Система на основе диодных лазеров для скрининговой ...

dls.gpi.ru
  • No tags were found...

Система на основе диодных лазеров для скрининговой ...

Система на основе диодных лазеровдля скрининговой медицинскойдиагностики и ее испытанияБерезин А.Г., Вязов И.Е., Заславский В.Я.,Надеждинский А.И., Понуровский Я.Я., Попов И.П.,Ставровский Д.Б., Шаповалов Ю.П., Чернин С.М.Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН, Отдел ДЛСКарабиненко А.А., Татаринов А.А.Российский государственный медицинский университет имН.И.Пирогова, кафедра Госпитальной терапии №2 лечебногофакультета


Скрининг в медицинеСкрининговоеобследование в медицинеэтомассовоеобследованиенаселениядлявыявления больных или лиц с высоким рискомтого или иного заболевания. [1].1. Eddy D.M. How to think about screening. In: Eddy D., ed. CommonScreening Tests. Philadelphia: American Coll Physicians; 1991:1—21.Типичные примеры:1. Флюорография2. Измерение артериального давления3. Измерение температуры


Немного историиИдея применить ДЛС для контроля физиологическихпроцессов в человеческом организме имеет достаточнодавнюю историю. Первые шаги были сделаны почти 20 летназад [ 2-4]:2. A.I.Kuznetzov, K.L.Moskalenko, A.I.Nadezhdinskii and E.V.Stepanov, SensorBased on Tunable Diode Lasers and Mid-IR-Fiber Optic and Their DiagnosticApplications in Medicine and Enviromental Protection, Journal de Physique IV,1, C7-253 (1991)3. K.L.Moskalenko, N.Ya.Sobolev, I.A.Adamovskay, E.V.Stepanov,A.I.Nadezhdinskii, Susan McKenna-Lawlor, Tunable diode lasers application forfully automated absolute measurements of CO and CO2 concentrations inhuman breath, Proc.SPIE, 2205, 440-447 (1994)4. K.L.Moskalenko, A.I.Nadezhdinskii, E.V.Stepanov, Tunable diode laserspectroscopy application for ammonia and methane content measurements inhuman breath, Proc.SPIE, 2205, 448-452 (1994)


Все изучают выдохБолее 400 различных молекул было обнаружено в выдохе человека (см.,например, [5-7]). В этих работах приведен обзор молекул обнаруженных ввыдохе, для которых известна или может быть постулирована связь сконкретными заболеваниями, что может быть использовано длямедицинской диагностики. Это является традиционным подходомприменения ДЛС для медицинской диагностики. В этом направленииработали десятки групп, получивших весьма интересные научныерезультаты.Однако, данный подход остался в физ.-хим.лабораториях и не нашел реальных применений вклиниках.5. Risby, T.H., Trace gas analysis in exhaled human breath for diseasediagnosis, Johns Hopkins Med. Inst., Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO)Baltimore, Maryland, May 22, 2005, paper CTuP1.6. Phillips M. Breath Tests in Medicine, Sci.Amer. July 1992 P.74-79.7. Phillips M., Herrera J., Krishnan S., Zain M., Greenberg J., Cataneo R.N.Variations in Volatile Organic Compounds in the Breath of Normal Humans. J.Chromatograph B. Biomed. Sci. Appl. 1999. V. 729 (1-2) P.75-88


Что нового в данной работе ?► Предложено регистрировать газообразныеметаболиты, выделяющиеся через кожу.► В качестве потенциальных маркеровзаболеваний рассматриваются выделяющиесячерез кожу аммиак и вода.► Предложено нормировать поток аммиака напоток водяного пара.► Обнаружено, что нормированный потокаммиака через кожу ладоней в десятки разпревосходит нормированный поток аммиакачерез легкие.


Что известно в медицине про NH 3Для концентрация NH 3 в выдохесуществует «норма», отклонения откоторой наблюдаются при:► Острой и хронической лучевой болезни► Некоторых заболеваниях легких (в частности, раклегких)► При почечной недостаточности (нефриты, сахарныйдиабет, гипертоническая болезнь, атеросклерозпочечных артерий, токсикоз и нефропатия беременных,токсические поражения).► Недостаточности печени при желтухах, гепатитах,циррозе печени, токсическом гепатите


С чего все началось?Эксперимент по детектированию аммиака, выделяющегосяпри распаде взрывчатых веществ


Первый прототипВнешний вид первого прототипа экспериментальной установки,предназначенной для измерения потока аммиака с ладони.Продольная прокачка атмосферного воздуха через многоходовую кювету спомощью вентилятора. В поток подмешивается аммиак с ладонииспытуемого.


Предел обнаруженияNEC, ppb101Концентрация NH 3 эквивалентнаяшуму - NEC (Noise EquivalentConcentration) для разработаннойустановки скрининговойдиагностики как функция времениусреднения.0.10.01 0.1 1 10 100В данном случае NECопределяется фундаментальнымпределом ДЛС, обусловленнымквантовыми шумами ДЛ.t, secХарактерное время для скрининговой диагностикинаходится на уровне 1 сек, что соответствуетминимально обнаружимой концентрации на уровне 1ppb.


Пример регистрации NH 3Расстояние между точками пооси абсцисс ~ 1 с.Потоки аммиака с ладоней двухздоровых добровольцевпримерно одинаковы.Предел обнаружения ~1 ppbКогда обследовали добровольцев с очень сухими ихолодными руками возникла необходимость поменятьконструкцию и алгоритм.


Блок схемаDigitalNI DAQDL 1392 nmElectronicsElectronicsDL 1502 nmFiber splitterAnalytical channelH 2 OAnalytical channelNH 3Reference channelNH 3Стрелки: синяя –канал цифровых сигналов, красные – каналы аналоговыхсигналов, черные – оптические волокна.


Спектральные диапазоныАналитический спектральный диапазон для NH 3 был выбран с помощьюразработанной Понуровским программы моделирования спектров молекул“Line-by-Line”. Требования: интенсивная линия NH 3 и минимальноевлияние воды.Absorbance0.50.40.30.20.10.0Спектры поглощениявыбранном спектральномдиапазоне, измеренные спомощью ДЛ в кювете длинойL = 2 м; черный – 2.13 мБарчистого NH 3 ; красный - 2.13мБар NH 3 в 1 Бар сухоговоздуха; синий –атмосферный воздух свлажностью 50 %.v, cm -16611 6612 6613 6614Для измерения концентрации водяного пара использоваласьлиния воды вблизи 1.392 .


Алгоритмы и программыПрограммное обеспечение выполнено в среде LabView 8.6. Для каждогоканала был создан отдельный исполняемый exe - файл, что позволялонезависимо и одновременно вести измерения двух молекул с помощьюодного компьютера.NH 3H 2 OИспользуется режим модуляции.Белый и красный – аналитический иреперный каналы, соответственно.Проводится оптимальная фильтрациясигналов и измерение содержания ваналитическом канале относительнореперного, который калибруется.В данном случае используетсяпрямое измерение поглощения вцентре линии с учетом данныхHITRAN.


Экспериментальная система дляскрининговой диагностикиВнешний вид системыМомент «наложения рук»


Оптическая кювета изнутриH2ONH3Оптическая длина кюветы при измерении содержания аммиака составляетL NH3 = 39 м (матричная схема Чернина).Оптическая длина кюветы при измерении содержания водяного парасоставляет L H2O =15 см.


Видны ли закономерности?80dPNH3/dt, nBar/sec7060504030201000 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6dP H2O /dt, mBar/secЗависимость потока молекуламмиака как функция потокамолекул воды с ладонейгруппы добровольцев.Наблюдается море точек.Первое впечатление –отсутствие какой либокорреляции.Возникает также вопрос: чтоесть «норма» и существует ли«норма»?


Похоже, что «норма» существует!Более внимательныйанализ показывает, чтоимеющиеся данныераспадаются на тригруппы:“Чистые руки” – краснаяпрямая“Грязные руки” – синяяпрямая“Выбросы”.Просматриваютсязакономерности, которыееще предстоит понять.Необходимо увеличитьвыборку.dPNH3/dt, nBar/sec807060504030201000 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6dP H2O /dt, mBar/sec


Аммиак в выдохе и с ладониОтносительная концентрацияаммиака в выдохе. Результатыизмерений, проведенных с помощьюдиодного лазерного спектрометрасреднего ИК диапазона :K.L.Moskalenko, A.I.Nadezhdinskii,E.V.Stepanov, Tunable diode laserspectroscopy application for ammoniaand methane content measurements inhuman breath, Proc.SPIE, 2205, 448-452(1994)В данной работе также была измерена концентрация аммиака в выдохе.Полученные результаты согласуются с приведенными на рисунке. Оценкаотношения потока аммиака к потоку воды в выдыхаемом воздухе даетвеличину 1.7 10 -6 , что примерно в 40 раз меньше, чем величина,зарегистрированная у того же добровольца для потока с ладони.


Клиническая апробация метода иприбораВ настоящее время совместно с РГМУ им. Н.И.Пирогова в Городскойклинической больнице №12 проводятся клинико-физиологическиеисследования разработанного прибора с целью определения границ«нормы» и нахождения корреляций между отклонениями от«нормы» и наличием тех или иных заболеваний.


Итоги•Предложен метод скрининговой медицинскойдиагностики, основанный на измерении потокамолекул с поверхности кожи.•Разработан, изготовлен и испытанэкспериментальный макет прибора дляодновременного измерения потоков водяногопара и аммиака с ладони.•Начаты медико-биологические исследованияпо апробации метода и прибора.


Спасибо за внимание.

More magazines by this user
Similar magazines