ДАТЧИК ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО МИКРОСКАНИРОВАНИЯ МЯГКИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
SENSOR FOR ACOUSTIC MICROSCANNING OF SOFT BIOLOGICAL TISSUES

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для оценки механических характеристик мягких биологических тканей.
Неинвазивные методы исследования механических свойств биологических тканей имеют большое значение для решения ряда практических задач, например, для оценки свойств труднодоступных тканей глаза, мелкомасштабных патологий кожи и др. Во многих случаях необходимо исследование ткани на малой поверхности, например, вокруг области введения препарата, на патологических образованиях малой площади, при необходимости малой площади контакта в обследовании неплоских поверхностей (роговица и склера глаза).
При дальнейшем описании сущности изобретения использованы следующие термины:
1) мягкая биологическая ткань - (далее - ткань) наружная поверхность кожи и/или органов человека или другого млекопитающего,
2) акустическое микросканирование - распространение и получение механических колебаний в/от мягких биологических тканей,
3) датчик - устройство измерения, размещаемое на ткани для передачи на нее и/или получения и/или преобразования информации о ее свойствах,
4) металлическая контактная пластина - единая протяженная деталь, имеющая форму прямоугольника большей ширины, плавно переходящего в прямоугольник меньшей ширины,
5) зонд - металлическая контактная пластина и расположенные на ней один или два пьезокерамических элемента для преобразования механической или электрической энергии,
6) щуп - концевая часть металлической контактной пластины меньшей ширины для контакта с исследуемой тканью,
7) однощуповой зонд - зонд с одним щупом,
8) пьезокерамический элемент-излучатель - устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую,
9) пьезокерамический элемент-приемник - устройство преобразующее механическую энергию в электрическую,
10) генератор синусоидальных колебаний - (далее - генератор) устройство для воздействия на пьезокерамический элемент-излучатель.
Известны датчики, позволяющие измерить сопротивление тканей (Шорохов В.В., Воронков В.Н., Клишко А.Н., Пашовкин Т.Н. Распространение поверхностных сдвиговых возмущений продольной поляризации в моделях мягких биологических тканей. Механика композиционных материалов. 1992. С. 669; Sarvazyan A.P. et. al., Method and device for acoustic testing of elasticity of biological tissues, United States patent, N4, 947851, 14.08.1990, Обрубов С.А, Воронков B.H., Сидоренко Е.И., Федорова В Н., Молотков А.П. Метод прижизненной оценки биомеханических свойств тканей глаза (экспериментальное исследование). Вестник офтальмологии. 1995, №4. С. 27-30). Все известные датчики реализованы в виде акустических анализаторов с двухпластинчатым зондом.
2
При этом рабочая площадь соприкосновения контакта составляет в среднем около 30 мм, что затрудняет или делает невозможным проведение измерений в труднодоступных, искривленных или ограниченных по площади областях, не гарантирует требуемую точность измерений. Так, например, установка известных датчиков, обладающих большой площадью общего контакта, на роговицу, склеру нарушает условия возникновения истинно поверхностной волны вследствие анатомического искривления поверхности этих тканей, что снижает точность измерения.
Известен однощуповой датчик (Казаков В.В., Видов С.А., Санин А.Г. Разработка измерителя механического импеданса тонкого слоя биологической ткани // Сборник трудов VI Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине», 2-6 июня 2014. С. 93-95 - прототип). Однако импедансный метод предполагает контроль электрического импеданса пьезоэлектрического элемента, являющегося генератором механического возбуждения, что влечет за собой следующие проблемы:
1) маленький динамический диапазон изменения импеданса при тарировке каждого зонда с переводом в механические характеристики имеет низкую точность (метод косвенного измерения требует тарировки по всей шкале измерений);
2) контролируются характеристики задающего генератора, а не исполнительного механизма;
3) практически исключается возможность использования резонансных характеристик биморфных пластин и требует на каждой рабочей частоте своего конструктивного исполнения.
Известный датчик не позволяет измерить скорость распространения поверхностной волны и предназначен для измерения свойств тонкого участка биологической ткани, расположенного на «жестком» основании. Такой способ не совсем пригоден применительно к коже, т.к. она чаще всего расположена над «мягким» основанием. Кроме того, конструкция датчика требует ручного прижатия контактирующей с тканью части прибора, что не обеспечивает одинаковых условий создания колебаний в ткани.
Таким образом, основными недостатками известных датчиков являются трудности при микросканировании (исследовании малых участков ткани) и влияние условий измерения на точность измерения.
Задачей, решаемой в разработанной конструкции датчика, является устранение недостатков известных аналогов.
Достигаемым техническим результатом является высокая точность измерения механических характеристик биотканей при микросканировании, что обеспечивается разработанной конструкцией с однопластинчатым зондом для акустического микросканирования мягких биологических тканей.
Достижение данного результата обусловлено нижеследующим:
1) в известном устройстве с однопластинчатым зондом оценивается скорость распространения акустической волны в ткани и комплексное сопротивление ткани за счет использования зонда, возбуждаемого генератором с изменяющимся импедансом и датчика отраженной волны. В разработанном датчике зонд один, а волновое сопротивление ткани оценивается по коэффициенту отраженной волны, что реализовано за счет контроля механических свойств стальной пластины, выполненного с помощью дополнительного пьезокерамического элемента, расположенного на металлической контактной пластине зонда вместе с пьезокерамическим элементом, возбуждающим механические колебания;
2) предложенное конструктивное решение позволяет изготавливать зонды с повышенной чувствительностью и расширенным диапазоном по мощности;
3) однопластинчатый зонд менее чувствителен к геометрии исследуемых материалов и не имеет краевого эффекта отражения, как в двухпластинчатом зонде;
4) однопластинчатый зонд позволяет проводить измерения с большей точностью по сравнению с измерениями двухпластинчатым зондом;
5) однопластинчатый зонд обеспечивает более однородное микросканирование, чем двухпластинчатый зонд;
6) измерение скорости во взаимно перпендикулярных направлениях позволяет количественно оценивать механическую анизотропию ткани.
2
Кроме того, преимуществом разработанного датчика является то, что при его использовании в контролируемой области исследуемой ткани, однопластинчатым зондом возбуждаются гармонические механические колебания сдвигового характера стабилизированной амплитуды с определенной малой площадью воздействия (площадь соприкосновения контакта от 0,2-10 мм).
Генератор датчика при отсутствии воздействия зонда на ткань (условие возбуждения в ограниченном пространстве, за пределами которого отсутствует упругая среда) настраивается по частоте так, чтобы возникла стоячая волна, оценка которой, по амплитуде и фазе, обеспечивается пьезокерамическим элементом-приемником. Пьезокерамический элемент-приемник конструктивно выполнен так же, как пьезокерамический элемент-излучатель, и конструктивно закреплен симметрично ему относительно продольной оси симметрии металлической контактной пластины. В момент точной настройки стоячей волны, на нем полностью отсутствует сигнал возбуждения, т.к. он будет находиться в узле стоячей волны.
При воздействии однопластинчатого зонда на ткань (при микросканировании), возникает отраженная волна, коэффициент отражения которой полностью зависит от соотношения волновых сопротивлений (Z) однопластинчатого зонда и исследуемой ткани.
Волновое сопротивление твердой среды записывается как:
где Z - волновое сопротивление;
ρ - плотность среды; V - скорость распространения волн.
Отметим следующее:
- коэффициент отражения и коэффициент прохождения волн не зависит от формы волны;
- формула (1) справедлива для размеров ткани большей длины волны или имеющей большое затухание среды, как условие отсутствия отражений от границ среды;
- коэффициенты отражения и прохождения зависят не от самих волновых сопротивлений, а от их отношения;
- в пределах условно постоянной амплитуды возникшей бегущей волны, относительное волновое сопротивление пропорционально фазе бегущей волны по отношению к фазе генератора возбуждения
где £ = относительное волновое сопротивление;
K - коэффициент пропорциональности, который зависит от площади воздействия зонда на ткань и силы воздействия;
б.в
φ - фаза бегущей волны.
Можно записать:
Таким образом:
апп
Необходимо ввести аппаратную ошибку сдвига фаз при измерении - φ, тогда выражение (4) примет вид:
При условии незначительного изменения плотности можно оценивать скорость распространения волн:
ткани
зонда
б.в.
апп
ткани
V=K/К(φ-φ)·f
Используемый в разработанном нами датчике способ измерения отличается тем, что:
- оценка характеристик эластичных тканей в медицинском применении проводится по комплексному акустическому сопротивлению (волновому сопротивлению);
- способ обеспечивает его техническую реализацию с помощью однопластинчатого зонда с одним щупом, что исключает влияние эффекта отражения волны от соседнего щупа при классическом контроле тканей по скорости распространения волн между двумя щупами.
На фиг. 1-3 представлены конструкция датчика и примеры результатов сканирования кожи лица человека.
На фиг. 1 обозначены:
1) металлическая контактная пластина,
2) щуп металлической контактной пластины,
3) торец щупа металлической контактной пластины,
4) пьезокерамический элемент-излучатель для механического возбуждения металлической контактной пластины,
5) гибкие проводники от пьезокерамического элемента-излучателя,
6) пьезокерамический элемент-приемник для приема сигналов возбуждения металлической контактной пластины,
7) гибкие проводники от пьезокерамического элемента-приемника,
8) печатная плата,
9) электрические печатные проводники,
10) генератор,
11) электрические гибкие проводники к внешним электрическим цепям,
12) ось симметрии металлической контактной пластины.
2
Разработанный датчик для акустического микросканирования мягких биологических тканей включает расположенные в корпусе генератор синусоидальных колебаний (генератор использован с изменяющимся импедансом) и зонд, представляющий собой металлическую контактную пластину с щупом, выполненным выступающим из корпуса для контакта с исследуемой тканью, при этом на поверхности пластины, симметрично относительно ее продольной оси, закреплены два пьезокерамических элемента, один из которых - пьезокерамический излучатель - соединен с генератором для обеспечения возбуждения механических колебаний пластины зонда, а второй - пьезокерамический приемник - выполнен с возможностью подключения к приемнику сигнала возбуждения с пластины. Металлическая контактная пластина с щупом выполнена в виде единой протяженной детали, имеющей форму прямоугольника большей ширины, плавно переходящего в прямоугольник меньшей ширины. Зонд выступает из корпуса на расстояние от 1 мм и более, предпочтительно на 3 мм. Зонд с пьезокерамическими элементами выполнен с возможностью создания и измерения скорости распространения механических колебаний акустической волны во взаимно перпендикулярных направлениях. Металлическая контактная пластина выполнена с возможностью возбуждения гармонических механических колебаний сдвигового характера, при которых микроколебания металлической контактной пластины, вызывающие механические деформации исследуемой ткани, лежат с ней в одной плоскости. Кроме того, металлическая контактная пластина выполнена с возможностью возбуждения гармонических механических колебаний стабилизированной амплитуды. Площадь контактной поверхности щупа находится в диапазоне от 0,2-10 мм.
Генератор выполнен с возможностью настройки частоты для возникновения стоячей волны в металлической контактной пластине при отсутствии воздействия зонда на исследуемую ткань.
Металлическая контактная пластина выполнена из легированной упругой стали.
Металлическая контактная пластина выполнена толщиной, которая требуется для исследования конкретной группы образцов (по результатам лабораторных экспериментальных данных).
Пластина с щупом выполнена в виде единой протяженной детали, имеющей форму прямоугольника большей ширины, плавно переходящего в прямоугольник меньшей ширины.
