Застосування лазерів в біології та медицині

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

Міністерство освіти Російської Федерації
Марійський державний технічний університет

Кафедра: РтіМБС
Застосування
лазерів в біології та медицині.
Реферат
з дисципліни «Вступ до спеціальності».
Виконав: _______________.
Перевірив: __________________
Йошкар-Ола 2003 рік.

ЗМІСТ.

Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ............................. 3
1. Лазерні методи діагностики ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 4
1.1 ОПТИЧНІ КВАНТОВІ ГЕНЕРАТОРИ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 4
1.2 ОСНОВНІ НАПРЯМКИ І ЦІЛІ МЕДИКО-БІОЛОГІЧНОГО ВИКОРИСТАННЯ ЛАЗЕРІВ .... ... ... ... ... .6
1.3 Лазерна діагностика в офтальмології ... ... ... ... ... ... .7

1.3.1 АНГІОГРАФІЇ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... 7

1.3.2 ДІАГНОСТИЧНІ МОЖЛИВОСТІ ГОЛОГРАФІЯ ... .10

2. Термографії ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .11

2.1 Біофізичні аспекти теплобачення ... ... ... ... ... ... 11
2.2 МЕТОДИКИ Тепловізіонная ДОСЛІДЖЕННЯ ... ... ... 13

2.3 тепловізійної техніки І ПЕРСПЕКТИВИ ЇЇ ВДОСКОНАЛЕННЯ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 15

3. Лазерна медична установка для цільових перевірок променевої терапії "Імпульс-1" ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 19
3.1 Структурна схема ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 19
3.2 Функціональна схема ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 20
3.3 Принцип дії ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 21
3.4 Основні параметри та характеристики ... ... ... ... .23
3.5 Висновки ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... .24
Список використаної літератури ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 25

Введення

В даний час лазерне випромінювання з більшим чи меншим успіхом застосовується в різних галузях науки. Унікальні властивості випромінювання лазерів, такі, як монохроматичністю, когерентність, мала розбіжність і можливість при фокусуванні отримувати дуже високу щільність потужності на облучаемой поверхні забезпечили широке застосування лазерів. Використання квантової електроніки виявилося, зокрема, дуже корисним для клінічної медицини. У медичних цілях використовуються, в основному, твердотільні і газові лазери. Імпульсні твердотільні лазери застосовують переважно в офтальмології для операцій з усунення відшарування сітківки ока і при лікуванні глаукоми. Для цих цілей була розроблена спеціальна апаратура з використанням неодімових та рубінових лазерів. Для операцій з розтином тканин імпульсні лазери виявилися непридатні, тому для цих цілей застосовують лазери безперервної дії. У Радянському Союзі була створена хірургічна апаратура на СО 2 лазерах. Такі хірургічні установки застосовують в загальній хірургії, онкології та інших областях.
Установками на основі аргонових лазерів безперервної дії з використанням спеціальних світловодів користуються медики при порожнинних операціях.
У терапії різних хвороб широко застосовуються газові гелій-неонові лазери. Наприклад, позитивні результати отримані при лікуванні трофічних виразок, ран, запальних процесів, деяких судинних захворювань і в кардіології. Не викликає сумніву стимулюючу дію випромінювання гелій-неонових лазерів при регенерації і поліпшення обмінних процесів.
Основними перевагами, що стимулюють застосування лазерів в медицині, є радикальність лікування, зниження термінів втручання, зменшення кількості ускладнень, крововтрати, поліпшення умов стерильності і т. д.

I. Лазерні методи діагностики

1.1 ОПТИЧНІ КВАНТОВІ ГЕНЕРАТОРИ

Лазери являють собою джерела світла, що працюють на базі процесу вимушеного (стимульованого, індукованого) випускання фотонів збудженими атомами або молекулами під впливом фотонів випромінювання, що мають ту ж частоту. Відмінною рисою цього процесу є те, що фотон, що виникає при вимушеному випущенні, ідентичний викликав його поява зовнішнього фотону по частоті, фазі, спрямування та поляризації. Це визначає унікальні властивості квантових генераторів: висока когерентність випромінювання в просторі і в часі, висока монохроматичность, вузька спрямованість пучка випромінювання, величезна концентрація потоку потужності і здатність фокусуватися в дуже малі обсяги. Лазери створюються на базі різних активних середовищ: газоподібного, рідкого або твердою. Вони можуть давати випромінювання в досить широкому діапазоні довжин хвиль - від 100 нм (ультрафіолетове світло) до 1.2 мкм (інфрачервоне випромінювання) - і можуть працювати як в безперервному, так і в імпульсному режимах.
Лазер складається з трьох принципово важливих вузлів: випромінювача, системи накачування і джерела живлення, робота яких забезпечується за допомогою спеціальних допоміжних пристроїв. Спрощена конструктивна схема гелій-неонового лазера показана на малюнку нижче.
Випромінювач призначений для перетворення енергії накачування (перекладу гелій-неоновим суміші 3 в активний стан) у лазерне випромінювання і містить оптичний резонатор, що представляє собою в загальному випадку систему ретельно виготовлених відображають, заломлюючих і фокусуючих елементів, у внутрішньому просторі якого збуджується і підтримується певний тип електромагнітних коливань оптичного діапазону. Оптичний резонатор повинен мати мінімальні втрати в робочій частині спектру, високу точність виготовлення вузлів і їх взаємної установки. У лазері, показаному на малюнку, оптичний резонатор виконаний у вигляді двох паралельних дзеркал 1 і 5, розташованих поза активною частиною середовища 3, яка відокремлена від навколишнього середовища колбою 6 розрядної трубки і двома вікнами 2,4 з плоскопараллельних кордонами, що утворюють з віссю випромінювання кут Брюстера. Зовнішні дзеркала 1 і 5 забезпечують багаторазове проходження випромінювання через активне середовище з наростанням потужності потоку лазерного випромінювання. Для виходу випромінювання одне з дзеркал (5) робиться з отвором або напівпрозорим.

