Resumo
As novas funcionalidades para dispositivos médicos invasivos com imagem no interior do
corpo humano são um grande desafio. Esta tese de doutoramento apresenta um método de controlo do
movimento destes dispositivos médicos, além da apresentação de uma nova função de diagnóstico
ótico e transmissão das imagens a uma elevada taxa de transmissão. Uma dessas funções consiste em
usar comprimentos de onda específicas do espectro da luz visível para obtenção de imagens do tecido
com elevado contraste em comparação com as imagens adquiridas apenas por luz branca. Esta função
chamada de Narrow Band Imaging (NBI) consiste numa técnica ótica que usa luz azul a 415 ± 30 nm,
correspondente à absorção da hemoglobina, para penetrar superficialmente a mucosa e assim realçar
seletivamente os vasos capilares. Além disso a NBI utiliza luz verde a 540 ± 20 nm para penetrar mais
profundamente na mucosa a fim de visualizar seletivamente os vasos subepiteliais. Foi implementada
uma solução para obter a técnica NBI através de filtros óticos. Os filtros óticos baseados em
interferómetros Fabry-Perot são compostos por multicamadas de filmes finos de dióxido de titânio
(TiO2) e dióxido de silício (SiO2) e posicionados num suporte sobre os novos díodos emissores de luz
(LEDs). Os filmes finos foram fabricados através da técnica de pulverização catódica por rádio
frequência (RF-sputtering) para garantir a miniaturização deste sistema de filtros óticos e sua
implementação nos dispositivos médicos invasivos com imagem. São apresentadas as melhores
condições de fabrico e as caraterizações óticas completas dos filmes finos de TiO2 e SiO2. O LED azul
combinado com o filtro ótico apresenta um comprimento de onda central máximo a 414 nm, uma
largura a meia altura ou Full Width Half Maximum (FWHM) de 19 nm e máxima transmitância
relativa de 21 %. O LED verde combinado com o filtro ótico apresenta um pico de intensidade
máxima a 536 nm, um FWHM de 30 nm e uma máxima transmitância relativa de 35 %.
Além disso, foi desenvolvido um sistema de comunicação ótico a 850 nm para transmissão de
imagens em tempo real a elevada taxa (>2 Mbit/s) e excelente qualidade durante o procedimento
médico com o dispositivo médico invasivo. O corpo humano tem baixa absorção de luz na gama
próxima do infravermelho correspondente a 700 - 900 nm. Foram realizados testes laboratoriais
usando de gel balístico como meio de absorção, para validar a abordagem de transmissão por fotónica.
Abstract
New functions in minimally invasive medical devices for imaging the inside of the human
body are a tremendous challenge. This thesis shows a method for moving these devices and new
optical functions for clinical diagnostic and transmission of the images in a high data rate. One of the
new functions is using narrow wavelengths in the visible light spectrum for providing a more contrast
image of the mucosal tissue in comparison to the images acquired only by the white light. This
function is called Narrow Band Imaging (NBI) and it is an optical technique that uses blue light at
415 ± 30 nm, corresponding to the hemoglobin absorption, to shallowly penetrate the tissue only and
thus to selectively enhance the view on the superficial veins. In addition NBI uses green light at
540 ± 20 nm for penetrating more deeply into the mucosa in order to selectively display the subepithelial vessels. A solution to obtain the NBI technique using optical filters was implemented. The
optical filters based in a Fabry-Perot interferometer are composed by thin-films multilayers of titanium
dioxide (TiO2) and silicon dioxide (SiO2) that are positioned on a support above the new light emitting
diode (LED). The thin-films were fabricated thought radio frequency (RF) sputtering technique to
promote the miniaturization of the filtering system and to introduce it in minimally invasive medical
devices. It is presented the optimal parameters to fabricate the TiO2 and SiO2 thin-films. It is also
presented their full optical characterizations. The blue LED combined with the optical filter presents
maximum central wavelength at 414 nm, Full Width Half Maximum (FWHM) of 19 nm and
maximum relative transmittance of 21 %. The green LED combined with the optical filter presents
maximum peak intensity at 536 nm and a FWHM of 30 nm and maximum relative transmittance of
35 %.
Furthermore, it was developed an optical link communications at 850 nm for transmitting images
in real time at high frame-rates (>2 Mbit/s) and excellent quality during a medical procedure with a
medical device. The human body has low absorption of light in the near-infrared range with
wavelengths in the range of 700 to 900 nm. Laboratorial tests using gel ballistic as absorber were done
for validating the alternative approach with photonics transmission.
Novas Funcionalidades para Dispositivos Médicos Invasivos com Imagem