Портативное мультимодальное устройство оптической спектроскопии для диагностики состояния микроциркуляторно-тканевых систем организма человека Российский патент 2025 года по МПК A61B5/1455 A61B5/26 G01N21/64 

Изобретение относится к области медицинского приборостроения, а именно к неинвазивным устройствам для диагностики состояния системы микроциркуляции крови и расстройств периферического кровообращения при различных социально значимых заболеваниях.

Системная микроциркуляторная дисфункция является фактором риска и одним из ключевых факторов в развитии патологических изменений при целом ряде заболеваний. Расстройства системы микроциркуляции крови проявляются при ревматических и дерматологических заболеваниях, болезнях сердца и системы кровообращения, сахарном диабете и других состояниях. Для неинвазивной диагностики состояния системы микроциркуляции крови применяют метод лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ), основанный на оптическом зондировании исследуемого объекта низкоинтенсивным лазерным излучением ближнего инфракрасного спектрального диапазона и анализе допплеровского сдвига частоты обратно рассеянного излучения при его отражении от движущихся в тканях эритроцитов. Метод позволяет анализировать как общую перфузию тканей кровью, так и механизмы регуляции микроциркуляторного кровотока со стороны различных систем, включая нервную иннервацию, работу клеток эндотелия и другое.

В настоящий момент для комплексного анализа функционирования системы микроциркуляции крови, окислительного метаболизма биотканей, их структурного и функционального статуса, перспективным считается применение мультимодального подхода, основанного на сочетанном применении сразу нескольких методов оптической неинвазивной диагностики одновременно и в одной области исследования (Дунаев А.В. Мультимодальная оптическая диагностика микроциркуляторно-тканевых систем организма человека: монография / А.В. Дунаев. - Старый Оскол: ТНТ, 2022. - 440 с.: ил.).

Известны способы диагностики заболеваний, связанных с нарушениями функционирования микроциркуляторно-тканевых систем (МТС), основанные на мультимодальном подходе, например, способ диагностики микроциркуляторно-тканевых нарушений в стопах пациентов с сахарным диабетом (патент РФ №2688811, МПК А61В 5/1455, А61В 8/06, 2017 г.).

Устройства, реализующие мультимодальную ОНД МТС, к настоящему моменту были представлены лишь в стационарном варианте, что связано со сложностью реализации метода ЛДФ в портативном исполнении.

Известно устройство для оценки микроциркуляторных нарушений в коже у пациентов с нарушениями углеводного обмена, содержащее каналы измерения тканевой перфузии оптическим методом, канал фотоплетизмографии и автоматический тонометр для измерения уровня артериального давления (см. патент РФ №2737714, МПК А61В 8/06, 2019 г.).

Недостатками данного устройства диагностики являются стационарная реализация устройства, кроме того, один из оптических датчиков сконструирован в виде «прищепки», подобно известным датчикам пульсоксиметров, что ограничивает диапазон его применения. В устройстве отсутствует возможность регистрации параметров окислительного метаболизма биологических тканей.

Известно также устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани, состоящее из флуоресцентно-отражательного спектрометра, включающего осветительную и спектрометрическую системы, подключенные к Y-образному волоконно-оптическому щупу, в котором возбуждение флуоресценции осуществляется на длине волны 365 нм, что позволяет оценивать содержание в ткани различных флуорофоров, в том числе НАДН (см. патент РФ №2539817, МПК G01N 21/64, А61В 6/08, G01J 3/02, 2013 г.).

Устройство для флуоресцентной спектроскопии биологической ткани обладает теми же существенными недостатками, что и предыдущий аналог, то есть стационарной реализацией, использованием оптических волокон для транспорта оптического излучения к и от биологической ткани, отсутствие дополнительных диагностических каналов для измерения параметров оксигенации биологических тканей или оценки перфузионного статуса биологических тканей.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является диагностический комплекс для измерения медико-биологических параметров кожи и слизистых оболочек in vivo, содержащий блок источников первичного оптического излучения с разными длинами волн излучения, систему транспортировки первичного и вторичного излучения к биологической ткани и обратно, выполненную в виде жгута оптических волокон с разветвленной приборной и единой рабочей частью, оптико-электронную систему регистрации вторичного оптического излучения, содержащую фотоприемники с оптическими фильтрами, полихроматор с дифракционной решеткой и устройство сбора и трансляции данных в блок обработки результатов диагностики (см. патент РФ №2337608, МПК А61В 5/00, А61В 5/05, G01N 21/47, G01J 3/28, 2007 г.).

Недостатками данного диагностического устройства являются стационарное исполнение и применение системы транспортировки первичного и вторичного оптического излучения к биологической ткани и обратно, выполненной в виде жгута оптических волокон, содержащего по крайней мере 9 оптических волокон с разветвленной приборной и общей рабочей частью. Реализация трех диагностических каналов в рассматриваемом устройстве (каналов лазерной допплеровской флоуметрии, флуоресцентной спектроскопии и оптической тканевой оксиметрии) приводит к необходимости использования по крайней мере 3 отдельных лазерных источников излучения в минимальной конфигурации устройства, и 5 источников - в расширенной конфигурации. Система регистрации флуоресцентного сигнала, основанная на использовании линейки фотоприемников, предполагает применение в конструкции устройства большого количества оптических компонентов, что создает значительные затруднения для миниатюризации устройства.

Кроме того, к недостаткам указываемого устройства можно отнести тот факт, что при исследовании сигнала флуоресценции не учитываются индивидуальные особенности оптических свойств исследуемой биоткани.

Технической задачей настоящего решения является разработка портативного устройства, сочетающего в себе каналы ЛДФ и флуоресцентной спектроскопии (ФС), дополнительные датчики, позволяющие отслеживать температуру области исследования и движения, и обеспечивающего прямое освещение области исследования без использования оптических волокон и беспроводную передачу зарегистрированных данных по протоколу Bluetooth или Wi-Fi, а также возможность более комфортного проведения неинвазивной диагностики состояния МТС при различных заболеваниях как для пациентов, так и для медицинского персонала. Актуальность применения портативных устройств заключается в возможности обеспечивать параллельную, одновременную регистрацию состояния микроциркуляторно-тканевых систем в нескольких областях тела человека, например, на верхних и нижних конечностях, чтобы иметь представление о системных нарушениях микроциркуляции и окислительного метаболизма при заболеваниях.

Достижение технической задачи осуществляется за счет того, что портативное мультимодальное устройство оптической спектроскопии для диагностики состояния микроциркуляторно-тканевых систем организма человека, содержащее источники первичного оптического излучения, фотоприемники с оптическими фильтрами для регистрации вторичного оптического излучения, блок формирования допплеровского сигнала, устройство сбора и трансляции данных в блок управления и обработки результатов диагностики, содержит драйверы, подключенные выходами к источникам первичного оптического излучения, которыми являются лазерный источник излучения с длиной волны 850 нм и светодиод с длиной волны излучения 365 нм, выход первого фотоприемника с оптическим фильтром, пропускающим излучение с длиной волны 365 нм, подключен к X входу дополнительного делителя сигналов, выход второго фотоприемника с оптическим фильтром, пропускающим излучение с длиной волны 460 нм, подключен к Y входу этого делителя сигналов, выходы третьего и четвертого фотоприемников с оптическими фильтрами, пропускающими излучение на длине волны 850 нм, подключены через указанный блок формирования допплеровского сигнала к первому из параллельных входов устройства сбора и трансляции данных, к второму, третьему и четвертому входам которого, соответственно, подключены: Z выход дополнительного делителя сигналов, выходы дополнительных датчика температуры и акселерометра, при этом устройство сбора и трансляции данных содержит блок беспроводной передачи данных в указанный блок управления и обработки результатов диагностики.

Технический результат заключается в повышении точности и достоверности проведения комплексных неинвазивных исследований состояния микроциркуляторно-тканевых систем организма человека за счет реализации мультимодального подхода в портативном, носимом устройстве, удобным для эксплуатации медицинским персоналом, а также для индивидуального применения. Улучшение качества диагностики расстройств периферического кровотока и окислительного метаболизма за счет возможности одновременного исследования сразу несколькими портативными устройствами параметров МТС, например, в верхних и нижних конечностях, оценивая системные нарушения состояния МТС при заболеваниях.

Портативность, а, значит, малые габариты и вес, беспроводное управление и регистрация полученных данных для диагностики достигается путем использования технологий микроэлектроники (чип элементы, автоматизированная пайка) и протоколов беспроводной передачи Bluetooth или Wi-Fi.

Так как оптические характеристики биологической ткани имеют зависимость от содержания и количества хромофоров, которые могут отличаться от субъекта к субъекту, то для учета индивидуальных оптических свойств кожи применяется нормировка амплитуды флуоресценции на длине волны излучения 460 нм кофермента НАДН (восстановленная форма никотинамидадениндинуклиотида, биомаркер окислительного метаболизма), на амплитуду вторичного (обратно рассеянного) излучения на длине волны 365 нм, возбуждающего флоуресценцию НАДН. Амплитуда вторичного излучения на длине волны 365 нм зависит от поглощения излучения тканью. От поглощения излучения в ткани зависит амплитуда флуоресценции НАДН. При нормировке амплитуды флуоресценции на амплитуду вторичного излучения происходит учет индивидуальных оптических свойств ткани.

Применение в предлагаемом устройстве дополнительного фотодиода, регистрирующего сигнал на длине волны вторичного излучения 365 нм, возбуждения флуоресценции НАДН, позволит повысить точность осуществляемых измерений, благодаря учету различий в оптических свойствах кожи в области исследования разных испытуемых.

Естественный нагрев или охлаждение биологических тканей при неинвазивных исследованиях могут приводить к развитию процессов вазодилатации или вазоконстрикции, увеличивая или уменьшая перфузию тканей кровью и активность метаболизма. Изменение объема крови в ткани может приводить к изменению оптических свойств исследуемой области. Поэтому контроль температуры с помощью датчика температуры, введенного в предлагаемое устройство, в процессе проведения исследований микроциркуляторно-тканевых систем ткани является важным фактором, обеспечивающим повышение точности диагностики.

Метод лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ) не только обладает высокой чувствительностью к изменениям кровотока, но и может реагировать на движения тела испытуемого вследствие передаваемых колебаний к ткани в области исследований, вызывая появление в регистрируемых данных ошибок записи, например, при ходьбе или при движении рук или ног в положении лежа. Дополнение диагностического устройства акселерометром позволяет зарегистрировать, когда по времени произошли произвольные движения испытуемого, и, при наличии случайных движений, фиксировать их появление и устранять ошибочные фрагменты записи на стадии постобработки зарегистрированных сигналов.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На чертеже приведена структурная схема портативного мультимодального устройства оптической спектроскопии для диагностики состояния микроциркуляторно-тканевых систем организма человека.

Портативное устройство содержит драйверы 1 и 2, подключенные выходами, соответственно к первичным источникам излучения: лазерному источнику излучения 3 с длиной волны 850 нм и светодиоду 4 с длиной волны излучения 365 нм, первый фотоприемник вторичного излучения 12 с оптическим фильтром 10, пропускающим излучение на длине волны 365 нм, подключен к X входу дополнительного делителя сигналов 14, второй фотоприемник вторичного излучения 13 с оптическим фильтром 11, пропускающим излучение на длине волны 460 нм, подключен к Y входу дополнительного делителя сигналов 14 выходы третьего 7 и четвертого 8 фотоприемников обратного излучения с оптическими фильтрами 5 и 6, пропускающими излучение на длине волны 850 нм, подключены через блок формирования допплеровского сигнала 9 к первому из параллельных входов устройства сбора и трансляции данных 15, к второму, третьему и четвертому входам которого, соответственно, подключены: Z выход дополнительного делителя сигналов 14, выходы дополнительных датчика температуры 16 и акселерометра 17, при этом устройство сбора и трансляции данных 15 содержит блок беспроводной передачи данных в блок управления и обработки результатов диагностики 18.

Канал флуоресцентной спектроскопии для определения нормированной амплитуды флуоресценции кофермента НАДН состоит из драйвера 2, светодиода 4 с длиной волны 365 нм, первого и второго фотоприемников 12 и 13 с оптическими фильтрами 10 и 11, пропускающих соответственно вторичное излучение на длине волны 365 нм и излучение флуоресценции на длине волны 460 нм, и дополнительного делителя сигналов 14.

Канал ЛДФ построен по дифференциальной схеме регистрации сигнала, включающей в себя два идентичных канала, и состоит из лазерного источника излучения 3, соединенного с драйвером 1, задающим энергопитание источника излучения 3, двух фотоприемников 7 и 8 с оптическими фильтрами 5 и 6, пропускающими вторичное излучение на длине волны 850 нм, соединенных с блоком формирования допплеровского сигнала 9, который содержит к каждом канале делитель сигналов Z-Y/X для нормировки переменной составляющей входного сигнала на общий входной сигнал с целью учета индивидуальных оптических характеристик ткани.

Устройство работает следующим образом.

Включение энергопитания предлагаемого устройства (встроенный аккумулятор) производится кнопкой на корпусе устройства.

Управление работой предлагаемого устройства осуществляется через блок 18 управления и обработки результатов диагностики по беспроводному протоколу Bluetooth или Wi-Fi, например, с помощью программного обеспечения (ПО), установленного на компьютер, планшет или смартфон.

Блок 18 управления и обработки результатов диагностики по беспроводному протоколу включает работу лазерного источника излучения 3 и светодиода 4 посредством подачи управляющих сигналов на драйверы 1 и 2 в ходе работы пользователя с установленным в блок 18 программным обеспечением.

Также блок 18 принимает по беспроводному протоколу от блока беспроводной передачи данных, входящего в устройство сбора и трансляции данных 15, данные от блока формирования допплеровского сигнала 9, дополнительного делителя сигналов 14, датчика температуры 15 и акселерометра 16.

Основываясь на данных акселерометра 17, программное обеспечение также позволяет в автоматическом режиме осуществлять фильтрацию зарегистрированных данных лазерной допплеровской флоуметрии с целью устранения влияния возможных ошибок при случайных движениях области исследования.

При работе в блоке 18 регистрируемые данные в реальном времени предоставляются в графическом и цифровом виде, записываются в память и рассчитываются диагностические параметры.

Таким образом, предлагаемое портативное мультимодальное устройство оптической спектроскопии для диагностики состояния микроциркуляторно-тканевых систем, позволяет регистрировать доставку крови и оценивать утилизацию кислорода - основные компартменты жизнедеятельности ткани.

Применение нескольких предлагаемых устройств одновременно в разных областях тела (например, на верхних и нижних конечностях), осуществляющих доставку прямого и обратного оптического излучения напрямую без использования оптических волокон и передающее зарегистрированные данные по беспроводному протоколу, делает проведение подобной диагностики более удобной и доступной как для пациентов, так и для медицинского персонала, повышает информативность диагностики за счет одновременной системной оценки микроциркуляторно-тканевых нарушений в разных областях тела, позволяя определить данные нарушения на более ранней стадии развития заболевания.

Изобретение относится к медицине. Портативное мультимодальное устройство оптической спектроскопии для диагностики состояния микроциркуляторно-тканевых систем организма человека, содержащее источники первичного оптического излучения, фотоприемники с оптическими фильтрами для регистрации вторичного оптического излучения, блок формирования допплеровского сигнала с делителем сигналов, имеющий входы X и Y и выход Z=Y/X, устройство сбора и трансляции данных в блок управления и обработки результатов диагностики, отличающееся тем, что оно содержит драйверы, подключенные выходами к источникам первичного оптического излучения, которыми являются лазерный источник излучения с длиной волны 850 нм и светодиод с длиной волны излучения 365 нм, выход первого фотоприемника с оптическим фильтром, пропускающим излучение с длиной волны 365 нм, подключен к X входу дополнительного делителя сигналов, выход второго фотоприемника с оптическим фильтром, пропускающим излучение с длиной волны 460 нм, подключен к Y входу этого делителя сигналов, выходы третьего и четвертого фотоприемников с оптическими фильтрами, пропускающими излучение на длине волны 850 нм, подключены через указанный блок формирования допплеровского сигнала к первому из параллельных входов устройства сбора и трансляции данных, к второму, третьему и четвертому входам которого, соответственно, подключены: Z выход дополнительного делителя сигналов, выходы дополнительных датчика температуры и акселерометра, при этом устройство сбора и трансляции данных содержит блок беспроводной передачи данных в указанный блок управления и обработки результатов диагностики. Технический результат заключается в повышении точности и достоверности проведения комплексных неинвазивных исследований состояния микроциркуляторно-тканевых систем организма человека. 1 ил.

Портативное мультимодальное устройство оптической спектроскопии для диагностики состояния микроциркуляторно-тканевых систем организма человека, содержащее источники первичного оптического излучения, которыми являются лазерный источник излучения с длиной волны 850 нм и светодиод с длиной волны 365 нм, оптико-электронную систему регистрации вторичного оптического излучения, состоящую из третьего и четвертого фотоприемников с узкополосными оптическими фильтрами, делителя сигналов с входами X и Y, устройство сбора и трансляции данных в блок обработки результатов диагностики, первый и второй фотоприемники, выходы которых соединены с разностным блоком формирования допплеровского сигнала, драйверы, подключенные выходами к источникам первичного оптического излучения, при этом узкополосные оптические фильтры через третий и четвертый фотоприемники выходами подключены к входам X и Y делителя сигналов, причем устройство сбора и трансляции данных соединено с блоком обработки результатов диагностики, реализованным на персональном компьютере, термоэлектрический термометр и акселерометр, выходами связанные с блоком обработки результатов диагностики, выполнены с возможностью регистрации данных для устранения влияния вариаций температуры и движений биологического объекта на регистрируемые данные, блок управления, выходами подключенный к драйверам и связанный с устройством сбора и трансляции данных, вход Z=Y/X которого подключен к делителю сигналов, а другой вход - к разностному блоку формирования допплеровского сигнала, при этом лазерный источник излучения и светодиод выполнены с возможностью доставки оптического излучения к биологическому объекту, отраженное от биологического объекта вторичное излучение регистрируется первым и вторым фотоприемниками, сигнал фототока с которых впоследствии поступает в разностный блок формирования допплеровского сигнала, при этом отраженная от биологического объекта часть оптического излучения и сигнал флуоресценции биологического объекта регистрируются третьим и четвертым фотоприемниками, соответственно снабженными узкополосными оптическими фильтрами.