Акустическая интерферометрия биологических жидкостей для медицинской лабораторной диагностики

Клемина, Анна Викторовна

Акустическая интерферометрия биологических жидкостей для медицинской лабораторной диагностики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Клемина, Анна Викторовна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Акустическая интерферометрия биологических жидкостей для медицинской лабораторной диагностики»

Автореферат диссертации на тему "Акустическая интерферометрия биологических жидкостей для медицинской лабораторной диагностики"

004608092

Клемнна Анна Викторовна

АКУСТИЧЕСКИЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ

БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ ДИАГНОСТИКИ

01.04.06 - акустика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 6 СЕН 2010

Нижний Новгород - 2010

004608092

Работа выполнена на кафедре акустики радиофизического факультета Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

доктор физико-математических наук, профессор Гурбатов С.Н.

доктор технических наук Гаврилов Л.Р.

доктор физико-математических наук Осипов Г.В.

Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН

Защита состоится <<с£М 2010г. в на

заседании диссертационного совета Д 212.166.07 при Нижегородском государственном университете им. Н.И.Лобачевского по адресу: Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. ауд.'^Й?

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Автореферат разослан 2010 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент

Черепенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы диссертации

В 70 - 90 - х годах двадцатого века в лаборатории биофизической акустики Института Биологической физики АН СССР под руководством А.П. Сарвазяна проводились исследования акустических характеристик белков и аминокислот с использованием интерферометра постоянной длины. Именно акустические исследования этих биологических жидкостей позволяют изучить тонкие структурные характеристики и гидратацию биологических макромолекул в растворе, их межмолекулярные взаимодействия и конформационные перестройки биополимеров [1].

Теоретические основы распространения ультразвуковых волн в интерферометре постоянной длины разработаны J. Hubbard [2]. Однако данные исследования относятся к интерферометру, не имеющему ограничительных стенок, т. е. объем резонатора в этом случае мог быть 100 - 200 мл. Ф. Эггерс предложил для исследования частотных зависимостей в жидкостях интерферометр постоянной длины или акустический резонатор объемом 1 - 5 мл, в котором присутствовали элементы регулировки параллельности пьезопреобразователей [3]. Его метод основывался на теоретических представлениях об идеальности акустического резонатора, т.е. отсутствии потерь при отражении на поверхностях пьезопреобразователей и в предположении, акустическая волна в резонаторе плоская.

Более точное теоретическое поведение ультразвукового поля в резонаторе было выполнено A. Labhardt в 1975 г [4]. Оно учитывало акустические свойства пьезопреобразователей, потери при отражении от них, а также дополнительные эффекты, возникающие из - за трехмерного распространения волны внутри цилиндрической кюветы.

Акустический интерферометр постоянной длины или акустический резонатор с целью его применения для исследования биологических жидкостей совершенствовался в 70 - 90 годах двадцатого века, однако для медико-биологических приложений, в частности, в области медицинской лабораторной диагностики известные технические решения применить не представляется возможным по ряду причин:

1. Биожидкости организма человека, используемые для лабораторной диагностики (сыворотка крови, цельная кровь), как правило, могут быть использованы в очень ограниченном объеме (не более 0,1 - 0,5 мл), а при исследовании крови детей - еще меньше, т.е. объем измерительной ячейки должен быть не более 70 - 90 мкл.

2. Точность измерений скорости и поглощения ультразвука должна быть предельно высокой для высококонцентрированных биосред (сыворотка крови, цельная кровь). Необходимо регистрировать возможные отклонения от нормы для нативных биологических жидкостей, чтобы определить изменения их состава и надежно регистрировать патологию. По нашим оценкам погрешность измерения относительного изменения скорости ультразвука должна быть не более 10"4% и 1% для поглощения ультразвука.

3. Для систематических, серийных исследований (200 - 250 исследований в день) конструкция акустического интерферометра постоянной длины не должна иметь регулирующих параллельность элементов, но добротность резонатора с водой должна быть не хуже 4000 -5000.

4. Сыворотка крови и цельная кровь человека - это среды, имеющие биологическую опасность (гепатит, СПИД) и достаточно агрессивны, поэтому конструкция ультразвукового резонатора должна допускать специальную обработку дезинфицирующими средами, но при нагрузке до 50000 исследований в год результаты исследований должны быть воспроизводимы и правильны при проведении всего цикла измерений.

Известные ультразвуковые интерферометры постоянного объема не удовлетворяют перечисленным выше условиям. Поэтому разработка и исследование акустического интерферометра постоянной длины малого объема, имеющего специальные конструктивные особенности для его применения в лабораторной медицинской диагностике, является актуальной задачей.

Изучение распространения ультразвуковых волн в интерферометре постоянной длины специальной конструкции малого (около 80 мкл) объема для серийных прецизионных измерений скорости и поглощения ультразвука, их частотных и температурных зависимостей, экспериментальное подтверждение необходимых точностных характеристик

интерферометрических измерений явилось предметом диссертационной работы. Кроме того, необходимо было разработать и испытать способ определения параметров белкового и липидного спектра сыворотки крови на основе высокоточных измерений ее акустических характеристик

До настоящего времени все традиционные биохимические методы определяют общий белок и белковые фракции (альбумин, аг, а2-, р-, "/глобулины) и липидные компоненты (холестерин общий, холестерин липопротеидов высокой и низкой плотности, триглицериды) сыворотки крови с использованием специальных биохимических реагентов, которые дороги, агрессивны и не безопасны для здоровья врача - лаборанта, а при ежедневно проводимых исследованиях просто вредны для здоровья и вызывают онкологические заболевания различных органов. Поэтому актуальна задача разработки безреагентных методов определения важнейших компонентов крови человека.

Цель 1г задачи работы

Цель настоящей диссертационной работы и задачи настоящего исследования состоят в следующем:

1. Рассмотреть особенности распространения ультразвуковых волн в интерферометре постоянной длины малого (менее 80 мкл) объема, выяснить влияние дифракции и фазовых потерь из-за пеидеальности отражения ультразвуковых волн на поверхностях пьезопрсобразователей и, таким образом, определить предельную добротность такого ультразвукового резонатора.

2. Исследовать условия ультратсрмостатироваиия акустического резонатора малого объема с помощью специально разработанного стенда. Определить метрологические характеристики акустического анализатора биожидкостей, основным узлом которого является ультразвуковой интерферометр постоянной длины.

3. Используя аддитивную модель вклада отдельных компонентов сыворотки крови в суммарные акустические характеристики, исследовать зависимость относительной скорости и поглощения ультразвука, их температурных и частотных характеристик от концентрации белковых и липидных компонентов в сыворотке крови.

4. Исследовать предельные точностные возможности разработанного акустического резонатора малого объема на примере измерения акустических характеристик слюны и рассмотреть возможность использования этих характеристик в кардиологической практике.

5. Изучить влияние радиационной силы на эритроциты крови в поле стоячей ультразвуковой волны в интерферометре малого объема и на основании этих исследований разработать акустический метод определения скорости оседания эритроцитов (СОЭ) - важного параметра общего анализа крови.

Методы исследований

Проведенные в работе исследования базируются на методах математической физики, теории вероятностей, теоретической акустики, биофизики, а также на методах математического моделирования, с использованием разработанных автором программ и натурных экспериментов.

Научная новизна работы

В работе впервые:

1. Теоретически и экспериментально исследован цельнометаллический интерферометр постоянной длины малого (менее 80 мкл) объема для серийного акустического анализатора, определены способы поддержания заданных температур в этом интерферометре с погрешностью ±0,002°С и разработаны алгоритмы анализа АЧХ интерферометров для определения

относительного измерения скорости ультразвука с погрешностью ±10"4% и поглощения ультразвука с погрешностью ±1% для сыворотки крови.

2. Разработана методология определения белковых липидных компонентов сыворотки крови на основе измерений скорости и поглощения ультразвука и их температурных и частотных зависимостей и предложен акустический безреагентный метод одномоментного определения общего белка, белковых фракций и параметров липидного спектра сыворотки крови. Успешно проведены клинические испытания безреагентного акустического метода.

3. Исследованы акустические характеристики слюны человека в норме и при патологии сердечно - сосудистой системы. Совместно с медицинскими соисполнителями разработаны рекомендации использования акустического метода исследования слюны в кардиологической практике.

4. Выявлена зависимость скорости оседания эритроцитов (СОЭ) от относительного изменения скорости ультразвука и на основании проведенных исследований по влиянию радиационной силы на эритроциты в цельной крови разработан акустический способ определения СОЭ.

Практическая значимость результатов

Изучение особенностей интерферометра постоянной длины малого объема позволило улучшить технические характеристики серийного прибора - акустического анализатора безреагентного АКБа - 01 БИОМ и подготовить техническое задание для акустического анализатора нового поколения.

Разработанная модель анализа сложных биологических сред (сыворотка крови содержит более 200 компонентов) акустическим методом положена в основу методических рекомендаций для применения акустического анализатора безреагентного АКБа - 01 «БИОМ» в медицинской практике. Прибор в биохимическом исполнении работает в более чем 30 лабораториях в различных регионах России.

Акустический метод определения СОЭ на основе воздействия на эритроциты радиационной силы применяется в выпускаемом фирмой «БИОМ» СОЭ - метре, который используется в клинико-диагностических лабораториях г. Дзержинска, в Кисловодском центральном военном санатории, в клинико-диагностической лаборатории Института курортологии Федерального медико-биологического агентства (г. Пятигорск) и ряде других лечебно - профилактических учреждениях.

Достоверность

Достоверность полученных результатов подтверждается данными клинических испытаний разработанных способов акустического безреагентного анализа сыворотки крови для определения общего белка, белковых фракций и липидных компонентов и цельной крови для

определения скорости оссдання эритроцитов в ведущих медицинских лабораториях России: па кафедре лабораторной диагностики Академии последипломного образования Мипздравсоцразвития РФ, Ставропольской медицинской академии на кафедре лабораторной диагностики, Клиническом военном госпитале им. H.H. Бурденко.

Положения, выносимые на защиту

1. Алгоритм и экспериментальная установка для исследования цельнометаллической конструкции интерферометра постоянной длины, позволяющие разработать оптимальную схему электронного ультратермостатирования интерферометра с нестабильностью 0.002°С за 30 сек для серийного акустического анализатора.

2. Методика акустического анализа биологической жидкости многокомпонентного состава, основанная на высокоточных измерениях относительной скорости и поглощения ультразвука, их температурных и частотных зависимостей, позволяющая получить безреагентный способ определения общего белка, белковых фракций и липидных компонентов сывороткн крови.

3. Методика акустического анализа слюны человека, позволяющая использовать акустический параметр слюны для неинвазивного способа прогнозирования течения инфаркта миокарда в госпитальном периоде лечения пациентов.

4. Выявленное влияние радиационной силы на эритроциты в цельной крови, помещенной в поле стоячей ультразвуковой волны, позволяющее определить скорость оседания эритроцитов (СОЭ) и разработать новый акустический способ измерения СОЭ.

Апробация результатов и публикации

Результаты диссертационной работы представлялись на XVIII-XX сессиях Российского Акустического Общества (Таганрог - 2006, Нижний Новгород - 2007, Москва - 2008), 5lh Forum Acousticum (Paris, 2008), International Congress on Ultrasonics (Chile, 2009), Всероссийской научно -технической конференции «Перспективы фундаментальной и прикладной науки в сфере медицинского приборостроения» (Таганрог, 2009), IX Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Суздаль - Владимир, 2010), Международном конгрессе «Лабораторные технологии при организации медицинской помощи» (Москва, 2010), Всероссийской научно - технической конференции «Медицинские информационные системы» (Таганрог, 2010), XLVII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс: Физика» (Новосибирск, 2009), IX - XIII научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород, 2005 - 2009), XI - XIII Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2006 -2008).

Основные материалы диссертации опубликованы в 22 работах. Среди них 6 статей (4 из которых входят в список ВАК) и 15 работ, представляющие собой опубликованные материалы докладов на научных конференциях [2 - 7, 9 - 23]. Получен патент РФ на разработанный акустический метод [1]. Одна статья направлена и принята в печать (в журнал «Известия ЮФУ. Технические науки») [8].

Работа выполнена при поддержке Грантов РФФИ № 05-02-16517, 0802-00631, 09-02-97074; Грантов государственной поддержки ведущих научных школ НШ-5200.2006.2, 1055.2008.2, 3700.2010.2; Проектов ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" (контракт № 02.740.11.0565, контракт № П2308).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы. Общий размер работы составляет 129 страниц, список цитируемой литературы включает 83 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагаются состояние и актуальность предмета исследования, краткий обзор известных методов и результатов по теме диссертации, цели и структура работы, научная новизна и практическая значимость проводимого исследования.

В первой главе представлен обзор методов измерения скорости и поглощения ультразвука в жидкостях, а именно импульсный, фазовый и резонаторный методы. Рассмотрены точностные характеристики этих методов и показано, что точности измерений не могут позволить выявить незначительные изменения состава нативных биологических жидкостей (сыворотка крови, цельная кровь).

Регистрация этих изменений необходима для определения белковых фракций и липидных компонентов крови, а также зарегистрировать изменения в скорости оседания эритроцитов (СОЭ) в цельной крови. Только метод интерферометра постоянной длины имеет потенциальные возможности для решения указанных задач. Однако в литературе рассмотрены вопросы использования акустического интерферометра для исследования сред при концентрации компонентов порядка 1 г/л.

Для применения акустического интерферометра в серийных исследованиях высококонцентрированных биологических жидкостей разработана цельнометаллическая конструкция интерферометра. В первой главе рассмотрено распространение ультразвуковых волн в таком интерферометре. Формулы для определения скорости у, и поглощения ультразвука на длину волны аХ, учитывающие трехмерные эффекты при распространении волн в интерферометре и потери из-за конечности

размеров акустического интерферометра малого (менее 80 мкл) объема, имеют следующий вид [4]:

, А/, 0,147 ( У

V, \ ■> >.

(1,2)

' 1

где £ - частота} пика, - ширина} пика, Я - раднус преобразователей, р2 -удельный входной импеданс стенки ячейки, реальная и мнимая

части волнового числа.

Формулы использованы во второй главе для точного определения скорости и поглощения ультразвуковых волн в разработанном интерферометре постоянной длины малого объема.

Во второй главе описаны автоматизированная установка для измерения скорости и поглощения ультразвука в различных жидкостях на основе интерферометра постоянной длины и интерферометрические датчики, в которых проводились измерения ультразвуковых характеристик сыворотки крови, цельной крови и слюны человека.

В разделе 2.1 представлена разработка акустического датчика малого объема и представлен процесс оптимизации системы его термостатирования. Для этого был собран стенд, в котором использовался интерферометр постоянной длины с системой водяного термостатирования. В данном интерферометре нет элементов регулирования параллельности пьезопреобразователей, параллельность их обеспечивается технологически при изготовлении. Блок-схема стенда представлена на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема стенда 1,2- акустические интерферометры с водяным термостатированием; 3 - теплоизолирующая оболочка; 4, 5 - водяные ультратермостаты; б, 7 - ВЧ - переключатели; 8 - анализатор спектра СКЧ - 59.

В ходе исследований на специализированном стенде был разработан электронный термометр «БИОМ», который измеряет температуру с точностью не хуже ±0,05°С при разрешении по температуре 0,001°С. Была проведена калибровка электронного термометра.

В разделе 2.2 представлены исследования частотных и температурных зависимостей скорости и поглощения ультразвука в растворах солей, которые используются для проверки стабильности работы разработанной акустической системы «БИОМ».

Выявление особенностей, свойств и состава этих сред требует высокоточных измерений скорости (порядка ~10"6) и поглощения (порядка ~10"2) ультразвука. Для получения акустических характеристик с такими точностями необходимо поддержание температуры в акустических ячейках с точностью не хуже ±0,05°С. Для подтверждения стабильности и правильности получаемых данных необходимо иметь стандартные среды, свойства которых мало меняются со временем. Для контроля стабильности работы акустической системы «БИОМ» были разработаны растворы солей, акустические свойства (скорость и поглощение ультразвука) которых лежат в диапазоне биологических жидкостей.

Для выбора конкретных солевых растворов, которые могли бы имитировать сыворотку крови по акустическим параметрам и использоваться для ежедневного контроля качества, были исследованы следующие водные растворы неорганических солей ЫаС1 (хлорид натрия), ЫаНСОз (гидрокарбонат натрий) и Мп804 (сульфат марганец). Первые две соли при концентрации, соответствующей скорости ультразвука в сыворотке крови, в необходимом нам частотном диапазоне 6-14 МГц, имели поглощение ультразвука, близкое к поглощению ультразвука в воде и поэтому не пригодны для калибровочных сред. Растворы Мп504 оказались наиболее подходящими и по скорости и по поглощению ультразвука, поэтому были исследованы.

Были проведены измерения скорости и поглощения ультразвука в 0.5М водного раствора соли МпБО^ в зависимости от частоты и температуры, а также при его разбавлении в 2, 4 и 10 раз. Все полученные результаты совпадают с данными работ других авторов.

