MD869Z - Method for optical capture of mobile particles in biological tissues - Google Patents

Method for optical capture of mobile particles in biological tissues Download PDF

Info

Publication number
MD869Z
MD869Z MDS20130205A MDS20130205A MD869Z MD 869 Z MD869 Z MD 869Z MD S20130205 A MDS20130205 A MD S20130205A MD S20130205 A MDS20130205 A MD S20130205A MD 869 Z MD869 Z MD 869Z
Authority
MD
Moldova
Prior art keywords
particle
tissue
depth
particles
force
Prior art date
Application number
MDS20130205A
Other languages
Romanian (ro)
Russian (ru)
Inventor
Виктор ШОНТЯ
Александр СЕРЯКОВ
Владимир БАРУН
Сергей ДИК
Константин ЯШИН
Original Assignee
Технический университет Молдовы
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Технический университет Молдовы filed Critical Технический университет Молдовы
Priority to MDS20130205A priority Critical patent/MD869Z/en
Publication of MD869Y publication Critical patent/MD869Y/en
Publication of MD869Z publication Critical patent/MD869Z/en

Links

Landscapes

  • Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)

Abstract

Invenţia se referă la metode de captare optică a particulelor mobile în ţesuturi biologice cu penseta optică şi poate fi utilizată pentru a studia proprietăţile structurale, biofizice, morfologice şi optice ale particulelor unui ţesut biologic in vivo şi interacţiunile lor cu mediul înconjurător pentru reţinerea particulelor într-un anumit loc în ţesutul biologic sau manipularea cu ele.Metoda de captare optică a particulelor mobile în ţesuturile biologice constă în determinarea adâncimii de localizare a particulei mobile, formarea unui fascicul paralel de lumină coerentă a laserului cu o lungime de undă de iradiere optimă, selectată în funcţie de valoarea adâncimii de localizare a particulei mobile, iradierea ţesutului cu acest fascicul şi captarea particulei mobile.The invention relates to methods of optical capture of mobile particles in biological tissues with the optical tweezers and can be used to study the structural, biophysical, morphological and optical properties of the particles of a biological tissue in vivo and their interactions with the environment for particle retention. a particular place in biological tissue or manipulation with them. The method of optical capture of mobile particles in biological tissues consists in determining the depth of localization of the mobile particle, forming a parallel beam of coherent laser light with an optimum irradiation wavelength selected depending on the value of the depth of location of the moving particle, the irradiation of the tissue with this beam and the capture of the moving particle.

Description

Invenţia se referă la metode de captare optică a particulelor mobile în ţesuturi biologice cu penseta optică şi poate fi utilizată pentru a studia proprietăţile structurale, biofizice, morfologice şi optice ale particulelor unui ţesut biologic in vivo şi interacţiunile lor cu mediul înconjurător pentru reţinerea particulelor într-un anumit loc în ţesutul biologic sau manipularea cu ele. The invention relates to methods for optically capturing mobile particles in biological tissues with optical tweezers and can be used to study the structural, biophysical, morphological and optical properties of particles of a biological tissue in vivo and their interactions with the environment for retaining particles in a specific location in the biological tissue or manipulating them.

La modificarea densităţii fluxului I de câmp de lumină de-a lungul unei axe arbitrare x, apare forţa de origine electromagnetică (Fgrad), care acţionează asupra particulelor dielectrice mobile aflate în regiunea spaţială a modificării fluxului. Valoarea absolută a forţei Fgrad depinde de gradientul dI/dx - de-a lungul axei x, precum şi de parametrii optici şi structurali ai particulelor mobile şi ai mediului în care se află. Forţa Fgrad, numită forţă de gradient, se foloseşte în capcane optice (pensete cu laser) pentru a capta, deplasa şi efectua alte tranzacţii fără contact cu particule mobile mici [1]. When changing the density of the light field flux I along an arbitrary axis x, a force of electromagnetic origin (Fgrad) appears, which acts on the moving dielectric particles located in the spatial region of the flux change. The absolute value of the force Fgrad depends on the gradient dI/dx - along the x-axis, as well as on the optical and structural parameters of the moving particles and the environment in which they are located. The force Fgrad, called the gradient force, is used in optical traps (laser tweezers) to capture, move and perform other contactless transactions with small moving particles [1].

Este cunoscută o metodă de captare a particulelor dielectrice într-o capcană optică, creată de presiunea luminii Fp generată de una sau mai multe surse laser. Forţa acţionează în direcţia de propagare, iar valoarea lor absolută este egală cu A method of trapping dielectric particles in an optical trap is known, created by the light pressure Fp generated by one or more laser sources. The force acts in the direction of propagation, and their absolute value is equal to

,\tab(1) ,\tab(1)

unde A - coeficientul de reflexie a luminii pentru particulă [2]. where A - the light reflection coefficient for the particle [2].

Dezavantajele acestor metode constau în formarea unor forţe slabe şi imposibilitatea de a fi utilizate pentru captarea particulelor în ţesuturi din cauza necesităţii de a utiliza iradieri cu densităţi de putere mare (E0) ale suprafeţei ţesutului pentru crearea forţei necesare. Creşterea E0 provoacă încălzirea excesivă a ţesuturilor şi poate cauza leziuni sau deces. The disadvantages of these methods are that they produce weak forces and cannot be used to capture particles in tissues because of the need to use high power density (E0) irradiations of the tissue surface to create the necessary force. Increasing E0 causes excessive heating of the tissues and can cause injury or death.

De asemenea, este cunoscută metoda în care gradientul densităţii fluxului de lumină este creat de interferenţa a două fascicule de la lasere monomod cu lungime de undă λ = 632,8 nm. Aceste fascicule sunt îndreptate spre particulă, care, datorită acţiunii forţelor de gradient, sunt capturate în apropiere de maximele (porţiuni luminoase) imaginii de interferenţă [3]. Also known is the method in which the gradient of the light flux density is created by the interference of two beams from single-mode lasers with a wavelength of λ = 632.8 nm. These beams are directed towards the particle, which, due to the action of gradient forces, is captured near the maxima (bright portions) of the interference image [3].

Dezavantajul acestei metode este imposibilitatea aplicării ei în condiţiile in vivo, deoarece lumina cu o lungime de undă de 632,8 nm nu exercită forţa necesară Fgrad la o gamă largă de adâncimi ale ţesutului z, unde poate fi capturată particula. În plus, din cauza disipării luminii în ţesut imaginea de interferenţă formată în profunzimea mediului este, de obicei, foarte neclară în spaţiu, ceea ce duce la o reducere considerabilă a gradientului densităţii de flux, şi, prin urmare, a forţei de gradient Fgrad. The disadvantage of this method is the impossibility of its application under in vivo conditions, since light with a wavelength of 632.8 nm does not exert the necessary force Fgrad at a wide range of tissue depths z, where the particle can be captured. In addition, due to light dissipation in the tissue, the interference image formed in the depth of the medium is usually very blurred in space, which leads to a considerable reduction in the flux density gradient, and, consequently, the gradient force Fgrad.

Cea mai apropiată soluţie este o metodă de captare a particulelor biologice în capcana optică creată de lumină infraroşie emisă cu laser de o lungime de undă fixă într-un interval 800…1800 nm. Lumina laser cade pe o lentilă convergentă cu distanţa focală scurtă, iar în punctul de focalizare (constricţia fasciculului) este format un gradient mare al câmpului luminii şi forţa corespunzătoare Fgrad. Raza laser convergentă este îndreptată într-o arie, care conţine o particulă, ce este captată în apropierea punctului focal al lentilei convergente [4]. The closest solution is a method of capturing biological particles in an optical trap created by infrared laser light of a fixed wavelength in the range 800…1800 nm. The laser light falls on a converging lens with a short focal length, and at the focus point (beam constriction) a large gradient of the light field and the corresponding force Fgrad are formed. The converging laser beam is directed into an area containing a particle, which is captured near the focal point of the converging lens [4].

Dezavantajul acestei metode este imposibilitatea utilizării acesteia în ţesutul in vivo, deoarece diapazonul de lungimi de undă infraroşie nu oferă mărimea dorită a forţei Fgrad la o gamă largă de adâncimi ale ţesutului z, unde poate fi captată particula. În plus, din cauza disipării puternice a luminii în ţesut, regiunea de constricţie a fasciculului este de obicei spaţial neclară, ceea ce duce la o reducere considerabilă a gradientului de densitate de flux şi, prin urmare, a forţei Fgrad. De asemenea, metoda nu răspunde la întrebarea, ce lungime de undă a radiaţiei laser este optimă pentru captarea particulei la o anumită adâncime z în ţesut din punct de vedere al asigurării puterii maxime de captare a particulei. The disadvantage of this method is the impossibility of its use in in vivo tissue, since the infrared wavelength range does not provide the desired magnitude of the force Fgrad at a wide range of tissue depths z, where the particle can be captured. In addition, due to the strong light dissipation in the tissue, the region of beam constriction is usually spatially blurred, which leads to a considerable reduction in the flux density gradient and, consequently, the force Fgrad. Also, the method does not answer the question, what wavelength of laser radiation is optimal for capturing the particle at a certain depth z in the tissue from the point of view of ensuring the maximum particle capture power.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în elaborarea unei metode de captare a unei particule mobile într-o gamă largă de adâncimi ale ţesutului, formând o forţă maximă de captare a particulei mobile, cu încălzirea minimă a ţesutului. The problem solved by the invention consists in developing a method for capturing a mobile particle in a wide range of tissue depths, forming a maximum capture force of the mobile particle, with minimal heating of the tissue.

Metoda, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că constă în determinarea adâncimii z de localizare a particulei mobile, formarea unui fascicul paralel de lumină coerentă a laserului cu o lungime de undă de iradiere λ* optimă, selectată în funcţie de valoarea z, care: The method, according to the invention, eliminates the disadvantages mentioned above by determining the depth z of localization of the mobile particle, forming a parallel beam of coherent laser light with an optimal irradiation wavelength λ*, selected depending on the value z, which:

pentru z < 0,1 mm este λ* = 450 nm şi for z < 0.1 mm it is λ* = 450 nm and

pentru z ≥ 0,1 mm este λ* ={1250[1 - exp(-z/1,35)]} nm, for z ≥ 0.1 mm it is λ* ={1250[1 - exp(-z/1.35)]} nm,

iradierea ţesutului cu acest fascicul şi captarea particulei mobile. irradiating the tissue with this beam and capturing the mobile particle.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-3, care reprezintă: The invention is explained by the drawings in Fig. 1-3, which represent:

– fig. 1, structura radială a densităţii fluxului I(r) în ţesutul moale pentru derma pielii la lungimea de undă λ = 600 nm (curbe continue) şi 700 nm (curbe punctate) cu gradul de oxigenare a sângelui S = 0,5 (fig. a, c) şi 0,97 (fig. b, d) cu densitatea volumică a sângelui Cb = 0,04 (fig. a, b) şi 0,02 ( fig. c, d) şi concentraţia volumică a melaninei Cm = 0,08, z = 1 mm, E0 = 1 W/cm2; – Fig. 1, radial structure of the flux density I(r) in soft tissue for the dermis of the skin at wavelength λ = 600 nm (continuous curves) and 700 nm (dotted curves) with blood oxygenation degree S = 0.5 (Fig. a, c) and 0.97 (Fig. b, d) with blood volume density Cb = 0.04 (Fig. a, b) and 0.02 (Fig. c, d) and melanin volume concentration Cm = 0.08, z = 1 mm, E0 = 1 W/cm2;

– fig. 2, dependenţa gradientului forţei F, generată de fasciculul de lumină laser la o adâncime z = 0,16 (curba 1), 0,2 (curba 2), 0,5 (curba 3), 1 (curba 4), 2 (curba 5), 4 (curba 6) şi 8 mm (curba 7), la iradierea pielii la diferite lungimi de undă λ = 400…1800 nm; – Fig. 2, dependence of the force gradient F, generated by the laser light beam at a depth z = 0.16 (curve 1), 0.2 (curve 2), 0.5 (curve 3), 1 (curve 4), 2 (curve 5), 4 (curve 6) and 8 mm (curve 7), upon skin irradiation at different wavelengths λ = 400…1800 nm;

– fig. 3, dependenţa calculată (curba continuă) şi după aproximare (curba punctată) a lungimii de undă λ* de iradiere, care asigură un gradient de forţă maximal Fmax, în funcţie de adâncimea z a particulelor captate în derma pielii. – Fig. 3, the calculated dependence (continuous curve) and after approximation (dotted curve) of the irradiation wavelength λ*, which ensures a maximum force gradient Fmax, depending on the depth z of the particles captured in the dermis of the skin.

Dispersia fasciculului de radiaţie coerentă în ţesuturile biologice duce la formarea în interiorul ţesutului a structurii speckle a câmpului luminii. Structura speckle este rezultatul interferenţei luminii împrăştiate la unghiuri mici faţă de direcţia de incidenţă a luminii [Иванов А. П., Кацев И. Л. О спекл-структуре светового поля в дисперсной среде, освещенной лазерным пучком, Квантовая электроника, 2005, Т. 35, № 7, с. 670 - 674]. În plan radial sau în plan perpendicular pe această direcţie, structura prezintă regiuni luminoase şi întunecate, numite speckles. Această modificare a densităţii de flux I provoacă formarea Fgrad, care poate fi calculată cu formula The dispersion of the coherent radiation beam in biological tissues leads to the formation of a speckle structure of the light field inside the tissue. The speckle structure is the result of the interference of light scattered at small angles to the direction of incidence of the light [Ivanov A. P., Katsev I. L. On the speckle structure of the light field in a dispersed medium illuminated by a laser beam, Quantum Electronics, 2005, Vol. 35, No. 7, pp. 670 - 674]. In the radial plane or in the plane perpendicular to this direction, the structure presents bright and dark regions, called speckles. This change in the flux density I causes the formation of Fgrad, which can be calculated by the formula

,(2) ,(2)

unde c = cm/s - viteza luminii în mediu, where c = cm/s - speed of light in the medium,

n - valoarea absolută a indicelui de refracţie al mediului, n - absolute value of the refractive index of the medium,

- polarizabilitatea specifică a particulei, - the specific polarizability of the particle,

m = np/n - indicele de refracţie relativă a particulei, m = np/n - relative refractive index of the particle,

np - valoarea absolută a indicelui de refracţie a particulelor, np - absolute value of the refractive index of the particles,

R - raza sferei de acelaşi volum ca şi al particulei, R - radius of the sphere of the same volume as the particle,

dI/dx - gradient de densitate a fluxului de lumină (W/cm3), dI/dx - gradient of light flux density (W/cm3),

B - o constantă de proporţionalitate în funcţie de parametrii particulei (np şi R) şi al mediului (n), în care se află. B - a constant of proportionality depending on the parameters of the particle (np and R) and the environment (n) in which it is located.

Din (2) rezultă că forţa Fgrad este direcţionată de-a lungul axei x în direcţia de creştere (dacă m>1) sau scădere (dacă m <1) a densităţii fluxului luminos. Pentru particulele mobile de ţesut de obicei m≈1,05. From (2) it follows that the force Fgrad is directed along the x-axis in the direction of increasing (if m>1) or decreasing (if m <1) the luminous flux density. For mobile tissue particles usually m≈1.05.

Raza caracteristică L specklelor, care depinde de lungimea de undă λ şi adâncimea z, poate fi definită prin formula [Иванов А. П., Кацев И. Л. О спекл-структуре светового поля в дисперсной среде, освещенной лазерным пучком, Квантовая электроника. 2005, Т. 35, № 7, с. 670 - 674; Абрамович Н. Д., Барун В. В., Дик С. К., Терех А. С. Аналитическая методика оценки контраста спекл-структуры светового поля, рассеянного мягкими биотканями // 5-я Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине», Сборник материалов. 2012, Т. 1, c. 212 - 214]: The characteristic radius L of the speckles, which depends on the wavelength λ and the depth z, can be defined by the formula [Иванов А. P., Katsev I. L. On the speckle-structure of the light field in a dispersed medium illuminated by a laser beam, Quantum Electronics. 2005, T. 35, No. 7, p. 670 - 674; Абрамович Н. D., Barun V. V., Dik С. К., Терех А. С. Analytical methodology for estimating the contrast of the speckle-structure of the light field scattered by soft biotkans // 5th Troitskaya conference «Medical physics and innovations in medicine», Collection of materials. 2012, T. 1, c. 212 - 214]:

,(3) ,(3)

unde - dispersia distribuţiei unghiulare a intensităţii luminii, care se propagă la unghiuri mici faţă de direcţia iradierii suprafeţei. where - the dispersion of the angular distribution of light intensity, which propagates at small angles to the direction of surface irradiation.

Densitatea totală a fluxului luminos la adâncimea z în plan radial poate fi calculată prin formula [Абрамович Н. Д., Барун В. В., Дик С. К., Терех А. С. Аналитическая методика оценки контраста спекл-структуры светового поля, рассеянного мягкими биотканями // 5-я Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине». Сборник материалов. 2012, Т. 1, c. 212 - 214]: The total density of the luminous flux at the depth z in the radial plane can be calculated by the formula [Абрамович Н. D., Barun V. V., Dik С. К., Терех А. С. Analytical methodology for estimating the contrast of the speckle-structure of the light field scattered by soft biotkans // 5th Trinity conference "Medical physics and innovations in medicine". Collection of materials. 2012, T. 1, c. 212 - 214]:

,\tab(4) ,\tab(4)

unde E0 - iluminarea suprafeţei materialului, where E0 - illumination of the material surface,

r - distanţa măsurată de la axa fasciculului, r - distance measured from the beam axis,

ф - faza aleatorie. ф - random phase.

În partea dreaptă a formulei (4), primul termen dă componenta de câmp a luminii, care depinde de r, iar al doilea - fundalul necoerent, care este independent de r. De aceea, la formarea forţelor de gradient în profunzimea mediului contribuie doar primul termen. On the right side of formula (4), the first term gives the field component of the light, which depends on r, and the second - the incoherent background, which is independent of r. Therefore, only the first term contributes to the formation of gradient forces in the depth of the medium.

Fig. 1 arată structura radială a densităţii I(λ, z, r), calculată de autori prin formula (4), pentru două lungimi de undă λ = 600 şi 700 nm, la o adâncime z = 1 mm. Fig. 1 shows the radial structure of the density I(λ, z, r), calculated by the authors using formula (4), for two wavelengths λ = 600 and 700 nm, at a depth z = 1 mm.

Ca exemplu de ţesut serveşte pielea umană. Parametrii structurali şi optici sunt prezentaţi în [Барун В. В., Иванов А. П., Волотовская А. В., Улащик В. С. Спектры поглощения и глубина проникновения света в нормальную и патологически измененную кожу человека // Журнал прикладной спектроскопии. 2007, Т. 74, № 3, c. 387 - 394], iar metoda de calcul al caracteristicilor şi în [Иванов А. П., Кацев И. Л. О спекл-структуре светового поля в дисперсной среде, освещенной лазерным пучком. Квантовая электроника, 2005, Т. 35, № 7, с. 670 - 674; Абрамович Н. Д., Барун В. В., Дик С. К., Терех А. С. Аналитическая методика оценки контраста спекл-структуры светового поля, рассеянного мягкими биотканями // 5-я Троицкая конференция „Медицинская физика и инновации в медицине”. Сборник материалов, 2012, Т. 1, c. 212 - 214; Барун В. В., Иванов А. П. Поглощение света кровью при низкоинтенсивном лазерном облучении кожи // Квантовая электроника, 2010, Т. 40, № 4, c. 371 - 376]. Au fost selectate valori tipice ale parametrilor structurali şi biofizici ai pielii. Aici, gradul de oxigenare a sângelui S = 0,5 (fig. а, с) и 0,97 (fig. b, d), concentraţia volumică a sângelui Cb = 0,04 (a, b) и 0,02 (c, d), concentraţia volumică a melaninei Cm = 0,08, grosimea stratului cornos al epidermei este de 20 µm şi 100 µm. Autorii au efectuat calcule pentru alte valori ale acestor parametri ai pielii. S-a dovedit că componenta variabilă r (primul termen din partea dreaptă a formulei (4)) depinde slab de aceste modificări şi este determinată în principal de valorile λ şi z. Human skin serves as an example of tissue. The structural and optical parameters are presented in [Барун В. V., Ivanov A. П., Волотовская А. V., Ulaschik V. С. Absorption spectra and depth of light penetration into normal and pathologically altered human skin // Journal of applied spectroscopy. 2007, T. 74, № 3, c. 387 - 394], and the method of calculating the characteristics in [Иванов А. P., Katsev I. L. On the speckle-structure of the light field in a dispersed medium illuminated by a laser beam. Квантовая электроника, 2005, T. 35, No. 7, p. 670 - 674; Абрамович Н. D., Barun V. V., Dik С. К., Терех А. С. Analytical methodology for estimating the contrast of the speckle-structure of the light field, scattered by soft biotkans // 5th Troitskaya Conference "Medical Physics and Innovations in Medicine". Сборник материов, 2012, Т. 1, c. 212 - 214; Barun V. V., Ivanov A. P. Absorption of light by blood during low-intensity laser irradiation of skin // Kvantovaya elektronika, 2010, T. 40, № 4, c. 371 - 376]. Typical values of the structural and biophysical parameters of the skin were selected. Here, the degree of blood oxygenation S = 0.5 (Fig. a, c) and 0.97 (Fig. b, d), the volume concentration of blood Cb = 0.04 (a, b) and 0.02 (c, d), the volume concentration of melanin Cm = 0.08, the thickness of the stratum corneum of the epidermis is 20 µm and 100 µm. The authors performed calculations for other values of these skin parameters. It turned out that the variable component r (the first term on the right side of formula (4)) depends weakly on these changes and is determined mainly by the values of λ and z.

Din formula (4) găsim gradientul densităţii dI/dr, care creează forţa Fgrad, care acţionează asupra particulei mobile aflate la adâncimea z: From formula (4) we find the density gradient dI/dr, which creates the force Fgrad, which acts on the moving particle at depth z:

. \tab(5) . \tab(5)

Semnul "minus" indică direcţia forţei - în direcţia micşorării sau creşterii lui r. După cum se vede din (1) şi (5), Fgrad în plan radial, primeşte cea mai mare valoare absolută, care corespunde egalităţii . Din (1) şi (5) rezultă, de asemenea, că valoarea maximă absolută a forţei Fgrad: The "minus" sign indicates the direction of the force - in the direction of decreasing or increasing r. As can be seen from (1) and (5), Fgrad in the radial plane receives the largest absolute value, which corresponds to the equality . From (1) and (5) it also follows that the maximum absolute value of the force Fgrad:

(6) (6)

depinde de z şi de λ ale caracteristicilor specklelor şi . Comparăm valorile maxime ale forţei de gradient (6) şi presiunii luminii, la aceeaşi densitate a puterii de iradiere a suprafeţei. În acest scop, luăm ca exemplu o particulă mobilă cu R=3 µm şi evaluăm ecuaţia: depends on z and λ of the speckle characteristics and . We compare the maximum values of the gradient force (6) and the light pressure, at the same surface irradiance power density. For this purpose, we take as an example a moving particle with R=3 µm and evaluate the equation:

, ,

unde indicele max indică valoarea maximă a mărimilor corespunzătoare. De exemplu, A = 1. Calculele au demonstrat că acest raport este situat în limitele 150…800 la z < 2 cm. Deci, forţa maximă de gradient este de circa 2…3 ordine mai mare decât forţa de presiune, astfel încât ultima poate fi ignorată. where the index max indicates the maximum value of the corresponding quantities. For example, A = 1. Calculations have shown that this ratio is in the range 150…800 at z < 2 cm. So, the maximum gradient force is about 2…3 orders of magnitude greater than the pressure force, so the latter can be ignored.

Calcule similare au arătat că, din cauza valorii mici în comparaţie cu , este posibil de a nu lua în considerare gradientul densităţii în direcţia axei z, în direcţia de propagare a luminii. Similar calculations have shown that, due to the small value compared to , it is possible to ignore the density gradient in the z-axis direction, in the direction of light propagation.

Fig. 2 prezintă valorile forţei Fgrad (în newtoni), create de un fascicul laser paralel de lumină cu E0 = 1 W/cm2 la o adâncime z = 0,16 (curba 1), 0,2 (curba 2), 0,5 (curba 3), 1 (curba 4), 2 (curba 5), 4 (curba 6) şi 8 mm (curba 7) la iradierea suprafeţei ţesutului cu diferite lungimi de undă λ = 400…1800 nm. În calcule s-au utilizat parametrii tipici pentru ţesuturile moi n = 1,33, m = 1,05 şi R = 3 µm. După cum se poate vedea, cu creşterea z, pentru a obţine forţa maximă Fmax, trebuie de mărit lungimea de undă λ*. Astfel, la nivelul dermei superioare de z ≈ 0,12 mm mai mare valoare Fmax are la λ* ≈ 450 nm, z ≈ 0,5 mm - λ* ≈ 700 nm, z ≈ 1 mm - λ* ≈ 850 nm, etc. Particularităţile dependenţei forţei F de lungimea de undă λ sunt prezentate în fig. 2, şi valoarea maximă pentru λ =λ* se datorează comportamentului caracteristicilor spectrale de absorbţie şi împrăştiere а componentelor ţesuturilor moi, în primul rând - derivate ale hemoglobinei şi apei. Fig. 2 shows the values of the force Fgrad (in newtons), created by a parallel laser beam of light with E0 = 1 W/cm2 at a depth z = 0.16 (curve 1), 0.2 (curve 2), 0.5 (curve 3), 1 (curve 4), 2 (curve 5), 4 (curve 6) and 8 mm (curve 7) when irradiating the tissue surface with different wavelengths λ = 400…1800 nm. In the calculations, the typical parameters for soft tissues n = 1.33, m = 1.05 and R = 3 µm were used. As can be seen, with increasing z, to obtain the maximum force Fmax, the wavelength λ* must be increased. Thus, at the level of the upper dermis of z ≈ 0.12 mm, the highest value of Fmax is at λ* ≈ 450 nm, z ≈ 0.5 mm - λ* ≈ 700 nm, z ≈ 1 mm - λ* ≈ 850 nm, etc. The peculiarities of the dependence of the force F on the wavelength λ are presented in Fig. 2, and the maximum value for λ =λ* is due to the behavior of the spectral characteristics of absorption and scattering of the components of soft tissues, primarily - derivatives of hemoglobin and water.

Folosind datele din fig. 2, comparăm valorile forţei Fmax, care acţionează asupra particulelor mobile în mediul iradiat, λ = 800…1800 nm). Presupunem că iradierea se efectuează la lungimea de undă λ = 1000 nm. După cum se vede din fig. 2, în stratul superior al ţesutului la z ≤ 0,5 mm (curbele 1…3) şi la о adâncime z ≥ 4 mm (curbele 6 şi 7) valorile Fmax obţinute, conform metodei propuse în invenţie, sunt de aproximativ 2…4 ori mai mari decât forţa maximă în conformitate cu [US 4893886 A 1990.01.16] cu aceeaşi densitate de putere E0. Când z = 1…2 mm (curbele 4 şi 5), ambele metode dau aproximativ aceeaşi putere maximă. Concluzii similare pot fi făcute pentru alte lungimi de undă ale radiaţiei într-o gamă de 800…1800 nm, aşa cum s-a propus în sursa menţionată. Evidenţiem că rezultatele calculelor la fig. 2 arată cazul iradierii suprafeţei ţesuturilor cu un fascicul paralel de lumină. Dacă fasciculul este convergent, ca în sursa menţionată, atunci valoarea Fmax calculată după metoda propusă va fi şi mai mare decât în sursa menţionată în gama largă de adâncimi z, fiindcă în acest caz energia laserului la о adâncime va fi alocată la о suprafaţă mai mare. Using the data in Fig. 2, we compare the values of the force Fmax, which acts on mobile particles in the irradiated medium, λ = 800…1800 nm). We assume that the irradiation is carried out at the wavelength λ = 1000 nm. As can be seen from Fig. 2, in the upper layer of the tissue at z ≤ 0.5 mm (curves 1…3) and at a depth of z ≥ 4 mm (curves 6 and 7) the values of Fmax obtained, according to the method proposed in the invention, are approximately 2…4 times higher than the maximum force according to [US 4893886 A 1990.01.16] with the same power density E0. When z = 1…2 mm (curves 4 and 5), both methods give approximately the same maximum power. Similar conclusions can be made for other wavelengths of radiation in the range of 800…1800 nm, as proposed in the mentioned source. We emphasize that the results of calculations in Fig. 2 show the case of irradiation of the tissue surface with a parallel beam of light. If the beam is convergent, as in the mentioned source, then the value of Fmax calculated by the proposed method will be even higher than in the mentioned source in the wide range of depths z, because in this case the laser energy at о depth will be allocated to о larger surface.

În fig. 3 este reprezentată modalitatea de determinare а lungimii de undă λ*, pentru obţinerea forţei maxime Fmax la о anumită adâncime z а ţesutului. Sunt prezentate dependenţa calculată λ* (z), obţinută din grafic (fig. 2, linie continuă) şi aproximarea acesteia (fig. 2, linie punctată) după formula λ* ={1250[1 - exp(-z/1,35)]}, unde λ* se exprimă în nm şi z în mm. Diferenţa valorilor obţinute între aceste curbe ale forţei maxime Fmax este minoră şi nu depăşeşte 5%. In Fig. 3 is represented the method of determining the wavelength λ*, to obtain the maximum force Fmax at a certain depth z in the tissue. The calculated dependence λ* (z), obtained from the graph (Fig. 2, solid line) and its approximation (Fig. 2, dotted line) according to the formula λ* ={1250[1 - exp(-z/1.35)]}, where λ* is expressed in nm and z in mm, are presented. The difference in the values obtained between these curves of the maximum force Fmax is minor and does not exceed 5%.

Exemplu de realizare а invenţiei Embodiment of the invention

Presupunem că este necesar de а capta celule roşii din sânge într-un capilar, care este situat la о adâncime z = 1 mm sub suprafaţa pielii. După formula λ* ={1250[1 - exp(-z/1,35)]} calculăm λ* = 654 nm. Astfel, pentru captarea optică а eritrocitului este necesar de а iradia suprafaţa pielii cu o rază laser paralelă cu lungimea de undă de 654 nm. Metoda de captare optică cuprinde următoarele etape: Let us assume that it is necessary to capture red blood cells in a capillary, which is located at a depth z = 1 mm below the skin surface. According to the formula λ* ={1250[1 - exp(-z/1.35)]} we calculate λ* = 654 nm. Thus, for optical capture of the erythrocyte it is necessary to irradiate the skin surface with a parallel laser beam with a wavelength of 654 nm. The optical capture method includes the following steps:

Determinarea adâncimii z de localizare а particulei mobile. În cazul eritrocitelor, se ştie că acestea sunt distribuite pe întreaga grosime а dermei şi stratului subcutanat de grăsime până la adâncimea de 8…10 mm. În cazul altor particule mobile, le putem urmări neinvaziv, folosind tomografia optică coerentă. Determination of the z-depth of localization of the mobile particle. In the case of erythrocytes, it is known that they are distributed throughout the entire thickness of the dermis and subcutaneous fat layer to a depth of 8…10 mm. In the case of other mobile particles, we can track them non-invasively, using optical coherence tomography.

Selectarea laserului care emite radiaţia la о lungime de undă calculată. Selecting the laser that emits radiation at a calculated wavelength.

Formarea fasciculului de lumină paralelă, utilizând laserul selectat. Formation of the parallel light beam, using the selected laser.

Iradierea suprafeţei ţesutului cu fasciculul paralel de lumină laser. Irradiation of the tissue surface with a parallel beam of laser light.

Astfel, metoda propusă permite generarea forţei maxime Fmax de captare a particulei mobile într-o gamă largă de adâncimi z în ţesuturile moi datorită alegerii lungimii de undă optime de iradiere a suprafeţei ţesutului. Forţa obţinută este de 2 sau mai multe ori mai mare decât cea calculată conform celei mai apropiate soluţii. Thus, the proposed method allows generating the maximum force Fmax of capturing the mobile particle in a wide range of depths z in soft tissues due to the choice of the optimal wavelength of irradiation of the tissue surface. The force obtained is 2 or more times higher than that calculated according to the closest solution.

1. Яворский Б.М., Детлаф А. А. Справочник по физике, Москва, Наука, 3-е издание, 1965, p. 347 - 348 1. Yavorskiy B.M., Detlaf A. A. Справочник по физике, Москва, Наука, 3rd edition, 1965, p. 347 - 348

2. US 3710279 A 1973.01.09 2. US 3710279 A 1973.01.09

3. Афанасьев А. А., Катаркевич В. М., Рубинов А. Н., Эфендиев Т. Ш. Модуляция концентрации частиц в интерференционном поле лазерного излучения, Журн. прикл. спектроск. 2002, Т. 69, № 5, p. 675 - 679 3. Afanasyev A. A., Katarkevych V. M., Rubinov A. N., Efendiev T. Sh. Modulation of particle concentrations in the interference field of laser radiation, Zhurn. acc. spektrosk. 2002, T. 69, No. 5, p. 675 - 679

4. US 4893886 A 1990.01.16 4. US 4893886 A 1990.01.16

Claims (1)

Metodă de captare optică a particulelor mobile în ţesuturile biologice, care constă în determinarea adâncimii z de localizare a particulei mobile, formarea unui fascicul paralel de lumină coerentă a laserului cu o lungime de undă de iradiere λ* optimă, selectată în funcţie de valoarea z, care:Method for optical capture of mobile particles in biological tissues, which consists of determining the depth z of localization of the mobile particle, forming a parallel beam of coherent laser light with an optimal irradiation wavelength λ*, selected depending on the value z, which: pentru z < 0,1 mm este λ* = 450 nm şifor z < 0.1 mm it is λ* = 450 nm and pentru z ≥ 0,1 mm este λ* ={1250[1 - exp(-z/1,35)]} nm,for z ≥ 0.1 mm it is λ* ={1250[1 - exp(-z/1.35)]} nm, iradierea ţesutului cu acest fascicul şi captarea particulei mobile.irradiating the tissue with this beam and capturing the mobile particle.
MDS20130205A 2013-12-09 2013-12-09 Method for optical capture of mobile particles in biological tissues MD869Z (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
MDS20130205A MD869Z (en) 2013-12-09 2013-12-09 Method for optical capture of mobile particles in biological tissues

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
MDS20130205A MD869Z (en) 2013-12-09 2013-12-09 Method for optical capture of mobile particles in biological tissues

Publications (2)

Publication Number Publication Date
MD869Y MD869Y (en) 2015-01-31
MD869Z true MD869Z (en) 2015-08-31

Family

ID=52440957

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
MDS20130205A MD869Z (en) 2013-12-09 2013-12-09 Method for optical capture of mobile particles in biological tissues

Country Status (1)

Country Link
MD (1) MD869Z (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3710279A (en) * 1969-12-15 1973-01-09 Bell Telephone Labor Inc Apparatuses for trapping and accelerating neutral particles
US4893886A (en) * 1987-09-17 1990-01-16 American Telephone And Telegraph Company Non-destructive optical trap for biological particles and method of doing same
  • 2013

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3710279A (en) * 1969-12-15 1973-01-09 Bell Telephone Labor Inc Apparatuses for trapping and accelerating neutral particles
US4893886A (en) * 1987-09-17 1990-01-16 American Telephone And Telegraph Company Non-destructive optical trap for biological particles and method of doing same

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Афанасьев А. А., Катаркевич В. М., Рубинов А. Н., Эфендиев Т. Ш. Модуляция концентрации частиц в интерференционном поле лазерного излучения, Журн. прикл. спектроск. 2002, Т. 69, № 5, p. 675 - 679 *
В. В. Барун, А. П. Иванов, А. В. Волотовская, В. С. Улащик. Спектры поглощения и глубина проникновения света в нормальную и патологически измененную кожу человека // Журнал прикладной спектроскопии. 2007. Т. 74. № 3. С. 387 - 394 *
В. В. Барун, А. П. Иванов. Поглощение света кровью при низкоинтенсивном лазерном облучении кожи // Квантовая электроника. 2010. Т. 40. № 4. С. 371 - 376 *
Иванов А. П., Кацев И. Л. О спекл-структуре световго поля в дисперсной среде, освещенной лазерным пучком, Квантовая электроника, 2005, Т. 35, № 7, с. 670 - 674 *
Н. Д. Абрамович, В. В. Барун, С. К. Дик, А. С. Терех. Аналитическая методика оценки контраста спекл-структуры светового поля, рассеянного мягкими биотканями // 5-я Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине». Сборник материалов. 2012. Т. 1. С. 212 - 214 *
Яворский Б.М., Детлаф А. А. Справочник по физике, Москва, Наука, 3-е издание, 1965, p. 347 - 348 *

Also Published As

Publication number Publication date
MD869Y (en) 2015-01-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shimojo et al. Measurement of absorption and reduced scattering coefficients in Asian human epidermis, dermis, and subcutaneous fat tissues in the 400-to 1100-nm wavelength range for optical penetration depth and energy deposition analysis
JP4486253B2 (en) Sample concentration determination device
Patterson et al. The propagation of optical radiation in tissue. II: Optical properties of tissues and resulting fluence distributions
Jayachandran et al. Critical review of noninvasive optical technologies for wound imaging
Zeng et al. Reconstruction of in vivo skin autofluorescence spectrum from microscopic properties by Monte Carlo simulation
Zaman et al. In vivo detection of gold nanoshells in tumors using diffuse optical spectroscopy
Bashkatov et al. In vivo investigation of human skin optical clearing and blood microcirculation under the action of glucose solution
JP2016010717A (en) Concentration meter
RU2550990C1 (en) Method for optical capturing of particle in soft biological tissue
Hamdy et al. The use of optical fluence rate distribution for the differentiation of biological tissues
MD869Z (en) Method for optical capture of mobile particles in biological tissues
CN111491561A (en) Lipid measurement device and method therefor
Kinnunen et al. Measurements of glucose content in scattering media with time-of-flight technique: comparison with Monte Carlo simulations
JP2013205079A (en) Biogenic substance measurement method
Bashkatov et al. Monte Carlo study of skin optical clearing to enhance light penetration in the tissue: implications for photodynamic therapy of acne vulgaris
Rohrbach et al. Intraoperative optical assessment of photodynamic therapy response of superficial oral squamous cell carcinoma
Seteikin et al. Dynamic model of thermal reaction of biological tissues to laser-induced fluorescence and photodynamic therapy
JP6009053B2 (en) Quantification system and method for pigmented lesions using optical coherence tomography
Kleshnin et al. Method of measuring blood oxygenation based on spectroscopy of diffusely scattered light
Hülsbusch et al. Photon-Tissue Interaction Modelled by Monte Carlo Method for Optimizing Optoelectronic Sensor Concepts
Hanasil et al. Evaluation of NIR LED and laser diode as a light source in diffuse reflectance spectroscopy system for intravenous fluid infiltration detection under dermis layer of skin phantom
Sujatha et al. Optimal source to detector separation for extracting sub-dermal chromophores in fiber optic diffuse reflectance spectroscopy: a simulation study
Hotra et al. Effect of reflection probe displacement on human skin spectra
Werkhaven et al. Light dosimetry in animal models: application to photodynamic therapy in otolaryngology
Krasnikov et al. Thermal distribution in biological tissue at laser induced fluorescence and photodynamic therapy

Legal Events

Date Code Title Description
FG9Y Short term patent issued
MK4Y Short term patent expired