Лекция 7 Аппараты, системы и комплексы для исследования неэлектрических характеристик организма. Клиническая аппаратура для неинвазивного исследования оптических свойств биообъектов.

Аппаратура, позволяющая исследовать неэлектрические характеристики организма, крайне многочисленна и разнообразна. С помощью подобной аппаратуры производится определение характеристик кровотока, дыхания, органов слуха, пищеварения и т. д. Сюда же в принципе относится и приборы для биологической интроскопии и разнообразное лабораторное оборудование. Рассмотрение данное аппаратуры мы начнём с клинической аппаратуры для неинвазивного исследования оптических свойств биообъектов.

Отличительной особенностью оптических методов диагностики является то, что использование низкоинтенсивного (до 10 мВт) излучения позволяет производить прижизненное неинвазивное зондирование исследуемых участков биотканей. В настоящее время в клинической практике используются такие неинвазивные оптические методы диагностики, как: оптическая пульсооксиметрия, флюоресцентная диагностика, биофотометрия, лазерная доплеровская флоуриметрия и ряд других методов.

Методические основы фотометрических исследований и их обобщённая схема

Оптические свойства биообъектов исследуются методами фотометрии, которые относятся к разделу физической оптики, изучающей энергетические характеристики оптического излучения в процесс его испускания, распространения и взаимодействия с веществом.

Процесс прохождения потока излучения через слой вещества характеризуется рядом коэффициентов: зеркального отражения ρ_r = Ф₃/Ф₀; поглощения α = Ф_П/Ф₀; рассеянного (диффузного) отражения ρ_{d =} Ф₁/Ф₀; рассеянного (диффузного) пропускания τ_d = Ф₂/Ф₀; направленного пропускания τ_r = Ф₄/Ф₀, где Ф₀ – падающий на границу слоя поток излучения, а Ф₁, Ф₂, Ф₃, Ф₄, Ф_п – различные потоки после взаимодействия со средой. Т. к. Ф₀ = Ф₁ + Ф₂ + Ф₃ + Ф₄ + Ф_п, то ρ_r + α + ρ_{d +} τ_d +τ_r = 1.

Т. к. поглощение и рассеяние в большинстве случаев происходит селективно (т. е. зависит от вещества в котором происходит), то количественные характеристики определяются или при монохромном излучении, или при строго фиксированном спектральном составе лучистого потока. Дифференциальная регистрация поглощения или рассеяния в нескольких узких спектральных диапазонах характерна для спектрофотометрии и фотоколометрии. Регистрация интегрального поглощения по всему спектру излучения осуществляется методом абсорбционной фотометрии (фотоаабсорбциометрии), составляющим наиболее обширную группу, используемую в физиологических исследованиях.

Большинство фотометрических методов основаны на известном законе Бугера-Ламберта-Бера, описывающем ослабление монохроматического излучения длиной волны λ при прохождении слоя поглощающей среды толщиной l:

I (λ) = I₀ (λ)e^-Clε(λ) ,

Где С – концентрация поглощающего вещества,

ε(λ) – удельный показатель поглощения или молекулярный коэффициент экстинкции (поглощения),

l – толщина слоя поглощающей среды,

λ – длина волны

I – интенсивность светового потока после прохода слоя вещества

I₀ – интенсивность исходного светового потока

Оптические свойства среды оцениваются с помощью двух коэффициентов – пропуская и оптической плотности.

τ(λ) = Ф(λ)/Ф₀(λ)¹ = e^-Clε(λ); D(λ) = lg(1/ τ(λ)) = Clε(λ)

Последний показатель обычно используется непосредственно для определения концентрации исследуемого компонента.

Для удобства пересчёта фотометрического параметра в значение концентрации часто используется калибровочный график, а для повышения точности определения концентрации фотометрические измерения стараются проводить в области максимального поглощения. Недостаточная монохроматичность излучения и ряд других причин могут нарушить закон прямой пропорциональности между оптической плотностью и концентрацией поглотителя (исследуемого вещества). В таких случаях строят калибровочную кривую с помощью эталонных растворов заданной концентрации и с её помощью определяют концентрацию поглотителя в исследуемой среде.

При исследовании биожидкостей, содержащих клеточные включения и большое количество макромолекул (мутные среды), часто используют методы, основывающиеся на эффекте сеторассеивания.

Для частиц, диаметр которых соизмерим с длиной волны излучения, поток рассеяния Ф_r = Ф₀, согласно уравнению Релея, увеличивается обратно пропорционально четвёртой степени длины волны:

,

Где n₁ и n₂ – коэффициенты преломления частиц и среды;

С – концентрация рассеивающих частиц;

V – объём частицы;

r – расстояние до наблюдателя;

β – угол между падающим и рассеянным потоками.

Колличественный анализ, основанный на регистрации параметров рассеяния, осуществляется методами нефелометрии и турбодиметрии. Первый из них основан на измерении интенсивности лучистого потока, рассеянного частицами среды, а второй регистрирует поток, прошедший среду, в которой содержатся поглощающие и рассеивающие частицы.

При нефелометрических измерениях величины n1, n2, r и β остаются постоянными, поэтому последнее выражение можно записать в виде:

Ф_r = Ф₀kCV²/λ⁴ ,

где k – коэффициент пропорциональности.

Тогда для коэффициента рассеяния получаем:

ρ_d = Ф_r/Ф₀ = kCV²/λ⁴

откуда легко рассчитать значение С.

Данный метод позволяет определять небольшие концентрации взвешенных в исследуемой среде частиц, трудно поддающихся учёту другими методами. Однако нефелометрическому методу присущи недостатки. Это, прежде всего, влияние на интенсивность рассеянного потока размеров, формы и пространственного угла положения (по отношению к направлению падения излучения) частиц.

При турбодиметрических измерениях интенсивность прошедшего потока может быть определена с помощью выражения Ф₂ = Ф₀ε^-μλ, где μ – показатель ослабления (мутности), учитывающий как поглощение, так и рассеяние. Показатель ослабления k пропорционален концентрации взвешенных частиц, поэтому для определённых диапазонов концентрации оказывается справедливым выражение:

lg(Ф/₀Ф₂) = kCl = lg(1/τ_μ),

где τ_μ = Ф₂/Ф₀ – коэффициент мутности среды;

k – удельный (молярный) показатель ослабления излучения.

Люминесцентная фотометрия основана на способности молекул ряда веществ при определённых условиях испускать электромагнитное излучение оптического диапазона спектра. Методы люминесцентной фотометрии отличает высокая чувствительность и специфичность, что позволяет регистрировать очень малые количества определённого вещества среди большого их разнообразия. Методики выполнения исследований относительно просты, позволяют быстро получить конечный результат, и поэтому люминесцентная фотометрия может использоваться в качестве экспресс-метода.

В практике медико-биологических исследований нашли применение два явления, сопровождающихся люминисценцией:

1) Хемолюминисценция – свечение вещества под влиянием химических процессов;

2) фотолюминисценция – свечение под действием поглощённой энергии коротковолнового диапазона спектра (ближней ультрафиолетовой или сине-фиолетовой областей).

Физический смысл явления люминесценции состоит в излучении излишка энергии возбуждёнными молекулами вещества в виде преобразованной лучистой энергии. Люминесценция характеризуется спектром излучения и интенсивностью, которые зависят от энергии и длины волны возбуждающего излучения, концентрации люминисцирующего вещества – флуорофора, температуры, наличия примесей и других факторов.

Количественно процесслюминисценции описывается энергетически (Е) и квантовым (р) выходами. Для количественного анализа результатов исследований используется значение энергетического выхода люминисценции, определяемого через отношение энергии люминисценции к энергии возбуждения, поглощённой в веществе:

E = Ф_л/Ф₀ = (Ф_л/Ф₀)(1 – τ_л),

где Ф_л, Ф_п, Ф₀ – интенсивность соответственно люминесценции, поглощённого и возбуждающего излучения;

τ_л – коэффициент пропускания при люминесценции;

В отличие от приборов и систем для электрофизиологических исследований, для проведения фотометрических измерений в структуру соответсвующих технических средств необходимо включить узлы, обеспечивающие формирование внешних по отношению к объекту потоков лучистой энергии {λ}_i – заданной интенсивности, спектрального состава, геометрии, поляризации и т. п.:

Потоки {λ}_i формируются с помощью ряда узлов: источника излучения (ИИ), задающего интенсивность потоков, и оптических систем (ОС) (оптических фильтров, зеркал, диафрагм и. т. п.), определяющих спектральный состав, геометрию и направленность каждого потока. Параметрами источника излучения управляет блок управления (БУ), поддерживающий стабильные электрические характеристики всех потоков. Эти потоки подводятся к объекту через внешнюю среду (ВС) распространения излучения, поэтому важно учитывать параметры этой среды, а также наличие в ней неконтролируемых источников лучистой энергии. После взаимодействия потоков {λ}_i с объектом формируются новые потоки излучения {λ}^/_i, параметры которых уже несут информацию об оптических свойствах этого объекта. Потоки {λ}^/_i преобразуются в электрические сигналы {U}_i в блоке фотоэлектрических преобразователей (БФЭП), включающем один или несколько (по числу потоков) преобразователей. Оптическая система ОС2 позволяет направить потоки излучения {λ}^/_i на чувствительные элементы ФЭП, а также скорректировать отличия в спектральных характеристиках чувствительности разных ФЭП от расчётных. Далее в обобщённую структуру включены блоки, которые строятся по схемам, аналогичным устройствам для исследования электрофизиологических сигналов: блок усиления фильтрации сигналов (УС и ФС); устройства первичных обработки (УПО), обеспечивающие расчёт фотометрических параметров (ФМП) и медицинских (МП). Для более детальной обработки в состав обобщённой схемы могут входить графические регистраторы изменений выходного параметра во времени, индикаторы значений этих параметров или интерфейсы для связи с внешними по отношению к фотометру устройствами (ВнУ).

Структуры реальных технических систем для фотометрических исследований могут отличаться от приведённых; некоторые блоки могут отсутствовать, а другие – представлять собой весьма сложные устройства. Однако в их структурах практически всегда содержатся: измерительный преобразователь, который обеспечивает сопряжение технических средства с биологическим объектом; устройства первичной (УПО) и вторичной (УВО) обработки электрических сигналов и интерфейс (И) для подключения к внешним по отношению к измерительным узлам системам.

В классическом варианте проведения фотометрических измерений в проходящем световом потоке на выходе ФЭП формируется сигнал:

U = kSτФ₀,

Где Ф₀ – поток, формируемый источником излучения;

S – чувствительность ФЭП;

τ – коэффициент пропускания исследуемой среды (биообъекта);

k – коэффициент преобразования, учитывающий потери лучистой энергии в оптическом тракте.