CC BY
18
3. ASTM E747 - 2004. Standard practice for design, manufacture and material grouping classification of wire image quality indicators (IQI) used for radiology [Text] // Book of Standards. - ASTM Int., 2004. - 1440 p.
4. Heimann CargoVision. X-ray inspection systems [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http//www.heimanncargovision.com.
УДК 535.41, 535.39.01
Г.А. Кафидова, Д. В. Мокрова
ВОЗМОЖНОСТИ НЕКОНТАКТНОЙ РЕГИСТРАЦИИ ПУЛЬСОВОЙ ВОЛНЫ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СПЕКЛ-ДАТЧИКОМ
Важнейшей системой, обеспечивающей жизнедеятельность организма, является сердечнососудистая система (ССС). Ее болезни широко распространены, но в силу огромной компенсаторной способности сердца далеко не все проявляются выраженными симптомами и поэтому не диагностируются традиционными методами. В связи с этим актуально создание приборов и систем оперативного контроля состояния ССС человека и животных. При этом следует отдавать предпочтение приборам, основанным на неинвазивных и бесконтактных методах измерения.
Оценить деятельность ССС можно путем регистрации механических, акустических и биоэлектрических проявлений сердечной деятельности. Среди инструментальных методов, позволяющих это осуществить, широко применяются электрокардиография (ЭКГ) и методы, основанные на регистрации пульсовой волны.
Одним из многообещающих методов регистрации пульсовой волны признается метод неконтактной когерентно-оптической регистрации, основанный на принципах оптики спеклов. Перспективность внедрения аппаратуры на его основе в практическую медицину объясняется его неинвазивностью, то есть он позволяет определять диагностические показатели без нарушения целостности кожных покровов и слизистых оболочек организма, что, в частности, снижает требования к стерильности окружающей среды (неприспособленные помещения и полевые условия для человека, фермы, пастбища для животных).
Получение информационных сигналов неконтактным методом основано на следующих явлениях. Рассеяние когерентного излучения на шеро-
ховатых поверхностях, в том числе на биотканях, приводит к формированию в отраженном световом потоке спекл-поля [1]. Спеклы - это световые пятна, хаотически расположенные в плоскости наблюдения. Если рассеивающий объект находится в движении, то спекл-структура также меняется во времени и пространстве. Взаимосвязь динамики объекта, рассеивающего лазерное излучение, и статистических свойств формирующегося при этом спекл-поля позволяет детектировать необходимый сигнал.
Цель данного исследования - разработка лабораторной модели неконтактного дифференциального лазерного оптоэлектронного спекл-дат-чика формы пульсовой волны, а также пульсовых последовательностей.
Возможной практической реализацией преобразователя пульсовых волн неконтактного типа в сигнал является датчик, регистрировующий изменения интенсивности спекл-поля, которое формируется за счет оптического рассеяния лазерного излучения кожей человека в области источника пульса. Вариант построения такого датчика был рассмотрен в статье [2]. Работоспособность предложенной модели была подтверждена измерениями артериальных пульсовых волн у волонтеров.
Как показали проведенные измерения, в области малых значений амплитуд вибраций регистрация пульсовой волны таким датчиком оказалась затруднительной, кроме того, схема проявила высокую чувствительность к внешним вибрациям и засветкам. Преодолеть эти недостатки можно путем использования оптической дифференциальной методики регистрации пульсовой волны. Датчики, работа которых основана на такой методике,
позволяют регистрировать вибрации с амплитудой, соизмеримой с длиной волны когерентного излучения. Кроме того, работа таких преобразователей мало подвержена влиянию внешних механических вибраций, изменениям температуры и паразитным засветкам.
Основной принцип его работы - это расщепление пучка света на несколько когерентных лучей, которые в результате взаимодействия с исследуемым объектом (кожа человека) проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе и интерферируют. За счет того, что поверхность объекта исследования находится в движении и деформируется (вибрирует), изменяется разность хода между световыми пучками, в результате в спекле происходит смещение интерференционных полос. Если регистрировать изменение интенсивности в некоторой точке спекла, вызванное движением полос, то можно зафиксировать поверхностные вибрации объекта. В работе [3] подробно исследован механизм формирования выходного сигнала спекл-интерферометра для анализа биовибраций. Показано, что такой нормализованный сигнал определяется выражением вида
и, = 4 мп [а, + 2кА„ (А,)Я(^)],
(1)
дикулярно к плоскости страницы (к ней), центр линзы лежит на оси х1. Если элемент поверхности предмета смещается на вектор d = (/Лх, й2, ^3), то возникающая разность фаз двух волн находится как
Аф = (47и/28т0)/Л,.
(2)
Разность фаз между /д и остается постоянной в любой плоскости, параллельной плоскости х1х3, поэтому лежащие в такой плоскости компоненты и вектора смещения не влияют на возникающую разность фаз. Следовательно, рассматриваемый тип интерферометра позволяет выделять компоненты смещения предмета в его собственной плоскости даже тогда, когда они сопровождаются смещениями по нормали к поверхности предмета [4].
где 4 и ОС,- - некоторые случайные величины, определяемые случайной реализацией малого участка рассеивающей поверхности с номером /, Н(?) -нормализованный сигнал вибраций с единичной дисперсией, - амплитуда разностного сиг-
нала колебаний поверхности в двух точках освещения (измеряется в длинах волн лазерного излучения X).
В данной работе было рассмотрено несколько вариантов построения оптической дифференциальной схемы, отличающихся способом разделения светового пучка и геометрией взаимодействия с исследуемой поверхностью. Это было необходимо для выявления оптимального способа регистрации пульсовой волны и создания наилучшей практической модели датчика.
На рис. 1, а представлена схема устройства, формирующего интерференционную картину полос, чувствительную к смещениям предмета в его собственной плоскости. Предмет расположен в плоскости х2х3 и освещается двумя плоскими волнами /р и /д, которые распространяются под углами 0 и - 0 относительно нормали к поверхности предмета (ось х1). Ось х3 направлена перпен-
Рис. 1. Оптическая схема дифференциального спекл-виброметра, чувствительного к смещениям в плоскости х2х3 (а) и в направлении оси х, (б).
23 т/ Ч//
I - интенсивность регистрируемого сигнала, ./(), - интенсивности плоских волн, падающих под углами 0 и - 0 (а) либо 01 и 02 (б); Ь - линза, Т - предмет
Из уравнения (2) можно найти интервалы между интерференционными полосами Дх2 и Дх3, отсчитанные соответственно в направлениях осей
Х2 и Х3:
Дх2(3) = 2л / (ЭДф / Э*2(3)) = = А,/[^22(^23)28т0].
(3)
При аналогичной геометрии освещения с заменой направления оси х2 на х3 возникает интерференционная картина, для которой
Дф = (4лй?з вт 0) / X, (4)
Дх2(3) =^/[2^(^3)28^0]. (5)
Нами была создана оптико-механическая модель данной схемы и проведено исследование ее возможностей на эксперименте. В качестве рассеивающего свет объекта была выбрана мембрана из шероховатой бумаги, вибрирующая под действием звукового поля. Последнее создавалось динамиком, расположенным на расстоянии 15 см от мембраны, на которую подавался сигнал от звукового генератора. Изменения интенсивности света в некоторой точке спекла, вызванные движением интерференционных полос, передавались на фотоприемник (фотоэлектронный умножитель -ФЭУ) с помощью сопряженного с ним одномодо-вого оптического волокна. Полученные с ФЭУ сигналы регистрировались на осциллографе (рис. 2). Осциллограммы соответствовали форме поверхностных вибраций мембраны.
На рис. 1, б приведена оптическая схема устройства, с помощью которого можно получить картину спекл-корреляционных интерференционных полос, чувствительных к нормальным смещениям (вдоль оси х1). В этом случае разность фаз определяется соотношением
Дф = 2я(соз01 - СО802)Й?1 / А,,
(6)
где 01 и 02 - углы между направлениями двух световых пучков /д и 1о соответственно и нормалью к поверхности предмета.
Наблюдение ведется в направлении нормали. Если 01 и 02 близки по величине, то разность (сое©! — соз02) мала и можно наблюдать линии, соответствующие нормальным смещениям предмета.
Для данной схемы был проведен аналогичный модельный эксперимент (см. рис. 2, а), результат которого представлен на рис. 2, б.
Для натурных измерений пульсовой волны была выбрана схема, чувствительная к смещениям объекта в его собственной плоскости (х2х3), так как она позволяла наиболее адекватно регистрировать контрольный гармонический сигнал. Следует отметить, что из-за многослойной и многокомпонентной структуры кожи взаимодействие света с ней оказывается весьма сложным. Большая часть отраженного кожей света образуется за счет обратного рассеяния различными слоями ткани (роговой слой, эпидермис, дерма и микрососудистая система) [5]. Натурные испытания спекл-вибро-метра, чувствительного к смещениям в плоскости предмета, подтвердили тот факт, что рассеяние зондирующего света на подкожных биологических тканях искажает информативное спекл-поле. С целью уменьшения этого влияния произведена замена прежнего источника света с рабочей
Рис. 2. Результат модельных экспериментов на дифференциальном спекл-виброметре. Осциллограммы сигналов с ФЭУ (а, б), полученных с помощью схем, приведенных на рис. 1, а, б соответственно
длиной волны 650 нм на источник с более короткой длиной волны - 532 нм, так как излучение последнего такого типа обладает меньшей проникающей способностью. Вид зарегистрированной пульсовой волны при иных условиях представлен на рис. 3. Регистрация информационного сигнала осуществлялась на расстоянии 70 мм от исследуемого участка кожи.
Следует отметить, что форма зарегистрированного сигнала совпадает с формой пульсовой волны, регистрируемой традиционными методами [6]. В частности, на рис. 3, б виден крутой подъем основной волны, обусловленный открытием аортального клапана и переходом крови из левого желудочка в аорту, далее происходит захлопывание аортального клапана, что сопровождается повышением давления в аорте, формирующим дикро-тическую волну.
Таким образом, в работе предложена высокочувствительная схема неконтактного оптоэлектрон-ного спекл-датчика для регистрации пульсовых волн, а в более широком смысле - микровибраций биологических объектов (например мышечного тремора). Разработана и исследована лабораторная модель такого датчика, подтвердившая измерительные возможности предложенной схемы и перспективность подхода к решению задачи в целом.
Работа поддержана грантами правительства Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов за 2008, 2009 годы и программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМ.Н.И.К.») за 2008, 2009 годы.
а)
U, мВ
fl
Г
RDI SP0U rPut ..... L . . .
1 2 3 4 5 6 7
б)
U, мВ
9 10 11 12 t, 10-1 с
RDI SPOU rPut i
1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12
t, 10-2 с
Рис. 3. Результат натурного эксперимента - осциллограммы зарегистрированной пульсовой волны в разных масштабах по оси времени: а - в десятых долях секунды, б - фрагмент развертки а (выделен прямоугольником) в сотых долях секунды
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Франсон, М. Оптика спеклов [Текст] / М. Франсон; пер с англ. под ред. Ю.И. Островского. -М.: Наука, 1980.-171 с.
2. Мокрова, Д.В. C пекл-датчик вибраций диф-фузно отражающих объектов [Текст] / Д.В. Мок-рова // Научно-техн. ведомости СПбГПУ. Сер. Физ.-мат. науки.-2008. - № б (б2). - С. 127-131. Библиогр.: С.131.
3. Tuchin, V.V. Speckle-interferometry in the measurements of biotissue vibrations [Тех1] / V.V. Tuchin, V.P. Ryabukho, S.S. Ulyanov// SPIE. -1992. - Vol. 1б47. - P. 125-13б.
4. Джоунс, Р. Голографическая и спекл-интерферометрия [Текст]; пер. с англ. / Р. Джоунс, К. Уайкс. - М.: Мир, 1986. - 327 с.
5. Тучин, В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях [Текст] / В.В. Тучин. - Саратов: Изд-во Саратов. гос. ун-та, 1998. - 383 с.
6. Десова, А.А. Исследование структуры пульсового сигнала лучевой артерии на базе информации о его спектральном составе [Текст] / А. А. Десова, А. А. Дорофеюк, В.В. Гучук // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2007. - № 11. - С. 15-20.
