Оглавление
Список сокращений.........................................................4
Введение..................................................................5
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-нолей......................................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 флуктуаций 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
2
4.3.1 Общие сведения ...........................................................89
4.3.2 Модельный эксперимент.................................................................94
4.4 Сравнительные натурные испытания амплитудной и дифференциальной схем....................................................... 96-
4.5 Лабораторный макет спекл-датчика пульсовых волн ............................ 98
4.5.1 Концепция построения 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 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
Список сокращений
АКФ — автокорреляционная функция
ВСР — вариабельность сердечного ритма
ДВС —диффузионно-вол новая спектроскопия
ДК — дифракционная картина
ЗФГ1 — задняя фокальная плоскость
ЛДА — Лазерная доплеровская анемометрия
НИЛИ — низкоинтенсивное лазерное излучение
ОБ — оптическое волокно
ПК — прикладной компьютер
ППЛМ — полупроводниковый лазерный модуль
ССС — сердечно-сосудистая система
ФД — фотодиод
ФРВ — функция распределения вероятности
ФЭУ — фотоэлектронный умножитель
НЬ — гемоглобин
НЬС>2 — оксигемоглобин
Mb — миоглобин
СЬ — кислород
NH4CI — хлористый аммоний
SaÜ2 — сатурация кислорода
Л — длина волны излучения
Р — мощность излучения
П — плотность мощности
4
Введение
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.
5
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 медикобиологической 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 фотоактивностыо 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 — НЬ02) и восстановленный гемоглобин (НЪ) имеют также различные полосы поглощения, хорошо известные в физиологии (по крайней мере, для гемолизованной крови) [5]. Любые изменения содержания НЮ2 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
6
!
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.
Неинвазивиая 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.
7
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
8
задачи возникают в условиях чрезвычайных происшествий: пожар, взрыв, землетрясение.
Для оценки состояния человека в перечисленных обстоятельствах на первом этапе диагностические мероприятия моглт 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.
9
Кроме методов лазерной диагностики параметров организма в целом, значительный научный и практический интерес предстаатяют 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
10
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:
1. 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.
2. 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.
3. Разработка, теоретическое и экспериментальное исследование нового типа диагностических неконтактных датчиков капиллярного кровотока — лазерных оптоэлектронных спеют-датчиков. Практическая реализация и натурные исследования лабораторных моделей датчика.
4. Разработка, теоретическое и экспериментальное исследование нового типа диагностических неконтактных спекл-датчиков формы пульсовой волны. Практическая реализация и натурные исследования лабораторных макетов датчика.
5. 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:
11
1. Проведено исследование динамики сатурации (8аСЬ) 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 микроцирку ляторное 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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
12
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 модифицированного лазерного дифрактометра с активным управлением исследуемыми микрообъектами позволяет существенно расширить измерительные возможности подобной аппаратуры и увеличить объем получаемой диагностической информации.
Научные положении, 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.
13
- Київ+380960830922