Лазерная диагностика жидких биологических сред

Среди широкого круга медико-биологических исследований, основанных на использовании лазерного излучения, наибольший интерес, с нашей точки зрения, представляет разработка эффективных методов неразрушающей лазерной диагностики состояния биологических объектов. Физические основы взаимодействия лазерного излучения с биотканями и области практического применения лазеров в биологии и медицине достаточно полно обобщены в работе [1]. В нашей предыдущей работе [2] с помощью методики регистрации обратно рассеянного низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) выявлены общие закономерности и характерные особенности процесса обратного рассеяния НИЛИ плотными биотканями с различной оптической плотностью. В развитие данных исследований в настоящей работе нами осуществлена модернизация экспериментальной установки в направлении ее практической адаптации и в сопоставлении с ранее полученными результатами изучены особенности обратного рассеяния НИЛИ жидкой биологической средой с искусственно вводимыми в нее и естественно формирующимися в ней центрами рассеяния.

Методика эксперимента

Компактная мобильная установка для лазерной диагностики состояния биологических объектов разработана на базе полупроводникового лазера с длиной волны излучения 0,63... 0,68 мкм и оптоволоконной системы транспортировки лазерного излучения. Деталировка узлов установки и ее вид в сборке показаны на рис.1 и 2. В состав установки входят блок ввода лазерного излучения через объек тив в оптоволокно; оптическая головка со стационарно закрепленными в ней семью оптоволокнами, одно из которых является подающим, а шесть других - диагностирующими обратно рассеянное биологическим объектом лазерное излучение; револьверный блок поочередной регистрации фотодиодом интенсивности рассеянного лазерного излучения, транспортированного каждым из шести диагностирующих оптоволокон; вольтметр с блоком предварительного усиления сигнала фотодиода.

В предыдущей нашей работе [2] было показано, что характер распределения интенсивности обратно рассеянного НИЛИ плотными биотканями подчиняется экспоненциальному закону

U ( r ) = U o exp( - kr ) , (1)

где U ₀ = U ( r = 0) , k - коэффициент со-

Puc. 1. Деталировка узлов экспериментальной установки для лазерной диагностики состояния биологических объектов

Рис. 2. Внешний вид экспериментальной установки для лазерной диагностики состояния биологических объектов

1 - полупроводниковый лазер, 2 - блок ввода лазерного излучения в оптоволокно, 3 - оптическая головка, 4 -револьверный блок регистрации обратно рассеянного лазерного излучения, 5 - блок предварительного усиления сигнала фотодиода, 6 - вольтметр

средоточенности, обратная величина — ко торого соответствует расстоянию г, на котором интенсивность U0 спадает в е раз. Из анализа результатов данной работы следует, что выражение (1) справедливо и в отношении жидких биологических сред. Это легло в основу конструктивных особенностей оптической головки и системы регистрации обратно рассеянного НИЛИ с математической обработкой регистрируемых сигналов.

Схема расположения оптоволокон в оптической головке показана на рис.3. Из семи стационарно закрепленных оптоволокон шесть (одно - подающее, пять - диагностирующих лазерное излучение) расположены в один ряд, а седьмое - отдельно, рядом с подающим оптоволокном, под прямым углом к шести остальным. Пять оптоволокон ряда предназначены для регистрации обратно рассеянного НИЛИ в продольном направлении, а отдельно расположенное оптоволокно - для его регистрации в поперечном направлении с целью выявления анизотропии рассеяния. Диаметр каждого оптоволокна и расстояние между осями соседних оптоволокон равны 1 мм.

Регистрация обратно рассеянного НИЛИ осуществляется фотодиодом поочередно с каждого диагностирующего оптоволокна. При этом каждое из диагностирующих оптоволокон транспортирует к фотодиоду лазерное излучение, рассеянное под заданным углом, определяемым диаметром оптоволокон и расстоянием между их осями, с одной сто роны, и расстоянием между торцами оптоволокон и поверхностью диагностируемого объекта, - с другой (рис.3).

Математическая обработка регистрируемых сигналов основывалась на решении системы уравнений

U 1 = U о exp( - k ),

U 2 = U о exp( - 2 k ), U з = U о exp( - 3 k ), >  U 4 = U о exp( - 4 k ), U 5 = U 0 exp( - 5 k )

для пяти значений U . (r) (i = 1,2, 3,4, 5) выражения (1) при г = 1, 2, 3, 4, 5 мм в соответствии с расстояниями между осями подающего оптоволокна и каждого из пяти последовательно расположенных в один ряд диагностирующих оптоволокон. Основные параметры рассеяния U₀ и k определялись пошаговым преобразованием системы (2). Для k:

^exp( k ) = U 2

U 2    U 3    U 4

U 3

U 4   U 5

U

U

4exp( k ) = ^U + U - +   + U 4 = A

U 2 U 3 U 4 U 5

A exp(k) = ~, k = lnf A

,

I ⁴ J .

Рис.3. Схемы расположения оптоволокон в оптической головке (а) и регистрации обратно рассеянного биологическим объектом лазерного излучения (б)

0 - оптоволокно, подающее лазерное излучение к поверхности биологического объекта;

1, 2, 3, 4, 5, 6 - оптоволокна, диагностирующие обратно рассеянное лазерное излучение в продольном (1, 2, 3, 4, 5) и поперечном (6) направлениях и затем транспортирующие его к фотодиоду

Для U₀:

U 0 = U 1 exp( k ) = U 2 exp(2 k ) = U 3 exp(3 k ) = = U 4 exp(4 k ) = U 5 exp(5 k )

, (7)

A\ A\ A\ 5U = U I - I + U I - I + U I - I + 0       ¹ 1 4 I ² 1 4 I ³ 1 4 I

U 0

B

J '

При изучении особенностей процесса обратного рассеяния лазерного излучения жидкой биологической средой с сопоставлением результатов с ранее полученными данными для плотных биотканей [2] в качестве модельной среды использовалось молоко. Искусственно вводимыми инородными центрами рассеяния служили синие чернила и черная тушь. Формирование естественных центров рассеяния как результат протекания процесса зарождения и развития новой культуры в исходной среде моделировалось введением в молоко кефира, с одной стороны, и скисанием молока, - с другой.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Как и для плотных биотканей распределение интенсивности обратно рассеянного НИЛИ жидкой биологической средой подчиняется экспоненциальному закону (1). Вследствие этого основными параметрами процесса рассеяния, характеризующими состояние биологического объекта, являются U₀ и k. В работе [2] нами было установлено, что для плотных биотканей параметры U 0 и k взаимосвязаны однозначным образом. Увеличение оптической плотности биоткани сопровождается ростом и U ₀, и k , т. е. при регистрации возрастания пиковой интенсивности обратно рассеянного НИЛИ можно с уверенностью говорить об одновременном сужении апертурного угла рассеяния. Тем самым для лазерного диагностирования состояния плотных биотканей вполне достаточным оказывается измерение всего лишь одного параметра, в частности U 0 как наиболее предпочтительного с практической точки зрения.

Для жидких биологических сред картина иная. Это наглядно иллюстрирует рис.4, на котором приведены зависимости U 0 и k от процентного содержания синих чернил и черной

Процентное содержание синих чернил в молоке

Рис. 4. Зависимости параметров рассеяния U₀ и k от процентного содержания синих чернил в молоке

туши в молоке. Характерным является то, что введение в исходный состав молока всего лишь 0,1...0,2 % инородных рассеивающих центров заметно уменьшает U0 и, в отличие от плотных биотканей, увеличивает k.

Анализ коэффициентов отражения и пропускания показывает, что с возрастанием процентного содержания чернил и туши в молоке увеличивается поглощение лазерного излучения в смеси. Следствием этого является уменьшение интенсивности обратно рассеянного НИЛИ, и в частности U0. Возрастание параметра k, характеризующего коэффициент рассеяния, при увеличении концентрации чернил и туши обусловлено ростом числа рассеивающих центров в молоке, проявляющимся как возрастание оптической плотности среды.

Для подтверждения определяющей роли вводимых инородных рассеивающих центров в характере процесса рассеяния были проведены эксперименты с модельной средой, представляющей собой смесь молока с водой. Результаты исследований, которые заметно отличаются от данных рис.4, приведены на рис.5. По характеру поведения зависимостей U0 и k от процентного содержания воды в молоке можно сделать вывод об уменьшении оптической плотности молока по мере разбавления его водой. На результат также оказывает влияние возрастание коэффициента пропускания лазерного излучения смесью.

При изучении процесса зарождения и развития новой родственной культуры в составе исходной среды на примере смеси молока с кефиром и процесса скисания молока получены результаты, представленные на рис.6. Графики зависимостей U₀ и k от процентного содержания кефира в молоке характеризуются начальным спадом кривых, соответствующим

Рис. 5. Зависимости параметров рассеяния U₀ и к от процентного содержания воды в молоке

Рис. 6. Зависимости параметров рассеяния U ₀ и к от процентного содержания кефира в молоке

стадии зарождения новой культуры, сопровождающейся процессом разделения исходной среды на фракции, и их последующим ростом по мере развития зародившейся культуры. На начальное уменьшение U₀ и к оказывает влияние не столько формирование рассеивающих центров, сколько образующаяся водная прослойка между ними, которая способствует возрастанию коэффициента пропускания лазерного излучения, с одной стороны, и уменьшению оптической плотности среды в целом, - с другой. Увеличение U 0 и к отражает преимущественный вклад в процесс рассеяния сформировавшейся новой среды, характеризующейся меньшим коэффициентом пропускания и возрастанием оптической плотности.

Из данных рис.6 следует, что чувствительность использованного нами метода лазерной диагностики процесса зарождения новой родственной культуры в исходной жидкой биологической среде ограничена 3.. .5 %.

Выводы

Таким образом, на базе полупроводникового лазера создана компактная мобильная установка для неразрушающей диагностики состояния биологических объектов. Изучены особенности процесса обратного рассеяния низ- коинтенсивного лазерного излучения жидкой биологической средой при формировании в ней центров рассеяния. На примере молока показано, что методика регистрации и анализа характера распределения интенсивности обратно рассеянного лазерного излучения позволяет надежно диагностировать появление малой доли инородных включений (до 0,1...0,2 %) и развивающейся новой культуры (до 3.. .5 %) в исходном составе жидкой биологической среды. Результаты работы могут быть положены в основу экспресс диагностики начала критических изменений в жидких биологических средах при их микробиологических исследованиях, а также экологического состояния водоемов.