Устройство для оценки инфракрасной излучающей активности внутреннего органа

Устройство для оценки инфракрасной излучающей активности внутреннего органа предназначено для исследования потока инфракрасной световой энергии от внутреннего органа соответственно 9 узким областям спектра. Оценка обеспечивается сопоставлением энергии, исходящей от кожных покровов соответственно проекции органа или его части, и коэффициента пропускания периферической крови. Для исследования световой энергии в областях инфракрасного спектра используется дополнительный измерительный блок, состоящий из модулятора с 9 полосовыми фильтрами, расположенными по окружности, фотоприемника, светодиодов, блока фотодиодов и специальных синхроотверстий на диске модулятора, двигателя постоянного тока, а также устройства, воспринимающего излучение кожи, т.е. из изолирующей прокладки, исключающей попадание внешнего инфракрасного излучения, и собирающего раструба, определяющего исследуемую зону кожных покровов.

Заявленное техническое решение может быть использовано в медицине и ветеринарии.

Известен тепловизор «Рубин-МТ» (Мирошников М.М./Теоретические основы оптико-электронных приборов: учебное пособие для ВТУЗов. - Л., Машиностроение, 1977. - 600 с). Конструктивно он выполнен из двух блоков: оптической головки, устанавливаемой на штативе, и электронного блока на радиолампах, где устанавливается и электрохимический регистратор, работающий с бумагой ЭХБ-4 шириной 120 мм. Инфракрасное излучение через сканирующее зеркало и объектив подается через бленду на приемник излучения, откуда сигнал поступает на предусилитель. От синхронного электродвигателя сканирование кадра по строке осуществлялось по пилообразному закону с помощью кулачкового механизма при соотношении длительности прямого и обратного ходов 3/1. Для переноса спектра сигнала из области низкочастотных шумов приемника в более высокочастотную (1360±300 Гц) использовался симметричный четырехлопастный модулятор, вращающийся от синхронного привода. От лопастей модулятора работает также оптоэлектронный датчик опорного напряжения, подключаемый к формирователю опорного напряжения, который вырабатывает прямоугольные импульсы для ключей в синхронном детекторе схемы вычитания среднего уровня видеосигнала и в предусилителе переменного напряжения. Изменяя амплитуду прямоугольных импульсов, подаваемых на вычитающий вход предусилителя, можно менять «уровень отсчета регистрируемых температур». Изменением ослабления в основном усилителе изменяется диапазон регистрируемых температур. Полосовой фильтр пропускает видеосигнал в полосе 1360±360 Гц, выделяющийся далее в синхронном детекторе с трехступенчатой регулировкой постоянной времени. Для подавления паразитного сигнала, обусловленного отсутствием симметричности модулятора, к выходу синхронного детектора подключается низкочастотный фильтр-пробка. Видеосигнал с выхода синхронного детектора через фильтр-пробку подавался на усилитель записи. Последний представлял собой ламповый усилитель постоянного тока с коррекцией передаточного коэффициента за счет вольт-амперных характеристик диодов, включаемых в цепь обратной связи. Электромеханический блок регистрации синхронизируется со сканирующим зеркалом с помощью датчика фазирования. Последний выдает сигнал на запуск вращения пишущего барабана, который осуществляет развертку изображения с линейной скоростью 0,3 м/с, что на применяемой бумаге ЭХБ-4 позволяет получить термограммы с большим перепадом плотностей почернения.

Недостатком устройства является невозможность оценки инфракрасного излучения, исходящего непосредственно от внутреннего органа.

Известен также тепловизор «Янтарь-МТ» (Схемы и параметры тепловизоров с оптико-механическим сканированием - Тепловизоры Сайт электрические сети ) в котором для развертки изображения используется диск Нипкова из 45 линз, расположенных по спирали Архимеда. Из них 40 используется для сканирования, а 5 - для уменьшения скачка видеосигнала во время обратного хода сканирования и возмущающих переходных процессов в тракте видеосигнала. Сканирующий диск выполнен с однородным по излучательной способности покрытием их черного хрома, исключающим паразитную модуляцию видеосигнала.

