Устройство для измерения скорости биологической жидкости на основе оптического делителя

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения скоростей непрерывных потоков биологического жидкостей, например крови.

Полезная модель направлена на разработку устройства для бесконтактного измерения скоростей непрерывных потоков биологических жидкостей, в том числе крови, имеющего улучшенные характеристики принимаемого сигнала.

Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения скорости биологической жидкости содержит источник излучения, объектив, оптический делитель, делящий излучение на два пучка лучей, фотоприемник для приема рассеянного излучения.

В соответствии с полезной моделью, для измерения скорости биологической жидкости используется источник когерентного монохроматического излучения. Монохроматическое излучение с помощью оптического делителя, делится на два пучка зондирующих лучей близких по мощности, оба пучка зондирующих лучей фокусируются приемо-передающим объективом, на объекте измерения. Рассеянное излучение от объекта измерения собирается приемо-передающим объективом, который направляет его на приемный объектив, фокусирующий рассеянное излучение на фотоприемнике.

Преимуществом предлагаемого устройства является то, что результат измерения доплеровского сдвига частоты определяется геометрией освещающих пучков и не зависит от приемной апертуры, ограничивающей рассеянное излучение. Поэтому данное устройство может работать с большой приемной апертурой. Визуализация области, в которой выполняются измерения, осуществляется пересечением падающих пучков, что позволяет с высокой точностью настроить расположение устройства относительно измеряемого объекта и таким образом уменьшить ошибку измерения скорости биологической жидкости (1 н.з.п., 3 з.п.ф., 2 фиг.).

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения скоростей непрерывных потоков биологического жидкостей, например крови.

В настоящее время для определения расхода биологических жидкостей данных измерений используются устройства основанные на использовании трубки Вентури, измерении разницы потенциалов погруженных в жидкость термопар, или определения скорости распространения ультразвука. Недостатком данных устройств является то, что они могут оказать негативное воздействие на биологическую жидкость, в частности кровь, в процессе измерения или контактируют с кровью во время проведения измерения.

Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является устройство для измерения скорости капиллярного кровотока, выбранное в качестве прототипа (патент RU - 2231286), устройство содержит объектив, распложенный на одной с ним оптической оси, оптический делитель ориентированный под углом 45, делящий излучение на опорный и зондирующий пучки лучи, при этом зондирующий луч направлен на плоскопараллельную пластину, совмещаемую с объектом измерения. Рассеянный зондирующий луч, отраженный от объекта измерения направляется через светоделитель на фотоприемник, для сравнения с отраженным опорным лучом. Недостатком данной оптической схемы является необходимость контактного способа измерения, что делает его непригодным для измерения биологической жидкости биологического происхождения, например крови, без внесения загрязнений в ее состав. Использование одного зондирующего луча не позволяет добиться пространственного разрешения рассеянного излучения по интенсивности, обеспечивающего эффективное измерение скорости течения биологических жидкостей.

Задачей полезной модели является разработка устройства для бесконтактного измерения скоростей непрерывных потоков биологических жидкостей, в том числе крови, имеющего улучшенные характеристики принимаемого сигнала.

Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения скорости биологической жидкости содержит источник излучения, объектив, оптический делитель, делящий излучение на два пучка лучей, фотоприемник для приема рассеянного излучения.

В соответствии с полезной моделью, для измерения скорости биологической жидкости используется источник когерентного монохроматического излучения. Монохроматическое излучение с помощью оптического делителя, делится на два пучка зондирующих лучей близких по мощности, оба пучка зондирующих лучей фокусируются приемо-передающим объективом, на объекте измерения. Рассеянное излучение от объекта измерения собирается приемо-передающим объективом, который направляет его на приемный объектив, фокусирующий рассеянное излучение на фотоприемнике.

Использование когерентного источника излучения обеспечивает увеличение глубины проникновения излучения и удалению точки измерения скорости от стенок трубки кровотока, что позволит уменьшить ошибку измерения скорости биологической жидкости.

Использование двух пучков зондирующих лучей позволяет создать в плоскости их пересечения периодическое распределение интенсивности, меняющееся во времени, эквивалентное бегущей оптической решетке, состоящей из чередования светлых и темных полос. Применение близких по мощности лучей улучшает отношение сигнал/шум, повышает максимальную видность интерференционного поля и упрощает обработку рассеянного сигнала, принятого фотоприемником.

Использование приемо-передающего объектива позволяет сфокусировать пучки зондирующих лучей на объекте измерения и осуществляет сбор рассеянных лучей, увеличивая пространственное разрешение системы.

Поставленная задача также достигается тем, что для измерения скорости крови, лучше использовать полупроводниковый одномодовый лазерный диод с длинной волны в диапазоне 650 до 1000 нм. Использование излучения, имеющего вышеуказанный диапазон длин волн, позволяет повысить точность измерения скорости.

Оба пучка зондирующих лучей так же могут иметь одинаковую мощность.

Целесообразно для уменьшения габаритных размеров устройства выполнять световой делитель в виде стеклянного цилиндра со светопреломляющими покрытиями на его торцах, формирующего два пучка зондирующих лучей, направляемых на плоские ломающие призмы расположенные перпендикулярно оптической оси зондирования (N).

Фиг.1 - Оптическая схема устройства.

Фиг.2 - Принципиальная схема прибора для измерения скорости крови.

Пример реализации и принцип работы предлагаемого устройства.

Оптическая схема лазерно-доплеровского измерителя скорости (фиг.1) устроена следующим образом: лазерное излучение полупроводникового одномодового лазерного диода 1 объективом 2 формируется в параллельный пучок и попадает на оптический делитель (ОД), где стеклянный цилиндр 3 разделяет лазерный пучок на два зондирующих пучка близких по мощности. Оба пучка направляются на плоские ломающие призмы 4 и 5, расположенные перпендикулярно оптической оси зондирования (N) и фокусируются приемо-передающим объективом 6 в точку измерения 7, в которой формируется так называемый зондируемый объем с интерференционной картиной внутри него. Рассеянное излучение из фокальной области 7 собирается объективом 6 и фокусируется приемной оптикой 8 на фотоприемное устройство 9, сигнал на выходе которого воспроизводит все изменения во времени мощности светового потока (режим фотодетектирования). При движении исследуемой среды через зондируемый объем 7 в направлении, перпендикулярном плоскости зондирования, происходит модуляция мощности рассеянного излучения, регистрируемого фотоприемником 9, с частотой, соответствующей доплеровскому сдвигу f_d. По этому сдвигу вычисляется проекция скорости _x, направленная перпендикулярно оптической оси зондирования N по формуле:

, где

где - длина волны источника излучения, - угол между направлением распространения зондирующих пучков.

Преимуществом предлагаемого устройства является то, что результат измерения доплеровского сдвига частоты определяется геометрией освещающих пучков и не зависит от приемной апертуры, ограничивающей рассеянное излучение. Поэтому данное устройство может работать с большой приемной апертурой. Визуализация области, в которой выполняются измерения, осуществляется пересечением падающих пучков, что позволяет с высокой точностью настроить расположение устройства относительно измеряемого объекта и таким образом уменьшить ошибку измерения скорости биологической жидкости.

На Фиг.2 представлена принципиальная схема прибора для измерения скорости крови, в котором может быть использовано предлагаемое устройство. Принципиальная схема включает в себя: 10 - оптический модуль, выполненный с использованием полезной модели, 11 - модуль управления, 12 - система доставки излучения, 13 - штатив.

1. Устройство для измерения скорости биологической жидкости содержит источник излучения, объектив, оптический делитель, делящий излучение на два пучка лучей, фотоприемник для приема рассеянного излучения, отличающееся тем, что для измерения скорости биологической жидкости используется источник когерентного монохроматического излучения, которое с помощью оптического делителя делится на два пучка зондирующих лучей, близких по мощности, оба пучка зондирующих лучей фокусируются приемопередающим объективом на объекте измерения, рассеянное излучение от объекта измерения направляется на приемопередающий объектив, которое направляет его на приемный объектив, фокусируя рассеянное излучение на фотоприемнике.

2. Устройство для измерения скорости биологической жидкости по п.1, отличающееся тем, что для измерения скорости крови используется полупроводниковый одномодовый лазерный диод с длиной волны в диапазоне от 650 до 1000 нм.

3. Устройство для измерения скорости биологической жидкости по п.1, отличающееся тем, что оба пучка зондирующих лучей имеют одинаковую мощность.

4. Устройство для измерения скорости биологической жидкости по п.1, отличающееся тем, что световой делитель выполнен в виде стеклянного цилиндра со светопреломляющими покрытиями на его торцах, формирующего два пучка зондирующих лучей, направляемых на плоские ломающие призмы, расположенные перпендикулярно оптической оси зондирования (N).