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

Основные термины (генерируются автоматически): светового сигнала, физико-биологических характеристик кожи, измерения физико-биологических характеристик, области спектра, источники излучения, мягких тканей, включения источников излучения, слизистых оболочек, синей области спектра, полезного светового сигнала, общего объемного кровенаполнения, источников излучения 3а, среднего процентного содержания, мешающего светового сигнала, разделения полезного светового, инфракрасной областях спектра, инфракрасной области спектра, Источники излучения, микроциркуляторном русле, спектральном диапазоне.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос