автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Биотехническая система фотометрической диагностики состояния кожных покровов

р Г Б ОД

денина. ордена октябрьской революции и ордена

ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТВШЧВСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

иивяя Н.Э.Б»улан»

На правах рукопкск

ПШБИНСКАЯ Ирина Николаевна

БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ФОТОМЕТРИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ КОХНШС ПОКРОВОВ

Специальность 05.11.17 - Медицинские приборы и

измерительные системы

АВХОРЕЗБР. АТ диссертации на соискание ученой, степени кандидата технических наук

Москва - 1994 г.

Работа выполнена в Московской Государственно* Технической Университете тем В,3.Баумана

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

доктор технических наук, профессор Жаров В.П., доктор медицинских наук, профессор Полонский А.К.

ОФИЦШЫШВ ОППОНЕНТЫ:

доктор технические наук, профессор Рокдествин В.Н., . доктор иедииннс&нх наук, профессор Илларионов В.1.

ВШШ ОРГАНИЗАЦИЯ:

НИИ лазерной недлинны КЗ Р4 С г .Москва ).

Запита диссертации состоится 1994 г.

часов на заседания Специализированного совета Д 053.15.13 при МГТУ имени В.Э.Баумана по адресу 107005 г. Москва, 2 -я Бауманская уд. д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ имени Н.З.Баумана.

Автореферат рааослаи 1994 г. Ученнй секретарь специализированного совета _

Типография ИГТУ ии.Н.З.*"аушша. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Зак * 306 .Разреиен к печати "/2 "е?¿Г, 1994г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На сегодняшний день одним из неревеншгх вопросов современной лазерной терапии является отсутствие единой объективной методики и приборов для оценки оптических параметров биотканей и количества поглощаемой тканями энергии, а такая недостаточность разработок технологических режимов лазерного облучения биотканей, установление временных зависимостей проведения лазерного облучения, недостаточная эффективность применяемых у.ч-тодов. Еольпинство опубликованных работ имеет, в основном, оценочный характер, поэтому необходимо традиционные биологические метода дополнять физическим и математическим обоснованием с целья правильной интерпретации полученных результатов.

Несмотря на положительные результаты более, чем двенадцатилетнего опыта применения низкоэнергетических лазеров в клинической практике, недостаточность изученности механизма воздействия лазерного излучения на биообъект приводит х необходимости развития отвечавших медицинским требованиям экспресс-методов диагностики и систем контроля за поглощенной в биотканях энергии, а также дальнейшего совершенствования технической базы этого направления.

В соответствии с вышеизложенным изучение биотехнических систем фотометрической диагностики состояния кожных покровов является весьма актуальным.

Цель работы. Разработка методик и аппаратуры для исследования оптических свойств биотканей, их контроля и диагностики патологического состояния с иелыз практического применения в клинической практике.

Основные задачи:!. Анализ механизмов взаимодействия лазерного излучения с биотканьс.

с. Анализ структурной схемы биотехнической системы с'отсегр^'. го контроля.

3. Разработка пакетов ¿отсметрической установки с ¡заданными характеристиками для ксследорания оптических са-эЯств биоткани..

-ксперкменталыш? исследования оятлт^аих с^-оР^тп различных бив— ;'оп!ч»'>.чнх структур.

Ь, Кл:1>И'ЧСОЧДЯ Р.ПрОСИнМ метод? И лнгл.рчт>ри ¡¡ОТЛИ«™ ¿ИЪГ-

«остики состояния кожных покровов.

Научная новизна. Определены границы применимости различных типов биофотометров. Для изучения оптических свойств кожи человека совместно с медицинскими специалистами, задаваяс» параметрами интегрирующей сферы, экспериментально определены положения точек на участках проекций внутренних органов и основных сосудисто-нервных пучков на поверхность кожи человека, информационных с медицинской точки зрения. В результате анализа данных различных групп практически здоровых людей с помощью биофотометра на основе интегрирующей сферы в соответствии с вышеуказанный атласом получены достоверные отличия в группах по возрасту, патологии типа воспалительного процесса. Показано, что биофотометр на основе интегрирующей сферы целесообразно приненять при нарушенном верхнем слое эпидермиса ( до блестящего слоя с элеидинон ): раны, язвы, послеопераци-оннне швы. ожоги и т.д. с целью определения нормы и патологии, корректирования времени экспозиции и оценки эффективности проведения лазерной терапии.

Для случаев с неповрежденным верхним слоем эпидермиса при диагностике заболеваний суставов воспалительной этиологии предложен метод диагностики артрита, сущность которого заключается в сравнении коэффициентов отражения от области пораженного сустава и реперной точки Сто есть точки, в которой отражение практически не зависит от патологии ), По результатам исследований получено авторское свидетельство на изобретение.

С использованием биофотометра с угловым расположением светодио-да и фотоэлемента исследовано влияние толщины различных биоматериалов на отражательные свойства поверхности. Получены зависимости результатов сканирования по поверхности исследуемой ткани, влияния типа патологии, глубины ее залегания, ее геометрических размеров и их сочетаний на фотометрический сигнал.

Практическая ценность. На основании анализа опыта использования биофотометра, работающего на базе интегрирующей сферы, определены границы его применимости. Данные этого анализа легли в основу разработки нового типа биофотометра, использующего а кичестве измерительного устройства совмещенные и разнесенные фотоэлементы.

Результаты проведенных исследожаний получили конкретную реализацию при разработке магнито-лазерной терапевтической аппаратуры С в частности, в аппаратах: "ММГА-Ф", "МИлТА-С"), оснащенной фотометри-2

ческим устройством, использовались при написании методических рекомендаций и в курсе лекиий для практических врачей по медицинской лазерологии.

Работа по теме диссертации проводилась автором в период с 1966 по 1990 г.г. в ММСИ км. Н.А.Семашко, МЭИ, а с 1991 по 1993 г.Г. в МГТУ им. Н.Э.Баумана. Результатом этих исследований явилась разработка нового типа биофотометра, комплекс исследований, проведенных на базе Городских Клинических Больниц № 50 и № 67, разработан метод диагностики состояния кожных покровов.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 8 опубликованных работах, из них одна монография, а также получено авторское сви-' детельство на изобретение.

Основные положения работы представлены на конференциях: "Лазеры в медицине" г.Тюмень, 1989г., "Лазеры и медицина" г.Ташкент, 19.69г., "Лаэеры-90" г.Окинава, 1990 г., "Лазеры в медицинской практике" г.Видное, 1992г., а также на научных семинарах в МГТУ им.Н.Э.Баумана.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 118 страницах машинописного текста. Состоит из введения, 3-х глав, общих выводов, библиографии и приложения. Работа иллюстрирована 33 рисунками, 5' таблицами. Библиографический раздел включает 127 источников, в том числе 25 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении да* краткий обзор по теме диссертационной работы, обоснована ее актуальность, научная новизна, практическая ценность, сформулированы цель и задачи, описана структура диссертационной ра. боты, перечислены олюиные результаты и положения, вынесеннпе м защиту.

Персая глава посвяиена анализу процесса взаимодействия низкоэнергетического лазерного излучения с биотканью. Поскольку дейс-;з;'е , лучения на организм человека в целом происходит через кожу, то необходимо было изучить закономерности лазерного взаимодействия, именно, с кожей человека. Утот вопрос проанализирован на основании данньх

отечественных и зарубежных исследователей.

Первоначально на основе рассмотрения анатомического строения к функциональной значимости проанализирована структура кожи. Послойно рассмотрены составляющие кожи, их толщина и реакция на воздействие лаззрным излучением. Это необходимо для правильной интерпретации процесса взаимодействия лазерного излучения с биотканью при его моделировании.

На основании литературных данных по вопросу взаимодействия лазерного излучения с биотканью приводится обоснование более сложной картины пространственного распределения вводимой в биоткань энергии, чем это предполагалось ранее. Рассмотрены основные эффекты, имеющие место при взаимодействии лазерного излучения с биотканью. '

Отмечено, что наибольшая глубина проникновения в биоткани лазерного излучения определяется диапазоном длин волн 0,80 - 1,15 мкм. Когерентность и поляризация воздействующего лазерного излучения сохраняются только на глубине до 20С-ЬСО мкм, а далее в тканях распространяется уже некогерентный и неполяризованный свет. Не основании литературных данных выявлено, что пропускание лазерного излучения биотканью имеет неравномерный характер и отклоняется от экспоненциального закона ввиду наличия различной плотности " упаковок" клеток и многократного переотражения из|учения.

В данной главе проанализированы такте методики и аппаратура, используемые с медицине для оценки состояния биотканей, основанные йа эффектах взаимодействия лазерного излучения с биотканями.

Рассмотрены вопросы применения лазерной техники на основе интегрирующая сферы для диагностики функционального состояния би01ка- . ней при нарушенном и неповрежденном слое эпидермиса (Евстигнеев А.Р.. 1966г., Александров М.Т., 1991г.).

Отмечено, что ь настоящее время лазерная терапия, в основном, базируется, на использовании низкоэнергптического лазерного излучения в красном и, особенно, в ближнем инфракрасном ( 0,63 и 0,66-1,2 мкм) диапазонах спектра. Низкоинтенсивные лазеры широко приыевявтоя в научно-исследовательской практике как в нагей стране С Н.4.Гамалея, 1972г., В.М.Иишаин, П.Р.Чекуров, 197Ьг., А Д. Полонский, 1981г., А.С.Крик с соавторами, 19В7г., И.М.Корочкин, ISb&r. и другие), так и за рубежом С 9.Н. , 1972, Pta-Ujri Я. , I960.

Рсиьгс^-к </.4. ,19ЬИ, Ú^a-^u^i. Р., 1985, ¡i/^leA 1967 ). ■ f

Во второй главе диссертации дан анализ биотехнической системы контроля за лазерным воздействием на биообъект. Отмечено, что в процессе исследования необходимо учитывать большое количество факторов, связанных с влиянием внешней среды, а такжз внутренних, связанных с особенностями функционирования изучаемого объекта. В связи с этим всегда необходимо оценить соответствие полученных количественных и качественных характеристик действительному состоянии объекта исследования.

В данной работе исследуемая биотехническая.система по характеру основной целевой функции относится к биотехническим системам медицинского назначения диагностического типа. В обобщенном виде в соответствии с рассматриваемой задачей представлен алгоритм синтеза биотехнической системы взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями человека.

Оптимальные параметры технической системы задастся характеристиками зоны воздействия с учетом соответствующих свойств биологической системы. При синтезе биотехнической системы диагностического типа принцип адекватности требует минимума потока энтропии от технической части биотехнической системы в биологическую систему, то есть состояние биологической системы практически не долкно возмущаться вследствие функционального контакта с техническими устройствами. На основании этого определены технические требования к источнику излучения, модность которого-не должна превышать 10 мВт при времени воздействия не более I мин с длиной волны из диапазона 0,8-1,15 мкм. Когерентность и поляризация не имеют значения, так как методика исследований связана с изучением оптических свойств биоткани (рассеянием, отражением), а монохроматичность не играет существенной роли благодаря зироким спектрам поглощения отдельных компонент биоткани.

В этой же главе рассмотрены элементы теории распространения лазерного излучения в биоткани. Аля математического описания характера взаимодействия лазерного излучения с биотканью рассмотрены ;г личные теоретические под>.од^, выбор которых зависит от гребуенэ точности и от типа получаемой информации.

В настоящее время наиболее часто 3 классические расчетные методики взаимодействия лазерного излучения с биотканью: Двухпоточ--ный метод Кубелка-Мунка, диффузное уравнение и мето Монтэ Карло. Выбор метода определяется структурой биоткани, длиной волны падающего излучения и другими условиями взаимодействия.

Для предпочтительного использования диффузной апроксимации (которая имеет место в данной работе) должно выполняться условие, чтобы О-ЬЫЛО > 0,6. Это условие зиеисит, главным образом, от длины волны и свойств исследуемых биотканей, то есть преобладания рассеяния над поглощением или, наоборот, а также от степени однородности, структуры и т.д.

