Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 41
Текст из файла (страница 41)
В качестве материала мишени используются монокристаллы триглицеринсульфата, трнглиценфторбериалата н ряд других, чувствительных в области 0,2...25,0 мкм. Далее электронное изображение преобразуется в видиосигнал. Это позволило сконструировать ИК-камеры, работающие в телевизионном режиме. Особенного внимания заслуживают тепловизионные приборы, работающие в миллиметровых диапазонах длин волн. Сконструировано н испытано два новых типа тепловизоров, чувствительных к миллиметровым электромагнитным волнам. Эти аппараты улавливают волны на три порядка длиннее, чем инфракрасные.
Такие волны проникают на большую глубину по сравнению с теми, которые улавливает обычный инфракрасный тепловизор. Приборы могут различать колебания температуры до доли градуса в тканях, расположенных на несколько миллиметров глубже поверхности кожи. Обычный же тепловизор регистрирует излучение только с поверхности тела. Работа системы визуализации характеризуется температурным н угловым разрешением и полем зрения. Согласно теории электромагнитного поля, излучение максимально в направлении, нормальном к поверхности кожи. Показано, что при углах наблюдения больше 60' могут возникать существенные ошибки. Температурное разрешение определяется как минимальная разница в температурах (МРТ), которую устройство еще может различить и которая зависит от качества оптической системы, чувствительности н собственного шума ИК-приемника, отношения сигнал/шум схемы обработки сигналов.
Большинство медицинских термографов имеют МРТ 0,1...0,3 К (до 0,01 К); угловое разрешение — 1...3 мрад, реже 0,5 мрад; диапазон измеряемых температур — от 1 до 50 'С; поле зрения — от 5 х 5' до 60 х 60'. Существует необходимость количественной оценки параметров теплового излучения. Некоторые системы имеют регулируемые встроенные источники опорной температуры, сигналы от которых сравниваются при известной температуре с выходными сигналами приемника.
В общем случае более надежно использовать независимый источник опорной температуры, который необходимо устанавливать в лоле зрения системы. 212 Минимальная интенсивность излучения, обусловленная обменом веществ у человека, находящегося в состоянии покоя, состав- 2 ляет около 45 Вт/м, что при средней площади поверхности тела 1,8 м дает общую мощность 81 Вт (см. расчет в 3.14). Эта величи- 2 на растет с повышением активности человека при соответствующем повышении температуры тела.
Кроме того, температура тела непостоянна в течение суток и зависит от температуры окружающей среды. В связи с этим, существует два основных метода термографическнх исследований: а) обследования проводятся при постоянной температуре окружающей среды после адаптации больного к температуре окружающей среды; б) обследования проводятся при тепловой нагрузке на пациента, обычно это достигается созданием холодной или горячей области на коже пациента путем помещения на короткое время руки или ноги в ванну с холодной или горячей водой. При знании нормального стандартного распределения температур обследования основываются на наблюдениях измеряемой температуры тела или отклонении температуры от известных стандартов. Принципиальными преимуществами тепловидения перед другими методами диагностики являются его совершенная безвредность и полное отсугствие противопоказаний, бескровность, безболезненность, а также безопасность для персонала, бесконтактность, быстрота обследования, наглядность и возможность повторяемости при высокой воспроизводимости.
Однако при высокой чувствительности тепловидение имеет невысокую специфичность (анизотермия может быть связана с различными по патогенезу и локализации заболеваниями), т. е. тепловидение предполагает дополнительные методы, уточняющие результаты обследования. Недостатком тепловизионной методики является то, что она позволяет судить о распределении температур только на поверхности наблюдаемой ткани. Для улавливания температурных изменений в глубине тела нужны специальные приемы (например, оптическая ИК-томография).
В настоящее время активно разрабатываются также комбинированные методики, связанные с сочетанием тепловидения, ультразвуковой биолокации и радиоизотопных исследований. Безусловным атрибутом современной тепловизионной техники является ЭВМ. Перечисленные тенденции (разработка специальных методик, позволяющих исследовать трехмерное поле температур, 213 комплексное исследование, использование ЭВМ) являются характерными особенностями современного этапа развития медицинского тепловидения. 4.7. ПОНЯТИЕ О БИОМОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ. ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ БИОЧИПОВ, БИОСЕНСОРОВ, БИОЭВМ НА ОСНОВЕ БИОФОТОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ Развитие современной микроэлектроники идет преимущественно по пути уменьшения элементов микросхем, что влечет за собой увеличение плотности их размещения на кристалле.
Однако, когда размеры транзисторов и расстояния между ними достигнут нескольких десятков нанометров, могут возникнуть взаимовлияния, а при уменьшении толщины слоя диэлектрика в транзисторах возрастет вероятность прохождения электронов через него, что приведет к нарушению работы приборов. Кроме того, сильно повышается стоимость производства. В связи с этим многие ученые ищут другие пути дальнейшего развития микроэлектроники. Один из них — молекулярная электроника (молетроника). Своей целью молекулярная электроника ставит достижение предельной миниатюризации путем создания молекулярных электронных приборов (МЭП) и устройств обработки информации на основе этих приборов, включая молекулярные ЭВМ.
Для этого предполагается использование молекулярной и генной инженерии и процессов самосборки высокоупорядоченных надмолекулярных ансамблей. Примерами ансамблей могут служить мультиферментные комплексы, объединяющие ферменты одного метаболического пути. Мультнферментные комплексы являются управляемыми системами, и их сборка позволяет управлять метаболическим путем как единым целым [60-63]. Молекулярной биологией доказано, что на уровне отдельных макромолекул или молекулярных комплексов надежно записывается, хранится и считывается информация.
Процессы преобразования н обработки информации на молекулярном уровне строго подчиняются известным законам передачи и преобразования сигналов на фоне шумов, а в своих элементарных актах могут быть описаны на основе фундаментальных законов физики. Поэтому молекулярные комплексы могут надежно функционировать как МЭП в молекулярных устройствах обработки информации. Перейдем к обсуждению некоторых элементов МЭП. 214 Биочип — это микроустройство на основе биологического вещества, аналогичное интегральной микросхеме, микропроцессору и т. д. Биосенсором (БС) называется аналитическая система, содержащая биологический материал (ферменты, клетки, антитела, антигены, рецепторы, фрагменты ДНК), который находится в непосредственном контакте или встроен в преобразователь.
В БС используют физико-химические преобразователи различных типов: оптические, акустические, электрохимические. Тип преобразователя определяется особенностью реакций и превращений в рецепторе БС, и невозможно найти какой-либо один, универсальный преобразователь на все случаи анализа. Основное назначение БС вЂ” непрерывный или квазинепрерывный автоматический контроль биотехнологических процессов, метаболитов, чистоты окружающей среды и т. п., а также миниатюризация аналитической системы и автоматизация анализа.
БС состоит из следующих основных блоков: ° анализируемого вещества; ° биологической системы распознавания анализируемого вещества; ° системы передачи первичных сигналов от системы распознавания; ° детектора; ° системы обработки и выдачи данных анализа. Существуют БС двух типов: 1) биоафинные — молекулы биополимера, образующие чувствительный элемент, «узнают» молекулы вещества, которые присутствуют в анализируемом растворе. В результате взаимодействия между этими молекулами (комплексообразования) свойства молекул биодатчика (цвет, форма и т. д.) меняются. Такие изменения свойств представляют собой «сигнал», который должен быть пропорционален концентрации исследуемого вещества; 2) фермент-метаболические БС. Молекулы фермента — чувствительного элемента БС вЂ” «узнают» молекулы субстрата, присутствующего в растворе. Продукт реакции, образующийся в результате взаимодействия фермента и субстрата, представляет собой «сигнал» для системы.
Оптические биосенсоры (ОБС) — устройства, основанные на явлениях люминесценции, поглощения, рассеяния, поляризации или преломления света. Первичный сигнал„генерируемый биологической системой распознавания, — световой. Он передается к детектору по оптическим каналам или световодам. 215 Достоинствами ОБС являются: ° помехоустойчивость к электромагнитному фону, поскольку ОБС не содержит электрических контактов; ° большое количество информации, передаваемое по оптическому волокну; ° миниатюризация до микронных размеров; ° передача сигнала на большие расстояния с минимальными потерями и искажениями; ° возможность создания ОБС с дешевой разовой сенсорной частью.
ОБС могут быть установлены для постоянного контроля в труднодоступных участках производства, а также в условиях, опасных нли вредных для здоровья. Существует потенциальная возможность работы ОБС без канала сравнения н внешнего стандарта. Трудности при создании и использовании ОБС вЂ” это влияние фонового света и более узкий динамический диапазон измерений (в пределах 2 — 3 порядков) по сравнению с электродами, В целом ОБС менее стабильны, поскольку подвержены фотовыцветанию и вымыванию индикатора. При использовании высоких интенсивностей возбуждения ОБС может происходить фото- деградация образца.
Светочувствительные БС представляют собой устройства, содержащие в качестве рабочего материала те или иные фоточувствительные биологические структуры (макромолекулы, фоторецепторные мембраны и т. д,). Они предназначены для регистрации, преобразования и хранения оптической информации. С точки зрения молекулярной электроники чрезвычайно перспективны биообъекты, осуществляющие целенаправленный перенос электронов нли ионов, в ходе которого происходит преобразование поглощенной световой энергии: цепи электронного транспорта, локализованные в мембранах митохондрий, хлоропластах зеленых растений и в хроматофорах фотосинтезирующих бактерий; цепи дыхания и зрительного возбуждения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
