Введение
Основные термины, используемые в данном исследовании, – биосреда и слабые оптические сигналы. Биосреда, то есть биологическая среда, подразумевает под собой среду, создаваемую в живом организме и обладающую определёнными физическими и химическими свойствами. Слабые оптические сигналы – предельно малые оптические сигналы, которые фотоприёмные устройства способны зарегистрировать на уровне шумов.
Работа предлагаемого аппаратно-программного комплекса основывается на оптических свойствах исследуемых биосред. В частности, на способности некоторых веществ поворачивать плоскость поляризации при прохождении через них оптического излучения. Среды, обладающие таким свойством, называются оптически активными, а метод измерения концентрации таких веществ в растворах – поляриметрией.
Оптически активная среда, состоящая из смеси активных и неактивных молекул, поворачивает плоскость поляризации пропорционально концентрации оптически активного вещества, на чём основан поляриметрический метод измерения концентрации таких веществ в растворах; коэффициент пропорциональности, связывающий поворот плоскости поляризации с длиной луча и концентрацией вещества, называется удельным вращением данного вещества.
Величина удельного вращения плоскости поляризации зависит от длины волны проходящего света, от природы растворенного вещества, длины волны поляризованного света и температуры.
Данный зависимости характеризуются законом Био (1), который гласит, что угол поворота плоскости поляризации света в растворах активных веществ зависит от длины пройденного пути , от концентрации активного вещества и от удельной оптической активности :
 |
(1) |
Значения удельной оптической активности являются функциями самого вещества. В таблице 1 представлены значения удельной оптической активности для различных веществ в зависимости от растворителя при воздействии жёлтым светом при 20 °С.
Таблица 1 [2, с.357]
Удельные оптические активности веществ
|
Вещество |
Растворитель |
Удельное вращение* |
| Сахароза | Вода | +66,462 |
| Глюкоза | Вода | +52,70 |
| Фруктоза | Вода | -92,40 |
| Ментол | Этиловый спирт | -50,60 |
| Стрихнин | Этиловый спирт | -139,30 |
|
* Знак «+» обозначает правое вращение, знак «-» – левое вращение. |
||
Определение содержания глюкозы
Основной идеей предлагаемого аппаратно-программного комплекса является исследование жидкой однородной биосреды человека с целью выявления повышенного или пониженного содержания глюкозы. Это позволит диагностировать у пациента гипогликемию или гипергликемию и, как следствие последнего, сахарный диабет.
Сахарный диабет – хроническое состояние организма, которое возникает, если поджелудочная железа не может произвести достаточное количество инсулина или если организм не в состоянии эффективно использовать выделяемый им инсулин. По информации Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ), на 2000 год в мире насчитывалось 171 млн. диабетиков, а прогноз на 2030 год составляет 366 млн. человек. По оценкам ВОЗ, только в 2005 году от диабета умерло 1,1 млн. человек, причем половина смертей от диабета приходится на возраст больных до 70 лет. В таблице 2 представлены значения нормальной концентрации глюкозы в крови человека.[4]
Таблица 2 [5]
Нормальные показатели содержания глюкозы в крови человека
| Натощак, ммоль/л | После еды, ммоль/л | Через 2 ч. после еды |
| 3,5 – 5,0 | 3,5 – 8,0 | Возвращается к нормальным значениям в крови натощак |
Очевидно, что контроль концентрации глюкозы в организме человека является первоочередной задачей, направленной на предупреждение осложнений, связанных с последствиями сахарного диабета.
В настоящей работе в качестве жидкой биосреды организма решено было использовать слёзную жидкость. В таблице 3 для сравнения представлены составы крови и слёзной жидкости человека.
Таблица 3 [1]
Составы плазмы крови и слёзной жидкости человека
| Компонент | Плазма | Слёзная жидкость |
|
Электролиты, мМ |
||
| Na+ | 137,5 | 135,0 |
| K+ | 4,3 | 36,0 |
| Cl— | 108,5 | 131,0 |
| HCO3— | 27,0 | 27,0 |
| Ca2+ | 2,3 | 0,5 |
| Mg2+ | 0,2 | 0,36 |
|
Органические вещества, мг/мл |
||
| Глюкоза | 0,8 | 0,05 |
Из сравнения составов плазмы крови и слёзной жидкости можно сделать вывод, что использование слёз в данном исследовании является возможным.
Забор слёзной жидкости у пациентов также не представляет собой существенной проблемы. Для забора слезной жидкости может быть использован пипеточный дозатор. Слезную жидкость собирают в стерильные пробирки. С помощью пластиковой насадки, которая имеет округлый край и закрепляется на пипеточном дозаторе, из нижнего конъюнктивального мешка собирают слезную жидкость. Предварительную эпибульбарную анестезию конъюнктивы и глазного яблока не проводят. Не рекомендуется использовать какие-либо химические вещества, стимулирующие слезоотделение. Пациентов просят смотреть вверх во время всей процедуры. Слезная жидкость собирается в течение 7–15 мин. из нижнего конъюнктивального мешка обоих глаз, достаточно около 1 мл слезной жидкости. С учётом объёма собранной жидкости также можно рассчитать примерную длину заполнения трубки.
Разработка структурной схемы аппаратно-программного комплекса
С целью определения минимального сигнала, который возможно получить в лабораторных условиях, был проведён ряд экспериментов. В экспериментах использовалось следующее оборудование:
- в качестве излучателя гелий-неоновый лазер с мощностью 30 мВт;
- поляризационный фильтр;
- фотоприёмное устройство;
- в качестве усилителя и измерителя сигнала – селективный микровольтметр В6-9;
Изначально предполагалось использование стеклянной капиллярной трубки. Но при непосредственном проведении эксперимента оказалось, что это влечёт за собой трудности: при прохождении лазерного луча через заполненную трубку невозможно было получить явный сигнал. По всей видимости, вследствие близости коэффициентов преломления стекла и воды сигнал претерпевал рассеяние. Таким образом, было решено заменить стеклянную трубку металлической.
В таблице 4 представлены результаты эксперимента в трёх направлениях: при просвечивании лазером пустого «капилляра», «капилляра», заполненного водой и «капилляра», заполненного раствором глюкозы с концентрацией 0,05 мг/мл.
Таблица 4
Результаты эксперимента
| Условия эксперимента | Сигнал, мкВ |
| Незаполненный «капилляр» | 600 |
| «Капилляр» с дистиллированной водой | 4 |
| «Капилляр» с раствором глюкозы | 0,3 |
Полученные результаты доказывают, что при просвечивании оптически активного вещества, в данном случае раствора глюкозы, уровень сигнала падает. Это свидетельствует о повороте плоскости поляризации. Как видно из данных, представленных в таблице, сигнал, получаемый при просвечивании капиллярной трубки с раствором глюкозы, является очень маленьким. Это означает, что для достижения максимальной точности полученных результатов необходимо принимать различные меры по повышению точности аппаратной части прибора: применять модуляцию излучения, применять усилительные устройства, а также более мощный излучатель.
На рис. 3 представлена структурная схема аппаратно-программного комплекса. В качестве пробы предлагается использование тонкостенной трубки длиной до 10 см с диаметром отверстия до 1 мм (такие размеры обусловлены небольшими объёмами слёзной жидкости, которые возможно забрать у пациента). Трубка должна быть изготовлена из материала, коэффициент преломления которого значительно отличается от коэффициента преломления жидкой среды (его можно принять равным коэффициенту преломления воды), чтобы избежать избыточного рассеяния.
 |
|
Рис. 1. Структурная схема аппаратно-программного комплекса |
Измерения проводятся в два этапа и по двум оптическим каналам. Эти каналы отличаются друг от друга тем, что в первом канале после пробы располагается поляризационный фильтр, а во втором канале – нет. На первом этапе производится калибровка, то есть в оба оптических канала вводится проба, не содержащая оптически активного вещества.
На втором этапе в те же оптические каналы вводится рабочая проба, то есть содержащая оптически активное вещество – глюкозу.
Формулы, используемые при расчётах, были получены при исследовании работы немедицинских поляриметров. [3]
Коэффициент пропускания первого канала вычисляется по формуле (2):
Значения фототоков могут быть выражены с помощью значений сигналов, снимаемых с фотоприёмного устройства. Эти сигналы являются очень малыми из-за резкого снижения интенсивности излучения при прохождении через отверстие трубки диаметром до 1 мм. Предварительно был получен калибровочный сигнал величиной 0,2 мкВ, который делает возможным определение малых концентраций оптически активных веществ в исследуемых растворах.
Выводы
В результате проведённой работы были сформулированы основные идеи по реализации и применению аппаратно-программного комплекса для регистрации слабых оптических сигналов при зондировании прозрачных биосред. Также были выявлены требования, которым должна удовлетворять установка и отдельные её составляющие.
Была установлена возможность использования слёзной жидкости в данном исследовании. Слеза является наиболее прозрачной из всех жидкостей человеческого организма, при этом содержит в себе те же элементы, что и плазма крови.
Достоинством данного аппаратно-программного комплекса является также то, что используется капилляр, а не кювета, в которой содержался бы большой объём жидкости, а также прохождению излучения мешали бы стенки кюветы.
Возможность использования слёзной жидкости для определения уровня глюкозы в организме человека позволит подходить к вопросу о лечении сахарного диабета не только с качественной (определение повышенного или пониженного уровня глюкозы), но и с количественной (на сколько конкретно единиц полученное значение концентрации отличается от нормы) точки зрения. Также использование слёзной жидкости сделает процесс определения концентрации глюкозы неинвазивным. Кроме того, с помощью этого комплекса является возможным измерение динамики глюкозы в организме, что играет одну из важнейших ролей в диагностике онкологических заболеваний. Предполагается использование аппаратно-программного комплекса как в лабораторных, так и в клинических условиях.
Список литературы
- Биология и медицина [Электронный ресурс]: Таблица bss 15.1 Состав слезной жидкости. URL: https://medbiol.ru/medbiol/ssb/00136a79.htm (дата обращения: 27.03.2015)
- Пискарева С.К., Барашков К. М., Ольшанова К. М. Аналитическая химия: Учеб. для сред. спец. учеб. заведений. 2-е изд., перераб. доп. -М.: Высш. шк., 1994.
- Патентный поиск, поиск патенов на изобретения — FindPatent.RU 2012-2015 [Электронный ресурс]: Способ измерения концентрации сахара и сахариметр для его реализации. URL: (дата обращения: 27.03.2015)
- Global status report on noncommunicable diseases 2014. Geneva, World Health Organization, 2012
- ru Информационный медицинский портал [Электронный ресурс]: Нормальный уровень сахара в крови у мужчин, женщин, детей и беременных. URL: (дата обращения: 27.03.2015)[schema type=»book» name=»АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СЛАБЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ПРИ ЗОНДИРОВАНИИ ПРОЗРАЧНЫХ БИОСРЕД» author=»Пронина Валерия Сергеевна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-25″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.03.2015_03(12)» ebook=»yes» ]