Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы неинвазивной диагностики в биомедицинских исследованиях на базе оптоакустического эффекта 15
1.1 Методы диагностики и физические процессы при оптоакустическом преобразовании в биомедицинских исследованиях с использованием лазерного излучения 15
1.2 Регистрация сигналов при оптоакустических биомедицинских исследованиях 20
1.3 Наноразмерные агенты как контрастные агенты в методах оптоакустического исследования крови 22
1.4 Методы оптоакустического исследования крови с наноразмерными объектами как контрастными агентами 26
1.5. MHealth как перспективное направление развития современной медицины 29
1.6 Выводы по главе 33
Глава 2 Математическое моделирование процесса оптоакустического преобразования в движущейся жидкости в присутствии наноразмерных объектов как контрастных агентов 35
2.1 Биомеханическая модель кровотока в гемодинамике 35
2.2 Разработка теоретической модели оптоакустического преобразования в движущейся модельной жидкости, имитирующей кровоток человека 48
2.2.1 Процесс генерации акустического сигнала в результате оптоакустического преобразования в модельной жидкости 50
2.2.2 Расчет влияния скорости движения потока на суммарное акустическое поле 57
2.2.3 Учет влияния наноразмерных объектов на суммарное акустическое поле движущейся модельной жидкости при оптоакустическом преобразовании 70
2.3 Статистическая модель оптоакустического преобразования в движущейся жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов с использованием метода Монте-Карло 80
2.4 Выводы по главе 84
Глава 3 Экспериментальные исследования процесса оптоакустического преобразования в движущейся модельной жидкости в присутствии наноразмерных объектов в качестве контрастных агентов 86
3.1 Схема экспериментальной установки и методика измерений 86
3.1.1 Описание хода экспериментальных исследований 87
3.1.2 Описание модельной жидкости для экспериментальных исследований 90
3.1.3 Описание наноразмерных агентов, применяемых в экспериментальных исследованиях и приготовление суспензии 91
3.1.4 Описание измерительной кюветы, применяемой в экспериментальных исследованиях 92
3.1.5 Описание технических средств и средств обработки информации, применяемых в экспериментальных исследованиях 95
3.2 Результаты и обсуждение измерений 98
3.3 Выводы по главе 108
Глава 4 Разработка метода и алгоритмов неинвазивного оптоакустического исследования крови для мобильного здравоохранения 109
4.1 Метод и алгоритмы системы неинвазивного оптоакустического исследования крови для MHealth 110
4.1.1 Структура системы неинвазивного оптоакустического исследования крови 115
4.1.2 Назначение составных частей системы неинвазивного оптоакустического исследования крови 119
4.1.3 Краткое описание работы системы неинвазивного оптоакустического исследования крови 119
4.1.4 Структура диагностического модуля неинвазивного оптоакустического исследования крови и алгоритм его работы 120
4.1.5 Алгоритмы работы системы неинвазивного оптоакустического исследования крови 122
4.1.6 Программное обеспечение системы неинвазивного оптоакустического исследования крови 129
4.2 Выводы по главе: 133
Заключение 135
Список использованных источников 138
Список использованных сокращений 155
Приложение А – Протоколы проведенных экспериментальных исследований 156
Приложение Б – Акты и справки о внедрении 173
- Методы диагностики и физические процессы при оптоакустическом преобразовании в биомедицинских исследованиях с использованием лазерного излучения
- Процесс генерации акустического сигнала в результате оптоакустического преобразования в модельной жидкости
- Результаты и обсуждение измерений
- Программное обеспечение системы неинвазивного оптоакустического исследования крови
Методы диагностики и физические процессы при оптоакустическом преобразовании в биомедицинских исследованиях с использованием лазерного излучения
Исследования крови являются одним из фундаментальных инструментов биомедицинских исследований на протяжении многих лет. В основе большинства способов исследования крови лежат методы спектрального анализа. Однако, инвазивная экстракция клеток из живого организма приводит к необратимым изменениям свойств извлеченных клеток, таким образом, их исследования становятся менее информативными, так как не соответствуют свойствам клеток, находящихся в организме.
