Роль оптики при изучении параметров крови | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Медицина

Опубликовано в Молодой учёный №25 (159) июнь 2017 г.

Дата публикации: 26.06.2017

Статья просмотрена: 48 раз

Библиографическое описание:

Муравлев В. К., Мукатай Г. О. Роль оптики при изучении параметров крови // Молодой ученый. — 2017. — №25. — С. 187-190. — URL https://moluch.ru/archive/159/44826/ (дата обращения: 21.10.2018).



Во всем мире рост населения ведет к росту заболеваемости, а это увеличивает нагрузку медработника клиники и выдвигает на первое место медицинские технологии, эффективно действующие действующие на больного при минимальной затрате времени.

В биологии и медицине с развитием использования светового, в том числе, лазерного излучения для лечения и диагностики различных патологических состояний, возникла необходимость фундаментального изучение оптических свойств крови.

Многие заболевания имеют гематологические проявления, например, некоторые характеристики клеток крови, в частности нейтрофилов, выходят за пределы физиологических норм. Поэтому анализ крови является главным компонентом любых диагностических исследований. В настоящее время широко распространены оптические методы изучения и характеризации клеток крови, такие как светорассеяние и флуоресценция [1].

Собственно проблема влияния света на биологические системы всегда находилась в центре внимания исследователей, начиная с древнейших времен, так как свет является одним из необходимых и важнейших условий существовании жизни на Земле. На твердую научную основу исследования по биологической оптике (биооптике) были поставлены после работ основателей фотометрии в XVIII веке (P. Booger 1740, J. Lambert, 1750) [2].

С середины прошлого столетия с появлением лазерной медицины большой интерес обратили к оптическим свойствам мягких биологических тканей и жидкостей, особенно крови и кожных покровов [3, 4, 5, 6, 7].

Оптические свойства биологических тканей отличаются спектральными оптическими свойствами в зависимости от длины волны, мощности, поляризации и других характеристик подаваемого лазерного излучения. При исследованиях было замечено сильная зависимость оптических свойств биологических тканей от индивидуальных пигментных особенностей организма и обменных процессов в нем, наличия или отсутствия патологического процесса в тканях и органах, параметров кровообращения, лимфатического дренажа, кислотно-щелочного баланса, реактивности вегетативной нервной системы, состояния организма в целом, т. е. от индивидуального для каждого пациента состояния тканей, органов и всего организма [8, 9]. Зависимость от функционально-физиологического и патофизиологического состояния оптических свойств тканей и органов позволила сделать вывод, что лазерные методы можно использовать в диагностических целях, т. е. оценивать клиническое состояние тканей и органов по их оптическим параметрам.

Изменения в тканях и органах вызванные потологией приводят к изменениям биохимического состава, морфологии, электрических, реологических и других физико-химических параметров и свойств, что, в свою очередь, обуславливает соответствующее изменение оптических свойств этих тканей и органов — спектральных коэффициентов отражения, поглощения, рассеяния и т. п. На основе этих параметров можно провести клиническую диагностику, так как они достаточно информативны.

Определению по спектрам поглощения уровня концентрации кислорода в крови и тканях [10] и определению параметров кровотока и сердечно-сосудистой системы методом лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ) [11] уделяется большое внимание.Очевидно, что использование оптического диапазона длин волн в клинической диагностике может быть не менее информативным, чем использование рентгеновских и ультразвуковых исследований, компьютерной томографии и т. д. При этом важно, что с точки зрения информативности диагностики, оптический диапазон имеет много отличительных преимуществ, так как не связан с ионизирующими излучениями, позволяет проводить неинвазивный анализ биохимического состава тканей и крови, что практически недоступно другим неинвазивным методам, позволяет строить изображения и проводить их Фурье-анализ в привычной для врача визуальной форме по очень большому числу спектрально-пространственных и энергетических параметров.

Для диагностики и лечения различных патологических состоянии анализируют спектральный состав прошедшего через кожу или отраженного ею света, можно зарегистрировать ряд реальных нелинейных оптических эффектов в тканях и крови, связанных со спектральной селективностью молекулярного поглощения и явлением наведенной и эндогенной флюоресценции.Вультрафиолетовой области спектра (330–350 нм) флюоресценция обусловлена, видимо, свечением некоторых белков [12].

Одним из важнейших параметров, поддающихся диагностике с помощью методов лазерного спектрального анализа (ЛСА), является оксигенация гемоглобина. Количество света, прошедшего через ткань или отраженного от нее, зависит не только от общего объема содержащейся в ткани крови, но и от изменения содержания в крови связанного с гемоглобином кислорода, т. е. степени ее оксигенации. Спектры поглощения оксигемоглобина (HbO2) и дезоксигемоглобина (Hb) имеют характерные отличия и хорошо известны, по крайней мере для гемолизированной крови. Например, на длинах волн 430 нм, 569 нм, 586 нм, 810 нм, 850 нм поглощение света оксигемоглобином и восстановленным гемоглобином крови практически одинаково. Это так называемые изобестические точки, которые выгодно использовать в качестве реперных, избегая ошибок измерений, связанных с неодинаковостью пропускания света венозной и артериальной кровью. Проводя измерения на длинах волн 540 нм и 750 нм в сочетании с измерениями на двух изобестических точках, можно определить процент оксигенированной крови. Схожим образом существует возможность регистрации процентного содержания в крови метгемоглобина, билирубина и других составляющих. Большие изменения содержания оксигемоглобина, как известно, наступают при патологиях сердечно-сосудистой системы и органов дыхания, тканевой гипоксии, при наличии мышечных и общих эмоционально-физических перегрузках, различных воспалительных процессах в тканях и органах, что уже сегодня становится доступно для диагностики методами ЛСА и ЛДФ.

Методом ЛДФ можно определить такие важные в гематологии параметры, как оксигенация крови, ее гематокрит, процентное содержание гемоглобина и средняя скорость кровотока [2].

Оптические свойства крови можно исследовать двумя способами: инвазивным и неинвазивными методами.

Инвазивность является одним из недостатков при заборе крови у пациента. При инвазивном способе диагностики крови следует наблюдатьболезненность процедуры забора биологического материала — крови, связанную с ней травматичность, требуется труд квалифицированных медработников, соблюдения мер безопасности для обеспечения профилактики вирусного гепатита, ВИЧ-инфекции, инфекционных заболеваний, а также сложность в подготовке материала к исследованию, значит данный метод непригоден для скрининга и массового обследования населения.

Оптимальным методами исследования оптических свойств крови является неинвазивные методы, которые не предусматривают специальную подготовку материала к исследованию.При использовании неинвазивного способа диагностики нет необходимости соблюдения мер повышенной безопасности по обеспечению профилактики ВИЧ-инфекции, вирусного гепатита и других инфекционных заболеваний, не требуется участие высококвалифицированного медицинского персонала, поэтому неинвазивные методы могутшироко использоваться с целью профилактического скрининга населения, не только взрослых, но и детей.

Глубина проникновения светового излучения зависит от длины волны (рис. 1). На рисунке 1 на кожу направляется световое излучение с разными длинами волн и изучаются светорассеивающие свойства крови, которые изменяются в зависимости от протекающих в организме процессов [13].

Рис. 1. Структура кожи и глубина проникновения светового излучения различных длин волн

При взаимодействии с поверхностью тела человека часть оптического излучения отражается, другая рассеивается, третья поглощается, а четвертая проходит сквозь различные слои биологических тканей. Чаще всего объектом взаимодействия оптического излучения с организмом является кожа. Коэффициент отражения излучения слабопигментированной кожей достигает 43–55 % и зависит от многих причин. Так, например, у мужчин он на 5–7 % ниже, чем у женщин. Пигментированная кожа отражает свет на 6–8 %слабее. Скользящее падение света на поверхность кожи увеличивает коэффициент отражения до 90 %.

Характер взаимодействия оптического излучения с биологическими тканями определяется его проникающей способностью. Различные слои биоткани неодинаково поглощают оптическое излучение разной длины волны. Глубина проникновения света нарастает при переходе от ультрафиолетового излучения до ближнего ИК диапазона с 1 мкм до 2,5 мм, а в среднем и дальнем диапазонах резко снижается до 0,3–0,5 мм.

Оксигенированный гемоглобин интенсивно поглощает световое излучение, начиная с УФ области и до длины волны 600 нм с максимумом в 585 нм [14].

В медицине широкое применение находит лазерная технология неинвазивной диагностики. Это диагностическое направление, которое появилось в конце прошлого столетия приведет к созданию нового сегмента рынка лазерных медицинских приборов и услуг, более привлекательного, чем лечебная аппаратура.Сцелью получения по отраженному (рассеянному, прошедшему ткань насквозь и т. п.) свету диагностической информации о биохимическом составе и анатомическом (морфологическом) строении обследуемого участка мягких тканей пациента оптическая неинвазивная диагностика предполагает использование оптического (в том числе лазерного) излучения для прижизненного зондирования тканей и органов пациента. Это под силу дорогостоящим лабораторным биохимическим и гистологическим анализам, требующим взятия образцов крови, фрагментов биотканей и т. п., или, частично, рентгенологическим обследованиям. Лазерная диагностика во многом может решать эти задачи неинвазивно, в реальном масштабе времени и без использования вредных ионизирующих излучений. Современная «лазерная медицина» не замыкается только на лечебных мероприятиях, а активно использует лазер и в целях диагностики. Существуют два больших разделовнеинвазивной лазерной медицинской диагностики: оптическая когерентная и диффузионная томография (ОКТ, ОДТ) [15] и неинвазивная медицинская спектрофотометрия (НМС) [16]. Оптическая когерентная и диффузионная томографияпредполагает получение прижизненных (in vivo) оптических изображений на уровне отдельных клеточных слоев и структур ткани, а неинвазивная медицинская спектрофотометрияполучение прижизненных (in vivo) сведений о динамике биохимического состава ткани (уровня гемоглобина, оксигемоглобина, билирубина и пр.) в зоне обследования.

Таким образом, для оптических методов диагностики не требуются расходные лабораторные препараты, эти методы являются более дешевыми, а также дают возможность получать результаты исследования практически в реальном масштабе времени, это позволяет в процессе лечение вносить определенные изменения в методику проводимых процедур или объективно отслеживать положительную динамику.

Литература:

  1. Maltsev V. P., Semyanov K. A. Characterisation of bio-particles from light scattering: [monograph] / V. P. Maltsev, K. A. Semyanov. — Berlin: Walter de Gruyter Inc, — 2004. – 139 p.
  2. Барыбин В. Ф., Рогаткин Д. А. Неинвазивная лазерная диагностика — медицинская технология XXI века // Альманах клинической медицины. — 1998. — № 1. — 69–81 с.
  3. Гамалея Н. Ф. Лазеры в эксперименте и клинике: [монография] / Н. Ф. Гамалея. — М: Медицина, — 1972. — 232 с.
  4. Илларионов В. Е. Основы лазерной терапии / В. Е. Илларионов. — М.: Респект, 1992. — 122 с.
  5. Козлов В. И., Буйлин В. А., Самойлов И. Г., Марков И. И. Основы лазерной физио- и рефлексотерапии: [монография] / В. И. Козлов, В. А. Буйлин, И. Г. Самойлов, И. И. Марков — Самара: Самарский медицинский университет, — 1993. — 215 с.
  6. Лазеры в клинической медицине / Под ред. С. Д. Плетнева — М: Медицина, 1981. — 399 с.
  7. Прохончуков А. А., Жижина Н. А. Лазеры в стоматологии / А. А. Прохончуков, Н. А. Жижина. — М.: Медицина, 1986. — 176 с.
  8. Александров М. Т. Основы лазерной клинической биофотометрии / М. Т. Александров. — М: Техносфера, 1991. — 584 с.
  9. Karu T. I. Photobiological fundamentals of low-power laser therapy // IEEE G. Quantum Electr. — 1987. — V. 23.– 1701–1855 p.
  10. Takatani S., Cheung P. W., Ernst E. A noninvasive tissue reflectance oximeter. An instrument for measurement of tissue hemoglobin oxygen sarturation in vivo. // Ann. of biomed. Eng. — 1980. — V. 8. – 1–15 p.
  11. Shepherd A. P., Oberg P. A. Laser-Doppler Blood Flowmetry / A. P. Shepherd, P. A. Oberg. — Berlin: Springer-Verlag GmbH, 1990. — p. 396.
  12. Гурвич А. А. Проблема митогенетического излучения как аспект молекулярной биологии / А. А. Гурвич. — Л.: Медицина, 1968. — 241 c.
  13. Шебалин А. Лазерная медицинская диагностика состояния организма по биоспеклам кожи // Фотоника. — 2008. — № 1. — 14–18 с.
  14. Серебряков В. А. Лазерные технологии в медицине: опорный конспект лекций по курсу / В. А. Серебряков. — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. — 266 с.
  15. Гришанов В. Н., Оптическая когерентная томография в медицинской диагностике: метод. указания / сост. В. Н. Гришанов. — Самара: СГАУ, 2015. — 37 с.
  16. Рогаткин Д. А., Лапаева Л. Г. Перспективы развития неинвазивной спектрофотометрической диагностики в медицине // Медицинская техника. — 2003. — № 4. — 31–36 с.
Основные термины (генерируются автоматически): ткань, световое излучение, длина волны, оптическое излучение, оптическое свойство крови, кровь, длина волн, клиническая диагностика, вирусный гепатит, биохимический состав.


Похожие статьи

Оптические просветления кожи и крови: перспективы...

В настоящее время большинство существующих методов используют для оптического зондирования биотканей так называемое окно прозрачности в диапазоне длин волн от 650 до 1200 нм [2]...

Определение физических параметров радиационных процессов...

длина волны, вынужденное рассеяние, индуцированное излучение, лазерное излучение, световод, Черенковское излучение, физическое воздействие, радиационное излучение, оптическое волокно...

Электромагнитное излучение, его воздействие на человека

Все вещества постоянно распространяют электромагнитные волны. Спектр излучения захватывает значительный диапазон длин волн: от радиоволн длиной сотни метров до жесткого космического излучения с длиной волны 10–12 м. Естественный электромагнитный...

Современное состояние проблемы использование...

лазерное излучение, длина волны, вынужденное излучение, Нобелевская премия, лазерное воздействие, лазерный луч, ткань, рана, биологический факультет, бронхиальная астма.

Исследования возможностей дистантных измерений...

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)...

Модернизация диагностического устройства для измерения...

В состав устройства входят: 1 - источник питания, 2 – фотоприемник, 3а – источники излучения в зеленой области спектра, 3б – источники излучения в

Следующим шагом для каждого спектрального диапазона i вычисляют эффективное оптическое поглощение света тканью

Применение и перспективы использования легированных...

3) соответствие длины волны оптического сигнала полосе флюоресценции. На рис. 1 показаны диаграммы энергетических состояний ионов Еr3+ и Nd3+ и схемы переходов электронов при возбуждении и флюоресценции.

К вопросу о биологических эффектах электромагнитного...

В шкале электромагнитных волн, биологическая активность [36] и повреждающее действие имеют тенденцию к снижению с увеличением длины волны, что представляется очевидным не только для ультрафиолетового и ионизирующего излучения...

Определение параметров плазмы по сравнительному анализу...

Ключевые слова: спектр излучения, диагностика плазмы, моделирование спектров излучения, сравнительный анализ, интенсивность линий.

Единственный минус на данный момент — это маленькие диапазоны рассмотрения длин волн.

Оптические просветления кожи и крови: перспективы...

В настоящее время большинство существующих методов используют для оптического зондирования биотканей так называемое окно прозрачности в диапазоне длин волн от 650 до 1200 нм [2]...

Определение физических параметров радиационных процессов...

длина волны, вынужденное рассеяние, индуцированное излучение, лазерное излучение, световод, Черенковское излучение, физическое воздействие, радиационное излучение, оптическое волокно...

Электромагнитное излучение, его воздействие на человека

Все вещества постоянно распространяют электромагнитные волны. Спектр излучения захватывает значительный диапазон длин волн: от радиоволн длиной сотни метров до жесткого космического излучения с длиной волны 10–12 м. Естественный электромагнитный...

Современное состояние проблемы использование...

лазерное излучение, длина волны, вынужденное излучение, Нобелевская премия, лазерное воздействие, лазерный луч, ткань, рана, биологический факультет, бронхиальная астма.

Исследования возможностей дистантных измерений...

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)...

Модернизация диагностического устройства для измерения...

В состав устройства входят: 1 - источник питания, 2 – фотоприемник, 3а – источники излучения в зеленой области спектра, 3б – источники излучения в

Следующим шагом для каждого спектрального диапазона i вычисляют эффективное оптическое поглощение света тканью

Применение и перспективы использования легированных...

3) соответствие длины волны оптического сигнала полосе флюоресценции. На рис. 1 показаны диаграммы энергетических состояний ионов Еr3+ и Nd3+ и схемы переходов электронов при возбуждении и флюоресценции.

К вопросу о биологических эффектах электромагнитного...

В шкале электромагнитных волн, биологическая активность [36] и повреждающее действие имеют тенденцию к снижению с увеличением длины волны, что представляется очевидным не только для ультрафиолетового и ионизирующего излучения...

Определение параметров плазмы по сравнительному анализу...

Ключевые слова: спектр излучения, диагностика плазмы, моделирование спектров излучения, сравнительный анализ, интенсивность линий.

Единственный минус на данный момент — это маленькие диапазоны рассмотрения длин волн.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Оптические просветления кожи и крови: перспективы...

В настоящее время большинство существующих методов используют для оптического зондирования биотканей так называемое окно прозрачности в диапазоне длин волн от 650 до 1200 нм [2]...

Определение физических параметров радиационных процессов...

длина волны, вынужденное рассеяние, индуцированное излучение, лазерное излучение, световод, Черенковское излучение, физическое воздействие, радиационное излучение, оптическое волокно...

Электромагнитное излучение, его воздействие на человека

Все вещества постоянно распространяют электромагнитные волны. Спектр излучения захватывает значительный диапазон длин волн: от радиоволн длиной сотни метров до жесткого космического излучения с длиной волны 10–12 м. Естественный электромагнитный...

Современное состояние проблемы использование...

лазерное излучение, длина волны, вынужденное излучение, Нобелевская премия, лазерное воздействие, лазерный луч, ткань, рана, биологический факультет, бронхиальная астма.

Исследования возможностей дистантных измерений...

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)...

Модернизация диагностического устройства для измерения...

В состав устройства входят: 1 - источник питания, 2 – фотоприемник, 3а – источники излучения в зеленой области спектра, 3б – источники излучения в

Следующим шагом для каждого спектрального диапазона i вычисляют эффективное оптическое поглощение света тканью

Применение и перспективы использования легированных...

3) соответствие длины волны оптического сигнала полосе флюоресценции. На рис. 1 показаны диаграммы энергетических состояний ионов Еr3+ и Nd3+ и схемы переходов электронов при возбуждении и флюоресценции.

К вопросу о биологических эффектах электромагнитного...

В шкале электромагнитных волн, биологическая активность [36] и повреждающее действие имеют тенденцию к снижению с увеличением длины волны, что представляется очевидным не только для ультрафиолетового и ионизирующего излучения...

Определение параметров плазмы по сравнительному анализу...

Ключевые слова: спектр излучения, диагностика плазмы, моделирование спектров излучения, сравнительный анализ, интенсивность линий.

Единственный минус на данный момент — это маленькие диапазоны рассмотрения длин волн.

Оптические просветления кожи и крови: перспективы...

В настоящее время большинство существующих методов используют для оптического зондирования биотканей так называемое окно прозрачности в диапазоне длин волн от 650 до 1200 нм [2]...

Определение физических параметров радиационных процессов...

длина волны, вынужденное рассеяние, индуцированное излучение, лазерное излучение, световод, Черенковское излучение, физическое воздействие, радиационное излучение, оптическое волокно...

Электромагнитное излучение, его воздействие на человека

Все вещества постоянно распространяют электромагнитные волны. Спектр излучения захватывает значительный диапазон длин волн: от радиоволн длиной сотни метров до жесткого космического излучения с длиной волны 10–12 м. Естественный электромагнитный...

Современное состояние проблемы использование...

лазерное излучение, длина волны, вынужденное излучение, Нобелевская премия, лазерное воздействие, лазерный луч, ткань, рана, биологический факультет, бронхиальная астма.

Исследования возможностей дистантных измерений...

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)...

Модернизация диагностического устройства для измерения...

В состав устройства входят: 1 - источник питания, 2 – фотоприемник, 3а – источники излучения в зеленой области спектра, 3б – источники излучения в

Следующим шагом для каждого спектрального диапазона i вычисляют эффективное оптическое поглощение света тканью

Применение и перспективы использования легированных...

3) соответствие длины волны оптического сигнала полосе флюоресценции. На рис. 1 показаны диаграммы энергетических состояний ионов Еr3+ и Nd3+ и схемы переходов электронов при возбуждении и флюоресценции.

К вопросу о биологических эффектах электромагнитного...

В шкале электромагнитных волн, биологическая активность [36] и повреждающее действие имеют тенденцию к снижению с увеличением длины волны, что представляется очевидным не только для ультрафиолетового и ионизирующего излучения...

Определение параметров плазмы по сравнительному анализу...

Ключевые слова: спектр излучения, диагностика плазмы, моделирование спектров излучения, сравнительный анализ, интенсивность линий.

Единственный минус на данный момент — это маленькие диапазоны рассмотрения длин волн.

Задать вопрос