способ определения оптических характеристик и уровня оксигенации тканей серого вещества головного мозга и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения оптических характеристик и уровня оксигенации ткани серого вещества головного мозга, основанный на лазерном зондировании гистоструктуры головы и регистрации рассеянного тканями пикосекундного лазерного излучения, отличающийся тем, что на нескольких длинах волн раздельно регистрируют излучение, обратнорассеянное тканью серого вещества головного мозга, и прошедшее через него лазерное излучение, обратнорассеянное тканью белого вещества, и из их отношения определяют показатель поглощения ткани серого вещества на нескольких длинах волн и уровень ее оксигенации.

2. Устройство для определения оптических характеристик тканей серого вещества головного мозга, содержащее оптически связанные пикосекундный лазер, световод-источник зондирующего излучения, световод-приемник рассеянного излучения и детектор в виде фотоэлектронного умножителя на основе микроканальной пластинки, электрически связанной с генератором затворного импульса, и устройство обработки информации, включающее строб-интегратор с окном стробирования 100 пс, отличающееся тем, что устройство обработки информации дополнено строб-интегратором с окном стробирования 1000 пс, при этом строб-интегратор с окном стробирования 1000 пс подключен с задержкой строба на 100 пс относительно строб-интегратора с окном стробирования 100 пс.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области биомедицинской оптики и может быть использовано при разработке оптических методов диагностики биообъектов сложной структуры, оптической томографии.

Известен способ определения оптических характеристик и уровня оксигенации тканей головного мозга, основанный на лазерном зондировании на нескольких длинах волн гистоструктуры головы и регистрации рассеянного тканями пикосекундного лазерного излучения [1], состоящий в вводе лазерного излучения нескольких длин волн в гистоструктуру головы в одной точке и регистрации выходящего рассеянного лазерного излучения в нескольких точках, расположенных на большом удалении (40-50 мм) от точки ввода излучения.

Недостатком данного способа является неопределенность в определении области набора разности оптических путей в неоднородном биообъекте.

Наиболее близким по сущности к заявляемому изобретению является способ определения оптических характеристик и уровня оксигенации ткани серого вещества головного мозга, основанный на лазерном зондировании на нескольких длинах волн гистоструктуры головы и регистрации рассеянного тканями пикосекундного лазерного излучения [2], состоящий в вводе короткого (пико, фемтосекундного) импульса лазерного излучения нескольких длин волн в гистоструктуру головы в одной точке и регистрации выходящего рассеянного лазерного излучения в точке, расположенной на удалении 40-50 мм от точки ввода излучения.

Недостатком данного способа является невысокая точность определения средней длины пробега в ткани серого вещества, регистрируемого приемником излучения и, как следствие, низкая точность определения оптических характеристик ткани и уровня ее оксигенации.

Задачей заявляемого способа является повышение точности определения оптических характеристик и уровня оксигенации ткани серого вещества головного мозга.

Для решения поставленной задачи предложен способ определения оптических характеристик и уровня оксигенации ткани серого вещества головного мозга, основанный на лазерном зондировании на нескольких длинах волн гистоструктуры головы и регистрации обратнорассеянного тканями пикосекундного лазерного излучения,

Новым, по мнению авторов, является то, что на нескольких длинах волн раздельно регистрируют излучение, обратнорассеянное тканью серого вещества головного мозга, и прошедшее через него лазерное излучение, обратнорассеянное тканью белого вещества, и из их отношения определяют показатель поглощения ткани серого вещества на нескольких длинах волн и уровень ее оксигенации.

Сущность изобретения поясняется схемой, представленной на чертеже. Импульс лазера 1 с помощью волоконнооптического световода 2 падает на поверхность черепной коробки 3. Импульс излучения распространяется, рассеиваясь и поглощаясь в теле черепной коробки, тканях головного мозга 4, 8. В церебральной жидкости 5 рассеяние и поглощение незначительны. Излучение, рассеянное в направлении, близком к обратному, улавливается с помощью волоконнооптического световода 6 и подается на фотоприемник 7.

Уровень сигнала обратного рассеяния от покровных тканей и костей черепа в ~10³ раз выше уровня сигнала рассеяния от тканей головного мозга и они разделены во времени из-за конечной скорости распространения прямого и рассеянного лазерного излучения в сильнорассеивающих тканях. С помощью задержки срабатывания электронного затвора фотоприемника 7 обеспечивается регистрация только излучения обратнорассеянного тканями головного мозга. С помощью устройства выборки и хранения информации разделяют сигнал обратного рассеяния тканью области серого вещества заданной толщины и сигнал прошедшего через него лазерного излучения, рассеянного тканью белого вещества, и из их отношения вычисляют показатель поглощения ткани серого вещества и уровень ее оксигенации.

Четкая фиксация длины пути фотонов в сером веществе и раздельная регистрация лазерного излучения, обратнорассеянного серым и белым веществом головного мозга, позволяют значительно увеличить точность определения оптических характеристик и уровня оксигенации ткани серого вещества головного мозга. Так как при расчетах используется отношение двух сигналов, то полностью исключается влияние оптических характеристик кости черепа и покровных тканей на результаты измерений.

Известно устройство для определения оптических характеристик тканей головного мозга [3], содержащее оптически связанные пикосекундный лазер, световод-источник зондирующего излучения, световод-приемник рассеянного излучения, детекторы в виде фотоэлектронного умножителя на основе микроканальной пластинки (МКПФЭУ) и устройство обработки информации. Недостатком данного устройства является невозможность точного разделения сигналов рассеяния от различных тканей головного мозга и, как следствие, невысокая точность измерения оптических характеристик тканей головного мозга.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для определения оптических характеристик тканей головного мозга [4], содержащее оптически связанные пикосекундный лазер, световод-источник зондирующего излучения, световод-приемник рассеянного излучения, детектор в виде фотоэлектронного умножителя на основе микроканальной пластинки (МКПФЭУ), генератор затворного импульса, электрически связанный с микроканальной пластинкой, и устройство обработки информации. Недостатком данного устройства является невозможность точного разделения сигналов рассеяния от различных тканей головного мозга и, как следствие, невысокая точность измерения оптических характеристик тканей головного мозга.

Задачей данного устройства является повышение точности измерения оптических характеристик тканей головного мозга.

Для решения поставленной задачи предложено устройство для определения оптических характеристик тканей серого вещества головного мозга, содержащее оптически связанные пикосекундный лазер, световод-источник зондирующего излучения, световод-приемник рассеянного излучения, детектор в виде фотоэлектронного умножителя на основе микроканальной пластинки, генератор затворного импульса, электрически связанный с микроканальной пластинкой, и устройство обработки информации.

Новым, по мнению автора, является то, что что устройство обработки информации выполнено в виде двух сканирующих строб-интеграторов с возможностью установки в них различной длительности строба - 100 пс и 1000 пс.

Предлагаемое устройство изображено на чертеже.

Устройство содержит оптически связанные пикосекундный лазер 1, световод-источник зондирующего излучения 2, световод-приемник рассеянного излучения 6, детектор в виде МКПФЭУ 7, а также генератор затворного импульса 11, электрически связанный с МКПФЭУ, сканирующие строб-интеграторы 9, 10 и систему управления и отображения информации 12.

Устройство работает следующим образом.

Импульс лазера 1 с помощью волоконнооптического световода 2 направляется на поверхность черепной коробки 3. Импульс излучения распространяется, рассеиваясь и поглощаясь в покровной ткани и кости черепа 3, тканях головного мозга - белом веществе 4 и сером веществе 8. Излучение, рассеянное в направлении, близком к обратному, улавливается с помощью волоконнооптического световода 6 и подается на фотоприемник 7. Сигнал от тканей головного мозга регистрируют МКПФЭУ 7, включение которого задержано на время регистрации сигнала рассеяния от тканей черепа. Цереброспиральная жидкость 5 имеет на порядок более низкие значения показателей поглощения и рассеяния и не оказывает существенного влияния на прохождение прямого и обратнорассеянного лазерного излучения.

Включение МКПФЭУ осуществляется подачей затворного импульса длительностью >1 нс с длительностью фронта не хуже 50 пс от генератора 11. Сигнал МКПФЭУ регистрируют сканирующие строб-интеграторы 9 и 10 с окном стробирования - 100 пс и 1000 пс соответственно. Строб-интегратор 10 задержан на 100 пс относительно строб-интегратора 9. Во времени строб-интегратор 9 расположен таким образом относительно лазерного импульса, что в пределах его длительности регистрируется излучение, обратнорассеянное только тканью серого вещества, толщина которого составляет ~10 мм, а в строб-интеграторе 10 регистрируется лазерное излучение, обратнорассеянное тканью белого вещества, представляющего собой полубесконечную среду, и прошедшее через слой серого вещества. В результате измерений определяются коэффициенты отражения и пропускания слоя серого вещества при известной толщине зондированного слоя, что позволяет определить показатель поглощения серого вещества и уровень его оксигенации.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет разделить сигналы рассеяния от различных тканей головного мозга и значительно (2-4 раз) увеличить точность определения их оптических характеристик.

Литература

1. Suzuki A., Susumu S. Method and Means for Measurement of Biochemical Components. //US Patent № 5632273 от 27.05.1997.

2. B.Chance. Comparison of Time - Resolved and - Unresolved Measurements of Deoxyhemoglobin in Brain. // Proc. Nafl. Acad. Sci., v.85, pp. 4971-4975. 1988.

3. A.Liebert, H. Wabnitz, J. Steinbrink et al. // Applied Optics.V.43. P.3037-3047. 2003.

4. Чивель Ю.А., Джагаров Б.М., Титовец Э.П., Чирвоный B.C. // Патент № 2491 от 17.10.2005.