Устройство для определения коэффициента поглощения биологической тканью падающего на неё лазерного излучения

 

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано при проведении процедур с использованием лазерного излучения при определенных дозах излучения. Устройство содержит фотометрическую полость с входной и основной и дополнительной выходными апертурами. Основная выходная апертура для возможности калибровки полости снабжена перемещающейся заглушкой с двумя поверхностями: одна имеет коэффициент диффузного отражения 100%, вторая 0%. В дополнительной выходной апертуре установлен фотоэлектрический преобразователь, связанный с блоком регистрации. Блок регистрации предназначен для измерения коэффициента поглощения биотканью падающего на нее лазерного излучения. Блок регистрации содержит усилитель, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с подвижной точкой потенциометра в цепи источника постоянного напряжения. Выход дифференциального усилителя связан с подвижной точкой потенциометра в цепи его обратной связи и со входом аналогового измерительного прибора. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения коэффициента поглощения биологической тканью падающего на нее лазерного излучения. 1 ил.

Изобретение относится к медицине, в частности к биометрии в части создания устройств для определения коэффициента поглощения биологической тканью (биотканью) падающего на нее лазерного излучения, и может быть использовано при проведении лечебных процедур с использованием лазерного излучения, лечебный эффект которого определяется дозой излучения, поглощенного живой биотканью.

Энергия потока Ф(λ) лазерного излучения (где λ - рабочая длина волны лазера), поглощенная биотканью за весь цикл лечебных процедур, может оказывать как положительный, так и отрицательный эффект. Поэтому соблюдение точности дозировки при проведении лечебных процедур имеет принципиальное значение. Однако в медицинской практике используется значение мощности излучения применяемого лазера (доза определяется умножением значения мощности потока излучения на время воздействия), то есть устанавливается падающая на биоткань доза излучения. В то время как поглощенная биотканью доза излучения составляет только часть падающей дозы, то есть падающее излучение разделяется на два потока: не участвующий в лечебном процессе отраженный поток (соответствующий коэффициенту отражения К_отр биоткани) и используемый в лечебном процессе поглощенный поток (соответствует коэффициенту поглощения К_погл биоткани). Для реальных биотканей К_погл изменяется в достаточно широких пределах в зависимости от ряда факторов (длина волны излучения лазера, цвет и состояние кожи, анатомическое расположение зоны облучения, атмосферные условия, время суток, психологическое состояние пациента и т.п.), совокупность которых статистически невозможно учесть для каждого конкретного пациента. Реальным выходом является оперативное определение К_погл в конкретной зоне облучения в процессе проведения лечебной процедуры.

Известно устройство для определения коэффициента поглощения биологической тканью падающего на нее лазерного излучения, содержащее фотометрическую сферу с жестко закрепленным импульсным лазером во входной апертуре сферы, имеющую также основную выходную апертуру и дополнительную выходную апертуру, при этом основная выходная апертура снабжена для обеспечения калибровки фотометрической сферы эталонной заглушкой с возможностью открытия этой апертуры, а в дополнительной выходной апертуре установлен фотоэлектрический преобразователь, выход которого связан с блоком регистрации коэффициента отражения биоткани [1].

Известное устройство, использующее при калибровке сферы эталонную заглушку (тест-объект) и импульсный лазер с фиксированной длиной волны излучения 0,89 мкм, обладает узким диапазоном применения, так как не может быть использовано для других типов лазеров на других длинах волн; не обладает достаточной точностью определения коэффициента поглощения, так как калибровка фотометрической сферы проводится всего по одному фиксированному значению К_отр, определяемому эталонной заглушкой (тест-объектом), то есть по одной лишь реперной точке внутри шкалы определения; при этом для определения собственно коэффициента поглощения биоткани необходим последующий пересчет по измеренному значению К_отр.

Также известно устройство для определения коэффициента поглощения биологической тканью падающего на нее лазерного излучения, являющееся наиболее близким к описываемому, содержащее фотометрическую полость, имеющую входную апертуру, основную выходную апертуру и дополнительную выходную апертуру, при этом основная выходная апертура снабжена для обеспечения калибровки фотометрической полости перемещающейся заглушкой с возможностью открытия этой апертуры и поверхность заглушки имеет коэффициент диффузного отражения, равный 100%, а в дополнительной выходной апертуре установлен фотоэлектрический преобразователь, выход которого связан со входом блока регистрации. Блок регистрации предназначен для определения коэффициента отражения биотканью падающего на нее лазерного излучения. Для определения К_погл необходим последующий пересчет по определенному коэффициенту отражения К_отр [2].

Преимуществом данного устройства по сравнению с [1] является его широкий диапазон применения для различных типов лазеров, используемых в лечебных процедурах, на различных длинах волн их излучения. При этом устройство обладает значительно большей точностью определения К_погл, поскольку это определение при калибровке проводится как при полностью открытой заглушке (К_отр соответствует 0%), так и при закрытой заглушке, имеющей коэффициент диффузного отражения, близкий к 100%, что с учетом линейности характеристики чувствительности фотоэлектрического преобразователя устройства обеспечивает определение искомого коэффициента поглощения биотканью во всем его диапазоне от 0 до ~100% (а не на одной реперной точке, как в [1]).

Недостатком данного устройства является искажение результатов определения К_погл за счет возможного влияния фоновых засветок от внешней среды при калибровке, когда открыта основная выходная апертура фотометрической полости, и необходимость пересчета коэффициента поглощения по определяемому коэффициенту отражения биоткани, что уменьшает точность определения коэффициента поглощения биотканью и как следствие снижает лечебный эффект лазерного излучения.

Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента поглощения биологической тканью падающего на нее лазерного излучения, вследствие чего обеспечивается возможность повышения лечебного эффекта лазерного излучения за счет обеспечения возможности установки заданной поглощенной биотканью дозы лазерного излучения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения коэффициента поглощения биологической тканью падающего на нее лазерного излучения, содержащем фотометрическую полость, имеющую входную апертуру, основную выходную апертуру и дополнительную выходную апертуру, при этом основная выходная апертура для обеспечения калибровки фотометрической полости снабжена перемещающейся заглушкой с возможностью открытия этой апертуры, поверхность заглушки имеет коэффициент диффузного отражения, равный 100%, а в дополнительной выходной апертуре установлен фотоэлектрический преобразователь, выход которого связан со входом блока регистрации, согласно изобретению заглушка имеет дополнительную поверхность с коэффициентом отражения, равным 0%, и обе указанные поверхности заглушки расположены с возможностью последовательного перекрывания основной выходной апертуры, при этом упомянутый блок регистрации предназначен для измерения коэффициента поглощения биологической тканью падающего на нее лазерного излучения и содержит усилитель выходного сигнала фотоэлектрического преобразователя, дифференциальный усилитель с потенциометром в цепи обратной связи, источник постоянного напряжения с потенциометром на выходе и аналоговый измерительный прибор, шкала которого проградуирована в процентах измеряемого коэффициента поглощения, причем вход усилителя является входом блока регистрации, а выход усилителя соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с подвижной средней точкой потенциометра источника постоянного напряжения, а выход дифференциального усилителя связан с подвижной точкой потенциометра в цепи обратной связи и со входом аналогового измерительного прибора.

Сущность изобретения состоит в том. что в устройстве заглушка снабжена дополнительной поверхностью с коэффициентом отражения, равным 0%, и эта поверхность последовательно с основной поверхностью заглушки перекрывает основную выходную апертуру, при этом схемное решение блока регистрации, содержащее потенциометрические узлы, позволяет моделировать в блоке реакцию фотоэлектрического преобразователя на введение в полость поверхностей заглушки с коэффициентами отражения, равными 100 и 0%. Это обеспечивает повышение точности определения К_погл за счет исключения фоновых засветок от внешней среды при калибровке и исключает необходимость пересчета К_погл по определяемому К_отр, как в прототипе.

На чертеже показана схема устройства для определения коэффициента поглощения биологической тканью падающего на нее лазерного излучения.

