RU156235U1

RU156235U1 - DEVICE FOR DIFFUSION FLUORESCENT TOMOGRAPHY

Info

Publication number: RU156235U1
Application number: RU2015118929/14U
Authority: RU
Inventors: Василина Васильевна Рочева; Евгений Валерьевич Хайдуков; Андрей Валерьевич Нечаев; Владимир Анатольевич Семчишен; Светлана Игоревна Молчанова; Владимир Исаакович Юсупов
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2015-05-20
Publication date: 2015-11-10

Abstract

Полезная модель относится к медицинской технике, в частности к устройствам для получения флуоресцентного томографического изображения и может быть использована для визуализации и диагностики различных тканей организма, в том числе патологически измененных, например, опухолей. Устройство диффузионной флуоресцентной томографии состоит из блока управления, лазерного источника излучения, системы электромеханических подвижек, приемника излучения, блока обработки сигнала и визуализации и волоконно-оптического зонда, имеющего канал возбуждения и канал регистрации. За счет того, что выход канала возбуждения и вход канала регистрации волоконно-оптического зонда направлены в сторону исследуемого объекта, для анализа собирается широкополосное излучение от флуорофора, распространяющееся в противоположном направлении лазерному излучению. Это позволяет проводить томографическое исследование не только мелких, но и крупных биологических объектов. The utility model relates to medical equipment, in particular to devices for obtaining a fluorescence tomographic image and can be used to visualize and diagnose various body tissues, including pathologically altered tumors, for example. The diffusion fluorescence tomography device consists of a control unit, a laser radiation source, a system of electromechanical movements, a radiation receiver, a signal processing and imaging unit, and a fiber optic probe having an excitation channel and a recording channel. Due to the fact that the output of the excitation channel and the input of the registration channel of the fiber-optic probe are directed toward the object under study, broadband radiation from the fluorophore is collected for analysis, which propagates in the opposite direction to the laser radiation. This allows tomographic examination of not only small, but also large biological objects.

Description

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к устройствам для получения флуоресцентного томографического изображения и может быть использована для визуализации и диагностики различных тканей организма, в том числе патологически измененных, например, опухолей.The utility model relates to medical equipment, namely, devices for obtaining a fluorescence tomographic image and can be used to visualize and diagnose various body tissues, including pathologically altered tumors, for example.

Диффузионная оптическая томография основана на получении информации из сильно рассеянной (диффузной) компоненты зондирующего излучения, которое может проникать в биологическую ткань на глубину до нескольких сантиметров. Этот метод позволяет определять поглощающие и рассеивающие неоднородности внутри биологической ткани и восстанавливать трехмерное томографическое изображение исследуемого объекта.Diffusion optical tomography is based on obtaining information from the highly scattered (diffuse) components of the probe radiation, which can penetrate into biological tissue to a depth of several centimeters. This method allows one to determine the absorbing and scattering inhomogeneities inside the biological tissue and restore the three-dimensional tomographic image of the object under study.

Известно устройство диффузионной оптической томографии (патент US 5832922), состоящее из лазерного источника излучения и приемника излучения, соединенного с блоком обработки и визуализации сигнала. Широкий пучок лазерного излучения направляется на исследуемый объект, а рассеянное от внутренних структур исследуемого объекта излучение принимается приемником излучения. В блоке обработки и визуализации сигнала происходит обработка с выводом изображения на монитор. Недостатком данного устройства является низкая контрастность получаемых изображений.A device for diffusion optical tomography (patent US 5832922), consisting of a laser radiation source and a radiation receiver connected to the processing unit and visualization of the signal. A wide beam of laser radiation is directed to the object under study, and the radiation scattered from the internal structures of the object under study is received by the radiation receiver. In the signal processing and visualization unit, processing occurs with the image being displayed on the monitor. The disadvantage of this device is the low contrast of the resulting images.

