PEREPARED FOR : Dr.Mohamed Hisham
NAME:TOQA MAHMOUD ALI
Introduction:_
With the population of the world and the expected average life span both growing; there is a greater demand for efficient tools for diagnostics, surgery and patient care. Minimally invasive surgery is one development toward shorter hospital stays and reduced costs, and specialty optical fibers are helping to pave the way.
Traditional surgery exposes tissues and organs through large incisions, while minimally invasive surgery promises decreased pain and trauma during operations, faster recovery time and a reduced risk of infection. However, the latter requires small disposable sensing catheters and compact tools to assist physicians.
Specialty optical fibers are useful for more than light sources and image collection – they can greatly improve surgical results.
Optical fibers have been used in medical devices since the 1960s, when bundled fibers were successfully pioneered for both illumination and imaging through endoscopes. During the late 1980s, optical fiber imaging tools were widely accepted for invasive surgery. However, optical fibers have the potential to be used in many more applications than imaging and light sources. Special optical fibers also are used as intelligent sensors to monitor physiology parameters such as temperature, pressure, oxygen concentration and applied force.
Fiber optic sensors offer many advantages over conventional electronic sensors in medical sensing: small size, immunity to electromagnetic interference (EMI), enhanced sensitivity, robustness and geometrical versatility. They also are free from electrical parts or conductors in the sensor area. These unique properties have enabled complicated procedures in cardiovascular examinations, angiology, gastroenterology, ophthalmology, oncology, neurology, dermatology and dentistry.
Figure 1.Samba Sensors’ ultra miniature fiber optic pressure sensor is used to sense parameters including systolic blood pressure, intravascular blood pressure and intracranial pressure during trauma. Courtesy of Samba Sensors AB.
The integration of optical fibers in medical devices can be challenging, involving autonomous tasks such as design and selection of fiber, packaging material, cost-effective manufacturing, quality control and traceable record keeping. For example, the sensor assembly must be biocompatible, unaffected by a sterilization process and storage, and resistant to damage during surgery.
A variety of fiber optic sensors have been developed for health monitoring during the past two decades. Point sensors based on Fabry-Perot interferometers and fiber Bragg gratings (FBGs) are probably the most deployed sensors in medical applications. The ultraminiature pressure sensors offered by Samba Sensors AB of Västra Frölunda, Sweden (Figure 1), are a relevant example, capable of sensing intravascular blood pressure or intracranial pressure during trauma. Similar sensors from Fiso Technologies Inc. of Quebec City can be used for intra-aortic pressure sensing (Figure 2). Both rely on clever sensor design and specialty optical fibers.
Figure 2.An FOP-MIV pressure sensor (here inserted in a 24-gauge hypodermic needle) is mass-produced by automated assembly lines. This 550-µm-outside-diameter optical sensor could be integrated into specialized catheters such as intra-aortic balloon (IAB) catheters, where it could provide EMI-free precise in situ blood pressure measurements used to trigger optimal balloon inflation/deflation during IAB pumping therapy. Courtesy of FISO Technologies Inc.
Fiber optic sensors are seen as safe, reliable, highly stable, biocompatible tools for health-monitoring systems, and they are amenable to sterilization and autoclaving. The greatest advantage is intrinsically linked to the special optical fiber, which either acts as a link between a sensor and monitoring equipment or acts as the sensor itself.
Glass is an inert material resistant to almost all chemicals, making it ideal for use in in vitro or in vivo applications. Its immunity against EMI makes it a reliable life-supporting tool in surgical theaters crowded with a range of equipment producing a strong EMI background. Probably the greatest advantage is its size, and the fiber optic sensor can be miniaturized, flexible, light and very useful in space-restricted environments such as instrument catheters for highly localized measurements or for minimally invasive surgery inside blood vessels.
Specialty fibers have played a key role in the wide acceptance of fiber optic sensors as multifunctional diagnostic tools. By modifying properties such as numerical aperture, core and cladding diameters, and coating material, the fibers can be adopted to different applications.
Many optical fibers used in medical sensors have a thin polyimide coating to provide a small cross section and suitability for different kinds of sterilization processes, like ethylene trioxide, ethylene oxide and autoclaving. The polyimide coating provides excellent strength and tight geometry tolerances and can be supplied with any fiber type and with fiber dimensions from 60 µm up to more than a millimeter. The temperature resistance of the polyimide is difficult to match with other polymer materials.
Polyimide-coated fibers, however, are sometimes impractical. They require special tools for removing the coating for assembly, and the thin coating is sensitive during handling. A recent advancement in biocompatible coatings could replace current standard acrylate-coated fibers. The new Fibertronix coating can be easily stripped from the fiber using standard tools. It shows excellent strength and robustness and can be pigmented into a variety of colors. It also opens many yet-to-be-explored applications for patient diagnosis and prognosis.
