УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОЖИ И СЛИЗИСТЫХ ОБОЛОЧЕК IN VIVO

Изобретение относится к области медицины и медицинского приборостроения, а именно, к лазерной медицинской диагностической аппаратуре, реализующей комплексные методы неинвазивной (in vivo, in situ) неразрушающей прижизненной диагностики, контроля и/или мониторинга функционального и/или патофизиологического состояния тканей человека на основе методов лазерного спектрального анализа, спектрофотометрии рассеяния и поглощения, лазерной доплеровской флоуметрии.
Для оценки жизнедеятельности биоткани необходима информация об основных процессах кровообращения, метаболизма и работе лимфосистемы.
Разработка средств неинвазивной диагностики лимфотока является одним из актуальных научно-практических направлений, так как позволит создать инструмент контроля для клинической практики в обход рентгенографических и радионуклидных способов визуализации. Неинвазивный контроль лимфотока прямым способом - это ранняя диагностика широкого спектра заболеваний, особенно сопровождающихся вторичным иммунодефицитом, мониторинг эффективности тактики лечения заболеваний.
Известны общие физические и медико-биологические принципы для осуществления такой диагностики, а также различные устройства для их реализации.
Известен метод измерения скорости лимфотока (И.В.Федосов и др. «Регистрация динамики лимфотока в микрососудах с использованием корреляционных свойств рассеянного когерентного излучения», «Квантовая электроника», 32, №11 (2002), с. 970-974). Недостатком указанного метода значительные трудности в практической реализации при диагностики состояния биоткани in vivo, так как применяется источник лазерного излучения на длине волны 633 нм, на которой нельзя селектировать отражение от эритроцитов в кровеносном русле и от лимфоцитов в лимфосистеме.
Известен диагностический комплекс для измерения медико-биологических параметров кожи и слизистых оболочек in vivo, содержащий блок источников первичного оптического излучения с разными длинами волн излучения, систему транспортировки первичного и вторичного излучения к биологической ткани и обратно, оптико-электронную систему регистрации вторичного оптического излучения, имеющую фотоприемники, полихроматор с дифракционной решеткой, устройство сбора и трансляции данных в блок обработки результатов диагностики (Пат РФ №2234242, кл. А61В 5/05, 2003 г.).
Недостатком данного устройства является отсутствие конструктивных элементов, обеспечивающих определение состояния лимфосистемы, а также необходимое наличие в блоке источников излучения смесителя, в системе обработки сигналов, двух или более одинаковых оптоэлектронных блоков, все это значительно усложняет и удорожает конструкцию.
Наиболее близким к предлагаемому, является устройство для определения медико-биологических параметров кожи и слизистых оболочек in vivo, содержащее блок источников первичного оптического излучения с разными длинами волн излучения, систему транспортировки первичного и вторичного излучения к биологической ткани и обратно соответственно, выполненную в виде жгута оптических волокон с развлетвленной приборной и единой рабочей частью, оптико-электронную систему регистрации вторичного оптического излучения, имеющую фотоприемники, блок формирования доплеровского сигнала и блок обработки результатов диагностики, диагностический комплекс (Пат РФ №2337608, кл. А61В 5/00, 2007 г.)
В диагностическом комплексе реализуется одновременно три диагностических метода: спектрофотометрический метод, метод флуоресцентной диагностики и анализ доплеровского спектра. Комплекс содержит в своем составе четыре основных блока: блок источников первичного узкополосного оптического излучения, систему транспортировки оптического излучения от блока источников к исследуемой биологической ткани и обратно, оптико-электронную систему регистрации вторичного оптического излучения с блоком формирования доплеровского сигнала и блок обработки результатов диагностики сигналов. При этом в блок обработки сигналов включен спектрометр и персональный компьютер с программным обеспечением диагностических результатов.
Блок источников первичного излучения состоит из 5 лазерных источников излучения, каждый из которых работает в своем отдельном узком спектральном диапазоне длин волн: 350 нм, 405 нм, 532 нм, 632 нм и 805 нм. Выходы источников излучения соединены через оптические разъемы типа FC или SMA с соответствующим волокном системы транспортировки оптического излучения к исследуемой биологической ткани.
Система транспортировки излучения к исследуемой биологической ткани выполнена в виде жгута оптических волокон. Также в этом жгуте содержатся волокна, обеспечивающие транспортировку к оптико-электронной системе вторичного излучения, рассеянного биологической тканью. Оптико - волоконный жгут имеет развлетвленную приборную и единую рабочую части.
Оптико-электронная система регистрации вторичного оптического излучения с блоком формирования доплеровского сигнала содержит три фотоприемника, два из которых принимают вторичное излучения при работе одночастотного лазера на длине волны 805 нм, и третий приемник, принимающий отраженное излучение последовательно работающих источников излучения 405 нм, 532 нм и 632 нм. В оптико-электронную систему регистрации встроен преобразователь допплеровского сигнала, к которому подключены указанные первые два фотоприемника.
