Методы микроскопии и волоконная оптика в медицине

Специальные методы микроскопии в биологических исследованиях. Для проведения комплексных цитологических и гистологических изысканий стандартных методов светлого поля часто оказывается недостаточно. В связи с этим в клинической практике и лабораторной диагностике применяются специализированные физико-оптические модификации микроскопии.

Микропроекция и микрофотография. Чтобы спроектировать изображение, получаемое с помощью микроскопа, на экран или сфотографировать его, необходимо сделать это изображение действительным — мнимое изображение на экран спроектировать и, следовательно, сфотографировать нельзя. Для этого следует окуляр переместить так, чтобы изображение A₁B₁ находилось не между фокусом и окуляром, как это имеет место в стандартном микроскопе (как показано на рис. 81), а между фокусом и двойным фокусом окуляра; тогда окуляр даст действительное и увеличенное изображение, которое можно спроектировать и сфотографировать (как показано на рис. 83). К биологическим микроскопам придается специальная металлическая насадка в виде трубочки, надевание которой на окуляр обеспечивает получение микропроекции.

Рис. 83. Ход лучей в микропроекторе.

Метод темного поля. Если объекты не имеют достаточного контраста с окружающей средой и нет достаточного контраста между элементами структуры объекта, можно использовать конденсор темного поля. Он направляет световые лучи на объект под большими углами, поэтому предмет освещается, но световые лучи не попадают в объектив (как показано на рис. 84). Это делает объект видимым на общем, более темном поле зрения микроскопа. В этом случае можно заметить, что объект есть светящаяся точка, но рассмотреть его детали невозможно. Однако объект будет заметен, если он даже меньше предельного разрешающего расстояния z_min.

Рис. 84. Ход лучей через конденсор темного поля.

Ультрафиолетовая микроскопия. Использование ультрафиолетовых лучей, то есть лучей с длиной волны, меньшей, чем для видимого света, приводит к уменьшению z_min и, следовательно, к увеличению разрешающей способности, что, в свою очередь, дает возможность получить большее полезное увеличение (до 3000 раз). В ультрафиолетовых микроскопах вся оптика изготавливается из кварца или увиолевого стекла, пропускающего ультрафиолет. Освещение объекта производится с помощью ртутно-кварцевой лампы, дающей излучение, богатое ультрафиолетовыми лучами.

Флуоресцентная микроскопия. Некоторые вещества, входящие в состав живых тканей, светятся под действием ультрафиолетовых лучей. Свечение некоторых объектов можно вызвать с помощью специальных красителей (флуорохромов). В таких микроскопах оптика остается обычной, надо только взять осветитель, дающий ультрафиолетовые лучи, и все стеклянные детали до покровного стекла заменить увиолевым стеклом. Биологи используют и другие виды микроскопии — фазово-контрастную, интерференционную, поляризационную, электронную и др. Пожалуй, никто так широко не пользуется микроскопией, как медики и биологи.

Волоконная оптика и эндоскопические методы в медицине. Человеческий глаз при всем изумительно тонком и сложном устройстве далек от совершенства. Несмотря на то, что его сетчатка воспринимает зрительную информацию с помощью более чем 100 миллионов элементов — палочек и колбочек, несмотря на то, что в коре головного мозга при обработке этой информации участвуют миллиарды нейронов, мы вправе сказать, что природа все же в этой части не очень щедра к человеку. Человеческий глаз не видит очень малых предметов (на помощь пришел микроскоп), не различает предметов, удаленных на большие расстояния (здесь помощником оказались зрительные трубы и телескопы). Не может взгляд проникнуть и сквозь непрозрачные предметы и среды.

Дать глазам возможность увидеть то, что недоступно им по природным свойствам, расширить окно, через которое человек воспринимает окружающий мир, — задача, от решения которой зависит развитие очень многих наук, в том числе биологии и медицины.

Принципы и эволюция эндоскопии. Рассмотреть состояние внутренних органов (пищевод, желудок и др.) — давнейшая мечта врачей. Первый человек, у которого медики попытались увидеть внутреннюю поверхность желудка, был шпагоглотатель. Более ста лет назад немецкий врач Куссмауль ввел ему в гортань металлическую трубку длиной 47 см и толщиной 13 мм. Но опыт не удался: аппарат был далек от совершенства и освещения от наружного источника явно не хватало.

Первый гастроскоп сконструировал известный хирург Микулич в 1882 году. Ему удалось увидеть внутреннюю полость желудка. Позже были изготовлены приборы с внутренним освещением. Как показано на рис. 85, представлена общая схема гастроскопии. Аналогично устроены цистоскоп (для исследования мочевого пузыря), ректоскоп (для исследования кишечника) и другие приборы.

Рис. 85. Схема гастроскопии.

Физические основы волоконной оптики. Во всех этих приборах световые лучи передаются по гибким каналам — световодам. По такому каналу-световоду свет может идти по извилистому пути (как показано на рис. 86, а). Световой луч идет по очень тонкому стеклянному волокну, показатель преломления которого больше показателя преломления окружающей среды.

Световой луч испытывает полное внутреннее отражение, попадая на границу между стеклом и окружающей средой под углом больше предельного (как показано на рис. 86, б). Световод состоит из очень большого количества таких волокон. Он может иметь изгибы, лимитируемые только предельным углом (или соотношением показателей преломления волокна и окружающей среды). Волоконная оптика — так называется раздел физики, занимающийся решением этих проблем (движение света по изгибающемуся световоду).

Рис. 86. Световод и ход лучей в нем.

Недавно в клинику пришел еще один прибор, работающий на волоконной оптике, — фиброскоп. Он позволяет диагностировать заболевания желчных путей и поджелудочной железы. Внешний вид и схема его устройства показаны на рис. 87.

Рис. 87. Схема фиброскопа на волоконной оптике.

Обозначения структурных элементов устройства на рис. 87: 1, 2 — двенадцатиперстная кишка, 3 — желудок, 4 — манипуляционный конец фиброскопа, на котором имеется: 5А — отверстие для выхода воздуха или жидкости, 5Б — объектив, 5В — место выхода пучка света, 5Г — выходное отверстие для щипчиков, 5Д — подъемник для щипчиков, 6 — гибкая часть фиброскопа, 7 — принудительно изгибаемая часть, 8 — окуляр, 9 — фотоаппарат, 10 — источник света (осветитель), 11 — галогеновая лампа.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Е. А. Безденежных, И. С. Брикман

Источник: Физика в живой природе и медицине

Данные публикации будут полезны учащимся старших классов общеобразовательных школ, учителям физики и биологии, учащимся и преподавателям средних медицинских учебных заведений, а также студентам первых курсов медицинских институтов, биологических факультетов университетов и педагогических институтов.