Фотоника в медицине доклад

Обновлено: 05.07.2024

Последние десятилетия характеризуются бурным ростом исследований в области молекулярной биофизики, биотехнологии и мембранологии. Все эти процессы не могли не сказаться на развитии новых диагностических и лечебных технологий, практически используемых для решения медицинских задач.

Наиболее удобными методами исследования изменений, возникающих в биологических объектах в ответ на поглощение кванта света, являются оптические, позволяющие изучить способность веществ поглощать и трансформировать энергию света, что лежит в основе всякого фотобиологического процесса. Оптические методы (спектрофотометрия, люминесценция, нефелометрия, рефрактометрия) дают возможность исследовать процессы без дополнительного вмешательства, модификации живых структур в сложных биосистемах (целые клетки, ткани или организмы) и применяются для изучения состояния биообъекта, а также характера и степени изменения этого состояния в условиях различного микроокружения и под влиянием физико-химических воздействий.

Приведенные выше достоинства в сочетании с достаточно высокой чувствительностью, точностью, быстродействием объясняют широкое распространение оптических методов в медицине, медицинской экологии, биологии, биотехнологии и других областях знаний.

Перспективным наукоемким направлением в современной медицине является разработка и создание новых технологий фотодинамической терапии и диагностики рака. Фотодинамическая терапия (ФДТ) - метод лечения, основанный на применении светочувствительных веществ - фотосенсибилизаторов (ФС), накапливающихся в опухолях и других образованиях различных органов, активизирующихся под действием лазерного или иного светового облучения, обеспечивая, в конечном итоге, разрушение патологических образований. Диагностика злокачественных заболеваний остается во многом нерешенной проблемой. Выявление ранних форм опухолевого роста затруднено на доклиническом этапе отсутствием симптоматики и специфических тестов диагностики для большинства гистологических форм опухолей.

В этой связи представляют особый интерес данные о возможности применения флуорохромов для ранней диагностики и лечения онкологических заболеваний. Среди препаратов последнего поколения, предназначенных для выявления опухолей, новые надежды связаны с радахлорином. По данным ряда авторов радахлорин имеет отчетливую тропность к опухолевой ткани, высокую интенсивность вызванной флуоресценции, низкую токсичность.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ УКРАИНЫ

ЛУГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра мед. кибернетики, биофизики и мед. аппаратуры

Реферат на тему:

Исполнитель: студент I курса 28 группы лечебного факультета

Руководитель: Деркач Л.С.

ПЛАН

Определение фотоэффекта 6

Виды фотоэффектов 6

Уравнение Эйнштейна 8

Применение фотоэффекта в медицине 10

Список использованных источников 16

Введение

В 1887 г. немецкий физик Генрих Герц экспериментировал с разрядником для излучения электромагнитных волн - парой металлических шаров; при приложении разности потенциалов между ними проскакивала искра. Когда же он освещал один из шаров ультрафиолетовыми лучами, разряд усиливался. Таким образом, был обнаружен внешний фотоэффект.

В 1888 г. Вильгельм Гальвакс установил, что облучённая ультрафиолетовым светом металлическая пластинка заряжается положительно. Так произошло второе открытие фотоэффекта. Третьим, не зная об опытах Герца и Гальвакса, его наблюдал в том же году итальянец Аугусто Риги. Он выяснил, что фотоэффект возможен и в металлах, и в диэлектриках. Александр Григорьевич Столетов был четвёртым учёным, независимо от других открывшим фотоэффект. Он два года исследовал новое явление и вывел его основные закономерности. Оказалось, что сила фототока, во-первых, прямо пропорциональна интенсивности падающего света, а во-вторых, при фиксированной интенсивности облучения сначала растёт по мере повышения разности потенциалов, но, достигнув определённого значения (ток насыщения), уже не увеличивается.

В 1899 г. немец Филипп Ленард и англичанин Джозеф Томсон доказали, что падающий на металлическую поверхность свет выбивает из неё электроны, движение которых и приводит к появлению фототока. Однако понять природу фотоэффекта с помощью классической электродинамики так и не удалось. Необъяснимым оставалось, почему фототок возникал лишь тогда, когда частота падающего света превышала строго определённую для каждого металла величину.

Только в 1905 г. Эйнштейн превратил эту загадку в совершенно прозрачную картину. Он предположил, что электромагнитное излучение не просто испускается порциями - оно и распространяется в пространстве, и поглощается веществом тоже в виде порций - световых квантов (фотонов). Поэтому для возникновения фотоэффекта важна отнюдь не интенсивность падающего светового пучка. Главное, хватает ли отдельному световому кванту энергии, чтобы выбить электрон из вещества. Минимальную энергию, необходимую для этого, называют работой выхода А. В итоге Эйнштейн вывел уравнение фотоэффекта.

Ясно, что фотоэффект может вызывать только световая волна достаточно высокой частоты, а сила фототока пропорциональна интенсивности поглощённого света, то есть числу фотонов, способных выбить электроны из вещества. В 1907 г. Эйнштейн сделал ещё одно уточнение квантовой гипотезы. Почему тело излучает свет только порциями? А потому, отвечал Эйнштейн, что атомы имеют лишь дискретный набор значений энергии. Таким образом, теория излучения и поглощения приняла законченный вид.

В 1922 г. американец Артур Комптон обнаружил, что длинна волны рентгеновского излучения изменяется при рассеянии на электронах вещества. Но, по классической электродинамике, длина световой волны при рассеянии меняться не может! Тогда Комптон выполнил расчёт, предположив, что на электронах рассеиваются не волны, а частицы (фотоны). Результат совпал с экспериментальным. Это стало прямым доказательством реальности существования фотонов.

Определение фотоэффекта

Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называют группу
явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом и
заключающихся либо в эмиссии электронов (внешний фотоэф-
фект), либо в изменении электропроводимости вещества или
возникновении электродвижущей силы (внутренний фотоэф-
фект).

В фотоэффекте проявляются корпускулярные свойства света.
В 1888 Гальвакс показал, что при облучении ультрафиолетовым светом электрически нейтральной металлической пластинки последняя приобретает положительный заряд. В этом же году Столетев создал первый фотоэлемент и применил его на практике, потом он установил прямую пропорциональность силы фототока интенсивности падающего света. В 1899 Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны.

Виды фотоэффектов

Выделяют три основных вида фотоэффектов: внутренний, внешний и вентильный.

Внешний фотоэффект наблюдается в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах.

Внешний фотоэффект в металле можно представить состоя-
щим из трех процессов: поглощение фотона электроном прово-
димости, в результате чего увеличивается кинетическая энергия
электрона; движение электрона к поверхности тела; выход элек-
трона из металла. Этот процесс энергетически описывают уравнением Эйнштейна (см. ниже).

Если, освещая металл монохроматическим светом, уменьшать частоту излучения (увеличивать длину волны), то, начиная с
некоторого ее значения, называемого красной границей; фото
эффект прекратится.

Внутренний фотоэффект наблюдается при освещении полу-
проводников и диэлектриков, если энергия фотона достаточна
для, переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости,
В примесных полупроводниках фотоэффект обнаруживается так-
же в том случае, если энергия электрона достаточна для пере-
броса электронов в зону проводимости с донорных примесных
уровней или из валентной зоны на акцепторные примесные уров-
ни. Так в полупроводниках и диэлектриках возникает фотоэлектропроводимость.

Интересная разновидность внутреннего фотоэффекта наблю-
дается в контакте электронного и дырочного полупроводников.
В этом случае под действием света возникают электроны и дыр-
ки, которые разделяются электрическим полем р-n-перехода;
электроны перемещаются в полупроводник типа n, а дырки -
в полупроводник типа р, При этом между дырочным и электрон-
ным полупроводниками изменяется контактная разность потен-
циалов по сравнению с равновесной, т. е. возникает фотоэлектро-
движущая сила. Такую форму внутреннего фотоэффекта назы-
вают вентильным фотоэффектом.

Он может быть использован для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения в энергию элек-
трического тока.

Уравнение Эйнштейна

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально интенсивности света.

Согласно 2-ому закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света v₀ (или максимальная длина волны ?₀), при которой ещё возможен фотоэффект, и если v 2 / 2 ,

где mv 2 –максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла. Она может быть определена:

U ₃ - задерживающее напряжение.

В теории Эйнштейна законы фотоэффекта объясняются следующим образом:

Интенсивность света пропорциональна числу фотонов в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла.

Второй закон следует из уравнения: mv 2 /2=hv-A.

Из этого же уравнения следует, что фотоэффект возможен лишь в том случае, когда энергия поглощённого фотона превышает работу выхода электрона из металла. Т. е. частота света при этом должна превышать некоторое определённое для каждого вещества значение, равное A>h. Эта минимальная частота определяет красную границу фотоэффекта:

При меньшей частоте света энергии фотона не хватает для совершения электроном работы выхода, и поэтому фотоэффект отсутствует.

