Лазерная нефелометрия - лазерная диагностика в биологии и медицине
Видео: УЗИ в СПб в центре "Лазерный Доктор"
Глава 2
ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ
УПРУГОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА
В данной главе основное внимание уделено методам диагностики параметров биологических частиц и тканей с помощью исследования угловых и поляризационных характеристик упруго рассеянного излучения. Причем если исследование угловой зависимости интенсивности рассеянного света (так называемая нефелометрия) имеет длительную историю и широко применяется в самых различных областях медицины и биологии [П. 20, 1], то анализ поляризационных эффектов при рассеянии света используется значительно реже, хотя именно он позволяет получить значительно больше информации о рассеивающем объекте. Поэтому в данной главе подробно рассмотрены вопросы лазерной поляризационной нефелометрии, методы автоматизированного измерения индикатрис элементов матрицы рассеяния света и открывающиеся при этом диагностические возможности. Рассмотрение проведено в основном на примере тканей глаза, в то же время оно позволяет охватить различные аспекты, касающиеся большинства других слабопоглощающих биологических объектов. Обсуждены также прикладные вопросы использования упругого рассеяния при анализе концентраций рассеивающих частиц и иммунологических реакций.
2.1 Лазерная нефелометрия
Видео: Лечение заболеваний ЛОР-органов хирургическим лазером
Рассеяние, наряду с поглощением, является основным процессом, определяющим распространение света в газообразных, жидких и твердых телах, в том числе и в биологических объектах. Методы упругого рассеяния обычно используют для исследования бактерий, форменных элементов крови, тканей глаза и т. д. Эти биообъекты характеризуются разнообразием форм (сферы, цилиндры, диски, эллипсоиды и пр.) и размеров (0,1—100 мкм). В видимой области спектра чаще всего исследуемые частицы, взвешенные в базовом веществе, имеют малое значение как действительной части относительного показателя преломления т (1,02—1,2), так и мнимой части и (10-6—10-2), n—m--i% 11, 2].
Решение задачи о рассеянии света с учетом формы, микроструктуры, полидисперсности, спектральной зависимости показателей поглощения отдельной частицы дает теория Ми, однако это решение достаточно громоздко [3]. В простейшем случае дифракции плоской электромагнитной волны на однородной сферической частице радиуса а решение Ми для интенсивности светорассеяния под уголом 0 определяется выражением
(2.1)
где /0 — интенсивность света, падающего на объект, р= = (2па/Х), R — расстояние от точки наблюдения до частицы, ii и г2 — коэффициенты Ми, содержащие функции Бесселя и полиномы Лежандра, их явный вид приведен в [3]. Поэтому обычно при анализе рассеяния света на «мягких» частицах, т. е. на частицах с т&1, удовлетворяющих условию р<<51, используют приближение Рэлея — Ганса, а при р> 500 — формулы геометрической оптики [4]. В промежуточных случаях обычно используют приближение Хюлста [3], при котором фактор эффективности рассеяния Q, т. е. коэффициент рассеяния, отнесенный к геометрическому поперечному сечению рассеивающей частицы, определяется по формуле
(2.2)
где %=2р (т—1).
Итак процесс рассеяния приводит к изменениям в пространственном распределении интенсивности света, поэтому одной из основных характеристик при изучении светорассеяния является индикатриса, определяющая интенсивность света как функцию угла рассеяния. Измерение индикатрисы рассеяния заключается в освещении объекта пучком света и регистрации интенсивности рассеянного веществом света под различными углами. Поэтому основой нефелометра — прибора для измерения интенсивности рассеянного света — является источник света с малой угловой расходимостью и приемник излучения с определенным углом зрения. Благодаря значительной направленности и вы-
сокой интенсивности лазерных пучков лазеры оказываются наиболее подходящими источниками света в этом случае.
В настоящее время разработано довольно много типов нефелометров. При «рутинных» измерениях обычно используют приборы с фиксированным углом, чаще всего выбирают углы, равные 45 или 90°. Для расширения возможностей нефелометра, особенно в научных исследованиях с малоизученными объектами, используют, как правило, приборы с переменным углом регистрации рассеянного света [5, 6].
В качестве примера применения упругого рассеяния лазерного излучения в диагностических целях рассмотрим метод измерения деформируемости эритроцитов. Этот метод, получивший название экмацитометрии, используется для диагностики ряда заболеваний [7]. При экмацитометрии лазерный луч пропускают через суспензию эритроцитов, помещенных между вращающимися прозрачными цилиндрами, и наблюдают на экране дифракционную картину, вид которой зависит от формы эритроцитов. При этом недеформированные эритроциты дают картину рассеяния в виде концентрических окружностей, деформированные — в виде эллипсов. Если в образцах содержится достаточное количество недеформированных эритроцитов, то наблюдается наложение этих картин, и для оценки концентрации используется так называемый индекс недеформированных эритроцитов, представляющий собой отношение числа деформированных (N) к числу недеформированных (А^0) эритроцитов:
In = N/N0 = 1/(I0-I), (2.3)
где /о, I — интенсивности рассеянного излучения на краю круговой дифракционной картины от покоящихся эритроцитов и при действии напряжения сдвига соответственно. Измерения индекса недеформированных эритроцитов при анемии плазматических клеток (ПК), наследственном сферозе (НС) показывают увеличение концентрации деформированных эритроцитов по сравнению с нормальными образцами (НО): ПК — /jv = 1,3—2,35- НС — 2,7 и НО — 0,7—1,4 [7].
Большая работа по применению методов светорассеяния для определения геометрических параметров отдельных компонентов крови проведена А. . Хайруллиной с соавторами 18—10]. В результате был разработан ряд физически обоснованных методов исследования крови в условиях, близких к нативному. В частности, сильная зависимость индикатрис рассеяния от размеров эритроцитов, выявленная в диапазонах углов 0,5—35°, позволяет получить функцию их распределения по размерам. В то же время неровности поверхности («городчатость») патологических эритроцитов, с высокой точностью определяются по значительному возрастанию интенсивности рассеяния лазерного излучения в углах, больших 90°.
Лазерная нефелометрия широко применяется в иммунологии, где она используется для количественной оценки реакции антиген — антитело и определения концентрации участвующих в реакции компонентов. В частности, изучено влияние различных факторов (температура, pH среды, концентрация и др.) на скорость протекания реакции и образования комплексов антиген — антитело [11, 12]. Проведенное сравнение метода обнаружения реакции антиген — антитело (система глобулин человека — кроличья сыворотка против глобулина человека) показало выигрыш в чувствительности не менее 10 раз по сравнению с традиционными методиками при наличии феномена, отсутствие последнего позволило получить выигрыш во времени до 24 часов [13, 14]. Метод лазерной нефелометрии белков крови и мочи является также более чувствительным методом (в 4—8 раз), чем традиционные методы [15].
Следует отметить, что использование в нефелометрах лазеров позволило упростить оптические устройства, уменьшить необходимое количество исследуемого образца, повысить чувствительность.
В настоящее время лазерная нефелометрия является одним из наиболее распространенных методов оптического исследования биологических объектов. Для определения размеров частиц в диапазоне 0,02—0,2 мкм используются метод асимметрии индикатрис, который заключается в регистрации отклонения индикатрисы рассеяния от рэлеевской при увеличении размера частицы- метод полной индикатрисы применяется для измерения размеров частиц в диапазоне 0,1—10 мкм, а метод исследования рассеяния света на малые углы — для измерения размеров и распределения частиц по размерам в интервале 1—300 мкм [16]. Некоторые из лазерных нефелометров, основанные на этих методах, будут описаны ниже.
