к.т.н. Думенко В.П.

Цмуз Т.П.

 

Вінницький державний педагогічний університет імені М.Коцюбинського, Україна

 

дослідження біологічних рідин фізичними методами

 

Постановка проблеми. Застосування фізичних методів в біологічних та медичних дослідженнях на сучасному етапі є найбільш важливою і фундаментальною проблемою, вирішення якої дає можливість створювати високоінформативні та  неінвазивні технології для діагностики стану і функціонування біологічних систем. Найбільш перспективним є застосування оптичних методів в біомедичних дослідженнях з використанням лазерних технологій. Оскільки функціонування основних систем людського організму залежить від стану біологічних рідин, тому важливе значення мають методи пов’язані з визначенням впливу на  характеристики компонентів біорідин, особливо клітин крові, патологічних змін в певних органах та системах. Хоча розвиток біомедичних лазерних технологій є досить значним, але актуальною є проблема пов’язана із дослідженням взаємодії лазерного випромінювання з біосистемами.

Метою статті є обґрунтування теоретичних аспектів застосування  фізичних методів для дослідження стану біологічних рідин та переваг лазерних біомедичих технологій для вирішення даної проблематики.

Виклад основного матеріалу. Для аналізу стану біологічних рідин використовують оптичні методи досліджень. Серед них варто відзначити  такі: спектрофотометрія; оптична мікроскопія; спекл-інтерферометрія; нефелометрія; гемосканування; лазерна дифрактометрія.

Оптичні методи дослідження засновані на використанні законів оптики, що стосуються природи, поширення і взаємодії з речовиною електромагнітного випромінювання оптичного діапазону (видиме світло, ультрафіолетове і інфрачервоне випромінювання).

          Закони геометричної оптики, що характеризують прямолінійне поширення світла в однорідних середовищах, його відбивання і заломлення в гетерогенних середовищах, лежать в основі методів мікроскопії, рефрактометрії, лазерних методів та ін.

Спектрофотометрія. Cпектральний метод – заснований на аналізі спектра оптичного випромінювання після його взаємодії з біологічним об’єктом. Всі основні біохімічні та клітинні компоненти тканин та крові мають характерні “індивідуальні” спектри поглинання, відбивання, розсіювання та люмінесценції. Ці спектри різні для різних м’яких тканин та ділянок ущільнень у них, для окисненого та відновленого стану молекул у клітинах тканини. Загальний відсотковий вміст різних біохімічних і анатомо-морфологічних компонентів у тканинах різний для стану норми та захворювання органів і систем організму. Тобто загальний функціональний і патофізіологічний стан тканин відображається на їхніх оптичних властивостях, які можуть бути зареєстровані методами лазерного спектрального аналізу, спектроскопії розсіювання та поглинання, іншими оптичними методами.

В основі цього методу лежить закон Бугера-Ламберта-Бера:

                                      ,                                                         (1)

де I — інтенсивність світла на товщині шару x біорідини, I0 — інтенсивність світла на поверхні, α — коефіцієнт поглинання.

В гомогенному ізотропному середовищі з абсорбуючими частинками:

                               ,                                                             (2)

де А = -lg (I / I0) = -lg T - оптична густина; с - концентрація речовини, моль / л; l - товщина шару;  - молярний коефіцієнт світлопоглинання; T - коефіцієнт пропускання. На основі закону Бугера-Ламберта-Бера,  спектр поглинання суміші речовин являє собою суму спектрів поглинання складових суміші. [3, c.33]

Таким чином, знаючи спектр крові і спектри поглинання окремих компонентів, можна визначити концентрацію всіх компонентів, розв’язавши відповідну математичну систему рівнянь для цих спектрів. Хоча цей метод і має певні труднощі в технічній реалізації, до його переваг слід віднести те, що він є безреагентним і дає можливість уникнути помилок преаналітичного і аналітичного етапів медичних досліджень.

Блок-схема спектрофотометра представлена на рисунку 1:

Рис.1. Спектрофотометр

Сучасні діагностичні прилади, основою яких є спектрофотометр являють собою сполучені з персональним комп'ютером (ПК) оптоелектронні вузли і блоки, що дають можливість опромінювати область тіла пацієнта низькоінтенсивним оптичним випромінюванням заданої потужності, спектрального складу і реєструвати вторинне (розсіяне) випромінювання від біотканин пацієнта.

Спекл інтерферометрія. Серед перспективних лазерних діагностичних 

методик виділяються методи спекл-оптики і спекл-інтерферометрії, що представляють значний інтерес для оптики неоднорідних біотканин.

Спекл-інтерферометрія - один з методів просторової інтерферометрії, заснований на аналізі зернистої структури зображення біооб'єкта.

Рис.2. Схема спекл-інтерферометра: 1-поворотне дзеркало, 2-об’єктив, 3-світлодільна пластина, 4-сферичне дзеркало, 5-регулююча діафрагма, 6-об’єктив ССD, 7-поляризаційний світлофільтр.

    Для вимірювання рефракції або показника заломлення світла досліджуваних зразків використовують рефрактометри. Їх застосовують при визначенні загального білка в сироватці крові, чистоти дистильованої води, вмісту сахарози в водних розчинах, та ін. [1, cт. 34-35]

            Нефелометрія. Величина розсіювання світла досліджуваними об'єктами, наприклад колоїдними розчинами, визначається методом нефелометрії і турбідиметрії. Склад речовини визначають за інтенсивністю світлового потоку, який розсіюється розчиненими частинками в речовині (нефелометрія), або з поглинання світлового потоку цими частинками (турбідиметрія).

Цей метод ґрунтується на рівнянні Релея:

                                                     ,                                                          (3)

де I — інтенсивність розсіяного світлового потоку, I0 — інтенсивність падаючого світла, с – концентрація частинок у суспензії.

Для вимірювання концентрації і вивчення властивостей оптично активних молекул застосовують поляриметри і спектрополяриметри. В медицині вони знаходять найбільше практичне застосування при визначенні концентрації цукру в сечі (сахариметра).

Рис.3. Схема спектрополяриметра

Гемосканування. Гемосканування, або сканування краплі крові під мікроскопом, є одним з новітніх перспективних методів діагностики.

Перевагами цього методу є те, що здійснюється сканування «живої» краплі крові, кров не висушують  і не підфарбовують, дослідження проводиться при великому збільшенні оптики. Мікроскоп  з’єднаний з відеокамерою, яка виводить зображення на монітор. Метод гемосканування дає можливість:

·        оцінити стан еритроцитів, тромбоцитів (наявність тенденції до утворення тромбів і бляшок);

·        оцінити стан рідкої частини крові – плазми (наявність або відсутність холестерину, цукру, солей сечової кислоти);

·        визначити стан ферментних систем організму;

·        виявити порушення дії внутрішніх органів на ранніх стадіях. [4]

Лазерна дифрактометрія. Найбільш перспективним оптичнимм методом є метод лазерної дифрактометрії, який застосовується для досліджень клітин крові. Дифракційний метод – заснований на аналізі дифракційної картини, яку отримують при взаємодії когерентного оптичного випромінювання з біологічним об’єктом.
         Перевагами лазерної дифрактометрії в біомедичних дослідженнях є : неінвазивність;  можливість проводити дослідження безпосередньо на живих об’єктах; висока інформативність; технологічність. [2, c.54]

Методом лазерної дифрактометрії було проведено експериментальні дослідження по  визначенню важливих характеристик еритроцитів: параметра деформованості та ступеня агрегації в нормі та при патологіях.

Рис.4.  Дифракційна картина клітин крові в програмі Vision Assistant

На основі аналізу ДК можна визначати зміни параметрів еритроцитів.

Висновки. В біомедичній діагностиці широкого використання набули оптичні методи, які дають можливість шляхом реєстрації зміни інтенсивності електромагнітного випромінювання, яке поглинається, відбивається чи розсіюється біологічними середовищами, визначати характеристики компонентів найважливіших біологічних рідин. В роботі було проаналізовано фізичні принципи застосування методів спектрофотометрії, нефелометрії, спекл-інтерферометрії, лазерної дифрактометрії. Представлено експериментальні результати застосування методу лазерної дифрактометрії для дослідження характеристик клітин крові.

Список використаних джерел:

1.     Рогаткин Д. А. Перспективы развития неинвазивной спекрофотометрической диагностики в медицине / Д. А. Рогаткин, Л. Г. Лапаева // Медицинская техника. – 2003. – № 4. – С. 31–36.

2.     Павлов С.В. Фізичні основи біомедичної оптики / С.В. Павлов,  В.П. Кожем′яко,  В.П. Думенко,  П.Ф. Колісник. - Вінниця: ВНТУ, 2011.-152 с.

3.     Думенко В. Оптико-електронна  система діагностики периферійного кровообігу/ С.Павлов, Т.Козловська, В.Думенко // Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування: ІV Міжнародна науково-технічна конференція, 8-10 жовтня 2009: матеріали конф.  – Вінниця, 2009. – С. 48-54.

4.     Jolliffe I.T. Principal Component Analysis, Series: Springer Series in Statistics, 2nd ed., Springer, NY, 2002, XXIX, 487 p. 28 illus. ISBN 978-0-387-95442-4.

Анотація: В роботі проведено короткий аналіз фізичних методів для дослідження біологічних рідин. Розглянуто їх фізичні аспекти, практичну реалізацію та застосування в біомедичних дослідженнях. Представлено результати експериментальних досліджень клітин крові.

Ключові слова: спектрофотометрія, спекл-оптика, лазерна дифрактометрія, біологічна рідина, нефелометрія.