Οπτικά φαινόμενα σε ιατρικές εφαρμογές και προσομοίωσή τους μέσω εργαστηριακών ασκήσεων

Δεράτσα, Νικολέττα-Αθηνά

Optical phenomena in medical applications and their simulation via laboratory exercises

Διπλωματική εργασία

Author

Δεράτσα, Νικολέττα-Αθηνά

Date

2024-03-21

Advisor

Λιαπαρίνος, Παναγιώτης

Deratsa_18388007.pdf (3.197Mb)

Keywords

Διάδοση φωτός ; Βιοϊατρική οπτική ; Νόμος του Snell ; Εργαστηριακές ασκήσεις ; Optical diffusion ; Biomedical optics ; Snell’s Law ; Laboratory exercises

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκτείνεται σε τρεις βασικούς άξονες, την ανάλυση συγκεκριμένων φαινομένων διάδοσης του φωτός, την εφαρμογή τους σε ιατρικές διατάξεις, και την κατανόηση αυτών μέσω εργαστηριακών ασκήσεων δομημένες με τη βοήθεια ειδικού ψηφιακού εργαλείου. Αρχικά, περιγράφονται βασικοί όροι των χαρακτηριστικών και της φύσης του φωτός, και εξηγούνται οι συνθήκες για τις οποίες συμβαίνει η ανάκλαση και η διάθλαση της φωτεινής ακτινοβολίας. Μια ακόμη περίπτωση που εξετάζεται είναι το φαινόμενο της ολικής εσωτερικής ανάκλασης και ερμηνείας του μέσω του νόμου του Snell, που αποτελεί ένα είδος συνδυασμού των δύο προηγούμενων. Στη συνέχεια παρατίθενται και εξηγούνται διάφορα οπτικά εξαρτήματα τα οποία εκμεταλλευόμενα τα φαινόμενα διάθλασης, ανάκλασης και ολικής εσωτερικής ανάκλασης, είναι ικανά να δώσουν σημαντικά αποτελέσματα πολλά εκ των οποίων εφαρμόζονται σε κλινικές πράξεις. Συγκεκριμένα, δίνονται ορισμοί και διευκρινίζεται ο τρόπος επίδρασης του φωτός σε κάτοπτρα, φακούς, πρίσματα και οπτικές ίνες, τα οποία είναι απαραίτητα στην οργανολογία πολλών ιατρικών συσκευών. Την ανάπτυξη της θεωρίας ολοκληρώνει η παράθεση ιατρικών συστημάτων στον τομέα της βιοϊατρικής οπτικής, που χρησιμοποιούνται σε διαγνωστικές και θεραπευτικές διαδικασίες και τα οποία στηρίζονται στα οπτικά εξαρτήματα που αναλύθηκαν προηγουμένως. Επιπρόσθετα παρατίθονται μερικά παραδείγματα που στηρίζονται στα φαινόμενα διάδοσης του φωτός όπως μικροσκόπια, ενδοσκόπια και πλήθος οφθαλμολογικών συστημάτων. Τέλος, μέσω επεξηγηματικής ανάλυσης του ψηφιακού εργαλείου «bending light», που προσομοιάζει τα προαναφερθέντα οπτικά φαινόμενα, δημιουργούνται δύο εργαστηριακές ασκήσεις προσαρμοσμένες σε ιατρικές εφαρμογές που αναλύθηκαν στο θεωρητικό υπόβαθρο, καθώς και η λύση αυτών.

Abstract

The present thesis focuses on three primary axes: analysis of specific light dissemination phenomena, application of such phenomena to medical procedures, and finally understanding the optical diffusion through the development laboratory exercises by using a special digital tool. After having described some basic terminology regarding the characteristics and nature of light, are further explained. Another examined case was the phenomenon of total internal reflection through Snell’s law, which is in fact a combination of the two previously mentioned phenomena. Subsequently, various optical components are described, which take advantage of the phenomena of refraction, reflection, and total internal reflection and thereafter applied to clinical practice. Moreover, additional optical components are provided, (mirrors, lenses, prisms and optical fibers) which are necessary in the instrumentation of many medical devices such as, microscopes, endoscopes, and other ophthalmological systems. Finally, by conducting an explanatory analysis of the “bending light” digital tool, which simulates the optical phenomena, two laboratory exercises are created adapted to the medical applications referred to in the theoretical part of the thesis, along with their solution.