Введение

На различных стадиях диагностики состояния организма человека необходимы соответствующие медицинские технические средства измерения параметров биожидкостей, поскольку они являются показательными источниками информации о здоровье человека [1].

Из всех известных методов измерений оптические измерения относятся к наиболее точным. Пороговая чувствительность и точность классических методов оптических измерений находится на уровне длины волны применяемого излучения [2]. Важной прикладной задачей, решаемой с помощью оптических датчиков и систем на их основе, является оперативный контроль параметров жидких сред, в том числе биожидкостей.

На сегодняшний день проблема быстрого измерения показателя преломления биожидкостей, характеризующих состояние пациента при том или ином заболевании в реальном масштабе времени с высокой точностью и воспроизводимостью не решена.

Если исследуются жидкости с вирусами, то конструкции устройств, реализующих известные рефрактометрические способы определения коэффициента преломления жидкости, не отвечают условиям безопасности, после каждого измерения необходимо проводить дезинфекцию измерительного устройства, что не отвечает требованиям экспресс-измерения и резко удорожает процедуру диагностики [3,4].

Цель работы - повышение чувствительности, точности, воспроизводимости и оперативности оптических измерений параметров биожидкостей при экспресс-диагностике заболеваний человека.

Материал и методы исследования

Для достижения поставленной цели используется новый волоконно-оптический рефрактометрический способ определения коэффициента преломления биожидкости [5].

Новый способ заключается в следующем. Световой поток Ф0, сформированный источником излучения (например, светодиодом), по подводящему оптическому волокну (ПОВ) 6 направляется в зону измерения, выходит под апертурным углом QNA на излучающем торце ПОВ 6 в виде конуса [5], передается в направлении трубки 1 (рисунок 1).

Рисунок 1 – Трасса прохождения светового потока через биожидкость, расположенную в трубке

Внешний и внутренний лучи света, формирующие полый конус, падают на первую боковую поверхность стеклянной цилиндрической трубки 1 под углами α1 и α2, где преломляются на границе раздела сред «воздух – стекло» под углами β1 и β2, преломленные лучи поступают на первую внутреннюю поверхность цилиндрической трубки 1 под углами γ1 и γ2, где преломляются на границе раздела сред «стекло - биожидкость)» под углами δ1 и δ2, проходят через прозрачное вещество – биожидкость 2, вторично падают на противоположную внутреннюю поверхность цилиндрической трубки 1 под углами δ1 и δ2, где преломляются на границе раздела сред «биожидкость – стекло» под углами ε1 и ε2, поступают на вторую внешнюю поверхность трубки 1 под углами φ1 и φ2, преломляются на границе раздела сред «стекло – воздух» под углами ψ1 и ψ2, фокусируются в направлении приемных торцов отводящих оптических волокон (ООВ), падают на приемную поверхность ООВ 6 и 7 под углами Θвх1 и Θвх2 соответственно.

Изображение излучающего торца ПОВ 6 в плоскости приемных торцов ООВ 7 и 8, меняет свой контур при изменении показателя преломления биожидкости, что, в свою очередь, ведет к изменению площади перекрытия приемных торцов ООВ 6 и 7 световым пятном [2,5].

Результаты исследования и их обсуждение

Для реализации способа необходимо:

1) чтобы трубка была прозрачной, при этом коэффициент преломления материала, из которой она изготовлена, должен быть больше коэффициента преломления биожидкости (например, ротовой жидкости - слюны), для того, чтобы не проявился эффект полного внутреннего отражения;

2) чтобы выполнялись следующие условия :

n1, n2, nж – коэффициенты преломления среды между оптическими волокнами и внешней поверхностью цилиндрической трубки, материала цилиндрической трубки, материала вещества внутри цилиндрической трубки;

rЦ, rж – внешний и внутренний радиусы цилиндрической трубки;

rС,– радиус сердцевины и апертурный угол оптического волокна;

Θвх – угол, под которым луч падает на торец отводящего оптического волокна;

l1 – расстояние от подводящего оптического волокна до цилиндрической трубки;

l2 – расстояние от цилиндрической трубки до приемных торцов ООВ,

.

3) чтобы для увеличения освещенности торцов ООВ и их равномерного освещения ПОВ 6 располагался перед трубкой 1 на расстоянии, равном или большем двух дистанций формирования LФ: [6].

4) чтобы при калибровке устройства, реализующего способ, использовались жидкости с коэффициентом преломлении, близким к коэффициенту преломления материала трубки 1 (например, пара «кварцевое стекло - глицерин»), это позволит использовать предлагаемый волоконно-оптический рефрактометрический способ для измерения коэффициентов преломления большего количества жидкостей.

Выводы

Новый волоконно-оптический способ измерения показателя преломления биожидкости позволяет:

- повысить чувствительность преобразования оптических сигналов, обеспечиваемой снижением потерь светового потока в микрометрическом оптическом тракте;

- повысить точность измерения показателя преломления;

- упростить процедуру юстировки оптической системы преобразователя, его реализующего;

- уменьшить массо-габаритные характеристики измерительного преобразователя, его реализующего;

- проводить экспресс-измерения параметров биожидкости;

- исключить любые негативные последствия от электромагнитного воздействия на здоровье пациента и на результаты измерения.