Бесконтактная диагностика физических параметров биологических объектов на основе оптических спекл-полей и дифрактометрии

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 — НЮ2) 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 ,-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. г.

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 подходовопределению особенностей реакции биообъектов на предполагаемые лазерные воздействияпоиск 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 макрои 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 спекл-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:

1. Проведено исследование динамики сатурации (БаОг) 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.

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 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 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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 процессовсовпадением 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 СевероЗападного 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 СПбГПУ» (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.

Выводы к главе 5.

В пятой главе решалась задача исследования и оценки оптико-физических свойств и динамики биологических микрообъектов и их ансамблей с помощью дифрактометра с расширенными функциональными возможностями. Основные результаты этих исследований сводятся к следующему:

1. На основании теории методов Фурье-оптики предложена концептуальная модель нового типа лазерного дифрактометра с расширенными измерительными возможностями. В том числе предложено создание дифрактометра, содержащего два информационных канала: спектральный и изображения. При этом канал изображения строится как многокаскадный когерентный Фурье-процессор, позволяющий проводить классификацию и идентификацию исследуемых биологических микрообъектов. Кроме того, предусматривается введение в схему дифрактометра оптического каскада, формирующего градиентные оптические, поля заданной структуры, в плоскости исследуемого объекта. Это открывает возможность направленного управления пространственно-временными параметрами исследуемых объектов с целью их классификации по оптическим свойствам.

2. Разработана и экспериментально исследована лабораторная модель предложенного дифрактометра, работоспособность которой подтверждена серией экспериментов на ряде объектов как модельных, так и биологических образцов естественного происхождения. Выполненные исследования подтвердили прогнозируемые измерительные возможности дифрактометра и могут служить принципиальной и достоверной основой для разработки лабораторного макета подобного прибора.

3. Выполнены теоретически обоснованные исследования по управлению пространственно-временными параметрами микрообъектов в градиентных оптических полях. Полученные результаты согласуются с теоретически ожидаемыми и могут быть основой для создания соответствующего функционального устройства в составе предложенного многофункционального дифрактометра.

Заключение

.

Целью диссертационной работы являлось развитие нового перспективного направления лазерной физики — лазерной биомедицинской диагностики, в части теоретического и экспериментального исследования новых методов и устройств контроля биофизических параметров человека на макрои микроуровнях, в том числе разработка неконтактных датчиков и специализированных Фурье-процессоров. В процессе выполнения исследований получены следующее основные результаты:

1. Обосновано применение БаОг крови для оценки индивидуальной дозы терапевтического облучения. Развита методика определения динамики 8аОг крови при чрескожном лазерном облучении микроциркуляторного русла. В отличии от известных работ использовалось лазерное излучение разных длин волн и в широком диапазоне изменения плотности мощности.

2. Показано, что достоверное определение оптимальной дозы требует одновременной регистрации динамики нескольких биофизических параметров, в первую очередь скорости крови в микроциркуляторном русле и параметров пульсовой волны.

3. Теоретически и экспериментально обоснована возможность создания нового типа диагностических датчиков — неконтактных лазерных спекл-датчиков скорости крови в микроциркуляторном русле и формы пульсовых волн, базирующихся на едином физическом подходе — статистическом анализе интенсивности спекл-полей.

4. Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований методов создания неконтактных лазерных спекл-датчиков скорости крови в микроциркуляторном русле биообъектов. Впервые созданы и исследованы лабораторные модели таких датчиков, а также лабораторный макет датчика формы пульсовых волн. Натурные испытания подтвердили его практическую перспективу. Полученные результаты позволяют сделать вывод о практической целесообразности применения разработанных и развитых методов анализа и реализации диагностических спекл-датчиков для создания реальных диагностических приборов клинического и индивидуального применения.

5. Теоретически и экспериментально обоснована возможность создания нового типа лазерного дифрактометра для исследования динамических характеристик и оптико-физических свойств биологических микрообъектов. Созданная лабораторная модель дифрактометра подтвердила ожидаемые измерительные характеристики и позволила определить перспективу развития предложенной схемы дифрактометра.

Полученные в работе результаты могут быть использованы при разработке нового типа диагностической биомедицинской аппаратуры, в том числе неконтактных датчиков биофизических параметров человека и животных. На основе предложенных базовых моделей датчиков возможно построение ряда их модификаций адаптированных к применению в неприспособленных, нестерильных условиях.

Автор приносит искреннюю благодарность за интерес проявленный к работе профессорам Петрову В. М. и Фотиади А. Э., а также доцентам Ермаку B.C. и Мокрушину Ю. М. за помощь в выполнении экспериментов и особая благодарность Кафидовой Г. А.