óptica Médica 08

ÓPTICA MEDICA Objetivos: • Capacitar al estudiante sobre los principios de funcionamiento, construcción, mantenimiento y aplicaciones de sistemas ópticos utilizados en los servicios de salud. • Comprender las propiedades ópticas y geométricas de los materiales utilizados en los sistemas ópticos.

CONTENIDO 6. Aplicaciones de la óptica en la medicina • Dispositivos ópticos para diagnóstico. • Mantenimiento de Instrumentos ópticos.

Aplicaciones en la medicina 6.1 Dispositivos ópticos para diagnóstico: 6.1.1 Microscopio: • MICROSCOPIO: con los microscopios se observan objetos pequeños, ubicados en la proximidad, aumentados en dos etapas, mientras que la lupa produce un aumento solamente en una etapa. En contraposición al largavistas en el microscopio la imagen del objeto producido por el objetivo será aumentado y luego esta imagen intermedia será de nuevo aumentada a través del ocular. • Los microscopios producen imágenes invertidas como el largavista de Kepler, las cuales no interfieren en los microscopios de observación y de medición. • Los microscopios utilizados en la producción son los estereomicroscopios, que cuentan con una imagen recta.

Aplicaciones en la medicina 6.1.1 Microscopio: • El microscopio puede adaptarse a diferentes tareas especiales (microfotografía, microscopia de polarización, de fluorescencia, de contraste de fase, etc.) a través de numerosos accesorios adicionales y construcciones especiales. • La combinación de microscopio y microcámara ha logrado un significado especial en los últimos años, por que permiten un análisis electrónico de la imagen, como ser la clasificación de partículas de acuerdo a la forma y tamaño. • Construcción y Aumento: en la figura 6.48 a se observa un microscopio sencillo con ocular de Huygens. El aumento del microscopio está dada por la siguiente ecuación: T´M = β´Ob . T´Ok Donde β´Ob = aumento del objetivo y T´Ok = aumento del ocular

Microscopio

Aplicaciones en la medicina 6.1.1 Microscopio: • La figura 6.48 b muestra otra configuración del microscopio, donde el objetivo actúa como colimador y forma la imagen del objeto en el infinito. En este caso actúa un objetivo intermedio, la longitud del tubo L, con el ocular conjuntamente como un largavista de Kepler. • El aumento del microscopio con la formación de imagen intermedia en el infinito está dada por la siguiente ecuación: T´M = T´Ob . q . T´Ok Donde el factor del tubo q = f´L / as ; T´Ok = - as / f´Ok y T´Ob = - as / f´Ob • Los valores preferenciales para β´, T´ y q están dados por la norma DIN 58886. • Capacidad de resolución: si se observan dos puntos luminosos O, P (figura 6.49), entonces debe determinarse cual tiene que ser la distancia mínima entre ellos ymin para que puedan reconocerse O´y P´ (resolución)

Resolución del Microscopio

Aplicaciones en la medicina 6.1.1 Microscopio: • La distancia mínima entre dos puntos luminosos (objeto fluorescente) del objeto en el límite de la resolución está dada por la ecuación: ymin = 1,22 . ( λ / (2 . n. sen u)) ; donde AOb = n. sen u es la apertura numérica del objetivo. • En los microscopios de observación se utilizan principalmente objetos no luminosos (no fluorescente), que deberán ser iluminados por una fuente de luz con la apertura de iluminación ABel. • La distancia mínima entre estructuras del objeto no luminosos (no fluorescente) en el límite de la resolución está dada por la ecuación: ymin = λ / (AOb. ABel) • Los casos especiales son ABel = 0 cuando el haz luminoso es paralelo y ABel = AOb cuando la iluminación es con una gran apertura.

Aplicaciones en la medicina 6.1.1 Microscopio: • Si se quiere lograr una observación especialmente cómoda, entonces es razonable un aumento hasta el doble del valor, es decir el aumento útil del microscopio T´förd está definida por la siguiente ecuación: T´förd = 500 hasta 1000 Aob • El aumento útil que puede lograrse con un microscopio depende de la apertura de su objetivo. Las estructuras del objeto que no tengan resolución en la imagen intermedia del objeto, no podrán ser visibles tampoco a través de un gran aumento con el ocular. • Según se aprecia en la figura 6.50, se diferencian cuatro técnicas de iluminación: a) Transiluminación – campo claro: la luz llega al objetivo a través del objeto y el flujo luminoso se modula a través de las estructuras del objeto

Técnicas de iluminación de Microscopios

Aplicaciones en la medicina 6.1.1 Microscopio: b) Iluminación incidente – campo claro: para objetos no transparentes (Ej.: superficies metálicas) la iluminación tiene que conducirse desde arriba, generalmente a través del objetivo. El flujo luminoso se modula a través de la estructura del objeto con diferentes reflexiones. Una superficie libre de fallas con reflexión difusa o una superficie con reflexión regular producen un campo de visión claro homogéneo. c) Transiluminación – campo oscuro: el haz luminoso que atraviesa el objeto pasa lateralmente al objetivo. La imagen se forma solamente a través de la luz que es desviada al objetivo por la estructura del objeto a través de deflexión, refracción o reflexión. d) Iluminación incidente – campo oscuro: el haz luminoso que incide lateralmente a un objetivo sobre un espejo perpendicular al eje óptico se refleja por los laterales del objetivo. La imagen se forma como en c).

Aplicaciones en la medicina 6.1.1 Microscopio: • Debido a que la superficie luminosa (filamento incandescente) presenta principalmente una distribución heterogénea de la densidad luminosa, por consiguiente se emplea una configuración luminosa según Köhler. • La figura 6.51 muestra la configuración luminosa de Köhler donde el primer condensador, denominado colector, forma la imagen aumentada de la fuente de luz frente al plano focal del propio condensador, a través del condensador y objetivo aparece la siguiente imagen de la fuente de luz en el plano focal F´ del objetivo y llena la apertura de salida. • El diafragma de iris en el plano focal frontal del condensador determina la apertura de la iluminación y con ello la capacidad de resolución y el contraste. Un diafragma frente al colector determina el tamaño del área del objeto iluminado y se denomina “Diafragma de área de iluminación”.

Configuración luminosa de Köhler

Aplicaciones en la medicina 6.1.1 Microscopio: • Objetivos y Oculares: la escala de formación de la imagen es decir el aumento propio del objetivo está en el rango de 2,5 hasta 100. Los oculares comunes tienen un aumento entre 5 x hasta 25 x con lo cual se logra adecuadamente el rango del aumento útil. • En los sistemas secos (aire ante el objetivo) resulta una apertura A ≈ 0,95 para el objetivo más fuerte. • En los objetivos de inmersión (gota de aceite con naceite ≈ nvidrio ante el lente frontal del objetivo) se pueden lograr para la apertura A = n . sen u valores hasta A ≈ 1,40. • Los objetivos del microscopio se clasifican según su tipo de corrección. ! Objetivos acromáticos: se utilizan como el sistema más sencillo, que con el aumento de apertura muestran mayor número de componentes.

Aplicaciones en la medicina 6.1.1 Microscopio: ! Objetivos apocromáticos: se utilizan para evitar defectos de color causados por el espectro secundario y en su estructura de sistema se incluyen lentes de fluorita. ! Objetivos planacromáticos y planapocromáticos: son utilizados para la microfotografía donde aparte de los tipos de corrección primaria se necesita un campo visual plano y amplio. En la figura 6.52 se muestran ejemplos de estos objetivos planos modernos. • Un ocular se convierte en ocular de medición cuando se coloca una placa con líneas divisorias. Mediciones de longitud y grosor se realizan con un ocular con escala “micrómetro ocular”, que tiene que ser calibrado conjuntamente con el objetivo. Para esto se utiliza una escala con divisiones conocidas como objeto (Ej.: una división = 0,01 mm) y se compara su imagen microscópica con la escala del ocular.

Tipos de Objetivos para Microscopios

Aplicaciones en la medicina 6.1.1 Microscopio: • Un ocular de integración con división de puntos de prueba, como se observa en la figura 6.53, se utiliza para determinar la proporción de volumen de varios componentes en una mezcla de sustancias.

6.1.2 Equipos Espectrales: • A través de los equipos espectrales se separan las diferentes longitudes de ondas de una mezcla de radiaciones (radiaciones policromáticas), es decir los componentes individuales se separan espacialmente y constituyen juntos el espectro de la radiación. • Para la división se puede utilizar en principio la dependencia del número de refracción de la longitud de ondas (prismas) o la dependencia de la deflexión de la longitud de onda (grilla). Además se puede utilizar el equipo de interferencia espectral.

Ocular de integración para volumen

Aplicaciones en la medicina 6.1.2 Equipos Espectrales: • Como elemento formador de imagen se utilizan lentes y espejos huecos, donde los espejos tienen la ventaja de formar imágenes independientes de λ (ninguna falla cromática). • Durante la construcción de los equipos espectrales se deberá tener en cuenta que los materiales utilizados en los componentes (lentes, prismas, placas planas, espejos) tengan alto grado de transmisión y grado de reflexión respectivamente en el rango de longitud de onda analizado (UV, VIS, IR). • Los diferentes tipos de equipos espectrales utilizados son: ! Espectroscopio: para la observación de un espectro con el ojo. ! Espectrómetro: para la determinación de λ de líneas espectrales a través de una escala de longitud de onda o medición del ángulo.

Aplicaciones en la medicina 6.1.2 Equipos Espectrales: ! Espectrógrafo: para el registro de un espectro sobre una placa de foto o través de una detección fotoeléctrica. ! Monocromador: para la separación de un rango espectral estrecho Δλ a partir de un rango espectral mayor para la utilización posterior de la radiación monocromática. ! Espectrofotómetro: es la combinación de un monocromador con un receptor fotoeléctrico entre otros para la determinación de los números espectrales característicos de materiales. • La capacidad de resolución A de un equipo espectral se define a través del cociente: A = |(λ / d λ )|. • La capacidad de resolución de un prisma es: A = b . (dn´/ dλ), donde b es el ancho de la base y dn´/ dλ la dispersión del vidrio.

Aplicaciones en la medicina 6.1.2 Equipos Espectrales: • La capacidad de resolución espectral del prisma depende solamente de la dispersión del vidrio y del ancho de base (cuando se utiliza totalmente la altura del prisma). Los valores logrados en la práctica son menores. • La capacidad de resolución espectral de una grilla es: A = N . M , donde N es el número de líneas de la grilla y m el orden de deflexión. • La figura 7.9 a muestra la construcción básica de un equipo espectral, aquí como espectroscopio y espectrómetro (con escala de λ) respectivamente. • La figura 7.9 b muestra un espectroscopio de bolsillo y un espectrómetro de bolsillo respectivamente con prisma de visión recta. La posición de la imagen de la escala de λ con respecto al espectro puede ajustarse con el balanceo de un prisma de reflexión.

Configuración de un Espectroscopio

Aplicaciones en la medicina 6.1.2 Equipos Espectrales: • La figura 7.10 muestra un espectrógrafo, que para elevar su capacidad de resolución se emplean tres prismas en cadena, a través del cual aumenta la dispersión angular de la misma manera. • El prisma de giro está unido en forma fija con una superficie espejada. La acción se muestra en la figura 7.11 a y b, en un ejemplo del prisma de Littrow de 30°, que debido a la doble trayectoria del haz tiene la misma resolución que un prisma de 60º. • En la figura 7.11 la dirección de propagación del haz azul es perpendicular al espejo, después de girar el prisma como en la figura 7.11 b vale lo mismo para la dirección de propagación del haz rojo. Es decir que el haz para la correspondiente longitud de onda fijada será desviada 180º.

