр) з безпосереднім відліком сили струму, поширені компенсаційні колориметри, в яких різниця сигналів, відповідних стандартному і вимірюваних розчинів, зводиться до нуля (компенсується) електричним або оптичним компенсатором (наприклад, клином фотометричним); відлік в цьому випадку знімається зі шкали компенсатора. Компенсація дозволяє звести до мінімуму вплив умов вимірювань (температури, нестабільності властивостей елементів колориметра) на їх точність. Показання колориметра не дають відразу значень концентрації досліджуваної речовини в розчині - для переходу до них використовують градуювальні графіки, отримані при вимірюванні розчинів з відомими концентраціями.

Вимірювання за допомогою колориметра відрізняються простотою і швидкістю проведення. Точність їх у багатьох випадках не поступається точності інших, більш складних методів хімічного аналізу. Нижні межі визначаються концентрацій в залежності від методу складають від 10-3 до 10-8 моль / л.

Список використаної літератури

1. Ливенцев Н.М. - Курс фізики [1978]

2. Ю.О. Іщейкіна, В.І. Макаренко, Н.В. Тронь - Медична і біологічна фізика [Полтава 2012]

3. Шишловский А.А., Прикладная физическая оптика, М., 1961

4. Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа: изд 5-е, перераб. -- Л.: «Химия», 1986.

5. Сминтина В. А. Оптика: Підручник

6. Поляриметр. http://ru.wikipedia.org/

7. Поляриметр. http://www.xumuk.ru/

8. Колориметр фотоелектричний. http://medicine-encyclopedia.info/

Размещено на Allbest.ru