Инфракрасное излучение через трехкомпонентный объектив, диафрагму, линзы в диске, зеркало и конденсор попадает на приемник излучения, подключенный к входам предуснлителей переменного напряжения. Работающий от синхронизирующих отверстий в диске оптронный датчик кадровой и строчной синхронизации обеспечивает с помощью ключей поочередную, с подкадровой частотой 25 Гц, подачу видеосигнала с предусилителей на видеоусилитель, имеющий в своем составе формирователь изотермы с регулируемой щириной. Сканирующий диск вращается с частотой 25 с^-1, полный кадр формируется за два оборота диска. Блоки кадровой и строчной разверток электронно-лучевой трубки типа 23ЛК2Б обеспечивают генерирование пилообразных напряжений таким образом, что растр предыдущего подкадра располагается между растром последующего по сигналам схемы черезстрочной развертки и блока синхронизации.

Недостатком устройства является невозможность оценки инфракрасного излучения, исходящего непосредственно от внутреннего органа, из-за поглощения его части живыми тканями, лежащими между органом и тепловизором.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрано устройство для исследования биологических жидкостей (Патент РФ 2137126), состоящее из оптико-механического блока, электрической схемы, обеспечивающей электроснабжение частей комплекса, их взаимодействие и передачу данных в персональный компьютер, и программного обеспечения, предназначенного для математической и статистической обработки и сохранения поступающей информации.

Принцип действия прототипного устройства основан на сравнении светового потока Ф_о, последовательно проходящего через контрольную жидкость и монохроматор, по отношению к которому производится измерение, и светового потока Ф, проходящего через исследуемую биологическую жидкость и аналогичный монохроматор. Световые потоки Ф_о и Ф фотоприемником преобразуются в электрические сигналы V_o, V и V_t (V_t - сигнал при неосвещенном приемнике), которые обрабатываются компьютерными программами и вычисляется коэффициенты пропускания по каждому из 9 монохроматоров.

Коэффициент пропускания (КПР) исследуемой жидкости определяется как отношение потоков или сигналов.

Недостатком прототипа является невозможность изучения инфракрасной активности внутреннего органа, что связано с отсутствием информации о инфракрасном излучении от конкретного внутреннего органа.

Задачей полезной модели является оценка излучающей способности внутреннего органа соответственно 9 областям инфракрасной области спектра благодаря сопоставлению информации о потоке инфракрасного излучения с поверхности тела с информацией о препятствии, создаваемом толщей менее активных в энергетическом отношении тканей. Т.к. кровь является одной из основных субстанций организма, поглощающих инфракрасное излучение, то препятствие оценивается именно по ее свойствам.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве для исследования биологических жидкостей предусматривается 3 действующих синхронно переключателя, во-первых, между фотоприемником и видеоусилителем, во-вторых, между фотодиодами и узлом синхронизации, в-третьих, между узлом стабилизации и двигателем. Тем самым прототипное устройство разделяется на основной измерительный блок (ОИБ) и анализирующий блок (АБ) и появляется возможность подключения дополнительного измерительного блока (ДИБ). ДИБ по своим конструктивным особенностям повторяет ОИБ, но источником информации для него служит не поток энергии от источника инфракрасного излучения, проходящий через кювету, а излучение от кожных покровов, расположенных в проекции внутреннего органа.

Принцип действия устройства для оценки инфракрасной излучающей активности внутреннего органа основан на измерении электрического сигнала от фотоприемника V_кож, вызванного световым потоком Ф_кож, и V_t (V_t - сигнал при неосвещенном приемнике). Световой поток, Ф_кож, исходящий от кожных покровов и прошедший через монохроматор, после усиления преобразуется с учетом коэффициента пропускания крови с помощью компьютерной программы в величину, отражающую инфракрасную активность внутреннего органа. Для этого первоначально исследуют излучение от участка кожных покровов в положении устройства «ДИБ». Далее исследуют коэффициент пропускания крови. Для этого переключают устройство в положение «ОИБ». Определение величин Ф _о, проходящего через контрольную жидкость светового потока, по отношению к которому производится измерение, осуществляется аналогично прототипу способом. Далее пробу капиллярной крови сразу после взятия смешивают с равным объемом водно-спиртовой смеси (3: 7 по объему) и помещают в кювету ОИБ. После чего оценивается величина Ф. При этом, световые потоки Ф_о и Ф фотоприемником преобразуются в электрические сигналы V_o, V и V _t (V_t - сигнал при неосвещенном приемнике), которые обрабатываются компьютерными программами и вычисляется коэффициенты пропускания. Инфракрасная излучающая способность внутреннего органа (ИИС) соответственно какой-либо частоте монохроматора, оценивается как поток энергии, умноженный на величину обратную коэффициенту пропускания крови в данной области спектра, выраженному десятичной дробью:

