ИК-детекторы VIGO в медицине
Инфракрасные детекторы и модули обнаружения VIGO System в спектральных диапазонах MWIR и LWIR могут использоваться в широком спектре биологических, биотехнологических и медицинских приложений, включая анализ дыхания человека, неинвазивные анализы крови, стоматологию, фармацевтику, анализ белкового состава.
1. Анализ человеческого дыхания
Анализ дыхания стал важной областью медицинских исследований. В выдыхаемом воздухе содержится более 3 000 веществ. Концентрация некоторых из них может зависеть от состояния здоровья. Эти вещества называются биомаркерами и могут использоваться для диагностики некоторых заболеваний или патологических процессов в организме человека. Анализ дыхания является перспективным скрининговым тестом, поскольку он неинвазивен, быстр и безболезненен. Из-за низких концентраций биомаркеров дыхания необходимо использование методов измерения с высоким разрешением и чувствительных детекторов.
Инфракрасные детекторы широко используются при создании оборудования для анализа дыхания. Методы, основанные на лазерной абсорбционной спектроскопии в среднем ИК-диапазоне для обнаружения следовых количеств газа, по сравнению с другими методами, значительно быстрее (с временем отклика <1 с), они демонстрируют минимальный дрейф, обладают высокой газовой специфичностью, чувствительностью обнаружения ppm / ppb / ppt и позволяют проводить измерения на месте в реальном времени. Некоторые биомаркеры дыхания, обнаруживаемые инфракрасными детекторами, представлены в таблице ниже.
Биомаркеры дыхания, обнаруживаемые ИК-детекторами:
|
Биомаркер дыхания |
Состояние здоровья |
Выбранная линия поглощения, мкм |
Методика измерения |
|
CH3COH (ацетальдегид) |
После употребления алкоголя; Рак легких. |
5.79 и 5.67 |
TDLAS |
|
C2H6 (этан) |
Оксидативный стресс; Болезнь Альцгеймера. |
3.33 |
TDLAS |
|
C3H6O (ацетон) |
Диабет 1 типа |
8.2 |
QCL-ИК-спектрометр |
|
CH4 (метан) |
Оксидативный стресс; Рак. |
3.3916 и 3.3920 |
HWG-TLAS |
|
NO (окись азота) |
Астма; Хронический бронхит; Аллергический ринит. |
5.26296 |
ICOS |
|
NH3 (аммиак) |
Почечные заболевания; Астма. |
10.341 |
Импульсный QCL спектрометр |
|
CH2O (формальдегид) |
Рак легких и груди |
3.530 |
ICOS |
|
HCN (цианистый водород) |
Кистозный фиброз |
1.538 |
ICOS |
|
CH3SH (метантиол) |
Неприятный запах изо рта; Цирроз печени; Энцефалопатия; Кома. |
3.3565 |
WMS/TDLAS |
|
C2H4 (этилен) |
Перекисное окисление липидов; Ультрафиолетовая радиация; Повреждение кожи. |
10.309 |
Импульсный QCL спектрометр
|
|
OCS (карбонилсульфид) |
Печеночная недостаточность; Кистозный фиброз; Отвергаемое легкое; Трансплантат. |
4.86 |
TDLAS |
TDLAS – перестраиваемая лазерная абсорбционная спектроскопия; HWG-TLAS – лазерная абсорбционная спектроскопия с перестраиваемой полой волной; ICOS – встроенная спектроскопия на выходе из резонатора; WMS-TDLAS – Поглощающая, перестраиваемая спектроскопия на диодном лазере с спектроскопией с модуляцией длины волны
A. Проект SENSORMED
Была развита оптоэлектронная сенсорная система, использующая лазерную абсорбционную спектроскопию с модулем обнаружения VIGO, для обнаружения биомаркеров заболеваний (астма, стенокардия, заболевания желудка и повышенный уровень билирубина в крови, включая синдром Гилберта, синдром Дубина-Джонсона, синдром Ротора, синдром Криглера-Наджара).
Эта система состоит из пяти функциональных блоков:
- Система отбора проб - сбор выдыхаемого воздуха;
- Система кондиционирования - подготовка проб газа;
- Датчик CEAS (Расширенная абсорбционная спектроскопия резонатора) – обнаружение;
- Двойной спектральный датчик MUPASS (система абсорбционной спектроскопии multipass) – обнаружение;
- Система обработки сигналов - анализ данных.
Оптоэлектронный анализатор дыхания SENSORMED
Система отбора проб собирает выдыхаемый пациентом воздух. В соответствии со стандартами ATS / ERS он может работать в режиме «on-line» или «off-line». В системе кондиционирования проба газа подготавливается для дальнейшей обработки: удаления влаги, создания отрицательного давления, обеспечения соответствующей скорости воздушного потока. Датчик CEAS обнаруживает NO (оксид азота). Он использует лазер QCL (λ = 5,26 мкм) и высокочувствительный модуль ИК-обнаружения VIGO с пределом обнаружения приблизительно 30 частей на миллиард. Для обнаружения CH4 (метана) и CO (окиси углерода) использовался двухспектральный датчик MUPASS с одной многопроходной ячейкой. Для метана (λ = 2,2536 мкм) предел обнаружения составил 100 частей на миллиард, а для монооксида углерода (λ = 2,336 мкм) – 400 частей на миллиард. Сигналы от датчиков регистрируются блоком интерфейса и направляются в систему обработки сигналов (компьютер и программное обеспечение), где полученные результаты интегрируются, визуализируются и анализируются.
