RU144665U1 - Устройство раман-флуоресцентной диагностики состояния тканей человека в норме и при патологии - Google Patents

Abstract

Устройство раман-флуоресцентной диагностики состояния тканей человека в норме и при патологии, включающее лазер с лазерным фильтром, систему зеркал и линз, систему, собирающую сигнал, исходящий от исследуемого объекта, и отрезающий фильтр, спектрометр с CCD-камерой, отличающийся тем, что спектрометр содержит дополнительно насадки различных типов и/или приспособления для экспресс пробоподготовки объектов для их исследования в жидком, сыпучем, твердом состоянии и/или мазка отпечатка, спектрометр соединен с компьютером, реализующим алгоритмы мониторинга, диагностики и коррекции состояния субъекта и/или биологических тканей человека в норме и при патологии, спектрометр соединен с лазером обратной связью, устройство также содержит волоконно-оптический кабель для воздействия лазерным излучением, микроскоп для прецизионной визуализации изображения, а также цифровой флеш микроскоп с автофокусировкой и подсветкой для микро- и макрообъектов для одновременной визуализации изображения и картины распределения флуоресценции, для исследований in vitro микродоз биологических жидкостей и мазков тканей устройство содержит серебряные наноструктурированные SERS-подложки.

Description

Полезная модель относится к области медицины и медицинской технике.

В настоящее время проводятся как экспериментальные исследования, так и клинические наблюдения по изучению возможностей использования средств квантовой электроники, как источников оптического излучения (в том числе низкоинтенсивного лазерного излучения) для целей диагностики, профилактики и лечения заболеваний. В целом биологическое воздействие и клинический эффект низкоинтенсивного лазерного излучения зависит от оптических характеристик тканей (коэффициенты отражения, пропускания, поглощения), электрических, акустических, биохимических, физико-химических, физико-механических свойств тканей (теплоемкость, теплопроводность, удельная плотность и др.), функционального состояния биологического объекта (норма/патология). В результате взаимодействия указанных выше факторов (после поглощения кванта света) в облученных тканях первично происходят следующие физико-химические изменения: возникновение возбужденных состояний молекул, образования свободных радикалов, стереохимическая перестройка молекул, коагуляция и упругие колебания белковых структур, изменение электрического поля клетки, изменение химизма клетки и т.д. Эти первичные эффекты приводят к целому ряду вторичных изменений (вторичные эффекты). Часть из них связана с активацией ферментных систем, в частности, сукцинатдегидрогеназы, НАД-Н2, НАДФ-Н2, ПОЛ и др.

Лазерное излучение непосредственно и преимущественно воздействует на мембраны клеток, ферментные системы и рецепторный аппарат организма на различных уровнях его организации. Другая часть - вторичных эффектов вследствие конверсии лазерного излучения в биологическом объекте (БО) приводит к образованию, например, акустических и ультразвуковых колебаний, мягкого ультрафиолетового и рентгеновского излучения, флуоресценции, рэлеевского и комбинационного (рамановского) рассеяния, что приводит, в свою очередь, к еще большему усилению вторичных (локальных и общих, специфических и неспецифических) биологических эффектов и увеличению их разнообразия. Кроме того, и непосредственно лазерное излучение, и продукты, возникающие в результате первичных и вторичных эффектов, оказывают выраженное воздействие на нервные окончания и опосредованно на нервную систему в целом. Кроме первичных и вторичных эффектов, в организме возникают ответные нервно-рефлекторные и нервно-гуморальные реакции: активируются симпатоадреналовая и иммунная системы (местные и общие, специфические и неспецифические ее факторы) увеличивается концентрация адаптивных гормонов, таким образом возникает комплекс адаптационных и компенсаторных реакций в целостном организме, неправленых на восстановление его гомеостаза [1].