Устройство содержит фотометрическую полость, в качестве которой может быть использована сфера, полусфера, цилиндр, усеченный конус и др. На чертеже в качестве варианта исполнения показана сфера 1, имеющая входную апертуру 2, основную выходную апертуру 3 и дополнительную выходную апертуру 4. Основная выходная апертура 3 для обеспечения калибровки фотометрической сферы снабжена перемещающейся заглушкой 5 с возможностью открытия этой апертуры. Основная поверхность 6 заглушки 5 имеет коэффициент диффузного отражения 100%. В дополнительной выходной апертуре 4 установлен фотоэлектрический преобразователь 7, выход которого связан со входом блока 8 регистрации. Заглушка 5 имеет дополнительную поверхность 9 с коэффициентом отражения, равным 0%. Обе указанные поверхности б и 9 заглушки 5 расположены с возможностью последовательного перекрывания основной выходной апертуры 3. Блок 8 регистрации предназначен для измерения коэффициента поглощения биологической тканью падающего на нее лазерного излучения и содержит усилитель 10 выходного сигнала фотоэлектрического преобразователя 7, дифференциальный усилитель 11 с потенциометром 12 в цепи обратной связи, источник 13 постоянного напряжения "U" с потенциометром 14 на выходе и выходной аналоговый измерительный прибор 15, шкала которого проградуирована в процентах измеряемого коэффициента поглощения. Вход усилителя 10 является входом блока 8 регистрации, а выход усилителя 10 соединен с первым входом дифференциального усилителя 11, второй вход которого соединен с подвижной точкой 16 потенциометра 14 источника 13 постоянного напряжения, а выход дифференциального усилителя 11 связан с подвижной точкой 17 потенциометра 12 в цепи его обратной связи и со входом аналогового измерительного прибора 15. Позицией 18 обозначен лазер, излучение которого поглощается биологической тканью, обозначенной позицией 19.

Для обеспечения диффузного отражения основной поверхностью 6 заглушки 5 с коэффициентом, близким к 100%, поверхность 6 заглушки 5 (а также, как правило, внутренняя поверхность фотометрической сферы 1) покрыта диффузно-рассеивающим отражающим составом, в качестве которого могут быть использованы матовые эмали на основе фторопласта, или SiO₂, или ВаО, или MgO, или другие известные покрытия с коэффициентом отражения ~100%. Для обеспечения диффузного отражения дополнительной поверхностью 9 заглушки 5 с коэффициентом отражения, равным 0%, указанная поверхность 9 может быть снабжена матовым графитовым покрытием или, например, поверхность 9 может быть выполнена в виде полого конуса с матовым графитовым покрытием его внутренней поверхности (по типу "абсолютно черного тела") и др. В качестве выходного аналогового измерительного прибора 15 может быть использован измеритель тока или напряжения в любом удобном для потребителя исполнении: микро- или миллиамперметр и др.

Устройство работает следующим образом.

На входную апертуру 2 фотометрической сферы 1 подается излучение лазера 18. В процессе работы длина волны и значение мощности излучения не изменяются. Включается необходимое питание и управление лазера 18 (на чертеже не показано).

Сначала осуществляется калибровка фотометрической сферы 1 в первом из двух режимов: при закрытой ее основной выходной апертуре 3 с помощью основной поверхности 6 заглушки 5, имеющей коэффициент диффузного отражения ~ 100%. При этом заглушка 5 перемещается так, чтобы поверхность 6 перекрыла апертуру 3. Перемещение заглушки 5 может быть осуществлено, например, вручную или с помощью механических, электромеханических, электромагнитных и др. устройств. В этом положении заглушки 5 на вход фотоэлектрического преобразователя 7 поступает поток Ф₁ излучения, соответствующий ~100% отражения от основной поверхности 6 заглушки 5 с площадки, ограниченной выходной апертурой 3, и учитывающий оптические характеристики фотометрической сферы 1. Фотоэлектрический преобразователь 7 на своем выходе вырабатывает соответствующий потоку Ф₁ электрический сигнал, который поступает на вход усилителя 10, затем усиленный сигнал с выхода усилителя 10 поступает на первый вход дифференциального усилителя 11. Этот усилитель 11 снабжен в качестве цепи обратной связи потенциометром 12, изменяющим его коэффициент усиления. С помощью подвижной точки 17, перемещаемой, например, вручную (или механическим, электромеханическим или др. путем), потенциометр 12 устанавливается в крайнее (правое на чертеже) положение, соответствующее наибольшему значению сопротивления потенциометра 12 и наибольшему коэффициенту усиления дифференциального усилителя 11. Используя источник 13 постоянного напряжения "U" с потенциометром 14 на его выходе, перемещая (любым указанным для точки 17 путем) подвижную точку 16 потенциометра 14, которая связана со вторым входом дифференциального усилителя 11, добиваются, чтобы на выходе дифференциального усилителя 11 напряжение стало равным нулю, что соответствует реакции фотоэлектрического преобразователя 7 на заглушку 5 с поверхностью 6 с коэффициентом отражения ~100% (то есть при значении коэффициента поглощения, равном 0%). При этом контроль за выходным сигналом дифференциального усилителя 11 осуществляется по шкале измерительного прибора 15 (в этом случае на шкале должно индицироваться значение "0%"). Поскольку это положение соответствует 100% отражения (то есть отсутствию поглощения) потока излучения площадкой, ограниченной выходной апертурой 3, то, условно говоря, потенциометр 14 в цепи источника 13 справедливо назвать "узлом установки 0%". Больше точка 16 потенциометра 14 не перемещается.

Затем осуществляется калибровка фотометрической сферы 1 во втором режиме: при закрытой ее основной выходной апертуре 3 с помощью дополнительной поверхности 9 заглушки 5, имеющей коэффициент отражения, равный 0%. Для этого заглушка 5 имеет возможность последовательного перекрывания выходной апертуры 3, то есть вместо поверхности 6 заглушки 5 апертуру 3 перекрывает (любым указанным выше образом) поверхность 9. На вход фотоэлектрического преобразователя 7 поступает при этом поток Ф₂ излучения, по величине отличный от потока Ф₁. Фотоэлектрический преобразователь 7 на своем выходе вырабатывает соответствующий потоку Ф₂ электрический сигнал, который после усилителя 10 поступает на первый вход дифференциального усилителя 11. При этом на выходе дифференциального усилителя появляется электрический сигнал, пропорциональный потоку излучения (Ф₁-Ф₂), соответствующему 0% отражения от дополнительной поверхности 9 заглушки 5 с площадки, ограниченной выходной апертурой 3. С помощью подвижной точки 17 (перемещаемой любым указанным выше путем) потенциометр 12 в цепи обратной связи дифференциального усилителя 11 устанавливается в положение, при котором электрический сигнал на выходе дифференциального усилителя 11, контролируемый по шкале измерительного прибора 15, становится таким, при котором на шкале измерительного прибора 15 индицируется значение "100%". Поскольку это положение соответствует 0% отражения (то есть полному поглощению) потока излучения площадкой, ограниченной выходной апертурой 3), то, условно говоря, потенциометр 12 справедливо назвать "узлом установки 100%". Больше точка 17 потенциометра 12 не перемещается.

На этом калибровка фотометрической сферы в двух предельных точках шкалы (0 и 100% поглощения с площадки, ограниченной выходной апертурой 3) завершена. Теперь определение К_погл биотканью падающего на нее лазерного излучения происходит при непосредственном введении в апертуру 3 живой биологической ткани 19. При этом на вход фотоэлектрического преобразователя 7 поступает поток Ф₃ излучения, соответствующий отражающей поверхности реальной биоткани. На выходе усилителя 10 создается усиленный электрический сигнал, соответствующий величине потока Ф₃, а на выходе дифференциального усилителя 11 появляется сигнал, соответствующий величине (Ф₁-Ф₃), масштабированной к величине (Ф₁-Ф₂).

Определение К_погл исследуемой биоткани осуществляется по зависимости: К_погл=(Ф₁-Ф₃):(Ф₁-Ф₂)x100% На шкале измерительного прибора 15 индицируется значение К_погл биоткани, выраженное в процентах.

Затем исследование биоткани (соответствующее описанному поступлению на фотоэлектрический преобразователь 7 потока Ф₃) может повторяться многократно и на различных участках биоткани. В случае изменения длины волны или мощности излучения лазера следует провести повторную описанную выше калибровку фотометрической сферы 1.

Итак, за счет того, что заглушка в устройстве имеет дополнительную поверхность с равным 0% коэффициентом отражения и обе поверхности заглушки расположены с возможностью последовательного перекрывания основной выходной апертуры, в описанном устройстве исключена возможность искажения результатов определения К_погл подавлением фоновых засветок от внешней среды при калибровке, что имеет место в прототипе, когда открыта основная выходная апертура фотометрической полости, что повышает точность определения К_погл, при этом одновременно за счет описанного схемного решения устройства, обеспечивающего непосредственное определение в процентах значения К_погл, также повышается точность его определения, что в конечном итоге обеспечивает повышение лечебного эффекта при использовании данного устройства.

Пример реализации устройства.

В качестве фотометрической полости использована разработка заявителя: - сфера ⊘45 мм, входная апертура ⊘8 мм, основная выходная апертура ⊘8 мм, дополнительная выходная апертура ⊘2,5 мм; - основная поверхность заглушки выполнена с покрытием эмалью на основе MgO и имеет коэффициент диффузного отражения K_oтp=96% (отличие от 100% учитывается в значении погрешности измерений); - дополнительная поверхность заглушки выполнена в виде полого конуса с графитовым матовым покрытием внутренней поверхности и имеет коэффициент диффузного отражения К_отр=0,4% (отличие от 0% учитывается в значении погрешности измерений).

Фотоэлектрический преобразователь - фотодиод типа ФД-24К.

Блок регистрации - разработки заявителя и выполнен на типовых блоках, элементах и деталях.

Лазер - типа ИЛПН-108, длина волны 0,85 мкм, мощность излучения 30 мВт.

Число измерений - 210.

Погрешность измерений К_погл (с учетом отличия реального К_отр от 100 и 0% соответственно для основной и дополнительной поверхностей заглушки) составляет не более 6% по сравнению с соответствующим значением погрешности не менее 18% для аналога и не менее 12% для прототипа. При этом устройство обеспечивает измерения К_погл биоткани при применении любых лазеров с длиной волны излучения в диапазоне спектральной чувствительности фотоэлектрического преобразователя (например, для ФД-24К от 0,4 до 1,1 мкм) и мощности их излучения в диапазоне от 0,5 до 100 мВт, а отсчет значений выполняется непосредственно в единицах (проценты) К_погл.

Таким образом, описанное устройство по сравнению с прототипом обладает большей точностью определения коэффициента поглощения биологической тканью падающего на нее лазерного излучения, вследствии чего обеспечивает возможность повышения лечебного эффекта лазерного излучения за счет обеспечения возможности установки заданной поглощенной биотканью дозы лазерного излучения.

Источники информации 1. Применение полупроводниковых лазеров и светодиодов в медицине и народном хозяйстве - Сб. научных трудов, вып. 4, г. Калуга, 1994 г., с. 36-39 - аналог.

2. А. П. Ромашков. Аппаратура для лазерной терапии: метрология, унификация, стандартизация. - М.: ВНИИОФИ, 1995 г., с. 29-31. - прототип.

Формула изобретения

Устройство для определения коэффициента поглощения биологической тканью падающего на нее лазерного излучения, содержащее фотометрическую полость, имеющую входную апертуру, основную выходную апертуру и дополнительную выходную апертуру, при этом основная выходная апертура для обеспечения калибровки фотометрической полости снабжена перемещающейся заглушкой с возможностью открытия этой апертуры, поверхность заглушки имеет коэффициент диффузного отражения, равный 100%, а в дополнительной выходной апертуре установлен фотоэлектрический преобразователь, выход которого связан со входом блока регистрации, отличающееся тем, что заглушка имеет дополнительную поверхность с коэффициентом отражения, равным 0%, и обе указанные поверхности заглушки расположены с возможностью последовательного перекрывания основной выходной апертуры, при этом упомянутый блок регистрации предназначен для измерения коэффициента поглощения биологической тканью падающего на нее лазерного излучения и содержит усилитель выходного сигнала фотоэлектрического преобразователя, дифференциальный усилитель с потенциометром в цепи обратной связи, источник постоянного напряжения с потенциометром на выходе и выходной аналоговый измерительный прибор, шкала которого проградуирована в процентах измеряемого коэффициента поглощения, причем вход усилителя является входом блока регистрации, а выход усилителя соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с подвижной точкой потенциометра источника постоянного напряжения, а выход дифференциального усилителя связан с подвижной точкой потенциометра в цепи обратной связи и со входом аналогового измерительного прибора.

РИСУНКИ

Рисунок 1