Новые принципы построения устройств для контроля технического состояния приборов лазерной доплеровской флоуметрии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

удк 616.12.008.331-073.65.78

И. О. Козлов, Е. А. Жеребцов, А. В. Дунаев, К. В. Подмастерьев

Новые принципы построения устройств для контроля технического состояния приборов лазерной доплеровской флоуметрии

Ключевые слова: лазерная доплеровская флоуметрия, тест-объекты, метрологическое обеспечение, контроль технического состояния.

Keywords: laser Doppler flowmetry, test objects, metrological support, control of technical state.

Описаны подходы к построению устройств (тест-объектов) для контроля технического состояния приборов лазерной доплеровской флоуметрии (ЛДФ). Предложен новый принцип построения устройств на основе излучения светоизлу-чающих диодов. Создание нового тест-объекта для широкого использования в медицинских учреждениях позволит повысить уровень метрологического обеспечения метода ЛДФ.

Введение

Широко применяемый в настоящее время метод лазерной доплеровской флоуметрии (ЛДФ) позволяет оценить интенсивность периферического кровотока в микроциркуляторном русле. Измеряемой величиной в ЛДФ является показатель микроциркуляции (ПМ) — величина, которая выражается в относительных перфузионных единицах и пропорциональна средней концентрации ансамбля эритроцитов и их средней скорости. Физически ПМ представляет собой результат обработки переменного сигнала с фотоприемника, который формируется при фотосмешении сигналов с опорной и сдвинутой за счет эффекта Доплера (в полосе от 1 Гц до 24 кГц) частотами. Регистрируемый прибором ЛДФ сигнал изменения перфузии по времени (типовой пример зарегистрированной ЛДФ-граммы на волярной поверхности кожи дистальной фаланги среднего пальца руки приведен на рис. 1) состоит из двух основных составляющих: переменной и постоянной. Постоянная составляющая — это средняя перфузия крови за выбранный интервал времени. Переменная составляющая сигнала обусловлена физиологическими факторами регуляции кровенаполнения и отражает частотные ритмы регуляции кровотока (флаксмоции). Обе составляющие важны для диагностирования целого ряда

заболеваний. По косвенным признакам исследователь может оценить различные заболевания периферической нервной системы, ответственной за колебания микрососудистого русла [1].

Регистрируемый в методе ЛДФ показатель микроциркуляции

max

| raP(ra)dra

Т _ K

1m лпр

/2

ldc

(1)

где в подынтегральном выражении записана мощность Р(ю), приходящаяся на каждую частоту до-плеровского сдвига, а приборный коэффициент Кпр и квадрат составляющей фототока Ьас являются методическими.

Однако данный метод в настоящее время мало востребован в медицинской практике, в первую очередь из-за недостаточного метрологического обеспечения [2]. По-прежнему отсутствуют точные,

1т, пф. ед 3634 32 30 28 26

24-I-.-1-1-1-.-1—.-1-.-1-.-1-1-1-.-1-1-г

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

г, c

Рис. 1

Типовой пример зарегистрированной ЛДФ-граммы среднего пальца

0

удобные и недорогие устройства (тест-объекты, оптические фантомы) для контроля технического состояния (КТС) приборов ЛДФ. Поэтому для дальнейшего развития и более широкого применения ЛДФ необходимо разработать устройства, имитирующие доплеровский сдвиг от движущихся эритроцитов. Предполагаемый тест-объект должен оперативно и комплексно контролировать техническое состояние как оптической, так и электронной частей ЛДФ-канала. В частности, он должен воспроизводить постоянную и переменную составляющие перфузии, так как для диагностики ряда заболеваний существует потребность в точной оценке колебаний в кровенаполнении сосудов. Другими немаловажными требованиями являются универсальность и удобство в эксплуатации. Также в рамках устройства должна быть реализована функция управления уровнем воспроизводимой перфузии.

Таким образом, цель данной статьи — анализ подходов к построению устройств для контроля технического состояния приборов ЛДФ и предложение на их основе нового принципа работы тест-объекта, лишенного большинства существующих недостатков [3].

Обзор существующих принципов построения устройств для контроля технического состояния приборов ЛДФ

В настоящее время в качестве тест-объектов в ЛДФ наиболее широко используют коллоидные растворы светорассеивающих частиц, которые моделируют движение форменных элементов крови (ФЭК) за счет броуновского движения. При этом нормируют их концентрацию, а скорость броуновского движения вычисляют по теоретическим зависимостям от температуры и формы частицы. Пример подобных устройств — тест-объект Motility Standard (Perimed AB, Швеция) [4]. Однако этот тест-объект нестабилен во времени, может «высохнуть» или иным образом изменить собственные параметры. Кроме того, данный тест-объект не универсален, т. е. для полной проверки характеристики нужен набор мер, воспроизводящих нужный уровень перфузии. Проведенные с помощью Motility Standard экспериментальные исследования по периодическому контролю технического состояния ЛДФ-канала (длина волны зондирования — 1064 нм) многофункционального лазерного неин-вазивного диагностического комплекса (МЛНДК) «ЛАКК-М» (ООО НПП «ЛАЗМА», Москва) продемонстрировали основные методологические недостатки данного подхода (рис. 2).

Эксперименты выполняли циклами на протяжении нескольких месяцев. Волокно ЛДФ-канала погружали в калибровочный гель и проводили 30-минутную запись ЛДФ-сигнала. Возможная причина большого разброса полученных результатов — раз-

Im, пф. ед 26

25

24

23 -

22

21

20

19

18

1—1—I—1—I—1—I—1-1—1—I—1—I—1—г

8.03 8.03 8.03 1.07 1.07 1.07 1.07 12.07

Дата

Рис. 2

Результаты периодического контроля технического состояния ЛДФ-канала МЛНДК «ЛАКК-М» с помощью Motility Standard

нообразные методические погрешности, например сложность контроля заглубления волокна в гель. Также вероятно, что гель изменил свои характеристики с течением времени (как правило, срок службы геля — не более полугода). Кроме того, сам ЛДФ-канал может быть неисправен (изменение мощности зондирования, чувствительности фотоприемных каналов и т. д.), однако на основе полученной информации нельзя сделать однозначное заключение.

Существуют различные модификации данного метода [5]. Между волокном и раствором специальных резиновых микросфер помещается тонкая пленка из лавсана. Считается, что внесение такой пленки увеличивает количество актов рассеяния, вместе с тем увеличивая постоянную составляющую доплеровского сдвига. Исследовали возможность улучшения характеристик Motility Standard внесением в раствор пористого материала, пропитанного раствором микросфер, совместно с пленкой. Доплерограммы записывались в специальной камере, исключающей фоновую засветку фотоприемника. Конструктивные особенности данных тест-объектов изображены на рис. 3. Однако воспроизводимость и стабильность тест-объекта требуют дальнейших исследований и улучшения технологии.

Одним из первых методов контроля технического состояния приборов ЛДФ является метод, предложенный в 1993 г. Обейдом [6]. Он заключается в использовании циркулирующего по специальным трубкам физиологического раствора, в состав которого входила цельная кровь крыс или людей с противосвертывающим агентом. В предложенном тест-объекте оптоволокно помещено в специальное гнезде с полиацетатным диском-рас-сеивателем, имитирующим эпидермис, а трубки и диск расположены поверх рассеивающей полиацетатной основы. Сам раствор приводится в движение шприцевым насосом посредством винта, контроли-

биотехносфера

I № 2(38)/2015

Теория и практика биомединженерии

Светонепроницаемый корпус

Слой лавсановой пленки

Пористый материал

Излучающее волокно

Детектирующее волокно

Рис. 3 \ Методы улучшения характеристик тест-объекта Motility Standard

Гнездо

Оптическое волокно

От шприцевого насоса

Слив

Рассеивающий диск

Рассеивающая основа

Окно

ПВХ трубки

Рис. 4 \ Устройство на основе шприцевого насоса

руемого прецизионным двигателем постоянного тока. Общая схема устройства изображена на рис. 4.

К недостаткам метода следует отнести использование дорогостоящих виброизолированных столов, прецизионной механики, препаратов крови, что исключает его массовое использование для контроля технического состояния приборов ЛДФ.

Другим подходом для контроля технического состояния приборов ЛДФ является применение устройства, основанного на вращении светорассеи-вающих дисков [7]. Каждый диск обладает четырьмя особыми круглыми зонами рассеяния, располагающимися под прямым углом (рис. 5). Количество дисков равно трем, причем зоны на каждом диске обладают различающимися параметрами рассеяния. Доплеровский сдвиг формируется приемом обратно рассеянной на этих зонах световой волны. Подход обладает рядом недостатков, а именно: сложность конструкции (толщина дисков 22 мкм); при быстром вращении может происходить биение дисков, т. е. отклонение их плоскости вращения; механический привод со временем может подвергнуться износу.

Следующим подходом для проведения контроля технического состояния приборов ЛДФ является применение тест-объекта (рис. 6), основанного на рассеянии света на колеблющейся светорассеиваю-щей поверхности [8]. Светорассеивающий отража-

Вращающиеся диски

Машинное масло

Оптоволоконная лицевая пластина

Усиленные пластины _

Вращающиеся диски

Неподвижная структура

Неподвижный слой

Диск 1 Диск 2 Диск 3

Рис. 5 \ Тест-объект на основе вращающихся дисков

тель приводится в движение электромеханическим преобразователем — пьезоактюатором — с частотой колебаний от 0 до 100 Гц. Отражатель представляет собой пластину, обладающую ламбертовским

in o i 1

Y

jl

Г7 /

J—/

\

A , ,

WW / /

V_± 1

3

Рис. 6

Тест-объект на основе пьезоактюатора:

1 — светопрозрачная плоскопараллельная пластина;

2 — подвижный диффузный отражатель; 3 — пакетный пьезоактюатор

1

рассеянием, выполненную из полимера с объемно-распределенными микрочастицами. Лазерное излучение проходит сквозь светопрозрачную пластину, отражается от светорассеивающего слоя и попадает в фотоприемник прибора ЛДФ. Для исключения засветки от поверхностей устройства может быть введен дополнительный светопоглощающий слой. Также в тест-объекте реализована возможность воспроизведения колебаний кровенаполнения (флаксмоций) в микроциркуляторном русле в диапазоне от 0,01 до 2 Гц. Варьируя режимы работы, можно имитировать разнообразные постоянные и переменные составляющие. Тест-объект позволяет произвести технический и метрологический контроль состояния прибора ЛДФ. Это действенный и высококачественный метод, однако его широкому использованию препятствуют высокая стоимость пьезоактюаторов и сложность в эксплуатации.

Предлагаемый принцип построения устройств для КТС приборов ЛДФ и его тестовые экспериментальные исследования

На основе анализа достоинств и недостатков существующих тест-объектов с учетом ранее высказанного предположения [9] предлагается новый подход к решению проблемы контроля технического состояния ЛДФ-каналов, заключающийся в разработке устройств, основанных на импульсном режиме работы светоизлучающих диодов (СИД). Для оценки возможностей предложенного принципа работы тест-объекта собран экспериментальный макет с СИД на разных длинах волн (рис. 7). Эмпирически подобраны расстояние от торца волокна до

СИД (3 мм) и оптимальный цвет свечения СИД — красный. Изменяя частоту импульсов СИД, можно воспроизводить перфузии на разных уровнях. Волокно ЛДФ-канала фиксируется и направляется на СИД под определенным углом. Выбирают различные несущие и модулирующие частоты импульсов, скважность зондирующего сигнала. Светодиоды запитываются от источника тока, управляемого напряжением. В ЛДФ-канале МЛНДК «ЛАКК-М» периодическое изменение мощности светового потока от СИД регистрируется как доплеровский сдвиг.

Вид типичной ЛДФ-граммы, полученной с помощью макета, представлен на рис. 8. Был проведен цикл исследований зависимости воспроизводимой перфузии от частоты доплеровского сдвига (в данном случае — от частоты импульсов СИД). Известно, что существует линейный участок данной зависимости, что подтвердилось экспериментально в диапазоне частот импульсов СИД от 0 до 1600 Гц для красного светодиода (рис. 9). Разра-

1т, пф. ед

20

15

10

50

100

150

200

г, с

Рис. 8

1т, 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

Типовая ЛДФ-грамма, полученная с помощью экспериментального макета

пф. ед

т-■-1-1-1-1-1-■-1-■-1-■-1-■-Г"

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

/, Гц

Рис. 7

Экспериментальный макет тест-объекта на основе СИД

Рис. 9

Зависимость воспроизводимой перфузии от частоты импульсов СИД

0

биотехносфера

| № 2(38)/2015

Теория и практика биомединженерии

батываемое устройство должно воспроизводить постоянную и переменную составляющие перфузии и проверять амплитудно-частотную характеристику фотоприемного канала с необходимой точностью. В дальнейшем предполагается разработать математическую модель воспроизведения перфузии посредством изменения частоты импульсов СИД и отработать конструкцию тест-объекта.

Заключение

Таким образом, предложенный новый подход, заключающийся в использовании СИД в концепции построения тест-объекта для контроля технического состояния приборов ЛДФ, является, на наш взгляд, перспективным, так как позволяет с наименьшими затратами и трудоемкостью проверять оптическую и электронную части ЛДФ-канала в рамках одной контрольной процедуры. Дальнейшее совершенствование метрологического обеспечения лазерной доплеровской флоуметрии поднимет данную диагностическую технологию на новый качественный уровень.

Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки РФ № 310 ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» и внутривузовского гранта Госуниверситет-УНПК (ВК 3-2013).

I Литература I

1. Крупаткин А. И., Сидоров В. В. Функциональная диагностика микроциркуляторно-тканевых систем: колебания, информация, нелинейность. М.: ЛИБРОКОМ, 2013. 496 с.

2. Метрологическое обеспечение биомедицинских приборов и технологий для функциональной диагностики / К. В. Подмастерьев, А. В. Дунаев, А. В. Козюра, Е. А. Жеребцов // Биотехносфера. 2012. № 5-6 (23-24). С. 101-105.

3. Improved calibration procedure for laser Doppler perfusion monitors / I. Fredriksson, M. Larsson, F. Salomonsson, T. Stromberg // Proc. SPIE 7906. 790602 (2011); doi: 10.1117/12.871938.

4. Larsson M., Steenbergen W., Stromberg T. Influence of Optical Properties and Fiber separation on Laser Doppler Flowmetry / / Journ. of Biomedical Optics. 2002. N 7. P. 236-243.

5. Liebert A., Leahy M., Maniewski R. A calibration standard for laser Doppler measurments // Review of Scientific Instruments 66. 5169. 1995; doi: 10.1063/1.1146145.

6. Obeid A. N. In vitro comparison of different signal processing algorithms used on laser Doppler flowmetry // Medical and Biology Engineering and Computing. 1993. N 31. P. 42-52.

7. Steenberg W., De Mul F. New optical tissue phantom and its use for studying laser Doppler blood flowmetry // SPIE. 1998. Vol. 3196. P. 12-23.

8. Метод и устройство метрологического контроля приборов лазерной доплеровской флоуметрии / Е. А. Жеребцов, А. И. Жеребцова, А. В. Дунаев, К. В. Подмастерьев // Мед. техника. 2014. № 4. С. 18-21.

9. Optoelectronic standardization of laser Doppler perfusion monitors / A. Liebert, P. Lukasiewicz, D. Boggett, R. Maniewski / / Review of Scientific Instruments. 1999. N 2. P. 1352-1354.

ТЕРАГЕРЦОВЫЕ i СИСТЕМЫ

ТЕХНОЛОГИИ //

Центр микротехнологии и диагностики Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) выпустит в свет в третьем квартале 2015 года:

Г. З. Гареев В. В. Лучинин

ТЕРАГЕРЦОВЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ Обзор современного состояния

Представлены основные достижения на конец первого квартала 2015 года в области разработки терагерцовых излучателей, приемников, компонентов радиотрактов, а также систем радиовидения и спектроскопии. Рассмотрены основные области применения терагерцовых систем в научных исследованиях и разработках в сфере нанотехнологий, в биологии и медицине, а также в телекоммуникационных системах и аппаратуре для обеспечения безопасности.

Издание содержит большой объем иллюстративного материала и ссылок на электронные литературные источники для обеспечения более высокого уровня профессиональных компетенций в области разработки, создания и практического применения терагерцовых систем и технологий.

Книга может быть полезна научным сотрудникам и инженерам, специализирующимся в области разработки, изготовления и применения терагерцовых систем и технологий на основе современных достижений радиотехники, электроники и фотоники, а также преподавателям, аспирантам и студентам, участвующим в образовательном процессе по направлениям: «Электроника и наноэлектроника», «Радиотехника», «Приборостроение», «Нанотехнологии и микросистемная техника», «Фотоника и оптоинформатика».

Л

THz

ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ

Приобрести книгу возможно в Центре микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина).

Тел.: (812) 234-16-82

J