Adobe Systems
Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno
1
Přednášky z lékařské biofyziky
Endoskopy, zařízení pro chirurgické odstraňování tkání a litotriptory
shock%20shoulder schlinge rubinovylaser

2
Obsah přednášky
Tato přednáška se zabývá následujícími biomedicínskými zařízeními:
Endoskopy
Lasery
Elektrochirurgickými přístroji
Ultrazvukovými chirurgickými přístroji
Kryochirurgickými zařízeními
„Vodním“ a plazmovým skalpelem
Litotriptory

3
Endoskopie
Endoskopy jsou přístroje pro vizuální vyšetřování tělesných dutin. Jsou založeny převážně na odrazu
a lomu světla.
Do těla jsou zaváděny buď přirozenými tělesnými otvory (dutinou nosní, hrtanem, hltanem, dýchacími
cestami, močovou trubicí, pochvou, konečníkem) nebo chirurgickým řezem (do břišní dutiny, hrudníku,
kloubů, mozku).
Endoskopy můžeme rozdělovat podle tří hledisek: složitosti, způsobu osvětlení a způsobu pozorování.
Podle složitosti (a konstrukce) rozlišujeme:
•Endoskopická zrcadla
•Endoskopy s pevnými tubusy
•Fibroskopy a videoendoskopy
•Endoskopické kapsle
Endoskopy se také používají pro drobné chirurgické výkony, protože mohou být také vybaveny malými
chirurgickými nástroji.

4
Způsob osvětlení a pozorování
Osvětlení může být:
Vnitřní: zdroj světla je součástí zařízení
Vnější: vyšetřovaná dutina je osvětlena vnějším zdrojem (typicky endoskopická zrcadla).
U endoskopů s vnitřním osvětlením může být zdroj světla přímo v tělesné dutině (distální osvětlení)
nebo mimo ni (světlo je do ní zaváděno optickým systémem, proximální osvětlení).
Pozorování dutiny může být:
Přímé - lékař používá své vlastní oči i za pomoci nějakého optického systému.
Nepřímé, jestliže je obraz snímán digitální videokamerou a pozorován na monitoru.

5
Endoskopická zrcadla
Laryngoskop. Zrcadlo připomínající lžíci používané pro pozorování nosohltanu a zadní části dutiny
nosní.
Otoskop. Nálevkovitý endoskop vkládaný do vnějšího zvukovodu pro vyšetření jeho distální části a
ušního bubínku.
Rinoskop. Nástroj ve tvaru kleští s vnitřními konkávními odrážejícími plochami – pro vyšetřování
přední části nosní dutiny.
Oční zrcátko. Ploché nebo konkávní zrcadlo s otvorem uprostřed. Slouží pro vybavení tzv. červeného
reflexu – odrazu světla od sítnice.
Sítnice je vyšetřována přímou oftalmoskopií – oftalmoskop je malý průhledový endoskop se zdrojem
světla a korekcí refrakční vady lékaře.
Vaginální zrcadla (kolposkop, speculum). Nástroj ve tvaru kleští s vnitřními konkávními
odrážejícími plochami – pro vyšetřování pochvy a děložního čípku.

6
Ophthalmoscope
Endoskopická zrcadla
ant%20rhino
laryngoskop
rinoskop
otoskop
grand2 http://www.physiologie-online.com/ana_media/Larynx-Laryngoskopie.jpg

7
Endoskopická zrcadla
Oftalmoskop Riester Pen-scope Disposable Graves Vaginal Speculum
oftalmoskop
Vaginální zrcadla

8
Endoskopy s pevným tubusem
Pevné kovové trubice s optickým systémem a zabudovaným světelným zdrojem (proximálním nebo
distálním). Nevýhody: poměrně velké ztráty světla a tuhost trubice.
Cystoskop – močový měchýř
Rektoskop – rektum a sigmoideum
Endoskopy zaváděné chirurgicky:
Laparoskop – dutina břišní.
Artroskop – klouby (zejména kolenní).
•
Podle Wikipedie zkonstruoval první endoskop s pevným tubusem -  gastroskop sloužící k  vyšetření
žaludku - slavný lékař Adolph Kussmaul v roce 1868. Traduje se že prvním vyšetřeným pacientem byl
cirkusový polykač mečů.

