Устройство для исследования микроциркуляции крови

Устройство для исследования микроциркуляции крови

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство для исследования интенсивности микроциркуляции крови включает блок формирования некогерентного изображения с предметной плоскостью, предназначенной для размещения исследуемого объекта, первый блок регистрации флуктуации интенсивности спекл-поля, включающий фотодетектор, усилитель и аналого-цифровой преобразователь, соединенный с блоком обработки выходного сигнала. Устройство содержит второй блок регистрации флуктуации интенсивности спекл-поля, при этом флуктуации интенсивности рассеянного излучения регистрируются с помощью двух пространственно разделенных фотодетекторов, расположенных над предметной плоскостью в дальней зоне дифракции симметрично относительно оптической оси устройства, и аналого-цифровые преобразователи блоков регистрации соединены с компьютером. Технический результат - повышение чувствительности измерений. 1 ил.

Изобретение относится измерительной технике и может найти применение в биологии, медицине при проведении диагностики состояния микроциркуляции крови и оценке кровенацолненности различных слоев биотканей, например, для диагностики степени выраженности пародонтита.

Термин "интенсивность микроциркуляции крови" достаточно часто используется в литературе, особенно зарубежной. В качестве примера можно привести статью К.Wardell. Н.К.Naver. G.E.Nilsson. B.G.Wallin, "The Cutaneous Vascular Axon Reflex In Humans Characterized by Laser Doppler Perfusion Imaging", Journal of Physiology, 460, pp.185-199. 1993.

Как правило этот термин употребляется в тех случаях, когда состояние микроциркуляции крови сложно охарактеризовать с помощью показателей, основанных на прямых измерениях (таких как средняя скорость кровотока, среднеквадратичный разброс скоростей эритроцитов, перфузия и т.д.). Поэтому при проведении допплеровкой или спекл-интерференционной диагностики потоков крови часто используются характеристики, полученные на основе косвенных измерений. К числу последних относится ширина спектра флуктуации доплеровского сигнала, либо его первый спектральный момент. Считается, что эти показатели линейно связаны со скоростями движения эритроцитов. Однако на упомянутые характеристики оказывает влияние не только средняя скорость, но также и разброс скоростей эритроцитов, распределение микрососудов по диаметрам в исследуемом объеме, перфузия, оптические свойства неподвижных рассеивающих биотканей и условия облучения анализируемого участка кожи или слизистой оболочки. Поэтому термин "интенсивность микроциркуляции" используется для качественной оценки общего состояния микроциркуляции крови, и отражает целую совокупность признаков (перфузия, скорость микроциркуляции и кровенаполценность).

Известно устройство для измерения скорости движения диффузно-рассеивающих объектов, включающее источник когерентного излечения, объектив, амплитудный с вето делитель, первый и второй оптические сканаторы, двухканальный фотоприемный блок и электронный блок обработки сигнала (Патент RU №1474551, МПК G 01 P 3/36).

Однако данное устройство не обеспечивает требуемой разрешающей способности. Данным устройством можно определять лишь интегральные характеристики микроциркуляции крови, в то время как при лечении стоматологических заболеваний требуется применение высокоразрешающих диагностических систем.

Известен корреляционный измеритель скорости, включающий в себя оптический излучатель, объектив, пару фотоприемников, размещенных в фокальной плоскости фотообъектива, два усилителя, два аналогово-цифровых преобразователя (АЦП), аналоговый коррелятор. (АС СССР №1675782, МПК G 01 P 3/68).

Однако данное устройство может быть использовано только для определения скорости движения шероховатых поверхностей, и не может быть применено для измерения скоростей рассеивателей в объемных средах, следовательно и для определения микроциркуляции крови в слизистой оболочке полости рта.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для исследования микроцирхуляции крови - спекл-микроскоп, содержащий источник когерентного оптического излучения, светоделительный элемент, систему формирования некогерентного изображения, имеющую предметную плоскость и плоскость изображения, микрообъектив, установленный с возможностью обеспечения острой фокусировки излучения и совмещения плоскости перетяжки пучка с предметной плоскостью микроскопа, блок регистрации флуктуации интенсивности спекл-поля, включающий последовательно соединенные фотодетектор, усилитель и устройство обработки выходною сигнала спекл-микроскопа (Sergey Ulyanov. High resolution speckle-microscopy: study of the spatial structure of a bioflow. Physiological Measurements. 22, 681-691, 2001).

Однако данный спекл-микроскоп характеризуется малым соотношением сигнал/шум, которое существенным образом снижает чувствительность устройства, поскольку при многократном рассеянии света в кровесодержащих тканях контраст образующихся спеклов очень мал. Это означает, что переменная составляющая флуктуации интенсивности рассеянного света, связанная с динамикой спеклов и несущая при этом полезную информацию о скорости движения рассеивателей, много меньше постоянной составляющей света. Высокий уровень постоянной засветки вызывает шумы фотодетекторов (и, кроме этого, передает на фотодетектор все собственные шумы лазера). Таким образом, в измерительном сигнале содержится две переменные составляющие: полезный сигнал, обусловленный движением рассеивателей, и шумы фоторегистрации. При этом мощность и спектральный состав как шума, так и полезного сигнала весьма близки по своим характеристикам.

Задачей изобретения является повышение чувствительности устройства при улучшении качественных характеристик измерительного сигнала за счет снижения уровня внешних шумов.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для исследования интенсивности микроциркуляции крови, включающее блок формирования некогерентного изображения с предметной плоскостью, предназначенной для размещения исследуемого объекта, первый блок регистрации флуктуации интенсивности спекл-поля, включающий фотодетектор, усилитель и аналого-цифровой преобразователь, соединенный с блоком обработки выходного сигнала, согласно изобретению, введен второй блок регистрации флуктуации интенсивности спекл-поля, при этом флуктуации интенсивности рассеянного излучения регистрируются с помощью двух пространственно разделенных фотодетекторов, расположенных над предметной плоскостью в дальней зоне дифракции симметрично относительно оптической оси устройства, аналого-цифровые преобразователи блоков регистрации соединены с компьютером, в который через плату захвата видеоизображения вводится изображение исследуемого объекта и с помощью которого производится обработка временных флуктуации интенсивности спекл-поля.

Изобретение поясняется чертежом на примере блок-схемы спекл-микроскопа. Позициями на чертеже обозначены:

1 - источник когерентного оптического излучения, например лазер,

2 - микрообъектив,

3 - светоделительный элемент,

4 - блок формирования некогерентного изображения,

5 - микрообъектив блока формирования некогерентного изображения,

6 - видеокамера блока формирования некогерентного изображения,

7 - блок обработки выходного сигнала, например, компьютер, содержащий плату захвата видеоизображения,

8 - предметная плоскость блока формирования некогерентного изображения, в которой размещают исследуемый объект,

9 - осветитель блока формирования некогерентного изображения,

10, 14 - блоки регистрации флуктуации интенсивности спекл-поля,

11, 15 - фотодетекторы блоков регистрации,

12, 16 - усилители фототока блоков регистрации,

13, 17 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Спекл-микроскоп содержит источник когерентного оптического излучения 1, например лазер, светоделительный элемент 3, перед которым установлен микрообъектив 2, блок формирования некогерентного изображения 4, включающую в себя микрообъектив 5, связанный с видеокамерой 6, и осветитель 9. Видеокамера 6 соединена с компьютером 7 через плату захвата видеоизображения. Спекл-микроскоп снабжен двумя блоками 10 и 14 регистрации флуктуации интенсивности спекл-поля, каждый из которых состоит из последовательно соединенных фотодетектора 11 или 15, усилителя 12 или 16, и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 13 или 17. АЦП каждого блока регистрации флуктуации интенсивности спекл-поля также соединен с компьютером 7. Светоделительный элемент 3 расположен между микрообъективом 5 и видеокамерой 6. Фотодетекторы 11 и 15 расположены над предметной плоскостью 8, совмещенной с плоскостью перетяжки пучка, в которую помещают исследуемый объект.

Для оценки интенсивности микроциркуляции крови обычно используется первый спектральный момент

где S(f) - усредненная спектральная плотность временных реализации сигналов, зарегистрированных фотодетекторами, f - спектральная частота.

Использование данной формулы позволяет избежать влияния статистический ошибки выборки при определении интенсивности микроциркуляции крови.

Величина K₁ может быть вычислена с помощью специальных компьютерных программ. При промышленном использовании заявляемого устройства, в каждый из блоков регистрации спекл-микроскопа целесообразно ввести микропроцессоры, реализующие алгоритм (1).

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 с помощью микрообъективов 2 и 5 и светоделительного элемента 3 фокусируют на предметную плоскость 8, совмещенной с плоскостью перетяжки лазерного пучка, в которой размещают анализируемый объект. Совмещения плоскостей добиваются с помощью выбора числовой апертуры микрообъектива 2 и его расположением относительно лазера и микрообъектива 5. При этом анализируемый объект освещают источником некогерентного света 9. Флуктуации интенсивности рассеянною излучения регистрируются с помощью двух пространственно разделенных фото детекторов 11 и 15 Видеокамерой 6, соединенной с микрообъективом 5, регистрируют изображение анализируемого объекта, которое вводят в компьютер 7 посредством платы захвата видео изображения.

Фотодетектор 11 вместе с усилителем 12 и АЦП 13 входит в состав первого блока регистрации флуктуации интенсивности спекл-поля. Аналогичную цепочку образует фотодетектор 15, усилитель 16 и АЦП 17, которая соответственно входит в состав второго блока регистрации флуктуации интенсивности спекл-поля. АЦП 13 и 17 соединены с компьютером, с помощью которого производят дальнейшую обработку временных флуктуации интенсивности спекл-поля. Фотодетекторы 11 и 15 расположены пал предметной плоскостью 8 блока формирования некогерентного изображения в дальней зоне дифракции симметрично относительно оптической оси спекл-микроскопа.

Подобная конструкция, содержащая два блока измерения флуктуации интенсивности спекл-поля, позволяет применять алгоритмы подавления шумов. основанных на вычитании измерительных сигналов, формирующихся в первом и втором блоках соответственно. Симметричное расположение фотодетекторов блоков обработки относительно оптической оси приводит к тому, что шумы лазера и сигнала внешних оптических помех становятся идентичными. Т.о. вычитание сигналов позволяет устранить влияние собственных шумов лазера и внешних световых помех на формирование выходного сигнала спекл-микроскопа.

Формула изобретения

Устройство для исследования интенсивности микроциркуляции крови, включающее блок формирования некогерентного изображения с предметной плоскостью, предназначенной для размещения исследуемого объекта, первый блок регистрации флуктуации интенсивности спекл-поля, включающий фотодетектор, усилитель и аналого-цифровой преобразователь, соединенный с блоком обработки выходного сигнала, отличающееся тем, что устройство содержит второй блок регистрации флуктуаций интенсивности спекл-поля, при этом флуктуации интенсивности рассеянного излучения регистрируются с помощью двух пространственно разделенных фотодетекторов, расположенных над предметной плоскостью в дальней зоне дифракции симметрично относительно оптической оси устройства, аналого-цифровые преобразователи блоков регистрации соединены с компьютером, в который через плату захвата видеоизображения вводится изображение исследуемого объекта и с помощью которого производится обработка временных флуктуаций интенсивности спекл-поля.

РИСУНКИ