Квантовая теория Эйнштейна позволила объяснить и ещё одну закономерность, установленную Столетовым. В 1888 Столетов заметил, что фототок появляется почти одновременно с освещением катода фотоэлемента. По классической волновой теории электрону в поле световой электромагнитной волны требуется время для накопления необходимой для вылета энергии, и поэтому фотоэффект должен протекать с запаздыванием по крайне мере на несколько секунд. По квантовой теории же, когда фотон поглощается электроном, то вся энергия фотона переходит к электрону и никакого времени для накопления энергии не требуется.

С изобретением лазеров появилась возможность экспериментировать с очень интенсивными пучками света. Применяя сверхкороткие импульсы лазерного излучения, удалось наблюдать многофотонные процессы, когда электрон, прежде чем покинуть катод, претерпевал столкновение не с одним, а с несколькими фотонами. В этом случае уравнение фотоэффекта записывается: Nhv=A+mv 2 /2, чему соответствует красная граница.

Применение фотоэффекта в медицине

Электровакуумные или полупроводниковые приборы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, называют фотоэлектронными. Рассмотрим устройство некоторых из них.

Наиболее распространенным фотоэлектронным прибором является фотоэлемент. Фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, состоит из источника электронов — фотокатода К, на который попадает свет, и анода А.

Вся система заключена в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Фотокатод, представляющий собой фоточувствительный слой, может быть непосредственно нанесен на часть внутренней поверхности баллона. На рисунке дана схема включения фотокатода в цепь.

Для вакуумных фотоэлементов рабочим режимом является режим насыщения, которому соответствуют горизонтальные участки ВАХ, полученных при разных значениях светового потока (рис. 2).

Основной параметр фотоэлемента — его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Эта величина в вакуумных фотоэлементах достигает значения порядка 100 мкА/лм.

Для увеличения силы фототока применяют также газонаполненные фотоэлементы, в которых возникает несамостоятельный темный разряд в инертном
газе, и вторичную электронную эмиссию — испускание электронов, происходящее в результате бомбардировки поверхности металла пучком первичных электронов. Последнее находит применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ).

Схема ФЭУ приведена на рис. 3. Падающие на фотокатод К фотоны эмиттируют электроны, которые фокусируются на первом электроде (диноде) Э₁. В результате вторичной электронной эмиссии с этого динода вылетает больше электронов, чем падает на него, т. е. происходит как бы умножение электронов. Умножаясь на следующих динодах, электроны в итоге образуют усиленный в сотни тысяч раз ток по сравнению с первичным фототоком.

ФЭУ применяют главным образом для измерения малых лучистых потоков, в частности ими регистрируют сверхслабую биолюминесценцию, что важно при некоторых биофизических исследованиях.

На внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического преобразователя (ЭОП), предназначенного для преобразования изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений. Схема простейшего ЭОП приведена на рис. 4. Световое изображение объекта 1, проецированное на полупрозрачный фотокатод К, преобразуется в
электронное изображение 2. Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электродов Э электроны попадают на люминесцентный экран Е. Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое 3.

В медицине ЭОП применяют для усиления яркости рентгеновского изображения, это позволяет значительно уменьшить дозу облучения человека.

Вентильные фотоэлементы имеют преимущество перед вакуумными, так как работают без источника тока. Один из таких фотоэлементов — медно-закисный — представлен на схеме рис. 5.

Медная пластинка, служащая одним из
электродов, покрывается тонким слоем закиси меди Сu₂О (полупроводник). На закись меди наносится прозрачный слой металла (например, золото Аu), который служит вторым электродом. Если фотоэлемент осветить через второй электрод, то между электродами возникнет фото-э.д.с., а при замыкании электродов, в электрической цепи пойдет ток, зависящий от светового потока.

Чувствительность вентильных фотоэлементов достигает нескольких тысяч микроампер на люмен.

На основе высокоэффективных вентильных фотоэлементов с к.п.д., равным 15% для солнечного излучения, создают специальные солнечные батареи для питания бортовой аппаратуры спутников и космических кораблей.

Зависимость силы фототока от освещенности (светового потока) позволяет использовать фотоэлементы как люксметры, что находит применение в санитарно-гигиенической практике и при фотографировании для определения экспозиции (в экспонометрах).