Another highly desirable parameter of fibers for invasive surgery is tolerance to tight bends. This allows for movement of the catheter, which winds through veins and arteries, and around organs and bones, on its way to an application area. It is very important that the fiber not break or lose optical transmission at bends. The numerical aperture of the fiber influences how much the light is confined within the core and dictates how tightly the fiber can bend before optical bend loss occurs. A range of high-numerical-aperture single- and multimode fibers is available on the market, and a small number can even be tightly bent and wound to diameters as small as 3 to 4 mm with minimum optical loss.
These fibers are inserted in space-constrained catheters, so their outer diameter should be as small as possible without sacrificing light or mechanical durability. An 80-µm cladding fiber is an ideal choice for such applications. A number of single-mode 80-µm fibers are available from various suppliers, and these reduced-clad fibers are excellent choices for compact sensing solutions. New multimode reduced-clad fibers are well adapted for catheter-mounted sensing solutions. In reduced-clad fibers, high numerical apertures often further reduce optical bend losses. For special applications, fiber diameters down to 60 µm or lower can be produced, but these fibers are difficult to handle, so 80 µm is seen as a practical lower limit for most applications.
Novel specialty fiber types are also opening up entirely new sensing concepts. Something a surgeon needs is information about the shape, direction and position of an instrument during minimally invasive surgery. A combination of multicore specialty fibers with FBG technology can provide this. In this type of fiber, three or more cores run in parallel, and each core has an FBG inscribed at the same position in the fiber.
Figure 3.Gemini preform and drawn fiber. Courtesy of Acreo AB.
The basic concept is that when the fiber is deformed, it will induce strains of different magnitude and curvature in each of the FBGs. Because all cores are in physical contact, they will all experience the same temperature shifts and ambient. When such sensors are embedded in or fixed on the surface of the surgical tool, they can map out real-time information about the position and direction of the tool, independent of the temperature or the environmental load.
This sensor concept provides a way to dynamically monitor the position and shape of a catheter or fiber cable in blind spots and has been enabled by multicore FBG sensors. In the Fibertronix Gemini fiber, for example, the multicore fiber is replaced by independent fibers physically attached to each other in an all-glass assembly; the drawbacks of the multi-core fiber, such as difficult contacting and handling, are overcome.
المقدمة:-
مع زيادة عدد السكان فى العالم ، و زيادة متوسط العمر المتوقع للأشخاص ، وبالتالى زيادة الطلب على أدوات فعالة للتشخيص والجراحة و رعاية المرضى .وتقليل اساليب الجراحة التقليدية هى اتجاه للتنمية حيث إقامة أقصر في المستشفى وخفض التكاليف ، وبالتالى الألياف البصريةخاصة تساعد على تمهيد الطريق لذلك.
الجراحة التقليدية تعرض الأنسجة والأعضاء لشقوق كبيرة ، في حين تقليل الجراحة التى تخترق جسم الإنسان تؤدي إلي خفض الألم و الصدمات اثناء العملية ، ووقت الشفاء يكون اسرع وتقليل خطر العدوى.ومع ذلك ، فإن هذا الأخير يتطلب اجهزة استشعار عن بعد صغيرة يمكن ازالتها و ادوات مضغوطة لمساعدة الأطباء.وبالتالى
الألياف البصرية خاصة مفيدة و ليس فقط كمصدر الضوء وتجميع الصور – بل إنها يمكن أن تحسن كثيرا من النتائج الجراحية.
استخدمت الألياف الضوئية فى الأجهزة الطبية منذ عام 1960 ، عندما تم بنجاح استخدام الألياف الضوئية المجمعة لكلا الاضاءة و التصوير من خلال المناظير و خلال اواخر 1980 استخدمت بكثرة الالياف الضوئية كالات للتصوير في الجراحة و مع ذلك فان الاليف الضوئية يمكن ان تستخدم فى عديد من التطبيقات و ليس فقط للتصوير او مصدر للاضاءة , كما ان الالياف الضوئية الخاصة تستخدم أجهزة الاستشعار ذكية لمراقبة المتغيرات الحيوية مثل درجة الحرارة , الضغط , تركيز الاكسجين و القوة المستخدمة
.
لأجهزة استشعار الألياف البصرية مزايا عديدة إذا ما قورنت بأجهزة الاستشعار الالكترونية التقليدية في مجال الاستشعار : صغيرة الحجم ، وحصانة من التدخل الكهرومغناطيسي (EMI)
، زيادة في الحساسية، متانة وبراعة هندسية.
