RU2234853C1 - Diagnostic device for measuring physical and biological characteristics of skin and mucous membranes in vivo - Google Patents
Diagnostic device for measuring physical and biological characteristics of skin and mucous membranes in vivo Download PDFInfo
- Publication number
- RU2234853C1 RU2234853C1 RU2002135183/14A RU2002135183A RU2234853C1 RU 2234853 C1 RU2234853 C1 RU 2234853C1 RU 2002135183/14 A RU2002135183/14 A RU 2002135183/14A RU 2002135183 A RU2002135183 A RU 2002135183A RU 2234853 C1 RU2234853 C1 RU 2234853C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical head
- radiation sources
- diagnostic device
- photodetector
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области медицинского приборостроения, а именно к устройствам для неинвазивной (неповреждающей, чрескожной) спектрофотометрической диагностики оптико-физических и медико-биологических параметров мягких тканей человека.The invention relates to the field of medical instrumentation, and in particular to devices for non-invasive (non-destructive, transdermal) spectrophotometric diagnostics of the optical-physical and biomedical parameters of human soft tissues.
Известны общие физические и медико-биологические принципы для такой диагностики. Все мягкие биологические ткани человека, такие как кожа, слизистые оболочки органов и т.д., являются для оптического излучения полупрозрачными и оптически неоднородными средами. Это означает, что при их освещении оптическим излучением часть этого излучения отражается от поверхности ткани, а часть проходит внутрь ткани. Внутри ткани прошедшее излучение претерпевает многократные рассеяния (переотражения) на границах неоднородностей анатомической и клеточной структуры ткани, частично поглощаясь наполняющими ткань веществами (водой, меланином, гемоглобином крови и т.п.). Часть излучения, ослабленная за счет поглощения, после многократных переотражений внутри ткани снова выходит на ее поверхность, составляя так называемый поток обратно-рассеянного тканью излучения. Этот поток может быть зарегистрирован фотоприемником. Поскольку разные спектральные компоненты оптического излучения поглощаются разными веществами по-разному, в зависимости от их индивидуальных спектральных оптических свойств, то освещение ткани оптическим излучением заданной (известной) мощности и спектрального состава и последующий анализ амплитуд (мощностей) вышедших из ткани спектральных компонент излучения несут информацию о концентрации или уровне накопления в ткани наполняющих ее светопоглощающих биохимических веществ.General physical and biomedical principles for such a diagnosis are known. All soft biological human tissues, such as skin, mucous membranes of organs, etc., are translucent and optically inhomogeneous media for optical radiation. This means that when they are illuminated with optical radiation, part of this radiation is reflected from the surface of the tissue, and part passes into the tissue. Inside the tissue, the transmitted radiation undergoes multiple scattering (rereflection) at the boundaries of the inhomogeneities of the anatomical and cellular structure of the tissue, partially absorbed by the substances filling the tissue (water, melanin, blood hemoglobin, etc.). Part of the radiation, attenuated by absorption, after repeated re-reflections inside the tissue again comes to its surface, making up the so-called stream of radiation backscattered by the tissue. This stream can be detected by a photodetector. Since different spectral components of optical radiation are absorbed by different substances in different ways, depending on their individual spectral optical properties, the illumination of tissue with optical radiation of a given (known) power and spectral composition and the subsequent analysis of the amplitudes (powers) of the spectral radiation components emerging from the fabric carry information about the concentration or level of accumulation in the tissue of the light-absorbing biochemical substances filling it.