Некоторые вентильные фотоэлементы (сернисто-таллиевый, германиевый и др.) чувствительны к инфракрасному излучению, их применяют для обнаружения нагретых невидимых тел, т. е. как бы расширяют возможности зрения. Другие фотоэлементы (селеновые) имеют спектральную чувствительность, близкую к человеческому глазу, это открывает возможности использования их в автоматических системах и приборах вместо глаза как объективных приемников видимого диапазона света.

На явлении фотопроводимости основано и явление фоторезистора.

Простейшее фотосопротивление (рис. 6) представляет собой тонкий слой полупроводника 1 с металлическими электродами 2; 3 — изолятор. Фотосопротивления, как и фотоэлементы, позволяют определять некоторые световые характеристики и используются в автоматических системах и измерительной аппаратуре.

Заключение

Таким образом, фотоэффект – это явление, связанное с освобождением электронов твердого тела (или жидкости) под действием электромагнитного излучения. Различают:

внешний фотоэффект – испускание электронов под действием света (фотоэлектронная эмиссия), излучения и др.;

внутренний фотоэффект – увеличение электропроводности полупроводников или диэлектриков под действием света (фотопроводимость);

вентильный фотоэффект – возбуждение светом электродвижущей силы на границе между металлом и полупроводником или между разнородными полупроводниками. Фотоионизацию газов иногда также называют фотоэффектом.

Список использованных источников

Гирицкий Е.В. Элементы квантовой механики. – К.: Освита, 1988.

Дягилев Ф.М. Квантовая механика. – М.: Просвещение, 1986.

Ремизов А.Н. Медицинская биофизика. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 487 – 491.

Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. – М.: Наука, Гл. редакция физико-математической литературы, 1983.

Актуальность и социальная значимость методов неинвазивной лазерной диагностики в биологии и медицине требуют разработки новых диагностических методик и устройств, выполненных на современном уровне развития лазерных технологий [1]. Такой перспективной технологией в медицине является лазерная диагностика по биоспеклам кожи.

Методы, основанные на когерентности лазерного излучения, используются для измерения положения, скорости перемещения, колебаний различных биологических объектов. Это необходимо для решения диагностических проблем сердечно-сосудистой и нервной деятельности. Для мониторинга оптических свойств кожи оптимальны неинвазивные методы, к которым можно отнести метод динамического измерения спеклов.

Под спеклами понимается пятнистая структура (спекл-структура) в распределении интенсивности когерентного света, отраженного от шероховатой поверхности [2], неровности которой соизмеримы с длиной волны света λ (примером такой поверхности может служить кожа человека). Спеклы возникают вследствие интерференции света, рассеиваемого отдельными шероховатостями такой поверхности.

Методы спекл-интерферометрии (используемые для измерения смещений, деформаций, вибраций, определения формы и качества неживых диффузных объектов) всесторонне исследованы на практике. Кожа животных и человека при освещении также создает биоспеклы, имеющие высокую информативность при диагностике в лазерной медицине. Цель исследований:

* применить методы спекл-интерферометрии для решения задач лазерной медицинской диагностики состояния организма по биоспеклам кожи;
* разработать устройство измерения перемещений биоспеклов кожи на базе скоростной микрокамеры с матричным приемником излучения и микропроцессором (МП) для вычисления сдвига изображения;
* разработать двумерный лазерный сканер на базе плоских зеркал и привода накопителя на жестком магнитном диске (НЖМД) для этого устройства.

Использование биоспеклов кожи для решения общих задач лазерной диагностики

Функционирование различных органов и систем организма связано с кожей, которая реагирует на протекающие в организме процессы. Эта реакция проявляется в виде изменения магнитного поля, температуры, электрического сопротивления, скорости биохимических реакций, клеточного состава, а также оптических характеристик кожи.

Кожа также может значительно менять светорассеивающие свойства под действием возмущающих факторов, например движения кожи или гемодинамики. Изменение этих свойств кожи приводит к модуляции зондирующего кожу когерентного излучения, наполняющей рассеянный кожей свет информацией о функционировании организма, зашифрованной в биоспеклах.

Такое излучение дистанционно и неинвазивно формирует и передает в измерительную систему информацию биоспеклов для пространственно-временной обработки, в результате чего появляется возможность оценивать целевые показатели функционального состояния организма и создавать диагностические методики и аппаратуру. При этом учитываются существующие корреляционные связи между возмущающими факторами кожи и динамикой биоспеклов. Измеряемыми величинами являются параметры динамики биоспеклов, используемые для оценки возмущающих факторов.

