Ëàçåðíàÿ îïòîàêóñòè÷åñêàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ áèîòêàíåé Å.Â.Ñàâàòååâà, À.À.Êàðàáóòîâ, Â.ß.Ïàí÷åíêî

Ëàçåðíàÿ îïòîàêóñòè÷åñêàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ áèîòêàíåé
Å.Â.Ñàâàòååâà, À.À.Êàðàáóòîâ, Â.ß.Ïàí÷åíêî
В работе приведены результаты исследований коэффициента затухания света методом
лазерной оптикоакустической спектроскопии. Данный метод особенно перспективен для
исследования сильно рассеивающих и поглощающих сред. Суть метода лазерной оптико
акустической спектроскопии основан на оптикоакустическом эффекте: лазерный импульс,
поглощаясь в исследуемой среде, приводит к возбуждению акустических сигналов. Профиль
возбуждаемых акустических сигналов определяется оптическими параметрами среды.
Регистрация профиля акустических сигналов при помощи широкополосного пьезо
приемника с высоким временным разрешением позволяет получить информацию об
оптических свойствах исследуемой среды. В работе приведены результаты измерений
коэффициента затухания света цельной (неразбавленной крови) для длин волн лазерного
излучения 532, 757 и 1064 нм. Поскольку коэффициент затухания света в крови зависит от
полного содержание гемоглобина и процента присоединенного к гемоглобину кислорода, то
появляется возможность оценки этих параметров методом оптикоакустической
спектроскопии.
 ëàçåðíîé îïòîàêóñòè÷åñêîé ñïåêòðîñêîïèè
(ËÎÀÑ) ëàçåðíûå èìïóëüñû èñïîëüçóþòñÿ äëÿ âîçáóæäåíèÿ øèðîêîïîëîñíûõ àêóñòè÷åñêèõ ñèãíàëîâ â
èññëåäóåìîé ñðåäå. Ðåãèñòðàöèÿ ïðîôèëÿ âîçáóæäàåìûõ òàêèì îáðàçîì îïòîàêóñòè÷åñêèõ ñèãíàëîâ
(ÎÀ-ñèãíàëîâ) ñ âûñîêèì âðåìåííûì ðàçðåøåíèåì
ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü èíôîðìàöèþ îá îïòè÷åñêèõ
ñâîéñòâàõ èññëåäóåìîé ñðåäû. Îñîáåííî ïåðñïåêòèâíî ïðèìåíåíèå ËÎÀÑ äëÿ èññëåäîâàíèÿ ìóòíûõ
áèîòêàíåé. Ïî ðåãèñòðèðóåìîìó ÎÀ-ñèãíàëó ìîãóò
áûòü îïðåäåëåíû êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ, çàòóõàíèÿ è ïðèâåäåííûé êîýôôèöèåíò ðàññåÿíèÿ ñâåòà
[1-4]. Ïðè èñïîëüçîâàíèè íåñêîëüêèõ äëèí âîëí
ïðîáíîãî èçëó÷åíèÿ, âîçìîæíî ïîëó÷åíèå ñïåêòðîâ
îïòè÷åñêèõ êîýôôèöèåíòîâ. Îñíîâíîé ñõåìîé
ðåãèñòðàöèè âîçáóæäàåìûõ ÎÀ-ñèãíàëîâ, ïðèìåíÿåìîé â ËÎÀÑ, ÿâëÿåòñÿ ðåãèñòðàöèÿ â ðåæèìå
“íà ïðîñâåò”. Ïðè ýòîì âîçáóæäåíèå ÎÀ-ñèãíàëîâ è
èõ ðåãèñòðàöèÿ ïðîâîäÿòñÿ íà ïðîòèâîïîëîæíûõ
ïîâåðõíîñòÿõ ñðåäû. Ìíîãî÷èñëåííûå ïðèìåíåíèÿ
ËÎÀÑ äëÿ èññëåäîâàíèÿ ðàçëè÷íûõ áèîîáúåêòîâ
ìîæíî íàéòè â êíèãàõ [5-7] è ïóáëèêàöèÿõ [2,4,8-10].
Ðàñïðåäåëåíèå ñâåòà â êðîâåñîäåðæàùèõ òêàíÿõ
çàâèñèò îò îïòè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ êðîâè è îò åå
ïðîöåíòíîãî ñîäåðæàíèÿ â òîé èëè èíîé òêàíè.
Ïîýòîìó çíàíèå îïòè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ êðîâè
ñòàíîâèòñÿ êðèòè÷íûì â òàêèõ îáëàñòÿõ ëàçåðíîé
ìåäèöèíû êàê îïòè÷åñêàÿ òîìîãðàôèÿ, ôîòîäèíàìè÷åñêàÿ òåðàïèÿ, ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííàÿ òåðìîòåðàïèÿ, òåðàïèÿ ïèãìåíòèðîâàííûõ îáðàçîâàíèé è
ò.ä. Ïîýòîìó öåëüþ ðàáîòû áûëî èññëåäîâàíèå
îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ êðîâè â øèðîêîì ñïåêòðàëüíîì
äèàïàçîíå ìåòîäîì ËÎÀÑ.
Ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ êðîâè
íà÷àëèñü åùå â 1930-å Drabkin, Austin, Schmidt, Gordy
[11,12]. Òåîðèåé ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà â êðîâè
çàíèìàëèñü íåñêîëüêî íàó÷íûõ ãðóïï. Twersky â 1970
[13], Pedersen è ñîàâòîðû â 1976 [14], Steinke è
Shepherd â 1986 [15] ïðåäëîæèëè ñâîè ìîäåëè
ïðîöåññà ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà â êðîâè. Òåîðèÿ
Twersky, êîòîðûé ïðåäëîæèë ðàçäåëèòü çàòóõàíèå
ñâåòà íà íåçàâèñèìîå ïîãëîùåíèå è íåçàâèñèìîå
ðàññåÿíèå, ïîäòâåðäèëàñü ýêñïåðèìåíòàëüíî. Íî äî
ñèõ ïîð àáñîëþòíûå çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòîâ
ïîãëîùåíèÿ è ðàññåÿíèÿ èçâåñòíû ëèøü äëÿ âûáîðî÷íûõ äëèí âîëí ñâåòà.
Êðîâü ÿâëÿåòñÿ ñëîæíîé áèîëîãè÷åñêîé æèäêîñòüþ, îïòè÷åñêèå ïàðàìåòðû êîòîðîé çàâèñÿò îò
ìíîæåñòâà ôàêòîðîâ, íà÷èíàÿ îò òåìïåðàòóðû, ïðè
êîòîðîé îíà íàõîäèòñÿ, ñêîðîñòè åå äâèæåíèÿ,
ïóëüñàöèé ñåðäöà è çàêàí÷èâàÿ ïðîöåíòíûì ñîäåðæàíèåì êèñëîðîäà â êðîâè. Äî ñèõ ïîð ñóùåñòâóåò
ëèøü íåáîëüøîå êîëè÷åñòâî ýêñïåðèìåíòàëüíûõ è
òåîðåòè÷åñêèõ ðàáîò, îõâàòûâàþùèõ èññëåäîâàíèå
Ñáîðíèê òðóäîâ ÈÏËÈÒ ÐÀÍ
&!
Ëàçåðû â áèîìåäèöèíå
êðîâè â ðàçëè÷íûõ ôèçèîëîãè÷åñêèõ ñîñòîÿíèÿõ
[16-18].
Äëÿ èññëåäîâàíèé îïòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê
êðîâè èñïîëüçîâàëàñü ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà
ËÎÀÑ Äëÿ òîãî, ÷òîáû èçáåæàòü ñåäèìåíòàöèè
ýðèòðîöèòîâ, êîòîðàÿ âëèÿåò íà àìïëèòóäó è ôîðìó
îïòèêî-àêóñòè÷åñêîãî ñèãíàëà, ê îïòèêî-àêóñòè÷åñêîé
ÿ÷åéêå áûë ïîäêëþ÷åí ïåðèñòàëüòè÷åñêèé íàñîñ.
Íàñîñ ïîçâîëÿë èçìåíÿòü ñêîðîñòü ïðîêà÷êè â
ïðåäåëàõ 6-600 ìë/ìèí. Èçìåðåíèÿ îïòè÷åñêèõ
ñâîéñòâ êðîâè ïðîâîäèëèñü ïðè ñêîðîñòè ïðîêà÷êè
17 ìë/ìèí, òàê, ÷òîáû îáúåì êþâåòû îáíîâëÿëñÿ çà
îäíó ìèíóòó. Äàííàÿ ñêîðîñòü ñîîòâåòñòâóåò ñäâèãîâîé ñêîðîñòè (íà ñòåíêå òðóáêè) SR=96 ñ–1. ×èñëî
Ðåéíîëüäñà ïîòîêà áûëî ðàâíî 29, ÷òî äàëåêî îò åãî
êðèòè÷åñêîãî çíà÷åíèÿ ~2000, è, ñëåäîâàòåëüíî, ïîòîê
ìîæíî áûëî ñ÷èòàòü ëàìèíàðíûì.
ËÎÀÑ ïîçâîëÿåò âû÷èñëÿòü îïòè÷åñêèå êîýôôèöèåíòû ðàññåèâàþùåé ñðåäû ïî ôîðìå îïòèêîàêóñòè÷åñêîãî ñèãíàëà è ïî àáñîëþòíîìó çíà÷åíèþ
åãî àìïëèòóäû.
Äëÿ èññëåäîâàíèÿ ýôôåêòèâíîñòè ëàçåðíîé
ãåíåðàöèè çâóêà â êðîâè èñïîëüçîâàëñÿ èìïóëüñíûé
HO ëàçåð (λ=2090 íì). Íà äàííîé äëèíå âîëíû
êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ ñâåòà â êðîâè µa ðàâåí
ïðèìåðíî 40 ñì–1 [18].  òî âðåìÿ êàê ïðèâåäåííûé
êîýôôèöèåíò ðàññåÿíèÿ µs′ ðàâåí 3,3 ñì–1. Òàêèì
îáðàçîì, ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî êîýôôèöèåíò çàòóõàíèÿ
ñâåòà äàííîé äëèíû âîëíû â êðîâè îïðåäåëÿåòñÿ ëèøü
êîýôôèöèåíòîì ïîãëîùåíèÿ, ÷òî ïðè èçâåñòíîé ïëîòíîñòè ïàäàþùåé ýíåðãèè ïîçâîëÿåò èçìåðèòü
ýôôåêòèâíîñòü ÎÀ-ïðåîáðàçîâàíèÿ Ã:
Γ=
p′ ( τ = 0 )
c02β
=
,
µa Φ
2c p
(1)
ãäå c0 — ñêîðîñòü çâóêà; β — êîýôôèöèåíò òåïëîâîãî
ðàñøèðåíèÿ; cp — óäåëüíàÿ òåïëîåìêîñòü ñðåäû;
p′(τ=0) — àáñîëþòíîå çíà÷åíèå îïòèêî-àêóñòè÷åñêîãî ñèãíàëà íà ïîâåðõíîñòè ïðîçðà÷íîé è
ïîãëîùàþùåé ñðåä; µa — êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ
ñâåòà; F — ïëîòíîñòü ýíåðãèè ëàçåðíîãî èìïóëüñà.
Äëÿ èññëåäîâàíèÿ ýôôåêòèâíîñòè ÎÀ-ïðåîáðàçîâàíèÿ èñïîëüçîâàëñÿ îáðàçåö êðîâè ñ êîíöåíòðàöèåé ãåìîãëîáèíà 10,8±0,5 ã/äë è ïðîöåíòîì
îêñèãåíèðîâàííîãî ãåìîãëîáèíà 85,0±1%. Äëÿ
äàííîãî îáðàçöà èçìåðåííûé ìåòîäîì ËÎÀÑ
êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ ñâåòà µa=38±0,3 ñì–1.
Âû÷èñëåííûé ïî ôîðìóëå (2.1) êîýôôèöèåíò
Ã=0,073±0,002.
Íà îïòè÷åñêèå ïàðàìåòðû êðîâè ñèëüíî âëèÿåò
ñòåïåíü îêñèãåíàöèè ãåìîãëîáèíà, ÿâëÿþùåéñÿ
ãëàâíåéøåé ôèçèîëîãè÷åñêîé õàðàêòåðèñòèêîé.
&"
Êàê áûëî ïîêàçàíî âî ìíîãèõ ðàáîòàõ (íàïðèìåð,
[18]), ñòåïåíü îêñèãåíàöèè âëèÿåò ëèøü íà îïòè÷åñêèé
êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ µa, à êîýôôèöèåíò ðàññåÿíèÿ µs îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì. Ïîýòîìó êîýôôèöèåíò çàòóõàíèÿ µeff äëÿ ðàçëè÷íûõ îáðàçöîâ ñ
ðàçëè÷íîé ñòåïåíüþ îêñèãåíàöèè áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ
âàðèàöèÿìè êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ µa. Êîýôôèöèåíò æå ïîãëîùåíèÿ µa, â ñâîþ î÷åðåäü îïðåäåëÿåòñÿ îáùèì ñîäåðæàíèåì ãåìîãëîáèíà è ïðîöåíòíûì ñîäåðæàíèåì îêñèãåìîãëîáèíà. Ýôôåêòèâíûé êîýôôèöèåíò îïòè÷åñêîãî çàòóõàíèÿ â êðîâè
ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí ñëåäóþùèì âûðàæåíèåì:
eÑ
1 I
µeff = − ln =
,
z I 0 MW
(2)
ãäå I — ïëîòíîñòü ñâåòîâîé ýíåðãèè, ïðîøåäøåé ÷åðåç
ñðåäó òîëùèíîé z; I0 — ïëîòíîñòü ïàäàþùåé ýíåðãèè;
C — êîíöåíòðàöèÿ ãåìîãëîáèíà â ã/äëèòð; MW=
=64500 ã/ìîëü — ìîëåêóëÿðíûé âåñ ãåìîãëîáèíà;
e — ìîëÿðíûé êîýôôèöèåíò ýêñòèíêöèè (èçìåðÿåòñÿ
â ñì–1·ìîëü–1·äëèòð). Èç âûðàæåíèÿ (2) âèäíî, ÷òî
îïòè÷åñêèé ïàðàìåòð
µeff ñì −1  e ñì −1ìîëü −1äëèòð 
ε=
=
,
Ñ [ã/äëèòð ]
MW [ã/ìîëü ]
(3)
ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëåí ìîëÿðíîìó êîýôôèöèåíòó
ýêñòèíêöèè è ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàí äëÿ êîëè÷åñòâåííûõ èçìåðåíèé ñòåïåíè îêñèãåíàöèè ãåìîãëîáèíà. Ýôôåêòèâíûé îïòè÷åñêèé êîýôôèöèåíò çàòóõàíèÿ êðîâè µeff çàâèñèò òàêæå îò ïîëíîãî ïðîöåíòíîãî
ñîäåðæàíèÿ ãåìîãëîáèíà. Ñëåäîâàòåëüíî, ñîäåðæàíèå îêñèãåíèðîâàííîãî ãåìîãëîáèíà íå ìîæåò áûòü
ïîëó÷åíî ïî èçìåðåíèþ ýôôåêòèâíîãî îïòè÷åñêîãî
êîýôôèöèåíòà çàòóõàíèÿ íà îäíîé äëèíå âîëíû. Â
ðàáîòå [19] áûëî ïîêàçàíî, ÷òî îöåíêà óðîâíÿ ñîäåðæàíèÿ êèñëîðîäà â êðîâè âîçìîæíà, åñëè èçâåñòíû
êîýôôèöèåíòû çàòóõàíèÿ ñâåòà íà äâóõ äëèíàõ âîëí.
Óðîâåíü êèñëîðîäíîãî íàñûùåíèÿ ãåìîãëîáèíà
êðîâè ìîæåò áûòü âûðàæåí êàê:
Soxy =
[HbO]
[HbO+Hb ]
100% =
[HbO]100%.
C
(4)
Ýôôåêòèâíûé îïòè÷åñêèé êîýôôèöèåíò çàòóõàíèÿ êðîâè íà äëèíå âîëíû λ1 ìîæíî ïðåäñòàâèòü
ñëåäóþùèì îáðàçîì:
(
)
1
1
µλeff1 =  ελHbO
Soxy + ελHb
1 − Soxy  C .
λ
λ
(5)
Îòíîøåíèå µeff1 µeff2 ïîçâîëèëî áû ïîëó÷èòü óðîâåíü ïðîöåíòíîãî ñîäåðæàíèÿ îêñèãåíèðîâàííîãî
ãåìîãëîáèíà Soxy, åñëè çàðàíåå èçâåñòíû êîýôôè1
1
2
, ελHb
, ελHbO
, ελHb2 .
öèåíòû ελHbO
Ñáîðíèê òðóäîâ ÈÏËÈÒ ÐÀÍ
Å.Â.Ñàâàòååâà, À.À.Êàðàáóòîâ, Â.ß.Ïàí÷åíêî Ëàçåðíàÿ îïòîàêóñòè÷åñêàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ...
21
/ C , (ñ ì *ä Ë/ã )
20
19
-1
18
16
µ
eff
17
15
14
13
0
Ðèñ.1.
20
40
HbO ,%
60
80
1 00
Çàâèñèìîñòü íîðìèðîâàííîãî íà ïîëíîå ñîäåðæàíèå
ãåìîãëîáèíà êîýôôèöèåíòà çàòóõàíèÿ ñâåòà îò ïðîöåíòíîãî ñîäåðæàíèÿ îêñèãåíèðîâàííîãî ãåìîãëîáèíà HbO íà äëèíå âîëíû λ=532 íì.
/ C , (ñì *äË /ã)
1.4
-1
1.2
0.8
µ
e ff
1
0.6
0.4
0
20
40
60
80
100
H bO , %
Ðèñ.2.
Çàâèñèìîñòü íîðìèðîâàííîãî íà ïîëíîå ñîäåðæàíèå
ãåìîãëîáèíà êîýôôèöèåíòà çàòóõàíèÿ ñâåòà îò
ïðîöåíòíîãî ñîäåðæàíèÿ îêñèãåíèðîâàííîãî ãåìîãëîáèíà íà äëèíå âîëíû λ=1064 íì.
2
1.5
1
eff
-1
/ C, (ñì * äË /ã )
2.5
µ
Ïðèâåäåì ïðèìåð ïðèìåíåíèÿ ËÎÀÑ äëÿ îïðåäåëåíèÿ ñòåïåíè îêñèãåíàöèè ãåìîãëîáèíà â êðîâè.
Íèæå îïèñàíû èçìåðåíèÿ çàâèñèìîñòåé êîýôôèöèåíòîâ ε êðîâè îò ïðîöåíòíîãî ñîäåðæàíèÿ
îêñèãåíèðîâàííîãî ãåìîãëîáèíà äëÿ òðåõ ðàçëè÷íûõ
äëèí âîëí 532 íì, 757 íì è 1064 íì.
 êà÷åñòâå îáúåêòîâ èññëåäîâàíèÿ áûëè âçÿòû
îáðàçöû êðîâè îâöû, èìåþùèå ðàçëè÷íîå ïðîöåíòíîå ñîäåðæàíèå îêñèãåíèðîâàííîãî ãåìîãëîáèíà. Â
êàæäûé îáðàçåö êðîâè áûë äîáàâëåí ãåïàðèí, èç
ðàñ÷åòà 2 ìë ãåïàðèíà, èìåþùåãî êîíöåíòðàöèþ
1000 åäèíèö/1 ìëèòð, íà 50 ìëèòð êðîâè. Èçìåðåíèÿ
ïðîâîäèëèñü ïðè òåìïåðàòóðå 22°Ñ. Îáðàçöû ïîìåùàëèñü â ãåðìåòè÷íóþ ÎÀ-êþâåòó, äëÿ òîãî, ÷òîáû
ñîäåðæàíèå êèñëîðîäà â êðîâè áûëî ïîñòîÿííûì.
Êàæäûé îáðàçåö êðîâè ïîñëå îêîí÷àíèÿ ýêñïåðèìåíòîâ áûë èññëåäîâàí ïðè ïîìîùè ñòàíäàðòíîãî
îêñèìåòðà. Îïòèêî-àêóñòè÷åñêèå èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü íà îñíîâíîé (λ=1064 íì) è âòîðîé (λ=532 íì)
ãàðìîíèêàõ ND-YAG ëàçåðà, à òàêæå íà äëèíå âîëíû
λ=757 íì.
Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ íåñêîëüêèõ îáðàçöîâ
êðîâè íà òðåõ ðàçëè÷íûõ äëèíàõ âîëí ïðèâåäåíû íà
ðèñ.1-3. Íà ðèñóíêàõ äàíû çàâèñèìîñòè ýôôåêòèâíîãî
êîýôôèöèåíòà çàòóõàíèÿ ñâåòà µeff, íîðìèðîâàííîãî
íà ñîäåðæàíèå ãåìîãëîáèíà Ñ â êàæäîì êîíêðåòíîì
îáðàçöå.
Ðèñ.1 ïðåäñòàâëÿåò çàâèñèìîñòü íîðìèðîâàííîãî
ýôôåêòèâíîãî êîýôôèöèåíòà çàòóõàíèÿ ñâåòà îò ïðîöåíòíîãî ñîäåðæàíèÿ îêñèãåíèðîâàííîãî ãåìîãëîáèíà HbO íà äëèíå âîëíû λ=532 íì. Âèäíî, ÷òî ñ âîçðàñòàíèåì êîíöåíòðàöèè êèñëîðîäà, ïðèñîåäèíåííîãî
ê ãåìîãëîáèíó, êîýôôèöèåíò çàòóõàíèÿ ñâåòà âîçðàñòàåò.
Ïîäîáíûå çàâèñèìîñòè, ïîëó÷åííûå íà äëèíàõ
âîëí 1064 íì è 757 íì ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ,
ïðèâåäåíû íèæå íà ðèñ.2 è 3. Ðèñ.1-3 äåìîíñòðèðóþò
âîçìîæíîñòè ËÎÀÑ äëÿ èññëåäîâàíèÿ îïòè÷åñêèõ
ñâîéñòâ áèîëîãè÷åñêèõ æèäêîñòåé.
Ïðè îòêëþ÷åíèè öèðêóëÿöèè êðîâè â êþâåòå,
ýðèòðîöèòû, ñîäåðæàùèåñÿ â êðîâè, íà÷íóò ïîñòåïåííî îñåäàòü íà äíî êþâåòû. Ñêîðîñòü îñåäàíèÿ
ýðèòðîöèòîâ (ÑÎÝ) ÿâëÿåòñÿ ïîñòîÿííî èñïîëüçóåìûì ëàáîðàòîðíûì òåñòîì äëÿ äèàãíîñòèêè
ðàçëè÷íûõ çàáîëåâàíèé (ñì., íàïðèìåð, [20]). Ïåðåä
çàáîðîì êðîâè æèâîòíîìó (â äàííîì ñëó÷àå êðîëèêó) áûë ââåäåí ðàñòâîð ãåïàðèíà èç ðàñ÷åòà 500
åäèíèö íà 1 êã âåñà æèâîòíîãî. Îïòèêî-àêóñòè÷åñêèé
ñèãíàëû âîçáóæäàëèñü â êðîâè íà äëèíå âîëíû
355 íì. Èçìåðåíèÿ îïòèêî-àêóñòè÷åñêèõ ñèãíàëîâ
ïðîâîäèëèñü êàæäûå 3 ìèí â òå÷åíèå ÷àñà.
Íà ðèñ.4 ïðèâåäåíû ÎÀ-ñèãíàëû, çàðåãèñòðèðîâàííûå ñðàçó æå ïîñëå ïîìåùåíèÿ êðîâè â îïòèêî-
0.5
0
0
20
40
60
80
100
HbO , %
Ðèñ.3.
Çàâèñèìîñòü íîðìèðîâàííîãî íà ïîëíîå ñîäåðæàíèå
ãåìîãëîáèíà êîýôôèöèåíòà çàòóõàíèÿ ñâåòà îò
ïðîöåíòíîãî ñîäåðæàíèÿ îêñèãåíèðîâàííîãî
ãåìîãëîáèíà íà äëèíå âîëíû λ=757 íì. Òî÷êè —
ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîëó÷åííûå äàííûå, ñïëîøíàÿ
ëèíèÿ — ëèíåéíàÿ àïïðîêñèìàöèÿ.
Ñáîðíèê òðóäîâ ÈÏËÈÒ ÐÀÍ
&#
Ëàçåðû â áèîìåäèöèíå
-0.2
16 0
-0 .1
0
0.1
0.2
14 0
ÎÀ-ñèãíàë (ìÂ)
z ( ìì)
ï î â å ð õí î ñ ò ü ð à ç ä å ë à ê ð î â ü -ñ ò å ê ë î
0 ì èí
15 ì è í
33 ì è í
ý ðèò ðîöèò û ï ë à ç ì à
12 0
ý ðèò ðî öèò û
10 0
80
60
40
20
0
-0 .1 5
Òîëùèíà ñëîÿ ïëàçìû êðîâè, l, ( µ ì)
Ðèñ.4.
-0 .1
-0 .05
0
0 .0 5
0.1
τ (µc)
0 .15
Èññëåäîâàíèå ñåäèìåíòàöèè êðîâè. Îïòèêî-àêóñòè÷åñêèé ñèãíàë, âîçáóæäàåìûé â êðîâè íà äëèíå âîëíû
355 íì. Ïåðåä çàáîðîì êðîâè æèâîòíîìó (êðîëèêó â
äàííîì ñëó÷àå) áûë ââåäåí ðàñòâîð ãåïàðèíà èç ðàñ÷åòà 500 åäèíèö íà 1 êã âåñà æèâîòíîãî. Êîíöåíòðàöèÿ ãåìîãëîáèíà â îáðàçöå êðîâè Ñ=12,6 ã/äë,
HbO=22%. Èçìåðåíèÿ îïòèêî-àêóñòè÷åñêèõ ñèãíàëîâ
ïðîâîäèëèñü êàæäûå 3 ìèí â òå÷åíèå ÷àñà.
140
120
3
100
2
80
1
60
40
20
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
 ðåìÿ ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòà, Ò, (÷àñ)
Ðèñ.5.
Èçìåðåíèå ñêîðîñòè ñåäèìåíòàöèè ýðèòðîöèòîâ.
Êðîâü êðîëèêà èìåëà êîíöåíòðàöèþ ãåìîãëîáèíà
Ñ=15,9 ã/äëèòð, ïðîöåíòíîå ñîäåðæàíèå îêñèãåìîãëîáèíà HbO=94%. Êðîâü îâöû èìåëà Ñ=12,6 ã/äëèòð,
HbO=22%. Êðîâü ñâèíüè èìåëà Ñ=10,5 ã/äëèòð,
HbO=93,4%. Ìàðêåðû — ýêñïåðèìåíòàëüíûå çíà÷åíèÿ, ñïëîøíûå ëèíèè — àïïðîêñèìàöèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ çíà÷åíèé ïðè ïîìîùè ôóíêöèè l=const+
+vT. Âû÷èñëåííûå ÑÎÝ ðàâíû: v êðîëèê =37 íì/ñ;
vîâöà=58 íì/ñ; vñâèíüÿ=93 íì/ñ.
àêóñòè÷åñêóþ ÿ÷åéêó (0 ìèí), ÷åðåç 15 ìèí è ÷åðåç
33 ìèí.  ìîìåíò íà÷àëà ýêñïåðèìåíòà öåëüíàÿ êðîâü
ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îäíîðîäíóþ ñðåäó. Êàê âèäíî èç
ðèñ.4, ñèãíàë â ìîìåíò íà÷àëà èçìåðåíèé (0 ìèí)
èìååò ôîðìó, òèïè÷íóþ äëÿ ðàññåèâàþùåé ñðåäû.
Ìàêñèìóì ïîãëîùåíèÿ íàõîäèòñÿ ïîä ïîâåðõíîñòüþ
íà ãëóáèíå z=12,5 ìêì. Ñ òå÷åíèåì âðåìåíè ýðèòðî-
&$
öèòû îñåäàþò íà äíî êþâåòû è ó ïîâåðõíîñòè
ïîÿâëÿåòñÿ áîëåå ïðîçðà÷íûé ñëîé ïëàçìû, îáðàçîâàâøåéñÿ ìåæäó ñòåêëîì è ñëîåì ýðèòðîöèòîâ.
ÎÀ-ñèãíàë, çàðåãèñòðèðîâàííûé ÷åðåç 15 ìèí
ïîñëå íà÷àëà ýêñïåðèìåíòà, äåìîíñòðèðóåò, ÷òî ïèê
ïîãëîùåíèÿ ñìåñòèëñÿ íà ãëóáèíó 59 ìêì (ñîîòâåòñòâóåò τ=0,038 ìêñ), à ìåæäó ýòèì ïèêîì è ñòåêëîì
îáðàçîâàëñÿ ñëàáî ïîãëîùàþùèé ñëîé ïëàçìû. ×åðåç
33 ìèí ïîñëå íà÷àëà ýêñïåðèìåíòà åùå áîëüøåå
êîëè÷åñòâî ýðèòðîöèòîâ îñåëî íà äíî, òîëùèíà
ïëàçìû óâåëè÷èëàñü, ïîýòîìó ïèê ïîãëîùåíèÿ íà ÎÀñèãíàëå ñìåñòèëñÿ åùå äàëüøå îò ïîâåðõíîñòè ñòåêëà
íà ãëóáèíó 112 ìêì. Ñèãíàëû ïðè τ>0 ñîîòâåòñòâóþò
îòðàæåííîìó îò ïîâåðõíîñòè ðàçäåëà èññëåäóåìîé
ñðåäû è ñòåêëà ïåðåäíåìó ôðîíòó. Ïî ðåãèñòðèðóåìûì ÎÀ-ñèãíàëàì âîçìîæíî èçìåðèòü òîëùèíó
ïëàçìû, êîòîðàÿ ðàâíà ðàññòîÿíèþ ìåæäó ïîâåðõíîñòüþ ðàçäåëà ñòåêëà è èññëåäóåìîé ñðåäû (τ=0, z=0)
è ìàêñèìóìîì ñèãíàëà, ñîîòâåòñòâóþùåãî íà÷àëó
ñëîÿ ýðèòðîöèòîâ. Ðåçóëüòàò èçìåðåíèÿ òîëùèíû
ïëàçìû ïî îïòèêî-àêóñòè÷åñêèì ñèãíàëàì ïðèâåäåí
íà ðèñ.5. Â äàííîì ýêñïåðèìåíòå èñïîëüçîâàëàñü
êðîâü òðåõ ðàçëè÷íûõ òèïîâ: 1 — êðîâü êðîëèêà; 2 —
îâöû; 3 — ñâèíüè.
Äëÿ êðîâè êðîëèêà ñêîðîñòü îñåäàíèÿ ýðèòðîöèòîâ (ÑÎÝ) áûëà ðàâíà 37±1 íì/c, â òî âðåìÿ êàê äëÿ
êðîâè îâöû ÑÎÝ ðàâíà 58±1 íì/c, à äëÿ êðîâè ñâèíüè
— 93,0±2 íì/c.
Òàêèì îáðàçîì, ñêîðîñòü îñåäàíèÿ ýðèòðîöèòîâ
ìîæåò áûòü èçìåðåíà ïðè ïîìîùè îïòèêî-àêóñòè÷åñêîé òåõíèêè.
Ïðèìåðû, ïðèâåäåííûå â äàííîé ðàáîòå, íàãëÿäíî äåìîíñòðèðóþò âîçìîæíîñëè ëàçåðíîé
îïòèêî-àêóñòè÷åñêîé ñïåêòðîñêîïèè äëÿ èññëåäîâàíèÿ ñèëüíî ðàññåèâàþùèõ è ñèëüíî ïîãëîùàþùèõ
áèîëîãè÷åñêèõ ñðåä.
Ëèòåðàòóðà
1. Â.Ý.Ãóñåâ, À.À.Êàðàáóòîâ. Ëàçåðíàÿ îïòîàêóñòèêà.
Ì.: Íàóêà, 1991, 304 c.
2. E.F.Carome, N.A.Clark, C.E.Moeller. Generation of
acoustic signals in liquids by ruby laser-induced thermal
stress transient. Appl.Phys.Let.t, v.4, p.95-97, 1964.
3. Ë.Â.Áóðìèñòðîâà, À.À.Êàðàáóòîâ, À.È.Ïîðòíÿãèí,
Î.Â.Ðóäåíêî, Å.Á.×åðåïåöêàÿ. Ìåòîä ïåðåäàòî÷íûõ
ôóíêöèé â çàäà÷àõ òåðìîîïòè÷åñêîé ãåíåðàöèè çâóêà.
Àêóñò.Æóðí., ò.24(5), ñ.663-665, 1978.
4. S.V.Egerev, A.A.Pashin. Opto-acoustic diagnostics of micro
inhomogeneous liquid media. Acoust.Phys., v.39(1), p.4345, 1993.
5. M.L.Wolbarsht. Laser applications in medicine and
biology. V.3. N.-Y.: Plemum Press. 1977, p.175-219.
Ñáîðíèê òðóäîâ ÈÏËÈÒ ÐÀÍ
Å.Â.Ñàâàòååâà, À.À.Êàðàáóòîâ, Â.ß.Ïàí÷åíêî Ëàçåðíàÿ îïòîàêóñòè÷åñêàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ...
6. S.Fine, E.Klein, W.Norwak, R.E.Scott, et al. Interaction
of laser radiation with biologic system. I. Studies on
interaction with tissue. Fed.Proc.Fed.Amer.Soc.Exp.Biol.,
v.24(1), Part III, p.35-56, 1965.
7. V.V.Tuchin. Handbook of Optical Biomedical Diagnostics.
Bellingham: SPIE Press. 2002, 1100 c.
8. R.O.Esenaliev, A.A.Karabutov, N.B.Podymova. Laser
ablation of aqueous solutions with spatially homogeneous
and heterogeneous absorption. Appl.Phys.B, v.59(1),
p.73-81, 1994.
9. A.A.Oraevsky, S.L.Jacques, F.K.Tittel. Mechanism of
laser ablation for aqueous media irradiated under confined
stress conditions. J.Appl Phys., v.78(2), 1281-1290, 1995.
10. A.A.Karabutov, N.B.Podymova, V.S.Letokhov. Timeresolved optoacoustic tomography of inhomogeneous
media. Appl.Phys.B, v.63, p.545-563, 1996.
11. D.L.Drabkin, J.H.Austin. Spectrophotometric studies. I.
Spectrophotometrics constant for common hemoglobin
derivatives in human, dog and rabbit blood. J.Biol.Chem.,
v.98, p.719-733, 1932.
12. E.Gordy, D.L.Drabkin. Spectrophotometric studies XVI.
Determination of theoygen saturation of blood by a
simplified technique, applicable to standart equipment.
J.Biol.Chem., v.227, p.285-299, 1957.
13. V.Twersky. Absorption and multiple scattering by
biological suspension. J.Opt.Soc.Am., v.60, p.1084-1093,
1970.
14. G.D.Pedersen, N.J.McCormic, L.O.Reynolds. Transport
calculation for light scattering in blood. Biophysics J.,
v.16, p.199-207, 1976.
15. J.M.Steinke, A.P.Shepherd. Diffuse reflectanse of whole
blood: model for diverging light beam. IEEE Trans.
Biomed.Eng., v.BME-34, p.826-834, 1987.
16. R.A.McRae, J.A.McClure, P.Latimer. Spectral transmission and scattering of red blood cells. J.Opt.Soc.Am.,
v.51(12), p.21-29, 1961.
17. L.G.Lindberg, P.A.Öberg. Optical properties of blood in
motion. Optical Engineering, v.32(2), p.253-257, 1993.
18. A.Roggan, M.Friebel, K.Dörschel, A.Hahn, G.Müller.
Optical properties of circulating human blood in the
wavelength range 400-2500 nm. J.Biomedical Optics,
v.4(1), p.36-46, 1999.
19. A.Zourabian, A.Siegel, B.Chance, N.Ramanujan, et al.
Trans-abdominal monitoring of fetal arterial blood
oxygenation using pulse oxymetry. J.Biomedical Optics,
v.5(4), p.391-405, 2000.
20. J.B.Miale. Laboratory medicine hematology. 6-x edition.
St.Louis: Mosby Comp. 1982. p.350-366.
Ñáîðíèê òðóäîâ ÈÏËÈÒ ÐÀÍ
&%