Указанного недостатка лишено устройство диффузионной флуоресцентной томографии (патент RU 2441582), выбранное в качестве прототипа. Принцип работы известного устройства основан на существовании сильной дисперсии оптических параметров исследуемого объекта в видимом диапазоне длин волн, которая существенно искажает форму спектра мощности широкополосного излучения, распространяющегося внутри исследуемого объекта, что приводит к зависимости формы спектра мощности широкополосного излучения флуоресценции от глубины залегания флуорофора внутри исследуемого объекта. Известное устройство содержит лазерный источник излучения, снабженный волоконно-оптическим выходом, систему электромеханических подвижек волоконно-оптического выхода, приемник излучения, снабженный волоконно-оптическим входом, систему электромеханических подвижек волоконно-оптического входа, блок управления системами электромеханических подвижек, блок обработки сигнала и визуализации, источник белого света, соединенный с волоконно-оптическим выходом лазерного источника излучения, при этом приемник излучения выполнен с возможностью регистрации спектра мощности излучения, а между блоком управления системами электромеханических подвижек и блоком обработки сигнала и визуализации установлен блок синхронизации, электрически соединенный с лазерным источником излучения и источником белого света, причем блок управления системами электромеханических подвижек электрически соединен с системой вращения исследуемого объекта, а блок обработки сигнала и визуализации снабжен программным обеспечением для получения трехмерных томографических изображений исследуемого объекта с использованием спектра мощности излучения, регистрируемого приемником излучения.This drawback is deprived of the device of diffusion fluorescence tomography (patent RU 2441582), selected as a prototype. The principle of operation of the known device is based on the existence of a strong dispersion of the optical parameters of the studied object in the visible wavelength range, which significantly distorts the shape of the power spectrum of broadband radiation propagating inside the studied object, which leads to the dependence of the shape of the power spectrum of broadband fluorescence radiation on the depth of the fluorophore inside the studied object . The known device contains a laser radiation source equipped with a fiber-optic output, a system of electromechanical shifts of a fiber-optic output, a radiation receiver equipped with a fiber-optic input, a system of electromechanical shifts of a fiber-optic input, a control unit for electromechanical shifts, a signal processing and visualization unit, a white light source connected to the fiber-optic output of the laser radiation source, while the radiation receiver is made with possibly registration of the radiation power spectrum, and between the control unit for electromechanical movement systems and the signal processing and visualization unit, a synchronization unit is installed electrically connected to a laser radiation source and a white light source, and the control unit for electromechanical movement systems is electrically connected to the rotation system of the test object, and the unit signal processing and visualization is equipped with software for obtaining three-dimensional tomographic images of the investigated object using the radiation power spectrum recorded by the radiation receiver.

Известное устройство работает следующим образом. Первоначально в исследуемый объект вводится флуорофор, который накапливается в определенных местах, например в опухоли, и исследуемый объект помещается между волоконно-оптическим выходом и волоконно-оптическим входом. Излучение от лазерного источника и от источника белого света через волоконно-оптический выход попадает на исследуемый объект. Излучение, прошедшее через исследуемый объект, в том числе и известное широкополосное излучение флуоресценции от флуорофора, собирается волоконно-оптическим входом приемника излучения, сигнал с которого поступает в блок обработки сигнала и визуализации. Системы электромеханических подвижек позволяют проводить совместное сканирование исследуемого объекта волоконно-оптическим выходом и волоконно-оптическим входом с заданным пространственным сдвигом, а система вращения позволяет поворачивать исследуемый объект на произвольный угол от первоначального положения. Блок синхронизации последовательно включает на определенный период времени лазерный источник и источник белого света и управляет считыванием данных блоком обработки и визуализации. Это позволяет отделять спектр мощности широкополосного излучения, регистрируемый приемником при облучении исследуемого объекта излучением лазерного источника, от спектра мощности излучения при облучении источником белого света.The known device operates as follows. Initially, a fluorophore is introduced into the test object, which accumulates in certain places, for example, in a tumor, and the test object is placed between the fiber-optic output and the fiber-optic input. Radiation from a laser source and from a white light source through a fiber-optic output falls on the object under study. The radiation passing through the object under study, including the well-known broadband fluorescence radiation from the fluorophore, is collected by the fiber-optic input of the radiation receiver, the signal from which enters the signal processing and visualization unit. Electromechanical shifts systems allow for joint scanning of an object under study with a fiber-optic output and a fiber-optic input with a given spatial shift, and the rotation system allows you to rotate the object under study at an arbitrary angle from its original position. The synchronization unit sequentially turns on the laser source and the white light source for a certain period of time and controls the data reading by the processing and visualization unit. This makes it possible to separate the power spectrum of broadband radiation recorded by the receiver when the object under study is irradiated with laser source radiation from the radiation power spectrum when irradiated with a white light source.

Используя спектры мощности излучения при облучении исследуемого объекта источником белого света, блок обработки и визуализации определяет оптические параметры исследуемого объекта, необходимые для восстановления трехмерного томографического изображения исследуемого объекта. Используя спектры мощности широкополосного излучения флуоресценции, возникающего при облучении исследуемого объекта излучением лазерного источника, и оптические параметры исследуемого объекта, блок обработки и визуализации по форме спектра мощности восстанавливает трехмерное томографическое изображение исследуемого объекта.Using the radiation power spectra when the object under study is irradiated with a white light source, the processing and visualization unit determines the optical parameters of the object under study that are necessary for reconstructing a three-dimensional tomographic image of the object under study. Using the power spectra of the broadband fluorescence radiation arising from the irradiation of the test object by the radiation of a laser source, and the optical parameters of the test object, the processing and visualization unit reconstructs the three-dimensional tomographic image of the test object from the shape of the power spectrum.

К недостаткам данного устройства можно отнести помимо сложности конструкции, необходимость помещения исследуемого объекта между волоконно-оптическим выходом и волоконно-оптическим входом, что практически позволяет проводить исследование только незначительных по толщине биологических объектов, например, мышей.The disadvantages of this device include, in addition to the complexity of the design, the need to place the studied object between the fiber-optic output and the fiber-optic input, which practically allows the study of only insignificant in thickness biological objects, for example, mice.

Задача полезной модели заключается в повышении функциональности, а именно, в разработке полезной модели, позволяющей проводить исследование не только незначительных по толщине, но и крупных биологических объектов, в том числе и человека.The objective of the utility model is to increase functionality, namely, to develop a utility model that allows researching not only insignificant in thickness, but also large biological objects, including humans.

Поставленная задача решается устройством диффузионной флуоресцентной томографии, которое состоит из блока управления, лазерного источника излучения, оптически соединенного с входом канала возбуждения установленного на системе электромеханических подвижек волоконно-оптического зонда, выход канала регистрации которого оптически соединен с приемником излучения, соединенного с блоком обработки сигнала и визуализации, при этом блок управления соединен с системой электромеханических подвижек, лазерным источником излучения и блоком обработки сигнала и визуализации, а выход канала возбуждения и вход канала регистрации волоконно-оптического зонда направлены в сторону исследуемого объекта.The problem is solved by a diffusion fluorescence tomography device, which consists of a control unit, a laser radiation source, optically connected to the input of the excitation channel mounted on the electromechanical system of the optical fiber probe, the output of the registration channel of which is optically connected to the radiation receiver connected to the signal processing unit and visualization, while the control unit is connected to a system of electromechanical movements, a laser radiation source and a block about signal and visualization, and the output of the excitation channel and the input of the registration channel of the fiber-optic probe are directed towards the object under study.

На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого устройства.In FIG. 1 presents a block diagram of the inventive device.

На фиг. 2 представлены нормированные спектры мощности флуоресценции для различных глубин маркера в жидкостном фантоме, имитирующем биоткань. Спектры нормированы на интенсивность флуоресценции в диапазоне 800 нм. Глубины маркера: 0.5 мм (9), 1 мм (10) и 1.5 мм (11).In FIG. Figure 2 shows the normalized fluorescence power spectra for various marker depths in a liquid phantom imitating biological tissue. The spectra are normalized to fluorescence intensity in the range of 800 nm. Marker depths: 0.5 mm (9), 1 mm (10) and 1.5 mm (11).

На фиг. 3 представлены зависимости нормированных интенсивностей флуоресценции в диапазонах 655 нм (12) и 540 нм (13) от глубины залегания маркера в жидкостном фантоме. Интенсивности нормированы на интенсивность флуоресценции в диапазоне 800 нм. Кружками и треугольниками отмечены экспериментальные значения. Сплошная и пунктирная линии - экспоненциальные аппроксимации соответствующих экспериментальных зависимостей.In FIG. Figure 3 shows the dependences of the normalized fluorescence intensities in the ranges of 655 nm (12) and 540 nm (13) on the depth of the marker in the liquid phantom. The intensities are normalized to the fluorescence intensity in the range of 800 nm. The circles and triangles indicate the experimental values. The solid and dashed lines are the exponential approximations of the corresponding experimental dependences.

Устройство диффузионной флуоресцентной томографии состоит из блока управления (1), лазерного источника излучения (2), системы электромеханических подвижек (3), на которой установлен волоконно-оптический зонд (4), состоящий из канала возбуждения (5) и канала регистрации (6), приемника излучения (7), блока обработки сигнала и визуализации (8).The device of diffusion fluorescence tomography consists of a control unit (1), a laser radiation source (2), a system of electromechanical movements (3), on which a fiber-optic probe (4) is installed, consisting of an excitation channel (5) and a recording channel (6) , a radiation receiver (7), a signal processing and visualization unit (8).

Достижение заявленного технического результата, а именно повышения функциональности, позволяющего полезной модели проводить исследование не только мелких, но и крупных биологических объектов, в том числе и человека, происходит за счет того, что излучение от лазерного источника излучения, облучающее исследуемый объект, и излучение от исследуемого объекта, собираемое для дальнейшего анализа, распространяются в противоположных направлениях. Технически это достигается тем, что заявляемое устройство вместо волоконно-оптического выхода и волоконно-оптического входа снабжено волоконно-оптическим зондом, состоящим из канала возбуждения и канала регистрации, при этом лазерный источник излучения оптически соединен с входом канала возбуждения, выход канала регистрации оптически соединен с приемником излучения, а выход канала возбуждения и вход канала регистрации волоконно-оптического зонда направлены в сторону исследуемого объекта.Achieving the claimed technical result, namely, increasing functionality that allows the utility model to study not only small, but also large biological objects, including humans, occurs due to the fact that the radiation from a laser radiation source irradiating the object under study, and radiation from the investigated object, collected for further analysis, is distributed in opposite directions. Technically, this is achieved by the fact that the claimed device instead of a fiber-optic output and a fiber-optic input is equipped with a fiber-optic probe consisting of an excitation channel and a registration channel, while the laser radiation source is optically connected to the input of the excitation channel, the output of the registration channel is optically connected to a radiation receiver, and the output of the excitation channel and the input of the registration channel of the fiber optic probe are directed toward the object under study.

Устройство диффузионной флуоресцентной томографии работает следующим образом.A diffusion fluorescence tomography device operates as follows.

Первоначально в исследуемый объект вводится флуорофор, который накапливается в определенных областях объекта, например в опухоли, и рабочий торец волоконно-оптического зонда направляется на исследуемый объект. По команде с блока управления (1) излучение от лазерного источника излучения (2) через канал возбуждения (5) волоконно-оптического зонда (4), установленного на системе электромеханических подвижек (3), попадает на исследуемый объект и проникает вглубь объекта. В объекте это излучение возбуждает флуорофор, который излучает известное широкополосное излучение. Модифицированное после прохождения в биоткани широкополосное излучение от исследуемого объекта попадает через канал регистрации (6) волоконно-оптического зонда (4) на приемник излучения (7), сигнал с которого поступает в блок обработки сигнала и визуализации (8). Одновременно по команде с блока управления (1) система электромеханических подвижек (3) осуществляет сканирование исследуемого объекта волоконно-оптическим зондом (4), а блок обработки сигнала и визуализации (8), используя оптические параметры исследуемого объекта, по форме регистрируемого спектра мощности широкополосного излучения восстанавливает трехмерное томографическое изображение исследуемого объекта и выводит его на экран. В результате определяются те места в исследуемом объекте, в которых накопился флуорофор.Initially, a fluorophore is introduced into the test object, which accumulates in certain areas of the object, for example, in a tumor, and the working end of the fiber-optic probe is directed to the test object. On command from the control unit (1), the radiation from the laser radiation source (2) through the excitation channel (5) of the fiber-optic probe (4) mounted on the electromechanical movement system (3), falls on the object under study and penetrates deep into the object. In an object, this radiation excites a fluorophore that emits a known broadband radiation. Modified after passing into biological tissue, the broadband radiation from the studied object gets through the registration channel (6) of the fiber-optic probe (4) to the radiation receiver (7), the signal from which enters the signal processing and visualization unit (8). At the same time, on command from the control unit (1), the electromechanical movement system (3) scans the object under study with a fiber-optic probe (4), and the signal processing and visualization unit (8), using the optical parameters of the object under study, in the form of the recorded broadband radiation power spectrum restores a three-dimensional tomographic image of the investigated object and displays it on the screen. As a result, those places in the studied object in which the fluorophore has accumulated are determined.

В отличие от прототипа, устройство диффузионной флуоресцентной томографии вместо волоконно-оптического выхода и волоконно-оптического входа, направленных друг на друга, снабжено волоконно-оптическим зондом, состоящим из канала возбуждения и канала регистрации, при этом лазерный источник излучения оптически соединен с входом канала возбуждения, выход канала регистрации оптически соединен с приемником излучения, а выход канала возбуждения и вход канала регистрации волоконно-оптического зонда направлены в сторону исследуемого объекта. Это позволяет собирать для дальнейшего анализа не прошедшее через исследуемый объект широкополосное излучение, как в прототипе, а широкополосное излучение от флуорофора, распространяющееся в противоположном направлении излучению от лазерного источника излучения, облучающему исследуемый объект. Это способствует повышению функциональности, поскольку позволяет полезной модели проводить исследование не только мелких, но и крупных биологических объектов, в том числе и человека.In contrast to the prototype, a diffusion fluorescence tomography device instead of a fiber optic output and a fiber optic input directed at each other, is equipped with a fiber optic probe consisting of an excitation channel and a recording channel, while the laser radiation source is optically connected to the input of the excitation channel , the output of the registration channel is optically connected to the radiation receiver, and the output of the excitation channel and the input of the registration channel of the fiber-optic probe are directed toward the object under study . This allows us to collect for further analysis not passed through the studied object broadband radiation, as in the prototype, but broadband radiation from a fluorophore, propagating in the opposite direction to radiation from a laser radiation source irradiating the studied object. This helps to increase functionality, because it allows a utility model to conduct research not only small, but also large biological objects, including humans.

Конкретное техническое оформление заявляемого устройства диффузионной флуоресцентной томографии, а именно, лазерный источник излучения, приемник излучения являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи, требуемой точности и чувствительности, характеристик применяемого флуорофора. В частности, длина волны лазерного источника излучения должна находиться в полосе возбуждения используемого флуорофора, а полоса рабочих частот приемника должна покрывать спектр широкополосного сигнала от флуорофора. Для получения информации с максимальной глубины биоткани желательно использовать лазерный источник излучения с длиной волны в диапазоне 800-1100 нм, который соответствует известному "окну прозрачности" биоткани. В этом случае применяется соответствующий флуорофор, который, возбуждаясь излучением в ближнем инфракрасном диапазоне, излучает широкополосное излучение в видимом диапазоне длин волн. Лазерный источник, излучения может быть выполнен в виде полупроводникового лазера. Система электромеханических подвижек является стандартной и ее характеристики зависят от поставленной задачи и требуемой точности. Блок управления и блок обработки сигнала и визуализации могут быть выполнены на базе микропроцессора или персонального компьютера. Волоконно-оптический зонд может быть выполнен многожильным, состоящим из нескольких отрезков оптических волокон. При этом одно или несколько из этих волокон могут использоваться в качестве канала возбуждения, а остальные волокна - в качестве канала регистрации волоконно-оптического зонда. В другом варианте волоконно-оптический зонд может быть выполнен на базе оптического разветвителя Y-типа с одним входом, одним выходом и одним входом/выходом. Вход разветвителя Y-типа является при этом входом канала возбуждения, выход разветвителя Y-типа - выходом канала регистрации, а вход/выход разветвителя Y-типа является одновременно выходом канала возбуждения и входом канала регистрации волоконно-оптического зонда. Преимущество второго варианта волоконно-оптического зонда заключается в достижении лучшего пространственного разрешения за счет совмещения выхода канала возбуждения с входом канала регистрации. Приемник излучения может быть выполнен на базе оптического анализатора спектра или флюориметра.The specific technical design of the inventive device for diffusion fluorescence tomography, namely, a laser radiation source, radiation receiver are standard and their characteristics depend on the task, the required accuracy and sensitivity, the characteristics of the applied fluorophore. In particular, the wavelength of the laser radiation source should be in the excitation band of the fluorophore used, and the receiver operating frequency band should cover the spectrum of the broadband signal from the fluorophore. To obtain information from the maximum depth of the biological tissue, it is desirable to use a laser radiation source with a wavelength in the range of 800-1100 nm, which corresponds to the known "transparency window" of the biological tissue. In this case, the corresponding fluorophore is used, which, excited by radiation in the near infrared range, emits broadband radiation in the visible wavelength range. Laser source, radiation can be made in the form of a semiconductor laser. The system of electromechanical movements is standard and its characteristics depend on the task and the required accuracy. The control unit and the signal processing and visualization unit can be performed on the basis of a microprocessor or a personal computer. A fiber optic probe can be multi-core, consisting of several segments of optical fibers. In this case, one or more of these fibers can be used as the excitation channel, and the remaining fibers as the registration channel of the fiber optic probe. In another embodiment, the fiber optic probe can be made on the basis of a Y-type optical splitter with one input, one output and one input / output. The input of the Y-type splitter is the input of the excitation channel, the output of the Y-type splitter is the output of the registration channel, and the input / output of the Y-type splitter is the output of the excitation channel and the input of the registration channel of the fiber-optic probe. The advantage of the second option of the fiber optic probe is to achieve a better spatial resolution by combining the output of the excitation channel with the input of the registration channel. The radiation receiver can be made on the basis of an optical spectrum analyzer or fluorimeter.

Нами был собран лабораторный вариант устройства диффузионной флуоресцентной томографии. Лазерный источник излучения был выполнен на базе полупроводникового лазера (АТС - Semiconductor devices) с длиной волны 975 нм. Блок управления и блок обработки сигнала и визуализации были выполнены на базе персонального компьютера. Система электромеханических подвижек была выполнена на базе двух шаговых двигателей FL42STH (Fulling Motor, Китай). Волоконно-оптический зонд был выполнен из семи одинаковых отрезков оптических волокон диаметром 400 мкм, собранных в пучок. При этом центральное волокно было снабжено металлизированной оболочкой и использовалось в качестве канала возбуждения, а остальные волокна - в качестве канала регистрации волоконно-оптического зонда. В качестве приемника излучения использовался флюориметр HJY Fluorolog 3 (Horiba JY, Франция)We have assembled a laboratory version of a diffusion fluorescence tomography device. The laser radiation source was based on a semiconductor laser (ATS - Semiconductor devices) with a wavelength of 975 nm. The control unit and the signal processing and visualization unit were made on the basis of a personal computer. The system of electromechanical movements was performed on the basis of two FL42STH stepper motors (Fulling Motor, China). The fiber optic probe was made of seven identical segments of optical fibers with a diameter of 400 microns, collected in a bundle. In this case, the central fiber was provided with a metallized sheath and was used as an excitation channel, and the remaining fibers as a registration channel for a fiber optic probe. An HJY Fluorolog 3 fluorimeter (Horiba JY, France) was used as a radiation detector

Испытания лабораторного варианта устройства диффузионной флуоресцентной томографии были проведены на жидкостном фантоме, который по своим оптическим свойствам имитировал биоткань. Поглощающие и рассеивающие свойства жидкостного фантома с достаточной точностью совпадали со свойствами биоткани в диапазоне волн 500-1100 мкм. Для имитации поглощения биоткани был использован пищевой краситель (Гранат), а для воспроизведения свойств светорассеивания биоткани применялось молоко. Для размещения флуорофора на различной глубине в жидкостном фантоме был изготовлен специальный маркер. Маркер был выполнен в виде круга диаметром 1 мм из полимерной пленки толщиной 100 мкм, на которую был нанесен флуорофор. В качестве флуорофора использовали наночастицы NaYF₄, легированные ионами Yb, Er, Tm. (в молярной концентрации 18%, 1,4%, 0,6% соответственно), которые при возбуждении на длине волны 975 нм давали спектр флуоресценции с тремя интенсивными линиями в окрестности длин волн 540, 655 и 800 нм. Маркер погружался в жидкостной фантом с помощью микрометрической подвижки, соединенной с блоком управления. Волоконно-оптический зонд устанавливался над поверхностью жидкостного фантома на расстоянии 1 мм. По команде с блока управления излучение от лазерного источника излучения с длиной волны 975 нм через выход канала возбуждения волоконно-оптического зонда попадало на жидкостной фантом и проникало вглубь фантома. В фантоме это излучение возбуждало флуорофор на поверхности маркера, который излучал широкополосное излучение флуоресценции. Это широкополосное излучение попадало на вход канала регистрации волоконно-оптического зонда и через него поступало на приемник излучения, сигнал с которого поступал в блок обработки сигнала и визуализации. Одновременно по команде с блока управления микрометрическая подвижка осуществляла перемещение маркера по глубине жидкостного фантома, а блок обработки сигнала и визуализации, используя оптические параметры жидкостного фантома, по форме спектра мощности излучения флуоресценции определял глубину, на которой находился маркер в каждый момент времени.Tests of the laboratory version of the diffusion fluorescence tomography device were carried out on a liquid phantom, which in its optical properties imitated biological tissue. The absorbing and scattering properties of a liquid phantom coincided with sufficient accuracy with the properties of biological tissue in the wavelength range of 500-1100 microns. To simulate the absorption of biological tissue, food coloring (Pomegranate) was used, and milk was used to reproduce the light scattering properties of biological tissue. A special marker was made to place the fluorophore at various depths in a liquid phantom. The marker was made in the form of a circle with a diameter of 1 mm from a polymer film 100 μm thick onto which a fluorophore was applied. As a fluorophore, NaYF ₄ nanoparticles doped with Yb, Er, and Tm ions were used. (at a molar concentration of 18%, 1.4%, 0.6%, respectively), which upon excitation at a wavelength of 975 nm gave a fluorescence spectrum with three intense lines in the vicinity of wavelengths of 540, 655 and 800 nm. The marker was immersed in the liquid phantom using a micrometer slide connected to the control unit. A fiber optic probe was mounted above the surface of a liquid phantom at a distance of 1 mm. On command from the control unit, the radiation from a laser radiation source with a wavelength of 975 nm through the output of the excitation channel of the fiber-optic probe fell onto a liquid phantom and penetrated deep into the phantom. In the phantom, this radiation excited a fluorophore on the surface of the marker, which emitted broadband fluorescence radiation. This broadband radiation fell at the input of the registration channel of the fiber-optic probe and passed through it to the radiation receiver, the signal from which was fed to the signal processing and visualization unit. At the same time, on a command from the control unit, the micrometric movement moved the marker along the depth of the liquid phantom, and the signal processing and visualization unit, using the optical parameters of the liquid phantom, determined the depth at which the marker was located at each moment in time using the shape of the fluorescence emission power spectrum.

Как видно из фиг. 2, при изменении глубины маркера в жидкостном фантоме от 0.5 мм (9) до 1 мм (10) и далее до 1.5 мм (11) форма измеренного спектра мощности флуоресценции изменяется: интенсивность спектральных линий спадает тем быстрее, чем короче длина волны. На фиг. 3 показано, как меняются величины нормированных интенсивностей флуоресценции в областях 655 нм (12) и 540 нм (13) от глубины залегания маркера в жидкостном фантоме. Из фиг. 3 видно, что существует однозначное соответствие между этими величинами и глубиной маркера. Поэтому, определив из эксперимента отношение интенсивностей флуоресценции в областях 540 нм и 655 нм к интенсивности флуоресценции в области 800 нм, по зависимостям, представленных на фиг. 3, однозначно определяется глубина маркера в жидкостном фантоме. Например, если в области 655 нм отношение интенсивности флуоресценции к аналогичному значению в области 800 нм составляет 0.37, а для полосы 540 нм - 0.05, то глубина залегания маркера с флуорофорами в жидкостном фантоме составляет 1.5 мм.As can be seen from FIG. 2, when the depth of the marker in the liquid phantom changes from 0.5 mm (9) to 1 mm (10) and then to 1.5 mm (11), the shape of the measured fluorescence power spectrum changes: the intensity of the spectral lines decreases the faster, the shorter the wavelength. In FIG. Figure 3 shows how the normalized fluorescence intensities in the regions of 655 nm (12) and 540 nm (13) vary with the depth of the marker in the liquid phantom. From FIG. Figure 3 shows that there is an unambiguous correspondence between these values and the depth of the marker. Therefore, having determined from experiment the ratio of the fluorescence intensities in the regions of 540 nm and 655 nm to the fluorescence intensities in the region of 800 nm, from the dependences shown in FIG. 3, the depth of the marker in the liquid phantom is uniquely determined. For example, if in the region of 655 nm the ratio of fluorescence intensity to a similar value in the region of 800 nm is 0.37, and for the 540 nm band it is 0.05, then the depth of the marker with fluorophores in the liquid phantom is 1.5 mm.

Испытания показали, что предложенное устройство, используя схему, при которой излучение от лазерного источника излучения и широкополосное излучение флуоресценции от исследуемого объекта распространяются в противоположных направлениях, позволяет восстанавливать трехмерную картину распределения флуорофора в исследуемом объекте. А такая схема не вносит ограничений на размеры исследуемого объекта.Tests have shown that the proposed device, using the scheme in which radiation from a laser radiation source and broadband fluorescence radiation from the object under study propagate in opposite directions, allows you to restore a three-dimensional picture of the distribution of the fluorophore in the object under study. And such a scheme does not introduce restrictions on the size of the investigated object.

Таким образом, предложенное устройство диффузионной флуоресцентной томографии позволяет достичь заявленный технический результат, а именно повысить функциональность, что заключается в возможности проводить исследование не только мелких, но и крупных биологических объектов, в том числе и человека.Thus, the proposed device diffusion fluorescence tomography allows you to achieve the claimed technical result, namely to increase functionality, which consists in the ability to conduct research not only small, but also large biological objects, including humans.

Claims

1. A diffusion fluorescence tomography device, consisting of a control unit connected to an electromechanical movement system, a laser radiation source, a radiation receiver connected to a signal processing and imaging unit, characterized in that it contains a fiber optic probe having an excitation channel and a recording channel, the laser radiation source is connected to the input of the excitation channel, the output of the registration channel is connected to the radiation receiver, the control unit is connected to the laser radiation source Nia and signal processing and imaging unit, and the output of the excitation channel and the channel input register fiberoptic probe directed towards the object under study.

2. The device according to claim 1, characterized in that the excitation channel and the registration channel of the fiber optic probe are made of one or more segments of optical fibers.

3. The device according to claim 1, characterized in that the excitation channel and the registration channel of the fiber optic probe are made on the basis of a Y-type optical splitter with one input, one output and one input / output, while the input of the Y-type splitter is an input the excitation channel, the output of the Y-type splitter is the output of the registration channel, and the input / output of the Y-type splitter is the output of the excitation channel and the input of the registration channel of the fiber-optic probe.

4. The device according to paragraphs. 1-3, characterized in that the laser radiation source has a wavelength in the range of 800-1100 nm.