RU2373846C1

RU2373846C1 - Device for non-invasive determining of blood parametres

Info

Publication number: RU2373846C1
Application number: RU2008113879/14A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Геннадьевич Певгов (RU); Вячеслав Геннадьевич Певгов; Юрий Ильич Гурфинкель (RU); Юрий Ильич Гурфинкель
Original assignee: Российская Федерация в лице Федерального агентства по науке и инновациям; Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии"
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2009-11-27
Also published as: RU2008113879A

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to field of medical equipment. Device contains optic system of observation with illumination devices and image receivers, connected with electronic unit of signal processing and fastened to body lodgement for placement of examined object in such way that its external side with nail faced visual window of optic system of observation. Device also contains not less than two image receivers. Illumination device additionally contains not less than one laser irradiation source. Optic system contains not less than one dichroic mirror with possibility to provide spectral decomposition of examined object image.

EFFECT: invention provides possibility of stable long non-invasive monitoring of parametres of capillary microcirculation and spectral characteristics of blood and adjacent tissues with production of data in real time mode, in modes of single and periodic bloodstream measurements using tests provided by examiner.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области медицинской техники, в частности к измерению характеристик циркулирующей крови, осуществляемому средствами оптического контроля и спектроскопии.The invention relates to the field of medical technology, in particular to the measurement of circulating blood characteristics, carried out by means of optical control and spectroscopy.

Важнейшим звеном кровеносного русла является система капилляров, предназначенных для обеспечения органов и тканей всеми веществами, необходимыми для жизнедеятельности. Крупные сосуды осуществляют доставку этих веществ, а в капиллярах происходит их переход в ткани и одновременно извлечение из тканей продуктов распада в кровеносное русло. Исследование микроциркуляции у здоровых и больных лиц с отдельными нарушениями сердечно-сосудистой системы может быть использовано для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека и его ортостатической устойчивости, в частности, применительно к клинической практике.The most important part of the bloodstream is the system of capillaries, designed to provide organs and tissues with all the substances necessary for life. Large vessels carry out the delivery of these substances, and in the capillaries they pass into the tissues and at the same time the decomposition products are removed from the tissues into the bloodstream. The study of microcirculation in healthy and sick people with individual disorders of the cardiovascular system can be used to assess the functional state of the human cardiovascular system and its orthostatic stability, in particular, in relation to clinical practice.

В настоящее время медицинская лабораторная диагностика с большим вниманием и готовностью к использованию относится к разработке новых диагностических тестов без необходимости забора образцов крови. Это определяется и возросшей вероятностью заражения пациента во время процедуры, связанной с повреждением кожных покровов при пункции вен и капиллярных сосудов, а также с дискомфортом и болевыми ощущениями, связанными с забором крови. Поэтому создание устройств и методов для диагностики переживает резкий подъем. При этом основное внимание уделяется разработке неинвазивных методов, которые наиболее часто используются в деятельности клинико-диагностических лабораторий (общий анализ крови, определение количества глюкозы и т.д.).Currently, medical laboratory diagnostics with great attention and willingness to use refers to the development of new diagnostic tests without the need for blood sampling. This is determined by the increased likelihood of infection of the patient during the procedure, associated with damage to the skin during puncture of veins and capillary vessels, as well as discomfort and pain associated with blood sampling. Therefore, the creation of devices and methods for diagnostics is experiencing a sharp rise. The main focus is on the development of non-invasive methods, which are most often used in the activities of clinical diagnostic laboratories (general blood count, determination of glucose, etc.).

Получение подобной информации возможно при проведении процедуры визуализации микроциркуляторного русла с помощью оптической микроскопии и анализа спектров диффузного рассеяния от сосудистых структур.Obtaining such information is possible during the visualization of the microvasculature using optical microscopy and analysis of diffuse scattering spectra from vascular structures.

Разработка подобных устройств активно проводится в последние годы в США и Японии. Анализ патентной литературы показал, что наиболее прогрессивные технические решения заложены в патенте [1].The development of such devices has been actively conducted in recent years in the United States and Japan. An analysis of the patent literature showed that the most advanced technical solutions are embedded in the patent [1].

Близкие технические решения заложены в американском патенте [2] японской фирмы Sysmex Corporation " Noninvasive blood analyzer".Close technical solutions are incorporated in the American patent [2] of the Japanese company Sysmex Corporation "Noninvasive blood analyzer".

Перспективность неинвазивного определения этих лабораторных показателей подтверждается включением в эту патентную гонку американского гиганта производителя медицинской техники фирмы Abbott Laboratories [3].The prospect of a non-invasive determination of these laboratory parameters is confirmed by the inclusion in this patent race of the American giant manufacturer of medical equipment company Abbott Laboratories [3].

В последнее время показана принципиальная возможность по спектральным особенностям отраженного излучения различать нормальный гемоглобин от гликозилированного. Так в патенте США [4] от 24 июня 2003 количество гликозилированного гемоглобина определяется по различию абсорбционных спектров Нb и HbA_1c.Recently, it has been shown that it is possible in principle by spectral features of reflected radiation to distinguish between normal hemoglobin and glycosylated. So in the US patent [4] dated June 24, 2003, the amount of glycosylated hemoglobin is determined by the difference in the absorption spectra of Hb and HbA _1c .

Близкие предложения были запатентованы ранее в патенте США [5] от 13 ноября 2001 года. Нужно отметить, однако, что названные подходы определения гликозилированного гемоглобина относятся к случаям, когда необходимо взятие пробы, поэтому они к неинвазивным методам не относятся.Related proposals were previously patented in the US patent [5] of November 13, 2001. It should be noted, however, that these approaches to the determination of glycosylated hemoglobin relate to cases where sampling is necessary, and therefore they do not apply to non-invasive methods.

Известно устройство для автоматической регистрации динамических характеристик протекания процесса [6], содержащее держатель для исследуемого образца, выполненный с возможностью обеспечения оптического контроля динамических характеристик, оптическую систему наблюдения за объектом исследования, сообщенную с системой контроля и записи состояния исследуемого объекта, содержащую блок на базе процессора, предназначенный для перевода сигнала системы в видеосигнал, и компьютер, содержащий плату ввода видеоизображения, соединенную с вышеуказанным блоком.A device for automatically recording the dynamic characteristics of the process [6], containing a holder for the test sample, configured to provide optical control of dynamic characteristics, an optical system for monitoring the object of study, in communication with a system for monitoring and recording the state of the studied object, containing a processor-based unit , designed to convert the system signal into a video signal, and a computer containing a video input card connected to the above indicated block.

Данные устройства могут регистрировать упомянутые характеристики, но они не позволяют определять параметры крови по неинвазивным измерениям ее характеристик.These devices can record the mentioned characteristics, but they do not allow determining blood parameters from non-invasive measurements of its characteristics.

Работают устройства следующим образом. После установки пальца обследуемого в держателе и настройки прибора, при котором добиваются попадания капилляров в фокус регистрирующей оптической системы, включается запись изображения движущихся по капиллярам клеток крови. При этом пучок светового излучения после попадания на палец обследуемого отражается от капилляров, находящихся под ногтевой пластиной, и после прохождения через оптическую систему регистрируется ПЗС матрицей с последующим превращением в электрический сигнал и поступает в компьютер. Однако названные устройства не позволяют различать эритроциты, тромбоциты и лейкоциты, не позволяют проводить количественное определение их характеристик. Что особенно важно, названные устройства не используют спектральных характеристик отраженного на фотоприемную матрицу сигнала с целью его анализа и получения таких характеристик крови как: количество гемоглобина в крови, степень оксигенации гемоглобина, степень гликирования гемоглобина.Devices work as follows. After installing the finger of the subject in the holder and adjusting the device, in which the capillaries get into the focus of the recording optical system, recording of the image of blood cells moving along the capillaries is turned on. In this case, the light beam after being hit by the subject’s finger is reflected from the capillaries located under the nail plate, and after passing through the optical system, the CCD is recorded with the subsequent conversion into an electric signal and enters the computer. However, these devices do not allow to distinguish between red blood cells, platelets and leukocytes, do not allow a quantitative determination of their characteristics. What is especially important, these devices do not use the spectral characteristics of the signal reflected on the photodetector matrix in order to analyze it and obtain such blood characteristics as: the amount of hemoglobin in the blood, the degree of hemoglobin oxygenation, the degree of hemoglobin glycation.

