ПОРТАТИВНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПЕКТРОСКОПИИ ДИФФУЗНОГО ОТРАЖЕНИЯ
PORTABLE OPTICAL DEVICE FOR DIFFUSE REFLECTION SPECTROSCOPY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к новому оптическому устройству для портативной спектроскопии диффузного отражения; и более конкретно, оно относится к новому исполнению оптического зонда, который выполнен из материала поли(метилметакрилата) (ПММА), для спектроскопического измерения или анализа биологических показателей ткани.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Получение оптических свойств кожи дает полезную информацию о физиологии, морфологии и составе кожи. Они могут быть получены неинвазивным способом в режиме реального времени с помощью оптического способа анализа. Одним таким оптическим способом является спектроскопия отражения, состоящая из двух компонентов: коэффициента зеркального отражения и коэффициента диффузного отражения. Коэффициент зеркального отражения образца кожи представляет собой свет, который не проходит в кожу, а отражается от лицевой поверхности образца. Этот компонент содержит информацию о биологическом образце на поверхности. Для получения информации из более глубокой секции биологических тканей, может быть применена спектроскопия диффузного отражения.
Спектры диффузного отражения получают из света, который прошел внутрь ткани. По мере проникновения луча в биологическую ткань направление прохождения меняется случайным образом вследствие вариаций коэффициента преломления в нижних слоях. Свет ослабляется на своем пути вследствие событий поглощения и рассеяния. По прошествии множественных событий рассеяния, некоторая часть света выходит из поверхности. Интенсивность этого отраженного света несет в себе информацию в отношении поглощения и рассеяния света через среду, которая может быть связана с морфологией, для определения патологического состояния ткани и/или концентрации биохимического/анализируемого вещества в ткани. Спектроскопия диффузного отражения широко использовалась для неинвазивного анализа и определения характерных признаков биологических тканей. Данная технология обеспечивает быстрые количественные измерения пигментов внутри ткани. Неинвазивные измерения с помощью спектроскопии отражения желательны, поскольку они являются безболезненными, не требуют взятия жидкого компонента организма, имеют малый риск загрязнения или инфицирования, а также не вырабатывают каких-либо вредных отходов и обеспечивают возможность быстрого измерения. В качестве примера, точное, неинвазивное определение билирубина может снизить большое количество сложностей, связанных с желтухой у новорожденных. Подобным образом, точное, неинвазивное определение различных болезненных состояний обеспечивает возможность ускоренного, более удобного скрининга и диагностики, обеспечивая возможность более эффективного лечения. Биомедицинские варианты применения спектроскопии отражения включают исследование толстой кишки, пищевода, желудка, мочевого пузыря, шейки матки, яичников, грудной клетки, головного мозга, печени, поджелудочной железы, сердца, тканей ротовой полости и кожи [1].
Традиционная установка для измерения спектроскопией отражения состоит из источника света для освещения кожи, детектора для оценки отраженного света и оптического зонда для доставки и захвата отраженного света. Источник света может представлять собой галогеновую лампу, вольфрамовую лампу, светоизлучающий диод (СИД) и т.д. Детектор может представлять собой фотодетектор или спектрометр. В целом, в качестве оптического зонда для передачи света используют оптоволоконные кабели [2-3-4]. Оптические зонды состоят из двух отдельных направляющих света, одна для доставки света к целевой биологической ткани, а другая для захвата света, идущего от целевой биологической ткани.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
Разработка портативной спектроскопии диффузного отражения проблематична вследствие сложностей, связанных с миниатюризацией устройства и производством оптического устройства, что приводит к высоким затратам. Кроме того, захват возвращающегося света из глубины ткани проблематичен вследствие зеркальной составляющей отраженного света. Более длительное время интеграции является другой проблемой спектроскопии отражения.
Как правило, приспособлением для измерения диффузного отражения является интегрирующая сфера [5]. Ввиду геометрического строения интегрирующей сферы, она способа захватывать большинство отраженного света, она может удалять любые настройки направления и выдавать интегрированный сигнал на детектор. Однако для применения спектроскопии диффузного отражения, портативное устройство для измерения кожи должно быть оптическим устройством, которое является компактным, имеет малый вес, малый размер, а также удобным в использовании. Конструкция интегрирующей сферы не обеспечивает возможность минитюаризации и, следовательно, не пригодно для использования в портативном устройстве.
В настоящее время в качестве оптических зондов используются оптоволоконные зонды с переменными диаметрами и приспособления с оптоволоконными кабелями. Например, в настоящее время используют конструкцию зонда с линейным выравниванием волокон, а также расположением детектирующих волокон в различных местах. Альтернативным исполнением является кольцевое расположение волокон с подводящим волокном в середине всех других волокон. Также представляется возможным снабжение оптоволоконного датчика, выполненного микрообработкой, различным количеством подводящих волокон и многочисленными захватывающими волокнами. Подводящие волокна расположены с наклоном под углом 45°. В другом оптоволоконном зонде используются 5 волокон, которые отлиты на одной линии в алюминиевом зонде. Первое волокно используется для освещения, а другие используются для обнаружения света источника (расстояния источник-детектор составляют 0,6 мм, 1,2 мм, 1,8 мм и 2,4 мм). Несмотря на широкое применение оптоволоконных зондов, процесс их производства является достаточно сложным. В частности, при разработке зонда по индивидуальным требованиям, может понадобиться обрезать волокна, что нелегко. Обрезка волокон требует специальных режущих устройств, а после процесса обрезки концы волокон должны быть отполированы, что представляет собой другой трудный процесс, отнимающий время. Кроме того, расположить волокна в желаемом выравнивании при производстве волоконного жгута нелегко ввиду малых диаметров. Другим существенным недостатком использования волокон является мертвое пространство между волокнами в волоконном жгуте. Это мертвое пространство нежелательно, поскольку оно не обеспечивает возможность прохождения света.
Основные составляющие отраженного света включают коэффициент зеркального отражения и коэффициент диффузного отражения. Диффузная составляющая отраженного света желательна и даже существенна, если спектроскопия отражения используется для исследования подкожной ткани, поскольку составляющая зеркального отражения содержит информацию только о поверхности кожи. Информация о наличии или концентрации хромофора в подкожной ткани, такого как гемоглобин и билирубин, содержится в диффузно отраженном свете из ткани человека. В слое эпидермиса содержит очень малое количество крови, или она не содержится вовсе, и, следовательно, соответствующая составляющая диффузно отраженного света из слоя эпидермиса содержит малое количество биологически значимой информации или не содержит ее вовсе. Следовательно, представляется важным захват только диффузно отраженного света, идущего обратно из подкожной ткани.
Спектр диффузного отражения несет информацию о концентрации биологических хромофоров, находящихся глубоко внутри кожи человека. Важно получить достаточное количество интенсивности отраженного света для вычисления концентрации этих хромофоров. Для получения этой достаточной интенсивности может быть увеличено время интеграции или производительность системы. Однако в некоторых вариантах применения, таких как транскутанная билирубинометрия, требуется короткое время интеграции для снижения эффектов шума окружающей среды, таких как размытость ввиду движения. Таким образом, достижение более короткого времени интеграции является одной из важнейших задач в спектроскопии диффузного отражения. Повышение эффективности прохождения света означает сокращение времени интеграции. Для улучшенной эффективности прохождения света, направляющая для доставки света должна быть соединена с источником света эффективным образом, как и направляющая для захвата света с детектором.
ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ
В настоящем изобретении предложено новое исполнение оптического зонда для измерений спектроскопией диффузного отражения; более конкретно, новое исполнение оптического устройства, в котором для передачи и приема света для спектроскопических измерений используется оптический зонд, выполненный из поли(метилметакрилата) (ПММА). Здесь представлено новое оптическое устройство уменьшенного размера, которое является простым в изготовлении и требует меньших затрат. Кроме того, оптическое устройство разработано таким образом, что детектором может быть захвачен только диффузно отраженный свет. Более короткое время интеграции является другим преимуществом этого нового оптического устройства.
При разработке портативного инструмента для спектроскопии диффузного отражения следует принимать во внимание компактное и удобное в использовании исполнение с легким весом и малым размером. Получение такого оптического устройства, используя стержни из ПММА для передачи света, является надежным решением. Помимо использования материала ПММА в разработанном оптическом зонде, настоящее изобретение обладает новизной в части расположения компонентов (детектора, источника и зонда) в оптическом устройстве. В качестве детектора используется микроспектрометр и он расположен сверху на оптическом устройстве в соединении с направляющей захвата света. Ниже спектрометра расположен источник света, который соединен с направляющей доставки света. Такое расположение обеспечивает компактную конструкцию для разработанного оптического устройства. Использование материала ПММА в оптическом зонде обладает несколькими преимуществами. Прежде всего, это обеспечивает возможность простого процесса производства по сравнению с системами на основе оптоволоконного кабеля. Кроме того, оптический зонд из ПММА не требует дополнительных устройств для расщепления, полировочных материалов или процесса вязки, чего требуют оптоволоконные кабеля. Лишь одна часть стержня из ПММА с размером сердцевины, составляющим пару мм, может переносить свет достаточной интенсивности для передачи или захвата света. В конечном итоге, зонд из ПММА гораздо более прост в изготовлении, более компактен и более приемлемый по стоимости, чем традиционные зонды из оптического волокна. Эти особенности дают в результате превосходный оптический зонд для любого спектроскопического анализа.
Другой важный аспект данного нового оптического устройства заключается в том, что оно обеспечивает максимальную эффективность передачи света путем сведения к минимуму мертвого пространства. В настоящем изобретении представлен оптический зонд, состоящий из двух вложенных друг в друга стержней из ПММА с размерами сердцевины 4 мм и 8 мм. Наружный стержень используется для того чтобы подвергать поверхность кожи воздействию белого света, вырабатываемого СИД. При этом, отраженный свет, исходящий от различных слоев ткани, захватывается внутренним стержнем, который соединен со спектрометром. Ввиду конструкции двух цилиндрических стержней из ПММА, плотно вложенных друг в друга, отсутствуют мертвые пространства, которые имеют место в кабельных жгутах из оптических волокон.
Предложенное оптическое устройство содержит чувствительный к давлению зонд, который активируется при надавливании на кожу человека. Он освещает кожу ярким стробоскопическим светом, вырабатываемым СИД-источником света. Этот яркий свет проходит на короткое расстояние через кожу, где приложен чувствительный к давлению зонд, и подсвечивает нижележащую подкожную ткань. После этого, рассеянный свет передается через внутренний стержень из ПММА, который изолирован от наружного стержня из ПММА. Зеркальная составляющая спектра отражения не может следовать по внутренней направляющей ввиду данной изоляции между двумя стержнями. Таким образом, только диффузно отраженный свет достигает модуля спектрометра.
Более короткое время интеграции является другим преимуществом предложенного оптического устройства. Повышенная эффективность пропускания света является основной причиной обеспечения более короткого времени интеграции. Несмотря на то, что коэффициент затухания материала ПММА не меньше, чем у оптоволоконного кабеля, рассеяние является ничтожно малым ввиду коротких каналов освещения. Кроме того, ввиду большей области контакта зонда с поверхностью кожи, захватывается свет с интенсивностью, большей, чем может обеспечить оптоволоконный кабель.
Благодаря этим и другим рассматриваемым решениям, которые станут понятными специалисту в данной области техники, настоящее изобретение заключается в новой конструкции, оригинальном расположении компонентов и повышенной эффективности пропускания света в оптическом устройстве для спектроскопии диффузного отражения. Более конкретно, предложен новый подход, в котором при исполнении оптического зонда используется материал ПММА, что обеспечивает новизну настоящему изобретению.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ
Настоящее изобретение обладает преимуществами, поскольку оно является компактным, имеет легкий вес, малый размер и является удобным в использовании. Другое преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении нового расположения детектора, источника и оптического зонда.
Другим преимуществом настоящего изобретения является использование СИД с плоским спектром в видимой области.
Еще одно другое преимущество настоящего изобретения заключается в использовании материала ПММА при исполнении оптического зонда. Использование этого материала делает процесс изготовления настоящего изобретения простым и приемлемым по стоимости.
Другое преимущество настоящего изобретения заключается в сведении мертвого пространства к минимуму, что предотвращает пропускание света.
Еще одно другое преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении максимальной эффективности пропускания света.
Еще одно другое преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении более короткого времени интеграции.
Еще одно другое преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении чувствительного к давлению зонда, который активируется при надавливании на кожу человека.
Еще одно другое преимущество настоящего изобретения заключается в том, что оно обеспечивает захват диффузно отраженного света.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На сопроводительных чертежах изображен полный варианты реализации изобретения, в соответствии с вариантом исполнения, являющимся наилучшим с точки зрения практической реализации его принципов, и на которых:
Фиг. 1 представляет собой схематическую блок-схему системы для измерения диффузного отражения.
Фиг. 2 представляет собой схематический вид света, падающего на ткань кожи.
На фиг. 3 показан увеличенный вид оптического устройства.
На фиг. 4 показан вид оптического устройства в поперечном сечении.
На фиг. 5 показан вид сверху оптического устройства.
На фиг. 1 показано, что свет, вырабатываемый белым СИД, направлен на поверхность кожи. Свет проникает в ткань кожи, распространяясь случайным образом. По прошествии множественных событий рассеяния, некоторая часть света выходит из поверхности кожи. Отраженный свет захватывается спектрометром для получения спектра отражения. Из этого спектра представляется возможность определить концентрацию целевого хромофора в подкожной ткани посредством подходящих анализов данных.
На фиг. 2 изображено освещение поверхности 1 кожи падающим светом, идущим от наружного стержня 12 из ПММА. Как изображено на упрощенном виде, кожа содержит три слоя: верхний слой или эпидермис 2, срединный слой или дермис 3, и подкожную ткань 4. Падающий свет 5 освещает поверхность кожи и проникает в подкожную ткань. Часть световой энергии может быть отражена зеркальным образом 6 и не может достигнуть направляющей для захвата света. Вместо этого, образец кожи может поглощать часть световой энергии, давая в результате поглощенную световую энергию 7. Третье явление включает в себя энергию 8, пройденную в более глубокую ткань. Наконец, часть света может быть отражена 9 диффузным образом. Как показано на фиг. 1, луч диффузно отраженной части света несколько раз меняет направление и затем эта часть 10 захватывается внутренним стержнем 13 из ПММА. Для предотвращения прохождения света от одного стержня к другому, стержни изолированы друг от друга с помощью полузеркального изолятора 14. Таким образом, анализу подвергается только диффузно отраженный свет. Также, полузеркальный изолятор увеличивает эффективность пропускания света. Наружная изоляция обеспечивается посредством держателя 11 оптического зонда, который удерживает другие компоненты оптического устройства.
Увеличенный схематический вид оптического устройства показан на фиг. 3. Два цилиндрических стержня 12, 13 из ПММА расположены вложенными друг в друга и изолированными друг от друга посредством изоляционного материала 14. Держатель 11 оптического зонда содержит пружину 16 с держателем 15 пружины, обеспечивая чувствительный к давлению механизм активации. Этот механизм обеспечивает возможность приложения подходящего давления к поверхности кожи и, следовательно, содействует выдаче правильных результатов измерения. Освещение целевой поверхности кожи достигается посредством СИД, расположенных на печатной плате 17 СИД. По прошествии достаточного освещения кожи, диффузно отраженный свет, который, как правило, отражается на различных глубинах в ткани, захватывается внутренним стержнем из ПММА и переносится на спектрометр 18. Этот спектрометр расположен на печатной плате 19.
Ссылаясь теперь на фиг. 4, показан вид оптического устройства в поперечном сечении. На фиг. 4 представлено расположение компонентов оптического устройства. Сверху вниз, печатная плата 19 со спектрометром находится в первом положении, которое зафиксировано с помощью двух винтов 20. Захваченный свет попадает в спектрометр 18 через щель 21 в нем. Захватывающий стержень 13 из ПММА непосредственно соединен с этой щелью. Ниже спектрометра находится печатная плата 17 со СИД, которая зафиксирована с помощью двух винтов 24. На этой плате находятся два белых СИД 23 с широкими плоскими спектрами (например, с длинами волны от 350 нм до 750 нм). Эти СИД расположены смежно с верхней поверхностью стержня 12 из ПММА источника. Свет проходит через эту направляющую и достигает поверхности кожи.
На фиг. 5 показан вид сверху оптического устройства. На нем представлена подвижная часть внутри измерительного устройства. Когда это устройство приложено к поверхности кожи с достаточным давлением, она двигается внутри устройства и подносится к переключателю посредством переключающей точкой 22 контакта. Этот контакт активирует систему и инициирует измерение.
ССЫЛКИ
1. Zonios, G., & Dimou, А. (2006). Modeling diffuse reflectance from semi-infiniteturbidmedia: applicaiton to the study of skin optical properties. Optix Express, 14 (9).
2. Nichols, M.G., Hull, E.L., & Foster, Т.H. (1997). Design and testing of a white-light, steady-state diffuse reflectance spectrometer for determination of optical properties of highly scattering system. Appl. Optics, 36 (1), 93-104.
3. Bosschaart, N., Mentink, R., Kok, J.H., van Leeuwen, T.G., & Aalders, M.C. (2011, September). Optical properties of neonatal skin measured in vivo as a function of age and skin pigmentation, „ Sep. 2011. Journal of Biomedical Optics.
4. Bhadri, P.R. (2007). Spectrometric Quantificaiton of Bilirubin in Hemorrhagic Spinal Fluid using an Innovative Algorith,. Medical Chemistry, 3, 21-27.
5. Saidi, I.S. (1992). Transcutaneous Optical measurements of hyperbilirubinemia in neonates. Rice University