background image

Dr Hadi Al-Sagur 


background image

Content: 

• Introduction 
• Light properties 
• Measurement of light and its units 
• Applications of visible light in medicine 

 Curved Surfaces 
 Endoscope 
 Transillumination 
 Phototherapy 

 

• Application of ultraviolet and infrared light in medicine 
• Hazarads 
• Laser in medicine 
• Applications of microscopes in medicine 

 
 

CH 14 Light in Medicine 


background image

1. Introduction 

CH 14 Light in Medicine 

In this chapter we discuss the medical applications of light in 

diagnosis

 and 

therapy

 and also 

hazards

 of light.   

 
 
Definition: 
Light or visible light is 

electromagnetic radiation 

within the 

portion of the electromagnetic spectrum. 
 
1. Travel at the speed of light 
2. Have no electric charge 


background image

We will study light in three categories 
(visible & ultraviolet & infrared) 

CH 14 Light in Medicine 


background image

CH 14 Light in Medicine 


background image

CH 14 Light in Medicine 

2. Light properties 

Light  has  some  interesting  properties,  many  of 
which are used in medicine: 
 
 
1.  The  speed  of  light  changes  when  it  goes  from 
material into another. The ratio of the speed of light 
in  a  vacuum  to  its  speed  in  a  given  material  is 
called  the 

index  of  refraction

.  If  a  light  beam 

meets  a  new  material  at  an  angle  other  than 
perpendicular, it bends, or is refracted.  


background image

2. Light behaves both as a wave and as a particle. As a wave it 
produces  interference  and  diffraction.  As  a  particle  it  can  be 
absorbed by a single molecule. 
 
When  a  light  photon  is  absorbed  its  energy  is  used  in  various 
ways.  It  can  cause  a  chemical  change  in  the  molecule  that  in 
turn can cause an electrical change.  

 
 
Photons are the particle form of light. 
 

 
This is basically what happens when a light photon is absorbed 
in one of the sensitive cells of the retina. The chemical change 
in a particular point of the retina triggers an electrical signal to 
the  brain to  inform  it  that  a light  photon  has  been  absorbed  at 
that point. 

CH 14 Light in Medicine 


background image

3.  When  light  is  absorbed,  its  energy  generally  appears  as 
heat. This property is the  basic  for the use  in medicine  of lR 
light to heat tissues. Also, the heat produced by laser beams is 
used to "weld" a detached retina to the back of the eyeball and 
to coagulate small blood vessels in the retina. 

CH 14 Light in Medicine 


background image

4.  Sometimes  when  photon is absorbed,  a  lower  energy  light 
photon is emitted. This property is known as fluorescence, it 
is  the  basis  of  the  fluorescent  lightbulb.  Certain  materials 
fluoresce  in  the  presence  of  UV  light,  sometimes  called 
"black light," and give off visible light. 
 
 
The amount of fluorescence and the color of the emitted light 
depend  on  the  wavelength  of  the  UV  light  and  on  the 
chemical composition of the material that is fluorescing.  

CH 14 Light in Medicine 


background image

One way fluorescence is used in medicine is in the 

detection 

of  porphyria

,  a  condition  in  which  the  teeth  fluoresce  red 

when irradiated with UV light. Another important application 
is in fluorescent microscopes. 

CH 14 Light in Medicine 

10 

A skin rash in a person with porphyria 


background image

5. Light is  reflected to  some extent from  all  surfaces.  There  are 
two  types  of  reflection.  Diffuse  reflection  occurs  when  rough 
surfaces scatter the light in many directions. 
 
 Specular  reflection  is  more  useful  types  of  reflection;  it  is 
obtained from very smooth shiny surfaces such as mirrors where 
the light is reflected at an angle that is equal to the angle at which 
it  strikes  the  surface.  Mirrors  are  used  in  many  medical 
instruments.  

CH 14 Light in Medicine 

11 

Specular reflection 

 

Diffuse reflection 

 


background image

 

The three general categories of light-UVvisible, and IR 
are defined in term of their wavelengths.  

