Эндоскопическая аппаратура и ее применение в клинической практике

Оптика

Лекция №9

1. Природа света. Основные понятия оптики.

2. Отражение и преломление света. Закон Снеллиуса. Полное отражение.

3. Ход лучей в призме.

4. Эндоскопическая аппаратура, ее применение в клинической практике.

1. Оптика - раздел физики, в котором изучаются вопрос о природе света, закономерностях световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.

В течение двух с половиной столетий представление о природе света претерпело существенное изменение. В конце 17 в. Сформировались две принципиально различные точки зрения на природу света: корпускулярная теория, разработанная Ньютоном, и волновая теория, разработанная Гюйгенсом. Согласно корпускулярной теории, свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света.

Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в «мировом эфире»-неподвижной, упругой среде, непрерывно заполняющей всю вселенную.

По современным воззрениям свет - сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. В некоторых явлениях (интерференция, дифракция, поляризация света) обнаруживаются волновые свойства света; эти явления описываются волновой теорией. В других явлениях (фотоэффект, люминесценция, атомные и молекулярные спектры) обнаруживаются корпускулярными свойствами света; такие явления описываются квантовой теорией.

Таким образом, волновая (электро-магнитная) и корпускулярная (квантовая) теория не отвергают, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер свойств света.

В геометрической (лучевой) оптике рассматриваются законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о свете, как о совокупности световых лучей-линий, вдоль которых распространяется энергия световых электромагнитных волн. В геометрической оптике не учитываются волновые свойства света и связанные с ними дифракционные явления.

В различных прозрачных средах свет распространяется с различными скоростями, меньшими скоростями света в вакууме. Среда, во всех токах которой скорость распространения света одинакова, называется оптически однородной средой.

Монохроматическим будем называть свет какой-либо одной волны, или, говоря о субъективном восприятии, какого-либо одного цвета.

2. Отражкение и преломление света. Закон Снеллиуса. Полное отражение.

Плоский фронт волны ОА падает на границу раздела сред, где он частично отражается (лучи 3 и 4), а частично преломляются. Применяя принцип Гюйгенса-Френеля, построим фронты отраженной и преломленной волн. В точку В свет приходит позднее, чем в точку О, на время

За это время из точки О (как из вторичного источника света) в первой среде успевает распространиться полусферическая волна радиусом

,

А во второй среде – полусферичекая волна радиусом

От всех остальных точек границы ОВ (кроме точки В) также распространяются вторичные полусферические волны, радиусы которых окажутся убывающими в направлении от О к В.

Огибающая всех волновых полусфер первой среды дает фронт отраженной волны ВД, а огибающая всех полусфер второй среды - фронт преломленной ВЕ.

ОАВ=ВДО (как с общей гипотенузой и катетом): ОД=r=АВНо

(1)

Закон отражения света (1): падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела сред в точке падения; угол падения равен углу отражения

Учитывая, что , , получим

(2)

Закон преломления света (2): падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела сред, проведенным в точке падения; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде.

Обозначая и ,

Где с – скорость света в вакууме, n₁ и n₂ –абсолютные показатели преломления первой и второй сред, получим:

(3)

Где -относительный показатель преломления второй среды относительно первой

.

Eсли свет переходит из оптически более плотной среды () в оптически менее плотную среду (n₂< n₁), то согласно (3),. Поэтому при некотором угол º, т.е. преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела сред, не входя во вторую среду. Угол А называется предельным углом падения.

При свет полностью отражается в первую среду. Это явление называется полным внутренним отражением света

Согласно (3)

(3’)

Из этих соотношений можно определить n₂₁. Это делается с помощью рефрактометра.

3. Ход лучей в призме.

Во многих приборах для преломления света используются стеклянные призмы. После двукратного преломления луч оказывается отклоненным от первоначального направления на угол , называемым углом отклонения. Угол -преломляющий угол призмы.

Найдем из закона преломления

;

При малых и будут также малы , и

(4)

На основании о внешнем угле из ВЕД следует, что

(5)

Аналогично из ВСД находим

Подставляя и из (4) и учитывая (5), после преобразований получим:

или

(6)

Эндоскопия-метод исследования полых органов и полостей тела с помощью специального прибора-эндоскопа, который вводится в организм через естественные отверстия или произведенные под наркозом небольшие разрезы.

Основными элементами эндоскопов являются: источник света, сам эндоскоп, оптическая система передачи света и изображения. Объектив эндоскопа, являющийся его основной частью, располагается на дистальном (удаленном от наблюдателя) конце. Он является своего рода приемником изображения, и от его возможностей зависит получаемая информация.

Часто так же, как в микроскопии, используются несколько микроскопических объектов с независимыми каналами передачи оптического изображения. Они могут иметь разные увеличения и углы обзора. На другом конце оптической системы располагается окуляр, через который эндоскопист проводит наблюдение. Часто в гибких системах передачи изображения предусмотрена возможность манипуляции дистальным концом эндоскопа.

В настоящее время используются два вида эндоскопов: гибкие и жесткие. Они отличаются по способу передачи изображения от объектива к окуляру.

В жестких эндоскопах передача изображения осуществляется с помощью линзовой оптики, а в гибких – посредством стекловолоконных жгутов. Жесткие эндоскопы позволяют получить лучшее качество изображения и во многих случаях не требуется их замены на гибкие.

Важную роль в развитии эндоскопической техники играет создание совершенных источников света. Раньше источник света располагался на дистальном конце эндоскопа, что было сопряжено с рядом неудобств. В первую очередь – это вероятность разрушения источника света в осматриваемой области. Второе- малая сила миниатюрных лампочек. Третье - цветовые искажения изображения, обусловленные недостаточно широким спектром их излучения.

В эндоскопах более позднего поколения источник света располагается за пределами исследуемой области. Свет от мощного источника, находящегося вне эндоскопа, передается по световолокнам на расстояние до 2 метров практически без потерь, что значительно повышает информативность метода.

Оптические волокна можно использовать для проведения во внутренние органы ультрафиолетового, инфракрасного и лазерного излучений. С помощью эндоскопов берут пробы ткани – биопсию для дальнейших лабораторных анализов, вводят лекарства, заклеивают специальным составом язвы и повреждения, так же, как в эндоскопической хирургии, расширяют суженные участки, с помощью специальной петли удаляют полипы.

Эндоскопическая хирургия- область хирургии, позволяющая выполнять радикальные операции или диагностические процедуры без широкого рассечения покровов либо через точечные проколы тканей, либо через естественные физиологические отверстия.