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College of Medicine                      

                        Time : 2 hrs     

Dept. of Physio& Medical Physics                                      Jun:8 ,2020  
Light in Medicine                                                                Course : MPH2 

      

     

 

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Light in Medicine

 /PART1 

 

Introduction 

Even though man is now very efficient at making artificial light, the sun is 

still  the  major  source  of  light  in  the  world  .  The  sun  is  both  beneficial  and 

hazardous  to  our  health  .  The  light  visible  to  the  human  eye  and  the  eye  is 

most efficient in the wavelengths corresponding to the maximum output from 

the sun .  

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 .   This  property  permits  light  to  be 

focused and is the reason we can read and see objects clearly. 

2.  Light behaves both as a 

wave and as a particle. As a wave it produces 

interference  and  diffraction,  which  are  of  minor  importance  in 

medicine . 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.  This  is 

basically what happens when a light photon is absorbed in one of the sensitive 

cells  of  the 

retina  ( the light – sensitive part of the eye). The chemical change  

in a particular point of the retina  triggers an electrical signal to the brain to inform 


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it that a light photon has been  absorbed  at that point  . 

3.    When  light  is 

absorbed,  its  energy  generally  appears  as  heat.  This  property 

is  the  basis  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. 

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. 

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. 

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 a 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.  One  simple  instrument  is  a 

mirror that is a  mirror that is held  at the back of  a patient's throat to  look 

at his vocal folds. 

 

 

 Diffuse reflection                                                 Specular reflection

 


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Measurement of light and its units 

   The three general categories of light - UV,  visible, and  IR.  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.  

      

Applications of visible light in medicine

 

An obvious use of visible light in medicine is to permit the physician 

to  obtain  visual  information  about  the  patient  regarding,   

for  example

the  color  of  his  skin  and  the  presence  of  abnormal  structures  in  or  on  his 

body.  It  is  quite  easy  for  a  physician  to  examine  the  skin  under  normal 

lighting conditions, but when she wishes to look into a body opening she is faced 

with the practical problem of getting light into the opening without obstructing 

the  view.  Like  a  lot  of  tricks,  this  one  is  done  with  mirrors.  The  curved 

surface  focuses  the  light  at  the  region  of  interest.  More  sophisticated 

instruments, such as the 

ophthalmoscope for looking into the eyes and the 

otoscope for looking into the ears, use basically the same principle. 

A  number  of  instruments,  called 

endoscopes,  are  used  for  viewing 

internal  body  cavities.  Special  purpose  endoscopes  are  often  given  names 

indicating  their  purpose. 

For  example,  cystoscopes  are  used  to  examine 

the  bladder, 

proctoscopes  are  used  for  examining  the  rectum,  and 

bronchoscopes  are  used  for  examining  the  air  passages  into  the  lungs. 

Some endoscopes are rigid tubes with a light source to illuminate the area of 

interest.  Many  of  them  are  equipped  with  optical  attachments  to  magnify  the 

tissues being studied. 


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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.  Flexible  endoscopes  usually  have  an  opening  or  channel  that 

permits  the  physician  to  take  samples  of  the  tissues  (

biopsies)  for  later 

microscopic examination. 

Since  light  contains  energy  that  largely  appears  as  heat  when  it  is 

absorbed,  there  is  a  limit  on  the  amount  of  light  that  can  be  used  in 

endoscopy. For endoscopy, the heating can be reduced by reducing the IR 

light  from  the  source  with  special  IR  absorbing  glass  filters.  In  this 

cold  -

light endoscopy the light source contains very little IR radiation and the 

heating  of tissues is minimized. 

Transillumination  is  the  transmission  of  light  through  the  tissues  of 

the body.  Most  of  us  have at  one  time  or  another  shone  a  flashlight  through 

our  fingers  to  see  the  red  glow  that  is  produced  .  The  glow  is  primarily  red 

because most  of  the other  colors  in  the beam  are  absorbed by  the  red  blood  

cells;  the red light is the only important component that is transmitted . 

Transillumination  is  used  clinically  in  the  detection  of 

hydrocephalus  (

water-head)  in  infants.  Since  the  skull  of  young  infants 

is  not  fully  calcified,  light  is  able  to  penetrate  to  the  inside  of  the  skull;  if 

there  is  an  excess  of  relatively  clear  cerebrospinal  fluid  (CSF)  in  the  skull, 

light  is  scattered  to  different  parts  of  the  skull  producing  patterns 

characteristic  of  hydrocephalus  .  The  special  transilluminating  device  uses                 


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a 150 W projection bulb as the light source with a  two position trigger switch  

The infant  is taken  into a  dark room  for the  study;  after  a few  minutes  of 

dark  adaptation  the  physician  pulls  the  trigger  to  its  first  position,  which 

turns on a red light that permits him to find the patient. The physician then 

points the barrel at the part of the head to be studied and pulls the trigger to 

the  second  position,  which  turns  off  the  red  light  and  turns  on  the  intense 

white light used for the study. Infrared absorbing glass in the beam removes 

almost all of the IR radiation so that the light striking the infant is primarily 

visible light.  

Transillumination  is  also  used  to  detect  pneumothorax  (collapsed 

lung)  in  infants  .  The  bright  light  penetrates  the  thin  front  chest  wall  and 

reflects  off  the  back  chest  wall  to  indicate  the  degree  of  pneumothorax. 

The physician can then insert a needle attached to a syringe into the area of 

collapse  to  remove  the  air  between  the  lung  and  chest  wall,  causing  the 

lung  to  reinflate.  The  sinuses,  the  gums,  the  breasts,  and  the  testes  have 

also been studied with transillumination. 

Visible light has an important 

therapeutic use. Since light is a form 

of  energy  and  is  selectively  absorbed  in  certain  molecules,  it  should  not  be 

surprising  that  it  can  cause  important  physiological  effects.  Many  premature 

infants  have 

jaundice,  a  condition  in  which  an  excess  of  bilirubin  is 

excreted  by  the  liver  into  the  blood.  It  was  discovered  that  most 

premature  infants  recover  from  jaundice  if  their  bodies  are  exposed  to 

visible  light  (

phototherapy)  and  the  blue  light  (~  450nm)  appears  to  be 

the most important component.  

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
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