13. Электрореография. Структура компьютерного реографа.

[Про электрореографию можно почитать в вопросе 12]

Рассмотрим структуру компьютерного реографа.

Информация с биообъекта снимается системой электродов (СЭ) и поступает на вход многоканального усилителя напряжений (МУН). В многоканальном усилителе напряжений, кроме усиления, реализуется аналоговая фильтрация фильтрами верхних и нижних частот первого порядка. Сигналы, усиленные до уровня, необходимого для работы аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), с помощью коммутатора (К) сворачиваются в цифровой код последовательно для каждого из каналов.

Измерительный (зондирующий) ток частотой 50 или 100 кГц формируется источником тока (ИТ) и через выходной коммутатор (ВК) подаётся на каждую пару реоэлектродов для биполярного метода или на дополнительную пару электродов для тетраполярного. Частота зондирующего тока выбирается программно. Для исключения взаимовлияния каналов зондирующий ток в них подаётся с разделением во времени. Временное разделение реализуется выходным коммутатором.

Синхронизацию работы коммутатора, АЦП, генерацию зондирующих импульсов и обмен данными с компьютером осуществляет микроконтроллер (МК).

В компьютер данные передаются по стандартному пользовательскому интерфейсу через гальваническую развязку (ГР) и преобразователь уровней (ПУ), обеспечивающий согласование уровней сигналов МК и последовательного интерфейса (±12В). Гальваническая развязка выполняет роль усиленной изоляции и выдерживает напряжение не менее 4 кВ.

[Для дополнительного прочтения]

Питание ПБС осуществляется от гальванических элементов (внутреннего источника питания). Необходимые для работы устройства напряжения вырабатывает источник питания (ИП), который включается по команде программы, а затем поддерживается во включённом состоянии посылкой специальных команд.

Программное обеспечение комплекса формирует массивы значений поступающих сигналов, выполняет их первичную цифровую фильтрацию, отображает в реальном времени на экране ПК кривые реограммы (режим запоминающего осциллографа), сохраняет введённые данные на жёстком диске компьютера и осуществляет их последующую обработку.

14. Физические и методические основы фотометрических исследований и их обобщённая схема.

Оптические свойства биообъектов исследуются методами фотометрии, которые относятся к разделу физической оптики, изучающей энергетические характеристики оптического излучения в процессе его испускания, распространения и взаимодействия с веществом. Отличительная особенность оптических методов диагностики: позволяют производить неинвазивное (in vivo) исследование участков биотканей.

При всем многообразии существующих методов фотометрических исследований (прямая фотометрия, нефелометрия, турбидиметрия, люминесцентная флюориметрия и т. п.), все они базируются на физических процессах, протекающих при взаимодействии света с оптически прозрачной средой.

Если подать некоторый поток излучения на слой вещества, то будут наблюдаться процессы преломления, поглощения, отражения и рассеяния.

В результате исходный поток Ф₀ окажется разделен на пять потоков: Ф₀ – исходный поток, Ф₁ – прошедший поток, Ф₂ – рассеянный поток,

Ф₃ – зеркально отраженный поток, Ф₄ – рассеянно отраженный поток (рис.1).

Рисунок 1 – Прохождения потока излучения через вещество

Протекание данных процессов может быть охарактеризовано рядом коэффициентов:

1) Поглощения , где Ф_п – величина потока, поглощенного веществом;

2) Направленного пропускания ;

3) Рассеянного пропускания ;

4) Зеркального отражения ;

5) Рассеянного отражения

Принципиально важным является то, что значения данных коэффициентов будут зависеть исключительно от свойств самого вещества. Таким образом, зная их значения, можно получить информацию о состоянии вещества.

На практике в зависимости от условий измерения соотношение между составляющими исходного потока может быть различным. В том случае, если Ф₂ + Ф₃ + Ф₄ ≈ 0, т. е., когда процесс ослабления потока связан исключительно с его поглощением в веществе, в качестве метода исследования можно применить прямую фотометрию (фотоабсорбциометрию), базирующуюся на законе Ламберта–Бера–Бугера:

(1)

где Ф(λ) – поток некоторой длинны волны λ, прошедший через среду;

Ф₀(λ) – исходный поток на той же длине волны;

С – концентрация светопоглощающих частиц вещества;

ε(λ) – удельный (молярный) показатель поглощения, т. е. величина, характеризующая способность вещества поглощать свет на длине волны λ;

l – длина оптического пути потока внутри среды.

Фотоабсорбциометрия – регистрация интегрального поглощения по всему спектру излучения

[Для справки оптический путь – расстояние, которое прошел луч в среде, а на ширина пластинки например.

Оптический путь = s, а не d]

Поскольку Ф₀(λ), ε(λ) и l являются известными величинами, а величина Ф(λ) может быть легко определена экспериментально, то данная зависимость позволяет установить неизвестную концентрацию некоторого вещества, анализируя его светопоглощение.

Для практических измерений использовать зависимость (1) не вполне удобно, поэтому обычно оптические свойства среды оцениваются с помощью двух других величин – коэффициента пропускания τ(λ) и оптической плотности D(λ):

(2)

(3)

Выражение (3) наиболее часто используется при фотометрических измерениях. При этом обычно строится калибровочная зависимость с помощью эталонных растворов известной концентрации, по которой в дальнейшем аналитически или графически определяется концентрация исследуемых проб.

Ряд условий выполнения закона Ламберта–Бера–Бугера:

1. Свет должен быть монохроматическим. Это вытекает из зависимости молярного коэффициента поглощения от длины волны, при этом на разных длинах волн его значение может существенно различаться (рис. 2).

Рисунок 2 – Спектр поглощения чистого водного раствора родамина

2. Исследуемая среда должна быть оптически однородной. В противном случае – анизотропной с точки зрения значений ее ε(λ), кроме того, в ней будут наблюдаться процессы отражения и рассеяния на границах разделов фаз.

На практике соблюсти это требование оказывается в большинстве случаев невозможно. Например, для анализа любой биосубстрат должен быть помещен в прозрачную кювету. В этом случае, чтобы снизить погрешность измерения, предварительно производят замер величины светопоглощения пустой кюветы, а затем при анализе биосубстратов данное значение вычитают из полученного результата.

3. Исходный поток должен быть плоскопараллельным. В противном случае различные его лучи будут падать на вещество под разными углами, и, следовательно, длина их фактического оптического пути будет различной.

4. Закон Бера справедлив для разбавленных растворов.

При высоких концентрациях среднее расстояние между частицами поглощающего вещества уменьшается до такой степени, что каждая частица влияет на распределение заряда соседних частиц, что в свою очередь может изменить способность частиц поглощать излучение данной длины волны.

5. Во время измерений должна сохраняться постоянная температура.

6. В исследуемом растворе не должно протекать химических реакций.

При биомедицинских исследованиях достаточно часто возникает потребность исследования различных биожидкостей, которые могут содержать разные клеточные включения, высокомолекулярные белки и другие макромолекулы. Закон Ламберта–Бера–Бугера в этом случае нарушается, поэтому для исследования подобных сред используются методы, основанные на эффекте светорассеивания, описываемом уравнением Релея:

где n₁ и n₂ – коэффициенты преломления частиц и среды;

С – концентрация рассеивающих частиц;

V – объем частицы;

r – расстояние до наблюдателя;

β – угол между падающим и рассеянным потоками.

Количественный анализ, основанный на регистрации параметров рассеяния, осуществляется методами нефелометрии и турбодиметрии.

В первом случае производится измерение интенсивности рассеянного средой потока (величины n1, n2, r и β остаются постоянными). Во втором случае, интенсивность прошедшего потока может быть определена с помощью выражения, учитывающего как поглощение, так и рассеяние.

Еще одним распространенным методом является люминесцентная фо- тометрия, базирующаяся на явлении фотолюминесценции.

Фотолюминесценция – это способность некоторых химических веществ к самостоятельному свечению (испусканию электромагнитного излучения оптического диапазона) после поглощения ими энергии коротковолнового диапазона (ближней ультрафиолетовой или сине-фиолетовой областей).

В практике медико-биологических исследований нашли применение два явления, сопровождающихся люминесценцией:

1) Хемилюминесценция – свечение вещества под влиянием энергии химических процессов

2) Фотолюминесценция – свечение под действием поглощенной энергии коротковолнового диапазона спектра (ближней ультрафиолетовой или сине-фиолетовой областей)

Обобщенная схема фотометрических исследований

Жирными стрелками обозначен путь оптического потока

Исходный поток формируется с помощью источника излучения (ИИ), который задает его интенсивность.

Спектральные характеристики потока задаются с помощью первой оптической системы (ОС1), также с ее помощью добиваются того, чтобы поток стал плоскопараллельным. Для получения корректных результатов измерений поток должен быть монохроматичным. В теории для этого в качестве источника излучения можно использовать лазер с требуемой длинной волны. На практике, однако, оказывается более удобным сформировать исходный поток более-менее широкополосным и выделить требуемую длину волны с помощью оптической системы. Для этого используют либо специальные монохроматоры, либо светофильтры. Первые обладают сложной конструкцией, но позволяют выделить очень узкий спектральный диапазон. Вторые обладают значительно более простой конструкцией, но отличаются более широкой полосой пропускания.

Сформированный поток проходит через биологический объект (БО) и попадает на вторую оптическую систему (ОС2). При этом необходимо учитывать, что поток попадает на объект измерения, предварительно минуя некоторую внешнюю среду (ВС) (воздушную прослойку, стенки измерительной кюветы, биологические ткани и т. п.), взаимодействие с которыми также приведет к его ослаблению. Кроме того, в ней также могут содержаться внешние неконтролируемые источники излучения. Все это делает необходимым проведение фотометрических измерений контроля состояния внешней среды и учета ее параметров.

Прошедший сквозь БО световой поток содержит информацию о его состоянии. ОС2 позволяет направить потоки излучения на чувствительные элементы фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), а также скорректировать отличия в спектральных характеристиках чувствительности разных ФЭП от расчетных. На практике во многих приборах данный блок может отсутствовать.

На ФЭП осуществляется преобразование оптического потока в электрический сигнал. В диагностической медицинской технике чаще всего в роли ФЭП выступает фотодиод.

Полученный сигнал поступает на блок усиления и фильтрации (БУФ), выполняющий соответствующие операции. В случае недостаточного уровня результирующего сигнала возможна коррекция характеристик источника излучения с помощью блока управления (БУ).

Итоговый сигнал поступает на устройство первичной обработки (УПО), где производится расчет фотометрических параметров и медицинских показателей, которые в дальнейшем отображаются с помощью блока отображения информации (БОИ). Также в случае необходимости она может передаваться на внешнее устройство (ВнУ).

[На лекции про это заикался] В классическом варианте проведения фотометрических исследований на выходе фотоэлектрического преобразователя формируется сигнал:

U = kSτΦ₀,

где Φ₀ – поток, формируемый источником излучения;

S – чувствительность ФЭП;

τ – коэффициент пропускания исследуемой среды (биообъекта);

k – коэффициент преобразования, учитывающий также потери лучистой энергии в оптическом тракте.