CC BY
47
^ Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки 3' 2012 ^
УДК 681.784.8
О.Ф. Лукашова, Д.В. Мокрова, Г.А. Кафидова, Д.С. Перевозник
НЕИНВАЗИВНЫЙ СПЕКЛ-ДАТЧИК СКОРОСТИ КРОВОТОКА В МИКРОЦИРКУЛЯТОРНОМ РУСЛЕ
Применение лазеров и лазерных технологий при создании современной биомедицинской диагностической аппаратуры открыло новые, уникальные как с практической, так и научной точек зрения, возможности по изучению состояния организма человека. При этом наиболее перспективна аппаратура, позволяющая получить диагностическую информацию неинвазивно и максимально безвредно для обследуемого. Кроме того, введение в состав диагностической аппаратуры радиоканала для передачи информационных сигналов в центр мониторинга или лечащему врачу позволяет своевременно выявить такие формирующиеся состояния как инфаркт, инсульт, диабетическая кома.
В рамках этих тенденций развития современной диагностической биомедицинской аппаратуры активно расширяется ее рынок. По данным отчета аналитической фирмы Berg Insight, в 2010 г. объем глобального рынка дистанционного медицинского наблюдения за больными с хроническими заболеваниями превысил 10 млрд. дол. США и с каждым годом растет на 9 %.
Среди диагностических биомедицинских параметров, наиболее значимых для оценки состояния организма, одно из первых мест занимает уровень динамики крови в микроцирку-ляторном русле органов человека, в частности кожи. Несмотря на значительное число работ [1 — 3] по измерениям динамических параметров кровотока в сосудах и микроциркуляции крови в биотканях, актуальной остается задача создания мобильного прибора, позволяющего проводить измерения как в амбулаторных, так и в стационарных условиях. Работа сенсорной части такого прибора может быть основана на низкокогерентной интерферо-метрической доплеровской спектроскопии, спекл-интерферометрических методах и спекл-фотографических методах визуализации параметров микроциркуляции крови.
Параметры микроциркуляторного кровотока определяются динамикой крови в сети капилляров исследуемого участка кожи, что оказывается важным диагностическим показателем при ожоговом или раневом поражении тканей, в процессе заживления рубцов и при исследовании кожных новообразований. Кроме того ряд заболеваний приводит к изменению жесткости стенок сосудов и вязкости крови, например, жесткость стенок сосудов увеличивается при избытке глюкозы в организме. Помимо этого, можно использовать такой прибор для определения общей наполненности тканей кровью и скорости ее распространения для повышения точности неинвазивных датчиков диагностики состава крови.
В соответствии с вышеизложенным была определена цель данной работы: разработка и создание лабораторной модели неинвазивного спекл-датчика скорости крови в микроцирку-ляторном русле кожи человека, включающей телекоммуникационный канал передачи диагностического сигнала Bluetooth.
В данной работе для неинвазивной регистрации динамики микроциркуляции крови применяется методический подход, основанный на принципах динамики случайных когерентных оптических полей (спекл-полей), формирующихся при рассеянии зондирующего лазерного излучения биотканью (преимущественно эритроцитами крови из ее микроцир-куляторного русла).
Известно [4 — 6], что интенсивность обрат-норассеянного светового поля, регистрируемая фотоприемником (ФП) с достаточно малым размером приемной апертуры, представляет собой явно выраженный случайный сигнал. Одним из возможных методов определения средней скорости микроциркуляторного кровотока служит вычисление автокорреляционной функции (АКФ) такого сигнала и выявление связи времени корреляции с величиной скорости кровотока.
Биофизика и медицинская физика
В работе [4] показано, что распределение амплитуды гауссова светового поля, освещающего рассеиватель на расстоянии £ от перетяжки светового пучка, описывается соотношением
юг
E0(Ç) =—exp
ю
2nz
exp
( I i2 Л
'.М2 '
ю2
V У
exp
2 Л
Хр
где ю0 — ширина перетяжки пучка, X — длина волны используемого света, \ — векторная координата освещаемой точки на плоскости экрана. В этом уравнении ю и р — ¿-зависимые ширина и кривизна волнового фронта пучка, соответственно; они определяются как
ю = ю(2) = ю0(1 + £2 /а2)1/2; р = р( ¿) = 2(1 + £2/ а 2)1/2,
2
где а = л®2 / X.
Нормированная временная АКФ флуктуации интенсивности спекл-поля
М а) = I (t)-(I (t)),
где I^), (I^)) — интенсивность спекл-поля и ее среднее значение, в некоторой точке дифракционного поля на расстоянии I от рассеивающего объекта имеет вид
RAI (т) = ехр(-т2 / х2).
Длина корреляции %с обычно определяется как расстояние от максимума АКФ R(т) до точки, в которой значение функции уменьшается в е раз (рис. 1), и описывается соотношением
= К /\У\,
в котором коэффициент пропорциональности Копределяется параметрами оптической схемы как
K
А , 2 Л"!/2 1 а2
"Г +-2"
чю Лх у
(а = I/ р +1; Ах = Х1 / гаю); V — скорость рассеивающего объекта.
Таким образом, вычисление автокорреляционной функции позволяет провести оценку средней скорости микроциркуляторного кровотока в области наблюдения.
0,00 0,05 0,10 0,15
т, с
Рис. 1. Зависимость от времени нормированной временной автокорреляционной функции флуктуации интенсивности спекл-поля
Для достижения цели, поставленной в работе, был разработан и изготовлен специальный измерительный стенд (рис. 2).
В состав стенда входят сенсорная часть, представляющая собой фотоприемник 4 (фотодиод и усилитель) и лазерный полупроводниковый модуль 2; электронный блок обработки информационного сигнала 5, включающий радиоканал Bluetooth, а также персональный компьютер 6 с соответствующим программным обеспечением.
В процессе эксперимента исследуемая область (часть поверхности подушечки пальца руки) освещалась сфокусированным лазерным пучком. Интенсивность обратнорассеянного светового поля регистрировалась фотоприемником с входной апертурой 50 мкм. С фотоприемника информационный сигнал поступал на вход электронного блока предварительной обработки. В этом блоке сигнал оцифровывался аналого-цифровым преобразователем и транслировался по радиоканалу на персональный компьютер.
Обработка информационного сигнала, принятого по радиоканалу Bluetooth, осуществлялась с помощью специально разработанной программы в среде LabView и проходила в три этапа: восстановление вида информационного сигнала в аналоговой форме, программное вычисление АКФ, определение средней ско-
t
Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки 3' 2012
а)
Рис. 2. Структурная схема измерительного стенда:
1 - объект исследования; 2 - лазер; 3 - линза; 4 - фотоприемник; 5 - электронный блок обработки, включающий радиоканал Bluetooth; 6 - персональный компьютер
Рис. 3. Блок-схема программы
I, мВ
б)
I, мВ
в)
R, о.е.
1,0-
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 х С
Рис. 4. Информационные сигналы от кожи волонтера, полученные до (а) и после (б) физической нагрузки, а также соответствующие АКФ (в): до (1) и после (2) физической нагрузки
t
Биофизика и медицинская физика
рости кровотока в микроциркуляторном русле по времени корреляции. На рис. 3 приведена блок-схема программы.
Для определения измерительных возможностей разрабатываемого датчика был выполнен ряд натурных экспериментов на волонтерах. В частности, были зафиксированы сигналы до и после физической нагрузки (рис. 4).
Из приведенных зависимостей, соответствующих разным условиям регистрации сигналов, видно, что АКФ явно отражает изменение состояния обследуемого. В данном случае изменение времени корреляции обусловлено тем, что при физической нагрузке сосуды расширяются и скорость крови в них уменьшается, соответственно время корреляции увеличивается. Таким образом подтверждена работоспособность модели датчика скорости микроциркуляторного кровотока.
Итак, в ходе работы создана лабораторная модель неинвазивного спекл-датчика капиллярного кровотока, сопряженная с персональ-
ным компьютером по каналу Bluetooth, и программа обработки информационного сигнала, позволяющая рассчитывать скорость капиллярного кровотока в автоматическом режиме. Предложенная модель датчика позволяет вести непрерывный мониторинг параметров микроциркуляторного кровотока и осуществлять дистанционную передачу данных, что позволит в дальнейшем использовать датчик как в качестве самостоятельного прибора, так и в диагностическом комплексе для контроля за пациентами с хроническими заболеваниями.
Авторы выражают благодарность Заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору С.Б. Макарову (зав. кафедрой радиоэлектронных средств защиты информации СПбГПУ) и кандидату технических наук, доценту С.В. Волвенко (сотрудник той же кафедры) за предоставление электронного модуля с каналом Bluetooth.
Работа поддержана Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» ГК №16.512.11.2115.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Eiju, T. Microscopic laser Doppler velosimeter for blood velocity measurements [Text] / T. Eiju, M. Nagai, K. Matsuda, [et al.] // Optical Engineering. — 1993. — Vol. 32. - P. 15-20.
2. Aizu, Y. Coherent optical techniques for diagnostics of retinal blood flow [Text] / Y. Aizu, T. Asakura // Journal ofBiomedical Optics. - 1999. - Vol. 4. — № 1. - P. 61-75.
3. Galanzha, E.I. Speckle and Doppler methods of blood and lymph flow monitoring [Text]: In: Handbook of optical biomedical diagnostics / E.I. Galanzha, G.E. Brill, Y. Aizu, [et al.] - Bellingham: SPIE Press, 2002. - P. 875937.
4. Asacura, T. Dynamic laser speckles and their application to velocity measurements of diffuse object [Text] / T. Asacura, N. Takai // Applied Physics. — 1981. -Vol. 25. - P. 179-194.
5. Мокрова, Д.В. Бесконтактная диагностика физических параметров биологических объектов на основе оптических спекл-полей и дифрактометрии [Текст]: дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.21: защищена 09.12.10: утв. 08.04.2011 / Мокрова Дарья Всеволодовна. — СПб., 2010. — 150 с. Библиогр.: с. 53-71.
6. Ульянов, С.С. Что такое спеклы [Текст] / С.С. Ульянов // Соровский образовательный журнал. -1999. - № 5. - С. 112 - 116.
УДК 577.322; 541.64:537.3
В.М. Капралова, Е.А. Назарова, Н.Е. Иванова, Е.Б. Шадрин
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ АЛЬБУМИНА КАК ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ ПАРАМЕТР
В последнее десятилетие показано, что при многих серьезных нейродегенеративных заболеваниях имеются изменения конформации
белковых молекул и, как следствие, нарушение биологической функции определенных белков. Эти заболевания принято также называть кон-
