Fibre ottiche medicali

L’impiego della fibra ottica sta avendo un enorme sviluppo nella sensoristica per applicazioni medicali.
Le caratteristiche fisiche intrinseche della fibra ottica combinata con la sua versatilità nel remote sensing rendono questa, una tecnologia interessante per applicazioni biomediche.

Con una popolazione mondiale che è in crescita e che vive più a lungo, gli operatori sanitari di tutto il mondo sono sempre più alla ricerca di strumentazione biomedica avanzata per consentire una più efficace diagnosi, monitoraggio e il trattamento dei pazienti. In questo contesto, applicazioni di sensori biomedici tramite fibra ottica sono di importanza crescente. Allo stesso tempo, i recenti progressi nella chirurgia mini-invasiva (MIS) richiedono sensori sempre più piccoli da utilizzare con cateteri o tramite aghi usa e getta.

applicazioni di imaging endoscopiche tramite fibre ottiche sono oramai molto note e applicate, ma le caratteristiche fisiche intrinseche delle fibre ottiche le rendono anche estremamente attraente per il rilevamento biomedico. fibre non cablate (in genere meno di 250 micron di diametro) possono essere inserite direttamente in aghi ipodermici e/o cateteri, in modo che il loro impiego può essere minimamente invasivo e altamente localizzato. Sensori in fibra ottica (FOS) possono eseguire rilevazioni multi punto a distanza e multi parametriche. Le fibre ottiche sono immuni alle interferenze elettromagnetiche (EMI), chimicamente inerte, non tossiche e a sicurezza intrinseca. Il loro utilizzo non causa interferenze con l’elettronica convenzionale di molti ambienti medici-chirurgici. E, soprattutto, l’immunità delle fibre ottiche a frequenze elettromagnetiche e radio (RF) li rende ideali per l’utilizzo in tempo reale durante la diagnostica per immagini con la risonanza magnetica, TAC, PET, o sistemi SPECT, così come durante i trattamenti ablativi termici che coinvolgono RF o radiazione a microonde.

Le applicazioni basate su sensori e spettroscopiche aiutano nella diagnosi precoce e riducono i costi del trattamento.

Per consentire diagnosi, monitoraggio e trattamento dei pazienti più efficaci, l’industria medicale sta sviluppando una strumentazione biomedica sempre più avanzata e, in particolare, sta riscuotendo un certo interesse l’impiego della fibra ottica nella sensoristica per applicazioni medicali. Allo stesso tempo, i recenti progressi nella chirurgia mini-invasiva (MIS) richiedono sensori sempre più piccoli da utilizzare con cateteri o tramite aghi usa e getta.  In questo frangente, le caratteristiche fisiche intrinseche delle fibre ottiche rendono le stesse estremamente attraenti per il rilevamento biomedico: fibre non cablate (in genere meno di 250 micron di diametro) possono essere inserite direttamente in aghi ipodermici e/o cateteri, in modo che il loro impiego può essere minimamente invasivo e altamente localizzato. Le fibre ottiche sono immuni alle interferenze elettromagnetiche (EMI), chimicamente inerte, non tossiche e a sicurezza intrinseca. Il loro utilizzo non causa interferenze con l’elettronica convenzionale di molti ambienti medici chirurgici. E, soprattutto, l’immunità delle fibre ottiche a frequenze elettromagnetiche e radio (RF) li rende ideali per l’utilizzo in tempo reale durante la diagnostica per immagini con la risonanza magnetica, TAC, PET, o sistemi SPECT, così come durante i trattamenti ablativi termici che coinvolgono RF o radiazione a microonde.

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Storia della fibra ottica

La storia della fibra ottica inizia nel 1956, quando la tecnologia venne brevettata a uso medico per la costruzione di un gastroscopio. Il suo impiego era limitato perché i dati che si trasmettevano all’interno della fibra sotto forma di impulso luminoso riuscivano a percorrere solo brevi distanze per poi disperdersi. La svolta arrivò qualche anno più tardi, negli anni ’60, quando un ricercatore dello Standard Telecommunication Laboratory, Charles Kao, capì che la perdita di segnale era dovuta alla scarsa purezza dei materiali utilizzati.

Nel 1966 pubblicò un articolo che cambiò per sempre la storia delle fibre ottiche e ne aprì l’impiego nel campo della telefonia. Kao dimostrò che la forte attenuazione del segnale nelle fibre era dovuta esclusivamente alle impurità presenti nel vetro con il quale erano prodotte, ed era quindi una problematica superabile. L’azienda americana Corning Glass accolse la sfida dello studioso e nel 1970 produsse la prima fibra ottica fatta di un vetro estremamente puro in grado di trasportare l’energia luminosa su lunghe distanze e con una capacità di trasporto del segnale 65.000 volte superiore rispetto al rame. Le attività di ricerca sulla fibra ottica valsero a Kao l’attribuzione del Japan Prize, un riconoscimento internazionale del Giappone assegnato a chi, nel campo della tecnica e della scienza, si è messo al servizio della pace e della prosperità. Nel 2009, al termine della sua carriera, Charles Kao venne insignito del Premio Nobel per la Fisica.

Dal 1970 in poi la ricerca per sviluppare fibre ottiche sempre più potenti e raffinate non si è mai fermata. Il 1988 è l’anno in cui fu posato il primo cavo transatlantico che impiegava la tecnologia della fibra ottica. Mentre nel 1991, grazie agli studi nel campo dei led a cristalli fotonici, iniziarono a svilupparsi le prime fibre a cristalli fotonici che vennero però commercializzate solo a partire dal 1996.

Attualmente, la fibra ottica è utilizzata in svariati campi, dalle comunicazioni, alle applicazioni mediche, all’architettura civile e navale, con risultati sempre più innovativi ed efficaci circa la sicurezza e la funzionalità dei dispositivi.

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Che cos’è la fibra ottica

Fisicamente una fibra ottica è un filamento di materiale vetroso (silice) realizzato in modo da poter condurre al suo interno la luce (propagazione guidata).

Disponibili sotto forma di cavi, le fibre ottiche sono flessibili, immuni ai disturbi elettrici ed alle condizioni atmosferiche più estreme, e poco sensibili a variazioni di temperatura: tali caratteristiche le rendono particolarmente adatte per importanti applicazioni in telecomunicazioni, diagnostica medica, illuminotecnica e sicurezza.

Hanno un diametro del cladding (rivestimento esterno) solitamente di 125 micrometri (circa le dimensioni di un capello) e pesano molto poco: una singola fibra pesa infatti circa 60 g/km, compresa la guaina che la ricopre.

Le fibre ottiche sono classificate come guide d’onda dielettriche: queste, infatti, permettono di convogliare e guidare al loro interno un campo elettromagnetico di frequenza sufficientemente alta (in genere in prossimità dell’infrarosso) con perdite estremamente limitate.
Vengono comunemente impiegate nelle telecomunicazioni come mezzo trasmissivo di segnali ottici anche su grandi distanze ovvero su rete di trasporto e nella fornitura di accessi di rete a larga banda cablata (dai 10 Mbit/s al Tbit/s usando le più raffinate tecnologie WDM).

Come funziona la fibra ottica

I cavi in fibra ottica permettono di trasmettere dati molto più velocemente rispetto alle performance dell’ADSL. I materiali utilizzati sono leggeri e flessibili e più capaci, rispetto ai cavi in rame, di respingere eventuali disturbi elettrici o dovuti a perturbazioni atmosferiche.
Il meccanismo con cui viaggiano i dati è quello dello specchio tubolare. La luce che entra nel nucleo, viaggia grazie a una serie di riflessioni tra i due materiali del nucleo e del mantello. In questo modo i dati vengono trasportati tra i diversi dispositivi che devono ricevere e trasmettere i dati: i modem, i router, i server e le infrastrutture degli operatori telefonici.

I cavi in fibra di vetro o in polimeri della fibra ottica sono capaci di sfruttare una banda di frequenze molto elevata. Questo consente di trasferire dati, sotto forma di segnali di luce, con una enorme velocità di trasmissione. Tutti i più importanti operatori telefonici offrono pacchetti che includono la fibra ottica e consentono di navigare fino a 2.5 Giga in download.

Attualmente, la fibra ottica è utilizzata in svariati campi, dalle comunicazioni, alle applicazioni mediche, all’architettura civile e navale, con risultati sempre più innovativi ed efficaci circa la sicurezza e la funzionalità dei dispositivi.

 

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