Источник лазерного излучения с каналом приема для рамановской спектроскопии кожных новообразований
Устройство относится к диагностической электронной медицинской технике, в частности к проведению диагностики кожных новообразований с использованием метода рамановской спектроскопии.
Источник лазерного излучения с каналом приема для рамановской спектроскопии кожных новообразований, содержащий источник лазерного излучения на длине волны 785 нм, микроконтроллер, интерфейс для связи с ПЭВМ, приемники сигналов рамановского сдвига выполнены в виде двух фотодиодов с волоконным вводом, каждый из которых подключен к своему каналу регистрации рамановского рассеяния, каждый канал регистрации рамановского рассеяния содержит последовательно соединенные преобразователь фототока в напряжение, полосовой фильтр, усилитель сигнала фотодиода, фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь информационного канала, аналого-цифровой преобразователь информационного канала подключен к микроконтроллеру, причем на конце волокна фотодиодов нанесены узкополосные спектральные фильтры, а к источнику лазерного излучения дополнительно подключен управляемый источник тока, соединенный с цифро-аналоговым преобразователем, цифро-аналоговый преобразователь подключен к микроконтроллеру, дополнительно введены фотодиод лазера, подключенный к преобразователю фототока в напряжение, который соединен с фильтром, подключенным к амплитудному детектору, амплитудный детектор подключен к аналого-цифровому преобразователю канала обратной связи, аналого-цифровой преобразователь канала обратной связи подключен к микроконтроллеру. 2 илл.
Устройство относится к диагностической электронной медицинской технике, в частности к проведению диагностики кожных новообразований с использованием метода рамановской спектроскопии.
Известно устройство NanoRam американской фирмы «Bwtek», описание которого дано на сайте www.bwtek.com/nanoram. Данное устройство содержит источник лазерного излучения на длине волны 785 нм, спектрометр, дисплей, клавиатуру, рамановский пробник, микроконтроллер, интерфейс для связи с ПЭВМ. Причем, оптическая схема включает в себя рамановский пробник, соединенный с источником лазерного излучения, который в свою очередь подсоединен к микроконтроллеру, другой выход рамановского пробника соединен со спектрометром, который также подключен к микроконтроллеру, к которому подсоединены дисплей, клавиатура и интерфейс для связи с ПЭВМ.
Недостатком данного устройства является то, что его затруднительно использовать в условиях клиник для диагностики кожных новообразований, поскольку устройство не допускает работу при наличии помех, обусловленных искусственным и естественным освещением в клинических условиях, а также имеет недостаточную оперативность и точность диагностики.
В основу полезной модели поставлена задача расширить функциональные возможности и повысить точность и оперативность диагностики кожных новообразований в клинических условиях с использованием метода рамановской спектроскопии за счет использования модуляции лазерного излучения с последующей фильтрацией, а также за счет использования априорной информации о рамановских спектрах кожных новообразований.
Задача решается за счет того, что в устройстве для рамановской спектроскопии, содержащем источник лазерного излучения на длине волны 785 нм, микроконтроллер, интерфейс для связи с ПЭВМ, согласно полезной модели, приемники сигналов рамановского сдвига выполнены в виде двух фотодиодов с волоконным вводом, каждый из которых подключен к своему каналу регистрации рамановского рассеяния, каждый канал регистрации рамановского рассеяния содержит последовательно соединенные преобразователь фототока в напряжение, полосовой фильтр, усилитель сигнала фотодиода, фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь информационного канала, аналого-цифровой преобразователь информационного канала подключен к микроконтроллеру, причем на конце волокна фотодиодов нанесены узкополосные спектральные фильтры, а к источнику лазерного излучения дополнительно подключен управляемый источник тока, соединенный с цифро-аналоговым преобразователем, цифро-аналоговый преобразователь подключен к микроконтроллеру, дополнительно введены фотодиод лазера, подключенный к преобразователю фототока в напряжение, который соединен с фильтром, подключенным к амплитудному детектору, амплитудный детектор подключен к аналого-цифровому преобразователю канала обратной связи, аналого-цифровой преобразователь канала обратной связи подключен к микроконтроллеру.
Благодаря описанным выше изменениям и дополнениям становится возможным использовать модуляцию-демодуляцию лазерного излучения с применением фильтрации внешних помеховых засветок.
Полезная модель поясняется функциональной схемой, представленной на фиг.1, а также на фиг.2 представлен спектр рамановского сдвига при зондировании на длине волны 785 нм нормальной кожи (кривая 2) и участка кожи, содержащего меланому (кривая 1).
Устройство содержит канал обратной связи для поддержания постоянной выходной мощности модулированного излучения источника на основе использования встроенного в лазерный модуль фотодиода лазера 1. Фотодиод лазера 1 подключен к преобразователю фототока в напряжение 2, который соединен с фильтром 3, подключенным к амплитудному детектору 4. Амплитудный детектор 4 подключен к аналого-цифровому преобразователю канала обратной связи 5, аналого-цифровой преобразователь канала обратной связи 5 подключен к микроконтроллеру 6. К источнику лазерного излучения 7 подключен управляемый источник тока 8, соединенный с цифро-аналоговым преобразователем 9, цифро-аналоговый преобразователь 9 подключен к микроконтроллеру 6. Для регистрации рамановского рассеяния используются два фотодиода опорного 10 и основного 11 каналов приема. На поверхности волокна фотодиодов нанесены узкополосные спектральные фильтры 12 и 13. Опорный канал регистрации рамановского рассеяния содержит последовательно соединенные преобразователь фототока в напряжение 14, полосовой фильтр 15, усилитель сигнала фотодиода 16, фильтр нижних частот 17, аналого-цифровой преобразователь информационного канала 18, аналого-цифровой преобразователь информационного канала 18 подключен к микроконтроллеру 6. Основной канал регистрации рамановского рассеяния содержит последовательно соединенные преобразователь фототока в напряжение 19, полосовой фильтр 20, усилитель сигнала фотодиода 21, фильтр нижних частот 22, аналого-цифровой преобразователь информационного канала 23, аналого-цифровой преобразователь информационного канала 23 подключен к микроконтроллеру 6.
В качестве интерфейса с компьютером используется интерфейс USB, реализованный с помощью модуля 24. Для формирования напряжений питания всех элементов схемы служит блок питания 25.
Устройство работает следующим образом.
Канал управления током источника лазерного излучения 7 и модуляции работает следующим образом. Микроконтроллер 6 формирует выборки из синусоидального сигнала или сигнала произвольной формы, задаваемой с помощью компьютера, затем передает их в цифро-аналоговый преобразователь 9. Преобразованный в аналоговую форму с помощью цифро-аналогового преобразователя 9 сигнал управляет посредством схемы управляемого источника тока 8 током источника лазерного излучения 7. Фототок фотодиода лазера 1, встроенного в источник лазерного излучения 7 преобразуется в напряжение с помощью преобразователя фототока в напряжение 2, проходит через фильтр 3, устраняющий внеполосные шумы, затем детектируется в амплитудном детекторе 4, переводится в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем канала обратной связи 5 и поступает в микроконтроллер 6. Микроконтроллер 6 на основании сравнения текущей выходной мощности с заданной, вырабатывает сигнал корректировки амплитуды выходного сигнала, подаваемый на цифро-аналоговый преобразователь 9. Таким образом осуществляется поддержание выходной мощности источника лазерного излучения 7 с заданной точностью.
Опорный канал приема рамановского сигнала работает следующим образом. Фототек с фотодиода опорного канала 10 преобразуется в напряжение с помощью преобразователя фототока в напряжение 14, затем осуществляется его фильтрация от внеполосных внешних засветок и шумов с помощью полосового фильтра 15. Затем сигнал усиливается в усилителе сигнала фотодиода 16 и поступает на антиалиасинговый фильтр нижних частот 17. Преобразованный в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя информационного канала 18 сигнал поступает для обработки на микроконтроллер 6.
Основной канал приема рамановского сигнала работает следующим образом. Фототок с фотодиода основного канала 11 преобразуется в напряжение с помощью преобразователя фототока в напряжение 19, затем осуществляется его фильтрация от внеполосных внешних засветок и шумов с помощью полосового фильтра 20. Затем сигнал усиливается в усилителе сигнала фотодиода 21 и поступает на антиалиасинговый фильтр нижних частот 22. Преобразованный в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя информационного канала 23 сигнал поступает для обработки на микроконтроллер 6.
Два канала приема используются для реализации дифференциальной методики обработки рамановского сигнала. Она заключается в определении отношения интенсивностей обратного рамановского рассеяния в основном и опорном каналах. При этом используется априорная информация о рамановских спектрах кожных новообразований.
Характер зависимости интенсивности рамановского обратного рассеяния от величины сдвига в обратных сантиметрах см-1 для здоровой кожи и кожи со злокачественным образованием (меланомой) представлены на фигуре 2. Из анализа этого графика следует, что рамановские спектры нормальной кожи и кожи, содержащей злокачественное новообразование, имеют существенно различный вид. При этом наиболее характерные пики рамановского смещения, на основании анализа которых возможно определить наличие в коже новообразования - это 1270, 1450 и 1650 см-1 .
Отличия в величинах рамановского смещения в области 1650 см-1 для нормальной кожи и меланомы составляют около 40%, в областях 1450 см-1 и 1270 см-1 - около 100%. Таким образом, используя отношение интенсивности обратного рамановского рассеяния на одной из длин волн, например, соответствующей сдвигу 1270 см-1 и интенсивности рамановского рассеяния на длине волны, соответствующей 1100 см-1 , выбираемой в качестве опорной, возможно использование дифференциальной диагностики для определения наличия злокачественного образования в исследуемом образце. На основании заданного порога этого отношения на компьютер выдается информация о том, является ли образование злокачественным, или нет.
Управление источником и индикация обработанного сигнала происходят с помощью компьютера, подключаемого посредством интерфейса USB 24. Блок обработки информации, источник излучения и интерфейс выполнены в едином корпусе.
Поскольку в данном устройстве используются два фотодиода с волоконным вводом, на торце которых нанесены узкополосные фильтры, подключенные к информационным каналам для регистрации рамановского рассеяния, это позволяет упростить конструкцию и схему устройства по сравнению с аналогом, за счет исключения из нее спектрометра, дисплея, клавиатуры, рамановского пробника.
Источник лазерного излучения с каналом приема для рамановской спектроскопии кожных новообразований, содержащий источник лазерного излучения на длине волны 785 нм, микроконтроллер, интерфейс для связи с ПЭВМ, отличающийся тем, что приемники сигналов рамановского сдвига выполнены в виде двух фотодиодов с волоконным вводом, каждый из которых подключен к своему каналу регистрации рамановского рассеяния, каждый канал регистрации рамановского рассеяния содержит последовательно соединенные преобразователь фототока в напряжение, полосовой фильтр, усилитель сигнала фотодиода, фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь информационного канала, аналого-цифровой преобразователь информационного канала подключен к микроконтроллеру, причем на конце волокна фотодиодов нанесены узкополосные спектральные фильтры, а к источнику лазерного излучения дополнительно подключен управляемый источник тока, соединенный с цифроаналоговым преобразователем, цифроаналоговый преобразователь подключен к микроконтроллеру, дополнительно введены фотодиод лазера, подключенный к преобразователю фототока в напряжение, который соединен с фильтром, подключенным к амплитудному детектору, амплитудный детектор подключен к аналого-цифровому преобразователю канала обратной связи, аналого-цифровой преобразователь канала обратной связи подключен к микроконтроллеру.