Система накачування призначена для перетворення енергії джерела електричного живлення 8 в енергію іонізованої активної середи 3 лазера. Накачування здійснюється електричним розрядом, для чого в ньому встановлюються два електроди - катод 7 і анод 9, між якими подається напруга від джерела живлення. Атоми гелію збуджуються при зіткненні з швидкими електронами і, стикаючись з атомами неону, передають їм свою енергію. У деяких типах лазерів застосовують фокусують магніти або обмотки і спеціальні відвідні трубки для циркуляції активного середовища.


1.2 ОСНОВНІ НАПРЯМКИ І ЦІЛІ МЕДИКО-БІОЛОГІЧНОГО ВИКОРИСТАННЯ ЛАЗЕРІВ.

Сучасні напрямки медико-біологічного застосування лазерів можуть бути розділені на дві основні групи:
У нижній половині схеми згруповані напрями використання лазерного випромінювання в якості інструмента дослідження. Лазер тут грає роль унікального світлового джерела при спектральних дослідженнях, в лазерній мікроскопії, голографії та ін У верхній половині схеми показано основні шляхи використання лазерів як інструменту впливу на біологічні об'єкти. можна виділити три типи такого впливу.


До першого типу віднесено вплив на тканині патологічного вогнища імпульсним або безперервним лазерним випромінюванням при щільності потужності, недостатньою для глибокого зневоднення, випаровування тканин і виникнення в них дефекту. Цьому типу впливу відповідає застосування лазерів у дерматології та онкології для опромінення патологічних тканинних утворень, що призводить до їх коагуляції. Другий тип - розсічення тканин, коли під впливом випромінювання лазера безперервного або частотно-періодичної дії частину тканини випаровується і в ній виникає дефект. У цьому випадку щільність потужності випромінювання може перевершувати використовувану при коагуляції на два порядки і більше. Цьому типу впливу відповідає хірургічне застосування лазерів. До третього типу можна віднести вплив на тканини і органи низькоенергетичного випромінювання, зазвичай не викликає явних морфологічних змін, але приводить до певних біохімічними зрушень в організмі, тобто вплив типу фізіотерапевтичного. Сюди ж слід включити застосування гелій-неонового лазера в цілях біостимуляції при мляво поточних ранових процесах, трофічних виразок та ін
Незважаючи на всю умовність схеми (не важко бачити, наприклад, що при розтині тканин спостерігається одночасно загибель частини клітин, тобто реалізується і вплив по першому типу, розтин і коагуляція тканин супроводжується певними фізіолого-біохімічними змінами та ін), вона дає уявлення про ті основні ефекти, які досягаються за допомогою лазерного опромінення і практично використовуються фахівцями медико-біологічного профілю. Завдання досліджень за механізмом біологічної дії лазерної радіації зводиться до вивчення тих процесів, які лежать в основі інтегральних ефектів, викликаних опроміненням - коагуляції тканин, їх випаровування, біостімуляціонних зрушень в організмі.

1.3 Лазерна діагностика в офтальмології

1.3.1 АНГІОГРАФІЇ

Дослідження судинної системи і гемодинаміки очного дна є одним з найважливіших засобів ранньої діагностики тяжких патологічних змін органа зору і, в кінцевому рахунку, профілактики передчасної сліпоти.
Найбільше поширення для дослідження гемодинаміки в даний час отримали флюоресцентна ангіографія та ангіоскопії очного дна. Ці методи мають великої інформаційної місткості.
Флюоресцентна ангіографія (ФАГ) з фотореєстрації дозволяє зафіксувати результати дослідження, але порушує цілісність динамічної картини кровообігу.
Перед дослідником, який працює над удосконаленням і розробкою апаратури для дослідження гемодинаміки очного дна, постають такі завдання:
1) вибір фотоприймача, що має досить високу чутливість як у видимому, так і в ближньому інфрачервоному діапазоні і дає можливість оперативно реєструвати і відтворювати в реальному часі динамічну картину кровообігу очного дна
2) вибір відповідного джерела освітлення очного дна, який випромінює в діапазоні порушення застосовуваних контрастують барвників і дозволяє досить простим способом змінювати довжину хвилі випромінювання.
Бажано, щоб джерело освітлення в потрібному діапазоні випромінювання мав можливо більш вузьку ширину спектра, краще всього випромінювання на одній лінії максимального поглинання відповідного барвника. Застосування джерела освітлення з такою характеристикою виключає високу загальну засвічення очі.
Обраний фотоприймач повинен володіти як можна більшу чутливість у робочому діапазоні, що дасть можливість знизити рівень освітленості очного дна.
Лампи повинна мати роздільну здатність, достатню для передачі дрібних деталей очного дна, і високе відношення сигнал-шум для відтворення зображення очного дна з необхідним контрастом.
Проведені експерименти показали, що оптимальним з точки зору всіх вимог, що пред'являються до фотоприймача, є використання в якості такого телевізійної передавальної трубки. Телевізійний фотоприймач перетворює оптичне зображення на його мішені в послідовність електричних імпульсів-телевізійний відеосигнал. Відеосигнал передається на пристрої відображення - телевізійні монітори з екранами різного розміру для безпосередньої візуалізації, і записується на магнітну стрічку за допомогою відеомагнітофона. У відеосигнал чисто електронними методами може бути введена додаткова інформація. Спостереження гемодинамічної картини вироблялося в реальному масштабі часу, а реєстрація сигналу на відеомагнітофоні дозволяла багаторазово переглядати зроблений запис для детального діагностичного аналізу. При використанні відповідного відеомагнітофона можна проглядати запис із зниженою швидкістю відтворення і в зворотному русі, а також можлива зупинка зображення.
Необхідна роздільна здатність телевізійної трубки визначається величиною самих дрібних деталей очного дна, які необхідно передати, і збільшенням оптичного каналу, що формує зображення. Якщо прийняти розмір самих дрібних деталей в 50 мкм, то для фундус-камери "Opton" із збільшенням фотоканала 2.5 отримаємо необхідну роздільну здатність телевізійного фотоприймача 8 мм. Зображення ділянки очного дна, створюване фундус-камерою, являє собою коло діаметром 20 мм. Отже, якщо зображення займає всю поверхню мішені, то потрібно не більше 200 рядків розкладання, щоб забезпечити необхідний дозвіл. Таким чином, стандартна телевізійна розгортка дозволить передавати деталі дрібніше 50 мкм.
Проведені дослідження дозволили вибрати таку структурну схему телевізійної системи для ангіографічних досліджень. В якості джерела освітлення очного дна використовується перестроюваний лазер, довжина хвилі якого вибирається в смузі максимального поглинання використовуваного барвника. За допомогою спеціального електронного блоку оптимальним чином пов'язані модуляція лазерного променя і параметри розгортки телевізійної системи. Вид залежності вибирається виходячи з необхідності забезпечити мінімальну паразитне засвічення очного дна, тобто так, щоб отримати максимальне відношення сигнал-шум в тракті телесигналу. При цьому на екрані телевізійного дисплея виходить найбільш контрастне зображення. Застосування в якості джерела світла лазера дозволяє отримати максимальну спектральну щільність випромінювання в потрібній ділянці спектра і виключити засвічення очного дна на інших довжинах хвиль, при цьому відпадає необхідність у застосуванні вузькосмугового фільтра з низьким коефіцієнтом пропускання. Для реєстрації відеосигнал записується на магнітну стрічку. Паралельно відеосигнал надходить на спецобчислювача, за допомогою якого безпосередньо під час дослідження або під час відтворення раніше зробленого запису можуть бути визначені такі параметри: калібр судин в деякому вибраному перерізі очного дна; площа займана судинами на очному дні; частка судин певного заданого калібру; розподіл судин за калібрами; швидкість поширення фарбника і ін

