Вданной статье был представлен эксперимент по возможности проведения дистантных измерений в спектрофотометрии. В эксперимент проводился при помощи спектофотометрического прибора — тканевого оксиметра «OxiplexTS», калибровочных блоков и специальной подложки. Полученный данные были проанализированы и просчитана погрешность. В следствии чего был сделан вывод о том, что погрешность достаточно велика и для спектрофотометра со способностью дистантных измерений необходимо знать расстояние до поверхности, на которой проводятся измерения. Чего можно достичь, применяя дополнительные средства измерения расстояния до кожного покрова.
Ключевые слова: спектрофотометрия, дистантные измерения, эксперимент
Спектрофотометрия биологических тканей позволяет получать информацию о функциональной активности биологической ткани, ее метаболизме и о работе системы транспорта кислорода. Благодаря этому спектрофотометрия биологических тканей — занимают прочное положение в решении важных задач функциональной диагностики медицинской практике и являются активно развивающимися в настоящее время областью неинвазивной диагностики [1].
Важным шагом, является создание спектрофотометра с возможностью дискантных измерений. Количественная и неинвазивная оценка составляющих крови в красном и ИК диапазоне, необходима для оперативного анализа и быстрого принятия решения врачами, о дальнейшем лечении.
Возможность проводить измерения на небольшом расстояние, не соприкасаясь с кожным покровом, является важным и необходимым шагом в стектофотометрии. Применение дистантного спектрофотометра расширит его область применения, и позволит использовать для пациентов с повреждением кожного покрова, когда применения обычного, контактного метода является невозможным.
В данной работе будет проведён эксперимент по возможности дистантного измерения. Проанализированы полученные данные, для решения дальнейших задач, связанных с бесконтактными измерениями.
Ход эксперимента
Для проведения эксперимента применялся современный спектофотометрический прибор — тканевый оксиметр «OxiplexTS» компании ISS (США), работающий на двух длинах волн: 692 нм и 834 нм. В данном приборе реализуется частотный многодистантный подход, который позволяет разделять эффекты рассеяния и поглощения при измерениях в объемных средах. Частотный (модуляционный) подход основан на регистрации динамического отклика интенсивности, рассеянного в обратном направлении света определенной длины волны [2]. Устройство работает путем излучения ближнего инфракрасного (ИК) излучении в ткани на известных расстояниях от коллектора, которая составляет: 2.0; 2.5; 3.0 и 3,5 см.
Эксперимент проводился в несколько этапов:
В первом случае снимали параметры с калибровочных блоков, а также проводилась калибровка для дальнейших измерений на живом объекте.
Для калибровки использовались стандартные силиконовые блоки (ISS, Inc.) с добавлением в определенных концентрациях порошка оксида титана (TiO2) в качестве рассеивателя и порошка графита в качестве поглотителя [2]. Каждый из блоков имеет соответствующие оптические параметры: Блок 1, параметры мышечной ткани, и Блок 2, с параметрами тканей головы, для большей наглядности параметры представлены в табл.1
Встроенное программное обеспечение прибора «OxiplexTS» позволяет регистрировать в мониторном режиме и анализировать следующие оптические параметры: АС, DC, φ, μa и μs’, — и ряд производных параметров, применяемых в тканевой оксиметрии.
AC, DC — переменная и постоянная составляющая интенсивности сигнала на выходе
µа — коэффициент поглощения
µ`s — коэффициент рассеянья
Таблица 1
Параметры калибровочных блоков
|
Калибровочный блок №1 |
||||||
|
692 нм |
843 нм |
|||||
|
µа, см-1 |
µ`s, см-1 |
µа, см-1 |
µ`s, см-1 |
|||
|
0,135 |
5,0 |
0,131 |
4,3 |
|||
|
Калибровочный блок № 2 |
||||||
|
692 нм |
843 нм |
|||||
|
µа, см-1 |
µ`s, см-1 |
µа, см-1 |
µ`s, см-1 |
|||
|
0,104 |
9,6 |
0,099 |
8,6 |
|||
Измерения, на калибровочных блоках, проводятся двумя способами:
– контактно, непосредственно вплотную прижато к поверхности кожи,
– при помощи специальной подложки, толщина которой составляет 5 мм., она необходима для обеспечения определённой дистанции между источником излечения и объектом исследования, биологической тканью.
Дальнейшие измерения происходят на биологической ткани, а именно на мышечной ткани руки, также с использованием подложки. Проведя предварительно калибровку на калибровочном блоке с соответствующими оптическими свойствами.
Для большей наглядности и информативности при снятие данных, измерения проводим с определенной последовательностью.
Этапы проведения эксперимента:
– в состоянии покоя
– при артериальной окклюзии
– покой
– при венозной окклюзии
– в состоянии покоя
Каждый этап замера производятся в течении 5 минут. Артериальная и венозная окклюзии, достигаются при пережатии сосудов предплечья выше места измерения манжетом тонометра.
Обработка результатов эксперимента
В ходе проведенного эксперимента, были получены необходимые данные. Проведем оценку параметров DC при двух различных длинах волн. Усредним полученные значения и домножим на калибровочный коэффициент.
Измерения проводились при различных расстояниях, но при одной и той же калибровке, проведенной дистантно, на калибровочном блоке. При помощи такого рода измерений можно, подсчитав погрешности, оценить необходимость проведения соответствующей калибровке на расстоянии исследования прежде чем применить его на биологический объект. Все полученные данные приведены в графический вид и представлены ниже.
- Дистантные измерения, с соответствующей дистантной калибровкой.
Данные измерения проводились на двух калибровочных блоках, с различными биологическими параметрами, ткани головы и мышечной ткани параметры которых представлялись выше. Так же измерения проводились на предплечье.
Рис. 1. Измерения, проводимые на калибровочном блоке, имеющий параметры мышечной ткани
Рис. 2. Измерения, проводимые на калибровочном блоке, имеющий параметры тканей головы
Рис. 3. Измерения, проводимые на биологической ткани, предплечье
Для дальнейшей оценки возьмем логарифмическое значение от параметра DC. Так же предварительно взяв среднее и до множив на калибровочный коэффициент. Полученные результаты так же представим в виде графиков.
Рис. 4. Измерения, проводимые на калибровочном блоке, имеющем параметры мышечной ткани
Рис. 5. Измерения, проводимые на калибровочном блоке, имеющий параметры тканей головы
Рис. 6. Измерения, проводимые на предплечье
- Измерения, проводимые контактно, но при дистантной калибровке
Рис. 7. Измерения, проводимые на калибровочном блоке, имеющий параметры мышечной ткани
Рис. 8. Измерения, проводимые на калибровочном блоке, имеющий параметры тканей головы
Рис. 9. Измерения, проводимые на предплечья
Рис. 10. Измерения, проводимые на калибровочном блоке, имеющий параметры мышечной ткани
Рис. 11. Измерения, проводимые на калибровочном блоке, имеющий параметры ткани головы
Рис. 12. Измерения, проводимые на предплечье
Расчет погрешностей
Рассчитаем погрешность, между измерениями дистантными и контактными. В графиках зависимости DC от расстояния выведем тренд, рассчитаем под экспоненциальное значение. По известным формулам приведенных ниже произведём оценку [3,4].
Подставив значения получаем
Полученные результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2
Аппроксимирующие зависимости
|
Фантом |
|
Параметры аппроксимирующей зависимости |
|
|
Показатель экспоненциальной зависимости интенсивности от расстояния |
Тангенс угла наклона логарифма интенсивности от расстояния |
||
|
Длина волны |
Бесконтактные измер. / Контактная калибровка |
||
|
Мышечный блок |
834 нм |
2.016/2.139 |
0.87/0.92 |
|
692 нм |
2.197/2.313 |
0.95/1.01 |
|
|
Церебральный блок |
834 нм |
2.18/2.55 |
0.94/1.052 |
|
692 нм |
2.257/2.812 |
0.98/1.15 |
|
|
Предплечье |
834 нм |
2.208/2.42 |
1.03/1.15 |
|
692 нм |
2.4/2.64 |
0.99/1.16 |
|
Таким образом погрешность расчета составляет примерно 25
, что является достаточно большим процентом погрешности.
Вывод
Подводя итоги проведенного эксперимента, делаем вывод, что при проведении дистантных измерений необходимо знать расстояние до поверхности, на которой проводятся измерения, так как наблюдается большая погрешность полученных данных, при калибровке на расстоянии отличающегося от расстояния, проводимых измерений. Таким образом, возможно свести погрешности к минимальным значениям. Это говорит о возможности производства дистантного спектрофотометра, но при этом необходимо учитывать при помощи дополнительных средств расстояние до кожного покрова.
Литература:
- Производитель приборов OxiplexTS// http://www.iss.com. URL: http://www.iss.com/biomedical/instruments/oxiplexTS.html (дата обращения: 6.04.2016).
- Сафонова Л. П. Спектрофотометрия в функциональной диагностике. — М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2005. — 67 с.
- Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. В. В. Тучина. — М.: Наука, Физматлит, 2007. — 560 с.
