Устройство упругой поляризационной спектроскопии

Устройство упругой поляризационной спектроскопии

Реферат

Изобретение относится к медицине, в частности к медицинской диагностике, и может быть использовано для исследования покровных тканей, в том числе и для исследования слизистых и серозных оболочек внутренних органов.

В последнее время в связи с бурным развитием оптических технологий наблюдается их активное проникновение и применение в медицине. Появляются и развиваются новые методы, исследующие различные оптические характеристики биоткани. С точки зрения ранней диагностики раковых заболеваний слизистых основной интерес представляют изменения, протекающие в поверхностном (эпителиальном) слое биоткани. Для анализа этих изменений можно использовать спектральные зависимости упруго рассеянного излучения от эпителия. Существенной проблемой в данном случае является выделение рассеяния от эпителия на мощном диффузном фоне, приходящем из стромы. Анализ спектральной зависимости выделенной упругой компоненты рассеяния от эпителия позволяет определять, например, плотность и характерные размеры ядер клеток эпителия. С другой стороны, существуют заболевания (например, склеродермия), которые протекают с существенными изменениями в строме. Следовательно, в данном случае необходимо выделять и анализировать рассеяние от стромы. Таким образом, существует задача и ряд методов для регистрации, разделения и последующего анализа рассеянного излучения от эпителия и стромы. Данная информация может быть непосредственно использована для диагностических целей. С технической точки зрения оптические схемы практических реализации этих методов могут включать как дискретные, так и волоконно-оптические элементы для передачи и сбора излучения.

Известно устройство для оптического измерения характеристик биоткани в волоконно-оптическом исполнении (патент US 6091984, МПК⁷ А 61 В 5/00, опубл. 18.07.2000), включающее в себя широкополосный источник излучения, волоконно-оптический зонд, состоящий из двух волокон: одно для подсветки, другое для сбора рассеянного от ткани излучения, детекторную систему для приема излучения, компьютер для хранения, обработки и вывода спектра на экран. Когда излучение попадает в эпителиальный слой биоткани, часть его рассеивается клетками эпителия, остальная часть распространяется в более глубокие слои, где оно претерпевает многократное рассеяние. Не поглощенное биотканью и рассеянное назад излучение возвращается на поверхность биоткани. Таким образом, вышедшее излучение кроме информации об эпителии содержит большой фон. Этот фон теоретически рассчитывается и вычитается из общего излучения. Недостатком данного устройства является то, что при теоретическом расчете не учитываются индивидуальные свойства биоткани, а используются известные справочные значения. Полученные результаты нельзя считать точными, полностью учитывающими влияние фона и специфические характеристики объекта.

Известно устройство для рассеивающей поляризационной спектроскопии биоткани (патент US 6404497, МПК⁷ G 01 J 4/00, опубл. 11.06.2002), использующее поляризованное излучение для измерения характеристик биоткани. Используется широкополосный источник, излучение которого направляется посредством воздушно-оптической системы через поляризатор и делитель луча на биоткань. Рассеянное от биоткани излучение, поляризованное в двух ортогональных плоскостях, проходя через делитель луча, направляется на поляризационный делитель луча, после которого взаимно перпендикулярные компоненты поступают на два канала спектрографа. Так как эпителий оптически тонок, то, проходя через него, излучение однократно рассеивается, не изменяя поляризации. Проходя в строму, излучение подвергается многократному рассеянию и деполяризуется, в результате чего содержащаяся в отраженном от стромы излучении компонента той же поляризации, что и исходное излучение, и ей перпендикулярная компонента равны. Поэтому, вычитая из компоненты излучения с первоначальной поляризацией компоненту, пришедшую с перпендикулярной поляризацией, получают информацию об интересующем эпителиальном слое.

В отличие от предыдущего, в данном известном устройстве использование поляризованного излучения позволяет убрать фон нижележащих слоев из общего излучения, то есть компонента от эпителия получается непосредственно из измерений, а не вычисляется теоретически. Однако воздушно-оптическое исполнение данного устройства неудобно для широкого применения в медицинской диагностике, так как требует точной настройки каждого элемента устройства и соблюдения особых условий окружающей среды. Данное исполнение также исключает возможность исследования тканей внутри тела из-за невозможности совмещения с эндоскопическим оборудованием.

Известно другое исполнение данного устройства, в котором излучение передается по оптическим волокнам. Одно оптическое волокно используется для подсветки исследуемой биоткани и шесть оптических волокон - для сбора рассеянного излучения. Однако большое количество оптических волокон для передачи и сбора излучения также не позволяет с его помощью проводить внутриполостные исследования.

Ближайшим аналогом разработанного устройства является устройство для упругой поляризационной отражательной спектроскопии, используемое в медицинской диагностике тканей, известное по патенту US 6639674, МПК⁷ G 01 J 4/00, А 61 В 5/00, опубл. 28.10.2003. Устройство содержит широкополосный импульсный источник излучения, оптически соединенный посредством системы линз с изотропным оптическим волокном, используемым для подсветки исследуемого образца и являющимся центральным волокном зонда. При этом зонд включает в себя еще два изотропных оптических волокна для сбора рассеянного образцом излучения. На торцы волокон приклеены два кусочка поляризационной пленки, ориентированных взаимно перпендикулярно, что позволяет обеспечивать подсветку исследуемого образца поляризованным излучением и осуществлять сбор рассеянного излучения в двух ортогональных поляризациях. Волокна для сбора излучения выполнены с возможностью поочередного подключения к приемнику излучения. В качестве приемника излучения используется спектрограф, соединенный с матрицей фотодетекторов, выход которой через АЦП соединен с компьютером.

В отличие от предыдущего устройства в данном устройстве число волокон уменьшено до трех: одно волокно для подсветки и два для сбора двух взаимно перпендикулярных поляризационных компонент. Однако толщина зонда из трех волокон делает невозможным проведение внутриполостных исследований. Более того, поскольку в данном устройстве подсветка и сбор излучения осуществляются тремя разными волокнами, то в результате области подсветки и сбора излучения не совпадают. К тому же параллельная и перпендикулярная компоненты излучения собираются разными волокнами, то есть из разных областей, поэтому информация об эпителии, которая получается в результате вычитания одной компоненты принятого излучения из другой, не является достаточно точной.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка устройства упругой поляризационной спектроскопии, обеспечивающего более точный сбор информации с интересующей области объекта исследований и уменьшение толщины его зонда до размеров, позволяющих проводить внутриполостные исследования.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанное устройство упругой поляризационной спектроскопии так же, как и ближайший аналог, содержит широкополосный источник излучения, участок оптического волокна, используемый для подсветки исследуемого объекта, и зонд, выполненный из оптического волокна. Также устройство содержит участок оптического волокна для передачи рассеянного от исследуемого объекта излучения, приемник излучения, подключенный через АЦП к компьютеру.

Новым в разработанном устройстве является то, что в качестве широкополосного источника излучения использован широкополосный источник линейно поляризованного излучения, между участком оптического волокна, используемым для подсветки исследуемого объекта, и зондом введен волоконно-оптический делитель, соединенный с участком оптического волокна для передачи рассеянного от исследуемого объекта излучения, который в свою очередь посредством поляризационного волоконно-оптического делителя с двумя волоконными выходами для ортогональных поляризационных компонент излучения соединен с приемником излучения, при этом участок оптического волокна, используемый для подсветки исследуемого объекта, расположенный между широкополосным источником излучения и волоконно-оптическим делителем, зонд и участок оптического волокна для передачи рассеянного от исследуемого объекта излучения с волоконно-оптического делителя на поляризационный волоконно-оптический делитель выполнены из поляризационно-сохраняющего волокна, ориентированного таким образом, что одна из его собственных ортогональных мод совпадает с поляризацией широкополосного источника излучения.

В первом частном случае реализации устройство упругой поляризационной спектроскопии включает в качестве волоконно-оптического делителя четырехпортовый волоконно-оптический делитель, в неиспользуемый порт которого поступает часть поляризованного излучения от широкополосного источника, а другая часть излучения через другой порт поступает на исследуемый объект.

Во втором частном случае реализации устройство упругой поляризационной спектроскопии включает в качестве приемника излучения два одноканальных спектрографа.

На чертеже представлена общая схема реализации устройства упругой поляризационной спектроскопии.

Устройство в общем случае реализации содержит широкополосный источник 1 линейно поляризованного изучения, волоконно-оптический делитель 2, зонд 3, поляризационный волоконно-оптический делитель 4, приемник излучения 5, подключенный через АЦП 6 к компьютеру 7. На конце зонда 3, обращенном к исследуемому объекту 8, может находиться линзовая система 9. Участок оптического волокна, используемый для подсветки исследуемого объекта, расположенный между широкополосным источником 1 излучения и волоконно-оптическим делителем 2, зонд 3, участок оптического волокна для передачи рассеянного от исследуемого объекта 8 излучения с волоконно-оптического делителя на поляризационный волоконно-оптический делитель 4 выполнены из поляризационно-сохраняющего волокна 10, ориентированного таким образом, что одна из его собственных ортогональных мод совпадает с поляризацией широкополосного источника 1 излучения.

В конкретной реализации устройства упругой поляризационной спектроскопии для получения линейно поляризованного излучения и совмещения его плоскости поляризации с одной из ортогональных осей поляризационно-сохраняющего волокна 10 были использованы широкополосный источник излучения D-930 Broadlighter производства Superlumdiodes Ltd, г.Москва, Россия, поляризатор Oz Optics FOP-11-11-980-6/125-S-P-40-XX-3-1 и управитель поляризации FPC-100 производства Oz Optics Ltd, США. Также в данной реализации устройства были использованы в качестве поляризационного волоконно-оптического делителя 4 поляризационный волоконно-оптический делитель Oz Optics Ltd, FOBS-12P-111-6/125-PSS-1000-PBS-40-XXX-1-2, а в качестве поляризационно-сохраняющего волокна 10 волокно Fujikura SM98-PS-U25A.

В первом частном случае реализации устройства упругой поляризационной спектроскопии в качестве волоконно-оптического делителя 2 использован четырехпортовый волоконно-оптический делитель Oz Optics Ltd, FOBS-22P-1111-6/125-PPPP-1000-50/50-40-XXXX-1-1. Также в качестве волоконно-оптического делителя 2 может использоваться трехпортовый волоконно-оптический делитель, например, Oz Optics Ltd, FOBS-12P-111-6/125-PPP-1000-50/50-60-XXX-1-1.

Во втором частном случае реализации устройства упругой поляризационной спектроскопии в качестве приемника излучения 5 использованы два одноканальных спектрографа Ocean Optics Inc USB 2000 Miniature Fiber Optic Spectrometer. Также в качестве приемника излучения 5 может использоваться один двухканальный спектрограф, например Ocean Optics Inc MC-2000-2.

Разработанное устройство упругой поляризационной спектроскопии, представленное на чертеже, работает следующим образом.

Линейно поляризованное излучение, поляризация которого совпадает с одной из собственных ортогональных мод поляризационно-сохраняющего волокна 10, от широкополосного источника 1 излучения по участку поляризационно-сохраняющего оптического волокна 10, используемому для подсветки исследуемого объекта 8, попадает в волоконно-оптический делитель 2 и через него по зонду 3 попадает на исследуемый объект 8. Рассеянное от исследуемого объекта 8 излучение содержит две взаимно перпендикулярные поляризационные компоненты, которые по зонду 3 передаются на волоконно-оптический делитель 2, с которого поляризованное излучение передается на поляризационный волоконно-оптический делитель 4, проходя через который поляризационные компоненты разделяются согласно их поляризации. Каждая поляризационная компонента через свой вход поступает на приемник излучения 5, показания которого через АЦП 6 передаются в компьютер 7, где данные хранятся, анализируются и выводятся на экран.

Таким образом, использование одного и того же поляризационно-сохраняющего волокна 10 для подсветки и сбора информации от исследуемого объекта 8 позволяет уменьшить толщину зонда 3 и обеспечить точный сбор информации с интересующей области объекта исследований, то есть позволяет решить поставленную задачу.

Особенностью работы предлагаемого устройства, описанного в п.2 формулы, является то, что излучение от широкополосного источника 1 по участку поляризационно-сохраняющего оптического волокна 10, используемого для подсветки исследуемого объекта 8, попадает в первый порт четырехпортового волоконно-оптического делителя 2. Часть поляризованного излучения попадает в неиспользуемый второй порт четырехпортового волоконно-оптического делителя 2, торец волокна которого скалывается под углом, чтобы исключить отражение. Другая часть поляризованного излучения через третий порт четырехпортового волоконно-оптического делителя 2 по зонду 3 попадает на исследуемый объект 8. Рассеянное от исследуемого объекта 8 излучение содержит две взаимно перпендикулярные поляризационные компоненты, которые по зонду 3 передаются на третий порт четырехпортового волоконно-оптического делителя 2, с которого поляризованное излучение передается через четвертый порт на поляризационный волоконно-оптический делитель 4. Далее работа данного варианта разработанного устройства совпадает с работой устройства по п.1 формулы, описанной выше. Также неиспользуемый второй порт можно использовать для контроля мощности и спектрального состава излучения, попадающего на исследуемый объект 8.

Во втором частном случае реализации устройства упругой поляризационной спектроскопии по п.3 его работа совпадает с работой устройства по п.1 до того, как разделенные в поляризационном волоконно-оптическом делителе 4 поляризационные компоненты поступают на два одноканальных спектрографа, показания которых через АЦП 6 передаются в компьютер 7. Таким образом, использование двух одноканальных спектрографов позволяет одновременно принимать поляризационные компоненты в отличие от аналога, в котором использовался один одноканальный спектрограф.

Область применения разработанного устройства может быть весьма широкой благодаря более высокой точности по сравнению с аналогами. К тому же существенное уменьшение толщины зонда позволяет более широко применять устройство в медицинской диагностике.

1. Устройство упругой поляризационной спектроскопии, содержащее широкополосный источник излучения, участок оптического волокна, используемый для подсветки исследуемого объекта, зонд, выполненный из оптического волокна, участок оптического волокна для передачи рассеянного от исследуемого объекта излучения, приемник излучения, подключенный через АЦП к компьютеру, отличающееся тем, что в качестве широкополосного источника излучения использован широкополосный источник линейно поляризованного излучения, между участком оптического волокна, используемым для подсветки исследуемого объекта, и зондом введен волоконно-оптический делитель, соединенный с участком оптического волокна для передачи рассеянного от исследуемого объекта излучения, который в свою очередь посредством поляризационного волоконно-оптического делителя с двумя волоконными выходами для ортогональных поляризационных компонент излучения соединен с приемником излучения, при этом участок оптического волокна, используемый для подсветки исследуемого объекта, расположенный между широкополосным источником излучения и волоконно-оптическим делителем, зонд и участок оптического волокна для передачи рассеянного от исследуемого объекта излучения с волоконно-оптического делителя на поляризационный волоконно-оптический делитель выполнены из поляризационно-сохраняющего волокна, ориентированного таким образом, что одна из его собственных ортогональных мод совпадает с поляризацией широкополосного источника излучения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве волоконно-оптического делителя использован четырехпортовый волоконно-оптический делитель, в неиспользуемый порт которого поступает часть поляризованного излучения от широкополосного источника, а другая часть излучения через другой порт поступает на исследуемый объект.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве приемника излучения использованы два одноканальных спектрографа.