Модель влияния коэффициента поглощения среды на оптоакустический сигнал при различных концентрациях глюкозы и уровня сатурации (2022)
Для оптоакустического отклика проведены расчеты коэффициента поглощения биологической среды в зависимости от концентрации гемоглобина и сатурации крови. Приведенный метод позволит проведение диагностики состава крови на предмет количественной оценки содержания гемоглобина. Проводимые исследования позволили установить процесс увеличения коэффициента поглощения среды при увеличении концентрации глюкозы в крови и, как следствие, уменьшение амплитуды ОА сигнала. Рассчитана зависимость амплитуды ОА сигнала от коэффициента поглощения ткани при уровнях сатурации крови 60 %, 80 % и 90 %.
On the basis of the optoacoustic effect, the absorption coefficient of the biological medium was calculated depending on the hemoglobin concentration and blood saturation. The above method will allow for the diagnosis of blood composition for a quantitative assessment of hemoglobin content. The ongoing studies made it possible to establish the process of increasing the absorp-tion coefficient of the medium with an increase in the concentration of glucose in the blood and, as a result, a decrease in the amplitude of the OA signal. The dependence of the OA signal am-plitude on the tissue absorption coefficient was calculated at blood saturation levels of 60 %, 80 %, and 90 %.
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- УДК
- 004.418. Внедрение программного обеспечения
535.015. Оптические явления, зависящие от свойств элементов оптической системы (кроме воздуха и других окружающих сред)
57.087.1. Биометрия. Статистическое изучение и обработка биологических данных - Префикс DOI
- 10.51368/1996-0948-2022-5-63-66
- eLIBRARY ID
- 49606213
В результате работы были выявлены закономерности изменения амплитуды оптоакустического сигнала, вызванные вариациями коэффициента поглощения среды. В качестве параметров, влияющих на коэффициент поглощения, были выбраны концентрация глюкозы и уровень сатурации крови [1, 12, 13].
При математическом моделировании ОА отклика от модельной среды были получены следующие результаты:
выявлено ослабление амплитуды ОА сигнала при уменьшении кислородонасыщения крови;
выявлено увеличение коэффициента поглощения среды при увеличении концентрации глюкозы в крови и, в связи с этим, уменьшение амплитуды ОА сигнала.
В данной работе рассматривалось изменение акустического сигнала, вызванное изменением коэффициента поглощения и флуктуацией расстояния до модельных эритроцитов, остальные параметры оставались постоянными.
Список литературы
- Гусев В. Э., Карабутов А. А. Лазерная оптоакустика. – М.: Наука, 1991.
- Кравчук Д. А., Старченко И. Б., Орда-Жигулина Д. В., Воронина К. А. // Акустический журнал. 2021. № 67. С. 345.
- Гарипов И. И. // Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 18.
- Кожохина Е. В. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2011. № 2(72). С. 157.
- Nachabe R., Evers D. J., Hendriks B. H., Lucassen G. W., van der Voort M., Wesseling J., Ruers T. J. // Biomedical Optics Express. 2011. Vol. 2. P. 600.
- Лысенко С. А. Методы оптической диагностики биологических объектов. – Минск: БГУ, 2014. ISBN 978-985-518-982-5.
- Zhang H. F. et al. // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 90. № 5. P. 053901.
- Swearingen J. A. et al. // SPIE. 2010. Vol. 15. № 1. P. 016019. https://doi.org/10.1117/1.3316297.
- Kruger R. A. et al. // Med. Phys. 2010. Vol. 37. № 11. P. 6096.
- Zhang H. F. et al. // Nat. Biotechnol. 2006. Vol. 24. № 7. P. 848.
- Cai C. et al. // Anal. Cell. Pathol. 2016. Vol. 2016.
- Кравчук Д. А. // Прикладная физика. 2021. № 6. С. 63.
- Kravchuk D. A., Voronina K. A. // J. Biomed. Photonics Eng. 2020. Vol. 6. № 1. P. 010307.
- V. E. Gusev and A. A. Karabutov, Lasernay optoacoustic. (Nauka, Moscow, 1991) [in Russian].
- D. A. Kravchuk, K. A. Voronina, I. B. Starchenko, and D. V. Orda-Zhigulina, Acoustical phisics 67, 345 (2021).
- I. I. Garipov, Bulletin of the Kazan Technological University, No. 18 (2014) [in Russian].
- E. V. Kozhokhina, Scientific and technical bulletin of information technologies, mechanics and optics, No. 2(72), 157 (2011) [in Russian].
- R. Nachabe, D. J. Evers, B. H. Hendriks, G. W. Lucassen, M. van der Voort, J. Wesseling, and T. J. Ruers, Biomedical Optics Express 2, 600 (2011).
- S. A. Lisenko, Metody opticheskoi diagnostiki biologicheskikh ob“ektov. (Minsk, 2014). ISBN 978-985-518-982-5 [in Russian].
- H. F. Zhang, et al., Appl. Phys. Lett. 90 (5), 053901 (2007).
- J. A. Swearingen, et al., SPIE 15 (1), 016019 (2010). https://doi.org/10.1117/1.3316297.
- R. A. Kruger, et al., Med. Phys. 37 (11), 609 (2010).
- H. F. Zhang, et al., Nat. Biotechnol. 24 (7), 848 (2006).
- C. Cai, et al., Anal. Cell. Pathol. 2016 (2016).
- D. A. Kravchuk, Applied Physics, No. 6, 63 (2021) [in Russian].
- D. A. Kravchuk and K. A. Voronina, J. Biomed. Photonics Eng. 6 (1), 010307 (2020).
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Ломаев М. И., Тарасенко В. Ф.
Однородное воздействие плазмы импульсного высоковольтного разряда наносекундной длительности на поверхность плоского анода 5
Василяк Л. М., Ветчинин С. П., Поляков Д. Н.
Влияние ионизации на формирование войдов в ВЧ-разряде в условиях микрогравитации 11
Золотухин Д. Б.
Планарный магнетрон с инжекцией электронов и отражающим электродом: численное моделирование процессов функционирования 19
Лапшин В. Ф.
Определение мощности излучения плазменной дуги по потоку излучения на фотоприёмник 25
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Жуков Н. Д., Гавриков М. В., Роках А. Г.
О возможности однофотонной проводимости в наноячейке с коллоидной квантовой точкой 32
Климанов Е. А., Давлетшин Р. В.
Влияние поглощения на свободных носителях заряда на параметры кремниевых фотодиодов 38
Коханенко А. П., Войцеховский А. В., Лозовой К. А., Духан Р., Дирко В. В., Акименко Н. Ю.
Темновой ток фотодетекторов на основе многослойных структур с квантовыми точками 42
ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Смирнов С. В., Жук К. В., Саврук Е. В.
Катодо- и термолюминесценция лазерно-наноструктурированной -Al2O3 керамики 49
Алиев Ш. М., Алиев М. Ш., Ибаев Ж. Г.
Исследование температурной стабильности постоянных магнитов методом мёссбауэровской спектроскопии 54
Гаджиев М. Х., Муслимов А. Э.
Электродуговой синтез порошков Ti/TiO2 58
Кравчук Д. А.
Модель влияния коэффициента поглощения среды на оптоакустический сигнал при различных концентрациях глюкозы и уровня сатурации 63
Пахомов Е. П., Ярцев И. М.
Параметры потенциала отталкивания и эффективные заряды ионов в бинарных ионных кристаллах с кубическим типом решетки 67
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЁ ЭЛЕМЕНТЫ
Печеркин В. Я., Василяк Л. М.
Резонансное рассеяние электромагнитных волн ГГц-диапазона частот линейной структурой из двух диэлектрических колец на магнитной дипольной моде 75
Котов В. М., Булюк А. Н.
Амплитудная модуляция двухцветного излучения на удвоенной частоте звука 82
Сотникова Г. Ю., Александров С. А., Воронин А. В., Уржумцев Н. А.
Применение метода двухспектральной пирометрии для измерения температуры поверхности материалов, находящихся под воздействием плазменной струи 88
C O N T E N T S
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
Lomaev M. I. and TarasenkoV. F.
Homogeneous action of plasma of a nanosecond pulsed high-voltage discharge on the surface of a flat anode 5
Vasilyak L. M., Vetchinin S. P., Polyakov D. N.
Effect of ionization on void formation in an RF discharge under microgravity conditions 11
Zolotukhin D. B.
Planar magnetron with electron injection and reflective electrode: numerical simulation of functioning processes 19
Lapshin V. F.
Determination of the radiation power of arc by the value of radiation flux to photodetector 25
PHOTOELECTRONICS
Zhukov N. D., Gavrikov M. V., and Rokakh A. G.
On the possibility of single-photon conduction in a nanocell with a colloidal quantum dot 32
Klimanov E. A. and Davletshin R. V.
Effect of absorption by free carriers on the parameters of silicon photodiodes 38
Kokhanenko A. P., Voitsekhovskii A. V., Lozovoy K. A., Douhan R., Dirko V. V., and Akimenko N. Yu.
Dark current of photodetectors based on multilayer structures with quantum dots 42
PHYSICAL SCIENCE OF MATERIALS
Smirnov S. V., Zhuk K. V., and Savruk E. V.
Cathodo- and thermoluminescence laser-nanostructured -Al2O3 ceramics 49
Aliev Sh. M., Aliev M. Sh., and Ibaev Zh. G.
Investigation of the temperature stability of permanent magnets by Mössbauer spectroscopy 54
Gadzhiev M. Kh. and Muslimov A. E.
Electric Arc synthesis of Ti/TiO2 powders 58
Kravchuk D. A.
Model of the influence of the absorption coefficient of the medium at various concentrations of glucose and saturation level on the optoacoustic signal in the blood 63
Pakhomov E. P. and Yartsev I. M.
Repulsion potential parameters and effective ion charges in binary crystals with cubic crystal lattice 67
PHYSICAL APPARATUS AND ITS ELEMENTS
Pecherkin V. Ya. and Vasilyak L. M.
Resonant scattering of GHz electromagnetic waves by a linear structure of two dielectric rings on a magnetic dipole mode 75
Kotov V. M. and Bulyuk A. N.
Amplitude modulation of two-color radiation at double sound frequency 82
Sotnikova G. Yu., Alexandrov S. A., Voronin A. V., and Urzhumtsev N. A.
Two-color pyrometry methods for measuring the surface temperature of materials exposed to a plasma jet 88
Другие статьи выпуска
Обоснован выбор радиационного высокоскоростного метода измерения температуры поверхности объекта, находящегося под воздействием струи водородной плазмы. Проведена теоретическая оценка вклада интенсивности рекомбинационного и тормозного излучения плазмы на показания пирометра, из которой следует, что при определенных условиях водородную плазму можно считать прозрачной для теплового излучения в области длин волн среднего ИК-диапазона спектра (MWIR).
Рассмотрен инфракрасный пирометр спектрального отношения, выполненный на неохлаждаемой двухспектральной фотодиодной MWIR сэндвич-структуре, разработанный для контроля температуры исследуемого объекта в экспериментальной установке водородной плазменной пушки. Приведены экспериментальные результаты мониторинга температуры поверхности образцов композитных материалов в процессе импульсного воздействия плазмы.
Для амплитудной модуляции двухцветного оптического излучения на удвоенной частоте звука предложено использовать устройство, состоящее из двух идентичных акустооптических (АО) ячеек, работающих на одной частоте звука и обеспечивающих выполнение брэгговского синхронизма двух оптических лучей с одной акустической волной. В качестве АО-среды предложено использовать гиротропный кристалл, собственные волны которого циркулярно поляризованы. Модуляция вызвана интерференцией волн с циркулярными поляризациями. Экспериментально получена амплитудная модуляция двухцветного излучения Ar-лазера (1 = 0,488 мкм и 2 = 0,514 мкм) на частоте 236 МГц с использованием двух АО-ячеек из парателлурита.
Экспериментально исследовано резонансное рассеяние на основной магнитной моде линейной структурой из двух диэлектрических колец, ориентированных вдоль волнового вектора падающей волны и возбуждаемых продольно падающей линейно поляризованной электромагнитной волной ГГц диапазона частот. В спектре рассеяния отраженной волны происходит расщепление резонансной частоты и существенно увеличиваются амплитуды обоих пиков по сравнению с амплитудой для одиночного кольца в ближней зоне. В прошедшем сигнале расщепление резонансной частоты нет, амплитуда прошедшего сигнала в дальней зоне существенно увеличивается по сравнению с одиночным кольцом.
Определены параметры потенциала «некулоновского» (борновского) отталкивания ионов с использованием ионной модели химической связи из равновесных межъядерных расстояний в бинарных кристаллах и в соответствующих им двухатомных молекулах. Используя эти параметры и сжимаемость кристаллов, найдены эффективные заряды ионов и соответствующие им ионности химической связи. Получена зависимость ионности связи от структурных параметров кристалла, а также от разности электроотрицательностей и от валентности исходных атомов.
Исследуются процессы электродугового синтеза в открытой атмосфере азотсодержащих порошков Ti/TiO2 с использованием методов структурно-фазового, элементного анализа и электронной микроскопии. Показано, что кратковременная плазменная обработка металлических порошков титана позволяет формировать азотсодержащие структуры Ti/TiO2. Предложенная методика может найти широкое применение в технологии промышленного синтеза простых и композитных фотокатализаторов порошкового типа со спектральной фоточувствительностью в ультрафиолетовой и видимой областях спектра излучения.
Предложен и экспериментально проверен метод определения температурного коэффициента остаточной намагниченности порошковых постоянных магнитов из феррита бария BaFe12O19, основанный на эффекте Мёссбауэра. Преимуществом данного метода является возможность использования для измерений полностью размагниченного образца.
Приводятся результаты исследований оптических свойств наноструктурированных образцов алюмооксидной керамики. Установлено, что лазерная обработка поверхности образцов приводит к существенному изменению состава и структуры приповерхностного слоя. Методами оптической спектроскопии, катодолюминесценции и термолюминесценции выявлена генерация в алюмооксидной керамике, в процессе лазерной обработки, повышенной концентрации F-центров и их производных. Показана возможность использования наноструктурированной алюмооксидной керамики при создании высокочувствительных дозиметров ультрафиолетового и рентгеновского излучения.
Описывается поведение многослойного фотодетектора с квантовыми точками германия в кремнии и его параметры при различных рабочих режимах. Рассматриваются вопросы оптимизации условий роста в методе молекулярно-лучевой эпитаксии для повышения эффективности инфракрасных фотоприемников с квантовыми точками. В качестве модельной материальной системы для теоретических исследований выбраны многослойные гетероструктуры с квантовыми точками германия на поверхности кремния. В представленной работе разработана теоретическая модель для учета наличия в фотодетекторах нескольких слоев квантовых точек, а также рассогласования квантовых точек по размерам. Проведены расчеты шумовых и сигнальных характеристик инфракрасных фотоприемников на основе гетероструктур с квантовыми точками германия на кремнии. Оценены темновые токи в таких структурах, вызванные тепловой эмиссией и барьерным туннелированием носителей. Для проверки модели мы сравнили теоретические значения темнового тока с экспериментальными результатами, полученными в работах других исследователей.
Приведен расчет фоточувствительности кремниевых фотодиодов с учетом поглощения на свободных носителях в диффузионных слоях, позволяющий определить требования к их параметрам для снижения этого эффекта.
Показано, что величина пропускания длинноволнового излучения в кремниевых структурах может также уменьшаться за счет поглощения на свободных носителях в диффузионных слоях.
В квантоворазмерных частицах полупроводников CdSe, PbS, HgSe, InSb наблюдается высокая, с кратностью до двух порядков, фотопроводимость для межзонных переходов неравновесных носителей, обусловленная снятием или ослаблением блокировки кулоновским ограничением и одноэлектронным током. В условиях размерного квантования наблюдаемые резонансные токовые пики обнуляются или сдвигаются в сторону меньших энергий. Энергетический минимум регистрируемых при этом квантов равен примерно 100 мэВ. Полученные результаты могут иметь применение в неохлаждаемых ИК-детекторах, в том числе однофотонных.
Установлена связь между мощностью электромагнитного излучения плазмы дуги и величиной потока излучения, падающего на поверхность фотоприёмника. С этой целью решено уравнение переноса излучения в плазме дуги для случаев, когда поверхности электродов полностью отражают либо полностью поглощают падающее на них излучение. Рассматривается случай, когда газоразрядная плазма является аксиально-симметричной, однородной и находится в состоянии локального термодинамического равновесия. Получены формулы для мощности Ppl излучения дуги и мощности Pd излучения, падающего на фотоприёмник. Установлено соотношение, связывающее мощности Ppl и Pd. Выполнен численный анализ этого соотношения в широком диапазоне значений геометрических параметров задачи. Результаты расчётов представлены в удобной графической форме. Получены простые асимптотические формулы, связывающие Ppl и Pd в широкой области параметров эксперимента.
Выполнено численное моделирование влияния отражательного электрода на ионный состав плазмы планарного магнетрона, в разрядную область которого инжектируется электронный пучок с независимыми током и энергией электронов. Результаты численного моделирования свидетельствуют о том, что в такой конфигурации, более высокие значения концентрации ионов рабочего газа (аргона) и катода-мишени (меди) магнетрона достигаются за счет более высокой степени удержания в области гене-рации плазмы инжектированных электронов вследствие их частичного отражения и отклонения в тормозящем поле отражательного электрода. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с экспериментальным масс-зарядовым составом ионов плазмы такого магнетрона.
Представлен анализ формирования войда в установке ПК3 в пылевой плазме с частицами меламин формальдегида диаметром 3,4 мкм в ВЧ-разряде в аргоне при давлении 12–50 Па в условиях микрогравитации на МКС. Однородное состояние плазмы удаётся получить только при напряжении, близком к напряжению погасания разряда. Наложение низкочастотного напряжения с частотой 20–50 Гц стабилизирует состояние пылевой плазмы и сдвигает порог образования войда в сторону более высоких ВЧ-напряжений. Показано, что образование войда связано с нелокальной ионизацией плазмы в центре разряда быстрыми электронами, которые нагреваются в приэлектродных слоях.
Приведены результаты экспериментального исследования воздействия на поверхность плоского заземленного электрода плазмы импульсного высоковольтного разряда наносекундной длительности в воздухе атмосферного давления, возбуждаемого в резко неоднородном электрическом поле. Показано, что при относительно больших межэлектродных расстояниях между острийным катодом и плоским анодом реализуется диффузный разряд, обеспечивающий однородное воздействие плазмы разряда на поверхность анода.
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400