UA143555U - Вимірювач потужності люмінесцентного випромінення - Google Patents

Abstract

Вимірювач потужності люмінесцентного випромінювання містить блок живлення, джерела УФ, ІЧ випромінення, канал візуального спостереження з відеокамерою, вихід якої підключено до комп'ютера, а також канал приймання і обробки люмінесцентного сигналу із послідовно з'єднаних світлофільтра, фотодетектора, схеми перетворення і пристроїв реєстрації сигналів - комп'ютера та дисплея, причому в нього введені мікроконтролер, послідовно з'єднані комутаційно-модуляційний перетворювач світлових потоків, підключений до джерела живлення, перемикач виду освітлення та закрита оптична опромінюючо-приймальна детекторна головка, а схема перетворення виконана у вигляді послідовно з'єднаних підсилювача, амплітудного детектора, вибіркового фільтра частоти модуляції, синхронного детектора, фільтра нижніх частот та аналого-цифрового перетворювача, причому вхід схеми перетворення підключено до виходу фотодетектора, а її вихід - до першого входу комп'ютера, вихід відеокамери підключений до другого входу комп'ютера, перший вихід мікроконтролера під'єднано до управляючих входів модулятора та синхронного детектора, а другий - до перемикача виду освітлення, виходи якого підключені до джерел УФ і ІЧ випромінювання, вхід мікроконтролера сполучено з третім виходом комп'ютера, вихід якого підключено до дисплея.

Description

Корисна модель належить до області фотолюмінісцентної техніки і може бути використана для діагностики стану біологічної тканини іп мімо, шляхом вимірювання параметрів оптичного люмінесцентного випромінювання, насамперед потужності люмінесцентного світлового потоку, а також для дослідження різноманітних біорозчинів і матеріалів, в медицині, харчовій промисловості, в хімічних дослідженнях, за наявності люмінофорів, здатних до фотолюмінесцентних процесів.

Відомі методи збудження та вимірювання параметрів люмінесценції за правилом Стокса, коли частота світіння менша за частоту збуджуючого сигналу, наприклад, для ультрафіолетового опромінення (УФ) та антистоксова люмінесценція, коли частота збуджуючого сигналу менша за частоту сигналу збудження, що характерно для інфрачервоного діапазону (14) |див. Левшин Л.В., Салецкий А.М. Люминесценция и ее измерение. М. Из-во МГУ, 1989, 272 сі.

Використання Уф-діапазону забезпечує зондування стану поверхневих шарів біологічної тканини, а ІЧ сигнали - глибинних.

Поєднання цих методів створює умови для підвищення ефективності медико-діагностичних досліджень іп мімо, однак відсутність простої та доступної апаратури не дозволяє реалізувати названі переваги, тому задача створення недорого вартісних пристроїв (флуорометрів) є актуальною.

Відомий типовий пристрій для проведення фотолюмінісцентних досліджень біотканини іп мімо див. Тучин В.В. Лазерьі и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Изд.

Саратовського унив-та, 1998, 478с. стор. 379-382| має в своєму складі джерело оптичного випромінювання та оптичну опромінюючу систему, об'єкт дослідження, послідовно з'єднані приймальну оптичну систему, поліхроматор, підсилювач, мікроконтролер та комп'ютер.

Недоліком цього пристрою є недостатня чутливість та точність вимірювання внаслідок наявності шумів при перетворенні різнорідних фізичних величин (світла в струм або напругу) та відсутності спеціальних заходів по їх зменшенню або компенсації.

Відомий також пристрій для проведення раман-фотолюмінесцентної діагностики стану тканин людини (див. патент НО 144665 01, МПК Аб1810/00, від 27.08.2014, Бюл. Мо 24).

Пристрій забезпечує також фотолюмінесцентне дослідження біологічних рідин, шкіряного

Зо покрову, слизових оболонок та інших тканин організму (іп мімо та іп міо), проведення аналізу складу таблеток, капсул, порошків та рідин. Пристрій має в своєму складі лазер з лазерним фільтром, систему дзеркал і лінз; систему виділення, фільтрування та аналізу сигналу, від досліджуваного об'єкта, спектрометр с ССО-камерою, спеціальні насадки та пристрої для експрес-підготовки проб об'єктів для їх дослідження в рідкому, сипучому або твердому стані, спектрометр з'єднаний с комп'ютером, на якому встановлено спеціальне програмне забезпечення.

До недоліків розглянутого багатофункціонального пристрою слід віднести значну структурну складність, необхідність використання дороговартісної стандартної апаратури (наприклад, спектрометра), значна трудомісткість проведення вимірювань, наявність апаратурних шумів, які знижують чутливість і точність процесу вимірювання та визначення параметрів досліджуваних об'єктів.

Відомий також пристрій (див. патент США 4556057, МПК А 61 В 6/08 від. 03.12.85.), що має в своєму складі канал зондуючого сигналу в складі джерела білого світла, фільтра, переривника та оптичного зонду, а також канал приймання та обробки люмінесцентного сигналу із послідовно з'єднаних фотодетекторів, електронної схеми перетворення і пристроїв реєстрації сигналів - комп'ютера, дисплея та спектрографа. До недоліків розглянутого технічного рішення слід віднести також складність пристрою, наявність світловодного оптичного зонду, недостатня чутливість, інформативність та глибина зондування через використання джерела білого світла.

Найближчім аналогом до технічного рішення, що заявляється, є пристрій (див. патент ВО 94010321А, МПК Аб1В 5/00, СО1М 21/64 від 01.1995) що має в своєму складі блок живлення, джерела УФ, ІЧ та видимого випромінення, з підключеним до останнього світловодом і три канали - візуального спостереження, аналізу спектральних характеристик сигналу люмінесценції та аналізу часових параметрів. В свою чергу канал візуального спостереження включає в себе телевізійну камеру, з'єднану через волоконний світловод та блок світлофільтрів з фотоприймачем, до виходу якого під'єднано перетворювач часового інтервалу в код, вихід якого підключено до комп'ютера.

До недоліків слід віднести складність розглянутого технічного рішення, яка полягає в необхідності використання обов'язкового багатоканального оптичного аналізатора, наприклад

ОМА-284, підключеного через оптичні лінії зв'язку, та інших дороговартісних елементів, що бо обмежує широке використання пристрою в медичній практиці. Окрім того шумові характеристики такого набору апаратури суттєво знижують чутливість та точність вимірювання параметрів слабкого сигналу люмінесценції об'єктів дослідження.

До загальних недоліків апаратури для вимірювання потужності сигналу люмінесценції слід віднести також необхідність, використання як фотоприймача фотопомножувача (ФЕУ) та високовольтного блока живлення.

В основу корисної моделі поставлено задачу створити такий фотометричний вимірювач інтенсивності оптичного люмінесцентного випромінювання, в якому б шляхом введення нових елементів і зв'язків забезпечувалось би спрощення схеми пристрою, підвищення чутливості та точності вимірювання потужності люмінесцентного світлового потоку, а також спрощення використання пристрою в медичній діагностичній практиці.

Поставлена задача вирішується тим, що у вимірювач потужності люмінесцентного випромінювання, який містить блок живлення, джерела УФ, ІЧ випромінення, канал візуального спостереження з відеокамерою, вихід якої підключено до комп'ютера, а також канал приймання і обробки люмінесцентного сигналу із послідовно з'єднаних світлофільтра, фотодетектора, схеми перетворення і пристроїв реєстрації сигналів - комп'ютера та дисплея, який відрізняється тим, що в нього введені мікроконтролер, послідовно з'єднані комутаційно-модуляційний перетворювач світлових потоків (надалі модулятор), перемикач виду освітлення та закрита оптична опромінюючо-приймальна детекторна головка, причому вхід модулятора підключений до блока живлення, схема перетворення люмінесцентного випромінювання виконана у вигляді послідовно з'єднаних підсилювача, квадратичного детектора, вибіркового фільтра частоти модуляції синхронного детектора, фільтра нижніх частот та аналого-цдифрового перетворювача, причому вхід схеми перетворення підключено до виходу фотодетектора, а її вихід - до першого входу комп'ютера, вихід відеокамери підключений до другого входу комп'ютера, перший вихід мікроконтролера під'єднано до управляючих входів модулятора та синхронного детектора, а другий - до перемикача виду освітлення, виходи якого підключені до джерел УФ і ІЧ випромінювання, вхід мікроконтролера сполучено з третім виходом комп'ютера, вихід якого підключено до дисплея.

Саме введення мікроконтролера, послідовно з'єднаних комутаційно-модуляційного перетворювача (надалі модулятор), перемикача виду освітлення та закритої оптичної

Зо опромінюючо-приймальної детекторної головки, а також схеми перетворення, що містить послідовно з'єднані підсилювач, квадратичний детектор, вибірковий фільтр частоти модуляції, синхронний детектор, фільтр нижніх частот та аналого-дифровий перетворювач, з'єднаних зазначеним чином, дозволяє спростити схему, збільшити чутливість і точність вимірювання потужності люмінесцентного випромінення.

Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де на кресл. представлена функціональна схема вимірювача потужності люмінесцентного випромінення. Пристрій містить блок живлення 1, вихід якого через модулятор 2 та перемикач виду освітлення З підключається до УФ світлодіода 5 або 14 світлодіода 6, закриту оптичну опромінюючо-приймальну детекторну головку 4, опромінюваний об'єкт дослідження 6, світлофільтр 8, відеокамеру 9, фотодетектор 10, вихід якого підключений до електронної схеми перетворення в складі підсилювача 11, квадратичного детектора 12, фільтра частоти модуляції 13, синхронного детектора 14, фільтра нижніх частот 15 та аналого-дифрового перетворювача 16 під'єднаного до першого входу комп'ютера 17, до другого входу якого підключена відеокамера 9. Перший вихід комп'ютера 17 сполучений з мікроконтролером 18, а другий - з дисплеєм 19.

Вимірювач потужності люмінесцентного випромінювання працює наступним чином.

На першому етапі проводиться вимірювання потужності люмінесценції при збудженні УФ сигналом. Для цього за допомогою програмного забезпечення комп'ютера 17 і мікроконтролера 18 перемикач виду освітлення З установлюють в положення а та подають напругу на УФ світлодіод 5 (довжина хвилі 368 нм). Під дією прямокутних імпульсів з мікроконтролера 18 модулятор 2 почергово з частотою 0-25 підключає живлення на вибраний світлодіод 5, що приводить до періодичної модуляції світлового потоку, який опромінює об'єкт дослідження 6 та отримання модульованого відгуку сигналу люмінесценції.

Прямокутну функцію модулятора 2 можна представити у вигляді

ЕД) - ЕЦі) ЕЕ) -1 г) 1.2 увіп(ди- ЦО; 1.2 хувіп(ди- ЦО кі- у відн у

Де 2 л п-і1 2п-1 ; 2 л п-і1 2п-1 й

В перший півперіод дії цього сигналу, коли подається живлення на світлодіод 5, формується люмінесцентне випромінення, яке приймається фотодетектором 10 ф)- Кф) фі) (2) фу) . - нд Кк що де 72 - опромінюючий сигнал світлодіода 5; 0" - коефіцієнт енергетичного виходу люмінесценції, що визнається як відношення виділеної енергії люмінесценції до енергії поглинутого збуджуючого сигналу; фі) - сигнал шумів, наводок та інших завад на вході фотодетектора 10, які можуть виникати в закритому середовищі оптичної опромінюючо- приймальної детекторної головки 4 та каналі перетворення люмінесцентного сигналу. До таких шумів можуть належати теплові шуми, флікер шум, темновий струм фотодетекторів та інші, які значно знижують чутливість та точність вимірювання інтенсивність люмінесцентного сигналу.

В другий півперіод за відсутності живлення на вході фотодетектора 10 присутній тільки сигнал шумів, фа) - Фі) (3)

Таким чином, сигнал на вході фотодетектора 10 за період комутації описується рівняннями й (г) - Кф, (г)-- ф, (г) фіг) - фі)

Ди . .

Враховуючи, що за наявності світлового потоку або шумів в ланцюзі фотодетектора 10 протікають фотоструми, які пропорційні амплітуді світлового потоку джерела люмінесценції та шумів на навантаженні фотодетектора 10, за період комутації виділяються сигнали й ()- 5ЦКуи (г) зи, (в) им) - би, і), ці ) 1 Кі ) (5) де 5 ;- крутість перетворення фотодетектора 10.

Сигнали (5) можна представити у вигляді напруги на навантаженні фотодіода

У, - 5К Ів, (6) у, - ЗК, (7) де Іо ; І, - струми, які відповідають амплітуді люмінесцентного випромінювання та шумових завад; Е, - опір навантаження фотодетектора 10, який можна вважати постійною одиничною величиною. Сигнали (6) та (7) подаються на вхід підсилювача 11 та надходять на квадратичний детектор 12, в результаті на його виході за період комутації отримуємо різницю напруги частоти комутації, яка виділяється селективним фільтром частоти комутації 13 та подається на синхронний детектор 14. 2. . у, - БК КК, - У хівпвіп СІ (в) де 71, 72- коефіцієнти передачі підсилювача 11 та селективного фільтра 13; 72 - крутість

Зо перетворення амплітудного детектора 12; 6. 4 кА від(2и - ЦО; зівпвіпог - 2 У пл ОЇ

Лов 2п-1 - сігнум-функція (обвідна періодичного імпульсного процесу).

Опорний прямокутний сигнал, яким управляється модулятор 2 та синхронний детектор 14, можна представити у вигляді 4 22: біди - ЦО? 2. иді)- ДЕ ву уки у - У хвірпвіп С л пл пт , (9), де Ох. амплітуда опорного сигналу.

В результаті перемноження отриманого сигналу (8) з імпульсним опорним сигналом (9) частоти о, що надходить з мікроконтролера 18 фільтром нижніх частот 15 виділяється постійна напруга еквівалентна потужності люмінесцентного випромінювання, яка з урахуванням рівняння 6 і 7 та постійності амплітуди опорного сигналу о, має вигляд и ЯК яко (д,- у-в (Ки, - 2 17172723 73-4 1 2 2 У уто у у 0,55У5К о В, (о), 53 . ву . г. де - крутість перетворення синхронного детектора 14; - сумарний коефіцієнт перетворення вимірювального каналу.

Отримане значення потужності люмінесцентного випромінення перетворюється АЦП 16 в 5 код і подається на пристрої реєстрації сигналів - комп'ютер та дисплей.

На другому етапі проводиться дослідження люмінесцентного відгуку в ІЧ діапазоні. За допомогою програмного забезпечення комп'ютера 17 і мікроконтролера 18 перемикач виду освітлення З установлюють в положення в та подають напругу на ІЧ світлодіод 6 (довжина хвилі 720 нм).

Опромінюють об'єкт дослідження, отримують люмінесцентний відгук і аналогічним чином проводять вимірювання та реєстрацію потужності люмінесцентного випромінення за підключеного світлодіода б ІЧ діапазону. Крім того, за використання ІЧ сигналу телевізійна камера забезпечує фіксацію реакції біотканини на опромінюючий сигнал (зони поглинання та відбиття), які створюють додатковий діагностичний фон.

Світлофільтр 8, який підключається згідно з вибраним світлодіодом, забезпечує додаткове ослаблення інтенсивності відбитого зондуючого сигналу УФ або ІЧ діапазону.

Таким чином, як слідує з опису структурної схеми пристрою, використання комутаційно- модуляційного перетворення для формування опромінюючого сигналу та приймання і виділення потужності люмінесцентного випромінення значно спрощує пристрій. Окрім того, як видно з отриманого рівняння (10) шуми, що виникають в закритій оптичній опромінюючо- приймальній антені, фотодетекторі та каналі перетворення, не впливають на результат вимірювання потужності люмінесцентного випромінення, що суттєво (на 1-2 порядки) збільшує чутливість пристрою, а відповідно і точність визначення сигналу люмінесценції.

Відомо, що поріг чутливості більшості фотоелектронних помножувачів (ФЕУ-62,ФЕУ-71 та інші) знаходиться в межах 10-1079...1072 лм/Гце, а темновий струм 10-7...108А, в той час як чутливість пристроїв з комутаційно-модуляційним перетворенням може сягати 10-3...1075 Вт

Їдив. Скрипник Ю.А., Яненко А.Ф., Манойлов В.Ф. и др. Микроволновая радиометрия физических и биологических обьектов - Житомир: Изд-во "Вольінь", 2003-408 сі.

Збільшення чутливості вимірювача дозволяє відповідно на 1-2 порядки знизити потужність

Зо джерел опромінення та зменшити шкідливий вплив УФ випромінення на біотканину в процесі проведення люмінесцентної діагностики. Пристрій забезпечує можливість використання як джерела опромінення УФ світлодіодів, наприклад, серії Віо-ОМ ГЕО з потужністю від 0,2 до 2 мВт, довжиною хвиль 255...340 нм, напругою живлення 3...4 В та струмом 20 мА або інших з аналогічними параметрами, в той час як напруга живлення ФЕУ знаходиться в межах 1-2,5 кВ.

Заявлений вимірювач потужності люмінесцентного випромінення може бути використаний для оперативної діагностики патологічного стану біотканини іп мімо в онкології, стоматології, дерматології та інших напрямках практичної медицини. Ультрафіолетове опромінення при цьому використовують для люмінесцентної діагностики та визначення надшкірної і підшкірної патології: новоутворень та пігментних аномалій, крововиливів, запальних процесів, грибкових уражень тощо. Інфрачервоне опромінення, яке характеризується більш глибоким проникненням в біологічну тканину, використовують для проведення люмінесцентної діагностики новоутворень, глибинних запальних процесів, опіків, стоматологічних патологій, наприклад, початкових форм карієсу та інших.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Вимірювач потужності люмінесцентного випромінювання, який містить блок живлення, джерела УФ, ІЧ випромінення, канал візуального спостереження з відеокамерою, вихід якої підключено до комп'ютера, а також канал приймання і обробки люмінесцентного сигналу із послідовно з'єднаних світлофільтра, фотодетектора, схеми перетворення і пристроїв реєстрації сигналів - комп'ютера та дисплея, який відрізняється тим, що в нього введені мікроконтролер, послідовно з'єднані комутаційно-модуляційний перетворювач світлових потоків, підключений до джерела живлення, перемикач виду освітлення та закрита оптична опромінюючо-приймальна детекторна головка, а схема перетворення виконана у вигляді послідовно з'єднаних підсилювача,

   амплітудного детектора, вибіркового фільтра частоти модуляції, синхронного детектора, фільтра нижніх частот та аналого-дифрового перетворювача, причому вхід схеми перетворення підключено до виходу фотодетектора, а її вихід - до першого входу комп'ютера, вихід відеокамери підключений до другого входу комп'ютера, перший вихід мікроконтролера під'єднано до управляючих входів модулятора та синхронного детектора, а другий - до перемикача виду освітлення, виходи якого підключені до джерел УФ і ІЧ випромінювання, вхід мікроконтролера сполучено з третім виходом комп'ютера, вихід якого підключено до дисплея. еВ яко ГТУ нен над р у у осюттюювктлннннння х я ме А ій ЕХ 5 і ко Н , Кн З | ї ЕК схлнккю 17 ши З ! ші | ї сво | ШИ ві й І2 по не 2 кни М, шк Ши ик У о! шк ня я й - а : Ян шк я в