Metoda i miejsce zbierania danych pomiarowych

Nieinwazyjne pomiary za pomocą technik optycznych można podzielić na dwa podsta-wowe rodzaje [30, 31]:

 transmisyjne, które polegają na prześwietlaniu tkanek przez cały ich przekrój.

W tym rozwiązaniu nadajniki i odbiorniki umieszczone są po przeciwległej stronie badanego fragmentu ciała względem siebie. Tego typu pomiar jest jednak możliwy dla niewielkich grubości badanej tkanki, takiej jak np.: palec czy małżowina uszna.

Wynika to z maksymalnej penetracji światła. Idea pomiaru została przedstawiona na rysunku 4.10.

 odbiciowe, w których nadajniki i odbiorniki umieszczone są po tej samej stronie badanego fragmentu ciała. Wiązka światła emitowana w głąb tkanek odbija się od poszczególnych jej warstw oraz ulega rozpraszaniu, a następnie powraca w obsza-rze oddalonym radialnie od nadajnika (w przypadku nadajnika ustawionego prosto-padle do badanej tkanki). Odległość ta zależy od głębokości penetracji światła oraz mocy nadajnika, a przebieg promieni przypomina swoim kształtem banana (tzw.

„banana-shape” [63]) (rysunek 4.11). Wynika to z odbijania się światła od warstw o różnych współczynnikach załamania światła oraz różnej propagacji światła. Fak-tyczną długość ścieżki optycznej w tkance można przybliżyć poprzez pomnożenie odległości pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem o wartość π [63]. Absorpcja pro-mieniowania odbitego przybliżona jest z kolei wzorem [63]:

(5)

, gdzie:

A – absorpcja promieniowania odbitego

μa – współczynnik absorpcji (dla badanej tkanki) r – odległość pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem

Przykład tego typu pomiarów pokazano na rysunku 4.10. Warto zauważyć, że faktycz-na długość ścieżki światła biegnącego przy pomiarze odbiciowym jest większa niż w przy-padku pomiaru transmisyjnego przy takiej samej odległości pomiędzy nadajnikiem a od-biornikiem [63].

Rys. 4.10. Pomiar transmisyjny oraz odbiciowy [68]

A≈e^−πμar

Rys. 4.11. Przybliżony kształt promieni w tkance [13]

W związku z założeniami niniejszej pracy badania prowadzone będą wyłącznie metodą odbiciową. W dalszych opisach będzie zatem rozważane tylko to rozwiązanie, a wszelkie badania i pomiary odnosić się będą do pomiarów tą techniką.

Jednym z założeń było zbudowanie urządzenia, które potrafiłoby w ograniczonym za-kresie korygować różnice wynikające z różnych właściwości tkanek, przez które biegną promienie świetlne. Ideą było zatem zbudowanie jak najmniejszej głowicy pomiarowej, której wykorzystanie mogłoby być uniwersalne. Najlepszym rozwiązaniem okazała się opaska pomiarowa o regulowanym elastycznym pasku. Dzięki takiemu rozwiązaniu możli-we byłoby wykonywanie pomiarów zarówno na rękach, nogach, jak i na brzuchu.

W związku z liczbą selektywnych źródeł światła sama głowica pomiarowa musiałaby być jak najmniejszych wymiarów przy zachowaniu optymalnej odległości pomiędzy nadajnika-mi a odbiornikanadajnika-mi [70]. W tym kontekście został przeprowadzony cały szereg badań zwią-zany z optymalnym rozmieszczeniem tych elementów względem siebie oraz liczbą zarów-no nadajników, jak i odbiorników.

Pierwsze badania dotyczyły przede wszystkim optymalnej odległości, która przekłada-ła się również na głębokość penetracji tkanek. Zarówno badania wprzekłada-łasne, jak i przykprzekłada-łady z literatury wskazujące odległości 2 mm – 3 mm [63] oraz maksymalnie 5 mm [134] wy-kazały, iż miarodajne wyniki zmian sygnału odpowiadającemu zmianom stężenia badanej substancji uzyskiwane są dla odległości od 3 do 5 mm pomiędzy nadajnikiem a odbiorni-kiem. Można spotkać również przykłady badań, w których podaje się mniejsze zalecane odległości w celu optymalizacji długości drogi światła w tkance wynoszące 1,2 mm – 2 mm [32]. Prowadzone były również badania, gdzie odległość pomiędzy nadajnikiem,

a odbiornikiem wynosiła 4 mm – 12 mm [124]. Na rysunku 4.12 przedstawiono doświad-czalnie uzyskane napięcia na detektorze w funkcji odległości pomiędzy nadajnikami a od-biornikiem dla kilku różnych zakresów spektralnych. Widać wyraźnie, iż dla odległości 3 mm wartość sygnału na detektorze przekroczyła maksymalny próg konwersji analogo-wo-cyfrowej (założonym progiem była wartość 256 mV). Dla kolejno rosnących odległo-ści z przedziału 4 mm – 6 mm widać wykładniczy spadek rejestrowanego sygnału. Odle-głość powyżej 6 mm daje wyniki o zmianach na tyle małych, iż nie można zaobserwować zmian w sposób prawidłowy. W przypadku badanej tkanki (ramię) w odległości 8 mm sy-gnał nie był już praktycznie rejestrowany (był na poziomie szumu).

Rys. 4.12. Napięcie na detektorze w funkcji odległości nadajnik – odbiornik (opracowanie własne)

Kolejnym aspektem było określenie optymalnego poziomu mocy nadajników [29].

W tym badaniu analizowano moc diod LED od poziomu 60 mW do 3W (w trakcie badań nie używano tak dużej wartości). Ideą przyświecającą jak najmniejszej mocy nadajników były trzy aspekty:

 redukcja zużycia energii przez system pomiarowy, dzięki czemu możliwe byłoby zwiększenie czasu pracy na baterii,

 mniejsze naświetlanie tkanek, czego efektem jest zmniejszenie oddziaływania,

 wielkość natężenia światła, przy której możliwa była detekcja zmian stężenia sub-stancji. Duże natężenie światła powodowało rejestrację sygnału, w którym zmiany wynikające z absorpcji promieniowania dla różnych stężeń były na tyle małe, że niemożliwa była ich detekcja w stosunku do pozostałego sygnału odbieranego z tkanki. Z kolei zbyt słabe światło nie było zdolne do przebycia drogi od nadajnika do odbiornika i detektor nie rejestrował żadnego sygnału.

Na podstawie powyższych badań ustalono, iż optymalny poziom mocy powinien być dobrany do tkanki, w której prowadzone są badania. Takie rozwiązanie byłoby idealne z punktu widzenia systemu pomiarowego do zastosowań laboratoryjnych. Pomiary dla róż-nych długości fal, wykonane na grupie osób, pokazały również, że zmiany natężenia świa-tła w niedużym zakresie, powodują liniowe zmiany względem zmiany stężenia substancji w organizmie.

Tab. 2. Porównanie napięć na detektorze dla różnych poziomów mocy przy różnych stężeniach badanej substancji we krwi

W tabeli 2 pokazano zależność pomiędzy trzema poziomami mocy emitowanego sy-gnału dla różnych stężeń glukozy w organizmie. Widać, że wzajemna zależność mocy tych sygnałów względem siebie nie zmienia się, mimo zmian stężenia badanej substancji. Moż-na Moż-na tej podstawie stwierdzić, że niewielkie zmiany mocy sygMoż-nału nie wpływają Moż-na wynik badania pod warunkiem, że moc sygnału nie jest skrajnie duża lub zbyt mała.

W celu potwierdzenia powyższej tezy badania przeprowadzono również w szklanych szalkach z różnymi stężeniami glukozy. Badania przeprowadzono metodą transmisyjną z próbkami zawierającymi trzy rosnące stężenia glukozy (pomiar nr 2 - 4) oraz z próbką odniesienia w postaci wody destylowanej (pomiar nr 1). Wyniki przedstawiono na rysunku 4.13. Podczas tego badania zweryfikowano również wpływ soli na prowadzone pomiary.

Okazało się, iż dodanie soli do wody destylowanej nie spowodowało zmian napięcia na de-tektorze, co jednoznacznie wskazuje, że absorbującym czynnikiem była glukoza.

Rys. 4.13. Napięcie na detektorze w funkcji stężenia roztworu dla kilku poziomów mocy nadajników (opracowanie własne)

Kolejnym aspektem było zweryfikowanie, który z wariantów rozmieszczenia nadajni-ków oraz odbiorninadajni-ków daje najlepsze rezultaty. W przytoczonych przykładach znaleźć można różnego rodzaju systemy pomiarowe oparte o układ [63, 104, 124]:

 jeden nadajnik – jeden odbiornik,

 jeden nadajnik – kilka odbiorników,

 kilka nadajników – jeden odbiornik,

 kilka nadajników – kilka odbiorników.

Rys. 4.14. Fotografia głowicy pomiarowej do testowania optymalnego rozmieszczenia (opracowanie własne)

W celu analizy optymalnego rozwiązania pod kątem detekcji wybranej substancji (glu-kozy) w organizmie zbudowano głowicę pomiarową wyposażoną w trzy nadajniki oraz pięć odbiorników (zarówno nadajniki, jak i odbiorniki były wąskopasmowe dla maksimum w 950 nm). Głowicę pomiarową przedstawiono na rysunku 4.14.

Badania były prowadzone na przedramieniu i analizowane w czasie rzeczywistym – badano zależność zmian na wszystkich detektorach jednocześnie w funkcji różnych zmian w emisji nadajników (moc nadawania oraz czas świecenia). Układ składał się z kilku wa-riantów o różnym rozmieszczeniu:

 jeden detektor i trzy nadajniki rozmieszczone w równych odległościach (120^o) – schemat układu pokazano na rysunku 4.15,

 jeden nadajnik i cztery odbiorniki w jednakowych odległościach (90^o) – schemat pracy przedstawiono na rysunku 4.17,

 dwie pary nadajnik – odbiornik o tej samej odległości – aktywne pary nadajnik-od-biornik zaprezentowano na rysunku 4.16,

 jeden detektor odniesienia, który znajdował się w większej odległości od pozosta-łych.

Rys. 4.15. Układ trzech nadajników oraz jednego odbiornika (opracowanie własne)

Na przedstawionych rysunkach schematycznych zaznaczono zielonym kołem aktywne nadajniki podczerwieni. Niebieski kwadrat symbolizuje aktywny detektor. Kolorami szary-mi zaznaczono nieaktywne elementy układu. Strefy eszary-misji nadajników zobrazowano sym-bolicznie za pomocą okręgów z zaznaczeniem obszarów nakładających się wzajemnie.

Rys. 4.16. Układ dwóch par nadajnik-odbiornik (opracowanie własne)

Rys. 4.17. Układ jednego nadajnika oraz czterech odbiorników (opracowanie własne)

Na podstawie powyższych badań (przy jednoczesnym pamiętaniu o założeniach budo-wy systemu z wieloma nadajnikami) budo-wywnioskowano, iż optymalnym rozwiązaniem bę-dzie układ jeden detektor – kilka nadajników (o różnych długościach fal, zgrupowanych blisko siebie w jak najmniejszej przestrzeni). Badania z nadajnikami rozłożonymi równo-miernie wokół odbiornika w praktyce oznaczają pomiary z różnych tkanek. Wynik ze względu na swój charakter jest niejako sumą trzech sygnałów przechodzącym przez różne tkanki. Nie można na tej podstawie wykryć zaburzeń w ciele, ani wyeliminować miejsc wprowadzających błędy.

Przykładem całkowicie odwrotnym jest system złożony z jednego nadajnika i kilku od-biorników. Odczyty na poszczególnych detektorach różniły się między sobą w zależności od miejsca pomiaru. Nie oznacza to jednak, że były złe, ponieważ układ tego typu praco-wać może na zasadzie głosowania większościowego (w przypadku nieparzystej liczby

de-tektorów), dzięki czemu możliwe jest wzajemne korygowanie odczytów względem wszyst-kich odbiorników i odrzucanie pomiarów błędnych (różniących się od większości). Możli-we jest również prowadzenie zaawansowanego przetwarzania sygnałów pomiędzy nimi w celu wydobycia zależności. Rozwiązanie to wiąże się natomiast z dużo większym układem pomiarowym oraz koniecznością korelowania odbieranych sygnałów ze sobą w celu ich wykorzystania. Bazowanie na każdym z odczytów z osobna daje całkowicie różne wyniki (w tych badaniach badana była tylko jedna długość fali).

Podczas kolejnych badań skupiono się na położeniu nadajników względem osi prosto-padłej do badanej tkanki. Rozważano różne kąty emisji promieniowania, co zobrazowano na rysunku 4.18. Wybór kąta padania głównej wiązki (dla diody LED z soczewką skupiają-cą i kątem emisji 15 – 30^o) ma zasadnicze znaczenie nie tylko dla głębokości penetracji ale również minimalnej drogi światła. Bowiem im kąt odchylenia od płaszczyzny pionowej jest większy, tym fala świetlna biegnie płycej oraz na mniejszą odległość (r1 > r3 oraz d1 > d3). Możliwe jest zatem regulowanie w pewnym zakresie, na jakiej głębokości będzie prowadzony pomiar za pomocą doboru właściwego kąta padania wiązki skupionego świa-tła. Należy jednak pamiętać, iż większy kąt oznacza również powstawanie większego stru-mienia odbitego od powierzchni tkanki. Konieczna jest zatem dobra izolacja pomiędzy na-dajnikiem a odbiornikiem, by światło odbite od naskórka nie zakłóciło pomiarów z tkanki.

Wybór zbyt dużego kąta może również wpłynąć na znaczne osłabienie strumienia świetl-nego biegnącego w tkance, a zbyt płytkie pomiary mogą nie dawać właściwych rezultatów.

Należy o tym pamiętać podczas dobierania tego parametru.

Rys. 4.18. Różne kąty nadajnika w stosunku do powierzchni badanej tkanki (opracowanie własne)

Na rysunku 4.19 zaprezentowano wynik symulacji Monte-Carlo dla promieni w tkance mózgowej w funkcji odległości nadajnika od odbiornika. Na powyższym przykładzie za-obserwować można, że wzajemna odległość wpływa na głębokość penetracji, czyli z jakiej

odległości od powierzchni prowadzone są pomiary sygnału odbitego od poszczególnych tkanek. Różnica ta jest bardzo wyraźna i potwierdza wcześniejsze wyjaśnienia oraz prowa-dzone doświadczenia.

Rys. 4.19. Symulacja Monte-Carlo dla przebiegu promieni w tkance mózgowej w funkcji odległości po-między nadajnikiem a odbiornikiem [20]

Na rysunku 4.20a zaprezentowano bieg promieni diody LED (640 nm) o ograniczonym kącie emisji poprzez zastosowanie soczewki skupiającej wiązkę światła w przezroczystym, jednorodnym żelu. Wiązka ta jest względnie zbieżna i wyraźnie widać wielkość absorpcji światła w początkowej fazie biegu promieni. W celu zobrazowania rozpraszania światła pierwszą fotografię poddano korekcie gamma oraz wzmocnieniu kontrastu, co zaowoco-wało obrazem przedstawionym na rysunku 4.20b. Wydobyte bardzo słabe światło pokazu-je, jak światło rozprasza się w stosunku do przebiegu promienia głównego.

Rys. 4.20. Fotografia rozpraszania światła w przezroczystym żelu (opracowanie własne)

Istotnym zagadnieniem w kwestii doboru nadajników okazał się kąt emisji światła.

Możliwości jego doboru są bardzo duże, jednakże należy rozważyć, czy emitery powinny charakteryzować się wąskim, czy też szerokim kątem świecenia. Przykład dwóch skraj-nych przypadków pokazano na rysunku 4.21. W pierwszym przypadku zobrazowano przy-bliżony bieg promieni dla diody o kącie emisji wynoszącym 20^o. Można zaobserwować, iż mocno skupiona wiązka światła biegnie głównie w głąb tkanki, co umożliwia pomiar z większej głębokości oraz ogranicza efekt rozpraszania światła z płytszych warstw (co również zostało pokazane na fotografii na rysunku 4.20). W drugim przypadku pokazano diodę o kącie świecenia 120^o. Tak duży kąt emisji niesie za sobą dwa zasadnicze skutki:

 pierwszym z nich jest mniejsza gęstość promieniowania przypadająca na po-wierzchnię przy takiej samej mocy emitowanej przez diodę, przez co znaczna część wypromieniowanego światła rozchodzi się w kierunkach przeciwnych do kierunku pomiaru,

 drugim aspektem jest szeroki kąt promieniowania biegnącego w tkance w kierunku do detektora, czego efektem jest bieg promieni zarówno przez głębsze jak i przez płytkie warstwy badanego obszaru ciała. Efekt ten może z kolei powodować zna-czące zakłócenia.

Pomiary doświadczalne prowadzone z różnymi rozmieszczeniami nadajników o róż-nych kątach emisji (16 – 150^o) wykazały, iż diody o bardzo szerokim kącie świecenia po-wodują powstanie na detektorze sygnałów o wartościach niezmiennych w funkcji stężenia badanej substancji (przy zastosowaniu odległości pomiarowej wynoszącej 5 mm). Nie

można zatem jednoznacznie wykluczyć, że przy zastosowaniu większej odległości układu nadajnik-odbiornik, rozwiązanie to nie dałoby dobrych rezultatów. Skupiono się jednak na optymalnym doborze kąta emisji przy założeniu wcześniej opracowanej odległości pomię-dzy tymi elementami.

Rys. 4.21. Propagacja światła przez diodę o wąskim oraz szerokim kącie świecenia (opracowanie własne)