1.3.2 ДІАГНОСТИЧНІ МОЖЛИВОСТІ ГОЛОГРАФІЯ

Особливий інтерес для голографічного діагностики представляє орган зору. Око є органом, що дозволяє отримувати зображення його внутрішніх середовищ звичайним освітленням ззовні, так як преломляющие середовища ока є прозорими для випромінювання видимого та ближнього інфрачервоного діапазону.
Найбільший підйом досліджень і розробок систем об'ємного зображення в офтальмології пов'язаний з появою лазерів, коли з'явилися потенційні можливості широкого використання голографічного методу.
Для голографічного запису зображення очного дна використовувалася стандартна фотографічна фундус-камера Цейса, в якій ксенонове джерело світла був замінений лазерним джерелом випромінювання.
Недоліком є ​​низьке (100 мкм) дозвіл і невисокий (2:1) контраст одержуваних зображень.
Традиційні методи оптичної голографії стикаються з принциповими труднощами їх практичної реалізації в офтальмології, в першу чергу через низьку якість отримуваних об'ємних зображень.
Суттєвого підвищення якості об'ємних зображень можна чекати лише у разі використання однопрохідної голографічної реєстрації, якою є реєстрація прозорих мікрооб'єктів методами голографії.
Метод флюоресцентної ангіографії, що складається в возбужжденіі люмінесценції барвника, введеного в кров, і одночасної фото-реєстрації зображення очного дна.
У результаті проведених досліджень був розроблений спосіб отримання однопрохідної голограми очного дна. Даний спосіб дозволяє істотно поліпшити якість відновлених зображень в результаті усунення когерентного шуму і паразитних відблисків.

2 термографії

2.1 Біофізичні аспекти теплобачення.

У людському організмі внаслідок екзотермічних біохімічних процесів в клітинах і тканинах, а також за рахунок вивільнення енергії, пов'язаної з синтезом ДНК і РНК, виробляється велика кількість тепла-50-100 ккал / грам. Це тепло розподіляється усередині організму за допомогою циркулюючої крові і лімфи. Кровообіг вирівнює температурні градієнти. Кров завдяки високій теплопровідності, не змінюється від характеру руху, здатна здійснювати інтенсивний теплообмін між центральними і периферичними областями організму. Найбільш теплою є змішана венозна кров. Вона мало охолоджується в легенях і, поширюючись по великому колу кровообігу, підтримує оптимальну температуру тканин, органів і систем. Температура крові, що проходить по шкірних судинах, знижується на 2-3 °. При патології система кровообігу порушується. Зміни виникають вже тому, що підвищений метаболізм, наприклад, в осередку запалення збільшує перфузію крові і, отже, теплопровідність, що відбивається на термограмме появою вогнища гіпертермії.
Температура шкіри має свою цілком певну топографію. Правда, у новонароджених, як показала І. А. Архангельська, термотопографія шкіри відсутня. Найнижчу температуру (23-30 °) мають дистальні відділи кінцівок, кінчик носа, вушні раковини. Найвища температура пахвовій області, в промежині, області шиї, епігастрію, губ, щік. Інші ділянки мають температуру 31-33,5 ° С. Добові коливання температури шкіри в середньому становлять 0,3-0,1 ° С і залежать від фізичної і психічної навантажень, а також інших факторів.
За інших рівних умов мінімальні зміни температури шкіри спостерігаються в області шиї і лоба, максимальні-в дистальних відділах кінцівок, що пояснюється впливом вищих відділів нервової системи. У жінок часто шкірна температура нижче, ніж у чоловіків. З віком ця температура знижується і зменшується її мінливість під впливом температури навколишнього середовища. При будь-якому зміні сталості співвідношення температури внутрішніх областей тіла включаються терморегуляторний процеси, які встановлюють новий рівень рівноваги температури тіла з навколишнім
середовищем.
У здорової людини розподіл температур симетрично щодо середньої лінії тіла. Порушення цієї симетрії і служить основним критерієм тепловізійної діагностики захворювань. Кількісним вираженням термоасімметріі служить величина перепаду температури. Перелічимо основні причини виникнення температурної асиметрії:
Вроджена судинна патологія, включаючи судинні пухлини.
Вегетативні розлади, що призводять до порушення регуляції судинного тонусу.
Порушення кровообігу у зв'язку з травмою, тромбозом, емболією, склероз судин.
Венозний застій, ретроградний струм крові при недостатності клапанів вен.
Запальні процеси, пухлини, що викликають місцеве посилення обмінних процесів.
Зміни теплопровідності тканин у зв'язку з набряком, збільшенням або зменшенням шару підшкірної жирової клітковини.
Існує так звана фізіологічна термоасімметрія, яка відрізняється від патологічної меншою величиною перепаду температури для кожної окремої частини тіла. Для грудей, живота і спини величина перепаду температури не перевищує 1,0 ° С.
Терморегуляторний реакції в людському організмі управляються гіпоталамусом.
Крім центральних, існують і місцеві механізми терморегуляції. Шкіра завдяки густий мережі капілярів, що знаходяться під контролем вегетативної нервової системи і здатних значно розширити або повністю закрити просвіт судин, міняти свій калібр в широких межах,-прекрасний теплообмінний орган і регулятор температури тіла.
Температура шкіри і підлеглих тканин може мати мозаїчний характер внаслідок неоднорідності температур внутрішніх органів і навіть окремих ділянок того чи іншого органу. Слід звернути увагу на високі термоізоляційні властивості шкірного покриву, який завдяки розгалуженій підшкірної судинної мережі, перешкоджає контактної передачі термічних впливів вглиб тіла і в зворотному напрямку. Всі ці загальні та місцеві механізми терморегуляції впливають на фізичні та фізіологічні чинники, що зумовлюють в кінцевому рахунку особливості тепловипромінювання шкіри, а отже, і характер тепловізійної картини.
Таким чином, термографія-метод функціональної діагностики, заснований на реєстрації інфрачервоного випромінювання людського тіла, пропорційного його температурі. Розподіл та інтенсивність теплового випромінювання в нормі визначаються особливістю фізіологічних процесів, що відбуваються в організмі, зокрема, як в поверхневих, так і в глибоких і органах. Різні патологічні стани характеризуються термоасімметріей і наявністю температурного градієнта між зоною підвищеного або зниженого випромінювання і симетричним ділянкою тіла, що відбивається на термографічної картині. Цей факт має важливе діагностичне і прогностичне значення, про що свідчать численні клінічні дослідження.

2.2 МЕТОДИКИ Тепловізіонная ДОСЛІДЖЕННЯ

Коливання температури шкіри залежать від ряду факторів. До них відносяться: судинні реакції, швидкість кровотоку, наявність локальних або спільних джерел тепла усередині тіла, регуляція теплообміну одягом, випаровуванням. Крім того, можливі погрішності у вимірюванні температури за рахунок впливу випромінюючих предметів навколишнього середовища. Поки вплив всіх цих факторів не виключено або не враховується при остаточному визначенні результату вимірювання, до тих пір неможливо об'єктивно судити про температуру людського тіла після одиничного вимірювання температури. За розрахунками Г. Рудовського різниця між справжньою і здавалося б температурою найчастіше становить 1-3 градуси.
Точність дослідження зростає, якщо зняти з досліджуваного одяг, а з приміщення видалити об'єкти, більш теплі або більш холодні, ніж повітря в кімнаті. Оптимальною для дослідження вважається температура повітря 22 градуси.
Перед проведенням тепловізійного дослідження хворий повинен адаптуватися до температури навколишнього середовища. На думку В.Ф. Сухарева і В.М. Куришевой, оптимальним і достатнім є 20-хвилинний період адаптації. Ці автори виділили три типи адаптації у людей:
* Перший-стійкий. Характеризується високим ступенем адаптації. У людей, що відносяться до цієї групи, спочатку відзначається невелике падіння температури на 0.3-0.5 С при природному охолодженні і швидке відновлення температури шкіри до початкового рівня.
* Другий-врівноважений. Ступінь адаптації при цьому кілька знижена і спостерігається сповільнене відновлення температури шкіри.
* Третій-нестійкий. У цьому випадку мають місце порушення фізичної терморегуляції або функціональні розлади судинної системи без клінічних проявів. Температура дещо стабілізується до 40-60-й хвилині періоду адаптації, залишаючись зниженою.
У хворих з патологією судин відзначаються різкі порушення адаптаційних процесів.
Вибір відстані від хворого до екрану тепловізора залежить від технічних можливостей приладу.
Оптимальна відстань від тепловізора до об'єкту складає 2-4 метри.
У літературі описується декілька методів тепловізійних досліджень. Виділяють два основних види термографії:
1.Контактну холестеричних термографія.
2.Телетермографія.
Телетермографія заснована на перетворенні інфрачервоного випромінювання тіла людини в електричний сигнал, який візуалізується на екрані тепловізора.
Контактна холестеричних термографія спирається на оптичні властивості холестеричних рідких кристалів, які виявляються зміною забарвлення у веселкові кольори при нанесенні їх на термоізлучающіе поверхні. Найхолоднішим ділянкам відповідає червоний колір, найбільш гарячим-синій. Нанесені на шкіру композиції рідких кристалів, володіючи термочутливість в межах 0.001 З, реагують на тепловий потік шляхом перебудови молекулярної структури. Падаючий на кристали розсіяне денне світло розділяється на дві компоненти, у однієї з яких електричний вектор повертається за годинниковою стрілкою, а другой-проти.
Після розгляду різних методів теплобачення встає питання про способи інтерпретації термографічного зображення. Існують візуальний і кількісний способи оцінки тепловізійної картини.
Візуальна (якісна) оцінка термографії дозволяє визначити розташування, розміри, форму і структуру вогнищ підвищеного випромінювання, а також орієнтовно оцінювати величину інфрачервоної радіації. Проте при візуальній оцінці неможливо точне вимірювання температури. Крім того, сам підйом уявної температури в термограф виявляється залежним від швидкості розгортки і величини поля. Труднощі для клінічної оцінки результатів термографії полягають в тому, що підйом температури на невеликій за площею ділянці виявляється малопомітним. В результаті невеликого за розмірами патологічний осередок може не виявлятися.
Радіометричний підхід вельми перспективний. Він передбачає використання найсучаснішої техніки і може знайти застосування для проведення масового профілактичного обстеження, отримання кількісної інформації про патологічних процесах в досліджуваних ділянках, а також для оцінки ефективності-термографії.

