Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование динамики оксигенации гемоглобина кровенаполненной ткани под воздействием лазерного облучения in vivo 19
1.1 Мотивация исследования 19
1.2 Экспериментальное исследование динамики сатурации крови in vivo при лазерном облучении кровенаполненной ткани 24
1.2.1 Методика измерений 25
1.2.2 Результаты измерений 27
Выводы к главе 1 31
Глава 2. Обоснование возможности неконтактной регистрации динамики капиллярного кровотока и пульсовых волн человека in vivo методами оптики спеклов 33
2.1 Применимость методов оптической спекл-диагностики в биомедоптике.ЗЗ
2.2 Основные свойства спекл-полей 36
2.2.1 Спеклы в пространстве предмета 37
2.2.2 Спеклы в пространстве изображения 42
2.2.3 Суммирование спекл-полей 45
2.2.4 Лазерные спекл-структуры от биологических тканей 48
Выводы к главе 2 52
Глава 3. Исследование динамики микроциркуляторного кровообращения человека in vivo 53
3.1 Состояние проблемы 53
3.2 Измерение скорости движущегося диффузного объекта через динамику спеклов 55
3.2.1 Метод автокорреляции. Теоретические основы 55
3.2.2 Влияние фотоприемника на результаты измерений 59
3.3 Модельные эксперименты 61
3.4 Натурный эксперимент 65
Выводы к главе 3 71
Глава 4. Исследование возможности применения методов спекл-интерферометрии для регистрации формы пульсовых волн человека in vivo ...73
4.1 Состояние проблемы 73
4.1.1 Методы регистрации пульсового сигнала 74
4.1.2 Датчик формы пульсовых волн, основанный на регистрации флуктуации интенсивности спеклов 75
4.2 Амплитудный спекл-датчик формы пульсовой волны 77
4.2.1 Общие положения 77
4.2.2 Модельный эксперимент 82
4.2.3 Натурный эксперимент 85
4.3 Дифференциальный оптоэлектронный спекл-пульсометр 89
4:3.1 Общие сведения. ..89
4.3.2Mo дельный; эксперимент:. 94
4.4 Сравнительные натурные испытания амплитудной и дифференциальной схем 96
4.5 Лабораторный макет спекл-датчика пульсовых волн... 98
4.5.1. Концепцияпостроения сенсоров капиллярного кровотока и формы пульсовой волны 98
4.5.2 Разработка и создание сенсоров формы пульсовой волны 100
4:5.3. Лабораторный макет оптоэлектронного датчика: скорости микроциркуляторного кровотока и формы пульсовых волн 101
Выводы к главе 4 103
Глава 5. Исследование биологических микрообъектов методом лазерной дифрактометрии 104
5.1 Состояние проблемы 104
5.2 Принципы Фурье-оптики 106
5.3 Распознавание биологических микрообъектов методами Фурье-оптики 110
5.4:Экспериментальные исследования. 112
5.4.1 Концепция и структурная схема модифицированного лазерного дифрактометра 112
5.4.2 Результаты исследований 115
5:5 Расширение возможностей классификации и распознавания биологических микрообъектов методом сортировки в градиентном І световом поле. 123
5.5:1 Физические принципы применения градиентных лазерных полей в биомедоптике 123
5.5.2 Экспериментальные исследования 126
Выводы к главе 5 131
Заключение 133
Список литературы 135
- Экспериментальное исследование динамики сатурации крови in vivo при лазерном облучении кровенаполненной ткани
- Лазерные спекл-структуры от биологических тканей
- Влияние фотоприемника на результаты измерений
- Датчик формы пульсовых волн, основанный на регистрации флуктуации интенсивности спеклов
Введение к работе
Охрана здоровья человека, защита окружающей среды, обеспечение человечества продовольствием — одни из основных проблем современного этапа развития общества. Это определяет значительный интерес к лазерным биотехнологиям. Во всем мире интенсивно разрабатываются лазеры медицинского назначения, уникальные лазерные биомедицинские комплексы и технологические установки, лазерная терапевтическая и диагностическая аппаратура. Основой этих разработок являются достижения в области лазерной физики и техники, в изучении взаимодействия лазерного излучения с биосистемами, в создании волоконно-оптических средств доставки излучения, измерительной и вычислительной техники.
К настоящему времени лазерные методы лечения нашли широкое распространение в медицине [1]. Однако, остается нерешенным ещё ряд принципиальных задач, и в первую очередь, определение оптимальной индивидуальной дозы лазерного терапевтического воздействия.
Необходимость выявления индивидуальной дозы связана, в частности, с тем, что разные биологические ткани обладают разными спектральными оптическими свойствами не только в зависимости от длины волны, мощности, поляризации и других характеристик лазерного излучения, но и от индивидуальных особенностей организма: от особенностей обменных механизмов, наличия или отсутствия патологического процесса в тканях и органах, параметров кровообращения, реактивности вегетативной нервной системы, состояния организма в целом, т.е. от индивидуального для каждого пациента функционально-физиологического и патофизиологического состояния тканей, органов и всего организма [2-4].
Разработка и совершенствование методов лазерной диагностики продолжает оставаться практически значимой и сложной научной проблемой. Задача лазерной диагностики — извлечение информации о биообъекте, формируемой в результате взаимодействия с ним лазерного излучения.
Необходимо, чтобы эта информация отражала невозмущенные лазерным излучением характеристики биообъекта. Следовательно, необходима оптимизация диагностического взаимодействия с точки зрения параметров зондирующего лазерного излучения: оно должно быть достаточно сильным, чтобы обеспечить получение необходимой информации, и в то же время достаточно слабым, чтобы не вызывать существенного изменения состояния биообъекта.
