OPTICAL FIBERS 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 العمر مع زادة عدد السكان فى العالم ، و زادة متوسط

المتوقع لألشخاص ، وبالتالى زادة الطلب على أدوات فعالة للتشخص وتقلل اسالب الجراحة التقلدة هى اتجاه .والجراحة و رعاة المرضى

بالتالى للتنمة حث إقامة أقصر ف المستشفى وخفض التكالف ، و.األلاف البصرةخاصة تساعد على تمهد الطرق لذلك

الجراحة التقلدة تعرض األنسجة واألعضاء لشقوق كبرة ، ف

تؤدي إل خفض األلم و حن تقلل الجراحة التى تخترق جسم اإلنسان العملة ، ووقت الشفاء كون اسرع وتقلل خطر الصدمات اثناء

ومع ذلك ، فإن هذا األخر تطلب اجهزة استشعار عن بعد .ىالعدووبالتالى .صغرة مكن ازالتها و ادوات مضغوطة لمساعدة األطباء

األلاف البصرة خاصة مفدة و لس فقط كمصدر الضوء وتجمع .بل إنها مكن أن تحسن كثرا من النتائج الجراحة –الصور

استخدمت األلاف الضوئة فى األجهزة

، عندما تم بنجاح استخدام األلاف الضوئة 1660الطبة منذ عام المجمعة لكال االضاءة و التصور من خالل المناظر و خالل اواخر 1690

و مع ذلك استخدمت بكثرة االلاف الضوئة كاالت للتصور ف الجراحةفان االلف الضوئة مكن ان تستخدم فى عدد من التطبقات و لس فقط

كما ان االلاف الضوئة الخاصة تستخدم , للتصور او مصدر لالضاءة أجهزة االستشعار ذكة لمراقبة المتغرات الحوة مثل درجة الحرارة , الضغط , تركز االكسجن و القوة المستخدمة

.

ألجهزة استشعار األلاف البصرة مزاا عددة إذا ما قورنت بأجهزة

صغرة الحجم ، : االستشعار االلكترونة التقلدة ف مجال االستشعار (EMI) وحصانة من التدخل الكهرومغناطس

.وبراعة هندسة الحساسة، متانة ، زادة ف ستشعار كما أنها خالة من األجزاء الكهربائة أو الموصالت ف جزء اال

ذاته وقد مكنت هذه الخصائص الفردة من اجراءعملات معقدة ف مجال تشخص أمراض

العون ، واألورام ، .القلب واالوعةالدموةوامراض الجهازالهضمى

.واألسنان الجلدةواألمراض وأمراض األعصاب

لتستشعر الضاغطه البصره المصغرة جدا االلاف السامبا مجسات تستخدم

داخل األوعة ضغط الدم االنقباض وضغط الدم ا ضغط

لمجموعة مجسات جملة .الصدمة أثناء داخل الجمجمة والضغط الدموة

.AB سامبا

ن أن كون تحدا ، الت و دمج األلاف البصرة ف األجهزة الطبة مكتتضمن مهام مستقلة مثل تصمم واختار األلاف ومواد التعبئة وتصنع

على سبل فعال من حث التكلفة ومراقبة الجودة والحفاظ على السجل والمثال ، جهاز االستشعار جملة جب أن كون حوا ، ال تأثر بعملة

.ناء عملة جراحةالتعقم والتخزن ، ومقاومة للتلف أث

وقد طورت مجموعة متنوعة من أجهزة االستشعار األلاف البصرة لمراقبة

فمجسات نقطة تستند الى تداخل فابري .الصحة خالل العقدن الماضنه على األرجح معظم ( FBGs)برو ، واأللاف حواجز شبكة براج

أجهزة استشعار الضغط .أجهزة االستشعار المنتشرة ف التطبقات الطبةultraminiature الت تقدمها سامبا مجساتAB منFrölunda

، ه مثال ذات الصلة ، قادرة على استشعار ( 1الشكل )فاسترا ، والسود جمة أثناء ضغط الدم داخل األوعة الدموة أو الضغط داخل الجم

تكنولوج من Fisoومكن استخدام أجهزة االستشعار مماثلة من .الصدمةو كالهما عتمد (.2الشكل )مدنة كبك لالستشعار عن الضغط داخل األبهر

على تصمم جهاز استشعار ذك وخاصة األلاف البصرة

لحقن المدرجة هنا ف إبرة ا) FOP - MIVجهاز استشعار ضغط .2الشكل ومكن دمج هذا .الت تنتجها خطوط التجمع اآلل بكثرة ( 24عار

مكرون ، خارج القطر البصرة ف القسطرة المتخصصة 550االستشعار القسطرة ، حث مكن أن توفر ( IAB)مثل بالون داخل الشران األورط

EMI الون خالة من الدقة ف الموقع قاسات ضغط الدم تستخدم لتحرك الب FISOمجاملة من .ضخ العالج IABاالنكماش خالل / األمثل التضخم

تكنولوجز

وتعتبر أجهزة استشعار األلاف البصرة موثوقة و آمنة ، وأدوات حوة ، لدها درجة عالة من االستقرار لنظم رصد الصحة ، وأنها قابلة للتعقم

ة ، والت تصرف إما كحلقة وأكبر مزةتتجمع ف أللاف البصرة الخاص .وصل بن جهاز استشعار ومعدات الرصد أوكاجهزة االستشعار نفسها

الزجاج هو مادة خاملة مقاومة للمواد الكمائة كلها تقربا ، مما جعلها

EMIحصانتها ضد .مثالة لالستخدام ف المختبر أو ف التطبقات الحةف مسارح العملات الجراحة التى تكون جعلها أداة موثوقة لدعم الحاة

ربما كان أكبر مزة هو . EMIمزدحمة بمجموعة من المعدات المنتجة حجمها ، و أجهزة استشعار األلاف البصرة المنمنمة ، ومرنة وخففة

ومفدة جدا ف بئة الفضاء المقدة مثل القسطرة أو لجراحات داخل .األوعة الدموة

أللاف المتخصصة دورا رئسا ف قبول واسع ألجهزة استشعار لقد لعبت ا

عن طرق تعدل .األلاف البصرة كأدوات للتشخص متعددة الوظائفخصائص مثل الفتحة العددة ، وبأقطار الكسوة الخارجة و الداخلة ،

.ومواد الطالء ، وبالتالى مكن أن تستخدم األلاف لمختلف التطبقات

اف البصرة المستخدمة ف العدد من أجهزة االستشعار الطبة لدها األلطبقة رققة من البولمد كطالء لتوفر شرحة صغرة ومدى مالءمتها ألنواع مختلفة من عملات التعقم ، ومثل ثالث أكسد اإلثلن ، وأكسد

هندسة و طالء بولمد وفر قوة ممتازة وسماحة .اإلثلن واالوتوكالف مكرون 60ضقة ومكن توفره مع أي نوع من األلاف مع أبعاد من

بولمد المقاومة للحرارة صعب مقارنته مع مواد .حتى أكثر من الملمتر .البولمر األخرى

أنها .ولكن األلاف المطلة ببولمد ، ف بعض األحان غر عملة

عن التجمع ، والطالءالرقق كون تتطلب أدوات خاصة إلزالة الطالءوتحدث بسط فى الطالء الحوى مكن أن حل محل .حساس أثناء المناولة

الجدد Fibertronixفالطالء .األلاف الحالة القاسة المغلفة باكرلتهذا ظهر مكن تجرده من األلاف بسهولة باستخدام األدوات المعروفة

كما أنه .ومكن صبغته بمجموعة متنوعة من األلوانقوة ومتانة ممتازة فتح المجال العدد من التطبقاتالتى لم تكتشف بعد لتشخص المرض

والتكهن

و صفة آخري األلاف مرغوب فها للغاة بالنسبة للجراحة هى السماحة وردة وهذا سمح بحركة القسطرة ، و التى تمر خالل األ .لكثرة االنحناءات

من .والشران ، وحول االعضاء والعظام ، ف طرقها إلى منطقة المرادة المهم جدا أن األلاف ال تنكسر أوتفقد البث البصري عند

الفتحة العددة لأللاف تؤثر على كمة الضوء داخل القاع .االنحناءاتوهناك .ةومل كف مكن لأللاف البصرة أن تنحن قبل ان تحدث خسار

مجموعة ألاف ذات فتحة عددة عالة مفردة او مجموعة متاحة ف السوق ، وعدد صغرفقط مكن ان ثنى و جمع حتى صل ألقطار صغرة

ملم مع الحد األدنى من الخسارة 4-3مثل

تم إدخال هذه األلاف ف القسطرة المقدة ، وبذلك قطرها الخارج نبغ و .غر مامكن دون التضحة بالضوء أو المتانة المكانكةأن تكون اص

مكرون هو االختار المثال لمثل هذه 90األلاف المكسوة مكرومتر متوفرة من مختلف 90وهناك عدد من ألاف .التطبقات

الموردن ، و هذه األلاف المكسوة ه اختارات ممتازة للحلول المدمجة ف تخفض رتدون األلاف ، وفتحات العددة عالة ف .لالستشعار عن بعد

للتطبقات الخاصة ، .كثر من األحان زادة خفض الخسائر نحن البصرةمكرومتر مكن أن تنتج أو أقل ، ولكن هذه 60بأقطار األلاف أسفل إلى

مكرون كحد أدنى عملة 90األلاف صعب التعامل معها ، وعتبر ذلك .لتطبقاتلمعظم ا

أنواع جددة من األلاف تم فتح تخصص جدد تماما أضا مفاهم االستشعار

شء تحتاجه هو طبب جراح من المعلومات حول الشكل واالتجاه .عن بعدومكن لمزج من ألاف متعددة النواة .والموقف من خالل صك الجراحات

ع من األلاف ، ف هذا النو .FBGالتخصص مع توفر هذه التكنولوجا

المدرج ف نفس FBGلثالثة أو أكثر من نوى بالتوازي ، ولكل نواة لده .الموقف ف األلاف

.Acreo ABمجاملة من .الجوزاء التشكل واأللاف مرسومة .3الشكل

المفهوم األساس هو أنه عندما كان مشوها واأللاف ، وأنها سوف تحفز ألن كل النوى .FBGsجم وانحناء ف كل من سالالت مختلفة من حث الح

ف اتصال جسدي ، فإنها سوف تواجه كافة التحوالت نفس درجة الحرارة عندما ه جزء ال تجزأ من هذا القبل ف أجهزة .والبئة المحطة

االستشعار أو ثابتة على سطح أداة جراحة ، فإنها مكن أن ترسم ف الوقت واتجاه أداة مستقلة لدرجة الحرارة أو الحمل الحقق معلومات عن موقف

.البئ

هذا المفهوم استشعار وفر وسلة لرصد موقف حوي وشكل قسطرة أو كابل األلاف ف النقاط العماء وتم تمكن بواسطة أجهزة استشعار متعددة

الجوزاء ، على سبل المثال ، Fibertronixف األلاف .FBGالنواة األلاف متعددة النواة بواسطة ألاف مستقلة ملحقة فعلا إلى تم استبدال

بعضها البعض ف تجمع كل الزجاج ، والسلبات من األلاف متعددة النوى ، .مثل صعوبة االتصال والتعامل معها والتغلب علها

.

REFERNCE:_

http://www.kyrene.org/staff/sreed/amsitech/activities/fiboptic/fiboptic.htm

http://www.fibertronix.com/cover-story-specialty-optical-fibers-make-

surgery-less-invasive-0