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 ñ1. ×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 ñì1 [18].  òî âðåìÿ êàê ïðèâåäåííûé êîýôôèöèåíò ðàññåÿíèÿ µs′ ðàâåí 3,3 ñì1. 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 ñì1. 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 ñì1·ìîëü1·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.  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.  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.  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 &%