СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ КОМПОНЕНТ МУТНОГО ВЕЩЕСТВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR SPECTRAL ANALYSIS AND DETERMINATION OF CONCENTRATION OF COMPONENT OF OPAQUE SUBSTANCE AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD (VERSIONS)

Изобретение относится к области специального оптического приборостроения и предназначено для анализа концентрации компонент веществ (растворов), в том числе и сильно рассеивающих свет, спектрального анализа веществ, анализа концентрации компонент крови человека, таких как гемоглобин, билирубин и т.п., без повреждения кожных тканей человека.
Спектральный анализ компонент не рассеивающего свет раствора обычно проводится обычными спектрофотометрами (анализатором спектра), принцип действия которых основан на измерении интенсивности спектрально-перестраиваемого света, прошедшего через кювету, в которой находится исследуемое вещество или объект, и одновременного измерения интенсивности света на той же длине волны излучения света, прошедшего через пустую или с растворителем кювету. Искомый результат определяют по отношению сигналов.
К недостаткам данного устройства стоит отнести невозможность производить анализ мутных веществ, рассеивающих свет.
Известен способ неинвазивного (без повреждения кожи) анализа компоненты крови человека, описанный в заявке на изобретение WO 03/098213 «Способ определения соотношений концентраций компонент пульсирующей мутной среды» (авторы Чернов Е.И. и Головков О.Л.), который заключается в подаче на поверхность пульсирующей среды с i-компонентами оптического излучения, которое спектрально разделено по i монохроматическим составляющим, при этом коэффициенты экстинкции веществ априорно известны. Измерение сигнала осуществляется по отношению максимальной и минимальной составляющей оптического сигнала для каждой монохроматической составляющей в моменты пульсации среды (ударов сердца). Искомый результат определяется решением системы из i-1 уравнений.
Данный способ основывается на утверждении, что рассеяние среды не изменяется во время пульсации среды и в течение как минимум, 1 с, а изменение толщины образца одинаково и регулярно, при этом также не учитывается изменение мутности среды за счет увеличения рассеяния света кровью во время пульсации.
Способ, взятый в качестве прототипа, патент РФ №2320980, «Способ спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества и устройство для его реализации» (авторы Головков О.Л и др.) состоит в облучении вещества спектрально изменяемым источником света и измерении световых потоков, прошедших через вещество, при этом для анализа используется кювета с регулярно изменяющейся толщиной объема вещества, измерении световых потоков в моменты изменения толщины измеряемого объема, при этом искомая величина концентраций i-компонент вещества определяется исходя из системы i+1 уравнений:
Основным недостатком данного способа и устройства является то, что в представленном изобретении анализ проведен для однократного рассеяния, при этом известно, что, например, ткани человеческого тела относятся к классу сильно рассеивающих свет сред и в нем преобладают многократные рассеяния. Проведенные экспериментальные и теоретические данные показали, что изобретение, взятое в качестве прототипа, описывает слабо рассеивающие среды, что сужает область его применения.
Задача заявляемого технического решения - создание оптоэлектронного устройства, позволяющего производить спектральный анализ сильно рассеивающего свет растворов или веществ, используя один канал измерения.
Технический результат направлен на создание прибора, позволяющего производить спектральный анализ сильно рассеивающего свет растворов или веществ, используя один канал измерения.
В предлагаемом способе и устройстве технический результат достигается за счет использования спектрально перестраиваемого источника света, блока измерения толщины объекта, формирования падающего пучка света, измерения интенсивности лучей света, прошедших через объект в моменты изменения толщины объекта, ограничения телесного угла приема рассеянного света и применения оригинальной математической обработки.
Сущность предлагаемого способа спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества и устройство для его осуществления поясняется фиг.1-4.
Фиг.1 - прохождение лучей света через объект при двукратном рассеянии.
Фиг.2 - зависимость погрешности измерения концентрации компонент среды от угла однократного рассеяния при разных коэффициентах рассеяния среды и толщине среды 5 мм.
Фиг.3 - устройство спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества.
Фиг.4 - устройство спектрального анализа и определения концентраций компонент мутного вещества (вариант 2).