 
Wavelengths

 of light used to be measured in  

microns (1 μ = 10

-6

 m) or in  

angstroms (1 Å = 10

-10

 m),  

but at present the recommended unit is the nanometer  
(1 nm = 10

-9

 m).  

 
Ultraviolet light has wavelengths from about 100 to 400 
nm; visible light extends from about 

400 to 700 nm

; and 

IR light extents from about 700 to over 10

4

 nm.  

CH 14 Light in Medicine 

3. Measurement of light and its units 

12 


background image

CH 14 Light in Medicine 

The wavelength λ represents the distance between two points with the 
same phase, such as between crests (on top), or troughs (on bottom). 

Sine wave 

 

13 


background image

CH 14 Light in Medicine 

Prefix/Symbol 

Meaning 

Multiplier 

giga (G) 

One billion 

10

9

 

1,000,000,000 

mega (M) 

One million 

10

6

 

1,000,000 

kilo (k) 

One thousand 

10

3

 

1,000 

hector (h) 

One hundred 

10

2

 

100 

deca (da) 

Ten 

10 

10

1

 

deci (d) 

One-tenth 

10

-1

 

0.1 

centi (c) 

One-hundredth 

10

-2

 

0.01 

milli (m) 

One-thousandth 

10

-3

 

0.001 

micro (μ) 

One-millionth 

10

-6

 

0.000001 

nano (n) 

One-billionth 

10

-9

 

0.000000001 

14 


background image

 
a) Curved Surfaces 
 
Curved lenses (concave, convex & cylindrical) lenses 
Curved mirrors which are used in: 
    a. ophthalmoscope for locking into the eye. 
    b. otoscope for locking into the ear. 

CH 14 Light in Medicine 

4. Applications of visible light in medicine 

15 

Figure shows retinoscope. An integrated lamp or LED light source (4) 

shines light through a collimating lens (3) onto a partially reflective 

mirror (2), which directs the light to the eye.  


background image

Otoscope

 

CH 14 Light in Medicine 

16 


background image

b) Endoscopes 
are used for viewing internal body cavities as: 
a. cyctoscope for examination of bladder. 
b. proctoscope for examination of rectum. 
c. bronchoscope for examination of air passages into the lung. 

CH 14 Light in Medicine 

17 

Optical Principles of the Endoscope 

The mathematical expression that describes the refraction phenomena is 
known as 

Snell’s law

,          

                                                  

n

1

sin θ

=n

2

sin θ

2

 


background image

CH 14 Light in Medicine 

18 

Refractive index of some materials:

 


background image

The  development  of  fiberoptic  techniques  permitted  the 
construction of flexible endoscopes. Flexible endoscopes can 
be  used  to  obtain  information  from  regions  of  the  body  that 
cannot be examined with rigid endoscopes, such as the small 
intestine and much of the large intestine. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Some flexible endoscopes are over a meter in length.  
 
The  image  obtained  with  a  flexible  endoscope  is  not  as  good  as  that 
obtained  with  a  rigid  endoscope,  but  often  the  only  alternative  to  a 
flexible endoscopic examination is exploratory surgery. 

 

CH 14 Light in Medicine 

19 

Flexible endoscopes 

 

Rigid endoscopes 

 

To treat a variety of gastrointestinal problems 

To visualize the surface of organs, their vessels, or  

pathological changes 


background image

c) Transillumination 
It is the transmission of light through the tissue of the body.  
 
It used clinically in the detection of: 
 
a. hydrocephalus (water head) in infant. 
b. pneumothorax (collapsed lungs) in infant. 
c. the sinuses 
d. the gums 
e. the breast 
f. the testes. 

CH 14 Light in Medicine 

20 


background image

d) Phototherapy 
 
Premature infant recover from jaundice when they exposed to 
visible light.  
 
 

A premature infant is a baby born before 37 completed weeks of gestation. 

  

CH 14 Light in Medicine 

21 


background image

The  wavelengths  adjacent  to  the  visible  spectrum  also  have 
important  uses  in  medicine.  Ultraviolet  photons  have  energies 
greater than visible photons, while IR photons have lower energies, 
because  of  their  higher  energies,  UV  photons  are  more  useful  than 
IR photons. 
 
Ultraviolet  light  with  wavelengths  below  about  290  nm  is 

germicidal

-that  is,  it  can  kill  germs  and  it  is  sometimes  used  to 

sterilize medical instruments 

 

CH 14 Light in Medicine 

5. Applications of ultraviolet and infrared light in medicine 

22 


background image

Ultraviolet  light  also  produces  more  reactions  in  the 
skin  than  visible  light.  Some  of  these  reactions  are 
beneficial,  and  some  are  harmful.  One  of  the  major 
beneficial  effects  of  UV  light  from  the  sun  is  the 
conversion  of  molecular  products  in  the  skin  into 
vitamin D  

CH 14 Light in Medicine 

23 


background image

blacklight

  (or  often  black  light),  also  referred  to  as  a  UV-A 

light,  Wood's  lamp,  or  ultraviolet  light,  is  a  lamp  that  emits 
long-wave (UV-A) ultraviolet light and very little visible light. 
 
 

Robert  Williams  Wood

  in  1903  using  "Wood's  glass",  it  was 

in 1925 
 

Wood's  lamp

  is  a  diagnostic  tool  used  in  dermatology  by 

which  ultraviolet  light  is  shone  (at  a  wavelength  of 
approximately 365 nanometers)  
 
Wood's  glass  is  an  optical  filter  glass  invented  in  1903  by 
American  physicist 

Wood

  (1868–1955),  which  allows 

ultraviolet  and  infrared  light  to  pass  through,  while  blocking 
most visible light 

CH 14 Light in Medicine 

24 


background image

Wood lamp Ultraviolet light lamp for skin diagnose and analysis 

Wood's lamp

 

CH 14 Light in Medicine 

25 


background image

SKIN CONDITION DISPLAYED COLOR: 
 
• Thick epidermis White fluorescence 
• Necrosis cells White spot 
• Healthy skin Blue and white 
• Water deficiency (thin skin) Purple 
• Water deficiency Light purple 
• Water abundance Bright fluorescence 
• Dark fleck Brown 
• Oiled part and pimple Yellow or pink 
 

Wood's lamp

 

CH 14 Light in Medicine 

26 


background image

 
Ultraviolet light from the sun affects the melanin in the skin to 
cause tanning. However, UV can produce sunburn as well as tan 
the skin. The wavelengths that produce sunburn are around 300 
nm. 
 
Solar UV light is also the major cause of skin cancer in humans. 
The high incidence of skin cancer among people, who have been 
exposed to the sun a great deal, such as fishermen and 
agricultural workers, may be related to the fact that the UV 
wavelengths that produce sunburn are also very well absorbed 
by the DNA in the cells.

  

 

CH 14 Light in Medicine 

6. Hazards 

27 


background image

IR light 
 
Two types
 of IR photography are used in medicine: reflective IR 
photography and emissive IR photography. The latter, which uses 
the long IR heat waves emitted by the body that give an 
indication of the body temperature, is usually called 
thermograph.  
 
Reflective IR photography, which uses wavelengths of 700 to 
900 nm to show the patterns of veins just below the skin. 
 
Some of these veins are visible to the eye, but many more can be 
seen on a near-IR photograph of the skin.  

CH 14 Light in Medicine 

28 


background image

Infrared can also be used to photograph the pupil of the eye 
without stimulating the reflex that changes its size.  

CH 14 Light in Medicine 

29 


background image

 
 
laser is a unique light source, that emits a narrow beam of light 
of a single wavelength (monochromatic light) in which each 
wave is in phase with the others near it (coherent light). Laser is 
an acronym for Light Amplification by Stimulated Emission of 
Radiation. 
 