В настоящей диссертационной работе предложен метод, алгоритмы и система для медицинского технологического процесса, в котором суммируются последние достижения в области биомедицинских исследований – применение неинвазивного метода исследования крови на базе оптоакустического эффекта; в области материаловедения – применение наноразмерных объектов как контрастных агентов; в области информационных технологий – разработка метода и алгоритмов системы неинвазивного анализа для сегмента мобильного здравоохранения. Применение этого метода биомедицинского исследования позволит обнаружить нормальные клетки крови в разных функциональных состояниях (например, апоптотических и некротических), редкие аномальные клетки (например, циркулирующие опухолевые клетки, раковые стволовые клетки, патогены, сгустки, серповидные клетки), а также проследить фармакокинетику наночастиц как контрастов.
Оптоакустический эффект – это генерация акустических волн при поглощении оптического излучения в веществе. В настоящей диссертационной работе источником акустических волн является лазерное излучение с длиной волны 1064 нм, мощность которого составляет 3 мДж, длина импульса лазера – 84 нс, частота следования импульсов – 10 кГц. При действии лазерного излучения на вещество возникают различные физические эффекты, которые более подробно рассмотрены в разделе 2.2. Мощность рассматриваемого в работе лазерного излучения выбрана таким образом, что воздействие не вызывает изменения агрегатного состояния вещества в области поглощения света, поэтому в качестве физического процесса, происходящего при оптоакустическом (далее – ОА) преобразовании рассматривается тепловой механизм генерации акустических волн.
ОА эффект нашел широкое применение в биомедицинских исследованиях, в настоящее время для общей оценки состояния здоровья человека существуют клинические системы на основе ОА эффекта, которые в согласно опубликованным данным принято называть методами ОА визуализации [25,31,33,39–44]. ОА визуализация – это медицинская технология молекулярной визуализации, где по математическому алгоритму получения рисунка строятся изображения с высоким разрешением в рассеивающей среде, например, в биологических тканях. Это новая перспективная медицинская технология, которая применяется для диагностики и оценки различных патологий наряду с уже существующими способами визуализации (томография, рентгеновские и ультразвуковые исследования). С помощью данной технологии [45] можно получить новую объективную информацию о здоровье пациента, например, уровень оксигенации, лежащей в основе ткани. Преимуществами ОА визуализации являются высокая точность обработки изображений, более широкое поле обзора и более быстрое время сканирования, чем в других системах диагностики того же порядка стоимости. Многие исследовательские группы и компании разрабатывают новые технологии для систем сбора данных/обработки сигналов, геометрии детектора и акустического датчика [39,41,42,46,47].
В современных клинических системах ОА визуализации обычно используются три типа преобразователей изображения: линейный матричный преобразователь, изогнутый линейный матричный преобразователь и преобразователь объемной матрицы.
Совершенствование параметров акустического датчика является актуальной задачей для дальнейшего повышения качества изображения ОА визуализации, что в будущем позволит успешно использовать данные системы в клинической практике согласно открытым источникам.
Оптико-акустические биомедицинские исследования представляют собой комбинированные лазерные и ультразвуковые методы диагностики состояния объектов, которые могут поглощать или отражать оптическое излучение. Информация о распределении тепловых источников в жидкой среде содержится во временном профиле ОА сигнала [42,45,48–51]. Следовательно, возможно провести восстановление распределения источников излучения в среде, проведя обработку измеренного ОА сигнала.
Методы и средства оптоакустики могут быть применены для решения любой задачи, где необходимо визуализировать объект, который обладает повышенным коэффициентом поглощения света сравнительно с поглощением света окружающей средой. В биологических и медицинских науках такой задачей является визуализация кровеносных сосудов, потому что для ближнего инфракрасного диапазона установлено, что коэффициент поглощения света кровью выше, чем коэффициент поглощения света другими биологическими тканями [48–51]. Следующей задачей является диагностирование наличия злокачественных опухолей, так как для них характерно усиленное кровоснабжение. Еще одной задачей является диагностика термических разрушений, которые могут произойти в толще или вблизи поверхности биологической ткани [45,50,52]. ОА визуализация уже давно и широко применяется в спектроскопии, в материаловедении, химии и биохимии, а также в биомедицинских исследованиях.
Для диагностики общего состояния здоровья пациента и оценки эффективности терапии широко используются оптоакустическая ОА визуализация с помощью МРТ, рентгеновского излучения и флуоресцентной диагностики и другие методы [41,42,49,50]. С помощью ОА томографа проводят доклинические исследования с помощью молекулярной визуализации, проводят исследования головного мозга и т.д.
Современные методы позволяют не только проводить узконаправленные анализы, но даже визуализировать и наблюдать процессы межклеточных взаимодействий, дифференцировки и миграции клеточных органелл и события, происходящие внутри клетки в режиме реального времени [8,26,38]. Одновременно за счет открытий в материаловедении, изготовлении новых датчиков и усовершенствования способов обработки и передачи информации в последнее время способы исследования и анализа ОА сигналов набирают популярность [1,6,8,25,26,30-35,40-42,53].
Процесс генерации акустического сигнала в результате оптоакустического преобразования в модельной жидкости
Процесс оптоакустического преобразования и результаты теоретических и экспериментальных исследований генерации акустического сигнала лазерными импульсами в жидкости хорошо изучены и описаны в ряде работ [101-103]. Линейное волновое уравнение удовлетворительно описывает реальные процессы генерации звука лазерными импульсами в жидкости, и последовательное решение пространственной краевой задачи для неоднородного волнового уравнения дает результат, согласующийся с экспериментальными данными.
Если радиус светового луча R0 мал по сравнению с длиной световой волны Я, то источником звуковых волн является цилиндрический объем: Vобъем = П } .
При поглощении светового импульса энергии Е и длительности Т этот объем расширяется и излучает акустический импульс. Его параметры можно рассчитать в двух предельных случаях, соответствующих тонкому, RQ «С C0T , и толстому, RQ »с0т, цилиндрам, по сравнению с пространственной протяженностью акустического сигнала (здесь с0 скорость звука в модельной жидкости).
В первом случае в процессе выделения энергии происходит расширение цилиндра, приводящее к излучению импульса сжатия. В поперечном к оси луча направлении на расстоянии г от оси в зоне Фраунгофера амплитуда избыточного давления Р± описывается следующими выражениями
Далее повышается давление в объеме объем = " V, и это вызывает излучение волны в поперечном к оси цилиндра направлении, подобно тому, как излучается волна сферической областью, имевшей избыточное давление в начальный момент времени.
В поперечном направлении амплитуда давления определяется выражением, учитывающем синфазное сложение элементарных источников, расположенных на длине Кровеносный сосуд может быть представлен в виде трубки с бесконечно тонкими стенками, через которую протекает поток модельной жидкости со скоростью V. В результате оптоакустического взаимодействия излучения лазера с модельной жидкостью происходит тепловое изменение объема крови, что приводит к возникновению акустических волн. При взаимодействии оптического колебания лазера с нанотрубками, которые находятся в исследуемой модельной жидкости, также возникает акустическое поле. Еще одна составляющая суммарного акустического поля возникает вследствие нелинейного взаимодействия акустических волн с потоком жидкости (кровотоком). Суммарный уровень акустического давления, возникший в результате всех вышеперечисленных эффектов, может быть измерен пьезокерамическим приемником.
В настоящей диссертационной работе предложено использовать наноразмерные частицы в качестве контрастных агентов. Обработка наночастиц позволяет им стать адгезивными [59,61,62] к определенному типу частиц крови человека, например, к раковым клеткам или компонентам крови. Таким образом, компонент крови, окруженный наночастицами, становится заметным при воздействии на него акустических волн.
Взаимное расположение источника оптического излучения и положение пьезокерамического приемника, принимающего акустический сигнал, показаны на рисунке 2.2. Диаметр сосуда намного меньше его длины, поэтому при расчетах учитывается поперечная составляющая акустической волны, а продольной составляющей пренебрегаем. Скорость потока модельной жидкости (скорость кровотока) принята постоянной = const
Источником волн накачки в среде является импульсный лазер, которым можно возбудить одиночные звуковые импульсы длительностью от 10-3 до 10-8 секунд или периодическую последовательность таких импульсов [102,103], а длина возбуждаемой звуковой волны зависит от длительности импульса лазера.