9
Endoskopy s pevným tubusem
311

10
Rektoskop cystoskop
rektoskop
cystoskop
Endoskopy s pevným tubusem

11
Fibroskopy
Vláknová optika, úplný odraz, mezní úhel.
Nejmenší světelné ztráty jsou typické pro dvouvrstevná optická vlákna vyrobená ze skla nebo plastu.
Jádro má vyšší index lomu (n1) než obal (n2). Úplný odraz nastává, když sina < (n12 - n22)1/2.
Vlákna tvoří svazky sloužící pro osvětlení a přenos obrazu.
312
- průdušnice a průdušky (bronchoskopie)
- sliznice jícnu (ezofagoskopie)
- sliznice žaludku a dvanáctníku (gastroduodenoskopie)
- tlusté střevo (kolonoskopie)
Fiber Optic Diagram
Ve svazku přenášejícím obraz jsou vlákna uspořádána stejně na vstupu i výstupu svazku. Ztráty
světelného signálu: 0,001 - 0,005 dB na 1 m délky.

12
Fibroskopy
Fibroskopy umožňují odebírat vzorky tkání a provádět drobné chirurgické výkony. Jsou ohebné, takže
s nimi lze vyšetřovat i části těla nepřístupné pro endoskopy s pevnými tubusy. Délka 130 - 140 cm.
V ohebném kabelu endoskopu se nacházejí:
3 svazky optických vláken (2 pro osvětlení, 1 pro přenos obrazu),
trubice pro vodu a/nebo vzduch,
kanál pro zavádění chirurgických nástrojů a
ovládací táhla umožňující pohyb distálního konce endoskopu s objektivem, jenž poskytuje ostrý obraz
ze vzdálenosti 3 - 100 mm.
Proximální konec endoskopu je vybaven okulárem zabudovaným do tuhé části endoskopu. Zde se nachází
o ovládací zařízení pro manipulaci s distálním koncem endoskopu.
Součástí zařízení je též výkonný zdroj světla, vzduchový kompresor, vodní čerpadlo a vývěva.

13
Fibroskopy
schlinge
Čelo kolonoskopu
www.endoscopy.ru/diler/ pentaxvideo.html.
ENDO

14
Fibroskopy
fiberscope

15
Videoendoskop
http://www.bethesda.de/kliniken/medizinische-klinik-ii---gastroenterologie/endoskopien-spiegelungen
/index.php
Videoendoskopie – moderní endoskopy s videokamerami. Obraz je pozorován na monitoru nebo obrazovce
PC.
http://www.bethesda.de/images/39drstier004ret_480.jpg

Endoskopická kapsle
16
http://medicalartbank.com/wp-content/uploads/2013/10/Capsule_endoscopy_medical_illustration.jpg

17
Laser
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – zesílení světla stimulovanou emisí
záření. První rubínový laser zkonstruován T.H. Maimannem v r. 1960.
Hlavní části laseru:
Aktivní prostředí
Optický rezonátor
Zdroj excitační energie
Princip laseru: střídající se excitace a deexcitace.
Elektrony v atomech aktivního prostředí jsou excitovány (do vyššího energetického stavu) zdrojem
excitační energie („optické čerpání“).
Po deexcitaci budicím fotonem vznikají nové fotony o téže energii a proces se opakuje – nastává
zesílení.
U takzvaných tříhladinových laserů je třetí energetická hladina široká, takže pro optické čerpání
není nutno používat monochromatické (tj. monoenergetické) světlo. Protože rozdíl mezi druhou a
třetí energetickou hladinou je malý, přeskok elektronů na druhou energetickou hladinu je spontánní
(„tepelný“) – elektrony čekají na této hladině na budicí foton.