Б. Тестирование функциональной способности печени
Правильная оценка функционального потенциала печени имеет огромное значение в хирургии, трансплантации печени, гепатологии и онкологии. Дыхательный тест с метацетином представляет собой безопасный и точный диагностический метод для оценки функциональной массы печени у пациентов с хроническими заболеваниями.
Тест динамической функции печени основан на метаболизме 13C-метацетина. Метацетин метаболизируется печеночно-специфической системой цитохрома P450 1A2 в ацетаминофен и 13С-формальдегид, который затем за несколько быстрых ферментативных шагов превращается в 13CO2, который, в свою очередь, транспортируется через кровоток в легкие и выдыхается. Индивидуальную функцию печени можно оценить путем непрерывного измерения отношения 13CO2 / 12CO2.
Принцип дыхательного теста с 13С-метацетином
C. Дыхательный тест 13C при диагностике инфекции helicobacter pylori
Дыхательный тест с мочевиной – один из наиболее важных неинвазивных методов выявления инфекции helicobacter pylori.
Он основан на способности helicobacter pylori преобразовывать мочевину в аммиак и диоксид углерода. Пациенты проглатывают мочевину, меченную нерадиоактивным углеродом-13. Через 10-30 минут обнаружение изотопно-меченого диоксида углерода 13CO2 в выдыхаемом воздухе указывает на расщепление мочевины. Это указывает на уреазу – фермент, который helicobacter pylori использует для метаболизма мочевины, если он присутствует в желудке, то, следовательно, присутствуют бактерии helicobacter pylori.
Принцип дыхательного теста с мочевиной 13С
2. Неинвазивное определение глюкозы «in vivo»
Устройство для определения уровня глюкозы без иглы позволяет людям с диабетом неинвазивно измерять уровень сахара в крови. Это могло бы значительно улучшить качество жизни больных диабетом. Кроме того, такое устройство помогает здоровым людям легко контролировать уровень глюкозы в крови и управлять им, чтобы поддерживать здоровый и активный образ жизни.
В среднем ИК-диапазоне наблюдаются сильные колебательные резонансы для многих молекул, включая глюкозу. В отличие от ближнего ИК-диапазона, характеристики поглощения глюкозы в среднем ИК-диапазоне гораздо легче отличить от других конкурирующих поглотителей. Основная проблема для определения уровня глюкозы «in vivo» с использованием излучения среднего ИК диапазона – это ограниченная глубина проникновения в кожу из-за высокого поглощения жидкости.
Принцип работы неинвазивных измерений глюкозы в среднем ИК-диапазоне с помощью спектроскопии QCL
Излучение импульсного лазера QC с диапазоном настройки от 8 до 10 мкм фокусируется на коже человека. Затем свет поглощается молекулами глюкозы и обратно рассеивается слоем дермы кожи. Расходящийся свет, выходящий из кожи, улавливается миниатюрной интегрирующей сферой и обнаруживается охлаждаемым детектором LWIR VIGO TE.
3. Стоматология
А. Раннее обнаружение поражения зубов
Традиционные методы обнаружения кариеса и рентгенография недостаточно эффективны для выявления ранних кариесных поражений. Если кариес диагностируется на ранней стадии, до того, как значительная часть зуба разрушена, реминерализующая терапия может предотвратить его и стабилизировать или обратить кариозные поражения. Это может предупредить инвазивное лечение.
Инфракрасный датчик для обнаружения кариеса на ранней стадии
Когда на зуб падает импульсный лазерный луч малой мощности, система измеряет уровень свечения (люминесценции) и тепла (фототермической радиометрии), исходящего от зуба. Лазерное излучение иначе взаимодействует со здоровыми зубами, чем с кариесом. Могут быть обнаружены поражения размером от 50 мкм до 5 мм ниже поверхности зуба.
Инфракрасное лазерное излучение, попадающее на зубную эмаль и дентин, преобразуется в тепло и повышает температуру зуба примерно на 1 °С. Это небольшое повышение температуры не должно влиять на здоровье или целостность пульпы или нерва зуба.
Изменяя циклическую частоту лазерного импульса, можно исследовать различные глубины внутри эмали или дентина. Инфракрасный датчик VIGO MWIR улавливает излучаемое тепловое излучение и измеряет, как далеко распространяется тепло, чтобы получить информацию о более глубоких областях зуба. Остальная часть лазерной энергии преобразуется в видимую люминесценцию, которую можно измерить простым фотодетектором.
Б. Безопасная стоматологическая хирургия CO2-лазером
Лазерная стоматология – это использование точно сфокусированных источников лазерного света для лечения различных стоматологических заболеваний. Лазер предлагает более эффективный, экономичный и удобный вариант лечения стоматологических процедур с участием твердых или мягких тканей по сравнению с сверлами и другими нелазерными инструментами. Зубы относятся к твердым тканям, а десны – к мягким.
CO2-лазер для твердых тканей может прорезать структуру зуба. Лазерное излучение поглощается смесью воды и определенного минерала, содержащегося в зубах. Он используется для подготовки или придания формы зубам для композитного бондинга, для восстановления изношенных зубных пломб и для удаления некоторых частей зуба. Лазер позволяет проводить препарирование полости и удаление кариозных структур зуба, во многих случаях без применения местной анестезии.
Хирургические лазеры должны соответствовать стандартам радиационной безопасности. Детекторы VIGO LWIR обеспечивают высокую точность, контроль и безопасность работы стоматологических лазеров.
