 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| Основы метода спектрофотометрии биотканей
В задачах оптической диагностики и спектрофотометрии биотканей различают два режима облучения: непрерывный и с разрешением во времени (рис. 1). Режим с разрешением во времени может быть реализован как путем облучения исследуемого объекта короткими лазерными импульсами (длительностью τ ~ 10-9…10-11 с) и приема уширенных импульсов рассеянного излучения (временной подход), так и путем облучения модулированным по интенсивности светом на частотах в диапазоне от 30 МГц до 1 ГГц и регистрации глубины модуляции интенсивности рассеянного излучения и соответствующего сдвига фазы на частотах модуляции (частотный или фазово-модуляционный) подход [1-3,8-10].
Рис. 1. Схематичное изображение трех вариантов зондирования в спектрофотометрии биотканей; I, ф, М – интенсивность/средний уровень интенсивности, фазовый сдвиг и амплитуда модуляции [5]
Распространение немодулированного света в биотканях (непрерывный режим) Ослабление коллимированного лазерного пучка в биоткани происходит по экспоненциальному закону, закону Бера-Ламберта-Бугера (Beer-Lambert-Bouger)
где RF – коэффициент френелевского отражения при нормальном падении пучка; RF=[(n-1)/(n+1)]2; n – относительный показатель преломления биоткани; I0 – интенсивность падающего света; d – толщина образца. При анализе распространения света в биотканях с многократным рассеянием предполагают обычно равномерное распределение поглощающих и рассеивающих центров. Достаточно строгое математическое описание процесса распространения немодулированного света в рассеивающей среде может быть сделано с помощью стационарной теории переноса излучения (ТПИ). ТПИ, или транспортная теория, с успехом применяется при решении ряда практических задач из оптики биотканей. Основное ограничение спектрофотометрических методов с непрерывным режимом – невозможность разделения эффектов поглощения и рассеяния излучения в биоткани, следовательно, невозможность получения абсолютных значений показателя поглощения (mа) и концентраций основных хромофоров, являющихся показателями метаболических процессов и микрогемоциркуляции в тканях. Для модели полубесконечной однородной по оптическим свойствам среды и рассеянного в обратном направлении излучения при контактных измерениях применим модифицированный закон Бера-Ламберта-Бугера, который выражается следующей формулой:
где I – средний уровень интенсивности прошедшего биоткань излучения, I0 – средний уровень интенсивности зондирующего излучения, μa – коэффициент поглощения исследуемой биоткани, среды или фантома, r – расстояние между источником и приемником – между точкой входа излучения в биоткань, либо фантом, и точкой выхода обратно рассеянного излучения из биоткани, DPF – безразмерный дифференциальный фактор длины пути, учитывающий многократное рассеяние излучения в среде, G – ослабление излучения в среде, помимо влияния поглотителей [1, стр.453]. Величина DPF для многокартно рассеивающих биологических тканей находится в диапазоне 5,6 – 6,0; экспериментальные исследования по определению DPF проводились A. Duncan с соавторами [7]. Из уравнения (6) следует, что величина ослабления (A) излучения длиной волны λj в среде определяется значениями параметров μa, r и DPF на этой длине волны (7). Коэффициент поглощения (μa) среды на длине волны λj зависит от молярных коэффициентов экстинкции εi и концентраций Ci всех N поглотителей в среде (7).
A(λj)=ln(I0(λj)/I(λj))=ma(λj)·r·DPF(λj)+G(λj), ma(λj)=Siei(λj)·Ci, i=1..N. (7)
В соответствии с модифицированным законом Бера-Ламберта-Бугера, уравнениями (6) и (7), с увеличением r будет происходить эспоненциальное затухание регистрируемой интенсивности I. Величины затухания излучения и коэффициента поглощения среды прямо пропорциональны концентрациям поглотителей. Исследование фантомов биотканей с известными оптическими свойствами позволяет оценивать величину DPF [1,7,8], значения молярных коэффициентов экстинкции поглотителей, хромофоров. Величина DPF для сильно рассеивающих биологических тканей определяет 5-7-кратное увеличение траектории движения фотонов красного и ближнего инфракрасного спектральных диапазонов в среде. Твердые фантомы биотканей на основе водных гелей (с 10% объемной долей интралипида в качестве рассеивателя и с добавлением чернил для определенного поглощения, [1, стр. 288]) характеризуются значением DPF близким к 6. Методы с непрерывным режимом облучения применимы для определения относительных значений концентраций поглощающих веществ в биологических тканях.
Распространение модулированного излучения в биотканях (фазово-модуляционный подход) Фундаментальной основой режимов с временным разрешением (временной подход и частотный подход) является нестационарная теория переноса излучения [1]. В тканевых оксиметрах абсолютных значений чаще реализуют частотный, или фазово-модуляционный, подход с многодистантными измерениями. Развитие теории данного метода привело к открытию сильно затухающих волн интенсивности, так называемых волн фотонной плотности на частоте модуляции интенсивности (f=ω/2p=0,3–1000 МГц, рис. 2), распространяющихся от источника излучения в среде и обладающих волновыми свойствами. По регистрируемым значениям переменной (AC) и средней (DC) составляющих интенсивности излучения, рассеянного в обратном направлении, и сдвигу фазы (φ) относительно фазы опорного, зондирующего излучения вычисляют оптические параметры исследуемой ткани: коэффициент поглощения (μa) и транспортный коэффициент рассеяния (μs’). Соответствующие аналитические зависимости были получены в рамках диффузионного приближения при решении нестационарного интегро-дифференциального уравнения переноса излучения с рядом допущений, в том числе в отношении структурных и оптических свойств исследуемой среды [1,8,9]. Многодистантный метод измерений при частотном подходе позволяет определять наклоны характеристик, зависящих от AC и φ, при разных расстояниях (r) между источниками и приемником, что обеспечивает определение абсолютных значений оптических коэффициентов, μа и μs' [1,3,8,9]. Многодистантный частотный подход хорошо работает при полубесконечной геометрии оптически однородной среды. Оптические коэффициенты многократно рассеивающей среды восстанавливаются при варьировании не только величины r, но также при изменении частоты модуляции (f) и длины волны (λ) зондирующего излучения, а также при изменении этих параметров одновременно.
Рис. 2. Изменение параметров излучения, прошедшего биоткань, при частотном подходе [11]
Рисунок 3. Принцип измерения оптических параметров биоткани при частотном многодистанционном подходе Установлено, что при многодистантном частотном подходе каждый из параметров: ln[rAC], ln[rDC] и Таким образом, все, что необходимо сделать, это измерить наклоны характеристик ln[rAC], ln[rDC] и ΔΦ, как функций от r, где r = r – растояние между источником и приемником. Поскольку мы имеем два неизвестных и три уравнения, в действительности необходимо регистрировать только два из трех параметров. Обычно используют AC и ΔΦ, т.к. AC и ΔΦ менее чувствительны к окружающей засветке, чем интенсивность DC. Используя два выбранных наклона МAC и МPH, можно записать выражения для mа и ms':
где с = (3 ´ 1010/1,33) см/с - скорость света в среде, 2pf=w - круговая частота модуляции интенсивности зондирующего излучения. Оптические коэффициенты многократно рассеивающей среды востанавливают при варьировании не только величиной r, но также при изменении частоты модуляци и при изменении обоих этих параметров одновременно [1]. Важной особенностью уравнений (8) является то, что из относительных измерений получают абсолютные значения оптических параметров среды - биоткани. Любой метод, преследующий получение абсолютных значений оптических коэффициентов и основанный на абсолютных значениях интенсивностей, обречён на провал, т.к. существует множество причин, влияющих на значение интенсивности, и не возможно все их предусмотреть и учесть в проводимых измерениях и вычислениях. Многодистантный метод позволяет иметь дело только с наклонами, что в свою очередь обеспечивает определение абсолютных значений оптических коэффициентов. Однако данный метод пригоден и для более сложных геометрий среды, чем бесконечная однородная среда. Fantini S. с соавторами продемонстрировали, что многодистанционный подход хорошо работает и при полубесконечной геометрии [9]. Уравнения несколько более сложные, чем уравнения для бесконечной среды, отражают зависимость оптических коэффициентов от наклонов выражений, содержащих измеряемые параметры AC, DC и ΔΦ. Оптические параметры для полубесконечной однородной среды вычисляются на основании выражений (8), где используются наклоны зависимостей ln[r2AC], ln[r2DC] и ΔΦ от расстояния между источником и приемником r. Сегодня активно ведутся исследования по повышению точности in vivo измерений оптических параметров биологических тканей, имеющих сложную неоднородную слоистую структуру, и вычислению параметров оксигенации ткани и параметров локального кровообращения [1,2]. Для этих целей проводят физические эксперименты – измерения на фантомах с известными оптическими свойствами и структурой и биообъектах, а также вычислительные эксперименты – статистическое моделирование методом Монте Карло [1].
Одним из ограничений большинства современных тканевых оксиметров, спектрофотометров, является невозможность определения абсолютных значений концентраций хромофоров в биотканях in vivo. На российском рынке тканевые оксиметры, разрешенные для клинического использования, представлены, в основном, американскими фирмами CasMed ("Fore-sight") и Somanetics ("Invos"), а также японскими оксиметрами марки “NIRO” компании Hamamatsu. В указанных оксиметрах используется метод непрерывного излучения, который позволяет оценивать только относительные изменения параметров оксигенации ткани. Отечественные аналоги «ЛАКК-М» (ООО НПП «ЛАЗМА»), «Спектротест» (ФГУП НПП «Циклон-тест») и «Лаздиком» (ЗАО Исток-ЭОС) предназначены для контроля параметров микроциркуляции крови в поверхностных слоях, в коже. Конструкция датчиков, принцип действия, отсутствие абсолютных значений параметров и малая глубина зондирования не позволяют использовать их в качестве церебральных оксиметров. Абсолютные значения оптических параметров, концентраций хромофоров и расчетных параметров дают оксиметры с временным разрешением, использующие зондирование тканей пикосекундными импульсами - временной подход, либо радиочастотную модуляцию интенсивности излучения - частотный или фазово-модуляционный подход (рис. 1). К таким оксиметрам относятся «TRS20» (Hamamatsu, Япония) реализующий временной подход, и «OxiplexTS» (ISS, Inc., США) - с частотным подходом [10]. Принцип действия, функциональные возможности, ограничения и достоинства тканевых оксиметров различных производителей рассмотрены в обзоре M. Wolf с соавторами [2].
Экспериментальная часть Используемое оборудование Оптические свойства образцов/фантомов биотканей определяются и исследуются с помощью спектрофотометрического прибора «OxiplexTS», (ISS Inc., США), имеющего следующие рабочие характеристики: - частота модуляции интенсивности излучения – 110 МГц; - длины волн источников зондирующего излучения – 692 нм и 834 нм; - два измерительных канала: по 8 источников (лазерных диодов), по 4 - на каждую из двух длин волн, и по одному приемнику - фотоэлектронному умножителю (ФЭУ); - кросскорреляционная частота приема излучения – 3-5 кГц; - мультиплексирование источников по времени – от долей герц до 100 Гц; - диаметр оптоволокна источника – 400 мкм, диаметр оптоволоконного кабеля приемника – 3 мм. - относительная погрешность определения амплитуды не превышает 0,1 %; погрешность определения фазы – 0, 1 º Внешний вид прибора представлен на рис. 4.
Рис. 4. Внешний вид прибора “OxiplexTS” (ISS, Inc., США) Принцип действия и технические характеристики “OxiplexTS” приведены в [3,10].
В используемом в работе гибком датчике (рис. 5) оптоволокна источников размещены линейно на четырех расстояниях от приемного жгута (2,0 см, 2,5 см, 3,0 см и 3,5 см, что соответствует глубине зондирования образцов/фантомов примерно от 7 мм до 17 мм), по две длины волны (692 нм и 834 нм) на каждое расстояние, что позволяет реализовать многодистантный подход с мультиплексированием по времени 8 источников излучения (лазерных диодов).
Рис.5. Оптоволоконный многодистантный датчик (слева), стандартные калибровочные блоки фирмы ISS, Inc. (в центре между двумя фантомами) и контейнеры с твердыми фантомами биотканей, изготовленными на основе водного геля, без добавления туши в качестве поглотителя (белый, справа) и с добавлением бриллиантового зеленого в качестве поглотителя
Для калибровки используются стандартные силиконовые блоки компании (ISS, Inc.) с известными оптическими свойствами (рис. 5). Оптические параметры калибровочных блоков приведены в таблице 2. Блок “1” имеет большее поглощение, но меньшее рассеяние на длинах волн 692 нм и 834 нм, по сравнению с блоком “2”. В соответствии с инструкцией по эксплуатации “OxiplexTS”, перед измерениями на фантомах или биологических объектах рекомендуется проводить калибровку прибора на блоке с оптическими параметрами, близкими к параметрам исследуемой среды.
Таблица 2. Оптические параметры калибровочных блоков
Встроенное программное обеспечение прибора «OxiplexTS» позволяет регистрировать в мониторном режиме и анализировать следующие оптические параметры: АС, DC, φ, μa и μs’, - и ряд производных параметров, применяемых в тканевой оксиметрии
Методика измерений Методика измерений при экспериентальном исследовании образцов/фантомов биотканей включает следующие этапы: 1) калибровку прибора «Oxiplex TS» в соответствии с инструкцией по эксплуатации на блоке с известными оптическими параметрами (μa и μs'); 2) установку оптического датчика на поверхности исследуемого образца, плотное прижатие гибкого датчика к поверхности фантома и закрепление с помошью эластичного жгута, обёртывание фантома с закрепленным датчиком плотной чёрной материей; 3) регистрацию и запись в файл параметров рассеянного в исследуемом образце в обратном направлении излучения и расчетных оптических параметров: 1) амплитуду модуляции (AC) и средний уровень (DC) интенсивности обратно рассеянного в образце излучения для разных расстояний между источником и приёмником с учетом и без учета калибровочных коэффициентов; 2) рассчитываемые с помощью встроенного программного обеспечения «OxiTS» коэффициент поглощения (μa) и транспортный коэффициент рассеяния (μs') образца для длин волн 692 нм и 834 нм.
Выполнение работы
Меры безопасности При работе с лазерными диагностическими приборами потенциальную опасность может представлять поражение электрическим током и излучение лазеров. В приборе «Oxiplex TS» (ISS, Inc.) в качестве фотоприемников используются фотоэлектронные умножители, имеющие напряжение питания около 1,0-1,5 кВ. По электробезопасности «Oxiplex TS» соответствует ГОСТ 50267.0-92. При эксплуатации необходимо соблюдать следующие меры безопасности: – перед включением прибора в сеть обязательно проверить исправность сетевого шнура и блоков излучения; – запрещается включать аппарат в сеть при повреждении сетевого шнура; – включение аппарата в сеть 220 В осуществлять через розетки, к которым подключен заземляющий контур; – не оставлять без присмотра прибор включенным в электросеть; – не допускать затекания внутрь припора любых, особенно токопроводящих, жидкостей. По степени опасности генерируемого лазерного излучения «Oxiplex TS» соответствует ГОСТ 12.1.040-83, представляя опасность при прямом попадании излучения на сетчатку глаза. При эксплуатации «Oxiplex TS» категорически ЗАПРЕЩАЕТСЯ: – направлять лазерное излучение в глаза; – направлять лазерное излучение на хорошо отражающие поверхности (металлические, зеркальные поверхности, белую бумагу и другие поверхности белого цвета, блестящие предметы типа часов, зеркал и др.), которые вызывают отражение света и увеличивают возможность попадания его в глаза.
|
, (5)
I=I0·exp{-(ma·r·DPF+G)} (6)
(или ΔΦ), - является линейной функцией r – расстояния от источника до приемника (рис. 3); наклоны этих зависимостей (МAC, МDC и МPH) являются функциями оптических коэффициентов mа и ms' среды; пересечения этих линий (BAC, BDC и 
) зависят от параметров источника излучения [1,3,8,9].
; 
, (8)
