Устройство для определения оптических характеристик тканей головного мозга

Изобретение относится к области биомедицинской оптики и может быть использовано при разработке оптических методов диагностики биообъектов сложной структуры, оптической томографии. Технический результат - повышение точности определения оптических характеристик тканей головного мозга. Устройство содержит оптически связанные пикосекундный лазер, световод-источник зондирующего излучения, световод-приемник рассеянного излучения, детектор в виде фотоэлектронного умножителя по основе микроканальной пластинки (МКПФЭУ) и систему обработки информации. Устройство дополнительно снабжено генератором затворного импульса, электрически связанным с МКПФЭУ и вторым детектором в виде пикосекундного фотодиода, оптически связанного со световодом-приемником и электрически связанного со сканирующим строб-интегратором. 1 ил.

 

Изобретение относится к области биомедицинской оптики и может быть использовано при разработке оптических методов диагностики биообъектов сложной структуры, оптической томографии.

Известен способ определения оптических характеристик тканей головного мозга, основанный на лазерном зондировании на нескольких длинах волн гистоструктуры головы и регистрации рассеянного тканями пикосекундного лазерного излучения [1], состоящий во вводе лазерного излучения нескольких длин волн в гистоструктуру головы в одной точке и регистрации выходящего рассеянного лазерного излучения в нескольких точках, расположенных на различных расстояниях от точки ввода излучения.

Недостатком данного способа является неопределенность в определении области набора разности оптических путей в неоднородном биообъекте.

Наиболее близким по сущности к заявляемому изобретению является способ определения оптических характеристик тканей головного мозга, основанный на лазерном зондировании на нескольких длинах волн гистоструктуры головы и регистрации рассеянного тканями пикосекундного лазерного излучения [2], состоящий во вводе короткого (пико, фемтосекундного) импульса лазерного излучения нескольких длин волн в гистоструктуру головы в одной точке и регистрации выходящего рассеянного лазерного излучения в точке, расположенной на удалении от точки ввода излучения.

Недостатком данного способа является невысокая точность определения оптического пути излучения в неоднородном биообъекте и, как следствие, низкая точность определения оптических характеристик тканей головного мозга.

Задачей заявляемого способа и устройства является повышение точности определения оптических характеристик тканей головного мозга.

Для решения поставленной задачи предложен способ определения оптических характеристик тканей головного мозга, основанный на лазерном зондировании гистоструктуры головы и регистрации рассеянного тканями пикосекундного лазерного излучения.

Новым, по мнению авторов, является то, что в ходе одного измерения независимо регистрируют излучение обратнорассеянное покровной тканью и костью черепа и излучение обратнорассеянное тканями головного мозга, из результатов измерений излучения обратнорассеянного тканями головного мозга вычитают потери на поглощение и рассеяние при прохождении обратнорассеянного излучения в покровной ткани и кости черепа и определяют оптические характеристики тканей головного мозга.

Сущность изобретения поясняется схемой, представленной на чертеже.

Импульс лазера 1 с помощью волоконно-оптического световода 2 падает на поверхность черепной коробки 3. Импульс излучения распространяется, рассеиваясь и поглощаясь в теле черепной коробки, тканях головного мозга 4. В церебральной жидкости 5 рассеяние и поглощение незначительно. Излучение рассеянное в направлении, близком к обратному, улавливается с помощью волоконно-оптического световода 6 и подается на фотоприемники 7 и 8.

Уровень сигнала обратного рассеяния от покровных тканей и костей черепа в ~10³ раз выше уровня сигнала рассеяния от тканей головного мозга, и они разделены во времени из-за конечной скорости распространения прямого и рассеянного лазерного излучения в сильнорассеивающих тканях. Излучение, рассеянное покровными тканями и костью черепа, регистрируют пикосекундным диодом 7 путем его стробирования 100-пс импульсом с временным сдвигом 5 пс, а слабый сигнал рассеяния от тканей головного мозга регистрируют МКПФЭУ 8 в режиме счета фотонов, включение которого задержано на время регистрации сигнала рассеяния от тканей черепа.

Регистрация сигнала рассеяния от покровных тканей и кости черепа на 2-3 длинах волн зондирующего лазерного излучения позволит определить их оптические параметры - показатель поглощения, рассеяния и фактор анизотропии рассеяния, а также, по длительности сигнала рассеяния, - толщину покровной ткани и кости черепа в области зондирования. Лазерное излучение, рассеянное тканями головного мозга, проходит через покровную ткань и кость черепа, толщина и оптические характеристики которой определены, что позволит значительно (2-4 раз) увеличить точность определения оптических характеристик тканей головного мозга.

Известно устройство для определения оптических характеристик тканей головного мозга [3], содержащее оптически связанные пикосекундный лазер, световод-источник зондирующего излучения, световод-приемник рассеянного излучения, детектор в виде CCD-линейки и систему обработки информации.

Недостатком данного устройства является невозможность точного разделения сигналов рассеяния от покровных тканей и кости черепа и тканей головного мозга и, как следствие, невысокая точность измерения оптических характеристик тканей головного мозга.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для определения оптических характеристик тканей головного мозга [4], содержащее оптически связанные пикосекундный лазер, световод-источник зондирующего излучения, световод-приемник рассеянного излучения, детекторы в виде МКПФЭУ и систему обработки информации.

Недостатком данного устройства является невозможность точного разделения сигналов рассеяния от покровных тканей и кости черепа и тканей головного мозга и, как следствие, невысокая точность измерения оптических характеристик тканей головного мозга.

Задачей данного изобретения является создание устройства для определения оптических характеристик тканей головного мозга, обеспечивающего повышение точности измерения оптических характеристик тканей головного мозга путем независимой регистрации лазерного излучения рассеянного покровной тканью и костью черепа и рассеянного тканями головного мозга.

Для решения поставленной задачи предложено устройство для определения оптических характеристик тканей головного мозга, содержащее оптически связанные пикосекундный лазер, световод-источник зондирующего излучения, световод-приемник рассеянного излучения, детектор в виде МКПФЭУ и систему обработки информации.

Новым, по мнению авторов, является то, что устройство дополнительно снабжено генератором затворного импульса, электрически связанным с МКПФЭУ, и вторым детектором в виде пикосекундного фотодиода, оптически связанного со световодом-приемником и электрически связанного со сканирующим строб-интегратором.

Предлагаемое устройство изображено на чертеже.

Устройство содержит оптически связанные пикосекундный лазер 1, световод-источник зондирующего излучения 2, световод-приемник рассеянного излучения 3, детектор в виде МКПФЭУ 7, детектор в виде пикосекундного диода 8, а также генератор затворного импульса 9, электрически связанный с МКПФЭУ, сканирующий строб-интегратор 10, электрически связанный с пикосекундным диодом, и систему обработки информации 11.

Устройство работает следующим образом. Импульс лазера 1 с помощью волоконно-оптического световода 2 направляется на поверхность черепной коробки 3. Импульс излучения распространяется, рассеиваясь и поглощаясь в покровных тканях и кости черепа, тканях головного мозга. Излучение, рассеянное в направлении, близком к обратному, улавливается с помощью волоконно-оптического световода 3 и подается на фотоприемники 7 и 8. Излучение, рассеянное покровными тканями и костью черепа, регистрируют пикосекундным диодом 8, а слабый сигнал от тканей головного мозга регистрируют МКПФЭУ 7 в режиме счета фотонов, включение которого задержано на время регистрации сигнала рассеяния от тканей черепа.

Включение МКПФЭУ осуществляется подачей затворного импульса с длительностью фронта не хуже 50 пс от генератора 9.

Сигнал пикосекундного диода стробируется сканирующим строб-интегратором 10 с окном стробирования ~100 пс и временным сдвигом 5 пс. Это позволяет получить форму импульса диода с точностью во времени не хуже 5 пс.

Регистрация сигнала обратного рассеяния от покровных тканей и кости черепа позволит определить их оптические параметры - показатель поглощения, рассеяния и фактор анизотропии рассеяния, а также, по длительности сигнала рассеяния, - толщину черепной коробки в области зондирования. Лазерное излучение, обратнорассеянное тканями головного мозга, проходит через покровные ткани и кость черепа, толщина и оптические характеристики которых известны, что позволит скорректировать сигнал рассеяния от тканей головного мозга посредством вычитания потерь на поглощение и рассеяние в кости черепа и покровной ткани и значительно (2-4 раз) увеличить точность определения оптических характеристик тканей головного мозга.

Литература

1. Suzuki A., Susumu S. Method and Means for Measurement of Biochemical Components. // US Patent №5632273 от 27.05.1997.

2. B.Change. Comparison of Time - Resolved and - Unresolved Measurements of Deoxyhemoglobin in Brain. // Proc. Natl. Acad. Sci., v.85, pp.4971-4975, 1988.

3. F.Bevilacqua, D.Piquet et al. // Applied Optics. v.38. p.4939-4950.

4. A.Liebert, H.Wabnitz, J.Steinbrink et al. // Applild. Optics. V.43. P.3037-3047.

Устройство для определения оптических характеристик тканей головного мозга, содержащее оптически связанные пикосекундный лазер, световод-источник зондирующего излучения, световод-приемник рассеянного излучения, детектор в виде фотоэлектронного умножителя на основе микроканальной пластинки (МКПФЭУ) и систему обработки информации, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено сканирующим стробинтегратором, генератором затворного импульса, электрически связанным с МКПФЭУ, и вторым детектором в виде пикосекундного фотодиода, оптически связанного со световодом-приемником и электрически связанного со сканирующим стробинтегратором.