Устройство дифференциальной диагностики глубины термических поражений кожного покрова человека с активным инфракрасным зондированием
DEVICE FOR DIFFERENTIAL DIAGNOSIS OF THE DEPTH OF THERMAL LESIONS OF THE HUMAN SKIN WITH ACTIVE INFRARED SENSING

Заявляемое изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в устройствах дифференциальной диагностики термических поражений кожного покрова человека, таких как ожоги, обморожения.
Известно «Устройство для прямой инфракрасной радиометрии» (E.Seeberger, J.Gates "New technologies for staring infrared FPA radiometry" in Infrared Technology and Applications XXIII, Bjorn F. Andresen, Marija Strojnik, Editors, Proc. SPIE 3061, p.811-822 (1997)), представляющее собой тепловизионную камеру, состоящую из линейки N ИК фотоприемников, криостата с системой охлаждения линейки N ИК фотоприемников, оптической системы, выход линейки N ИК фотоприемников соединен со входом аналогового мультиплексора, выход которого соединен с последовательно соединенными аналого-цифровым преобразователем и блоком формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала, выход которого соединен с монитором, на котором визуализируется ИК изображение живых и неживых объектов.
Устройство работает следующим образом. Линейка N ИК фотоприемников направляется на объект исследования, она охлаждается посредством криостата, для того чтобы увеличить чувствительность линейки в ИК диапазоне длин волн. Выходной сигнал с линейки N ИК фотоприемников считывается через аналоговый мультиплексор и преобразуется в цифровой вид посредством аналого-цифрового преобразователя. Полученный цифровой сигнал поступает на блок формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала, на котором формируется растровое изображение объекта в ИК диапазоне длин волн, которое отображается на мониторе.
o
Недостатком данного устройства, является отсутствие возможности дифференциальной диагностики глубины термических поражений кожного покрова человека, т.к. при тепловизионном мониторинге пораженного участка кожи, имеющих неоднородно распределенную температуру 20-43 C, устройство дает невысокий контраст изображения, ограничивающий его применение в области медицинской диагностики.
Известен «Матричный тепловизор» (Патент РФ №2152138, МПК H04N5/33, опубл. 27.06.2000 г.), содержащий фоточувствительный узел из ИК матрицы фотоприемников и блока усилителей, объектив, криостат, аналоговый мультиплексор, систему охлаждения, блок усилителей, блок формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала, аналого-цифровой преобразователь, источник питания и монитор, соединенный с цифровым узлом через интерфейс передачи данных, систему калибровки, встроенную в фоточувствительный узел, принтер, клавиатуру, манипулятор "мышь", соединенную с блоком формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала. Размерность ИК матрицы фотоприемников - 128 х 128 элементов.
Матричный тепловизор работает следующим образом. Фотоприемная ИК матрица направляется на исследуемый участок кожи человека. Выходной сигнал с фотоприемной ИК матрицы считывается через аналоговый мультиплексор и преобразуется в цифровой вид посредством аналого-цифрового преобразователя. Полученный цифровой сигнал поступает на блок формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала, на котором формируется растровое изображение объекта в ИК диапазоне длин волн, и через интерфейс передачи данных поступает на принтер, на котором пользователь (врач) получает изображение объекта исследования.
Недостатком данного устройства, является невозможность определения дифференциального распределения термического поражения по диагносцируемому участку кожи, обусловленная тем, что матричный тепловизор по принципу организации своей работы не может диагносцировать распределение по глубине термически пораженного участка кожного покрова человека (пациента), т.к. регистрирует только поверхностное отражение от кожного покрова в ИК диапазоне длин волн и не показывает дифференциальные количественные параметры глубины поражения эпидермиса и дермы. Также невозможность визуализировать геометрическое распределение клинической картины глубины термического поражения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Тепловизионной прибор третьего поколения» (Тепловизионная биомедицинская диагностика: учеб. пособие для студ. фак. нано– и биомед. технологий. – Саратов. 2009, 20 с).
Устройство содержит ИК объектив, установленный на расстояние 3-10 см, в заднем фокусе объектива установлены последовательно соединенные линейку из N ИК фотоприемников, блок из N усилителей, входы которых соединены с соответствующими выходами линейки N ИК фотоприемников и аналоговый мультиплексор, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, блок формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала, интерфейс передачи данных, монитор, а так же тактовый генератор, выход которого синхронизирует работу всех блоков.
Недостатками известного устройства-прототипа являются:
- отсутствие фиксации и визуализации относительной глубины термического поражения кожного покрова с дифференциацией по линии ИК зондирования;
- термически пораженный участок кожи и ее прилегающие здоровые участки тепловизионным прибором визуализирует только по разнице температур на роговом слое эпидермиса и не показывает количественные параметры глубины поражения других слоев эпидермиса (блестящего, зернистого, шиповатого и базального) вплоть до дермы.
Задачей, на которую направлено изобретение, является создание устройства позволяющего проводить диагностику глубины термического поражения, по отношению к здоровому участку кожного покрова человека с дифференциацией по линии ИК зондирования.
Техническим результатом является фиксация и визуализация относительной глубины термического поражения посредством проведения дифференциальной диагностики глубины термического поражения кожи человека.
Технический результат достигается тем, что устройство дифференциальной диагностики термических поражений кожного покрова человека с активным ИК зондированием, содержащее последовательно соединенные линейку из N ИК фотоприемников, блок из N усилителей и аналоговый мультиплексор, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, блок формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала, интерфейс передачи данных и монитор, а также тактовый генератор, дополнительно содержит ИК лазерный диод, конструктивно закрепленный на оптической оси с оптическим блоком, который состоит из последовательно расположенных на оптической оси конденсатора и коллиматора, причем оптическая ось расположена под углом падения 45º к исследуемому кожному покрову человека, а линейка из N ИК фотоприемников установлена под углом отражения 45º от исследуемого кожного покрова, антиалиасинговый фильтр, вход которого соединен с выходом аналогового мультиплексора, а выход - с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, последовательно соединенные управитель режима и одновибратор, выход которого соединен с входом тактового генератора, линию задержки на дискретных элементах, вход которой соединен с выходом тактового генератора, а выход - с тактовыми входами аналого-цифрового преобразователя и блока формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала, счетчик импульсов, вход которого соединен с выходом тактового генератора, а выход с управляющим входом аналогового мультиплексора.
Технический результат достигается за счет новых существенных отличий, заключающихся во введении в устройство блоков, осуществляющих диагностику с применением активного ИК зондирования. Блоки расположены на одной оптической оси под углом 45º к кожному покрову пациента ИК. Это лазерный диод, оптический блок , в который входят последовательно расположенные конденсор, коллиматор, а также линейка N ИК фотоприемников установлена под углом отражения 45º от исследуемого кожного покрова, антиалиасинговый фильтр, счетчик импульсов, одновибратор и управитель режима, что позволяет на экране монитора получить картину глубины термического поражения кожи.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена структурная схема заявляемого изобретения и введены следующие обозначения:
1 – ИК лазерный диод,
2 – оптический блок
2.1 - конденсор,
2.2 - коллиматор,
3 - линейка N ИК фотоприемников,
4 - блок из N усилителей,
5 - аналоговый мультиплексор,
6 - антиалиасинговый фильтр,
7 - аналого-цифровой преобразователь,
8 - блок формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала,
9 - тактовый генератор,
10 - интерфейс передачи данных,
11 - линия задержки на дискретных элементах,
12 - одновибратор,
13 - монитор,
14 - счетчик импульсов,
15 - управитель режима.
Устройство дифференциальной диагностики термических поражений кожного покрова человека с активным ИК зондированием, содержит ИК лазерный диод 1, конструктивно закрепленный на оптической оси с оптическим блоком 2, который состоит из последовательно расположенных конденсора 2.1 и коллиматора 2.2, оптическая ось которого расположена под углом падения 45º к исследуемому кожному покрову человека, линейку N ИК фотоприемников 3 конструктивно установленную под углом отражения 45º от исследуемого кожного покрова, последовательно соединенные блок усилителей 4, аналоговый мультиплексор 5, антиалиасинговый фильтр 6, аналого-цифровой преобразователь 7, блок формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала 8, интерфейс передачи данных 10 и монитор 13, причем N входов блока усилителей 4 соединены с соответствующими N выходами линейки N ИК фотоприемников 3, а N выходов с соответствующими входами аналогового мультиплексора 5, последовательно соединенные управитель режима 15, одновибратор 12, тактовый генератор 9, счетчик импульсов 14, выход которого соединен с управляющим входом аналогово мультиплексора 5, а также линию задержки на дискретных элементах 11, вход которой соединен с выходом тактового генератора 9, а выход - с тактовыми входами аналого-цифрового преобразователя 7 и блока формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала 8.
Устройство может быть реализовано на следующих элементах.
ИК лазерный диод 1 реализуется на лазерном диоде 650нм 5мВт RLD65MPT9 [1].
Оптические линзы конденсора 2.1 и коллиматора 2.2 выполняются в дифракционном качестве; линейка N ИК фотоприемников 3 реализуется на N последовательно расположенных nGaAs PIN фотодиодных чипах 1,7 мкм [2].
Управитель режима 15 выполняется на однополюсной кнопке КМ1-1.
Одновибратор 12 можно реализовать на ИМС К155АГ1.
Счетчик импульсов 14 выполняется на ИМС К155ИЕ2.
Аналоговый мультиплексор 5 может быть выполнен на ИМС ADG406BNZ.
Линии задержки на дискретных элементах 11 может быть реализована последовательным включением, логических элементов 2И-НЕ ИМС К155ЛА3, время задержки прохождения сигнала через один логический элемент составляет 20 нс. На этом же типе ИМС реализуется тактовый генератор 9.
Блок формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала 8 реализуется на микропроцессоре ADUCM350, специально рекомендованным производителем для применения в медицинском приборостроении, в него встроены аналого-цифровой преобразователь 7 и интерфейс передачи данных 10.
Антиалайзинговый фильтр 6 реализуется как фильтр Баттерворта второго порядка на операционном усилителе [3].
.
Устройство работает следующим образом. Оператор включает управитель режима 15 и тем самым подает напряжение питания на все электронные элементы устройства. ИК лазерный диод 1 генерирует непрерывный монохроматический сигнал в инфракрасном диапазоне длин волн (от 650 нм). Оптический блок 2 посредством конденсора 2.1. концентрирует световой пучок от ИК лазерного диода 1, а затем коллиматор 2.2 формирует пучок параллельных инфракрасных монохроматических лучей, направляемых на исследуемый кожный покров человека. Отраженный сигнал фиксируется линейкой N ИК фотоприемников 3, которую предварительно устанавливают под углом отражения 45º от исследуемого кожного покрова. Этот сигнал преобразуется каждым из N ИК фотоприемников в электрический сигнал (напряжение). Сигналы с каждого из N выходов линейки N ИК фотоприемников 3 поступают на соответствующий вход блока из N усилителей 4, где усиливаются по напряжению с необходимым коэффициентом усиления (обычно коэффициент усиления равен 10) и с каждого из N выходов N усилителей 4 сигнал передается на соответствующие входы аналогового мультиплексора 5. Аналоговый мультиплексор 5 последовательно подключает эти сигналы к своему выходу.Очередность подключения входных сигналов к выходу мультиплексора 5определяется цифровым входным кодом, который поступает с выхода счетчика импульсов 14. По включению управителя режима 15 запускается одновибратор 12 на генерацию одиночного импульса. Считывание сигнала с аналогового мультиплексора 5 запускается по переднему фронту этого импульса (фиг2.а). Импульс имеет длительность Т (фиг.2б). Этот одиночный импульс запускает тактовый генератор 9 на время генерирования N импульсов длительностью τ и скважностью 2 (фиг.2в). Время переключения одного канала аналогового мультиплексора 5 равно 2 τ, таким образом параметр Т = 2 τ·N. Последовательность из N импульсов с выхода тактового генератора 9 подается на вход счетчика импульсов 14, который управляет переключением каналов аналогового мультиплексора 5. После поступления N-го импульса счетчик импульсов 14 обнуляется и ждет следующей серии импульсов. Сигнал с выхода тактового генератора 9, через линию задержки на дискретных элементах 11, поступает на тактовые входы аналого-цифрового преобразователя 7 и блок формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала 8. Эпюра сигнала на выходе линии задержки на дискретных элементах 11 (фиг.2г) Задержка  определяется временем включения канала аналогового мультиплексора 5, только через это время считывается информация, которая присутствует на вход аналого-цифрового преобразователя 7. Период импульсов 2 τ равен времени преобразования аналого-цифрового преобразователя 7 и времени записи во внутреннюю оперативную память в блок формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала 8(фиг.2в) и (фиг.2г). Таким образом полный цикл измерения устройства можно записать как  = 300нс N +tз. Выходной сигнал аналогового мультиплексора 5, представляет собой N усиленных аналоговых выходных сигналов с линейки N ИК фотоприемников 3, следующих последовательно друг за другом, которые через антиалиасинговый фильтр 6 поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 7. Антиалиасинговый фильтр 6 подавляет частоты сигнала выше половины частоты дискретизации аналого-цифрового преобразователя 7. Цифровой выходной сигнал от аналого-цифрового преобразователя 7 поступает для последующей обработки на блок формирования изображения с микропроцессорной обработкой сигнала 8, в котором происходит запись во внутреннюю оперативную память N выборок сигнала, поступивших от аналого-цифрового преобразователя 7, и затем последовательно выводит каждую выборку сигнала на вход интерфейса передачи данных 10, которые отображаются на мониторе 13 в виде двумерного графика, по которому проводят диагностику биологического объекта.
На этом процесс диагностики завершается. При необходимости, линейку N ИК фотоприемников 3 смещают на соседний пораженный участок и повторяют процесс измерения.
Сопоставление параметров, характеризующих заявляемое устройство и прототип, позволяет сделать вывод о том, что заявляемое устройство обеспечивает фиксацию и визуализацию относительной глубины термического поражения кожного покрова человека посредством проведения дифференциальной диагностики глубины термического поражения кожи человека.
Список источников, принятых во внимание
1. https://umnaya-elektronika.ru/moduli/lazery/lazernyy-diod-650nm-5mvt-1301003013 (дата обращения: 01.04.2022)
2. https://lenlasers.ru/product/ingaas-pin-fotodiodnyy-chip-1-7-mkm (дата обращения: 01.04.2022)
3. https://ru.dsplib.org/content/filter_butter_ap/filter_butter_ap.html#r0 (дата обращения: 01.04.2022)