การพัฒนาและการประยุกต์ใช้ด้านทัศนศาสตร์ได้ช่วยให้วงการแพทย์และวิทยาศาสตร์ชีวภาพสมัยใหม่ก้าวเข้าสู่ยุคแห่งการพัฒนาอย่างรวดเร็ว เช่น การผ่าตัดแบบแผลเล็ก การรักษาด้วยเลเซอร์ การวินิจฉัยโรค การวิจัยทางชีววิทยา การวิเคราะห์ดีเอ็นเอ เป็นต้น

ศัลยกรรมและเภสัชจลนศาสตร์

บทบาทของทัศนศาสตร์ในการผ่าตัดและเภสัชจลนศาสตร์นั้นปรากฏให้เห็นได้หลัก ๆ ในสองด้าน ได้แก่ การใช้เลเซอร์ และการส่องสว่างและการถ่ายภาพในร่างกาย

1. การประยุกต์ใช้เลเซอร์เป็นแหล่งพลังงาน

แนวคิดเรื่องการรักษาด้วยเลเซอร์ถูกนำมาใช้ในการผ่าตัดตาในช่วงทศวรรษ 1960 เมื่อมีการค้นพบเลเซอร์ชนิดต่างๆ และคุณสมบัติของเลเซอร์เหล่านั้น การรักษาด้วยเลเซอร์จึงขยายไปสู่สาขาอื่นๆ อย่างรวดเร็ว

แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ชนิดต่างๆ (ก๊าซ ของแข็ง ฯลฯ) สามารถปล่อยแสงเลเซอร์แบบพัลส์ (Pulsed Lasers) และแสงเลเซอร์แบบต่อเนื่อง (Continuous Wave Lasers) ซึ่งมีผลต่อเนื้อเยื่อต่างๆ ในร่างกายมนุษย์แตกต่างกัน แหล่งกำเนิดแสงเหล่านี้ส่วนใหญ่ได้แก่ เลเซอร์รูบี้แบบพัลส์ (Pulsed Ruby Laser) เลเซอร์ไอออนอาร์กอนแบบต่อเนื่อง (CW Argon Ion Laser) เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์แบบต่อเนื่อง (CW CO2) และเลเซอร์อิตเทรียมอะลูมิเนียมการ์เนต (Nd:YAG) เนื่องจากเลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์แบบต่อเนื่องและเลเซอร์อิตเทรียมอะลูมิเนียมการ์เนตมีผลในการทำให้เลือดแข็งตัวเมื่อตัดเนื้อเยื่อมนุษย์ จึงนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในการผ่าตัดทั่วไป

โดยทั่วไปแล้วความยาวคลื่นของเลเซอร์ที่ใช้ในการรักษาทางการแพทย์จะมากกว่า 100 นาโนเมตร การดูดซับของเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นต่างกันในเนื้อเยื่อต่างๆ ของร่างกายมนุษย์ถูกนำมาใช้เพื่อขยายขอบเขตการใช้งานทางการแพทย์ ตัวอย่างเช่น เมื่อความยาวคลื่นของเลเซอร์มากกว่า 1 ไมโครเมตร น้ำจะเป็นตัวดูดซับหลัก เลเซอร์ไม่เพียงแต่สามารถสร้างผลกระทบทางความร้อนในการดูดซับของเนื้อเยื่อมนุษย์สำหรับการผ่าตัดและการแข็งตัวของเลือดเท่านั้น แต่ยังสามารถสร้างผลกระทบทางกลได้อีกด้วย

โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากที่ผู้คนค้นพบผลกระทบทางกลที่ไม่เป็นเชิงเส้นของเลเซอร์ เช่น การเกิดฟองอากาศจากการเกิดโพรงอากาศและคลื่นความดัน เลเซอร์จึงถูกนำไปประยุกต์ใช้ในเทคนิคการทำลายด้วยแสง เช่น การผ่าตัดต้อกระจกและการผ่าตัดสลายนิ่วในไตด้วยสารเคมี เลเซอร์ยังสามารถสร้างผลกระทบทางเคมีแสงเพื่อนำทางยาต้านมะเร็งที่มีตัวกลางไวต่อแสงให้ปลดปล่อยยาไปยังบริเวณเนื้อเยื่อเฉพาะ เช่น การบำบัดด้วย PDT การใช้เลเซอร์ร่วมกับเภสัชจลนศาสตร์จึงมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในด้านการแพทย์แม่นยำ