Нередко, правда, одновременное содержание в ткани различных указанных оптических поглотителей приводит к тому, что оптическое излучение какого-либо спектрального диапазона поглощается одновременно несколькими оптическими поглотителями. Например, при достаточной степени загара кожи человека поглощение света зеленого диапазона (520-570 нм) внутри кожи происходит как за счет общего гемоглобина крови, так и за счет основного пигмента загара - меланина. В этом случае, для раздельного определения уровней накопления этих веществ в коже оптическими методами, освещение ткани необходимо проводить на нескольких длинах волн, используя, например, одну из длин волн в качестве опорной. Дополнительно для диагностики такой многокомпонентной среды необходимо применение специальных методов обработки результатов измерений, которые позволяли бы по зарегистрированным совокупным оптическим сигналам определить вклад каждого отдельного хромофора (поглотителя) в соответствующий ему сигнал на каждой длине волны и вычислить, таким образом, его общее содержание в ткани. В общем случае, для определения N оптически активных поглотителей внутри ткани, как правило, требуется N+1 спектральный оптический диапазон, т.к. прочие оставшиеся и не сильно поглощающие свет вещества вносят все же свой небольшой вклад в суммарное поглощение света внутри биоткани, и, следовательно, они должны быть также учтены при обработке результатов измерений. Причем, и это следует подчеркнуть особо, для многокомпонентной среды (с двумя или более основными оптическими поглотителями) более или менее точное определение содержания какого-либо одного поглотителя без определения содержания в среде других хромофоров и учета, таким образом, их вклада в суммарный оптический сигнал становится весьма проблематичным.Often, however, the simultaneous content in the tissue of the various indicated optical absorbers leads to the fact that the optical radiation of any spectral range is absorbed simultaneously by several optical absorbers. For example, with a sufficient degree of tanning of human skin, the absorption of green light (520-570 nm) inside the skin occurs both due to the total hemoglobin of the blood and due to the main pigment of the tan - melanin. In this case, to separately determine the levels of accumulation of these substances in the skin by optical methods, the tissue should be illuminated at several wavelengths, using, for example, one of the wavelengths as a reference. In addition, for the diagnosis of such a multicomponent medium, it is necessary to use special methods for processing the measurement results, which would make it possible to determine the contribution of each individual chromophore (absorber) to the corresponding signal at each wavelength from the recorded total optical signals and thus calculate its total content in the tissue. In the general case, to determine the N optically active absorbers inside the tissue, as a rule, the N + 1 spectral optical range is required, since other remaining and not very light absorbing substances still make their small contribution to the total absorption of light inside the biological tissue, and, therefore, they should also be taken into account when processing the measurement results. Moreover, this should be emphasized especially, for a multicomponent medium (with two or more main optical absorbers), a more or less accurate determination of the content of any one absorber without determining the content of other chromophores in the medium and taking into account, thus, their contribution to the total optical signal becomes very problematic.
Известен ряд приборов и устройств, реализующих эти общие принципы диагностики на практике применительно к неинвазивной оценке параметров периферического кровообращения тканей.A number of instruments and devices are known that implement these general principles of diagnosis in practice as applied to a non-invasive assessment of peripheral blood circulation parameters of tissues.
Так, известно устройство для определения частоты пульса и степени насыщения артериальной крови кислородом (Гордеев В.А. и др. Пульсовой оксиметр “Оксипульс-01”. Медицинская техника, 1994, №1, с.45-47), содержащее датчик со встроенными излучателями и фотоприемником, расположенными таким образом, что при надевании датчика на палец пациента палец располагается между излучателями и фотоприемником, блок регистрации сигналов с фотоприемника, выделяющий сигнал на частоте пульса пациента, и блок обработки результата.So, there is a device for determining the pulse rate and the degree of saturation of arterial blood with oxygen (Gordeev V.A. et al. Pulse Oximeter “Oksipuls-01. Medical equipment, 1994, No. 1, p. 45-47), containing a sensor with built-in emitters and a photodetector arranged in such a way that when putting the sensor on the patient’s finger, the finger is located between the emitters and the photodetector, a unit for recording signals from the photodetector, which emits a signal at the patient’s pulse frequency, and a result processing unit.
Это устройство имеет существенный недостаток. Электронный блок регистрации и обработки сигналов выполнен таким образом, что он выделяет полезный сигнал в такт с частотой пульса пациента и, соответственно, прибор позволяет определять процентное содержание оксигемоглобина только в артериальном русле сосудистой системы. Такая информация с медицинской точки зрения является неполной, т.к. функциональное состояние ткани определяется не только количеством подводимого к ней кислорода, но способностью ткани его “утилизовать” в процессе обмена веществ. То есть для более полной клинической картины наблюдаемых в тканях обменных процессов необходимо определять содержание оксигемоглобина не только в артериальном, но и в венозном русле сосудистой системы. В крайнем случае, врач должен определять среднее процентное содержание оксигемоглобина в микроциркуляторном русле биоткани, т.е. усредненное по всему периферическому артериоло-венулярному и капиллярному сосудистому руслу.This device has a significant drawback. The electronic unit for recording and processing signals is designed in such a way that it emits a useful signal to the beat with the pulse rate of the patient and, accordingly, the device allows you to determine the percentage of oxyhemoglobin only in the arterial bed of the vascular system. Such information is medically incomplete, because the functional state of the tissue is determined not only by the amount of oxygen supplied to it, but by the ability of the tissue to “utilize” it in the process of metabolism. That is, for a more complete clinical picture of metabolic processes observed in tissues, it is necessary to determine the content of oxyhemoglobin not only in the arterial, but also in the venous channel of the vascular system. In extreme cases, the doctor should determine the average percentage of oxyhemoglobin in the microvasculature of the biological tissue, i.e. averaged over the entire peripheral arterio-venular and capillary vascular bed.
Известно устройство лазерной допплерографии, которое содержит источник излучения (лазер), оптический кабель для доставки излучения к обследуемой ткани и обратно, фотоприемник и блоки регистрации и обработки полученных результатов (Патент США №4596254 от 24.06.86 г.). Данное устройство позволяет определять среднюю скорость капиллярного кровотока обследуемого участка ткани путем регистрации доплеровских сдвигов частоты зондирующего излучения при его взаимодействии с подвижными форменными элементами крови (главным образом, эритроцитами).A laser dopplerography device is known that contains a radiation source (laser), an optical cable for delivering radiation to and from the tissue being examined, a photodetector, and data acquisition and processing units (US Patent No. 4,596,254 of June 24, 86). This device allows you to determine the average capillary blood flow velocity of the examined tissue site by recording Doppler shifts in the frequency of the probe radiation when it interacts with mobile shaped blood elements (mainly red blood cells).
Диагностика, проводимая с помощью данных приборов, в ряде случаев весьма информативна, например, при облитерирующем атеросклерозе сосудов. Однако при использовании данного прибора не представляется возможным объективно выявить нарушения в снабжении тканей кислородом, оценить общее кровенаполнение тканей в условиях застоя крови (например, при гематомах), учесть помехи, ослабляющие полезный сигнал за счет содержания меланина в верхних слоях кожи и т.д. Все это снижает точность и достоверность диагностики. Конструкция прибора весьма сложна и дорогостояща. Использование его при диагностике требует специальных навыков и достаточно длительного времени. Данные приборы из-за ограниченной информативности и сложности конструкции редко применяются в условиях реальной клинической практики.Diagnosis using these devices is, in some cases, very informative, for example, with obliterating atherosclerosis of blood vessels. However, when using this device, it is not possible to objectively detect violations in the supply of tissues with oxygen, evaluate the total blood supply to tissues under conditions of stagnation of blood (for example, with hematomas), and take into account the interference weakening the useful signal due to the content of melanin in the upper layers of the skin, etc. All this reduces the accuracy and reliability of the diagnosis. The design of the device is very complex and expensive. Using it for diagnosis requires special skills and a fairly long time. Due to limited information content and design complexity, these devices are rarely used in real clinical practice.
Наиболее близким к заявляемому является диагностическое устройство для измерения физико-биологических характеристик кожи и слизистых оболочек in vivo, содержащее источник питания, соединенный с оптической головкой, в которой размещены фотоприемник с входным окном и источники излучения в зеленой, красной и инфракрасной областях спектра, блок управления работой излучателей и блок обработки данных (Свидетельство на полезную модель РФ N 4900, кл. А 61 В 1/00, 1996 г.).Closest to the claimed is a diagnostic device for measuring the physico-biological characteristics of the skin and mucous membranes in vivo, containing a power source connected to an optical head, which houses a photodetector with an input window and radiation sources in the green, red and infrared regions of the spectrum, a control unit the operation of the emitters and the data processing unit (Certificate for a utility model of the Russian Federation N 4900, class A 61 B 1/00, 1996).
К основным и существенным недостаткам устройства, взятого за прототип, относятся:The main and significant disadvantages of the device taken as a prototype include:
- размещение в верхней части головки фотоприемника, обеспечивает одновременную регистрацию как отраженного от поверхности ткани излучения (от границы раздела “ткань-воздух”), так и излучения, вышедшего из нее за счет актов многократного внутреннего рассеяния на неоднородностях внутритканевой структуры. При этом излучение, отраженное от границы раздела, равно как и излучение, выходящее из самых верхних слоев ткани, т.е. не проникающее внутрь до глубин залегания капилляров и мелких венул и артериол, практически не несет в себе полезной медицинской информации и, следовательно, является для данного метода помеховым, или фоновым излучением. Известное устройство не позволяет отделить это фоновое излучение от обратно-рассеянного излучения, выходящего из более глубинных слоев ткани и несущего основную информацию об объекте. Это снижает точность и достоверность определяемых параметров тканевого кровообращения и тем самым ограничивает диагностические возможности данной аппаратуры для реальной медицинской практики;- placement in the upper part of the head of the photodetector, provides simultaneous registration of both radiation reflected from the tissue surface (from the “fabric-air” interface) and radiation emitted from it due to multiple internal scattering by inhomogeneities of the interstitial structure. In this case, radiation reflected from the interface, as well as radiation emerging from the uppermost layers of the tissue, i.e. which does not penetrate to the depths of capillaries and small venules and arterioles, practically does not carry useful medical information and, therefore, is an interfering or background radiation for this method. The known device does not allow to separate this background radiation from the back-scattered radiation coming from deeper layers of the fabric and carrying basic information about the object. This reduces the accuracy and reliability of the determined parameters of tissue circulation and thereby limits the diagnostic capabilities of this equipment for real medical practice;
- реальное освещение тестируемой биоткани при проведении диагностики с использованием данного устройства происходит как за счет собственно первичного излучения источников, расположенных в головке, так и за счет дополнительного рассеянного светового потока, который неминуемо образуется вследствие отражения излучения от поверхности ткани, попадания этого отраженного излучения на внутреннюю поверхность головки, не содержащую излучателей и фотоприемника, и вторичного переотражения (рассеяния) этого излучения внутренней поверхностью головки в направлении на биоткань. В результате общая освещенность биоткани будет зависеть от ее первичных индивидуальных оптических свойств, что приведет к нелинейной зависимости величины регистрируемого фотоприемником суммарного сигнала от оптической плотности биоткани и, соответственно, к еще большим погрешностям диагностики;- the actual illumination of the tested biological tissue during diagnosis using this device occurs both due to the primary radiation of the sources located in the head itself, and due to the additional scattered light flux, which is inevitably generated due to reflection of radiation from the surface of the tissue, hit of this reflected radiation on the internal the surface of the head that does not contain emitters and a photodetector, and secondary re-reflection (scattering) of this radiation by the inner surface Tins in the direction of biological tissue. As a result, the overall illumination of the biological tissue will depend on its primary individual optical properties, which will lead to a nonlinear dependence of the total signal recorded by the photodetector on the optical density of the biological tissue and, accordingly, to even greater diagnostic errors;
- отсутствие средств для регистрации параметров насыщения периферической крови кислородом, т.е. для раздельного определения содержания в крови оксигенированной и восстановленной фракций гемоглобина, снижает достоверность определения уровня общего гемоглобина крови (общего кровенаполнения), который измеряет данное устройство. Дело в том, что оптические свойства гемоглобина, особенно в спектральном диапазоне длин волн 650-680 нм, который использует данное устройство, очень сильно зависят от того, в каком состоянии (оксигенированном или деоксигенированном) находится гемоглобин. Его оптическая плотность в зависимости от насыщения кислородом может меняться в несколько раз, что будет сильно сказываться на общей точности определения кровенаполнения тканей с использованием известного устройства;- lack of funds for recording peripheral blood oxygen saturation parameters, i.e. to separately determine the blood content of oxygenated and reduced fractions of hemoglobin, reduces the reliability of determining the level of total blood hemoglobin (total blood supply), which measures this device. The fact is that the optical properties of hemoglobin, especially in the spectral range of wavelengths of 650-680 nm, which this device uses, very much depend on the state of hemoglobin (oxygenated or deoxygenated). Its optical density, depending on oxygen saturation, can vary several times, which will greatly affect the overall accuracy of determining blood supply to tissues using a known device;
- применение данного устройства весьма ограничено в реальной клинической практике, так как полая оптическая головка с открытой входной апертурой не удовлетворяет стандартным требованиям по стерилизации и дезинфекции изделий медицинского назначения. Внутренняя полость головки будет всегда подвержена загрязнению, что не допустимо в медицине и приведет к тому же дополнительно к снижению точности определяемых параметров.- the use of this device is very limited in real clinical practice, since a hollow optical head with an open input aperture does not meet the standard requirements for sterilization and disinfection of medical devices. The internal cavity of the head will always be subject to contamination, which is not permissible in medicine and will also lead to an additional reduction in the accuracy of the determined parameters.
В соответствии с этим поставлена задача, направленная на повышение точности и достоверности определения параметров кровоснабжения мягких тканей человека (кожи, слизистых оболочек органов и т.п.) с учетом одновременной оценки содержания в ткани меланина, ее общего объемного кровенаполнения и среднего процентного содержания в микроциркуляторном русле биоткани оксигенированной фракции гемоглобина, что устраняет указанные недостатки.In accordance with this, the task was set to increase the accuracy and reliability of determining the parameters of blood supply to human soft tissues (skin, mucous membranes of organs, etc.), taking into account the simultaneous assessment of the content of melanin in the tissue, its total volumetric blood supply and the average percentage in microcirculatory the bed of the biological tissue of the oxygenated hemoglobin fraction, which eliminates these disadvantages.
Для достижения этой задачи диагностическое устройство для измерения физико-биологических характеристик кожи и слизистых оболочек in vivo, содержащее источник питания, соединенный с оптической головкой, в которой размещены фотоприемник с входным окном и источники излучения в зеленой, красной и инфракрасной областях спектра, блок управления работой излучателей, блок обработки данных, снабжено дополнительными источниками излучения в инфракрасной области спектра и источником излучения в синей области спектра, а оптическая головка выполнена с центральной полостью и радиальными открытыми полостями, стенки которых покрыты светопоглощающим материалом, при этом источники излучения установлены в радиальных полостях, а фотоприемник - в центральной так, что его входное окно расположено в плоскости рабочей поверхности оптической головки.To achieve this objective, a diagnostic device for measuring the physico-biological characteristics of the skin and mucous membranes in vivo, containing a power source connected to an optical head, which houses a photodetector with an input window and radiation sources in the green, red and infrared regions of the spectrum, an operation control unit emitters, the data processing unit, is equipped with additional sources of radiation in the infrared region of the spectrum and a radiation source in the blue region of the spectrum, and the optical head is made and with a central cavity and radial open cavities, the walls of which are coated with light-absorbing material, while the radiation sources are installed in radial cavities, and the photodetector is in the central one so that its entrance window is located in the plane of the working surface of the optical head.
Оптическая головка может быть выполнена в виде цилиндра или в виде цилиндра, переходящего в нижней части на усеченный конус.The optical head can be made in the form of a cylinder or in the form of a cylinder passing in the lower part to a truncated cone.
Источники излучения в синей области спектра излучают энергию в диапазоне 460-490 нм.Sources of radiation in the blue region of the spectrum emit energy in the range 460-490 nm.
Источники излучения в инфракрасной области спектра излучают энергию в диапазоне 900-950 и 960-990 нм.The sources of radiation in the infrared region of the spectrum emit energy in the range of 900-950 and 960-990 nm.
Оптическая головка снабжена прозрачным для указанных диапазонов длин волн источников излучения съемным колпачком из органического стекла или полиэтилентетрафталата.The optical head is equipped with a removable cap made of organic glass or polyethylene tetrafthalate, transparent for the indicated wavelength ranges of radiation sources.
Оптическая головка может быть снабжена держателем, который посредством шарнира соединен с полой ручкой.The optical head may be provided with a holder, which is connected via a hinge to the hollow handle.
Диагностическое устройство может быть снабжено эластичными или липкими ремешками.The diagnostic device may be provided with elastic or sticky straps.
На фиг.1 изображен общий вид диагностического устройства;Figure 1 shows a General view of the diagnostic device;
на фиг.2 - общий вид оптической головки, выполненной в виде цилиндра, переходящего в нижней части в усеченный конус;figure 2 is a General view of the optical head, made in the form of a cylinder, passing in the lower part into a truncated cone;
на фиг.3 - оптическая головка с держателем и полой ручкой.figure 3 - optical head with a holder and a hollow handle.
на фиг 4. - оптическая головка со съемным колпачком из органического стекла или полиэтилентетрафталата;in Fig. 4. - an optical head with a removable cap made of organic glass or polyethylene tetraflurate;
на фиг.5 - диагностическое устройство с гибкими лентами.figure 5 is a diagnostic device with flexible tapes.
Диагностическое устройство состоит из оптической головки 1, прикрепленной к полому держателю 2. Оптическая головка 1 имеет центральную полость 3, в которой установлен фотоприемник 4 (например, кремневый фотодиод) так, что его входное окно 5 расположено в плоскости рабочей поверхности оптической головки, что исключает попадание в него отраженного от поверхности биоткани излучения. Вследствие этого фотоприемник 4 регистрирует только излучение, пришедшее из глубинных слоев биоткани. Источники оптического излучения 6 (например, светодиоды или полупроводниковые лазеры) также установлены в оптической головке 1 вокруг фотоприемника в радиальных полостях 7, стенки которых покрыты светопоглощающим материалом (например, черной краской), который будет поглощать отраженное тканью излучение в направлении на источники излучения 6.The diagnostic device consists of an
Спектральные диапазоны длин волн излучателей выбираются из необходимости определения минимум трех, связанных между собой в оптическом смысле, медико-биологических параметров: степени меланиновой пигментации тканей, уровня объемного кровенаполнения тканей и средней степени оксигенации (насыщения кислородом) периферической крови. Для этих целей используются излучатели четырех типов: в диапазоне длин волн 460-490 нм (первый тип), в диапазоне 520-590 нм (второй тип), в диапазоне 650-690 нм (третий тип) и в диапазоне 900-950 нм (четвертый тип). При этом подразумевается, что в каждом из указанных диапазонов используется один или несколько идентичных излучателей, полуширина спектра излучения которых не выходит за указанные границы диапазонов. Для определения содержания воды в области обследуемого участка ткани в прибор вводится дополнительный тип излучателей, излучающих максимум энергии в области линий спектрального поглощения воды (например, в области 960-990 нм и свыше).The spectral ranges of wavelengths of emitters are selected from the need to determine at least three interconnected in the optical sense biomedical parameters: the degree of melanin tissue pigmentation, the level of volumetric blood supply to the tissues, and the average degree of oxygenation (oxygenation) of the peripheral blood. For these purposes, four types of emitters are used: in the wavelength range of 460-490 nm (first type), in the range of 520-590 nm (second type), in the range of 650-690 nm (third type) and in the range of 900-950 nm ( fourth type). It is understood that in each of the indicated ranges one or several identical emitters are used, the half-width of the emission spectrum of which does not go beyond the specified range boundaries. To determine the water content in the region of the tissue site being examined, an additional type of emitters is introduced into the device, emitting a maximum of energy in the region of spectral absorption lines of water (for example, in the region of 960-990 nm and above).
