Устройство для спектрально-флуоресцентного исследования содержания флуорохромов

Устройство для спектрально-флуоресцентного исследования содержания флуорохромов

Реферат

Настоящее устройство относится к биомедицине, а более конкретно к устройствам для спектрально-флуоресцентного исследования содержания экзогенных флуорохромов (в частности, флуоресцирующих препаратов, например фотосенсибилизаторов) в биоткани, в частности в органах и тканях экспериментальных животных при исследованиях фармакокинетики и биораспределения.

При исследованиях фармакокинетики и биораспределения необходимо быстро и точно определять содержание введенного флуоресцирующего препарата в разных органах и тканях лабораторных животных, при том, что разница значений концентрации препарата в них может доходить до двух порядков (например, между плазмой крови или печенью, с одной стороны, и мышцами или кожей, с другой стороны). Поскольку при изучении биораспределения и концентрации измерения интенсивности флуоресценции происходят через отличающиеся по длительности интервалы времени после введения (от нескольких секунд или минут до недели), концентрация изучаемого препарата вследствие его элиминации также может изменяться в широких пределах (вплоть до двух порядков). Для адекватной оценки интегральной интенсивности и спектральной формы полосы флуоресценции важно, чтобы было обеспечено пропорциональное аналогово-цифровое преобразование как спектрального максимума, так и фронтов спектральной полосы, интенсивность которых может отличаться, по крайней мере, на порядок. Наконец, в несколько раз может отличаться доза, вводимая в разных опытах. Таким образом, для адекватного аппаратурного обеспечения необходимо с достаточно высокой точностью и линейностью проводить исследования сигналов флуоресценции, отличающихся более чем на 3 порядка.

Известно устройство для спектрально-флуоресцентного исследования содержания экзогенных флуорохромов, например, фотосенсибилизаторов, включающее источник света для возбуждения флуоресценции, в частности, лазер, спектрально-селективное устройство, в частности, полихроматор, оптическую систему для передачи возбуждающего излучения на изучаемый объект и передачи излучения флуоресценции на вход спектрально-селективного устройства, в частности, оптоволоконный зонд, содержащий осветительные световоды для доставки к биоткани возбуждающего излучения и приемные световоды для доставки излучения флуоресценции от биоткани на вход полихроматора, матричный фотоприемник на выходе спектрально-селективного устройства, в частности, ПЗС или КМОП-линейку, систему регистрации сигнала от каждой из ячеек фотоприемника, пропорционального ее заряду, включающую стандартное устройство сопряжения сигнала с компьютером (как правило, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)) и персональный компьютер (ПК) [ДА Рогаткин. Физические основы лазерной клинической флюоресцентной спектроскопии in vivo. Медицинская физика, 2014, №4, с. 78- 95].

Известно также устройство для спектрально-флуоресцентного исследования содержания экзогенных флуорохромов, например, фотосенсибилизаторов, включающее источник света для возбуждения флуоресценции, в частности, лазер, спектрально-селективное устройство, в частности, полихроматор, оптическую систему для передачи возбуждающего излучения на изучаемый объект и передачи излучения флуоресценции на вход спектрально-селективного устройства, в частности, оптоволоконный зонд, содержащий осветительные световоды для доставки к биоткани возбуждающего излучения и приемные световоды для доставки излучения флуоресценции от биоткани на вход полихроматора, матричный фотоприемник на выходе спектрально-селективного устройства, в которой система регистрации сигнала от каждого из ячеек фотоприемника, пропорционального ее заряду, включает аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) для оцифровки сигнала фотоприемника и персональный компьютер (ПК) [Ю.В. Бажанов, Г.Л. Даниелян, С.Н. Марков. Разработка малогабаритного модульного спектрометра. Сборник трудов 7 международной конференции «Прикладная оптика-2006», т. 3, с. 139-143]. При проведении спектрально-флуоресцентного исследования с использованием известного устройства излучение с выхода лазера вводится в осветительный световод оптоволоконного зонда. Выходя из дистального конца осветительного световода, это излучение облучает биологическую ткань, содержащую флуорохром, и инициирует флуоресценцию его молекул, интенсивность характеристической полосы которой, в первом приближении, пропорциональна содержанию флуорохрома в биоткани. Система передачи излучения флуоресценции передает это на вход спектрально-селективного устройства, где происходит спектральное разложение этого излучения, после чего оно попадает на матричный фотоприемник. Сигнал с выхода линейки поступает на АЦП. ПК из поступающих с выхода АЦП цифровых данных, соответствующих интенсивности сигнала из каждой ячейки линейки, и номеров ячеек линейки, которым поставлена в соответствии с результатами калибровки определенная длина волны, формирует спектральную кривую (зависимость интенсивности от длины волны), которая отображается на мониторе ПК.

Динамический диапазон известных устройств определяется, в основном, диапазоном линейности фотоприемника. При высоких уровнях световых потоков, падающих на ячейку фотоприемника, может происходить зарядовое насыщение сигнала этой и прилегающих ячеек фотоприемника; при низких уровнях сигнал, связанный с падающим световым потоком, может оказаться малоразличимым на фоне аппаратных шумов устройства, в первую очередь - тепловых шумов фотоприемника. Из-за этого динамический диапазон известных устройств не превышает, как правило, двух порядков, что заметно меньше требований, которые были бы адекватными задаче точных исследований фармакокинетики и биораспределения флуоресцирующих препаратов. Это является основным недостатком известных устройств, существенно снижающим точность исследований.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в недостаточной точности исследований фармакокинетики и биораспределения фотосенсибилизаторов.

Техническим результатом является расширение динамического диапазона измерений интенсивности флуоресценции устройства для спектрально-флуоресцентного исследования содержания флуорохромов.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для спектрально-флуоресцентного исследования содержания экзогенных флуорохромов, включающем источник света для возбуждения флуоресценции, спектрально-селективное устройство, оптическую систему для передачи возбуждающего излучения на изучаемый объект и передачи излучения флуоресценции на вход спектрально-селективного устройства, матричный фотоприемник на выходе спектрально-селективного устройства с сигнальным выходом и управляющим входом, систему регистрации сигнала фотоприемника, включающую аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и персональный компьютер (ПК), устройство содержит дополнительно блок буферной памяти, два двухвходовых компаратора, задатчик опорного сигнала верхнего уровня и задатчик опорного сигнала нижнего уровня, блок управления временем накопления, двухвходовой блок коррекции накопления, вход блока буферной памяти соединен с сигнальным выходом матричного фотоприемника, выход блока буферной памяти соединен с сигнальными входами компараторов и сигнальным входом блока коррекции накопления, задатчик опорного сигнала верхнего уровня соединен с опорным входом первого компаратора, задатчик опорного сигнала нижнего уровня соединен с опорным входом второго компаратора, выходы компараторов соединены со входом блока управления временем накопления, выход блока управления временем накопления соединен с управляющим входом матричного фотоприемника и управляющим входом блока коррекции накопления, выход блока коррекции накопления соединен со входом АЦП системы регистрации сигнала фотоприемника.

Технический результат достигается также тем, что источник света для возбуждения флуоресценции флуорохрома представляет собой лазер с длиной волны в полосе возбуждения флуорохрома.

Технический результат достигается также тем, что матричный фотоприемник представляет собой ПЗС- или КМОП-линейку.

Технический результат достигается также тем, что спектрально-селективное устройство представляет собой полихроматор.

Технический результат достигается также тем, что оптическая система для передачи возбуждающего излучения на изучаемый объект и передачи излучения флуоресценции на вход спектрально-селективного устройства представляет собой оптоволоконный зонд, содержащий осветительные световоды для доставки к биоткани возбуждающего излучения и приемные световоды для доставки излучения флуоресценции от биоткани на вход полихроматора.

Сущность изобретения поясняется Фиг. 1.