Рассмотрим процесс формирования биоспеклов кожи при ее зондировании пучком лазерного излучения.

Кожа (как биологическая ткань) – это оптически неоднородная поглощающая среда, имеющая более высокий (относительно воздуха) показатель преломления. Часть света на границе раздела воздух-кожа отражается, остальная проникает внутрь ткани (рис.1). Узкий лазерный пучок за счет поглощения и многократного рассеяния при облучении кожи ослабляется и расширяется. Объемное рассеяние приводит к распространению значительной части энергии в обратном направлении. На рис.2 показана глубина проникновения светового излучения в кожу в зависимости от длины волны.

Для диагностики удобен одномодовый газовый лазер ЛГН-207 с длиной волны 0,63 мкм, имеющий хорошую когерентность и стабильность параметров излучения.
Как видно из рис.2, эффективная глубина проникания излучения в кожу для λ=0,63 мкм не превышает 3 мм, поэтому в зону кожного зондирования попадает только сеть пронизывающих ткань капилляров. В результате диффузно отраженное лазерное излучение модулируется следующими тремя факторами: общим перемещением кожи (ввиду функционирования внутренних органов), пульсирующими колебаниями крупных подкожных сосудов и капиллярным кровотоком. Каждый фактор вносит свой вклад в динамику биоспеклов.

Проанализируем закономерности динамики биоспеклов и вклад каждого фактора.

Визуально биоспеклы участка кожи, на который сфокусирован лазерный пучок, можно наблюдать или в свободном пространстве на удаленном экране, или в плоскости его изображения после оптической системы. Они создают впечатление беспорядочно мерцающих пятен, которое становится упорядоченным (в том же направлении) при боковых смещениях кожи.

Низкий контраст мерцающих пятен обусловлен характером объемного капиллярного кровотока, находящегося в области освещенности. Наблюдаемое изображение – результат усреднения интенсивности в каждом пятне за счет инерционности зрения. Модуляция излучения капиллярным кровотоком используется для его диагностики. Например, экспрессное измерение скорости кровотока – один из способов практического применения метода спекл-интерферометрии.

Рассеяние зондирующего пучка излучения на движущихся частицах капиллярного кровотока положено в основу определения их скорости. В НПО "Астрофизика" создан диагностический прибор – лазерный анализатор капиллярного кровотока (ЛАКК) [3], который позволяет с высокой точностью неинвазивно определять уровень капиллярного кровотока и оценивать степень нарушений микроциркуляции в тканях. Вклад капиллярного кровенаполнения ткани в суммарный оптический сигнал от биологической ткани зависит как от объема циркулирующей в зоне обследования крови, так и от степени раскрытия капилляров, особенно поверхностных.
В нашем случае капиллярный кровоток только портит общую картину, и его влияние на динамику биоспеклов необходимо нейтрализовать. Для решения проблемы экранирования капиллярного кровотока при наблюдениях биоспеклов кожи достаточно покрасить освещаемый участок кожи непрозрачной матовой белой краской. Тогда динамика биоспеклов будет зависеть от ее угловых и линейных перемещений, а контраст биоспеклов резко возрастет.

Размеры и динамика биоспеклов определяются рядом правил [3].

Оценки поперечного ε⊥ и продольного ε|| размеров биоспеклов определяются:

* на удаленном экране: ε⊥≈3λZ/D, ε||≈8λZ2/D2;
* в оптической системе: ε⊥≈3λδ/Dβ, ε||≈8λZδ/D2β,
где Z – расстояние от кожи до экрана или до оптической системы, D – диаметр освещенной зоны кожи, β= Z’/Z – линейное увеличение оптической системы, Z’ – расстояние до плоскости изображения кожи в оптической системе, δ – смещение плоскости регистрации относительно плоскости изображения.

Смещения кожи g и смещение биоспеклов g’:

* на удаленном экране: линейное g’=g, угловое g’=2αZ;
* в оптической системе: линейное g’=βg, угловое g’=2αδ/β,
где α – угол поворота кожи.

Биоспеклы имеют вытянутую вдоль оптической оси системы форму. Поперечные смещения кожи приводят к аналогичному смещению биоспеклов (с учетом β). Продольное перемещение кожи не вызывает общего смещения изображения биоспеклов. Повороты кожи на угол α приводят к повороту биоспеклов на угол, пропорциональный его удвоенной величине.

Случайные сдвиги отдельных биоспеклов, вызванные капиллярным кровотоком, намного меньше регулярного сдвига, к которому приводит общее движение кожи (движение внутренних и внешних органов и крупных подкожных сосудов). Поэтому их влияние на динамику смещения изображения биоспеклов учитываться не будет.
Использование скоростной регистрации позволяет получать контрастные изображения биоспеклов, а значит, возможна цифровая обработка его пространственно-временных параметров.
Устройство диагностики состояния организма по биоспеклам кожи

Оптическая схема устройства измерения перемещений биоспеклов кожи показана на рис.3. Излучение лазера 1, пройдя фокусирующую систему 2, формируется в виде пятна диаметром D на участке поверхности кожи 3 для измерения/диагностики. Обратное излучение, возвращенное кожей, поступает на объектив 4, удаленный на расстояние Z. После объектива в плоскости изображения А на расстоянии Z’ формируется изображение кожи (1/Z’-1/Z=1/f, где f – фокусное расстояние объектива). В плоскости В, смещенной на величину δ от плоскости А, создается расфокусированное изображение кожи, состоящее из биоспеклов. В плоскости регистрации В установлен входной зрачок датчика вычисления сдвига изображения.

Этот датчик содержит приемник излучения (ПЗС-матрица, 18×18 элементов с разрешением 400 dpi), МП для вычисления межкадрового сдвига изображения и контроллер, управляющий получением снимков изображения биоспеклов с частотой 1500 кадров/с. Изображение по USB интерфейсу передается на ПК, где и вычисляется смещение биоспеклов кожи. Частота опроса контроллера – 125 Гц.

Выбирая фокусное расстояние f и изменяя δ, можно менять размер биоспеклов и чувствительность измерения угловых перемещений кожи. Большой диапазон измеряемых перемещений обусловлен широкой диаграммой диффузного отраженного излучения. Результат работы устройства – временная зависимость перемещений биоспеклов кожи.
Применение устройства измерения биоспеклов кожи для диагностики состояния организма

Сердечно-сосудистая система. На рис.4 показана временная зависимость перемещения биоспеклов кожи запястья в зоне артерии. Небольшой наклон графика вызван остаточными артефактами движения руки. Данная зависимость отражает диагностический показатель объемной волны пульса, характеризующий свойства эластичности артерии и частоту пульса. Он хорошо согласуется с данными, получаемыми на пульсоксиметрах.

На рис.5 показана экспериментальная установка диагностики подкожных артерий [3]. Рука неподвижно фиксируется на двух Y-образных рейтерах. Излучение лазера ЛГН-207 направляется в зону наблюдаемых пульсаций кожи на запястье. Отраженное кожей излучение принимается микрообъективом оптической головки, в плоскости регистрации которой расположен датчик измерения сдвига биоспеклов кожи, соединенный с ПК. В качестве объектива использовался микрообъектив с увеличением 20x.
Нервная деятельность организма. Дрожание/тремор – частый симптом, наблюдаемый при нервных расстройствах или сопровождающий некоторые соматические заболевания и интоксикацию. Тремор рук, мимических мышц, языка, век встречается очень часто. На рис.6 приведен график мониторинга тремора руки. Прибор устанавливается на расстоянии до 2 метров от пациента и снабжен теодолитной стойкой, обеспечивающей его устойчивость и ориентацию в двух плоскостях [3].
Двумерный сканер лазерного луча для лазерной медицины

Есть задачи лазерной медицины, требующие автоматического перемещения лазерного луча. Это делается сканерами с программным управлением от ПК. Различают три метода отклонения луча: механический, электрооптический и акустический. Каждый метод отличается определенным быстродействием и углом перемещения луча. Особенность механического метода – большой угол отклонения луча.

Оптическая система. В известных оптических схемах сканеров с двумя плоскими отражающими зеркалами оси поворота зеркал расположены под углом 90° относительно друг к другу, что обеспечивает сканирование пучка по двум координатам. Обычно сканеры для двумерного перемещения пучка собираются из двух одинаковых сканеров перемещения по одной координате. Такая конструкция выглядят некомпактно и не эстетично.

Конструкция предлагаемого сканера лишена указанных недостатков и имеет меньшие габариты. В нем (рис.7) оси поворота плоских зеркал 1 и 2 ориентированы параллельно, а между ними введена призма 3 поворота изображения (призма Дове) [4], повернутая на 45° относительно оптической оси сканера.

Использование НЖМД ПК для управления поворотом зеркал. Приводом углового поворота плоского зеркала является НЖМД ПК. Напомним его устройство:

* магнитный диск – круг из сплавов на основе Al или из стекла с магнитным слоем на поверхности;
* на поверхности диска магнитной головкой (МГ) записывается информация в виде треков – магнитных дорожек в форме концентрических окружностей;
* механизм позиционирования МГ, сидит на оси вала,
с одной стороны которого находится консоль с МГ на конце, которая, поворачиваясь, обеспечивает поперечное перемещение МГ с трека на трек.

Предлагается использовать механизм позиционирования МГ для углового поворота зеркала с контролем его углового положения. Для этого нужно:

* изготовить дополнительный вал и закрепить на нем зеркало (ось вала должна лежать в плоскости отражающего покрытия зеркала);
* оба вала (дополнительный и механизма позиционирования) соединить соосно;
* просверлить отверстие в кожухе НЖМД для выхода вала зеркала.

При этом шаговый режим работы, диапазон и точность угловых поворотов зеркала определены спецификой работы механизма позиционирования МГ:

* смещение МГ на ближайшую дорожку задает минимальный шаг по углу положения зеркала;
* максимальный угол поворота зеркала зависит от общего числа магнитных дорожек (цилиндров) магнитного диска при форматировании;
* точность поворота зеркала соответствует точности позиционирования МГ.

В результате НЖМД можно использовать теперь для шагового, широкодиапазонного и высокоточного углового перемещения зеркала, смонтированного на дополнительном валу.

Конструкция сканера. Доработанный и оснащенный плоским зеркалом НЖМД является готовым сканером пучка по одной координате. Двухкоординатный сканер собирается из двух однокоординатных. При этом оптическая система сканера расположена между двумя НЖМД, а призма поворота изображения закрепляется в кронштейне и монтируется на защитном кожухе одного из НЖМД. Фото сканера приведено на рис.8. Сканер можно дополнительно укомплектовать встроенным малогабаритным источником когерентного освещения на базе п/п лазерного диода или внешним источником повышенной мощности, а также телескопической системой фокусировки лазерного луча.

В сканере используется источник питания ПК. Специального ПО также не требуется, а связь с ПК обеспечивает удлинитель дисковой шины, кроме того, оба НЖМД могут использоваться по прямому назначению.

Технические характеристики сканера

Оптические апертуры зеркал, мм 8×16
Углы поворота луча:

* максимальный, град 30
* минимальный, угл. мин 3
* Скорость сканирования, точек/с 100
* Размер сетки сканирования 1000×1000

Шаговый сканер лазерного луча имеет большой диапазон и высокую точность сканирования, аппаратно-программную совместимость с ПК, компактную конструкцию и низкую стоимость по сравнению с аналогами.

Итак, разработано устройство измерения перемещений биоспеклов кожи, выполненное на быстродействующей камере с МП-вычислением сдвига изображения. Измеряемая величина сдвига биоспеклов кожи адекватно характеризует линейные и угловые перемещения кожи. Устройство может быть положено в основу разработок новых методик и приборов лазерной медицинской диагностики функционального состояния организма по биоспеклам кожи.

Представленный двумерный сканер лазерного луча, выполненный на двух плоских зеркалах с параллельным расположением осей поворота и приводом на НЖМД ПК,
не уступает современным аналогам, обладает дополнительными достоинствами и может применяться в лазерной медицине в качестве точного устройства сканирования лазерного луча в широком диапазоне углов.

1. Тучин В.В. и др. Лазерная диагностика в биологии и медицине. – М.: Наука, 1989. – 237с.
2. Франсон М. Оптика спеклов. Пер. с англ. под ред. Ю.И.Островского. – М.: Мир, 1980. – 171с.
3. Рябухо В.П. Спекл-интерферометрия. – Соровский образовательный журнал, 2001, т.7, №5.
4. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под ред. В.А.Панова. – Л.: Машиностроение, 1980. – 742с.

В бюллетенях представлен дополнительный материал по изучаемым темам, с которым обучающиеся могут познакомиться после уроков. Бюллетень "Физика и медицина" знакомит ребят с тем, как осуществляется радиодиагностика, как используется лазер в хирургии, в каких случаях применяется плазменный скальпель, ультразвуковое обследование и др. Бюллетень "Применение фотоэффекта" рассказыват об отдельных областях применения этого замечательного открытия.

Физика и медицина

В настоящее время линия соприкосновения этих наук всё время расширяется и упрочняется. Нет ни одной области медицины, где не применялись бы физические приборы.

Использование достижений физики в лечении заболеваний.

Становление научной медицины было бы невозможно без достижений в области физики и техники, методов объективного исследования больного и способов лечения.

В терапии, хирургии и др. областях медицины широко используются достижения физической науки и техники.

Физика помогает при диагностике заболеваний.

В диагностике заболеваний широко применяются рентгеновские лучи для определения изменений в костях и мягких тканях.

Рентгенология – область медицины, изучающая применение рентгеновского излучения для исследования строения и функций органов и диагностики заболеваний.

На снимках, полученных с помощью рентгеновской аппаратуры, можно выявить болезнь на ранних стадиях и принять необходимые меры.

Помимо рентгена, применяются такие методы диагностики:

*Иридодиагностика- метод распознания болезней человека путём осмотра радужной оболочки глаза. Основана на представлении о том, что некоторые заболевания внутренних органов сопровождаются характерными изменениями участков радужной оболочки.

*Радиодиагностика - основана на использовании радиоактивных изотопов для диагностики и лечения. Например, для диагностики и лечения щитовидной железы применяют радиоактивные изотопы йода.

Использование лазеров в хирургии.

*С их помощью выполняются сложнейшие операции на мозге;

*Лазер используют в онкологии для уничтожения опухоли;

Плазменный скальпель. Кровотечение – помеха при операциях, т.к. ухудшает обзор операционного поля, обескровливает организм. В помощь хирургу созданы миниатюрные генераторы высокотемпературной плазмы. Такой скальпель рассекает ткань, кости без крови. Раны после операции быстро заживают.

В медицине широко применяются приборы и аппараты, способные временно заменить органы человека. Достижения физики широко используются в физиотерапии и многом другом.

Итак, мы убедились, что физика имеет большое значение для медицины, следовательно, и для здоровья человека. Поэтому нужно изучать физику и способствовать её развитию.

ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА

Фотоэффект является результатом взаимодействия света с веществом, при котором энергия света поглощается и генерируется электрический ток. Если при таком воздействии света сгенерированный электрон выходит за пределы физического тела, то наблюдается внешний фотоэффект, если остается внутри и приводит к изменению проводимости материала – то внутренний.

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где не использовались бы фотоэлементы.

Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой вакуумный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Вакуумные фотоэлементы безынерционны, и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения.

Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов, например фотоэлектрический экспонометр, люксметр (измеритель освещенности). Комбинация фотоэлемента с реле позволяет конструировать множество ”видящих” автоматов , которые вовремя включают и выключают маяки , уличное освещение, автоматически открывают двери , сортируют детали, останавливают мощный пресс, когда рука человека оказывается в опасной зоне . Такое же устройство стоит в турникете в метро: если оплата проведена (фотоэлемент отключен), проход открыт, если нет (фотоэлемент включен), проход закрыт. С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на киноплёнке. Такие элементы используются в системах контроля и учёта, например, подсчёта готовой продукции. Повышение задымленности воздуха тоже приводит к срабатыванию фотоэлемента, сигнализирующего о критической ситуации. Использование фотоэлементов в обрабатывающих станках позволило добиться повышенной точности обработки деталей.

Другой возможностью является применение фотоэффекта в качестве источника тока, или солнечных батарей. В подобных устройствах работа основана на разновидности внутреннего фотоэффекта, называемого вентильным фотоэффектом. В этом случае при попадании света на контакт двух полупроводников возникает ЭДС, вследствие чего возможно прямое преобразование световой энергии в электрическую. Подобные солнечные батареи изготавливаются на основе соединений арсенида галлия. Они позволяют получать электроэнергию без нанесения вреда экологии – солнце освещает поверхность батареи, и на выходе получается готовая к потреблению энергия. Нет никаких сложных механических устройств, нет необходимости сжигать топливо или строить мощные плотины. Пока солнечные батареи дороги и, соответственно, будет дорогой получаемая электроэнергия, КПД подобного преобразования не превышает 26%. Но можно надеяться, что в скором времени будут готовы достаточно эффективные и дешевые солнечные батареи.

Рассмотренные виды фотоэффекта используются также в медицине, в различных системах связи, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излучением ( приборы ночного видения) и т. д.

Читайте также: