RU2234242C2

RU2234242C2 - Method for determining biological tissue condition

Info

Publication number: RU2234242C2
Application number: RU2002106861/14A
Authority: RU
Inventors: Р.В. Горенков (RU); Р.В. Горенков; А.А. Казаков (RU); А.А. Казаков; М.М. Назаренко (RU); М.М. Назаренко; Д.А. Рогаткин (RU); Д.А. Рогаткин; В.Н. Свирин (RU); В.Н. Свирин; А.С. Черкасов (RU); А.С. Черкасов; В.П. Черненко (RU); В.П. Черненко
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт "Полюс"
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2004-08-20
Also published as: WO2003077756A1

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: method involves exposing tissue area under examination to laser radiation or narrow bandwidth photodiode radiation of different wavelength, power, polarization and other physical parameters of beam illuminating the tissue. Then, frequency-spectrum or amplitude-spectrum analysis of secondary exited (reflected, induced, excited, background etc.) radiation parameters is applied.

EFFECT: high accuracy and reliability of diagnosis.

14 cl, 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области медицины и медицинского приборостроения, а именно к способу оптической диагностики физиологического и патофизиологического состояния биологических тканей, а также к реализующей этот способ медицинской диагностической аппаратуре, предназначенной для неинвазивного (неразрушающего, прижизненного) контроля и мониторинга физиологического состояния тканей человека. Изобретение основано на методах получения информации путем облучения исследуемого участка ткани источниками лазерного или узкополосного светодиодного излучения с различной длиной волны, мощностью, поляризацией и другими физическими параметрами луча, освещающего ткань, и последующим частотно-спектральным и/или амплитудно-спектральным анализом параметров вышедшего из ткани вторичного излучения (отраженного, рассеянного, наведенного, возбужденного, фонового и т.п.).The invention relates to the field of medicine and medical instrumentation, and in particular to a method for optical diagnostics of the physiological and pathophysiological state of biological tissues, as well as to medical diagnostic equipment implementing this method, intended for non-invasive (non-destructive, intravital) control and monitoring of the physiological state of human tissues. The invention is based on methods for obtaining information by irradiating a tissue site with sources of laser or narrow-band LED radiation with different wavelengths, power, polarization and other physical parameters of the beam illuminating the tissue, and subsequent frequency-spectral and / or amplitude-spectral analysis of the parameters of the tissue secondary radiation (reflected, scattered, induced, excited, background, etc.).

Известны общие физические и медико-биологические принципы и устройства для такой диагностики.Known are the general physical and biomedical principles and devices for such a diagnosis.

Известен способ и устройства для флюоресцентной неинвазивной медицинской диагностики злокачественных новообразований в тканях (RU 2012243 С1 15.01.1994, US 5647368 15.07.1997 и др.).A known method and device for fluorescence non-invasive medical diagnosis of malignant neoplasms in tissues (RU 2012243 C1 01/15/1994, US 5647368 07/15/1997, etc.).

Известен способ и устройства для неинвазивного определения процентного содержания оксигемоглобина крови (методы неинвазивной оксиметрии), протекающей по сосудам тканей и органов человека (US 4714341 1987, WO 94/03102 и др.).A known method and device for non-invasive determination of the percentage of blood oxyhemoglobin (non-invasive oximetry methods) flowing through the vessels of human tissues and organs (US 4714341 1987, WO 94/03102, etc.).

Известен способ и устройства для фотоплетизмографической диагностики параметров сердечных ритмов (систолических и диастолических волн) кровообращения в тканях и органах (SU 1655463 A1, RU 5912 U1, 16.02.98 и др.).A known method and device for photoplethysmographic diagnosis of parameters of heart rhythms (systolic and diastolic waves) of blood circulation in tissues and organs (SU 1655463 A1, RU 5912 U1, 02.16.98, etc.).

Известен способ и устройство для определения скорости капиллярного кровотока с использованием эффекта Доплера, а также методики оценки состояния биотканей на их основе (US 4596254 от 24.06.1986, RU 2140199 С1 от 27.10.1999 и др.).A known method and device for determining the speed of capillary blood flow using the Doppler effect, as well as methods for assessing the state of biological tissues based on them (US 4596254 from 06.24.1986, RU 2140199 C1 from 10.27.1999, etc.).

Известен способ и устройство для биофотометрического контроля состояния пораженных биологических тканей (SU 1545346 A1 от 18.06.1984; SU 1481938 A1 от 19.11.1985).A known method and device for biophotometric monitoring of the state of affected biological tissues (SU 1545346 A1 from 06/18/1984; SU 1481938 A1 from 11/19/1985).

Однако перечисленные известные методы и устройства имеют ряд существенных недостатков. Так, описываемые устройства для флюоресцентной диагностики не учитывают возможность внесения существенной ошибки в измерения за счет того, что исходное освещающее излучение и сигнал флюоресценции, возникающий при облучении биоткани и регистрируемый приемной аппаратурой, могут существенно и независимо друг от друга ослабляться из-за наличия в ткани поглощающих свет сторонних веществ (меланина, биллирубина и т.д.). Это приводит к неконтролируемому данными методами изменению соотношений сигналов, что сказывается на достоверности и объективности диагностики. Описываемые методы неинвазивной оксиметрии, привязанные к технологии вычисления содержания оксигемоглобина в крови во время пульсовых волн периферического кровообращения, позволяют определять лишь процентное, а не абсолютное содержание оксигемоглобина и только в артериальном русле сосудистой системы. Такая информация является неполной, т.к. физиологически клиническое состояние ткани сильно зависит не только от количества подводимого к ней кислорода, но и от возможности его “утилизовать” в процессе обмена веществ. Т.е. для более полной клинической картины наблюдаемых в тканях процессов желательно иметь возможность определения содержания оксигемоглобина и в венозном русле сосудистой системы. Методы фотоплетизмографической диагностики являются методами качественной оценки динамических пульсаций кровотока, т.к. так же как и методы флюоресцентной диагностики не учитывают изменения в уровнях сигналов за счет присутствия в тканях поглощающих свет веществ и за счет неконтролируемого уровня внутреннего пространственного рассеяния света на неоднородностях структур (поверхности эритроцитов, например), общее количество которых переменно при динамической пульсации крови. Все это для методов фотоплетизмографии приводит к невозможности вычисления точных количественных параметров кровенаполнения биоткани по измеренным сигналам и соответственно слабой информативности этих методов. И так далее.However, the listed known methods and devices have a number of significant drawbacks. Thus, the described devices for fluorescence diagnostics do not take into account the possibility of introducing a significant error in the measurements due to the fact that the initial illumination radiation and the fluorescence signal arising from the irradiation of biological tissue and recorded by the receiving equipment can be significantly and independently dependent on each other due to the presence of tissue light absorbing foreign substances (melanin, bilirubin, etc.). This leads to a change in signal ratios uncontrolled by these methods, which affects the reliability and objectivity of the diagnosis. The described methods of non-invasive oximetry, tied to the technology for calculating the content of oxyhemoglobin in the blood during pulse waves of peripheral circulation, allow us to determine only the percentage, and not the absolute content of oxyhemoglobin and only in the arterial bed of the vascular system. Such information is incomplete because physiologically, the clinical state of the tissue strongly depends not only on the amount of oxygen supplied to it, but also on the ability to “utilize” it in the metabolic process. Those. for a more complete clinical picture of the processes observed in the tissues, it is desirable to be able to determine the content of oxyhemoglobin in the venous channel of the vascular system. Photoplethysmographic diagnostic methods are methods for a qualitative assessment of dynamic pulsations of blood flow, because as well as methods of fluorescence diagnostics, they do not take into account changes in signal levels due to the presence of light absorbing substances in tissues and due to an uncontrolled level of internal spatial light scattering on heterogeneities of structures (red blood cell surfaces, for example), the total number of which is variable during dynamic pulsation of blood. All this for photoplethysmography methods leads to the impossibility of calculating the exact quantitative parameters of the blood supply of biological tissue from the measured signals and, accordingly, the low information content of these methods. Etc.

Наиболее близким по сути принятых технических решений прототипом для данного заявляемого устройства является диагностический аппарат, описанный в международной заявке WO 97/15226. Аппарат содержит:The closest in essence to the technical solutions adopted, the prototype for this inventive device is a diagnostic apparatus described in international application WO 97/15226. The device contains:

- источник(и) первичного (пробного) электромагнитного излучения широкого спектрального диапазона длин волн;- source (s) of primary (test) electromagnetic radiation of a wide spectral range of wavelengths;

- средства доставки излучения от источника к диагностируемой биологической ткани;- means of delivery of radiation from the source to the diagnosed biological tissue;

- средства регистрации отраженного от биоткани излучения и излучения вынужденной (наведенной) флюоресценции (аутофлюоресценции);- Means of registration of radiation reflected from biological tissue and radiation of stimulated (induced) fluorescence (autofluorescence);

- средства обработки полученных ответных сигналов от биоткани для получения медицинской диагностической информации;- means of processing the received response signals from biological tissue to obtain medical diagnostic information;

- средства регулировки интенсивности исходного (пробного) излучения, включающие цепи обратной связи для управления выходной мощностью по сигналам с приемников излучения от ткани.- means for adjusting the intensity of the initial (test) radiation, including feedback circuits for controlling the output power from signals from tissue radiation receivers.

В качестве дополнительных устройств в аппарате-прототипе заявлены эталон отражения (калибратор), позволяющий имитировать сигналы от здоровых и больных тканей и осуществлять относительную методику диагностики по соотношению сигналов биоткань/эталон, дополнительный фотоплетизмограф для определения микроциркуляции ткани, видеокамера регистрации изображения зоны обследования и ряд других дополнительных узлов и блоков, расширяющих возможности аппаратуры и позволяющих модифицировать варианты исполнения источника излучения, тракта доставки излучения к биоткани и т.д.As an additional device in the prototype apparatus, a reflection standard (calibrator) is declared that allows you to simulate signals from healthy and diseased tissues and carry out a relative diagnostic technique according to the ratio of biological tissue / standard signals, an additional photoplethysmograph for determining tissue microcirculation, a video camera for recording images of the examination area, and a number of other additional nodes and blocks that expand the capabilities of the equipment and allow you to modify the design options of the radiation source, path to tavki radiation to the biological tissue, etc.

Базовая методика диагностики, описанная для указанного выше устройства, заключается в подведении пробного электромагнитного (например, оптического диапазона длин волн) излучения к обследуемому участку биоткани и регистрации отраженного первичного и/или стимулированного (вторичного) флюоресцентного излучения от биоткани с последующим анализом амплитуды и оптического спектрального состава зарегистрированного излучения. Сравнение полученных данных с данными от эталонного отражателя или от заведомо здоровых тканей позволяет делать прогноз относительно состояния ткани в терминах “норма-патология”.The basic diagnostic procedure described for the above device consists in summing up the test electromagnetic (for example, the optical wavelength range) radiation to the examined area of the biological tissue and recording the reflected primary and / or stimulated (secondary) fluorescence radiation from the biological tissue with subsequent analysis of the amplitude and optical spectral composition of the registered radiation. Comparison of the obtained data with data from a reference reflector or from obviously healthy tissues allows us to make a forecast regarding the state of the tissue in terms of “normal pathology”.

К основным недостаткам устройства, взятого за прототип, относятся:The main disadvantages of the device taken as a prototype include:

1) Построение конструкции устройства и методик измерения по принципу регистрации и обработки только отраженного от ткани или наведенного в области отражения вторичного излучения. Этот недостаток сильно ограничивает диагностические возможности аппаратуры для реальной медицинской практики, т.к. известно (Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях, - Саратов, СГУ, 1998), что подавляющее большинство биологических тканей являются, например для оптического диапазона длин волн, полупрозрачными и мутными (неоднородными) средами, при взаимодействии с которыми излучение не только отражается от них, но и проникает в их толщу, рассеивается внутри среды по разным направлениям, частично поглощается средой или преобразуется в излучение других длин волн и выходит из ткани наружу, составляя, так называемый, поток обратно-рассеянного излучения, который во много раз может превосходить по величине отраженный поток и который за счет глубинных, многократных взаимодействий излучения с толщей среды несет в себе намного больше информации о свойствах среды.1) Construction of the design of the device and measurement methods on the basis of registration and processing only reflected from the fabric or induced in the reflection area of the secondary radiation. This drawback greatly limits the diagnostic capabilities of the equipment for real medical practice, as it is known (Tuchin V.V. Lasers and fiber optics in biomedical research, Saratov, SSU, 1998) that the vast majority of biological tissues are, for example, for the optical wavelength range, translucent and cloudy (inhomogeneous) media, in the interaction with which radiation not only reflected from them, but also penetrates into their thickness, scattered inside the medium in different directions, partially absorbed by the medium or converted into radiation of other wavelengths and leaves the tissue outside, making up the so-called back-flow asseyannogo radiation, which many times can exceed the largest reflected flux, and that due to the deep, multiple interactions of radiation with a layer of medium carries a lot more information about the properties of the medium.

2) Отсутствие в устройстве возможности анализа динамических параметров амплитуд регистрируемых сигналов (частотного спектра получаемого электрического сигнала) на малых отрезках времени (10^-6 с - 1 с) в каждом спектральном диапазоне длин волн, которые несут богатую информацию о параметрах микроциркуляции крови и других жидкостей в обследуемом участке ткани, что делает диагностику на данном аппарате малоинформативной в смысле медицины для реальных живых биотканей.2) The device does not have the ability to analyze the dynamic parameters of the amplitudes of the recorded signals (frequency spectrum of the received electrical signal) over small periods of time (10 ^-6 s - 1 s) in each spectral range of wavelengths that carry rich information about the parameters of microcirculation of blood and other fluids in the examined tissue site, which makes the diagnostics on this device uninformative in the sense of medicine for real living biological tissues.

Кроме того, общим существенным недостатком всех перечисленных известных способов и устройств является то, что каждый из этих способов и устройств предназначен для диагностики оптическими методами отдельно выбранных медико-биологических параметров ткани в отрыве от совокупности других ее медико-биологических параметров, которые также могут влиять на регистрируемые прибором оптические свойства тканей и соответственно сказываться на точности, достоверности и общей медицинской информативности (значимости), получаемой в результате проведения диагностики информации. В подавляющем большинстве случаев в известных методах и устройствах критериями обнаружения областей патологий в тканях являются критерии сравнения показателей с обследуемых подозрительных тканей и тканей, считающихся здоровыми (например, RU 2012243), причем эти критерии разрабатываются для каждого прибора отдельно на этапе его создания в идеализированных условиях лабораторий и на ограниченной выборке больных с конкретным типом (типами) заболевания. Однако при проведении реальных обследований пациентов в клинике врач заранее, как правило, не имеет никакой априорной информации о том, какие участки ткани могут являться здоровыми, а какие поражены заболеванием. Кроме того, реальные пациенты клиник могут иметь множественные и сопутствующие основному заболеванию нарушения, скажем общую сердечную недостаточность и вызванные ей нарушения периферического кровообращения, которые сказываются на оптических свойствах всех тканей всего организма и не позволяют иметь опорную информацию типа “нормальная ткань”. Соответственно, указанные известные способы и приборы не могут охватить всего многообразия встречающихся на практике типов, нозологических форм и разновидностей заболеваний тканей и органов человека. Точность, достоверность и медицинская значимость такой раздельной диагностики частных медико-биологических параметров по отдельно взятым оптическим показателям весьма низка, а применение указанных приборов ограничено рядом отдельных клинических ситуаций.In addition, a common significant drawback of all of the above known methods and devices is that each of these methods and devices is intended for optical diagnostics of individually selected biomedical parameters of tissue in isolation from the totality of its other biomedical parameters, which can also affect the optical properties of tissues recorded by the device and, accordingly, affect the accuracy, reliability and general medical information content (significance) obtained as a result of SIC diagnostic information. In the vast majority of cases in known methods and devices, the criteria for detecting areas of pathologies in tissues are criteria for comparing indicators from examined suspicious tissues and tissues considered healthy (for example, RU 2012243), and these criteria are developed for each device separately at the stage of its creation under idealized conditions laboratories and on a limited sample of patients with a specific type (types) of disease. However, when conducting real examinations of patients in the clinic, the doctor in advance, as a rule, does not have any a priori information about which parts of the tissue can be healthy and which are affected by the disease. In addition, real clinic patients can have multiple and concomitant underlying diseases, say, general heart failure and peripheral circulatory disorders caused by it, which affect the optical properties of all tissues of the whole body and do not allow supporting information such as “normal tissue”. Accordingly, these known methods and devices cannot cover the whole variety of types encountered in practice, nosological forms and varieties of diseases of human tissues and organs. The accuracy, reliability and medical significance of such a separate diagnosis of private biomedical parameters for individual optical parameters is very low, and the use of these devices is limited to a number of individual clinical situations.

Предложенное изобретение основано на том, что все оптико-физические свойства биотканей очень сильно зависят от общего физиологического и патофизиологического состояния ткани (Физиология человека: В 3-х томах. Пер. с англ. / Под ред. Р.Шмидта и Г.Тевса. - М.: Мир, 1996). Они могут сильно меняться в зависимости от параметров кровообращения в тканях, от способности дыхательных органов и форменных элементов крови насыщать ткани кислородом, от параметров клеточного дыхания и метаболизма и т.д. Общие интегральные оптические свойства биотканей зависят от оптических свойств отдельных слоев и типов тканей, составляющих общее понятие “биологическая ткань”. А оптические свойства отдельных слоев и типов тканей сильно зависят от процентного содержания в них основных хромофоров, флюорохромов и других оптически “активных” веществ, имеющих характерные полосы спектрального поглощения, рассеяния и/или люминесценции (например, меланина, гемоглобина, биллирубина, природных порфиринов, флавинов, воды и т.п.) (Wai-Fung Cheong et. al. A review of the optical properties of biological tissues. / IEEE J. of Quant. Electronics, Vol. 26(12), 1990. - pp. 2166-2185). Общее накопление этих оптически “активных” биохимических компонентов в тканях, а также параметры периферического тканевого кровообращения и лимфатического дренажа (параметры микроциркуляции крови и других жидкостей в тканях) и определяют общее функциональное, физиологическое и патофизиологическое состояние ткани, в том числе ее “нормальное” состояние или состояние болезни. Поэтому только интегральная оценка в совокупности всех или большинства указанных компонент позволяет более или менее достоверно оценивать наличие и степень тяжести существующих в тканях нарушений (патологий). Такая интегральная оценка может быть проведена при условии, что по регистрируемым оптическим сигналам, выходящим из биоткани, в процессе диагностики определяются физико-математическими вычислительными методами как все основные оптико-физические параметры среды распространения излучения, включая динамические характеристики изменчивости свойств среды во времени (параметры изменчивости регистрируемых оптических сигналов во времени), так и основные статические биохимические параметры - уровни накопления в тканях тех или иных биохимических компонент ткани. При этом под физиологическим состоянием ткани понимаются следующие (для примера) известные в медицине состояния ткани:The proposed invention is based on the fact that all the optical-physical properties of biological tissues are very dependent on the general physiological and pathophysiological state of the tissue (Human Physiology: In 3 volumes. Translated from English / Ed. By R. Schmidt and G. Tevs. - M.: Mir, 1996). They can vary greatly depending on the parameters of blood circulation in the tissues, on the ability of the respiratory organs and blood cells to saturate the tissues with oxygen, on the parameters of cellular respiration and metabolism, etc. The general integrated optical properties of biological tissues depend on the optical properties of the individual layers and types of tissues that make up the general concept of “biological tissue”. And the optical properties of individual layers and types of tissues strongly depend on the percentage in them of the main chromophores, fluorochromes and other optically “active” substances having characteristic spectral absorption, scattering and / or luminescence bands (for example, melanin, hemoglobin, bilirubin, natural porphyrins, flavins, water, etc.) (Wai-Fung Cheong et. al. A review of the optical properties of biological tissues. / IEEE J. of Quant. Electronics, Vol. 26 (12), 1990. - pp. 2166 -2185). The total accumulation of these optically “active” biochemical components in the tissues, as well as the parameters of peripheral tissue circulation and lymphatic drainage (parameters of microcirculation of blood and other fluids in the tissues) determine the general functional, physiological and pathophysiological state of the tissue, including its “normal” state or condition of the disease. Therefore, only an integral assessment in the aggregate of all or most of the indicated components allows a more or less reliable assessment of the presence and severity of disorders (pathologies) existing in the tissues. Such an integral assessment can be carried out provided that the detected optical signals emerging from the biological tissue are determined by physical and mathematical computational methods in the diagnostic process as all the main optical and physical parameters of the radiation propagation medium, including the dynamic characteristics of the variability of the medium’s properties over time (variability parameters recorded optical signals over time), and the main static biochemical parameters - levels of accumulation in the tissues of certain biochemical female components of the fabric. In this case, the physiological state of the tissue refers to the following (for example) tissue states known in medicine:

- Нормальное состояние- Normal condition

- Злокачественные новообразования- Malignant neoplasms

- Стадии язвенно-некротического процесса (некроз, рубцевания)- Stages of the ulcerative necrotic process (necrosis, scarring)

- Дистрофические изменения- Dystrophic changes

- Регенераторные процессы в раневой поверхности- Regenerative processes in the wound surface

- Некроз и другие состояния.- Necrosis and other conditions.

Таким образом, задачами, решаемыми предлагаемым способом и реализующим его устройством, является:Thus, the tasks solved by the proposed method and the device that implements it are:

- устранение указанных недостатков известных способов и устройств, а также недостатков прямого прототипа заявленного способа и устройства;- elimination of these disadvantages of known methods and devices, as well as the disadvantages of a direct prototype of the claimed method and device;

- обеспечение возможности диагностики общего физиологического и патофизиологического состояния обследуемых тканей через регистрацию совокупности оптически активных компонент и динамических процессов в тканях;- providing the ability to diagnose the general physiological and pathophysiological state of the examined tissues through registration of a combination of optically active components and dynamic processes in tissues;

- повышение точности, достоверности и медицинской информативности диагностических процедур, которые будут обеспечиваться применением на практике данного способа и реализующего его устройства;- improving the accuracy, reliability and medical informativeness of diagnostic procedures that will be provided by the practical application of this method and the device that implements it;

- расширение функциональных возможностей диагностических процедур и обеспечение возможности использования заявляемых способа и устройства в различных областях медицины, таких, например, как, онкология, ангиология, дерматология, гастроэнтерология, травматология, трансплантология и др.- expanding the functionality of diagnostic procedures and providing the possibility of using the inventive method and device in various fields of medicine, such as, for example, oncology, angiology, dermatology, gastroenterology, traumatology, transplantology, etc.

Технический и медико-биологический результаты от использования предлагаемого способа и устройства достигаются следующим образом.Technical and biomedical results from the use of the proposed method and device are achieved as follows.

Способ определения состояния биологической ткани заключается в том, что воздействуют на исследуемый участок биологической ткани электромагнитным излучением оптического диапазона длин волн с использованием одновременно или поочередно не менее чем двух длин волн. Это излучение проникает внутрь ткани, частично поглощается внутри ткани биохимическими хромофорами, рассеивается на неоднородностях структуры ткани, преобразуется за счет взаимодействия с некоторыми органическими молекулами (например, молекулами порфирина) в излучение флюоресценции, фосфоресценции, комбинационного (рамановского) рассеяния и т.п., т.е. в общем случае, меняет свои спектральные и пространственно-энергетические характеристики в зависимости от особенностей исследуемой биоткани и за счет актов многократного рассеяния, в конечном итоге, частично выходит наружу по всей обследуемой поверхности, составляя так называемое вторичное оптическое излучение с поверхности биоткани. Вышедшее из ткани вторичное оптическое излучение, несущее за счет измененных своих спектральных и пространственно-энергетических характеристик информацию о медико-биологическом состоянии исследуемой ткани, одновременно регистрируют не менее чем в двух пространственных точках на поверхности исследуемого участка биологической ткани на разном расстоянии от участка воздействия, так, чтобы зарегистрировать тенденцию в изменении параметров вторичного излучения на каждой воздействующей длине волны за счет разницы в длине пути вторичного излучения внутри биоткани от участка воздействия до точек регистрации. Анализируют спектральные статические и динамические характеристики вторичного излучения для каждой точки регистрации и при каждой из используемых длин волн. А собственно физиологическое состояние биологической ткани определяют далее на основе анализа совокупности спектральных статических и динамических характеристик регистрируемого вторичного оптического излучения для каждой из точек регистрации и каждой из воздействующих длин волн путем вычисления по этим данным количественного накопления в исследуемом участке биологической ткани оптически активных природных биохимических компонент ткани и параметров состояния ее микроциркуляторного русла. При этом динамические параметры регистрируемого вторичного излучения для каждой из точек регистрации определяют на основе частотного по времени, например, Фурье-анализа спектров флуктуации вторичного излучения, которые регистрируют быстродействующими фотоприемниками на длинах волн воздействующего излучения, а статические спектральные данные для каждой из точек регистрации определяют путем анализа спектральной оптической плотности вторичного излучения как на воздействующих длинах волн, так и на длинах волн флюоресценции, фосфоресценции и/или комбинационного рассеяния за счет разложения вторичного излучения в оптический спектр и одновременной регистрации всего полученного спектра набором чувствительных фотоприемников. Под статическими спектральными данными в данном случае подразумеваются средние по времени спектральные плотности мощности регистрируемого вторичного излучения для каждой пространственной точки сбора информации по поверхности биоткани как на длинах волн возбуждающего электромагнитного излучения, так и на длинах волн бокового спектра - длинах волн флюоресценции, фосфоресценции и/или комбинационного рассеяния (рамановского рассеяния), по которым можно вычислить средние по времени уровни накопления в зоне обследования таких оптически активных биохимических составляющих ткани, как порфирины, флавиновые и пиридиннуклеотидовые ферменты, коллаген, гемоглобин, оксигемоглобин и т.п. вещества. А под динамическими параметрами регистрируемого вторичного излучения для каждой из точек регистрации по поверхности биоткани подразумеваются колебания в амплитудах сигналов на каждой из длин волн воздействующего излучения в диапазоне частот 0,01 Гц-50 кГц, которые несут в себе информацию о динамических параметрах микроциркуляции крови в обследуемой биоткани - ритмах кровотока, связанных с сердечными ритмами, средней скорости капиллярного кровотока (за счет эффекта Доплера) и т.п. При окончательном определении состояния биологической ткани по результатам диагностики по описываемому способу и построении заключительного вычислительного процесса на первом этапе обработки данных путем решения обратной задачи оптики светорассеивающих сред с использованием средних статических спектральных данных на воздействующих длинах волн определяют значения погонных оптических коэффициентов поглощения и рассеяния излучения биотканью и/или ее отдельными слоями, на втором этапе обработки данных по полученным статическим спектральным данным на длинах волн флюоресценции, фосфоресценции и/или комбинационного рассеяния с использованием результатов предыдущего этапа вычислений определяют уровни накопления в биоткани и/или ее отдельных слоях оптически активных биохимических компонент ткани (гемоглобина, оксигемоглобина, флавиновых ферментов, коллагена и т.п.), а по зарегистрированным динамическим данным с использованием методов обработки данных, применяемых в лазерной доплерографии и фотоплетизмографии, определяют динамические параметры микроциркуляции крови в исследуемой ткани. На последнем, третьем этапе обработки данных по полученным совокупным данным второго этапа вычислений с использованием статистико-вероятностных алгоритмов классификации многопараметрической ситуации определяют наиболее вероятное фактическое физиологическое состояние обследуемой биоткани из общепринятой в медицине классификации состояний - норма, воспаление, ишемия, эрозивно-язвенный процесс и т.п.The method for determining the state of biological tissue is that they influence the studied area of biological tissue by electromagnetic radiation of the optical wavelength range using at least two wavelengths simultaneously or alternately. This radiation penetrates into the tissue, is partially absorbed inside the tissue by biochemical chromophores, is scattered by the heterogeneity of the tissue structure, is converted by interaction with some organic molecules (e.g., porphyrin molecules) into radiation of fluorescence, phosphorescence, Raman scattering, etc., those. in the general case, it changes its spectral and spatial-energy characteristics depending on the characteristics of the biological tissue under study and, due to multiple scattering acts, ultimately partially goes outside the entire examined surface, making up the so-called secondary optical radiation from the surface of the biological tissue. Secondary optical radiation emerging from the tissue, which, due to its changed spectral and spatial-energy characteristics, carries information about the medical and biological state of the tissue under investigation, is simultaneously recorded at at least two spatial points on the surface of the studied region of biological tissue at different distances from the site of exposure, in order to register a trend in the variation of the parameters of the secondary radiation at each acting wavelength due to the difference in the path length of the secondary radiation inside the biological tissue from the site of exposure to the registration points. The spectral static and dynamic characteristics of the secondary radiation are analyzed for each registration point and for each of the used wavelengths. And the physiological state of the biological tissue proper is determined further on the basis of the analysis of the set of spectral static and dynamic characteristics of the recorded secondary optical radiation for each of the registration points and each of the affecting wavelengths by calculating from these data the quantitative accumulation of optically active natural biochemical components of the tissue in the studied tissue section of the biological tissue and state parameters of its microvasculature. In this case, the dynamic parameters of the recorded secondary radiation for each of the registration points are determined based on the time-frequency, for example, Fourier analysis of the fluctuation spectra of the secondary radiation, which are recorded by high-speed photodetectors at the wavelengths of the incident radiation, and the static spectral data for each of the registration points is determined by analysis of the spectral optical density of secondary radiation both at the acting wavelengths and at the wavelengths of fluorescence, phosphores pricing and / or Raman scattering due to the decomposition of secondary radiation into the optical spectrum and simultaneous recording of the entire spectrum obtained by a set of sensitive photodetectors. Static spectral data in this case means the average time spectral power density of the recorded secondary radiation for each spatial point of information collection on the surface of the biological tissue both at the wavelengths of the exciting electromagnetic radiation and at the wavelengths of the side spectrum — wavelengths of fluorescence, phosphorescence and / or Raman scattering (Raman scattering), by which it is possible to calculate the average over time accumulation levels in the survey area of such optically active biochemical components of tissue, such as porphyrins, flavin and pyridine nucleotide enzymes, collagen, hemoglobin, oxyhemoglobin, etc. substances. And by the dynamic parameters of the recorded secondary radiation for each of the registration points along the surface of the biological tissue, we mean oscillations in the amplitudes of the signals at each of the wavelengths of the incident radiation in the frequency range 0.01 Hz-50 kHz, which carry information about the dynamic parameters of blood microcirculation in the subject biological tissue - blood flow rhythms associated with heart rhythms, average capillary blood flow velocity (due to the Doppler effect), etc. In the final determination of the state of biological tissue from the diagnostic results by the described method and the construction of the final computational process at the first stage of data processing by solving the inverse problem of optics of light-scattering media using average static spectral data at the acting wavelengths, the values of the linear optical absorption and scattering coefficients of radiation by biological tissue are determined and / or its separate layers, at the second stage of data processing on the received static The central data at the wavelengths of fluorescence, phosphorescence and / or Raman scattering using the results of the previous calculation stage determine the levels of accumulation in biotissue and / or its individual layers of optically active biochemical components of the tissue (hemoglobin, oxyhemoglobin, flavin enzymes, collagen, etc.) and according to the registered dynamic data using data processing methods used in laser dopplerography and photoplethysmography, dynamic parameters of microcirculation are determined rovi in the tissue. At the last, third stage of processing data from the combined data of the second stage of calculations using statistical probability algorithms for classifying a multi-parameter situation, the most likely actual physiological state of the examined biological tissue is determined from the generally accepted classification of conditions in medicine - norm, inflammation, ischemia, erosive-ulcerative process, etc. .P.

При проведении диагностики длины волн воздействующего электромагнитного излучения выбирают в соответствии с характерными полосами оптического поглощения, рассеяния и/или полосами возбуждения флюоресценции (фосфоресценции) тех биохимических компонент биоткани, которые необходимы для определения того или иного типа физиологического состояния. При распространении внутри биоткани излучение именно этих длин волн будет наиболее сильно менять свои спектральные и пространственно-энергетические характеристики. Например, будет сильно ослабляться внутри кровенаполненной ткани излучение с длинами волн 405-410 нм за счет сильного поглощения его гемоглобином и оксигемоглобином крови, которые в этом спектральном диапазоне имеют особо интенсивные полосы поглощения - так называемые “полосы Соре”. Это поглощение, в общем случае, описывается известным уравнением переноса излучения в мутных средах (Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях, - Саратов, СГУ, 1998), зависит от концентрации гемоглобина и оксигемоглобина в тканях и может быть описано, как некая функция расстояния от точки входа излучения в биоткань (точки освещения поверхности биоткани). Таким образом, получение информации об исследуемой ткани от двух, трех, четырех и более пространственных точек по поверхности исследуемой биоткани, расположенных на разном расстоянии от области первичного воздействия (освещения), путем замера выходящего из ткани вторичного излучения при ее освещении различными длинами волн позволяет определить совокупность процентного содержания в тканях основных биохимических компонентов ткани, взаимодействующих с освещающим ткань оптическим излучением.When conducting wavelength diagnostics, the acting electromagnetic radiation is selected in accordance with the characteristic bands of optical absorption, scattering and / or excitation bands of fluorescence (phosphorescence) of those biochemical components of the biological tissue that are necessary to determine one or another type of physiological state. When propagating within biological tissue, it is precisely these wavelengths that will most strongly change their spectral and spatial-energy characteristics. For example, radiation with wavelengths of 405–410 nm will be greatly attenuated inside the blood-filled tissue due to its strong absorption by hemoglobin and blood oxyhemoglobin, which in this spectral range have especially intense absorption bands - the so-called “Soret bands”. This absorption, in the general case, is described by the well-known equation of radiation transfer in turbid media (Tuchin V.V. Lasers and fiber optics in biomedical research, Saratov, SSU, 1998), depends on the concentration of hemoglobin and oxyhemoglobin in tissues and can be described. as a certain function of the distance from the point of entry of radiation into the biological tissue (the point of illumination of the surface of the biological tissue). Thus, obtaining information about the test tissue from two, three, four or more spatial points on the surface of the test biological tissue, located at different distances from the primary exposure (lighting), by measuring the secondary radiation emerging from the tissue when it is illuminated by different wavelengths, it is possible to determine the totality of the percentage in tissues of the main biochemical components of the tissue interacting with optical radiation illuminating the tissue.

Диагностическая система для определения состояния биологической ткани, реализующая предлагаемый способ диагностики, включает в себя блок источников электромагнитного излучения, которые генерируют излучение в оптическом диапазоне длин волн, систему транспортировки излучения от источников излучения к исследуемой биологической ткани и систему транспортировки вторичного излучения от биологической ткани в систему обработки сигналов от оптических приемников.The diagnostic system for determining the state of biological tissue that implements the proposed diagnostic method includes a block of electromagnetic radiation sources that generate radiation in the optical wavelength range, a system for transporting radiation from radiation sources to the biological tissue under study, and a system for transporting secondary radiation from biological tissue to the system processing signals from optical receivers.

Блок источников излучения включает смеситель излучения источников излучения, соединенный далее с системой транспортировки излучения от источников излучения к исследуемой биологической ткани. Смеситель может быть выполнен в виде оптического моноволокна, сопряженного с отдельными оптическими волокнами, идущими от каждого источника излучения и собранными в единый оптический жгут, что позволяет доставлять излучение разных источников в одну и ту же точку исследуемой поверхности биологической ткани.The block of radiation sources includes a radiation mixer of radiation sources, further connected to a system for transporting radiation from radiation sources to the biological tissue under study. The mixer can be made in the form of an optical monofilament conjugated with individual optical fibers coming from each radiation source and assembled into a single optical bundle, which makes it possible to deliver radiation from different sources to the same point on the studied surface of biological tissue.

Система транспортировки вторичного излучения от биологической ткани в систему обработки сигналов содержит не менее двух независимых оптических приемников излучения, установленных на разном расстоянии от выхода системы транспортировки излучения от блока источников излучения к биологической ткани. Это позволяет каждому приемнику воспринимать вторичное излучение с поверхности биологической ткани на разном расстоянии от участка воздействия на ткань электромагнитным излучением источников. Как вариант, системы транспортировки вторичного излучения и транспортировки излучения от блока источников к исследуемой биологической ткани могут быть выполнены в виде оптических волокон, заключенных в единую гибкую оболочку (единый жгут).The system for transporting secondary radiation from biological tissue to the signal processing system contains at least two independent optical radiation detectors installed at different distances from the output of the radiation transport system from the block of radiation sources to biological tissue. This allows each receiver to perceive secondary radiation from the surface of biological tissue at different distances from the site of exposure to tissue by electromagnetic radiation from sources. Alternatively, systems for transporting secondary radiation and transporting radiation from a block of sources to the biological tissue under study can be made in the form of optical fibers enclosed in a single flexible sheath (single bundle).

Система обработки сигналов получает данные от системы транспортировки вторичного излучения и содержит соответственно в системе транспортировки вторичного излучения не менее двух одинаковых блоков, соединенных с выходом системы транспортировки вторичного излучения от биологической ткани и входом блока обработки результатов диагностики. При этом каждый из этих одинаковых блоков включает в себя по два спектральных оптических блока, первый из которых регистрирует сигналы основного спектра на длинах волн источников излучения быстродействующими фотоприемниками, а второй разлагает излучение в оптический спектр с помощью полихроматора с дифракционной решеткой и регистрирует наряду с сигналами на длинах волн источников излучения слабые сигналы боковых спектров неупругого взаимодействия - сигналы флюоресценции, фосфоресценции и/или комбинационного рассеяния - набором чувствительных фотоприемников, например линейкой фотоприемников на основе ПЗС-структур (Полупроводниковые фотоприемники: ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра / Под ред. В.И.Стафеева - М.: Радио и Связь, 1984, -с. 185-190). В каждый из этих двух спектральных оптических блоков одновременно доставляется определенная доля, например, по 50% оптического излучения из системы транспортировки вторичного излучения за счет разделения пучка света примерно на два равных пучка перед этими блоками делителем излучения.The signal processing system receives data from the secondary radiation transportation system and accordingly contains at least two identical units in the secondary radiation transportation system connected to the output of the secondary radiation transportation system from biological tissue and the input of the diagnostic results processing unit. In this case, each of these identical blocks includes two spectral optical blocks, the first of which registers the signals of the main spectrum at the wavelengths of radiation sources by fast photodetectors, and the second decomposes the radiation into the optical spectrum using a polychromator with a diffraction grating and registers along with the signals wavelengths of radiation sources weak signals of the side spectra of inelastic interaction — signals of fluorescence, phosphorescence and / or Raman scattering — by a set of senses ity of photodetectors, for example photodetectors line of the CCD structures (Semiconductor photodetectors: ultraviolet, visible and near infrared ranges of the spectrum / Ed V.I.Stafeeva - M .: Radio and Communication, 1984, 185-190 c..). A certain fraction, for example, 50% of the optical radiation from the secondary radiation transport system, is simultaneously delivered to each of these two spectral optical blocks by dividing the light beam into approximately two equal beams in front of these blocks by a radiation divider.

Первый спектральный оптический блок в каждом блоке системы обработки сигналов может быть выполнен из “n” быстродействующих фотоприемников, например фотодиодов ФД-7К, и селективных по спектру зеркал, установленных перед фотоприемниками для выделения необходимых для регистрации спектральных диапазонов длин волн. Как вариант, первый спектральный оптический блок может быть выполнен и иначе - из “n” быстродействующих фотоприемников и неселективных по спектру делителей вторичного излучения. В этом случае перед фотоприемниками установлены селективные по спектру оптические фильтры, выделяющие необходимые для регистрации спектральные диапазоны длин волн.The first spectral optical block in each block of the signal processing system can be made of “n” high-speed photodetectors, for example, FD-7K photodiodes, and spectrum-selective mirrors mounted in front of the photodetectors to highlight the spectral ranges of wavelengths necessary for recording. Alternatively, the first spectral optical unit can be made differently - from “n” high-speed photodetectors and spectrum-selective secondary radiation dividers. In this case, spectrum-selective optical filters are installed in front of the photodetectors, highlighting the spectral ranges of wavelengths necessary for recording.

Выходы фотоприемников первого спектрального оптического блока соединены с входом блока предварительного усиления, выполненного в виде набора из “n” широкополосных усилителей электрических сигналов, выход блока предварительного усиления связан со входом блока выделения и усиления сигнала, выход которого соединен с входом блока оцифровки сигналов, выход блока оцифровки через блоки коммутации и передачи соединен с входом блока обработки результатов диагностики.The outputs of the photodetectors of the first spectral optical unit are connected to the input of the pre-amplification unit, made up of a set of “n” broadband amplifiers of electrical signals, the output of the pre-amplification unit is connected to the input of the signal extraction and amplification unit, the output of which is connected to the input of the signal digitizing unit, the output of the unit digitization through blocks of switching and transmission is connected to the input of the processing unit of the diagnostic results.

Второй спектральный оптический блок в каждом блоке системы обработки сигналов может быть выполнен по схеме полихроматора с использованием, например, дифракционной решетки в качестве диспергирующего элемента. Он также содержит оптическую систему формирования луча и в нем в качестве фотоприемников установлены чувствительные фотоприемники, например, на основе ПЗС-структур, регистрирующие весь полученный в этом блоке оптический спектр.The second spectral optical block in each block of the signal processing system can be made according to the polychromator scheme using, for example, a diffraction grating as a dispersing element. It also contains an optical system for beam formation, and sensitive photodetectors, for example, based on CCD structures, recording the entire optical spectrum obtained in this block, are installed as photodetectors.

Выходы фотоприемников второго спектрального оптического блока связаны через блоки усиления, оцифровки сигналов, коммутации и передачи с входом блока обработки результатов диагностики.The outputs of the photodetectors of the second spectral optical unit are connected via amplification, digitization of signals, switching and transmission units to the input of the diagnostic processing unit.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - общая блок-схема предлагаемой диагностической системы; на фиг.2 - блок-схема блока источников излучения; на фиг.3 - устройство спектральных оптических блоков; на фиг.4 - блок-схема алгоритма обработки данных; на фиг.5 - схематическое пояснение уравнения переноса.figure 1 is a General block diagram of the proposed diagnostic system; figure 2 is a block diagram of a block of radiation sources; figure 3 - device spectral optical blocks; figure 4 is a block diagram of a data processing algorithm; 5 is a schematic explanation of the transport equation.

Предлагаемая диагностическая система (фиг.1), как описано выше, содержит в своем составе четыре основных блока: блок источников первичного узкополосного оптического излучения 1, систему транспортировки излучения 2 от блока источников к исследуемой биологической ткани 3, систему транспортировки вторичного излучения 4 от биологической ткани в систему обработки сигналов 5 и собственно систему обработки сигналов 5. При этом система обработки сигналов 5 выполнена в виде двух или более одинаковых оптоэлектронных блоков (6а, 6б и т.д.) и блока обработки результатов диагностики 7. Регистрируемые оптические сигналы от биологической ткани поступают в систему обработки сигналов 5 в каждый из блоков 6а, 6б и т.д. через соответствующие системы транспортировки вторичного оптического излучения 4а, 4б и т.д.The proposed diagnostic system (Fig. 1), as described above, contains four main blocks: a block of primary sources of narrow-band optical radiation 1, a system for transporting radiation 2 from a block of sources to the biological tissue under study 3, a system for transporting secondary radiation 4 from biological tissue into the signal processing system 5 and the actual signal processing system 5. In this case, the signal processing system 5 is made in the form of two or more identical optoelectronic units (6a, 6b, etc.) and the processing unit heel diagnostic results 7. The detected optical signals received from the biological tissue in the signal processing system 5 in each of the blocks 6a, 6b, etc. through appropriate secondary optical radiation transport systems 4a, 4b, etc.

Блок источников первичного излучения (фиг.2) состоит из набора (не менее 2 шт.) лазерных и/или светодиодных источников излучения 8, каждый из которых работает в своем отдельном узком спектральном диапазоне длин волн из общего спектрального интервала 0,2 -100 мкм. Выходы источников излучения 8 соединены со смесителем излучения 9, обеспечивающим одновременный или поочередный ввод излучения всех источников в единую систему транспортировки излучения 2 (например, световод) к биоткани 3. Соединение может быть выполнено посредством сбора в единый жгут всех отдельных оптических волокон, идущих от каждого излучателя, и присоединением этого жгута далее на вход к смесителю, который может представлять собой единое оптическое моноволокно большего или равного жгуту диаметра. Соединение и сам смеситель может быть также, как вариант, выполнены на основе оптических элементов - посредством системы линзовых объективов, коллиматоров и/или селективных полупрозрачных зеркал, фокусирующих и направляющих излучение в общее оптическое волокно или на общий выходной объектив, освещающий биоткань.The block of primary radiation sources (Fig. 2) consists of a set (at least 2 pcs.) Of laser and / or LED radiation sources 8, each of which operates in its own separate narrow spectral range of wavelengths from a common spectral range of 0.2 -100 μm . The outputs of the radiation sources 8 are connected to a radiation mixer 9, which provides simultaneous or alternate input of the radiation of all sources into a single radiation transport system 2 (for example, a light guide) to the biological tissue 3. The connection can be made by collecting all the individual optical fibers coming from each into a single bundle emitter, and by connecting this bundle further to the input to the mixer, which can be a single optical monofilament of a diameter greater than or equal to the bundle. The connection and the mixer itself can also, as an option, be based on optical elements - through a system of lenses, collimators and / or selective translucent mirrors focusing and directing radiation into a common optical fiber or onto a common output lens illuminating biological tissue.

Как вариант, блок источников излучения может быть выполнен на основе набора перестраиваемых по длине волны лазеров и/или светодиодов, а также на основе набора широкополосных, например ламповых, источников света в комплекте со сменным набором светофильтров, каждый из которых вырезает из общего спектра лампы нужный диапазон длин волн. Дополнительно для обеспечения контроля работоспособности источников оптического излучения и системы транспортировки излучения от блока источников излучения к исследуемой биологической ткани диагностическая система может быть оснащена встроенной системой контроля мощности оптического излучения источников.Alternatively, the block of radiation sources can be made on the basis of a set of tunable wavelengths of lasers and / or LEDs, as well as on the basis of a set of broadband, for example tube, light sources complete with a replaceable set of light filters, each of which cuts out from the general spectrum of the lamp wavelength range. Additionally, to ensure the operability of optical radiation sources and the system for transporting radiation from the block of radiation sources to the biological tissue under study, the diagnostic system can be equipped with a built-in system for controlling the power of optical radiation of sources.

Выбор количества излучателей и их рабочих длин волн осуществляется на основе необходимости определения в тканях того, или иного набора биохимических компонент (биомолекул, клеток) и их динамических параметров. Конкретные рабочие длины волн выбираются из условия их соответствия характерным спектральным полосам поглощения, рассеяния, люминесценции и т.п. регистрируемых биохимических компонент. Данные длины волн в общем случае хорошо известны из литературных источников (Юденфренд С. Флуоресцентный анализ в биологии и медицине, - М.: Мир, 1965; MJ.Gemert, S.L.Jacgues et.al Skin Optics / Biomed. Engineering, v.36, # 12, 1989, - p. 1146-1154).The choice of the number of emitters and their operating wavelengths is based on the need to determine in the tissues of one or another set of biochemical components (biomolecules, cells) and their dynamic parameters. Specific operating wavelengths are selected from the condition of their correspondence to the characteristic spectral bands of absorption, scattering, luminescence, etc. registered biochemical components. These wavelengths are generally well known from literature (Judenfrend S. Fluorescence Analysis in Biology and Medicine, - M .: Mir, 1965; MJ. Gemert, SLJacgues et.al Skin Optics / Biomed. Engineering, v. 36, # 12, 1989, - p. 1146-1154).

Транспортировка исходного воздействующего оптического излучения (см. фиг.1) от блока источников излучения к биоткани и регистрируемого вторичного излучения от биоткани обратно в устройство осуществляется системами транспортировки 2 и 4, выполненными, например, на основе оптических световодов или оптических объективов, наведенных на освещение и обзор определенных пространственных областей на биоткани. При этом система транспортировки 2 позволяет освещать определенный и ограниченный ее выходной апертурой локальный участок тестируемой биоткани одновременно или поочередно на всех выбранных длинах волн, а система транспортировки 4 располагается (для световодов) или выполняется (для объективов) так, что воспринимает лишь вышедшее из ткани рассеянное внутри нее излучение в совокупности с наведенным излучением флюоресценции, фосфоресценции и т.п. как в непосредственной близости от освещенного участка биологической ткани (узел 4а), так и на некотором другом (0,01-10 см) расстоянии от него (узел 4б и т.д.). Системы транспортировки излучения 2 и 4 могут быть выполнены в виде оптических волокон, собранных в жгут с диаметром не более 2 мм.The transportation of the initial acting optical radiation (see Fig. 1) from the block of radiation sources to the biological tissue and the recorded secondary radiation from the biological tissue back to the device is carried out by transportation systems 2 and 4, made, for example, on the basis of optical optical fibers or optical lenses, aimed at lighting and overview of specific spatial areas on biological tissue. At the same time, the transportation system 2 allows you to illuminate a specific and limited by its output aperture local area of the tested biological tissue simultaneously or alternately at all selected wavelengths, and the transportation system 4 is located (for optical fibers) or is executed (for lenses) so that it only perceives the scattered tissue inside it, radiation in conjunction with induced radiation of fluorescence, phosphorescence, etc. both in the immediate vicinity of the illuminated area of biological tissue (node 4A), and at some other (0.01-10 cm) distance from it (node 4b, etc.). Radiation transportation systems 2 and 4 can be made in the form of optical fibers assembled into a bundle with a diameter of not more than 2 mm.

Система обработки сигналов 5 (см. фиг.1) представляет собой оптико-электронное устройство, производящее оптическую фильтрацию и селекцию регистрируемых сигналов, преобразование оптических сигналов в электрические посредством набора фотоприемников, усиление и фильтрацию электрических сигналов, их оцифровку, коммутацию и окончательную обработку результатов диагностики. Она выполнена в виде двух или более одинаковых оптоэлектронных блоков (6а, 6б и т.д.) и блока обработки результатов диагностики 7. Каждый из блоков 6а, 6б и т.д. содержит по два спектральных оптических блока 11 и 12 (см. фиг.3). Первоначально в каждом из блоков 6а, 6б и т.д. пришедшее от биологической ткани вторичное излучение с выхода системы транспортировки вторичного излучения (поз. 4а, 4б и т.д. фиг.1) в распределительном оптическом узле 10 посредством оптических делителей и/или для варианта световодов посредством отвода от общего жгута части волокон распределяется по спектральным оптическим блокам 11 и 12.The signal processing system 5 (see Fig. 1) is an optical-electronic device that performs optical filtering and selection of registered signals, converts optical signals into electrical signals using a set of photodetectors, amplifies and filters electrical signals, digitizes them, commutes and finishes processing of diagnostic results . It is made in the form of two or more identical optoelectronic units (6a, 6b, etc.) and a processing unit for diagnostic results 7. Each of the blocks 6a, 6b, etc. contains two spectral optical blocks 11 and 12 (see figure 3). Initially, in each of the blocks 6a, 6b, etc. the secondary radiation received from the biological tissue from the output of the secondary radiation transportation system (pos. 4a, 4b, etc., FIG. 1) in the optical distribution unit 10 by means of optical dividers and / or for a variant of the optical fibers by distributing part of the fibers from the common bundle is distributed over spectral optical blocks 11 and 12.

Спектральный оптический блок 11 реализует динамическую, с разрешением по времени до 10^-6с, регистрацию пришедших сигналов основного спектра (на длинах волн источников излучения). Для этого блок 11 содержит “n” быстродействующих фотоприемников (например, фотодиодов) 13а, 13б...13n, излучение на которые из основного потока отводится селективными по спектру зеркалами 14, выделяющими необходимые для регистрации спектральные диапазоны длин волн. Как альтернативный вариант, в оптической схеме могут быть использованы неселективные по спектру делители (расщепители) потока и установленные перед каждым фотоприемником соответствующие селективные оптические фильтры. Электрические сигналы с фотоприемников поступают на блок предварительного усиления 15, представляющий собой набор из “n” широкополосных усилителей электрических сигналов. После усиления сигналы поступают в блок 16, предназначенный для выделения и усиления для каждого сигнала отдельно его высокочастотной переменной, а также постоянной и низкочастотной переменной составляющих для последующего анализа динамических параметров сигналов и реализации методик доплерографической и фотоплетизмографической обработки данных. После разделения все сигналы поступают на блок 17 для оцифровки, коммутации и передачи дальше в блок обработки результатов диагностики 7 по фиг.1.The spectral optical unit 11 implements dynamic, with a time resolution of up to 10 ^-6 s, registration of the received signals of the main spectrum (at wavelengths of radiation sources). For this, block 11 contains “n” high-speed photodetectors (for example, photodiodes) 13a, 13b ... 13n, the radiation from which is extracted from the main stream by spectrum-selective mirrors 14, which select the spectral ranges of wavelengths necessary for registration. As an alternative, in the optical scheme, spectrum-selective flux dividers (splitters) and appropriate selective optical filters installed in front of each photodetector can be used. The electrical signals from the photodetectors are fed to the pre-amplification unit 15, which is a set of “n” wide-band amplifiers of electrical signals. After amplification, the signals enter block 16, which is used to isolate and amplify for each signal its high-frequency variable separately, as well as its constant and low-frequency components, for subsequent analysis of the dynamic parameters of the signals and the implementation of Doppler and photoplethysmographic data processing techniques. After separation, all the signals are sent to block 17 for digitizing, switching, and transmitting further to the processing unit for diagnostic results 7 of FIG. 1.

Оптический спектральный блок 12 реализует выделение и статическую регистрацию слабых сигналов боковых спектров неупругого рассеяния от биоткани (сигналов флюоресценции и т.п.). Он выполняется по одной из известных схем полихроматоров, например, с использованием дифракционной решетки 18 в качестве диспергирующего элемента и оптической системы формирования луча 19, например, на основе зеркальной оптики. На входе полихроматора при необходимости может устанавливаться дополнительный набор сменных фильтров 20, гасящих до необходимого уровня входящую мощность излучения на основных длинах волн излучателей источника освещения биоткани. Разложенное таким образом в спектр излучение попадает на систему высокочувствительных (до 10^-16 Вт) фотоприемников 21, например, на основе ПЗС (CCD) матриц, где преобразуется в электрический сигнал. Далее электрический сигнал с фотоприемников подается в блок усиления, оцифровки и коммутации сигналов 22 и после этого передается в блок окончательной обработки результатов диагностики 7 по фиг.1. Этот блок обработки результатов диагностики может представлять собой, например, компьютерную систему обработки данных или систему узкоспециализированных микроконтроллеров на основе сигнальных и других аналоговых и/или цифровых процессоров сигналов.The optical spectral block 12 implements the extraction and static registration of weak signals of the side spectra of inelastic scattering from biological tissue (fluorescence signals, etc.). It is carried out according to one of the known polychromator schemes, for example, using a diffraction grating 18 as a dispersing element and an optical beam forming system 19, for example, based on mirror optics. If necessary, an additional set of replaceable filters 20 can be installed at the input of the polychromator, quenching the incoming radiation power at the basic wavelengths of the emitters of the biological tissue lighting source to the required level. The radiation thus decomposed into the spectrum falls on a system of highly sensitive (up to ^10-16 W) photodetectors 21, for example, based on CCD (CCD) arrays, where it is converted into an electrical signal. Next, the electrical signal from the photodetectors is fed to the amplification, digitizing and switching unit of signals 22 and then transmitted to the final processing unit of the diagnostic results 7 in FIG. This diagnostic processing unit may be, for example, a computer data processing system or a system of highly specialized microcontrollers based on signal and other analog and / or digital signal processors.

Обработка полученных сигналов для получения окончательного диагностического результата производится в несколько стадий (фиг.4).Processing the received signals to obtain the final diagnostic result is carried out in several stages (figure 4).

Первой из них является решение прямой и обратной задачи оптики светорассеивающих сред (см., например, Рамм А.Г. Многомерные обратные задачи рассеяния. Перевод с английского, - М.: Мир, 1994 г.) для определения всех или наиболее значимых послойных оптико-физических параметров биоткани и их динамических характеристик. Входными данными для этих расчетов служат амплитудно-частотные параметры сигналов с пространственно разнесенных точек, полученных на выходе блоков 6а, 6б и т.д. по фиг.1. Результатом расчетов является определение средних послойных спектральных погонных коэффициентов рассеяния и поглощения для исследуемого участка биологической ткани.The first of these is the solution of the direct and inverse problems of the optics of light-scattering media (see, for example, Ramm A.G. Multidimensional inverse scattering problems. Translation from English, - M .: Mir, 1994) to determine all or the most significant layer-by-layer optics -physical parameters of biological tissue and their dynamic characteristics. The input data for these calculations are the amplitude-frequency parameters of signals from spatially separated points obtained at the output of blocks 6a, 6b, etc. in figure 1. The calculation result is the determination of the average layer-by-layer spectral linear scattering and absorption coefficients for the studied area of biological tissue.

Определение средних статических оптико-физических свойств биотканей может быть выполнено с привлечением методов теории переноса (ТП) и рассеяния излучения в оптически неоднородных средах. Основное уравнение ТП является интегро-дифференциальным, куда параметры среды входят как погонные, детерминированные коэффициенты уравнения. Обычно при составлении уравнения переноса рассматривают распространение некоторой монохроматической (на длине волны λ) интенсивности излучения Iλ вдоль какого-либо выбранного направления при падении излучения на плоскую границу раздела под некоторым углом ν₀ (фиг.5). Среда предполагается поглощающей и рассеивающей с погонными коэффициентами поглощения и рассеяния μ_a и μ_s (см^-1) соответственно. В этом случае при азимутальной симметрии основное уравнение переноса излучения (УПИ) обычно записывается в виде изменения интенсивности вдоль одной координаты распространения:Determination of the average static optical-physical properties of biological tissues can be carried out using the methods of transport theory (TP) and radiation scattering in optically inhomogeneous media. The main TP equation is integro-differential, where the medium parameters enter as linear, determinate coefficients of the equation. Usually, when compiling the transport equation, one considers the propagation of a certain monochromatic (at a wavelength λ) radiation intensity Iλ along a chosen direction when radiation falls on a flat interface at a certain angle ν ₀ (Fig. 5). The medium is assumed to be absorbing and scattering with linear absorption and scattering coefficients μ _a and μ _s (cm ^-1 ), respectively. In this case, with azimuthal symmetry, the basic equation of radiation transfer (UPI) is usually written in the form of a change in intensity along one propagation coordinate:

где dω - элемент телесного угла, p(υ,υ') - фазовая функция рассеяния (индикатриса рассеяния), характеризующая угловое перераспределение интенсивности излучения при рассеянии.where dω is the solid angle element, p (υ, υ ') is the phase scattering function (scattering indicatrix), which characterizes the angular redistribution of radiation intensity during scattering.

Такая постановка задачи является весьма общей и способна описывать очень многие физические явления, от оптических до переноса нейтронов. В общем случае для определения двух основных неизвестных (μ_а и μ_s) в предположении известности индикатрисы рассеяния среды необходимо иметь два уравнения типа (1) для двух разных пространственных координат. В предлагаемом изобретении это достигается вводом в состав устройства двух и более идентичных каналов приема информации, выполненных в виде двух и более каналов 4а, 4б и т.д., системы транспортировки вторичного излучения от биологической ткани в систему обработки сигналов и двух и более одинаковых оптоэлектронных блоков 6а, 6б и т.д. в системе обработки сигналов.Such a statement of the problem is very general and is capable of describing very many physical phenomena, from optical to neutron transfer. In the general case, to determine the two main unknowns (μ _a and μ _s ) under the assumption that the scattering indicatrix of the medium is known, it is necessary to have two equations of type (1) for two different spatial coordinates. In the present invention, this is achieved by introducing into the device two or more identical channels for receiving information, made in the form of two or more channels 4a, 4b, etc., a system for transporting secondary radiation from biological tissue to a signal processing system, and two or more identical optoelectronic blocks 6a, 6b, etc. in a signal processing system.

Дальнейшая оценка уровня содержания различных биохимических компонент в тканях производится на основе известной зависимости погонного коэффициента поглощения от содержания в тканях различных оптически активных веществ. Для приближения равномерного распределения веществ внутри однородного по своему макросоставу слоя справедливо следующее, хорошо известное соотношение:Further assessment of the level of various biochemical components in the tissues is based on the known dependence of the linear absorption coefficient on the content of various optically active substances in the tissues. To approximate the uniform distribution of substances within a layer homogeneous in its macrostructure, the following well-known relation is valid:

где ε_i(λ) - табличный (заранее известный) коэффициент погонной (молярной) экстинции для i-го компонента ткани, с_i - погонная (молярная) концентрация i-го компонента.where ε _i (λ) is the tabular (previously known) coefficient of linear (molar) extinction for the i-th component of the tissue, and _i is the linear (molar) concentration of the i-th component.

Проводя измерения на разных длинах волн λ_j(j=1,2...i) из (2), можно получить искомые концентрации с_i.Carrying out measurements at different wavelengths λ _j (j = 1,2 ... i) from (2), we can obtain the desired concentration with _i .

Второй стадией является вычисление по полученным статическим оптико-физическим параметрам биотканей уровней накопления (концентрации) в тканях и/или ее отдельных слоях тех или иных ее биохимических и клеточных компонентов, которые могут быть вычислены методами спектроскопии поглощения (по спектрам поглощения). На этом же этапе обрабатываются переменные составляющие сигналов с блоков динамической регистрации основного спектра и сигналы с блока статической регистрации боковых спектров неупругого рассеяния (флюоресценции, фосфоресценции и т.д.). Последние необходимы для вычисления уровней накопления в тканях веществ, обладающих особыми свойствами неупругого рассеяния - порфиринов, флавинов и т.д. Все эти вычисления для повышения точности и достоверности диагностики ведутся с учетом уже полученных ранее данных по средним рассеивающим и поглощающим оптико-физическим свойствам биоткани, т.е. при вычислениях учитывается среднее стороннее рассеяние и поглощение (экранировка) сигналов в биоткани, которые в общем случае сильно влияют на регистрируемые сигналы (например, занижают их). Динамические параметры сигналов оценивают известными методами обработки сигналов, принятыми в лазерной доплерографии и/или фотоплетизмографии, например, методами Фурье-анализа. В результате получают количественные биофизические характеристики по скорости движения, параметрам пульсации, вариабельности и т.п. наполняющих ткань жидкостей (кровь, лимфа и т.д.) в области диагностики, которые в совокупности характеризуют параметры состояния микроциркуляторного русла биоткани. По сигналам с блока статической регистрации боковых спектров (сигналам флюоресценции и т.п.) оценивают далее количественное накопление в тканях различных природных флюоресцирующих веществ (решение обратной задачи оптики для сигналов флюоресценции с учетом полученных ранее средних и динамически меняющихся оптико-физических свойств среды).The second stage is the calculation of the levels of accumulation (concentration) in tissues and / or its individual layers of one or another of its biochemical and cellular components, which can be calculated by absorption spectroscopy (from absorption spectra), using the obtained static optical and physical parameters of biological tissues. At the same stage, the variable components of the signals from the dynamic recording units of the main spectrum and the signals from the static recording unit of the lateral inelastic scattering spectra (fluorescence, phosphorescence, etc.) are processed. The latter are necessary for calculating the levels of accumulation in the tissues of substances with special properties of inelastic scattering - porphyrins, flavins, etc. All these calculations, in order to increase the accuracy and reliability of diagnostics, are carried out taking into account previously obtained data on the average scattering and absorbing optical and physical properties of biological tissue, i.e. the calculations take into account the average third-party scattering and absorption (screening) of signals in biological tissue, which in the general case strongly affect the recorded signals (for example, underestimate them). The dynamic parameters of the signals are evaluated by known signal processing methods adopted in laser dopplerography and / or photoplethysmography, for example, by Fourier analysis. As a result, quantitative biophysical characteristics are obtained in terms of speed, pulsation parameters, variability, etc. tissue-filling liquids (blood, lymph, etc.) in the field of diagnostics, which together characterize the state parameters of the microvasculature of the biological tissue. The signals from the block of static registration of side spectra (fluorescence signals, etc.) further evaluate the quantitative accumulation in tissues of various natural fluorescent substances (solving the inverse optical problem for fluorescence signals, taking into account previously obtained average and dynamically changing optical and physical properties of the medium).

Третьей и заключительной стадией обработки является общий анализ физиологического и патофизиологического состояния ткани на основе использования совокупности биохимических и биофизических данных о биоткани, полученных на предыдущих этапах вычислений и статистико-вероятностных алгоритмов классификации многопараметрической ситуации, с помощью которых определяют наиболее вероятное фактическое физиологическое состояние обследуемой биоткани из общепринятой в медицине классификации состояний (норма, воспаление, ишемия, эрозивно-язвенный процесс, рубцевание раневой поверхности, доброкачественный опухолевый рост, злокачественный опухолевый рост, некроз ткани и т.п.).The third and final stage of processing is a general analysis of the physiological and pathophysiological state of the tissue based on the use of a combination of biochemical and biophysical data on biological tissue obtained at the previous stages of calculations and statistical-probabilistic algorithms for classifying a multi-parameter situation, which determine the most likely actual physiological state of the examined biological tissue from the classification of conditions generally accepted in medicine (norm, inflammation, ischemia, erosive ulcers process, scarring of the wound surface, benign tumor growth, malignant tumor growth, tissue necrosis, etc.).

На таблице представлен условный алгоритм решения подобных вопросов классификации физиологического и патофизиологического состояния тканей. В вертикальной графе указаны названия биологически активных веществ и ряд функциональных параметров микроциркуляции (кровотока), подлежащих определению диагностической системой. Значения этих параметров изменяются в определенных пределах в здоровых тканях и выходят за эти пределы при патологии. В верхней строке указаны виды патологических состояний тканей, для которых характерны специфичные отклонения тех или иных параметров в той или иной степени.The table shows a conditional algorithm for solving similar issues of classification of the physiological and pathophysiological state of tissues. The vertical column shows the names of biologically active substances and a number of functional parameters of microcirculation (blood flow) to be determined by the diagnostic system. The values of these parameters vary within certain limits in healthy tissues and go beyond these limits in pathology. The top line shows the types of pathological conditions of tissues for which specific deviations of certain parameters to one degree or another are characteristic.

Например, при злокачественных процессах специфичным является значительное (как ни при какой другой патологии) увеличение активности и присутствия в тканях порфиринов (+++), увеличение объемной микроциркуляции (кровотока). Вследствие гипоксии опухоли снижается уровень накопления и активность флавиновых ферментов (↓) и наблюдаются значительные колебания других параметров.For example, in malignant processes, specific is a significant (like no other pathology) increase in the activity and presence of porphyrins in the tissues (+++), an increase in volumetric microcirculation (blood flow). Due to tumor hypoxia, the level of accumulation and activity of flavin enzymes decreases (↓) and significant fluctuations in other parameters are observed.

При остром воспалении специфичным является повышение содержания воды (++) в тканях вследствие отека.In acute inflammation, an increase in the water content (++) in tissues due to edema is specific.

При хроническом воспалении преобладают пролиферативные изменения, следовательно, будет несколько увеличиваться активность порфиринов (+), но в меньшей степени, чем при злокачественном процессе.In chronic inflammation, proliferative changes predominate, therefore, the activity of porphyrins (+) will increase slightly, but to a lesser extent than in the malignant process.

При некрозе ткани практически отсутствует кровоток (0), активность ферментов резко подавлена или отсутствует.With tissue necrosis, blood flow is practically absent (0), enzyme activity is sharply suppressed or absent.

Способ определения состояния биологической ткани с использованием предлагаемых диагностического способа и диагностической системы может быть проиллюстрирован на следующих клинических примерах.A method for determining the state of biological tissue using the proposed diagnostic method and diagnostic system can be illustrated by the following clinical examples.

Пример 1 - рак мягкого неба.Example 1 - soft palate cancer.

Пациент П., 56 лет. Д-з. Рак мягкого неба 3 ст. Диагноз подтвержден данными морфологического исследования.Patient P., 56 years old. Dz Cancer of the soft palate 3 tbsp. The diagnosis is confirmed by morphological studies.

Результаты исследования лазерной диагностической системойResults of a study by a laser diagnostic system

Показатели микроциркуляции по результатам лазерной допплерографии и фотоплетизмографии значительно отличаются от здоровой ткани выраженной вариабельностью: имеются участки с повышенным объемным кровотоком и области со сниженным кровотоком (преимущественно в центральной части опухоли). Спектральный анализ допплерографического сигнала выявил увеличение доли медленных частот, что связано с возрастанием автономной миогенной активности сосудов микроциркуляторного русла. Процентное соотношение оксигемоглобина к восстановленному снижено.Microcirculation indices according to the results of laser dopplerography and photoplethysmography significantly differ from healthy tissue in pronounced variability: there are areas with increased volumetric blood flow and areas with reduced blood flow (mainly in the central part of the tumor). Spectral analysis of the dopplerographic signal revealed an increase in the proportion of slow frequencies, which is associated with an increase in the autonomous myogenic activity of the vessels of the microvasculature. The percentage of oxyhemoglobin to reduced is reduced.

Исследование флюоресцентной активности тканей показало увеличение уровня порфиринов в ткани от 1,5 до 4,5 раз по сравнению с интактными участками и значительный разброс показателей активности флавопротеинов (ФАД) и пиридиннуклеотидов (НАДН) в связи с неоднородностью кровоснабжения опухоли.The study of tissue fluorescence activity showed an increase in the level of porphyrins in the tissue from 1.5 to 4.5 times compared with intact sites and a significant scatter in the activity indicators of flavoproteins (FAD) and pyridine nucleotides (NADH) due to the heterogeneity of the blood supply to the tumor.

Таким образом, специфичным признаком опухолевого процесса является значительная вариабельность практически всех показателей. Исследование одного из параметров, как это делается до сих пор в известных методах и устройствах оптической диагностики, явно недостаточно для диагностики опухолевого процесса, так как кровоснабжение опухоли неоднородное и, следовательно, активность ферментов и биохимический состав тканей также будет значительно колебаться.Thus, a specific sign of the tumor process is the significant variability of almost all indicators. The study of one of the parameters, as is still done in the known methods and devices of optical diagnostics, is clearly not enough for the diagnosis of the tumor process, since the blood supply to the tumor is heterogeneous and, therefore, the activity of enzymes and the biochemical composition of the tissues will also fluctuate significantly.

После лучевой терапии исследования показали 3 фазы изменения параметров по результатам исследований лазерной диагностической системой.After radiation therapy, the studies showed 3 phases of parameter change according to the results of studies by the laser diagnostic system.

1 фаза следовала сразу после облучения и характеризовалась образованием некротического струпа в виде фибриновой пленки. Показатели кровотока в области некроза опухоли были значительно снижены. Спектральный анализ ритмов кровотока показал преобладание быстрых частот, связанных с актом дыхания и кардиоритмом, за счет венозного застоя. Отмечалось подавление медленных ритмов, связанных с миогенной активностью. Активность порфиринов колебалась - была в 2 раза выше нормы или не определялась. Активность НАДН и ФАД - не определялась. Отмечалась выраженная флюоресценция на синей длине волны за счет фибрина.Phase 1 followed immediately after irradiation and was characterized by the formation of a necrotic scab in the form of a fibrin film. Blood flow in the area of tumor necrosis was significantly reduced. Spectral analysis of blood flow rhythms showed the predominance of fast frequencies associated with the act of breathing and cardiac rhythm due to venous stasis. Inhibition of slow rhythms associated with myogenic activity was noted. The activity of porphyrins fluctuated - it was 2 times higher than normal or not determined. The activity of NADH and FAD was not determined. Marked fluorescence at the blue wavelength due to fibrin was noted.

2 фаза - воспалительная реакция на лучевое воздействие. Визуально характеризовалась выраженной гиперемией и отеком места расположения опухоли. Объемный кровоток значительно превышал исходный уровень (в 2 раза) и был однородным. При спектральном анализе преобладали быстрые частоты, связанные с актом дыхания, что объясняется венозным застоем. Активность ферментов резко подавлена.2 phase - inflammatory reaction to radiation exposure. Visually characterized by severe hyperemia and edema of the location of the tumor. The volumetric blood flow significantly exceeded the initial level (2 times) and was homogeneous. Spectral analysis was dominated by fast frequencies associated with the act of breathing, which is explained by venous congestion. Enzyme activity is sharply suppressed.

3 фаза - репарации. Опухоль не визуализируется. В месте расположения опухоли имеется нежная грануляционная ткань.3 phase - reparations. The tumor is not visualized. At the location of the tumor there is a delicate granulation tissue.

Объемный кровоток несколько выше в области грануляций по сравнению с интактной, возрастает амлитуда низких частот, связанных с миогенной активностью сосудов. Активность порфиринов, НАДН, ФАД не превышает показатели нормы.Volumetric blood flow is slightly higher in the granulation region compared to intact, the amplitude of low frequencies associated with myogenic activity of blood vessels increases. The activity of porphyrins, NADH, FAD does not exceed normal values.

Таким образом, использование комплекса вышеуказанных параметров позволило не только диагностировать злокачественный процесс, но и оценить динамику и эффективность лучевой терапии.Thus, the use of the complex of the above parameters made it possible not only to diagnose the malignant process, but also to evaluate the dynamics and effectiveness of radiation therapy.

Пример 2 - язва двенадцатиперстной кишки.Example 2 - duodenal ulcer.

Пациент Д., 42 года. Страдает язвенной болезнью около 5 лет. При эзофагогастроскопии обнаружена язва луковицы двенадцатиперстной кишки размером 1 см в диаметре с фибриновой пленкой, которая не заживала в течение 1 месяца с момента обнаружения. Больной получал лекарственный препарат - Н2-блокаторы (ранитидин). Морфологическое исследование биптатов язвы 12 п.к. подтвердило диагноз.Patient D., 42 years old. Suffers from peptic ulcer for about 5 years. Esophagogastroscopy revealed a duodenal ulcer 1 cm in diameter with a fibrin film that did not heal within 1 month of detection. The patient received a drug - H2-blockers (ranitidine). Morphological study of ulcer biptates 12 bp confirmed the diagnosis.

При оптической диагностике обнаружено значительное снижение кровотока в области фибриновой пленки и менее - по краям язвы. Обнаружено подавление низких частот допплеровского сигнала. Активность порфиринов несколько возрастала, но не более чем в 1,5 раза по сравнению с нормой. Активность НАДН и ФАД была снижена. Отмечалась выраженная флюоресценция на синей длине волны за счет фибрина.Optical diagnosis revealed a significant decrease in blood flow in the area of the fibrin film and less at the edges of the ulcer. Low-frequency Doppler suppression detected. The activity of porphyrins increased slightly, but not more than 1.5 times in comparison with the norm. The activity of NADH and FAD was reduced. Marked fluorescence at the blue wavelength due to fibrin was noted.

После назначения адекватной терапии (омепрозол, денол, кларитромицин) наблюдалось заживление язвы по данным гастроскопии с образованием рубцовой ткани. Это сопровождалось усилением объемного кровотока в месте бывшей локализации язвы, снижением активности порфиринов и повышением активности НАДН и ФАД. Таким образом, использование данного оптического метода диагностики позволило, во-первых, дифференцировать язвенный процесс от перерождения язвы в рак (однородность изменений параметров, незначительное повышение уровня порфиринов, положительный эффект от лечения). Во-вторых, оценить эффективность лечения - нормализация оптических параметров сопровождалось рубцеванием язвы.After the appointment of adequate therapy (omeprozole, denol, clarithromycin), ulcer healing was observed according to gastroscopy with the formation of scar tissue. This was accompanied by an increase in volumetric blood flow at the site of the former localization of the ulcer, a decrease in the activity of porphyrins, and an increase in the activity of NADH and FAD. Thus, the use of this optical diagnostic method made it possible, firstly, to differentiate the ulcer process from the transformation of the ulcer into cancer (uniformity of parameter changes, a slight increase in the level of porphyrins, a positive effect of treatment). Secondly, to evaluate the effectiveness of treatment - the normalization of optical parameters was accompanied by scarring of the ulcer.

Пример 3 - Ишемия тканей, связанная с локальным нарушением кровотока.Example 3 - Tissue ischemia associated with local impairment of blood flow.

Больной О., страдает синдромом Рейно от воздействия вибрации, проявляющийся периферическими нарушениями кровотока в пальцах кистей в виде ангиоспазмов - “белые пальцы”. Работает обрубщиком в контакте с вибрацией в течение 20 лет. Болезнь проявляется в виде приступов побеления пальцев, болей в руках и нарушениях трофики тканей пальцев - утолщение дистальных фаланг, расслоение ногтевой пластинки, шелушение кожи.Patient O., suffers from Raynaud's syndrome from exposure to vibration, manifested by peripheral blood flow disorders in the fingers of the hands in the form of angiospasm - “white fingers”. Works as a chopper in contact with vibration for 20 years. The disease manifests itself in the form of attacks of whitening of fingers, pain in the hands and violations of trophic tissue of the fingers - thickening of the distal phalanges, delamination of the nail plate, peeling of the skin.

Проведение оптической диагностики показало значительное снижение объемного кровотока с подавлением низких частот допплеровского сигнала, а также изменение активности ферментов: повышение уровня порфиринов в 1,5 раза. Повышение порфиринов очевидно связано с адаптацией ткани на хроническую гипоксию. Отмечалось увеличение уровня коллагена (флюоресценция на синей длине волны), что объясняется грубой перестройкой структуры ткани при нарушении кровотока. У больных с начальными проявлениями синдрома Рейно (редкие ангиоспазмы конечностей), пальцы рук визуально не были изменены. Вне приступа болезни отсутствовали изменения параметров кровотока, активность порфиринов, ФАД, НАДН не отличалась от нормы.Optical diagnostics showed a significant decrease in volumetric blood flow with suppression of low frequencies of the Doppler signal, as well as a change in enzyme activity: an increase in the level of porphyrins by 1.5 times. The increase in porphyrins is obviously associated with tissue adaptation to chronic hypoxia. An increase in the level of collagen (fluorescence at the blue wavelength) was noted, which is explained by a rough restructuring of the tissue structure in case of impaired blood flow. In patients with initial manifestations of Raynaud's syndrome (rare angiospasm of the extremities), the fingers were not visually changed. Outside the attack of the disease, there were no changes in blood flow parameters, the activity of porphyrins, FAD, NADH did not differ from the norm.

Таким образом, оптические методы диагностики в представленном комплексе позволяют определять дистрофические процессы в тканях, уточнить стадию процесса, что значительно расширяет область применения этого способа.Thus, the optical diagnostic methods in the presented complex make it possible to determine dystrophic processes in tissues, to clarify the stage of the process, which greatly expands the scope of this method.

Пример 4 - ишемия тканей, связанная с хроническими заболеваниями легких.Example 4 - tissue ischemia associated with chronic lung disease.

Больной Е., 56 лет, страдает хроническим обструктивным бронхитом с выраженной дыхательной недостаточностью - 3 степени в течение 10 лет. Поступил в клинику в стадии обострения заболевания. Диагноз подтвержден клиническими данными - больного беспокоят выраженная одышка, кашель. При осмотре, одышка - число дыханий 30 в мин, цианоз периферических тканей, множество хрипов в легких. При проведении эхокардиографии признаки “легочного сердца”, повышенное давление в легочной артерии. Газы крови - снижение парциального давления кислорода - 58,6 мм рт. ст., сатурация крови 89,8%.Patient E., 56 years old, suffers from chronic obstructive bronchitis with severe respiratory failure - 3 degrees for 10 years. He entered the clinic in the stage of exacerbation of the disease. The diagnosis is confirmed by clinical data - the patient is concerned about severe shortness of breath, cough. On examination, shortness of breath - the number of breaths 30 per min, cyanosis of peripheral tissues, a lot of wheezing in the lungs. When conducting echocardiography signs of a "pulmonary heart", increased pressure in the pulmonary artery. Blood gases - a decrease in the partial pressure of oxygen - 58.6 mm RT. Art., blood saturation 89.8%.

Проведена комплексная лазерная оптическая диагностика тканей в области предплечья. Лазерная допплерометрия показала повышение объемного кровотока с выраженными застойными явлениями, повышение амплитуды частот, характеризующих активность гладкомышечных клеток, что косвенно указывает на гипоксию. Оксигемоглобин в тканях - 90,1%. Активность порфиринов без особенности; НАДН, ФАД снижена.A comprehensive laser optical diagnosis of tissues in the forearm was performed. Laser dopplerometry showed an increase in volumetric blood flow with pronounced congestion, an increase in the amplitude of the frequencies characterizing the activity of smooth muscle cells, which indirectly indicates hypoxia. Oxyhemoglobin in the tissues - 90.1%. Porphyrin activity without feature; NADH, FAD reduced.

Таким образом, использование комплексной лазерной диагностики позволило ex temporo - в течение 10 минут оценить степень гипоксии тканей, а исследование микроциркуляторного русла указывает на недостаточность правых отделов сердца, что подтверждено данными ЭХО КГ.Thus, the use of complex laser diagnostics allowed ex temporo to assess the degree of tissue hypoxia within 10 minutes, and the study of the microvasculature indicates a failure of the right heart, as confirmed by ECHO EC.

На фоне лечения специфическими антибиотиками, бронхолитиками, гипербарической оксигенации, антагонистами кальция, пролонгированными нитратами состояние больного улучшилось, что сопровождалось динамикой показателей на лазерном оптическом комплексе: уменьшились застойные явления в микроциркуляторном русле, возросло количество оксигемоглобина до 93%, повысился уровень НАДН и ФАД.Against the background of treatment with specific antibiotics, bronchodilators, hyperbaric oxygenation, calcium antagonists, prolonged nitrates, the patient's condition improved, which was accompanied by the dynamics of indicators on the laser optical complex: congestion in the microvasculature decreased, the amount of oxyhemoglobin increased to 93%, and the level of NADH and FAD increased.

Пример 5 - интоксикация свинцом.Example 5 - lead intoxication.

Больная М., 42 лет работает аппаратчицей смешивания сыпучих материалов в производстве белил. Имеет контакт с солями свинца, превышающими предельно допустимые концетрации в 10-15 раз (ПДК - 0,01 мг/м³). Поступила в клинику с диагнозом хронической свинцовой интоксикацией, проявляющейся в виде анемии (гемоглобин 110 г/л, Эритроциты 3,8×10(12)/л с базофильной зернистостью 5 на 10,000), нарушения порфиринового обмена - повышение альфа-аминолевулиновой кислоты в 3 раза, полинейропатии конечностей. Свинец в моче 0,1 мг/л (норма 0,04 мг/л).Patient M., 42 years old, has been working as an apparatchik for mixing bulk materials in the manufacture of whitewash. It has contact with lead salts exceeding the maximum permissible concentration by 10-15 times (MPC - 0.01 mg / m ³ ). Was admitted to the hospital with a diagnosis of chronic lead intoxication, manifested in the form of anemia (hemoglobin 110 g / l, red blood cells 3.8 × 10 (12) / l with basophilic granularity 5 to 10,000), impaired porphyrin metabolism - an increase in alpha-aminolevulinic acid in 3 times, polyneuropathy of the limbs. Lead in urine 0.1 mg / l (normal 0.04 mg / l).

Исследование на лазерном оптическом диагностическом комплексе обнаружило выраженное повышение уровня порфиринов - в 10 раз выше нормы, подавление активности НАДН и ФАД.A study on a laser optical diagnostic complex revealed a marked increase in the level of porphyrins - 10 times higher than normal, suppression of the activity of NADH and FAD.

Таким образом, метод эффективен в диагностике порфириновых нарушений, вызванных интоксикацией свинцом.Thus, the method is effective in the diagnosis of porphyrin disorders caused by lead intoxication.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что предложенный способ определения состояния биологической ткани и конструкция диагностической системы позволяют следующее.Based on the foregoing, we can conclude that the proposed method for determining the state of biological tissue and the design of the diagnostic system allow the following.

A) Распознавать различные физиологические и патофизиологические состояния биотканей, т.е. состояния тканей при развитии в них различных заболеваний и патологий.A) Recognize the various physiological and pathophysiological conditions of biological tissues, i.e. state of tissues with the development of various diseases and pathologies in them.

Б) Перейти на качественно иной уровень интерпретации, анализа и обработки диагностических данных, когда в результате комплексной собранной информации оценивается не только вероятность наличия заболевания при сравнении сигналов с некими эталонными значениями или степень его отклонения от “нормы”, а общее физиологическое и патофизиологическое состояние биоткани в терминах медицины и клинической практики на основе определения основного биохимического состава ткани, параметров функционирования микроциркуляторного русла, питания тканей кислородом и т.п.B) Go to a qualitatively different level of interpretation, analysis and processing of diagnostic data when, as a result of complex information collected, not only the probability of a disease is assessed when comparing signals with certain reference values or the degree of its deviation from the “norm”, but the general physiological and pathophysiological state of the biological tissue in terms of medicine and clinical practice on the basis of determining the basic biochemical composition of the tissue, the functioning parameters of the microvasculature, and nutrition of the tissue oxygen, etc.

Одновременно измеряются как статические, так и динамические параметры регистрируемых сигналов, т.е. одновременно реализовываются методики флюоресцентной диагностики, биофотометрии, доплерометрии, фотоплетизмографии и т.п.At the same time, both static and dynamic parameters of the recorded signals are measured, i.e. At the same time, methods of fluorescence diagnostics, biophotometry, dopplerometry, photoplethysmography, etc. are being implemented.

B) Учитывается, соответственно, идентичным образом влияние свойств среды на все регистрируемые сигналы для всех методов диагностики и всех используемых длин волн излучения, т.е. - существенно повышена достоверность диагностики.B) The influence of the properties of the medium on all recorded signals for all diagnostic methods and all used radiation wavelengths, respectively, is taken into account in an identical way. - significantly increased the reliability of diagnosis.

Указанные особенности предложенного способа по А), Б) и В) являются основополагающими и принципиально его отличают от всех ранее известных методов и устройств лазерной диагностики, что и обеспечивает его высокую эффективность и достоверность диагностики и тем самым предопределяет его перспективность внедрения в клиническую практику.These features of the proposed method according to A), B) and C) are fundamental and fundamentally distinguish it from all previously known methods and devices for laser diagnostics, which ensures its high efficiency and reliability of diagnosis and thereby determines its prospects for implementation in clinical practice.

Claims

1. A method for determining the state of biological tissue, which consists in exposing the biological tissue to the optical wavelength range, detecting the secondary optical radiation emerging from the tissue, and determining the state parameters of the microvasculature of the biological tissue under study by the secondary optical radiation parameters, characterized in that the electromagnetic radiation is constant power of at least two wavelengths simultaneously or alternately lead to the studied area biologists tissue, affect each of the used wavelengths on the surface of the test site, the secondary optical radiation is recorded simultaneously at least at two points on the surface of the test site of biological tissue, which are located at different distances from the test site of exposure, register a change in the optical-physical parameters of the secondary optical radiation at each of the used wavelengths at each registration point, analyze the spectral static and dynamic characteristics of watts of radiation for each registration point and for each of the used wavelengths, and the state of biological tissue is determined by calculating the absorption spectra of the quantitative accumulation in the studied section of the biological tissue of the parameters of the biochemical components.

2. The method according to claim 1, characterized in that the dynamic characteristics of the secondary optical radiation for each of the registration points is determined by processing Doppler signals and photoplethysmographic data processing, for example, Fourier analysis of the secondary optical radiation detected by photodetectors at the used wavelengths of optical radiation, and The static spectral characteristics for each of the recording points are determined by analyzing the absorption spectra of the secondary optical radiation used for on the wavelengths and on the wavelengths of the side spectra of inelastic scattering from biological tissue.

3. The method according to claim 1 and / or 2, characterized in that when determining the level of accumulation of biochemical components of biological tissue at the first stage of the analysis of the spectral characteristics of secondary radiation by solving the inverse problem of optics of light-scattering media, the average static optical-physical properties of the biological tissue are used and determined linear optical absorption coefficient of radiation in biological tissue by optically active substances, at the second stage according to the obtained static spectral parameters taking into account the linear optical absorption coefficient determines the levels of quantitative accumulation of biochemical components in the biological tissue, and the dynamic characteristics of the secondary radiation determine the dynamic parameters of blood microcirculation in the studied biological tissue using the methods of signal processing of dopplerography and photoplethysmography and, at the third stage, conduct a general analysis of the physiological and pathophysiological state of the biological tissue with using statistical probabilistic classification algorithms.

4. A diagnostic system for determining the state of biological tissue, including a block of sources of electromagnetic radiation of an optical wavelength range, a system for transporting radiation from a block of radiation sources to a test biological tissue, a system for transporting secondary radiation from biological tissue to a signal processing system from optical receivers, characterized in that the block of electromagnetic radiation sources includes a radiation mixer of radiation sources connected to the conveyor system radiation, the secondary radiation transportation system contains at least two optical secondary radiation detectors installed at different distances from the output of the radiation transportation system from the block of radiation sources to the studied area of biological tissue, and the signal processing system contains at least two identical blocks connected to the output of the system transporting secondary radiation from biological tissue and with the input of a processing unit for diagnostic results, each of which includes two and spectral optical units, the first of which contains a set of high-speed photodetectors, and the second contains a polychromator with a diffraction grating and a set of sensitive photodetectors.

5. The diagnostic system according to claim 4, characterized in that the radiation mixer in the block of electromagnetic radiation sources is made in the form of an optical monofilament interfaced with individual optical fibers coming from each radiation source and assembled into a single optical bundle.

6. The diagnostic system according to claim 4, characterized in that the radiation mixer includes optical elements.

7. The diagnostic system according to claim 4, characterized in that the radiation transportation system is made in the form of optical fibers assembled into a bundle with a diameter of not more than 2 mm.

8. The diagnostic system according to any one of claims 4 to 7, characterized in that the first spectral optical unit in the signal processing system contains n high-speed photodetectors and spectrum-selective mirrors mounted in front of the photodetectors.

9. The diagnostic system according to any one of claims 4 to 7, characterized in that the first spectral optical unit in the signal processing system contains n high-speed photodetectors and non-selective secondary radiation divisors, while selective optical filters are installed in front of the photodetectors.

10. The diagnostic system according to any one of claims 4 to 9, characterized in that the output of the photodetectors of the first spectral optical unit in the signal processing system is connected to the input of the pre-amplification unit, made in the form of a set of n wide-band amplifiers of electrical signals, the output of the pre-amplification unit with the input of the signal extraction and amplification unit, the output of which is connected to the input of the signal digitizing unit, the output of the digitizing unit through the switching and signal transmission units is connected to the input of the processing unit p diagnostic results.

11. The diagnostic system according to any one of claims 4 to 10, characterized in that the second spectral optical unit in the signal processing system comprises a polychromator with a diffraction grating and an optical beam forming system, a set of interchangeable light filters installed at the input of the polychromator, and a set of highly sensitive photodetectors.

12. The diagnostic system according to claim 11, characterized in that the outputs of the set of sensitive photodetectors of the second spectral optical unit in the radiation detection unit are connected through amplification, signal digitization, switching and signal transmission units to the input of the diagnostic results processing unit.

13. The diagnostic system according to any one of paragraphs.4-12, characterized in that it contains a system for monitoring the power of optical radiation sources.

14. The diagnostic system according to any one of claims 4 to 13, characterized in that it comprises a system for processing optical radiation in the wavelength range of 5-20 μm.