Интерферометрическая регистрация рассеянного лазерного излучения является одним из наиболее информативных способов исследования статических и динамических характеристик малых объектов, в том числе и биологических in vivo. Современные интерферометрические методы позволяют детектировать наночастицы и нанокластеры. Удается обнаружить и исследовать малые биологические объекты, такие как вирусы, и регистрировать нанометровые сдвиги нервных волокон.

В данном докладе рассматриваются некоторые применения интерферометрического метода регистрации рассеянного лазерного излучения для исследования биологических объектов, которые можно условно разделить на две группы: измерения колебаний поверхности и измерения колебаний ансамбля частиц.

Из первой группы представлены такие исследования как:

• оптическая виброкардиография;
• неконтактное измерение смещения поверхности нерва во время потенциала действия.

  Из второй:

• измерение среднего размера планктона в морской воде.

  Также в докладе рассмотрены планируемые эксперименты по определению нано-микроперемещений биологических объектов.

  В работах посвященных оптической виброкардиографии авторы представили оптический неконтактный метод для наблюдения за сердечной деятельностью, основанный на измерении движений грудной клетки и колебаний поверхности кожи над сонной артерией посредством лазерной доплеровской интерферометрии. В этих целях были использованы стандартные лазерные доплеровские виброметры.

  В ходе эксперимента, параллельно была проведена регистрация сигнала ЭКГ и измерение скорости вибрации грудной клетки у 10 человек. Временной ряд строился от последовательных зубцов R (на ЭКГ) и виброкардиографические интервалы сопоставлялись с частотой сердечных сокращений.

  Оптическая виброкардиография может найти применение во многих областях медицины, в которых использование стандартных методов, например ЭКГ, невозможно или же ограничено, например электромагнитными помехами. Методика может быть применена также в тех случаях, когда нежелателен контакт с кожей пациента, в частности при обширных ожогах.

  Возможно, одним из наиболее перспективных направлений применения интерферометрической регистрации рассеянного излучения является измерение колебаний нервных волокон. Для измерения смещений нерва необходима система, способная измерять нанометровые сдвиги поверхностей со слабой отражательной способностью. В данной работе
  авторами описан новый двулучевой гетеродинный низкокогерентный интерферометр и его применение для оптического измерения эффекта расширения в нервном пучке лобстера. Данный феномен расширения состоит в том, что нервные волокна обнаруживают быстрые поверхностные поперечные смещения поверхности во время биоэлектрического потенциала. Были измерены смещения нервных волокон с амплитудой 5 нм и продолжительностью 10 мс без усреднения сигнала.

  Для проведения эксперимента был использован нерв ходящей ноги Американского лобстера (Homarus americanus), рассеченный и помещенный в акриловую камеру. Сложный биоэлектрический потенциал генерировался импульсом тока от стимулирующих электродов и детектировался на другом конце усилителем с усилением 10⁴. Смещения наблюдались в приблизительно половине нервных препаратах и различались в амплитуде от 0 до 8 нм для возбуждения 5-мА продолжительностью 1-мс.

  Во многих случаях необходимо исследование статических и динамических характеристик ансамблей микрочастиц. В данной работе описан метод для быстрого и простого измерения размера маленьких частиц в суспензиях. Этот метод был применен для определения среднего размера планктона в морской воде и для быстрого определения характеристик движения двух типов фитопланктона, Nannochloropsis oculata и Tetraselmis tetrathele. Nannochloropsis имеют сферическую форму и диаметр около 2,7 микрон, они не могут произвольно двигаться в морской воде. Tetraselmis tetrathele также сферические, их диаметр составляет 7,0 микрон, они могут быстро передвигаться в морской воде благодаря наличию жгутика.

  Камера рассеивания наполнялась морской водой, содержащей один из этих двух видов фитопланктона.

  Данный рисунок демонстрирует зависящую от времени спектральную функцию для Nannochloropsis и Tetraselmis, соответственно. Спектральная функция, наблюдаемая для не передвигающихся самостоятельно Nannochloropsis, сохраняет во времени форму Лоренца, соответствующую броуновскому движению. Наоборот, спектральная функция для передвигающихся самостоятельно Tetraselmis изменяется во времени: частотные компоненты, проистекающие от самостоятельного движения время от времени накладываются на спектр Лоренца, a на рис. b, соответствующий броуновскому движению, образуя выступы с обеих сторон несущей частоты, как обозначено стрелками на рис. b.

  Мы планируем исследования нано-микроколебаний малых биологических объектов in vivo, в частности:

  • измерение колебаний стенок периферические кровеносные сосуды;
  • исследование кровеносной и нервной системы моллюска Physa acuta (Физа заостенная);
  • изучение эмбрионального развития моллюска Physa acuta и амфибии Bombina variegata (Жерлянка желтобрюхая).

  Для проведения исследований нами будет использован гетеродинный приемник рассеянного лазерного излучения. Приемник разработан Институтом полупроводников НАНУ и имеет следующие параметры:

  • Длина волны излучения – 0,63 мкм.
  • Мощность зондирующего излучения – 1мВт.
  • Диаметр фокусного пятна зондирующего излучения на расстоянии 0,5 м – 0,1…0,2 мм.
  • Диаметр приемной апертуры – 10 мм.
  • Энергетическая чувствительность – 5·10^-18Вт/Гц.
  • Ширина полосы пропускания приемного канала – 1…100 КГц.

  Приемник построен по бистатической оптической схеме, т.е. между передающей и приемной оптическими осями есть угол. При этой оптической схеме сигнал образуется рассеянием от “точки” на пересечении этих осей и можно сказать, что для такого приемника существует глубина резкости. Это дает возможность получать сигнал от объектов находящихся внутри мутной среды или за разделительным иллюминатором. Ожидается, что с помощью этого приемника при исследованиях биологических объектов размером 0,2…0,5 мм удастся обнаружить колебания амплитудой около 1 нм в диапазоне частот 10…1000 Гц.

  В качестве одного из биологических объектов исследования планируется использовать моллюска Physa acuta (Физа заостенная). Этот выбор обусловлен следующими причинами: кровеносная и нервная системы моллюска хорошо развиты, но при этом обладают достаточно простой организацией, и поэтому являются удобной моделью для исследований, особенно в условиях максимально приближенных к естественным в реальном режиме времени. Кровеносная система Physa acuta незамкнутая. Сердце состоит из двух отделений: предсердия и желудочка, расположено на спинной стороне тела в перикардиальной полости. Данный вид обладает прозрачной раковиной, что позволит измерять колебания мантии, вызванные сердечной деятельностью моллюска, а также наблюдать за изменениями в сердечной деятельности под воздействием различных факторов. Нервная система сосредоточена главным образом в голове моллюска. В ней расположены три пары главных нервных узлов, которые вместе с соединяющими их поперечными и продольными комиссурами образуют глоточное кольцо. Мы планируем измерения колебаний поверхности нервных пучков Physa acuta.

  Для изучения эмбрионального развития нами выбраны эмбрионы моллюска Physa acuta и амфибии Bombina variegata (Жерлянка желтобрюхая). Эти виды хорошо размножаются в неволе и имеют прозрачную икру, что позволяет «видеть» развитие эмбриона. Исследование динамических характеристик эмбриона в естественных условиях может дать ценную информацию об эмбриогенезе в целом и о влиянии на него различных факторов в частности.

  Что касается медицинских исследований, то мы надеемся использовать возможности лазерного гетеродинного приемника для исследований периферической кровеносной системы человека. Важное диагностическое значение при заболеваниях, связанных с нарушением периферического кровотока может иметь измерение колебаний стенок периферических кровеносных сосудов.

  Возможность проводить измерения без контакта с кожей пациента и при наличии разделительного экрана даст дополнительные преимущества в исследовании функционирования кровеносной системы.

  В заключение следует сказать, что разработка методов измерения нано-микроперемещений биологических объектов in vivo сопряжена с большими трудностями, но мы надеемся сделать первые шаги в этом направлении.

1. Morbiducci U., Scalise L., De Melis M.,Grigioni M. Optical Vibrocardiography: A Novel Tool for the Optical Monitoring of Cardiac Activity // Annals of Biomedical Engineering, 2007. – №1. – pp. 45-58.
2. Scalise L., Umberto Morbiducci U. Non-contact cardiac monitoring from carotid artery using optical vibrocardiography // Medical Engineering & Physics, 2007.
3. Fang-Yen C., Chu M. C., Seung H. S., Dasari R. R., Feld M. S. Noncontact measurement of nerve displacement during action potential with a dual-beam low-coherence interferometer // Optics Letters, 2004. – №17. – pp. 2028-2030.
4. Gross M., Goy P., Forget B.C., Atlan M., Ramaz F., Boccara A.C., Dunn A.K. Heterodyne detection of multiply scattered monochromatic light with a multipixel detector // Optics Letters, 2005. – №11. – pp. 1357-1359.
5. Sudol S., Miyasaka Y., Otsuka K., Takahashi Y., Oishi T., Ko J. -Y. Quick and easy measurement of particle size of Brownian particles and planktons in water using a self-mixing laser // Optics Express, 2006. – №3. – рр. 1044-1054.

Все статьи автора «Тымчик Григорий Семенович»