Metode de diagnostic calorimetrică - diagnosticare cu laser în biologie și medicină

Clasificare și metode de diagnosticare baze de calorimetrică
Clasificare. Baza metodelor calorimetrice mikrodiagnostiki sau mint spectroscopie de absorbție a luminii cu un nivel de energie de excitare de molecule ale substanței bioobject, relaxarea radiationless ulterioară a acestor niveluri și obiectul de încălzire. Opțiunea de informare este de a schimba temperatura probei AT. Evident, gradul de încălzire se determină prin absorbanță substanței, intensitatea luminii și eficiența proceselor concurente (fluorescenta, fotochimice si efect fotoelectric). Toate acestea determină meritele metodelor calorimetrice, a căror principal este capacitatea de a studia absorbția de difuzie a luminii puternic mass-media, în ceea ce privește multe domenii ale științei și tehnologiei, dar mai ales pentru probleme biologice si medicale. Aceste metode ne permit să investigheze netransparente (optic dens) și slab fluorescente obiecte, controlează execuția fotovoltaice și a proceselor fotochimice. Deoarece parametrul măsurat este o modificare a temperaturii, detectoarele sunt utilizate ca receptori neselective, nu există nici o limitare cu privire la lungimile de undă folosite în experiment la receptor.
calorimetric optoelectronic (sau, așa cum sunt numite uneori, optice-termice) metode au multe modificări care reflectă metodele de detectare schimbarea temperaturii [P. 23, P. 41-P. 46, 1,26, 1, 8-24]. măsurarea directă a temperaturii posibilă cu ajutorul senzorilor de contact și modificări concomitente ale volumului eșantionului. Aceste metode nu au fost foarte răspândite. O promițătoare, în special în instalațiile de cercetare in vivo, este metoda de radiometrie-opto termică se bazează pe măsurarea intensității radiației termice a corpului incalzit cu lumina laser. În ultimii ani, această metodă a devenit din ce în ce mai populare.
Datorită simplității, fiabilitatea, sensibilitatea ridicată și versatilitatea de metoda cea mai larg răspândit optoacoustic (OA), care este de a converti căldura în oscilații acustice și microfonul lor de înregistrare ulterioară sau orice alt receptor de vibrații acustice. Pentru detalii privind metoda de OA și posibilitățile sale largi pot recomanda monografia [P. 41], precum și analizele și conferințelor spectroscopiei OA [P. 23, AP 42 - AP 46, 1, 81. relativ utilizat pe scară largă ca metodă fără contact optikotermichesky când parametrul măsurat este temperatura instalației de gaz înconjurător și metode de refracție optică în care variația măsurată a indicelui de refracție cauzate de schimbările de temperatură, - o metodă termică de lentile, Deformare suplimentară de căldură (măsurarea) a fasciculului laser și o varietate de tehnici interferometrice.
Metoda de puls. Lăsați Raza fasciculului laser w trece prin celula umplută cu lichid. Durata impulsului de lumină este T&bdquo-, frecvența de repetiție
impulsuri / lungimea coloanei de fluid, impulsuri luminoase, receptor de semnal I. OA este situat la o distanță R de axa fasciculului laser. Să presupunem că puls dlitelnost- semnificativ mai mult timp de relaxare neradiativ, timpul de propagare a impulsului acustic peste coloana de lichid iluminat și un detector acustic constant timp td. Cu condiția ca procesul de radiationless relaxarea este un factor determinant major al atenuării fasciculului de lumină și atenuarea de la sine nu este prea mare, și /<^1, выделяющаяся при поглощении энергия находится на основании закона Бугера:
Ei în care - energia luminii puls și - coeficientul de absorbție. absorbția de energie este însoțită de o creștere locală a temperaturii AT, care se găsește din relația
(5.4)
unde cp - căldura specifică la presiune constantă, V = nwH - volum iluminat, p - densitatea mediului.
Presupunând că procesul de expansiune a volumului iluminat este o presiune constantă pri- adiabatic, este posibil să se calculeze variația acestui volum:
(5.5)
unde F - coeficientul de temperatură al agentului de expansiune volumetrică. Această expansiune creează un val de înmulțire în direcție radială, cu un sunet de viteză va. Modificarea corespunzătoare presiunii Ap proporțională cu amplitudinea oscilațiilor mecanice Ax ~ Aw:


în cazul în care / și - frecvența oscilațiilor acustice. Utilizarea (5.5) în condiția Aw
Aceste rapoarte da o idee despre principiile metodelor de calorimetrie. Informații directe asupra coeficientului de absorbție a mediului și la o anumită lungime de undă poate fi obținută pe baza măsurătorilor AT (efect opto termic), A V (efect geometric-optic) sau Ar (efect OA). Folosind relația dintre distanța focală F «obiectivului termic“, unghiul de deviere <р пробного лазерного луча и сдвига фазы волны Дг|> в измерительном интерферометре с изменениями температуры АТ образца, получим приближенные соотношения и для других методов [П. 41, П. 43].
Metoda de „lentilă termică“:

Metoda Deformare:

Metoda Interferometric:

în care dnldT - gradient de temperatură al indicelui de refracție n, V - lungimea aliniamentului spațială a excitarea și lumina sonda grinzi A,&bdquo- - lungimea lungimii de undă fasciculului sondă.
Sensibilitatea tehnicilor calorimetrice și principalele domenii de aplicare sunt prezentate în tabelul. 5.1. Mai multe discuții dețin, în principal, de exemplu, metoda OA. Un parametru important care trebuie să fie luate în considerare în punerea în practică a metodei pulsului OA este timpul de întârziere TD între lumină și impulsurile acustice. In cel mai simplu caz aparent td determinat de raportul
(5.6)
unde R - raza celulei. Acest interval de timp determină perioada de timp în care semnalul util este înregistrat fără interferențe.
În cazul mediilor gazoase, în special a gazelor moleculare, pentru care rata de relaxare collisional stărilor excitate substanțial mai mare decât radiativ OA semnalul ratei de relaxare are următoarea formă:
(5.7)
unde 7-cjcv, tt - timpul de relaxare termică a celulei:
(5.8)
1`le aproximativ, - termice, p - densitatea gazului, k - conductivitatea termică a gazului. Aceste raporturi sunt derivate din reprezentări cinetice cu gaz pentru celula umplută cu moleculele de un singur tip, uniform distribuite în volum.

Tabelul 5.1

Sensibilitate și aplicații principale metode calorimetrice

Pentru un amestec de gaz de diferite tipuri de molecule care absorb schimbarea de presiune din suma totală a celulei corespunzătoare modificărilor presiunii parțiale cu întârzierile de timp din cauza diferențelor ratelor de relaxare termică.
Un parametru important al mediului este difuziune termică (căldură) lungimea impulsului care de excitație este estimat ca [P. 43]
(5.9)
încălzirea Puls de bioobject, de asemenea, duce la o schimbare în propria radiație termică a corpului personajului - un fenomen sta la baza puls opto termică radiometrie (OTR) [18, 21]. radiație maximă de căldură vie obiecte biologice se află în regiunea de 10 microni. Analiza detaliată a semnalului OTP necesită cunoașterea distribuției asupra temperaturii obiectului, viteza termică difuzie a mediului, coeficientul de absorbție la lungimi de undă de sondă și (de obicei, UV sau spectrul vizibil) și a` radiație termică (10 microni). Pe de altă parte, unele cunoștințe și „, a spus parametrii permite OTR din semnalul măsurat pentru a determina alți parametri, cum ar fi.
In cel mai simplu caz, o absorbție relativ slabă a radiației sondă (a<фх`) и воздействия короткими импульсами света (значительно меньшими по длительности времени термодиффузии) сигнал ОТР определяется соотношением [18, 21]

unde S (m&bdquo-) ~ WE&Valoarea semnalului la momentul inițial după terminarea puls lumina durata Ti, W - --un bdquo un coeficient proporțională cu lățimea spectrală infraroșu bioobject înregistrare zona de radiație, z = a [aT (t-ti)] / 2.
În acest caz, există o corpuri superficiale radiații termice ca radiație sonda pătrunde destul de adânc în corp și radiația termică ° m straturile adânci este absorbit în mod eficient la iesirea spre exterior. Datorită faptului că apa pentru majoritatea obiectelor biologice coeficient de absorbție în regiunea IR este determinată conținute în acesta se află în intervalul (1-2) -103 cm-1, reprezentată de raportul poate fi folosit pentru a studia o clasă largă de țesuturi biologice.
O metodă care utilizează o radiație modulată continuu. O trăsătură distinctivă a aplicării lasere continue în comparație cu puls este de a obține informații suplimentare cu privire la natura absorbției substanței din cauza unui semnal proporțional cu defazajul dintre variabilele care constituie puterea și presiunea laserului. Pentru medii gazoase la armonice putere de radiație P la semnalul bp amplitudine OA modulație de frecvență și defazajul sunt de forma F
(5.10)
unde Tm este definit de (5.8). Aceste expresii au fost obținute în aceleași ipoteze ca și în (5.7). Lungimea de difuzie termică este
(5.11)
Studiul proprietăților optice și termice ale solidelor și lichidelor prin intermediul celulei optoacoustic gaz (metoda indirectă) este metoda de cercetare destul de comună. Lumina modulat este absorbită de mediul condensat și parțial transformată în căldură. Această căldură creează perturbațiilor de presiune în gazul din jur, care sunt înregistrate microfon. In descrierea OA utilizarea a trei semnale de lungime tipică eșantionului: I geometric, cale foton lungime / f = 1 / a și „termică“ / t. În funcție de raportul dintre aceste lungimi sunt posibile șase exemple de realizare diferite gazomikrofonnogo metoda. media distinși optic si groase termic si subtiri. Evident, pentru >/ T „^ f efectele de saturație sunt posibile OA semnal de amplitudine, care ar trebui să fie evitată. Pentru o valoare dată eșantion / t determinat prin modularea durata impulsului sau w frecvență. Separarea semnalelor excitate în eșantionul global și într-un strat subțire de substanță - o fereastră (sau substrat), este posibilă utilizarea metodei de fază când este înregistrată nu numai amplitudinea, dar și OA semnal de fază.

Video: arma cu laser impotriva cancerului. 2010