2. การใช้แสงเป็นเครื่องมือสำหรับการส่องสว่างและการถ่ายภาพในร่างกาย

ตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เป็นต้นมา CCD (Charge-Coupled)มีการนำกล้อง (อุปกรณ์) มาใช้ในการผ่าตัดแบบแผลเล็ก (Minimally Invasive Therapy, MIT) และทำให้เทคโนโลยีด้านเลนส์มีการเปลี่ยนแปลงเชิงคุณภาพในการใช้งานทางการผ่าตัด ผลของการใช้แสงในการสร้างภาพในการผ่าตัดแบบแผลเล็กและแบบเปิดส่วนใหญ่รวมถึงกล้องเอนโดสโคป ระบบสร้างภาพขนาดเล็ก และการสร้างภาพโฮโลแกรมทางการผ่าตัด

ยืดหยุ่นได้กล้องเอนโดสโคปรวมถึงกล้องส่องตรวจกระเพาะอาหารและลำไส้เล็ก กล้องส่องตรวจลำไส้เล็กส่วนต้น กล้องส่องตรวจลำไส้ใหญ่ กล้องส่องตรวจหลอดเลือด เป็นต้น

เส้นทางแสงของกล้องเอนโดสโคป

เส้นทางแสงของกล้องเอนโดสโคปประกอบด้วยระบบให้แสงและสร้างภาพสองระบบที่ทำงานประสานกันอย่างอิสระ

แข็งกล้องเอนโดสโคปซึ่งรวมถึงการส่องกล้องตรวจข้อต่อ การส่องกล้องตรวจช่องท้อง การส่องกล้องตรวจช่องอก การส่องกล้องตรวจโพรงสมอง การส่องกล้องตรวจโพรงมดลูก การส่องกล้องตรวจกระเพาะปัสสาวะ การส่องกล้องตรวจหูชั้นใน เป็นต้น

โดยทั่วไปแล้ว กล้องเอนโดสโคปแบบแข็งจะมีมุมเส้นทางแสงให้เลือกเพียงไม่กี่มุมคงที่ เช่น 30 องศา 45 องศา 60 องศา เป็นต้น

กล้องขนาดเล็กสำหรับติดตัวเป็นอุปกรณ์ถ่ายภาพที่ใช้แพลตฟอร์มเทคโนโลยี CMOS และ CCD ขนาดเล็ก ตัวอย่างเช่น กล้องเอนโดสโคปแบบแคปซูลPillCam คืออุปกรณ์ที่สามารถเข้าไปในระบบย่อยอาหารของร่างกายมนุษย์เพื่อตรวจสอบความผิดปกติและติดตามผลกระทบของยาได้

กล้องเอนโดสโคปแบบแคปซูล

กล้องจุลทรรศน์โฮโลแกรมสำหรับการผ่าตัด เป็นอุปกรณ์สร้างภาพที่ใช้ในการสังเกตภาพสามมิติของเนื้อเยื่อละเอียดในการผ่าตัดที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น การผ่าตัดสมองเพื่อผ่าเปิดกะโหลกศีรษะ

กล้องจุลทรรศน์โฮโลแกรมสำหรับการผ่าตัด

สรุป:

1. เนื่องจากผลกระทบทางความร้อน ผลกระทบทางกล ผลกระทบจากแสง และผลกระทบทางชีวภาพอื่นๆ ของเลเซอร์ จึงมีการใช้เลเซอร์อย่างแพร่หลายในฐานะแหล่งพลังงานในการผ่าตัดเล็ก การรักษาแบบไม่รุกราน และการบำบัดด้วยยาแบบเจาะจงเป้าหมาย

2. เนื่องจากการพัฒนาของเทคโนโลยีการถ่ายภาพ อุปกรณ์ถ่ายภาพทางการแพทย์ด้วยแสงจึงมีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านความละเอียดสูงและขนาดเล็ก ซึ่งเป็นการวางรากฐานสำหรับการผ่าตัดแบบแผลเล็กและแม่นยำในร่างกาย ปัจจุบัน อุปกรณ์ถ่ายภาพทางการแพทย์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ได้แก่กล้องเอนโดสโคปภาพโฮโลแกรม และระบบไมโครอิมเมจจิ้ง