Устройство для контроля обратного светорассеяния в живых тканях

Устройство для контроля обратного светорассеяния в живых тканях относится к оптическим измерительным устройствам, в частности к устройствам для измерения светорассеяния и может быть использовано для измерения обратного светорассеяния в живых тканях с целью диагностики и контроля за ходом лечения. Устройство содержит источник и приемник излучения, расположенные в одном корпусе, снабженном входным окном. Источник излучения размещен в плоскости входного окна и боковая его поверхность экранирована так, чтобы излучение могло распространяться только вперед. Приемник размещен внутри корпуса напротив входного окна. Новым в устройстве является то, что часть входного окна вокруг источника излучения диаметром не менее 4-5 мм экранирована непрозрачным поглощающим излучение материалом или выполнена в виде прозрачного канала с экранированной боковой поверхностью. Часть внутренней поверхности корпуса, прилегающей к входному окну, выполнена из поглощающего материала, обеспечивающего эффективное поглощение излучения, падающего под любыми углами, в том числе и близкими к касательным к поверхности. Корпус упруго соединен с внешним дополнительным корпусом. В качестве источника или приемника излучения в отдельности, или в качестве их обоих внутри одного корпуса размещены соединенные с источником и приемником световоды. При этом роль источника и приемника в устройстве конструктивно играют торцы соответствующих световодов.

Полезная модель относится к оптическим измерительным устройствам, в частности к устройствам для измерения светорассеяния и может быть использовано для измерения обратного светорассеяния в живых тканях с целью диагностики и контроля за ходом лечения.

Наиболее близким к предлагаемому и выбранным в качестве прототипа является устройство для контроля обратного светорассеяния в живых тканях, содержащее источник излучения и приемник излучения, расположенные в одном корпусе, снабженном входным окном, в котором источник излучения расположен в плоскости входного окна и боковая поверхность его экранирована так, чтобы излучение могло распространяться только вперед, а приемник излучения расположен внутри корпуса напротив входного окна [1]·

Внутренняя полость корпуса устройства выполнена в виде конического концентратора, для направления всего излучения, прошедшего через входное окно на приемник.

Устройство при измерениях приставляют входным окном непосредственно к участку живой ткани, т.е. к участку кожи. При этом излучение от источника распространяется непосредственно внутрь тканей, и на приемник излучения поступает излучение, рассеянное назад в объеме живой ткани. Это излучение несет в себе информацию о состоянии тканей. Данное устройство использовали для локализации участка перелома костей. Величина рассеянного назад излучения от участка в зоне закрытого перелома снижалась на 14-28% по сравнению с его уровнем от соседних неповрежденных участков.

Разрешающая способность этого устройства к регистрации изменений в объеме живых тканей невысока. Поэтому применение оно нашло только для регистрации переломов, т.е. процессов, сопровождающихся сильными изменениями в мягких тканях - отеками, нарушениями циркуляции крови и т.п.

Незначительное изменение величины обратного светорассеяния при регистрации этим устройством объясняется тем, что в нем регистрируют все рассеянное излучение, приходящее в апертуру входного окна под разными углами.

Излучение, прежде чем попасть к внутренним тканям проходит через слой кожи, где также рассеивается, а так как плотность излучения здесь наибольшая, то и вклад в полный измеряемый сигнал от слоя кожи значителен. Эта составляющая не несет в себе информации о состоянии нижележащих слоев и снижает разрешающую способность при измерениях.

Кроме того жесткое подсоединение устройства к поверхности кожи приводит к возрастанию погрешности измерений, т.к. уровень сигнала зависит от усилия прижима датчика, которое необходимо дополнительно контролировать.

Целью создания настоящей полезной модели является повышение разрешающей способности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве часть входного окна вокруг источника излучения диаметром не менее 4-5 мм экранирована непрозрачным поглощающим излучение материалом, или выполнена в виде прозрачного канала с экранированной боковой поверхностью.

Кроме этого часть внутренней поверхности корпуса, прилегающей к входному окну, выполнена из материала эффективно поглощающего излучение, падающее под любыми углами, в том числе и под углами, близкими к касательным к поверхности.

Для устранения неоднозначности измерений за счет изменений в прижиме, корпус устройства упруго соединен с внешним дополнительным корпусом.

Кроме этого вместо источника или приемника излучения, или вместо их обоих в одном корпусе могут быть расположены соединенные с ними световоды, при этом конструктивно роль источника и приемника играют торцы соответствующих световодов.

На чертеже (фиг. 1) изображен общий вид предлагаемого устройства.

Оно содержит: 1 - источник излучения в цилиндрическом экране 2; 3 - приемник излучения; 4 - корпус; 5 - входное окно; 6 - поглощающий экран; 7 - поглощающий слой на внутренней поверхности корпуса; 8 - внешний дополнительный корпус; 9 - упругие элементы.

На фиг. 1 источник излучения расположен в центре входного окна. В общем случае он может быть расположен в любой части окна.

Устройство работает следующим образом. По плоскости А-А осуществляют контакт устройства с изучаемым объектом, например, с участком кожи человека. Излучение от источника 1 проходит в ткани и там частично рассеивается, в том числе и назад, в направлении устройства. Излучение, рассеянное в приповерхностных слоях, в коже, попадает на поглощающий экран 6 ив создании измеряемого сигнала не участвует. Излучение, рассеянное от более глубоких слоев, проходит через открытую часть входного окна 5 на приемник 3.

Поглощающий слой на внутренней поверхности корпуса 7 поглощает расходящееся рассеянное излучение от приповерхностных слоев, не перекрываемое экраном 6 на входном окне 5.

Вместо поглощающего экрана 6 может быть установлен прозрачный канал с экранированной боковой поверхностью, например, металлическая трубка соответствующего диаметра, вставленная во входное окно. При этом вместо изображенного на фиг. 1 одного приемника 3 может быть установлено несколько приемников меньшего диаметра в виде кольца вокруг этой трубки, чтобы отсекаемое излучение беспрепятственно выходило за пределы устройства. Такой вариант технического решения эквивалентен применению поглощающего экрана, т.к. решает ту же задачу - отсекает нежелательную часть излучения.

Помещение устройства в дополнительный корпус 8, соединенный с корпусом 4 упругими элементами 9 позволяет устранить неоднозначность измерений, вызванную разной силой прижима устройства к изучаемому объекту, т.к. в этом случае сила прижима будет определяться упругими элементами, а не усилием, прикладываемым экспериментатором.

Как источник так и приемник могут быть заменены в корпусе 4 световодами, выходной торец которых располагается в соответствующей им плоскости, а входной - соединен с реальными источником и приемником, размещенными вне устройства.

Пример реализации и использования:

В качестве источника излучения был взят арсенидгаллиевый светодиод АЛ-107А мощностью излучения 6 мВт с максимумом излучения на длине волны 0,95 мкм, соответствующей области наибольшей прозрачности живых тканей. Приемником служил кремниевый фотодиод ФД-24К. Внутренний диаметр корпуса составлял 10 мм. Диаметр светодиода с боковым экраном - 2,7 мм. Питание светодиода и фотодиода осуществляли от стабилизированного блока питания БП-591-100. Сигнал с фотодиода регистрировали цифровым вольтметром Ф283.

Экран 6 изготавливали из плотной черной бумаги с ламинированной поверхностью. Поглощающим слоем 7 на внутренней поверхности корпуса служила полоска черного бархата, подклеенного к стенке корпуса. Черный бархат обеспечивал эффективное поглощение излучения, падающего на него под различными углами, в том числе и близкими к касательным к поверхности. Расстояние от входного окна до фотодиода составляло 10 мм.

Устройство использовали для контроля изменения кровенаполнения подкожного капиллярного сплетения на подушечке большого пальца левой руки. Измеряли отношение сигналов при поднятой вверх руке, когда кровь оттекает, и при опущенной вниз руке, когда кровенаполнение капилляров наибольшее. Подушечку пальца прикладывали к входному окну по всей его апертуре.

Измерения проводили в трех вариантах сбора устройства:

1. С полностью открытым входным окном и без поглощающего покрытия на внутренней боковой поверхности корпуса - режим, воспроизводящий прототип.

2. С установкой поглощающих экранов на входном окне.

3. С установкой поглощающих экранов на входном окне и с поглощающим покрытием на внутренней боковой поверхности корпуса.

Результаты измерений:

Таким образом, отношение сигналов с 1,3 раза с прототипом было максимально увеличено до 2,1 раза, т.е. разрешающая способность увеличена с 30% до 110% или в 3,7 раза.

Погрешность при повторении измерений - за счет некоторой вариации от смещения устройства по подушечке пальца, от колебаний пальца и т.п. была порядка 10%.

Для количественных измерений необходимо, чтобы измеряемая величина, в данном случае отношение сигналов, не менее чем в 5 раз превышала погрешность измерений, т.е. составляла не менее 1,5.

Преимущества заявленного устройства перед прототипом. Устройство, воспроизводящее прототип, обеспечило только трехкратное превышение над погрешностью, что не обеспечивает надежных количественных измерений. А учитывая, что клинический интерес представляют и измерения изменения кровенаполнения, отсчитываемые от положения на уровне сердца (так называемый уровень нулевого избыточного давления), когда отношение сигналов уменьшается примерно в 1,5 раза, такое техническое решение малопригодно для контроля изменения кровенаполнения.

Предложенное устройство позволило реализовать разрешающую способность, достаточную для количественных измерений изменения кровенаполнения в конечностях при диаметре экрана от значения ~5 мм и более. По сравнению с прототипом предложенное устройство позволило увеличить разрешающую способность к измерению изменения кровенаполнения в подкожных капиллярных сплетениях в 3,7 раза - от 30% до 110%.

Представленные чертежи и описание позволяют, используя существующие материалы и технологии, изготовить предлагаемое устройство промышленным способом и использовать для измерения обратного светорассеяния в подповерхностных слоях живых тканей, что характеризует полезную модель как промышленно применимую.

[1] Леонтьева Н.В., Новиков А.И., Енученко В.Е. Метод ИК-зондирования в диагностике переломов костей - в кн.: Биомедицинские технические системы. Межвузовский сборник 162, Л., ЛИАП, 1983, с. 71-74.

1. Устройство для контроля обратного светорассеяния в живых тканях, содержащее источник и приемник излучения, расположенные в одном корпусе, снабженном входным окном, в котором источник излучения расположен в плоскости входного окна, при этом боковая поверхность источника экранирована таким образом, чтобы излучение имело возможность распространяться только вперед, а приемник излучения расположен внутри корпуса напротив входного окна, отличающееся тем, что часть входного окна вокруг источника излучения диаметром не менее 4-5 мм экранирована непрозрачным материалом, поглощающим излучение, или выполнена в виде прозрачного канала с экранированной боковой поверхностью, при этом приемники излучения располагаются вокруг указанного прозрачного экрана таким образом, чтобы отсекаемое каналом излучение беспрепятственно выходило за пределы устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, по крайней мере часть внутренней поверхности корпуса, прилегающей к входному окну, выполнена из материала, эффективно поглощающего излучение, падающее под любыми углами, в том числе и под углами, близкими к касательным к поверхности.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что его корпус упруго соединен с внешним дополнительным корпусом.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве источника или приемника излучения, или в качестве их обоих, в одном корпусе расположены соединенные с ними световоды, при этом конструктивно функцию источника и приемника выполняют торцы соответствующих световодов.