ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 6, с. 107-114
_ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, _
--МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ -
УДК 621.373
СИСТЕМА ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ КАПИЛЛЯРНОГО КРОВООБРАЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ НИЗКОЧАСТОТНОЙ
ОБРАБОТКИ СПЕКЛ-СТРУКТУРЫ РАССЕЯННОГО ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА
© 2004 г. А. И. Гордин, С. В. Липатов, А. В. Маругин
Нижегородский государственный университет им. Н И. Лобачевского Россия, 603950, Нижний Новгород, просп. Гагарина, 23 Поступила в редакцию 08.12.2003 г.
После доработки 26.04.2004 г.
Рассмотрен метод анализа динамических параметров микроциркуляции крови на основе лазерной спекл-интерферометрии с применением полупроводникового лазера и спектрально-временных алгоритмов низкочастотной обработки (от 0 до 35 Гц). Описанный в работе способ измерения скорости движения микрочастиц крови прост в реализации и позволяет осуществлять неинвазивный мониторинг динамики кровотока с достаточно высокой чувствительностью. Результаты испытаний позволяют говорить о возможности создания на основе представленной схемы прибора, отвечающего техническим требованиям к измерителям данного класса.
ВВЕДЕНИЕ
Оптические эффекты, обусловленные распространением лазерного излучения в случайно-неоднородных средах, играют весьма важную роль как в фундаментальных, так и в прикладных физических исследованиях. С одной стороны, на их основе разработаны разнообразные методы анализа поверхностей и турбулентности сред. С другой стороны, они лежат в основе создания разнообразных приборов, предназначенных для получения информации о свойствах потоков внутри объекта по результатам анализа характеристик рассеянного поля.
Практически сразу после появления серийных лазеров когерентное излучение стали использовать в био- и медицинской диагностике для измерения скорости потоков микрочастиц в биологических тканях. В настоящее время достаточно хорошо развита техника исследования кровотока в сравнительно крупных кровеносных сосудах, где возможно использование традиционных допле-ровских методов диагностики. В то же время уровень микроциркуляции в узких капиллярах, важный с точки зрения оценки метаболического статуса ткани, требует иных методов анализа. Разработки неинвазивных методов исследования состояния периферийного кровообращения с использованием в качестве источника информации оптических характеристик лазерной волны, рассеянной от поверхностных слоев биоткани, представлены в ряде работ, появившихся в последнее время [1-6]. Однако в указанных работах обозначены, прежде всего, модельные исследования общих характеристик и оптических параметров
биологической ткани [1-4], а также методы расчета задачи переноса излучения в рассеивающей среде [5, 6]. Основным элементом оптической накачки во всех указанных исследованиях служил Не-№-лазер, требующий высоковольтного питания и имеющий фиксированную частоту.
На практике представляет интерес создание приборного варианта лазерной измерительной системы, способной локально измерять уровень периферийного кровотока, имеющей малые габариты и одновременно технологически эффективной. Один из возможных вариантов диагностики заключается в использовании методов лазерной спекл-интерферометрии и спектральной обработки низкочастотных характеристик оптического сигнала, формируемого за счет рассеяния лазерного пучка приповерхностными слоями биологической ткани.
Эффекты, связанные с появлением характерной спекл-структуры в рассеянном когерентном поле, широко применяются, например, для определения шероховатости поверхностей, измерения скорости движения освещаемой поверхности и т.п. [7-9]. Несомненным преимуществом данного метода диагностики является отсутствие жестких требований к взаимной юстировке элементов оптического тракта схемы, что особенно важно при анализе оптических характеристик живых объектов. Тем не менее, возможности использования данного метода для решения задачи контроля скорости кровотока биологических жидкостей (крови, лимфы и т.д.) к настоящему времени недостаточно хорошо изучены, что связано в первую очередь со сложной конфигурацией исследуемого объекта (многослойной структу-
рои поверхностных слоев кожи с резко отличающимися оптическими свойствами) и трудностями, возникающими при интерпретации оптических характеристик рассеянного поля [3].
В данноИ работе представлена схема анализа микроциркуляции в биологических тканях, основанная на применении малогабаритного полупроводникового лазера с волоконным световодным каналом и метода спекл-интерферометрии, а также результаты экспериментальных исследовании уровня микроциркуляции крови человека в различных условиях кровоснабжения тканеИ. Полученные оценки позволили проанализировать возможности разработанной системы в сравнении с данными, полученными в других исследовательских лабораториях, и оценить эффективность предлагаемого метода.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
При освещении когерентным пучком большоИ области оптически шероховатоИ поверхности или при прохождении лазерноИ волноИ оптически неоднородной среды формируется так называемая спекл-картина. Спеклы являются результатом интерференции многих световых вторичных волн, рассеянных от разных точек объекта. Если предположить, что спекл-поле формируется в результате равномерного освещения объекта (например, матового стекла) шириноИ Б, то размер спеклов можно оценить как
5 ~ кг/Б, (1)
где г - расстояние от объекта до плоскости анализа, к - длина волны излучения.
Соответственно две любые точки, разделенные расстоянием й, дают интерференционные полосы с пространственноИ частотоИ
к = й/ (к г). (2)
Для рассеивающих объектов, перемещающихся в плоскости, параллельноИ отражающеИ поверхности, характерная спекл-картина имеет ди-намическиИ характер. В работе [10] получено следующее выражение для пространственно-вре-менноИ корреляционноИ функции интенсивности когерентного излучения, рассеянного на случаИ-ном фазовом экране:
Vs =
Ml
1 + z
(4)
G ( Г ,т) =
exp
I ->| 2 V 2
"2 T D
\
x
X exp l --2
r-11 +
V т
(3)
где V - скорость движения случаИного фазового экрана, т - временная задержка, а р - кривизна волнового фронта в плоскости фазового экрана. В соответствии с (3) динамическая часть спекл-картины будет перемещаться в плоскости анализа со скоростью
где M - поперечное увеличение оптической системы. При этом движение картины спеклов не зависит от угла освещения объекта. Если величина
i-> I
смещения L = | Vs\ т превышает размер спеклов s, то на фоторегистраторе возникают последовательные, идентичные по своей статистике спекл-картины, приводящие к появлению на фотоприемнике псевдошумового временного сигнала.
Таким образом, в результате рассеяния, возникающего при освещении поверхности кожи лазерным пучком, в плоскости регистрации формируется и неподвижная спекл-картина (возникающая за счет интерференции парциальных волн, отраженных неподвижными элементами поверхностных слоев биоткани), и динамическая спекл-структура, формируемая подвижными элементами кровеносных сосудов (эритроцитами, лимфами), которая и представляет интерес с точки зрения анализа кровообращения. Как было показано в работе [11], кровеносные сосуды с диаметром более 20 мкм ведут себя подобно глубокому фазовому экрану, скорость движения которого примерно равна средней скорости эритроцитов в потоке крови.
Для компенсации постоянной составляющей, обусловленной наличием статического спекл-рас-пределения, целесообразно использовать дифференциальный приемник с фоточувствительными элементами, разнесенными в пространстве на расстояние, превышающее характерный масштаб когерентности рассеянного поля. Модель регистрации динамической спекл-картины можно представить в виде, изображенном на рис. 1. Подводимая с помощью световода опорная лазерная волна Eo отражается от многослойной структуры биологической ткани, формируя рассеянное поле с широким угловым спектром Esc. Для приема рассеянной сигнальной компоненты оптического поля может быть использована фоточувствительная площадка фотодиода, согласованная по размеру с характерным масштабом спеклов в плоскости анализа.
Выделение из сложной спекл-структуры статистически независимых областей позволяет преобразовать пространственное движение спеклов
Vs в низкочастотный временной сигнал, в котором каждая частотная компонента будет определяться количеством участвующих в формировании спекла движущихся носителей с определенным значением проекции скорости на плоскость анализа. Иными словами, динамическая картина спеклов, возникающая при рассеянии, вызывает переменный низкочастотный сигнал, пропорциональный флуктуациям интенсивности спекл-поля в точке наблюдения. Таким образом, регистрируя флуктуации сигнала на выходе фотоприемника в
„ Фотодиод 1
Рассеянное поле
Персональный компьютер
Фотодиод 2 Спекл-структура
Лазерное излучение
Рис. 1. Схема формирования и регистрации спекл-картины рассеянного лазерного излучения. М - оптическое увеличение коллимирующей системы.
В гт
полосе частот от нуля до десятков килогерц, можно получить информацию о динамических изменениях пространственной спекл-структуры, а следовательно, и о движении микрочастиц в биоткани, вызывающих эту динамику.
Особенностью рассматриваемой модели можно считать сложную структуру рассеянной волны, формируемой за счет отражения от слоев ткани, расположенных на глубине от 0 до 2-5 мм (в зависимости от угла падения и длины волны излучения). Математическое описание данного процесса основано на решении уравнения переноса излучения в условиях многократного рассеяния [3]. Однако решение обратной задачи для оптических характеристик биологической ткани не представляется возможным. В то же время в процессе многочисленных исследований получены численные оценки наиболее важных оптических характеристик, определяющих основные особенности рассеяния лазерного излучения приповерхностными слоями кожи и позволяющих таким образом учесть эти особенности при разработке системы анализа кровообращения [12].
Известно, что на длине волны X ~ 680-700 нм коэффициент рассеяния а.с в слоях кожного покрова намного превышает коэффициент поглощения ааЬ (~180 см-
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.