ОПТИЧЕСКИЙ ЗОНД ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОЙ ДИАГНОСТИКИ ВИБРАЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ БАРАБАННЫХ ПЕРЕПОНОК

Полезная модель относится к диагностической аппаратуре в области оториноларингологии, в частности, к устройствам объективного контроля вибрационных свойств барабанных перепонок со стороны слухового прохода среднего уха человека с применением современных средств бесконтактного и высокочувствительного измерения субмикронных вибраций и перемещений барабанных перепонок, вызванных одновременными звуковыми воздействиями на барабанные перепонки.
Известно устройство для бесконтактного и высокочувствительного измерения микро и нановибраций биологических тканей, в частности устройство для измерения подвижности барабанной перепонки человека (Мареев Г.О. Исследование подвижности барабанной перепонки в модельном опыте. - Офтальмология и оториноларингология. Bullettin of Medical Internet Conferences (ISSN 2224-6150), 2012, Volume 2, Issue 11.). В состав устройства входят оптический стол с двумя штативами, на которых укреплены лазерный диод на квантоворазмерных гетероструктурах, излучение которого направлялось на другой штатив с образцом препарата височной кости с удаленной хрящевой частью наружного слухового прохода, отражение от поверхности барабанной перепонки которой юстировалось обратно в активную область резонатора лазерного диода. Недостатками автодинного устройства с лазерным лучом - зондом являются его открытость и незащищенность от вибраций и помех технического характера, необходимость точной взаимной юстировки луча лазера с образцом барабанной перепонки, невозможность длительной стабильности взаимной юстировки внешнего резонатора лазера с образцом барабанной перепонки, что сокращает время измерений.
2
2
Известен волоконно-оптический зонд, используемый для исследования вибрационной динамики тонких пленок модели барабанных перепонок (Беловолов М.И., Парамонов В.М., Артамонова П.С., Свистушкин М.В., Беловолов М.М., Тимашев С.Ф., Тимофеева В.А., Семенов С.Л. Волоконно-оптический зонд и установка для исследования откликов (АЧХ) на звуковое возбуждение барабанных перепонок и тонких пленок. Прикладная фотоника, 2020, Т.7, №2, 73-88.), представляющий собой одномодовый или многомодовый волоконный световод на основе кварцевого стекла SiO с внешним диаметром оболочки 125 мкм в защитном полимерном покрытии (полиамид, полиимид, тефлон и др.) с внешним диаметром около 250 мкм, и имеющий плоский торец волокна-зонда. При этом механического контакта оптического зонда с барабанной перепонкой не происходит. Недостатками известного устройства являются высокая прецизионность и длительность юстировки плоского торца одномодового волокна оптического зонда строго паралллельно поверхности исследуемой мембраны барабанной перепонки, малые размеры тестируемой поверхности перепонки около 0,1 мм, трудность длительного 5-10 минут сохранения достигнутой юстировки при практических измерениях на живых животных или человеке, опасность травмирования поверхности барабанной перепонки при вводе оптического зонда на одиночном волокне с острыми кромками торцов оптического зонда.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является упрощение процесса, сокращение времени юстировки наконечника волоконно-оптического зонда и снижение травмоопасности при исследовании относительно плоскости поверхности барабанной перепонки.
Техническим результатом полезной модели является расширение арсенала технических средств для бесконтактной диагностики вибрационной активности барабанных перепонок.
Технический результат достигается за счет того, что оптический зонд для бесконтактной диагностики вибрационной активности барабанных перепонок состоит из единого кварцевого одномодового волоконного световода, один конец которого выполнен с возможностью подключения к исследовательско - диагностической аппаратуре, а на торце противоположного конца световода установлена оптическая микролинза сферической формы диаметром от 0,2 мм до 2 мм, и торец смещен по отношению к фокусу оптической микролинзы так, чтобы образовался веер расходящихся оптических лучей зондирующего излучения.
Выполнение оптического зонда для бесконтактной диагностики вибрационной активности барабанных перепонок в виде единого кварцевого одномодового волоконного световода, на торце которого установлена оптическая микролинза сферической формы диаметром от 0,2 мм до 2 мм, а торца световода, смещенного по отношению к фокусу оптической микролинзы в сторону сферического окончания волоконного зонда, позволяет получать расходящееся веерное распределение выходящих после микролинзы (было установлено авторами при проведении практических исследований с использованием исследовательско-диагностической аппаратуры (не показана), оптических лазерных лучей в пределах углов до +/- 30 градусов, что соответствует параметру числовой апертуры NA=sinθ выходного наконечника волоконно-оптического зонда до значения - 0,5. Это дает возможность автоматически (без всякой юстировки) найтись таким лучам в выходящем веере лучей из зонда, которые будут падать на плоскую поверхность барабанной перепонки практически перпендикулярно и отражаться зеркально обратно по тому же пути в соответствии с принципом обратимости хода оптических лучей и эффективно вводиться в волоконный световод зонда для направления излучения в фотоприемник системы обработки одновременно с френелевским отражением части оптического излучения (~ 4%) от торца сферической линзы, образуя сложение двух лучей в измерительном интерферометре. Следует отметить, что при веерном распределении исходящих лазерных лучей на одном конце волоконно-оптического зонда обеспечивается автоматический возврат лучей излучения с кратчайшего расстояния от поверхности барабанной перепонки при произвольной ее ориентации по углу по отношению к оптической оси зонда и достижение минимальных оптических потерь излучения, что позволяет регистрировать с другого конца зонда, подключенного к исследовательско-диагностической аппаратуре (не показана), вибрационные сигналы от барабанной перепонки с отношением сигнал/шум по оптической мощности не менее 100 (20 дБ). Кроме того, выполнение зонда с оптической микролинзой на торце обеспечивает безопасность от случайного травмирования поверхности мембраны и позволяет располагать зонд на безопасном удалении 1-2 мм от поверхности мембраны. При этом расходимость веера лучей в пределах числовой апертуры NA=sinθ=0,5 после волоконного зонда с микролинзой выбрана с учетом средних антропологических показателей углов наклона +/- 30 градусов плоскости барабанной перепонки по отношению к оси слухового прохода уха человека, и в результате проведенных авторами исследований было установлено, что при расстоянии от торца волоконного зонда до поверхности барабанной перепонки больше 2 мм снижает точность проводимых исследований, а меньше 1 мм - приводит к риску травматичности барабанной перепонки и возможному загрязнению торца зонда при проведении соответствующих манипуляций. При этом диаметр оптической сферической микролинзы от 0,2 мм до 2 мм выбран в зависимости от применяемой технологии ее изготовления - оплавлением или микросборки, из коммерчески доступных сферических микролинз диаметром до 2 мм.
Выбор формы оптического зонда с веерным распределением выходящих и входящих лучей облегчает и ускоряет проведение измерений амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) барабанных перепонок на живых животных (требуется лишь усыпление на короткое время) и на живых людях.
Полезная модель поясняется чертежом, где
на фиг. 1 представлен торец зонда, выполненный по одной технологии (оплавлением торца) до формирования поверхностным натяжением микролинзы округлой формы требуемого диаметра - 0,2 мм;
на фиг. 2 представлен торец зонда, выполненный по другой технологии (микросборка со сферической микролинзой диаметром - 2 мм);
на фиг. 3 приведен чертеж взаимного расположения торца волоконно-оптического зонда относительно плоскости барабанной перепонки, расположенной на расстоянии L от поверхности перепонки и под углом ϕ к оси зонда;
на фиг. 4 показано фотографическое изображение изготовленного экспериментально торца волоконного зонда с веером расходящихся выходных лучей для достижения технического результата полезной модели.
2
На чертежах фиг. 1, 2, 3 использованы следующие обозначения: 1 - сферическая микролинза на конце одномодового волоконного световода, полученная оплавлением, 2 - конец волоконного световода из кварцевого стекла SiO, 3 - световедущая сердцевина одномодового волоконного световода, 4 - капилляр из кварцевого стекла с внутренним диаметром, равным диаметру сферической микролинзы D, используемой в микросборке для взаимной заклейки деталей, 5 - эпоксидный клей для фиксации взаимного расположения оптических элементов в микросборке оптического зонда, 6 - плоскость мембраны барабанной перепонки, наклоненной по отношению к оси волоконного зонда под углом ϕ, X - расстояние от торца волокна до поверхности сферической линзы, L - расстояние от торца волоконного зонда до мембраны барабанной перепонки. Веер расходящихся лучей расположен в конусе с углом θ на выходе волоконного зонда со сферическим торцом, выполненным по одному из указанных выше способу.
На фиг 1 представлено выполнение торца зонда в виде микролинзы сферической формы, которая образуется силами поверхностного натяжения расплавленного материала кварцевого стекла при помещении его в пламя электрической дуги с регулируемым током и температурой оплавления (как в штатных аппаратах для сварки оптических волокон) до формирования микролинзы округлой формы и при этом контролируется расходимость выходящего из зонда оптического излучения до значений NA в диапазоне - 0,3-0,5 при внешнем диаметре сферической части линзы - 0,2 мм.
На фиг. 2 представлено выполнение торца зонда в виде микросборки с заклейкой торца волокна и сферической микролинзы в отрезке кварцевого капилляра так, чтобы плоский торец волокна располагался ближе фокуса сферической микролинзы и контролировался угол расходимости веера исходящих лучей в пределах θ≤30°. Сферическая микролинза может быть взята промышленного изготовления с диаметром - 2 мм (см., например, Каталог Edmund Optics, шаровые линзы https://azimp.ru/edmund/ball-and-condenser-lenses/n-bk7-ball-lenses/), которую трудно получить оплавлением волокна, как в предыдущем случае.
Оптический зонд для бесконтактной диагностики вибрационной активности барабанных перепонок работает следующим образом.
ов
ов
Для работы волоконно-оптического зонда по назначению его наконечник необходимо ввести в слуховой проход уха и приблизить к поверхности барабанной перепонки на расстояние X=1-2 мм используя визуальное наблюдение через отоскоп. Оптическая ось волоконного зонда может быть наклонена по отношению к поверхности барабанной перепонки на угол до ϕ - 30 градусов в среднем в соответствии с анатомическим строением человеческого уха и в каждом конкретном случае остается неопределенной в обозначенных пределах углов 0 - 30°. В любом случае должно обеспечиваться образование измерительного оптического интерферометра типа Фабри-Перо с зеркалами - торцом волоконного зонда и отражающей поверхностью барабанной перепонки. Существо данной полезной модели заключается в облегчении образования измерительного оптического интерферометра при минимальных юстировках торца изготовленного волоконного зонда или вовсе без таковых для ускорения измерений. Облегченные условия измерений вибрационных свойств барабанной перепонки в описанной конфигурации поясняет чертеж (фиг. 3), где значком ϕ обозначен угол наклона оси зонда относительно перпендикуляра к плоскости поверхности барабанной перепонки. При отражении лучей от плоскости барабанной перепонки возвращаться обратно в световод будут только те лучи, которые направлены перпендикулярно поверхности барабанной перепонки, а все другие лучи за пределами приемной апертуры волокна будут проходить мимо сердцевины и теряться. При любой конфигурации взаимного расположения волоконно-оптического зонда и плоскости барабанной перепонки при веерном распределении исходящих световых лучей всегда найдется луч, обозначенный на фиг. 3 стрелками, который будет падать перпендикулярно плоскости поверхности барабанной перепонки, и при отражении назад это излучение будет эффективно вводиться обратно в одномодовый световод. Более того, обратно будут вводиться все отраженные лучи в диапазоне некоторых углов +/- θоколо перпендикуляра, которые определяются угловой апертурой θодномодового волокна, что увеличивает светосилу измерительного интерферометра. Расчеты оптических потерь лазерного излучения на зондирование барабанной перепонки и вводе обратно отраженного излучения показывают, что при типовых значениях мощности лазерного излучения ~ 100 мкВт и пороговой чувствительности фотоприемников - 1 нВт обеспечивается отношение сигнал/шум в измерительной системе оптоэлектронного блока не менее 100 (20 дБ). Расчеты подтверждаются экспериментальными исследованиями и испытаниями волоконно-оптических зондов, изготовленных в соответствии с данной полезной моделью. Методом оплавления (фиг. 1) или методом микросборки (фиг. 2) были изготовлены экспериментальные образцы волоконно-оптических зондов, в которых единственным контролируемым параметром при изготовлении являлась расходимость оптического излучения в пределах числовой апертуры NA=sinθ в диапазоне 0,3-0,5 после сферической линзы на конце волоконного наконечника. Для достижения этого торец одномодового световода как точечный источник слабо расходящегося излучения должен размещаться на оптической ось зонда на расстоянии от поверхности сферической линзы, короче фокусного f, определяемого из известной формулы для сферической (не тонкой) линзы  где n - показатель преломления кварцевого стекла (n≈1,5), D - диаметр сферической линзы. Торец одномодового волокна при сборке по фиг. 1 или фиг. 2 для получения расходящегося веерного распределения выходных лучей оптического зонда должен располагаться на оси на расстоянии X от поверхности линзы примерно меньше половины диаметра сферической линзы D/2 [https://www.rp-photonics.com/ball_lenses.htmll, и для сферических линз диаметром 200 мкм и 2 мм расстояние X составляет 100 мкм и 1 мм, соответственно.
Пример конкретного выполнения.
Был изготовлен волоконно-оптический зонд методом оплавления с формированием сферической линзы на конце диаметром D=0,2 мм. На фиг. 4 показано фото наконечника волоконно-оптического зонда с характерным веерным распределением выходящих лучей, которые видны при пропускании красного света несколько на удалении от торца (красный след расходящихся лучей заметен на белой бумажной подложке). При оплавлении пламенем миниатюрной высоковольтной дуги расходимость излучения контролировалась путем пропускания через одномодовый волоконный световод излучения красного полупроводникового лазера мощностью 1 мВт, используемого в обычной лазерной указке. Процесс оплавления прекращался по достижении расходимости выходящего из зонда излучения в пределах углов θ ≈ +/- 30°.
Таким образом, использование данной полезной модели заключается в облегчении образования измерительного оптического интерферометра типа Фабри-Перо с зеркалами, образуемыми поверхностью барабанной перепонки и поверхностью сферической микролинзы на торце волокна, при минимальных юстировках торца изготовленного волоконного зонда или вовсе без таковых для ускорения измерений. Облегченные условия измерений вибрационных свойств барабанной перепонки в описанной конфигурации реализуются при отражении лучей от плоскости барабанной перепонки и возвращении обратно в световод только тех лучей, которые направлены перпендикулярно поверхности барабанной перепонки, а все другие лучи за пределами приемной апертуры волокна будут проходить мимо сердцевины и теряться. При любой конфигурации взаимного расположения волоконно-оптического зонда и плоскости барабанной перепонки при веерном распределении исходящих световых лучей всегда найдется луч, который будет падать перпендикулярно плоскости поверхности барабанной перепонки, и при отражении назад это излучение будет эффективно вводиться обратно в одномодовый световод. Все вышесказанное доказывает, что оптический зонд для бесконтактной диагностики вибрационной активности барабанных перепонок позволяет упростить процесс и сократить время юстировки наконечника волоконно-оптического зонда относительно плоскости поверхности барабанной перепонки. Кроме того, конструкция заявляемого устройства обеспечивает безопасность при продольных перемещениях торца волоконного зонда к поверхности барабанной перепонки.