Электрооптический имитатор кровотока для калибровки приборов фотоплетизмографического типа

Аннотация

Современное развитие оптических неинвазивных методов диагностики в медицине требует разработки рабочих мер, имитирующих свойства реальных биотканей, хранящих и воспроизводящих единицы измеряемых величин для калибровки приборов и обеспечения единства измерений. Разработана рабочая мера, имитирующая пульсирующий кровоток в коже, для настройки и калибровки приборов оптической флоуметрии и фотоплетизмографии. Основу рабочей имитационной меры составляет полимердиспергированная жидкокристаллическая пленка с функциями электрооптического модулятора. Принцип работы пленки заключается в выравнивании жидких кристаллов при подаче на нее напряжения, уменьшении рассеивающих свойств и увеличении тем самым коэффициента пропускания. Это позволяет моделировать переменную составляющую фотоплетизмографического сигнала, обусловленную пульсацией крови. На основе классической двухпотоковой модели Кубелки --- Мунка проведен теоретический расчет оптических потоков, вышедших с поверхности рабочей имитационной меры и регистрируемых приборами. Показано, что оптический поток, обратно рассеянный от рабочей имитационной меры, сопоставим с оптическим потоком от реальной кожи, а диапазон изменения глубины модуляции воспроизводимого сигнала превышает таковой для сигналов от кожи. Разработан электронный блок управления модулятором, программируемый в среде LabView на компьютере. Показана способность меры воспроизводить сигналы на разных гармониках в диапазоне значений частоты 0...10 Гц для имитации разных форм пульсовых волн, что делает ее пригодной для калибровки датчиков диагностических приборов

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Лапитан Д.Г., Рогаткин Д.А., Капустин Л.С. Электрооптический имитатор кровотока для калибровки приборов фотоплетизмографического типа. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2025, № 3 (152), с. 27--48.
EDN: SDOFRU

Литература

[1] Boas D.A., Pitris C., Ramanujam N., et al. Handbook of biomedical optics. London, CRC Press, 2016.

[2] Рогаткин Д.А. Физические основы современных оптических методов исследования микрогемодинамики in vivo. Медицинская физика, 2017, № 4, с. 75--93. EDN: YPPIXC

[3] Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement. Physiol. Meas., 2007, vol. 28, no. 3, pp. R1--R39. DOI: https://doi.org/10.1088/0967-3334/28/3/R01

[4] Лапитан Д.Г., Тарасов А.П., Рогаткин Д.А. Физика формирования сигнала в фотоплетизмографии: оценка вклада поглощения и рассеяния света в регистрируемый поток оптического излучения. Медицинская физика, 2024, № 1, с. 44--52. EDN: ABMIUA

[5] Lapitan D., Rogatkin D. Optical incoherent technique for noninvasive assessment of blood flow in tissues: theoretical model and experimental study. J. Biophotonics, 2021, vol. 14, art. e202000459. DOI: https://doi.org/10.1002/jbio.202000459

[6] Rogatkin D.A., Dunaev A.V., Lapaeva L.G. Metrological support of methods and devices for noninvasive medical spectrophotometry. Biomed. Eng., 2010, vol. 44, no. 2, pp. 66--70. DOI: https://doi.org/10.1007/s10527-010-9157-x

[7] Bouchard J.P., Veilleux I., Noiseux I., et al. Accurately characterized optical tissue phantoms: how, why and when? Proc. SPIE, 2011, vol. 7906. DOI: https://doi.org/10.1117/12.875400

[8] Saager R.B., Quach A., Rowland R.A., et al. Low-cost tissue simulating phantoms with adjustable wavelength-dependent scattering properties in the visible and infrared ranges. J. Biomed. Opt., 2016, vol. 21, no. 6, art. 067001. DOI: https://doi.org/10.1117/1.JBO.21.6.067001

[9] Hacker L., Wabnitz H., Pifferi A., et al. Criteria for the design of tissue-mimicking phantoms for the standardization of biophotonic instrumentation. Nat. Biomed. Eng., 2022, vol. 6, pp. 541--558. DOI: https://doi.org/10.1038/s41551-022-00890-6

[10] Bykov A.V., Popov A.P., Priezzhev A.V., et al. Multilayer tissue phantoms with embedded capillary system for OCT and DOCT imaging. Proc. SPIE-OSA Biomedical Optics, 2011, paper 80911R. DOI: https://doi.org/10.1364/ECBO.2011.80911R

[11] Spinelli L., Botwicz M., Zolek N., et al. Determination of reference values for optical properties of liquid phantoms based on Intralipid and India ink. Biomed. Opt. Express, 2014, vol. 5, no. 7, art. 2037. DOI: https://doi.org/10.1364/BOE.5.002037

[12] Filippou V., Tsoumpas C. Recent advances on the development of phantoms using 3D printing for imaging with CT, MRI, PET, SPECT, and ultrasound. Med. Phys., 2018, vol. 45, pp. e740--e760. DOI: https://doi.org/10.1002/mp.13058

[13] Sekar S.K.V., Pacheco A., Martella P., et al. Solid phantom recipe for diffuse optics in biophotonics applications: a step towards anatomically correct 3D tissue phantoms. Biomed. Opt. Express, 2019, vol. 10, no. 4, pp. 2090--2100. DOI: https://doi.org/10.1364/BOE.10.002090

[14] Liu Y., Ghassemi P., Depkon A., et al. Biomimetic 3D-printed neurovascular phantoms for near-infrared fluorescence imaging. Biomed. Opt. Express, 2018, vol. 9, no. 6, pp. 2810--2824. DOI: https://doi.org/10.1364/BOE.9.002810

[15] Raine-Fenning N.J., Ramnarine K.V., Nordin N.M., et al. Quantification of blood perfusion using 3D power Doppler: an in-vitro flow phantom study. J. Phys. Conf. Ser., 2004, vol. 1, no. 1, pp. 181--186. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1/1/040

[16] Vogt W.C., Zhou X., Andriani R., et al. Photoacoustic oximetry imaging performance evaluation using dynamic blood flow phantoms with tunable oxygen saturation. Biomed. Opt. Express, 2019, vol. 10, no. 2, pp. 449--464. DOI: https://doi.org/10.1364/BOE.10.000449

[17] Jones C.J.M., Munro P.R. Stability of gel wax based optical scattering phantoms. Biomed. Opt. Express, 2018, vol. 9, no. 8, pp. 3495--3502. DOI: https://doi.org/10.1364/BOE.9.003495

[18] Рогаткин Д.А., Лапитан Д.Г. Устройство для метрологического контроля состояния приборов оптической флоуметрии. Патент РФ 2777514. Заявл. 27.10.2021, опубл. 05.08.2022.

[19] Tarasov A., Lapitan D., Rogatkin D. Combined non-invasive optical oximeter and flowmeter with basic metrological equipment. Photonics, 2022, vol. 9, no. 6, art. 392. DOI: https://doi.org/10.3390/photonics9060392

[20] Doane J.W., Vaz N.A., Wu B.-G., et al. Field controlled light scattering from nematic microdroplets. Appl. Phys. Lett., 1986, vol. 48, no. 4, pp. 269--271. DOI: https://doi.org/10.1063/1.96577

[21] Friedman A. Polymer-dispersed liquid crystal films for light control. In: Mathematics in industrial problems. New York, Springer-Verlag, 1990, pp. 62--79. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4613-9098-5_7

[22] Lapitan D.G., Tarasov A.P., Shtyflyuk M.E., et al. On the origin of the photoplethysmography signal: modeling of volumetric and aggregation effects. Photonics, 2024, vol. 11, no. 7, art. 637. DOI: https://doi.org/10.3390/photonics11070637

[23] Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Т. 1. М., Мир, 1981.

[24] Рогаткин Д.А. Об особенности в определении оптических свойств мутных биологических тканей и сред в расчетных задачах медицинской неинвазивной спектрофотометрии. Медицинская техника, 2007, № 2, с. 10--17. EDN: IATAWZ

[25] Wu S.T., Lim K.C. Absorption and scattering measurements of nematic liquid crystals. Appl. Opt., 1987, vol. 26, no. 9, pp. 1722--1727. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.26.001722

[26] Persheyev S., Rogatkin D. A new look at fundamentals of the photometric light transport and scattering theory. Part 1: One-dimensional pure scattering problems. Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Natural Sciences, 2017, no. 5 (74), pp. 78--94. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2017-5-78-94

[27] Jacques S.L. Optical properties of biological tissues: a review. Phys. Med. Biol., 2013, vol. 58, no. 11, pp. R37--R61. DOI: https://doi.org/10.1088/00319155/58/11/R37

[28] Bosschaart N., Edelman G.J., Aalders M.C., et al. A literature review and novel theoretical approach on the optical properties of whole blood. Lasers Med. Sc., 2014, vol. 29, no. 2, pp. 453--479. DOI: https://doi.org/10.1007/s10103-013-1446-7

[29] Hale G.M., Querry M.R. Optical constants of water in the 200-nm to 200-μm wavelength region. Appl. Opt., 1973, vol. 12, no. 3, pp. 555--563. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.12.000555

[30] Simpson C.R., Kohl M., Essenpreis M., et al. Near-infrared optical properties of ex vivo human skin and subcutaneous tissues measured using the Monte Carlo inversion technique. Phys. Med. Biol., 1998, vol. 43, no. 9, pp. 2465--2478. DOI: https://doi.org/10.1088/0031-9155/43/9/003