RU2398232C2 - Device for calibration of medical diagnostic spectrophotometric devices - Google Patents
Device for calibration of medical diagnostic spectrophotometric devices Download PDFInfo
- Publication number
- RU2398232C2 RU2398232C2 RU2008145998/14A RU2008145998A RU2398232C2 RU 2398232 C2 RU2398232 C2 RU 2398232C2 RU 2008145998/14 A RU2008145998/14 A RU 2008145998/14A RU 2008145998 A RU2008145998 A RU 2008145998A RU 2398232 C2 RU2398232 C2 RU 2398232C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- light
- optical properties
- biological tissues
- blood
- optical
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к медицине, а именно к устройствам для калибровки диагностических приборов неинвазивной медицинской спектрофотометрии (НМС), обеспечивающих регистрацию, оценку и контроль медико-биологических параметров мягких тканей человека (in vivo, in situ) пo их спектральным оптическим (фотометрическим) характеристикам.The invention relates to medicine, namely to devices for calibrating diagnostic instruments of non-invasive medical spectrophotometry (NMS), which ensure the registration, evaluation and monitoring of biomedical parameters of human soft tissues (in vivo, in situ) by their spectral optical (photometric) characteristics.
В общем случае приборы НМС используют в своей работе принцип оптического зондирования исследуемой биологической ткани на разных длинах волн ультрафиолетового (УФ), видимого и/или инфракрасного (ИК) диапазонов спектра электромагнитного излучения, а также методы флюоресцентного анализа, спектроскопии рассеяния и поглощения для регистрации и определения спектрального состава и спектральной плотности мощности вышедшего из ткани вторичного оптического излучения, по которым далее на основе математических вычислительных алгоритмов определяются различные медико-биологические параметры исследуемой биологической ткани - уровень ее объемного кровенаполнения, сатурация оксигемоглобина крови микроциркуляторного русла биоткани, содержание меланина в поверхностных слоях биоткани, уровни накопления активных флюоресцирующих дыхательных ферментов (порфиринов, пиридиннуклеотидов, флавопротеинов) в ткани и т.д. Во всех подобных вычислительных алгоритмах используются сегодня различные эмпирические спектральные калибровочные и приборные коэффициенты, которые закладываются в программное обеспечение приборов НМС при их производстве на этапах настройки, калибровки и проверки работоспособности прибора и предназначены для упрощения процедуры и достижения необходимой точности вычислений. Определяются они, соответственно, для каждого прибора индивидуально, опытным путем на калибровочных имитационных мерах (эталонах), моделирующих оптические свойства живых биологических тканей. Эта процедура стандартна и выглядит, вкратце, следующим образом. Каждой отдельной имитационной мере (калибровочному эталону) в зависимости от ее (его) спектральных оптических свойств присваивают по результатам сравнительных (контрольных) медико-биологических исследований в клинике конкретные, в цифрах, медико-биологические параметры. Например, для метода оптической тканевой оксиметрии соответствующей имитационной мере присваивают какое-либо значение сатурации оксигемоглобина крови (SO2) в процентах. Оптический датчик прибора (в приведенном примере - оптического тканевого оксиметра) при калибровке направляется или устанавливается непосредственно на эту меру, и калибровочные (приборные) коэффициенты прибора присваиваются данному прибору таким образом, чтобы его показания соответствовали в пределах заданной точности значению SO2, указанному в паспорте на данную имитационную меру. Часто в литературе по биомедицинской оптике, особенно англоязычной, такие имитационные меры и эталоны называются оптическими «фантомами» биоткани, однако с точки зрения классической метрологии и общей теории измерительных приборов и устройств правильнее называть их именно имитационными мерами, калибровочными эталонами и/или устройствами для калибровки и поверки диагностических приборов НМС.In the general case, NMS devices use in their work the principle of optical sensing of the biological tissue under study at different wavelengths of the ultraviolet (UV), visible and / or infrared (IR) ranges of the electromagnetic radiation spectrum, as well as methods of fluorescence analysis, scattering and absorption spectroscopy for recording and determining the spectral composition and spectral power density of the secondary optical radiation emerging from the tissue, according to which, further on the basis of mathematical computational algorithms, can be various biomedical parameters of the biological tissue under investigation - the volume level of blood supply, blood oxyhemoglobin saturation microvasculature biological tissue, the melanin contents in the surface layers of biological tissue, the levels of accumulation of active fluorescent respiratory enzymes (porphyrins, pyridine, flavoproteins) in tissue, etc. In all such computational algorithms, various empirical spectral calibration and instrument coefficients are used today, which are incorporated into the software of the NMS devices during their production at the stages of tuning, calibration, and verifying the instrument’s operability and are intended to simplify the procedure and achieve the necessary calculation accuracy. They are determined, respectively, for each device individually, empirically on calibration simulation measures (standards) that simulate the optical properties of living biological tissues. This procedure is standard and looks briefly as follows. Depending on its (his) spectral optical properties, each individual imitation measure (calibration standard) is assigned specific, in figures, biomedical parameters according to the results of comparative (control) biomedical studies in the clinic. For example, for the method of optical tissue oximetry, an appropriate imitation measure is assigned any percentage of blood oxyhemoglobin (SO2) saturation. The optical sensor of the device (in the given example, an optical tissue oximeter) during calibration is directed or set directly to this measure, and the calibration (instrument) coefficients of the device are assigned to this device so that its readings correspond, within the specified accuracy, to the SO2 value indicated in the passport on this imitation measure. Often in the literature on biomedical optics, especially in English, such imitation measures and standards are called optical “phantoms” of biological tissue, however, from the point of view of classical metrology and the general theory of measuring instruments and devices, it is more correct to call them imitation measures, calibration standards and / or calibration devices and verification of diagnostic instruments NMS.
