МАМІЛОВ СЕРГІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 577.395; 535.362

МОДУЛЯЦІЙНА СПЕКТРОСКОПІЯ БЛИЖНЬОГО ІНФРАЧЕРВОНОГО ДІАПАЗОНУ ДЛЯ МЕДИЧНОЇ ДІАГНОСТИКИ

03.00.02 – біофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук.

Харків –2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті прикладних проблем фізики і біофізики НАН України (м. Київ).

Наукові керівники: доктор фізико-математичних наук, професор

Кравченко Вілен Йосипович,

Інститут прикладних проблем фізики і біофізики НАН України, головний науковий співробітник (м. Київ)

кандидат медичних наук

Бакай Едуард Аполлінарійович,

Інститут прикладних проблем фізики і біофізики НАН України, директор (м. Київ)

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Осецький Олександр Іванович,

Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України, провідний науковий співробітник (м. Харків)

кандидат фізико-математичних наук

Довбешко Галина Іванівна,

Інституту фізики НАН України, старший науковий співробітник (м. Київ)

Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса Шевченка, кафедра біофізики (м. Київ).

Захист відбудеться "25" жовтня 2002 р. о 1500 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 64.051.13 Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна, 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4. ауд. 7-4.

З дисертацією можна ознайомитись в Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4.

Автореферат розісланий "6" вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Гаташ С.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасній медицині однією з найважливіших є проблема лікування та діагностики серцево - судинних захворювань. Особливу важливість набуває задача ранньої діагностики, оскільки саме на ранніх етапах лікування найбільш просте і імовірність успіху максимальна.

Якою повинна бути сучасна діагностика? По-перше, неінвазивною. Ряд параметрів життєдіяльності організму можна визначати тільки такими засобами, що не порушують цілісності шкіряного або слизового покрову. А для діагностики регуляторної і нервової систем людини необхідно спостерігати динаміку процесів функціонування організму в нормальних фізіологічних умовах або в умовах, максимально близьких до таких. По-друге, експресною. В анестезіології, реаніматології, кардіо і нейрохірургії чим скоріше лікар дізнається про зміну стану пацієнта, тим більша ймовірність успішного результату. По-третє, чутливою. Методики повинні надавати лікарю такий набір характеристик організму, щоб по можливості виключити імовірність неоднозначного діагнозу.

Для діагностичних цілей вже створено багато різноманітних засобів серед яких оптичні засоби посідають одне з провідних місць, в першу чергу завдяки неінвазивності. Відзначимо пульсоксиметрію, яка добре зарекомендувала себе при моніторингу насичення крові киснем. В розвинених країнах пульсоксиметри включені до списку обов'язкових приладів при операціях. Розвиток оптичних методів відкриває нові можливості це визначення гемодинаміки тканин за допомогою спектроскопії ближнього інфрачервоного діапазону, (вже застосовується в дослідженнях мозку, нейро - і кардіохірургії), оптична томографія, що допомагає локалізовувати новоутворення в тканинах і вже незабаром перетвориться на інтрабачення.

Складність використання оптичних засобів діагностики пов'язана з сильним розсіюванням світла в біологічній тканині, що призводить до зростання похибки при вимірах. З іншого боку, самі характеристики розсіювання тканини є важливими діагностичними параметрами, наприклад, при визначенні новоутворень. Сьогодні оптичні характеристики тканини визначають in vitro. В роботі зроблена спроба використати розсіяне світло для визначення оптичних параметрів тканини in vivo.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основна частина результатів, що склали дану дисертаційну роботу, була отримана в рамках проектів, які виконувалися в відділі квантової електроніки Інституту прикладних проблем фізики і біофізики НАН України: “Проведення фундаментальних і прикладних досліджень в галузі гіпербаричної фізіології та водолазної медицини в інтересах дослідження і освоєння Світового океану”, “Створення апаратури, методів та моделей для прикладних медично-біологічних досліджень за програмою “Біорегуляція'”, “Розробка нових методів лазерної спектроскопії ближнього інфрачервоного діапазону біологічних тканин.” № ДР 0101U007038.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягала в розробці неінвазивних оптичних методик дослідження характеристик кровонаповненої біотканини, передусім, діагностики серцево-судинної системи і системи кровообігу.

Для досягнення даної мети розв’язувалися наступні задачі:

- визначити зв’язок між характеристиками розсіяного випромінювання та оптичними властивостями біологічної тканини;

- визначити коефіцієнти розсіювання біотканини in vivo та дослідити їх зміни в зонах локальної неоднорідності тканини;

- дослідити зміни відносного об‘єму крові в різноманітних анатомічних зонах.

Об’єкт дослідження. Кровонаповнена біологічна тканина.

Предмет дослідження. Розповсюдження світла в кровонаповненій біологічній тканині, коефіциінти розсіювання живої тканини, відносний об’єм крові та зміни насичення крові киснем.

Методи дослідження. В роботі використовували спектроскопічні, спектрофотометричні, пульсоксиметричні методи та методи математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в ній вперше:

1. Отримана аналітична залежність між відношенням коефіцієнтів модуляції світла пульсовою хвилею крові на двох довжинах хвиль і коефіцієнтами розсіювання і поглинання біологічної тканини.

