Тканевая оксиметрия

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Факультет “Биомедицинская техника”

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                 Реферат 

На тему: «Тканевая оксиметрия»

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент: Горин Н.А.   

Группа: БМТ2-42  

Дата предъявления на проверку:

 

Преподаватель: Сафонова Л.П.

Дата:

 

 

 

 

 

 

                                                            Москва

2014

 

План.

1. Введение.
2. Взаимодействие света с тканью.
3. Свойства лазерного излучения.
4. Рассеяние и регистрация света.
5. Состав и функции крови.
6. Фотометрия – основа методов оптической оксиметрии.
7. Принцип работы тканевого оксиметра.
8. Методы и математческие модели.
9. Вывод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Большой практический интерес вызывает возможность использования тканевой оксиметрии (ТО) для мониторинга оксигенации периферических мышечных тканей . ТО имеет хорошую воспроизводимость и помимо баланса доставки и потребления кислорода может отражать состояние кровотока в микроциркуляторном русле. В оценке микроциркуляции ТО может превосходить такие устоявшиеся способы оценки кровотока периферических тканей, как радиоизотопная плетизмография. Однако, мониторинг тканевой оксигенации не нашел широкого применения, что было обусловлено сложностью и дороговизной оборудования. Только в последние годы с внедрением в клиническую практику тканевой оксиметрии с помощью близкой по спектру к инфракрасной спектроскопии (БИКС или NIRS в англоязычной литературе) появилась возможность мониторировать региональную оксигенацию во время операции.  Поэтому на данном этапе тканевая оксиметрия является развивающейся отраслью в медицинской диагностике.

Взаимодействие света с тканью.

  Поглощение света является одной из характеристик эффективности взаимодействия света с исследуемым биологическим объектом. Спектры поглощения биообъектов определяются типом доминирующих поглощающих центров, так называемых хромофоров, и содержащейся в них водой.

Рис. 1.1. Зависимость доли световой энергии ДЕ/Е, поглощенной кровенаполненной биотканью толщиной 1 мм, от длины волны [2]

  

У белков хромофорами являются различные остатки аминокислот, которые поглощают в УФ области (λ=200—300 нм), нуклеиновые кислоты также поглощают в этой области. Поглощение видимого излучения обусловлено такими биомолекулами, как гемоглобин, хлорофилл, флавины, каротиноиды, фикобилины и фитохром.

   В качестве примера на  рис. 1.1 показан спектр поглощения типичной кровенаполненной биологической ткани толщиной 1 мм . Свет с длинами волн 0,6—1,5 мкм относительно слабо поглощается и довольно глубоко проникает в биоткань. Например, излучение с λ = 1,06 мкм проникает на глубину в 1 см. Однако в спектральном диапазоне 2—12 мкм из-за поглощения воды, содержащейся в биоткани, свет слабо проникает в глубь ткани. В области длин волн 4—6 мкм глубина проникновения порядка 100— 150 мкм, а в области 7—12 мкм сравнима с длиной волны света. На λ =0,45—0,50 мкм поглощение определяется гемоглобином крови, а в УФ диапазоне многие биоткани сильно поглощают за счет содержащихся в них белков. Коэффициенты поглощения некоторых биотканей на отдельных длинах волн представлены в табл. 1.1, они лежат в пределах 10-1- 104 см-1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.1

Коэффициенты поглощения а некоторых биотканей на отдельных длинах волн X [П. 26, П. 32, 3)

Биоткань	Я, нм	а, СМ“*	Биоткань	Я, нм	а, см*1
Кровь, насыщенная кислородом Кровь, не насыщенная кислородом Белый эпидермис Подкожный жир Печень крысы Почка крысы Пигментный эпителий сетчатки Зрительный пигмент Сосудистая оболочка глаза	620 805 620 805 ( 400 < 500 \б00 [ 400 1 500 1 600 1064 1064 ( 400 | 500 { 600 1 800 1000 514 ( 400 I 500 1 600 1 800 юоо	6,2 6,2 18,2 6,2 2,8 1,2 0,3 0,7 0,4 0,2 15,2 15,5 2300 890 460 140 90 1587 92 130 92 34 16	Эпителий Ткань артериальной стенки (в норме) Ткань артериальной стенки (патология) Атеросклеротическая бляшка в известковом состоянии	j 633 \ 1060 С 193 J 308 \ 351 488 \ 532 308 351 488 532 308 351 488 532 2940 10 600	821 120 104 10* 180 ±16 145 ±8,0 32±4,4 30 ±1,8 108 ±17 116±И 25±3,7 37±4,5 650 137 ± 33 118±17 42±7,9 34±3,7 5000 500

 

Для многих типов биотканей в УФ и ИК диапазонах длин волн преобладает поглощение, а рассеяние оказывается существенным в видимой и ближней ИК областях: для длин волн 0,45—0,59 мкм поглощение и рассеяние дают примерно равные вклады в коэффициент пропускания ткани, а для длин волн 0,59—1,5 мкм рассеяние превалирует над поглощением.

Важной оптической характеристикой биообъекта является также коэффициент отражения. Например, для большинства внутренних органов животных коэффициент отражения на отдельных длинах волн в видимой и ближней ИК областях составляет 10—30 %, кожный покров человека отражает в видимой области 10—60 % световой энергии, а коэффициент отражения глазного дна человека изменяется от 2 до 20 % при изменении длины волны от 0,4 до 1,0 мкм. Отражение обусловлено как скачком показателя преломления на границе биообъект — воздух (френелевское отражение, обычно 4—5 %), так и обратным рассеянием от глубинных слоев ткани. При этом на глубине 4—5 мм, равной примерно трем оптическим толщинам ткани, коллимированный лазерный пучок дает сферически симметричное, близкое к изотропному излучение.

 

Свойства лазерного излучения.

Прежде чем обсуждать особенности взаимодействия лазерного излучения с биологическими объектами и те новые возможности, которые оно дает в фотобиологии и фотомедицине, необходимо рассмотреть свойства лазерного излучения и их принципиальные отличия от свойств излучения тепловых некогерентных источников света (ламп накаливания, дуговых ламп, Солнца и пр.).

Напомним, что лазер представляет собой генератор оптических колебаний, использующий энергию индуцированно излучающих атомов или молекул в средах с инверсной заселенностью уровней энергии, которые обладают свойством усиливать свет определенных длин волн. В качестве обратной связи в лазерах используют зеркала, которые образуют оптический резонатор и обеспечивают достаточное число проходов светового пучка через усиливающую среду, чтобы все потери света в системе были скомпенсированы за счет усиления активной среды. На рис. 1.2 схематически показано устройство лазера, включающее отражающие зеркала и активный элемент, в котором за счет различных способов накачки создается

Рис, 1.2. Схема устройства лазера (справа показано распределение интенсивности в лазерном пучке)

активная среда.

 

При указанных условиях в лазере возникает генерация, спектр которой показан на рис. 1.3, т. е. лазер излучает несколько волн, отличающихся частотой и интенсивностью, это так называемые продольные моды лазера.

 

Рис. 1.3 Спектр продольных мод лазера.

  Пространственная когерентность излучения лазеров дает возможность получать световые пучки с высокой степенью их направленности (коллимированности) и позволяет фокусировать их на объекте до чрезвычайно малых размеров. Все это необходимо для дистанционного анализа изучаемых объектов, обеспечения локальности исследований и эффективной транспортировки излучения по волоконным световодам, что тепловые источники в принципе обеспечить не могут.

  Передача лазерного излучения по волоконным световодам круглого сечения приводит к деполяризации излучения за счет возбуждения многих волноводных мод. В зависимости от типа световода длина, на которой происходит полная деполяризация излучения, изменяется от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров. Сравнительно широкие медицинские световоды с диаметром сердцевины 400—1000 мкм имеют малую длину деполяризации (несколько десятков сантиметров). Разработаны специальные одномодовые анизотропные световоды (например, с эллиптическим сечением сердцевины), которые сохраняют состояние поляризации на расстояниях в несколько сотен метров, однако поперечные размеры сердцевины таких световодов чрезвычайно малы, 5—7 мкм, поэтому существует проблема ввода излучения.

 

 

Рассеяние и регистрация света.

Одним из результатов взаимодействия света с биологическими объектами является его неупругое рассеяние, вследствие которого изменяется не только направление, но и частота излучения. На рис. 6.1 показаны возможные варианты и следствия взаимодействия кванта света с молекулой. Здесь основное и первое электронно-возбужденное состояния обозначены через S0 и , соответственно. Каждый из этих уровней энергии состоит из множества колебательных подуровней 1, 2, 3 и т. д. Переходы между различными уровнями и подуровнями показаны стрелками, причем длины стрелок, направленных вверх, пропорциональны частоте падающего света.

Рис. 6.1. Возможные энергетические переходы в молекуле, неупруго взаимодействующей с квантом света

 

 

При попадании частоты v0 в область полосы поглощения исследуемого вещества наблюдается так называемое резонансное комбинационное рассеяние (РКР).

Интенсивность линий РКР может на несколько порядков превышать интенсивность обычного КР. Благодаря этому, используя РКР, можно селективно регистрировать свет, рассеянный отдельными соединениями в многокомпонентных биологических системах.

Лазеры сняли большинство казавшихся ранее непреодолимыми трудностей и ограничений, связанных с исследуемыми объектами и, как уже говорилось выше, их водными растворами. Чаще всего используются непрерывные Аг и Кг лазеры с дискретной перестройкой длины волны, а также лазеры на красителях и параметрические генераторы света с плавной перестройкой длины волны. Импульсные лазеры позволяют получать' высокую импульсную мощность зондирующего излучения при сравнительно низкой средней мощности и, что особенно важно, высокое временное разрешение регистрируемых спектров.

Регистрация КР-спектра осуществляется либо с помощью фотоумножителя, соединенного со сканирующим монохроматором (как правило, двойным для надежной отстройки от упруго рассеянного света), либо с помощью оптического многоканального анализатора. Этот анализатор представляет собой линейку из нескольких сотен миниатюрных фотопрнемников или высокочувствительную телекамеру. В сканирующем спектрометре линии спектра регистрируются последовательно, причем весь спектр в диапазоне от десятков до тысяч обратных сантиметров с разрешением до нескольких обратных сантиметров получают за время порядка нескольких секунд.

Использование оптического многоканального анализатора позволяет регистрировать все линии спектра одновременно, на что требуется существенно меньше времени вплоть до нано- и пикосекунд. Одним из препятствий при регистрации КР-спектров выступает фоновая люминесценция образцов — более вероятный процесс, чем КР.

Перспективным путем отделения КР-спектров от люминесценции является использование для возбуждения КР лазерных импульсов пикосекундной длительности. Так как времена жизни даже быстрой люминесценции (флуоресценции) лежат в наносекундном диапазоне (см. гл. 7) в отличие от пикосекундного диапазона у КР, то, используя быстродействующую систему регистрации, отключающуюся после приема КР-излучения до прихода квантов люминесценции, можно устранить фоновые линии из спектра.

Состав и функции крови. 

Одной из главных функций крови является ее газотранспортная функция, в частности - доставка кислорода к внутренним тканям и органам. Поэтому в медицине очень важным показателем для крови в живом организме является количество гемоглобина в эритроцитах, переносящее кислород. Методы диагностики, позволяющие оценить это количество гемоглобина, носят в медицине обобщенное название методов оксиметрии. Они могут базироваться на разных принципах, биохимических, масспектрометрических и т.д., но в последние 20–25 лет наибольшее распространение стали получать оптические спектрофотометрические методы ввиду простоты их реализации, дешевизны, достаточно высокой точности, особенно in vitro, а также возможности проводить и прижизненные неинвазивные измерения in vivo.

Исторически начало всем методам оптической оксиметрии дали экспериментальные исследования собственно газотранспортной функции крови и связанные с этим исследования спектральных оптических свойств оксигенированной и восстановленной форм гемоглбина . Было установлено, что основное красящее вещество крови – сложный белок гемоглобин (Hb) с молекулярной массой 68000. Он состоит из белка глобина и простетической группы гема (4 молекулы) и входит в класс химических соединений, называемых хромопротеидами. Функциональное назначение гемоглобина – составление молекулярной основы дыхательной функции крови, т.е. транспортиров-ка различных газов (или лигандов) – О2, СО и СО2 . У взрослого человека в крови одновременно присутствуют несколько разновидностей гемоглобинов – А1, А2, А3 и F, из которых каждый может быть представлен, по крайней мере, двумя вариантами или подтипами (за исключением А3). Однако в методах оптической оксиметрии они функционально не различаются. Гемоглобин составляет около 95 % сухого вещества эритроцита и 13–15 % общей массы нашей крови (в норме около140–160 г/л) . Т.к. в основном гемоглобин определяет цвет нашей крови, то, разделив количество гемоглобина на число эритроцитов, можно вычислить  некий цветовой показатель крови, который в норме принято считать за 1.В процессе циркуляции в сосудистой системе легких гемоглобин отдает присоединенный СО2 и практически полностью насыщается кислородом. Присоединение кислорода к гемоглобину происходит приблизительно в 1000 раз быстрее, чем его отдача. При присоединении кислорода молекула О2 присоединяется к атому железа гемма Hb. Одна молекула Hb может транспортировать до четырех молекул О2, но при этом не происходит потери железом электрона, как в обычных реакциях окисления (например, при переходе гемоглобина в метгемоглобин). Таким образом, в эритроцитах происходит своеобразное обратимое связывание кислорода, которое в отличие от реакции окисления (оксидации) носит специальное название процесса оксигенации гемоглобина, т. е. говорят о переходе дезоксигемоглобина (Hb) в оксигемоглобин (HbO2).