2.3 тепловізійної техніки І ПЕРСПЕКТИВИ ЇЇ ВДОСКОНАЛЕННЯ

Успіхи медичної науки багато в чому залежать від якості використовуваної медичної апаратури. Тепловізори, що застосовуються зараз в тепловізійної діагностики, представляють собою скануючі пристрої, що складаються з систем дзеркал, що фокусують інфрачервоне випромінювання від поверхні тіла на чутливий приймач. Такий приймач потребує охолодження, що забезпечує високу чутливість. У приладі теплове випромінювання послідовно перетвориться в електричний сигнал, що посилюється і реєструється як півтонове зображення.
В даний час застосовуються тепловізори з оптико-механічним скануванням, в яких за рахунок просторової розгортки зображення здійснюється послідовне перетворення інфрачервоного випромінювання у видиме.
У термовізіонной апаратурі видиме зображення висвічується на екрані ЕПТ поелементно, тобто кадр зображення формується, як і телебаченні, шляхом переміщення променя по горизонталі й вертикалі. Отримання поелементного розгортки забезпечує оптико-механічне сканування. У результаті на виході перетворювача формується відеосигнал, подібний телевізійному. Оскільки спектральний склад частини випромінювання, яка викликає сигнал на виході перетворювача, визначається областю пропускання оптичної
системи і спектральною характеристикою перетворювача, термовізіонная апаратура має ширшу область спектральної чутливості, ніж та, яка побудована на базі електронно-оптичного перетворювача.
Спрощена функціональна схема термовізора наведена на малюнку
Основне посилення сигналу здійснюється лінійним підсилювачем У, вихідні сигнали з якого надходять на суматор СМ1. На інший вхід суматора подається серія пилкоподібних імпульсів від блоку формування шкали температур ШТ. Крім цього для отримання складних синтезованих зображень на суматор можуть подаватися сигнали і з інших пристроїв і блоків. Таким чином СМ1 формує відеосигнал, що забезпечує отримання основного зображення з яркостной відміткою, де найбільша щільність потоку випромінювання відповідає найбільш яскравого світіння екрана ЕПТ (позитивне зображення). Результуючий сигнал, що заповнює весь час кадру, з виходу СМ1 надходить на блок формування ізотерм ІТ і на суматор СМ2 (в положенні 1 перемикача ПР).
При аналізі негативного зображення сигнал з виходу СМ1 передається до СМ2 через інвертор І (положення 2 перемикача ПР), який змінює знак вихідного сигналу суматора СМ1 на протилежний.
Термовізора в найпростішому варіанті мають два великих конструктивних блоки: блок сканування БС, де розміщені елементи оптичної системи, пристрою сканування, перетворювач, балансно-підсилювальний блок, пристрої для створення імпульсів, що запускають розгортки, і електронно-осцилографічний блок, що містить основну масу електронних пристроїв, блоки харчування і ЕЛТ. Електронно-осцилографічний блок останнім часом часто поєднується з мікропроцесорною системою або з міні-ЕОМ. Блок сканування розміщується на механізмі установки МУ у вигляді стійки або триноги з пристроями для повороту і нахилу, щоб направити його на контрольований об'єкт, і часто робиться переносним.
Зображення, одержуване термовізором, може бути зафіксовано і оброблене за допомогою засобів обчислювальної техніки, наприклад, як це показано на рис. 4

Від термовізора до блоку управління БУ підводиться відеосигнал зображення і імпульси синхронізації (точки 1, 2 і 3 на рис. 3 та рис 4). БО організує роботу всієї системи обробки інформації, що задається оператором з пульта управління ПУ. Відеосигнал термовізора перетвориться аналого-цифровим перетворювачем АЦП в цифрову форму з допомогою інтерфейсу ІНТ, що зв'язує АЦП із загальною шиною ЗШ, після чого цифрові сигнали надходять у вимірювальний магнітофон МР і в пам'ять ЕОМ. Обробку інформації може виробляти мікропроцесор МКП або міні-ЕОМ, які використовують при цьому постійне запам'ятовуючий пристрій ПЗУ. Сформовані зображення і інша отримана інформація відображаються на відеоконтрольні пристроях ВКУ1 і ВКУ2.
Загальним недоліком існуючих тепловізорів є необхідність їх охолодження до температури рідкого азоту, що обумовлює їх обмежене застосування. У 1982 році учені запропонували новий тип інфрачервоного радіометра. У його основі - плівковий термоелемент, що працює при кімнатній температурі і володіє постійною чутливістю в широкому діапазоні довжин хвиль. Недоліком термоелемента є низька чутливість і велика інерційність. З метою збільшення вихідного сигналу і підвищення чутливості в радіометрі використовується термобатарея, що складається з 70-80 з'єднаних послідовно і стислих в щільний пакет термоелементів. При цьому різко зменшуються втрати за рахунок випромінювання і конвекції повітря, що в кінцевому рахунку призводить до підвищення чутливості приблизно на порядок. Після оптимізації висоти батареї, якої прямо пропорційна чутливість приладу, точність вимірювання температури досягла приблизно 0.1 С. В даний час радіометр проходить клінічні випробування.
Особливої ​​уваги заслуговують тепловізійні прилади, що працюють в міліметрових діапазонах довжин хвиль. Сконструйовано і випробувано два нових типи тепловізорів, чутливих до міліметровим електромагнітних хвиль. Ці апарати вловлюють хвилі на три порядки довший, ніж інфрачервоні. Такі хвилі проникають на велику глибину в порівнянні з тими, які вловлює звичайний інфрачервоний тепловізор. Прилади можуть розрізняти коливання температури до частки градуса в тканинах, розташованих на кілька міліметрів всередину від поверхні шкіри. Звичайний же тепловізор реєструє випромінювання тільки з поверхні тіла.
Радіотермографи, що працюють в діапазоні ММВ, призначені для виявлення злоякісних утворень молочних залоз, щитовидної залози і деяких областей головного мозку. Вони незамінні для виявлення пухлин і запалень неглибокого залягання, тому що дозволяють забезпечити найбільш високу роздільну здатність і усереднення температури за найменшим об'ємом. Це особливо цінно для виявлення пухлин у початковій стадії, коли відмінність їх температури з навколишнім середовищем невелика.
Підводячи підсумок огляду сучасної тепловізійної техніки, потрібно вказати на основні шляхи та перспективи її вдосконалення. Це, по-перше, підвищення рівня чіткості і ступеня контрастності тепловізійних зображень, створення відеоконтрольні пристроїв, що дають збільшене відтворення теплового зображення, а також подальша автоматизація досліджень та застосування ЕОМ. По-друге, вдосконалення методики тепловізійних досліджень різних видів захворювань. Тепловізор повинен давати інформацію про площу шкірного ділянки зі зміненою температурою і координатах фіксованого теплового поля. Передбачається створити апарати, в яких можна довільно змінювати збільшення зображення, фіксувати амплітудне розподіл температури по горизонтальних і вертикальних осях. Крім того, необхідно сконструювати прилад, здатний інтенсифікувати розвиток досліджень механізму теплопередачі і кореляції спостережуваних теплових полів з джерелами тепла всередині тіла людини. Це дозволить розробити уніфіковані методики тепловізійної діагностики. По-третє, слід продовжити пошук нових принципів роботи тепловізорів, що працюють в більш довгохвильових областях спектру з метою реєстрації максимуму теплового випромінювання тіла. У перспективі також можливе вдосконалення апаратури для надчутливого прийому електромагнітних коливань дециметрових, сантиметрових і міліметрових діапазонів.
3. Лазерна медична установка для цілей променевої терапії "Імпульс-1"
3.1 Структурна схема
Лазерна медична установка "Імпульс-1" - перший вітчизняний апарат, створений і розроблений для ведення лазеротерапії відповідно до медико-технічною вимогою Міністерства охорони здоров'я СРСР. Розробка установки була закінчена в 1971 році. У тому ж році Комітет з нової медичної техніки Міністерства охорони здоров'я СРСР дав рекомендацію до випуску промислової партії цих установок, яка і була виготовлена ​​в 1975 році на Свердловському заводі електромедичної апаратури.
Установка "Імпульс-1" розроблена на базі спеціально створеного для неї потужного імпульсного лазера на неодимовому склі.
Установка (див. рис. 1) складається з наступних основних частин: операційного апарату, накопичувача енергії та головного пульта живлення і управління.

Малюнок 1. Структурна схема лазерної медичної установки для променевої терапії "Імпульс-1"


3.2 Функціональна схема
Конструктивна схема операційного апарату установки наведена на малюнку 2.