     While the basic theory for lasers was proposed by Albert 
Einstein
 in 1917, the first successful laser was not made until 
1960, when T. H. Maiman produced a laser beam from a ruby 
crystal. Since 1960 scientists have made many types of lasers 
using gases and liquids as well as solids as the laser materials.  

CH 14 Light in Medicine 

7. Laser in medicine 

30 


background image

 In  a  laser,  energy  that  has  been  stored  in  the  laser  material 

(e.g.,  ruby)  is  released  as  a  narrow beam  of  light-either 
as a steady beam continuous  wave (CW) or an intense 
pulse
. The beam remains narrow over long distances and 
can be thought of as an ideal "spot" light. A laser beam 
can be focused to be           a spot only a few microns in 
diameter.  When  all  of  the  energy  of  the  laser  is 
concentrated  in  such  a  small  area,  the  power  density 
becomes  very  large.  The  total  energy  of  a  typical  laser 
pulse used in medicine, which is measured in millijoules 
(mJ),  can  be  delivered  in  less,  than  a  microsecond,  and 
the resultant instantaneous power may be in megawatts 

 
Two types for laser pumping is 
1.

CW 

2.

PW  

CH 14 Light in Medicine 

31 


background image

Useful 
1.

Since in medicine lasers are used primarily to deliver 
energy to tissue, the laser wavelength used should be 
strongly absorbed by tissue. 

2.

The curve varies for different individuals, but the short 
wavelengths (400 to 600 nm) are always absorbed better 
than the long wavelengths (~700 nm). 

3.

The laser is routinely used in clinical medicine only in 
ophthalmology. 

4.

 Its effectiveness in treating certain types of cancer and its 
usefulness as a "bloodless knife" for surgery are under 
active investigation. 

5.

 Lasers are also being used in medical research for special 
three-dimensional imaging called holography.   

CH 14 Light in Medicine 

32 


background image

6. 

In 

ophthalmology  lasers  are 

primarily  used  for 

photocoagulation of the retina that is, heating a blood vessel to 
the point where the blood coagulates and blocks the vessel. 
 
 
 
 
 
 
 
The  amount  of  laser  energy  needed  for    photocoagulation 
depends  on  the  spot  size  used.  In  general,  the  proper  dose  is 
determined  visually  by  the  ophthalmologist  at  the  time  of  the 
treatment.  

CH 14 Light in Medicine 

33 


background image

 The minimum amount of laser energy that will do 
observable damage to the retina is called the minimal 
reactive dose
 (MRD). 

 

CH 14 Light in Medicine 

34 


background image

 
There have been few breakthroughs in science that have had as 
great an impact as the invention of the microscope by 
Leeuwenhoek (1670). The use of the microscope in the 
pathology laboratory is as common as the use of the thermometer 
in the clinic.  
The standard light microscope usually can be set at any of several 
magnifications by changing the power of the eyepiece or of the 
objective lens. The highest magnification that can be obtained is 
limited by the wavelength of visible light. Since the wavelength 
of visible light range from 400 to 700 nm, the smallest object that 
can be resolved is about 1 μm in diameter. Since most cells are 5 
to 50 μm in diameter, this type of microscope is adequate for 
resolving all but subcellular objects.  

CH 14 Light in Medicine 

8. Applications of microscopes in medicine 

35 


background image

1.

If you put a thin slice of tissue under a microscope you will 
not see much because most cells are transparent to all 
wavelengths of visible light-red blood cells are an exception. 

2.

In order to distinguish different cells it is usually necessary to 
stain them with a chemical that strongly absorbs certain 
visible wavelengths. 

3.

 

It is sometimes advantageous to use UV light or x-rays in 

microscopy. Since our eyes cannot see wavelength shorter 
than those of visible light, it is necessary to convert the image 
produced by UV light or x-ray beams into images that use 
visible light.

  

CH 14 Light in Medicine 

36 


background image

Thank you 

37 


background image

Questions 

38 




رفعت المحاضرة من قبل: Haider Abdullah
المشاهدات: لقد قام 0 عضواً و 572 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل