RU169521U1

RU169521U1 - Device for assessing the intensity of light-scattering ability of biological tissue

Info

Publication number: RU169521U1
Application number: RU2016125774U
Authority: RU
Inventors: Сергей Эдуардович Аветисов; Иван Александрович Новиков; Сергей Викторович Рощин; Наталья Андреевна Пахомова; Сергей Сергеевич Махотин
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2017-03-21

Abstract

Устройство относится к экспериментальной биологии и может быть использовано для оценки интенсивности светорассеивающей способности биологической ткани. Устройство содержит лазерный модуль с коллимированным пучком, моторизованный координатный стол, детектор рассеянного излучения в виде CCD матрицы и отсекающие светофильтры. Все элементы жестко закреплены на станине. Устройство обеспечивает возможность оценки изменчивости угловых характеристик светорассеяния для объема ткани.The device relates to experimental biology and can be used to assess the intensity of the light-scattering ability of biological tissue. The device contains a laser module with a collimated beam, a motorized coordinate table, a scattered radiation detector in the form of a CCD matrix, and cut-off filters. All elements are rigidly fixed to the bed. The device provides the ability to assess the variability of the angular characteristics of light scattering for the volume of tissue.

Description

Предлагаемое устройство относится к экспериментальной биологии и может быть использовано для оценки интенсивности светорассеивающей способности биологической ткани, т. е. для определения оптических свойств биологических тканей in vitro. Устройство для оценки интенсивности светорассеивающей способности биологической ткани предназначено для регистрации, оценки и контроля медико-биологических параметров различных тканей по их оптическим характеристикам. Изучение этих свойств актуально для понимания формирующих биоткань составляющих.The proposed device relates to experimental biology and can be used to assess the intensity of the light-scattering ability of biological tissue, i.e., to determine the optical properties of biological tissues in vitro. A device for assessing the intensity of light-scattering ability of biological tissue is intended for registration, evaluation and monitoring of biomedical parameters of various tissues by their optical characteristics. The study of these properties is relevant for understanding the components that form biological tissue.

Известно, что основой рассеяния света в биологических тканях является разность коэффициентов преломления различных структур биотканей, т.е. между митохондриями, ядром, другими клеточными органеллами и цитоплазмой клеток, между внутритканевой жидкостью и структурными элементами соединительной ткани (коллагеновыми и эластическими волокнами). Помимо этого, имеются данные о том, что в тканях с патологическим ростом происходит изменение клеточных структур, например, меняются размеры отдельных клеточных ядер, наряду с этим может измениться и относительный показатель преломления ядро-цитоплазма, что ведет к изменению характера рассеивающих свойств биологических тканей. Кроме того, в тканях с патологическим ростом возможно нарушение плотности упаковки коллагеновых волокон и их ориентации, что также ведет к изменению светорассеивающих свойств.It is known that the basis of light scattering in biological tissues is the difference in the refractive indices of various structures of biological tissues, i.e. between mitochondria, the nucleus, other cellular organelles and the cytoplasm of cells, between the interstitial fluid and the structural elements of connective tissue (collagen and elastic fibers). In addition, there is evidence that in tissues with pathological growth there is a change in cellular structures, for example, the sizes of individual cell nuclei change, along with this, the relative refractive index of the nucleus-cytoplasm may also change, which leads to a change in the nature of the scattering properties of biological tissues. In addition, in tissues with pathological growth, a violation of the packing density of collagen fibers and their orientation is possible, which also leads to a change in light-scattering properties.

Следует отметить, что оптические свойства биологических тканей, в том числе, показатель преломления, а, следовательно, и их светорассеивающая способность могут зависеть от количества воды, наличия хиральных молекул в их составе, в частности, оптически активного белка - альбумина, а наличие метаболических веществ, находящихся в тканях, таких как глюкоза, приводит к изменениям показателей преломления и, как следствие, к изменению светорассеяния.It should be noted that the optical properties of biological tissues, including the refractive index, and, consequently, their light scattering ability, may depend on the amount of water, the presence of chiral molecules in their composition, in particular, the optically active protein albumin, and the presence of metabolic substances found in tissues, such as glucose, leads to changes in refractive indices and, as a consequence, to a change in light scattering.

Таким образом, биологические ткани являются оптически неоднородными, а распространение света в них зависит от рассеивающих и поглощающих свойств ее компонентов: клеток, клеточных органелл, разнообразных волокнистых структур, присутствия различных биологически-активных веществ. Наличие светорассеяния несет в себе важную информацию о формирующих биоткань составляющих, таких как размеры и формы структурных элементов, их оптических свойствах и ориентации.Thus, biological tissues are optically heterogeneous, and the propagation of light in them depends on the scattering and absorbing properties of its components: cells, cellular organelles, various fibrous structures, and the presence of various biologically active substances. The presence of light scattering carries important information about the components that form the biological tissue, such as the sizes and shapes of structural elements, their optical properties and orientation.

Известно устройство, используемое для оценки фотосинтетической активности растительных организмов, содержащее источник квазимонохроматического излучения красной области спектра плотностью мощности не менее 30 Вт/м², приемный объектив, светофильтр и фотоприемник, блок обработки сигналов, блок сбора данных (патент RU 2352104, 20.04.2009). Устройство позволяет оценивать интенсивность светорассеяния объекта в какой-либо конкретной точке и не дает возможности оценивать распределение оптических свойств образца ткани на всей ее протяженности, что бывает необходимо. Кроме того, оценка светорассеяния по измерению интенсивности рассеянного света лишь в одном направлении не позволяет вычислить индикатрису светорассеяния и его пространственные характеристики.A device is known used to assess the photosynthetic activity of plant organisms, containing a source of quasi-monochromatic radiation of the red region of the spectrum with a power density of at least 30 W / m ² , a receiving lens, a light filter and a photodetector, a signal processing unit, a data acquisition unit (patent RU 2352104, 04/20/2009 ) The device allows you to evaluate the light scattering intensity of an object at any particular point and does not make it possible to estimate the distribution of the optical properties of a tissue sample over its entire length, which is necessary. In addition, the estimation of light scattering by measuring the intensity of scattered light in only one direction does not allow one to calculate the light scattering indicatrix and its spatial characteristics.

Задачей разработки полезной модели является получение устройства для повышения точности в оценке, регистрации и контроле медико-биологических параметров различных биологических тканей in vitro, по их оптическим характеристикам.The task of developing a utility model is to obtain a device to improve the accuracy in the assessment, registration and monitoring of biomedical parameters of various biological tissues in vitro, according to their optical characteristics.

Техническим результатом предлагаемого устройства является возможность оценки изменчивости угловых характеристик светорассеяния для объема ткани.The technical result of the proposed device is the ability to assess the variability of the angular characteristics of light scattering for the volume of tissue.

Технический результат достигается за счет применения CCD матрицы в качестве детектора рассеянного излучения, моторизованного координатного стола, источника лазерного излучения с коллимированным пучком, отсекающими светофильтрами.The technical result is achieved through the use of a CCD matrix as a detector of scattered radiation, a motorized coordinate table, a laser source with a collimated beam, cut-off filters.

Лазерный модуль в качестве источника лазерного излучения с коллимированным пучком дает возможность оценивать светорассеивание строго определенного геометрического объема ткани пересекаемой пучком и избежать артефактов, связанных с расхождением лучей не на объекте, а при эмиссии излучения.The laser module as a source of laser radiation with a collimated beam makes it possible to evaluate the light scattering of a strictly defined geometric volume of tissue intersected by the beam and to avoid artifacts associated with the divergence of the rays not on the object, but upon emission of radiation.

Моторизованный координатный стол позволяет осуществлять перемещение исследуемого объекта относительно источника излучения с точностью позиционирования объекта 0,05 мм. Точность позиционирования зависит от необходимого разрешения при проведении конкретного теста с применением предлагаемого устройства, а также определенной толщины пучка лазера и, как правило, не превышает ее половины. Применение моторизованного координатного стола позволяет получить данные о светорассеянии не из одной точки, а последовательно для всего объема анализируемого образца. Кроме того, точное позиционирование образца, осуществляемое по средствам моторизованного координатного стола, позволяет проводить сравнительное исследование (с данными химических, физических и других тестов).A motorized coordinate table allows moving the object under study relative to the radiation source with an accuracy of object positioning of 0.05 mm. The accuracy of positioning depends on the required resolution when conducting a specific test using the proposed device, as well as a certain thickness of the laser beam and, as a rule, does not exceed half of it. The use of a motorized coordinate table allows one to obtain data on light scattering not from one point, but sequentially for the entire volume of the analyzed sample. In addition, the exact positioning of the sample, carried out by means of a motorized coordinate table, allows a comparative study (with the data of chemical, physical and other tests).

Монохроматическая CCD матрица в качестве детектора рассеянного излучения позволяет увеличить точность оценки светорассеивающей способности вещества тканей за счет одновременного анализа интенсивности света отклоненного на разные углы при рассеянии.The monochromatic CCD matrix as a scattered radiation detector allows to increase the accuracy of estimating the light-scattering ability of a tissue substance by simultaneously analyzing the intensity of light deflected at different angles during scattering.

Отсекающие светофильтры необходимы для исключения из сигнала аутофлуоресценции образца. Зона спектрального пропускания светофильтра каждый раз подбирается в соответствии с длинной волны лазерного модуля, что позволяет принимать только сигнал излучения рассеиваемого образцом.Cut-off filters are necessary to exclude the sample from the autofluorescence signal. The spectral transmission zone of the filter is each time selected in accordance with the wavelength of the laser module, which allows you to receive only the radiation signal scattered by the sample.

Предлагаемое устройство обеспечивает получение более полной картины светорассеяния лазерного луча тканями путем оценки интенсивности светорассеяния одновременно в нескольких направлениях. Это становится возможным за счет анализа угловых отклонений луча по измерению интенсивности отклоненного света на совокупности точек CCD матрицы, используемой в качестве приемника рассеянного излучения, и дальнейшей обработки.The proposed device provides a more complete picture of the light scattering of the laser beam by tissues by evaluating the intensity of light scattering simultaneously in several directions. This is made possible by analyzing the angular deviations of the beam to measure the intensity of the deflected light on the set of points of the CCD matrix used as a receiver of scattered radiation, and further processing.

Используемая, в качестве фотоприемника, CCD матрица имеет хорошую светочувствительность и малое количество шумов, что дает возможность получить проекцию рассеянного излучения с высоким разрешением и качеством.Used as a photodetector, the CCD matrix has good light sensitivity and a small amount of noise, which makes it possible to obtain a projection of scattered radiation with high resolution and quality.

Предлагаемая конструкция допускает использование иммерсионной жидкости между тканевыми блоками и стеклянными обкладками, что также позволяет увеличить точность оценки светорассеивающей способности вещества тканей, по сравнению с «сухими» системами, путем уменьшения рассеяния света на поверхности образца.The proposed design allows the use of immersion fluid between tissue blocks and glass plates, which also allows to increase the accuracy of assessing the light-scattering ability of tissue substances, compared with "dry" systems, by reducing light scattering on the surface of the sample.

Для объективизации получаемой информации, желательно предварительное выкраивание блоков изучаемой ткани, ограниченных ровными параллельными плоскостями.To objectify the information received, it is advisable to pre-cut blocks of the tissue under study, limited to even parallel planes.

Устройство для оценки интенсивности светорассеивающей способности вещества биологических тканей схематически представлено на фиг. 1, гдеA device for evaluating the intensity of light-scattering ability of a substance of biological tissues is shown schematically in FIG. 1 where

1 - блок биологической ткани,1 - a block of biological tissue,

2 - иммерсионное масло,2 - immersion oil,

3 - стеклянные обкладки,3 - glass plates

4 - моторизованный координатный стол,4 - motorized coordinate table,

5 – станина,5 - bed

6 - отсекающий светофильтр,6 - cut-off filter,

7 - лазерный модуль,7 - laser module,

8 - коллимированный пучок,8 - collimated beam,

9 - CCD детектор регистрации прошедшего излучения,9 - CCD detector of registration of transmitted radiation,

10 - излучение, рассеиваемое веществом биологической ткани.10 - radiation scattered by the substance of biological tissue.

Устройство используют следующим образом.The device is used as follows.

Смачивают предварительно выкроенный плоскопараллельный блок биологической ткани (1) иммерсионным маслом (2) и укладывают между стеклянных обкладок (3), полученную конструкцию размещают на моторизованном координатном столе (4), закрепленном на станине (5), связывающей все части устройства. Подбирают отсекающий светофильтр (6), пропускающий только излучение лазерного модуля. Посредством лазерного модуля (7) с коллимированным пучком (8) облучают различные локальные участки блока ткани (1). CCD детектором регистрации прошедшего излучения (9) захватывают излучение, рассеиваемое веществом биологической ткани (10). По соотношению яркости, получаемой разными зонами CCD детектора регистрации прошедшего излучения (9), судят об угловых характеристиках светорассеяния в локальной точке блока биологической ткани (1). Смену изучаемых локальных участков блока биологической ткани (1), для оценки изменчивости угловых характеристик светорассеяния в объеме ткани, проводят за счет его перемещения на моторизованном координатном столе (4), одновременно со стеклянными обкладками (3) и иммерсионным маслом (2).The pre-cut plane-parallel block of biological tissue (1) is moistened with immersion oil (2) and placed between glass plates (3), the resulting structure is placed on a motorized coordinate table (4), mounted on a bed (5) that connects all parts of the device. A cut-off light filter (6) is selected, transmitting only the radiation of the laser module. By means of a laser module (7) with a collimated beam (8), various local portions of the tissue block (1) are irradiated. A CCD transmitted radiation detector (9) captures the radiation scattered by the substance of the biological tissue (10). By the ratio of the brightness obtained by different zones of the CCD of the transmitted radiation registration detector (9), the angular characteristics of light scattering at the local point of the biological tissue block are judged (1). The change of the studied local sections of the biological tissue block (1), to assess the variability of the angular characteristics of light scattering in the tissue volume, is carried out by moving it on a motorized coordinate table (4), simultaneously with glass plates (3) and immersion oil (2).

Пример 1.Example 1

При применении криминалистической экспертизы потребовалось доказать, что катаракта, возникшая при жизни, была индуцирована ультрафиолетовым излучением, а не сопутствующим сахарным диабетом 2 типа. При жизни, трудовая деятельность была связана со сварочными работами. Для этого из хрусталика вдоль оптической оси был выкроен блок толщиной 0,8 мм. Плоскости срезов были смочены иммерсионной жидкостью и уложены между стеклянными обкладками. Для построения пространственной картины хрусталика был выбран лазерный модуль длиной волны 630 нм и соответствующий ему отсекающий светофильтр. Изменяя координаты на координатном столе последовательно ССД детектором, была захвачена интенсивность лучей, отклоненных от коллимированного лазерного источника на разные угловые величины. Было отмечено, что в краевых частях блока, соответствующих кортикальным слоям, находящимся вне проекции зрачка, интенсивность светорассеяния и процентная доля лучей, отклонившихся на углы больше, чем 10°, значительно ниже, чем в тех же кортикальных слоях, но находящихся в проекции зрачка, при его средней ширине. Это позволило сделать вывод о лучевой природе катаракты.When applying the forensic examination, it was required to prove that the cataract that arose during life was induced by ultraviolet radiation, and not by concomitant type 2 diabetes mellitus. During his lifetime, labor activity was associated with welding. For this, a block 0.8 mm thick was cut from the lens along the optical axis. The section planes were moistened with immersion liquid and placed between the glass plates. To build a spatial picture of the lens, a laser module with a wavelength of 630 nm and a corresponding cut-off filter were selected. By changing the coordinates on the coordinate table in series with the SSD detector, the intensity of the rays deflected from the collimated laser source by different angular values was captured. It was noted that in the edge parts of the block corresponding to the cortical layers located outside the pupil projection, the light scattering intensity and the percentage of rays deflected by angles greater than 10 ° are significantly lower than in the same cortical layers, but located in the pupil projection, with its average width. This led to the conclusion about the radiation nature of cataracts.

Устройство можно использовать в различных областях экспериментальной медицины, а также в криминологической экспертизе.The device can be used in various fields of experimental medicine, as well as in criminological expertise.

Claims

A device for assessing the intensity of light-scattering ability of biological tissue, characterized in that it contains a laser module with a collimated beam, a motorized coordinate table, a scattered radiation detector in the form of a CCD matrix and cut-off filters, all elements being rigidly fixed to the bed.