В результате под воздействием лазерного облучения происходят изменения, которые регистрируются на всех уровнях организации живой материи:

- субклеточном (поглощение кванта света пигментом БО, возникновение возбужденных состояний молекул, образование свободных радикалов, стереохимическая перестройка молекул, коагуляция белковых структур и т.п., что при позитивном разрушении приводит к увеличению скорости синтеза белка, РНК, ДНК, ускорению созревания коллагена и его предшественников и др.);

- клеточном (изменение заряда электрического поля клетки, изменение мембранного потенциала клетки и ее проницаемости, повышение метаболической и в частности синтетической активности и т.п.);

- тканевом (изменение химизма и рН межклеточной жидкости, изменение микроциркуляции и т.п., изменение кислородного баланса и активации окислительно-восстановительных процессов);

- органом (стимуляция или угнетение функции какого-либо органа);

- системном (возникновение ответных адаптационных нервно-рефлекторных и нервно-гуморальных реакций с активацией симпатоадреналовой и иммунной систем);

- восстановление метаболического и структурно-функционального гомеостаза БО на всех уровнях его организации.

В зависимости от конкретного сочетания воздействующих факторов лазерного облучения (параметров облучения, метаболического и функционального состояния облучаемой ткани и индивидуальных особенностей организма) результирующий ответ целостного организма может выражаться в активации его функций (при адекватной величине воздействия) или их угнетении (при неадекватно большой величине воздействия), а также в отсутствии сколько-нибудь существенных изменений (при неадекватно малой величине воздействия) местных и общих, специфических и неспецифических ответных реакций биологического объекта в зависимости от уровня его организации и его функционального состояния (гомеостаза).

При этом возникает объективная возможность регистрации указанных выше оптических, метаболических и биоэнергетических процессов, в качестве средства диагностики, что обеспечивает обратную связь при лечении больного на принципах реального времени.

Применение лазерного излучения особенно актуально в современной клинической практике, когда требуется проводить лечение и оценку его эффективности на современных принципах ″диагностики по месту лечения″, что объективно должно обеспечивать как лечебное, так и диагностическое применение воздействующего на биологический объект лазерного излучения. Это необходимо с целью выявления позитивных (негативных) физиологических и клинических эффектов, обеспечения своевременной коррекции негативных эффектов лазерного или иного лечебного воздействия на живой организм или отсутствие таковых. Эта методология и определяет необходимость и обоснованность рассмотрения общебиологической концепции взаимодействия лазерного излучения (ЛИ) с БО как лечебно-диагностической. Как первичные, вторичные эффекты, так и наведенные ими и патологическим процессом функциональные изменения БО могут быть зарегистрированы современными техническими средствами и использованы для целей оптометрии течения и оценки эффективности лечения с использованием воздействующего лазерного излучения и лазерной медицинской техники и медицинской технологии [1].

Ниже приводится ряд примеров-аналогов аппаратурной реализации использования лазерного излучения в целях диагностики.

Установка лазерная электронно-спектральная ЛЭСА-01-БИОСПЕК позволяет локально определять степень накопления фотосенсибилизатора в органах пациента, доступных для волоконно-оптического зонда. Установка для локальной спектроскопии может использоваться в ходе фотодинамической терапии внутриполостных, внутритканевых и поверхностных опухолей [7, 8]. Однако она требует введения не безопасных для организма химических соединений, не позволяет дифференцировать опухоли по видовой специфичности, метрологически не атестована, отсутствует калибровка, нормировка по интенсивности ее амплитудно-спектральных характеристик, тест-объект для нормировки результатов исследования с целью их сравнительной оценки в динамике наблюдения и соответствующий этим положениям программный продукт.

Установка является стационарной и громоздкой. Установка не позволяет регистрировать спектры рамановского рассеяния, что существенно снижает ее диагностические возможности.

Микробиологический мониторинг состояния организма с помощью лазерно-флуоресцентного комплекса ″Спектролюкс-МБ″ представляется технологическим и интеллектуальным средством не прямой диагностики туберкулеза, т.е. без определения видовой специфичности патогена, оперативного массового скрининга населения и динамичного мониторинга процесса коррекции и выбора эффективной медикаментозной стратегии лечения по косвенному признаку-изменению амплитудно-спектральных характеристик плазмы крови [2]. Комплекс является стационарным и громоздким. Установка не позволяет регистрировать спектры рамановского рассеяния что существенно снижает ее диагностический диапазон применения.

Медицинский комплекс диагностики микроорганизмов ″ФЛЮОЛ″ на базе специализированного спектрометра ″АОС-МП″ предназначен для индивидуального определения чувствительности бактериальной микрофлоры к антимикробным препаратам (антисептики, антибиотики) путем временного изменения интенсивности спектров флуоресценции этой микрофлоры под действием лекарственных препаратов при лазерном возбуждении субстрата исследования в дискретно изменяемые временные периоды [4]. Однако комплекс не имеет адекватного для медицины аппаратно-программного решения. Не решены в полном объеме вопросы амплитудно-спектральной калибровки и нормировки как самой аппаратуры так медицинских технологий на его основе, не удовлетворительная воспроизводимость результатов диагностики, недостаточная чувствительность аппаратуры требует доработки аппаратно-программного комплекса. Комплекс является стационарным и громоздким. Установка не позволяет регистрировать спектры рамановского рассеяния, что существенно снижает ее диагностические возможности.

Развитием технологий лазерной флуоресцентной диагностики является раман-флуоресцентная диагностика.

Плюсами этой новой и перспективной для многих отраслей медицины технологии является компактность и портативность используемой аппаратуры, высокая разрешающая способность порядка 1Å, наличие амплитудно-спектральной калибровки, нормировки измеряемых параметров, высокая чувствительность аппаратуры и воспроизводимость измерений, малая погрешность измерения, возможность использования микрообъемов исследуемого материала, отсутствие искажений снимаемого сигнала и влияния фоновой засветки на результаты измерений, возможность нормировки сигнала в режиме реального времени. Важной особенностью данного метода является возможность подавления сигнала рэлеевского рассеяния за счет обрезания Edge-фильтром [5], что позволяет регистрировать истинные спектры объектов исследования.

Методы раман-флуоресцентной спектроскопии и их технологическая и аппаратная реализация играют все большую роль в биофизике, микробиологии и медицине. При этом на первый план выходят задачи идентификации и структурной характеризации органических молекул, включая мониторинг их структурных изменений, измерение концентраций веществ, входящих в состав пробы. Лазерная спектроскопия широко используются для контроля процессов на химических производствах, для анализа качества продукции в фармакологии и пищевой промышленности, для выявления фальсификатов, для обнаружения наркотических и сильнодействующих веществ, для анализа загрязнения воды. Рамановская спектроскопия, которая позволяет однозначно распознавать органические молекулы по спектрам неупругого рассеяния света, благодаря возбуждению большого количества разных специфических колебательных и вращательных мод, как нельзя лучше подходит для этих целей. Рамановская спектроскопия является одним из наиболее точных методов анализа органических веществ [6, 9, 10].

Флуоресцентное и рамановское излучение используется для диагностики состояния объектов живой и не живой природы, в том числе тканей и органов БО в норме и при патологии, а именно - при заболеваниях и процессах микробной и неопластической природы, а также при других видах их патологии [3].

Аналогом заявляемого устройства является ″Raman spectrometer″, патент: US 7403281 В2. В патенте описаны система, способ и устройство для получения спектра рамановского рассеяния образца. В одном варианте исполнения предоставляется интегрированный рамановский спектрометр. В другом варианте исполнения предоставляется портативный спектрометр рамановского рассеяния. Существует вариант исполнения спектрометра рамановского рассеяния, включающего коллимирующую лучевую трубку для передачи возбуждающего излучения на внешние оптические системы, такие как микроскоп, телескоп или камеры. В следующем варианте осуществляется способ коррекции спектра рамановского рассеяния за счет вычитания спектра фоновых помех. В еще одном варианте исполнения спектрометра осуществляется способ для вычитания спектра флуоресценции из спектра рамановского рассеяния.

Недостатками устройства является отсутствие в спектре рассеянного света сигнала флуоресценции, который несет в себе часть информации о полученных данных; большие габариты; невозможность применения в медицинских целях.

Прототипом заявляемого устройства является ″Raman and photoluminescence spectroscopy″, патент: US 7362426 B1. В патенте описаны системы и методы для одновременного проведения рамановской и фотолюминесцентной спектроскопии. В рассеянном объектом свете выделяются и отделяются компоненты рамановского сигнала и сигнала фотолюминесценции. Первый детектор позволяет получить компоненту рамановского рассеяния, а второй детектор - фотолюминесценции.

Недостатками устройства являются большие габариты и невозможность применения в медицинских целях.

Техническим результатом, достигаемым при использовании описываемого устройства, является создание медико-биологического диагностического устройства широкого диапазона применения на основе высокочувствительного, малогабаритного, переносного раман-флуоресцентного спектрометра с возможностью его автономного питания и содержащего специальные насадки для исследования объектов экстра- и интракорпорально в жидком, твердом и сыпучем состоянии, а так же обеспечивающем возможность исследования тканей и мазков-отпечатков оптическим методом с регистрацией их раман-флуоресцентных спектральных характеристик с помощью SERS-подложек, усиливающих сигнал не менее чем 106-1010 и устройства в виде специализированной камеры и/или цифрового флэш микроскопа с подсветкой и автофокусировкой изображения макро или микрообъекта или субъекта, обеспечивающей высокоточную визуализацию изображения и картину распределения флуоресценции по площади объекта. При этом используется единое функционально и эргономически обоснованное аппаратно-программное техническое решение.

Следствием является повышение чувствительности, специфичности и точности применения диагностического устройства, расширение диапазона его применения, в том числе в медицине и биологии, миниатюризация устройства, использование его как переносного и/или автономного полевого аппаратно-программного устройства. Устройство обеспечивает возможность использования его для исследования тканей и органов в норме и при патологии, как in vivo, так и in vitro, как локально, т.е. точечно, так и по площади объекта исследования. Эти возможности определяются, в целом, спектральными, энергетическими параметрами и адекватными им дозозависимыми биологическими эффектами при воздействии лазерного излучения на исследуемый объект, реализуемых с помощью предлагаемого аппаратно-програмного устройства.

Данный технический результат достигается тем, что описываемое раман-флуоресцентное устройство для диагностики состояний биологических тканей человека в норме и при патологии in vivo и in vitro (Фиг.1) включает: лазер с лазерным фильтром (1); систему зеркал и линз (2); систему собирающую сигналы, исходящие от исследуемого объекта и объекта нормировки, и отрезающий фильтр (3); спектрометр с CCD-камерой, который обеспечивает обратную связь управлением лазером и запись сигнала рамановского рассеяния и флуоресценции (4); персональный компьютер (5), на который устанавливается специальное программное обеспечение, реализующее алгоритмы мониторинга, диагностики и коррекции состояния субъекта и/или биологических тканей человека в норме и при патологии. Производится программная обработка, калибровка, нормировка и масштабирование получаемых данных. Используются различные типы насадок и модификаций прибора. Для анализа in vivo применяется волоконно-оптический кабель, для анализа in vitro применяются другие различные типы насадок, а для визуализации изображения используется микроскоп. Для исследований in vitro микродоз биологических жидкостей и мазков тканей используются специальные серебряные наноструктурированные SERS-подложки. Для одновременной визуализации изображения и картины распределения флуоресценции используется цифровой флэш микроскоп с автофокусировкой и подсветкой объекта исследования.

Заявленное медицинское устройство раман-флуоресцентной диагностики состояния тканей человека в норме и при патологии состоит из двух объединенных аппаратно, структурно и функционально и содержащих единую программу компонентов, а именно - устройства раман-флуоресцентной диагностики in vivo для медико-биологических исследований и устройства раман-флуоресцентной диагностики in vitro для медико-биологических исследований, причем для предварительного экстра- и интракорпорального поиска патологического очага, инфекта, опухоли или другой патологии и последующего забора из него традиционными методами материала для исследования используются компоненты in vivo диагностики, а при исследованиях in vitro - компоненты in vitro диагностики. При этом получаемые результаты взаимно дополняют друг друга и повышают чувствительность аппаратно-программного диагностического решения. Это обеспечивается в частности тем, что показатели при исследованиях in vitro на SERS-подложках повышают чувствительность диагностики в 106 раз и больше, что позволяет выявлять начальные проявления патологии не доступные для исследований in vivo - именно поэтому предлагаемое аппаратно-программное устройство раман-флуоресцентной диагностики мы функционально рассматриваем в аппаратно-структурном и программном единстве полезной модели.

Приводим возможные примеры и варианты применения устройства раман-флуоресцентной диагностики в медико-биологических исследованиях, как in vivo, так и in vitro(Ha рисунках представлены раман-флуоресцентные спектры):

1) Для идентификации, индикации и дифференциации микроорганизмов, а так же для определения чувствительности микробов к антимикробным препаратам и для мониторинга плазмы крови. Данные исследования проводятся in vitro с помощью SERS-подложек на устройстве раман-флуоресцентной диагностики в сочетании с вертикальной насадкой или микроскопом, а так же возможно сканирование по поверхности исследуемого образца в процессе измерения. Метод гигантского рамановского рассеяния на SERS-подложках повышает чувствительность обнаружения и специфичность идентификации некоторых микроорганизмов, например, микроорганизмов, которые содержат пигменты или имеют рамановски-активные продукты жизнедеятельности, по сравнению с другими существующими экспресс-методами (рис.1).

Рис.1. Сравнение спектров Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus.

2) Для проведения экспресс - диагностики кариеса и флюороза, объективизации их лечения, ускоренного исследования микробной ассоциации, определения относительной величины минерализации твердых тканей зуба. Данные исследования проводятся как in vitro, так и in vivo на устройстве раман-флуоресцентной диагностики. При исследовании in vitro возможно сочетание устройства раман - флуоресцентной диагностики с любой из прилагающихся насадок и с микроскопом. При исследовании in vivo используется при работе с объектом исследования спектрометр с волоконно-оптическим кабелем

(рис.2, 3).

Рис.2. Нахождение рамановских линий гидроксиапатитов, кальций апатитов и фторапатитов в меловом пятне (это пятно возникает при флюорозе) и в эмали.

Рис.3. Снижение интенсивности рамановской линии гидроксиапатитов (963 см-1) при развитии кариеса за счет падения степени деминерализации зуба.

3) Для диагностики и исследования опухолевидных образований, как доброкачественных, так и злокачественных, и здоровых тканей in vivo и in vitro. Данные исследования проводятся как in vitro, так и in vivo на устройстве раман-флуоресцентной диагностики. При исследовании in vitro возможно сочетание устройства раман-флуоресцентной диагностики с любой из прилагающихся насадок и с микроскопом. Путем одновременного измерения рамановского рассеяния и сигнала флуоресценции на объемном куске исследуемой ткани и на тонком слое жидкой фазы мазка ткани на SERS-подложках записываются спектры доброкачественных, злокачественных и здоровых тканей, анализ которых обнаруживает ряд характерных отличий. При исследовании in vivo используется при работе с объектом исследования спектрометр с волоконно-оптическим кабелем (рис.4, 5).

Рис.4. Спектры интактных тканей

Рис.5. Спектры раковых тканей

4) Для диагностики лекарственных препаратов (рис.6, 7).

Рис. 6. Верхний спектр (красный) - спектр метамизола;

нижний (синий спектр) - спектр препарата Милдронат (Mildronate)

Рис.7. Верхний спектр (синий) - спектр виагры,

нижний спектр (красный) - спектр но-шпы

Эти отдельные примеры наглядно отражают широкий диапазон диагностических возможностей аппаратно-программного устройства экспресс раман-флуоресцентной диагностики в медицине и биологии.

Указанные выше преимущества являются отличительными для аналогичного типа установок, выпускаемых как в России, так и за рубежом, что делает заявленное аппаратно-программное устройство раман-флуоресцентной in vivo и in vitro диагностики на сегодняшний и ближайшие годы приоритетным.

Доступность и высокая чувствительность, малогабаритность и автономность устройства раман-флуоресцентной диагностики позволяет применять его в широкой клинической практике.

К настоящему времени разработаны базовые элементы портативных раман-флуоресцентных устройств: малошумящих CCD камер, работающих при комнатной температуре, мощных компактных полупроводниковых и твердотельных лазеров, ultra-cut-edge рамановских фильтров, обеспечивающих пропускание рассеянного лазерного излучения на уровне 10-6 при смещении на 100 см-1 от линии лазера.

Комплектация портативных раман-флуоресцентных устройств с SERS-активными подложками позволяет увеличить амплитуду рассеянного света, и пропорционально уменьшить объем анализируемых веществ. Портативные раман-флуоресцентные устройства уже сейчас могут быть использованы для идентификации микродоз (до нескольких десятков молекул) органических веществ. Предполагается, что дешевые SERS активные подложки, выполненные на базе новой технологии, в сочетании с миниатюрным и дешевым рамановским спектрометром, уже в ближайшее время найдут широкое применение во многих областях науки и жизни людей:

- В медицине для диагностики инфекционных и неинфекционных заболеваний в различных ее разделах и отраслях - онкология, стоматология, гинекология, дерматология, иммунология. Для исследования различных биологических жидкостей организма

- В биологии и микробиологии для изучения культур микроорганизмов, клеток и тканей

- В физике для изучения основ спектрального анализа на примере рамановского рассеяния и флуоресценции, а так же спектров поглощения. Использование оптических методов изучения физических объектов

- В нанотехнологиях для исследования любых типов наноструктур

- В органической и неорганической химии при изучении механизмов реакций и характеризации продуктов синтеза

- В материаловедении при исследовании любых типов неорганических и органических материалов, включая полупроводниковые элементы

- В минералогии при изучении драгоценных камней и минералов

- При проведении криминалистической и таможенной экспертиз

- В фармацевтике при разработке и контроле производства таблетированных форм и кремов

- В промышленности для контроля качества продуктов питания, животноводческих кормов и растениеводческой продукции

- Для экологической оценки окружающей среды, почв и водных ресурсов

Это позволяет практически в реальном времени на принципе обратной связи (″прикроватная диагностика″ - диагностика по месту лечения) проводить диагностику патологического процесса и/или заболевания, выявлять и конкретизировать этиологический фактор, объективно оценивать процесс реабилитации больного, эффективность выбора предпочтительного антимикробного препарата и его индивидуальную клиническую эффективность.

Применение устройств раман-флуоресцентной диагностики имеет существенные преимущества, клинически целесообразны и могут быть рекомендованы для оценки как патогенетических, так и саногенетических процессов.

Таким образом, предлагаемое устройство раман-флуоресцентной диагностики предназначено для измерения, регистрации и интерпретации спектров рамановского рассеяния и/или спектров микробов, опухолей, фотолюминесценции биологических жидкостей, кожных покровов, слизистых оболочек и тканей организма (in vivo и in vitro), для диагностики и лечения широкого круга заболеваний и функциональных расстройств организма человека и животных, а так же для анализа содержимого таблеток, капсул, порошков и жидкостей; Помимо вышеописанных применений данное устройство может быть использовано для оценки среды обитания человека в широком понимании этого положения.

В целом предлагаемое устройство раман-флуоресцентной диагностики состоит из спектрометра с дифракционной решеткой, не имеющего подвижных частей, и жестко соединенной с ним лазерной сборки. Спектральный диапазон устройства покрывает область молекулярных колебаний органических и неорганических веществ, что позволяет в течение нескольких секунд производить измерение рамановского и/или флуоресцентного спектра исследуемого объекта, определять спектральное положение и относительные интенсивности рамановских и флуоресцентных спектральных линий - своего рода ″отпечатков пальцев″ исследуемого объекта, проводить поиск и сравнение этих ″отпечатков пальцев″ со спектральной базой данных известных объектов.

Для экспресс-анализа не требуется предварительной подготовки или обработки исследуемых объектов. Их идентификация может производиться непосредственно в закрытых контейнерах, сосудах, бутылках, колбах и ампулах с прозрачными или полупрозрачными стенками.

Для применения устройства раман-флуоресцентной диагностики не требуется специального помещения, поэтому прибор может применяться для контроля органических и неорганических веществ как на начальной и конечной стадии производства, так и в процессе транспортировки. Результаты анализа обрабатываются с помощью удобного пользовательского программного интерфейса.

Работа устройства раман-флуоресцентной диагностики ведется с помощью персонального компьютера (ПК) через USB-порт. Программное обеспечение данного прибора позволяет проводить качественный и количественный анализ получаемых спектров на основе использования базы данных исследуемых субстратов и/или объектов и/или субъектов в дальнейшем трактуемых как синонимы.

С помощью устройства раман-флуоресцентной диагностики исследуемый объект подвергается воздействию лазерного излучения видимого диапазона, производится сбор рассеянного излучения от исследуемого объекта и спектральный анализ этого излучения. Прибор состоит из лазерного источника излучения, спектрометра типа Czerny-Turner [11], системы сбора, фильтрации и анализа рассеянного излучения. Устройство оснащено малошумящим многоканальным детектором-анализатором (ПЗС-линейкой) для регистрации амплитудных и спектральных характеристик рассеянного излучения. Доступ к аппаратным средствам устройства раман-флуоресцентной диагностики и получаемым данным осуществляется посредством встроенного микроконтроллера с USB-интерфейсом. Программное обеспечение позволяет не только получать раман-флуоресцентные спектры различных объектов, но и распознавать их путем сравнения с эталонными.

Возможны, например, следующие варианты работы с устройством раман-флуоресцентной диагностики:

1. Без использования SERS - подложки.

Для исследования in vivo применяется устройство раман-флуоресцентной диагностики с окончанием в виде волоконно-оптического кабеля.

Для исследования in vitro применяется устройство раман-флуоресцентной диагностики с любыми типами насадок и в сочетании микроскопа с устройством для крепления спектрометра.

2. С использованием SERS-подложек.

Для анализа микродоз исследуемых веществ применяются специализированные

нано-структурированные SERS-подложки, на которые с помощью микропипетки

наносится капля исследуемого вещества или делает мазок БО.

2.1. В сочетании с насадкой для вертикального крепления спектрометра.

2.2. В сочетании микроскопа с устройством для вертикального крепления спектрометра. Для этого устройства в сочетании с микроскопом оптическая схема состоит из микроскопного модуля и модуля спектро-анализатора, сочлененных при помощи модуля светоделителя. Для визуального исследования объекта используется стандартный режим работы микроскопа с использованием окуляров и/или видеокамеры. Конфигурация прибора допускает использование любой оптической схемы иллюминации объекта как ″на отражение″, так и ″на пропускание″.

Для некоторых задач, например при поиске раковых клеток в биологическом субстрате или при анализе плазмы крови на предмет нахождения в ней микробов и вирусов, предусмотрено использование в устройстве раман-флуоресцентной диагностики сканирующей xyz - подвижки, обеспечивающей запись спектров с исследуемого образца по заданной траектории с заданным шагом. Спектры неупругого рассеяния света и сигнала флуоресценции можно измерять с пространственным разрешением 3 мкм. Именно в такой размер удается фокусировать лазерный луч на объект.

Предлагаемое аппаратно - программное устройство раман-флуоресцентной диагностики технически и технологически позволит с высокой степенью точности и чувствительности, заложенной в нем аппаратурно и программно, объективно и достоверно обеспечивать наиболее важный этап обследования - диагностику субъекта исследования или заболевания, мониторинг его течения и процесс реабилитации в целом. Ниже представлена принципиальная схема аппаратно-программного устройства раман-флуоресцентной диагностики (Фиг.1), где: 1 - лазер с лазерным фильтром; 2 - система зеркал и линз; 3 - система, собирающая сигнал, исходящий от исследуемого объекта, и отрезающий фильтр; 4 - спектрометр с CCD-камерой; 5 - персональный компьютер, на который устанавливается специальное программное обеспечение, реализующее алгоритмы мониторинга, диагностики и коррекции состояния субъекта и/или биологических тканей человека в норме и при патологии, а также ряда дополнительных приспособлений и устройств, указанных как на представленной схеме, так и в тексте заявки и обеспечивающих аппаратно-структурное и фукциональное единство представленной полезной модели раман-флуоресцентной диагностики.

Список литературы

1. Александров М.Т. Лазерная клиническая биофотометрия (теория, эксперимент, практика) - М.: Техносфера, 2008. - 584 с.

2. Александров М.Т., Афанасьев Р.А. и соавт., Лазерная флуоресцентная диагностика в медицине и биологии (теория и возможности применения). - ″НПЦ Спектролюкс″, 2007. - 272 с., ил.

3. М.Т. Александров, В.М. Зуев, В.И. Кукушкин, А.И. Карселадзе, А.И. Ищенко, Т.А. Джибладзе, Б.Г. Метревели, Т.А. Хомерики. Исследование спектральных характеристик органов малого таза у женщин и их клиническое значение. - Онкогинекология. - №3. - 2013, С.61-67.

4. Геворков Г.Л. Комплексное лечение больных с флегмонами челюстно-лицевой области на основе индивидуального выбора антимикробного препарата экспресс-методом на лазерном аппарате ″Флюол″. Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук. М., 2009. - 126 с.

5. Thomas Huser. Nanosensors using Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) // Center for Biophotonics Science and Technology, EAD289, Feb. 6, 2007.

6. К. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. Dasari, М. Feld. Surface enhanced Raman scattering and biophysics. // Journal of Physics: Condensed Matter, 14, R597-R624 2002.

7. Loschenov V.B, Konov V.I., and Prokhorov A.M. Photodynamic Therapy and Fluorescence Diagnostics // Laser Physics, 10, No.6, 2000, pp.1188-1207.

8. D.S. Shcherbo, I.I Shemiakina, A.V. Ryabova, K.E. Luker, V.B. Loshchenov, at all. Near-infrared fluorescent proteins // Nature Methods. 2010. doi:10.1038.

9. R. Sheng, F. Nii, T. Cotton, Anal.Chem.63, 437 (1991).

10. J. Thornton, R. Force, Appl. Spectrosc. 45, 1522 (1991).

11. URL: http://mrl.illinois.edu/sites/default/files/AMC/downloads/ PrincetonInstruments_SCT-Spectrograph.pdf

Claims (1)

1. Устройство раман-флуоресцентной диагностики состояния тканей человека в норме и при патологии, включающее лазер с лазерным фильтром, систему зеркал и линз, систему, собирающую сигнал, исходящий от исследуемого объекта, и отрезающий фильтр, спектрометр с CCD-камерой, отличающийся тем, что спектрометр содержит дополнительно насадки различных типов и/или приспособления для экспресс пробоподготовки объектов для их исследования в жидком, сыпучем, твердом состоянии и/или мазка отпечатка, спектрометр соединен с компьютером, реализующим алгоритмы мониторинга, диагностики и коррекции состояния субъекта и/или биологических тканей человека в норме и при патологии, спектрометр соединен с лазером обратной связью, устройство также содержит волоконно-оптический кабель для воздействия лазерным излучением, микроскоп для прецизионной визуализации изображения, а также цифровой флеш микроскоп с автофокусировкой и подсветкой для микро- и макрообъектов для одновременной визуализации изображения и картины распределения флуоресценции, для исследований in vitro микродоз биологических жидкостей и мазков тканей устройство содержит серебряные наноструктурированные SERS-подложки.