ОПТОВОЛОКОННЫЙ КОММУТАТОР ЛАЗЕРНОГО СПЕКТРОАНАЛИЗАТОРА
FIBRE-OPTIC SWITCH OF LASER SPECTROMETER

Изобретение относится к устройствам медицинской техники и может быть использовано для регистрации спектров флуоресценции и спектров отражения локальных внутренних и поверхностных областей различных биологических сред.
Известно устройство для распознавания кариеса, зубного налета, бактериальной инфекции на зубах, содержащее оптоволоконный датчик, источник лазерного излучения, оптоволоконные соединители, спектральный фильтр, анализатор флуоресцентного сигнала (US 6,053,731 Date of Patent: Apr. 25, 2000).
Недостатком данного устройства является разделение оптических волноводов по функциональному признаку: на волновод, направляющий излучение, возбуждающее флуоресценцию к объекту исследований и группу волноводов, собирающих излучение флуоресценции и направляющих его через линзовую систему, делитель оптического пучка и оптический фильтр к анализатору флуоресцентного излучения. В данной конструкции необходимо обеспечить с высокой точностью оптимальное расстояние от торцов оптических волноводов до поверхности объекта. Вариации этого расстояния приведут к большим изменениям уровня регистрируемого флуоресцентного излучения. В случае контактных исследований группа собирающих излучение волноводов будет функционировать с низкой эффективностью.
Наиболее близким по конструкции и назначению является оптоволоконное устройство для регистрации флуоресценции локальных областей объектов спектральных медицинских исследований (Патент RU 2464549 от 12.05.2011), содержащее оптоволоконный датчик, лазер, оптоволоконные средства соединения лазера с датчиком, анализатор флуоресцентного сигнала.
Недостатком данного устройства является наличие делительной призмы с зеркальным покрытием, нанесенным на ее светоотражающую поверхность, размещенную внутри призмы на части апертуры пучка излучения флуоресценции, расположенную на пути распространения стимулирующего излучения и отражающую пучок стимулирующего излучения полностью. В устройстве используется только один лазер и изменение длины волны излучения, возбуждающего флуоресценцию связано с перенастройкой прибора. Кроме того, в данном техническом решении не предусмотрена возможность одновременного использования длин волн разных лазеров для возбуждения флуоресценции.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональной возможности устройства за счет применения двух разных лазеров при решении задач флуоресцентного анализа, либо для выполнения разных функций: например, флуоресцентного анализа и фотодинамической терапии. Применяемая оптоволоконная система коммутации возбуждающих и флуоресцентного излучений обладает свойствами твердотельного устройства, не требует юстировки и отличается более высокой надежностью в сравнении с известным призменным устройством. Применение компьютерной системы управления и обработки данных позволяет оперативно управлять режимами работы лазеров, использовать для постановки диагноза программные методы сравнительного анализа результатов исследований объекта с диагностической базой данных.
Данный технический результат достигается тем, что, согласно изобретению, в устройстве используется оптическое волокно датчика, соединенное с направляющей системой, в которой торец этого волокна фиксируется на плоской поверхности подложки с помощью канавки в плоскости второй подложки, а третья подложка с тремя канавками фиксирует относительно первой подложки торцы двух волокон, передающих излучения лазеров, возбуждающих флуоресценцию, и торец третьего, центрального волокна, передающего излучение флуоресценции. Причем оси волокон, являющихся источниками и приемниками излучения, в направляющей системе образуют углы, не превышающие апертурных углов ввода излучения в оптическое волокно. Юстировка волокон осуществляется при изготовлении направляющей системы. Первая подложка выполнена из магнитного, вторая и третья - из немагнитного материалов. В процессе юстировки второй и третьей подложкой волокна прижимаются к первой подложке магнитами. После достижения максимального коэффициента передачи излучения передающих и приемных волокон, подложки и волокна фиксируются эпоксидным компаундом. Такая конструкция обладает надежностью твердотельного устройства. В ней отсутствуют дорогостоящие элементы оптической юстировки.
Противоположные концы волокон направляющей системы расположены в фокальных плоскостях объективов, между линзами которых расположены сменные оптические фильтры, а в сопряженных фокальных плоскостях объективов расположены торцы волокон, связанных с лазерами, возбуждающими флуоресценцию и волокна, связанного с входом анализатора спектра флуоресценции. Объектив, двухлинзовый в частности, преобразует излучение торца волокна в коллимированный пучок, необходимый для корректной работы интерференционных фильтров. Лазеры, как правило, кроме основной линии излучения имеют дополнительные спектральные составляющие. Они будут присутствовать в отраженном от объекта сигнале и войдут в состав спектра флуоресценции. Это приведет к искажению информации. Поэтому фильтры, расположенные в объективах, подключенных через оптическое волокно к лазерам, и пропускающих излучение, возбуждающее флуоресценцию, задерживают остальную часть спектра. Объективы связаны с диодными лазерами оптическим волокном посредством специальных SMA адаптеров или, при соответствующей конструкции лазера, осуществляется непосредственный ввод излучения лазера в объектив. Для подавления отраженного от объекта излучения, возбуждающего флуоресценцию, согласно изобретению, используется фильтр, пропускающий излучение флуоресценции в спектроанализагор и задерживающий излучения лазеров, возбуждающих флуоресценцию.
Использование контактного способа измерений и одного и того же волокна для передачи возбуждающего излучения и сбора флуоресцентного отклика характеризуется минимальными потерями сигала, несущего информацию об объекте исследований. Поэтому появляется возможность работы с малыми сигналами, такими как аутофлуоресценция.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан оптоволоконный коммутатор лазерного спектроанализатора.
Устройство содержит оптоволоконный датчик 1, соединенный оптическим разъемом 2 и оптическим волокном 3 с направляющей системой, в которой торец этого волокна фиксируется на плоской поверхности подложки 4 с помощью канавки в плоскости второй подложки 5, а третья подложка 6 с тремя канавками фиксирует относительно первой подложки 4 торцы волокон 7 и 8, передающих излучения лазеров, возбуждающих флуоресценцию, и торец центрального волокна 9, передающего излучение флуоресценции, противоположные концы этих волокон расположены в фокальных плоскостях объективов 10, 11, 12, между линзами которых расположены сменные оптические фильтры 13, 14, 15, а в сопряженных фокальных плоскостях объективов расположены торцы волокон, связанных с лазерами 16 и 17, возбуждающими флуоресценцию и волокна, связанного с входом анализатора спектра флуоресценции 18, содержит компьютерную систему управления и обработки данных 19, соединенную цепями управления с системами регулировки мощности излучения лазеров и анализатором спектра флуоресценции.
Работа оптоволоконного коммутатора лазерного спектроанализатора (см. чертеж) осуществляется следующим образом. Через интерфейс компьютерной системы управления 19 задается необходимый уровень излучения одного или двух лазеров 16 и 17. Входными линзами объективов 10 и 12 излучение преобразуется в коллимированные пучки, проходящие через интерференционные фильтры 13, 14, пропускающие основную линию излучения, возбуждающего флуоресценцию. Отфильтрованные коллимированные пучки выходными линзами объективов 10 и 12 вводятся в волокна 7 и 8, торцы которых расположены в фокальной плоскости линз в области фокусировки пучков. Излучение с выходов торцов волокон 7 и 8 направляется в торец волокна 3. Направляющие подложки 5 и 6 обеспечивают минимальное расстояние между сопряженными волокнами и расположены так, чтобы углы ввода излучения в волокно находились в пределах апертурного угла соответствующего оптического волновода. Введенное в волновод 3 через оптический разъем 2 излучение поступает в оптическое волокно датчика 1, дистальный конец которого контактирует с локальной областью объекта исследований. Излучение флуоресценции собирается дистальным торцом волновода датчика и вместе с частью отраженного излучения, возбуждающего флуоресценцию, передается волноводом 3 в направляющую систему, в которой излучение торца волновода 3 вводится в торец волновода 9, расположенного на одной оси с волноводом 3. Входной линзой объектива 11 излучение волновода 9 преобразуется в коллимированный пучок, проходящий через фильтр 15, подавляющий излучение одного или двух лазеров, возбуждающих флуоресценцию. При этом фильтр 15 может состоять из двух фильтров, включенных последовательно. Выходной линзой объектива 15 излучение флуоресценции направляется на вход анализатора спектра флуоресценции 18. Под управлением программы компьютерной системы 19 спектр в цифровой форме преобразуется в информацию, доступную для дальнейшей обработки с целью определения состояния биологической среды и постановки диагноза.
Оптический разъем 2, расположенный между дистальным концом оптоволоконного датчика оптической диагностики и направляющей системой, позволяет использовать различные варианты датчиков, предназначенных для решения конкретных задач, включая инвазивные исследования, фотодинамическую терапию, а также осуществлять их стерилизацию.
Оптоволоконный датчик 1 является сменным и для выполнения задач инвазивной диагностики и фотодинамической терапии вмонтирован в инструмент, ориентированный на выполнение конкретной задачи. Таким инструментом может быть, в частности, осуществлена диагностика состава тканей в процессе хирургического вмешательства.