В ходе развития методов лазерной диагностики, отчетливо проявилась высокая информативность оптических параметров, пригодных для медико- биологической диагностики (спектральные, пространственные, энергетические). Эти параметры могут служить не только основой для новых методов диагностики, но и хорошим информационным и методологическим базисом для комплексной многофакторной лазерной диагностики, как нового научного направления в медицине.
Например, очень информативна регистрация нелинейных оптических эффектов в тканях и крови, связанных со спектральной селективностью молекулярного поглощения и явлением наведенной и эндогенной флуоресценции [2]. Достаточно сильной фотоактивностью и флуоресценцией в красной области спектра (630...670 нм) отличаются порфирины. Известна, например, связанная с ними сильная полоса поглощения в области 400 нм у гемоглобина (полоса Соре). Кроме того, оксигемоглобин (связанный с кислородом гемоглобин — НЬСЬ) и восстановленный гемоглобин (НЬ) имеют также различные полосы поглощения, хорошо известные в физиологии (по крайней мере, для гемолизованной крови) [5]. Любые изменения содержания НЬОг важно отслеживать, например, при патологиях сердечно-сосудистой системы (ССС) и органов дыхания, тканевой гипоксии, наличии мышечных и общих эмоционально-физических перегрузок, различных воспалительных процессов в тканях и органах. Диагностика общего содержания НЬ в эритроцитах, гематокрита крови и скорости капиллярного кровотока необходимы для уточнения этимологии анемии.
Однако, практически не разработаны еще методы анализа и обработки диагностических данных, дающие необходимую медико-биологическую, а не физико-техническую информацию (определяются не очень понятные для врача коэффициенты отражения, интенсивности, флуоресценции и т.п.). Диагностические приборы сегодня, по сути, представляют собой не специализированное оборудование, а обычное универсальное лабораторное оборудование, используемое в физике (фотометры, монохроматоры и т.д.), которые не адаптированы для специфики медицинских приложений. Возможно, именно поэтому результаты разных методов иногда явно противоречат друг другу [6].
Сегодня на первое место выходят лазерные методики терапии у и диагностики, минимизирующие инвазивность, фармахимизм и другие экологически и психологически нежелательные воздействия на организм человека, и в целом предпочтение отдается приборам, основанным на неинвазивных и бесконтактных методах измерения.
Неинвазивная лазерная терапия и оптическая биомедицинская диагностика — это новые диагностические направления в медицине, зародившиеся в конце 1980-х годов и находящиеся пока еще на этапах НИР, ОКР и первых опытных образцов приборов во всем мире. Оптическая неинвазивная диагностика предполагает использование лазерного (оптического) излучения для прижизненного зондирования тканей и органов пациента с целью получения по отраженному (рассеянному, прошедшему ткань насквозь и т.п.) свету диагностической информации о биохимическом составе и анатомическом (морфологическом) строении обследуемого участка мягких тканей тела пациента. Сегодня это под силу лишь длительным по времени и дорогостоящим лабораторным биохимическим и гистологическим анализам, требующим взятия образцов крови, фрагментов биотканей и т.п., или, частично, ультразвуковым и рентгенологическим обследованиям. Оптическая диагностика позволить решить эти задачи неинвазивно и без использования вредных ионизирующих излучений [7].
Диагностические приборы, реализующие все эти принципы, представляют собой сегодня соединенные с персональным компьютером (ПК) оптоэлектронные узлы и блоки, позволяющие освещать область тела пациента низкоинтенсивным оптическим излучением заданной мощности и спектрального состава и регистрировать выходящее из тканей пациента вторичное (рассеянное) излучение.
Вся конечная обработка информации и решение обратных задач оптики светорассеивающих сред на основе математических расчетных алгоритмов происходят сегодня в компьютерах диагностических систем.
Сложность физических процессов, лежащих в основе методов лазерной диагностики, особенно их неинвазивной и неконтактной реализации, определяет наличие нерешенных проблем ограничивающих, но и стимулирующих в целом это научное и практическое направление развития современной биомедицины.
Существующие лабораторно-клинические методы и средства лазерной диагностики в основном направлены на получение количественных диагностических результатов с требуемой точностью. Это в большинстве случаев, даже при небольших габаритах сенсорной части диагностического комплекса, требует сравнительно сложной и соответственно габаритной электронной обрабатывающей аппаратуры.
На практике возможны ситуации, требующие проведения экспресс-оценки состояния организма человека с точки зрения оценки адекватности поведения испытуемого, находящегося в экстремальных условиях, в частности: космического полета, дежурства на объектах повышенной опасности, подводного плавания, пилотирования самолетов и т.п. Кроме того, подобные задачи возникают в условиях чрезвычайных происшествий: пожар, взрыв, землетрясение.
Для оценки состояния человека в перечисленных обстоятельствах на первом этапе диагностические мероприятия могут и должны обеспечиваться малогабаритной, мобильной аппаратурой с малым энергопотреблением и позволяющей получать информацию на основе обнаружения и распознавания ключевых диагностических признаков, делать достоверное заключение, в рамках поставленной задачи, о состоянии испытуемого (наблюдаемого).
Особо следует отметить, что в ряде случаев, в частности при значительных травматических (раневых), ожоговых поражениях и т.п., проведение контактной диагностики становится практически невозможным, т.е. возникает необходимость проведения диагностических измерений неконтактным методом.
Среди обсуждающихся в настоящее время перспективных лазерных диагностических методик выделяются методы спекл-оптики и спекл-интерферометрии, представляющие значительный интерес для оптики неоднородных биотканей.
