CC BY
55
УДК 621.373.826:57.08
ЛАЗЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА ЖИДКИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД
© 2000 А.Д. Гуреев, С.П. Котова
Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
На базе полупроводникового лазера с длиной волны излучения 0,63.. .0,68 мкм и оптоволоконной системы транспортировки лазерного излучения создана экспериментальная установка для лазерной диагностики состояния биологических объектов. Изучены особенности обратного рассеяния низкоинтенсивного лазерного излучения жидкой биологической средой со сформированными центрами рассеяния в ней.
Введение
Среди широкого круга медико-биологических исследований, основанных на использовании лазерного излучения, наибольший интерес, с нашей точки зрения, представляет разработка эффективных методов неразрушающей лазерной диагностики состояния биологических объектов. Физические основы взаимодействия лазерного излучения с биотканями и области практического применения лазеров в биологии и медицине достаточно полно обобщены в работе [1]. В нашей предыдущей работе [2] с помощью методики регистрации обратно рассеянного низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) выявлены общие закономерности и характерные особенности процесса обратного рассеяния НИЛИ плотными биотканями с различной оптической плотностью. В развитие данных исследований в настоящей работе нами осуществлена модернизация экспериментальной установки в направлении ее практической адаптации и в сопоставлении с ранее полученными результатами изучены особенности обратного рассеяния НИЛИ жидкой биологической средой с искусственно вводимыми в нее и естественно формирующимися в ней центрами рассеяния.
Методика эксперимента
Компактная мобильная установка для лазерной диагностики состояния биологических объектов разработана на базе полупроводникового лазера с длиной волны излучения 0,63.0,68 мкм и оптоволоконной системы транспортировки лазерного излучения. Деталировка узлов установки и ее вид в сборке показаны на рис.1 и 2. В состав установки входят блок ввода лазерного излучения через объек-
тив в оптоволокно; оптическая головка со стационарно закрепленными в ней семью оптоволокнами, одно из которых является подающим, а шесть других - диагностирующими обратно рассеянное биологическим объектом лазерное излучение; револьверный блок поочередной регистрации фотодиодом интенсивности рассеянного лазерного излучения, транспортированного каждым из шести диагностирующих оптоволокон; вольтметр с блоком предварительного усиления сигнала фотодиода.
В предыдущей нашей работе [2] было показано, что характер распределения интенсивности обратно рассеянного НИЛИ плотными биотканями подчиняется экспоненциальному закону
и (г) = иоехр(-кг) , (1)
где ио = и (г = 0), к - коэффициент со-
Рис. 1. Деталировка узлов экспериментальной установки для лазерной диагностики состояния биологических объектов
Рис. 2. Внешний вид экспериментальной установки для лазерной диагностики состояния биологических объектов
1 - полупроводниковый лазер, 2 - блок ввода лазерного излучения в оптоволокно, 3 - оптическая головка, 4 -револьверный блок регистрации обратно рассеянного лазерного излучения, 5 - блок предварительного усиления сигнала фотодиода, 6 - вольтметр
1
средоточенности, обратная величина к которого соответствует расстоянию г, на котором интенсивность и0 спадает в е раз. Из анализа результатов данной работы следует, что выражение (1) справедливо и в отношении жидких биологических сред. Это легло в основу конструктивных особенностей оптической головки и системы регистрации обратно рассеянного НИЛИ с математической обработкой регистрируемых сигналов.
Схема расположения оптоволокон в оптической головке показана на рис.3. Из семи стационарно закрепленных оптоволокон шесть (одно - подающее, пять - диагностирующих лазерное излучение) расположены в один ряд, а седьмое - отдельно, рядом с подающим оптоволокном, под прямым углом к шести остальным. Пять оптоволокон ряда предназначены для регистрации обратно рассеянного НИЛИ в продольном направлении, а отдельно расположенное оптоволокно - для его регистрации в поперечном направлении с целью выявления анизотропии рассеяния. Диаметр каждого оптоволокна и расстояние между осями соседних оптоволокон равны 1 мм.
Регистрация обратно рассеянного НИЛИ осуществляется фотодиодом поочередно с каждого диагностирующего оптоволокна. При этом каждое из диагностирующих оптоволокон транспортирует к фотодиоду лазерное излучение, рассеянное под заданным углом, определяемым диаметром оптоволокон и расстоянием между их осями, с одной сто-
роны, и расстоянием между торцами оптоволокон и поверхностью диагностируемого объекта, - с другой (рис.3).
Математическая обработка регистрируемых сигналов основывалась на решении системы уравнений
и = и0 ехр(-к), и2 = ио ехр(-2к), из = ио ехр(-3к),
и 4 = и о ехр(-4к), и5 = ио ехр(-5к)
(2)
для пяти значений и.(г) (г = 1, 2, 3, 4, 5) выражения (1) при г = 1, 2, 3, 4, 5 мм в соответствии с расстояниями между осями подающего оптоволокна и каждого из пяти последовательно расположенных в один ряд диагностирующих оптоволокон. Основные параметры рассеяния и0 и к определялись пошаговым преобразованием системы (2). Для к:
ехр(к) =
и1 = Ч* = и3 = и и и и и
(3)
и1 и2 и3 и4
4ехр(к) =----------------------------------------1-1-1-= А (4)
и2 и3 и4 и5 , (4)
ехр(к)
А
4
к = 1п
4
(5)
(6)
0 1 2 3 4 5
Рис.3. Схемы расположения оптоволокон в оптической головке (а) и регистрации обратно рассеянного биологическим объектом лазерного излучения (б)
0 - оптоволокно, подающее лазерное излучение к поверхности биологического объекта;
1, 2, 3, 4, 5, 6 - оптоволокна, диагностирующие обратно рассеянное лазерное излучение в продольном (1, 2, 3, 4, 5) и поперечном (6) направлениях и затем транспортирующие его к фотодиоду
Для и0:
ио = и1 ехр(к) = и2 ехр(2к) = и,, ехр(3к) = = Ч4 ехр(4к) = Ч5 ехр(5к)
54. - ч( А )+ и 2 ( А )2 + и 3 ( А 1 + + 44 ( 414 + 4 ( А 5
, (7)
(8)
(9)
При изучении особенностей процесса обратного рассеяния лазерного излучения жидкой биологической средой с сопоставлением результатов с ранее полученными данными для плотных биотканей [2] в качестве модельной среды использовалось молоко. Искусственно вводимыми инородными центрами рассеяния служили синие чернила и черная тушь. Формирование естественных центров рассеяния как результат протекания процесса зарождения и развития новой культуры в исходной среде моделировалось введением в молоко кефира, с одной стороны, и скисанием молока, - с другой.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Как и для плотных биотканей распределение интенсивности обратно рассеянного НИЛИ жидкой биологической средой подчиняется экспоненциальному закону (1). Вследствие этого основными параметрами процесса рассеяния, характеризующими состояние биологического объекта, являются и0 и к. В работе [2] нами было установлено, что для плотных биотканей параметры и0 и к взаимосвязаны однозначным образом. Увеличение оптической плотности биоткани сопровождается ростом и и0, и к, т. е. при регистрации возрастания пиковой интенсивности обратно рассеянного НИЛИ можно с уверенностью говорить об одновременном сужении апертурного угла рассеяния. Тем самым для лазерного диагностирования состояния плотных биотканей вполне достаточным оказывается измерение всего лишь одного параметра, в частности и0 как наиболее предпочтительного с практической точки зрения.
Для жидких биологических сред картина иная. Это наглядно иллюстрирует рис.4, на котором приведены зависимости и0 и к от процентного содержания синих чернил и черной
Процентное содержание синих чернил в молоке
Рис. 4. Зависимости параметров рассеяния и0 и к от процентного содержания синих чернил в молоке
туши в молоке. Характерным является то, что введение в исходный состав молока всего лишь
0,1__0,2 % инородных рассеивающих центров
заметно уменьшает и0 и, в отличие от плотных биотканей, увеличивает к.
Анализ коэффициентов отражения и пропускания показывает, что с возрастанием процентного содержания чернил и туши в молоке увеличивается поглощение лазерного излучения в смеси. Следствием этого является уменьшение интенсивности обратно рассеянного НИЛИ, и в частности ио. Возрастание параметра к, характеризующего коэффициент рассеяния, при увеличении концентрации чернил и туши обусловлено ростом числа рассеивающих центров в молоке, проявляющимся как возрастание оптической плотности среды.
Для подтверждения определяющей роли вводимых инородных рассеивающих центров в характере процесса рассеяния были проведены эксперименты с модельной средой, представляющей собой смесь молока с водой. Результаты исследований, которые заметно отличаются от данных рис.4, приведены на рис.5. По характеру поведения зависимостей и0 и к от процентного содержания воды в молоке можно сделать вывод об уменьшении оптической плотности молока по мере разбавления его водой. На результат также оказывает влияние возрастание коэффициента пропускания лазерного излучения смесью.
При изучении процесса зарождения и развития новой родственной культуры в составе исходной среды на примере смеси молока с кефиром и процесса скисания молока получены результаты, представленные на рис.6. Графики зависимостей и0 и к от процентного содержания кефира в молоке характеризуются начальным спадом кривых, соответствующим
100.00 -
U , мВ
Для закисающего молока: Для закисшего молока:
■V • *
Процентное содержание воды в молоке
Рис. 5. Зависимости параметров рассеяния ио и к от процентного содержания воды в молоке
стадии зарождения новой культуры, сопровождающейся процессом разделения исходной среды на фракции, и их последующим ростом по мере развития зародившейся культуры. На начальное уменьшение ио и к оказывает влияние не столько формирование рассеивающих центров, сколько образующаяся водная прослойка между ними, которая способствует возрастанию коэффициента пропускания лазерного излучения, с одной стороны, и уменьшению оптической плотности среды в целом, - с другой. Увеличение ио и к отражает преимущественный вклад в процесс рассеяния сформировавшейся новой среды, характеризующейся меньшим коэффициентом пропускания и возрастанием оптической плотности.
Из данных рис.6 следует, что чувствительность использованного нами метода лазерной диагностики процесса зарождения новой родственной культуры в исходной жидкой биологической среде ограничена 3.5 %.
Выводы
Таким образом, на базе полупроводникового лазера создана компактная мобильная установка для неразрушающей диагностики состояния биологических объектов. Изучены особенности процесса обратного рассеяния низ-
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
Процентное содержание кефира в молоке
Рис. 6. Зависимости параметров рассеяния ио и к от процентного содержания кефира в молоке
коинтенсивного лазерного излучения жидкой биологической средой при формировании в ней центров рассеяния. На примере молока показано, что методика регистрации и анализа характера распределения интенсивности обратно рассеянного лазерного излучения позволяет надежно диагностировать появление малой
доли инородных включений (до 0,1_____0,2 %) и
развивающейся новой культуры (до 3_5 %) в исходном составе жидкой биологической среды. Результаты работы могут быть положены в основу экспресс диагностики начала критических изменений в жидких биологических средах при их микробиологических исследованиях, а также экологического состояния водоемов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Прикладная лазерная медицина. Учебное и справочное пособие / Под ред. Х.П. Бер-лиена, Г.Й. Мюллера: Пер. с нем. под ред. Н.И. Коротеева, О.С. Медведева. М.: АО Интерэксперт. 1997.
2. Гуреев А.Д., Котова С.П. Неразрушающее диагностирование биотканей с использованием методики обратного рассеяния низкоинтенсивного лазерного излучения // Препринт ФИАН. 1999. № 22.
LASER DIAGNOSTIC OF LIQUID BIOLOGICAL MEDIUMS
© 2000 A.D. Gureev, S.P. Kotova
Samara Branch of Physics Institute named for P.N. Lebedev of Russian Academy of Sciences
On the basis of semiconducting laser with radiation wavelength equal 0.63 ... 0.68 microns and fiber-optic system of transporting of a laser radiation is created the trial plant for laser diagnostic of a state of biological samples. The singularities of a backscatter of the low intensive laser radiation by a liquid biological medium with the formed scattering centers in it are studied.
