В даний час використання нанотехнологій в медичній діагностиці є перспективним напрямком. Наночастки використовуються в якості контрастних агентів для медичної ультразвукової інтроскопії, оскільки, будучи іммобілізованим певними білками, мають адгезію до хворих клітин і бактеріям. Реєстрація ультразвукового сигналу, що виникає при опроміненні лазером струму крові з введеними наночастинками, дозволяє здійснювати виявлення і підрахунок хворих клітин. Інформативним параметром служить рівень реєстрованого сигналу, який підвищується при наявності агрегатів «нанотрубки-клітина». Дослідження проводяться в центрах колективного користування Південного федеральної університету «Нанотехнології» і «Лазерні технології», оснащеними сучасним унікальним нанотехнологічної і дослідницьким обладнанням.

Анотація наукової статті за медичними технологіями, автор наукової роботи - Орда-Жигуліна Діна Володимирівна, Старченко Ірина Борисівна


LASER DIAGNOSTICS OF A MOVING FLUID IN BIOLOGICAL OBJECTS

Now nanotechnologies are one of perspective methods of diagnostics in medical practice. Nanoparticles can be used as contrast agents for medical ultrasonic introscopy due to their adhesion to tumor cells and bacteria. In the work we propose registration of ultrasound induced by laser radiation of nanotubes in blood flow. Informative parameter is the level of the detected signal, which rises in the presence of aggregates of "nanotube-cell". Investigations are provided in the centers of collective use of Southern Federal University "Nanotechnologies" and "Laser technologies ", equipped with modern unique nanotechnological and research complexes.


Область наук:
  • Медичні технології
  • Рік видавництва діє до: 2012
    Журнал: Известия Південного федерального університету. Технічні науки

    Наукова стаття на тему 'Лазерна діагностика рухомих рідин в Біооб'єкти'

    Текст наукової роботи на тему «Лазерна діагностика рухомих рідин в Біооб'єкти»

    ?Бородянський Юрій Михайлович - e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.; 347935 р Таганрог вул. Олександрівська, 87, кв. 5; тел .: 89185051716; кафедра системного аналізу і телекомунікацій; к.т.н .; доцент.

    Halo Pavel Vladimirovich - Federal State Budget Institution of Higher Education "Taganrog State Pedagogical Institute of a name of Chekhov's»; e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.; 6a, 1st Kotelnaj street, Taganrog, 347905, Russia; phone: +79289657560; the department of physical education; cand. of eng. sc .; associate professor.

    Galalu Valentin Gavrilovic - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education "Southern Federal University"; e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.; GSP 17A, 44, Nekrasovsky, Taganrog, 347935, Russia; phone: +79281496612; the department of automated research systems; cand. of eng. sc .; associate professor.

    Borodyansky Yuri Mikhailovich - e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.; 87, Alexander's street, ap. 5, Taganrog, 347935, Russia; phone: +79185051716; the department of system analysis and telecommunications; cand. of eng. sc .; associate professor.

    УДК 534: 535

    Д.В. Орда-Жигуліна, І.Б. Старченко

    ЛАЗЕРНА ДІАГНОСТИКА рухомої рідини В Біооб'єкти

    В даний час використання нанотехнологій в медичній діагностиці є перспективним напрямком. Наночастки використовуються в якості контрастних агентів для медичної ультразвукової інтроскопії, оскільки, будучи іммобілізованим певними білками, мають адгезію до хворих клітин і бактеріям. Реєстрація ультразвукового сигналу, що виникає при опроміненні лазером струму крові з введеними наночастинками, дозволяє здійснювати виявлення і підрахунок хворих клітин. Інформативним параметром служить рівень реєстрованого сигналу, який підвищується при наявності агрегатів «нанотрубки-клітина». Дослідження проводяться в центрах колективного користування Південного федеральної університету «Нанотехнології» і «Лазерні технології», оснащеними сучасним унікальним нанотехнологічної і дослідницьким обладнанням.

    Оптоакустіческій ефект; нанотрубки; нановолокна; лазер.

    D.V. Orda-Zhigulina, I.B. Starchenko LASER DIAGNOSTICS OF A MOVING FLUID IN BIOLOGICAL OBJECTS

    Now nanotechnologies are one of perspective methods of diagnostics in medical practice. Nanoparticles can be used as contrast agents for medical ultrasonic introscopy due to their adhesion to tumor cells and bacteria. In the work we propose registration of ultrasound induced by laser radiation of nanotubes in blood flow. Informative parameter is the level of the detected signal, which rises in the presence of aggregates of "nanotube-cell". Investigations are provided in the centers of collective use of Southern Federal University "Nanotechnologies" and "Laser technologies", equipped with modern unique nanotechnological and research complexes.

    Optoacoustic effect; nanotubes; nanofibers; laser.

    Суть лазерної діагностики потоків полягає в тому, що досліджуваний потік зондується лазерним пучком, а потім вимірюються параметри або минулого, або розсіяного випромінювання [1]. Так як лазерний пучок характеризується сукупністю параметрів: потужністю, поляризацією, довжиною хвилі, частотою, фазою і напрямком поширення, то зі зміни цих параметрів можна судити про процеси, що відбуваються в досліджуваному потоці.

    Відмінною особливістю лазерного випромінювання є висока просторова й тимчасова когерентність, що дозволяє отримувати спектральну щільність потужності випромінювання, що перевершує на кілька порядків спектральну щільність некогерентних джерел випромінювання. Вузька спрямованість лазерного пучка дозволяє створювати прості оптичні схеми вимірювальних систем, надійних і простих в експлуатації [1]. Завдяки великій потужності лазерного випромінювання можна реєструвати малі розміри частинок, мінімальна тривалість випромінювання - бистропротекающие процеси. Висока монохроматичность лазерного випромінювання дозволяє створювати методи, де інформативним параметром є частота.

    На рис. 1 показана схема діагностики потоків за допомогою лазерного випромінювання. Випромінювання від лазера 1 проходить через оптичну систему формування пучка 2 і направляється в досліджуваний потік 3, укладений в прозорому каналі. Минулий через досліджувану середу лазерний пучок направляється в вимірювальний блок 4, де реєструються його параметри. За зміною параметрів минулого випромінювання в порівнянні з параметрами зондуючого випромінювання визначаються параметри досліджуваного потоку.

    В іншому варіанті аналізуються параметри розсіяного випромінювання за допомогою вимірювального блоку 5 і порівнюються з параметрами зондуючого випромінювання. Це може бути, наприклад, ультразвукове випромінювання, генерує за рахунок теплових ефектів.

    Методи діагностики першого типу є інтегральними, так як зміна параметрів минулого випромінювання обумовлено характеристиками потоку на всьому шляху поширення лазерного пучка. Методи другої групи дозволяють визначати параметри потоку в малій області простору, заданої поперечними розмірами лазерного пучка і глибиною різкості оптичної системи, яка реєструє розсіяне випромінювання.

    Мал. 1. Схема лазерної діагностики мікропотоків [1]: 1 - лазер,

    2 - оптична система, 3 - досліджуваний МІКРОПОТОК, 4 - схема обробки прямого сигналу, 5 - схема обробки розсіяного сигналу, 6 - ПК

    Таким чином, пряма задача лазерної діагностики потоків полягає в тому, щоб при відомих параметрах зондуючого вивчення і відомих оптичних параметрах потоку знайти параметри минулого або рассеянногоізлученія або випромінювання, генерує в середовищі під впливом лазера. Очевидно, що це можливо зробити за умови, що відомі зв'язку між фізичними параметрами потоку (температурою, швидкістю, концентрацією і розміром частинок, щільністю, тиском, солоністю і т.д.) і його оптичними характеристиками (комплексним показником заломлення, градієнтом показника заломлення, матрицею розсіювання і т.д.).

    Переваги лазерних методів діагностики мікропотоків полягають в наступному. Перш за все, лазерні методи є безконтактними, а тому практично не вносять збурень в досліджуваний потік на відміну від зондових

    методів, які в даному випадку взагалі не застосовуються. По-друге, лазерний пучок можна розглядати як багатопараметричний зонд. Тому за допомогою такого зонда можна створювати багатоканальну вимірювальну систему, коли одночасно реєструються багато параметрів потоку. По-третє, лазерні методи діагностики є в загальному випадку польовими методами, тобто з їх допомогою визначаються розподілу параметрів потоку в просторі за короткий проміжок часу.

    Для збільшення чутливості даних методів можна використовувати на-норазмерние об'єкти. У наночастицах, що діють як звукопідсилююче агенти, використовується механізм звукового розсіювання діагностичного ультразвуку, а саме те, що інтенсивність випромінювання звуку пропорційна різниці акустичних імпедансів крові і наночастинки. Різниця в акустичних импе-данс досить високо, і тому весь відбитий звук реєструється ультразвуковим перетворювачем [2].

    У роботах [3, 4] для вирішення діагностичних завдань пропонується використовувати метод проточної цитометрії in vivo, який ґрунтується на принципах фототепловой і фотоакустичної спектроскопії з використанням нанорозмірів-них контрастних агентів. Вуглецеві нанотрубки сильно поглинають лазерне випромінювання [5] і, внаслідок оптоакустіческого ефекту, звук виявляється ультразвуковим перетворювачем. Так як вуглецеві нанотрубки мають сильну адгезію до бактеріальних клітин, а не до власних клітин живого організму, то наявність сигналу на приймальному ультразвуковому перетворювачі говорить про присутність бактерій в кровотоці.

    Цю методику можна називати «in vivo оптоакустіческой цитометрия потоку крові», тому що вона підраховує і класифікує клітини в кровоносних судинах, подібно звичайному цитометрії, заснованої на флуоресцентного вивченні потоку крові, в якій клітини направлено протікають через скляні капіляри.

    Лазери з довжиною хвилі більше 950 нм не мають широкого застосування для in vivo оптоакустіческой візуалізації і оптоакустіческой проточної цитометрії або використовуються на низькій частоті проходження імпульсів [4]. Однак якщо порівнювати лазер ближнього інфрачервоного діапазону, що має високу частоту проходження імпульсів, малу тривалість імпульсу, рівень енергії до 50-100 мкДж і відповідну вартість, вибір лазерів, що працюють в діапазоні, що проходить в біологічні тканини (655-930 нм) обмежений, в порівнянні з вибором добре відомих лазерних систем, які працюють на 1064 нм. Амплітуди оптоакустіческого сигналу від кровоносної судини, одержувані на 1064 нм, ідентичні з отриманими на 850-950 нм. Це говорить про перспективу вибору порівняно дешевого і надійного лазерного джерела, що працює на 1064 нм для подальшого розвитку оптоакустіческой методики проточної цитометрії, отримання зображень і мікроскопії.

    Деякі потенційні, але несуттєві недоліки цього вибору, з точки зору чутливості, пов'язані з обмеженим числом контрастних агентів, що поглинають в цьому спектральному діапазоні, наприклад, меланін, золоті наночастинки, золоті наностержні і деякі інші наночастинки з різними формами і складом. Крім того, поглинання світла для деяких наночастинок на 1024 нм на 20-30% нижче, ніж на 650-900 нм. Беручи до уваги 10-20% зростання фонового сигналу від крові і шкіри [6], очікується загальне зниження чутливості на 50% на 1064 нм у порівнянні з 850 нм. Ця ситуація, однак, може бути поліпшена за рахунок:

    | Більшої стабільності більш ефективних лазерних джерел, що працюють на 1064 нм, які можуть збільшити точність оптоакустіческіх вимірювань;

    | Збільшення частоти проходження імпульсів, що дозволяє збільшити або коефіцієнт сигнал-шум в 10-30 разів, або швидкість оптоакустіческого аналізу або отримання зображення;

    | Збільшення енергії лазера для вимірювань in vivo: безпечний рівень лазерного випромінювання на 1064 нм складає 100 мДж / см2, а у видимому спектральному діапазоні 20 мДж / см2.

    БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

    1. Рінкевічюс Б.С. Лазерна діагностика потоків. - М .: Изд-во МЕІ, 1990. - 287 с.

    2. Boas G. Photoacoustic Imaging Gets Dynamic // Biophotonic International. - 2008. - P. 26-29.

    3. Bianco A., Kostarelos K., Partidos C.D., Prato M. Biomedical applications of functionalised carbon nanotubes // Chem. Commun.- 2005. - Р. 571-577.

    4. Zharov V.P., Galanzha E.I. and Tuchin V.V. Photothermal image flow cytometry in vivo // Opt. Lett. - 2005. - № 30. - Р. 628-630.

    5. Грудзинська І.С., Косаківська З.Я., Овчинников О.Б., Чабан І.А. Оптоакустіческій ефект в щільних шарах орієнтованих вуглецевих нанотрубок: Використання його для вимірювання коефіцієнта поглинання світла і товщини плівок // Акустичний журнал. -2006. - Т. 52, № 3. - С.330-334.

    6. Джупліна Г.Ю., Старченко І.Б. Теоретична модель оптікоакустіческого ефекту в середовищі з нанорозмірними розсіювачами // Известия ПФУ. Технічні науки. - 2009. - № 10 (99). - С.189-192.

    Статтю рекомендував до опублікування д.т.н., професор В.І. Тимошенко.

    Орда-Жигулина Діна Володимирівна - Федеральне державне автономне освітня установа вищої професійної освіти «Південний федеральний університет»; Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.; 347922, м Таганрог, вул. Шевченко, 2; тел .: 88634371795; кафедра електрогідроакустіческой і медичної техніки; аспірант.

    Старченко Ірина Борисівна - e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.; кафедра електрогідроакустіческой і медичної техніки; д.т.н .; професор.

    Orda-Zhigulina Dina Vladimirovna - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education "Southern Federal University"; e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.; 2, Shevchenko street, Taganrog, 347922, Russia; phone: +78634371795; the department of hydroacoustic and medical engineering; postgraduate student.

    Irina Borisovna Starchenko - e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.; the department of hydroacoustic and medical engineering; dr. of eng. sc .; professor.


    Ключові слова: ОПТОАКУСТІЧЕСКІЙ ЕФЕКТ / НАНОТРУБКИ / нановолокна / ЛАЗЕР / OPTOACOUSTIC EFFECT / NANOTUBES / NANOFIBERS / LASER

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити