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.
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.
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 | |||||||