СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ Российский патент 2011 года по МПК G01N33/483 

Изобретение относится к области фотометрии и может быть использовано для определения оптических свойств светорассеивающих материалов и сред, включая биологические ткани.

Основной решаемой задачей является определение одновременно двух важнейших оптических характеристик светорассеивающего материала (биоткани) - коэффициента поглощения и коэффициента рассеяния излучения. Эта задача обусловлена современными тенденциями широкого внедрения в практическое здравоохранение новых биомедицинских оптических лечебно-диагностических технологий. Большинство из таких технологий требуют предварительных знаний об оптических и, в частности, фотометрических свойствах биотканей в норме и при развитии в них разных заболеваний и патологических процессов. Поэтому разработка простых, эффективных и наименее затратных методов, их точного экспериментального определения весьма актуальна. Для большинства практических задач наиболее важно знать два оптических коэффициента биоткани - коэффициент поглощения и коэффициент рассеяния излучения. Однако существующие сегодня методы экспериментального определения этих оптических коэффициентов либо недостаточно точны, либо обладают большой трудоемкостью и требуют проведения нескольких измерений на дорогостоящем оборудовании.

Известен способ измерения оптических свойств светорассеивающих сред, в том числе и биологических тканей, включающий измерение интенсивностей обратно рассеянного и прошедшего насквозь испытуемый образец материала потоков оптического излучения в двух фотометрических сферах (Кн. Тучина В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Изд. Сарат. Ун-та, 1998 г., стр.30-31), который позволяет теоретически определять коэффициент поглощения и коэффициент обратного рассеяния биоткани.

Недостатком данного способа являются его большая трудоемкость, дороговизна и низкая точность измерения, связанная с необходимостью проведения двух независимых измерений в двух фотометрических сферах, расположенных с фронтальной и тыльной сторон испытываемого образца биоткани.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения фотометрических свойств биологической ткани, включающий воздействие на образец биологической ткани световым лучом определенного диаметра и мощности, измерение в фотометрической сфере мощности прошедшего через образец потока при разных апертурах приема излучения и вычисление по результатам измерений коэффициентов рассеяния и поглощения излучения. (Журнал "Светотехника" №3, 1937, ст.Горбачев Н.В. и др. "Простой метод определения индикатрис рассеивающих сред", стр.69-71).

В данном способе разные апертуры приема излучения формируются путем изменения расстояния от сферы до образца.

Этот способ дешевле, позволяет использовать только одну фотометрическую сферу, т.к. переменное расстояние от сферы до образца создает разные условия измерения по приемной апертуре фотометрической сферы, что, соответственно, позволяет далее математически рассчитать отдельно прошедший и рассеянный потоки излучения, а также, соответственно, коэффициенты поглощения и рассеяния.

Однако недостатком данного способа является большая трудоемкость, сложность, и низкая точность измерения. Поскольку, для реализации способа измерения, используют оборудование, в котором необходимо производить перемещение громоздкой фотометрической сферы позади образца строго по оптической оси образца и освещающего его луча света. Небольшие же случайные смещения образца или сферы относительно оптической оси луча сразу приводят к появлению существенных ошибок измерений. Кроме того, дополнительно приходится измерять и фиксировать расстояния от сферы до образца биоткани, что также усложняет и удлиняет всю процедуру измерений и вносит дополнительные погрешности в их конечный результат.

Поэтому авторами была поставлена задача, направленная на снижение трудоемкости и повышение точности измерений за счет измерения прошедшего через образец потока излучения дважды, без перемещений фотометрической сферы, что позволяет одновременно получить данные, необходимые для определения двух важнейших оптических характеристик светорассеивающей биоткани - коэффициента поглощения и коэффициента рассеяния излучения.

Эта задача решена тем, что в способе определения фотометрических свойств биологической ткани, включающем воздействие на образец биологической ткани световым лучом определенного диаметра и мощности, измерение в фотометрической сфере мощности прошедшего через образец потока при разных апертурах приема излучения и вычисление по результатам измерений коэффициентов рассеяния и поглощения излучения, предложено приемную апертуру фотометрической сферы формировать дважды до вхождения излучения в фотометрическую сферу путем изменения диаметра прошедшего сквозь образец потока излучения с помощью диафрагмы, при этом первый раз ограничивать диаметр прошедшего потока до диаметра, равного диаметру освещающего образец луча, второй раз, увеличивать его до диаметра в 5-10 раз больше первого, а коэффициенты рассеяния и поглощения излучения определять соответственно по формулам

s=ρ_∂+τ_∂ и a=1-s-τ_н,

где

s - коэффициен рассеяния излучения,

а - коэффициент поглощения излучения,

τ_н - коэффициент направленного пропускания, определяемый как

τ_н=Fτ_н/F₀, где F₀ - исходная мощность освещающего луча (мВт),

Fτ_н - измеренная мощность прошедшего потока с диафрагмой, равной диаметру луча d, где d - исходный диаметр освещающего луча (мм),

τ_∂ - коэффициент диффузного пропускания, определяемый как τ_∂=τ-τ_н, где

τ - общий (интегральный) коэффициент пропускания, определяемый как

τ=Fτ/F₀, где Fτ - измеренная мощность прошедшего потока, (мВт) с диафрагмой, равной D=5-10d (мм),

ρ_∂ - коэффициент обратного рассеяния, определяемый из выражения для фотометрического инварианта

Формирование приемной апертуры фотометрической сферы дважды до вхождения излучения в фотометрическую сферу обеспечивается за счет применения двух разных сменных диафрагм, установленных после испытуемого образца (между образцом и сферой), которые так же как и переменное расстояние до фотометрической сферы в способе-прототипе, меняют апертуру приема излучения фотометрической сферой. Чем меньше апертура, тем меньше рассеянного излучения будет регистрироваться в фотометрической сфере. Если же одно из измерений выполнить при диаметре диафрагмы, равном диаметру исходного освещающего луча, то фотометрической сферой зарегистрируется только прошедшее излучение. Увеличивая диафрагму в 5-10 раз по отношению к диаметру исходного луча, можно зарегистрировать совместно рассеянное излучение и прошедшее излучение, причем рассеянное излучение, как показывают результаты математического моделирования, может уже быть отделено от прошедшего с достаточно высокой точностью (до 95% и более). Дальнейшее увеличение диафрагмы может повышать точность измерений до 98-99%, но повлечет за собой необходимость использовать большие фрагменты биотканей и большие фотометрические сферы, что не всегда осуществимо практически и достаточно дорого.

На чертеже изображена схема реализации способа.

Способ реализуется следующим образом. Источник света 1, например лазер, освещает лучом 2 заданного диаметра d и заданной мощности F₀ испытуемый образец биоткани 3 с его передней поверхности. С тыльной стороны образца биоткани вплотную к образцу устанавливают сменную диафрагму 4 с отверстием, равным диаметру исходного луча d в первом случае, и с отверстием D в 5-10 раз больше исходного луча во втором случае (D=5…10·d). Вплотную к диафрагме далее устанавливают фотометрическую сферу 5. Регистрируют с разными установленными диафрагмами два потока излучения 6, прошедшие образец насквозь, - поток направленного пропускания Fτ_н в первом случае и общий (суммарный) пропущенный поток Fτ во втором случае. После этого выполняют процедуру вычислений коэффициентов поглощения и рассеяния по этапап.

На первом этапе вычисляется коэффициент направленного пропускания τ_н

где: F₀ - заданная мощность исходного луча [мВт], Fτ_н - измеренный прошедший поток [мВт] с диафрагмой, равной диаметру луча d (мм), а также общий (интегральный) коэффициент пропускания τ

где Fτ - измеренный прошедший поток с большой диафрагмой (5…10d) [мВт]. На втором этапе вычисляется фотометрический инвариант J

где D - диаметр большой диафрагмы (мм), а также коэффициент диффузного пропускания τ_∂ по формуле

Далее находится коэффициент обратного рассеяния ρ_∂ из известного выражения для фотометрического инварианта J

путем решения обычного квадратного уравнения и оставления в качестве физически смыслового решения положительного значения 0<ρ_∂≤1.

Искомые коэффициенты поглощения и рассеяния (а и s соответственно) находятся на заключительном этапе вычислений на основе соотношений

и

Конкретный пример выполнения способа

Образец биоткани - брыжейка тонкой кишки, взятой интраоперационно размером 15×15, размещают в оправке перед фотометрической сферой и закрепляют.

Источник света, He-Ne лазер, освещает лучом d=0.1 мм и заданной мощностью F₀=20 мВт испытуемый образец биоткани с его передней поверхности. С тыльной стороны образца вплотную устанавливают сменную диафрагму с отверстием, равным диаметру исходного луча 0.1 мм в первом случае, и с отверстием 1.0 мм во втором случае. Вплотную к диафрагме далее устанавливают фотометрическую сферу. Регистрируют с разными установленными диафрагмами два потока излучения, прошедшие образец насквозь. В первом случае мощность потока направленного пропускания составила 0.052 мВт, во втором случае мощность (суммарного) пропущенного потока составила 0.748 мВт. После этого выполняют процедуру вычислений коэффициентов поглощения и рассеяния по этапам.

Результаты расчета

τ_н=0.0026; τ=0.0374; J=1.25; τ_∂=0.0347; ρ_∂=0.499; s=0.5338; a=0.4636.

Использование изобретения позволит с высокой точностью определить оптические характеристики светорассеивающего материала (биоткани) с наименьшими трудозатратами, что, в свою очередь, позволит провести достоверную диагностику.

Изобретение относится к биометрии, а именно к фотометрии, и может быть использовано для определения фотометрических свойств биологической ткани. Для этого мощность прошедшего через образец биологической ткани светового потока измеряют в фотометрической сфере при двух различных апертурах приема излучения. При этом первый раз с помощью диафрагмы ограничивают диаметр прошедшего потока до диаметра, равного диаметру освещающего образец луча (d), а второй раз увеличивают его до диаметра (D), в 5-10 раз больше первого. Коэффициенты рассеяния (s) и поглощения (а) излучения определяют соответственно по формулам: s=ρ_∂+τ_∂ и а=1-s-τ_н, где τ_н - коэффициент направленного пропускания, определяемый как τ_н=Fτ_н/F₀. F₀ - исходная мощность освещающего луча, (мВт), Fτ_н - измеренная мощность прошедшего потока с диафрагмой d, τ_∂ - коэффициент диффузного пропускания, определяемый как τ_∂=τ-τ_н, где τ - общий (интегральный) коэффициент пропускания, определяемый как τ=Fτ/F₀, где Fτ - измеренная мощность прошедшего потока, (мВт), с диафрагмой D, ρ_∂ - коэффициент обратного рассеяния, определяемый из выражения для фотометрического инварианта

Изобретение позволяет с высокой точностью определять оптические характеристики биологических тканей за счет измерения прошедшего через образец потока излучения дважды, без перемещений фотометрической сферы. 1 ил.

Способ определения фотометрических свойств биологической ткани, включающий воздействие на образец биологической ткани световым лучом определенного диаметра и мощности, измерение в фотометрической сфере мощности прошедшего через образец потока при разных апертурах приема излучения и вычисление по результатам измерений коэффициентов рассеяния и поглощения излучения, отличающийся тем, что приемную апертуру фотометрической сферы формируют дважды до вхождения излучения в фотометрическую сферу путем изменения диаметра прошедшего сквозь образец потока излучения с помощью диафрагмы, при этом первый раз ограничивают диаметр прошедшего потока до диаметра, равного диаметру освещающего образец луча, второй раз, увеличивают его до диаметра в 5-10 раз больше первого, а коэффициенты рассеяния и поглощения излучения определяют соответственно по формулам:
s=ρ_∂+τ_∂ и а=1-s-τ_н,
где s - коэффициенты рассеяния излучения;
а - коэффициент поглощения излучения;
τ_н - коэффициент направленного пропускания, определяемый как
τ_н=Fτ_н/F₀,
где F₀ - исходная мощность освещающего луча, мВт;
Fτ_н - измеренная мощность прошедшего потока с диафрагмой, равной диаметру луча d, где d - исходный диаметр освещающего луча, мм;
τ_∂ - коэффициент диффузного пропускания, определяемый как
τ_∂=τ-τ_н,
где τ - общий (интегральный) коэффициент пропускания, определяемый как
τ=Fτ/F₀,
где Fτ - измеренная мощность прошедшего потока, (мВт) с диафрагмой равной D=5-10d, мм;
ρ_∂ - коэффициент обратного рассеяния, определяемый из выражения для фотометрического инварианта