كما أنها خالية من الأجزاء الكهربائية أو الموصلات في جزء الاستشعار ذاته وقد مكنت هذه الخصائص الفريدة من اجراءعمليات معقدة في مجال تشخيص أمراض
القلب والاوعيةالدمويةوامراض الجهازالهضمى. العيون ، والأورام ، وأمراض الأعصابوالأمراض الجلديةوالأسنان.
تستخدم مجسات السامبا المصغرة جدا الالياف البصريه الضاغطه لتستشعر ضغط ا ضغط الدم الانقباضي وضغط الدمداخل الأوعية الدمويةوالضغطداخل الجمجمةأثناءالصدمة.جملة لمجموعة مجسات سامباAB.
و دمج الألياف البصرية في الأجهزة الطبية يمكن أن يكون تحديا ، التي تتضمن مهام مستقلة مثل تصميم واختيار الألياف ومواد التعبئة وتصنيع فعال من حيث التكلفة ومراقبة الجودة والحفاظ على السجل وعلى سبيل المثال ، جهاز الاستشعار جملة يجب أن يكون حيويا ، لا يتأثر بعملية التعقيم والتخزين ، ومقاومة للتلف أثناء عملية جراحية.
وقد طورت مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار الألياف البصرية لمراقبة الصحة خلال العقدين الماضيين.فمجسات نقطة تستند الى تداخل فابري بيرو ، والألياف حواجز شبكية براج (FBGs) هي على الأرجح معظم أجهزة الاستشعار المنتشرة في التطبيقات الطبية.أجهزة استشعار الضغط ultraminiature التي تقدمها سامبا مجسات AB من Frölunda فاسترا ، والسويد (الشكل 1) ، هي مثال ذات الصلة ، قادرة على استشعار ضغط الدم داخل الأوعية الدموية أو الضغط داخل الجمجمة أثناء الصدمة.ويمكن استخدام أجهزة الاستشعار مماثلة من Fiso تكنولوجي من مدينة كيبيك للاستشعار عن الضغط داخل الأبهر (الشكل 2).و كلاهما يعتمد على تصميم جهاز استشعار ذكي وخاصة الألياف البصرية
الشكل 2.جهاز استشعار ضغط FOP - MIV (المدرجة هنا في إبرة الحقن عيار 24) التي تنتجها خطوط التجميع الآلي بكثرة .ويمكن دمج هذا الاستشعار 550 ميكرون ، خارج القطر البصرية في القسطرة المتخصصة مثل بالون داخل الشريان الأورطي (IAB) القسطرة ، حيث يمكن أن توفر EMI خالية من الدقة في الموقع قياسات ضغط الدم تستخدم لتحريك البالون الأمثل التضخم / الانكماش خلال IABضخ العلاج.مجاملة من FISO تكنولوجيز
وتعتبر أجهزة استشعار الألياف البصرية موثوقة و آمنة ، وأدوات حيوية ، لديها درجة عالية من الاستقرار لنظم رصد الصحة ، وأنها قابلة للتعقيم وأكبر ميزةتتجمع في لألياف البصرية الخاصة ، والتي يتصرف إما كحلقة وصل بين جهاز استشعار ومعدات الرصد أوكاجهزة الاستشعار نفسها.
الزجاج هو مادة خاملة مقاومة للمواد الكيميائية كلها تقريبا ، مما يجعلها مثالية للاستخدام في المختبر أو في التطبيقات الحية.حصانتها ضد EMI يجعلها أداة موثوقة لدعم الحياة في مسارح العمليات الجراحية التى تكون مزدحمة بمجموعة من المعدات المنتجة EMI .ربما كان أكبر ميزة هو حجمها ، و أجهزة استشعار الألياف البصرية المنمنمة ، ومرنة وخفيفة ومفيدة جدا في بيئة الفضاء المقيدة مثل القسطرة أو لجراحات داخل الأوعية الدموية.
لقد لعبت الألياف المتخصصة دورا رئيسيا في قبول واسع لأجهزة استشعار الألياف البصرية كأدوات للتشخيص متعددة الوظائف.عن طريق تعديل خصائص مثل الفتحة العددية ، وبأقطار الكسوة الخارجية و الداخلية ، ومواد الطلاء ، وبالتالى يمكن أن تستخدم الألياف لمختلف التطبيقات.
الألياف البصرية المستخدمة في العديد من أجهزة الاستشعار الطبية لديها طبقة رقيقة من البوليميد كطلاء لتوفير شريحة صغيرة ومدى ملاءمتها لأنواع مختلفة من عمليات التعقيم ، ومثل ثالث أكسيد الإثيلين ، وأكسيد الإيثيلين والاوتوكلاف .و طلاء بوليميد يوفر قوة ممتازة وسماحية هندسية ضيقة ويمكن توفيره مع أي نوع من الألياف مع أبعاد من 60 ميكرون حتى أكثر من المليمتر.بوليميد المقاومة للحرارة يصعب مقارنته مع مواد البوليمر الأخرى.
ولكن الألياف المطلية ببوليميد ، في بعض الأحيان غير عملية .أنها تتطلب أدوات خاصة لإزالة الطلاء عن التجمع ، والطلاءالرقيق يكون حساس أثناء المناولة.وتحديث بسيط فى الطلاء الحيوى يمكن أن يحل محل الألياف الحالية القياسية المغلفة باكريليت. فالطلاء Fibertronix الجديد يمكن تجريده من الألياف بسهولة باستخدام الأدوات المعروفة هذا يظهر قوة ومتانة ممتازة ويمكن صبغته بمجموعة متنوعة من الألوان.كما أنه يفتح المجال العديد من التطبيقاتالتى لم تكتشف بعد لتشخيص المريض والتكهن
و صفة آخري الألياف مرغوب فيها للغاية بالنسبة للجراحة هى السماحية لكثرة الانحناءات.وهذا يسمح بحركة القسطرة ، و التى تمر خلال الأوردة والشرايين ، وحول الاعضاء والعظام ، في طريقها إلى منطقة المرادة .من المهم جدا أن الألياف لا تنكسر أوتفقد البث البصري عند الانحناءات.الفتحة العددية للألياف تؤثر على كمية الضوء داخل القاع ويملي كيف يمكن للألياف البصرية أن تنحني قبل ان تحدث خسارة.وهناك مجموعة ألياف ذات فتحة عددية عالية مفردة او مجموعة متاحة في السوق ، وعدد صغيرفقط يمكن ان يثنى و يجمع حتى يصل لأقطار صغيرة مثل 3-4 ملم مع الحد الأدنى من الخسارة
يتم إدخال هذه الألياف في القسطرة المقيدة ، وبذلك قطرها الخارجي ينبغي أن تكون اصغر مايمكن دون التضحية بالضوء أو المتانة الميكانيكية.و الألياف المكسوة 80 ميكرون هو الاختيار المثالي لمثل هذه التطبيقات.وهناك عدد من ألياف 80 ميكرومتر متوفرة من مختلف الموردين ، و هذه الألياف المكسوة هي اختيارات ممتازة للحلول المدمجة للاستشعار عن بعد.في تخفيض يرتدون الألياف ، وفتحات العددية عالية في كثير من الأحيان زيادة خفض الخسائر ينحني البصرية.للتطبيقات الخاصة ، بأقطار الألياف أسفل إلى 60 ميكرومتر يمكن أن تنتج أو أقل ، ولكن هذه الألياف يصعب التعامل معها ، ويعتبر ذلك 80 ميكرون كحد أدنى عملية لمعظم التطبيقات.
أنواع جديدة من الألياف يتم فتح تخصص جديد تماما أيضا مفاهيم الاستشعار عن بعد.شيء تحتاجه هو طبيب جراح من المعلومات حول الشكل والاتجاه والموقف من خلال صك الجراحات.ويمكن لمزيج من ألياف متعددة النواة التخصص مع توفير هذه التكنولوجيا FBG.في هذا النوع من الألياف ، لثلاثة أو أكثر من نوى بالتوازي ، ولكل نواة لديه FBG المدرج في نفس الموقف في الألياف.
الشكل 3.الجوزاء التشكيل والألياف مرسومة.مجاملة من Acreo AB.
المفهوم الأساسي هو أنه عندما كان مشوها والألياف ، وأنها سوف تحفز سلالات مختلفة من حيث الحجم وانحناء في كل من FBGs.لأن كل النوى في اتصال جسدي ، فإنها سوف تواجه كافة التحولات نفس درجة الحرارة والبيئة المحيطة.عندما هي جزء لا يتجزأ من هذا القبيل في أجهزة الاستشعار أو ثابتة على سطح أداة جراحية ، فإنها يمكن أن ترسم في الوقت الحقيقي معلومات عن موقف واتجاه أداة مستقلة لدرجة الحرارة أو الحمل البيئي.
هذا المفهوم استشعار يوفر وسيلة لرصد موقف حيوي وشكل قسطرة أو كابل الألياف في النقاط العمياء وتم تمكين بواسطة أجهزة استشعار متعددة النواة FBG.في الألياف Fibertronix الجوزاء ، على سبيل المثال ، يتم استبدال الألياف متعددة النواة بواسطة ألياف مستقلة ملحقة فعليا إلى بعضها البعض في تجميع كل الزجاج ، والسلبيات من الألياف متعددة النوى ، مثل صعوبة الاتصال والتعامل معها والتغلب عليها.