PRIMENA FOTOAKUSTIČKE SPEKTROSKOPIJE U MEDICINI I BIOFIZICI Mira Terzić, PMF, Departman za fiziku, Trg Dositeja Obradvića 4, 21000 Novi Sad, Srbija i Crna Gora

Markus W. Sigrist, Institute of Quantum Electronics, ETH Hönggerberg, HPF D19,CH-8093, Zürich, Switzerland Janez Možina, University of Ljubljana, Faculty of Mechanical Engineering, Askerceva 6, 1000 Ljubljana, Slovenia

Dragan D. Markushev, Institute of Physics, P.O. Box 57, 11001 Beograd, Srbija i Crna Gora

Rad po pozivu

Sadržaj –Mada su biološki sistemi veoma kompleksni, fotoakustička (FA) tehnika uspešno se koristi za njihovu karakterizaciju. Pokazalo se da FA tehnika ima velike mogućnosti kao neinvazivan dijagnostički metod u medicini, kao što je merenje glukoze u krvi, analiza gasova u tragovima iz daha, vizualizacija unutrašnje strukture bioloških tkiva,... Ovde su opisane neke od primena i razvoj savremenih metoda FA spektroskopije u medicini i biofizici.

1. UVOD

U interakciji tkiva i energije laserskog zračenja može doći do refleksije, apsorpcije zračenja pojedinih delova tkiva, rasejanja zračenja, transmisije laserskog zračenja kroz tkivo, degradacije tkiva... Koji od navedenih efekata će doći do izražaja zavisi od optičkih osobina tkiva. Na osnovu interakcije laserskog zračenja sa materijom razvijene su različite metode za njeno proučavanje. Tako napr. jako inheretno rasejanje svetlosti i često promenljiva dubinska struktura čine da su biološki i medicinski uzorci prilično teški za istraživanja konvencionalnim spektroskopskim metodama. Različiti iztraživači pokazali su da se fotoakustički metod (FA), zasnovan na apsorpciji elektromagnetnog zračenja, povezan sa onim delom apsorbovane energije elektro–magnetnog zračenja koji prelazi u toplotu, može uspešno primeniti za proučavanje takvih uzoraka kao što je tkivo čoveka, krv ili biljke. Sem toga, FA metod se poslednjih godina veoma uspešno primenjuje za proučavanje osobina različitih gasovitih, čvrstih i tečnih sredina, a razvijaju se i različiti istrumenti zasnovani na FA principu [1–3]. U poredjenju sa optičkim apsorpcionim tehnikama, FA metod poseduje veliku osetljivost i selektivnost. Ovo je povezano sa činjenicom da pored uticaja optičkog apsorpcionog koeficijenta na FA signal, utiču i drugi fizički parametri, kao što su toplotna ekspanzija, specifična toplota i brzina akustičkog talasa. U literaturi pored termina “fotoakustika“ upotreblavaju se i termini “optoakustika” i “termoakustika”.

Analiziranjem tragova gasova iz ljudskog daha dobijaju se podaci o fiziološkim i patološkim procesima u telu čoveka. Za njihovu identifikaciju neophodan je metod velike osetljivosti. Pored toga metod treba da je neinvazivan, selektivan i da istovremeno omogući monitoring in situ. Jedna od metoda koja zadovoljava navedene kriterijume je FA metod. Velika osetljivost ovog metoda demostrirana je u mnogobrojnim publikacijama za kontrolu aerozagadjenja. Tipične vrednosti koje se pri tome postižu kreću se od ppb (ppb - 1:10-9) do ppt (ppt -1:10-12) [4–6]. Uporedo se razvijaja i neinvazivna PA metoda za direktna merenja gasova koja čovek izdiše [7] i za proučavanje efekta UV zračenja na kožu čoveka [8], i dr.

Dobijanje medicinske slike pomoću PA metod započinje ranih 90–tih godina. Već, sredinom 90-tih potvrđeno je da se iz oblika FA signala može utvrditi postorna raspodela apsorbovane elektromagnetne energije u tkivu [9]. Velika

osetljivost dovodi do primene FA efekta za vizuelizaciju unutrašnje strukture mekanih bioloških tkiva [10, 11], i za registrovanje kancera grudi [12], fotodinamičkoj terapiji kancera [13, 14] i dr.

Tradicionalne tehnike merenja glukoze u krvi su invazivne metode, što podrazumeva ekstrakciju krvi iz tela. Danas se razvijaju neinvazivne metode merenja glukoze i hemoglobina u krvi čoveka, među koje spada i osetljiv metod PA spektroskopije [15]. 1995. godine razvijen je prenosni neinvazivan monitor glukoze u krvi zasnovan na PA metodu [16]. Monitoring oslobađanja lekova i hemijske koncentracije u krvi [17].

Imajući i vidu veliku raznolikost kako u primenama tako i u istraživanjima FA efekta u medicini i biofizici u tekstu koji sledi biće dat samo kratak pregled nekih od primena i novijih istraživanja u ovim oblastima.

2. FOTOAKUSTIČKA SPEKTROSKOPIJA

Fotoakustička (FA) spektroskopija zasniva se na apsorpciji elektromagnetnog zračenja u nekoj sredini, što ima za posledicu lokalno zagrevanje zapremine u oblasti gde je došlo do apsorpcije. Zagrejani region ekspanduje, generišući talas pritiska – akustički talas (Sl. 1).

Sl. 1. Šematki prikaz formiranje FA talasa: apsorbovana energija lasera generiše toplotu, sledi toplotna ekspanzija

koja indukuje akustički talas

Za generisanje akustičkih talasa mogu se koristiti različiti svetlosni izvori. Danas su to, uglavnom, laseri različitih snaga, koji rade i u impulsnom i u kontinualnom režimu. Akustički talasi putem FA efekta mogu se formirati direktno (talas se javlja u uzorku u kome je došlo do apsorpcije elektromagnetnog zračenja) ili indirektno (talas se formira u sredini koja se graniči sa uzorkom).

Detekcija ovih talasa jedinstvena po tome, što ona direktno prati neradijacioni relaksacioni kanal. Za detekciju koriste se razni detektori: mikrofoni, piezoelektrični pretvarači, fiberi, tanki filmovi, laserska sonda i dr. Izbor detektora zavisi od usklađenosti impendance, sredine

Zbornik radova XLVIII Konf za ETRAN, Čačak, 6-10 juna 2004, tom III Proc. XLVIII ETRAN Conference, Čačak, June 6-10, 2004, Vol. III

175

(uzorka), kao i od parametara koje diktiraju sami eksperimentalni uslovi.

Pojavu fotoakustičkog efekta otkrio je Bell 1880. Ubrzo posle otkrića ovaj efekt praktično je bio zaboravljen. Razvitak osetljivih detektora za zvuk i otkrića intenzivnih svetlosnih izvora –lasera, dovode do naglog razvoja naučne, tehničke i medicinske primene FA efekta u različitim sredinama (gasovi, tečnosti, tkiva, čvrsta tela,...). Razlog toga su sledeće prednosti FA metoda:

– spektralna informacija: promena talasne dužine laserskog zračenja kojim se generišu akustički talasi dobijaju se apsorpcioni spektri pogodni za dalju analizu uzorka. Tako na primer pomoću laserskog zračenja dve bliske IC talasne dužine može se dobiti slika o oksigenaciji krvnih sudova.

– prostorna rezolucija, jednom generisan talas pritiska, tkivo usmereno rasejava i slabi. Dobijeni signali pritiska su verni kodovi prostorne informacije o tome kako je laserska energija deponovana u tkivu,

– velik kontrast (Sl. 2),

– merenja u realnom vremenu,

– velika selekivnost,

– FA metod je neinvazivan, nejonizacioni metod, sa ukupnim zagrevanjem tkiva <2.5 oC. Ovo obezbeđuje da je FA metoda neškodljiva za primene u medicini. Što se tiče dijagnostike, FA metod može da ukaže da li je tumor maligni ili benigni.

Sl. 2. Slika karcinoma dojke dobijena primenom različitih

metoda

Tradicionalna FA spektroskopija podrazumeva linearnu zavisnost između amplitude akustičkog talasa i intenziteta laserskog zračenja ( IP ∝a ). Međutim, FA dijagnostika se ne zadržava samo na proučavanju linearnih FA pojava, već se njome mogu proučavati i nelinearni procesi nastali u interakciji laserskih zračenja velikih intenziteta – nelinearna FA spektroskopija [18].

Svaki FA aparat sastoji se od tri osnovne komponente (Sl. 2):

– optičke: izvor laserskog zračenja, sistema za upravljanje parametrima laserskog zračenja,

– akustičke: FA ćelija sa uzorkom, FA detektor. U ovom delu aparature dolazi do generisanja i pretvaranja akustičkog talasa u električne signale, i

– električne: sistem za prikupljanje, pojačavanje, filtriranje, usrednjavanje, sakupljanje i obradu signala.

Sl. 3. Blok dijagram fotoakustičke aparture

Danas su razvijene mnoge metode za istraživanje različitih uzoraka zasnovane na FA efektu. FA spektroskopija je specifična po tome što meri stvarno

apsorbovanu energiju, dok rasejana svetlost ne doprinosi signalu. Imformacije o optičkim osobinama, lokacijama i strukturi absorbujućih objekata unutar uzorka dobijaju se iz analize izmerenih signala. Sem toga, apsorciona merenja optički neprozirnih uzoraka su moguća samo FA metodom.

3. FOTOAKUSTIČKI EFEKT I BIOLOŠKA TKIVA

FA talasi generišu se i u biološkim tkivima. Kada je tkivo izloženo laserskom zračenju, fotoni prodiru kroz tkivo do apsorbera. Selektivna apsorpcija dovodi do lokalnog zgrevanja tkiva, termoelastične ekspanzije, i do formiranja talasa (Sl. 4). Formiran talas se prostire kroz tkivo do njegove površine, gde se može detektovati.

Sl. 4. Šematski prikaz formiranja akustičkog talasa u tkivu

Koncept PA detekcije tkiva, zasniva se na činjenici da različiti tipovi tkiva imaju različite optičke apsorpcione koeficijente za datu talasnu dužinu (Sl. 5.) Pored optičkih parametara na formiranje i prostiranje imaju uticaj i drugi fizički parametri (ekspanzioni koeficijent, specifična toplota, toplotna provodljivost, akustička impendanca, brzina akustičkog talasa, i dr.). U tabeli 1. prikazane su neke od vrednosti ovih parametara za tkivo. Zahvaljući ovim varijacijama, diferencijacija različitih tipova tkiva, uključujući i kancer, mogu se oslikati (Sl. 2).

Sl. 5. Optičke osobine tkiva [19]

Za opis formiranja FA talasa u tkivima mogu se koristiti jednostavne teorije u kojima se razmatraju ponašanja FA talasa u tečnostima. Međutim, tkiva su sredine kod kojih dolazi do rasejavanja zračenja koje prolazi koz njih, te je ponekad neophono izvršti modifikcaju postojećih teorijskih razmatranja uzimajući u obzir ove efekte. U tekstu koji sledi je je dat kratak opis teorije formiranja FA talasa u tkivu.

176

Tab. 1. Parametri za tkivo relevantni za prostiranje akustičkih talasa [20]

gustina ]m[kg 3−

impendanca ]smkg[ 12 −−

akustičko slabljenje [dB cm-1]

koža 1012–`1065 1.51–1.84 3.7

mišići 1070 1.69 1.5

mast 950 1.38

krv 1060 1.62 0.15

voda 993 1.516 0.0022

Opadanje intenziteta zračenja )(zI sa rastojanjem z u slučaju kada nema rasejanja zračenja u tkivu opisuje se sa

)exp()0()( a zIzI ⋅−= µ ,

gde je )0(I intenzitet na površini tkiva, a je aµ optički apsorcioni koeficijent. Pritisak u svakoj tački duž apsorbujuće zapremine može se opisati sa

)exp()( a2p

a zRC

Ezp ⋅−= µπρµβ .

U gornjem izrazu sa B je označen bulk moduo tečnosti, β je koeficijent zapreminskog toplotnog širenja, ρ je gustina,

pC je specifična toplota, a E je energija upadnog zračenja.

U tkivima gde rasejanje dominira opadanje intenziteta opisuje se pomoću efektivnog atenuacionog koeficijenta

])1([3 saaeff µµµµ g−+=

( )zkIzI ⋅−= effexp)0()( µ ,

gde je sa sµ označen koeficijent rasejanja, g je redukovani koeficijent rasejanja, a k je konstanta. Kako je aksijalna raspodela svetlosti eksponencijalna, izraz za pritisak je istovetan pritisku u nerasejavajućoj sredini, samo što aµ zamenjuje sa effµ .

Na Sl. 6 prikazan je FA talasni oblik dobijen u aorti čoveka (post mortem) sa laserskim zračenjem talasne dužine od 532 nm.

Sl. 6. FA talas generisan u aorti (post mortem)

4. GASOVI IZ TELA I FA SPEKTROSKOPIJA

Primena FA efekta za ispitivanje gasnih sredina započinje ranih 1970-tih [21], a to je istovremeno i prva upotreba lasera za detekciju sastava gasnih sredina. Istraživanja koja slede pokazala su da FA spektrosopija gasova, zasnovana na FA efektu, je veoma osetljiva metoda za detekciju gasova u tragovima čije su koncentracije kreću od pptv (10-12), do ppmv (10-6). Razvijen metod za merenje polutatanata u atmosferi, kontrolu procesa proizvodnje, industrijska emisiona merenja, kvaliteta vazduha,...[22,23]

Gasovi proizvedeni u telu čoveka prenose se do pluća i razređuju pre nego što se izdahnu (u mirovanju zdrava osoba izdahne oko 1000 l h-1). Istraživanja su pokazala da se u gasovima koje čovek izdiše nalaze mnogi gasovi čije su koncentracije veoma male (reda ppbv ili pptv). Neki od ovih gasova su jedinstveni i kvantitativno povezani sa zdravstvenim stanjem čoveka. Analiza gasova u tragovima iz ljudskh pluća pruža informacije o nizu procesa koji se odigravaju u čovekovom organizmu. Tako je, na primer, prisustvo tragova amonijaka, azotoksida, aldehida i ketona u dahu čoveka povezano sa asmom, dijabetesom, kancerom i zagnojenim ranama. Prisustvo karbon disulfida, etilena butana i pentana je povezano sa neurološkim promenama. Praćenjem nivoa amonijaka u dahu pacijenta u toku dijalize, može se odrediti nivo azotne uree u krvi (BUN) na početku i u toku procesa i tačno ukazati kada je proces čišćenja kompletan. Stoga, mogućnost za brzim, tačnim i neinvazivnim određivanjem gasova u dahu pacijenta in situ i u realnom vremanu je ima velik značaj za dijagnozu, tretman i konačan rezultat kod dijalize.

Uobičajne analize daha čoveka se rade pomoću gasne hromatografije. Uzorci daha, sakupljaju se u odgovarajuće kontejnere, a pre njihove analize, oni se moraju pripremati, što ponekad traje satima; nisu mogića menja in situ, sem toga, ovaj metod je i nedovoljno osetljiv. PA spektroskopija pokazala se kao osetljiva i selektivna metoda za analizu hidrokarbona u čovečijem dahu [24].

Sl. 7. Formiranje akustičkih talasa u gasovima

Formiranje fotoakustičkog efekta u gasnim sredinama može se ukratko opisati na sledeći način. Pri ozračavanju gasa fotonima koje on apsorbuje dolazi do promene naseljenosti energijskih nivoa u molekulu: elektronskih u ultravioletnoj i vidljivoj oblasti spektra, oscilatorno–rotacionih u infracrvenoj, rotacionih u dalekoj infracrvenoj oblasti. Broj pobuđenih molekula zavisi od preseka za rezonantno pobuđivanje, energije laserskog zračenja, odnosa između trajanja laserskog impulsa i vremena relaksacije u molekulskoj sredini. Relaksacija ovih stanja ide putem radijacionih i neradijacionih prelaza. Neradijaciona komponenta dovodi do pretvaranja energije laserskog

177

zračenja u toplotnu energiju gasa sa istovremenom pojavom akustičkih talasa (Sl. 7.).

Signal detektovan nekim senzorom za pritisak, )(λS , za jednu vrstu molekula koja apsorbuje lasersko zračenje proporcionalan je srednjoj snazi laserskog zračenenja na talasnoj dužini λ , ( )λP [25]

( )λσλλ NPCS =)( ,

gde je C osetljivost FA sistema koja se određuje iz kalibracioih merenja, N je koncentracija čestica, a )(λσ je presek za apsorpciju. U realnim uslovima gas se sastoji od više od 1>n različitih komponenata, što rezultuje ukupnim apsorpcionim koeficijentom

∑=

==n

jjj njzacN

1tottot ,...,2,1);()( λσλα .

U gornjem izrazu sa jc je označena koncentracija gasa j

komponente, a totN označava ukupnu čestičnu koncentraciju molekula u gasnoj smeši.

Za merenja koncentracije gasova iz ljudskog daha koristi se jednostavna apratura (Sl. 8). Lasersko zračenje (najčešće CO2), odgovarajuće talasne dužine koje odgovara apsorpionoj liniji poznatog gasa prolazi kroz FA ćeliju. U ćeliju se unosi dah iz tela čoveka kroz masku ili neki drugi sistem. Dolazi do zagrevanja gasa, formuraju sa akustički talasi. Za njihovu detekciju koristi se osetljiv detektor (mikrofon). Proces za obradu akustičkih sisgnala je tako podešen da daje podatke o koncentraciji gasova. Kako je amplituda električnih signala sa mikrofona korelirana sa koncentracijom gasnih konstituenata, to ukoliko nema gasova u tragovima, nema ni signala sa mikrofona.

Sl. 8. Blok dijagram aparata za merenje koncentracije gasa

iz daha čoveka

Kao izvor laserskog zračenja najčešće se koristi CO2 laser čije se talasne dužine zračenja mogu menjati (oko 120 diskretnih talasnih dužaina između 9 µm i 11 µm), gde većina gasova značajnih za medicinska ispitivanja (amonijak, etilen) ima karakterističnu apsorpciju.

Pranalytica razvila je instumente Nephrolux and Nitrolux za detekciju amonijaka ppbv nivoa u dahu pacijenata koji je pod hemodijalizom. Istim instrumentom se simultano meri i nivo CO2 u dahu. Dimenzije ovih instrumenta su podešene za primene u klinici ( )185666 cm×× , a težina mu je manja od 40 kg. Ovaj instrument koristi CO2 laser (2W izlazne snage).

Instrument je zasnovan na inicijalnim kliničkim ispitivanjima u centru za dijalizu Los Angeles, Univerzitet u Kaliforniji, gde su urađena PA merenja nivoa amonijaka u dahu nekoliko pacijenata u toku dijalize. Istovremeno su uzimani uzorci krvi u intervalima od 15–30 min u toku dijalize za analizu urea azota (BUN). Korišen je CO2 laser čije su se talasne dužine menjale od R40 (traka 9 µm) do P50 (traka 10 µm), što je više od 120 diskretnih linija. Na ovim talasnim dužinama dve komponente (vodena para i CO2) iz daha takođe apsorbuju zračenje, što može da utiče na rezultat. Međutim, ispitivanja su pokazala da je za data merenja uticaj vodene pare zanemarljiv, dok su nezavisna merenja pokazala da je nivo CO2 relativno konstantan (oko 4% zapreminski).

Rezultati amonijaka iz daha bili su dostupni u realnom vremenu, dok su rezultati za BUN iz laboratorije bili dostupni 24 h kasnije. Dobijeni rezultati za amonijak iz daha i BUN pokazuju dobru korelaciju [26] (Sl. 9). Merenja koncentracije amonijaka iz daha daje podatak za prestanak dijalize pacijenta. Merenja amonijaka iz daha PA metodom primenjeno je i kod ispitivanja bolesti gde je amonijak jedan od markera za njihovo prisustvu u telu čoveka.

Sl. 9. Smanjvanje amonijaka iz daha i BUN u toku dijalize

Na osnovu urađenih testova mogu se navesti mnogobrojne prednosti “analize krvi bez krvi”. Pre svega metod je neinvazivan (ne koriste se igle za vađenje krvi), moguć je kontinualni monitoring (česta upotreba), rezultat se dobija odmah, a oporavak pacijenta je trenutan. Na osnovu dobijenih rezultata napravljen je gore opisan instrument.

Etilen je jedan od značajnijih isparljivih markera za slobodne radikale, koji su uzrok peroksidacije lipida i oštećenja ćelija u telu čoveka. Pokazano je da se PA metod može koristiti za farmakokinetiku etilena, kao alternativa gasnoj hromatografiji. Merenja u realnom vremenu i velika osetljivost PA detekcije omogućuju ispitivanja dinamičkih procesa u kratkom vremenu i na niskim koncentracijama. [27].

Efekat UV zračenja na kožu čoveka može se meriti na dva načina: analiziranjem daha čoveka ili detekcijom signala direktno sa kože. Za merenja preko daha testirana osoba se odmara ispod solarane klupe. Dah osobe preko odgovaraće cevi se transpotuje u FA ćeliju (detektor). FA spektrometrom prati se koncentracija etilena u plućima. Porast etilena u plućima je opažen sa kašnjenjem od 2 min (Sl. 10) i nastavlja se sve dok se solarijum ne isljuči (posle 15 min). Nakon čega sledi opadanje etilena.

Za merenja etilena preko kože čoveka upotrebljena je ćelija male površine koja se može osvetliti. Praćena je peroksidacija lipida kože. Pod uticajem UV zračenja formiraju se grupe reaktivnih kiseonika u koži. Ovi radikali mogu da unište lipid u ćelijskoj membrani produkujući hidrokarbonate kao što su etan, pentan i etilen. Korišćenjem PA efekta mogu se detektovati hidrokarboni.

178

Rezultati su pokazali da se mogu razlikovati brzo i sporo opadanje etilena. Brzo slabljenje je prouzrokovano nestankom etilena iz krvi, dok je sporo opadanje rezultat nakupljenog etilena u tkivima tela. Transport gasova kroz telo daje informacije za farmakološka ispitivanja.

Sl.10. Emisija etilena iz pluća čoveka i kože indukovana UV

zračenjem

Za ispitivanje za potrebe svemirskih misija razvijen je PFM/PAM sistem (European Space Agency). Sistem se sastoji od dva modula: plućni funkcijski moduo (PFM) i fotoakustički analizatorski (PAM). PFM/PAM sistemom mogu se meriti koncentracije nekoliko respiratornih gasova istovremeno(O2, CO2, CO, freona-22, SF6 i CH4,..) iz daha astronauta u svemirskim stanicama.

PAM moduo radi neinvazivno i zasniva se na činjenici da različiti gasovi apsorbuju IC zračenje na različitim, ali tačno određenim talasnim dužinama. U PAMu se uzorak daha deli na nekoliko malih test ćelija, a svaka od njih ima filter za određenu talasnu dužinu. Nakon uzimanja uzorka ćelije se izlažu IC zračenju. Dolazi do pojave PA efekta, a formirani akustički talasi se detektuju mikrofonima i dalje analiziraju.

Sa PAMom mogu se istovremeno analizirati šest različitih gasova. Metod ima isti red tačnosti kao i maseni spektrometar, ali je pogodniji za uputrebu.

5. KOŽA ČOVEKA I FOTOAKUSTIČKI EFEKT

U sastav kože ulazi voda, lipidi i proteini čija priroda utiče na njene optičke osobine. Optička apsorpcija za vodu, proteine i lipide je mala u oblasti 600–1000 nm (Sl. 5), što omogućava da zračenje dublje prodire u tkivo kože (od nekoliko stotina mikrometara do nekoliko milimetara). Ovo se može iskoristitit u različite svrhe što uključuje dijagnozu, oslikavanje ili terapiju.

Na talasnim dužinama od 600-1100 nm najznačajniji apsorberi fotona su krv i melanin, dok apsorpcija vode postaje dominantna za talasne dužine upadnog zračenja veće od 1150 nm. Kako je apsorcija melanina veća od apsorcije krvi i vode on je dominantan izvor apsorpcije u epidermu u ovoj oblasti talasnih dužina.

Tačna i ponovljiva neivazivna merenja epidermskog melanina (EMC) značajna su za primenu lasera u dermatologiji. Međutim, neinvazivna merenja EMC su komplikovana. Jedno od rešenja je primena FA metoda, obzirom da FA talas formiran u koži daje ekzaktnu distribuciju optičke apsorpcije u epidermu, odmah nakon ozračevanja.

Za merenje sadržaja (EMC) in vivo u koži koristi Nd:YAG laser koji radi na 532 nm sa impulsom od 4 ns i gustine zračenja oko 0.15–0.35 Jcm-2 (Sl. 11). Lasersko zračenja kroz fiber dospeva na površinu kože, gde je melanin apsorbuje i genereše se akustički talas koji se detektuje pomoću piezoelektričnog detektora (PZT) i dalje obrađuje pomoću kompjutera i odgovrajućih programa. Ozračena površina kože je konstantna i iznosi oko 100 µm. [28].

Sl. 11. Blok dijagram fotoakustičke aparature za merenje EMC in vivo u koži

Akustički talas formiran u koži (Sl. 11) može se opisati sa

( )zHzp aa µµ −Γ= exp21)( 00 ,

gde je )(0 zp početna amplituda na dubini z , aµ apsorpcioni koeficijent za hromofore, Γ je Gruneisenov koeficijent koji opisuje koji se deo opitčke energije transferisao u energiju termoelastične ekspanzije, 0H energija upadnog laserskog zračenja. Faktor 2/1 ukazuje da samo polovina akustičke energije putuje ka površini kože (ka gore), a taj deo se i meri. EMC se određuje iz analize ukupne akustičke energije,

∫∝ zzpE d)(0t koja je u direktnoj vezi melanina

tS

0t d)(PAMI

EA

zzpA ∫=

Sl. 12. FA signali za raličite klasifikacije kože

6. FOTOAKUSTIČKA MERENJA GLUKOZE

U telu čoveka glukoza je rastvorena u tečnosti ili krvi, koja se uglavnom sastoje od vode. Za određivanje nivoa glukoze koriste se različite tehnike. FA metod merenja glukoze spada u neinvazivne tehnike (tabela 2) koje se poslednjih 15 godina intenzivno ispituju. Već prva preliminarna FA merenja glukoze in vitro urađena 1993 [29] ukazala su na potencijal ove tehnike za njenu primenu kod neinvazivanih merenja glukoze. 1995. godine napravljen je portabl monitor zasnovan na FA metodu [30]. On koristi lasersku diodu (904 nm), a korelacije između rezultat dobijenim FA metodom i iz mernja krvi je 0.967.

179

Tab. 2. Neinvazivni metodi merenja glukoze

Na formiranje akustičkih talasa, kao i za njihovo prostiranje u krvi čoveka, značajnu ulogu imaju fizički parametri navedini u tabeli 3.

Tab. 3. Fizički parametri krvi relevatni za FA generaciju

Sl. 13. Šematski prikaz FA metoda merenja glukoze (a) i kontinualni neinvazivni monitor glukoze (Glucon Medical Petach-Tikva, Israel) (b) http://www.glukon.com

Za formranje akustičkih talasa koristi se lasersko zračenje koje apsorbuju molekuli glukoze (1000–1800 nm blisko IC zračenje). Ovo zračenje prodire nekoliko milimetara u kožu da bi inetragovalo sa glukozom, a rezultat toga je formiranje akustičkog talasa (Sl. 11a). Formiran talas se detektuje odgovarajućim detektorom lokalizovanim na koži čoveka. Veličina FA signala aP je proporcionalana optičkom apsorpcionom koeficijentu α

`p

a CvKP αβ

=

gde je K konstanta proporcionalnosti. Sa porastom koncentracije glukoze, brzina akustičkog talasa raste, v , dok specifična toplota opada, pC .

7. FOTOAKUSTIČKA TOMOGRAFIJA

Poslednjih godina intenzivno se ispituju neinvazivne i nejonizujuće metode za oslikavanje ljudskih tkiva. Tu spadaju i optičke tehnike, zasnovane na optičkoj apsorciji ili rasejanju svetlosti bioloških tkiva. Kako su biološka tkiva sredine koja jako rasejavaju svetlost, optičke tehnike oslikavanja imaju lošu prostornu rezoluciju, malu dubinu sondiranja i obično zahtevaju soficistirane algoritme za rekonstrukciju. Jedno od mogućih rešenja prevazilaženja problema je upotreba FA tomografije (FAT).

FAT je metod dobijanja slike nejonizacionim putem i zasniva se na razlici u apsorpciji zračenja različitih tkiva. Na primer, apsorpcioni kontrast između tumora dojke i normalnog tkiva dojke može se razlikovati i do 300% za lasersko zračenje talasne dužine od 1064 nm [31], a apsorcioni kontrast za krv i okolnu se razlikuje oko 1000 % za zračenje od 850 nm [32].

FAT je poznata je i pod imenom optoakustička (OAT) ili termoakusička tomografija (TAT) u zavisnosti koji se tip zračenja koristi za indukciju akustičkih talasa. Cilj FAT je lokalizacija strukture tkiva kao što su krvni sudovi ili pigmentirani slojevi, kao i njihove promene u toku terapeutskih laserskih primena.

Sl. 14. Šematski prikaz FAT metode

FAT se zasniva na FA efektu, a za formiranje akustičkih talasa u tkivima koriste se kratki laserski impulsi. Kao primer može poslužiti detekcija raka dojke. Zbog velike razlike u apsorpciji zdravog i bolesnog tkiva, lasersko zračenje apsorbuje bolesno tkivo i formira se akustički talas (Sl. 14), koji se prostire ka površini dojke gde se detektuje. Niz detektora je postavljen na površinu dojke, koji detektuju talase i šalju ka kompjuteru za obradu.

Ovom metodom se dobija optička slika veličine mm5050× sa razlaganjem mm7.05.0 − pri frekvenciji

obnavljanje kadrova Hz3 . Na Sl. 15. prikazana je slika mozga miša dobijena FAT na dubini od 8 mm. Radi poređenja na istoj slici je prikazana i anatomska fotografija. U realnom vremenu mogu se raditi merenja do 70 mm. Ovo omogućuje da se:

– otkrije rak u ranim stadijumima razvitka, kada je terapija efikasna,

– smanjuju se traume biopsije,

– da se u realnom vremenu kontrolišu hirurške operacije,

Tehnika Definicija

Bliska infracrvena spektroskopija

Emisioni ili apsorpcioni podaci u spektralnoj oblasti 0.7 µm – 2.5 µm porede se sa poznatim podacima za glukozu.

Infracrvena spektroskopija

Emisioni ili apsorpcioni podaci u spektralnoj oblasti 2.5 µm – 25 µm koriste se za određivanje glukoze.

Ramanova spektroskopija

Laserska svetlost se koristi da indukuje emisione prelaze u blizini pobuđenog nivoa

Promena rasejanja Rasejana svelost se može koristiti da indicira promene u ispitivanom materjalu

Polarizacione promene

Prisustvo glukoze u fluidu menja polarizacione transmitovane svetlosti

FA spektroskopija Iz analize akustičkih talasa generisanih u tečnostima određuje se nivo glukoze

Toplotni ekspanzioni koeficijent [10-4 0C]

2.5 (15 –20 0C) (15 –20 0C) 4.0 (35–40 0C)

Specifična toplota [J.kg-1K-1] 3624 (37.5 0C) Gustina [kg.cm-3] 1052–1064 Akustička brzina [m.s-1] 1584 (37 0C)

Ultrazvučna atenuacija [dB.cm-1] 2.55 (10 MHz; 37 0C)

180

– zahvaljujući velikom prostornoj rezoluciji i neinvazivnom karakteru dijagnostika, mogu se izmeriti i ispitati promene u tkivima u svim etapama patoloških razvoja. Najbolja očevidna primena je kod dijagnostike raka dojke u ranom stadijumu.

Sl.15. Slika mozga miša dobijena FAT na dubini od 8 mm

anatomska fotografija. CB cerebellum, VL venticuli laberalis, HC hippocampus.

Oraevsky i saradnici [33] razvili FA sisteme LOIS i LOIS II, za detekciju kancera dojke in vivo [Sl 16]

Sl. 16. Šematski prikaz sistema LOIS za detekciju kancera

dojke u ranom stadijumu in vivo

ZAKLJUČAK

Dat je prikaz nekih od primena FA spektroskopije, kao i razvoj novih dijagnostičkih tehnika zanovanih na FA efektu u medicini i biofzici. Može se zaključiti da je FA spektroskopija jedna od novijih tehnika u medicinskoj dijagnostici. Glavne osobine FA metode su:

• neinvazivna i nejonizujuća metoda,

• odlikuje se velikom osetljivošću

• omogućava merenja u realnom vremenu,

• moguća su merenja in vivo,

• mogu se oslikati tkiva čoveka,

• metoda je selektivna.

LITERATURA

[1] M.W. Sigrist, Photoacoustic Spectroscopy, Methods and Instrumentation, in Encyclopedia of Spectroscopy

& Spectrometry, Vol. 3, Academic Press, London UK, 1999.

[2] M. Terzić i J. Jovanović–Kurepa, Linearna fotoakustička spektroskopija –metodologija i ispitivanje molekula, Novi Sad: Univerzitet: Prirodno–matematički fakultet, (Novi Sad: Futura publikacije), 2000.

[3] D. Horvat and J. Možina, “Optodynamic measurement of ultrasound propagation in liquids”, Insight, vol. 42, pp. 792–795, 2000.

[4] D. Marinov and M.W. Sigrist, “Monitoring of Road-traffic Emission with Mobile Photoacoustic System” Photochem. and Photobiol. Sciences, vol. 2, pp. 774–778, 2003.

[5] D.D. Markushev, M. Terzić, P. Vujković Cvijin and J. Jovanović–Kurepa, in “Application of Photonic Technology”, Eds. A. Lambropouos, J. Chrostoeski, and R.M Measures, Plenum Press, New York, pp. 241–244, 1995.

[6] F. Müller, A. Popp, and F. Kühnemann, “Transportable, highly sensitive photoacoustic spectrometer based on a continuous-wave dualcavity optical parametric oscillator,” Optics Express, vol. 11. pp. 2820–2825, 2003.

[7] G. Giubileo, L. De Dominicis, R. Fantoni, M. Francucci, A. ongiu Castellano, M. G.Furfaro, S. Gaudenzi, A. Antonini, and C. C. Lombardi, “Photoacoustic detection of ethylene Traces in biogenic gases”, Laser Physics, vol. 12, pp. 653-655, 2002

[8] F. J. M. Harren, R. Berkelmans, K. Kuiper, S. Lintel Hekkert, P. Scheepers, R. Dekhuijzen, P. Hollander, and D. H. Parker, “On-line laser photoacoustic detection of ethene in exhaled air as a biomarker of ultraviolet radiation damage of the human skin,” Appl. Phys. Lett., vol. 74, pp. 1761–1762, 1999.

[9] A.A. Oraevsky, S.L. Jacques, and F.K. Tittel, “Determination of tissue optical properties by piezoelectric detection of laser-induced stress waves ,” Proc. SPIE, vol. 1882, pp. 86-101, 1993.

[10] C. G. A. Hoelen, F. F. M. de Mul, R. Pongers, and A. Dekker, ‘‘Threedimensional photoacoustic imaging of blood vessels in tissue,’’ Opt. Lett., vol. 23, pp. 648–650, 1998.

[11] X. Wang, Yuan Xu, Minghua Xu, S. Yokoo, E.S. Fry and L.Wang. “Photoacoustic tomography of biological tissues with high crosssection resolution: Reconstruction and experiment.” Medical Physics, vol. 29, pp. 2799-2805, 2002.

[12] A. A. Oraevsky, V. A. Andreev, A. A. Karabutov, D. R. Fleming, Z. Gatalica, H. Singh, and R. O. Esenaliev, ‘‘Laser optoacoustic imaging of the breast: detection of cancer angiogenesis,’’ Proc. SPIE, vol. 3597, 352–363, 1999.

[13] D. Frackowiak, “Application of photothermal methods in biophysics and in medicine”, Current Topics in Biophysics, vol. 25, p. 11–18, 2001.

[14] J.A.Viator, G. Paltauf, S.L. Jacques, and S.A. Prahl, “Design and testing of an endoscope photacoustic probe for determination of treatment depth after

181

photdynamic therapy,” Proc. SPIE, vol. 4256 pp. 16-27 2001.

[15] A.A. Bednov, A.A. Karabutov, E.V. Savateeva, W.F. March and A.A. Oraevsky, “Monitoring glucose in vivo by measuring laser-induced acoustic profiles”, Proceedings of SPIE, vol. 3916: pp. 9–18. 2000.

[16] A. Duncan, J. Hannigan, S.S. Freeborn, P.W.H. Rae, B. Mclver, F. Greig, E.M. Johnston, D.T. Einnie and H.A. MacKenzie, “ A portable non-invasive blood glucose monitor”, Transducers’95, Eurosensors IX: pp. 455–458, 1995.

[17] Zhao, Z. Myllyla, R. “Photoacoustic determination of glucose determination in whole blood using a near-infrared laser diode,” Proc. SPIE vol. 4256, pp. 77-83 2001.

[18] M. Terzić, D.D. Markushev, J. Jovanović-Kurepa “Photoacoustic Observations on Multiphoton Absorption and Relaxation Parameters in Gas Mixtures” Rev. Sci. Instrum., vol. 74, pp. 322-324 2003.

[19] S.L. Jacque, “Origins of tissue optical properties in the UVA, visible and NIR regions”, OSA TOPS on advances in optical imaging and photon migration vol. 2, pp. 364-371, 1996.

[20] F.A. Duck, Physical Properties of Tissue: a Comprehensive Reference Book, Academic Press Inc., San Diego. 1990.

[21] L.B. Kruzer, ‘Ultralow Gas Concentration Infrared Absorption Spectroscopy”, J. Appl. Phys. vol. 42, pp. 2934–2943, 1971.

[22] M. Nagele, M.W. Sigrist, “Mobile laser spectrometer with novel resonant multipass photoacoustic cell for trace-gas sensing” Appl. Phys. B, vol. 70, pp. 895–901, 2000.

[23] F.J.M. Harren, G. Cotti, J. Oomens, S.L. Hekkert, “Photoacoustic spectroscopy in trace gas monitoring”, in Encyclopedia of Analytical Chemistry, R.A. Meyers Ed., Wiley, Chichester 2000., pp. 2203–2226

[24] F.J.M. Harren, R. Berkelmans, K. Kuiper, H.S. Lintel, P. Scheepers, R. Dekhuijzen, P. Hollander, D.H. Parker, “On-line laser photoacoustic detection of ethene in exhaled air as biomarker of ultraviolet radiation of the human skin” Appl. Phys. Lett., vol.74, pp. 1761–1763, 1999.

[25] M.W. Sigrist, Ed. "Air Monitoring by Spectroscopic Techniques", Chemical Analysis Series, vol. 127 Wiley, New York, 1994, pp. 560, 1994.

[26] C.K.N. Patel, “Sensitive Analysis of breath gases for bloodless blood tests”, Gases and Techn., May/June, pp. 24–30, 2002.

[27] H.W.A. Berkelmans, B.W.M. Moeskops, J. Bominaar, P.T.J. Scheepers,and F.J.M. Harrenb, “Pharmacokinetics of ethylene in man by on-line laser photoacoustic detection”, Toxicology and Apll. Pharmacology, vol. 190 pp. 206–213, 2003.

[28] John A. Viator,_w Jason Komadina, Lars O. Svaasand,wy Guillermo Aguilar,wz Bernard Choi,w and J. Stuart Nelsonw “A Comparative Study of Photoacoustic and Re.ectance Methods for Determination of Epidermal Melanin Content”, J Invest Dermatol. vol. 220, pp. 1, 2004.

[29] H.A. Mackenzie, G.B. Christison GB, P.Hodgson P and D. Blanc, “A laser photoacoustic sensor for analyte detection in aqueous systems”, Sensors and Actuators B, vol 11, pp. 213-220, 1993

[30] A. Duncan, J. Hannigan, S.S. Freeborn, P.W.H. Rae, B. Mclver, F. Greig, E.M. Johnston, D.T. Einnie and H.A. MacKenzie, “A portable non-invasive blood glucose monitor”, Transducers’95, Eurosensors IX: pp. 455-458, 1995.

[31] A. A. Oraevsky, V. A. Andreev, A. A. Karabutov, D. R. Fleming, Z. Gatalica, H. Singh, and R. O. Esenaliev, ‘‘Laser opto-acoustic imaging of the breast: detection of cancer angiogenesis,’’ Proc. SPIE, vol. 3597, pp 352–363, 1999.

[32] C. G. A. Hoelen, F. F. M. de Mul, R. Pongers, and A. Dekker, ‘‘Threedimensional photoacoustic imaging of blood vessels in tissue,’’ Opt. Lett. vol. 23, pp. 648–650, 1998.

[33] A.A.Oraevsky, E.V..Savateeva, S.V.Solomatin, A.A. Karabutov, V.G. Andreev, Z. Gatalica, T. Khamapirad, P.M. Henrichs, “Optoacoustic imaging of blood for visualization and diagnostics of breast cancer”, Proc. SPIE, vol. 4618 pp. 81–94, 2002.

Abstract – Although the biological systems are very complex, photoacoustic (PA) techniques have been used successfully to characterize them. It was shown that PA technique has potential ability in non-invasive diagnostic methods in medicine, such as blood glucose measurements, in-vivo monitor and analysis of trace components of human breath, for visualizing the internal structure of soft biological tissues,.. Few modern PA methods, as well as the developing of new methods based on PA effect are presented.

APPLICATION OF PHOTOACOUSTIC SPECTROSCOPY IN MEDICINE AND BIOPHYSICS

Mira Terzić, Markus W. Sigrist, Janez Možina, and Dragan D. Markushev

182