Исследование оптоакустического эффекта в движущейся среде в присутствии наноразмерных объектов и разработка на его основе метода неинвазивного исследования крови для мобильной медицины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат наук Орда-Жигулина Дина Владимировна

• Орда-Жигулина Дина Владимировна
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Орда-Жигулина Дина Владимировна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ НЕИНВАЗИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ В БИОМЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ НА БАЗЕ ОПТОАКУСТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

1.1 Методы диагностики и физические процессы при оптоакустическом

преобразовании в биомедицинских исследованиях с использованием лазерного излучения

1.2 Регистрация сигналов при оптоакустических биомедицинских исследованиях

1.3 Наноразмерные агенты как контрастные агенты в методах оптоакустического исследования крови

1.4 Методы оптоакустического исследования крови с наноразмерными

объектами как контрастными агентами

1.5. мИельти как перспективное направление развития современной

медицины

1.6 Выводы по главе

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОПТОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ДВИЖУЩЕЙСЯ

жидкости в присутствии наноразмерных объектов как контрастных АГЕНТОВ

2.1 Биомеханическая модель кровотока в гемодинамике

2.2 Разработка теоретической модели оптоакустического преобразования в движущейся модельной жидкости, имитирующей кровоток человека

2.2.1 Процесс генерации акустического сигнала в результате оптоакустического преобразования в модельной жидкости

2.2.2 Расчет влияния скорости движения потока на суммарное акустическое поле

2.2.3 Учет влияния наноразмерных объектов на суммарное акустическое поле движущейся модельной жидкости при оптоакустическом преобразовании

2.3 Статистическая модель оптоакустического преобразования в

движущейся жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов с использованием метода Монте-Карло

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОПТОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ДВИЖУЩЕЙСЯ МОДЕЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ в присутствии наноразмерных объектов в качестве контрастных агентов

3.1 Схема экспериментальной установки и методика измерений

3.1.1 Описание хода экспериментальных исследований

3.1.2 Описание модельной жидкости для экспериментальных исследований

3.1.3 Описание наноразмерных агентов, применяемых в экспериментальных исследованиях и приготовление суспензии

3.1.4 Описание измерительной кюветы, применяемой в экспериментальных исследованиях

3.1.5 Описание технических средств и средств обработки информации, применяемых в экспериментальных исследованиях

3.2 Результаты и обсуждение измерений

3.3 Выводы по главе

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА МЕТОДА И АЛГОРИТМОВ НЕИНВАЗИВНОГО ОПТОАКУСТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ КРОВИ ДЛЯ

МОБИЛЬНОГО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ

4.1 Метод и алгоритмы системы неинвазивного оптоакустического исследования крови для mHealth

4.1.1 Структура системы неинвазивного оптоакустического исследования крови

4.1.2 Назначение составных частей системы неинвазивного оптоакустического исследования крови

4.1.3 Краткое описание работы системы неинвазивного оптоакустического исследования крови

4.1.4 Структура диагностического модуля неинвазивного оптоакустического исследования крови и алгоритм его работы

4.1.5 Алгоритмы работы системы неинвазивного оптоакустического исследования крови

4.1.6 Программное обеспечение системы неинвазивного оптоакустического

исследования крови

4.2 Выводы по главе:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Протоколы проведенных экспериментальных

исследований

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Акты и справки о внедрении

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование оптоакустического эффекта в движущейся среде в присутствии наноразмерных объектов и разработка на его основе метода неинвазивного исследования крови для мобильной медицины»

Актуальность темы исследования.

Инвазивная экстракция клеток из живой системы может изменять свойства клеток (например, морфологию или экспрессию маркера), что исключает долгосрочное исследование, например, крови и взаимодействия в ней форменных элементов в их родной сложной биологической среде. Таким образом, в настоящее время увеличивается потребность в разработке новых методов медицинской диагностики in vivo (в том числе для ранней диагностики опасных заболеваний) и новых методов контроля эффективности лечения in vivo на базе безопасных физических эффектов, в том числе оптоакустических методов с применением наноразмерных объектов. Неинвазивное оптоакустическое исследование крови, в основе которого лежит анализ крови с помощью ОА преобразования считается одним из перспективных и безопасных направлений медицинской диагностики, реализованных на базе этого физического эффекта. Кроме того, согласно данным, опубликованным рядом авторов в течении нескольких лет, усиливается тенденция применения наноразмерных агентов как контрастных объектов для терапии и диагностики в рамках ОА исследований крови [1-8].

Другой важной тенденцией является развитие мобильного здравоохранения (mHealth), которое направлено на обеспечение информационной поддержки пациентов и врачей, профилактику заболеваний и удаленное оказание медицинских услуг. Разработка различных диагностических устройств, которые можно подсоединять к мобильным вычислительным устройствам пациентов, и обработка получаемой информации на месте является наиболее перспективным направлением развития mHealth [9-12]. То есть, становится актуальным

применение технологии «туманных вычислений» для обработки данных в современных медицинских информационных системах [13-15].

Таким образом, разработка новых методов современных биомедицинских исследований на базе ОА исследований крови и их внедрение в mHealth становится актуальной научно-технической задачей при разработке новых медицинских информационных систем для интегрирования в стационарные системы биомедицинских исследований и в удаленные системы диагностики и мониторинга состояния здоровья человека.

Степень разработанности темы.

В последние годы в экономически развитых странах широко анонсируется запуск систем автоматической постановки медицинских диагнозов. Как показывают опросы общественного мнения, люди хотят получать все возможные услуги посредством использования мобильных приложений, в том числе, и медицинские услуги [9]. Так, компания «Intel» в сотрудничестве с «QIAGEN» разрабатывает технологическую платформу для биоинформатики, включающую в себя уже существующие базы медицинских данных по генетике заболеваний [16]. В нашей стране развиваются сети клинико-диагностических лабораторий (KDL, Invitro, «Гемотест» [17-19]), которые позволяют получать на электронную почту результаты сданных в медицинском учреждении анализов.

Современное общество идет по пути глобальной информатизации в области медицинской диагностики и терапии, начиная все более широко применять технологии мобильного здравоохранения (принятый термин mHealth). mHealth - это собирательное понятие, включающее в себя использование мобильных телефонов (а также планшетов, наладонников и любых портативных вычислительных устройств) и беспроводных технологий связи для получения и/или оказания любых медицинских услуг, а также для поддержания и соблюдения здорового образа жизни [20-24]. Но

в настоящее время отсутствуют полноценные диагностические системы для самостоятельного применения пациентами. Так, для того, чтобы сдать анализ крови, необходимо лично посетить медицинскую лабораторию. В крупных городах существуют мобильные лаборатории, но они не доступны в небольших или отдаленных населенных пунктах и их услуги имеют весьма высокую стоимость.

Существующие методы сбора анализов крови в основном инвазивные (например, портативные глюкометры), что существенно повышает риск самостоятельного занесения инфекции. Поэтому, для того, чтобы избежать неблагоприятных последствий при применении технологий тНеа1Ш, целесообразно применять неинвазивные методы исследований крови.

Новые технологии неинвазивного исследования крови должны быть реализованы на базе безопасных для человеческого организма физических принципов. Одним из таких эффектов является оптоакустический (ОА) эффект, который с начала 20 века нашел свое практическое применение в акустике. Перспективным и безопасным направлением медицинской диагностики считается метод ОА исследования крови [1,3,6,8,25-36].

В последние годы рядом авторов исследуются возможности применения наноразмерных агентов как контраста при диагностике крови ОА методом [8,37-40]. Данная технология пока не имеет клинического применения, потому что требуются более глубокие теоретические исследования и клинические испытания. Одним из значимых недостатков опубликованных трудов является то, что авторами проводятся экспериментальные исследования без теоретических моделей и не рассматривается влияние скорости кровотока на регистрируемое акустическое поле.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей диссертационной работы является изучение оптоакустического эффекта для биомедицинских исследований крови и разработка на его основе нового метода неинвазивного исследования крови с применением наноразмерных контрастных агентов с внедрением в сегмент мобильного здравоохранения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи диссертационной работы:

1. Разработать и аналитически исследовать теоретическую модель оптоакустического (ОА) эффекта в движущейся модельной жидкости в присутствии наноразмерных объектов как контрастных агентов.

2. На основе разработанной модели экспериментально исследовать процесс ОА преобразования в присутствии наноразмерных объектов в движущейся модельной жидкости, имитирующей кровоток человека.

3. Разработать метод и алгоритмы неинвазивного оптоакустического исследования крови с наноразмерными объектами в качестве контрастных агентов для сегмента мобильной медицины (mHealth).

Объект исследования - оптоакустический эффект в движущейся модельной жидкости, имитирующей кровоток.

Методы исследований - в диссертационной работе использованы методы, применяемые в области биомедицинских исследований, и методы нелинейной акустики: метод медленно изменяющегося профиля (предложенным Р.В. Хохловым), метод расчета амплитуды давления акустической волны при взаимодействии оптического излучения с твердым телом, находящимся в жидкости (предложенный Л.М. Лямшевым), метод расчета амплитуды давления акустической волны в движущейся среде (предложенный Д.И. Блохинцевым), метод передаточных функций.

Достоверность экспериментов обеспечивалась статистической повторяемостью результатов и сравнением с данными, полученными с помощью других методов и средств.

Научная новизна работы.

1. Разработана теоретическая модель оптоакустического возбуждения звука, позволяющая учитывать скорость движения модельной жидкости и влияние наноразмерных объектов.

2. Предложен метод оптоакустического исследования крови в присутствии наноразмерных объектов как контрастных агентов с использованием «туманных вычислений» для сегмента мобильного здравоохранения в части обработки, передачи и отображения медико-биологической информации, с помощью которого можно определять опасные заболевания уже на ранних стадиях их возникновения или вести мониторинг эффективности терапии.

Практическая значимость работы.

1. Разработана методика исследования влияния скорости потока на суммарное акустическое поле, возникающее при оптоакустическом возбуждении движущейся модельной жидкости в присутствии наноразмерных объектов.

2. Разработаны алгоритмы оптоакустического исследования крови с применением технологии «туманных вычислений» для сегмента мобильного здравоохранения.

3. Разработана структура системы и диагностического модуля неинвазивного оптоакустического исследования крови в присутствии наноразмерных объектов как контрастных агентов для сегмента мобильного здравоохранения.

Положения, выносимые на защиту.

1. Теоретическая модель оптоакустического возбуждения звука в движущейся модельной жидкости в присутствии наноразмерных объектов.

2. Результаты экспериментальных исследований влияния скорости движущейся модельной жидкости на суммарное акустическое поле в присутствии наноразмерных объектов.

3. Метод и алгоритмы неинвазивного оптоакустического исследования крови для сегмента мобильного здравоохранения с использованием технологии «туманных вычислений».

Основные результаты.

1. Рассмотрены методы медицинской диагностики и физические процессы при оптоакустическом преобразовании в биомедицинских исследованиях с использованием лазерного излучения. Показано что применение метода ОА исследования крови позволяет расширить возможности современных неинвазивных биомедицинских диагностических систем за счет учета скорости кровотока при разработке аппаратной части, а также применения наночастиц как контрастных агентов для повышения точности анализа. Рассмотрена актуальность проектирования систем для сегмента мобильного здравоохранения.

2. Рассмотрена биомеханическая модель кровотока в гемодинамике и процесс генерации акустического сигнала в результате оптоакустического преобразования в модельной жидкости. Учтено влияние скорости движения модельной жидкости. Разработана теоретическая модель оптоакустического преобразования в движущейся модельной жидкости, имитирующей кровоток человека, в присутствии наноразмерных частиц.

3. Разработана установка для экспериментальных исследований ОА эффекта в модельной жидкости, включающая кювету, имитирующую

кровоток в кровеносной системе человека. Подготовлены суспензии с концентрациями нанотрубок 0,5 г на 200 мл модельной жидкости.

4. теоретически определено, что скорость кровотока влияет на амплитуду суммарного акустического поля в потоке моделирующей жидкости в присутствии наноразмерных объектов в пределах 1-2% для скоростей движения от 2 см/c до 80 см/^ что соответствует скоростям кровотока. Установлено, при увеличении глубины проникновения лазерного луча в объект амплитуда суммарного акустического поля уменьшается нелинейно.

5. Предложена методика качественной оценки присутствия конгломератов наноразмерных объектов в движущейся модельной жидкости.

6. Экспериментально установлено качественное совпадение теоретических и экспериментальных результатов. Подтверждено, что теоретически рассчитанный профиль акустического сигнала совпадает с формой измеренного профиля акустического импульса разрежения.

7. Разработан метод неинвазивного оптоакустического исследования крови в присутствии наноразмерных объектов как контрастных агентов с применением технологии «туманных вычислений».

8. Разработаны система неинвазивного оптоакустического исследования крови, включающая диагностический модуль, и алгоритмы работы отдельных узлов системы в целях применения в сегменте мобильного здравоохранения.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность и обоснованность научных исследований

подтверждается теоретическими решениями, которые основаны на

применении математического аппарата нелинейной акустики и

сопоставлением полученных теоретических результатов с экспериментальными.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы прошли апробацию на следующих конференциях: ВНШ для молодежи «Нейробиология и новые подходы к искусственному интеллекту и к науке о мозге» (Таганрог, 2010 г.), 8-я ВНПК студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века - будущее российской науки» (Ростов-на-Дону, 2010 г), Шестая ВНК «Экология 2011 - Море и человек» (Таганрог, 2011 г), МНПК «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития», (Одесса, 2011 г.), Интернет-конференция «Научное творчество XXI века» (Красноярск, 2012 г.), Международный научный конкурс «Студент и научно-технический прогресс» (Таганрог, 2012 г.), НК «Сессия Научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества» (Таганрог, 2012 г.), XII ВНК молодых ученых аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление» (Ростов-на-Дону, 2014 г.), XI Международный форум «Оптические системы и технологии OPTICS-EXPO 2015», (Москва, 2015 г.), 5-я ВНТК «Суперкомпьютерные технологии», (с. Дивноморское, 2018 г.).

Внедрение результатов.

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ООО «А-МЕД», г. Таганрог; ЗАО «ОКБ «Ритм», г. Таганрог, и в учебный процесс в Институте нанотехнологий и приборостроения Южного федерального университета.

Ряд исследований выполнены при поддержке Минобрнауки РФ, соглашение № 14.A18.21.2081 от 14.11.2012 г., в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» , тема НИР «Проведение научных исследований в области многофункциональных биотехнических

систем оценки, коррекции и прогноза психофизиологического состояния человека».

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из 4 глав, введения, заключения, списка литературных источников, списка использованных сокращений и приложения.

Содержание диссертационной работы изложено на 176 страницах. В работе содержится 63 рисунка и 5 таблиц, список используемой литературы состоит из 137 наименований. В приложении А приведены протоколы экспериментальных исследований, в приложении Б предъявлены акты о внедрении полученных результатов.

Во введении содержится обоснование актуальности, сформулированы цель и задачи научного исследования. Дана структура и кратко приведено содержание диссертационной работы.

В первой главе проведен обзор литературных источников по оптоакустическим методам биомедицинских исследований организма человека в целом и крови в частности. На основе проведенного анализа сделаны выводы о недостатках и достоинствах уже существующих, а также вновь разрабатываемых неинвазивных системах оптоакустических биомедицинских исследований. Кратко рассмотрена технология тНеа1Ш и сделаны выводы о целесообразности применения в ней оптоакустического метода исследования крови в присутствии наноразмерных объектов в качестве контрастных агентов с применением технологии «туманных вычислений».

Во второй главе рассматривается моделирование распространения акустических волн в движущейся среде в присутствии наноразмерных объектов. Рассмотрена биомеханическая модель кровотока в гемодинамике. Разработана теоретическая модель оптоакустического преобразования в движущейся модельной жидкости, имитирующей кровоток человека.

Была определена степень влияния скорости кровотока на суммарное акустическое поле в присутствии наноразмерных объектов. Был проведен анализ статистических характеристик ОА преобразования в суспензии, которой является кровь, под действием лазерного импульса наносекундной длительности по методу Монте-Карло.

В третьей главе разработана схема эксперимента, лабораторная установка. Экспериментально подтверждено влияние потока модельной жидкости на регистрируемое акустическое поле. В результате проведенного анализа сделаны выводы об удовлетворительном совпадении результатов экспериментальных исследований и теоретических расчетов. Исследования проводились в Центре коллективного пользования «Лазерные технологии» Южного федерального университета.

В четвертой главе разработаны метод и алгоритмы ОА исследования крови в присутствии наноразмерных объектов как контрастных агентов с целью внедрения в мобильное здравоохранение. Новизной предложенного метода является применение технологии «туманных вычислений» в неинвазивном оптоакустическом исследовании крови для тНеа1Ш. Разработана структура системы неинвазивного оптоакустического исследования крови, схема электрическая функциональная диагностического измерительного модуля для системы, а также алгоритмы работы отдельных узлов системы.

