УСТРОЙСТВО УПРУГОЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Изобретение относится к медицине, в частности к медицинской диагностике, и может быть использовано для исследования покровных тканей, в том числе и для исследования слизистых и серозных оболочек внутренних органов.
В последнее время в связи с бурным развитием оптических технологий наблюдается их активное проникновение и применение в медицине. Появляются и развиваются новые методы, исследующие различные оптические характеристики биоткани. С точки зрения ранней диагностики раковых заболеваний слизистых основной интерес представляют изменения, протекающие в поверхностном (эпителиальном) слое биоткани. Для анализа этих изменений можно использовать спектральные зависимости упруго рассеянного излучения от эпителия. Существенной проблемой в данном случае является выделение рассеяния от эпителия на мощном диффузном фоне, приходящем из стромы. Анализ спектральной зависимости выделенной упругой компоненты рассеяния от эпителия позволяет определять, например, плотность и характерные размеры ядер клеток эпителия. С другой стороны существуют заболевания (например, склеродермия), которые протекают с существенными изменениями в строме. Следовательно, в данном случае необходимо выделять и анализировать рассеяние от стромы. Таким образом, существует задача и ряд методов для регистрации, разделения и последующего анализа рассеянного излучения от эпителия и стромы. Данная информация может быть непосредственно использована для диагностических целей. С технической точки зрения оптические схемы практических реализации этих методов могут включать как дискретные, так и волоконно-оптические элементы для передачи и сбора излучения.
7
Известно устройство для поляризационной отражательной спектроскопии, используемое в медицинской диагностике тканей, известное по патенту US 6639674 МПК G01J 4/00, А61В 5/00 публ. 28.10.2003. Устройство содержит широкополосный импульсный источник излучения, оптически соединенный посредством системы линз с изотропным оптическим волокном, используемым для подсветки исследуемого образца и являющимся центральным волокном зонда. При этом зонд включает в себя еще два изотропных оптических волокна для сбора рассеянного образцом излучения. На торцы волокон приклеены два кусочка поляризационной пленки, ориентированных взаимно перпендикулярно, что позволяет обеспечивать подсветку исследуемого образца поляризованным излучением и осуществлять сбор рассеянного излучения в двух
ортогональных поляризациях. Волокна для сбора излучения выполнены с возможностью поочередного подключения к приемнику излучения. В качестве приемника излучения используется спектрограф, соединенный с матрицей фотодетекторов, выход которой через АЦП соединен с компьютером.
Недостатком данного устройства является то, что толщина зонда из трех волокон делает невозможным проведение внутриполостных исследований. Более того, поскольку в данном устройстве подсветка и сбор излучения осуществляются тремя разными волокнами, то в результате область подсветки и сбора излучения не совпадают. К тому же параллельная и перпендикулярная компоненты излучения собираются разными волокнами, то есть из разных областей, поэтому информация об эпителии, которая получается в результате вычитания одной компоненты принятого излучения из другой, не является достаточно точной.
8
Ближайшим аналогом разработанного устройства является устройство упругой поляризационной спектроскопии, используемое в медицинской диагностике тканей, известное по патенту RU 2292531 МПК А61В 5/00, G01J 4/00, публ. 27.01.2007. Устройство содержит широкополосный источник линейно поляризованного изучения, направляющий волоконно-оптический элемент, в качестве которого использован волоконно-оптический делитель, зонд, поляризационный волоконно-оптический делитель, приемник излучения, подключенный через АЦП к компьютеру. Участок оптического волокна, используемый для подсветки исследуемого объекта, расположенный между широкополосным источником излучения и волоконно-оптическим делителем, зонд, участок оптического волокна для передачи рассеянного от исследуемого объекта излучения с волоконно-оптического делителя на поляризационный волоконно-оптический делитель выполнены из поляризационно-сохраняющего волокна, ориентированного таким образом, что одна из его собственных ортогональных мод совпадает с поляризацией широкополосного источника излучения. Линейно поляризованное излучение попадает в волоконно-оптический делитель и через него по зонду поступает на исследуемый объект. Рассеянное от исследуемого объекта излучение содержит две взаимно перпендикулярные поляризационные компоненты, которые по зонду передаются на волоконно-оптический делитель и далее на поляризационный волоконно-оптический делитель. Проходя через него поляризационные компоненты разделяются согласно их поляризации. Каждая поляризационная компонента через свой вход поступает на приемник излучения, показания которого через АЦП передаются в компьютер, где данные хранятся, анализируются и выводятся на экран.
В отличие от предыдущего устройства в данном устройстве использование одного и того же поляризационно-сохраняющего волокна для подсветки и сбора информации от исследуемого объекта позволяет уменьшить число волокон в системе подсветки-приема с 3 до 1 и, как следствие, уменьшить толщину зонда и обеспечить точный сбор информации с интересующей области объекта исследований. Однако в данном устройстве в качестве направляющего волоконно-оптического элемента для передачи излучения от источника излучения на исследуемый объект и от исследуемого объекта на поляризационный волоконно-оптический делитель используется волоконно-оптический делитель. Излучение передается с одного порта на два других. То есть излучение от источника не полностью поступает на исследуемый объект, а с исследуемого объекта излучение не полностью передается на поляризационный волоконно-оптический делитель. Таким образом происходит потеря части излучения.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка устройства упругой поляризационной спектроскопии, обеспечивающего полную передачу излучения от источника на исследуемый объект и полную передачу излучения с исследуемого объекта для дальнейшей обработки.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанное устройство упругой поляризационной спектроскопии так же, как и ближайший аналог, содержит широкополосный источник линейно поляризованного излучения, участок поляризационно-сохраняющего оптического волокна, используемый для подсветки исследуемого объекта, направляющий волоконно-оптический элемент, зонд, выполненный из поляризационно-сохраняющего оптического волокна, участок поляризационно-сохраняющего оптического волокна для передачи рассеянного от исследуемого объекта излучения, поляризационный волоконно-оптического делитель, приемник излучения, подключенный через АЦП к компьютеру.
Новым в разработанном устройстве является то, что в качестве направляющего волоконно-оптического элемента использован оптический циркулятор.
На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого устройства упругой поляризационной спектроскопии.
Разработанное устройство по фиг.1 содержит широкополосный источник 1 линейно поляризованного изучения, оптический циркулятор 2, зонд 3, поляризационный волоконно-оптический делитель 4, приемник излучения 5, подключенный через АЦП 6 к компьютеру 7. На конце зонда 3, обращенном к исследуемому объекту 8, может находиться линзовая система 9. Участок оптического волокна, используемый для
подсветки исследуемого объекта, расположенный между широкополосным источником 1 излучения и оптическим циркулятором 2, зонд 3, участок оптического волокна для передачи рассеянного от исследуемого объекта 8 излучения с оптического циркулятора 2 на поляризационный волоконно-оптический делитель 4 выполнены из поляризационно-сохраняющего волокна 10, которое, как и в ближайшем аналоге, ориентированного таким образом, что одна из его собственных ортогональных мод совпадает с поляризацией широкополосного источника 1 излучения.
В конкретной реализации устройства упругой поляризационной спектроскопии для получения линейно поляризованного излучения и совмещения его плоскости поляризации с одной из ортогональных осей поляризационно-сохраняющего волокна 10 были использованы широкополосный источник излучения D-930 Broadlighter производства Superlumdiodes Ltd, г.Москва, Россия, поляризатор Oz Optics FOP-11-11-980-6/125-S-P-40-XX-3-1 и управитель поляризации FPC-100 производства Oz Optics Ltd, США. В качестве оптического циркулятора 2 был использован оптический циркулятор FOC-12P-111-6/125-PPP-1000-40-XXX-1-1. Также в данной реализации устройства были использованы в качестве поляризационного волоконно-оптического делителя 4 поляризационный волоконно-оптический делитель Oz Optics Ltd, FOBS-12Р-111-6/125-PSS-1000-PBS-40-XXX-1-2, а в качестве поляризационно-сохраняющего волокна 10 волокно Fujikura SM98-PS-U25A. В качестве приемника излучения 5 были использованы два одноканальных спектрографа Ocean Optics Inc USB 2000 Miniature Fiber Optic Spectrometer. Также в качестве приемника излучения 5 может быть использован один двухканальный спектрограф Ocean Optics Inc MC-2000-2 или одноканальный спектрограф с возможностью поочередного подключения оптических волокон.
Разработанное устройство упругой поляризационной спектроскопии, представленное на фиг.1, работает следующим образом.
Линейно поляризованное излучение, поляризация которого совпадает с одной из собственных ортогональных мод поляризационно-сохраняющего волокна 10, от широкополосного источника 1 излучения по участку поляризационно-сохраняющего оптического волокна 10, используемому для подсветки исследуемого объекта 8, попадает в оптический циркулятор 2 и через него по зонду 3 попадает на исследуемый объект 8. Рассеянное от исследуемого объекта 8 излучение содержит две взаимно перпендикулярные поляризационные компоненты, которые по зонду 3 передаются на оптический циркулятор 2, с которого поляризованное излучение передается на поляризационный волоконно-оптический делитель 4, проходя через который
поляризационные компоненты разделяются согласно их поляризации. Каждая поляризационная компонента через свой вход поступает на приемник излучения 5, показания которого через АЦП 6 передаются в компьютер 7, где данные хранятся, анализируются и выводятся на экран.
Так как конструкция оптического циркулятора 2 позволяет полностью (без потерь) передавать излучение с одного порта на другой, то использование оптического циркулятора 2 обеспечивает полную передачу излучения от источника 1 на исследуемый объект 8 и полную передачу излучения с исследуемого объекта 8 для дальнейшей обработки, то есть позволяет решить поставленную задачу.
Область применения разработанного устройства может быть весьма широкой благодаря более высокой точности по сравнению с аналогами. К тому же использование оптического циркулятора обеспечивает полную передачу излучения от источника на исследуемый объект и полную передачу излучения с исследуемого объекта для дальнейшей обработки.