18
Tříhladinový laser
http://www.llnl.gov/nif/library/aboutlasers/Ruby%20cutaway.GIF
rubinovylaser

19
laser1 laser2 laser3 laser4


20
Lasery
Pevné l. (kompaktní, polovodičové): rubínový laser (694,3 nm), neodymový (1,06 µm),
Polovodičové l. – založeny na principu elektroluminiscence.
Kapalinové l. Jako aktivní prostředí se používá roztok organického barviva. Výhoda: lze je naladit
na různé vlnové délky (od blízké oblasti IR přes VIS po UV).
Plynové l.. Důležité pro lékařství. Helium-neonový laser (1,06 µm) a iontové lasery (argonový a
kryptonový). CO2-N2-He-laser atd.
Plazmové l. Aktivním prostředím je plazma, např. plně ionizovaný uhlík – vyzařují měkké rentgenové
záření.
Lasery mohou pracovat ve dvou režimech: spojitě a pulzně
Výkony laserů sahají od 10-3 po 104 W. Nízkovýkonové lasery (soft-lasery) se používají hlavně ve
fyzikální terapii. Lasery s vysokým výkonem se používají jako chirurgické nástroje (laserový
skalpel).

21
Účinky laserového záření
Laserové světlo je monochromatické a koherentní. To umožňuje soustředit laserový paprsek na malou
plochu a dosáhnout výkonové hustoty, která umožňuje použít tento chirurgický nástroj i v
mikrochirugii. Laserový paprsek může být zaměřován pomocí zrcadel, čoček nebo optických vláken.
Fotony se absorbují v povrchové vrstvě tkání.
Tepelné účinky závisejí na výkonové hustotě světla a jeho vlnové délce. Využívají se hlavně v
chirurgii a mikrochirurgii.
Neteplné účinky jsou typické pro soft-lasery, málo závisejí na vlnové délce – jsou založené na
molekulárních účincích (uvádí se působení na enzymy dýchacího řetězce, zvyšování replikace
mitochondriální DNA, zvyšování enzymové aktivity). Dochází též k ovlivňování membránových
potenciálů, patrně prostřednictvím změn propustnosti membrán pro ionty Na+, K+ a Ca++.
Laserové světlo má též fotodynamické účinky – chemické změny neaktivních látek ozářených laserovým
světlem určité vlnové délky mohou vést k tvorbě biologicky aktivních (cytotoxických) sloučenin.

22
Laserová terapie – bezpečnost
V neinvazivní fototerapii se používají výkony pod 500 mW. Lasery se dělí do tříd:
II (výkon do 1 mW),
IIIa (výkon do 5 mW)
IIIb (výkon do 500 mW).
Chirurgie: Výkonové lasery třídy IV
Bezpečnost:
Nálepky na laserech musí označovat třídu,
Od třídy IIIb též varování před poškozením očí fokusovaným paprskem
Zdravotnický personál stejně jako pacienti musí mít brýle, které absorbují laserové světlo dané
vlnové délky.
Care and handling

23
Terapie pomocí soft-laserů
Povrchové aplikace – krátké vlnové délky, hlubší aplikace – dlouhé vlnové délky (blízká IR oblast).
laserová pera jsou jednoduchá zařízení založená na laserových diodách, napájená bateriemi, s
konstantním nastavením výkonu.
Malé lasery (kapesní) s výměnnými hlavicemi, mohou pracovat s různými frekvencemi impulsů.
Stolní lasery – uživatelský komfort, četné funkce a aplikace.

24
medius-laser mdlx_s
Laserové pero
Stolní soft-laser

25
Terapie pomocí soft-laserů
                      - udávané účinky:
Analgetický: zvyšování parciálního tlaku O2, zvýšení klidového potenciálu ® snížení excitability.
Protizánětlivý: měl by být způsoben aktivací monocytů a makrofágů, zvýšenou fagocytózou, zvýšenou
proliferací lymfocytů.
Biostimulační: uvádí se zvýšená syntéza kolagenu, lepší krevní zásobení, rychlejší regenerace
některých tkání.
Oblasti použití: laryngologie, zubní lékařství, ortopedie a gynekologie. Jen zřídka se laser užívá
pro monoterapii.
Názor biofyziků: většinou jde o placebový účinek, specifické působení soft-laserů je z vědeckého
hlediska málo průkazné.

26
laser1 Photo of Laser Surgeon
?
Chirurgická laserová jednotka

27
Aplikace laserů s vysokým výkonem
Všeobecná chirurgie:
Laser může být použit jako skalpel s bezkontaktním řezem. Cévy jsou koagulovány, takže řez málo
krvácí. Rychlost řezu závisí na intenzitě (výkonové hustotě) a na vlastnostech tkáně. Nejčastěji
používané lasery jsou infračervené, zejména CO2 laser (10,6 mm) nebo Nd:YAG laser (1,064 mm).
Oftalmologie:
Vedle svého využití v mnoha optických vyšetřovacích přístrojích, jsou lasery používány zejména pro
fotokoagulaci sítnice a tzv. fotoablaci rohovky za účelem odstranění refrakčních vad.
Lasery používané pro fotokoagulaci jsou především Nd:YAG se zeleným světlem 532 nm a nastavitelným
výkonem do 1,5 W.
Pro odstraňování refrakčních vad rohovky – fotoablaci – se používají excimerové (excited dimers)
ArF nebo KrF lasery. Emitují UV záření o vlnové délce 193 nm. Způsobují fotochemickou ablaci
makromolekul kolagenu v rohovce (každý impuls odstraňuje vrstvu tkáně o tloušťce 0,1 – 0,5 mm).
Cílem je změnit zakřivení rohovky a tím i její lámavost, což vede ke zlepšení vidění pacienta.

28
http://www.dekamela.com/lasertessuto/fig5.gif
vykonlaser

29
Aplikace laserů s vysokým výkonem
V zubním lékařství se používají neodymové a erbiové YAG lasery. Nd:YAG laser (1,064 mm) se používá
v ústní chirurgii a endodoncii. Er:YAG laser (2,940 mm) je využíván pro přesnou preparaci zubní
skloviny a dentinu.
V dermatologii se používá rubínový laser (690 nm) nebo jiné typy laserů včetně Nd:YAG a
alexandritového (nastavitelný od 720 do 830 nm, světlo je dobře pohlcováno melaninem v kůži).
Hlavní aplikaci představuje fotokoagulace varikózních žil, odstraňování bradavic, tetování a vrásek
i depilace.

30
laser wart_laser
Aplikace laseru
ph_resurf1_lg
Odstraňování zubního kazu
Odstraňování vrásek
Odstraňování bradavic

31
Elektrochirurgie
U těchto metod se využívá tepelných účinků vysokofrekvenčních elektrických proudů. Elektrody s
hrotem nebo ostrým břitem (elektrokautery) umožňují v místě kontaktu dosahovat vysokých hustot
proudu. Tepelné účinky jsou tak velké, že dochází k vypařování vody v buňkách, což vyvolává jejich
destrukci. Vysoké teploty vyvolávají koagulaci tkání a krve, takže nedochází ke krvácení.
Pracovní frekvence elektrochirurgických zařízení je přibližně 3 MHz, výkon je nastavitelný až do
500 W a liší se podle účelu chirurgické intervence (50 W se používá v oční chirurgii a
stomatochirurgii, vyšší výkony v hrudní či abdominální chirurgii a v traumatologii).
Elektrochirurgická zařízení jsou vybavena elektrodami pro elektrokoagulaci, které slouží k zástavě
krvácení v důsledku koagulace krevních bílkovin.

32
Elektrochirurgie
22330089[1]
•
Elektrochirurgická jednotka
Hrotová elektroda pro odstraňování kožních defektů
13-1

33
Elektrochirurgie
F321446
Tzv. Whippleův postup. Přetětí krku pankreatu pomocí elektrokauteru.

34
Endoskopická elekrochirurgie
eq-repro-3[1] shared_1210_GC-27[1]
Odstranění tzv. polypu ze střevní sliznice
•
Odstranění malého nádoru žaludku

35
Ultrazvukové nástroje
Ultrazvuk o vysoké intenzitě (50-1000 W·cm-2) může být v chirurgii použit pro selektivní
rozrušování tkání.
1. Fokusovaný ultrazvuk o vysoké frekvenci (1-3 MHz) pro selektivní rozrušování struktur měkkých
tkání. Tato zařízení jsou klinicky testována např. pro odstraňování nádorů prsu.
2. Nízkofrekvenční ultrazvuk (20 - 50 kHz) je relativně běžně využíván v chirurgii. Ultrazvuk
vytvářený piezoelektrickými nebo magnetostrikčními generátory je emitován do tkáně pomocí
speciálních vlnovodů schopných zesílit amplitudu ultrazvukových kmitů až desetinásobně. Ocelový
nástroj s ostřím nebo měnitelný hrot je připevněn ke konci vlnovodu. Hrotový nástroj může být dutý,
což umožňuje odsávat (aspirovat) rozrušenou tkáň.

36
Ultrazvukové nástroje
Aspirátor. Akustický vibrátor se vlivem akustických kmitů zkracuje a prodlužuje. Amplituda pohybu
hrotu je přibližně 200 μm. Hrot se pohybuje s velkou rychlostí i zrychlením, což spolu s kavitací
způsobuje rozrušování přiléhající tkáně.
•
Figure3.jpg (17806 bytes) Figure1.jpg (5443 bytes)
CUSA (Cavitational Ultrasonic Surgical Aspirator). Modifikovaná sonda s protaženým kanálem
vibrujícího hrotu pro laparoskopickou chirurgii.

37
Ultrazvukové nástroje
Zdroj nízkofrekvenčního intenzivního ultrazvuku - fakoemulgátor - je nenahraditelnou pomůckou v
oční chirurgii při extrakci zakalené čočky (katarakty). Emulgovaná čočka je okamžitě odsávána
(aspirována).
phaco[1] pic01[1]

38
Ultrazvukové nástroje v zubním lékařství
Hlavní aplikační oblast: odstraňování zubního kamene. Ultrazvukové nástroje pro odstraňování
zubního kamene jsou rychlé a účinné. Tvoří je dvě hlavní části: zdroj elektrických kmitů potřebných
pro buzení magnetostrikčního nebo piezoelektrického měniče – zdroje ultrazvuku - a vlastní nástroj
s měničem pracujícím s frekvencí kolem 40 kHz. K měniči jsou připojeny různě tvarované pracovní
koncovky. Některá zařízení jsou vybavena vodním sprejem (oplachování a chlazení).

Mechanismus ultrazvukového odstraňování zubního kamene:
Přímý účinek ultrazvukových kmitů koncovky na usazeniny
Ultrazvuková kavitace
Ultrazvukové mikroproudění

39
Schématické znázornění UZ odstraňovače zubního kamene (nahoře s magnetostrikčním, dole s
piezoelektrickým měničem)
UZ odstraňovač kamene2
Ultrazvukové nástroje v zubním lékařství
descaler

40
Poněkud jednodušší a levnější alternativou ultrazvukových nástrojů pro odstraňování zubního kamene
je odstraňovač zvukový. Kmity o frekvenci slyšitelného zvuku se získávají mechanicky pomocí
nevyvážené vzduchové turbínky.
Dalšími nástroji využívajícími ultrazvukových kmitů jsou endodontické nástroje pro rozšiřování
kořenových kanálků. Na rozdíl od rotačních kořenových nástrojů kmitají podélně s frekvencí 30 - 50
kHz. Mají podobu buď tenké ocelové spirálky nebo jsou mírně kónické a pokryté drobnými diamanty.
Hlavním účinným mechanismem je mechanická abraze stěn kořenového kanálku zesílená ultrazvukovou
kavitací.
Ultrazvukové nástroje v zubním lékařství

41
Kryochirurgie
Teploty od -25 °C do -190 °C vytvářejí ledové krystalky uvnitř buněk i v mezibuněčném prostoru. K
lýze buněk dochází při tání ledu.
Výhodou je omezení destrukce tkáně pouze na zmrzlou oblast a šetření blízké zdravé tkáně.
Zmrazování má anestetický účinek, takže tyto zákroky jsou jen málo bolestivé. Rána prakticky
nekrvácí. Zmražená tkáň se někdy přichytí k nástroji, což lze využít k její extrakci (kryoextrakce
oční čočky při operaci zákalu). Aplikace nacházíme v oční chirurgii, urologii, onkologii,
gynekologii a plastické chirurgii.
Kryochirurgická zařízení používají pro dosažení nízkých teplot kapalný dusík (-196 °C) nebo jiné
plyny. Vlastní kryochirurgický nástroj – kryokauter – má mrazicí část na distálním konci. Tato část
je měnitelná a má různý tvar podle druhu zákroku. Pro kontrolu teploty se používají digitální
teploměry.

42
Kryochirurgie
CO2-N2Oimage017l[1]
Kryochirurgické vybavení pro práci s oxidem dusným (N2O) a oxidem uhličitým (CO2)
13-3

43
Kryochirurgie (tekutým dusíkem)
cry-ac_with_flyout[1]

44
Vodní paprsek jako chirurgický nástroj
Zařízení se skládá z tlakového čerpadla, vysokotlaké trubice a pracovní části produkující na konci
vodní paprsek o průměru 0,1 mm.
Obvykle se využívají tlaky v rozsahu od 1,5 do 5,0 MPa.
Řezné plochy jsou hladké.
Paprsek je tvořen sterilním izotonickým roztokem, někdy s přidanými léčivy pro omezení krvácení a
proti infekci.
Uvádí se, že řez je výborně kontrolovatelný, což je významné zejména při chirurgii mozku a
parenchymatózních orgánů, jako jsou játra nebo slezina.
expansionseffekt_e[1] http://www.thejgo.org/article/viewFile/297/html/2124

Plazmový skalpel
45
Výsledek obrázku pro plasma scalpel Výsledek obrázku pro plasma jet
Proud plynu odnáší rozžhavenou plasmu od hrotové elektrody

46
Litotripse
Počátkem osmdesátých let byla zavedena do klinické praxe mimotělová litotripse rázovými vlnami
(extracorporeal shock-wave lithotripsy, ESWL). K rozrušování kaménků (dnes téměř výhradně jen
ledvinových) dochází účinkem mnohočetných rázových vln – silných impulsů akustického tlaku. Drť
odchází z těla přirozenými vývodnými cestami. Jde o jednu z tzv. minimálně invazivních metod.
Na akustických rozhraních nastává v důsledku rozdílu akustických impedancí rychlý nástup tlakového
gradientu. Jestliže tlaková síla překoná mechanický odpor kamene, dochází k jeho postupné
fragmentaci. K tomu jsou nutné tlaky kolem 108 Pa. Je nutno aplikovat 50 až 4000, v průměru 1000,
rázových vln (synchronně s tepovou frekvencí).
Hlavní části litotriptoru: zdroj rázových vln, fokusující zařízení, vazebné prostředí, zařízení pro
přesné zaměření kamene (ultrasonograf nebo rtg přístroj).

47
Litotripse
časový průběh rázové vlny
•

48
Litotripse
generování rázových vln a jejich fokusace
emsepict Schematic Diagram of Electrohydraulic Lithotripter
Elipsoidní kovová zrcadla. Rázové vlny vznikají v jednom ohnisku a odrážejí se do druhého ohniska.

49
Litotripse
Destrukce ledvinového kamene
http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/imagepages/19246.htm
Lithotripsy procedure

50
Litotripse (začátky – Mnichov - Německo)
sv3053052

51
www.uni-duesseldorf.de/.../Urologie/ Klinik/lithotry.htm.
Litotripse - litotriptor v klinické praxi
ESWL

52
Litotripse – český litotriptor MEDILIT M8
http://www.medipo.cz/Obrazky/Lito/obr_1_stul_s_pristavky.jpg

53
Léčba rázovými vlnami (ESWT – extracorporeal shock-wave therapy)
Léčba kalcifikací v rameni, rozbíjení ostruhy kosti patní
www.physio-chelsea.co.uk/ shockwave.htm.
shock%20shoulder heel%20shock
Rázové vlny o energii 1,2 až 40 mJ mají v ohnisku hustotu energie 0,14 až 1,8 mJ/mm2. Tato energie
postačuje pro proniknutí rázových vln do hloubky max. 60 mm. Frekvenci lze měnit od 1 do 4 Hz. Tlak
v ohnisku dosahuje 10x až 100x nižších hodnot než při ESWL.

Adobe Systems
54
Poslední revize a ozvučení:
duben 2021
Autor:
Vojtěch Mornstein
Obsahová spolupráce:
Carmel J. Caruana