Методы современной нелинейной акустики позволяют рассчитать волновые взаимодействия, возникающие в результате ОА эффекта в неподвижной среде [69,98,104,105]. Кроме того, при анализе распространения акустических волн в движущейся среде в литературе принято [106-109], что влияние плавнонеоднородного потока на процесс нелинейного взаимодействия сводится к основному эффекту - рассеянию акустических волн на потоке. Это зависит от параметров изучаемой модельной жидкой среды и имеет одинаковый порядок малости. По акустическому числу Маха порядок малости первый, по гидродинамическому числу Маха - второй порядок малости [106,108,109]. Вклад каждого эффекта в формирование звукового поля считается аддитивным и может быть рассчитан по отдельности [24].
Расчет амплитуды давления акустической волны PОА, возникающей в результате ОА эффекта, проводится методом медленно изменяющегося профиля, предложенным Р.В. Хохловым [97,110].
Расчет амплитуды давления акустической волны Pнано, возникающей в результате ОА эффекта в присутствии наночастиц в модельной жидкости проводится методом, предложенным Л.М. Лямшевым, где рассматривается генерация акустических волн от твердого тела, находящегося в жидкой среде при воздействии оптического излучения [98].
Расчет амплитуды давления акустической волны Pпатока возникающей при наличии потока движущейся модельной жидкости рассчитывается методом, предложенным Д.И. Блохинцевым, где учитывается «снос» звуковой волны и флуктуации скорости потока[109]. В [24] показано, что суммарное акустическое поле в движущейся жидкости может быть представлено в виде P, =P+P , где P - амплитуда Ъпотока 1 2 і давления акустических волн в неподвижной среде, P2 - амплитуда давления акустических волн от потока со скоростью V.
Согласно этому положению ряд авторов [68,82,111-113], которые изучали распространение звуковых волн в неоднородных движущихся потоках и в средах с наличием наночастиц, показали, что общее звуковое поле может быть представлено как сумма составляющих: РОА - поле, генерируемое в отсутствие потока в результате ОА эффекта; Рпотот -поправка к суммарному акустическому полю, обусловленная наличием потока, Рнано - поле, возникающее в результате генерации акустических волн в конгломерате нанотрубок, находящихся в жидкости при поглощении лазерного излучения.
Результаты и обсуждение измерений
В настоящем разделе проводится качественное сравнение проведенных в главе 2 теоретических расчетов с экспериментальными результатами. Сами результаты измерений амплитуд акустических волн и их спектров приведены в протоколах 1-3 в приложении 1.
Были измерены амплитуда акустической волны и рассчитана спектральная плотность акустического сигнала, возникающего в результате ОА преобразования в неподвижной воде и в неподвижном и движущемся растворе глицерина (85% и 50%).
Как показал эксперимент, при скорости модельной жидкости 2,89 см/с и ее температуре 3 / ± 1 С наблюдается изменение формы и спектра акустического сигнала, который возникает в результате ОА преобразования в модельной жидкости в присутствии наноразмерных агентов. Данные сравнения приведены на рисунках ниже.
На рисунке 3.7 на временной реализации для неподвижной модельной жидкости наблюдается многочастотный сигнал и смещение сигнала относительно оси абсцисс отсутствует. На временной реализации для движущейся жидкости наблюдается многочастотный сигнал и смещение сигнала относительно оси абсцисс в положительную область. На рисунке 3.9 показана временная реализация для движущейся и неподвижной модельной жидкости (воды) при включенном фильтре.
Как следует из рисунков 3.8, 3.10 для неподвижной модельной жидкости в спектре сигнала наблюдается максимум вблизи одной частоты 1 МГц, а при измерениях для движущейся жидкости происходит перераспределение спектра и появляются новые спектральные составляющие в районе 1-1,5 МГц.
