Тканевая оксиметрия

 

Диффузионное приближение уравнения переноса Больцмана является еще одним широко используемой математической моделью. Диффузионное приближение имеет следующие аналитические решения:

1. Ткань однородна
2. Рассеивания гораздо больше, чем поглощения
3. Ткань имеет специфическую геометрию - бесконечная, полубесконечная, плоская или двуслойная.

Чтобы получить верные значения, жизненно необходимо соблюдать эти граничные условия. Метод DPF дает достаточно точные значения и при диффузионном приближении. Диффузионное приближение может быть использовано для измерения абсолютных значений коэффициентов поглощения, а также коэффициентов рассеивания ткани. Абсолютные значения концентрации хромофора могут быть рассчитаны, в зависимости от данных коэффициентов. Как правило, требуется измерение интенсивности света и времени полета, то есть времени, которое свет затрачивает на прохождение через ткань.

  Большинство параметров основаны  на измерениях O2Hb и HHB . Кроме того, NIRS измеряет  изменения в окислительно-восстановительном состоянии окисленного цитохрома оксидазы. Что, в свою очередь, позволяет обеспечить уникальный метод, мониторинга изменений во внутриклеточной доставки O2. Хотя много работы было сделано на уточнение НИРС оборудования и алгоритмов , используемых для декодировки сигналов поглощения света , в последние годы наблюдается оживленная дискуссия в литературе о возможностях измерения oxCCO НИРС . Для повышения точности измерения этого параметра NIRS , недавно были выполнены исследования НДК животных и человека с помощью широкополосного подхода с непрерывным белого светового спектра.

  Непрерывная волна (CW) означает, что измеряются только изменения  в интенсивности света. Зачастую по меньшей мере две различные длины волн объединяют, для получения спектральной информации. Уровень освещенности также измеряется прибором NIRS. CW может быть легко использована для работы с изображениями с помощью многих пар источников - детекторов , которые распространяются на ткани, представляющие интерес. Этот метод позволяет только непрерывно измерять количественную оценку (в отличие от абсолютных значений венозной сатурации кислорода), и обычно опирается на метод DPF. Другим недостатком является то, что этот метод относительно чувствителен к движению артефактов. Преимущества CW в том, что он недорог и может быть уменьшен до размера беспроводного инструмента.

  Пространственное разрешение  спектроскопии (SRS), также называемое  многоканальной спектроскопией, основано  на измерении интенсивности света  в нескольких различных источниках-детекторах  расстояния.  Одна из проблем  NIRS и/или NIRI в том, что световая связь между оптодами и тканью неизвестна, трудна в измерении, и чувствительна к изменениям на поверхности ткани с течением времени. Метод SRS предполагает, что связь является одинаковой на различных расстояниях источников-детекторов и, измеряя интенсивность в зависимости от расстояния, можно определить параметр, который не зависит от светосвязи. Это позволяет опре-делить отношение O2Hb и общего количества гемоглобина (O2Hb + HHB) и, таким образом насытить ткани кислородом. Применение НИРС для мозга взрослого человека было затруднено из-за проблем с загрязнением экстрацеребральных тканей. С помощью SRS , у взрослых пациентов мозг был идентифицирован как анатомический источник сигнала у сонной артерии . Изменение насыщения мозга кислородом было преимущественно связанно с внутренним зажимом сонной артерии . Причина в том, что с помощью SRS подхода , поверхностные слои ткани влияют на все световые пучкои аналогично , и поэтому их влияние сокращается .

 

 

 

Рис. 1 Беспроводной инструмент визуализации прикреплен к голове новорожденного младенца. Синие квадраты показывают местоположения детекторов, в то время как красные круги указывают на положение источника, каждый из которых оборудован  светоизлучающими диодами на двух длинах волн( 730 и 830 нм). Электроника справа включает в себя устройство Bluetooth для беспроводной передачи, драйверы для светодиодов, фильтры, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, и источник питания на основе батареи. Прибор весит 40 г , имеет частоту дискретизации 100 Гц, и батарея садится в течение примерно 3 часов. Беспроводная технология удобна в ношении, легко крепится и позволяет проводить измерения у движущихся объектов в повседневных ситуациях.

 

 

Рис.2 Образец функциональности измерений NIRS с частотой дискретизации 100 Гц в здоровом новорожденном. Верхняя кривая (красная) изображает O2Hb,  нижний график (синий) - HHB и прямой  (черный) изображает продолжительность визуальной стимуляции. Ряд физиологических явлений может наблюдаться: (1) Артериальная пульсация видна в O2Hb трассировки. Пульсации могут быть использованы для расчета частоты сердечных сокращений и артериального насыщения кислородом. (2) примерно каждые 10 с, происходят колебания в кровообращении так называемой сосудодвигательной функцией. Эти изменения особенно заметны в O2Hb трассировке. (3) В O2Hb увеличивается и HHB уменьшается во время стимуляции . Это соответствует типичной функциональной кортикальной активации. Хотя сосудодвигательной функцией реакция частично закрывает активацию, измерения могут повторяться несколько раз, и , таким образом, функционал активации может быть выявлен статистически.

 

   Только более глубокие  слои ткани оказывают влияние  на результаты. Так как используется  одно расстояние источник - детектор , влияние поверхностных тканей на сигналы относительно велико. Это зависит от разделения исходного детектора. Также может быть минимизированы с помощью больших расстояний и коррекции объема образца экстракции

   Усовершенствованный тип SRS,(называемый  пространственной частотой области  измерения)- проекция нескольких  полос структуры с разными  расстояниями между яркими и  темными полосами на ткани. Этот  тип обработки изображений может  определить абсолютные значения.

   Временное решение спектроскопии (TRS) , также известна как временная область спектроскопии , метод, который измеряет время полета в дополнение к интенсивности света. Это происходит путем излучения короткого (100 пс) импульса света в ткани и измеряет время функции рассеивания точки света после прохождения через ткань. Из-за процесса рассеяния, импульс будет расширяться и , за счет поглощения , интенсивность будет уменьшаться . Результатом такого измерения является гистограмма числа фотонов на оси у и их времени прибытия на оси х. Гистограмма также содержит информацию о глубине фотонного пути , потому что фотоны , появляющиеся позже имеют более высокую вероятность уйти глубже. Поглощение и приведенные коэффициенты рассеяния вычисляются по гистограмме и коэффициенты поглощения используются для расчета абсолютных значений концентрации хромофоров. Этот метод также используется для трехмерного изображения и томографии. Таким образом , с точки зрения физика, TRS является отличным методом , потому что дает достаточно информации относительно быстро и с высоким динамическим диапазоном . Тем не менее, он требует сложного инструментария , который до сих пор коммерчески недоступен, поскольку приборы , как правило, работают в режиме счета фотонов весьма чувствительно, и могут проникать через сравнительно большие слои тканей( например голова новорожденного). Однако из-за малого числа фотонов , TRS измерения также характеризуются относительно высоким уровнем шума. С клинической точки зрения , недостаток состоит в размере измерительной аппаратуры , использовании стекловолокна, и фотоэлектронных умножителей т.е. опасность уничтожения этих детекторов избыточным окружающим светом. В ближайшее время , технологические достижения в этой области , в частности миниатюризации и снижения стоимости инструментария, будет способствовать развитию этой технологии.

 

  Диффузионно - волновая спектроскопия (DWS) , которая также называется диффузнно корреляционной спектроскопией , позволяет использовать лазеры с длинной длиной когерентности. Пятно, узор из светлых и темных пятен , являются результатом интерференции света. Это вмешательство происходит, когда свет с большой длиной когерентности лазерного излучения происходит через ткань по различным путям , которые могут привести к конструктивной или деструктивной интерференции . Так как в ткани наблюдается движение , главным образом крови , это вмешательство изменяет модель со временем . DWS является плодом сравнительно недавних исследований и технология является относительно дорогой . В будущем должны быть сделаны  усилия для понимания факторов, влияющих на автокорреляцию , для полной количественной оценки кровотока.

 

Заключение

 

Как видно, методы оптической оксиметрии могут быть достаточно информативны и перспективны в современной доказательной медицине. Они хорошо обоснованы, имеют прочный физико-математический фундамент и базируются на методах физических измерений, т.е. являются полноправным разделом современной медицинской физики. Однако для методов тканевой оксиметрии, бесспорно, остается еще много нерешенных вопросов по точности и воспроизводимости результатов таких измерений, по методике проведения измерений, по данным в норме и при различных патологиях. Многие эти вопросы являются предметом исследований сегодня в крупных научных центрах мира, так что это диагностическое направление в полном смысле этого слова является развивающимся научным направлением и лежит сегодня на переднем крае научных исследований во всем мире.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список лтературы:

1.«ЛАЗЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА В БИОЛОГИИ  И МЕДИЦИНЕ» 1989г., А. В. ПРИЕЗЖЕВ, В. В. ТУЧИН, Л. П. ШУБОЧКИН

2. «ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИЧЕСКОЙ ОКСИМЕТРИИ» 2012г, Д.А. Рогаткин Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского, Москва

3. «Silicon photomultipliers for improved detection of low light levels in miniature near-infrared spectroscopy instruments» R. Zimmermann, F. Braun, T. Achtnich, O. Lambercy, R. Gassert, and M. Wolf, 2014г

4. «МОНИТОРИНГ ТКАНЕВОЙ ОКСИГЕНАЦИИ ВО ВРЕМЯ КАРДИОХИРУГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ», Аксельрод Б.А., Толстова И.А., Гуськов Д.А., ФГБУ «РНЦХ им. акад. Б.В. Петровского» РАМН, 119991, Москва, 2011г

5. «Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications», Martin Wolf, Marco Ferrari, Valentina Quaresima, 2007г.

6. Gomez H., Torres A., Polanco P. et. al. Use of non-invasive NIRS during a vascular occlusion test to assess dynamic tissue O2 saturation response. Intensive Care Med, 2008г