Электронная схема предлагаемого устройства состоит из усилителя аналоговых электрических сигналов с фотоприемника и преобразователя их в цифровую форму 8, устройства управления работой 9 излучателей 6, устройства сопряжения сигналов управления излучателями и цифровых данных 10 с фотоприемника и управляющего компьютера 11. При этом устройство сопряжения 10 может представлять собой стандартную интерфейсную плату к компьютеру (плату расширения), устанавливаемую непосредственно внутри компьютера 11 и передающую от компьютера к блокам 8 и 9 в том числе и необходимые напряжения питания для излучателей 6 и электронных схем, что снимает необходимость комплектации устройства специальным дополнительным (кроме компьютерного) блоком питания.The electronic circuit of the proposed device consists of an amplifier of analog electrical signals from a photodetector and their digital form converter 8, a device for controlling the operation of 9 emitters 6, a device for interfacing signals for controlling the emitters and digital data 10 from a photodetector and a control computer 11. In this case, the interface device 10 can represent a standard interface board to the computer (expansion card), installed directly inside the computer 11 and transmitting from the computer to blocks 8 and 9 in th including the necessary voltage for the emitter 6 and the electronic circuitry that eliminates the need for additional special equipment devices (except the computer) power supply.
При выполнении оптической головки 1 в виде цилиндра, переходящего в нижней части на усеченный конус, источники излучения 6 установлены также в радиальных полостях 7, но устранение паразитной засветки в этом варианте осуществляется не только за счет светопоглощающего покрытия этих полостей, но и за счет дополнительного отражения излучения от поверхности конуса в боковом направлении.When the
Для удобства врача, миниатюризации и расширения функциональных возможностей прибора оптическая головка может быть снабжена полым шарнирным держателем 2 с полой ручкой 12. Электрические кабели, соединяющие головку и электронные блоки 8 и 9 прибора, прокладываются внутри полого держателя 2. Сами блоки 8 и 9 монтируются внутри ручки 12. Электрическое соединение блоков 8 и 9 с блоком 10, находящимся внутри компьютера 11, выполняется посредством многожильного кабеля 13. Для обеспечения требований стерильности оптической головки при проведении диагностических обследований реальных пациентов предлагается снабдить оптическую головку 1 стерильным одноразовым или многократно стерилизуемым, прозрачным для используемых длин волн, колпачком 14, который может быть выполнен, например, из тонкого органического стекла или пленочного материала типа ПЭТФ (полиэтилентетрафталат).For the convenience of the doctor, miniaturization and expanding the functionality of the device, the optical head can be equipped with a hollow hinged
В случае использования предлагаемого устройства для длительного мониторинга показателей в условиях больничного стационара, например, для суточного мониторирования лежачего пациента в условиях операционных или реанимационных подразделений, предлагается конструктивный вариант прибора в виде оптической головки без ручки. В этом случае оптическая головка снабжается вместо ручки 2 эластичными и/или липкими гибкими ремешками 15 для стационарного закрепления головки на теле пациента. Электронные блоки 8 и 9 прибора в этом варианте могут монтироваться либо внутри компьютера 11, либо в отдельном небольшом корпусе, соединенном с головкой посредством многожильного электрического кабеля 13.In the case of using the proposed device for long-term monitoring of indicators in a hospital, for example, for daily monitoring of a bedridden patient in the operating room or intensive care unit, a constructive version of the device in the form of an optical head without a pen is proposed. In this case, instead of the
Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.
Компьютер 11 посылает через устройства 8 и 9 сигналы поочередного включения источников излучения 6. Свет от включенных источников 6 попадает на тестируемую биоткань. При выполнении оптической головки в виде цилиндра отраженный от границы раздела сред свет попадает обратно в полости 7 источников излучения 6 и поглощается покрытием полостей. При выполнении оптической головки с нижней частью в виде усеченного конуса отраженный от границы раздела сред свет, кроме поглощения в полостях 7, дополнительно уводится в сторону за счет отражения от боковой поверхности конуса. Проникающий в ткань свет за счет многократных внутренних переотражений (рассеянии) частично выходит наружу ткани в области расположения фотоприемника 4 и регистрируется им. Электрические сигналы с фотоприемника 4, пропорциональные зарегистрированной фотоприемником оптической мощности излучения от биоткани, проходят усиление и оцифровку в блоке 8 и через блок сопряжения 10 передаются в компьютер 11 для последующей обработки. В случае сильного внешнего (стороннего) освещения области обследования биоткани, например, в условиях операционных, когда внешняя засветка может повлиять на результаты измерений, в такт включения источников излучения 6 включается один пустой цикл, когда все источники оптической головки 1 выключены. Во время этого “пустого” цикла фотоприемник 4 регистрирует сигнал от сторонней паразитной засветки (фонового освещения), который в дальнейшем учитывается (вычитается), при обработке полезных сигналов от включенных источников оптической головки. Зарегистрированные таким образом и переданные в компьютер 11 сигналы в каждом используемом спектральном диапазоне с учетом сигнала сторонней засветки используются для дальнейших вычислений и определения содержания в ткани меланина, общего объемного кровенаполнения и среднего процентного содержания в микроциркуляторном русле крови оксигенированного гемоглобина.Computer 11 sends signals of alternating switching on of radiation sources 6 through devices 8 and 9. Light from switched-on sources 6 enters the tested biological tissue. When the optical head is in the form of a cylinder, the light reflected from the interface is incident back into the
Вычисления проводят по следующей общей схеме. Перед началом измерений диагностическая головка прибора располагается на поверхности стандартного оптического светорассеивающего эталона, который не содержит в своем составе каких-либо оптических поглотителей и хорошо и равномерно рассеивает своим объемом свет во всем выбранном спектральном диапазоне. С этого эталона для каждого включенного источника записываются опорные (эталонные) показания прибора (напряжение с фотоприемника) Uэт(i), где i=1, 2, 3... - количество используемых спектральных диапазонов. После этого измерения проводятся на поверхности обследуемой биоткани, с которой записываются рабочие показания Up(i). Их нормировка на показания эталона позволяет определить для каждой длины волны i коэффициент обратного рассеяния света биотканью:The calculations are carried out according to the following general scheme. Before starting measurements, the diagnostic head of the device is located on the surface of a standard optical light-scattering standard, which does not contain any optical absorbers and scatters light well and evenly in its entire volume over the selected spectral range. From this standard, for each switched-on source, the reference (reference) readings of the device (voltage from the photodetector) Uet (i) are recorded, where i = 1, 2, 3 ... is the number of used spectral ranges. After this measurement is carried out on the surface of the examined biological tissue, from which the working indications Up (i) are recorded. Their normalization to the testimony of the standard allows us to determine for each wavelength i the coefficient of backscattering of light by biological tissue:
где D(i) - коэффициент обратного рассеяния света биотканью в спектральном диапазоне i;where D (i) is the coefficient of backscattering of light by biological tissue in the spectral range i;
Dэт(i) - заранее известный коэффициент обратного рассеяния света эталоном в этом спектральном диапазоне.Det (i) is the previously known coefficient of backscattering of light by a standard in this spectral range.
Следующим шагом для каждого спектрального диапазона i вычисляют эффективное оптическое поглощение света тканью:The next step for each spectral range i is calculated the effective optical absorption of light by tissue:
где K(i) - эффективное оптическое поглощение света тканью;where K (i) is the effective optical absorption of light by tissue;
β(i) -приборные коэффициенты для данного спектрального диапазона, определяемые при настройке (изготовлении) прибора путем его калибровки на разных образцах биотканей.β (i) -device coefficients for a given spectral range, determined when tuning (manufacturing) the device by calibrating it on different samples of biological tissues.
Содержание в ткани конкретных j хромофоров (поглотителей) и их вклад в общее поглощение определяют через эффективные коэффициенты оптического поглощения K(i) с использованием стандартной процедуры решения системы линейных уравнений для поглощения света в многокомпонентной среде вида:The content of specific j chromophores (absorbers) in the tissue and their contribution to the total absorption are determined through the effective optical absorption coefficients K (i) using the standard procedure for solving a system of linear equations for light absorption in a multicomponent medium of the form:
где cj - концентрация (содержание) в ткани j-го компонента, включая сторонние элементы, например, содержание меланина, оксигемоглобина, общего гемоглобина и сторонних элементов (для 4-х используемых в базовом варианте длин волн), εj(i) - известные табличные значения спектральных молярных погонных коэффициентов экстинкции выбранного вещества в спектральном диапазоне i.where c j is the concentration (content) in the tissue of the j-th component, including third-party elements, for example, the content of melanin, oxyhemoglobin, total hemoglobin and third-party elements (for 4 wavelengths used in the basic version), ε j (i) - known tabular values of spectral molar linear extinction coefficients of the selected substance in the spectral range i.
Предлагаемое устройство просто в обращении, может быть реально использовано в любых учреждениях медицинского профиля. Своевременная постановка диагноза с использованием данного устройства, а также высокая точность получаемых данных позволяет повысить эффективность дальнейшего лечения.The proposed device is easy to use, can be actually used in any medical institution. Timely diagnosis using this device, as well as the high accuracy of the data obtained, can increase the effectiveness of further treatment.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002135183/14A RU2234853C1 (en) | 2002-12-26 | 2002-12-26 | Diagnostic device for measuring physical and biological characteristics of skin and mucous membranes in vivo |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002135183/14A RU2234853C1 (en) | 2002-12-26 | 2002-12-26 | Diagnostic device for measuring physical and biological characteristics of skin and mucous membranes in vivo |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002135183A RU2002135183A (en) | 2004-07-20 |
| RU2234853C1 true RU2234853C1 (en) | 2004-08-27 |
Family
ID=33413633
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002135183/14A RU2234853C1 (en) | 2002-12-26 | 2002-12-26 | Diagnostic device for measuring physical and biological characteristics of skin and mucous membranes in vivo |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2234853C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2501522C2 (en) * | 2012-03-07 | 2013-12-20 | Белорусский Государственный Университет (Бгу) | Method of determining hemoglobin concentration in biological tissues |
| RU2545814C1 (en) * | 2013-11-05 | 2015-04-10 | Белорусский Государственный Университет (Бгу) | Method of determining physical-biological parameters of skin and concentration of haemoglobin derivatives in blood |
| RU2622997C1 (en) * | 2015-12-18 | 2017-06-21 | Учреждение Образования "Белорусский Государственный Университет Информатики И Радиоэлектроники" | Method for blood oxygenation measurement |
| RU2637102C1 (en) * | 2016-09-15 | 2017-11-29 | Государственное бюджетное учреждение здравоохранения Московской области "Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского" (ГБУЗ МО МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского) | Device for spectrophotometric assessment of blood filling level of human tissues and organs surface layers in vivo |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140323840A1 (en) * | 2011-11-29 | 2014-10-30 | Koninklijke Philips N.V. | Tailorable sensor device for physiological parametersensing |
-
2002
- 2002-12-26 RU RU2002135183/14A patent/RU2234853C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ГОРДЕЕВ В.А. и др. Пульсовый оксиметр "Оксипульс-01" Мед. техника, 1994, № 1, с.45-47. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2501522C2 (en) * | 2012-03-07 | 2013-12-20 | Белорусский Государственный Университет (Бгу) | Method of determining hemoglobin concentration in biological tissues |
| RU2545814C1 (en) * | 2013-11-05 | 2015-04-10 | Белорусский Государственный Университет (Бгу) | Method of determining physical-biological parameters of skin and concentration of haemoglobin derivatives in blood |
| RU2622997C1 (en) * | 2015-12-18 | 2017-06-21 | Учреждение Образования "Белорусский Государственный Университет Информатики И Радиоэлектроники" | Method for blood oxygenation measurement |
| RU2637102C1 (en) * | 2016-09-15 | 2017-11-29 | Государственное бюджетное учреждение здравоохранения Московской области "Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского" (ГБУЗ МО МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского) | Device for spectrophotometric assessment of blood filling level of human tissues and organs surface layers in vivo |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6353226B1 (en) | Non-invasive sensor capable of determining optical parameters in a sample having multiple layers | |
| JP3625475B2 (en) | Non-intrusive system for monitoring hematocrit values | |
| US5987351A (en) | Optical coupler for in vivo examination of biological tissue | |
| Cysewska-Sobusiak | Metrological problems with noninvasive transillumination of living tissues | |
| EP0682495B1 (en) | Spectrophotometric examination of tissue of small dimension | |
| US20160022223A1 (en) | Multi-modal depth-resolved tissue status monitor | |
| JP2003531357A (en) | Optical sensor with selectable sampling distance for analyte determination | |
| JP2021515638A (en) | Tissue measurement sensor | |
| JP2007083028A (en) | Noninvasive inspecting apparatus | |
| RU2234853C1 (en) | Diagnostic device for measuring physical and biological characteristics of skin and mucous membranes in vivo | |
| Boatemaa et al. | Non-invasive glucose estimation based on near infrared laser diode spectroscopy | |
| Delpy | Optical spectroscopy for diagnosis | |
| JP5510796B2 (en) | Minimally invasive angiogenesis measuring device | |
| JP2009232876A (en) | Biopsy probe, and biopsy apparatus | |
| RU2637102C1 (en) | Device for spectrophotometric assessment of blood filling level of human tissues and organs surface layers in vivo | |
| Yoon et al. | Robust design of finger probe in non-invasive total haemoglobin monitor | |
| Bal et al. | The determination of absorption and reduced scattering coefficients of optical phantoms using a frequency-domain multi-distance method in a non-contact manner | |
| Rovati et al. | A novel tissue oxymeter combining the multidistance approach with an accurate spectral analysis | |
| Cysewska-Sobusiak et al. | Examples of transillumination techniques used in medical measurements and imaging | |
| Cysewska-Sobusiak et al. | Examples of the application of light-tissue interaction to biomedical engineering | |
| JP2001198111A (en) | Probe and concentration measuring device of light absorbing substance in organismic tissue | |
| Nandanwar et al. | Non-Invasive Sensor Technology for Hemoglobin Measurement in Blood | |
| Baldini et al. | Biomedical fibre-optics sensors and systems for in-vivo applications | |
| Fedukova et al. | New portable noninvasive spectrophotometric apparatus for clinical diagnostic applications | |
| Otto et al. | Medical applications of VIS/NIR spectroscopy of human tissue surfaces by a novel portable instrumentation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131227 |