Малюнок 2. Конструктивна схема операційного апарату установки

Операційний апарат складається з горизонтального стовбура 1, встановленого на вертикальній стійці 2. Стовбур може повертатися навколо горизонтальної осі I і вертикальної осі II.
Вертикальна стійка 2 жорстко закріплена на платформі 3. Платформа забезпечена колесами для переміщення апарату по підлозі. До вертикальної стійки прикріплений поручень.
Усередині стовбура 1 жорстко закріплені лазерний випромінювач 4, калориметричний блок 5 і блок запалювання 6. На кінець стовбура 1 встановлено телескопічний вал 7 з поворотно-фокусуючий головкою 8.
Телескопічний вал 7 можна переміщати уздовж його власної осі симетрії III і повертати навколо тієї ж осі III разом з поворотно-фокусуючий головкою 8. Головка 8 жорстко закріплена на кінці телескопічного валу. На ньому жорстко закріплена і рукоятка 9, охоплює поворотно-фокусуючу головку 8.
Усередині головки 8 жорстко зафіксовані селективно відображає лазерне випромінювання дзеркало 10, фокусуються лінза 11, конденсор 12 і лампочка розжарювання 13.
Лазерний випромінювач 4 виконаний у вигляді окремого блоку. Активним елементом у ньому є стрижень з неодимового скла ПГЛС-1 діаметром 45 мм і довжиною 617 мм. Активний елемент збуджується за допомогою чотирьох ксенонових ламп накачування ІПФ-20000, розташованих в чотирипелюсткових освітлювачі з чотирма V-образними відбивачами, виготовленими з нержавіючої сталі. Внутрішні поверхні відбивачів поліровані і мають добре відбиває срібне покриття. Активний елемент розташований в корпусі освітлювача вздовж осі симетрії. Корпус освітлювача виготовлений з нержавіючої сталі. Торці активного елементу ущільнені в корпусі освітлювача за допомогою індіевих кілець, що стискаються циліндричними власниками дзеркал резонатора. Глухе і напівпрозоре дзеркала, встановлені паралельно торцях активного елементу, герметизує порожнини між дзеркалом і активним елементом. При цьому бічними стінками порожнин є циліндричні поверхні володарів дзеркал резонатора. Внутрішня порожнина освітлювача, лампи накачування і активний елемент омиваються 0.02% розчином K 2 Cr 2 O 4 в дистильованої води, що циркулює через освітлювач.
Напівпрозоре дзеркало резонатора (коефіцієнт пропускання 60%) встановлено у випромінювачі 4 з боку поворотно-фокусуючий головки 8. Глухе дзеркало резонатора з коефіцієнтом пропускання 5% розміщено з боку калориметричних блоку 5. Тому при генерації лазерного випромінювання в резонаторі випромінювача 4 основна частина випромінювання направлена ​​у бік поворотно-фокусуючий головки, а інша - в бік калориметричних блоку 5, де поглинається його приймальні майданчиком.
Калориметрический блок 5 (після проведення відповідної калібрування) забезпечує вимірювання енергії лазерного випромінювання, що спрямовується в бік поворотно-фокусуючий головки, по поглиненої його приймальні майданчиком енергії лазерного випромінювання.
Блок підпалу 6 чотирьохсекційний. Кожна його секція призначена для підпалу однієї з ламп накачування лазерного випромінювача.
Регулювання розмірів плям лазерного випромінювання на об'єкті опромінення здійснюється в операційному апараті зміною відстані між лінзою 11 поворотно-фокусуючий головки і об'єктом опромінення, а контроль розмірів плям ведеться за системою підсвічування.
3.3 Принцип дії
Накопичувач енергії установки - електричні ємності, об'єднані в чотири секції. Кожна секція накопичувача призначена для харчування однієї лампи накачування чотирилампового лазерного випромінювача операційного апарату. Ємність конденсаторів однієї секції 1200 мкФ, максимальна напруга заряду 4.6 кВ, максимальна енергія заряду 12.5 кДж. Максимальна сумарна енергія заряду чотирьох секцій складає 50 кДж. Кожна секція накопичувача розташована в окремій шафі. Габаритні розміри шафи 600'600'1500 мм.
При монтажі установки шафи накопичувача ставлять в один ряд поблизу головного пульта живлення і управління. Головний пульт живлення і управління містить наступні основні вузли: блок заряду накопичувача енергії, системи охолодження лазерного випромінювача, відеоконтрольний і переговорний пристрої, панель управління і виносний пульт управління.
Блоки заряду накопичувача енергії включають в себе джерело струму, випрямляч і систему управління. Система управління вбудована в панель управління, блоки джерела і випрямляча розташовані під столом пульта управління.
Система охолодження лазерного випромінювача вмонтована в пульт управління. Вона включає в себе насос і двоконтурний водяний теплообмінник. Через внутрішній контур теплообмінника прокачується 0.02% розчин K 2 Cr 2 O 4, що циркулює через лазерний випромінювач і охолоджуючий його теплонавантаженому елементи. Зовнішній контур теплообмінника омивається водопровідною водою. Тепло, що накопичилося у внутрішньому контурі теплообмінника, передається в зовнішній контур і відводиться разом з циркулюючої в ньому водопровідною водою.
Відеоконтрольний і переговорний пристрої є частиною промислової телевізійної установки, до складу якої входить також передавальна камера і сполучні кабелі. Відеоконтрольний пристрій змонтований на столі пульта живлення і управління. Передавальна камера знаходиться поблизу операційного апарату установки. Управління передавальної камерою здійснюється дистанційно з пульта управління відеоконтрольного пристрою. При цьому можна вибрати необхідне поле зору і виконати настройку різкості зображення.
Панель управління містить органи управління, вимірювальні прилади і світлові індикатори. Органами управління є кнопки "Пуск" і "Стоп", за допомогою яких здійснюється включення і виключення джерела струму, кнопка "Високе", що забезпечує включення високовольтної напруги блоку підпалу ламп накачування операційного апарату, кнопка "Підсвітка", що приводить в дію і вимикає лампочку розжарювання системи підсвічування.
Крім того, на панелі знаходяться інші органи системи управління. Це кнопки "Одиночний" і "Періодичний", з їх допомогою встановлюють режим одноразового або періодичного заряду і розряду ємнісного накопичувача енергії; а також кнопка "Запуск одиночний", що включає одиночний цикл (заряд-розряд) накопичувача енергії, ручка потенціометра для підтримки необхідного напруги заряду накопичувача енергії, ручка потенціометра "Період" для вибору періоду проходження циклів заряд-розряд накопичувача.
На панелі управління розміщені мікроамперметр калориметричного вимірювача енергії випромінювання лазера, чотири мікроамперметра для вимірювання напруги заряду в кожній з чотирьох секцій ємнісного накопичувача енергії та мікроамперметр для вимірювання високовольтної напруги блоку підпалу.
На панелі управління знаходяться також такі світлові індикатори, які сигналізують: "Мережа" - про підключення електромережі; "Високе" - про подачу високовольтної напруги на блок запалювання, "Підсвітка" - про включення лампочки розжарювання системи підсвічування операційного апарату, "Циркуляція" - про наявність циркуляції рідини у внутрішньому контурі системи охолодження, "Заряд" - про заряд ємнісного накопичувача енергії.
Виносний пульт головного пульта управління пов'язаний з останнім з'єднувальним кабелем і має кнопку "Пуск", дублюючу кнопку "Пуск одиночний" на панелі управління головного пульта, а також світловий індикатор "Заряд", дублюючий індикатор "Заряд" на панелі управління головного пульта харчування та управління . Розміри головного пульта харчування та управління установкою 1580'630'950 мм.
Для розміщення установки передбачено два приміщення: операційний і технічне. В операційному приміщенні встановлюють операційний апарат з передавальної телевізійною камерою, в технічному - накопичувач енергії і головний пульт живлення і управління. Установкою управляють лікар і оператор. Лікар знаходиться близько операційного апарату, оператор - в технічному приміщенні за головним пультом живлення і управління. Зв'язок між лікарем і оператором здійснюється за телевізійно-телефонним каналам телевізійної установки. Включати імпульси лазерного опромінення може як оператор з головного пульта управління, так і лікар з виносного пульта.
Величина термоелектрорушійної сили (т. е.. Р. с.) Термопари калориметричних блоку, приймальня майданчик якого нагрівається лазерним випромінюванням, що виходить з боку глухого дзеркала лазерного випромінювача, реєструється після кожного імпульсу випромінювання милливольтметром, що знаходяться на пульті управління.
3.4 Основні параметри та характеристики
Технічні характеристики установки "Імпульс-1" наведено нижче.
Довжина хвилі випромінювання, мкм
1.06
Енергія в імпульсі вихідного випромінювання, кДж:

максимальна
1
мінімальна
0.5
Тривалість імпульсу вихідного випромінювання, мсек
3
Максимальна частота проходження імпульсів при вихідний

енергії в імпульсі 0.5 кДж
140
Діаметр плями лазерного випромінювання на об'єкті опромінення, мм:

мінімальний
2
максимальний
45

Розміри плям лазерного випромінювання можна плавно регулювати від мінімального до максимального значення. Максимальна щільність енергії лазерного випромінювання, що створюється установкою на об'єкті опромінення, досягає 30 кДж / см 2.
Розміри операційного поля, що обслуговується установкою, становлять 250 '1000 мм в горизонтальній площині і 500 мм по висоті. Лазерний промінь переміщається в межах операційного поля за чотирма ступенями свободи. Максимальне зусилля для переміщення лазерного променя, який постачався з виводить випромінювання частини установки, не перевищує 2.5 кг.
Охолодження установки водяне, двоконтурне. Витрата водопровідної води в зовнішньому контурі охолодження складає 20 л / хв. Живлення від трифазної мережі змінного струму напругою 380 В, частотою 50 Гц.
Потужність, споживана установкою від електромережі, не перевищує 8 кВт.
3.5 Висновки
Роботи, проведені в напрямку дослідження властивостей лазерів, дозволили не тільки успішно використовувати лазерне випромінювання в клінічних умовах, а й визначити сферу застосування тих чи інших лазерних установок. Потужні лазери на неодимовому склі, рубіні, вуглекислому газі, аргоні, парах металів та ін, підходять для хірургічних цілей, коагуляції та розтину тканин.
Лазерні установки на вуглекислому газі можуть бути широко використані для лікування різних захворювань (поверхнево розташованих пухлин і т.п.)
Перспективним напрямком можна вважати застосування випромінювання низькоенергетичних лазерів у видимій частині спектру для стимулювання репаративних процесів при хронічних тривало не гояться ранах, трофічних виразках, уповільненої консолідації переломів, захворювань обмінного характеру та ін
Враховуючи, що комбіновані методи лікування найбільш ефективні, на сучасному етапі онкології лазерне випромінювання можна використовувати при комбінованому лікуванні пухлин. Випромінювання лазера в деяких випадках доцільно комбінувати з іонізуючим випромінюванням, лікарськими протипухлинними препаратами, хірургічними операціями.
Все зростаючий інтерес до використання лазерів в медицині призвів до необхідності створення спеціальних лазерних відділень та операційних, досить пристосованих до безпечної експлуатації. Головним питанням стає захист медичного та технічного персоналу від впливу шкідливих чинників лазерного випромінювання.
Операційний приміщення має відповідати таким спеціальним вимогам: стіни і стеля приміщення повинні бути пофарбовані темною матовою фарбою, а скло вікон - білий матовою фарбою, щоб уберегти зір лікаря і пацієнта від ураження лазерним випромінюванням, випадково відбитим від стін і стелі приміщення. У ньому необхідна хороша припливно-витяжна вентиляція, вхідні двері повинні бути обладнані світловим табло лазерної небезпеки, що загоряється при включенні установки.
 
Список літератури
1. Лазери в клінічній медицині. Під ред. Д. С. Плетньова. - М., Медицина.
2. Плетньов Д. С. та ін Застосування лазерів в онкологічній практиці. - Хірургія.
3. Хромов Б. М. Лазери в експериментальної хірургії. - Медицина.
4. Дударєв А.Л. Променева терапія, Л.: Медицина, 1982, 191 с.
5.Лазерная та магнітно-лазерна терапія в медицині, Тюмень, 1984, 144 с.
6. Сучасні методи лазерної терапії, Відп. Ред. Б.І. Хубутія, - Рязань.: 1988 р., 126 с.
Терапевтична ефективність низькоінтенсивного лазерного випромінювання., А.С. Гак, В.А. Мостовніков та ін, - Мінськ.: Наука і техніка, 1986 р., 231 с.
Лазерні методи лікування і ангіографічні дослідження в офтальмології, Сб. наук. тр. Під ред. С.Н. Федорова, 1983 р., 284 с.
Лазери в клінічній медицині, Н. Д. Девятко, - М.: Медицина, 1981 р., 399 с.
Лазери в хірургії. Під ред. О.К. Скобелкіна .- М.: Медицина, 1989, 2
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Реферат
97.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Застосування лазерів в біології та медицині 2
Хімія в біології медицині та виробництві лікарських препаратів
Хімія в біології медицині та у виробництві лікарських речовин
Застосування ферментів у медицині
Застосування випромінювання в медицині
Застосування генетичних методів в судовій медицині
Застосування наочності на уроках біології
Застосування тестових завдань на уроках біології
Створення світлодіодів і лазерів внесок російських учених
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru