أولاً: تطور الألياف البصرية

1. نقل الصورة بواسطة الضوء:

الضوء ، بصفة عامة، هو نطاق الموجات الكهرومغناطيسية Electromagnetic Waves، التي يمتد ترددها من الحيز الترددي للأشعة السينية، أو أشعة إكس X Rays، إلي حيز تردد الأمواج الدقيقة Microwaves، وهي تلك الأشعة التي تثير وتستحث الخلايا البصرية، وتحدث الإحساس، الذي يُطلق عليه "الرؤية".

والأشعة الضوئية ذات طبيعة مزدوجة، فهي تتكون من جسيمات صغيرة، ذات كم محدد من الطاقة، يطلق عليها الفوتونات Photons، وفي الوقت نفسه، من موجات كهرومغناطيسية مستعرضة Transversal Electromagnetic Waves. وتفسر الطبيعة المزدوجة للأشعة الضوئية، تفاعلات الضوء الكيميائية والطبيعة، وكما تفسر الخواص الفيزيائية المختلفة لانتشار الضوء.

فالضوء ينتشر في مسارات مستقيمة، إلي أن يصطدم بسطح أو جسم، فيرتد، أو ينحرف، متخذاً مساراً جديداً، ولكن يظل المسار الجديد، خطاً مستقيماً؛ وهذه الخاصية للضوء، لها مظاهر عديدة، أهمها ظاهرة الظل، التي استغلها القدماء في بناء المزولة، التي تحدد الوقت من النهار، بناء علي طول الظل واتجاهه.

فخط الرؤية المباشر، هو الخط الموصل بين الجسم المرئي والعين، أو وسيلة الرؤية المستخدمة، وهو خط مستقيم؛ ولكن إذا وُجد حائل غير منفذ لأشعة الضوء، بين الجسم المرئي، ووسيلة الرؤية، فإنه يستحيل رؤية الجسم المعني، ويقال عنه إنه محجوب عن الرؤية؛ وقد ظلت هذه المشكلة موضع دراسة، ومجالا لاستثارة العلماء، لإيجاد وسيلة تتيح الرؤية خلف الحواجب والسواتر، أو في الأماكن والمواضع، التي يستحيل وصول الشعاع الضوئي إليها، أو التي يستحيل أن يربط بينها وبين وسيلة الرؤية، خط مستقيم.

ولجأ العلماء إلي وسائل عديدة ومتنوعة، للتغلب علي هذه المشكلة، اعتمد بعضها علي خصائص طبيعية أخري لانتشار الضوء، واعتمد بعضها الآخر علي تحويل طبيعة الموجات الضوئية، إلي موجات ذات طبيعة أخري، لها مزايا ومواصفات انتشار أخري، لتصل إلي وسيلة الرؤية، حيث يعاد تحويلها مرة أخري إلي أشعة ضوئية، لإحداث التأثير البصري.

ومن أمثلة وسائل نقل الصورة، التي تعتمد علي خاصية الانعكاس، استخدام المرايا المستوية، أو المستوية والكروية، في تكوينات مركبة؛ مثل المرايا التي يستخدمها الطبيب لرؤية الأسطح الداخلية للأسنان داخل الفم، ومنها كذلك المرايا العاكسة، التي يستخدمها سائقو السيارات. ومن التكوينات المركّبة جهاز البريسكوب Periscope، الذي تستخدمه الغواصات لنقل صورة البيئة المحيطة بها إلي داخلها، وهي غاطسه إلي عمق البريسكوب.

ومن الحالات التي حوّلت فيها الأشعة الضوئية، إلي أنواع أخري من الموجات ذات الخواص المخالفة لخواص انتشار الضوء، الحالة التي استخدمت فيها كاميرا تلفزيونية صغيرة، أدخلت من خلال ثقب صغير في سقف إحدى المقابر الفرعونية، لنقل صورة شاملة عن كل ما هو موجود في المقبرة قبل محاولة فتحها؛ فهذه الكاميرا التلفزيونية تحول الأشعة الضوئية إلي إشارات كهربية، تنتشر خلال سلك التوصيل المتصل بالكاميرا الصغيرة، إلي جهاز استقبال خاص، يعيد إنتاج الصورة الموجودة أمام الكاميرا، علي شاشة عرض خاصة.

هذه الأساليب لنقل الصورة، لا تحقق النجاح الكامل في جميع الأحوال، وتحت مختلف الظروف؛ فالأساليب التي تعتمد علي مواصفة انعكاس الضوء، تحتاج مكونات ذات أحجام كبيرة نسبيا، ترتبط ارتباطاً وثيقاً بأبعاد الأجسام المراد رؤيتها، والمسافة بين الرائي والجسم المرئي، وهذا الأمر لا يجعل استخدام هذا الأسلوب مناسباً لبعض الحالات، التي يمثل فيها الحجم قيداً رئيسياً، مثل محاولة الرؤية من خلال ثقب دقيق، لا يزيد قطره علي أجزاء من المليمتر.

قيد آخر يحد من استخدام أسلوب نقل الصورة، الذي يعتمد علي مواصفة انعكاس الضوء، وهو الوضع النسبي بين المرئي والرائي؛ فكل وضع محدد بينهما، يلزمه تصميم محدد لتركيبة العدسات والمرايا. فإذا اختلف الوضع النسبي، يلزم تعديل المسافات والعلاقات بين مكونات التصميم، وفي معظم الأحوال يكون هذا التعديل غير ممكن.

إنّ الأسلوب الذي يعتمد علي تحويل الأشعة الضوئية، إلي نوع آخر من الموجات، لم ينجح في نقل الصورة في حالات خاصة؛ فإضافة إلي حجم المكونات الكبير نسبياً، وحاجتها إلي تصميم هندسي خاص، يرتبط بطبيعة الجسم المرئي والظروف المحيطة به، وكذلك الوضع النسبي بين الجسم المرئي والرائي. وكما تحتاج هذه الوسائل إلي مصدر للطاقة الكهربية لتعمل، ويصدر عنها بعض أنواع الإشعاع، التي قد تضر بالجسم المرئي أو تغير من مواصفاته، مثل حالة نقل الصورة من حبل النخاع الشوكي، أو تفتيش مكان، به مكونات تتلف عند تعرضها للإشعاع.

وقد نجح المنظار الضوئي للألياف البصرية، في التغلب علي معظم هذه المشاكل. فهو قادر علي النفاذ من فتحات دقيقة جداً، ولا يحتاج إلى تعديل التصميم كلّما اختلف الوضع النسبي الخاص بين الجسم المرئي والرائي؛ فالتصميم الواحد يصلح للعديد من المواقف المختلفة؛ وهو كذلك لا يحتاج إلى مصدر خاص للطاقة الكهربية لتحقيق وظيفة الرؤية[1]، كما أنه لا يصدر عنه أي نوع من أنواع الإشعاع.

كل هذا لا يعني أن المنظار الضوئي للألياف البصرية هو الوسيلة المثلي، أو الوحيدة، المناسبة، لنقل الصورة؛ ولكنه قد يكون الوسيلة المناسبة في أحوال خاصة، لا تصلح فيها الوسائل الأخرى. وفي بعض الأحوال قد تتزاوج أكثر من وسيلة في منظومة موحدة، لتنفيذ مهمة خاصة، مثل استخدام كاميرا تلفزيونية صغيرة مع المنظار، أو استخدام تركيبة من العدسات المكبرة معه. ولكن يظل الحجم المناسب للمكونات الإضافية، هو القيد الحاكم عند تصميم مثل هذه المنظومة.

2. الخلفية التاريخية

بعد ظهور المنظار الضوئي للألياف البصرية، أو الفايبرسكوب، حديث نسبياً، أما مبدأ انتقال الضوء داخل ألياف، ذات مواصفات محددة، وهو المبدأ الطبيعي الأساسي المستخدم في هذا المنظار، فقد عُرف في تاريخ أسبق بكثير من تاريخ اكتشاف وتصميم أول منظار تصميمه؛ ومن الجدير بالملاحظة أن اكتشاف الألياف البصرية وتطويرها، نشأ في بادئ الأمر نتيجة للأبحاث الخاصة بنقل الصورة، ومع ذلك طُوع هذا الاكتشاف لاستخدامات أخري، مثل تحقيق الاتصالات، ونقل الطاقة، قبل تطويعه تماما لنقل الصورة، وقبل النجاح في استخدامه لتصميم أول منظار.

ترجع معرفة الإنسان للزجاج، إلي 2500 عام قبل الميلاد. وقد صُنعت أول ألياف زجاجية في عام 1713. وفي عام 1790، أنتج الفرنسي كلود شاب Claude Chappe، أنبوباً مجوفاً استطاع بواسطته نقل الصورة عبر مسافة محدودة، ولكن اختراعه لم يخرج عن النطاق المعملي.

في عام 1806، صنع الطبيب النمساوي فيليب بوزيني Philip Bozzini، أداة يمكن إدخالها في جسم الإنسان لرؤية الأعضاء الداخلية، وأطلق علي الجهاز اسم "ليشتلايتر" Lichtleiter، ويُنظر الآن إلي بوزيني علي أنه صاحب فكرة "الإندوسكوب"، مع أن جهازه لم يختبر قط علي الإنسان، بل إنه عوقب آنذاك بتهمة الفضول. وفي عام 1853، استخدم العالم الفرنسي أنطوان جان ديزورمو Antoine Jean Desormeaux ، منظار بوزيني عمليا، وبذلك استحق لقب "أبو الإندوسكوب". ويتكون الجهاز من مجموعة من المرايا والعدسات، ومصباح لتوليد الضوء، (اُنظر صورة منظار بوزيني)، واستخدم الجهاز أساساً لاستكشاف المسالك البولية.

وفي عام 1876، استخدم العالم الألماني ماكسيمليان نيتز Maximilian Nitze، مصباح أديسون Edison، بعد إدخال بعض التعديلات عليه، وصنع أول إندوسكوب بصري، يستخدم مصباحاً كهربائياً كمصدر للضوء. واستخدم ذلك الجهاز، كذلك، لاستكشاف المسالك البولية فقط.

وفي عام 1881، في النمسا، نجح كل من العالمين ميكوليتز ولايتر Mikuliez and Leiter، في اتباع خطوات ماكسيمليان نيتز، لتصنيع أول منظار ضوئي غير مرن، يستخدم لاستكشاف وتشخيص الأمراض المعوية. واستخدم هذا المنظار، الذي عرف باسم جاستروسكوب Gastroscope، في عدد من العيادات في فيينا.

وفي عام 1888، في فيينا، استخدم الأطباء أليافاً زجاجية منحنية، لإضاءة التجاويف في الجسم البشري. وفي عام 1895، استخدم العالم الفرنسي هنري سانت ريني Henry C. Saint-Rene، منظومة من الأنابيب الزجاجية المنحنية لنقل الضوء، في محاولة لتصميم جهاز ناقل للصورة، عبر مسافة محدودة. وفي عام 1898، تقدم العالم الأمريكي ديفيد سميث David Smith، بطلب للحصول علي براءة اختراع لجهاز إضاءة للأغراض الجراحية، ينقل الضوء عبر أنابيب زجاجية منحنية.

وفي عام 1920، استخدمت فكرة نقل الضوء عبر أنبوب منحني لإضاءة الميكروسكوب. وفي 15 أكتوبر 1926 حصل البريطاني جون لوجي بيرد John Logie Baird علي براءة اختراع لناقل الصورة الضوئية، تتكون من مجموعة من الأنابيب الزجاجية المفرّغة. وفي ديسمبر 1926، نشر العالم الأمريكي كليرانس دبليو هانسيل Clarence W. Hansell مذكرة معملية، وضع فيها أساس نقل الصور، باستخدام حزمة من الألياف المنفذة للضوء Transparent Fibers.

وفي عام 1931، بدأ الإنتاج الكمي للألياف الزجاجية، وشاع استخدام لفظ "الزجاج الليفي" Fiber-glass. وفي عام 1949، في الدانمارك، في جامعة دلفت Delft، بدأ العالمان هولجر مولر هانسن Holger Moller Hansen، وأبراهام فان هيل Abraham Van Heel ، سلسلة من الأبحاث، لنقل الصورة خلال حزمة من الألياف البصرية المتوازية. ونجح هولجر مولر في عام 1951، في إنتاج أول حزمة من الألياف البصرية لنقل الصورة، مصنعة من مادة البلاستيك، ذات معامل إنكسار ضوئي منخفض.

في عام 1954، بدأت شركة أمريكان أوبتيكال American Optical، في تطوير أول جهاز لنقل الصورة، باستخدام الألياف البصرية لصالح وكالة المخابرات المركزية الأمريكية. وفي عام 1955، بدأ طالب الدراسات العليا الأمريكي لاري كيرتس Larry Curtis، في مشروع لتصميم وإنتاج أول فايبرسكوب، أو إندوسكوب، كما يطلق عليه في الاستخدامات الطبية. وفي عام 1956، نجح لاري كيرتس في صناعة أول ألياف بصرية، ذات غلاف زجاجي. وفي عام 1957، استخدم الأمريكي هيرسكوويتز Hirschowitz، الإندوسكوب، الذي صممه لاري كيرتس، لأول مرة في فحص مريض في عملية نقل صورة فعلية، للأعضاء الداخلية للمريض.

وفي عام 1958، بدأ العالم الأمريكي ألك ريفز Alec Reevs، دراسة إمكانية استخدام الألياف البصرية في نقل المعلومات والاتصالات. وتعد تلك الدراسة هي بداية الطفرة الكبيرة لاستخدام الألياف البصرية، كوسط مميز للاتصالات، أحد أهم منجزات القرن العشرين العلمية.

بدأت شركة أمريكان أوبتكالز، American Opticals، في عام 1959، في إنتاج ألياف بصرية دقيقة، ذات قطر صغير جداً، تنقل حزمة ضوئية أحادية التردد، مثل شعاع الليزر، الذي عرضه لأول مرة، في عام 1960، العالم الأمريكي تيودور مايمان Theodore Maiman. ويُعد هذا الاكتشاف أحد المحاور الرئيسية، التي أسهمت في تطوير منظار الألياف البصرية.

وفي عام 1967، نشر العالم الياباني شوجيرو كواكامي Shojiro Kawakami، أول دراسات عن الألياف البصرية ذات معامل الانكسار المتدرج، وهي خاصية ساعدت علي زيادة جودة الصورة المنقولة بواسطتها. وخلال الأعوام القليلة التالية، تحول كل الاهتمام إلي الألياف ذات معامل الانكسار المتدرج، لمميزاته العديدة، خاصة عند العمل بالطول الموجي 850 نانومتر. (النانومتر يساوي 10 ^{ـ 9} متر).

وفي عام 1971 أسس الطبيب الأمريكي جوردان إم. فيليبس Jordan M. Philips، "الاتحاد الأمريكي للمعالجة باستخدام المنظار" American Association of Laparoscopy ، في أول إشارة واضحة لأهمية واستخدام هذا الجهاز وانتشاره، في مجالات الطب الحديثة.

واستمر العمل علي إنتاج ألياف بصرية ذات قطر دقيق، حتى أمكن في عام 1974، إنتاج ألياف يراوح قطرها ما بين 50 إلي 100 ميكرومتر. (الميكرومتر يساوي 10 ^{ـ 6} متر) ومع بداية عام 1977، عاد الاهتمام مرة أخري إلي استخدام الألياف البصرية أحادية النمط[2] ، لرخص تكلفة إنتاجها نسبياً، واكتشاف أساليب لتحسين معامل فقد الطاقة الضوئية، أثناء انتشارها خلالها.

وفي أوائل السبعينات، أُنتجت أول عدسات بصرية أسطوانية الشكل، ذات معامل انكسار متدرج، واستخدمها العالم الياباني وتانابي Watanabe عام 1977، في صناعة أول جهاز إندوسكوب، لا يزيد قطر حزمة الألياف فيه علي 1.7 مليمتر، الأمر الذي أتاح استخدامه بسهولة داخل الجسم البشري، على الرغم من وجود بعض التشوهات في الصورة المنقولة خلاله. وفي عام 1984، أمكن تقليل تلك التشوهات، وزيادة قدرة التحليل للصورة، علي حساب زيادة القطر ليصل إلى 2 مليمتر.

وفي عام 1980، بدأ الطبيب البريطاني باتريك ستبتو Patrick Steptoe، في استخدام جهاز إندوسكوب خاص داخل غرفة العمليات. وفي عام 1981، قررت جمعية أطباء التوليد الأمريكية، أنّ التدريب علي استخدام الإندوسكوب يُعد جزءاً رئيسياً من تدريب الأطباء المقيمين. وفي عام 1987، أصبح من الممكن عرض الصورة المنقولة عبر جهاز المنظار، علي شاشة تلفزيونية، ليتمكن فريق عمل طبي متكامل من الاشتراك في تنفيذ الجراحة.

ومن هذا التاريخ، بدأ انتشار استخدام المنظار الضوئي للألياف البصرية، في تشخيص العديد من الأمراض، وتنفيذ جراحات معينة، أقل ألماً، ولا تحتاج إلى فترات طويلة للبقاء في المستشفي بعد الجراحة. وأشارت إحصائية أمريكية، أنه اعتباراً من عام 1995، أصبح أكثر من 56 % من الجراحات، في الولايات المتحدة الأمريكية، تجرى باستخدام أنواع مطورة من منظار الألياف البصرية، وقد طُور كل نوع منها طبقاً لنوع الجراحة المطلوبة. فظهرت أنواع متعددة من المناظير الخاصة، مثل مناظير الأوعية الدموية، ومناظير المسالك البولية، ومناظير العمود الفقري؛ وكل هذه الجراحات لا تتطلب حجز المريض، أكثر من ليلة واحدة بالمستشفي.

ويتركز تطور المنظار الضوئي للألياف البصرية، حالياً، حول خفض قطر الجزء من المنظار، الذي يُدخل في جسم الإنسان، بحيث يُسمح بحركة المنظار داخل الأوعية الدموية، وتصوير جدرانها الداخلية ومحتوياتها، والوصول من خلالها إلي تجاويف أعضاء أخري، مثل القلب والكبد؛ إضافة إلي ذلك يسير التطور نحو تطويع هذا النوع من المناظير، لتصبح أداة معاونة لجراحات الليزر الدقيقة، وأصبح من الممكن ـ حالياً ـ استخدام عدسات شيئية، ذات معامل انكسار متدرج، لا يزيد قطرها علي 0.25 مليمتر، وتقدم صوراً دقيقة عالية الوضوح، تناسب تلك الجراحات الحديثة.