Торцевая часть щупа металлической контактной пластины в поперечном сечении имеет форму квадрата. В торцевой части щупа металлической контактной пластины выполнены скосы (фаски) для придания поверхности касания щупа квадратной или круглой формы.
Детализированное описание разработанного датчика представлено ниже.
Датчик (фиг. 1) выполнен в виде зонда - металлической контактной пластины 1 из легированной упругой стали определенной формы в виде единой протяженной детали, имеющей форму прямоугольника большей ширины, плавно переходящего в прямоугольник меньшей ширины. Концевая часть пластины меньшей ширины выполняет функции щупа 2 и в поперечном сечении имеет форму квадрата, причем на торцевой части 3 щупа 2 выполнены скосы (фаски) для придания поверхности касания щупа квадратной или круглой формы. На части металлической контактной пластины с большей шириной закреплены симметрично относительно продольной оси 12 металлической контактной пластины два пьезокерамических элемента 4, 5, один из которых выполняет функцию излучателя 4, а другой - функцию приемника 6 механических колебаний металлической контактной пластины 1.
Датчик закреплен на печатной плате 8 с генератором 10 и помещен в корпус (не показан), из которого с одной стороны выступает щуп 2 датчика, а с другой - кабель с электрическими гибкими проводниками 11 к внешним электрическим цепям.
Пьезокерамический элемент-излучатель 4 соединен с генератором 10 электрически с помощью гибких проводников 5 и электрических печатных проводников 9.
Пьезокерамический элемент-приемник 6 соединен с электрическими гибкими проводниками к внешним электрическим цепям 11 при помощи гибких проводников 7 и электрических печатных проводников 9.
Оценка волнового сопротивления исследуемой среды проводится по изменению сдвига фазы механического зонда по отношению к фазе генератора возбуждения при воздействии щупа зонда на исследуемую ткань.
Ниже приведены примеры результатов сканирования кожи лица с мелкой угревой сыпью до и после применения обезжиривающего крема.
На фиг. 2, 3 показаны результаты сканирования кожи лба в пяти точках: до применения крема, после первого применения через 30 мин (1), после двухнедельного применения (2).
На фиг. 2. изображен положительный эффект от применения крема: во всех точках сканирования значения скорости возросли по сравнению с исходными значениями.
На фиг. 3 изображено отсутствие удовлетворительного эффекта от применения крема: во всех точках сканирования значения сканирования скорости почти не изменились по сравнению с исходными.
На фиг. 2, 3 приведены примеры результатов сканирования кожи с мелкой угревой сыпью до и после применения обезжиривающего крема. Измерения скорости проводились во взаимно перпендикулярных направлениях: вдоль естественной вертикальной оси тела (ось Y) и перпендикулярно ей (ось X). При угревой сыпи на коже (особенно на лбу) имеются «очажки» воспаления. Прибором с однопластинчатым зондом с малой площадью касания легко провести однородное сканирование в микроучастках кожи между «очажками» воспаления. Прибором с двухпластинчатым зондом, у которого большая площадь касания, это сделать трудно, либо невозможно: в область касания обязательно попадет «очажок» воспаления; кроме того, в этом случае трудно установить строго перпендикулярно датчик, а это непременное условия для правильной работы прибора.
Из приведенных зависимостей видно, что после первого применения (1) через 30 мин значения скорости изменяются не существенно и не однозначно.
На фиг. 2 показан удовлетворительный эффект от двухнедельного применения крема на кожу лба: во всех точках микросканирования по обоим направлениям значения скорости достоверно существенно возросли. Эффект подтвержден клинически (визуально и пальпаторно) и инструментально по упругости кожи, измеренной с помощью системы объективной оценки функциональных и морфологических параметров кожи SOFT PLUS TOP.
На фиг. 3 показано отсутствие удовлетворительного эффекта от двухнедельного применения крема на кожу лба: во всех точках микросканирования по обоим направлениям значения скорости почти не изменились. Отсутствие эффекта подтверждено клинически и инструментально.