Configuración de un Espectrógrafo

Aplicaciones en la medicina 6.1.2 Equipos Espectrales: • La figura 7.11 c muestra a la derecha un monocromador construido con un prisma de Littrow. La imagen de la ranura de entrada se formará primero a través del espejo colimador K hacia el infinito y luego sobre la ranura de salida A. • Debido a que en la trayectoria paralela del haz se encuentra el prisma de Littrow, entonces el espectro se forma en el plano de A. Si se coloca ahora un filtro para medición de λ detrás de la ranura y detrás del filtro un receptor fotoeléctrico, entonces así resulta un espectrofotómetro. • El espectrofotómetro según la figura 7.12 se diferencia del de la figura 7.11 principalmente a través de que: ! El espectro se crea por deflexión en dos espejos con grillas (1200 surcos / mm).

Espectrofotómetro de haz simple

Espectrofotómetro de doble haz

Aplicaciones en la medicina 6.1.2 Equipos Espectrales: ! El haz monocromático se separa a través de un divisor T en trayectoria del haz de prueba y de referencia, que son conducidos al mismo receptor, pero bloqueados alternadamente por un diafragma rotativo. ! Con la ayuda del haz de referencia (sin filtro) es posible realizar una compensación del 100 % en forma automática. La curva de transmisión τ(λ) se registrará a través de una impresora.

6.1.3 Instrumentos ópticos (endoscopios): • Los endoscopios rígidos u opticas rígidas se emplean en muchas disciplinas de la medicina tanto para visualizar las cavidades del cuerpo como para realizar intervenciones con instrumentos.

Endoscopio de fibra óptica

Aplicaciones en la medicina 6.1.3 Instrumentos ópticos (endoscopios): • Las opticas rígidas, que son denominadas también óptica de lentes de barra, están compuestas de una parte ocular, tal como se muestra en la figura 1, de una conexión para la conducción de luz con adaptadores para los diferentes fabricantes y de una vaina de material inoxidable que cubre los lentes de barra y la fibra óptica como se observa en la figura 2. • Los lentes de barra pueden quebrarse al encorbar o palanquear con el endoscopio. • A parte del modelo señalado en la figura 1 existen diferentes tipos de ópticas con o sin canal de trabajo en muchas configuraciones de acuerdo al campo de aplicación como ser: ! Optica recta con ocular enfocable, conexión C y conexión para cámara.

Configuración de un endoscopio rígido

Aplicaciones en la medicina 6.1.3 Instrumentos ópticos (endoscopios): ! Optica recta con visión lateral, Ej. 5°, 12°, 25°, 30°, 45°, 70°, etc. ! Optica en ángulo, Ej. Laparoscopio, Ureter-Renoscopio, etc. ! Optica con canal de trabajo • Los requisitos fundamentales la óptica y los instrumentos son: "Normas y requisitos de seguridad. "Biocompatibilidad. "Datos clínicos, pruebas clínicas. "Análisis de riesgo, gerenciamiento acorde a DIN ISO 14971. "Combinación de productos / instrumentos. "Manual de uso y documentos descriptivos del producto.

Aplicaciones en la medicina 6.1.3 Instrumentos ópticos (endoscopios): "Recomendaciones para la limpieza y esterilización. • Los campos de aplicación de los endoscopios rígidos autoclavables son: artroscopía, cirugía de las arterias, histeroscopía, toraxscopía, otorrinolaringología, Laparoscopía, neuroendoscopía, urología, cirugía de las vertebras. • Los sistemas de visualización (sistemas ópticos) abarcan todos los componentes formadores de imágenes, conductores de imágenes y conductores de luz como ser: endoscopios rígidos, endoscopios flexibles, fibras ópticas para iluminación, fuente de luz fría, sistema de cámaras analógicos y digitales, monitor y videoprocesadora. • Para una impresión global de la imagen no es decisivo la capacidad de resolución sino el contraste, con el cual se reproducen los detalles.

Aplicaciones en la medicina 6.1.3 Instrumentos ópticos (endoscopios): • La figura 3 muestra como resultan el ángulo de la imagen y la dirección de la visión en un endoscopio rígido. La figura 4 explicita la construcción de un objetivo en un endoscopio. • Daños típicos en un endoscopio: los endoscopios se someten a acciones químicas, térmicas y sobre todo a acciones mecánicas extremas especialmente a través del usuario. La figura 5 muestra los componentes fundamentales que constituyen un endoscopio rígido. • En el endoscopio rígido se diferencian 5 zonas de problemas tal como muestra la figura 6. # Zona 1: vidrio distal, barra y fibra óptica (iluminación) y zona completa del objetivo. • La figura 7 muestra un daño masivo de un objetivo con raspajes.

Angulo de imagen y dirección de visión

Configuración de un objetivo

Componentes ópticos del endoscopio

Zonas críticas del endoscopio rígido

Daño masivo en un objetivo

Aplicaciones en la medicina 6.1.3 Instrumentos ópticos (endoscopios): # Zona 2: sistema óptico completo, sistema de barra y sistema de lentes (quiebra de lentes por curvatura y golpes; destrucción del masillado por entrada de vapor de agua o por alta temperatura del autoclve). • La figura 8 muestra un lente de barra quebrado y la figura 9 muestra sus consecuencias al mirar a través de la óptica. # Zona 3: tubo de vaina en general (pared fina), transición de la vaina a la parte principal (sección de la vaina no es redonda por tener ondulación, vaina encorvada, vaina doblado, vaina deformada. • La figura 10 muestra una vaina deformada en la transicción (soldadura) por caida sobre la punta. # Zona 4: conexión de la fibra óptica conductora de luz, lente de magnificación de luz (adaptador no desmontado para limpieza)

Lentes quebrados y sus consecuencias

Vaina dañada por compresión

Aplicaciones en la medicina 6.1.3 Instrumentos ópticos (endoscopios): # Zona 5: vidrio proxal (ocular), embudo del ocular (deposiciones sobre el vidrio proxal, destrucción del sello del vidrio proxal (alta temperatura del autoclave), humedad entre el embudo del ocular y el endoscopio) • Almacenado y transporte del endoscopio: los endoscopios son estremadamente sensibles a los choques y golpes. Por eso hay que tener cuidado con ellos durante el transporte y procesos de preparación colocandolos sin deslizamiento y fijos en un cesto especial tal como se muestra en la figura 11. • Para el caso de que no se disponga de un cesto o bandeja para endoscopios debería utilizarse un protector de transporte tal como señala la figura 12. • Las figuras 13 y 14 muestran situaciones que deberan evitarse.

Cesto especial de transporte para óptica

Protector de transporte para endoscopio

Aplicaciones en la medicina 6.1.3 Instrumentos ópticos (endoscopios): • Las figuras 15 y 16 muestran los problemas que surgen al introducir un endoscopio en un tubo guía, pues el vidrio distal podría dañarse o rayarse. • La figura 17 muestra lo facil de encorvar una vaina al introducirla en un tubo guía. • La figura 18 muestra un endoscopio con la vaina encorvada. • La figura 19 muestra una pérdida de hermeticidad en la unión de dos secciones, un problema raro pero que se presenta como señal de varios años de uso (desgaste por uso).

Situaciones a evitar con endoscopios

Choque del objetivo con el tubo guía

Encorvamiento indebido del endoscopio

Pérdida de hermeticidad en la unión

Bibliografía 1. Schroeder, G.. Technische Optik: Grundlagen und Anwendungen. Vogel Buchverlag / Wuerzburg Germany, 6 Auflage 1987. ISBN 3-8023-0067-X.

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