2. Запропоновано новий метод визначення коефіцієнтів розсіювання біотканини in vivo і отримані значення коефіцієнтів розсіювання на різних довжинах хвиль в діапазонах 550-650 нм та 880-950 нм.

3. Експериментально вивчена зміна коефіцієнтів розсіювання для локальних неоднорідностей тканини і показана можливість визначення та локалізації зон зміненої тканини.

4. Досліджена зміна відносного об‘єму крові в різноманітних анатомічних зонах при фізіологічному навантаженні.

5. Експериментально підтверджений зв'язок ритму дихання з змінами сатурації артеріальної крові киснем.

6. Зареєстрований та досліджений ефект зменшення сатурації під впливом низькоінтенсивного лазерного випромінювання.

Практичне значення одержаних результатів:

- запропоновано метод підвищення точності визначення сатурації артеріальної крові киснем за рахунок використання кореляції між фотоплетизмографічними сигналами на двох довжинах хвиль;

- розроблена апаратура для оптичної діагностики характеристик біотканини.

Особистий внесок здобувача. В опублікованих зі співавторами наукових працях особистий внесок здобувача полягає в тому, що в роботах [1,6,8,9,10,15] він приймав активну участь в отриманні теоретичних формул, створені експериментальної установки, проведені і обробці експериментів. В роботах [2,3,5,12] приймав активну участь в постановці задачі та інтерпретації отриманих результатів, провів більшість експериментів та обробив експериментальні результати. В роботах [7,13] відіграв суттєву роль в постановці задачі та інтерпретації результатів, провів експерименти та обробив експериментальні результати. В роботах [4,11,14] дисертант провів більшість експериментів і вимірів, зробив аналіз змін відносного об‘єму крові.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на таких конференціях: Міжнародній конференції BiOS Europe'97 (Сан-ремо, Італія, 1997 г.); Міжнародному конгресі по медичній фізиці і біомедичній інженерії, (Ніцца, Франція, 1997г.); IX та X Міжнародних конференціях “Оптика лазеров” (Санкт-Петербург, Росія, 1998 та 2000 р.); III та IV Міжнародних конференціях по лазерній фізиці і спектроскопії (Республіка Бєларусь, Гродно, 1997 та 1999 р.); XII, XIII та XIV Міжнародних науково-практичних конференціях “Застосування лазерів в медицині і біології” (Ялта, 1998 р., Харків, 1999 та 2000 р.); Міжнародній конференції "Лазерні і інформаційні технології в медицині XXI сторіччя" (Санкт-Петербург, Росія, 2001 г.); 2-й Міжнародній конференції молодих учених (Санкт-Петербург, Росія, 2001 г.)

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 15 друкованих роботах, в тому числі в 4 статтях в наукових журналах, 10 матеріалах та тезах наукових конференцій, захищені патентом України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури (138 джерел). Дисертація викладена на 133 сторінках, містить 40 рисунків та 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність наукової проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету роботи, зазначена наукова новизна та практичне значення роботи.

В першому розділі зроблено стислий огляд методів оптичної діагностики біологічних об’єктів. Розглянуто методику визначення сатурації (насичення) артеріальної крові киснем. Обґрунтовано вибір оптичного діапазону досліджень, спираючись на спектральні характеристики хромофорів, які присутні в біологічній тканині. Далі розглянуто методики визначення концентрації хромофорів в тканині, виміру швидкості кровотоку та об’єму циркулюючої крові.

Розглянуто можливості діагностики новоутворень за допомогою визначення оптичних характеристик біологічної тканини. Наведені данні показують, що коефіцієнти відбиття та розсіювання світла в новоутвореннях суттєво відрізняються від характеристик здорової тканини, що є підґрунтям для розвитку оптичних методів визначення і локалізації новоутворень.

Наприкінці розглянуто існуючи методи визначення коефіцієнтів розсіювання біотканини, які всі є методами in vitro. Значення оптичних параметрів біотканини можуть бути отримані експериментально прямими або непрямими спектрофотометричними вимірюваннями. За допомогою прямих методик досліджуються зразки малої оптичної товщини, де виконується умова однократного розсіювання світла.

До непрямих методів відносяться такі, при реалізації яких приймач випромінювання розташований зовні об’єму зразка біотканини, такі, що базуються на застосуванні оптичних волокон, які вводяться безпосередньо в біотканину і з’єднані з фотоприймачами та методи збурень, в яких вимірюють макроскопічні параметри біотканини до і після введення в неї речовин з відомими оптичними характеристиками.

Відзначено, що великі розбіжності літературних даних викликані залежністю результатів від якості обладнання, методу приготування зразків, алгоритму обробки тощо. Фізичні та хімічні методики препарування тканини, фіксація зразка в спектрофотометрі і визначення товщини можуть також привести до значних відмінностей у результатах.

Аналіз стану проблеми показує, що одним з найважливіших питань розвитку оптичної діагностики є розвиток методів визначення параметрів живої біологічної тканини.

В другому розділі наведено оригінальні результати розгляду розповсюдження світла в біологічній тканині.

Завданням, яке постало перед нами, було встановлення зв’язку між оптичними параметрами біологічної тканини та характеристиками світла, що розсіюється в зворотному напрямку. Розв’язок цієї задачі отримано в рамках теорії радіаційного переносу. При цьому біотканина розглядається як випадково-неоднорідне середовище, що розсіює та поглинає, а випромінювання, що розповсюджується в ньому, — як потік енергії. Вважається також, що фотони, які розповсюджуються в середовищі можуть поглинатися і розсіюватися майже рівномірно в усіх напрямках.

Коефіцієнт поглинання W і коефіцієнт розсіювання K пропорційні середньому вільному пробігу фотонів і є властивостями самого об'єкту. Для матеріалів, що складаються з декількох шарів, коефіцієнти розсіювання і поглинання можуть бути представлені у вигляді лінійної комбінації компонент кожного шару. В рамках цієї моделі можна зневажити подробицями будови кожного шару. Оптичні коефіцієнти будуть середніми по відношенню до дрібної структури шару. Капіляри можна вважати випадково розсіючими всередині тканини і біологічну тканину можна, таким чином, уявити як суміш тільки двох компонент: знекровленої тканини і крові.

Вважаючи тканину напівнескінченною, маємо коефіцієнт відбивання R в вигляді , де . Модуляція світла пульсацією артеріальної крові буде мати вигляд . Зміна коефіцієнтів поглинання і розсіювання викликана пульсацією крові в артеріях і артеріолах.

Підставляючи вирази для коефіцієнтів розсіювання та поглинання отримаємо вираз для відношення коефіцієнтів модуляції світла пульсовою хвилею крові на двох довжинах хвиль, який в загальному вигляді можна представити так

де Kт - коефіцієнт розсіювання знекровленої тканини; Wт – коефіцієнт поглинання знекровленої тканини; Kк - коефіцієнт розсіювання крові; Wк - коефіцієнт поглинання крові; — відношення відносних об’ємів тканини і крові.

Математичне моделювання показує, що хід кривих відношення коефіцієнтів модуляції від сатурації при різних значеннях коефіцієнтів розсіювання тканини на двох довжинах хвиль (1 =660 нм і 2 = 900 нм, рис.1) дозволяє визначати зміни коефіцієнта розсіювання в інфрачервоній області більш точно. Також показано, що для експериментів, в яких бажано вважати відносний об’єм крові постійним, потрібно вибирати області з малою кількістю крові, а при визначенні зміни відносного об’єму — з більшим.

Для оцінки правомірності застосованої двовимірної моделі проаналізовано розповсюдження світла в біологічному середовищі для тривимірному випадку. Показано, що за виконання умови , де l-ширина пучка, z – товщина, досліджуємого об’єкту, то використана нами двомірна модель є адекватною.

Отримане співвідношення дозволяє шляхом одночасного вимірювання та аналізу характеристик світла, яке проходить крізь біотканину та розсіюється в зворотному напрямку, визначати оптичні параметри біотканини.

В третьому розділі описано експериментальний стенд, який складається з комбінованого пульсоксиметричного датчика і багатоканального пульсоксиметра – спектрофотометра, проаналізовано вплив флуктуації пульсоксиметричного сигналу та запропоновано метод визначення сатурації артеріальної крові з підвищеною точністю за кожен удар пульсу.

Для проведення експериментів було розроблено та створено комбінований датчик, який одночасно реєструє оптичне випромінювання, що проходить крізь біотканину та розсіюється в зворотному напрямку. Конструктивно датчик складається з двох аналогічних незалежних частин. Кожна частина є звичайним датчиком для вимірювання в розсіяному світлі, в склад якої входить джерело випромінювання двох довжин хвиль (3,4) і фотоприймач (2). Якщо помістити біотканину (1), що досліджується, між частинами датчика, то водночас реалізуються дві схеми для вимірів в світлі, що проходить крізь біотканину, та дві для світла, що розсіюється в зворотному напрямку (рис.2).

Для реєстрації та обробки сигналу створено спеціалізований багатоканальний монітор, що дозволяє вести паралельну реєстрацію 8-ми незалежних сигналів. Конструктивно монітор складається з персонального комп'ютера та спряженого з ним вимірювального блоку. Персональний комп'ютер здійснює обробку інформації, виведення її на екран монітору і збереження тренда сигналів на жорсткому диску. Максимальна частота опитування датчика по кожному каналу складає 200 Гц.

Було досліджено вплив флуктуацій пульсоксиметричного сигналу на точність вимірювання сатурації артеріальної крові. Визначалася кореляція між величинами сигналів в парах ЧпрІЧпр, ЧрІЧр, ЧпрЧр, ІЧпрІЧр (тут Ч означає сигнал червоного світлодіоду, ІЧ - інфрачервоного, індекси “пр” і “р” відносяться відповідно до світла, що проходить крізь біотканину та світла, що розсіюється в зворотному напрямку).

В ході роботи проаналізовано більш 5000 кардіоциклів. Для всіх кардіоциклів коефіцієнт кореляції ЧпрІЧпр, ЧрІЧр перевищував 0.97, а в 90% з них - 0.995 (p<0.0001). Для 90% кардіоциклів, що аналізувалися, коефіцієнт кореляції ІЧпрІЧр був трохи вище (?0.992), ніж для ЧпрЧр ( (p<0.0001). Розмір вибірок знаходився в діапазоні від 160 до 220 значень.

Ґрунтуючись на цих дослідженнях розроблено новий метод визначення сатурації артеріальної крові киснем. Він полягає у наступному: виділимо одну пульсограму в двох каналах та проведемо нормування сигналу в кожному каналі на максимальне значення, що він приймає на виділеному інтервалі. Далі проведемо лінійний парний регресійний аналіз, тангенс куту нахилу буде аналогічним до традиційно визначеного відношення коефіцієнтів модуляції, але розрахований не по двом крапкам, а по всім крапкам пульсограми. Якщо на виділеній дільниці фотоплетизмограми присутні артефакти, то такі крапки виключаються з аналізу. Відносна похибка визначення сатурації складає не більш 0.5%. Відзначимо, що більшість відомих пульсоксиметрів мають точність не краще 2-3%. Це пов‘язано з недосконалістю використаних методик визначення сатурації.

При проведенні експериментів по визначенню коефіцієнтів розсіювання біотканини виникала необхідність зміни сатурації артеріальної крові киснем. Для цієї мети використовувалося два засоби. Перший полягав в затримці дихання, другий - в диханні в замкнений об‘єм. В першому випадку процес зміни сатурації більш короткочасний (звичайно не перевищує хвилини). В випадку дихання в замкнутий об‘єм збідніння повітря киснем іде повільніше і піддослідний може проводити пробу більш довгий час. За рахунок цього вдається досягти більш низьких значень сатурації.

Для дослідження змін в наповненні тканин кров'ю використовувалася активна ортостатична проба (перехід з положення лежачи в положення стоячи). Такий метод дозволяв змінювати відносний об‘єм крові, не змінюючи сатурацію крові киснем. Найкращим, по нашим спостереженням, є випадок, коли в початковому положенні голова трохи запрокинута. При цьому вдається отримати більш інтенсивний приплив крові і, отже, більш низькі значення відношення об‘ємів тканини і крові.

Розроблені апаратні та методичні рішення можуть стати прототипами оптичної діагностичної апаратури нового покоління.

Четвертий розділ присвячено експериментальному визначенню параметрів біотканини in vivo.

Наведені результати по визначенню коефіцієнтів розсіювання знекровленої тканини на різних довжинах хвиль та в зонах локальної неоднорідності. Визначення коефіцієнтів розсіювання проводиться на двох довжинах хвиль. Для цього необхідно отримати два незалежних рівняння для відношення коефіцієнтів модуляції світла, що розсіюється. В якості змінного параметру використовуємо сатурацію артеріальної крові киснем. Для двох вибраних значень сатурації рівняння перетворюється в систему, яку можна розв‘язати відносно коефіцієнтів розсіювання тканини чисельними методами.

Усереднені коефіцієнти розсіювання склали 10.81+0.72 мм-1 на довжині хвилі 565 нм, 9,35 + 0,55 мм-1 (=595 нм), 7,22 + 0,35 мм-1 (=660 нм), 1,34 + 0,04 мм-1 (=880 нм), 1,22 + 0,02 мм-1 (=900 нм) та 0,82 + 0,02 мм-1 (=940 нм) при довірчій імовірності 0.95. На рис. 3 показані отримані значення в діапазонах 550-650 нм та 880-950 нм.

Ці результати по величині близькі до наведених в роботах С.Р Утс та Р. Грааффа. Вибір діапазонів зумовлений тим, що саме тут розташована більшість джерел випромінювання (He-Ne – лазер, лазери на органічних барвниках, червоні та інфрачервоні лазерні діоди), а тому ці довжини хвиль найчастіше використовуються для діагностичних та терапевтичних застосувань.

Для перевірки можливостей методу по визначенню топології біологічної тканини були проведені експерименти по дослідженню локальних неоднорідностей (зміна пігментації, шрам, гематома). В ході експериментів визначалися коефіцієнти розсіювання тканини як в самій неоднорідності, так і в нормальній тканині за її межами. Дослідження проводилися на довжині хвилі 900 нм, де похибка визначення коефіцієнтів розсіювання більш низька. Для експериментів була вибрана плоска область зміни пігментації (родинка) світло брунатного кольору. Її діаметр складав приблизно 7 мм. Для вимірів використовувались два незалежних датчика – 1) працюючий в світлі, що проходить для визначення сатурації (нерухомо розташований на пальці) і 2) призначений для реєстрації розсіяного тканиною випромінювання. Відстань між випромінювачем і приймачем в датчику для розсіяного світла складала 4 мм. Виміри починалися на нормальній тканині, а після цього датчик переміщувався вздовж прямий, що проходить через центр родинки (рис.4).

При дослідженні шраму датчик, що реєструє розсіяне випромінювання, розташовувався вздовж шраму. В шрамі коефіцієнт розсіювання зменшується і складає 1,03 мм -1. Були проведені дослідження гематоми і запалення, що виникло в результаті укусу бджоли. Коефіцієнт розсіювання в гематомі склав 1.38 мм-1. Запалення від укусу бджоли було розміщене в районі ліктя і характеризувалося помітним почервонінням. Коефіцієнт розсіювання склав для області запалення 1.35 мм-1. В усіх експериментах коефіцієнт розсіювання тканини навколо неоднорідності, що досліджуються складав 1.22 мм-1. Відмінність коефіцієнтів розсіювання в області локальної неоднорідності і нормальної тканини вірогідна по критерію Романовського.

Таким чином, запропонований метод може бути використаний для дослідження топології біологічної тканини та визначення і локалізації новоутворень.

Наступний експериментальний цикл пов‘язаний з визначенням відносного об’єму крові. Виміри відносного об’єму крові проводилися при знаходженні досліджуваного в положенні сидячі. Отримані значення відносного об’єму крові склали 16.6+0.5% на скроні, 12.2+0.4% на лобі, 11.8+0.2% в мочці вуха та 9.2+0.4% в брові (при довірчій імовірності 0.95), що відповідає анатомічним даним.

Оцінка периферійної судинної системи проводиться по реакції на активну ортостатичну проба. Такий експеримент є найбільш показовим при визначенні зміни відносного об‘єму крові. В цьому випадку сатурація артеріальної крові киснем залишається незмінною, тобто, зміна відношення коефіцієнтів модуляції розсіяного світла буде викликана тільки зміною об‘єму крові. Сталість сатурації артеріальної крові контролюється по зміні відношення коефіцієнтів модуляції в світлі, що проходить (at). На рис. 5 видно, що at практично не змінюється при зміні положення досліджуваного. Тому зменшення відношення коефіцієнтів модуляції розсіяного світла (крива as) може бути обумовлено тільки зменшенням відносного об’єму крові.

Під час активної ортостатичної проби відносний об‘єм крові в мочці вуха змінювався від 14% в положенні “лежачи” до 11.6% в положенні “стоячи”. В скроневій області зміна відбувалася від 17.4% до 16.5%, на лобі від 14.4% до 12.2%, в області брови від 10.1% до 9.3%. Зміни відносного об‘єму крові вірогідні по критерію Романовського.

Представлені результати показують, що визначення змін відносного об‘єму може стати одним з найбільш важливих параметрів діагностики стану периферичної судинної системи.

При визначенні сатурації за кожен удар пульсу спостерігалися періодичні зміни сатурації. Було припущено, що вони пов‘язані з ритмом дихання та експериментально перевірено це припущення. Відомо, що дихальний ритм впливає на зміну тривалості кардіоциклу і зміни обох параметрів відбуваються синфазно. Тому, при дослідженні зв'язку змін сатурації з ритмом дихання в якості функції дихання використано зміни тривалості кардіоциклу. Вивчалися кореляційні залежності між тривалістю кардіоциклу і сатурацією. Коефіцієнт кореляції між сатурацією і тривалістю кардіоциклу обчислювався по інтервалу з 20 ударів пульсу з послідовним зсувом на одне значення.

Встановлено, що залежність має періодичний характер і існує зсув фаз між цими процесами (рис.6), що пов'язано, скоріш за все, із швидкістю розповсюдження речовини в артеріях. Для визначення затримки між процесами був поставлений експеримент зі зміною сатурації. В цьому експерименті затримка між початком дихання звичайним повітрям і зростанням сатурації складає приблизно 5 секунд. Коефіцієнт кореляції від величини зсуву розраховувалася по 8-ми ударам пульсу. Часовий зсув першого максимуму коефіцієнта кореляції погоджується з виміряною затримкою зміни сатурації.

Таким чином, експериментально доказано, що зміни сатурації пов‘язані з ритмом дихання.

Наприкінці розділу розглянуто вплив лазерного випромінювання на сатурацію крові киснем. Цей цикл експериментів обумовлений поширенням застосування низько інтенсивних лазерів для діагностики та лікування. На сьогоднішній день не існує методів контролю та зворотного зв‘язку в сеансах лазеротерапії. На нашу думку одним з параметрів, по яким можна оцінювати вплив лазерного опромінювання є сатурація крові киснем.

Було знайдено та зафіксовано зменшення сатурації артеріальної крові киснем під час опромінення. Процес зміни сатурації триває декілька секунд після вмикання лазеру. Рівень сатурації, що встановився не залежить від часу опромінення. Після вимикання лазера відбувається, також за декілька секунд, збільшення сатурації до попереднього значення.

Дослідження проводились в різних діапазонах довжин хвиль. Результати представлені на рис.7

Величина зменшення сатурації залежала від потужності випромінювання. Для довжини хвилі 632 нм вона зменшувалася від 0,6% при 4 мВт до 1,5% при 15 мВт. Ефект, що спостерігався, був достатньо локальний; існує залежність зменшення сатурації від відстані між точками опромінення і виміру. При опроміненні другої фаланги пальця (P=14 мВт) зміна сатурації складала 1.8-2%, в той час як опромінення третьої фаланги призвело до зменшення сатурації на 1.4%. При опроміненні віддалених ділянок, по яким проходить артерія (область зап‘ястку, долоня, основа пальця), ефект не спостерігався.