Техническим результатом предложенного изобретения является устранение указанных недостатков прототипа, а именно повышение точности измерений характеристик за счет неинвазивного мониторирования характеристик капилляров, капиллярного кровотока и прилегающих тканей через оптическую систему наблюдения с устройствами освещения и приемниками изображения, соединенными с электронным блоком обработки сигналов, и прикрепленный к корпусу ложемент для размещения пальца обследуемого таким образом, чтобы внешняя его сторона с ногтем была обращена к визуальному окну оптической системы наблюдения, отличающееся тем, что устройство содержит не менее двух приемников изображения, в устройство освещения помимо стандартного источника освещения введено не менее одного лазерного источника излучения, в оптическую систему введено не менее одного дихроичного зеркала, обеспечивающего спектральное разложения изображения объекта исследования (основания ногтя).The technical result of the proposed invention is the elimination of these disadvantages of the prototype, namely improving the accuracy of measuring characteristics due to non-invasive monitoring of the characteristics of capillaries, capillary blood flow and adjacent tissues through an optical monitoring system with lighting devices and image receivers connected to an electronic signal processing unit and attached to the housing lodgement for placing the finger of the subject so that its outer side with the nail is about It is connected to the visual window of the optical observation system, characterized in that the device contains at least two image receivers, in addition to the standard lighting source, at least one laser radiation source is introduced into the lighting device, at least one dichroic mirror is introduced into the optical system, which provides spectral decomposition of the object image research (base of the nail).

Устройство (см. чертеж) состоит из оптической системы наблюдения (1) с введенным в нее не менее чем одним дихроичным зеркалом (2) для спектрального разложения изображения объекта исследования, устройств освещения (5) и не менее двух приемников изображения (3), соединенных с электронным блоком обработки сигналов (4), и ложемента (6) для размещения пальца обследуемого таким образом, чтобы внешняя его сторона с основанием ногтя (объект исследования) была обращена к визуальному окну оптической системы наблюдения (1). В системе освещения (5) помимо стандартного осветителя расположены не менее одного лазерного источника излучения.The device (see drawing) consists of an optical observation system (1) with at least one dichroic mirror (2) inserted into it for spectral decomposition of the image of the object of study, lighting devices (5) and at least two image receivers (3) connected with an electronic signal processing unit (4), and a lodgement (6) for placing the examined finger so that its outer side with the base of the nail (object of study) is facing the visual window of the optical observation system (1). In the lighting system (5), in addition to the standard illuminator, at least one laser radiation source is located.

Использование эффективных дихроичных зеркал позволяет осуществлять разложение изображения объекта по спектральным диапазонам. Помимо этого, зеркала позволяют осуществлять независимую засветку объекта исследования в различных спектральных диапазонах, в том числе и лазерными источниками излучения, и независимо принимать на отдельные фотоприемные матрицы изображения объекта в индивидуальных спектральных диапазонах.The use of effective dichroic mirrors allows the decomposition of the image of an object into spectral ranges. In addition, the mirrors allow independent illumination of the object under study in various spectral ranges, including laser radiation sources, and independently receive images of the object in individual spectral ranges on separate photodetector arrays.

Применение лазерных источников позволяет использовать динамику спекл-структуры для определения динамических характеристик движущихся в крови клеточных структур. В частности, динамика спекл-структур позволяет определять скорости отдельных клеточных структур. Появляется возможность наблюдения за внутренней динамикой эритроцитов.The use of laser sources makes it possible to use the dynamics of speckle structure to determine the dynamic characteristics of cellular structures moving in the blood. In particular, the dynamics of speckle structures makes it possible to determine the velocities of individual cell structures. It becomes possible to monitor the internal dynamics of red blood cells.

Постановка нескольких видеокамер, работающих каждая в своем диапазоне, позволяет исследовать динамические характеристики спектров отражения тканей и крови. Это позволяет наблюдать за процессами передачи кислорода с гемоглобина эритроцитов в окружающие ткани прямо во время прохождения их по капиллярам, что позволяет получать спектральные характеристики объектов исследования с покадровым разрешением по времени и с предельным для данной оптической системы пространственным разрешением.The installation of several cameras, each working in its own range, allows us to study the dynamic characteristics of the reflection spectra of tissues and blood. This allows one to observe the processes of oxygen transfer from hemoglobin of erythrocytes to surrounding tissues directly during their passage through the capillaries, which allows one to obtain the spectral characteristics of objects under study with time-lapse resolution and spatial resolution that is limiting for a given optical system.

Работает устройство следующим образом:The device operates as follows:

Свет от источников освещения (5) через вспомогательные полупрозрачные зеркала (7) вводится в оптическую систему прибора (1) и, пройдя через объектив оптической системы (1), попадает на объект исследования (6). Отраженный свет попадает на приемники изображения (3), и на экране монитора системы обработки сигнала (4) появляется изображение микрокапилляров периваскулярной зоны.Light from light sources (5) is transmitted through auxiliary translucent mirrors (7) into the optical system of the device (1) and, passing through the lens of the optical system (1), enters the object of study (6). The reflected light enters the image receivers (3), and the image of microcapillaries of the perivascular zone appears on the screen of the signal processing system (4).

Обследуемый укладывает палец (предпочтительно безымянный) в ложемент (6) со стороны его открытого торца таким образом, чтобы его ногтевая часть с периваскулярной зоной размещалась под объективом оптической системы (1).The examined person places a finger (preferably anonymous) in the lodgement (6) from the side of its open end so that its nail part with the perivascular zone is placed under the lens of the optical system (1).

После установки в ложементе (6) пальца производят перемещение ногтевого ложа пальца. При этом на экране монитора системы обработки сигналов (4) наблюдают за характером микрокапилляров. В результате перемещения определяют наиболее приемлемый (по достаточному количеству капилляров и их виду) для мониторинга участок исследования, а затем производят вычисление и статическую обработку таких параметров, как плотность капилляров, степень извитости, диаметры капилляров, площадь секторов периваскулярной зоны, ее объемные характеристики, размеры и глубина залегания.After installation in the lodgement (6) of the finger, the nail bed of the finger is moved. At the same time, the nature of the microcapillaries is observed on the monitor screen of the signal processing system (4). As a result of the movement, the most suitable (for a sufficient number of capillaries and their type) monitoring section of the study is determined, and then calculation and static processing of parameters such as capillary density, degree of tortuosity, capillary diameters, perivascular area sectors, its volumetric characteristics, sizes and depth.

Далее приступают к мониторингу состояния кровотока и параметров крови в капиллярах на выбранном участке. Для мониторирования состояния микроциркуляции крови и параметров крови изображение с приемников вводится в процессор и обрабатывается.Next, they begin to monitor the state of blood flow and blood parameters in the capillaries in the selected area. To monitor the state of blood microcirculation and blood parameters, the image from the receivers is entered into the processor and processed.

Для каждого изображения производится измерение и сохранение в массиве статических параметров капилляров, вид изображения в разных спектральных диапазонах. При сравнении двух соседних изображений производится определение скорости кровотока в артериальном, венозном и переходном отделах капилляров. Определяются также места и скорость потери кислорода эритроцитами.For each image, measurement and storage in the array of static parameters of the capillaries, the image in different spectral ranges are carried out. When comparing two adjacent images, blood flow velocity is determined in the arterial, venous and transitional sections of the capillaries. The sites and rate of loss of oxygen by red blood cells are also determined.

Для устранения световых рефлексов и получения наиболее качественного изображения капилляров и форменных элементов протекающей в них крови между пальцем и внутренней поверхностью ложемента вводят иммерсионную жидкость, которая позволяет устранить промежуточную воздушную среду между оптической системой прибора и поверхностью кожи, создав тем самым наиболее благоприятные условия для исследования.To eliminate light reflexes and obtain the highest quality image of capillaries and shaped elements of the blood flowing in them, an immersion liquid is introduced between the finger and the inner surface of the lodgement, which allows you to eliminate the intermediate air environment between the optical system of the device and the skin surface, thereby creating the most favorable conditions for research.

Предложенное изобретение обеспечивает возможность устойчивого длительного неинвазивного мониторирования параметров микроциркуляции капилляров и спектральных характеристик крови и прилегающих тканей с выдачей данных в режиме реального времени, в режимах единичных и периодических измерений кровотока с использованием тестов, задаваемых исследователем.The proposed invention provides the possibility of stable long-term non-invasive monitoring of microcirculation parameters of capillaries and spectral characteristics of blood and adjacent tissues with real-time data output in single and periodic blood flow measurements using tests specified by the researcher.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №6104939 от 15 августа 2000 г.1. US patent No. 6104939 from August 15, 2000

2. Патент США №6061583 от 9 мая 2000 г.2. US patent No. 6061583 dated May 9, 2000

3. Патент США US 6662031 от 9 мая 2003 г.3. US patent US 6662031 from May 9, 2003

4. Патент США US 6582964 от 24 июня 2003 г.4. US patent US 6582964 from June 24, 2003

5. Патент США US 6316265 от 13 ноября 2001 г.5. US patent US 6316265 from November 13, 2001

6. Патент RU №2294689 от 18.05.05.6. Patent RU No. 2294689 of 05/18/05.

Claims

A device for non-invasive determination of blood parameters, comprising an optical observation system with lighting devices and image receivers connected to an electronic signal processing unit, and a lodgement attached to the housing to place the object of study so that its outer side with the nail faces the visual window of the optical system observation, characterized in that the device contains at least two image receivers, the lighting device further comprises at least one laz Nogo radiation source and the optical system comprises at least one dichroic mirror to provide a spectral decomposition of the image of the object of the study.