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ НЕИНВАЗИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ В БИОМЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ НА БАЗЕ ОПТОАКУСТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

1.1 Методы диагностики и физические процессы при оптоакустическом преобразовании в биомедицинских исследованиях с использованием лазерного излучения

Исследования крови являются одним из фундаментальных инструментов биомедицинских исследований на протяжении многих лет. В основе большинства способов исследования крови лежат методы спектрального анализа. Однако, инвазивная экстракция клеток из живого организма приводит к необратимым изменениям свойств извлеченных клеток, таким образом, их исследования становятся менее информативными, так как не соответствуют свойствам клеток, находящихся в организме.

В настоящей диссертационной работе предложен метод, алгоритмы и система для медицинского технологического процесса, в котором суммируются последние достижения в области биомедицинских исследований - применение неинвазивного метода исследования крови на базе оптоакустического эффекта; в области материаловедения - применение наноразмерных объектов как контрастных агентов; в области информационных технологий - разработка метода и алгоритмов системы неинвазивного анализа для сегмента мобильного здравоохранения. Применение этого метода биомедицинского исследования позволит обнаружить нормальные клетки крови в разных функциональных состояниях (например, апоптотических и некротических), редкие аномальные клетки (например, циркулирующие опухолевые клетки,

раковые стволовые клетки, патогены, сгустки, серповидные клетки), а также проследить фармакокинетику наночастиц как контрастов.

Оптоакустический эффект - это генерация акустических волн при поглощении оптического излучения в веществе. В настоящей диссертационной работе источником акустических волн является лазерное излучение с длиной волны 1064 нм, мощность которого составляет 3 мДж, длина импульса лазера - 84 нс, частота следования импульсов - 10 кГц. При действии лазерного излучения на вещество возникают различные физические эффекты, которые более подробно рассмотрены в разделе 2.2. Мощность рассматриваемого в работе лазерного излучения выбрана таким образом, что воздействие не вызывает изменения агрегатного состояния вещества в области поглощения света, поэтому в качестве физического процесса, происходящего при оптоакустическом (далее - ОА) преобразовании рассматривается тепловой механизм генерации акустических волн.

ОА эффект нашел широкое применение в биомедицинских исследованиях, в настоящее время для общей оценки состояния здоровья человека существуют клинические системы на основе ОА эффекта, которые в согласно опубликованным данным принято называть методами ОА визуализации [25,31,33,39-44]. ОА визуализация - это медицинская технология молекулярной визуализации, где по математическому алгоритму получения рисунка строятся изображения с высоким разрешением в рассеивающей среде, например, в биологических тканях. Это новая перспективная медицинская технология, которая применяется для диагностики и оценки различных патологий наряду с уже существующими способами визуализации (томография, рентгеновские и ультразвуковые исследования). С помощью данной технологии [45] можно получить новую объективную информацию о здоровье пациента, например, уровень оксигенации, лежащей в основе ткани.

Преимуществами ОА визуализации являются высокая точность обработки изображений, более широкое поле обзора и более быстрое время сканирования, чем в других системах диагностики того же порядка стоимости. Многие исследовательские группы и компании разрабатывают новые технологии для систем сбора данных/обработки сигналов, геометрии детектора и акустического датчика [39,41,42,46,47].

В современных клинических системах ОА визуализации обычно используются три типа преобразователей изображения: линейный матричный преобразователь, изогнутый линейный матричный преобразователь и преобразователь объемной матрицы. Совершенствование параметров акустического датчика является актуальной задачей для дальнейшего повышения качества изображения ОА визуализации, что в будущем позволит успешно использовать данные системы в клинической практике согласно открытым источникам.

Оптико-акустические биомедицинские исследования представляют собой комбинированные лазерные и ультразвуковые методы диагностики состояния объектов, которые могут поглощать или отражать оптическое излучение. Информация о распределении тепловых источников в жидкой среде содержится во временном профиле ОА сигнала [42,45,48-51]. Следовательно, возможно провести восстановление распределения источников излучения в среде, проведя обработку измеренного ОА сигнала.

Методы и средства оптоакустики могут быть применены для решения любой задачи, где необходимо визуализировать объект, который обладает повышенным коэффициентом поглощения света сравнительно с поглощением света окружающей средой. В биологических и медицинских науках такой задачей является визуализация кровеносных сосудов, потому что для ближнего инфракрасного диапазона установлено, что коэффициент поглощения света кровью выше, чем коэффициент поглощения света другими биологическими тканями [48-51]. Следующей задачей является

диагностирование наличия злокачественных опухолей, так как для них характерно усиленное кровоснабжение. Еще одной задачей является диагностика термических разрушений, которые могут произойти в толще или вблизи поверхности биологической ткани [45,50,52]. ОА визуализация уже давно и широко применяется в спектроскопии, в материаловедении, химии и биохимии, а также в биомедицинских исследованиях.

Для диагностики общего состояния здоровья пациента и оценки эффективности терапии широко используются оптоакустическая ОА визуализация с помощью МРТ, рентгеновского излучения и флуоресцентной диагностики и другие методы [41,42,49,50]. С помощью ОА томографа проводят доклинические исследования с помощью молекулярной визуализации, проводят исследования головного мозга и т.д.

Современные методы позволяют не только проводить узконаправленные анализы, но даже визуализировать и наблюдать процессы межклеточных взаимодействий, дифференцировки и миграции клеточных органелл и события, происходящие внутри клетки в режиме реального времени [8,26,38]. Одновременно за счет открытий в материаловедении, изготовлении новых датчиков и усовершенствования способов обработки и передачи информации в последнее время способы исследования и анализа ОА сигналов набирают популярность [1,6,8,25,26,30-35,40-42,53].

Уровень ОА сигнала, который возбуждается в биологической ткани лазерными импульсами, допустимый с точки зрения безопасности здоровья пациента, должен быть не выше 103 Па [42]. В этом случае температура биологической ткани может увеличиваться на 10-2 ° С. Длина акустического импульса при этом зависит от размеров неоднородности а, которая поглощает оптическое излучение. Так, т = а / с0 , где с0 - скорость звука. На

выходе приемного устройства будут наблюдаться искажения формы ОА сигнала, которые определяются формой передаточной характеристики. Так,

длительность выходного импульса может быть ограничена на уровне Тпт = 1/ А/, где А/ - ширина полосы пропускания приемного устройства.

Исходя из этого, разрешение ОА системы зависит от минимальной величины неоднородностей, поглощающих оптическое излучение 8Х = ат[п = с0гт1п. Размер неоднородности можно рассчитать следующим

образом:

с

8Х к/. (1.1)

ОА визуализация биологических тканей объединяет оптическую диффузионную томографию и классическую ультразвуковую диагностику. Как было сказано выше, контраст полученного ОА изображения зависит от уровня контраста оптического поглощения между неоднородностью и окружающей его средой. При злокачественном новообразовании такой контраст составляет порядка 200% [4,42]. Одновременно с этим, можно достичь высокого пространственного разрешения, которое характерно для ультразвуковых методов исследования (0,1 -10 мм) и большой глубине зондирования (сантиметры).

Применение ОА визуализации - это диагностика и мониторинг сердечно-сосудистых заболеваний, мониторинг фармакодинамики, изменения в биологических средах, вызванных гемодинамикой, эндоскопия, визуализация кожных покровов, интрасосудистая визуализация, в том числе и в режиме реального времени и, конечно же, диагностика и мониторинг раковых заболеваний (визуализация рака молочной железы, метастатических сигнальных лимфатических узлов и прочее) [1,3,6,30-34,37,40,44].

1.2 Регистрация сигналов при оптоакустических биомедицинских исследованиях

В настоящее время широко распространены два подхода для регистрации оптоакустических сигналов. Первый метод называется интерферометрическим. В основе второго метода лежит регистрация акустического сигнала посредством пьезоэлектрических и пьезокерамических преобразователей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Орда-Жигулина Дина Владимировна, 2019 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Niu Z. et al. Improving the signal analysis for in vivo photoacoustic flow cytometry // Biophotonics and Immune Responses X. 2015. Vol. 9324.

2. Chen Y.-S. et al. Dynamic contrast-enhanced photoacoustic imaging using photothermal stimuli-responsive composite nanomodulators // Nat. Commun. Nature Publishing Group, 2017. Vol. 8. P. 15782.

3. Nolan J. et al. Novel in vivo flow cytometry platform for early prognosis of metastatic activity of circulating tumor cells (Conference Presentation) // Biophotonics and Immune Responses XII. 2017. Vol. 10065.

4. Liang P. et al. Triphenylamine flanked furan-diketopyrrolopyrrole for multi-imaging guided photothermal/photodynamic cancer therapy // Nanoscale. Royal Society of Chemistry, 2017. Vol. 9, № 47. P. 18890-18896.

5. Cao F. et al. Fast and Accurate Imaging of Lymph Node Metastasis with Multifunctional Near-Infrared Polymer Dots // Adv. Funct. Mater. Wiley Online Library, 2018. Vol. 28, № 16.

6. Wang Q. et al. Improving label-free detection of circulating melanoma cells by photoacoustic flow cytometry // Biophotonics and Immune Responses XIII. 2018. Vol. 10495.

7. Mansik Jeon Sungjin Lim R.W. Non-ionizing Non-invasive Functional Intestinal Imaging of Dynamic Gut Process Using Photoacoustic Tomography // Inflamm. Bowel Dis. Nature Publishing Group, 2016. Vol. 22.

8. Galanzha E.I. et al. In vivo flow cytometry of circulating clots using negative photothermal and photoacoustic contrasts // Cytom. Part A. Wiley Online Library, 2011. Vol. 79, № 10. P. 814-824.

9. Агаджанов M. mHealth — «мобильное» здравоохранение в

современном мире. [Электронный ресурс]. Электронный ресурс для IT-специалистов, издаваемый компанией «ТМ»: [сайт]. [2014] URL: https://habr.com/company/medgadgets/blog/227159/ (дата обращения 28.07.2018.)

10. Никитин П.В., Мурадянц А.А., Шостак Н.А. Мобильное здравоохранение: возможности, проблемы, перспективы. // Клиницист.2015. №4. С.13-20.

11. Честнов О.П., Бойцов С.А., Куликов А.А., Батурин Д.И. Мобильные технологии на службе охраны здоровья. // Журнал Медицинские технологии. 2015. №2. C.6-10.

12. Мобильное здравоохранение. Новые горизонты здравоохранения через технологии мобильной связи. [Электронный ресурс]. URL: Доклад о результатах второго глобального обследования в области электронного здравоохранения Серия «Глобальная обсерватория по электронному здравоохранению». Том 3. / Всемирная организация здравоохранения, 2013 г. 112 с.

13. Aazam M. H et al. E-HAMC: Leveraging Fog Computing for Emergency Alert Service // 2015 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communication Workshops (PerCom Workshops). 2015. P. 518-523.

14. Frank Alexander Kraemer, Anders Eivind Braten, Nattachart Tamkittikhun D.P. Fog computing in healthcare - a review and discussion // EEE Access. 2017. Vol. 5, № 9206-9222.

15. Tuan Nguyen Gia, Mingzhe Jiang, Amir-Mohammad Rahmani, Tomi Westerlund, Pasi Liljeberg H.T. Fog Computing in Healthcare Internet of Things: A Case Study on ECG Feature Extraction. // 2015 IEEE Int. Conf.

Comput. Inf. Technol. Ubiquitous Comput. Commun. Dependable, Auton. Secur. Comput. Pervasive Intell. Comput. 2015. Vol. 356-363.

16. QIAGEN and Intel Partner for High-Volume Genome Analysis [Электронный ресурс]. Корпорация Intel [Сайт]. [2018]. [Электронный ресурс]. URL: https://www.intel.ru/content/www/ru/ru/healthcare-it/solutions/documents/qiagen-analyzing-human-genome-paper.html (дата обращения 29.07.2018).

17. Сэкономьте на анализах прямо сейчас! [Электронный ресурс] // Официальный сайт компании KDL. [сайт]. [2018] URL: https://www.invitro.ru/offices/taganrog/ (дата обращения: 22.06.2018).

18. Каталог исследований [Электронный ресурс] // Официальный сайт компании «Гемотест» [сайт]. [2018] URL: https://www.gemotest.ru/catalog/po-laboratornym-napravleniyam/samye-populyarnye-issledovaniya/ (дата обращения: 22.06.2018).

19. Анализы на дому! [Электронный ресурс] // Официальный сайт компании INVITRO. [сайт]. [2018] URL: https://taganrog.kdldoma.ru/ (дата обращения: 22.06.2018).

20. Колосов А.С., Прошин А.В. Применение медицинских мобильных приложений в практике амбулаторно-поликлинического звена. // Международный научно-исследовательский журнал. 2018. №1(67). С.55-57.

21. Малюков С.П., Клунникова Ю.В., Бондарчук Д.А. Разработка и исследование структуры пленка-сапфир // Новые материалы. 2016. С. 258-259.

22. Долгаев С. И., Карасёв, М. Е., Кулевский, Л. А., Симакин, А. В., Шафеев, Г.А. Растворение в сверхкритической жидкости как механизм

лазерной абляции сапфира //Квантовая электроника. 2001. Т. 31. №. 7. С. 593-596.

23. Топ-10 Мобильных приложений для системы здравоохранения. [Электронный ресурс] // ТЕЛЕМЕДИЦИНА.Ки. Первое профильное СМИ: [сайт]. [2018]. [Электронный ресурс]. URL: url: https://telemedicina.ru/news/world/top-10-mobilnyh-prilozheniy-dlya-sistemy-zdravoohraneniya (дата обращения: 29.07.2018).

24. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика в 10 томах. Том 6. Гидродинамика. Учебное пособие. 5-е издание. Москва: Физматлит, 2001. - 732 с.

25. Cai C. et al. In vivo photoacoustic flow cytometry for early malaria diagnosis // Cytom. Part A. Wiley Online Library, 2016. Vol. 89, № 6. P. 531542.

26. Nedosekin D.A. et al. In vivo noninvasive analysis of graphene nanomaterial pharmacokinetics using photoacoustic flow cytometry // J. Appl. Toxicol. Wiley Online Library, 2017. Vol. 37, № 11. P. 1297-1304.

27. Viator J.A., Sutovsky P., Weight R.M. Detection of dilute sperm samples using photoacoustic flowmetry // Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2008: The Ninth Conference on Biomedical Thermoacoustics, Optoacoustics, and Acousto-optics. 2008. Vol. 6856.

28. Bhattacharyya K., Goldschmidt B.S., Viator J.A. Detection and capture of breast cancer cells with photoacoustic flow cytometry // J. Biomed. Opt. International Society for Optics and Photonics, 2016. Vol. 21, № 8.

29. Strohm E.M., Kolios M.C. Classification of blood cells and tumor cells using label-free ultrasound and photoacoustics // Cytom. Part A. Wiley Online Library, 2015. Vol. 87, № 8. P. 741-749.

30. Strohm E.M. et al. Classification of biological cells using a sound wave based flow cytometer // Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2016. 2016. Vol. 9708.

31. Gnyawali V. et al. Simultaneous ultrasound and photoacoustics based flow cytometry // Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2018. 2018. Vol. 10494.

32. Juratli M.A. et al. Real-time label-free embolus detection using in vivo photoacoustic flow cytometry [Electronic resource] // PloS one. Public Library of Science, 2016. Vol. 11, № 5. URL: http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0156269.

33. Cai C. et al. Photoacoustic flow cytometry for single sickle cell detection in vitro and in vivo // Anal. Cell. Pathol. Hindawi, 2016. Vol. 2016.

34. Wang Q. et al. Optimized signal detection and analysis methods for in vivo photoacoustic flow cytometry // Biophotonics and Immune Responses XII. 2017. Vol. 10065.

35. Zhou Q. et al. Label-free counting of circulating cells by in vivo photoacoustic flow cytometry // Biophotonics and Immune Responses XIII. 2018. Vol. 10495.

36. Liu R. et al. In vivo, label-free, and noninvasive detection of melanoma metastasis by photoacoustic flow cytometry // Biophotonics and Immune Responses IX. 2014. Vol. 8944.

37. Carey K.A. New photoacoustic platform for early detection of circulating clots to prevent stroke and other fatal thromboembolic complications (Conference Presentation) // Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2017. 2017. Vol. 10064.

38. Shah A.J. et al. Non-invasive molecular profiling of cancer using

photoacoustic imaging of functionalized gold nanorods // Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2014. 2014. Vol. 8943.

39. Galanzha E.I. et al. Photoacoustic and photothermal cytometry using photoswitchable proteins and nanoparticles with ultrasharp resonances // J. Biophotonics. Wiley Online Library, 2015. Vol. 8, № 1-2. P. 687-687.

40. Nedosekin D.A. et al. Photoacoustic bio-quantification of graphene based nanomaterials at a single cell level (Conference Presentation) // Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2017. 2017. Vol. 10064.

41. Тучин В.В. Оптическая биомедицинская диагностика //Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2005. Т. 5. №. 1.

42. Хохлова Т.Д., Пеливанов И.М., Карабутов А.А. Методы оптико-акустической диагностики биотканей // Акустический журнал. Том 4-5 (55). 2009. С. 672-683.

43. Zhang E. Z., Laufer J. B.P. Three-dimensional photoacoustic imaging of vascular anatomy in small animals using an optical detection system. // Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2007: The Eighth Conference on Biomedical Thermoacoustics, Optoacoustics, and Acousto-optics. - International Society for Optics and Photonics. 2007. Vol. 6437.

44. Yamaleyeva L.M. et al. Photoacoustic imaging for in vivo quantification of placental oxygenation in mice // FASEB J. Federation of American Societies for Experimental Biology Bethesda, MD, USA, 2017. Vol. 31, № 12. P. 5520-5529.

45. Кучмий А.А., Ефимов Г.А., Недоспасов С.А. Методы молекулярной визуализации in vivo обзор. // Биохимия. 2012. №12. С.1603-1620.

46. Кравчук Д.А., Старченко И.Б. Математическое моделирование оптикоакустического сигнала от эритроцитов. // Вестник новых медицинских технологий. № 1. 2018. С. 96-101.

47. Starchenko I.B., Kravchuk D.A., Kirichenko I.A. An Optoacoustic Laser Cytometer Prototype // Biomed. Eng. (NY). Springer, 2018. Vol. 51, № 5. P. 308-312.

48. Wonseok Choi, Eun-Yeong Park, Seungwan Jeon C.K. Clinical photoacoustic imaging platforms. // Biomed. Eng. Lett. 2018. Vol. 8. P. 139155.

49. Duck F.A. Physical properties of tissue. A comprehensive reference book. London, San Diego, N.-Y., Boston: Academic Press, 1990. 346 p.

50. Folkman J. The role of angiogenesis in tumor growth. // Semin. Oncol. 2002. Vol. 3. P. 65-71.

51. Yamasaki M., Sato S., Ashida H., Saito D., Okada Y O.M. Measurement of burn depths in rats using multiwavelength photoacoustic depth profiling // J. of. Biomed. Opt. 2005. Vol. 10.

52. Rice A. J. Q.C.M. Angiogenesis and ductal carcinoma in situ of the breast // J. Clin. Pathol. 55AD. P. 569-574.

53. Бычков А.С., Черепецкая Е.Б., Карабутов А.А. Улучшение пространственного разрешения изображения в оптоакустической томографии с помощью конфокальной антенны // Акустический журнал. 2018. Vol. 1, № 64. P. 71-77.

54. Karabutov A.A., Savateeva E.V. O.A.A. Optoacoustic tomography: New modality of laser diagnostic system. // Laser Phys. 2003. Vol. 13, № 5. P. 1-13.

55. Gao F. et al. Single laser pulse generates dual photoacoustic signals for differential contrast photoacoustic imaging // Sci. Rep. Nature Publishing Group, 2017. Vol. 7, № 1. P. 626.

56. Nima Z.A. et al. Targeting nano drug delivery to cancer cells using tunable, multi-layer, silver-decorated gold nanorods // J. Appl. Toxicol. Wiley Online Library, 2017. Vol. 37, № 12. P. 1370-1378.

57. Dobson P. Theranostics: A combination of diagnostics and therapy. [Электронный ресурс] // European medicine agency: [сайт]. [2010]. URL:: http ://www. ema. europa. eu/docs/en_GB/document_library/Presentation/ 2010/09/WC500096197.pdf (дата обращения: 08.02.2018).

58. Никифоров В.Н. Биомедицинские применения наночастиц // Наука и технологиии в промышленности. 2011. Том. 1. С. 90-99.

59. Наночастицы в медицине и фармацевтике [Электронный ресурс] // Научно-популярный портал "Вечная молодость." 2009. URL: http://www.vechnayamolodost.ru/articles/nanotekhnologii/navmif2a/?print=y. (дата обращения - 22.06.2018).

60. Nedosekin D.A. et al. Photoacoustic flow cytometry for nanomaterial research // Photoacoustics. Elsevier, 2017. Vol. 6. P. 16-25.

61. Akerman M.E. et al. Nanocrystal targeting in vivo // Proc. Natl. Acad. Sci. National Acad Sciences, 2002. Vol. 99, № 20. P. 12617-12621.

62. Gao X. et al. In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots // Nat. Biotechnol. Nature Publishing Group, 2004. Vol. 22, № 8. P. 969.

63. Drake P. et al. Gd-doped iron-oxide nanoparticles for tumour therapy via magnetic field hyperthermia // J. Mater. Chem. Royal Society of Chemistry, 2007. Vol. 17, № 46. P. 4914-4918.

64. Пат. 2526181 С2 РФ, МКИ А61К 49/04, A61K 49/18, B82B3/00, B82Y 5/00. Контрастные агенты на основе наночастиц для диагностической визуализации / Колборн Р.Э., 2011126275/15, заявлено 18.12.2009, опубликовано 08.07.2010.

65. Ho IT, Sessler JL, Gambhir SS J.J. Parts per billion detection of uranium with a porphyrinoid-containing nanoparticle and in vivo photoacoustic imaging. // Analyst. 2015. Vol. 140.

66. Koonce N.A. et al. Real-time monitoring of circulating tumor cell (CTC) release after nanodrug or tumor radiotherapy using in vivo flow cytometry // Biochem. Biophys. Res. Commun. Elsevier, 2017. Vol. 492, № 3. P. 507-512.

67. Hadjipanayis C.G. et al. EGFRvIII antibody--conjugated iron oxide nanoparticles for magnetic resonance imaging--guided convection-enhanced delivery and targeted therapy of glioblastoma // Cancer Res. AACR, 2010. P. 8-5472.

68. Джуплина Г.Ю., Закарян В.А., Калашников Г.В., Саенко А.В., Старченко И.Б. Экспериментальные исследования оптоакустического эффекта в модельных суспензиях нанотрубок и нановолокон с использованием инфракрасного лазера //Известия Южного федерального университета. Технические науки. №9(22). 2011. С.180-186.

69. Саватеева Е.В., Карабутов А.А., Панченко В.Я. Лазерная оптоакустическая спектроскопия биотканей // Сб. трудов ИПЛИТ РАН. Лазеры в биомедицине. 2005. С. 183-187.

70. Carey K.A. et al. Towards early in vivo photoacoustic malaria diagnosis with 10,000-fold sensitivity improvement (Conference Presentation) // Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2017. 2017. Vol. 10064.

71. Орда-Жигулина Д.В., Старченко И.Б. Лазерная диагностика движущихся жидкостей в биообъекте //Известия Южного федерального университета. Технические науки. Том № 11 (136). 2012. С. 54-57.

72. Кравчук Д.А., Кириченко И.А., Орда-Жигулина Д.В. Обзор методов использования наноразмерных объектов в биомедицинских исследованиях //Научные труды SWorld. 2015. Том №4 (5) С. 24-27.

73. Кравчук Д.А., Орда-Жигулина Д.В., Слива Г.Ю. Экспериментальные исследования оптоакустического эффекта в движущейся жидкости. // Известия ЮФУ. Технические науки. Том №4(189). 2017. С. 246-254.

74. Абдуллаев В.Г., Чуба И.В., Аскеров Т.К. Мобильные приложения для здоровья. // Медицинская информатика и инженерия. №3. 2014. С. 89-92.

75. Больница на дому с удаленным контролем врачей. [Электронный ресурс] // mHealth. Мобильная медицина в России и мире: [сайт]. [2018] [Электронный ресурс]. URL: https://mhealthrussian.wordpress.com/2018/04/03/больница-на-дому-с-удаленным-контролем/ (дата обращения: 22.06.2018).

76. Pew Internet & American Life Project. Internet, Broadband, and Cell Phone Statistics. [Электронный ресурс] Pew Reseach Center: [сайт]. [2010].. URL: http://www.pewinternet.org/Reports/2010/Internetbroadband-and-cell-phone-statistics.aspx?r=1 (дата обращения 29.05.2018).

77. Hossein Nejati, Victor Pomponiu, Thanh-Toan Do, Yiren Zhou, Sahar Iravani and N.-M.C. Smartphone and mobile image processing for assisted living // IEEE Signal Process. Mag. 2016. Vol. 33. P. 30-48.

78. Регирер С.А. Гидродинамика кровообращения. Москва: Мир,

1971. 270 с.

79. Белова Т.В., Завалишина С.Ю., Медведев И.Н. Физиология крови и кровообращения. Учебное пособие. Москва: Лань, 2015. - 176 с.

80. Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. Практическое пособие. Москва: Мир, 1981. - 624 с.

81. Мчедлишвили Г.И. Регуляция мозгового кровообращения. Тбилиси: Мецниереба, 1980. - 158 с.

82. Бурханов И.С., Кривохижа С.В., Чайков Л.Л. Вынужденное концентрационное (диффузионное) рассеяние света на наночастицах жидкой суспензии. //Квантовая электроника. №46. 2016. С. 548-554.

83. Трегубов В. П., Жуков Н. К. Компьютерное моделирование потока крови при наличии сосудистых патологий //Российский журнал биомеханики. Том №2 (21). 2017. С. 201-210.

84. Вервейко Н.Г., Сумец П.П., Воронкова А.А. Математическая модель пульсового движения крови в сосудах // Вестн. Воронежского гос. ун-та. № 3. 2003. С. 15-19.

85. Медведев А.Е. Двухфазная модель течения крови в крупных и мелких кровеносных сосудах // Математическая биология и биоинформатика. 2011. Том №2 (6). С. 228-249.

86. Наврузов К.Н. Реологическая модель структурно-гомогенной крови // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. Общество с ограниченной ответственностью «Издательский Дом «Академия Естествознания». № 8-1. 2014. С. 52-54.

87. Абакумова Т.В., Генинг Т.П., Михайлова Н.Л., Долгова Д.Р., Полуднякова Л.В. Физиология крови. Учебное пособие. Ульяновск: Ульяновский государственный университет, 2017. - 60 с.

88. Алипов Н.Н. Основы медицинской физиологии // М.: Практика. 2008. 496 с.

89. Бернштейн Н.А., Назаров А.И. Биомеханика и физиология движений. Изд-во Моск. психол.-соц. ин-та. 2004. - 687 с.

90. Липунова Е.А., Скоркина М.Ю. Физиология крови. 2007. С. 324.

91. Камкин А.Г., Каменский А.А. Фундаментальная и клиническая физиология // М. Академия. 2004. С. 405.

92. Атьков О.Ю., Балахонова Т.В., Горохова С.Г., Саидова М.А., Смольянинова Н.Г., Александрова-Тебенькова Е.Г., Аракелянц А.А., Попова Е.Ю. Ультразвуковое исследование сердца и сосудов / под ред. Атькова О.Ю. Москва: Эксмо, 2015. - 456 с.

93. Педли Т. Гидродинамика крупных кровеносных сосудов. Москва: Мир, 1983. - 400 с.

94. K.H. Parker. Instability in arterial blood flow. In Cardiovascular Flow Dynamics and Measurements. / ed. Normann. H.N.C.H. and N.A. 1977. 633 p.

95. R.M. Nerem W.A.S. An in vivo study of the nature of aortic flow disturbances. // Cardiovasc. Syst. Dyn. Model. Meas. 1972. № 6. P. 1-14.

96. Admin. Параболический и прямоугольный профиль скорости на входе в сосуд: сравнительный анализ [Электронный ресурс] // Биомеханика в России. 2013. URL: http:/biomechanics.pro/content/параболический-и-прямоугольный-профиль-скорости-на-входе-в-сосуд-сравнительный-анализ. (дата обращения - 28.10.2018 г).

97. Бурмистрова Л.В., Карабутов А.А., Портнягин А.И.,

Руденко О.В., Черепецкая Е.Б. Метод передаточных функций в задачах термооптического возбуждения звука. // Акустический журнал, №5(23), 1978. С. 655-663.

98. Лямшев Л.М., Ильичев В.Д. Лазерное термооптическое возбуждение звука. Москва: Наука, 1989. - 237 с.

99. Кинжагулов И.Ю. Модель термооптического возбуждения ультразвуковых волн в паяных тонкостенных изделиях. // Известия ВУЗов. Приборостроение. №7 (54). 2011. С. 39-44.

100. Волощенко А.П., Голосов П.С., Орда-Жигулина Д.В., Старченко И.Б. Особенности методов и средств исследования параметров жидких сред в медицине и гидроакустике // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2014. Том №1 (150). 2014. С. 7-13.

101. Лямшев Л.М. Возбуждение звука лазерными импульсами при оптическом пробое микронеоднородной жидкости // Письма в ЖТФ. Том № 8 (26). 2000. С. 56-64.

102. Касоев С.Г., Лямшев Л.М. О генерации звука в жидкости лазерными импульсами произвольной формы. // Акустический журнал. №4(24). 1978. С.534-539.

103. Касоев С.Г., Лямшев Л.М. К теории генерации звука в жидкости лазерными импульсами. // Акустический журнал. №6(23). 1977. С.890-898.

104. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. Москва: Наука, 1991. - 304 с.

105. Ахманов С.А., Гордиенко В.М., Карабутов А.А., Решилов А.Б., Руденко О.В., Шмальгаузен В.И. Теоретические и

экспериментальные исследования лазерной генерации нелинейного звука. / Труды IX Всесоюзной акустической конференции, 1977. С.25-28.

106. И.А. Кириченко. Исследование влияния неоднородного гидродинамического потока на спектр волны разностной частоты. // Известия Таганрогского радиотехнического университета. №2 6 (35). 2003. С. 69-72.

107. В.А. Воронин, И.А. Кириченко. Экспериментальное исследование влияния неоднородного гидродинамического потока на характеристики параметрической антенны. // Известия Таганрогского радиотехнического университета. №1(4). 1997. С. 118-120.

108. В.А. Воронин, И.А. Кириченко. Влияние неоднородного гидродинамического потока на поперечное распределение амплитуды волны разностной частоты. // Известия Таганрогского радиотехнического университета. №1(4). 1997. С. 42-45.

109. Д.И. Блохинцев. Акустика неоднородной движущейся среды. Москва: Наука, 1981. - 206 с.

110. Б.К. Новиков, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко. Нелинейная гидроакустика. Ленинград: Судостроение, 1981. - 264 с.

111. Л. Новотный, Б.Хехт. Основы нанооптики. Москва: Физматлит. 2009. 433 с.

112. Н.Л. Шимановский, В.Н. Кулаков, Е.Ю. Григорьева, А.А. Липенгольц. Наноразмерные частицы оксида железа для диагностики и гипертермической терапии в онкологии. // Российский биотерапевтический журнал. №12. 2011. С.25-32.

113. Н.Л. Шимановский, М.А. Епинетов, М.Я. Мельников. Молекулярная и нанофармакология. - Москва: Наука, 2010.624 с.

114. К.А. Наугольных, С.А. Рыбак, Ю.И. Скрынников. О нелинейном взаимодействии акустических волн в неоднородном потоке жидкости // Акустический журнал. Том № 39, выпуск № 2. 1993. С. 321325.

115. К.В. Гоголинский, З.Я. Косаковская, А.С. Усеинов, И.А. Чабан, Измерение упругих модулей плотных слоев ориентированных углеродных нанотрубок с помощью сканирующего силового микроскопа //Акустический журнал. Т. 6 (50). 2004. С. 770-770.

116. И.С. Грудзинская, З.Я. Косаковская, О.Б. Овчинников, И.А. Чабан. Оптоакустический эффект в плотных слоях ориентированных углеродных нанотрубок: Использование его для измерения коэффициента поглощения света и толщин пленок //Акустический журнал. 2006. Том № 3(52). С. 330-334.

117. Ф.В. Бункин Генерация звука в жидкости при поглощении в ней лазерного излучения c модулированной интенсивностью //Квантовая электроника. - 1975. - Т. 2. - №. 8. - С. 1763-1776.

118. Ф.В. Бункин В.М.К. Оптическое возбуждение звуковых волн // Акустический журнал. 1973. Vol. 19, № 3. P. 305-320.

119. В. Новацкий. Теория упругости. Москва: Мир, 1975. 256 с.

120. Г.Д. Мансфельд, Ю.В. Гуляев, З.Я. Косаковская, С.Г. Алексеев. Акустические и акустоэлектронные свойства углеродных нанотрубных пленок // Физика твердого тела. 2002. Том № 4 (44). С. 649651.

121. Н.И. Синицын, В.А. Елкин, А.Д. Григорьев. Микро и наноструктурирование водной компоненты биотканей в построении новых методов радиоэлектронных биомедицинских нанотехнологий

диагностики и терапии крайневысокочастотно-го и терагерцового диапазонов //Сб. докладов Второй всеросс. научно-технич. конф. «Электроника и микроэлектроника СВЧ». СПб:«ЛЭТИ» им. Ульянова (Ленина). 3-6 июня. 2013. - С. 98.

122. С.В. Егерев, О.Б. Овчинников, А.В. Фокин. Оптоакустическое преобразование в суспензиях: конкуренция механизмов и статистические характеристики. // Акустический журнал, №2(51), 2005. С. 204-211.

123. Andrew C. Tam. Applications of photoacoustic sensing techniques. // Rev. Mod. Phys. 1986. Vol. 58. P. 381-431.

124. Д.В. Орда-Жигулина, М.В. Орда-Жигулина И.Б. Старченко. Статистическая модель оптоакустического преобразования в движущейся жидкой среде в присутствии наночастиц для системы неинвазивного анализа крови // Инженерный вестник Дона. 2018. Том №3.

125. S.S. Alimpiev, Ya.O. Simanovskii, S.V. Egerev A.E.Pashin. Optoacoustic detection of microparticles in liquids at laser fluences below the optical breakdown threshold // Laser Chem. 1994. Vol. 16. P. 63-73.

126. Д.В. Орда-Жигулина, М.В. Орда-Жигулина, И.Б. Старченко Д.А. Кравчук. Экспериментальная установка для исследования оптоакустической проточной цитометрии // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. Научный журнал. 2018. Том №3 (6).

127. И.Б. Старченко, С.П. Малюков, Д.В. Орда-Жигулина, А.В. Саенко. Измерительный комплекс для лазерной диагностики биообъектов с использованием наночастиц на базе LIMO 100 // Прикаспийский журнал управление и высокие технологии. 2013. Том №2 (22). С. 166-173.

128. Д.В. Орда-Жигулина, М.В. Орда-Жигулина. Принципы

неинвазивного анализа крови на базе метода ОА проточной цитометрии с использованием технологии туманных вычислений // Материалы 5-й Всероссийской научно-технической конференции. Дивноморское, Геленджик. Том №2. 2018. С. 108-111.

129. Lawrenz. W. CAN System Engineering: From Theory to Practical Applications. 2nd ed. Springer, 2013. 375 p.

130. Marco Di Natale, Haibo Zeng, Paolo Giusto A.G. Understanding and Using the Controller Area Network Communication Protocol: Theory and Practice. Springer, 2012. 226 p.

131. К. Хадлстон. Проектирование интеллектуальных датчиков с помощью Microchip dsPIC. Киев: МК-Пресс, 2008. - 320 с.

132. Dr. Konrad Etschberger. Controller Area Network, Basics Protocols, Chips and Applications. IXXAT Automation GmbH, 2011. 430 p.

133. ГОСТ 21829-76. Система «Человек-машина». Кодирование зрительной информации. Общие эргономические требования.

134. ГОСТ 23000-78 Система «Человек - машина». Пульты управления. Общие эргономические требования.

135. ГОСТ 15971-90 Системы обработки информации. Термины и определения.

136. ГОСТ 22269-76 Система «Человек-машина». Рабочее место оператора. Взаимное расположение элементов рабочего места. Общие эргономические требования.

137. В. Ткаченко. Технология Wi-Fi [Электронный ресурс] // Обучение в интернет: [сайт]. [2011]. URL: http://www.lessons-tva.info/articles/net/003.html (дата обращения: 28.07.2018).

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

CAN - Controller Area Network - контроллер сети

GPRS - General Packet Radio Service - пакетная радиосвязь общего пользования Wi-Fi - Wireless Fidelity - технология беспроводной локальной сети АР - антенная решетка

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

ДМ - диагностический модуль

ЗОЖ - здоровый образ жизни

ИКЛМ - инфракрасного диапазона лазерный модуль

КТ - компьютерная томография

МВУ - мобильное вычислительное устройство

МРТ - магнитно-резонансная томография

МСКТ - мультиспиральная компьютерная томография

НСД - несанкционированный доступ

ОА - оптоакустический

ПО - программное обеспечение

ПП - пьезокерамический преобразователь

ППО - прикладное программное обеспечение

ПС - программные средства

ПТС - программно-технические средства

ПУ - персональный компьютер

ПЭП - пьезокерамический преобразователь

СМУ - сервер медицинского учреждения

СНИК - система неинвазивного исследования крови

СПО - специализированное программное обеспечение

УЗИ - ультразвуковое исследование

УНМ - углеродные наноматериалы

ЧМИ - человеко-машинный интерфейс

ЭКГ - электрокардиография

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Протоколы проведенных экспериментальных исследований

№1

ПРОТОКОЛ экспериментальных измерений

август 2018 года

1. Объект испытания: модельная жидкость с наноразмерными агентами.

Тип модельной жидкости: вода.

2. Цель испытания: измерение уровня шума в модельной жидкости без воздействия лазерного излучения при выключенной и включенной экспериментальной установке.

3. Место проведения испытания: ЦКП «Лазерные технологии» ЮФУ. Схема экспериментальной установки и состав оборудования

приведены на рисунке 3.1 и в главе 3 настоящей диссертационной работы.

В ходе экспериментальных исследований были измерен уровень шума при выключенной экспериментальной установке. Результаты показаны на рисунках 1 и 2.

X

а

£ МКС

Рисунок 1 - Зависимость амплитуды шумов от времени при выключенной установке

X

о

£ 3Í

Си X

X

/ МЛ/

Рисунок 2 - Спектр шума при выключенной установке

Измеренный уровень шума можно учитывать при последующих измерениях.

В ходе экспериментальных исследований были измерен уровень шума при включенной экспериментальной установке: (включен насос, измерительное оборудование, лазерный комплекс LIMO, но лазерное излучение не запущено). Результаты показаны на рисунках 3 и 4.

а

5-1----1

О 0,55 1,1 1,65 2,2

МКС-

Рисунок 3 - Зависимость амплитуды шумов от времени при включенной установке

о

к

РС

о *

« Сн

с

КЗ

Я

и с я £

од

с

с,

к

с, с

X

1 1* и1..

0

8

10

¿МГц

Рисунок 4 - Спектр шума при включенной установке

При выключенной установке в спектре сигнала наблюдается максимум на частоте 10, 13, 23, 27, 32,5 38 МГц. Самый большой уровень

шума при нормированной амлитуде 0,36 на частоте 13 МГц и 0,16 на частоте 23 МГц. Остальной уровень шума во всем диапазоне частот не превышает 0,1. Полученные данные измеренного уровня шума необходимы для его учета при последующих измерениях в движущейся модельной жидкости.

Соискатель кафедры ЭГА и МТ, ИНЭП ЮФУ

Орда-Жигулина Д.В.

ПРОТОКОЛ экспериментальных измерений №2 август 2018 года

1. Объект испытания: неподвижная и движущаяся модельная жидкость с наноразмерными агентами (вода).

Тип модельной жидкости: дистиллированная вода.

2. Цель испытания: измерение уровня звукового давления в подвижной и неподвижной модельной жидкости в результате ОА преобразования.

3. Место проведения испытания: ЦКП «Лазерные технологии» ЮФУ.

Схема экспериментальной установки и состав оборудования

приведены на рисунке 3.1 и в главе 3 настоящей диссертационной работы.

В ходе экспериментальных исследований была измерена зависимость амплитуды акустической волны, возникающей в результате ОА преобразования от времени и ее спектральная характеристика в движущейся и неподвижной дистиллированной воде.

Результаты измерений для движущейся воды со скорость 2,89 см/с и неподвижной воды показаны на рисунках 1, 2.

X, мкс

Рисунок 1 - Уровень акустического сигнала для движущейся и неподвижной воды (черная- неподвижная, синяя - подвижная вода)

8 10

/; мгц

Рисунок 2 - Спектры для движущейся и неподвижной воды (черная-неподвижная, синяя - подвижная вода)

Полученные данные для движущейся и неподвижной модельной жидкости являются эталонными для сопоставления с результатами измерений для модельной жидкости с наноразмерными агентами.

На рисунках 3 и 4 приведено сопоставление временной реализации и спектров для неподвижной и движущейся модельной жидкости (воды с наноразмерными объектами) с включенным фильтром.

1. МКС

Рисунок 3 - Сопоставление временных реализаций акустического сигнала для движущейся (красная линия) и неподвижной (синяя линия) модельной жидкости (воды) при включенном фильтре

*

0 12 3 4

/, МГц

Рисунок 4 - Сопоставление нормированных спектров движущейся (красная линия) и неподвижной (синяя линия) модельной жидкости (вода)

с включенным фильтром

На рисунке 1 на временной реализации для неподвижной модельной жидкости наблюдается многочастотный сигнал и смещение сигнала относительно оси абсцисс отсутствует. На временной реализации для движущейся жидкости наблюдается многочастотный сигнал и смещение сигнала относительно оси абсцисс в положительную область. На рисунке Зпоказана временная реализация для движущейся и неподвижной модельной жидкости (воды) при включенном фильтре.

Как следует из рисунков 4,5 для неподвижной модельной жидкости в спектре сигнала наблюдается максимум вблизи одной частоты 1 МГц, а при измерениях для движущейся жидкости происходит перераспределение спектра и появляются новые спектральные составляющие в районе 1-1,5 МГц.

Соискатель кафедры ЭГА и МТ, ✓ /

ИНЭП ЮФУ X Орда-Жигулина Д.В.

ПРОТОКОЛ экспериментальных измерений

№3 август 2018 года

1. Объект испытания: Модельная жидкость с наноразмерными агентами (углеродными нанотрубками).

Тип модельной жидкости: раствор глицерина 85%, раствор глицерина

50%.

2. Цель испытания: измерение уровня звукового давления в движущейся и неподвижной модельной жидкости в результате ОА преобразования.

3. Место проведения испытания: ЦКП «Лазерные технологии» ЮФУ. Схема экспериментальной установки и состав оборудования

приведены на рисунке 3.1 и в главе 3 настоящей диссертационной работы.

В ходе экспериментальных исследований была измерена зависимость амплитуды акустической волны, возникающей в результате ОА преобразования от времени и ее спектральная характеристика в движущейся и неподвижной модельной жидкости - раствор глицерина 85%. Результаты показаны на рисунках 1-8.

Результаты для неподвижной модельной жидкости показаны на рисунках 1 и 2.

Г, МКС

Рисунок 1 - Зависимость амплитуды акустической волны от времени для неподвижной модельной жидкости

о X

к

с

я X

о с

X

X

я я

с &

5 с-с ЕЕ

1

у! -к,. I

О

2 4 6 8

/ МГц

Рисунок 2 - Спектр акустической волны для неподвижной модельной жидкости

Результаты для движущейся модельной жидкости со скоростью 2,89 см/с без фильтра показаны на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3 - Зависимость амплитуды акустической волны от времени для движущейся модельной жидкости без фильтра

Рисунок 4 - Спектр акустической волны движущейся модельной

жидкости без фильтра

Результаты для движущейся модельной жидкости со скоростью 2,89 см/с при работающем фильтре показаны на рисунках 5 и 6.

Рисунок 5 - Зависимость амплитуды акустической волны от времени для неподвижной модельной жидкости при включенном фильтре

Рисунок 6 - Зависимость амплитуды акустической волны от времени для движущейся модельной жидкости при включенном фильтре

/, МКС

Рисунок 7 - Сопоставление зависимостей амплитуды акустической волны от времени для движущейся (синяя линия) и неподвижной (черная линия) модельной жидкости при включенном фильтре

] ЛЛй .... - -

0 2 4 6 8 10

/, МГц

Рисунок 8 - Сопоставление спектров движущейся (синяя линия) и неподвижной (черная линия) модельной жидкости

На рисунке 1 на временной реализации для неподвижной модельной жидкости наблюдается многочастотный сигнал и смещение сигнала относительно оси абсцисс отсутствует. На временной реализации на рисунке 3 для движущейся жидкости наблюдается многочастотный сигнал и смещение сигнала относительно оси абсцисс в положительную область. На рисунке 7 показана временная реализация для движущейся и неподвижной модельной жидкости при включенном фильтре.

На рисунке 9 представлено сопоставление движущейся и неподвижной модельной жидкости без наноразмерных объектов.

1

о К X

0

1 0,5 с- 5

.

са х

& -0,5 г

-1

0 0,55 1,1 1,65 2,2 2,75

I, МКС

Рисунок 9 - Сопоставление движущейся и неподвижной модельной жидкости (раствор глицерина 85%)без наноразмерных объектов

О 10

/ МГц

Рисунок 10 - Сопоставление спектров движущейся и неподвижной модельной жидкости (раствор глицерина 85%) без наноразмерных

объектов

В ходе экспериментальных исследований была измерена зависимость амплитуды акустической волны, возникающей в результате ОА преобразования от времени и ее спектральная характеристика в движущейся и неподвижной модельной жидкости - раствор глицерина 50%. Результаты показаны на рисунках 11-12.

Рисунок 11 - Зависимость амплитуды акустической волны от времени для неподвижной модельной жидкости (раствор глицерина 50%) с

включенным фильтром

Рисунок 12 - Сопоставление спектров движущейся (синяя линия) и неподвижной (красная линия) модельной жидкости (раствор глицерина

50%) при включенном фильтре

На рисунках 9, 11 на временной реализации для неподвижного глицерина при включенном фильтре, что соответствует красной кривой, наблюдается сигнал, по форме напоминающий профиль акустического сигнала, возникающего в среде в результате оптоакустического преобразования. На временной реализации наблюдается сильно зашумленный сигнал, но форма сигнала сохраняется. Такой высокий уровень шумов можно объяснить типом применяемого насоса в эксперименте. Для более точных измерений необходимо использовать малошумящий насос, который не будет давать дополнительных спектральных составляющих в диапазоне 1-10 МГц.

Аспирант кафедры ЭГА и МТ, ИНЭП ЮФУ

Орда-Жигулина Д.В.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Акты и справки о внедрении

УТВЕРЖДАЮ

Генеральный директор ЗАО «ОКБ «РИТМ»

Старовойтов Ю.Ю.

«

'2018 г.

АКТ

о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы ОРДА-ЖИГУЛИНОЙ Дины Владимировны на тему «Исследование оптоакустического эффекта в движущейся среде с нанотрубками и разработка технологии проточной цитометрии для мобильной медицины» по специальности 05.11.17 - приборы, системы и изделия медицинского назначения

Комиссия в составе: председатель Старовойтов Ю.Ю., члены комиссии: Слива А.С, Слива Г.Ю. составили настоящий акт о том, что теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы «Исследование оптоакустического эффекта в движущейся среде с нанотрубками и разработка технологии проточной цитометрии для мобильной медицины» использованы в перспективных разработках создания системы неинвазивиого анализа крови.

Использование указанных результатов позволяет: применять углеродные наноматериалы в качестве контрастных агентов для проведения неинвазивного анализа посредством оптоакустической проточной цитометрии, создать систему мобильной медицины для проведения неинвазивного анализа крови самостоятельно пациентом.

Генеральный директ

Председатель комис

Члены комиссии:

Заместитель генерал

Руководитель проек

Ю.Ю. Старовойтов

А.С. Слива

Г.Ю.Слива

УТВЕРЖДАЮ

Института

."'"'Л

»Ж".......-'"Ш

тф Шшх

Ш

технологии, ;рйетроники и роетроения Южного иверситета

А.А. Федотов 2018 г.

о внедрении в учебный процессгчаучных результатов диссертационной работы ОРДА-ЖИГУЛИНОЙ Д.В. «Исследование оптоакустического эффекта в движущейся среде в присутствии наноразмерных объектов и разработка на его основе метода неинвазивного исследования крови для мобильной медицины», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05 Л 1,17 - приборы, системы и изделия медицинского назначения

Комиссия в составе: председателя - зам. директора по научной работе, к.т.н., доцента Солодовника М.С. и членов комиссии - заведующего кафедрой ЭГА и МТ, д.т.н., профессора Тарасова С,П. и к.т.н., доцента Вишневецкого В.Ю. составила настоящий акт в том, что результаты научных исследований, полученные Орда-Жигулиной Д.В. в диссертационной работе, в частности:

- использование «туманных вычислений» в мобильном здравоохранении на примере системы неинвазивного оптоакустического исследования крови;

- метод и алгоритмы работы системы неинвазивного оптоакустического исследования крови для мобильного здравоохранения: подготовки системы неинвазивного оптоакустического исследования крови к первому самостоятельному запуску пациентом в медицинском учреждении, работы системы неинвазивного оптоакустического исследования крови при самостоятельном использовании пациентом, дальнейшей обработки первичных данных на мобильном устройстве пациента;

- структура системы неинвазивного оптоакустического исследования крови;

- структура диагностического модуля неинвазивного оптоакустического исследования крови и алгоритм его работы;

- описание программного обеспечения системы неинвазивного оптоакустического исследования крови, а также описание программных средств сервера медицинского учреждения и устройств врача (пациента)

использованы в учебном процессе кафедры ЭГА и МТ ИНЭП ЮФУ для студентов, обучающихся по направлению 12.03.04 - «Биотехнические системы и технологии» в рамках курсов «Основы моделирования биологических процессов и систем» и «Компьютерные технологии в медико-биологической практике».

Председатель комиссии, Зам, директора по научной работе к.т.н., доцент кафедры НТ МСТ

Члены комиссии:

М.С. Солодовник

д.т.н., профессор, зав. кафедрой ЭГА и МТ

к.т.н., доцент кафедры ЭГА и МТ

С,П, Тарасов В.Ю. Вишневецкий