В прототипе приведен способ определения концентрации компонент мутной среды, который заключается в следующем - одну сторону специальной кюветы, которая может регулярно увеличивать и уменьшать толщину измеряемого объема вещества на малую постоянную величину ΔL, с исследуемым веществом, которое может быть мутным (сильно рассеивать свет) и имеет i-компонент, освещают светом, при этом свет спектрально изменяется в широком диапазоне, как минимум, с фиксацией на i+1 монохроматических составляющих. С противоположной стороны измеряемого объекта устанавливается фотоприемное устройство, при этом фотоприемным устройством измеряются минимальное и максимальное значения светового потока для разных монохроматических составляющих света в момент исходного состояния и сжатия (расширения) кюветы, а концентрация компонент вещества определяется из системы i+1 уравнений (1).
Экспериментальные данные и теоретические расчеты показали, что на точность данного способа влияют диффузные фотоны (рассеянные в среде), и чем больше коэффициент рассеяния, тем это влияние значительнее. Также при выводе приведенной системы уравнений использовалось условие, что при k·L<1 справедливо приближение exp(-k·L)=1-k·L, что некорректно при исследовании сильно рассеивающих сред.
Для вывода общих выражений использовались следующие допущения:
- чем меньше зона облучения и чем меньше апертура фотоприемного устройства, тем выше точность измерения (патент РФ №2320980);
- фаза и поляризация рассеянного света в условиях многократного рассеяния света в СРС не учитывается, так как это несущественно;
- распространение пучка света в СРС при условии, что к нему не добавляется рассеянное излучение из окружающего пространства, описывается законом Бугера-Ламберта-Бэра;
- вероятность m- кратного рассеяния описывается соотношением Пуассона (Воронов А.В., Третьяков Е.В., Шувалов В.В. Быстрое интегрирование по путям при моделировании распространения света через сильно рассеивающие объекты. // Квантовая электроника, 34, № 6, 2004, с.547)
S
где µ - коэффициент рассеяния среды, µ - коэффициент экстинкции среды, l -траектория распространения луча света. Так как при увеличении кратности рассеяния происходит пропорциональное увеличение траектории пути, то под экспонентой установлен множитель l/m.
Тогда излучение, пришедшее на фотоприемник и не испытавшее рассеяния, описывается выражением:
0
1
n
λ1
1
1
1
где I - интенсивность падающего на объект света, c - концентрация первой определяемой компоненты среды, c - концентрация n-й определяемой компоненты среды; g - чувствительность фотоприемника на длине волны излучения λ,  - приведенный коэффициент поглощения света первой компонентой на длине волны излучения λ,  - приведенный коэффициент поглощения света компонентой n на длине волны излучения λ, L - толщина объекта.
Тогда излучение, пришедшее на фотоприемник и испытавшее однократное рассеяние, описывается выражением:
f - диаграмма направленности однократного рассеяния излучения частицами среды.
Тогда излучение, пришедшее на фотоприемник и испытавшее двукратное рассеяние, см. фиг.1, описывается выражением:
1
2
где , r - длина пути луча света до первого акта рассеяния, r - проекция на ось Х длины пути распространения произвольного луча света после второго акта рассеяния, α - угол отклонения произвольного луча света при одном акте рассеяния.
Так как двукратное рассеяние отличается от однократного одним конусом рассеяния, а трехкратное рассеяние отличается от двукратного также конусом рассеяния, то выдвинуто предположение, что распределение лучей света по их длине пути в СРС для трехкратного рассеяния пропорционально отношению выражений (5) к (4). Тогда сигнал, поступающий на фотоприемник от всех лучей света, прошедших через среду, равен:
При изменении толщины исследуемого объекта на ΔL на фотоприемник приходит сигнал .
λ1
Проведенный анализ показал, что для определения концентрации i-компонент мутной однородной среды достаточно произвести измерение параметров Р и  при облучении объекта i+1 разными монохроматическими составляющими света, при этом для каждой монохроматической составляющей спектра излучения источника света должны быть известны коэффициенты экстинкции для определенной компоненты среды и эти коэффициенты должны быть разными, как минимум, для двух монохроматических составляющих спектра облучения. Искомый результат концентраций i-компонент среды при ΔL<<L определяется из системы i+1 уравнений:
i+1
где  - приведенный коэффициент поглощения света n-й компонентой на длине волны излучения λ.
1
2
При облучении объекта двумя спектрально разнесенными источниками света, когда коэффициенты экстинкции не изменяются для всех компонент, кроме одной, для анализа именно этой компоненты вещества достаточно решения системы из двух уравнений. Например, для лабораторного анализа гемоглобина достаточно облучать объект двумя светодиодами с длинами волн λ (например, 590 нм) и λ (например, 650 нм), а концентрацию определять из выражения:
.
В патенте РФ №2320980 было установлено, что чем меньше зона облучения и чем меньше апертура фотоприемного устройства, а также чем меньше величина ΔL, тем выше точность измерения. Кроме этого, установлено, см. фиг.2, что чем меньше величина α в выражении (5), тем меньше погрешность способа представленного измерения. Чтобы обеспечить прием излучения, рассеянного при малых углах, достаточно использовать одномодовое оптическое волокно либо производить измерение прошедшего через объект и дополнительную диафрагму излучения фотоприемником на расстоянии много большем диаметра приемной апертуры фотоприемника, что максимально ограничит телесный угол приема рассеянного излучения.
Способ спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества заключается в следующем - одну сторону специальной кюветы, которая может регулярно увеличивать и уменьшать толщину измеряемого объема вещества на малую постоянную величину ΔL, с исследуемым раствором, который может быть мутным (сильно рассеивать свет) и имеет i-компонент, освещают светом, при этом свет спектрально изменяется в широком диапазоне, как минимум, с фиксацией на i+1 монохроматических составляющих. С противоположной стороны измеряемого объекта устанавливается фотоприемное устройство, которым измеряются значения светового потока, вышедшего из кюветы в максимально ограниченном телесном угле приема излучения, для разных монохроматических составляющих света в момент исходного состояния и сжатия (расширения) кюветы, а концентрация компонент вещества определяется из системы i+1 уравнений (7).
Устройство для спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества (вариант 1), представленное на фиг.3, состоит из спектрально управляемого осветителя 6, излучение которого подается на кювету переменной толщины 3 через световод осветителя 1, а рассеянное излучение принимается одномодовым световодом 2 и далее фотоприемным устройством 7, при этом используются блок изменения толщины кюветы 4, блок измерения толщины кюветы 8 и управляющее устройство 9.
Устройство для спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества работает следующим образом - в кювету переменной толщины 3 наливают раствор исследуемого вещества, с помощью блока изменения толщины кюветы 4 производится изменение толщины измеряемого объема кюветы, при этом с помощью блока измерения толщины кюветы 8 производится измерение ее толщины, одновременно с этим с помощью спектрально управляемого осветителя 6 и световода осветителя 1 осуществляется освещение малого участка поверхности кюветы поочередно на одной монохроматической составляющей из множества длин волн. Фотоприемное устройство 7, связанное с поверхностью кюветы 3 одномодовым световодом 2, осуществляет измерение светового потока, прошедшего через кювету 3 в моменты изменения толщины кюветы 3 для каждой из монохроматических составляющих. Согласованную работу осветителя 6, блока изменения толщины кюветы 4, блока измерения толщины кюветы 8 и фотоприемного устройства 7 обеспечивает блок управления 9, который производит определение концентрации компонент вещества из системы i+1 уравнений (7).
Устройство для спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества (вариант 2), представленное на фиг.4, состоит из спектрально управляемого осветителя 6, излучение которого подается на кювету переменной толщины 3 через световод осветителя 1, а рассеянное излучение принимается через диафрагму 5 фотоприемным устройством 7, при этом используются блок изменения толщины кюветы 4, блок измерения толщины кюветы 8 и управляющее устройство 9.
Устройство для спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества (вариант 2) работает следующим образом - в кювету переменной толщины 3 наливают раствор исследуемого вещества, с помощью блока изменения толщины кюветы 4 производится изменение толщины измеряемого объема кюветы, при этом с помощью блока измерения толщины кюветы 8 производится измерение ее толщины, одновременно с этим с помощью спектрально управляемого осветителя 6 и световода осветителя 1 осуществляется освещение малого участка поверхности кюветы поочередно на одной монохроматической составляющей из множества длин волн. Рассеянное в мутном веществе излучение проходит через диафрагму 5, расположенную вплотную к поверхности кюветы 3, и попадает на фотоприемное устройство 7, расположенное от кюветы на расстоянии значительно большем его приемной апертуры. Фотоприемное устройство 7 осуществляет измерение светового потока, прошедшего через кювету 3 в моменты изменения толщины кюветы 3 для каждой из монохроматических составляющих. Согласованную работу осветителя 6, блока изменения толщины кюветы 4, блока измерения толщины кюветы 8 и фотоприемного устройства 7 обеспечивает блок управления 9, который производит определение концентрации компонент вещества из системы i+1 уравнений (7).