Устройство для оценки интенсивности светорассеивающей способности биологической ткани

Предлагаемое устройство относится к экспериментальной биологии и может быть использовано для оценки интенсивности светорассеивающей способности биологической ткани, т. е. для определения оптических свойств биологических тканей in vitro. Устройство для оценки интенсивности светорассеивающей способности биологической ткани предназначено для регистрации, оценки и контроля медико-биологических параметров различных тканей по их оптическим характеристикам. Изучение этих свойств актуально для понимания формирующих биоткань составляющих.
Известно, что основой рассеяния света в биологических тканях является разность коэффициентов преломления различных структур биотканей, т.е. между митохондриями, ядром, другими клеточными органеллами и цитоплазмой клеток, между внутритканевой жидкостью и структурными элементами соединительной ткани (коллагеновыми и эластическими волокнами). Помимо этого, имеются данные о том, что в тканях с патологическим ростом происходит изменение клеточных структур, например, меняются размеры отдельных клеточных ядер, наряду с этим может измениться и относительный показатель преломления ядро-цитоплазма, что ведет к изменению характера рассеивающих свойств биологических тканей. Кроме того, в тканях с патологическим ростом возможно нарушение плотности упаковки коллагеновых волокон и их ориентации, что также ведет к изменению светорассеивающих свойств.
Следует отметить, что оптические свойства биологических тканей, в том числе, показатель преломления, а, следовательно, и их светорассеивающая способность могут зависеть от количества воды, наличия хиральных молекул в их составе, в частности, оптически активного белка - альбумина, а наличие метаболических веществ, находящихся в тканях, таких как глюкоза, приводит к изменениям показателей преломления и, как следствие, к изменению светорассеяния.
Таким образом, биологические ткани являются оптически неоднородными, а распространение света в них зависит от рассеивающих и поглощающих свойств ее компонентов: клеток, клеточных органелл, разнообразных волокнистых структур, присутствия различных биологически-активных веществ. Наличие светорассеяния несет в себе важную информацию о формирующих биоткань составляющих, таких как размеры и формы структурных элементов, их оптических свойствах и ориентации.
2
Известно устройство, используемое для оценки фотосинтетической активности растительных организмов, содержащее источник квазимонохроматического излучения красной области спектра плотностью мощности не менее 30 Вт/м, приемный объектив, светофильтр и фотоприемник, блок обработки сигналов, блок сбора данных (патент RU 2352104, 20.04.2009). Устройство позволяет оценивать интенсивность светорассеяния объекта в какой-либо конкретной точке и не дает возможности оценивать распределение оптических свойств образца ткани на всей ее протяженности, что бывает необходимо. Кроме того, оценка светорассеяния по измерению интенсивности рассеянного света лишь в одном направлении не позволяет вычислить индикатрису светорассеяния и его пространственные характеристики.
Задачей разработки полезной модели является получение устройства для повышения точности в оценке, регистрации и контроле медико-биологических параметров различных биологических тканей in vitro, по их оптическим характеристикам.
Техническим результатом предлагаемого устройства является возможность оценки изменчивости угловых характеристик светорассеяния для объема ткани.
Технический результат достигается за счет применения CCD матрицы в качестве детектора рассеянного излучения, моторизованного координатного стола, источника лазерного излучения с коллимированным пучком, отсекающими светофильтрами.
Лазерный модуль в качестве источника лазерного излучения с коллимированным пучком дает возможность оценивать светорассеивание строго определенного геометрического объема ткани пересекаемой пучком и избежать артефактов, связанных с расхождением лучей не на объекте, а при эмиссии излучения.
Моторизованный координатный стол позволяет осуществлять перемещение исследуемого объекта относительно источника излучения с точностью позиционирования объекта 0,05 мм. Точность позиционирования зависит от необходимого разрешения при проведении конкретного теста с применением предлагаемого устройства, а также определенной толщины пучка лазера и, как правило, не превышает ее половины. Применение моторизованного координатного стола позволяет получить данные о светорассеянии не из одной точки, а последовательно для всего объема анализируемого образца. Кроме того, точное позиционирование образца, осуществляемое по средствам моторизованного координатного стола, позволяет проводить сравнительное исследование (с данными химических, физических и других тестов).
Монохроматическая CCD матрица в качестве детектора рассеянного излучения позволяет увеличить точность оценки светорассеивающей способности вещества тканей за счет одновременного анализа интенсивности света отклоненного на разные углы при рассеянии.
Отсекающие светофильтры необходимы для исключения из сигнала аутофлуоресценции образца. Зона спектрального пропускания светофильтра каждый раз подбирается в соответствии с длинной волны лазерного модуля, что позволяет принимать только сигнал излучения рассеиваемого образцом.
Предлагаемое устройство обеспечивает получение более полной картины светорассеяния лазерного луча тканями путем оценки интенсивности светорассеяния одновременно в нескольких направлениях. Это становится возможным за счет анализа угловых отклонений луча по измерению интенсивности отклоненного света на совокупности точек CCD матрицы, используемой в качестве приемника рассеянного излучения, и дальнейшей обработки.
Используемая, в качестве фотоприемника, CCD матрица имеет хорошую светочувствительность и малое количество шумов, что дает возможность получить проекцию рассеянного излучения с высоким разрешением и качеством.
Предлагаемая конструкция допускает использование иммерсионной жидкости между тканевыми блоками и стеклянными обкладками, что также позволяет увеличить точность оценки светорассеивающей способности вещества тканей, по сравнению с «сухими» системами, путем уменьшения рассеяния света на поверхности образца.
Для объективизации получаемой информации, желательно предварительное выкраивание блоков изучаемой ткани, ограниченных ровными параллельными плоскостями.
Устройство для оценки интенсивности светорассеивающей способности вещества биологических тканей схематически представлено на фиг. 1, где
1 - блок биологической ткани,
2 - иммерсионное масло,
3 - стеклянные обкладки,
4 - моторизованный координатный стол,
5 – станина,
6 - отсекающий светофильтр,
7 - лазерный модуль,
8 - коллимированный пучок,
9 - CCD детектор регистрации прошедшего излучения,
10 - излучение, рассеиваемое веществом биологической ткани.
Устройство используют следующим образом.
Смачивают предварительно выкроенный плоскопараллельный блок биологической ткани (1) иммерсионным маслом (2) и укладывают между стеклянных обкладок (3), полученную конструкцию размещают на моторизованном координатном столе (4), закрепленном на станине (5), связывающей все части устройства. Подбирают отсекающий светофильтр (6), пропускающий только излучение лазерного модуля. Посредством лазерного модуля (7) с коллимированным пучком (8) облучают различные локальные участки блока ткани (1). CCD детектором регистрации прошедшего излучения (9) захватывают излучение, рассеиваемое веществом биологической ткани (10). По соотношению яркости, получаемой разными зонами CCD детектора регистрации прошедшего излучения (9), судят об угловых характеристиках светорассеяния в локальной точке блока биологической ткани (1). Смену изучаемых локальных участков блока биологической ткани (1), для оценки изменчивости угловых характеристик светорассеяния в объеме ткани, проводят за счет его перемещения на моторизованном координатном столе (4), одновременно со стеклянными обкладками (3) и иммерсионным маслом (2).
Пример 1.
При применении криминалистической экспертизы потребовалось доказать, что катаракта, возникшая при жизни, была индуцирована ультрафиолетовым излучением, а не сопутствующим сахарным диабетом 2 типа. При жизни, трудовая деятельность была связана со сварочными работами. Для этого из хрусталика вдоль оптической оси был выкроен блок толщиной 0,8 мм. Плоскости срезов были смочены иммерсионной жидкостью и уложены между стеклянными обкладками. Для построения пространственной картины хрусталика был выбран лазерный модуль длиной волны 630 нм и соответствующий ему отсекающий светофильтр. Изменяя координаты на координатном столе последовательно ССД детектором, была захвачена интенсивность лучей, отклоненных от коллимированного лазерного источника на разные угловые величины. Было отмечено, что в краевых частях блока, соответствующих кортикальным слоям, находящимся вне проекции зрачка, интенсивность светорассеяния и процентная доля лучей, отклонившихся на углы больше, чем 10°, значительно ниже, чем в тех же кортикальных слоях, но находящихся в проекции зрачка, при его средней ширине. Это позволило сделать вывод о лучевой природе катаракты.
Устройство можно использовать в различных областях экспериментальной медицины, а также в криминологической экспертизе.