Библиографическое описание:

Акиньшина В. С., Клюева И. Н. Модернизация диагностического устройства для измерения физико-биологических характеристик кожи и слизистых оболочек in vivo // Молодой ученый. — 2012. — №12. — С. 23-26.

Оптика биотканей - одна из наиболее интенсивно развивающихся областей знаний, представляющих интерес как для физиков, так и биологов и медиков, работающих над созданием оптических медицинских технологий диагностики и лечения. Определение оптических характеристик биоткани дает возможность получать объективную информацию о пространственном распределении содержащихся в ней различных биологических компонентов и использовать ее для диагностики различных патологий биотканей, изучения воздействия факторов окружающей среды, оценки эффективности лечения.

В настоящее время, разработано большое число методов и устройст, позволяюших достаточно хорошо изучить оптические свойства и физико-биологические характеристики различных биотканей как в ультрафиолетовой, так и в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

Интерес к исследованию оптических и физико-биологических характеристик биоткани in vivo обусловлен тем, что они могут отличаться от таковых для биоткани в условиях in vitro. Кроме того, именно результаты in vivo исследований дают возможность получать информацию о происходящих в биологической ткани биохимических процессах.

Объектом рассмотрения является диагностическое устройство для измерения физико-биологических характеристик кожи и слизистых оболочек in vivo, позволяющее определять степень выраженности меланиновой пигментации кожи и эритемы кожи.

Устройство обеспечивает повышение точности и достоверности определения параметров кровоснабжения мягких тканей человека с учетом одновременной оценки содержания в ткани меланина, ее общего объемного кровенаполнения и среднего процентного содержания в микроциркуляторном русле биоткани оксигенированной фракции гемоглобина.

Диагностическое устройство содержит источник питания, соединенный с оптической головкой, в которой размещены фотоприемник с входным окном и источники излучения в зеленой, красной и инфракрасной областях спектра, блок управления работой излучателей, блок обработки данных, снабжено дополнительными источниками излучения в инфракрасной области спектра и источником излучения в синей области спектра. Источники излучения в синей области спектра излучают энергию в диапазоне 460-490 нм. Источники излучения в инфракрасной области спектра излучают энергию в диапазоне 900-950 и 960-990 нм.

Недостаток: недостаточная точность определения физико-биологических характеристик кожи и слизистых из-за влияния мешающих переотражений света из мягких тканей.

Устранение недостатка достигается тем, что в модернизированное устройство для измерения физико-биологических характеристик кожи и слизистых оболочек in vivo дополнительно введен блок компенсации переотраженного света от внутренних тканей, использующий временной принцип разделения полезного светового сигнала, распространяющегося по коже, и мешающегося светового сигнала, распространяющегося в мягких тканях.

Принцип работы модернизированного устройства измерения физико-биологических характеристик кожи и слизистых оболочек in vivo поясняется структурной схемой в виде последовательности составляющих (Рис.1).

Рис. 1


В состав устройства входят: 1 - источник питания, 2 – фотоприемник, 3а – источники излучения в зеленой области спектра, 3б – источники излучения в красной области, 3в – источники излучения в ИК области спектра, 3г - источники излучения в синей области спектра, 4 – блок управления поочередного включения источников излучения, 5 - блок обработки данных, 6 - волоконно-оптические световоды, 7 - индикатор определяемых величин, 8 - блок компенсации переотраженного света от внутренних тканей, 9 - управляющий компьютер.

Компьютер 9 посылает через устройство 4 сигналы поочередного включения источников излучения 3а, 3б, 3в, 3г. Свет от включенных источников 3а, 3б, 3в, 3г попадает на тестируемую биоткань. Проникающий в ткань свет за счет многократных внутренних переотражений (рассеянии) частично выходит наружу ткани в области расположения фотоприемника 2 и регистрируется им. Электрические сигналы с фотоприемника 2, пропорциональные зарегистрированной фотоприемником оптической мощности излучения от биоткани, проходят усиление и оцифровку в блоке 5 и передаются в компьютер 9 для последующей обработки. В случае сильного внешнего (стороннего) освещения области обследования биоткани, например, в условиях операционных, когда внешняя засветка может повлиять на результаты измерений, в такт включения источников излучения 3а, 3б, 3в, 3г включается один пустой цикл, когда все источники выключены. Во время этого “пустого” цикла фотоприемник 2 регистрирует сигнал от сторонней паразитной засветки (фонового освещения) и мешающего светового сигнала из мягких тканей, который в дальнейшем учитывается (вычитается), при обработке полезных сигналов от включенных источников. Для разделения полезного светового сигнала, распространяющегося по коже, и мешающегося светового сигнала, распространяющегося в мягких тканях используется временной принцип разделения. В качестве подсветки используется импульсный сигнал длительностью менее 0,5 нс. В этом случае в момент прихода светового сигнала из мягких тканей, световой сигнал, распространяющийся по коже уже минует фотоприемник. Поэтому на входе фотоприемника будет суммарный сигнал от сторонней паразитной засветки (фонового освещения) и мешающего светового сигнала из мягких тканей. Зарегистрированные таким образом и переданные в компьютер 9 сигналы в каждом используемом спектральном диапазоне с учетом сигнала сторонней засветки используются для дальнейших вычислений и определения содержания в ткани меланина, общего объемного кровенаполнения и среднего процентного содержания в микроциркуляторном русле крови оксигенированного гемоглобина.

Вычисления проводят по следующей общей схеме. Перед началом измерений диагностическая головка прибора располагается на поверхности стандартного оптического светорассеивающего эталона, который не содержит в своем составе каких-либо оптических поглотителей и хорошо и равномерно рассеивает своим объемом свет во всем выбранном спектральном диапазоне. С этого эталона для каждого включенного источника записываются опорные (эталонные) показания прибора (напряжение с фотоприемника) , где i=1, 2, 3... - количество используемых спектральных диапазонов. После этого измерения проводятся на поверхности обследуемой биоткани, с которой записываются рабочие показания Их нормировка на показания эталона позволяет определить для каждой длины волны i коэффициент обратного рассеяния света биотканью:

где - коэффициент обратного рассеяния света биотканью в спектральном диапазоне i;

- заранее известный коэффициент обратного рассеяния света эталоном в этом спектральном диапазоне.

Следующим шагом для каждого спектрального диапазона i вычисляют эффективное оптическое поглощение света тканью:

где - эффективное оптическое поглощение света тканью;

- приборные коэффициенты для данного спектрального диапазона, определяемые при настройке (изготовлении) прибора путем его калибровки на разных образцах биотканей.

Содержание в ткани конкретных хромофоров (поглотителей) и их вклад в общее поглощение определяют через эффективные коэффициенты оптического поглощения с использованием стандартной процедуры решения системы линейных уравнений для поглощения света в многокомпонентной среде вида:

где - концентрация (содержание) в ткани j-го компонента, включая сторонние элементы, например, содержание меланина, оксигемоглобина, общего гемоглобина и сторонних элементов (для 4-х используемых в базовом варианте длин волн), - известные табличные значения спектральных молярных погонных коэффициентов экстинкции выбранного вещества в спектральном диапазоне i.

Управляющий компьютер 9 соединяет в себе функции компенсации мешающих сигналов 8, обработки результатов 5 и индикации определяемых величин 7.

Алгоритм работы модернизированного устройства представлен на рис.2.

Модернизированное устройство может быть использовано в учреждениях медицинского профиля для определения содержания в ткани меланина, общего объемного кровенаполнения и среднего процентного содержания в микроциркуляторном русле крови оксигенированного гемоглобина.


Литература:

  1. Синичкин Ю.П., Утц C.P. In vivo отражательная и флуоресцентная спектроскопия кожи человека. Саратов. Изд-во Сарат. ун-та, 2001.

  2. Тучин В.В. Исследование биотканей методами светорассеяния // Успехи физ. наук. 1997. - Т. 167. - 5. - С. 517-539.

  3. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998.

Рисунок 2

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle