litceysel.ru
добавить свой файл
1
УДК 616-073-071:616.4



И.Н. НОВИКОВА, А.И. ЖЕРЕБЦОВА, А.В. ДУНАЕВ

I.N. NOVIKOVA, А.I. ZHEREBTSOVA, A.V. DUNAEV


ОЦЕНКА УРОВНЯ РЕГИСТРИРУЕМОГО СИГНАЛА В МЕТОДЕ ЛАЗЕРНОЙ ДОПЛЕРОВСКОЙ ФЛОУМЕТРИИ ПРИ ДИАГНОСТИКЕ ЛИМФАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

ASSESSMENT LEVEL RECORDED SIGNAL IN LASER DOPPLER FLOWMETRY METHOD FOR DIAGNOSTICS OF LYMPHATIC SYSTEM


В данной работе проведено исследование возможности регистрации и оценка уровня сигнала в методе лазерной доплеровской флоуметрии при диагностике лимфатической системы. Представлены расчеты зависимости безразмерной функции кодирования, регистрируемого фототока и мощности переменной составляющей сигнала от различного уровня лимфонаполнения.

Ключевые слова: неинвазивная диагностика, лазерная доплеровская флоуметрия, лимфа.


In this paper we assess the research of opportunities of signal detection and the estimation of signal strength in the method of laser Doppler flowmetry in the diagnostics of lymphatic system. We present calculations of the dependence of the dimensionless function of the coding, recorded the photocurrent and power of the variable component of the signal from different level content of the lymph.

Keywords: non-invasive diagnostics, laser Doppler flowmetry, lymph.

В последнее время изучению лифы и лимфатической системы, которая является важной частью сосудистой системы человека, придаётся всё большее значение. Об этом свидетельствует большое количество появившихся за последнее десятилетие публикаций, посвященных данной проблеме (например, [1]). Это обусловлено тем, что лимфа участвует в иммунологических реакциях организма и является показателем его состояния. Исследование лимфатической системы позволяет выявить и предотвратить на ранних стадиях развития такие заболевания, как лимфаденит, тонзиллит, слоновость (элефантиаз), спленомегалия и др.


Лимфа представляет собой прозрачную бесцветную жидкость, которая подобно тканевой жидкости ведёт своё происхождение от крови и очень похожа на кровь. Она содержит гораздо меньше белка, чем кровь, и лишена эритроцитов. В ней содержатся лейкоциты, часть которых попадает в лимфатические капилляры из тканевой жидкости, а часть образуется в лимфатических узлах. Движение лимфы осуществляется по лимфатической системе, которая в своем составе имеет: пути, проводящие лимфу –лимфокапиллярные сосуды, лимфатические сосуды, стволы и протоки; места развития лимфоцитов – костный мозг и вилочковая железа, лимфоидные образования в слизистых оболочках, пульпа селезенки, лимфатические узлы. Лимфатическая система выполняет ряд значимых для организма функций – транспортную, резорбционную и дренажную, благодаря которым обеспечивается проведение лимфы от тканей в венозное русло, а также образование лимфоидных элементов (лимфопоэз), участвующих в иммунологических реакциях, и обезвреживание попадающих в организм инородных частиц, бактерий [2]. 

На сегодняшний день существуют различные способы исследования лимфы и лимфотока. Метод биомикроскопии позволяет производить видеозапись исследуемого участка сосуда с последующим покадровым анализом изображений [3]. Спекл-интерферометрия обеспечивает быстрое и достаточно простое измерение скорости лимфотока, но при этом вычисляется только относительная величина средней скорости и не регистрируется направление движение лимфы [3]. Метод лимфографии является по сути инвазивным, так как основан на введении рентгеноконтрастного вещества в лимфатическую систему для рентгенологического исследования лимфатических сосудов и узлов, расположенных в какой-либо её части [4]. Несмотря на всё многообразие существующих методов исследования, проблема неинвазивной диагностики в режиме реального времени является достаточно актуальной.

Одним из наиболее перспективных неинвазивных методов исследования лимфы, на наш взгляд, является метод лазерной доплеровской флоуметрии (ЛДФ), широко использующийся в настоящее время для диагностики системы микроциркуляции крови [5].


В методе ЛДФ для исследования микроциркуляторного русла в настоящее время применяется зондирующее излучение лазеров красного (600-650 нм) и ближнего ИК-диапазона (800-1064 нм). Для исследования лимфы возможно использовать зондирующее излучение синего света, например с длиной волны 488 нм. Выбор данного диапазона объясняется тем, что поглощение гемоглобина и оксигемоглобина (одних из основных составляющих крови), а также меланина на данной длине волны, много больше, чем поглощение лимфоцитов. Следовательно, можно предположить, что большая часть вышедшего из биоткани вторичного излучения отражается именно от лимфоцитов, движущихся со средней скоростью 0,2-1,4 мм/с. Спектр поглощения различных составляющих биоткани представлен на рисунке 1 [6].





Рисунок 1 – Спектры поглощения различных составляющих биоткани


Для определения уровней регистрируемых сигналов рассчитана известная функция кодирования с учетом оптических свойств лимфотока и зондирующего излучения синего света. Как известно [7], с точки зрения структурно-функциональной модели диагностического процесса тестируемая биоткань может быть представлен спектрально-нелинейным оптическим фильтром, который преобразует падающую на него мощность Pизл(λ) в мощность вторичного излучения Pпр(λ), что математически равнозначно умножению исходного оптического сигнала на некоторую безразмерную функцию кодирования В(λ), зависящую от оптико-физических и медико-биологических параметров биоткани, а также от условий освещения и приёма излучения.

Для расчета безразмерной функции кодирования В(λ) воспользуемся известным выражением, полученным на основе диффузионного приближения для полубесконечной среды:


, (1)


где z0эффективная длина;

A – площадь детектора;

μd – коэффициент диффузии;

r – расстояние между источником и приёмником (база измерений).

Эффективная длина равна:


, (2)


где μs' – приведённый коэффициент рассеяния, который определяется как:


, (3)


где g = g(λ) – фактор анизотропии рассеяния;

μs(λ) – транспортный коэффициент рассеяния.

Для большинства непрозрачных биологических тканей значения фактора анизотропии находится в диапазоне 0,7-0,95. Для лимфы значение фактора анизотропии рассеяния принимаем 0,939 [8].

μd находят по формуле [9]:


, (4)


где μa(λ) – транспортный коэффициент поглощения.

Транспортные коэффициенты рассеяния и поглощения с учетом различного уровня лимфонаполнения ткани (порядка 1-10% [1]) рассчитываются соответственно по формулам, аналогичным для учёта различного кровенаполнения [6]:


; (5)

, (6)


где l – уровень лимфонаполнения;

μal(λ) – транспортный коэффициент поглощения лимфы;

μat(λ) – транспортный коэффициент поглощения дермы с малым содержанием лимфы;

μsl(λ) – транспортный коэффициент рассеяния лимфы;

μst(λ) – транспортный коэффициент рассеяния дермы с малым содержанием лимфы.


Основные оптические характеристики лимфы, которые использовались в расчётах [7, 10]: транспортный коэффициент поглощения лимфы – 11,2 см-1, транспортный коэффициент поглощения дермы с малым содержанием лимфы – 2,6 см-1, транспортный коэффициент рассеяния лимфы – 530 см-1; транспортный коэффициент рассеяния дермы с малым содержанием лимфы – 250 см-1.

Полученная диаграмма зависимости функции кодирования от различного уровня лимфонаполнения представлена на рисунке 2.

Как видно, ввиду возрастающего поглощения зондирующего излучения лимфоцитами функция кодирования уменьшается, тем самым уменьшается регистрируемое вторичное излучение, вышедшее из биоткани. Таким образом, ослабление сигнала при диагностике лимфы составляет порядка 10-5-10-4.





Рисунок 2 – Диаграмма зависимости функции кодирования

от различного уровня лимфонаполнения


Для оценки уровня регистрации вторичного излучения из биоткани рассчитан фототок, регистрируемый фотодиодом:


, (7)


где Iфд(l) – фототок, регистрируемый фотодиодом;

Pпр(l) – мощность регистрируемого вторичного излучения;

S – токовая монохроматическая чувствительность фотодиода.

Мощность регистрируемого излучения определяют по формуле:


, (8)


где Pизл(λ) – мощность, падающая на биообъект (зондирующее излучение);

B(l) – функция кодирования.

Принимая токовую чувствительность 0,3 А/Вт и используя мощность зондирующего излучения 3 мВт, построена диаграмма зависимости регистрируемого фотодиодом фототока от различного уровня лимфонаполнения, представленная на рисунке 3. Анализ диаграммы показывает, что с увеличением лимфонаполнения регистрируемый фототок снижается ввиду снижения мощности вторичного излучения, выходящего из биоткани.






Рисунок 3 – Диаграмма зависимости регистрируемого фотодиодом фототока

от различного уровня лимфонаполнения

Оценка уровня мощности регистрируемого сигнала в методе ЛДФ, а именно – переменной составляющей сигнала, характеризующей доплеровский сдвиг частоты в результате отражения от движущегося лимфоцита, при различном уровне лимфонаполнения во времени осуществлялась по следующей формуле [9]:


, (9)

где Pпрмощность, падающая на фотоприёмник;

B(l) – функция кодирования;

Pизл – мощность зондирующего излучения;

ks – коэффициент рассеяния излучения на лимфоцитах;

t – время;

Δf – доплеровский сдвиг частоты.

Полученная диаграмма зависимости регистрируемой мощности излучения от уровня лимфонаполнения во времени представлена на рисунке 4.


Рисунок 4 – Диаграмма зависимости регистрируемой мощности излучения

от уровня лимфонаполнения во времени


Анализ диаграммы показывает, что максимум регистрируемой мощности приходится на минимальное лимфонаполнение и время, кратное 1/Δf. Полученная амплитуда переменной составляющей мощности сигнала при частоте доплеровского сдвига 24 кГц составляет около 40-50 нВт, что вполне может быть зарегистрировано современными фотоприемниками.

Таким образом, можно предположить, что применение метода лазерной доплеровской флоуметрии с зондирующим излучением синего света является возможным при исследовании лимфотока, и может быть использовано для дальнейшей разработки метода и устройства для неинвазивной диагностики лимфатической системы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Козлов, В.И. Анатомия лимфоидной системы и путей оттока лимфы [Текст]: учебное пособие / В.И. Козлов, И.Л. Кривский. – М.: Изд. РУДН, 2005. – 55 с.:ил.

2 Лимфатическая система (systema Lymphaticum). Функция, строение лимфатической системы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://meduniver.com/Medical/Anatom/ 329.html.


3 Федосов, И.В. Лазерный мониторинг скорости потока в лимфатических микрососудах с использованием пространственно-временной корреляции динамического спекл-поля / И.В. Федосов, Е.И. Галанжа, А.В. Соловьева, В.В. Тучин. – Письма в ЖТФ. – 2002. – Т.28. – № 16. – С.58-64.

4. Энциклопедический словарь медицинских терминов: В 3-х томах. Около 60 000 терминов. / Гл. ред. Б.В. Петровский. – М.: Советская энциклопедия. – Т. 2, 1983. – 448 с.

5 Лазерная допплеровская флоуметрия микроциркуляции крови [Текст]: руководство для врачей / Под. ред. А.И. Крупаткина, В.В. Сидорова. – М.: ОАО «Издательство «Медицина», 2005. – 256 с.: ил.


6 Пушкарёва, А.Е. Методы математического моделирования в оптике биоткани [Текст]: учебное пособие / А.Е. Пушкарёва. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. – 103 с.: ил.

7 Тучин, В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. – Саратов: Изд-во СГУ, 1998. – 384 с.

8 Jacques S.L. Origins of Tissue Optical Properties in the UVA, Visible, and NIR Regions // Advances in Optical Imaging and Photon Migration. – 1996. – V. 2. – Р. 364-369.

9 Дунаев, А.В. Расчёт параметров регистрируемых сигналов в неинвазивной медицинской спектрофотометрии [Текст]: методические указания по проведению практических занятий / А.В. Дунаев, Д.А. Рогаткин, Е.А. Жеребцов, А.И. Егорова. – Орел: ФГБОУ ВПО «Государственный университет-УНПК», 2011. – 32 с.

10 Biomedical Photonics Handbook / Edited by Tuan Vo-Dinh. – CRC Press 2003. – 1110 р.

Новикова Ирина Николаевна


ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», г. Орёл, Россия

Студент кафедры «Приборостроение, метрология и сертификация»

E-mail: irina270891@yandex.ru


Жеребцова Ангелина Ивановна

ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», г. Орёл, Россия

Ассистент, аспирант кафедры «Приборостроение, метрология и сертификация»

E-mail: angelok1100@rambler.ru


Дунаев Андрей Валерьевич

ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», г. Орёл, Россия

Кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Приборостроение, метрология и сертификация»

E-mail: a.v.dunaev@dundee.ac.uk