Использованы следующие обозначения:

1 - источник света для возбуждения флуоресценции;

2 - оптическая система для передачи возбуждающего излучения на изучаемый объект и передачи излучения флуоресценции на вход спектрально-селективного устройства;

3 - биологическая ткань;

4 - спектрально-селективное устройство;

5 - матричный фотоприемник;

6 - блок буферной памяти;

7 - компаратор;

8 - задатчик опорного сигнала верхнего уровня;

9 - компаратор;

10 - задатчик опорного сигнала нижнего уровня;

11 - блок управления временем накопления;

12 - блок коррекции накопления;

13 - аналого-цифровой преобразователь [АЦП);

14 - персональный компьютер.

Устройство для спектрально-флуоресцентных исследований содержит источник света для возбуждения флуоресценции 1, излучение которого через оптическую систему 2 облучает биологическую ткань 3. Флуоресцентное излучение фотосенсибилизатора через оптическую систему 2 поступает на вход спектрально-селективного устройства 4, а после спектрально-селективного устройства - на матричный фотоприемник 5. Сигнал с выхода матричного фотоприемника 5 поступает на вход блока 6 буферной памяти, а с блока буферной памяти на сигнальные входы компараторов 7 и 9, опорные входы которых соединены с выходами задатчиков 8 и 10. Выходы компараторов соединены со входами блока управления временем накопления 11. Выходы блока управления временем накопления 11 соединены со входом блока коррекции накопления 12, выход блока коррекции накопления соединен со входом АЦП 13 системы регистрации сигнала фотоприемника, выход АЦП соединен со входом персонального компьютера 14. Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Излучение с выхода источник света 1 через оптическую систему 2 облучает биологическую ткань 3, содержащую флуорохром, и инициирует флуоресценцию его молекул. Интенсивность характеристической полосы флуоресценции флуорохрома, в первом приближении, пропорциональна содержанию флуорохрома в биоткани. Оптическая система 2 передает излучение флуоресценции на вход спектрально-селективного устройства 4, где происходит спектральное разложение этого излучения, после чего оно попадает на матричный фотоприемник 5. Сигнал с выхода матричного фотоприемника 5 поступает на вход блока 6 буферной памяти, а с блока 6 буферной памяти на сигнальные входы компараторов 7 и 9. На опорный вход компаратора 7 поступает напряжение верхнего уровня сигнала из задатчика 8 опорного сигнала верхнего уровня.

Если сигнал какой-нибудь из ячеек матричного фотоприемника меньше напряжения опорного сигнала, поступающего на опорный вход компаратора 7 из задатчика 8 опорного сигнала верхнего уровня, или больше напряжения опорного сигнала, поступающего на опорный вход компаратора 9 из задатчика 10 опорного сигнала нижнего уровня, совокупность сигналов, соответствующая спектру флуоресценции, из блока 6 буферной памяти подается на умножитель 12, и далее без изменения на АЦП 13, после чего поступает в цифровом виде на вход ПК 14 для построения и отображения спектра.

Если сигнал от какой-нибудь из ячеек матричного фотоприемника 5 больше напряжения опорного сигнала, поступающего на вход компаратора 7 из задатчика 8 опорного сигнала верхнего уровня, команда из компаратора 7 подается на блок управления временем накопления 11, который подает на матричный фотоприемник 5 команду уменьшения длительности времени накопления. При уменьшенном времени накопления сигнал с выхода матричного фотоприемника 4, уменьшенный пропорционально времени накопления, поступает на вход блока 6 буферной памяти, а с блока буферной памяти - на сигнальные входы компараторов 7 и 9. Если при уменьшенном времени накопления сигнал от любой из ячеек матричного фотоприемника меньше напряжения опорного сигнала, поступающего на вход компаратора 7 из задатчика 8 опорного сигнала верхнего уровня, совокупность сигналов, соответствующая спектру флуоресценции, из блока буферной памяти 6 подается на блок коррекции накопления 12, где изменяется (увеличивается) обратно пропорционально времени накопления, затем поступает на АЦП 13, после чего поступает в цифровом виде на вход ПК 14 для построения и отображения спектра.

Если сигнал от какой-нибудь из ячеек матричного фотоприемника 5 меньше напряжения опорного сигнала, поступающего на вход компаратора 9 из задатчика 10 опорного сигнала нижнего уровня, команда из компаратора 9 подается на блок управления временем накопления 11, который в свою очередь подает на линейку 5 команду увеличения длительности времени накопления. При увеличенном времени накопления сигнал с выхода матричного фотоприемника 5, увеличенный пропорционально времени накопления, поступает на вход блока 6 буферной памяти, а с блока буферной памяти на сигнальные входы компараторов 7 и 9. Если при увеличенном времени накопления сигнал от всех ячеек матричного фотоприемника больше напряжения опорного сигнала, поступающего на вход компаратора 9 из задатчика 10 опорного сигнала нижнего уровня, совокупность сигналов, соответствующая спектру флуоресценции, из блока 6 буферной памяти подается на блок коррекции накопления 12, где уменьшается обратно пропорционально времени накопления, затем поступает на АЦП 13, после чего поступает в цифровом виде на вход ПК 14 для построения и отображения спектра.

В наиболее предпочтительном варианте источник света для возбуждения флуоресценции 1 представляет собой лазер с длиной волны в полосе возбуждения флуорохрома.

В наиболее предпочтительном варианте спектрально-селективного устройство представляет собой полихроматор, а на его выходе в качестве матричного фотоприемника установлена ПЗС или КМОП-линейка.

В качестве оптической системы для передачи возбуждающего излучения на изучаемый объект и передачи излучения флуоресценции на вход спектрально-селективного устройства наиболее предпочтительно использовать оптоволоконный зонд, содержащий осветительные световоды для доставки к биоткани возбуждающего излучения и приемные световоды для доставки излучения флуоресценции от биоткани на вход полихроматора.

Как показали проведенные авторами исследования, предлагаемое устройство при исследовании фармакокинетики и биораспределения флуоресцирующих фотосенсибилизаторов на основе производных фталоцианинов и бактериохлоринов благодаря расширенному за счет предлагаемого изобретения динамическому диапазону обеспечило возможность точной регистрации интенсивности сигналов флуоресценции органов и тканей экспериментальных животных, отличающихся по интенсивности практически на 4 порядка.

1. Устройство для спектрально-флуоресцентного исследования содержания экзогенных флуорохромов, включающее источник света для возбуждения флуоресценции, спектрально-селективное устройство, оптическую систему для передачи возбуждающего излучения на изучаемый объект и передачи излучения флуоресценции на вход спектрально-селективного устройства, матричный фотоприемник на выходе спектрально-селективного устройства с сигнальным выходом и управляющим входом, систему регистрации сигнала фотоприемника, включающую аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и персональный компьютер (ПК), устройство содержит дополнительно блок буферной памяти, два двухвходовых компаратора, задатчик опорного сигнала верхнего уровня и задатчик опорного сигнала нижнего уровня, блок управления временем накопления, двухвходовой блок коррекции накопления, вход блока буферной памяти соединен с сигнальным выходом матричного фотоприемника, выход блока буферной памяти соединен с сигнальными входами компараторов и сигнальным входом блока коррекции накопления, задатчик опорного сигнала верхнего уровня соединен с опорным входом первого компаратора, задатчик опорного сигнала нижнего уровня соединен с опорным входом второго компаратора, выходы компараторов соединены со входом блока управления временем накопления, выход блока управления временем накопления соединен с управляющим входом матричного фотоприемника и управляющим входом блока коррекции накопления, выход блока коррекции накопления соединен со входом АЦП системы регистрации сигнала фотоприемника.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник света для возбуждения флуоресценции флуорохрома представляет собой лазер с длиной волны в полосе возбуждения флуорохрома.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что матричный фотоприемник представляет собой ПЗС- или КМОП-линейку.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что спектрально-селективное устройство представляет собой полихроматор.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оптическая система для передачи возбуждающего излучения на изучаемый объект и передачи излучения флуоресценции на вход спектрально-селективного устройства представляет собой оптоволоконный зонд, содержащий осветительные световоды для доставки к биоткани возбуждающего излучения и приемные световоды для доставки излучения флуоресценции от биоткани на вход полихроматора.