Всесторонне исследованный акустический датчик является основным принципиальным блоком акустического анализатора безреагентного АКБа-01 БИОМ, разработанного фирмой «БИОМ» для акустического анализа биологических жидкостей (рис. 2).

В третьей главе приведены примеры применения акустического интерферометра постоянной длины малого объема (80 мкл) для исследования различных биологических жидкостей, в частности, сыворотки крови, цельной крови и слюны человека. Разработаны новые акустические методы безреагентного определения общего белка, белковых фракций, липидного спектра сыворотки крови, акустический метод определения

скорости оседания эритроцитов (СОЭ) в цельной крови, а также акустический способ исследования состава слюны человека.

Рис. 2. Акустический анализатор безреагентный АКБа - 01 «БИОМ»

В разделе 3.1 представлены исследования сыворотки крови человека и предложен акустический метод безреагентного определения общего белка и белковых фракций сыворотки крови человека.

Для разработки акустического метода определения общего белка и белковых фракций сыворотки крови были исследованы частотные и температурные зависимости скорости и поглощения ультразвука в этой биосреде.

Для определения общего белка было измерено поглощение ультразвука в сыворотке крови при определенной температуре из диапазона (15-40)°С и концентрацию общего белка определяют по формуле:

С. =

об /

а,.

(3)

С пт

где »'> - концентрация общего белка в г/л; - относительное

поглощение ультразвука в сыворотке крови относительно дистиллированной

воды; »» - концентрационный коэффициент поглощения для общего белка.

Акустический метод определения белковых фракций базируется на исследованиях скорости ультразвука в сыворотке крови и в двух модифицированных сыворотках, полученных с помощью воздействия на сыворотку разработанными растворами. Предполагалось, что белковые фракции дают аддитивный вклад в относительные изменения скорости ультразвука в сыворотке крови и двух модифицированных сыворотках, одна из которых не содержит у-глобулин, а другая /?- и у-глобулины. Принимая

во внимание минимальное влияние низкомолекулярных компонентов сыворотки крови на скорость ультразвука в этих биологических средах, для определения процентных долей в сыворотке крови альбумина, а/ -глобулина, а2 - глобулина, ¡1 - глобулина, у - глобулина использовали систему линейных уравнений.

При проведении сравнительных исследований сыворотки крови для разных групп пациентов методом электрофореза и акустическим методом установлена высокая степень корреляции изменений альбумина, «/-, а2- и у -глобулинов (г = 0.95, 0.92, 0.65, 0.64 соответственно).

В разделе 3.2 представлен акустический метод определения липидного спектра сыворотки крови человека.

Метод акустического безреагентного определения липидных компонентов сыворотки крови человека базируется на исследованиях частотных зависимостей поглощения ультразвука и температурных зависимостей скорости ультразвука в сыворотке крови, содержащей разное количество белка и липидных компонентов.

На рис. 3 представлены результаты исследования а) температурной зависимости относительного изменения скорости ультразвука и б) частотной зависимости поглощения на длину волны для трех типов сывороток крови при одинаковом (66 г/л) содержании общего белка и различном содержании липидных компонентов: 1 - нормальном (Хоб = 4 ммоль/л, Хлпвп = 1,37 ммоль/л, Трг = 0,9 ммоль/л); 2, 3 - патологических (2 - Х„,-, = 5,8 ммоль/л, Хлпвп = 1,00 ммоль/л, Трг = 1,9 ммоль/л; 3 - Хоб = 7,4 ммоль/л, ХЛПвп = 0,80 ммоль/л, Трг = 3,7 ммоль/л).

Температурная зависимость относительной скорости ультразвука

1 22 Н

;20 18 16

• А

»• ■ А

• 1 • 2

АЗ

22 32

Т °С

Частотная зависимость поглощения на длину волны ультразвука

3,5 3 2,5 2

1,5 ■ 1 0,5 0

.ж

«1 * 2

АЗ

Рис. 3. а) температурная зависимость изменения относительной скорости ф ультразвука б) частотная зависимость поглощения на длину волны сЛультразвука

Анализ результатов исследований сывороток крови с различными значениями липидных компонентов позволил выявить четкие закономерности акустических характеристик (скорости и поглощения ультразвука) от липидного состава сыворотки. Предполагая, аддитивность

вклада отдельных лнпндных компонентов в температурные зависимости скорости ультразвука, а также в частотные и температурные зависимости поглощения ультразвука на длину волны, определяли концентрацию липидных компонентов сыворотки крови холестерина общего, холестерина липопротеинов высокой плотности и триглицеридов из системы линейных уравнений. Концентрацию холестерина липопротеидов низкой плотности вычисляли, используя формулу Фридрексона.

Для оценки правильности определения липидных компонентов были использованы контрольные сыворотки и проведены сопоставительные исследования предложенного акустического метода определения липидных компонентов сыворотки крови с традиционными биохимическими методами. Результаты сопоставительных исследований имели по всем измеренным липидным компонентам коэффициенты корреляции от 0,73 до 0,85, что соответствует высокой корреляционной связи, достаточной для правильной диагностики нарушений липидного обмена.

В разделе 3.3 приводятся исследования количественной связи акустических характеристик слюны человека с ее биохимическим составом.

Акустические характеристики слюны ранее не исследовались, в то время как эти характеристики могут отражать свойства и состав слюны, которые изменяются при различных функциональных и патологических изменениях в организме человека. Для измерений акустических характеристик слюны использовалась акустическая система «БИОМ». Основные компоненты слюны, которые могут изменять акустические характеристики, это ионы К+ и Ыа+, а также белок и глюкоза. Концентрация К+ и в тех же образцах слюны определялась методом пламенной фотометрии, концентрация глюкозы в слюне измерялась ферментативно, концентрация общего белка - по Лоури.

На рис. 4 представлены концентрационные зависимости относительных изменений скорости ультразвука А1=(угг0)*101/уо и поглощение ультразвука В(=(ага0)/ао в водных растворах основных компонентов слюны, где у„ уя, а, и а0 - скорости ультразвука и коэффициенты поглощения в растворах отдельных компонентов и дистиллированной воде, соответственно.

,, ЫлСI

Рис. 4. Концентрационные зависимости А, (сплошная линия) и В, (пунктирная линия) в водных растворах К, №, общего белка (1) и глюкозы (2)

Для характеризации при акустических исследованиях введен акустический показатель слюны (АПС):

АПС =

*10'

(4)

Ум»™ ~ скорость ультразвуковых волн в слюне.

Были проведены исследования акустического показателя для здоровых людей и для людей с различными клиническими формами ишемической болезни сердца (ИБС). Выявлены различия в АПС для разных групп. Для оценки вклада основных компонентов слюны в ее суммарные акустические характеристики измерены концентрации этих компонентов для контрольной группы (здоровые люди) и больных ИБС. Результаты этих исследований представлены в таблице.

Таблица

Компонент слюны Норма (п=22) ИБС (п=49)

а, мг/мл А1 С/, мг/мл А1

К+ 0,77±0,049 0,710±0,042 1,32±0,099 1,24±0,09

N3+ 0,490±0,052 0,9±0,103 0,73±0,095 1,34±0,011

Общий белок 0,540±0,027 0,11±0,05 1,34±0,08 0,27±0,09

Глюкоза 0,09±0,01 0,020±0,004 0,19±0,02 0,04±0,01

М 1,74±0,11 2,890±0,201

А 1,76±0,31 3,01±0,34

Видно, что при ИБС достоверно увеличиваются все основные компоненты слюны, дающие вклад в АПС, а особенно общий белок (в среднем в 2,5 раза) и глюкоза (в среднем в 2 раза). Следует отметить, что сумма вкладов отдельных компонентов в норме совпадает в пределах ошибок измерений с измеренной величиной АПС. При патологии (ОКС), измеренная величина АПС выше суммы вкладов исследованных компонентов. Возможно не были учтены некоторые компоненты слюны, которые, однако не дают принципиального вклада в АПС.

В разделе 3.4 изучено влияние радиационной силы в поле стоячей ультразвуковой волны в интерферометре постоянной длины малого (80 мкл) объема на эритроциты человека в цельной крови и представлен метод определения скорости оседания эритроцитов (СОЭ), как важного параметра общего анализа крови, на основании акустических измерений.

Под влиянием радиационной силы эритроциты собираются в узлы стоячей ультразвуковой волны и интенсивно агрегируют. Результирующее поведение эритроцитов крови в поле стоячей ультразвуковой волны регистрируется как изменение во времени акустического параметра крови (АПК):

укр - скорость ультразвуковых волн в цельной крови.

Было определено различное поведение АПК во времени при нормальных и патологических значениях СОЭ. Полученные зависимости СОЭ от измеряемых акустических параметров позволили предложить новый акустический способ определения СОЭ за интервал времени порядка 120 сек в отличие от традиционного метода, для которого требуется не менее 1 часа.

Проведены сравнительные исследования разработанного акустического и традиционных (метод Панченкова и метод Вестергрена) методов. Испытания подтвердили воспроизводимость и правильность акустического метода определения СОЭ. Корреляция акустического метода с всемирно признанным методом Вестергрена составила 0,94.

В заключении приводятся основные достигнутые при выполнении работы результаты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Рассмотрены особенности распространения ультразвуковых волн в цельнометаллическом интерферометре постоянной длины малого (менее 80 мкл) объема, выяснено влияние дифракции и фазовых потерь из-за неидеальности отражения ультразвуковых волн на поверхностях пьезопреобразователей и, определена предельная добротность такого ультразвукового резонатора.

2. Исследованы условия ультратермостатирования акустического резонатора малого объема с помощью специально разработанного стенда. Определены метрологические характеристики акустического анализатора биожидкостей, основным узлом которого является ультразвуковой интерферометр постоянной длины. Определены подходы к метрологическому контролю ультразвукового интерферометра малого объема. Рекомендованы специальные контрольные образцы, предназначенные для осуществления данного контроля.

3. Выполнены исследования акустических характеристик сыворотки крови, разработаны новые акустические методы безреагентного определения общего белка, белковых фракций и липидных компонентов сыворотки крови человека. Получен патент РФ на акустический способ определения общего белка, белковых фракций и липидных компонентов сыворотки крови.

компонентов слюны в суммарные акустические характеристики. Показано, что в пределах ошибок измерений сумма вкладов отдельных компонентов слюны совпадает с измеренным АПС. 5. Выявлены зависимости скорости оседания эритроцитов от измеряемых акустических параметров, предложен новый акустический способ определения скорости оседания эритроцитов за интервал времени порядка 120 сек.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сарвазян А.П. Ультразвуковая велосиметрия биологических соединений // Молекулярная биология. 1983. Т. 17. № 5. С. 916-927.

2. Hubbard J.C. The acoustic resonator interferometer: 1. The acoustic system and its equivalent electric network//Phys. Rev. 1931. V. 38. P. 1011-1019.

3. Эггерс Ф., Функ Т. Ультразвуковые измерения на жидких образцах объемом порядка миллилитра в диапазоне частот 0,5... 100 МГц // Приборы для научных исследований. 1973. Т. 44. № 8. С. 38-47.

4. Labhardt A. Shwarz G. A high resolution and low volume ultrasonic resonator method for fast chemical relaxation measurements // Berichte der Bunsen Gesellschaft. 1975. V. 80. № l.P. 83-92.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Клемин В.А., Долгов В.В., Клемина A.B. Способ определения общего белка, белковых фракций и липидных компонентов сыворотки крови // Патент на изобретение РФ № 2253 И 5 от 27 мая 2005 г.

2. Клемина A.B., Демин И.Ю., Клемин В.А. Исследование акустического резонатора сверхмалого объема для медико-биологических приложений // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия Радиофизика. - Н.Новгород: Изд. ННГУ. 2006. Вып. 1(4). С. 59-66.

3. Гурбатов С.Н., Клемина A.B., Демин И.Ю., Клемин В.А. Акустический анализ состава сыворотки крови человека // Акустический журнал. 2009. Т. 55. № 4 - 5. С. 496505.

4. Гурбатов С.Н., Клемина A.B., Демин И.Ю., Клемин В.А. Определение состава сыворотки крови человека на безреагентном акустическом анализаторе «БИОМ» // Известия ЮФУ. Технические науки. 2009. № 10 (99). С. 209-214.

5. Клемин В.А., Клемина A.B. Акустический анализатор «БИОМ» для безреагентаой лабораторной медицинской диагностики // Известия ЮФУ. Технические науки. 2009. № 10 (99). С. 258-259.

6. Шаленкова М.А., Михайлова З.Д., Клемин В.А., Клемина A.B. Акустический показатель слюны и его применение в кардиологической практике // Лаборатория. 2010. №1. С. 20-22.

7. Гурбатов С.Н., Клемина A.B., Демин И.Ю., Клемин В.А., Долгов В.В. Безреагептный акустический анализ цельной крови и сыворотки крови человека // Лаборатория. 2010. № 2. С. 29.

8. Гурбатов С.Н., Клемина A.B., Демин И.Ю., Клемин В.А. Акустический анализ слюны человека// Известия ЮФУ. Технические науки. 2010. № 9 (110). (в печати)

9. Клемина A.B., Клемин В.А., Демин И.Ю. Исследование акустического резонатора сверхмалого объема для медико-биологических приложений // Труды (девятой) Научной конференции по радиофизике «Факультет - ровесник Победы». 7 мая 2005 г. - Ред. А.В.Якимов. - Нижний Новгород: ТАЛАМ. 2005. С. 259-260.

10. Клемина А.В., Демин И.Ю., Клемин В.А. Акустический метод определения общего белка и белковых фракций сыворотки крови человека // Сборник трудов XVIII сессии РАО. - Москва: ГЕОС. 2006. Т.З. С. 199-122.

11. Клемина А.В. Применение акустического интерферометра постоянной длины малого объема для биомедицинской диагностики // XI Нижегородская сессия молодых ученых. Естественно-научные дисциплины: Материалы докладов. - Н.Новгород: Изд. Гладкова О.В. 2006. С. 25.

12. Клемина А.В., Демин И.Ю., Клемин В.А. Измерение скорости оседания эритроцитов (СОЭ) с помощью акустического интерферометра постоянной длины // Труды X научной конференции по радиофизике, посвященная 90-летию ННГУ и 100-летию со дня рождения Г.С.Горелика. - Ред. А.В.Якимов. - Нижний Новгород: ТАЛАМ. 2006. С. 25-26 (http://www.rf.unn.ru/rus/sci/books/06/).

13. Клемина А.В. Определение общего белка и белковых фракций сыворотки крови человека с помощью акустического метода // XII Нижегородская сессия молодых ученых. Естественно-научные дисциплины: Материалы докладов. - Н.Новгород: Изд. Гладкова О.В. 2007. С. 55-56.

14. Гурбатов С.Н., Клемина А.В., Демин И.Ю., Клемин В.А. Определение липидных компонентов сыворотки крови человека на основе акустических измерений // Сборник трудов XIX сессии РАО. - Москва: ГЕОС. 2007. Т. 3. С. 145-148.

15. Клемина А.В. Применение акустического резонатора для исследования биологических жидкостей // Труды XI научной конференции по радиофизике, посвященной 105 - летию со дня рождения М.Т. Греховой. - Нижний Новгород, Изд. Нижегородского госуниверситета. 2007. С. 175-176 (http://www.rf.unn.ru/rus/sci/books/07/).

16. Klemina A.V. Ultrasonic method to define human serum blood total protein and protein fractions // Abstracts of 5th Forum Acousticum in Acta Acústica (with Acústica). 2008. V. 94. Suppl. l.P. 256.

17. Гурбатов C.H., Клемина A.B., Демин И.Ю. Акустический метод определения скорости оседания эритроцитов // Сборник трудов XX сессии РАО. - Москва: ГЕОС. 2008. Т.З. С. 133-136.

18. Клемина А.В. Безреагентный способ определения липидных компонентов сыворотки крови человека // XIII Нижегородская сессия молодых ученых. Естественно-научные дисциплины: Материалы докладов. - Н.Новгород: Изд. Гладкова О.В. 2008. С. 53-55.

19. Клемина А.В. Связь акустических характеристик слюны человека с ее составом // Труды 12-ой научной конференции по радиофизике, посвященная 90-й годовщине со дня рождения М.М. Кобрина. - Ред. А.В. Якимов. - Н. Новгород: Изд-во ННГУ. 2008. С. 186-188.

20. Sarvazyan А.Р., Klemina A.V. Use of radiation forcé of standing acoustic wave in assessment of erythrocyte sedimentation rate // Paper for International Congress on Ultrasonics. - Universidad de Santiago de Chile. 2009. P. 34.

21. Клемина А.В. Применение акустического резонаторного метода для исследования биологических жидкостей малых объемов // Материалы XLVII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Физика. - Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск. 2009. С. 68.

22. Гурбатов С.Н., Клемина А.В. Применение радиационной силы при измерении скорости оседания эритроцитов // Труды 13 - ой научной конференции по радиофизике, посвященная 85-летию со дня рождения М.А.Миллера. - Ред. А.В. Якимов. - Н. Новгород: Изд-во ННГУ. 2009. С. 162-163 (http://www.rf.unn.ru/rus/sci/books/09/).

23. Гурбатов С.Н., Клемина А.В., Демии И.Ю., Клемин В.А. Акустический безреагентный анализатор «БИОМ» и его применение для определения параметров красной крови и липидного спектра человека // Труды IX Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» с элементами научной молодежной школы. 2010. С.430-432.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

ГЛАВА 1. Обзор литературы. Теоретическое рассмотрение акустического интерферометра постоянной длины

1.1 Обзор литературы

1.1.1 Физические величины, характеризующие распространение продольных ультразвуковых волн в биологических средах

1.1.2 Методы измерения скорости и поглощения ультразвука

1.2 Теоретическое рассмотрение акустического интерферометра Выводы первой главы

ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование ультразвукового интерферометра постоянной длины малого объема

2.1 Разработка экспериментальной установки

2.2 Калибровочные исследования на экспериментальной установки Выводы второй главы

ГЛАВА 3. Применение ультразвукового резонатора малого объема для медико-биологических исследований

3.1 Акустический способ определения общего белка и белковых фракций сыворотки крови человека

3.2 Акустический метод определения липидного спектра сыворотки крови человека

3.3 Акустический метод исследования слюны человека

3.4 Акустический метод определения скорости оседания эритроцитов (СОЭ)

3.4.1 Влияние радиационной силы на процесс оседания эритроцитов в стоячей ультразвуковой волне

3.4.2 Акустический метод определения СОЭ Выводы третьей главы

Заключение

Список опубликованных работ Список литературы

Подписано в печать 09.08.2010. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1. Зак. 498. Тир. 100.

Типография Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского. 603000, Н. Новгород, ул. Б. Покровская, 37.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Клемина, Анна Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор литературы. Теоретическое рассмотрение акустического интерферометра постоянной длины.

1.1 Обзор литературы.

1.1.1 Физические величины, характеризующие распространение продольных ультразвуковых волн в биологических средах.

1.1.2 Методы измерения скорости и поглощения ультразвука.

1.2 Теоретическое рассмотрение акустического интерферометра.

Выводы первой главы.

ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование ультразвукового интерферометра постоянной длины малого объема.

2.1 Разработка экспериментальной установки.

2.2 Калибровочные исследования на экспериментальной установке.

Выводы второй главы.

ГЛАВА 3. Применение ультразвукового резонатора малого объема для медицинской лабораторной диагностики.

3.1 Акустический способ определения общего белка и белковых фракций сыворотки крови человека.

3.2 Акустический метод определения липидного спектра сыворотки крови человека.

3.3 Акустический метод исследования слюны человека.

3.4 Акустический метод определения скорости оседания эритроцитов (СОЭ).

3.4.1 Влияние радиационной силы на процесс оседания эритроцитов в стоячей ультразвуковой волне.

3.4.2 Разработка акустический метод определения СОЭ.

Выводы третьей главы.

Введение диссертация по физике, на тему "Акустическая интерферометрия биологических жидкостей для медицинской лабораторной диагностики"

Актуальность темы диссертации

Исследование физических характеристик биологических жидкостей является актуальной задачей, имеющей как самостоятельное научное (т. к. организм создает уникальные по своим свойствам жидкости и структуры), так и прикладное значение в области медицины и биологии. В настоящее время известен целый ряд физических методов, с помощью которых можно получать разнообразную информацию о биожидкостях [1], т. е. водных растворах и суспензиях, содержащих малые молекулы (органические и неорганические), макромолекулы (биополимеры: белки, полипептиды, нуклеиновые кислоты), клеточные и субклеточные элементы, которые имеют биологическое происхождение. Примерами жизненно важных биожидкостей являются кровь, лимфа, желудочный сок, слюна.

Экспериментальные исследования физических характеристик биожидкостей имеют, по сравнению с обычными жидкостями, некоторые особенности, которые связаны с их спецификой.

Компоненты биожидкостей сохраняют нативное (естественное) состояние в ограниченном интервале внешних условий. Поэтому физические методы, не позволяющие работать с биожидкостями в нативном состоянии, заведомо дадут искаженную информацию. Измерения их физических характеристик необходимо производить в условиях, близких к условиям организма. Биожидкость, постоянно взаимодействуя с организмом, отражает изменения, которые происходят в нем под действием внешних факторов. Следовательно, в каждый момент времени их физические характеристики различны и, несмотря на то, что в нормальном состоянии адаптационные системы организма поддерживают постоянство внутренней среды, всегда приходится иметь дело с усредненными физическими характеристиками биологических жидкостей. Физический метод исследования биожидкостей, основанный на взаимодействии какого — либо вида энергии с биологической средой, должен незначительно возмущать равновесные состояния, существующие в жидкости, чтобы не вызвать необратимых изменений. Отсюда вытекает требование высокой чувствительности приемного устройства в установке, реализующей метод исследования биожидкостей.

Небольшие изменения внешних условий приводят к незначительным изменениям биосред. Тем не менее, эти небольшие изменения могут повлечь за собой серьезные последствия для организма. Это означает, что для исследования необходим метод, позволяющий регистрировать крайне малые изменения их свойств, т. е. обладающий повышенной точностью изменения регистрируемых параметров.

Биожидкости могут иметь как высокую (кровь, лимфа), так и низкую (желудочный сок) концентрацию компонентов. Поэтому, при выборе физического метода их исследования желательно, чтобы была возможность извлекать информацию о физических свойствах как в высоко-, так и в низкоконцентрированных биожидкостях.

Все выше сказанное накладывает определенные ограничения на выбор физического метода исследования свойств биожидкостей.

Определенные успехи при изучении биосред были сделаны при использовании ультразвуковой интерферометрии для измерения акустических характеристик растворов белков и аминокислот [2]. Именно акустические исследования этих биологических жидкостей позволяют изучить тонкие структурные характеристики и гидратацию биологических макромолекул в растворе, их межмолекулярные взаимодействия и конформационные перестройки биополимеров [3].

Ультразвуковой интерферометр постоянной длины или ультразвуковой резонатор с целью его применения для исследования биологических жидкостей совершенствовался в 70 — 90 годах двадцатого века [2, 4], однако для медико-биологических приложений, в частности, в области медицинской лабораторной диагностики известные технические решения применить не представляется возможным по ряду причин:

1. Биожидкости организма человека, используемые для лабораторной диагностики (сыворотка крови, цельная кровь), как правило, могут быть использованы в очень ограниченном объеме (не более 0,1 — 0,5 мл), а при исследовании крови детей - еще меньше, т.е. объем измерительной ячейки должен быть не более 70 — 90 мкл.

3. Для систематических, серийных исследований (200 - 250 исследований в день) конструкция ультразвукового резонатора не должна иметь регулирующих параллельность элементов, но добротность резонатора с водой должна быть не хуже 4000 - 5000.

4. Сыворотка крови и цельная кровь человека — это среды, имеющие биологическую опасность (гепатит, СПИД) и достаточно агрессивны, поэтому конструкция ультразвукового резонатора должна допускать специальную обработку дезинфицирующими средами, но при нагрузке до 50000 исследований в год результаты исследований должны быть воспроизводимы и правильны при проведении всего цикла измерений.

Известные ультразвуковые интерферометры постоянного объема не удовлетворяют перечисленным выше условиям. Поэтому разработка и исследование ультразвукового резонатора малого объема, имеющего специальные конструктивные особенности, является актуальной задачей.

Изучение распространения ультразвуковых волн в интерферометре постоянной длины специальной конструкции малого объема (около 80 мкл) для серийных прецизионных измерений скорости и поглощения ультразвука, их частотных и температурных зависимостей, экспериментальное подтверждение необходимых точностных характеристик интерферометрических измерений явилось предметом диссертационной работы. Кроме того, необходимо было разработать и испытать способ определения параметров белкового и липидного спектра сыворотки крови на основе высокоточных измерений ее акустических характеристик

До настоящего времени все традиционные биохимические методы определяют общий белок и белковые фракции (альбумин, он -, аг -, Р -, у -глобулины) и липидные компоненты (холестерин общий, холестерин липопротеидов высокой и низкой плотности, триглицериды) сыворотки крови с использованием специальных биохимических реагентов, которые дороги, агрессивны и не безопасны для здоровья врача - лаборанта, а при ежедневно проводимых исследованиях просто вредны для здоровья и вызывают онкологические заболевания различных органов. Поэтому актуальна задача разработки безреагентных методов определения важнейших компонентов крови человека.

Цель и задачи исследования

Цель настоящей диссертационной работы и задачи настоящего исследования состоят в следующем:

• Рассмотреть особенности распространения ультразвуковых волн в интерферометре постоянной длины малого (менее 80 мкл) объема, выяснить влияние дифракции и фазовых потерь из-за неидеальности отражения ультразвуковых волн на поверхностях пьезопреобразователей и, таким образом, определить предельную добротность такого ультразвукового резонатора.

Исследовать условия ультратермостатирования акустического резонатора малого объема с помощью специально разработанного стенда. Определить метрологические характеристики акустического анализатора биожидкостей, основным узлом которого является ультразвуковой интерферометр постоянной длины.

Используя аддитивную модель вклада отдельных компонентов сыворотки крови в суммарные акустические характеристики, исследовать зависимость концентрации белковых и липидных компонентов в сыворотке крови, их температурных и частотных зависимостей относительной скорости и поглощения ультразвуковых волн.

Исследовать предельные точностные возможности разработанного ультразвукового резонатора малого объема на примере измерения акустических характеристик слюны и рассмотреть возможность использования этих характеристик в кардиологической практике.

Изучить влияние радиационной силы на эритроциты крови в поле стоячей ультразвуковой волны в интерферометре малого объема и на основании этих исследований разработать акустический метод определения скорости оседания эритроцитов (СОЭ) - важного параметра общего анализа крови.

Научная новизна работы

В работе впервые:

1. Теоретически и экспериментально исследован цельнометаллический интерферометр постоянной длины малого (менее 80 мкл) объема для серийного акустического анализатора, определены способы поддержания заданных температур в этом интерферометре со стабильностью 0,002°С и разработаны алгоритмы анализа АЧХ интерферометров для определения относительного измерения скорости ультразвука с погрешностью ±10"4% и поглощения ультразвука с погрешностью ±1% для сыворотки крови.

3. Исследованы акустические характеристики слюны человека в норме и патологии сердечно - сосудистой системы. Совместно с медицинскими соисполнителями разработаны рекомендации использования акустического метода исследования слюны в кардиологической практике.

Практическая значимость результатов

Изучение особенностей интерферометра постоянной длины малого объема позволило улучшить технические характеристики серийного прибора - акустического анализатора безреагентного АКБа — 01 «БИОМ» и подготовить техническое задание для акустического анализатора нового поколения.

Разработанная модель анализа сложных биологических сред (сыворотка крови содержит более 200 компонентов) акустическим методом положена в основу методических рекомендаций для применения акустического анализатора безреагентного АКБа - 01 «БИОМ» в медицинской практике. Прибор в биохимическом исполнении работает в. более чем 30 лабораториях в различных регионах России.

Апробация результатов работы

Результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:

1. XVIII - XX сессии Российского Акустического Общества, Таганрог -2006 г., Нижний Новгород - 2007 г., Москва - 2008 г. th

2. 5 Forum Acousticum, Paris, 2008 г.

3. International Congress on Ultrasonics, Chile, 2009 r.

4. Всероссийская научно - техническая конференция с элементами научной школы для молодежи «Перспективы фундаментальной и прикладной науки в сфере медицинского приборостроения», Таганрог, 2009 г.

5. IX Международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии», Суздаль — Владимир, 2010 г.

6. Международный конгресс «Лабораторные технологии при организации медицинской помощи», Москва, 2010 г.

7. Всероссийская научно - техническая конференция «Медицинские информационные системы», Таганрог, 2010 г.

8. XLVII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно- технический прогресс: Физика», Новосибирск, 2009 г.

9. IX - XIII научные конференции по радиофизике, Нижний Новгород,

2005 - 2009 гг.

10. XI - XIII Нижегородские сессии молодых ученых, Нижний Новгород,

2006 - 2008 гг.

Публикации

Основные материалы диссертации опубликованы в 22 работах. Среди них 6 статей (4 из которых входят в список ВАК) и 15 работ, представляющие собой опубликованные материалы докладов на научных конференциях [А2 - А7, А9 - А23]. Получен патент РФ на разработанный акустический метод [А1]. Одна статья направлена и принята в печать (в журнал «Известия ЮФУ. Технические науки») [А8].

Структура и объем диссертационной работы

Заключение диссертации по теме "Акустика"

Основные результаты исследований, представленные в третьей главе, опубликованы в работах [A3, А4, А6, А8, А10, А12-А21].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Рассмотрены особенности распространения ультразвуковых волн в интерферометре постоянной длины малого (менее 80 мкл) объема, выяснено влияние дифракции и фазовых потерь из-за неидеальности отражения ультразвуковых волн на поверхностях пьезопреобразователей и определена предельная добротность такого ультразвукового резонатора.

4. Получен новый интегральный акустический показатель слюны (АПС), измеряемый методом интерферометра постоянной длины, и определены его средние значения для здоровых лиц. Установлена роль динамики величины АПС в краткосрочном прогнозировании больных кардиологическими заболеваниями. Измерены вклады отдельных компонентов слюны в суммарные акустические характеристики. Показано, что в пределах ошибок измерений сумма вкладов отдельных компонентов слюны совпадает с измеренным АЛС.

5. Получены зависимости скорости оседания эритроцитов от измеряемых акустических параметров, предложен новый акустический способ определения скорости оседания эритроцитов за интервал времени порядка 120 сек.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

А1 Клемин В.А., Долгов В.В., Клемина А.В. Способ определения общего белка, белковых фракций и липидных компонентов сыворотки крови // Патент на изобретение РФ № 2253115 от 27 мая 2005 г.

А2 Клемина А.В., Демин И.Ю., Клемин В.А. Исследование акустического резонатора сверхмалого объема для медико-биологических приложений // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия Радиофизика. - Н.Новгород: Изд. ННГУ. 2006. Вып. 1(4). С. 59-66.

A3 Гурбатов С.Н., Клемина А.В., Демин И.Ю., Клемин В.А. Акустический анализ состава сыворотки крови человека // Акустический журнал. 2009. Т. 55. №4-5. С. 496-505.

А4 Гурбатов С.Н., Клемина А.В., Демин И.Ю., Клемин В.А. Определение состава сыворотки крови человека на безреагентном акустическом анализаторе «БИОМ» // Известия ЮФУ. Технические науки. 2009. № 10 (99). С. 209-214.

А5 Клемин В.А., Клемина А.В. Акустический анализатор «БИОМ» для безреагентной лабораторной медицинской диагностики // Известия ЮФУ. Технические науки. 2009. № 10 (99). С. 258-259.

А6 Шаленкова М.А., Михайлова З.Д., Клемин В.А., Клемина А.В. Акустический показатель слюны и его применение в кардиологической практике // Лаборатория. 2010. №1. С. 20-22.

А7 Гурбатов С.Н., Клемина А.В., Демин И.Ю., Клемин В.А., Долгов В.В. Безреагентный акустический анализ цельной крови и сыворотки крови человека // Лаборатория. 2010. №2. С. 29.

А8 Гурбатов С.Н., Клемина А.В., Демин И.Ю., Клемин В.А. Акустический анализ слюны человека // Известия ЮФУ. Технические науки. 2010. № 9 (110). (в печати)

А9 Клемина А.В., Клемин В.А., Демин И.Ю. Исследование акустического резонатора сверхмалого объема для медико-биологических приложений Труды (девятой) Научной конференции по радиофизике «Факультет -ровесник Победы». 7 мая 2005 г. - Ред. А.В.Якимов. - Нижний Новгород: TAJIAM. 2005. С. 259-260.

А10 Клемина А.В., Демин И.Ю., Клемин В.А. Акустический метод определения общего белка и белковых фракций сыворотки крови человека // Сборник трудов XVIII сессии РАО. - Москва: ГЕОС. 2006. Т.З. С. 199-122.

All Клемина А.В. Применение акустического интерферометра постоянной длины малого объема для биомедицинской диагностики // XI Нижегородская сессия молодых ученых. Естественно-научные дисциплины: Материалы докладов. - Н.Новгород: Изд. Гладкова О.В.

2006. С. 25.

А12 Клемина А.В., Демин И.Ю., Клемин В.А. Измерение скорости оседания эритроцитов (СОЭ) с помощью акустического интерферометра постоянной длины // Труды X научной конференции по радиофизике, посвященная 90-летию ННГУ и 100-летию со дня рождения Г.С.Горелика. - Ред. А.В.Якимов. - Нижний Новгород: ТАЛАМ. 2006. С. 25-26 (http://www.rf.unn.ru/rus/sci/books/06/).

А13 Клемина А.В. Определение общего белка и белковых фракций сыворотки крови человека с помощью акустического метода // XII Нижегородская сессия молодых ученых. Естественно-научные дисциплины: Материалы докладов. - Н.Новгород: Изд. Гладкова О.В.

2007. С. 55-56.

А14 Гурбатов С.Н., Клемина А.В., Демин И.Ю., Клемин В.А. Определение липидных компонентов сыворотки крови человека на основе акустических измерений // Сборник трудов XIX сессии РАО. - Москва: ГЕОС. 2007. Т. 3. С. 145-148.

А15 Клемина А.В. Применение акустического резонатора для исследования биологических жидкостей // Труды XI научной конференции по радиофизике, посвященной 105 - летию со дня рождения М.Т. Греховой. - Нижний Новгород, Изд. Нижегородского госуниверситета. 2007. С. 175-176 (http://www.rf.unn.ru/rus/sci/books/07/).

А16 Klemina A.V. Ultrasonic method to define human serum blood total protein and protein fractions // Abstracts of 5th Forum Acousticum in Acta Acustica (with Acustica). 2008. V. 94. Suppl. 1. P. 256.

A17 Гурбатов C.H., Клемина A.B., Демин И.Ю. Акустический метод определения скорости оседания эритроцитов // Сборник трудов XX сессии РАО. - Москва: ГЕОС. 2008. Т. 3. С. 133-136.

А18 Клемина А.В. Безреагентный способ определения липидных компонентов сыворотки крови человека // XIII Нижегородская сессия молодых ученых. Естественно-научные дисциплины: Материалы докладов. - Н.Новгород: Изд. Гладкова О.В. 2008. С. 53-55.

А19 Клемина А.В. Связь акустических характеристик слюны человека с ее составом // Труды 12-ой научной конференции по радиофизике, посвященная 90-й годовщине со дня рождения М.М. Кобрина. - Ред. А.В. Якимов. - Н. Новгород: Изд-во ННГУ. 2008. С. 186-188.

А20 Sarvazyan А.Р., Klemina A.V. Use of radiation force of standing acoustic wave in assessment of erythrocyte sedimentation rate // Paper for International Congress on Ultrasonics. - Universidad de Santiago de Chile. 2009. P. 34.

A21 Клемина А.В. Применение акустического резонаторного метода для исследования биологических жидкостей малых объемов // Материалы XLVII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно- технический прогресс»: Физика. - Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск. 2009. С. 68.

А22 Гурбатов С.Н., Клемина А.В. Применение радиационной силы при измерении скорости оседания эритроцитов // Труды 13-ой научной конференции по радиофизике, посвященная 85-летию со дня рождения

М.А.Миллера. - Ред. А.В. Якимов. - Н. Новгород: Изд-во ННГУ. 2009. С. 162-163 (http://www.rf.unn.ru/rus/sci/books/09/).

А23 Гурбатов С.Н., Клемина А.В., Демин И.Ю., Клемин В.А. Акустический безреагентный анализатор «БИОМ» и его применение для определения параметров красной крови и липидного спектра человека // Труды IX Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» с элементами научной молодежной школы. 2010. С.430-432.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Клемина, Анна Викторовна, Нижний Новгород

1. Волькенштейн М.В. Молекулярная биофизика. М.: Наука. 1975. - 616 с.

2. Сарвазян А.П., Харакоз Д.П. Дифференциальный интерферометр малого объема для измерения скорости и поглощения ультразвука // Приборы и техника эксперимента. 1981. № 3. С. 203-206.

3. Сарвазян А.П. Ультразвуковая велосиметрия биологических соединений // Молекулярная биология. 1983. Т. 17. № 5. С. 916-927.

4. Эггерс Ф., Функ Т. Ультразвуковые измерения на жидких образцах объемом порядка миллилитра в диапазоне частот 0,5. 100 МГц // Приборы для научных исследований. 1973. Т. 44. № 8. С. 38-47.

5. Бергман JI. Ультразвук и его применение в науке и технике. Пер. с нем. -М: Издательство иностранной литературы. 1957. — 728 с.

6. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: Учебник для медицинских специальностей ВУЗов. М.: Высшая школа. 1996. - 608 с.

7. Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами. М.: МГТУ. 2005. - 224 с.

8. Михайлов И.Г., Соловьев В.А., Сырников Ю.П. Основы молекулярной акустики. М.: Наука. 1964. - 514 с.

9. Wang S.H, Shung К.К. In vivo measurements of ultrasonic backscattering in blood // IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 2001. V. 48. № 2. P. 425-431.

10. Клемин B.A., Майоров B.A., Ручкин B.B., Сарвазян А.П. Исследование частотных зависимостей акустических характеристик биологических тканей резонаторным методом // Акустический журнал. 1981. Т. 27. № 6. С. 895-900.

11. Сарвазян А.П. Основные проблемы в исследовании акустических свойств биологических объектов // Материалы Всесоюзного симпозиума "Взаимодействие ультразвука с биологическими средами". 1979. С. 62-66.

12. Сарвазян А.П., Айрапетян Г.А. Акустические характеристики мягких тканей экспериментальных животных // Механика композитных материалов. 1980. №3. С. 514-518.

13. Яронене Г., В.Сукацкас, А.Лукашявичус, А.Волейшис. Вопросы ультразвуковой диагностики крови. В сб.: Проблемы техники в медицине. Томск. 1983. С.196-197.

14. Клиническая гематология. Под ред. проф. Шт. Берчану. Бухарест. 1985. С. 134-238.

15. Gammel P.M., D.H.Le Croissete and R.C.Heyser. Temperature and frequency dependence of ultrasonic attenuation in selectid tissues // Ultrasound in Med. and Biol. 1979. V. 5. P.269-277.

16. Каландаров Р.С., Н.Н.Князьков, С.И.Донсков. Оптический способ регистрации реакции гемагглютинации и его применение для определения группы крови // Проблемы гематологии и переливания крови. 1997. №2. С. 5-8.

17. O'Donnell М., Jaynes Е.Т., Miller J.G. General relationships between ultrasonic attenuation and dispersion // JASA. 1978. V. 63. P. 1935-1937.

18. Pellam J.R., Gait J.K. Ultrasound propagation in liquids // J. Chem. Phys. 1946. V. 14. P. 608-614.

19. Физическая акустика. Под ред. У. Мезона. Т.1, часть А. М.: Мир. 1966. С. 326-397.

20. Щитников Ш.И. О влиянии отражений волны на точность при фазовом методе определения скорости ультразвука // Ультразвуковая техника. 1965. №4. с. i6.

21. Сарвазян А.П., Зарецкий А.А. Устройство для измерения характеристик акустических резонаторов //Измерительная техника. 1982. №1. С. 69-70.

22. Илгунас В., Яронис Э., Сукацкас В. Ультразвуковые интерферометры. -Вильнюс: Мокслас. 1983. 144 с.

23. Кононенко B.C. Прецизионный метод для измерения коэффициента поглощения ультразвука в жидкостях на частотах 0,1 — 20 МГц // Акустический журнал. 1985. Т. 31. № 6. С. 814-817.

24. Khimunin A.S., Lvova Е.А. On the diffraction effects in an ultrasonic interferometer//Acustica. 1983. V. 53. № 3. P. 107-121.

25. Сарвазян А.П., Харакоз Д.П. Акустические исследования конформационных состояний белков в водных растворах. В сб.: Молекулярная и клеточная биофизика. -М.: Наука. 1977. С. 93-106.

26. Сарвазян А.П., Сельков Е.Е., Чаликян Т.В. Акустический интерферометр постоянной длины с переходными слоями для прецизионных измерений в малых объемах жидкостей // Акустический журнал. 1988. Т. 34. № 6. С. 1103-1108.

27. Hubbard J.C. The acoustic resonator interferometer: 1. The acoustic system and its aequivalent electric network // Phys. Rev. 1931. V. 38. P. 1011-1019.

28. Скучик E. Основы акустики. M.: Ин. Лит. 1959. Т. 2. 555 с.

29. Кузьминов Ю.С. Ниобат и танталат лития. Материалы для нелинейной оптики. М.: Наука. 1975. - 224 с.

30. Labhardt A. Shwarz G. A high resolution and low volume ultrasonic resonator method for fast chemical relaxation measurements // Berichte der Bunsen 0 Gesellschaft. 1975. V. 80. № 1. P. 83-92.

31. Морс Ф.М., Фешбах Г.Ф. Методы теоретической физики. Т. 2. М.: Иностранная литература. 1958. - 886 с.

32. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука. 1973. - 493 с.

33. Fry W.J. The double crystal acoustic interferometer // JASA. 1949. V. 21. № l.P. 17-28.

34. Fox F.E. Ultrasonic interferometry for liquid media I I Phys. Rev. 1937. V. 52. № 11. P. 973-981.

35. Горелов C.E., Сарвазян А.П. Объемно-упругие свойства мягких тканей лаболаторных животных // 3-я Всесоюзная конференция по проблемам биомеханики. Тез.докл. Юрмала. 1983. С. 89-91.

36. Лырчиков А.Г., Шестимиров В.Н., Солнцева Г.Л., Суханова С.И., Хламова Р.И., Афанасьева И.И. Распространение ультразвука в гомогенатах мышечной и жировой ткани // Мясная индустрия СССР.1986. №9. С. 43-45.

37. Sarvazyan А.Р. Development of method of precise measurements in small volume of liquids //Ultrasonics. 1982. V. 20. P. 151-154.

38. Del Grosso V.A., Mader C.W. Speed of sound in pure water // JASA. 1972. V. 52. P. 1442-1446

39. Кононенко B.C. Влияние дифракции на точность измерения поглощения ультразвука. В сб.: Применение ультраакустики к исследованию вещества. -М.: ВЗМИ. 1981. № 31. С. 20-22.

40. Михайлов И.Г. Распространение ультразвуковых волн в жидкостях. — JL: Государственное издательство технико-теоретической литературы. 1949. 151 с.

41. Ивницкий Д.М., Приев А.И., Шильников Г.В. Ультразвуковая велосиметрия растворов иммуноглобулинов // Акустический журнал.1987. Т. 33. С. 670-674.

42. Klemin V.A., Karev I.D., Sarvazyan А.Р., Timokhina L.M., Ruchkin V.V., Mayorov E.A. Relation of acoustic characteristics of human gastric juice to itscomposition for some stomach diseases // Studia Biophysica. 1981. V.84. № 2. P. 139-144.

43. Тиц У. Клиническое руководство по лабораторным тестам. М.: ЮНИМЕД-пресс. 2003. - 721 с.

44. Шевченко О.П., Долгов В.В., Олефиренко Г.А. Электрофорез в клинической лаборатории. I. Белки сыворотки крови. — М.: Реафарм. 2006.- 160 с.

45. Долгов В.В., Шевченко О.П. Лабораторная диагностика нарушений обмена белков. Учебное пособие. М.: РМАПО. 1997. - 67 с.

46. Творогова М.Т. Степень достоверности однократного определения холестерина//Клиническая диагностика. 1997. №1. С. 4-6.

47. Долгов В.В., Титов В.Н., Творогова М.Г., Ройтман А.П., Шевченко Н.Г. Лабораторная диагностика нарушений обмена липидов. Учебное пособие. М.: РМАПО. 1999. - 237 с.

48. Терехина Н.А., Петрович Ю.А., Майчук Н.В. Биохимический анализ слезы в диагностике заболеваний // Клин. лаб. диагностика. 2005. № 10. С. 77-85.

49. Andrashko Iu.V., Koliadenko V.G., Briuzgina T.S., Reva S.N. The use of noninvasive study objects in the clinic // Lik. Sprava. 1999. №1. P. 90-92.

50. Mandel I.D. The diagnostic uses of saliva // J. Oral. Pathol. Med. 1990. V. 19. №3. P. 119-125.

51. Тарасенко Л.М., Суханова Г.А., Мищенко В.П., Непорада К.С. Слюнные железы: биохимия, физиология, клинические аспекты. Томск: НТЛ. 2002.- 124 с.

52. Комарова Л.Г., Алексеева О.П. Саливалогия. Нижний Новгород: НГМА. 2006. - 177 с.

53. Rotteveel L.J., Jongerius Р.Н., van Limbeek J., van den Hoogen F.J. Salivation in healthy schoolchildren // Int. J. Pediatr. Otorhinolaryngol. 2004. V. 68. №6. P. 767-774.

54. Денисов А.Б. Слюнные железы. Слюна. М.: РАМН. 2003. - 112 с.

55. Алексеева О.П. Способ прогнозирования фибрилляции желудочков при остром инфаркте миокарда. Авторское свидетельство SU № 1831214 от 18. 11. 1993.

56. Коротько Г.Ф., Чен Н.А. Соотношение психометрических параметров качества жизни и тревожности с показателями саливации здорового человека // Южно-Российский медицинский журнал. 2003. №5-6. С. 2427.

57. Rehak N.N., Сессо S.A., Csako G. Biochemicalcomposition and Electrolyte Balance of "unstimulated" wole Human Salia // Clin.Chem.Lab.Med. 2000. V. 38. №4. P. 335-343.

58. Алексеева О.П., Новичихина И.А., Коркотошвили JI.B. Выбор тактики лечения острого инфаркта миокарда в зависимости от раннего прогнозирования болезни // Нижегор. Мед. журн. 2003. № 3 4. С. 8-12.

59. Sarvazyan A. Diversity of biomedical applications of acoustic radiation force // Ultrasonics. 2010. V. 50. P. 230-234.

60. Kundt A., Lehmann O. Longitudinal vibrations and acoustic figures in cylindrical columns of liquids // Ann. Phys. Chem. 1874. V. 153. P. 1-11.

61. Sollner K., Bondy C. The mechanism of coagulation by ultrasonic waves // Trans Faraday Soc. 1936. № 32. P. 616-623.

62. Dyson M., Woodward В., Pond J.B. Flow of red blood cells stopped by ultrasound // Nature. 1971. V. 232. P. 572-573.

63. Wood R.W., Loomis A.L. The physical and biological effects of high frequency sound waves of great intensity // Philos. Mag. 1927. V. 4. P. 417436.

64. William Т., Richards W.T. An intensity gauge for supersonic radiation in liquids // Proc. Natl. Acad. Sci. 1929 V. 15 (4). P. 310-314.

65. Nyborg W.L. Mechanisms for nonthermal effects of sound // JASA. 1968. V. 44. P. 1302-1309.

66. Nyborg W.L. Ultrasonic microstreaming and related phenomena // Br. J. Cancer. 1985. Suppl.5.P. 156-160.

67. Brandt E.H. Levitation in physics // Science. 1989. V. 243. P. 349-355.

68. Hertz H.M. Standing-wave acoustic trap for nonintrusive positioning of microparticles // J. Appl. Phys. 1995. V. 78. P. 4845-4849.

69. Groschl M. Ultrasonic separation of suspended particles Part I: Fundamentals // Acustica. 1998. V. 84. P. 432-447.

70. Brandt E.H. Acoustic physics—suspended by sound // Nature. 2001. V. 413. p. 474-475.

71. Gavrilov L.R. Use of focused ultrasound for stimulation of nerve structures // Ultrasonics. 1984. V. 22. № 3. p. 132-138.

72. Gavrilov L.R., Tsirulnikov E.M., Davies I. Application of focused ultrasound for the stimulation of neural structures // Ultrasound Med. Biol. 1996. V. 22. №2. P. 179-192.

73. Dalecki D., Child S.Z., Raeman C.H., Carstensen E.L. Tactile perception of ultrasound //JASA. 1995. V. 97. № 5, pt 1. P. 3165-3170.

74. Eckart C. Vortices and streams caused by sound waves // Phys. Rev. 1978. V. 73. № 2. P. 68-76.

75. Садикова Д. Г., Андреев А. А., Шкидченко А. Н., Пашовкин Т. Н. Динамики концентрирования клеток в поле стоячей ультразвуковой волны // Биомедицинская радиоэлектроника. 2006. № 8-9. С. 95-99.

76. Kuznetsova L.A., Martin S.P., Coakley W.T. Sub-micron particle behavior and capture at an immuno-sensor surface in an ultrasonic standing wave // Biosensors and bioelectronics. 2005. № 21. P. 940-948.

77. Haar J. G., Wyard S.I. Blood cell banding in ultrasonic standing fields. A physical analysis // Ultrasound in Med. And Biol. 1978. V. 4. № 2. P. 111123.

78. Горьков Л.П. О силе, действующей на маленькие частицы в акустическом поле в идеальной жидкости // ДАН. 1961. Т. 120. № 1. С. 88-91.

79. Воейков В.Л., Гурфинкель Ю.И., Дмитриев А.Ю., Кондаков С.Э. Немонотонные изменения скорости оседания эритроцитов в цельной крови // ДАН. 1998. Т. 359. №5. С. 686 690.

80. Чижевский А.Л. Биофизические механизмы реакции оседания эритроцитов. Новосибирск: Наука. 1980. - 177 с.

81. Орлов А.И. Прикладная статистика. М.: Экзамен. 2004. - 672 с.