Оптоволоконное устройство для регистрации флуоресценции

Оптоволоконное устройство для регистрации флуоресценции

Реферат

Изобретение относится к устройствам для регистрации флуоресценции локальных областей объектов спектральных медицинских исследований, в частности для идентификации кариеса, зубного налета, бактериальной инфекции, конкреций, зубного камня и иных флуоресцирующих компонентов на зубах, и может быть использовано для спектральной диагностики внутренних и поверхностных областей различных биологических сред.

Известно устройство для распознавания кариеса, зубного налета, бактериальной инфекции на зубах, содержащее источник излучения, делитель оптического пучка, спектральный фильтр, фотоприемник флуоресцентного излучения, линзовую систему для ввода излучения в оптический волновод, направляющий стимулирующее излучение к объекту исследований и фокусировки на входе фотоприемника флуоресцентного излучения, возвращающегося от объекта исследований по оптическому волноводу (См. DEVICE FOR THE RECOGNITION OF CARIES, PLAQUE OR BACTERIAL INFECTION OF TEETH Patent No.: US 6,053,731 Date of Patent: Apr. 25, 2000).

Недостатком данного устройства является разделение оптических волноводов по функциональному признаку: на волновод, направляющий стимулирующее излучение к объекту исследований и группу волноводов, собирающих излучение флуоресценции и направляющих его через линзовую систему и делитель оптического пучка через фильтр к фотоприемнику. В данной конструкции необходимо обеспечить с высокой точностью оптимальное расстояние от торцов оптических волноводов до поверхности объекта. Вариации этого расстояния приведут к большим изменениям уровня регистрируемого флуоресцентного излучения. В случае контактных исследований группа собирающих излучение флуоресценции волноводов будет функционировать с низкой эффективностью.

Наиболее близким по конструкции и назначению является устройство для идентификации кариеса, зубного налета, бактериальной инфекции, конкреций, зубного камня и иных флуоресцирующих компонентов на зубах, содержащее делительную призму для разделения пучка источника стимулирующего флуоресценцию излучения, направляемого по оптическому волноводу к объекту и возвращающегося по тому же волноводу излучения флуоресценции, направляемого делительной призмой к спектрофотометру и проходящего через светофильтр, содержащее также линзовую систему ввода стимулирующего излучения в оптический волновод и излучения флуоресценции в спектрофотометр (См. DEVICE FOR IDENTIFYING CARIES, PLAQUE, BACTERIAL INFECTION, CONCRETIONS, TARTAR FND OTHER FLUORESCENT SUBSTANCES ON TEETH Patent No.: US 6,561,802 B2 Date of Patent: May 13, 2003).

Недостатком данного устройства являются повышенные потери излучения флуоресценции, возникающие из-за отражения на плоской поверхности полусферической линзы. Потери на отражение могут отсутствовать лишь при условии, когда падающее излучение является поляризованным и падает на плоскую поверхность в виде коллимировонного пучка под углом Брюстера, причем плоскость поляризации ориентирована таким образом, что электрический вектор отраженной волны не имеет составляющей в плоскости падения (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: «Наука», 1970. С.66-69). В известном устройстве эти условия не выполняются: пучки стимулирующего излучения и флуоресцентного излучения в плоскости деления не являются коллимированными и поляризационные параметры падающего флуоресцентного излучения не могут соответствовать требуемым условиям отсутствия потерь. Кроме того, выполнение упомянутых условий, при которых отсутствуют потери, возможно только для одной, заранее выбранной частоты флуоресценции, определяющей конструкцию устройства, что существенно ограничивает возможность применения подобного устройства в других спектральных диапазонах флуоресценции.

Техническим результатом изобретения является возможность снижения потерь при прохождении излучения от источника флуоресценции до спектрофотометра в сравнение с известным устройством. Кроме того, достигаемое снижение потерь не зависит от спектральных диапазонов стимулирующего излучения и излучения флуоресценции.

Данный технический результат достигается тем, что согласно изобретению делительная призма выполнена с зеркальным покрытием, нанесенным на ее светоотражающую поверхность, размещенную внутри призмы на части апертуры пучка излучения флуоресценции, расположенную на пути распространения пучка стимулирующего излучения и отражающую пучок стимулирующего излучения полностью.

Часть стимулирующего излучения, отраженная от исследуемого объекта, задерживается фильтром, расположенным между призмой и спектрофотометром.

Для минимизации потерь флуоресцентного излучения согласно изобретению апертурный угол оптического волновода, и, соответственно, апертура пучка флуоресцентного излучения в области делительной призмы должна быть существенно больше апертурного угла и апертуры светового пучка в области призмы, вводимого в волновод стимулирующего флуоресценцию излучения. При этом апертура зеркального покрытия, соответствующая апертуре пучка стимулирующего излучения, будет минимальной, что позволит лишь незначительной части энергии пучка флуоресценции отразиться от зеркальной поверхности и не попасть в спектроанализатор.

Согласно изобретению оптический волновод, контактирующий с объектом спектральных медицинских исследований, для удобства эксплуатации вмонтирован в оправу в виде стерилизуемого инструмента для контактных исследований.

Оптический волновод, контактирующий с объектом спектральных медицинских исследований, согласно изобретению вмонтирован в оправу в виде стерилизуемого инструмента для контактных исследований и имеет в области контактирования плоскость шлифовки, нормаль к которой составляет угол с осью волновода, превышающий предельный угол ввода излучения в этот волновод. Это условие позволяет исключить зеркальную составляющую стимулирующего излучения, отраженную от торца оптического волновода.

Для выполнения инвазивных спектральных медицинских исследований биологических сред оптический волновод согласно изобретению вмонтирован в иглу и имеет конфигурацию скоса иглы. Это позволяет, выполняя соответствующие требования к инструменту по возможности его стерилизации, осуществить спектральные медицинские исследования в объеме биологических сред.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана конструкция оптоволоконного устройства для регистрации флуоресценции.

Устройство для регистрации флуоресценции локальных областей объектов спектральных медицинских исследований содержит делительную призму 1 для разделения пучка источника стимулирующего флуоресценцию излучения 2, направляемого по оптическому волноводу 3 к объекту 4 и возвращающегося по тому же волноводу излучения флуоресценции, направляемого делительной призмой к спектрофотометру 5 и проходящего через светофильтр 6, содержащее также линзу 7 ввода стимулирующего излучения в оптический волновод и линзу 8 ввода излучения флуоресценции в спектрофотометр. Делительная призма выполнена с зеркальным покрытием 9, нанесенным на его светоотражающую поверхность, размещенную внутри призмы на части апертуры пучка излучения флуоресценции, расположенную на пути распространения пучка стимулирующего излучения 10.

Работа устройства для регистрации флуоресценции локальных областей объектов спектральных медицинских исследований (см. чертеж) осуществляется следующим образом. Коллимированное излучение источника 2, спектр которого выбран в соответствии с условиями возбуждения излучения флуоресценции объекта, после преобразования волнового фронта линзой 7 проходит через плоскую грань внутрь призмы 1 и отражается от зеркальной поверхности 9. Отраженное от зеркальной поверхности 9 излучение выходит из призмы 1 через плоскую грань и фокусируется на торце оптического волновода 3. Введенное в волновод излучение распространяется по волноводу и поглощается объектом исследований 4, контактирующим с торцом волновода. Если торец волновода 3, контактирующий с объектом 4, выполнен со скосом, угол которого достаточен для вывода из волновода зеркальной составляющей отраженного от границы волновода стимулирующего излучения, то это приведет к уменьшению уровня зеркальной составляющей в излучении, возвращающемся по волноводу 3 к призме 1. Излучение флуоресценции анализируемых компонентов исследуемой области объекта, возбуждаемых стимулирующим излучением, вводится в волновод с максимальной эффективностью в диапазоне углового спектра, соответствующего апертурному углу волновода. Наряду с возбуждаемым излучением флуоресценции по волноводу возвращается и часть стимулирующего излучения, отраженного от объекта. Эта составляющая поглощается фильтром 6. Излучение флуоресценции попадает на грань призмы с угловым спектром, соответствующим апертурному углу волновода. Выбирается многомодовый оптический волновод, для которого этот угол может быть достаточно большим. Вследствие этого на грань призмы попадает пучок излучения флуоресценции, совпадающей по апертуре с апертурой призмы 1, который почти без потерь поступает на вход спектрофотометра 5 после фокусировки линзой 8. Фильтр 6 поглощает составляющую стимулирующего излучения. Часть излучения флуоресценции теряется вследствие отражения от зеркальной области 9, площадь которой должна быть минимальной по отношению к площади апертуры пучка флуоресценции, проходящего через призму.

1. Оптоволоконное устройство для регистрации флуоресценции локальных областей объектов спектральных медицинских исследований, содержащее делительную призму для разделения пучка источника, стимулирующего флуоресценцию излучения, направляемого по оптическому волноводу к объекту и возвращающегося по тому же волноводу излучения флуоресценции, направляемого делительной призмой к спектрофотометру и проходящего через светофильтр, содержащее также линзовую систему ввода стимулирующего излучения в оптический волновод и излучения флуоресценции в спектрофотометр, отличающееся тем, что делительная призма выполнена с зеркальным покрытием, нанесенным на его светоотражающую поверхность, размещенную внутри призмы на части апертуры пучка излучения флуоресценции, расположенную на пути распространения пучка стимулирующего излучения и отражающую пучок стимулирующего излучения полностью.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что апертурный угол оптического волновода больше апертурного угла вводимого в волновод светового пучка, стимулирующего излучение флуоресценции.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический волновод, контактирующий с объектом спектральных медицинских исследований, вмонтирован в оправу в виде стерилизуемого инструмента для контактных исследований.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический волновод, контактирующий с объектом спектральных медицинских исследований, вмонтирован в оправу в виде стерилизуемого инструмента для контактных исследований и имеет в области контактирования плоскость шлифовки, нормаль к которой составляет угол с осью волновода, превышающий предельный угол ввода излучения в этот волновод.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический волновод вмонтирован в иглу и имеет конфигурацию скоса иглы для инвазивных спектральных медицинских исследований биологических сред.