Поскольку большинство биотканей, в частности, мозг, кожа, стенка мочевого пузыря и т.д. в инфракрасном диапазоне спектра являются высокорассеивающиии средами, то наилучшие результаты могут быть получены при использовании диффузной апроксимации:

1с4 ¡г) = р0 щ> ¡-К с!г) /;

где ■ - расстояние от источника, ро- мощность источника,

~ Ьд 11 ~уй) +6а- - транспортное ссчение,

^ - средний косинус рассеяния.

Сопоставление отношений типа , определяемых для различных •областей биотканей, и проведение соответствующей калибровки позволяет делать диагностические выводы.

В ряде случаев используют упрощенную модель диффузной теории, когда исключаются радиальные потоки распространения света в биоткани и рассматривается одноразмерная (двухпоточная) модель Кубелка-Мунка.

Для расчета характера прохождения света сквозь тхаиь киобходимо знание, как мшшмум, трех оптических констант: коэффициентов рассеяния, поглощения и среднего косинуса угла рассеяния. Полный набор этих констант невозможно получить без экспериментальных работ на биофизических моделях. Соотношение рассеянного, отраженного и поглощенного лазерного излучения зависят от .толщины образца, его однородности. Величина интенсивности перед образцом является суммой интенсивностей отраженного и обратно рассеянного света. С увеличением толщины слоя поток обратно рассеянного излучения возрастает, то есть он формируется не только первично отраженными, но и многократно рассеянными фотонами из глубинных слоев. Для целей диагностики биофотометрическим методом интерес представляют различные кожные и подкожные включения, обладающие оптическими характеристиками

существенно отличающимися от основной среды (РисЛ). На рисунке представлены результаты сканирования по поверхности биоткани и влияние типа патологии, ее геометрических размеров, глубины локализации и их сочетаний на регистрируемый фотометрический сигнал.

В третьей главе работы описаны эксперименты и их результаты по использованию лазерной био$отометрии для диагностики состояния кожи.

Были выявлены границы применимости биофотометра на основе интегрирующей сферы для фотометрической диагностики состояния кожных покровов, а также рассмотрены возможности применения аппарата при диагностике заболеваний суставов воспалительной этиологии (артрита). '

Интегрирующая, сфера позволяет улавливать диффузное отражение, которое имеет место при воздействии лазерным излучением на биоткани. Однако, исследования показали, что в случае поврежденных кожных покровов, диффузное отражение происходит от верхних слоев эпидермиса, поэтому патологии, которые не вызывают заметных изменений в этих слоях не могут быть идентифицированы.

В дальнейшем, совместно с сотрудниками МЭИ был разработан и создан макет фотометрического прибора с учетом результатов, проведенных ранее экспериментальных клинических исследований.

По своей конструкции регистрирующее устройство фотометра представляет собой трубку диаметром 0,8 см с вмонтированными в нее фотоэлементами, расположенными под углом 30 друг к другу и дополнительный вариант регистрирующего устройства выполнен в виде разнесенных в пространстве фотоэлемента и светоднода.

Экспериментальные исследования с биофотометрами показали, что в случае неповрежденного эпидермиса различия 6oj.ee дифференцированные по амплитуде, чем при использовании био£отометра с интегрирующей сферой ( ТаблЛ, Рис.2 ).

В случае использования -штегрирующей сферы достоверных pan"; чий получить не удается, так. как улавливается отражение от елозь, »а-тих выше мальпигиевого слоя с меланином, тогда как конструкция углового биофотометра позволяет улавливать отражение с более глубинных слоев, а при наличии в малпигиевом слое гранул меланин.ч :/то заметно сказывается на измеряемой величине отражения. Таким образом. угловой био^отометр является более чувстсительним, к, следовательно

7

I.

и

7.

2.

е.

УЛ.

з.

5.

6.

V I

ЕЗ

II.

12.-

Р«о.1

Влияние поверхностных и подповерхностных патологий на оптические свойства поверхности: 1,7 - поверхностные дефекты; 2,8 - подповерхностные дефекты; 3,4,5,6,9,10,11,12 - смешанные случаи; | - дефект с преобладанием поглощения по сравнении с окружающей средой; 0 - дефект с преобладанием отражения или рассеяния по сравненрр с окружавщей средой

Таблаца I

Результаты исследования оптических характеристик кожи с бледной, смуглой и темной пигментацией

Био$отометр с интегрирующей с^эроП ( Милта-*)

Область исследования Тип пигментации

бледный смуглый темный

1.Ладонь (внутр. ст.) 50 + 1,9 50 + 1,7 51 +1,9

2.Запястье 54 £ 2,1 53 + 1,7 53+ 1,6

З.Швя 53 + 2,5 53 * 2,2 53 + 2,0'

Голень 51 + 2,1 50+1,9 48+1,7

Угловой биофотоиетр

Область исследований Тип пигментации

бледный смуглый темный

' I.Ладонь (внутр.ст.) 25 + 2,3 25 + 2,2 25 +_1,9

2.Ладонь (тыльн.ст.) 20 + 2,5 16 + 2,5 0 + 2,6

3.Запястье 20 + 1,8 19 + 2,2 15 + 2,0

4.Предплечье 15 + 2,4 14 + 2,1 10 + 2,2

5 .Шея - - 22 + 2,5 21 + 2,9 13 + 2,8

б .Лоб 25 + 2,3 23 + 2,3 1С + 2,4

30

го

ю

|/ отн. ад.

10

1Ъ

20 30

35

Рис.2 Результаты-акаиирорлния но поверхности биоткани при отражающем дефекте на глубине с1.

более предпочтительны« для использования в случаях с неповрежденным эпидермисом, чем биофотометр с интегрирующей сферой.

По мере удаления от точки лазерного воздействия на поверхности биоткани можно улавливать отраженное и рассеянное излучение исходя-иее от более глубинных слоев. Полная картина рассеяния по поверхности биоткани может быть получена с помощью биофотометра с разнесенными фотоэлементом и светодиодом (Рис. 3).

Максимальное значение показаний на некотором удалении от точки воздействия объясняется тем, что телесный угол падающего излучения расширяется при прохождешии через биоткань, поэтому основная часть отраженного от внутренних слоев кожи излучения будет улавливаться ыа расстоянии от точки воздействия, величина которого зависит от структуры исследуемой ткани. Более плотные ткани имеют меньшую глубину проникновения лазерного излучения и, соотютстиенно, радиус обратно рассеянного излучения будет меньше, чем в случае менее плотных тканей.

Экспериментально были получены и изучены зависимости рассеяния по поверхности кож* человека в случае нормы и патологий: В первом случае экспериментальные данные хорошо согласуются с данными, полученными на соответствующих моделях. Для патологий различного характера (послеоперационный швы, рубцы, трофические язвы) свойственен большой разброс в значениях по мере удаления от точки воздействия, что может быть связано только с различием в структуре исследуемых биотканей.

Таким образом, использование биофотометра с двумя типами регистрирующих устройств позволяет получать информацию о наличии или отсутствии кожных и подкожных патологических изменений, наблюдать за процессом выздоровления.

Клиническая апробация метода и аппаратуры проводилась в основном в МйСИ им.Н.А.Семашко на базе больницы К 50 (кафедра хирургических болезней стоматологического факультета) и Jf 67 (кафедра пропедевтики внутренних болезней стоматологического факультета), а также в ММА им.И.М.Сеченова по ряду патологий: заболевания воспалительной этиологии с гиперемией и оивкои (артриты); раны, трофические язвы, послеоперационные швы в области с неповрежденным слоем эпидермиса; исследование по топографо-анатомическим областям проекций внутренних органов и сосудисто-нервных пучков на поверхность кол.и человека; исследование оптических характеристик хожи человека с различными типами пигментации; исследование внутренних органов, кровеносных сосудов

II

V , оть.ед.

1> . и*

--. I .........1- » I I * » -

2 3 » ' 5 € • 7 6 9

:с. 3 Распределение рассеяния пс поверхности различных материалов 1> - расстояние от точки воздействия

и других тканей иа животиых; больные бронхиальной астмой (игследование в области правого и левого легкого, шеи, головы, до и после операции), дерматология; псориаз, герпес, нейродермит. Всего было обследовано более ЮС человек.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1, ha основе теоретических и экспериментальных исследований определены граници применимости биофотометров различных типов для диагностики состояния кожных покровов человека.

2, Показано о учетом теории и эксперимента, что применение интегрирующей сферы наиболее целесообразно при нарушении целостности верхнего слоя эпидермиса: дзеы, раки, пос.'воперационние ц?н, п»о-ги и т.д. с цель«) определения нормы и патологии, учета при назначении дозы лазерного воздействия, а также контроля процесса выздоровления.

3, Предложен новый тип биофотометра для диагностики состояния кожных покровов различной пространственной геометрии: с разнесенными и совмещенными под углом 30 излучателем и 4отоэлементом и исследованы их основные характеристики.

Теоретически к экспериментально показано, что использование углового биофотометра является более эффективным (в сравнении с интегрирующей сферой) при ненарушенном верхнем слое эпидермиса для диагностики кожных и подкожных патологий, их геометрической формы и глубиик локализации.

5, Показана возможность использования биофотометра с соосннми пространственно разнесенными излучателем и фотоэлементом для анализа биоповерхности в норме и патологии при сканировании по биоповерхности.

6. Разработаны и апробированы в клинических условиях основные методики контроля состояния кожных покровов бко]отометрами при различных патологиях типа заболеваний суставов воспалительной отиолэ-

13

гии (артритов), раны, язвы, послеоперационные ивы, рубцы и др.

7. Результаты проведенных экспериментальных исследований исмользо-паны при разработке новой терапевтической Аппаратуры (МИЛТА-4, МИЛТА-С), в методических рекомендациях и в лекциях для студентов и врачей.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Использование спектрозонального излучения лазеров и еветодио-дон в диагностике и лечении внутренних болезней /О.К.Токмачев, А.К.Полонский, С.М.Мейлер и др.//Применение лазеров в хирургии

и медицине: Тез.докл. Кежд. Симп. по лазерной хирургии и медицина.- Самарканд, I9Ö6.-4.2-C.I55.

2. Носов A.A., Дударова А..5., Голубинская И.Н. Исследование оптических характеристик кожных покровов человека при магнито-инфра-крао!'ом облучении//Применение полупроводниковых лазеров и светода-о;,он и биочодицине и медицинском приборостроении: Тез. докл. Всес. кон]. по при-fenefiKi- лазеров и оептодиодов в медицине.-Калуга,1969,-С Л 02 А 03. .

Оптико-элоктронныН оксиросс-метод диагностики артрита/С.М.Мейлер, A.b.Черкасов, ¡О.К.Токпачев и др.//Международная конференция по применения лчзеров в медицине: Тег. докл.-Ташкент, 1969.гЧ.2.-С.Ь2.

н, A.c.. ,1ШЪТ) (ССОР), МКЙЗ А 61 Б b/CÜ Способ диагностики артри-тов/П.К.Токи(»чвь, С.М.Мейлер, А.В.Черкасов и др.//Открытия, изоб-{•етеиия.-1990.-}г

с., Жаров В.П., Полонски,'-. А.К,, Iолубинстя Я.Н. Индикатрисе» рас-оянкя лег.ерног» лс лужения по поверхности неповреждеьной' кожи че-fв модкииьокой практике: Тез,докл. BHTR.- Ьидиов,

6. Лазерная фотометрия: Обзор литературы /С.С.АнуЗрик, А.К.Полонский, С.М.Сиотрин и др./Под ред.А.К.Полонского.-Гродно, 1991,-31 с.

7. Изучение оптических параметров тканей животких и человека при лазерном воздействии//!.М.Алиев, Б.С.Брискин, А.К.Полонский,

И.и.Голубинская// Перспективные направления лазерной медицины: Тр. межд. кон4.-Одесса, 1992.-С.248-250.

8. Изучение оптических параметров ткани животных к человека пря лазерном воздействии на печень/ А.К.Полонский, Е.С.Еркскин,

И.М.Алиев и др.//Проблемы гастроэнтерологии.-1993.-П.-С.45-50.