Интерес к этим методам обусловлен рядом присущих им преимуществ перед традиционно применяемыми в клинической практике неинвазивными диагностическими методами. По сравнению с методами ультразвуковой диагностики и лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) диагностические методы, базирующиеся на методах оптики спеклов, потенциально обладают большей простотой практической реализации измерительной аппаратуры, возможностью решения проблемы выделения слабых сигналов на фоне шумов, свойственной, в частности, методам ЛДА.
Кроме того, и это практически важно, существенным преимуществом является возможность регистрации информационных сигналов, в том числе скоростей биологических жидкостей и микровибраций биотканей различной природы неконтактно.
Кроме методов лазерной диагностики параметров организма в целом, значительный научный и практический интерес представляют методы оценки оптико-физических параметров биологических микрообъектов. К таким методам относится, например, лазерная дифрактометрия, открывающая возможность исследования динамики как одиночных микрообъектов, так и их ансамблей под воздействием различных факторов в полуавтоматическом или автоматическом режимах [8]. Развитие и совершенствование этого диагностического направления является актуальной научной и практической задачей.
Таким образом, лазерная медицинская диагностика — в настоящее время одно из самых эффективных, динамично развивающихся направлений применения лазеров и лазерной техники в биомедицине. Возникающие разнообразные технические и теоретические проблемы и варианты их решения могут претендовать на статус нового фундаментального научного направления. Появляется реальная возможность осуществить объединение физики, математики, радиоэлектроники и кибернетики с науками о человеке и других живых системах.
Актуальность. Расширение областей применения лазерной биомедицинской диагностики, создание новых методов и соответствующих средств диагностики является актуальной задачей. Решение этой задачи требует выполнения комплекса работ по выявлению физических эффектов, которые могут быть положены в основу разработки новых диагностических подходов; определению особенностей реакции биообъектов на предполагаемые лазерные воздействия; поиск эффективных методов обработки получаемой диагностической информации. При этом принципиальными оказываются вопросы наибольшей простоты и наименьшей стоимости разрабатываемой аппаратуры при требуемой диагностической эффективности.
Целью диссертационной работы является развитие нового перспективного направления лазерной физики — лазерной биомедицинской диагностики, в части теоретического и экспериментального исследования новых методов и устройств контроля биофизических параметров человека на макро- и микроуровнях, в том числе разработка неконтактных датчиков и специализированных Фурье-процессоров.
Основные задачи диссертационной работы:
Развитие методики определения динамики оксигенации НЬ крови микроциркуляторного русла под воздействием чрескожного лазерного облучения различных длин волн и плотностей мощности и обоснование применимости этого параметра для определения оптимальной терапевтической индивидуальной дозы облучения.
Обоснование в рамках статистической теории оптических спекл-полей возможности построения неконтактных диагностических датчиков скорости крови в микроциркуляторном русле человека, в том числе капиллярного кровотока, и датчиков параметров вибраций поверхности биологических объектов, преимущественно пульсовой волны.
Разработка, теоретическое и экспериментальное исследование нового типа диагностических неконтактных датчиков капиллярного кровотока — лазерных оптоэлектронных спекл-датчиков. Практическая реализация и натурные исследования лабораторных моделей датчика.
Разработка, теоретическое и экспериментальное исследование нового типа диагностических неконтактных спекл-датчиков формы пульсовой волны. Практическая реализация и натурные исследования лабораторных макетов датчика.
Разработка и теоретико-экспериментальное обоснование концептуальной модели лазерного дифрактометра с расширенными измерительными возможностями для исследования динамических характеристик ансамблей биологических микрообъектов, в том числе эритроцитов крови.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Проведено исследование динамики сатурации (SaC^) крови в микроциркуляторном русле кожи человека под воздействием лазерного излучения в различных спектральных областях поглощения НЬОг при различных уровнях плотности мощности и дополнительных воздействиях на микроциркуляторное русло с целью определения оптимальной индивидуальной терапевтической дозы облучения. Показано, что достоверное определение оптимальной дозы требует регистрации динамики нескольких биофизических параметров, в том числе скорости капиллярного кровотока и параметров пульсовой волны.
На основе статистической теории оптических спекл-полей предложена и обоснована концепция построения нового типа неконтактных лазерных датчиков скорости микроциркуляторного кровотока и микровибраций поверхностей биообъектов, в том числе параметров пульсовой волны.
Разработана и теоретически обоснована автокорреляционная методика определения скорости микроциркуляторного, в том числе капиллярного, кровотока и на основе этой методики создана лабораторная модель лазерного неконтактного спекл-датчика.
Разработан, теоретически обоснован и экспериментально исследован ряд лазерных неконтактных спекл-датчиков микровибраций, позволяющих регистрировать форму пульсовой волны на расстоянии порядка 10 см от поверхности объекта.
Теоретически и экспериментально обоснована возможность построения нового типа лазерного дифрактометра для исследования динамических характеристик и оптико-физических свойств как ансамблей так и одиночных биологических микрообъектов.
Научная значимость диссертационной работы определяется тем, что в рамках проведенного цикла теоретических и экспериментальных исследований и разработок развиваются основы нового научного направления — лазерной биомедицинской диагностики. Предложен и исследован новый тип неконтактных датчиков биофизических параметров человека на основе единого физического подхода — статистической оптики спеклов. Впервые созданы спекл-датчики скорости крови в микроциркуляторном русле человека и вибраций поверхностей биообъектов.
На основе методов Фурье-оптики развита и экспериментально подтверждена концепция построения нового типа лазерного дифрактометра для исследования оптико-физических параметров биологических микрообъектов. Полученные в работе результаты будут стимулировать дальнейшее развитие методов и средств лазерной биомедицинской диагностики.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что её результаты могут быть использованы при разработке нового типа диагностической биомедицинской аппаратуры — неконтактных датчиков биофизических параметров человека и животных.
На основе предложенных базовых моделей датчиков возможно построение ряда их модификаций адаптированных к применению в неприспособленных, нестерильных помещениях, полевых условиях.
Предложенная концепция создания мдифицированного лазерного дифрактометра с активным управлением исследуемыми микрообъектами позволяет существенно расширить измерительные возможности подобной аппаратуры и увеличить объем получаемой диагностической информации. Научные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанные и развитые методики расчета характеристик оптических спекл-полей базируются на едином физическом подходе — статистической оптике, позволяют оценивать параметры динамики рассеивающих объектов, скорость и амплитуду смещения, и на этой основе определить способы создания ряда новых функциональных устройств для решения диагностических и терапевтических задач — неконтактных лазерных спекл-датчиков.
Разработанный и апробированный на оптико-механических моделях, имитирующих кровоток в микроциркуляторном русле, и в натурных измерениях метод автокорреляционной обработки случайных информационных сигналов позволяет получать достоверную диагностическую информацию о скорости кровотока.
Разработанные и развитые на основе спекл-интерферометрии и статистической оптики методы создания неконтактных лазерных спекл-датчиков вибраций биообъектов, в том числе формы пульсовой волны, позволяют создать семейство датчиков, работающих в широком диапазоне величин смещений (от микрон до сотен микрон), и регистрировать информационный сигнал на расстоянии порядка 10 см от исследуемого объекта.
Экспериментальная реализация предложенной концепции построения лазерного дифрактометра, базирующегося на методах Фурье оптики и оптической обработки информации, состоящего из двух измерительных каналов, визуального и спектрального, является достоверной основой для создания принципиально нового типа оптоэлектронной диагностической и измерительной аппаратуры.
Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, определяется применением современных экспериментальных методик, известных общепринятых способов теоретического анализа физических процессов; совпадением полученных результатов с результатами имитационного моделирования и с результатами, известными из литературных данных.
Внедрение результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете в течение ряда лет. Проекты на основе материалов диссертации были отмечены, как победители конкурсов грантов Правительства Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории г. Санкт-Петербурга 2008, 2009 гг.; программы «У.М.Н.И.К.» 2009, 2010 гг. Ряд научных результатов использован в лекционных курсах, читаемых студентам соответствующих специальностей.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах и конференциях: Всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2007 г.); Политехнический симпозиум «Молодые ученые — промышленности Северо-Западного региона» (Санкт-Петербург, 2007 г.); Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «XXXVI Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2007 г.); «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, 2008 г.); Всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2008 г.); 6-я Курчатовская молодежная научная школа (Москва, 2008 г.); Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «XXXVII Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2008 г.); Школа-семинар «Актуальные проблемы физики и технологии» (Санкт-Петербург, 2009 г.); Политехнический симпозиум «Молодые ученые — промышленности Северо-Западного региона» (Санкт-Петербург, 2009 г.); «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, 2009 г.); XVII Международная конференция «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии — 2009 г.» (Абрау-Дюрсо, 2009 г.); VIII Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» (Санкт-Петербург, 2009 г.); Конференция (школа-семинар) по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «Физика.СПб» (Санкт-Петербург, 2009 г.); 3-я Всероссийская молодежная школа-семинар с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики» (Москва, 2009 г.); «7-я Курчатовская молодежная научная школа» (Москва, 2009 г.); Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «XXXVIII Неделя науки СПбГНУ» (Санкт-Петербург, 2009 г.); Политехнический симпозиум «Молодые ученые — промышленности Северо-Западного региона» (Санкт-Петербург, 2010 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 работ, в том числе 6 в рецензируемых журналах.
Личный вклад автора в разработку проблемы. Основная часть результатов, касающихся разработанных моделей, схем и конструкций датчиков, методик расчетов, проведенных экспериментальных исследований, получена автором самостоятельно.
Автору принадлежит анализ и обобщение материалов, на базе которых обоснованы научные положения и выводы диссертации, а также участие во внедрении результатов исследований.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 150 страниц, в том числе 72 рисунка и 2 таблицы. Список литературы включает 130 наименований.
Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, определена цель работы, обоснованы научные новизна и значимость, а также практическая ценность работы, достоверность результатов и сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Содержатся сведения об апробации работы и внедрении её результатов. Кратко изложено содержание диссертации.
В первой главе проведено теоретическое и экспериментальное исследование динамики Sa02 крови в микроциркуляторном русле от воздействия лазерного излучения в широком спектральном диапазоне и при различных плотностях мощности. Показано, что существует достаточно выраженное влияние как низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ), так и лазерного излучения средней (20 мВт) и большой мощности на динамику Sa02 в капиллярном русле кожного покрова человека. При этом характер изменения SaC>2 зависит от параметров света как при непосредственном воздействии излучения лазера на кожу, так и при комбинированном воздействии: просветление кожи совместно со световым облучением. Установлено, что для более точного определения необходимой индивидуальной терапевтической дозы облучения необходимо регистрировать дополнительные параметры в области излучения (скорость капиллярного кровотока и форму пульсовой волны).
Во второй главе описаны основные свойства спекл-полей на базе математического аппарата статистической оптики, позволяющие обосновать применимость методов оптики спеклов для решения задачи определения скорости крови в микроциркуляторном русле и параметров вибраций биообъектов, в т.ч. пульсовых волн человека.
В третьей главе приводятся результаты исследования динамики микроциркуляторного кровообращения в коже человека методом спекл-оптики. Для оценки скорости эритроцитов крови в микроциркуляторном русле выбран и теоретически обоснован метод временной автокорреляции флуктуации интенсивности спекл-поля. Полученные результаты экспериментальных исследований подтверждают правомерность предложенного метода построения неконтактного спекл-датчика скорости крови в микроциркуляторном русле. Выявлен ряд проблем, связанных с обработкой информационных сигналов, регистрируемых по предложенной методике.
В четвертой главе описываются результаты разработки и исследования нового типа диагностического оптоэлектронного датчика, спекл-датчика, формы пульсовой волны. Показано, что когерентно-оптическая спекл-интерферометрия является перспективным методом невозмущающей регистрации формы пульсовой волны человека, содержащей существенную диагностическую информацию. Результаты модельных и натурных исследований различных вариантов построения сенсорной части датчика позволили выявить оптимальный, на основе которого был изготовлен лабораторный макет датчика.
В пятой главе решается задача исследования и оценки оптико-физических свойств и динамики биологических микрообъектов и их ансамблей с помощью дифрактометра с расширенными функциональными возможностями. Описаны концептуальная и лабораторная модель нового типа лазерного дифрактометра, содержащего два информационных канала: спектральный и изображения. Приведены экспериментальные результаты теоретически обоснованного исследования по управлению пространственно-временными параметрами микрообъектов в градиентных оптических полях.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Экспериментальное исследование динамики сатурации крови in vivo при лазерном облучении кровенаполненной ткани
Биофизическими параметрами организма человека, которые можно регистрировать чрескожно in vivo и определять их динамику в зависимости от параметров воздействующего на кожу лазерного излучения являются, в том числе, скорость капиллярного кровотока и пульсовые волны или микровибрации поверхности биообъектов иной природы. Сопоставление поведения этих параметров с динамикой Sa02 крови позволит на наш взгляд дать более полную картину индивидуальной реакции организма на лазерное воздействие и определить допустимые, не приводящие к нарушению локального гомеостаза, энергетические и спектральные параметры используемого с целью диагностики когерентного светового излучения.
Исследование динамики этих же параметров в зависимости от иных воздействий на организм человека позволят получать диагностические результаты, которые с одной стороны расширят возможности традиционных методов диагностики, а с другой стороны позволят выявить патологические процессы или их особенности, неопределяемые существующими методами.
Интенсивность микроциркуляции кровотока является важной характеристикой общего состояния сердечно-сосудистой деятельности, а методы оперативного контроля её уровня необходимы для диагностических целей (например при лечении ожогов, в процессе реанимации и т.д.). Динамика вариаций кровотока при наличии внешних возмущающих факторов — качественный показатель адаптационных процессов организма, поскольку на основании этих данных можно судить о регуляции кровоснабжения тканей. Несмотря на сложную пространственно-временную организацию сосудов, микроциркуляторной сети в целом присущи общие закономерности. Объективная оценка кровотока как основного показателя системы регуляции гомеостаза дает возможность получить достоверные данные о функциональном состоянии организма и обеспечить контроль патологических состояний.
В настоящее время для решения данной задачи в клинической диагностике используются, как правило, ультразвуковые доплеровские анализаторы. Однако эти системы сравнительно громоздки, требуют достаточно сложной обработки принятых сигналов и отличаются повышенной чувствительностью к юстировке системы. Более того, они по своему принципу действия дают информацию, усредненную по довольно большому объему ткани, определяемому размерами ультразвукового пучка, и не позволяют провести измерение локальных параметров, в частности, капиллярного кровотока.
В последние годы особый интерес вызывает изучение биотканей оптическими методами, в том числе с использованием корреляционных методик. Наиболее интересные из этих применений касаются неинвазивных измерений параметров кровотока в больших и малых сосудах, а также изменений объема крови в капиллярных петлях в мышцах и других биотканях.
Последние достижения лазерной техники и оптоэлектроники позволили значительно развить оптические методы диагностики, включая ЛДА. В частности, первые результаты по применению ЛДА для диагностики микроциркуляции крови были описаны в [35-37]. В подобных системах возможно осуществление неинвазивного измерения уровня микроциркуляции на основе регистрации световой волны, рассеянной на эритроцитах, движущихся в приповерхностных тканях на глубине 0,1-2 мм.
Однако применение ЛДА для оценки параметров капиллярного кровотока сопряжено с рядом проблем. В связи с тем что, как правило, требуется проведение чрескожного измерения характеристик капиллярного кровотока, возникает проблема выделения информационного сигнала из шумов. В первую очередь, это связано с многократным рассеянием света в коже и в подкожной ткани, которое приводит к существенному уширению спектра доплеровского сигнала, что ухудшает точность измерений. Кроме того, и в ряде случаев это имеет существенное значение, датчики этих приборов контактные, т.е. при проведении измерений их необходимо крепить (или прижимать) к поверхности исследуемого биообъекта. Избежать этих проблем можно, используя методы оптики спеклов. Такие методы, применяются для измерения линейных перемещений и деформаций в технике и медицине [38-40], однако возможность их использования для контроля динамики микропотоков биологических объектов находится на этапе исследований.
Для контроля динамики кровотока в однородной биоткани применимы методы, основанные на измерении временных флуктуации интенсивности или динамики спеклов. Динамика спеклов зависит от различных факторов, таких как пространственная структура ткани, поглощающие и рассеивающие характеристики среды и ряда других. Кроме того, что существенно, оптические спекл-поля неизбежно возникают при облучении биоткани когерентным излучением, в т.ч. при лечебном воздействии. Таким образом, открывается практическая возможность объединения процесса терапевтического лазерного облучения с регистрацией и контролем отклика организма на него.
Преимуществом методов спекл-оптики по сравнению с методами ультразвуковой диагностики и ЛДА состоит в большей простоте практической реализации аппаратуры, при этом в определенной мере решается проблема выделения слабых сигналов на фоне шумов, свойственные в частности, методам ЛДА. Кроме того, существенным преимуществом является возможность регистрации информационных сигналов, в том числе скоростей биологических жидкостей и микровибраций биотканей разной природы неконтактно, т.е. на некотором расстоянии от объекта.
Лазерные спекл-структуры от биологических тканей
Соответствующий выражению (2.40) график показан как кривая 1 на рис. 2.4, а. Распределение яркости, определяемое формулой (2.40), может достигаться только за счет интерференции света, поляризация которого одинакова, что приводит к однородно поляризованной спекл-структуре [55]. Таким образом, рассеивающая поверхность не должна деполяризовывать рассеянный свет. Слегка шероховатые металлы и другие материалы, в которые свет не проникает и на которых рассеивается однократно, в общем случае дают спекл-структуры с распределением яркости, соответствующим (2.40). С другой стороны, материалы, в которые свет проникает и испытывает многократное рассеяние, такие как биологические ткани, стремятся деполяризовать интерферирующий свет. Эти спекл-структуры имеют совершенно иное распределение по яркости, которое лучше всего описывается некогерентным наложением двух спекл-полей.
Многие спекл-интерферометры действуют по принципу интерференции двух независимых спекл-структур [54, 55]. Эти спекл-структуры могут интерферировать либо когерентно, либо некогерентно (Гл. 2, п. 2.2.3). В случае когерентной комбинации статистические свойства возникающей третьей спекл-структуры остаются существенно такими же, как и двух образующих структур, и в типичном случае следуют формуле (2.40). Однако в случае некогерентной комбинации двух спекл-полей конечное распределение яркости не подчиняется экспоненциальной статистике, вместо которой действует выражение [20]
Форма этой зависимости показана на рис. 2.4, а как кривая 3. Распределение яркости индивидуальных спекл-структур от большинства биологических тканей подчиняется уравнению (2.41). Причина состоит в следующем: когерентный свет, рассеянный большинством биологических тканей, дает спекл-структуры, поляризованные случайным образом, а две ортогонально поляризованные компоненты рассеянного света не когерентны между собой.
Таким образом, одна спекл-структура, созданная биологической тканью, может рассматриваться как некогерентная комбинация двух или более спекл-структур. Рис. 2.5 показывает измеренное распределение яркости в спекл-структуре, образованной при рассеянии назад расширенного пучка He-Ne-лазера от свиной кожи.
На измеренную функцию распределения вероятности (ФРВ) наложен график функции (2.41). Видно, что ФРВ интенсивности рассеянного света от кожи более или менее следует предсказанию (2.41). В случае интерферометра, действующего по принципу интерференции двух спекл-структур, каждая из которых подчиняется (2.41), результирующее распределение интенсивности будет просто АКФ данного распределения. Графически форма результирующего распределения яркости принципиально такая же, как кривая 3 на рис. 2.4, а, возможно, менее уширенная из-за процедуры автокорреляции.
Практический вывод из проведенного обсуждения состоит в том, что при попытке применения классической спекл-интерферометрии к мягким биологическим тканям изображение полос будет предельно плохим, если полосы будут вообще видны. Это можно легко предвидеть, поскольку когда две спекл-структуры интенсивности, подчиняющиеся статистике первого порядка, которая описывается уравнением (2.41), физически перекрываются, существует большая вероятность того, что темное пятно одной структуры наложится на светлое пятно другой [55].
Однако, это утверждение не бесспорно [56-58]. Можно предположить, что при малых глубинах проникновения когерентность отраженного светового поля будет частично сохраняться. Даже при контрасте интерференционных полос 0,1 возможно получение диагностической информации. Кроме того, как отмечалось ранее и важно для данной работы, при взаимодействии с верхним слоем кожи степень поляризации отраженного или прошедшего света остается заметной даже при значительной толщине тканевого слоя. В целом ситуация требует экспериментальной проверки.
Во второй главе диссертационной работы обоснована возможность применения методов оптики спеклов для регистрации динамических характеристик биофизических параметров, выбранных в первой главе: скорости крови в микроциркуляторном русле и формы пульсовой волны: Основные выводы из теоретического анализа, выполненного в главе 2: 1. Сравнительный анализ измерительных возможностей применяемой в настоящее время диагностической аппаратуры и предлагаемого подхода по созданию нового типа неконтактных датчиков, основанного на принципах оптики спеклов, позволил выявить ожидаемые преимущества таких датчиков и метода оптики спеклов в целом. 2. Проведенный анализ статистических свойств оптических спекл-полей, формирующихся при рассеянии когерентного света как одиночной статической диффузно рассеивающей непоглощающей поверхностью, так и несколькими поверхностями, позволил определить основные закономерности их поведения. 3. Показано, что статистические свойства оптических спекл-полей, формирующихся при рассеянии когерентного света на поверхности биоткани, и полей, возникающих при отражении от непоглащающих свет материалов, могут отличатся. В связи с этим, при проведении измерений на реальных биологических тканях результаты теоретических расчетов и модельных экспериментов можно рассматривать лишь как тренд ожидаемого поведения диагностического параметра.
Влияние фотоприемника на результаты измерений
Исследование особенностей регистрации и измерения in vivo скорости движения эритроцитов в капиллярном русле и мелких сосудах в приповерхностной области кожного покрова человека проводилось в области подушечек пальцев руки испытуемого, содержащих большое количество артериовенулярных анастомозов и имеющих высокую плотность симпатической иннервации.
Наблюдаемое спекл-поле является результатом наложения элементарных дифракционных полей, возникающих при рассеянии. В отличие от модельного эксперимента в данном случае рассеянное поле формируется как подвижными частицами, входящими в состав крови и биоткани, в основном лейкоцитами и эритроцитами, так и неподвижными стенками сосудов и верхними- слоями кожи.
В результате наблюдаемое оптическое спекл-поле представляет собой совокупность статической составляющей оптического распределения, не несущей информацию о динамических элементах крови и динамической составляющей, формируемой подвижными элементами крови. Каждое из взаимодействующих распределений оптического поля имеет свои характерные масштабы изображений.
Рассеянная от облучаемого лазерным пучком биологического объекта когерентная оптическая волна образует специфическую спекл-структуру, интенсивность которой из-за движения рассеивающих частиц, прежде всего эритроцитов, флуктуирует во времени пропорционально интенсивности микроциркуляции крови.
В соответствии с этим задача измерения скорости крови в капиллярном русле сводится к регистрации флуктуации интенсивности динамического спекл-поля, компенсации стационарной составляющей сигнала и адекватной обработке регистрируемого сигнала.
Динамика спеклов, как отмечалось, зависит от различных факторов, таких как пространственная структура биоткани, поглощающие и рассеивающие характеристики среды и т.д. Эти факторы могут быть количественно оценены с использованием корреляционного диффузного уравнения в рамках применимости теории диффузионно-волновой спектроскопии (ДВС) [78, 79]. В соответствии с методами (ДВС) флуктуации интенсивностей спекл-поля, сформированного движущимися эритроцитами и лейкоцитами, могут быть охарактеризованы с помощью нормированной временной корреляционной функции поля рассеянного излучения.
Пусть когерентный свет падает на исследуемый биообъект (кожу) и в дальнейшем ослабляется в исследуемой среде в основном за счет рассеяния. Параметры движения основных рассеивателей крови (эритроцитов или лейкоцитов) регистрируется путем измерения временных зависимостей флуктуации интенсивности рассеянного света. Эти флуктуации обычно характеризуются с помощью нормированной временной корреляционной функции поля рассеянного излучения. Здесь Е(т)— электрическое поле рассеянного света, которое собирается детектором, а г — время задержки. Обычно на практике измеряют корреляционную функцию интенсивности, которая связана с корреляционной функцией поля соотношением Зигерта где Р — апертурная функция, определяемая в основном собирающей оптикой, 0 /? 1. Временная корреляционная функция поля в однородной среде надежно моделируется с помощью корреляционного диффузионного уравнения Здесь ко, — волновое число для фотона в среде; v — скорость света в среде; у.а — коэффициент поглощения; ns — редуцированный коэффициент рассеяния; (v2J— второй момент распределения частиц по скоростям; G\{r,r) — ненормированная временная корреляционная функция поля; S(r) — распределение интенсивности источника; D — —fi\ — коэффициент диффузии фотонов. Такой подход позволяет учитывать характер движения жидкости, находящейся в некоторой области (сосуде и т.п.), расположенной внутри среды. Нормированная корреляционная функция поля имеет экспоненциальный вид где т в =DUQ (броуновское движение); х =(30)" TkQl (направленный поток); D — коэффициент диффузии рассеивателей; / — средний свободный путь фотона; Г — градиент скорости потока; s = nl — путь, пройденный фотоном; п — число рассеивающих событий. Эта модель была использована в дальнейшем для интерпретации результатов. Рассматриваемая теоретическая модель базируется на хорошо апробированном корреляционном диффузионном уравнении, поэтому можно ожидать, что результаты должны соответствовать физиологии кровотока и, что очень важно, позволят наблюдать гиперемические явления, которые обнаруживают себя, как изменение скорости потока крови в зависимости от условий эксперимента. То есть, вычисляя по временной зависимости флуктуации интенсивности спекл-поля исследуемого объекта АКФ этой зависимости в выбранном временном окне, можно определить скорость исследуемого потока биологических микрочастиц, в том числе эритроцитов. Исходя из сказанного, была принята следующая методика эксперимента: 1. регистрация флуктуации интенсивности исследуемого спекл-поля проводилась по схеме, рассмотренной в п. 3.3 (рис. 3.4). 2. вычисление АКФ измеренных зависимостей проводилось программным способом, с помощью OriginPro 8. 3. изменение характера временных флуктуации интенсивности спекл-поля осуществлялось сдавливанием руки испытуемого, контролируемого медицинским тонометром (0, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 200 мм рт. ст.) Сильное сдавливание, превышающее артериальное давление, необходимо для остановки кровотока в сосудах — поверхностных венах и более глубоко залегающих артериях; при этом объем крови в той части руки, где проводятся измерения, остается неизменным.
На рис. 3.7, а, б приведены характерные зависимости флуктуации интенсивности регистрируемого спекл-поля для двух крайних, с точки зрения внешнего воздействия, случаев: без сжатия руки (а) и при сжатии 200 мм рт. ст. (б). Видно заметное изменение характера этих зависимостей: при сжатии в сигнале исчезают высокочастотные составляющие и заметно увеличиваются временные «окна», соответствующие прохождению спекла относительно приемной апертуры ОВ.
Датчик формы пульсовых волн, основанный на регистрации флуктуации интенсивности спеклов
Вибрации отдельных областей кожи человека, вызванные пульсовой волной, тремором (дрожанием) рук, мимических мышц, век, языка, содержат значительную диагностическую информацию, позволяющую достаточно достоверно характеризовать состояние ССС и нервной систем человека. Кроме того, возможность регистрации микровибраций кожи в областях проекции отдельных внутренних органов (печень, желудок, сердце) на её поверхность позволит осуществлять неинвазивную и более того неконтактную диагностику состояния этих органов. В данной работе основное внимание было уделено развитию метода неконтактной регистрации параметров пульсовой волны человека и, прежде всего её формы, методом оптической спекл-интерферометрии in vivo.
Метод пульсовой диагностики основан на исследовании волновых процессов, отражающих функциональное состояние внутренних органов. Организм человека представляет собой с точки зрения ритмических процессов сложный набор волн разных частот. Для здорового организма необходимо их гармоничное сочетание, определенное соотношение по частотам, фазам, амплитудам.
В пульсовом сигнале находят свое отражение как процессы высших уровней регуляции, так и многие гемодинамические показатели ССС, в том числе такие, как внутрисосудистое давление, напряжение артериальной стенки, волновые процессы в артериальной системе, перемещение масс крови, интерференция волн в сосудах и т.п. [82]. Все эти процессы, так или иначе, влияют на форму пульсовой волны и ее колебательной структуры. Например, слабые импульсы могут быть показателем сердечной недостаточности, гиповолемии (т.е. пониженного объема крови) или тяжелого стеноза устья аорты. Широкие импульсы — признак лихорадки, анемии, гипертиреоза, регургитации (т.е. обратного заброса крови) аорты, брадикардии, блокировки сердца или атеросклероза. Так называемые спаренные импульсы, характеризуемые большой амплитудой и двойным систолическим пиком, могут быть вызваны регургитацией аорты, стенозом устья аорты и регургитационной или гипертрофированной кардиомиопатией.
Наличие такого разнообразия информационных параметров, содержащихся в сердечном пульсе и его ритме, требует создания высокочувствительных, быстродействующих широкополосных, предпочтительно неконтактных, датчиков вибраций кожи человека, отражающих пульсовую картину деятельности как сердца, так и иных органов его тела. Существует ряд традиционных методик регистрации пульсовых колебаний, применяемых в клинической практике, в том числе сфигмография, плетизмография, реография [83]. В настоящее время в клинической диагностике эти методы находят широкое применение, но, тем не менее, они имеют ряд недостатков, в том числе, ограничение полосы рабочих частот и быстродействия, недостаточную чувствительность, сложность аппаратных средств, кроме того они применяются только в стационарных или амбулаторных условиях и не позволяют проводить измерения на произвольной части тела. Таким образом, имеющаяся аппаратура не решает существующие проблемы пульсометрии в полном объеме, что служит причиной продолжающихся исследований в этой области. Разработка неинвазивных лазерных оптоэлектронных датчиков пульсовых колебаний, работающих в широком диапазоне регистрируемых амплитуд и скоростей, имеющих необходимое быстродействие, не нарушающих естественные параметры вибраций кожного покрова и позволяющих регистрировать колебания кожного покрова на расстоянии до нескольких десятков метров является одним из перспективных направлений создания оптоэлектронных пульсометров. К наиболее перспективным лазерным оптоэлектронным датчикам — относятся пульсоксиметры, фотоплетизмографы, автодинные лазерные доплеровские виброметры, и находящиеся на этапе развития спекл-интерферометрические датчики. 4.1.2 Датчик формы пульсовых волн, основанный на регистрации флуктуации интенсивности спеклов Получение наиболее полной диагностической информации по параметрам пульсовых волн человека требует анализа, в том числе спектральных характеристик как пульсовых последовательностей, так и формы пульсовых волн. При этом анализу формы пульсовой волны в настоящее время придается всё большее значение. Форма пульсового сигнала лучевой артерии, получаемого г с помощью оптоэлектронного датчика, схематически представлена на рис. 4.1. Используются следующие обозначения: «ае» — продолжительность систолы; «еа» — продолжительность диастолы; «с» — максимум систолической волны; «ас» — время подъема анакроты; «са» — время шадения катакроты, где могут иметь место: поздняя систолическая волна «d», дикротическая волна «/» и пресистолическая волна «//». Точка «е» соответствует началу дикротической волны (инцизура); точка «g» — началу пресистолической волны.
В большинстве пульсовых сигналов при проведении исследований наблюдаются различные сочетания указанных дополнительных волн. Характер пульсовой волны зависит от таких факторов, как систолический выброс, интенсивность кровотока, состояние сосудистой стенки, вязкость крови, соотношение прекапиллярного и посткапиллярного давления и пр. По данным ряда авторов [84, 85], многие амплитудные и временные параметры формы пульсовой волны характеризуют состояние ССС. Так, например, крутизна анакротьъ («ас») зависит от скорости сокращения левого желудочка сердца и сопротивления сосудистой системы. Высота анакроты («с») связана с величиной систолического давления и тонусом сосудистой системы. Отношение амплитуды на уровне инцизуры к амплитуде дикротической волны («дикротический индекс») отражает периферическое сосудистое сопротивление. Отношение высоты систолической волны к амплитуде инцизуры является показателем тонического напряжения сосудов. Отношение высоты систолической волны к длительности периода характеризует интенсивность кровообращения.
Похожие диссертации на Бесконтактная диагностика физических параметров биологических объектов на основе оптических спекл-полей и дифрактометрии