В блок обработки сигналов поступают вторичное излучение при работающем источнике на 350 нм по соответствующему волокну системы транспортировки на вход спектрометра, а также сигналы с доплеровского преобразователя и третьего фотоприемника. В блоке обработке установлено устройство - USB концентратор, обеспечивающее передачу поступающей информации в компьютер с программным обеспечением вычисления диагностической информации.
Недостатком данного диагностического комплекса является его ограниченные возможности в определении медико - биологических параметров, обусловленные отсутствием конструктивных элементов, обеспечивающих оценку состояния лимфосистемы, одной из наиболее важной физиологической структурной составляющей биоткани, выполняющей дренажную функцию. С помощью известного комплекса возможно исследовать состояние микроциркуляции крови и метаболизма в тканях, но нельзя диагностировать лимфоток, так как доплеровский канал имеет недостаточную чувствительность. Это обусловлено требованием низкой мощности лазерного излучения, чтобы не вызывать активацию исходного физиологического состояния биоткани (так называемая «лазеротерапия»), с одной стороны, а с другой стороны низким коэффициентом отражения лимфоцитов и частичным нарушением фазовых соотношений в оптических волокнах при транспортировке вторичного излучения к фотоприемникам.
В соответствии с этим авторами поставлена задача, направленная на расширение функциональных возможностей комплекса за счет создания конструкции, обеспечивающей в течение одного диагностического исследования определить in vivo состояние как кровеносной, так и лимфо систем, а также метаболизма, что существенно повышает достоверность диагностики.
Эта задача решается следующим образом. В устройстве для определения медико-биологических параметров кожи и слизистых оболочек in vivo, содержащем блок источников первичного оптического излучения с разными длинами волн излучения, систему транспортировки первичного и вторичного излучения к биологической ткани и обратно соответственно, выполненную в виде жгута оптических волокон с развлетвленной приборной и единой рабочей частью, оптико-электронную систему регистрации вторичного оптического излучения, имеющую фотоприемники, блок формирования доплеровского сигнала и блок обработки результатов диагностики, предложено блок источников первичного оптического излучения снабдить светоделительной призмой, коллиматором и фокусирующей линзой, систему транспортировки первичного и вторичного излучения к биологической ткани и обратно - дополнительным оптическим волокном с дифракционной решеткой на его рабочем конце и фокусирующей системой, а систему регистрации вторичного оптического излучения снабдить дополнительными фокусирующей линзой фотоприемником и блоком формирования доплеровского сигнала, при этом одну из граней светоделительной призмы через коллиматор оптически соединить с источником излучения на длине волны 418-420 нм, а противоположную ей - с дополнительным оптическим волокном с дифракционной решеткой и оптически сопряженной с ней фокусирующей системой. При этом вход дополнительного фото приемника оптически соединить с гранью призмы, через которую выходит вторичное отраженное излучение из дополнительного волокна, а его выход подключить к дополнительному блоку формирования доплеровского сигнала, связанного с блоком обработки результатов диагностики.
На Фиг.1 показана схема устройства для определения медико биологических параметров кожи и слизистых оболочек in vivo.
На Фиг.2 - схема размещения волоки, в рабочей части системы транспортировки излучения.
Устройство состоит из блока источников первичного (зондирующего) оптического излучения 1, системы транспортировки 2 первичного и вторичного оптического излучения к биологической ткани 3 и обратно, оптико-электронной системы регистрации вторичного оптического излучения 4 и блока обработки результатов диагностики 5.
В блок источников первичного оптического излучения 1 входят лазерные источники излучения (или в комбинации со светодиодными источниками) 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 на длины волн излучения 350, 532, 635 и 805 нм, соответственно. Для регистрации лимфотока в блоке 1 дополнительно используют источник излучения 6.5 на длину волны из диапазона 418-420 нм. Выбор источника в этом спектральном диапазоне обусловлен тем обстоятельством, которое обеспечивает получение отраженного обратного сигнала от лимфы, а не от форменных элементов крови. По результатам наших экспериментальных исследований поглощение от лимфы при зондировании излучением на длине волны 418-420 нм меньше в 100 раз поглощения от крови. То есть выбор источника излучения из указанного спектрального диапазона позволяет получить соотношение полезного сигнала относительно шума в 100 раз при регистрации динамического сигнала. Через оптические разъемы, например, SMA или FC типов, источники излучения подключены к соответствующим оптическим волокнам транспортной системы 2, доставляющими излучение указанных источников к исследуемой биоткани 3.
Система транспортировки 2 первичного и вторичного оптического излучения к биологической ткани и обратно выполнена в виде жгута из 10 отдельных волокон с разветвленной приборной частью и единой рабочей частью, обращенной к исследуемой биоткани 3. В конце рабочей части оптические волокна своими торцами закреплены в едином жгуте в одной плоскости (фиг 2). Девять волокон 2.1-2.9 размещены на равном расстоянии друг от друг по окружности в определенном порядке, а именно торцы волокон, сопряженные с приемниками 11.2 и 11.3 должны распологаться на равном расстоянии от торца волокна 2.5, оптически сопряженного с источником 6.4. Аналогично торцы волокон 2.5 и 2.7 сопряженые с источниками 6.2 и 6.3, должны находиться на одинаковом расстоянии от торца волокна 2.6, сопряженного с приемником 11.1. Все волокна расположены вокруг одного дополнительного волокна 2.10, размещенного по центру вместе с фокусирующей системой 10.
Волокна 2,3, 2,5, 2,7 2,8, 2,9 реализуют доставку первичного излучения к биологической ткани. Волокна 2,2, 2,4, 2,6 предназначены для транспортировки вторичного оптического излучения к системе регистрации вторичного излучения 4. Волокно 2,1-транспортирует излучение возбужденной флуоресценции в ткани.
Источник излучения 6.5 дополнительно через коллиматор 7 подключен к светоделительной призме 8. Прямое излучение, проходя через светоделительную призму 8, фокусируется линзой 9 на торец дополнительного оптического волокна 2.10 жгута 2. На другом торце оптического волокна 2.10 нанесена дифракционная решетка, расположенная перед фокусирующей системой 10.
Оптико - электронная система регистрации вторичного оптического излучения 4 содержит фотоприемники 11.1-11.3, дополнительный фотоприемник 11.4, фокусирующую линзу 12, оптически связанную с гранью призмы 8, отражающей вторичное излучение, блок формирования доплеровского сигнала 13 и дополнительный блок формирования доплеровского сигнала 14.
Дополнительный блок формирования доплеровского сигнала 14 представляет собой процессор счетно-импульсного типа, принцип действия которого основан на выделении переходов доплеровского сигнала через нулевые значения. Он состоит из набора параллельных (или последовательных) фильтров для снижения уровня низкочастотных и высокочастотных помех, преобразователя «частота-код», системы идентификации сигнала, которая позволяет практически исключить погрешности, связанные с регистрацией шумовых импульсов и сигналов с малым отношением сигнал/шум. Выход блока 14 подсоединен к блоку обработки результатов диагностики 5.
Устройство работает следующим образом.
При включении источников излучения 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5 на торцах волокон 2,3, 2,5, 2,7 2,8, 2,9 формируется излучение на длинах волн (нм) 805, 523, 635, 405, 350, соответственно. По волокнам 2.2, 2.4, 2,6 транспортируется вторичное оптическое излучение к системе регистрации 4, поэтому они разведены в приборе на входы соответствующих фотоприемников 11.1, 11.2, 11.3.
Сигналы с фотоприемников 11.2, 11.3 обрабатываются в блоке преобразования доплеровского сигнала 13. В световодном жгуте также содержится волокно 2.1, которое транспортирует излучение возбужденной флуоресценции в ткани, соответствующий торец которого подключен к спектрометру блока обработки 5. В блоке 5 осуществляется обработка поступающих сигналов в соответствии с алгоритмами прототипа, дополненными результатами доплеровской оценки лимфотока.
Лазерное излучение источника 6.5 через светоделительную призму 8 по волокну 2.10 через нанесенную на торец дифракционную решетку поступает на вход фокусирующей системы 10.
При прохождении лазерного излучения через дифракционную решетку в результате дифракции и интерференции в дальней зоне решетки формируется семейство порядков дифракции, которые фокусируются оптической системой 10 в ткань на глубину анатомического положения лимфососудов. Для повышения точности используются два первых порядка дифракции, образующих систему интерференционных полос.
Обратное излучение, рассеянное движущимися микрорассеивателями лимфотока (лимфоцитами и продуктами жизнедеятельности клеток), при прохождении решетки и далее по волокну 2.10 передается через линзу 9, и через отражающую поверхность призмы 8 обратное излучение направляется через фокусирующую линзу 12 на дополнительный фотоприемник 11.4.
Выходной сигнал фотоприемника 11.4 преобразуется дополнительным блоком формирования доплеровского сигнала 14 в унифицированный частотный сигнал, частота которого определяется по формуле:
fq=v/d
где:
q - частота доплеровского сигнала,
v - скорость микрорассеивателей,
d - шаг интерференционной картины.
Преимуществом предлагаемой системы для регистрации лимфотока на базе дифракционной решетки является независимость шага интерференционной картины «d», а, следовательно, доплеровской частоты от случайных изменений длины волны источника излучения, возможность использования многомодовых лазеров и многомодовых оптических волокон, а также значительно меньшая чувствительность элементов оптических систем к разъюстировке по сравнению с традиционными доплеровскими системами, использующих призменные делители лазерного пучка.