Известно устройство для калибровки медицинских диагностических спектрофотометрических приборов, содержащее фторопластовую пластину, имеющую ячейки, заполненные флюоресцирующем красителем, и фторопластовую крышку (Пат. РФ №2142619, кл. G01N 21/64, 1998).A device for calibrating medical diagnostic spectrophotometric devices containing a fluoroplastic plate having cells filled with a fluorescent dye and a fluoroplastic lid (Pat. RF No. 2142619, class G01N 21/64, 1998) is known.
Недостатком данного устройства являются его ограниченные возможности, обусловленные тем, что с его помощью можно моделировать только один тип биологических тканей с флюоресценцией.The disadvantage of this device is its limited capabilities, due to the fact that with its help you can simulate only one type of biological tissue with fluorescence.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее корпус, состоящий из основания и крышки, выполненных из фторопласта, и приспособление для имитации оптических свойств более широкого класса живых биологических тканей, включающее набор элементов, обладающих светорассеивающими и флюоресцирующими оптическими свойствами (Пат. РФ №2284026, кл. G01N 21/64, 2005). В этом устройстве основание выполнено из промышленно выпускаемого инертного, спектрально не селективного, светорассеивающего материала фторопласта ФТ-4, ячейки заполнены флюоресцирующим красителем разной концентрации на основе раствора протопорфирина IX, а крышка выполнена из набора тонких фторопластовых пластин, каждая из которых имеет толщину 0,1-0,2 мм и моделирует разные светорассеивающие свойства разных по толщине верхних слоев кожи (дерма, эпидермис и т.д.).Closest to the proposed is a device containing a housing consisting of a base and a cover made of fluoroplastic, and a device for simulating the optical properties of a wider class of living biological tissues, including a set of elements having light-scattering and fluorescent optical properties (US Pat. RF No. 2284026, CL G01N 21/64, 2005). In this device, the base is made of an industrially produced inert, spectrally non-selective, light-scattering material FT-4 fluoroplastic, the cells are filled with fluorescent dye of different concentrations based on protoporphyrin IX solution, and the lid is made of a set of thin fluoroplastic plates, each of which has a thickness of 0.1 -0.2 mm and models various light-scattering properties of the upper layers of the skin of different thicknesses (dermis, epidermis, etc.).
Это устройство дополнительно позволяет моделировать слоистую структуру кожного покрова за счет использования набора сменных пластин из стандартного, прочного и инертного (плохо растворимого, гидрофобного, химически и термически стойкого) фторопласта ФТ-4.This device additionally allows you to simulate the layered structure of the skin due to the use of a set of interchangeable plates of standard, durable and inert (poorly soluble, hydrophobic, chemically and thermally stable) fluorine plastic FT-4.
Недостатками данного устройства являются, в первую очередь, то, что жидкий раствор флюоресцирующего красителя склонен к высыханию и изменению своих оптических свойств с течением времени. Он приготавливается вручную, не стандартизован промышленностью по своим оптическим свойствам, поэтому требует дополнительного контроля и отбраковки во время его приготовления. Кроме того, в указанном устройстве моделируются только светорассеивающие и флюоресцентные свойства биологической ткани и не моделируются ее светопоглощающие свойства, что сужает область его применения. Например, такое устройство не может использоваться для калибровки диагностических приборов НМС, определяющих по светопоглощению параметры кровенаполнения мягких тканей человека (оптические эритемометры), сатурацию оксигемоглобина крови микроциркуляционного русла (оптические тканевые оксиметры), степень пигментации верхних слоев кожи меланином (меланинометры) и т.д.The disadvantages of this device are, in the first place, the fact that the liquid solution of the fluorescent dye is prone to drying out and to change its optical properties over time. It is prepared by hand, not standardized by the industry for its optical properties, and therefore requires additional control and rejection during its preparation. In addition, in this device only the light-scattering and fluorescent properties of biological tissue are modeled and its light-absorbing properties are not modeled, which narrows the scope of its application. For example, such a device cannot be used to calibrate NMS diagnostic instruments, which determine the absorption of blood parameters of human soft tissues (optical erytometers), saturation of blood oxyhemoglobin of the microvasculature (optical tissue oximeters), the degree of pigmentation of the upper skin layers with melanin (melaninometers), etc. .
Кроме того, значительная толщина фторопластовых пластин (0,1-0,2 мм) не позволяет моделировать более тонкие слои тканей, например, сосочковый слой кожи толщиной 40-50 мкм.In addition, the significant thickness of the fluoroplastic plates (0.1-0.2 mm) does not allow modeling thinner tissue layers, for example, the papillary layer of the skin with a thickness of 40-50 microns.
В соответствии с этим поставлена задача, направленная на расширение функциональных возможностей устройства за счет моделирования в нем оптических свойств (в том числе и светопоглощающих) различных по толщине живых биологических тканей, что, в свою очередь, обеспечит создание, калибровку и проверку широкого класса приборов и устройств НМС.In accordance with this, a task has been set aimed at expanding the functionality of the device by modeling in it the optical properties (including light-absorbing) of living biological tissues of various thicknesses, which, in turn, will ensure the creation, calibration and testing of a wide class of devices and NMS devices.
Данное устройство просто и дешево в изготовлении, так как его конструктивные элементы выполнены из серийно выпускаемых твердых оптических материалов, стандартизированных по своим оптическим свойствам.This device is simple and cheap to manufacture, since its structural elements are made of commercially available solid optical materials, standardized by their optical properties.
Эта задача достигается тем, что в устройстве для калибровки медицинских диагностических спектрофотометрических приборов, содержащем корпус, состоящий из основания и крышки, выполненных из фторопласта, и приспособление для имитации оптических свойств различных типов живых биологических тканей, включающее набор послойно размещенных элементов, обладающих светорассеивающими и флюоресцирующими оптическими свойствами, предложено приспособление для имитации оптических свойств различных типов живых биологических тканей дополнительно снабдить элементами, обладающими светопоглощающими оптическими свойствами, представляющими собой полимерные оптические пленки, спектральные погонные коэффициенты поглощения и рассеяния которых соответствуют спектральным погонным коэффициентам поглощения света биологическими тканями с поверхностным и эпидермальным меланином, с кровью, насыщенной на 5-100% кислородом, спектральным погонным коэффициентам рассеяния света коллагеновыми волокнами, плотными клеточными и тканевыми структурами без крови, а длины волн флюоресценции полимерных оптических пленок соответсвуют длинам волн флюоресценции дыхательных клеточных ферментов биологической ткани. Кроме того, приспособление для имитации оптических свойств различных типов живых биологических тканей выполнено из набора 2-10 оптических пленок, а основание выполнено в виде цилиндра, имеющего в верхней части резьбу по внутренней боковой поверхности, а крышка имеет окно и выполнена в виде цилиндра, имеющего в нижней части ответную резьбу по наружной боковой поверхности.This task is achieved by the fact that in a device for calibrating medical diagnostic spectrophotometric devices containing a housing consisting of a base and a cover made of fluoroplastic, and a device for simulating the optical properties of various types of living biological tissues, including a set of layer-by-layer placed elements with light-scattering and fluorescent optical properties, a device is proposed for simulating the optical properties of various types of living biological tissues in addition to to abstain with elements having light-absorbing optical properties, which are polymer optical films, the spectral linear absorption and scattering coefficients of which correspond to the spectral linear coefficients of light absorption by biological tissues with surface and epidermal melanin, with blood saturated with oxygen at 5-100%, spectral linear scattering coefficients light by collagen fibers, dense cellular and tissue structures without blood, and the fluorescence wavelengths of polymer nth optical films correspond to the fluorescence wavelengths of respiratory cell enzymes of biological tissue. In addition, the device for simulating the optical properties of various types of living biological tissues is made of a set of 2-10 optical films, and the base is made in the form of a cylinder having a thread on the upper side surface, and the lid has a window and is made in the form of a cylinder having in the lower part there is a mating thread along the outer lateral surface.
В предложенном устройстве в качестве спектрально-селективных, а также спектрально-неселективных светорассеивающих, светопоглощающих и флюоресцирующих оптических материалов для моделирования(имитации) спектральных оптических свойств живых биологических тканей и их слоистой структуры используют тонкие (толщиной 25-75 мкм) полимерные пленки марок «e-color+ и «supergel» фирмы «Rosco», которые стандартизированы по своим светорассеивающим, светопоглощающим и флюоресцирующим оптическим свойствам и исходно предназначены для использования в качестве оптических фильтров при проведении кино- и фотосъемки, а также для создания театральных световых эффектов.In the proposed device, as spectrally selective as well as spectrally non-selective light scattering, light absorbing and fluorescent optical materials, thin (25-75 μm thick) polymer films of the “e” grade are used to model (imitate) the spectral optical properties of living biological tissues and their layered structure -color + and "supergel" of the company "Rosco", which are standardized for their light-scattering, light-absorbing and fluorescent optical properties and are originally intended for use as optical filters for film and photography, as well as for creating theatrical lighting effects.
Основные типы используемых в данном способе пленок и их основные значимые для данного способа моделирования оптические характеристики представлены в таблице 1.The main types of films used in this method and their main optical characteristics significant for this modeling method are presented in table 1.
"White Diffusion"e-color + # 216
"White Diffusion"
На чертеже изображено устройство - общий вид.The drawing shows a device - General view.
Устройство для калибровки медицинских диагностических спектрофотометрических приборов содержит корпус, состоящий из основания 1 и крышки 2, выполненных из фторопласта и соединенных между собой с помощью резьбы 3. Крышка 2 имеет окно 4. Внутри корпуса на основании 1 слоями уложены сменные светорассеивающие, светопоглощающие и флюоресцирующие под действием внешнего света полимерные пленки 5.1…5.n в количестве n=2÷10 шт., сверху они прижаты к основанию 1 навинчивающейся крышкой 2 с окном 4 для установки оптического датчика прибора (на чертеже не показан).A device for calibrating medical diagnostic spectrophotometric devices includes a housing consisting of a
При калибровке и поверке приборов НМС данное устройство работает следующим образом.When calibrating and calibrating NMS devices, this device operates as follows.
Пакет пленок 5.1-5.n со стороны крышки 2 через окно 4 освещается зондирующим оптическим излучением от поверяемого прибора на разных длинах волн в зависимости от конструкции и назначения конкретного прибора НМС. Это зондирующее излучение проходит сквозь пакет флюоресцирующих, светорассеивающих и светопоглощающих пленок, частично рассеиваясь и поглощаясь в этих пленках, вызывает флюоресценцию во флюоресцирующих пленках, доходит до фторопластового основания 1, а затем за счет явления сильного обратного рассеяния во фторопласте направляется назад через этот же пакет пленок к прибору, снова рассеиваясь и поглощаясь на соответствующих пленках. Дошедшее таким образом до прибора вторичное оптическое излучение (обратно рассеянное излучение) будет отличаться от первичного зондирующего излучения по своему спектральному составу и спектральной плотности мощности. Эти отличия и моделируют оптические свойства реальных биологических тканей в зависимости от используемого конкретного набора пленок в устройстве, чем и обеспечивается необходимое функционирование устройства. Применяя разные комбинации пленок в устройстве, можно легко имитировать по типу «конструктора» такие оптические явления в биотканях, как поглощение света кровью, меланином, флюоресценцию порфириновых, флавиновых и т.п. дыхательных клеточных ферментов, рассеяние света на клеточных структурах ткани и ее коллагеновых волокнах и т.д.The package of films 5.1-5.n from the side of the
Конкретный выбор состава и количества одновременно используемых полимерных пленок в композиции в данном способе и устройстве определяются конкретными задачами моделирования (имитации) различных мягких тканей человека в тех или иных клинико-диагностических ситуациях (ситуациях нормы, травмы, патологии и т.п.).The specific choice of the composition and quantity of simultaneously used polymer films in the composition in this method and device is determined by the specific tasks of modeling (imitation) of various soft tissues of a person in certain clinical and diagnostic situations (situations of norm, trauma, pathology, etc.).
Использование простого, доступного устройства, обеспечивающего моделирование фотометрических свойств различных по толщине живых биологических тканей, позволит создать условия для калибровки широкого класса приборов и устройств НМС.Using a simple, affordable device that provides modeling of the photometric properties of living biological tissues of various thicknesses will create the conditions for calibrating a wide class of instruments and NMS devices.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008145998/14A RU2398232C2 (en) | 2008-11-21 | 2008-11-21 | Device for calibration of medical diagnostic spectrophotometric devices |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008145998/14A RU2398232C2 (en) | 2008-11-21 | 2008-11-21 | Device for calibration of medical diagnostic spectrophotometric devices |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2008145998A RU2008145998A (en) | 2010-05-27 |
RU2398232C2 true RU2398232C2 (en) | 2010-08-27 |
Family
ID=42680021
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008145998/14A RU2398232C2 (en) | 2008-11-21 | 2008-11-21 | Device for calibration of medical diagnostic spectrophotometric devices |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2398232C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018065981A1 (en) * | 2016-10-06 | 2018-04-12 | Wear 2B Ltd. | Device, system and method for calibrating a non-invasive health monitoring device |
-
2008
- 2008-11-21 RU RU2008145998/14A patent/RU2398232C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Оптические фильтры, http://www.rosco.com/us/filters/ecolour.asp, найдено в Интернете 10.08.2009. Оптические фильтры, http://www.rosco.com/us/filters/supergel.asp, найдено в Интернете 10.08.2009. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018065981A1 (en) * | 2016-10-06 | 2018-04-12 | Wear 2B Ltd. | Device, system and method for calibrating a non-invasive health monitoring device |
US11633135B2 (en) | 2016-10-06 | 2023-04-25 | Wear2B Ltd. | Device, system and method for calibrating a non-invasive health monitoring device |
IL265813B1 (en) * | 2016-10-06 | 2023-12-01 | Wear2B Ltd | Device, system and method for calibrating a non-invasive health monitoring device |
IL265813B2 (en) * | 2016-10-06 | 2024-04-01 | Wear2B Ltd | Device, system and method for calibrating a non-invasive health monitoring device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2008145998A (en) | 2010-05-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2273914B1 (en) | Method for dating a body sample | |
Stamatas et al. | Blood stasis contributions to the perception of skin pigmentation | |
Stamatas et al. | Non‐invasive measurements of skin pigmentation in situ | |
US8352005B2 (en) | Noninvasive blood analysis by optical probing of the veins under the tongue | |
US20050049467A1 (en) | Method for assessing pigmented skin | |
Tuchin et al. | Finger tissue model and blood perfused skin tissue phantom | |
AU2002249985A1 (en) | Noninvasive measurement of glucose through the optical properties of tissue | |
WO2002065090A2 (en) | Noninvasive measurement of glucose through the optical properties of tissue | |
US10595777B2 (en) | Method and device for hydration monitoring | |
Afshari et al. | Evaluation of the robustness of cerebral oximetry to variations in skin pigmentation using a tissue-simulating phantom | |
Van Leeuwen et al. | Elucidating the contribution of Rayleigh scattering to the bluish appearance of veins | |
Zaytsev et al. | Impact of optical clearing on ex vivo human skin optical properties characterized by spatially resolved multimodal spectroscopy | |
RU2398232C2 (en) | Device for calibration of medical diagnostic spectrophotometric devices | |
Huang et al. | Second derivative multispectral algorithm for quantitative assessment of cutaneous tissue oxygenation | |
Lee et al. | Small separation frequency-domain near-infrared spectroscopy for the recovery of tissue optical properties at millimeter depths | |
Kikuchi et al. | Goniometric examination of diffuse reflectance of a skin phantom in the wavelength range from 400 to 1600 nm | |
Dremin et al. | In vivo fluorescence measurements of biological tissue viability | |
RU2389083C1 (en) | Method of creation of model simulating optical properties of living biological tissues | |
Huang | Multispectral imaging of skin oxygenation | |
Urso et al. | Skin and cutaneous melanocytic lesion simulation in biomedical optics with multilayered phantoms | |
Ardigò et al. | Non-invasive methods for vitiligo evaluation | |
Tanner et al. | Depigmented skin and phantom color measurements for realistic prostheses | |
Vasudevan et al. | Melanometry for objective evaluation of skin pigmentation in pulse oximetry studies | |
Cruz Junior | Optical characterization of highly turbid samples in the visible and near infrared spectra | |
Huang et al. | Monitoring optical responses and physiological status of human skin in vivo with diffuse reflectance difference spectroscopy |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191122 |