RU235962U1 - Двухволновый диагностический флуориметр - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области медицинской техники, в частности к устройствам для диагностики функционального состояния организма по содержанию в коже флуоресцирующих конечных продуктов гликирования (КПГ), и может быть использована для оценки и контроля состояния здоровья человека. Сущность полезной модели заключается в том, что в двухволновом диагностическом флуориметре, содержащем ультрафиолетовый светодиод, зелёный светодиод, фотодиод, оптически связанный с отрезающим светофильтром, второй фотодиод, устройство управления светодиодами оси диаграмм направленности светодиодов составляют угол 45° с поверхностью облучаемого участка кожи, а угол между осями полей зрения фотодиодов и перпендикуляром к облучаемому участку кожи не превышает 10°, а излучение ультрафиолетового светодиода до взаимодействия с кожей пропускается через очищающий светофильтр. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к области медицинской техники, в частности к устройствам для диагностики функционального состояния организма по содержанию в коже флуоресцирующих конечных продуктов гликирования (КПГ), и может быть использована для оценки и контроля состояния здоровья человека.

Известны способ и устройство, описанные в патенте (US 7966060. Method and apparatus for determining autofluorescence of skin tissue), которые предназначены для оценки КПГ путем измерения автофлуоресценции (AФ) участков кожи, расположенных в области предплечья пациента. Источником возбуждающего излучения служит светодиод, излучающий в ультрафиолетовой (УФ) области в диапазоне 300 - 420 нм. Сбор и регистрация излучения осуществляются с помощью двух фотодиодов в диапазоне 300 - 600 нм. Для снижения влияния пигментации кожи, вводится параметр, представляющий собой отношение флуоресцентного излучения к отраженному возбуждающему излучению (300 - 420 нм). Измерения проводятся на участках кожи размером 0,4 см². Данное устройство позволяет осуществлять скрининговые исследования населения для выявления больных сахарным диабетом, прогнозировать осложнения при заболеваниях сердечно-сосудистой системы и при почечной недостаточности.

Недостатком известного устройства является нормальное к поверхности кожи падение возбуждающего флуоресценцию ультрафиолетового излучения. Нормальное падающее излучение наиболее глубоко проникает вглубь кожи, возбуждая вещества схожие по спектру флуоресценции со спектром флуоресценции КПГ (Галкина Е.М., Утц С. Р. Флуоресцентная диагностика в дерматологии (обзор) // Саратовский научно-медицинский журнал. 2013. Т. 9, № 3. С. 566-572; В.В. Тучин Оптическая биомедицинская диагностика // Известия Саратовского университета. 2005. Т. 5. Сер. Физика, вып. 1. - С. 39 - 53; Патент России № 2547790, А61В5/00, А61В5/1455, опубл. 10.04.2015 БИ № 10), тем самым, искажая результаты измерения.

Выбор нормального падения излучения источников возбуждения флуоресценции или зондирования характерен как для авторов зарубежных патентов (EP 1217943B1, A61B 5/00 (2006.01), Date of publication and mention of the grant of the patent: 22.04.2009 Bulletin 2009/17), так и российских (Патент РФ № 2539817, G01N 21/64 (2006.01), A61B 6/08 (2006.01), G01J 3/02 (2006.01); опубликовано: 27.01.2015 Бюл. № 3), что приводит к существенному вкладу рассеянного глубинными слоями исследуемого органа излучения в направлении фотоприёмников и наложению спектров глубинных веществ на спектры веществ, расположенных вблизи поверхности органа.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является устройство для определения величины автофлуоресценции кожной ткани (US 20130217984A1, A6 IB5/00 (2006.01), A6 IB5/145 (2006.01) Pub. Date: Aug. 22, 2013), включающее в качестве источника возбуждающего излучения ультрафиолетовый светодиод, который испускает излучение с длиной волны около 370 нм или, по меньшей мере, в диапазоне 300 - 420 нм, предпочтительно только в узкой полосе (ширина составляет половину максимальной интенсивности, например, 10 нм); второй светодиод предназначен для излучения на кожу только света с длиной волны в диапазоне более 620 нм или 625 нм и предпочтительно не более 900 нм или 880 нм и третий светодиод предназначен для излучения на кожу только света с длиной волны в диапазоне от 450 нм до 525 нм и предпочтительно около 500 нм. Измерительный блок имеет экран для экранирования окружающего света и окно для облучения, имеющее ограничительный край, который должен быть расположен напротив кожи.

Для обнаружения излучения, исходящего от кожи, используются два детектора, которые могут одновременно обнаруживать излучение, исходящее от кожи, и выполнены с возможностью подключения к компьютеру для анализа излучения. Между одним из детекторов и кожей расположен длинноволновый отрезающий фильтр, который пропускает только излучение с длиной волны, превышающей, например, 400 нм, так что этот детектор принимает излучение от кожи только в диапазоне длин волн, индуцированном флуоресценцией. Другой детектор предназначен для определения общего количества света, поступающего от кожи, в диапазонах длин волн всех трёх светодиодов.

Светодиоды и детекторы подключены к блоку управления, соединенному с компьютером с дисплеем. Блок управления предназначен для включения и выключения светодиодов и вывода обнаруженных значений излучения, полученных от детекторов под управлением компьютера. Светодиоды включаются последовательно для последовательной генерации сигналов на разных длинах волн или диапазонах длин волн и для измерения коэффициента отражения на разных длинах волн или диапазонах длин волн, а также автофлуоресценции.

Недостатками прототипа являются: упомянутое выше нормальное падение излучения светодиодов на кожу; отсутствие спектральной очистки излучения ультрафиолетового светодиода от присутствующих в спектре его излучения слабых побочных длинноволновых широких пиков - результатов излучательной рекомбинации в верхнем слое p-GaN гетероструктуры светодиода (В.Н. Жмерик, А.М. Мизеров, Т.В. Шубина и др. Квантово-размерные гетероструктуры на основе AlGaN для светодиодов глубокого ультрафиолетового диапазона, полученные методом субмонослойной дискретной молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота. // Физика и техника полупроводников, 2008. - Т. 42. - Вып. 12. - С. 1452 - 1457); необоснованность использования второго светодиода в диапазоне 620 - 900 нм.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является снижение влияния меланина на точность измерения содержания КПГ в коже.

Заявленный технический результат достигается тем, что в двухволновом диагностическом флуориметре, включающем измерительный блок, ультрафиолетовый светодиод, зелёный светодиод, фотодиод, оптически связанный с отрезающим светофильтром, второй фотодиод, устройство управления светодиодами, оси диаграмм направленности светодиодов составляют угол 45° с поверхностью облучаемого участка кожи, а угол между осями полей зрения фотодиодов и перпендикуляром к облучаемому участку кожи не превышает 10°, излучение ультрафиолетового светодиода до взаимодействия с кожей пропускается через очищающий светофильтр.

На фиг. 1 показана схема двухволнового диагностического флуориметра.

Двухволновый диагностический флуориметр имеет измерительный блок 22, представляющий собой несущую светонепроницаемую конструкцию 1 с окном 2, прикрытым защитным стеклом 3, к которому и прикладывается исследуемый участок кожи 4. Защитное стекло 3 выполняет следующие функции: а) защищает внутренность измерительного блока 22 от пыли и насекомых; б) стабилизирует дистанцию и ориентацию исследуемого участка кожи 4 по отношению к осветителям и фотоприёмникам. В силу компактности конструкции сам измерительный блок может прикладываться окном к исследуемому участку кожи. Измерительный блок содержит оптически связанные ультрафиолетовый светодиод 5 и очищающий светофильтр 6, зелёный светодиод 8, фотодиод 10, оптически связанный с отрезающим светофильтром 11, и фотодиод 12, плата микроконтроллера 18, выполненная с возможностью подключения шиной USB 19 с компьютером 20. Фотодиод 10, оптически связанный с отрезающим светофильтром 11, является частью фотоприёмного канала измерения флуоресцентного излучения, а фотодиод 12 является чувствительным элементом канала измерения упругого рассеяния.

Светодиоды 5 и 8 установлены таким образом, чтобы оси 16 и 17 диаграмм направленностей их излучений проходили через центр проекции окна 2 на верхнюю поверхность защитного стекла 3, а углы 14 осей диаграмм направленностей с нормалью к поверхности защитного стекла 3 и, соответственно, с поверхностью исследуемого участка кожи 4 составляли 45° для уменьшения глубины проникновения ультрафиолетового излучения в кожу. Угловой размер 15 фоточувствительных площадок фотодиодов 10 и 12 со стороны центра освещённого участка кожи 4 не превышает 10°. Этим достигается отсутствие попадания зеркальных компонент, отражённых кожей потоков излучения ультрафиолетового 5 и зелёного 8 светодиодов на фотодиоды 10 и 12, т.е. в направлении фоточувствительных площадок фотодиодов распространяется лишь диффузные упруго рассеянное и флуоресцентное излучения 13.

Очищающий светофильтр 6 снижает побочные длинноволновые широкополосные пики излучения ультрафиолетовых светодиодов, причиной которых является излучательная рекомбинация в верхнем слое p-GaN гетероструктуры светодиода (В.Н. Жмерик, А.М. Мизеров, Т.В. Шубина и др. Квантово-размерные гетероструктуры на основе AlGaN для светодиодов глубокого ультрафиолетового диапазона, полученные методом субмонослойной дискретной молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота. // Физика и техника полупроводников, 2008. - Т. 42. - Вып. 12. - С. 1452 - 1457) до уровней пренебрежимо малых по сравнению с интенсивностью автофлуоресценции конечных продуктов гликирования (Гришанов, В.Н. Корректировка спектров излучения ультрафиолетовых светодиодов для возбуждения флуоресценции биообъектов. [Текст] / В.Н. Гришанов, Д.В. Корнилин, В.С. Куликов - Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: материалы Всероссийской научно-технической конференции 13.05 - 15.05.2015, г. Самара/ под ред. А.И. Данилина. - Самара: Изд-во АНО «Издательство СНЦ», 2015. - С. 150 - 152). Отрезающий светофильтр 11 препятствует попаданию возбуждающего флуоресценцию ультрафиолетового излучения на фоточувствительную площадку фотодиода 10. Фигурная стрелка 7 указывает направление потока ультрафиолетового излучения, а фигурная стрелка 9 указывает направление потока зелёного излучения.

Светодиоды 5 и 8 посредством электрических связей 21 управляются микроконтроллером 18. Электрические выходные сигналы с фотодиодов 10 и 12 также подаются на плату микроконтроллера для электрической селекции посредством синхронного детектирования, оцифровки и передачи в компьютер 20.

В смонтированной и испытанной конструкции: ультрафиолетовый светодиод 5 - EOLD-365-525 с пиковой длиной волны 365 нм; зелёный светодиод 8 - DFL-3014PGW с пиковой длиной волны 530 нм; плата микроконтроллера 18 - Arduino (В.А. Петин. «Проекты с использованием контроллера Arduino», - СПб.: БХВ-Петербург, - 400 с. (2014)); фотодиод 10 - BPW21R; фотодиод 12 - SFH229; очищающий светофильтр 6 - цветное оптическое стекло УФС6 толщиной 3 мм; отрезающий светофильтр 11 - цветное оптическое стекло ЖЗС6 толщиной 3 мм; защитное стекло 3 - предметное стекло микроскопа толщиной 1 мм. Диаметр входного окна 2 - 10 мм.

Полезная модель работает следующим образом. Измерительный блок 22 выполнен с возможностью соединения с компьютером 20 посредством кабеля USB 19. Через кабель USB на измерительный блок 22 подаётся электропитание и в микроконтроллер 18 загружается программа управления измерительным блоком 22. Исследуемый участок кожи 4 (обычно внутренняя сторона предплечья) прикладывается к защитному стеклу 3. Ультрафиолетовый 5 и зелёный 8 светодиоды программно включаются поочерёдно и работают в импульсном режиме с частотой следования импульсов 487 Гц, что позволило синтезировать фотоприёмную электронику для работы на переменном токе и подавить постоянные по интенсивности фоновые засветки. При пульсирующем с частотой 487 Гц ультрафиолетовом светодиоде 5 в память компьютера записывается заданное программой количество отсчётов канала измерения флуоресцентного излучения и такое же количество отсчётов канала измерения упруго рассеянного кожей ультрафиолетового излучения. При пульсирующем с частотой 487 Гц зелёном светодиоде 8 в память компьютера записывается заданное программой количество отсчётов канала измерения упруго рассеянного кожей зелёного излучения. По полученным за время процедуры значениям отсчётов рассчитываются: средние арифметические (СА) значения сигналов автофлуоресценции I_UVf и упругого рассеяния I_UVe при включённом УФ-светодиоде, а также сигнала упругого рассеяния при включённом зелёном светодиоде I_Ge; по которым уже рассчитываются значения диагностических параметров, характеризующих содержание конечных продуктов гликирования в коже:

R_UV =I_UVf / I_UVe; R_UVG =I_UVf /(I_UVeI_Ge), (1)

где R_UV - отношение сигнала автофлуоресценции к сигналу упругого рассеяния в УФ диапазоне; R_UVG - отношение сигнала автофлуоресценции к произведению сигналов упругого рассеяния в УФ- и зелёной областях спектра.

Для подтверждения технического результата на 58 практически здоровых испытуемых возрастом от 16 до 65 лет был проведён сравнительный эксперимент по устойчивости диагностических параметров R_UV и R_UVG по отношению к эндогенному меланину. Известно, что кожа наружной стороны предплечья содержит большую концентрацию меланина по сравнению с внутренней. Этот факт легко подтверждается визуально, т.к. наружная сторона предплечья выглядит более загоревшей, и экспериментально по меньшим значениям сигналов I_UVfо, I_UVeо, I_Geо - для наружной стороны относительно их значений I_UVfi, I_UVei, I_Gei - для внутренней.

Эксперимент проводился следующим образом. К входному окну прибора последовательно прикладывались внутренняя и наружная стороны предплечья. В результате измерялись значения диагностических параметров для внутренней (R_UVi и R_UVGi) и наружней (R_UVo и R_UVGo) сторон предплечья каждой руки и рассчитывались модули относительных разностей этих диагностических параметров:

DR_UV = ⎪2 (R_UVi - R_UVo)/ (R_UVi + R_UVo)⎪, (2)

DR_UVG = ⎪2 (R_UVGi - R_UVGo)/ (R_UVGi + R_UVGo)⎪. (3)

Средние арифметические значения относительных разностей для 58 испытуемых составили М(DR_UV) = 0,28 и М(DR_UVG) = 0,18, т.е. М(DR_UV)/ М(DR_UVG) = 1,5, что позволяет сделать заключение о меньшей чувствительности диагностического параметра R_UVG к такому дестабилизирующему фактору, как эндогенный меланин.

Claims (1)

1. Двухволновый диагностический флуориметр, содержащий измерительный блок в виде несущей светонепроницаемой конструкции с окном и защитным стеклом, выполненным с возможностью прикладывания к нему исследуемого участка кожи, при этом измерительный блок содержит оптически связанные ультрафиолетовый светодиод, зелёный светодиод, фотодиод, оптически связанный со светофильтром, выполненным с возможностью препятствия попадания возбуждающего флуоресценцию ультрафиолетового излучения на фоточувствительную площадку фотодиода, второй фотодиод, светофильтр, выполненный с возможностью снижения побочных длинноволновых широкополосных пиков излучения ультрафиолетового светодиода, устройство управления светодиодами, при этом светодиоды установлены таким образом, чтобы оси диаграмм направленностей их излучений проходили через центр проекции указанного окна на верхнюю поверхность указанного защитного стекла, а углы осей диаграмм направленностей с нормалью к поверхности защитного стекла и, соответственно, с поверхностью исследуемого участка кожи составляли 45°, а угол между осями полей зрения фотодиодов и перпендикуляром к облучаемому участку кожи не превышает 10°.