close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14095

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.02.28
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 14095
(13) C1
(19)
A 61B 5/145
G 01N 21/41
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
ЭРИТРОЦИТОВ КРОВИ ЧЕЛОВЕКА
(21) Номер заявки: a 20090453
(22) 2009.03.27
(43) 2009.08.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Авторы: Кугейко Михаил Михайлович; Лысенко Сергей Александрович (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) BY 10918 C1, 2008.
RU 2173082 C1, 2001.
RU 2175256 C2, 2001.
SU 1013853 A, 1983.
JP 2005099007 A, 2005.
BY 14095 C1 2011.02.28
(57)
Способ определения показателя преломления эритроцитов крови человека путем измерения коэффициентов рассеяния оптического излучения, отличающийся тем, что коэффициенты рассеяния оптического излучения измеряют в спектральном диапазоне от 0,3
до 1,2 мкм, рассчитывают по ним индикатрису рассеяния g(ϕ, λ) под углами ϕ = 9 и 87°, а
значения показателя преломления в указанном спектральном диапазоне длин волн λ определяют из выражения:
log|n(λ) – 1| = a0(λ) + a1(λ)log[g(9°,λ)] + a2log[g(87°,λ)],
где а0(λ), а1(λ), a2(λ) - коэффициенты, определяемые по спектральной зависимости ak(λ)
при k = 0, 1, 2.
Предлагаемое изобретение относится к области лабораторного медицинского анализа,
аналитического приборостроения.
Известен способ обнаружения веществ крови и определения изменения их показателя
преломления путем измерения электромагнитных волн от периодических структур, излучающих данные волны [1]. В [2] показатель преломления эритроцитов рассчитывают по
спектру мутности взвеси эритроцитов, а в [3] измерения показателя преломления крови
основаны на управлении спектром излучения двухчастотного газового He-Ne-лазера на
длине волны 0,63 мкм за счет изменения фазовой анизотропии для волн ортогональных
поляризаций на границе раздела диэлектрик - исследуемая среда. Оптический показатель
преломления крови определяется и по измерению коэффициентов отражения оптического
излучения на длинах волн 650 ± 36 и 830 ± 80 нм [4]. Данные методы сложны как в реализации, так и в эксплуатации, не позволяют проводить автоматизацию процесса измерений,
обладают невысокой точностью измерений.
Известен также способ [5], основанный на регистрации рассеянного излучения. К недостаткам следует отнести необходимость построения калибровочных кривых и знания
среднего размера эритроцитов (т.е. проведения дополнительных измерений) и невозмож-
BY 14095 C1 2011.02.28
ность автоматизации измерений. Отмеченные недостатки не позволяют получать и высокую точность определения показателя преломления.
Наиболее близким к предлагаемому является способ [6], основанный на измерении коэффициентов рассеяния оптического излучения на длине волны λ = 532 нм, расчете по
ним индикатрисы рассеяния под углом 90°, по которой, в свою очередь, рассчитывают на
данной длине волны показатель преломления. Данный способ не позволяет определять
спектральные значения показателя преломления в широком диапазоне, требуемом для более достоверного восстановления диагноза заболевания.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи расширения функциональных возможностей путем определения спектральных значений показателя преломления
эритроцитов крови человека в диапазоне 0,3-1,2 мкм и повышения при этом точности за
счет слабой чувствительности к ошибкам определения индикатрисы рассеяния.
Для решения данной задачи в способе определения показателя преломления эритроцитов крови человека путем измерения коэффициентов рассеяния данные коэффициенты
измеряют в спектральном диапазоне 0,3-1,2 мкм, рассчитывают по ним индикатрису рассеяния g(ϕ, λ) под углами ϕ = 9 и 87°, а значения показателя преломления в указанном
спектральном диапазоне длин волн λ определяют из выражения:
logn(λ) – 1 = a0(λ) + a1(λ)log[g(9°, λ) + a2log[g(87°, λ)],
где а0(λ), a1(λ), а2(λ) - коэффициенты, определяемые по спектральной зависимости аk(λ)
при k = 0, 1, 2.
Действительно, при известных микроструктурных параметрах эритроцитов (функции
распределения частиц по размерам f(r), их комплексном показателе преломления m и
счетной концентрации N) для их объемного коэффициента рассеяния βsca справедливо
следующее соотношение [6]:
∞
βsca = N ∫ πr 2 K sca (m, x )f (r )dr,
0
где x = 2πr/λ - параметр Ми, Ksca(m, x) - фактор эффективности рассеяния излучения частицей с радиусом r на длине волны λ. Аналогичное выражение можно записать и для коэффициента направленного рассеяния β(θ). Отличия будут заключаться в том, что вместо
Ksca(m, x) необходимо записывать Kθ(m, х) - фактор эффективности рассеяния излучения
под углом θ.
При решении обратной задачи (нахождение f(r) и m) по данным оптических измерений необходимо решить, есть ли какая-нибудь информация о свойствах рассеивающего
вещества в этих данных. Очевидно, что на этот вопрос можно ответить, рассчитав эти характеристики при различных микроструктурных параметрах рассеивающей среды. Поскольку гетерогенность цельной крови не усложняет исследование эритроцитов на фоне
клеток различного рода, то данные ниже характеристики рассчитываются только для
эритроцитов.
Используемая нами в дальнейшем модель эритроцитов предполагает, что все они
имеют форму однородных сферических частиц, т.е. их оптические характеристики могут
быть рассчитаны по формулам Ми. Такое упрощение обусловлено несколькими причинами. Во-первых, методики и алгоритмы расчета оптических характеристик несферических
и неоднородных рассеивателей громоздки и имеют лишь ограниченную область применимости. Во-вторых, для сфероидов и цилиндров с умеренным параметром асферичности
(от 0,5 до 2,0) индикатриса рассеяния света в переднюю полусферу, усредненная по различным пространственным ориентациям, совпадает с индикатрисой шара того же объема
[7]. Что касается распределения эритроцитов по размерам, то оно заменяется распределением по размерам сферических частиц f (~r ) , эффективный радиус которых ~r = (S / π)1 / 2 ,
где S - эффективная рассеивающая площадь частицы. В качестве f (~r ) используется
2
BY 14095 C1 2011.02.28
обобщенное гамма-распределение, которое достаточно хорошо описывает данные многочисленных экспериментальных исследований эритоцитометрических кривых образцов
крови [8, 9]. Результаты теоретического исследования чувствительности связи между индикатрисой рассеяния g(θ,λ) = β(θ,λ)/βsca(λ) и n(λ) при θ = 1÷180° и λ = 0,3÷1,2 мкм к вариациям микроструктурных параметров эритроцитов в диапазонах, взятых из
литературных данных [8, 9], представлены на фиг. 1а в виде зависимости коэффициента
корреляции между log|n(λ) – 1| и log[g(θ, λ)] в вышеуказанной области изменения θ и λ,
полученной следующим образом:
1) задавалось 103 случайных состояний ансамбля эритроцитов, характеризуемых следующими параметрами: rm - модальный радиус и ξ - полуширина их функции распределения по размерам; комплексный показатель преломления m = n + ik, где k - показатель
поглощения эритроцитов; счетная концентрация N из диапазонов их значений, приведенных в таблице;
2) при каждой комбинации микрофизических параметров эритроцитов по теории Ми
рассчитывалась g(θ, λi) на длине волны λi из указанного выше диапазона, и по стандартным формулам математической статистики [10] проводился расчет соответствующих коэффициентов корреляции для углов 0°≤ θ ≤ 180°:
∑ (log F (λ) − log F(λ) )(log g (θ, λ) − log g(θ, λ))
n
ρ(θ, λ) =
i
i
i =1
∑ (log F (λ) − log F(λ) ) ∑ (log g (θ, λ) − log g(θ, λ) )
n
i =1
2
i
n
i =1
,
2
i
где i = 1, 2,…, n = 103 - реализация состояния эритроцитов, с соответствующими ей индикатрисой рассеяния gj(θ, λ) и показателем преломления Fi(λ) = ni(λ) - 1, log g (θ, λ ) ,
log F(λ ) - математические ожидания логарифмов данных величин.
Диапазоны изменений микрофизических характеристик эритроцитов
rm
n
k
N
ξ
-6
-3
9
2,3÷3 мкм
8÷15
1,04÷1,07
10 ÷2⋅10
3,5⋅10 ÷5,6⋅109см-3
Фиг. 1б иллюстрирует зависимость угла максимальной корреляции между log|n(λ) - 1|
и log[g(θ, λ)] от длины волны излучения λ. Как видно из фиг. 1, θcor изменяется в указанном спектральном интервале в весьма широких пределах: 10÷90°. Следовательно, для получения спектральной зависимости показателя преломления необходимо производить
измерения g(θ, λ) под несколькими углами из указанного диапазона значений θcor. При m
углах приема рассеянного излучения n(λ) можно определять посредством уравнения множественной регрессии с коэффициентами a0, ak зависящими от λ, значения которых можно
определить по формулам математической статистики [10]:
m
log n(λ) − 1 = a 0 (λ) + ∑ a k (λ) log[g(θk , λ)].
(1)
k =1
Здесь коэффициенты а0, a1, …, аm определены методом наименьших квадратов:
n
m
i =1
k =1
∑ (log[n i (λ) − 1] − a 0 (λ) − ∑ a k (λ) ⋅ log[g(θk , λ)]) → min .
Очевидно, что чем больше m, тем точнее из уравнения (1) определяется n(λ). Однако
при наличии ошибок измерения g(θk, λ) увеличение m (количества измерений) может и не
приводить к желанному повышению точности восстановления спектрального хода показателя преломления. Поэтому в качестве критерия оптимальности выбора углов приема рассеянного излучения нами принимается минимум среднеспектральной погрешности
3
BY 14095 C1 2011.02.28
восстановления n(λ) – 1| с использованием (1) при наложении на значения g(θk, λ),
k = 1÷m случайных ошибок в пределах 5 % (что учитывает чувствительность соответствующих регрессионных уравнений к ошибкам измерения g(θk, λ):
λ max

min  ∫ δ max (λ, θ1 ,…, θm )dλ / (λ max − λ min ), θi = 1 ÷ 180°,
(2)
 λ min

где δmax(λn,θ,…,θm) = max{δi(λn,θ1,…,θm)}, i = 1÷103 - максимальная по всему ансамблю
реализации микроструктурных параметров погрешность определения |ni(λ) – 1| при λ = λn,
возникающая с использованием уравнения (1) для углов θ1,…,θm.
Проведенный расчет по составленной программе для m = 2, 3, 4 показывает, что оптимальной в плане точности восстановления n(λ) является двухугловая схема измерения
g(θk, λ) под углами θ1 = 9° и θ2 = 87°. На фиг. 2а изображены спектральные зависимости
коэффициентов ak регрессионного уравнения (1), соответствующего данным углам. О
точности восстановления n(λ) при 5 %-ной ошибке измерения индикатрисы под данными
углами можно судить по фиг. 2б, на которой представлены средние (MeanErr) и максимальные (MaxErr) по ансамблю реализаций оптико-микроструктурных параметров эритроцитов ошибки восстановления |n(λ) – l|. Как видно из фиг. 2, средние погрешности
определения n(λ) составляют единицы процентов.
Таким образом, для практического применения данного способа (установления спектральных значений n) требуется измерить индикатрису рассеяния под двумя выше указанными углами на отдельной длине волны волн или в некотором спектральном диапазоне и
с использованием соответствующих этим длинам волн коэффициентов ak и из уравнения
(1) вычислить n(λ).
На фиг. 3 изображены результаты восстановления n(λ) (соответствует эритроцитам,
содержащим оксигемоглобин) с использованием предлагаемого способа. Заданные микрофизические параметры эритроцитов (n(λ) - фиг. 3а, кривая 1; спектральная зависимость
мнимой части показателя преломления; функция распределения по размерам) соответствуют их экспериментально полученным значениям в работах [8, 11]. Как видно из фиг.
3, форма кривой восстановленной зависимости n(λ) даже при наличии 5 %-ной ошибки
измерения индикатрисы отчетливо отражает все основные особенности исходного профиля n(λ). Кроме того, данный способ восстановления n(λ) является слабо чувствительным к
ошибкам измерения g(θk, λ), что подтверждается фиг. 2б и фиг. 3б. В самом деле, погрешность определения n – 1 с использованием уравнения (1), вычисляемая методом конечных
приращений [10], имеет вид:
δ|n – 1 = a1δg1 + a2δg2.
Причем, как видно из фиг. 2а, a1, a2 < 1, следовательно, δn – 1 < δg1 + δg2.
Таким образом, предлагаемый способ определения спектральных значений показателя преломления эритроцитов крови, включающий измерение индикатрисы рассеяния
под двумя углами в требуемом спектральном диапазоне и использование уравнения
множественной регрессии, позволяет получать данные характеристики с высокой точностью. Отсутствие необходимости приготовления специальных суспензий, использования
калибровочных кривых, проведения независимых дополнительных измерений делает
измерения по предлагаемой методике легко автоматизируемыми.
Источники информации:
1. JP 2005099007 A, 2005.
2. SU 1013853 A, 1983.
3. RU 2175256 C2, 2001.
4. RU 2173082 C1, 2001.
4
BY 14095 C1 2011.02.28
5. Науменко Е.К. // Журнал прикладной спектроскопии. - 1990. - Т. 52, № 4. - С. 654659.
6. Патент РБ 10918, C1, 2008.
7. M.I. Mishcenko, L.D. Travis, A.A. Lacis Scattering, absorbtion, and emission of ligtht by
small particles. - New York, Goddard Institute for space studies, 2004.
8. Хайруллина А.Я., Шумилина С.Ф. Определение функции распределения эритроцитов по размерам методом спектральной прозрачности // ЖПС. - 1973. - № 3, т. 19. - С. 340347.
9. Кассирский И.А., Алексеев Г.А. Клиническая методология. - М.: Медицина, 1970. 800 c.
10. Колемаев В.А., Калинина В.Н. Теория вероятностей и математическая статистика. Москва: ИНФРА-М, 1997. - 301 с.
11. Шумилина С.Ф. Дисперсия действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления эритроцитов крови человека в интервале 450-820 нм // Весцi АН
БССР. - 1983. - С. 79-84.
Фиг. 1
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
195 Кб
Теги
by14095, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа