УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ МЕДИЦИНСКИХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
DEVICE FOR CALIBRATION OF MEDICAL DIAGNOSTIC SPECTROPHOTOMETRIC DEVICES

Изобретение относится к медицине, а именно к устройствам для калибровки диагностических приборов неинвазивной медицинской спектрофотометрии (НМС), обеспечивающих регистрацию, оценку и контроль медико-биологических параметров мягких тканей человека (in vivo, in situ) пo их спектральным оптическим (фотометрическим) характеристикам.
В общем случае приборы НМС используют в своей работе принцип оптического зондирования исследуемой биологической ткани на разных длинах волн ультрафиолетового (УФ), видимого и/или инфракрасного (ИК) диапазонов спектра электромагнитного излучения, а также методы флюоресцентного анализа, спектроскопии рассеяния и поглощения для регистрации и определения спектрального состава и спектральной плотности мощности вышедшего из ткани вторичного оптического излучения, по которым далее на основе математических вычислительных алгоритмов определяются различные медико-биологические параметры исследуемой биологической ткани - уровень ее объемного кровенаполнения, сатурация оксигемоглобина крови микроциркуляторного русла биоткани, содержание меланина в поверхностных слоях биоткани, уровни накопления активных флюоресцирующих дыхательных ферментов (порфиринов, пиридиннуклеотидов, флавопротеинов) в ткани и т.д. Во всех подобных вычислительных алгоритмах используются сегодня различные эмпирические спектральные калибровочные и приборные коэффициенты, которые закладываются в программное обеспечение приборов НМС при их производстве на этапах настройки, калибровки и проверки работоспособности прибора и предназначены для упрощения процедуры и достижения необходимой точности вычислений. Определяются они, соответственно, для каждого прибора индивидуально, опытным путем на калибровочных имитационных мерах (эталонах), моделирующих оптические свойства живых биологических тканей. Эта процедура стандартна и выглядит, вкратце, следующим образом. Каждой отдельной имитационной мере (калибровочному эталону) в зависимости от ее (его) спектральных оптических свойств присваивают по результатам сравнительных (контрольных) медико-биологических исследований в клинике конкретные, в цифрах, медико-биологические параметры. Например, для метода оптической тканевой оксиметрии соответствующей имитационной мере присваивают какое-либо значение сатурации оксигемоглобина крови (SO2) в процентах. Оптический датчик прибора (в приведенном примере - оптического тканевого оксиметра) при калибровке направляется или устанавливается непосредственно на эту меру, и калибровочные (приборные) коэффициенты прибора присваиваются данному прибору таким образом, чтобы его показания соответствовали в пределах заданной точности значению SO2, указанному в паспорте на данную имитационную меру. Часто в литературе по биомедицинской оптике, особенно англоязычной, такие имитационные меры и эталоны называются оптическими «фантомами» биоткани, однако с точки зрения классической метрологии и общей теории измерительных приборов и устройств правильнее называть их именно имитационными мерами, калибровочными эталонами и/или устройствами для калибровки и поверки диагностических приборов НМС.
Известно устройство для калибровки медицинских диагностических спектрофотометрических приборов, содержащее фторопластовую пластину, имеющую ячейки, заполненные флюоресцирующем красителем, и фторопластовую крышку (Пат. РФ №2142619, кл. G01N 21/64, 1998).
Недостатком данного устройства являются его ограниченные возможности, обусловленные тем, что с его помощью можно моделировать только один тип биологических тканей с флюоресценцией.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее корпус, состоящий из основания и крышки, выполненных из фторопласта, и приспособление для имитации оптических свойств более широкого класса живых биологических тканей, включающее набор элементов, обладающих светорассеивающими и флюоресцирующими оптическими свойствами (Пат. РФ №2284026, кл. G01N 21/64, 2005). В этом устройстве основание выполнено из промышленно выпускаемого инертного, спектрально не селективного, светорассеивающего материала фторопласта ФТ-4, ячейки заполнены флюоресцирующим красителем разной концентрации на основе раствора протопорфирина IX, а крышка выполнена из набора тонких фторопластовых пластин, каждая из которых имеет толщину 0,1-0,2 мм и моделирует разные светорассеивающие свойства разных по толщине верхних слоев кожи (дерма, эпидермис и т.д.).
Это устройство дополнительно позволяет моделировать слоистую структуру кожного покрова за счет использования набора сменных пластин из стандартного, прочного и инертного (плохо растворимого, гидрофобного, химически и термически стойкого) фторопласта ФТ-4.
Недостатками данного устройства являются, в первую очередь, то, что жидкий раствор флюоресцирующего красителя склонен к высыханию и изменению своих оптических свойств с течением времени. Он приготавливается вручную, не стандартизован промышленностью по своим оптическим свойствам, поэтому требует дополнительного контроля и отбраковки во время его приготовления. Кроме того, в указанном устройстве моделируются только светорассеивающие и флюоресцентные свойства биологической ткани и не моделируются ее светопоглощающие свойства, что сужает область его применения. Например, такое устройство не может использоваться для калибровки диагностических приборов НМС, определяющих по светопоглощению параметры кровенаполнения мягких тканей человека (оптические эритемометры), сатурацию оксигемоглобина крови микроциркуляционного русла (оптические тканевые оксиметры), степень пигментации верхних слоев кожи меланином (меланинометры) и т.д.
Кроме того, значительная толщина фторопластовых пластин (0,1-0,2 мм) не позволяет моделировать более тонкие слои тканей, например, сосочковый слой кожи толщиной 40-50 мкм.
В соответствии с этим поставлена задача, направленная на расширение функциональных возможностей устройства за счет моделирования в нем оптических свойств (в том числе и светопоглощающих) различных по толщине живых биологических тканей, что, в свою очередь, обеспечит создание, калибровку и проверку широкого класса приборов и устройств НМС.
Данное устройство просто и дешево в изготовлении, так как его конструктивные элементы выполнены из серийно выпускаемых твердых оптических материалов, стандартизированных по своим оптическим свойствам.
Эта задача достигается тем, что в устройстве для калибровки медицинских диагностических спектрофотометрических приборов, содержащем корпус, состоящий из основания и крышки, выполненных из фторопласта, и приспособление для имитации оптических свойств различных типов живых биологических тканей, включающее набор послойно размещенных элементов, обладающих светорассеивающими и флюоресцирующими оптическими свойствами, предложено приспособление для имитации оптических свойств различных типов живых биологических тканей дополнительно снабдить элементами, обладающими светопоглощающими оптическими свойствами, представляющими собой полимерные оптические пленки, спектральные погонные коэффициенты поглощения и рассеяния которых соответствуют спектральным погонным коэффициентам поглощения света биологическими тканями с поверхностным и эпидермальным меланином, с кровью, насыщенной на 5-100% кислородом, спектральным погонным коэффициентам рассеяния света коллагеновыми волокнами, плотными клеточными и тканевыми структурами без крови, а длины волн флюоресценции полимерных оптических пленок соответсвуют длинам волн флюоресценции дыхательных клеточных ферментов биологической ткани. Кроме того, приспособление для имитации оптических свойств различных типов живых биологических тканей выполнено из набора 2-10 оптических пленок, а основание выполнено в виде цилиндра, имеющего в верхней части резьбу по внутренней боковой поверхности, а крышка имеет окно и выполнена в виде цилиндра, имеющего в нижней части ответную резьбу по наружной боковой поверхности.
В предложенном устройстве в качестве спектрально-селективных, а также спектрально-неселективных светорассеивающих, светопоглощающих и флюоресцирующих оптических материалов для моделирования(имитации) спектральных оптических свойств живых биологических тканей и их слоистой структуры используют тонкие (толщиной 25-75 мкм) полимерные пленки марок «e-color+ и «supergel» фирмы «Rosco», которые стандартизированы по своим светорассеивающим, светопоглощающим и флюоресцирующим оптическим свойствам и исходно предназначены для использования в качестве оптических фильтров при проведении кино- и фотосъемки, а также для создания театральных световых эффектов.
Основные типы используемых в данном способе пленок и их основные значимые для данного способа моделирования оптические характеристики представлены в таблице 1.
Таблица 1
Основные используемые пленки и их оптические характеристики
№ п/п
Тип пленки
Рассеяние
Поглощение
Флюоресценция
Имитируемое свойство биологической ткани
λ, нм
σ, мм<sup>-1</sup>
λ, нм
k, мм<sup>-1</sup>
λ<sub>возб.</sub>, нм
λ<sub>max</sub>, нм
Supergel # 22
400÷900
400
100,0
Поглощение света поверхностным и эпидермальным меланином
1
”Deep Amber"
<0,01
500
80,0
нет
нет
700
10,0
Supergel # 38
400÷900
450
7,6
Поглощение света насыщенной 100% кислородом кровью
2
"Light Rose"
<0,01
585
5,8
нет
нет
650
0,01
3
Supergel # 104
400÷
20,0
400÷
<0,01
нет
нет
Слабое рассеяние света
”Tough Silk"
900
900
коллагеновыми волокнами
400
2,3
Поглощение света билирубином
4
e-color+ #013
400÷900
<0,01
480
8,7
нет
нет
"Straw Tint"
550
0,9
450
10,5
Поглощение света
5
е-color+ #186
400÷900
<0,01
585
5,7
нет
нет
насыщенной 50%
”Silver Rose”
650
0,08
кислородом кровью
450
15,8
Поглощение света
6
e-color+ #192
400÷900
<0,01
585
5,9
нет
нет
насыщенной 5% кислородом
“Flesh Pink”
650
0,15
кровью
7
e-color+ #216"White Diffusion"
400÷900
50,0
400÷900
<0,01
нет
нет
Сильное рассеяние света плотными клеточными и тканевыми структурами без крови
e-color+ #243
400÷900
400
2,1
Флюоресценция
8
"Fluorescent 3600"
<0,01
500
3,4
375
460
коллагеновых волокон
700
6,1
e-color+ #241
400÷900
400
2,4
Флюоресценция
9
"Fluorescent 5700"
<0,01
500
3,6
375
520
флавопротсинов клеток в
700
7,0
окисленном состоянии
e-color+ # 245
400÷900
400
0,5
Флюоресценция
10
"Half Plus Green"
<0,01
500
0,7
532
580
липофусцина клеток
700
1,9
Примечания: λ - длина волны излучения; σ - погонный коэффициент рассеяния; k - погонный коэффициент поглощения; λ<sub>возб.</sub> - длина волны возбуждения флюоресценции; λ<sub>max</sub> - длина волны в максимуме спектра флюоресценции, <0,01 - значение коэффициента меньше величины 0,01 в указанном спектральном диапазоне, что не существенно для данного способа моделирования, т.е. этой величиной можно пренебречь. Толщина пленок 20-75 мкм.
На чертеже изображено устройство - общий вид.
Устройство для калибровки медицинских диагностических спектрофотометрических приборов содержит корпус, состоящий из основания 1 и крышки 2, выполненных из фторопласта и соединенных между собой с помощью резьбы 3. Крышка 2 имеет окно 4. Внутри корпуса на основании 1 слоями уложены сменные светорассеивающие, светопоглощающие и флюоресцирующие под действием внешнего света полимерные пленки 5.1…5.n в количестве n=2÷10 шт., сверху они прижаты к основанию 1 навинчивающейся крышкой 2 с окном 4 для установки оптического датчика прибора (на чертеже не показан).
При калибровке и поверке приборов НМС данное устройство работает следующим образом.
Пакет пленок 5.1-5.n со стороны крышки 2 через окно 4 освещается зондирующим оптическим излучением от поверяемого прибора на разных длинах волн в зависимости от конструкции и назначения конкретного прибора НМС. Это зондирующее излучение проходит сквозь пакет флюоресцирующих, светорассеивающих и светопоглощающих пленок, частично рассеиваясь и поглощаясь в этих пленках, вызывает флюоресценцию во флюоресцирующих пленках, доходит до фторопластового основания 1, а затем за счет явления сильного обратного рассеяния во фторопласте направляется назад через этот же пакет пленок к прибору, снова рассеиваясь и поглощаясь на соответствующих пленках. Дошедшее таким образом до прибора вторичное оптическое излучение (обратно рассеянное излучение) будет отличаться от первичного зондирующего излучения по своему спектральному составу и спектральной плотности мощности. Эти отличия и моделируют оптические свойства реальных биологических тканей в зависимости от используемого конкретного набора пленок в устройстве, чем и обеспечивается необходимое функционирование устройства. Применяя разные комбинации пленок в устройстве, можно легко имитировать по типу «конструктора» такие оптические явления в биотканях, как поглощение света кровью, меланином, флюоресценцию порфириновых, флавиновых и т.п. дыхательных клеточных ферментов, рассеяние света на клеточных структурах ткани и ее коллагеновых волокнах и т.д.
Конкретный выбор состава и количества одновременно используемых полимерных пленок в композиции в данном способе и устройстве определяются конкретными задачами моделирования (имитации) различных мягких тканей человека в тех или иных клинико-диагностических ситуациях (ситуациях нормы, травмы, патологии и т.п.).
Использование простого, доступного устройства, обеспечивающего моделирование фотометрических свойств различных по толщине живых биологических тканей, позволит создать условия для калибровки широкого класса приборов и устройств НМС.