Неинвазивный способ измерения физиологического параметра с помощью конфокального спектроскопического измерительного устройства - RU2712034C2

Чертежи

Описание

Область техники

Изобретение относится к способам измерения физиологического параметра объекта исследования.

Уровень техники

Спектроскопия является неинвазивным методом, обеспечивающим возможность исследования, анализа или квантификации физико-химического параметра. Использование этого метода применительно к физиологии человека позволяет измерять неинвазивным образом такие важные параметры, как температура, частота сокращений сердца, уровень насыщенности крови кислородом или уровень билирубина.

Спектроскопия реализуется посредством датчика (приемника), помещаемого рядом с кожей, который измеряет оптические свойства поверхностных слоев кожи.

Существенным ограничением при измерении физиологических параметров посредством спектроскопии является то, что неоднородность поверхностных слоев кожи создает возмущения, которые снижают качество измерений.

Были предложены несколько стратегий с целью ограничить присутствие паразитных излучений от слоев кожи, прилегающих к интересующему слою. В этой связи можно упомянуть использование поляризованного света в сочетании с приемником, позиционированным под углом Брюстера (как это описано в документе WO 2011/151744 А1), применение цифровых корректирующих коэффициентов (как это описано в US 5353790 А) или применение оптических волокон, ориентированных и позиционированных так, чтобы обеспечить оптическую связь с различными по глубине слоями кожи (как это описано в WO 2014006827 А1).

Раскрытие изобретения

Решаемая изобретением задача состоит в создании способа измерения физиологического параметра объекта исследования посредством оптического измерительного устройства, обладающего повышенной точностью.

Данная задача решена, согласно изобретательскому замыслу, созданием способа определения физиологического параметра объекта исследования. Данный способ может быть осуществлен посредством оптического измерительного устройства, содержащего:

- оптический объектив, установленный на оптической оси устройства и имеющий первую фокальную точку в пространстве предметов и первую фокальную точку в пространстве изображений,

- точечную диафрагму, установленную в первой плоскости, центрированную относительно первой фокальной точки объектива в пространстве изображений и обеспечивающую пропускание только оптических лучей из указанной первой фокальной точки в пространстве предметов,

- фоточувствительный приемник, предназначенный для приема оптических лучей из первой фокальной точки в пространстве изображений и расположенный по ходу лучей за точечной диафрагмой, и

- блок управления, сконфигурированный для анализа оптических лучей, принятых фоточувствительным приемником, и для сравнения результатов анализов с известными данными.

Способ по изобретению включает следующие операции:

- устанавливают оптическое измерительное устройство, обращенное к поверхности кожи объекта исследования, в заданное положение, при котором первая фокальная точка указанного объектива в пространстве предметов расположена на заданной глубине в слое кожи,

- принимают, посредством фоточувствительного приемника, оптические лучи из первой фокальной точки в пространстве предметов, находящейся на заданной глубине в слое кожи,

- анализируют оптические лучи, принятые фоточувствительным приемником, и определяют указанный физиологический параметр объекта исследования по характеристикам принятых оптических лучей.

Изобретение предпочтительно характеризуется также следующими признаками, присутствующими либо индивидуально, либо в их любых технически возможных комбинациях.

Физиологическим параметром, подлежащим определению, является температура тела объекта исследования.

Оптические лучи анализируют в инфракрасном диапазоне, в интервале длин волн между 700 нм и 1 мм.

Заданная глубина в слое кожи соответствует дерме или гиподерме и предпочтительно составляет 0,1-1,5 мм.

Оптический объектив имеет вторую фокальную точку в пространстве предметов и вторую фокальную точку в пространстве изображений, совпадающую с первой фокальной точкой в пространстве предметов.

Измерительное устройство дополнительно содержит:

- по меньшей мере один источник света,

- точечную диафрагму, установленную во второй плоскости, центрированную относительно второй фокальной точки в пространстве предметов и обеспечивающую пропускание только оптических лучей, излученных источником оптического излучения во вторую фокальную точку в пространстве предметов,

- плоское полуотражающее зеркало, сконфигурированное для направления лучей, излученных источником оптического излучения, к объективу и для пропускания лучей из первой фокальной точки в пространстве предметов к фоточувствительному приемнику.

Указанный способ дополнительно включает следующие операции:

- обеспечивают испускание оптических лучей источником оптического излучения ко второй фокальной точке в пространстве изображений, находящейся на заданной глубине в слое кожи,

- принимают, посредством фоточувствительного приемника, оптические лучи, излученные источником оптического излучения, отраженные кожей и исходящие из первой фокальной точки в пространстве предметов, находящейся на заданной глубине в слое кожи,

- измеряют степень поглощения кожей оптических лучей, излученных источником (источниками) оптического излучения, по результатам анализа оптических лучей, принятых фоточувствительным приемником, и определяют физиологический параметр объекта исследования по измеренной степени поглощения.

Физиологическим параметром, подлежащим определению, является содержание билирубина в коже.

Интервал длин волн, излучаемых источником (источниками) оптического излучения, составляет 400-800 нм.

Заданная глубина слоя кожи соответствует гиподерме и предпочтительно превышает 1 мм.

Физиологическим параметром, подлежащим определению, является степень насыщенности крови кислородом и моноксидом углерода.

Устройство содержит два источника света, каждый из которых излучает в одном из двух спектральных интервалов, причем первый из указанных интервалов составляет 620-680 нм, а второй - 780 нм - 1 мм.

Заданная глубина в слое кожи соответствует дерме или гиподерме и предпочтительно превышает 0,2 мм.

Краткое описание чертежей

Другие задачи, характеристики и преимущества изобретения станут понятны из нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, служащие только иллюстрациями, не вносящими ограничений.

На фиг. 1 представлено устройство для осуществления способа согласно первому варианту изобретения.

Фиг. 2 иллюстрирует устройство для осуществления способа согласно второму варианту изобретения.

Осуществление изобретения

Способ измерения физиологического параметра объекта исследования согласно первому варианту изобретения осуществляется посредством оптического измерительного устройства 1, содержащего:

- фоточувствительный приемник 4, предназначенный для приема оптических лучей из первой фокальной точки в пространстве изображений и расположенный по ходу лучей за первой точечной диафрагмой 11,

- объектив 3, способный фокусировать излучение, испускаемое биологической тканью 10 в сторону приемника 4,

- первую точечную диафрагму 11, установленную в первой конфокальной плоскости cF1, оптически сопряженной посредством объектива 3 с фокальной плоскостью F, в которой находится ткань, подлежащая исследованию.

Объектив 3, который в типичном варианте является линзой, оптически сопрягает плоскость F, в которой находится ткань, подлежащая исследованию, с конфокальной плоскостью cF1, в которой установлена первая точечная диафрагма а 11. Другими словами, первая точечная диафрагма 11, центрированная относительно первой фокальной точки объектива 3 в пространстве изображений, пропускает только лучи из этой фокальной точки в пространстве предметов объектива, лежащей в плоскости F, в которой находится ткань, подлежащая исследованию. Таким образом, через точечную диафрагму 11 проходят и используются в спектроскопических измерениях только фотоны, исходящие из фокальной плоскости F. Излучение, распространяющееся от плоскостей, смежных с плоскостью F, блокируется кромками точечной диафрагмы. Следовательно, оптическое измерительное устройство 1 обеспечивает возможность выбора глубины слоя, измеряемого спектроскопическим методом.

Оптическое измерительное устройство 1 предпочтительно содержит фильтр 15, расположенный между фоточувствительным приемником 4 и первой точечной диафрагмой 11 и сконфигурированный для пропускания только излучения в полосе частот, используемой для анализа.

Оптическое измерительное устройство 1 содержит также блок управления, сконфигурированный для анализа оптических лучей, принятых фоточувствительным приемником 4, и для сравнения результатов анализов с известными данными.

Способ включает следующие операции:

- устанавливают оптическое измерительное устройство 1, обращенное к поверхности кожи 10 объекта исследования, в заданное положение, при котором первая фокальная точка оптического объектива 3 в пространстве предметов расположена на заданной глубине в слое кожи,

- принимают, посредством фоточувствительного приемника 4, оптические лучи из первой фокальной точки в пространстве предметов, находящейся на заданной глубине в слое кожи,

- анализируют оптические лучи, принятые фоточувствительным приемником 4, и сравнивают результаты анализов с известными данными с целью определить интересующий физиологический параметр объекта исследования.

В одном конкретном варианте физиологическим параметром, подлежащим определению, является температура тела объекта исследования. Ее определяют, анализируя интенсивность оптического излучения кожи в инфракрасном диапазоне, в интервале длин волн от 700 нм до 1 мм. Фоточувствительный приемник 4 сконфигурирован для детектирования оптических лучей в инфракрасном диапазоне, в интервале длин волн от 700 нм до 1 мм. Заданная глубина в слое кожи соответствует ее дерме или гиподерме, предпочтительно составляя 0,1-1,5 мм от поверхности кожи 10. Более предпочтительно заданная глубина в слое кожи 10 превышает 0,5 мм от ее поверхности.

Во втором варианте способ по п. 1 осуществляется посредством измерительного устройства 1bis, проиллюстрированного фиг. 2.

Измерительное устройство 1bis в дополнение к уже описанным фоточувствительному приемнику 4, объективу 3, первой точечной диафрагме 11 и блоку управления, содержит также:

- по меньшей мере один источник 2 оптического излучения, в типичном случае в виде одного или нескольких лазеров или светодиодов,

- полуотражающее зеркало 5, расположенное между приемником 4 и тканью, подлежащей исследованию,

- вторую точечную диафрагму 21, установленную во второй конфокальной плоскости cF2, оптически сопряженной, посредством объектива 3 и полуотражающего зеркала 5, с фокальной плоскостью F, в которой находится ткань, подлежащая исследованию.

Объектив 3 имеет вторую фокальную точку в пространстве предметов и вторую фокальную точку в пространстве изображений, которая совпадает с первой фокальной точкой в пространстве предметов.

Вторая точечная диафрагма 21 центрирована относительно второй фокальной точки в пространстве предметов, чтобы пропускать только оптические лучи, излученные источником (источниками) оптического излучения во вторую фокальную точку в пространстве предметов.

Должно быть понятно, что при таком выполнении излучение собирается в фокальной плоскости F.

Плоское полуотражающее зеркало 5 сконфигурировано для направления лучей, излученных источником оптического излучения, к объективу и для пропускания лучей из первой фокальной точки в пространстве предметов к фоточувствительному приемнику 4.

Таким образом, через точечную диафрагму 11 проходят и используются в спектроскопических измерениях только фотоны, исходящие из фокальной плоскости F. Размытое излучение от смежных плоскостей блокируется кромками точечной диафрагмы. Таким образом, обеспечивается возможность выделить тонкий оптический слой, эксклюзивно соответствующий фокальной плоскости. Следовательно, обеспечивается выбор глубины слоя, контролируемого спектроскопическим методом.

Измерительное устройство 1bis может дополнительно содержать первую поляризационную пластину 12, расположенную между первой точечной диафрагмой 11 и полуотражающим зеркалом 5, и вторую поляризационную пластину 22, расположенную между второй точечной диафрагмой 21 и полуотражающим зеркалом 5. Оси поляризации обеих пластин 12 и 22 взаимно перпендикулярны. Поэтому фотоны, излученные источником 2 оптического излучения и отраженные поверхностью кожи 10, не достигают приемника 4. Действительно, поскольку отражение не изменяет поляризацию, эти фотоны, поляризованные поляризационной пластиной 22, будут поглощаться поляризационной пластиной 12. И наоборот, фотоны, поглощенные и повторно излученные фотоактивными молекулами кожи 10 в плоскости F, имеют измененную поляризацию, так что они могут проходить сквозь поляризационную пластину 12.

Способ дополнительно включает следующие операции:

- обеспечивают испускание оптических лучей источником 2 оптического излучения ко второй фокальной точке в пространстве изображений, находящейся на заданной глубине в слое кожи,

- принимают, посредством фоточувствительного приемника 4, оптические лучи, излученные источником (источниками) оптического излучения, отраженные кожей и исходящие из первой фокальной точки в пространстве предметов, находящейся на заданной глубине в слое кожи,

- находят степень поглощения кожей оптических лучей, излученных источником (источниками) оптического излучения, по результатам анализа оптических лучей, принятых фоточувствительным приемником 4, и сравнения найденной степени поглощения с известными данными, чтобы определить физиологический параметр объекта исследования.

Действительно, должно быть понятно, что, поскольку испускание/прием оптических лучей к/от фокальной плоскости F, соответствующей заданной глубине в слое кожи, являются управляемыми, становится возможным определять степень поглощения кожей путем сравнения лучей, излучаемых источником (источниками) оптического излучения через вторую точечную диафрагму 21 в направлении фокальной плоскости F, и лучей, излучаемых фокальной плоскостью F в направлении приемника 4 через первую точечную диафрагму 11.

В одном конкретном варианте физиологическим параметром, подлежащим определению, является содержание билирубина в коже. В этом случае устройство 1bis содержит по меньшей мере три источника света, излучающих на различных длинах волн в спектральном интервале 400-800 нм. Данные длины волн являются специфичными для идентификации допа-меланина в эритроцитах и билирубина. Устройство 1bis предпочтительно содержит от трех до семи источников света. В этом случае заданная глубина в слое кожи соответствует дерме или гиподерме и превышает 0,2 мм.

В другом конкретном варианте физиологическим параметром, подлежащим определению, является степень насыщенности крови кислородом и моноксидом углерода. В этом случае устройство 1bis содержит два источника 2 излучения, испускающих излучение с различными длинами волн. Первый источник излучает в спектральном интервале 620-680 нм (красный свет), а второй - в инфракрасном диапазоне, в интервале от 780 нм до 1 мм. Заданная глубина в слое кожи в этом случае соответствует гиподерме и превышает 1 мм.

Должно быть понятно, что описанный способ измерения физиологического параметра объекта исследования является особенно эффективным, поскольку он позволяет принимать, используя объектив 3 и точечную диафрагму 11 (точечные диафрагмы 11 и 21), только оптические лучи, идущие от фокальной плоскости F, позиционированной на желательной глубине в слое кожи, существенно уменьшая благодаря этому погрешности измерения, которые могут вызываться паразитными излучениями.

Реферат

Изобретение относится к медицине. Способ измерения степени насыщенности крови кислородом и моноксидом углерода у объекта исследования осуществляется посредством оптического измерительного устройства. Устройство содержит: оптический объектив, установленный на оптической оси устройства и имеющий первую фокальную точку в пространстве предметов и первую и вторую фокальные точки; два источника оптического излучения, излучающих лучи с различными длинами волн; точечную диафрагму, установленную в первой плоскости, центрированную относительно первой фокальной точки объектива в пространстве изображений, и точечную диафрагму, установленную во второй плоскости, центрированную относительно второй фокальной точки в пространстве предметов, фоточувствительный приемник, предназначенный для приема оптических лучей из первой фокальной точки в пространстве изображений и расположенный по ходу лучей за точечной диафрагмой, плоское полуотражающее зеркало, сконфигурированное для направления лучей, излученных двумя источниками оптического излучения, к объективу и для пропускания лучей из первой фокальной точки в пространстве предметов к фоточувствительному приемнику, блок управления, сконфигурированный для анализа оптических лучей, принятых фоточувствительным приемником, и для сравнения результатов анализов с известными данными. Способ включает следующие операции: устанавливают оптическое измерительное устройство, обращенное к поверхности кожи объекта исследования, в заданное положение, при котором первая фокальная точка указанного объектива в пространстве предметов расположена на заданной глубине в слое кожи, обеспечивают испускание оптических лучей двумя источниками оптического излучения ко второй фокальной точке в пространстве изображений, находящейся на заданной глубине в слое кожи, принимают, посредством фоточувствительного приемника, оптические лучи, излученные двумя источниками оптического излучения, отраженные кожей и исходящие из первой фокальной точки в пространстве предметов, находящейся на заданной глубине в слое кожи, измеряют степень поглощения кожей оптических лучей, излученных двумя источниками оптического излучения, по результатам анализа оптических лучей, принятых фоточувствительным приемником, и определяют степень насыщенности крови кислородом и моноксидом углерода у объекта исследования по измеренной степени поглощения. Применение данного изобретения позволит повысить точность измерения физиологического параметра. 2 ил.

Формула