Кроме того, предложенное устройство для оценки инфракрасной излучающей активности внутреннего органа отличается от прототипа по электрической схеме, которая должна предусматривать одновременное с переключением на «ОИБ» или «ДИБ» включение соответствующего двигателя постоянного тока, а также светового и звукового датчика. Питание источника инфракрасного излучения, глобар - стержня из карбида кремния, должно сохраняться независимо от положения переключателя, что связано с особенностями работы источника инфракрасного излучения. Изменению должно быть подвергнуто и программное обеспечение.

Заявленное техническое решение позволяет оценивать излучающую активность внутреннего органа или его части в инфракрасной области спектра.

Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняется чертежом, на котором:

Фиг.1 раскрывает принцип действия прототипного устройства, а также предложенного устройства в режиме подключения ОИБ. Инфракрасное излучение источника (1) (в качестве источника инфракрасного излучения используется глобар - стержень из карбида кремния) проходит через кювету (2), в которой находится вначале контрольная жидкость и далее исследуемая кровь. Далее излучение проходит через модулятор (3) и попадает на фотоприемник (4) (полупроводниковый болометр) и преобразуется в электрический сигнал. Модулятор (3) расположен перед входным зрачком фотоприемника и представляет собой диск с 9 полосовыми фильтрами (5), выполняющими функцию монохроматора, расположенными по окружности. Диск приводится во вращение двигателем постоянного тока (6) со скоростью 1-2 об/с. С помощью блока светодиодов (7), блока фотодиодов (8) и специальных синхроотверстий на диске модулятора, в узле синхронизации (9) формируются синхросигналы: "Строб", "Пуск 0", "Пуск 1". Эти сигналы поступают на управляющие входы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (10), а сигнал "Пуск 1" кроме того поступает на узел стабилизации вращения двигателя (11). Выходные сигналы фотоприемника усиливаются видеоусилителем (12) и поступают на АЦП (10), где оцифровываются, смешиваются с синхросигналами и через адаптер (13) поступают в компьютер.

Синхросигналы "Пуск 1" формируются в момент, когда оптические центры полосовых фильтров пересекают оптическую ось "глобар-болометр". Эти сигналы при готовности компьютера фиксируют значения сигнала на выходе видеоусилителя и запускают АЦП. После готовности АЦП, значение которого считывается компьютером, осуществляется регистрация цифровых значений полученного сигнала.

Синхросигнал "Строб" формируется в моменты смены полосовых фильтров и используется для формирования кода номера канала. Код номера канала периодически сбрасывается в "0" синхросигналом "Пуск 0".

Узел АЦП формирует дополнительный синхросигнал "Сброс ВУ", поступающий на вход видеоусилителя. Синхросигнал "Сброс ВУ" формируется по сигналу "Пуск 1", когда код номера канала равен "9". В этот момент вместо полосового фильтра оптическую ось "глобар-болометр" пересекает заглушка, не пропускающая инфракрасное излучение. Значение видеосигнала, полученное по 9-му каналу, используется при вычислении коэффициента пропускания.

Фиг.2 показывает места, где следует установить переключатели и входы от дополнительного измерительного блока: между фотоприемником (4) и видеоусилителем (12), между фотодиодами (8) и узлом синхронизации (9), между узлом стабилизации (11) и двигателем (6)

Фиг.3 раскрывает принцип действия дополнительного измерительного блока. Дополнительный измерительный блок состоит из модулятора (3) с 9 полосовыми фильтрами (5), расположенными по окружности, фотоприемника (4), светодиодов (7), блока фотодиодов (8) и специальных синхроотверстий на диске модулятора, двигателя постоянного тока (6) со скоростью 1-2 об/с, а также устройства, воспринимающего излучение кожи, т.е. из изолирующей прокладки (14), исключающей попадание внешнего инфракрасного излучения, и собирающего раструба, определяющего исследуемую зону кожных покровов (15).

Принцип работы дополнительного измерительного блока (ДИБ) заключается в следующем. Инфракрасное излучение от ограниченного изолирующей прокладкой (1) участка кожных покровов, находящихся в проекции внутреннего органа или его части, собирается раструбом (2), проходит через модулятор (3) и попадает на фотоприемник (4) (полупроводниковый болометр) и преобразуется в электрический сигнал. Модулятор (3) расположен перед входным зрачком фотоприемника и представляет собой диск с 9 полосовыми фильтрами 5, выполняющими функцию монохроматора, расположенными по окружности. Диск приводится во вращение двигателем постоянного тока (6) со скоростью 1-2 об/с. С помощью блока светодиодов (7), блока фотодиодов (8) и специальных синхроотверстий на диске модулятора в узел синхронизации (9) передаются электрические сигналы, необходимые для формирования синхросигналов: "Строб", "Пуск 0", "Пуск 1". Дальнейшее преобразование выходных сигналов фотоприемника и синхросигналов полностью соответствует прототипному устройству.

Возможность осуществления заявляемого технического решения показано следующими примерами с учетом того, что после усиления и преобразования компьютерной программой световой поток, исходящий от кожных покровов, выражается в условных единицах (у.е.). Причем, для калибровки можно использовать стандартный источник инфракрасного излучения, например, стандартный сосуд с стандартным покрытием, внутри которого стандартное количество дистиллированной воды доведено до кипения. При калибровке будет осуществляться и термическая обработка изолирующей прокладки.

Пример 1. Световой поток, исходящий от кожных покровов в области сердца, в области спектра от 3085 см^-1 до 2832 см^-1 составил 9 у.е., световой поток в области спектра от 1710 см^-1 до 1610 см^-1 составил 7 у.е. Коэффициент пропускания крови в области спектра от 3085 см^-1 до 2832 см^-1 составил 45,3%, коэффициент пропускания крови в области спектра от 1710 см^-1 до 1610 см^-1 составил 55,9%. Следовательно, излучательная способность сердца в области спектра от 3085 см^-1 до 2832 см^-1 составила величину: 9/0,453=19,87 у.е. Излучательная способность сердца в области спектра от 3085 см ^-1 до 2832 см^-1 составила: 7/0,559=12,52 у.е.

Пример 2. Световой поток, исходящий от кожных покровов в области правой почки, в области спектра от 1600 см^-1 до 1535 см^-1 составил 2 у.е., световой поток в области спектра от 1127 см^-1 до 1057 см^-1 составил 6 у.е. Коэффициент пропускания крови в области спектра от 1600 см^-1 до 1535 см^-1 составил 18,2%, коэффициент пропускания крови в области спектра от 1127 см^-1 до 1057 см^-1 составил 42,1%. Следовательно, излучательная способность правой почки в области спектра от 1600 см^-1 до 1535 см^-1 составила величину: 2/0,182=10,99 у.е. Излучательная способность правой почки в области спектра от 1127 см^-1 до 1057 см^-1 составила: 6/0,421=14,25 у.е.

Описанным выше устройством для оценки инфракрасной излучающей активности внутреннего органа пользуются следующим образом:

Устройство подключается к источнику электропитания и переключается в положение «ДИБ». Производится калибровка и одновременная стерилизация изолирующей прокладки. После 15 секунд времени, необходимых для остывания изолирующей прокладки, и обработки прокладки этиловым спиртом раструб фиксируется на исследуемой поверхности кожных покровов. Далее производится измерение. После получения сигнала от компьютера об окончании цикла измерения переключатель переводится в положение «ОИБ». Производится забор исследуемой капиллярной крови. Проводится исследование контрольной жидкости. Исследуемую пробу капиллярной крови сразу после взятия смешивают с равным объемом водно-спиртовой смеси (3: 7 по объему) и помещают в кювету. Об окончании измерения судят по сигналу компьютера об окончании измерительного чикла.

Устройство для оценки инфракрасной излучающей активности внутреннего органа, включающее оптико-механическую систему, электрическую схему, обеспечивающую электроснабжение частей комплекса, их взаимодействие и передачу данных в персональный компьютер, и программное обеспечение, предназначенное для математической и статистической обработки и сохранения поступающей информации, отличающееся тремя действующими синхронно переключателями, во-первых, между фотоприемником и видеоусилителем, во-вторых, между фотодиодами и узлом синхронизации, в-третьих, между узлом стабилизации и двигателем; а также наличием подключающегося переключателями дополнительного измерительного блока, изменением электрической схемы и программного обеспечения.