BASES FÍSICAS

1.Principios físicos de la reflexión y refracción luminosa.

La fibra óptica puede considerarse , metafóricamente, el alma del fibroscopio por su cualidad luminosa y porque fue el elemento que llevó a la endoscopia a su sitio actual; sin embargo el papel fundamental que jugó en los fibroscopios, ha sido desplazado en los videoscopios donde su función es exclusivamente el transporte de luz desde la fuente luminosa hasta el objetivo, siendo ahora el transporte de la imagen electrónico, lo que hace innecesario el haz de fibras coherentes.

Los primeros experimentos conocidos sobre el principio de la fibra óptica, se iniciaron en 1926 con Clarence Hansell y en 1927 con Heinrich Lamm, siendo los de éste último más avanzados ya que tuvo en mente la probabilidad de aplicar en 1930 la fibra óptica en endoscopia. La tecnología para su fabricación y utilización fue publicada por separado en la revista Nature, en 1954, por Abram Van Heel y Harold Hopkins[i]. En 1957 y 1958, Lawrens Curtis[ii] y Basil Hirschowitz[iii] mostraron el fibroscopio para uso clínico.

De manera general, la fibra óptica es un cilindro muy delgado de vidrio o material plástico, capaz de atrapar y transportar luz debido a múltiples reflexiones internas. La cualidad de delgadez es la que le otorga la flexibilidad. La fibra óptica está compuesta por varias hebras delgadas de vidrio de alta pureza y compactas de 10-25 μm de diámetro. Cada hebra se compone de una barra central de vidrio llamada núcleo, a través del cual se efectúa la propagación de la luz; alrededor de él un tubo de plástico transparente de baja densidad (revestimiento) y finalmente un envoltorio también de plástico de mayor densidad llamado envoltura.

Componentes fibra óptica

Las fibras son muy delgadas, el diámetro del núcleo oscila entre 0,025 y 0,030 mm, para fibras multinodales, que son las que transportan diversos tipos de luz, caracterizados por su longitud de onda: la llamada fibra multinodal de índice de refracción escalonado se usa en la transferencia convencional de imágenes , así como en la transmisión de datos en distancias cortas.

El revestimiento es una funda de plástico u otros materiales que protegen externamente y mantienen el vidrio libre de impurezas (polvo). El envoltorio a su vez protege las capas interiores. Las fibras de vidrio están fabricadas a alta temperatura con base de sicilio, su proceso de elaboración es controlado por medio de computadoras, para permitir que el índice de refracción de su núcleo, que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las desviaciones.


El principio físico que rige la transmisión de imágenes por haces flexibles de fibra óptica es el fenómeno característico cuando un rayo choca contra una superficie y se denomina reflexión interna total[iv]. Se produce cuando un rayo de luz, atravesando un medio de índice de refracción “n“ más grande que el índice de refracción en el que este se encuentra, se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente, por lo tanto solo ocurre en rayos viajando de un medio de alto índice refractivo hacia medios de menor índice de refracción ( n1 > n2 ), es decir, el índice de refracción ( la medida de su capacidad para desviar la luz) del material de revestimiento es menor que el del núcleo. La reflexión interna total se utiliza en fibra óptica para conducir la luz a través de la fibra sin pérdidas de energía.

Reflexion interna total

Por otro lado, la reflexión es un fenómeno de propagación por ondas, que se produce cuando un rayo choca contra una superficie formando un ángulo i, llamado ángulo de incidencia, con la normal a la superficie y es rechazado en una dirección dada por el ángulo de reflexión. El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal a la superficie pertenecen al mismo plano. En caso de que el rayo incida perpendicularmente es reflejado en la misma dirección de incidencia.

EL rayo de luz que se propaga en un medio con índice de refracción n1 que incide con un ángulo θ1 con una superficie sobre un medio de índice n2 donde n1 > n2 puede reflejarse totalmente en el interior del medio de mayor índice de refracción. Esta reflexión interna total se produce para ángulos de incidencia θ1 mayores que un valor crítico

El ángulo crítico de incidencia (θc ) ó ángulo límite se define como el ángulo mínimo de incidencia en el cual se produce reflexión interna total. La luz que choca en la interfase con un ángulo mayor del crítico, mostrará reflexión interna total.