Временные реализации и спектр для неподвижного и подвижного глицерина приведены на рисунке 3.11 – 3.12. Как видно из представленных результатов, временная реализация и спектр акустического сигнала и спектр акустических волн меняется для неподвижной и движущейся среды
На рисунке 3.11 на временной реализации для неподвижного глицерина наблюдается сильно зашумленный многочастотный сигнал и смещение сигнала относительно оси абсцисс отсутствует. На временной реализации для движущегося глицерина наблюдается многочастотный сигнал и смещение сигнала относительно оси абсцисс в положительную область.
На рисунке 3.12 показан спектр для движущегося и неподвижного глицерина. Как следует из рисунка вблизи частоты толщинного резонанса датчика (10 МГц) спектр сильно зашумлен, в диапазоне 7-11 МГц наблюдаются всплески на частотах, близких к резонансной. Следовательно, чтобы оценить возникающий ОА эффект и определить влияние движущейся жидкости на спектр необходимо учесть влияние шумов экспериментальной установки на спектр принятого акустического сигнала. Для этого был применен фильтр верхних частот.
Далее, на рисунках 3.13-3.14 показаны временные реализации и спектр для неподвижного и подвижного раствора глицерина 85% при включенном фильтре.
На рисунке 3.13 на временной реализации для неподвижного раствора глицерина 85% при включенном фильтре, что соответствует красной кривой, наблюдается сигнал, совпадающий по форме с профилем акустического сигнала, возникающего в среде в результате оптоакустического преобразования. На временной реализации для движущегося глицерина наблюдается сильно зашумленный сигнал (от 0,1 до 0,5 нормированной амплитуды), но форма сигнала сохраняется. Такой высокий уровень шумов можно объяснить типом применяемого насоса в эксперименте. Для более точных измерений необходимо использовать малошумящий насос, который не будет давать дополнительных спектральных составляющих в диапазоне1-10 МГц.
На рисунке 3.14 показан спектр для движущегося и неподвижного глицерина. Как следует из рисунка, для неподвижного раствора глицерина 85% в диапазоне 2-4 МГц наблюдаются отдельные спектральные составляющие, которые перераспределяются для движущегося глицерина. На рисунке 3.15 этот диапазон частот спектра показан в укрупнённом масштабе.
Как следует из рисунка 3.15 в диапазоне измерений от 2 до 4 МГц для неподвижного глицерина наблюдается одна спектральная составляющая на частоте частоты 2,7 МГц (нормированная амплитуда – 0,97) и две спектральные составляющие на частотах 2,68 и 2,79 МГц (нормированная амплитуда – -0,51 и 0,49), соответственно.
При включении насоса, что соответствует движущемуся глицерину и синей кривой, наблюдается перераспределение спектральных составляющих и появляются спектральные составляющие с нормированными амплитудами 0,35, 0,60, 0,67 и 0,50 на частотах 2,6 МГц, 2,7 МГц, 2,81 МГц, 2,9 МГц, соответственно.
Полученные экспериментальные данные были сопоставлены с теоретическими расчетами, проведенными в главе 2. На рисунке 3.16 а показаны пронормированные экспериментально измеренные временные составляющие для движущегося и неподвижного глицерина, а на рисунке 3.16 б приведены результаты расчетов из главы 2.
Программное обеспечение системы неинвазивного оптоакустического исследования крови
В настоящее время существует много стандартов построения промышленных сетей передачи данных: Modbus, CAN, Profibus и другие. Каждый из перечисленных стандартов имеет свои достоинства и недостатки с точки зрения реализации в оконечном устройстве.
Modbus – легко реализуем, но устаревший и не обеспечивает гарантированную доставку данных.
Profibus – имеет закрытый протокол, требует приобретения дорогостоящих микросхем для каждого выпускаемого устройства, труден в отладке и верификации процесса обмена.
В связи с этим в качестве стандарта обмена данными в системе был выбран CAN с протоколом CanOpen. Информация о CAN регламентируется стандартами ISO 11898 и ISO 11519-1 (высокоскоростные и низкоскоростные приложения) [129,132].
CANopen был разработан, как открытый протокол высокого уровня, для сетей промышленной автоматизации, для ускорения проектирования сетей на основе CAN и стандартизации работы таких сетей ассоциацией CAN in Automation (CiA). Он получил широкое распространение в промышленности, транспортных средствах, медицинском оборудовании. Протокол является открытым, а документация по его использованию доступна [129,132]. Протокол обеспечивает постоянный мониторинг устройств в сети, чтение или изменение любого из параметров устройства, а также регулярную пересылку заданного числа параметров технологического процесса.
Датчики могут быть подключены через сеть CAN с протоколом CanOpen к ПТС ДМ, как показано на рисунке 4.7.
Программные средства состоят из ПС сервера медицинского учреждения, ПС мобильного устройства пациента и ПС мобильного устройства врача.
Используемый диагностический модуль ДМ является высокоинтеллектуальным с предустановленным программным обеспечением. Для корректного функционирования ДМ требуется его конфигурирование и калибровка показаний при первом личном посещении пациентом медицинского учреждения.
Логическое взаимодействие между программными средствами отображено на рисунке 4.8.
ПС ПТС сервера медицинского учреждения (СМУ) может быть реализована под управлением многозадачной операционной системы ASTRA Linux Special Edition и выполнять следующие основные задачи:
- осуществлять обмен данными между МВУ врача и пациента (настройка и конфигурирование);
- осуществлять сбор и хранение данных об анализе крови пациента и рекомендациях врача;
- обеспечивать протоколирование, регистрацию и хранение информации, полученной от врача и пациента;
Операционная системы ASTRA Linux Special Edition производимая АО «НПО РусБИТех» имеет Сертификат ФСТЭК № 2557 от 27.01.2012 (продлен до 27.01.2021). Система ASTRA Linux Special Edition является операционной системой типа «А». Данная система выполняет нормы, приведенные в документах «Требования безопасности информации к операционным системам» (ФСТЭК России, 2016) и «Профиль защиты операционных систем типа «А» второго класса защиты. ИТ.ОС.А2.ПЗ» (ФСТЭК России, 2016).
ASTRA Linux Special Edition является открытой операционной системой и успешно используется в государственных учреждениях Российской Федерации, включена в единый реестр российских программ для электронно-вычислительных машин и баз данных Минкомсвязи России, и применяется в целях обеспечения защиты информации, в которой содержатся составляющие государственную тайну сведения, а также иная информация, на которую наложены ограничения при ее обработке в информационных системах и автоматизированных системах управления.
ПС МВУ 1, МВУ 2 может быть реализована под управлением многозадачной операционной системы Android и выполнять следующие основные задачи:
- реализовывать человеко-машинный интерфейс;
- обеспечивать ввод и корректировку базы данных, содержащей информацию о дате и параметрах исследования крови пациента;
- создавать и отображать графическую информацию о параметрах исследования крови пациента в согласованной с врачом и утвержденной администрацией медицинского учреждения форме;
- отображать числовую и текстовую (сообщения) информацию, диагностическую информацию,
- отображать предупреждения и сообщения об ошибках в работе оборудования;
- отображать подсказки пользователю (ссылки, рекомендации) по выполнению тех или иных действий;
- обеспечивать защиту от НСД и разграничение прав пользователей;
- формировать текстовую и графическую документацию (протоколы);
- выводить информацию на печать;
- выполнять запись и восстановление резервных копий программного обеспечения (образа диска) программно-технических средств;
- обеспечивать вывод звуковых сообщений при наступлении событий.
В предложенной системе неинвазивного оптоакустического исследования крови учтен опыт разработки и внедрения уже существующих приложений для мобильных телефонов, которое позволяют осуществлять, например, мониторинг сахара в крови, вести электронный дневник и получать рекомендации врача в режиме реального времени [13,14,74,75,77]. То есть, как было сказано выше, для реализации данной технологии используются уже существующие вычислительные ресурсы пациента и медицинского учреждения (лечащего врача).
Таким образом, затраты медицинского учреждения будут сведены к минимуму, а затраты пациента будут заключаться в приобретении диагностического модуля и мобильного приложения. Следовательно, можно выделить следующие преимущества – экономия времени и ресурсов пациента, оперативность получения консультации. Со стороны медицинского учреждения – экономия затрат на содержание стационарных рабочих мест, отсутствие очередей, оптимизация рабочего процесса, упрощение хранения информации, повышение уровня безопасности при сохранении конфиденциальности и врачебной тайны.a