рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Методические указания Исследование оптических свойств биологических тканей

Методические указания Исследование оптических свойств биологических тканей - Лабораторная Работа, раздел Философия, Методические Указания К Лабораторной Работе По Биофизике &n...

Методические указания

к лабораторной работе по биофизике

 

Исследование оптических свойств биологических тканей

и их фантомов спектрофотометрическим методом

 

Цель работы:

работа направлена на ознакомление студентов с оптическими свойствами биологических тканей, на ознакомление с физическими принципами спектрофотометрии биотканей in vivo в красной и ближней инфракрасной областях спектра, ознакомление с принципами работы современного тканевого оксиметра.

Задачи работы: 1) ознакомиться с оптическими свойствами биологических тканей по литературным данным; 2) изучить теоретические основы спектрофотометрии биотканей: режим с постоянной интенсивностью зондирующего излучения и многодистантный фазово- модуляционным подход; 3) ознакомиться с алгоритмами расчета оптических параметров биотканей по измеряемым параметрам интенсивности; 4) ознакомиться с функциональными возможностями спектрофотометрического прибора “OxiplexTS” и программного обеспечения “OxiTS”; 5) выполнить калибровку прибора и провести измерения на предложенном образце биоткани или фантоме; 6) провести исследование ослабления излучения различных длин волн на разных расстояниях между источником и приёмником; определить оптические параметры образцов/фантомов биологических тканей: коэффициента поглощения и транспортного коэффициента рассеяния спектрофотометрическим методом; 7) проанализировать полученные результаты, сделать выводы и оформить отчёт.

 

Теоретическая часть

Современные медицинские технологии базируются на фундаментальных результатах, полученных в физике. Примером является компьютерная медицинская томография. Такие виды томографии, как рентгеновская, магнитно-резонансная и позитронно-эмиссионная обеспечивают получение анатомической информации с большим пространственным разрешением и позволяют регистрировать локальные метаболические процессы. Значительные перспективы с точки зрения портативности, безопасности, простоты и надежности устройств в настоящее время имеет оптическая диффузионная томография [1]. Отличительной чертой современной медицинской диагностики является также продвижение в сторону неинвазивных, портативных, относительно недорогих методов и аппаратов.

Спектрофотометрические методы на протяжении нескольких десятилетий занимают прочное положение в медицинской диагностике, в том числе функциональной. Широко представлены спектрофотометрические методы в лабораторной диагностике. Спектрофотометрия (СФМ) биологических тканей в красном и ближнем инфракрасном (К-БИК) диапазонах длин волн – активно развивающееся направление исследований.

Спектрофотометрия представляет совокупность методов фотометрирования потоков оптического излучения от источников излучения или после его взаимодействия с образцами в зависимости от длины волны. В узком смысле под спектрофотометрией понимают теорию и методологию измерений фотометрических характеристик образца, безразмерных коэффициентов, определяемых отношением потоков: Х= Ф/Ф0 (где Ф0 – поток, падающий на образец, Ф – поток, наблюдаемый после взаимодействия с образцом). В зависимости от направлений освещения и наблюдения, величина Х является коэффициентом пропускания, отражения или рассеяния. Значения коэффициента Х зависят не только от свойств измеряемого образца: оптических постоянных, однородности, формы и состояния поверхности, - но и от длины волны и условий измерения: направлений освещения и наблюдения, положения освещаемого участка на образце, поляризации, температуры.

Среди наиболее широко использующихся в клинической практике спектрофотометрических методов особое место занимает пульсоксиметрия. Другое важное направление – спектрофотометрия с глубинным зондирование биоткани и регистрацией рассеянного в обратном направлении излучения; примером является оптическая тканевая оксиметрия, служащая для определения степени оксигенации гемоглобина крови в работающей мышечной ткани, в головном мозге новорожденных с патологией или взрослых в процессе активной деятельности мозга [1,2,3]. В данном методе регистрируются рассеянное в обратном направлении излучение. СФМ биотканей широко востребована в таких областях современной медицинской практики, как хирургия, анестезиология и реанимация, неонатолоия, неврология, ангиология, функциональная диагностика, реабилитация, спортивная медицина.

Физической основой методов СФМ является взаимодействие фотонов света с биологической тканью.

Оптические свойства биотканей

С оптической точки зрения биоткани, включая биологические жидкости: кровь, лимфу и пр., - можно разделить на два больших класса: 1) сильно рассеивающие (оптически мутные), такие как кожа, мозг, стенка… 2) слабо рассеивающие (прозрачные), такие, как роговица и хрусталик глаза, оптические свойства которых описываются в…

Основы метода спектрофотометрии биотканей

   

Экспериментальная часть

Используемое оборудование

Оптические свойства образцов/фантомов биотканей определяются и исследуются с помощью спектрофотометрического прибора «OxiplexTS», (ISS Inc., США), имеющего следующие рабочие характеристики:

- частота модуляции интенсивности излучения – 110 МГц;

- длины волн источников зондирующего излучения – 692 нм и 834 нм;

- два измерительных канала: по 8 источников (лазерных диодов), по 4 - на каждую из двух длин волн, и по одному приемнику - фотоэлектронному умножителю (ФЭУ);

- кросскорреляционная частота приема излучения – 3-5 кГц;

- мультиплексирование источников по времени – от долей герц до 100 Гц;

- диаметр оптоволокна источника – 400 мкм, диаметр оптоволоконного кабеля приемника – 3 мм.

- относительная погрешность определения амплитуды не превышает 0,1 %; погрешность определения фазы – 0, 1 º

Внешний вид прибора представлен на рис. 4.

 

 

Рис. 4. Внешний вид прибора “OxiplexTS” (ISS, Inc., США)

Принцип действия и технические характеристики “OxiplexTS” приведены в [3,10].

 

В используемом в работе гибком датчике (рис. 5) оптоволокна источников размещены линейно на четырех расстояниях от приемного жгута (2,0 см, 2,5 см, 3,0 см и 3,5 см, что соответствует глубине зондирования образцов/фантомов примерно от 7 мм до 17 мм), по две длины волны (692 нм и 834 нм) на каждое расстояние, что позволяет реализовать многодистантный подход с мультиплексированием по времени 8 источников излучения (лазерных диодов).

 

 

Рис.5. Оптоволоконный многодистантный датчик (слева), стандартные калибровочные

блоки фирмы ISS, Inc. (в центре между двумя фантомами) и контейнеры с твердыми фантомами биотканей, изготовленными на основе водного геля, без добавления туши в качестве поглотителя (белый, справа) и с добавлением бриллиантового зеленого в качестве поглотителя

 

Для калибровки используются стандартные силиконовые блоки (ISS, Inc.) с добавлением в определенных концентрациях порошка оксида титана (TiO2) в качестве рассеивателя и порошка графита в качестве поглотителя (рис. 5). Оптические параметры калибровочных блоков приведены в таблице 2. Блок “1” имеет большее поглощение, но меньшее рассеяние на длинах волн 692 нм и 834 нм, по сравнению с блоком “2”. В соответствии с инструкцией по эксплуатации “OxiplexTS”, перед измерениями на фантомах или биологических объектах рекомендуется проводить калибровку прибора на блоке с оптическими параметрами, близкими к параметрам исследуемой среды.

 

Таблица 2.

Оптические параметры калибровочных блоков

 

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

 

Методика измерений

Методика измерений при экспериентальном исследовании образцов/фантомов биотканей включает следующие этапы:

1) калибровку прибора «Oxiplex TS» в соответствии с инструкцией по эксплуатации на блоке с известными оптическими параметрами (μa и μs');

2) установку оптического датчика на поверхности исследуемого образца, плотное прижатие гибкого датчика к поверхности фантома с помощью деревянного бруска и закрепление с помошью эластичного жгута, обёртывание фантома с закрепленным датчиком плотной чёрной материей;

3) регистрацию и запись в файл параметров рассеянного в исследуемом образце в обратном направлении излучения и расчетных оптических параметров образца: 1) AC и DC для разных расстояний между источником и приёмником с учетом и без учета калибровочных коэфициентов (для регистрации экспоненциального затухания интенсивности излучения в образце); 2) μa и μs' для длин волн 692 нм и 834 нм.

 

Выполнение работы

1. Изучить материал данного методического пособия.

2. Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации прибора «Oxiplex TS» (ISS, Inc.).

3. Включить прибор за 15-30 мин. до выполнения калибровки и проведения измерений, соблюдая необходимые меры безопасности и инструкцию по эксплуатации.

4. Провести калибровку прибора, установить датчик на исследуемом образце и выполнить измерения в соответствии с методикой измерений.

5. Проанализировать полученные данные, сделать выводы, оформить отчёт.

 

Меры безопасности

В приборе «Oxiplex TS» (ISS, Inc.) в качестве фотоприемников используются фотоэлектронные умножители, имеющие напряжение питания около 1,0-1,5 кВ.… – перед включением прибора в сеть обязательно проверить исправность сетевого… – запрещается включать аппарат в сеть при повреждении сетевого шнура;

Оформление отчёта по лабораторной работе

Отчёт по работе выполняется каждым студентом самостоятельно на листах стандартного формата А4 или тетрадных листах «в клетку». Отчёт должен содержать:

– цель работы и задачи;

– краткий реферат теоретической части;

– технические характеристики лабораторного оборудования и используемых приборов;

– краткое описание объекта исследования, биообъекта;

– результаты экспериментальных исследований, расчёты и графики;

– выводы по результатам проведённых исследований.

Выводы по работе должны отражать соответствие/несоответствие полученных экспериментальных данных известной априорно информации об оптических свойствах биотканей/фантомов. В случае несоответствия, указать возможные причины.

Отчёт, схемы, графики и таблицы необходимо выполнять в соответствии с требованиями ЕСКД и ГОСТ.

 

Контрольные вопросы

1. Назовите основные оптические параметры биотканей.

2. Что такое фактор анизотропии? Чему он равен для биотканей?

3. Каков физический смысл коэффициентов поглощени и рассеяния?

4. Назовите основные хромофоры биологических тканей.

5. Назовите границы «терапевтического окна» (длины волн), в котором рассеяние преобладает над поглощением излучения в биотканях.

6. Запишите закон Бера-Ламберта-Бугера ослабления излучения в среде.

7. В чем особенность модифицированного закона Бера-Ламберта-Бугера?

8. Какие применяются режимы облучения биотканей в спектрофотометрии?

9. В чем заключается основное ограничение непрерывного режима в спектрофотометрии?

10. Основы фазово-модуляционного многодистантного подхода.

 

Список литературы

1. Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. В. В. Тучина. - М.: Наука, Физматлит, 2007. – 560 с.

2. Wolf M., Ferrari M., Quaresima V.. Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications // Journal of Biomedical Optics. 2007. Vol. 12, No.6. P. 062104-1-14.

3. Сафонова Л. П. Спектрофотометрия в функциональной диагностике. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2005. – 67 с.

4. А.Е. Пушкарева. Методы математического моделирования в оптике биоткани. Учебное пообие. СПб: СпбГУ ИТМО, 2008. – 103 с.

5. [Электронный ресурс ] Spectral imaging and analysis of human skin:

http://master-erasmusmundus-color.eu/content/download/29898/359733/file.htm

6. Пика Т. О. Концентрации биологических хромофоров как индикаторы состояния биотканей // Общеуниверситетская научно-техническая конференция “Студенческая научная весна-2012”: труды. М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2012. т. XII, часть 4. С. 315 – 320.

7. A. Duncan, J.H. Meek, M. Clemence, C.E. Elwell, L. Tyszczuk, M. Cope, D.T. Delpy. Optical pathlength measurements on adult head, calf and forearm and the head of the newborn infant using phase resolved near infrared spectroscopy // Phys. Med. Biol. 1995. Vol. 40. P.295-304.

8. Fantini S., Franceschini M. A., Gratton E. , Quantitative determination of the absorption spectra of chromophores in strongly scattering media: light-emitting-diode-based technique, Appl. Optics 33, 5204-5213 (1994).

9. Fantini S., Franceschini M. A., Maier J. S., Walker S. A., Barbieri B., and Gratton E., "Frequency-domain multichannel optical detector for noninvasive tissue spectroscopy and oximetry", Optical Engineering 34, 32-42 (1995).

10. [Электронный ресурс] OxiplexTS: http://www.iss.com/biomedical/instruments/oxiplexTS.html

 

 

Области длин волн, овечающие спектральным цветам (Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. С нем. – М.: Мир, 1983. – 520 с.; стр. 289)

УФ   Фиол   Син   Зел   Желт   Оранж   Красн   ИК
               

 

 

– Конец работы –

Используемые теги: методические, указания, исследование, оптических, свойств, биологических, тка0.102

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Методические указания Исследование оптических свойств биологических тканей

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

Методические указания по выполнению контрольной работы Страхование: Методические указания по выполнению контрольной работы / Новосиб
ФГОУ ВПО Новосибирский государственный аграрный университет... Экономический институт Страхование...

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по технико-экономическому обоснованию дипломных проектов и работ специальности 220200 Автоматизированные системы обработки информации и управления Методические указания для специальности 2202 Автоматизированные системы обработки инфо
Российский химико технологический университет... им Д И Менделеева... Новомосковский институт Издательский центр...

Методические указания По курсовому и дипломному проектированию по дисциплине Ремонт автомобилей Методические указания предназначены для оказания практической помощи учащимся при выполнении курсового проекта по дисциплине Ремонт автомобилей . 1 Общая часть
Методические указания... По курсовому и дипломному проектированию... раздел Технологическая часть...

Краткий курс механики в качестве программы и методических указаний по изучению курса Физика Краткий курс механики: Программа и методические указания по изучению курса Физика / С
Федеральное агентство железнодорожного транспорта... Омский государственный университет путей сообщения...

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ...

Методические указания к семинарским занятиям Методические указания по самостоятельной работе Банк тестовых заданий в системе UniTest
ВСЕОБЩАЯ ИСТОРИЯ ИСКУССТВА... Учебная программадисциплины gt Курс лекций Методические... Лекция Основные понятия истории искусства ч...

Биологическое оружие и биологический терроризм. Особенности поражающего действия биологических средств
Введение... В истории человечества зачастую многие крупные научные открытия в той или иной... Так в период войн Александра Македонского с целью воспрепятствования использования питьевой воды из колодцев в них...

Задания и методические указания для выполнения курсового проектапо дисциплине Триботехника в автотранспортном комплексе Общие указания и индивидуальное
Задания и методические указания для выполнения курсового проектапо дисциплине Триботехника в автотранспортном...

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИЙ. Методические указания по выполнению лабораторных работ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ... СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ ТУСУР... Кафедра автоматизированных систем управления АСУ...

Тип ячейки определяет строение и свойства кристалла в целом, а свойства каждого из этих кристаллов определяет свойства всего кристалла в целом
Кристаллическое строение металлов... Металлы Ме являются поликристаллическими веществами т е они состоят из... Кристаллическое состояние твердое состояние вещества...

0.053
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • По категориям
  • По работам