La ley de Snell es una fórmula simple utilizada para calcular el ángulo de refracción de la luz al atravesar la superficie de separación entre dos medios de índice de refracción distinto. Esta ley dice que el producto del índice de refracción por el seno del ángulo de incidencia es constante para cualquier rayo de luz incidiendo sobre la superficie separatriz de dos medios.

Ley de Snell

Para un rayo luminoso con un ángulo de incidencia θ1 sobre el primer medio, ángulo entre la normal a la superficie y la dirección de propagación del rayo, tendremos que el rayo se propaga en el segundo medio con un ángulo de refracción θ 2 cuyo valor se obtiene por medio de la ley de Snell (n1 sinθ1 =n1 sinθ2).

Teniendo en cuenta la ley de Snell, si n1 > n2, entonces θ1 > θ2. Eso significa que cuando θ1 aumenta, .θ2 llega a 90° antes que θ1. Es decir, que el rayo refractado (o transmitido) sale paralelo a la frontera. Si θ1 aumenta aún más, como θ2 no puede ser mayor de 90°, no hay transmisión al otro medio y la luz se refleja totalmente.

Ley de Snell: aplicaciones

La reflexión es realmente total (100%) y sin pérdidas, mejor que los espejos metálicos (plata, aluminio) que sólo reflejan 96% de la potencia luminosa incidente.

SISTEMA ÓPTICO:

Para que se transmita la imagen es necesario un conjunto de fibras ópticas:

  • Haz de fibras luminoso: Es un haz incoherente, sin acomodo espacial, con fibras ópticas más baratas de construir y que únicamente transmiten la luz hasta la punta del fibroscopio
  • Haz de imagen: Es un haz coherente, con acomodo espacial, igual disposición en el objetivo y la punta del fibroscopio. La imagen transmitida por el haz es real pero pequeña, de menos de 5 mm de diámetro, por lo que es necesario ampliarla mediante un sistema de lentes.
La lente objetivo está en el extremo distal del fibroscopio; ésta invierte la imagen, por lo que el haz fibróptico rota internamente unos 180° para compensar esa inversión de imagen, que por otro lado se amplifica al final del fibroscopio por medio de una lente que hay en el ocular. En este ocular se puede compensar cualquier anomalía visual con un juego de lentes que permite un enfoque ajustado y tener una buena imagen nítida.

Haz de imagen: fibras coherentes

La capacidad de resolución de un fibroscopio viene aportada por el número de haces de fibras que lo componen. El diámetro de cada haz es de 10 micras. Cada haz se reviste con un material que evita pérdidas lumínicas y tiene un espesor de 0,5 μm. Los haces de fibras en un fibroscopio tienen alrededor de 4000-6000 fibras individuales.

Haz de fibras de imagen

 2. Diferencias entre fibroscopios y videoscopios.

            A diferencia de los fibroscopios, la imagen en los videoscopios no es transmitida por un haz de fibra de óptica coherente, sino que es captada por un sensor CCD (Charge-Coupled Device) en la punta del fibroscopio. Un procesador de imagen eléctricamente conectado al sensor CCD transmite la información de la imagen  como señal eléctrica, hasta una pantalla de video que permiten la observación por parte del fibroscopista.

            Los adelantos logrados en la tecnología de los microcircuitos, específicamente de los sensores de imagen de estado sólido, permitieron que en 1969 se inventara un sensor de este tipo llamado CCD por Willard S.Boyle y George E.Smith en los laboratorios Bell. Este sensor fue utilizado por primera vez en cámaras comerciales en 1981. En 1983 el fabricante Welch Allyn introdujo el primer videoendoscopio comercial.

            El sistema óptico de un videoscopio comprende:

  • Sistema de iluminación: Constituido habitualmente por un haz de fibras ópticas no coaxiales o no coherentes, con el extremo distal dispuesto de forma adecuada cerca de los lentes objetivos distales permitiendo la iluminación de la superficie a explorar cuando el extremo proximal del videoscopio se encuentra conectado a una fuente de luz.[v]
  • Sistema de lentes distal.
  • Sensor CCD: El dispositivo CCD “Charge Coupled Device” (Dispositivo de Cargas Eléctricas Interconetadas) es un sensor de imagen de estado sólido hecho de material de semiconductor a base de silicón. Los CCD están formados por un circuito integrado (microcircuito) que contiene un número determinado de condensadores (almacenes de carga eléctrica) enlazados o acoplados. Bajo el control del circuito interno, cada condensador puede transferir su carga eléctrica a uno o varios de los condensadores que estén a su lado en el circuito impreso. El silicón de la superficie del sensor responde a la luz y exhibe un efecto fotoeléctrico igual que el observado en las células fotovoltaicas. Este efecto consiste en la conversión espontánea de la luz recibida en corriente eléctrica y sólo ocurre en algunos materiales.
  • Sistema de transporte de imagen: Las cargas eléctricas producidas por el sistema de muestreo del CCD son transmitidas de manera ordenada como señal eléctrica a los circuitos preamplificadores. De aquí las señales pasan a los procesadores, donde se realizan las correcciones electrónicas de la señal. Pasando de esta manera a estar listas para ser codificadas en una señal analógica o digital que posteriormente se transmita a los conectores de salida del procesador de imagen. Así la señal puede enviarse mediante cables al monitor u otros sistemas de registro (videograbadora, impresora,etc).
  • Pantalla a través de la cual poder observar la imagen: Es la encargada de convertir en imágenes las señales que provienen de la tarjeta gráfica del procesador de imagen. Debe tener un sintonizador. Mientras el procesador de imagen está enviando señales, el receptor las convierte en señales que han de ser descompuestas en audio y señales de video. Cuando éstas se vuelven a combinar en la pantalla, se tiene una imagen a todo color y audio.

Componentes del videoscopio

VENTAJAS DE LOS VIDEOSCOPIOS:

  • Permiten realizar procedimientos con una postura natural y relajada al no afectarse el haz de transmisión de imagen.
  • La visión simultanea por parte de los ayudantes mientras se realiza la exploración, permite la docencia y ayuda.
  • La imagen puede ser almacenada para su consulta posterior o con fines docentes.
  • Se evita el efecto “moiré” existente en los fibroscopios a los que se adapta una cámara.
  • Los sensores CCD tienen grandes ventajas con respecto a los de tecnología previa: requieren menos energía, son menos susceptibles a la vibración (transporte, golpes), no son dañados por la iluminación intensa, y no producen colas de luz (efecto cometa) con el movimiento de imágenes. Su sensibilidad a la luz es muy alta.
  • Logran imágenes con definición muy superior, que puede llegar hasta 600.000 pixeles o más por CCD contra los 40.000 de los fibroscopios.
  • Se evita la aparición de puntos negros en la imagen transmitida, debida la rotura de fibras ópticas del haz coherente.

BIBLIOGRAFÍA:

[i] Van Heel ACS. A new method of trasporting optical images without aberrations. Nature. 1954:173:139.

[ii] Curtis LE.,Hirschowitz BI, Peters CW. A long fiberscope for internal medical examinations. J Opt Soc Amer 1957:47;117.

[iii] Hirschowitz BI, Curtis LE, Peters CW, Pollard HM. Demonstration of a new gastroscope, the “Fiberscope”. Gastroenterology 1958;35:50-53.

[iv] Enciclopedia Universal Micronet S.A. 1998.

[v] Frenzel L.Comunicaciones Ópticas. Sistemas electrónicos de Comunicaciones. Frenzel L; Editor. Primera edición.Editorial Alfaomega.México.2005;865-910.