Представлены новые разработки в сфере оптоволоконных технологий

Оптическое волокно – основа современных линий связи, диагностического и терапевтического медицинского оборудования, различных датчиков и сенсоров. Несмотря на отличные характеристики, устройства продолжают совершенствоваться. Недавними успехами поделились специалисты ПНИПУ и КНИТУ-КАИ.

Прорыв в медицине

Год от года в РФ проводится все больше хирургических операций. Данные по 2020 году – 13.5 миллионов, 2024 – 18.1. Чаще всего речь идет об онкологических, хирургических, ортопедических, травматологических отделениях. Одно из слагаемых успеха – четкая видимость оперируемой зоны.


Лампы накаливания и даже светодиоды не слишком подходят для решения этой задачи – они слишком габаритны. Альтернатива – оптическое волокно, миниатюрность которого допускает применение в крайне ограниченном пространстве.

Минус оптики – неравномерность рассеивания светового потока, объясняющаяся структурными особенностями. Достичь идеальной видимости не удается, увеличивается риск врачебной ошибки, повреждения мелких сосудов или нервных окончаний.

Дополнительный фактор риска – тепловое воздействие, выраженность которого достаточна для локального перегрева тканей и органов. Специалисты ПНИПУ разработали математическую модель, дающую точное представление о равномерности, мощности генерируемого светового потока. Моделирование повысит безопасность операций, повысит эффективность оптических приборов, зондов, сенсоров.

Проблематика

Медицинская отрасль непредставима без оптического волокна. Конструктивно они представляют собой тончайшие стеклянные нити на основе кварца, проводящие световой поток. Каждый год востребованность товаров увеличивается, средний рост – около 9 процентов.

Оптическое волокно упрощает работу хирургов. Минимальный диаметр позволяет без дискомфорта для пациента внедрить его в оперируемого область, обеспечить хорошую видимость. В сравнении со стандартными лампами и LED, оптика обладает рядом плюсов:

• Минимальная выраженность нагрева, вплоть до полного отсутствия. Вся потребляемая энергия преобразуется в видимый свет.
  
• Гибкость, возможность внедрения в труднодоступные полости, размещения за внутренними органами.
  
• Точечная подача светового потока к области, без затрагивания соседних зон.
  

Оптоволокно упрощает диагностику, проведение полостных и подобных операций. Также на нем строится светотерапия, направленная на подавление воспалительных, опухолевых процессов.

Один из минусов оптоволокна – сложность подбора. Даже небольшая ошибка провоцирует неравномерность рассеивания лучей. Оперирующему специалисту не удается контролировать всю область, он может не заметить мелких нервных окончаний и кровеносных сосудов. Ухудшение видимости – препятствие как для операций, так и для диагностики. Формируются отражения, тени, из-за которых значимые детали остаются без внимания, врач может не обнаружить небольшую опухоль или кровоподтек.

Неравномерность рассеивания света также чревато точечными перегревами. Термическое воздействие провоцирует ожоги, болезненные для пациента, требующие дополнительной терапии.

Решение

Разработка, представленная ПНИПУ, предполагает рассеивание светового потока структурой, в которой лазером сделано множество микроскопических отверстий. Отверстия не идентичны, а различны по конфигурации и диаметру.

Математическая модель, алгоритм построения которой разработан специалистами Пермского Политеха, помогает определить оптимальные формы, диаметры, точки размещения отверстий, способствующие равномерному распределению светового потока.

Исследования помогли в установлении следующих диаметров и форм:

• Оптимальный диаметр для сферических отверстий – от 3.6 до 4.4 микрометров. Они помогают в проведении онкологических, офтальмологических операций, где недопустимы даже минимальные погрешности и ошибки.
  
• 7.5 микрометров – подходящий диаметр для диагностики. Формируемый поток оказывается равномерным, не дает появляться теням, чрезмерно освещенным областям.
  
• Оптимум для отверстия в форме эллипса – около 11 микрометров. Они предназначены для фотодинамической терапии онкологических заболеваний.
  

Результаты, достигнутые специалистами ПНИПУ, значительно увеличивают эффективность оптического оборудования. Они уже сейчас крайне полезны для медицинской отрасли, вдобавок, являются основой для будущих разработок.

Модифицированные датчики

Не отстают от пермских коллег и ученые из Татарстана, представляющие КНИТУ-КАИ. Они создали математические модели, проанализировали уровень чувствительности оптоволоконного датчика, реагирующего на давление, основанного на интерферометре Фабри-Перо. Устройства фиксируют выраженность механического или акустического давления, совместимы с различными приложениями, вплоть до наиболее требовательных, медицинских.

Востребованность датчиков, базирующихся на принципах интерферометрии, начала расти еще в 80-х годах минувшего столетия. Они с высокой точностью определяют различные физические параметры, от выраженности деформаций и вибраций до термических, магнитных нагрузок. Устройства надежны, адаптированы к разнородным средам, осуществляют замеры с максимальной точностью.

Принцип действия

Оборудование работает за счет интерференции. Выбор резонатора Фабри-Перо объясняется рядом его преимуществ:

• Высокая точность измерений, соответствующая даже требовательной медицинской отрасли.
  
• Конструктивная простота, исключающая трудности при сборке и производстве.
  
• Универсальность конструкции, обеспечивающая совместимость со множеством приложений и систем.
  
• Удобство трансформации сигнала, превращающая собранные данные в величины, имеющие цифровое выражение.
  

Математическая модель, представленная учеными КНИТУ-КАИ, описывает колебания мембраны, закрепленной на торцевой части оптоволокна. Под нагрузкой, механической, акустической, гидравлической, конфигурация мембраны меняется. Вместе с ней – меняется и интерференционный спектр света, прошедшего сквозь резонатор, либо отраженно им. Выраженность, специфика таких изменений помогают в установлении интенсивности воздействия.

Модифицированный датчик устойчив к разрывам, растяжению, надежен, рассчитан на долгую службу. Чувствительность достаточна даже для ответственных систем, медицинских или лабораторных, где недопустимы погрешности.

Источник - поставщик оптического оборудования LANart