Локальність ефекту показує, що іде прямий вплив безпосередньо на кров. Тому ми вважаємо, що при черезшкірному опроміненні крові лазерним випромінюванням відбувається процес дисоціації (фото або термо) оксигемоглобіну і, в результаті, локальне збільшення концентрації розчиненого кисню в артеріальній крові. Залежність ефекту від довжини хвилі добре узгоджується з спектральними особливостями крові та покривних тканин. І хоча остаточний висновок потребує подальшого дослідження, ми вважаємо, що зміни сатурації крові під впливом лазерного випромінювання можуть служити зворотним зв‘язком при лазеротерапії.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене нове вирішення наукової задачі оптичної діагностики живої біологічної тканини. Воно полягає у встановлені зв‘язку між відношенням коефіцієнтів модуляції пульсовою хвилею крові розсіяного світла та характеристиками біотканини і експериментальному визначенню коефіцієнтів розсіювання тканини, відносного об‘єму крові та його змін. Розвиток запропонованих методів дозолить отримати нові діагностичні можливості зокрема по виявленню та локалізації новоутворень, діагностиці стану периферійної судинної системи тощо. Сформулюємо головні результати роботи:

1. Теоретично і експериментально встановлена залежність відношення коефіцієнтів модуляції пульсовою хвилею крові розсіяного світла на двох довжинах хвиль від коефіцієнтів поглинання і розсіювання крові, коефіцієнтів поглинання і розсіювання знекровленої тканини, відношення відносних об‘ємів тканини і крові і сатурації артеріальної крові киснем, що дозволяє розробити методику визначення коефіцієнтів розсіювання біологічної тканини in vivo.

2. Проведений аналіз розповсюдження світла в біологічній тканині на основі тривимірної моделі, і показано, що при виконанні умови, що використана нами для визначення відношення коефіцієнтів модуляції розсіяного світла модель є адекватною.

3. Експериментально визначені коефіцієнти розсіювання біотканини in vivo на різних довжинах хвиль в діапазонах 550-650 нм та 880-950 нм, що перекриваються He-Ne лазерами, лазерами на барвниках та ІЧ лазерними діодами.

4. Експериментально показано знаходження локальних неоднорідностей тканини (родинка, шрам, гематома), по вимірах коефіцієнтів розсіювання, що дозволяє створити методику визначення і локалізації зон патологічно зміненої тканини.

5. Розроблена методика визначення відносного об‘єму крові, досліджена його зміна в різноманітних анатомічних зонах при фізіологічному навантаженні, що дозволяє діагностувати стан периферійного кровобігу.

6. Експериментально підтверджений зв'язок ритму дихання з змінами сатурації артеріальної крові киснем, що дозволяє досліджувати стан системи дихання.

7. Дослідженні флуктуації фотоплетизмографичного сигналу на різних довжинах хвиль. Показано, що сигнали червоного і інфрачервоного діапазону мають високу кореляцію і флуктуації сигналу викликані біологічними причинами.

8. Розроблена методика визначення сатурації крові киснем з використанням кореляційної обробки фотоплетизмограм, що дозволяє визначати величину сатурації за кожний удар пульсу і фіксувати її зміни з точністю 0.3%.

9. Зареєстрований та досліджений ефект зменшення сатурації під впливом низькоінтенсивного лазерного випромінювання. Вивчена залежність зміни сатурації від потужності і довжини хвилі лазерного випромінювання. Показано, що ефект має локальний характер, як по часовим, так і по просторовим характеристикам.

Список опублікованих праць за темою дисертації.

1. Е.А.Бакай, В.Й.Кравченко, О.М.Мiнов, С.О.Мамiлов, Ю.С.Плаксій, А.Б.Рiкберг. Визначення коефіцієнтів розсіювання світла in vivo методом спектроскопії ближнього інфрачервоного діапазону// УФЖ. – 1998. - т.43, №5. - С. 527-531.

2. В.Й. Кравченко, О.М. Мiнов, С. О. Мамiлов, Ю. С. Плаксій. Дослідження кореляції оптичних сигналів при вимірах сатурації артеріальної крові киснем// Український журнал медичної техніки та технології. - 1999. - №1. - С. 59-61.

3. В.И.Кравченко, Ю.В.Вирко, С.А. Мамилов, Ю.С. Плаксий. Исследование быстрых изменений сатурации артериальной крови кислородом // Український журнал медичної техніки та технології. - 2000. - №1-№2. - С. 49-51.

4. Мамилов С.А. Неинвазивная диагностика изменений относительного объема крови// Біофізичний вісник. - 2001. - вип. 2(9). -, С. 79-82.

5. Патент України 98074167 “Спосіб визначення сатурації крові киснем”, автори В.Й.Кравченко, О.М Мінов, С.О. Мамілов, Ю.С. Плаксій, пріоритет 29.07.98.

6. V.I. Kravchenko, S.A. Mamilov, O.N. Minov, Yu.S. Plaksiy. Influense of pulsatile blood change on saturation measurement.// Proceeding of SPIE. – 1997. - v.3199, pp.283-288.

7. Mamilov S.A., Plaksiy Y.S., Virko Y.V. Changes of arterial blood saturation during a laser biostimulation // Proceeding of SPIE. - 2001. - Vol.4241. –P 499-503.

8. Bakaj Ed.A., Kravchenko V.I., Mamilov S.A., Minov O.N., Plaksiy Yu.S., Rikberg A.B. Multichannel optical measurements for in vivo determination tissue indices.// Optical & Biological Engineering & Conputing. – 1997. - v.35, SupplementPart 1. - Р. 98.

9. V.I. Kravchenko, S.A. Mamilov, O.N. Minov, Yu.S. Plaksiy. Influense of pulsatile blood change on saturation measurement // Тези на конференції “BiOS-97” Сан-Ремо, 4-8 сентября. – 1997. - р. 110.

10. Кравченко В.И., Мамилов С.А., Минов О.Н. и др. Метод определения оптических характеристик биологических тканей in vivo с использованием спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона // Труды III Международной конференции по лазерной физике и спектроскопии. – Том 1. - Гродно (Беларусь): Институт физики АН Беларуси. – 1997. - С.184-187.

11. V.I.Kravchenko, O.N.Minov, S.A.Mamilov, Yu.S.Plaksij, A.B.Rikberg, Yu.V.Virko. In vivo determination of tissue blood volume by a method two-wave laser absorption spectroscopy // Тези на конференції “Оптика лазерів 98”, С.Петербург, 22-26 июня. - 1998. – С. 26.

12. Минов, С.А. Мамилов, Ю.С. Плаксий. Исследование корреляции между изменением сатурации артериальной крови кислородом и ритмом дыхания// Материалы XI международной научно-практической конференции “Применение лазеров в медицине и биологии”, Ялта. – 1998. - С. 92-93.

13. Ю.В.Вирко, В.И.Кравченко, С.А.Мамилов, Ю.С.Плаксий Влияние низкоинтенсивного лазерного излучения на сатурацию артериальной крови кислородом// Материалы IV Международной конференции по лазерной физике и спектроскопии. Гродно, Белорусия. – 1999. - С.213-215.

14. С.А. Мамилов, В.И. Кравченко, Ю.С. Плаксий, Ю.В. Вирко. Оптоэлектронный способ определения удельного объема крови// Материалы ХIV международной научно-практической конференции “Применение лазеров в медицине и биологии“ Харьков. – 2000. - С.137.

15. Бакай Э.А., Кравченко В.И., Мамилов С.А. и др. Метод определения коэффициентов рассеяния живых биологических тканей// Материалы международной конференции "Лазерные и информационные технологии в медицине XXI века". Россия, Санкт-Петербург. – 2001. - ч.2. - С. 524-525.

АНОТАЦІЯ

Мамілов С.О. Модуляційна спектроскопія ближнього інфрачервоного діапазону для медичної діагностики. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 03.00.02 – біофізика. – Харківський національний університет ім.. В.Н. Каразіна, Харків, 2002.

Дисертація присвячена розробці неінвазивних оптичних методик дослідження характеристик кровенаповненої біотканини. Ці методики базуються на одночасному аналізі розсіяного світла та світла, що проходить крізь біотканину на двох довжинах хвиль за умов його модуляції пульсовою хвилею крові. Вперше отримана аналітична залежність між відношенням коефіцієнтів модуляції світла пульсовою хвилею крові на двох довжинах хвиль і коефіцієнтами розсіювання та поглинання біологічної тканини. На цій базі запропоновано новий метод визначення коефіцієнтів розсіювання біотканини in vivo і отримані значення коефіцієнтів розсіювання на різних довжинах хвиль в діапазонах 550-650 нм та 880-950 нм. Експериментально вивчена зміна коефіцієнтів розсіювання для локальних неоднорідностей тканини і показана можливість визначення та локалізації зон зміненої тканини. Розроблена методика визначення відносного об‘єму крові, досліджена його зміна в різноманітних анатомічних зонах при фізіологічному навантаженні. Експериментально підтверджений зв'язок ритму дихання з змінами сатурації артеріальної крові киснем. Розроблена методика визначення сатурації крові киснем, що дозволяє визначати величину сатурації за кожний удар пульсу з точністю 0.3%. Зареєстрований та досліджений ефект зменшення сатурації під впливом низькоінтенсивного лазерного випромінювання.

Ключові слова: спектроскопія, відношення коефіцієнтів модуляції, пульсова хвиля, коефіцієнт розсіювання, відносний об‘єм крові, сатурація.

АННОТАЦИЯ

Мамилов С.А. Модуляционная спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона для медицинской диагностики. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 03.00.02 – биофизика. – Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2002.

Основная идея работы заключалась в установлении связи между оптическими параметрами ткани и характеристиками рассеянного в обратном направлении света и создании методик определения параметров ткани из анализа рассеянного света.

Задача решалась исходя из теории радиационного переноса. При этом биоткань рассматривалась как случайно-неоднородная рассеивающая среда.

Используя модуляцию рассеянного света пульсовой волной крови и две длины волны, получено выражение, которое связывает отношение коэффициентов модуляции с оптическими характеристиками крови и ткани, а также с удельным объемом крови.

Исследовано влияние флюктуаций пульсоксиметрического сигнала на точность измерения сатурации артериальной крови. Высокая корреляция между величинами сигналов показывает, что флюктуации сигнала имеют естественные причины. Основываясь на этих результатах, разработан новый метод определения сатурации артериальной крови, который позволяет определять сатурацию с относительной погрешностью не более 0.3%.

Проведены эксперименты по определению коэффициентов рассеяния в диапазонах 550-650 нм та 880-950 нм. Полученные коэффициенты рассеяния составили 10.81+0.72 мм-1 на длине волны 565 нм, 9,35 + 0,55 мм-1 (=595 нм), 7,22 + 0,35 мм-1 (=660 нм), 1,34 + 0,04 мм-1 (=880 нм), 1,22 + 0,02 мм-1 (=900 нм) та 0,82 + 0,02 мм-1 (=940 нм) при доверительной вероятности 0.95. Для проверки возможностей метода по определению изменений в ткани проведены эксперименты по исследованию локальных неоднородностей (изменение пигментации, шрам и т.д.). Исследования проводились на длине волны 900 нм. В зоне изменения пигментации коэффициент рассеяния составил 1,42+0,03 мм –1, в шраме - 1,03+0,02 мм-1, в гематоме – 1,38+0,03 мм-1, в области воспаления от укуса осы - 1.35+0,03 мм-1. Во всех экспериментах коэффициент рассеяния ткани вокруг исследуемого участка составил 1,22+0,02 мм-1.

Следующий экспериментальный цикл связан с определением удельного объема крови. Полученные значения составили 16.6+0.5% на виске, 12.2+0.4% на лбу, 11.8+0.2% в мочке уха и 9.2+0.4% в брови, что согласуется с анатомическими данными. Для оценки периферической сосудистой системы исследовались изменения удельного объема крови во время активной ортостатической пробы. Этот эксперимент наиболее иллюстративен, поскольку сатурация артериальной крови не меняется и, таким образом, изменение отношения коэффициентов модуляции рассеянного света будет связано только с изменением объема крови. Во время активной ортостатической пробы удельный объем крови изменялся в мочке уха от 14% в положении “лежа” до 11.6% в положении “стоя”. В височной области - от 17.4% до 16.5%, на лбу от 14.4% до 12.2%, в области брови от 10.1% до 9.3%.

Рассмотрено влияние лазерного излучения на сатурацию крови кислородом. По нашему мнению сатурация крови кислородом является одним из параметров, по которым можно оценивать влияние лазерного излучения. Было обнаружено и зафиксировано уменьшение сатурации под действием лазерного излучения. Величина эффекта зависела от длины волны излучения, мощности, расстояния между точками измерения и облучения. Локальность эффекта говорит о том, что идет непосредственное влияние излучения на кровь. Зависимость изменения от длины волны хорошо согласуется со спектральными особенностями крови и покровных тканей.

1. Теоретически и экспериментально показано, что отношение коэффициентов модуляции пульсовой волной крови рассеянного света на двух длинах волн зависит от коэффициентов поглощения и рассеяния крови и обескровленной ткани, удельного объема крови и сатурации артериальной крови кислородом, что позволяет разработать методику определения коэффициентов рассеяния биологической ткани in vivo, которая основывается на анализе рассеянного биотканью света, модулированого пульсовой волной крови.

2. Экспериментально определены коэффициенты рассеяния биоткани in vivo на разных длинах волн в диапазонах 565 – 660 и 880 - 940 нм.

3. Экспериментально показана возможность измерения изменений коэффициентов рассеяния для локальных неоднородностей ткани, что позволяет создать методику определения и локализации зон патологически измененной ткани.

4. Разработана методика определения удельного объема крови, исследовано его изменение в различных анатомических зонах при физиологической нагрузке, что позволяет диагностировать состояние периферического кровообращения.

5. Экспериментально подтверждена связь ритма дыхания с изменениями сатурации артериальной крови кислородом, что позволяет исследовать состояние системы дыхания.

6. Разработана методика определения сатурации крови кислородом, которая позволяет определять величину сатурации за каждый удар пульса и фиксировать ее изменения с точностью 0.3%.

7. Зарегистрирован эффект уменьшения сатурации под влиянием низкоинтенсивного лазерного излучения. Изучена зависимость изменений сатурации от мощности и длинны волны лазерного излучения, временное и пространственное распределение.

Ключевые слова: спектроскопия, отношение коэффициентов модуляции, пульсовая волна, коэффициент рассеяния, относительный объем крови, сатурация.

SUMMARY

Mamilov S.A. Modulation near infrared spectroscopy for medical diagnostic. – Manuscript.

Thesis for in candidate’s degree Physics & Mathematics in specialty 03.00.02 – biophysics. – V. N.Karazin Kharkiv National University, 2002.

The thesis is dedicated to development of noninvasive optical methods of investigation of characteristics of blood fill of a biotissue. These methods are based on the simultaneous analysis of scattered and transmitted light on two wavelengths under condition of light modulation by a blood pulse wave. Analytical dependence between the light modulation coefficients ratio for two wavelengths upon both scattering and absorption coefficients of biological tissue has been obtained for the first time. On this basis the new method of definition of scattering coefficients of a biotissue in vivo has been offered and the values of scattering coefficients on different wavelengths in both ranges of 550-650 nm and 880-950 nm where obtained. The changes of a scattering coefficient for local inhomogeneity of a tissue have been studied experimentally as well as the opportunity of definition and localization of bands of a changed (distorted) tissue have been shown. The method of definition of relative blood volume has been designed. The changes of relative blood volume in different anatomical bands were explored at a physiological loading. The bound of a respiratory rhythm with changes of arterial blood oxygen saturation was confirmed experimentally. The procedure of definition of blood oxygen saturation has been designed, that allows determining the value of saturation for each pulse beat with accuracy not less then 0.3 %. The effect of diminution of saturation under influence of low energy laser radiation was registrated and investigated.

Keywords: spectroscopy, modulation coefficients ratio, pulse wave, light scattering coefficient, relative blood volume, blood oxygen saturation.