НОУ ИНТУИТ | Интеллектуальные сенсоры. Лекция 19: Спектрофотометрия в обратно рассеянном свете. Гемоглобиномеры и сенсоры кровенаполнения

Учитесь и получайте официальные документы БЕСПЛАТНО. Вы можете поддержать наш проект.

Регистрация Вход

Твой путь к знаниям!

Опубликован: 26.05.2010 | Доступ: свободный | Студентов: 1604 / 257 | Оценка: 4.42 / 4.25 | Длительность: 56:51:00

ISBN: 978-5-9963-0124-9

Темы: Искусственный интеллект и робототехника, Аппаратное обеспечение

Специальности: Разработчик аппаратуры

|

Вам нравится? Нравится 35 студентам

| Поделиться |

Поддержать курс

| Скачать электронную книгу

Ответы

Ответы на вопросы

1. Трудности, возникающие при разработке неинвазивных оптических сенсоров, связаны с тем, что неинвазивные измерения принципиально исключают предварительное препарирование, перевод объекта исследования в форму, удобную для измерений. А живые биологические ткани имеют сложную микроструктуру, оптически очень неоднородны; в них происходит значительное рассеяние света, которое варьирует при переходе от одного участка тела к другому, от одного человека к другому. В живой ткани, кроме вещества-аналита, присутствует большое количество других биохимических веществ, создающих "фоновое" поглощение. В человеческом теле мало участков, пригодных для измерений "на просвет", а технология работы "на отражение" не была должным образом проработана.

2. Неконтролируемое рассеяние и неконтролируемое "фоновое" поглощение света в неинвазивных оптических сенсорах удается учесть, используя двухволновой метод спектрофотометрии. Длину волны света, используемого в "опорном" канале, подбирают так, чтобы рассеяние и "фоновое" поглощение света были здесь примерно такими же, как и в "измерительном" канале, и точно так же варьировали от измерения к измерению. При таких условиях отношение спектральных интенсивностей света в обоих каналах становится мало чувствительным к указанным факторам.

3. Разница между схемами спектрофотометрического измерения "на просвет" и "на отражение" состоит в следующем. В схеме измерения "на просвет" фотоприемник располагается на стороне, противоположной той, с которой свет входит в объект. И длина пути, проходимого светом внутри объекта, всегда фиксирована. В схеме измерения "на отражение" фотоприемник располагается с той же стороны, с которой входит свет. И, если рассеяние света в объекте значительно, то длина пути, проходимого светом внутри объекта, вообще говоря, не фиксирована. Разные составные части обратно рассеянного телом света, проходят разный, не контролируемый оптический путь.

4. Указанные упрощенные модели нельзя использовать для описания прохождения света сквозь живую ткань по следующим причинам. "Однократные" рассеяния света на большие углы очень маловероятны, и доля таких рассеяний весьма мала. Модель "кратных" рассеяний применима в условиях, когда число рассеяний относительно невелико (меньше или порядка 10). А при взаимодействии с живой тканью свет уже при прохождении сквозь роговой слой кожи рассеивается 4 $\div$ 6 раз, при прохождении сквозь эпидермис – еще 6 $\div$ 8 раз. В среднем обратно рассеянный свет при прохождении сквозь тело пути в 2-4 мм рассеивается примерно 50-100 раз. "Диффузионная" модель применима при числе рассеяний 500-1000, т.е. только на весьма больших расстояниях от места входа света в ткань.

5. О "пучке наиболее вероятных траекторий света в биоткани" можно говорить, только если выполняются следующие условия: свет входит в живую ткань в виде тонкого направленного "светового зонда": для измерений отбираются пучки обратно рассеянного света, только выходящие из тела на заданном расстоянии от точки входа "светового зонда" и в определенном направлении; расстояние от точки входа не слишком велико, но и не слишком мало. Тогда "пучок наиболее вероятных траекторий света в биоткани" представляет собой совокупность траекторий, по которым чаще всего проходит отобранный для измерений свет. Распределение их вероятностей таково, что дисперсия длины пройденного светом пути в ткани при этом существенно меньше средней длины пути.

6. "Световое поле" обратно рассеянного телом света характеризуют с помощью распределений интенсивности этого света по координатам и по направлениям выхода. В тех случаях, когда структура биоткани тела одинакова во всех направлениях от точки входа светового зонда, световое поле обратно рассеянного света является осесимметричным. В этих случаях световое поле описывают распределениями интенсивности обратно рассеянного света в зависимости от расстояния до точки входа светового зонда, от угла выхода по отношению к нормали к поверхности тела и от "азимутального" угла.

7. Основные требования спектрофотометрии в обратно рассеянном свете можно практически реализовать, используя оптические волокна с небольшой угловой апертурой. По одним из них, входящим в оптический контакт с телом, в исследуемый участок тела вводится световой зонд. А с помощью других, расположенных на заданном расстоянии от точки входа светового зонда и тоже имеющих оптический контакт с телом, отбираются для измерений только те обратно рассеянные световые лучи, которые выходят из тела на заданном расстоянии в заданном направлении.

8. Гемоглобиномер является спектрофотометрическим сенсором и измеряет среднюю концентрацию гемоглобина в исследуемом участке человеческого тела. Она коррелирует с концентрацией гемоглобина в крови человека только при фиксированном кровенаполнении исследуемого участка. Имеет место соотношение: $c_{Hb,T}=\varphi c_{Hb,T}$ . Здесь $c_{Hb,T}$ – средняя концентрация общего гемоглобина в ткани; $c_{Hb,K}$ – концентрация гемоглобина в крови; $\varphi$ – кровенаполнение ткани.

9. "Кровенаполнение" живой ткани – это объёмная доля крови в ткани, т.е. отношение $\varphi=V_K/V_T$ , где V_T – объём участка тела, V_K – объём крови, присутствующей в этом участке тела.

10. Интеллектуальный сенсор для неинвазивного исследования микроциркуляторного русла системы кровообращения человека позволяет измерять гидравлические сопротивления сосудов этого русла притоку и оттоку крови, комплианс этих сосудов, а также фиксировать характер динамических кривых изменения кровенаполнения под влиянием разных факторов.

Ответы к упражнениям

Упражнение 19.1.

Вариант 1. Подставляя данные задачи в формулы (19.2) и (19.3), находим: $I_1 = 0,94\times 250\times\ехр[–(0,2+5\times 0,2)\times 5] \approx 0,5825$ ; $I_2 = 0,94\times 100\times\ехр[–(0,2+0,1\times 0,2)\times 5] \approx 31,3;\; I_1/I_2 = 0,0186$ . Для случая, когда K_P = 0,1 мм^–1, находим: $I_1 = 0,94\times 250\times\ехр[–(0,1+5\times 0,2)\times 5] \approx 0,9604;\; I_2 = 0,94\times 100\times\ехр[–(0,1+0,1\times 0,2)\times 5] \approx 51,6;\; I_1/I_2 = 0,0186$ . Как видим, спектральные интенсивности света на выходе существенно изменились, однако их соотношение осталось тем же самым.

Вариант 2. Подставляя данные задачи в формулы (19.2) и (19.3), находим: $I_1 = 0,94\times 250\times\ехр[–(0,2+5\times 0,1)\times 5] \approx 7,096;\; I_2 = 0,94\times 100\times\ехр[–(0,2+0,1\times 0,1)\times 5] \approx 32,9;\; I_1/I_2 = 0,216$ . Для случая, когда K_P = 0,1 мм^–1, находим: $I_1 = 0,94\times 250\times\ехр[–(0,5+5\times 0,1)\times 5] \approx 1,583;\; I_2 = 0,94\times 100\times\ехр[–(0,5+0,1\times 0,1)\times 5] \approx 7,34;\; I_1/I_2 = 0,216$ . Спектральные интенсивности света на выходе существенно изменились, однако их соотношение осталось тем же самым.

Вариант 3. Решая уравнение (19.4) относительно неизвестной концентрации , находим: $c=\ln[I_2I_{1,0}T_1/(I_1I_{2,0}T_2)]/[d(k_{mol.1}-k_{mol.2})]$ . Подставляя сюда данные задачи с учетом того, что T_1 = T_2 = T_0 , получаем $c=\ln[33,3\times 250/(13,6\times 100)]/[5(5-0,1)]\approx 0,12 \text{ моль/л}$ .

Вариант 4. Используя формулу, выведенную в предыдущем варианте, и подставляя в неё данные задачи с учетом того, что T_1 = T_2 = T_0 , находим $c=\ln[32,5\times 250/(13,6\times 100)]/[5(5-0,1)] \approx 0,074 \text{ моль/л}$ .

Вариант 5. Подставляя данные задачи в формулы (19.2) и (19.3), находим: $I_1 = 0,94\times 250\times\exp[–(0,25+5\times 0,24)\times 5] \approx 0,1669$ ; $I_2 = 0,94\times 100\times\ехр[–(0,25+0,1\times 0,24)\times 5] \approx 23,9$ ; I_1 / I_2 = 0,00698 . Для случая, когда $K_{\textit{ФП}}$ = 0,12 мм^–1, находим: $I_1 = 0,94\times 250\times\ехр[–(0,12+5\times 0,24)\times 5] \approx 0,3197$ ; $I_2 = 0,94\times 100\times\ехр[–(0,12+0,1\times 0,24)\times 5] \approx 45,75$ ; I_1/I_2 = 0,00699 . Как видим, спектральные интенсивности света на выходе существенно изменились, однако их соотношение осталось практически тем же самым.

Вариант 6. Подставляя данные задачи в формулы (19.2) и (19.3), находим: $I_1 = 0,94\times 250\times\ехр[–(0,25+5\times 0,12)\times 5] \approx 3,352$ ; $I_2 = 0,94\times 100\times\ехр[–(0,25+0,1\times 0,12)\times 5] \approx 25,36$ ; I_1/I_2 = 0,132 . Для случая, когда K_P = 0,45 мм^–1, находим: $I_1 = 0,94\times 250\times\ехр[–(0,45+5\times 0,12)\times 5] \approx 1,233$ ; $I_2 = 0,94\times 100\times\ехр[–(0,45+0,1\times 0,12)\times 5] \approx 9,33$ ; . Спектральные интенсивности света на выходе существенно изменились, однако их соотношение осталось тем же самым.

Вариант 7. Используя формулу, выведенную в варианте 3, и подставляя в неё данные задачи с учетом того, что T_1 = T_2 = T_0 , находим $c=\ln[25\times 250/(2\times 100)]/[5/(5-0,1)]\approx 0,14 \text{ моль/л}$ .

Вариант 8. Используя формулу, выведенную в варианте 3, и подставляя в неё данные задачи с учетом того, что T_1 = T_2 = T_0 , находим $c=\ln[27\times 250/(7,5\times 100)]/[5(5-0,1)] \approx 0,0897 \text{ моль/л} = 89,7 \text{ ммоль/л}$ .

Упражнение 19.2. При облучении человеческого тела световым зондом, входящим перпендикулярно к поверхности кожи, обратно рассеянный свет выходит из тела по всем направлениям в виде диффузно размытого пятна радиусом приблизительно 4-6 мм. Размер пятна зависит от длины волны света и от кровенаполнения облучаемого участка тела. Для красного и ближнего инфракрасного света размер больше, для сине-зеленого, который сильно поглощается гемоглобином – меньше. Если структура тела вокруг точки входа светового зонда одинакова во всех направлениях, то световое поле обратно рассеянного света осесимметрично.

Вариант 1. Распределение интенсивности обратно рассеянного света от расстояния до точки входа светового зонда имеет максимум на некотором небольшом расстоянии, а потом постепенно убывает. Положение максимума зависит от рассеивающих свойств биоткани, от поглощения света в ней, от спектрального состава света. График зависимости имеет примерно следующий вид:

Вариант 2. Распределение интенсивности обратно рассеянного света по углам с нормалью к поверхности кожи при малых и средних расстояниях до точки входа светового зонда является асимметричным. Интенсивность в направлении от точки входа светового зонда выше. Далеко от точки входа светового зонда распределение по углам с нормалью становится равномерным. Индикатрисы рассеяния имеют примерно следующий вид:

слева – вблизи от светового зонда, в центре – поодаль, справа – далеко от светового зонда.

Вариант 3. Распределение интенсивности обратно рассеянного света по азимуту вблизи точки входа светового зонда является неравномерным. Интенсивность света, выходящего из тела в направлении от точки входа зонда, – наибольшая, а выходящего в обратном направлении, – наименьшая. На больших расстояниях от точки входа распределение приближается к равномерному. Индикатрисы рассеяния имеют примерно следующий вид:

Слева – вблизи, справа – вдали от светового зонда.

Вариант 4. Условия, при которых возможны спектрофотометрические исследования и измерения по схеме "на отражение", таковы:

Зондирующий световой пучок должен входить в исследуемый участок тела в виде остро направленного светового "зонда".
Направление светового зонда должно быть фиксировано конструкцией сенсора.
Для измерения спектральных интенсивностей следует выделять пучок обратно рассеянного света, выходящий на определенном расстоянии от точки входа светового зонда и в строго определенном направлении.
Точка отбора измеряемого пучка обратно рассеянного света должна находиться на средних расстояниях от точки зондирования (1-5 мм), когда обратно рассеянный свет не стал еще "диффузным" (равномерно распределенным по всем направлениям).

Вариант 5. Надежный оптический контакт между телом и оптическими волокнами, из которых вводится световой зонд и отбирается для анализа нужная часть обратно рассеянного света, можно обеспечить, размещая между оптической головкой и телом тонкий слой иммерсионной жидкости с показателем преломления, близким к эффективному показателю преломления кожи. Если эта жидкость еще и поверхностно активна, то она заполняет все поры, имеющиеся в коже, и тем самым заметно уменьшает чисто поверхностное рассеяние света, увеличивая глубину его проникновения в тело. Такой иммерсионной жидкостью в простейшем случае могут быть обычная вода, физиологический раствор, глицерин или глицерол (смесь глицерина с крахмалом).

Упражнение 19.3.

Вариант 1. Подставляя найденные константы прибора в формулу (19.9), получаем расчетную формулу: $c_{Hb}=1,77\ln(I_O/I_{\textit{И}})-1,13$ . Подставляя в неё указанные значения I_O и $I_{\textit{И}}$ , находим концентрацию гемоглобина $c_{Hb}=1,77\ln(12000/325)-1,13 = 5,26 \text{ г/л}$ .

Вариант 2. Подставляя в расчетную формулу, найденную в варианте 1, указанные значения I_O и $I_{\textit{И}}$ , находим концентрацию гемоглобина $c_{Hb}=1,77\ln(2000/950)-1,13 = 0,19 \text{ г/л}$ = 0,19 г/л.

Вариант 3. Подставляя в расчетную формулу, выведенную в варианте 1, требуемое отношение $(I_O/I_{\textit{И}})$ , находим: $c_{Hb}=1,77\ln 30-1,13 = 4,89 \text{ г/л}$ .

Вариант 4. Подставляя в расчетную формулу, выведенную в варианте 1, требуемое отношение $(I_O/I_{\textit{И}})$ , находим: $c_{Hb}=1,77\ln 4-1,13 = 1,32 \text{ г/л}$ .

Вариант 5. Подставляя в расчетную формулу, найденную в варианте 1, указанные значения I_O и $I_{\textit{И}}$ , находим концентрацию гемоглобина в ткани $c_{Hb}=1,77\ln(9600/250)-1,13 = 5,33 \text{ г/л}$ . Теперь по формуле (19.12) находим кровенаполнение участка тела: $\varphi =5,33/145 \approx 0,037 = 3,7$ %.

Вариант 6. Подставляя в расчетную формулу, найденную в варианте 1, указанные значения I_O и $I_{\textit{И}}$ , находим концентрацию гемоглобина в ткани $c_{Hb}=1,77\ln(3500/1250)-1,13 = 0,49 \text{ г/л}$ . Теперь по формуле (19.12) находим кровенаполнение участка тела: $\varphi = 0,49/150 \approx 0,0033 = 0,33%$ .

Вариант 7. Используя формулу (19.12), находим концентрацию гемоглобина в ткани: $c_{Hb,T} = 125\times 0,015 = 1,875 \text{ г/л}$ . Из расчетной формулы, найденной в варианте 1, получаем $\ln(I_O/I_{\textit{И}}) = (c_{Hb}+1,13)/1,77 = (1,875+1,13)/1,77 = 1,698$ . Отсюда $(I_O/I_{\textit{И}}) = 5,46$ и $I_O = 5,46\times 750 = 4096 \text{ отн. ед}$ .

Вариант 8. Используя формулу (19.12), находим концентрацию гемоглобина в ткани: $c_{Hb,T} = 110\times 0,012 = 1,32 \text{ г/л}$ . Из расчетной формулы, найденной в варианте 1, получаем $ln(I_O/I_{\textit{И}})=(c_{Hb}+1,13)/1,77 = (1,32+1,13)/1,77 = 1,384$ . Отсюда $(I_O/I_{\textit{И}}) = 3,99$ и $I_{\textit{И}} = 1500/3,99 = 376 отн. ед$ .

Упражнение 19.4.

Вариант 1. Динамические кривые изменения кровенаполнения имеют вид:

Из представленных рядов данных находим $\Delta\varphi = \varphi_H - \varphi_O = 3,57 – 2,40 = 1,37%$ . По формуле (19.13) находим удельный комплианс микрососудов пальца: $C=(\varphi_H - \varphi_0)/P_M = 0,0137/50 = 0,0274 %/\text{мм рт. ст.} = 274 ppm/\text{мм рт.ст}$ . ( $1 ppm = 10^{–6}$ – одна миллионная часть). Наибольшая скорость нарастания кровенаполнения составляет $\varphi'_2 = (2,78 – 2,59)/0,5 = 0,38 %/с$ , а наибольшая скорость спада $\varphi_3 = (3,57 – 3,12)/0,5 = 0,9 %/с$ . По формулам (19.14) и (19.15) находим: $R_{\textit{П}=P_M/\varphi'_2} = 50/0,38 = 132 \text{ мм рт. ст.}\times с/%$ – сопротивление микрососудов притоку крови и $R_O=P_M/varphi'_3 = 50/0,9 = 56 \text{ мм рт. ст.}\times с/%$ – сопротивление микрососудов оттоку крови.

Вариант 2. Динамические кривые изменения кровенаполнения имеют вид:

Из представленных рядов данных находим $\Delta\varphi = \varphi_H-\varphi_O = 3,42 – 1,61 = 1,81%$ . По формуле (19.13) находим удельный комплианс микрососудов пальца: $C=(\varphi_H-\varphi_0)/P_M = 1,81/4000 = 0,0005 %/\text{Па} = 5 ppm/\text{Па}$ ( $1 ppm = 10^{–6}$ – одна миллионная часть). Наибольшая скорость нарастания кровенаполнения составляет $\varphi'_2 = (1,90 – 1,61)/0,4 = 0,725 %/с$ , а наибольшая скорость спада $\varphi'_3 = (3,42 – 2,95)/0,4 = 1,175 %/с$ . По формулам (19.14) и (19.15) находим: $R_{\textit{П}=P_M/\varphi'_2} = 4/0,725 = 5,52 \text{ кПа}\times с/%$ – сопротивление микрососудов притоку крови и $R_O=P_M/\varphi'_3 = 4/1,175 = 3,4 \text{ кПа}\times с/%$ – сопротивление микрососудов оттоку крови.

Дальше >>

Авторизоваться

Интеллектуальные сенсоры

Спектрофотометрия в обратно рассеянном свете. Гемоглобиномеры и сенсоры кровенаполнения

Ответы

Ответы на вопросы

Ответы к упражнениям

Вопросы и ответы