Способ получения терагерцовых изображений раковых опухолей и патологий кожи

Авторы патента:


Способ получения терагерцовых изображений раковых опухолей и патологий кожи
Способ получения терагерцовых изображений раковых опухолей и патологий кожи
Способ получения терагерцовых изображений раковых опухолей и патологий кожи

 


Владельцы патента RU 2559938:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" (RU)

Изобретение относится к медицине, области нанотехнологий, в частности к усилению контраста и глубины зондирования при получении терагерцовых изображений раковых опухолей и патологий кожи с использованием наночастиц и лазерного нагрева. Способ включает введение плазмонно-резонансных композитных наночастиц в зондируемую биоткань и облучение зондируемой биоткани лазерным пучком с длиной волны 700-900 нм, совпадающей с максимумом поглощения наночастиц. Проводят облучение зондируемой биоткани последовательностью импульсов электромагнитных волн терагерцового диапазона, измерение коэффициента отражения электромагнитных волн терагерцового диапазона при пространственном сканировании зондируемой биоткани. При этом перед облучением проводят местную аппликацию путем наложения биологически совместимого агента в жидкой форме, обладающего гиперосмотическими свойствами: глицерина, или полиэтиленгликоля, или пропиленгликоля, или раствора глюкозы или фруктозы в спирте. Облучение лазерным пучком осуществляют в режиме последовательности фемтосекундных импульсов с периодом следования не более 10 нс, синхронизованных с последовательностью импульсов электромагнитных волн терагерцового диапазона так, чтобы в зондируемую область оба импульса приходили одновременно. Часть лазерного пучка для облучения зондируемой биоткани может быть использована для создания последовательности импульсов электромагнитных волн терагерцового диапазона. Способ обеспечивает повышение контрастности и глубины зондирования биообъектов, с пространственным разрешением не менее 100 мкм. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к усилению контраста и глубины зондирования при получении терагерцовых изображений раковых опухолей и патологий кожи с использованием наночастиц и лазерного нагрева.

Известно устройство и способ получения терагерцового изображения образца (GB2347835 (A), МПК: A61B5/00, G01N21/35; ARNONE DONALD DOMINIC [GB]; CIESLA CRAIG MICHAEL [GB], 2000-09-13). Способ заключается в облучении образца импульсами электромагнитного излучения со множеством частот в диапазоне от 50 ГГц до 84 ТГц. Площадь образца подразделяется на две двумерные решетки пикселей, и облучение от каждого пикселя детектируется по множеству частот, а изображение строится по величинам радиации для каждой из частот, или по выбору частот из множества частот в импульсном электромагнитном излучении.

Однако из-за использования электромагнитного излучения со множеством частот не удается получить достаточно хорошее терагерцовое изображение и большой глубины зондирование образца, что связано со значительным коэффициентом поглощения гига и терагерцового излучения водой и малой контрастностью отраженного излучения в этих диапазонах.

Известен способ и устройство изображения образца в терагерцовом, инфракрасном или миллиметровом диапазонах (GB2359716 (A), МПК: G01B 11/06, G01N 21/17; CIESLA CRAIG MICHAEL [GB]; 2001-08-29). Источник облучает образец пучком непрерывной широкополосной электромагнитной радиации, имеющей частоту в диапазоне 25 ГГц - 100 ТГц. Устройство включает в себя средство для подразделения площади образца, который должен быть изображен на два двумерных набора пикселей, и средство для детектирования радиации от каждого пикселя. Детектор устроен так, чтобы детектировать фазозависимую величину детектируемой радиации, которой облучается образец. Фаза излучения, проходящего через образец, сравнивается с фазой опорного луча от того же источника, который проходит, минуя образец.

Однако сдвиг фаз для биообразцов малоконтрастен, вследствие широкополосности излучения.

Наиболее близкий способ получения терагерцовых изображений раковых опухолей и патологий кожи с использованием наночастиц и лазерного нагрева, характеризующийся усилением контраста и глубины зондирования, описывается в работе (Seung Jae Oh, Jinyoung Kang, Inhee Maeng, Jin-Suck SuhYong-Min Huh, Seungjoo Haam, and Joo -Hiuk Son. (2009) Nanoparticle-enabled terahertz imaging for cancer diagnosis. OPTICS EXPRESS, V. 17, N. 5, 3469-3475). При синхронном облучении образца, допированного наночастицами, терагерцовыми импульсами и ИК лазерным непрерывным излучением, происходит нагрев наночастиц, вследствие чего изменяется показатель преломления среды и увеличивается глубина зондирования терагерцовым излучением и улучшения контрастности получаемого при этом изображения.

Однако, как известно при использовании непрерывного лазерного облучения при нагреве наночастиц, температура частицы будет соизмерима с температурой окружающей среды, тем самым разница контраста биотканей будет минимальна.

Задачей изобретения является повышение контрастности и глубины зондирования биообъектов, с пространственным разрешением не менее 100 мкм при синхронном пространственно-временном облучении последовательностью фемтосекундных лазерных и терагерцовых импульсов при введении в зондируемую биосреду плазмонно-резонансных композитных наночастиц, повышение глубины зондирования патологических участков ткани за счет обратимой дегидратации кожи при местной аппликации гиперосмотических композиций.

Технический результат заключается в повышении контрастности и глубины зондирования биообъектов, с пространственным разрешением не менее 100 мкм при синхронном пространственно-временном облучении последовательностью фемтосекундных лазерных и терагерцовых импульсов при введении в зондируемую биосреду плазмонно-резонансных композитных наночастиц и местной аппликации гиперосмотических композиций.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения терагерцовых изображений раковых опухолей и патологий кожи, включающем введение плазмонно-резонансных композитных наночастиц в зондируемую биоткань и облучение зондируемой биоткани лазерным пучком с длиной волны 700-900 нм, совпадающей с максимумом поглощения наночастиц, облучение зондируемой биоткани последовательностью импульсов электромагнитных волн терагерцового диапазона, измерение коэффициента отражения электромагнитных волн терагерцового диапазона при пространственном сканировании зондируемой биоткани, согласно решению облучение лазерным пучком осуществляют последовательностью фемтосекундных импульсов с периодом следования не более 10 нс, синхронизованных с последовательностью импульсов электромагнитных волн терагерцового диапазона так, чтобы в зондируемую область оба импульса приходили одновременно. Часть лазерного пучка используют для создания последовательности импульсов электромагнитных волн терагерцового диапазона. Для обеспечения дополнительной глубины зондирования на поверхность биоткани накладывают биологически совместимый агент в жидкой форме, обладающий гиперосмотическими свойствами. В качестве агента применяется такая композиция, как глицерин, или полиэтиленгликоль, или пропиленгликоль, или раствор глюкозы или фруктозы в спирте.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена блок-схема установки для визуализации неоднородности в биоткани, зондируемой терагерцовыми импульсами и лазерным нагревом плазмонно-резонансных композитных наночастиц, введенных в визуализируемую биоткань. На фиг.2 представлена зависимость параметра температурного контраста КС от расстояния между соседними наночастицами для различных длительностей лазерного импульса. На фиг. 3 приведены зависимости коэффициента поглощения глицерина во времени в зависимости от частоты терагерцовых импульсов. Позициями на чертежах обозначены:

1 - фемтосекундный лазер длиной волны в ближнем ИК диапазоне, генерирующий последовательность лазерных импульсов длительностью 10-100 фс с временным расстоянием между импульсами не более 10 нс;

2 - система зеркал и линз;

3 - генератор терагерцовых импульсов на основе полупроводниковых структур;

4 - оптическая линия задержки фемтосекундных лазерных импульсов для детектирования терагерцовых электромагнитных импульсов;

5 - оптическая линия задержки фемтосекундных лазерных импульсов для создания системы временной синхронизации лазерных и терагерцовых импульсов в биоткани;

6 - зондируемая биоткань (раковая опухоль или патология кожи), с введенными плазмонно-резонансными композитными наночастицами;

7 - детектор терагерцовых импульсов на основе полупроводниковых структур;

8 - синхронный усилитель;

9 - персональный компьютер.

Способ осуществляется следующим образом: фемтосекундный лазер 1 с длиной волны в ближнем ИК диапазоне генерирует последовательность лазерных импульсов с длительностью 10-100 фс и временным расстоянием между импульсами не более 10-20 нс, лазерный пучок при помощи систем зеркал 2 делится на три оптических пучка. Один оптический пучок через систему зеркал 2 возбуждает в полупроводниковый структуре терагерцовые импульсы 3 с частотой следования лазерных импульсов, другой пучок через линию оптической задержки 4 воздействует на полупроводниковый детектор терагерцовых импульсов 7, и третий идет через соответствующую оптическую линию задержки 5 для синхронного пространственно-временного облучения фемтосекундными лазерными и терагерцовыми импульсами зондируемой биоткани 6, которая сканируется в плоскости по поперечным координатам Х-У и подвергается местной аппликации гиперосмотическими композициями. Далее, отраженные от биоткани терагерцовые импульсы при помощи системы линз и зеркал попадают на детектор терагерцовых импульсов 7, сигнал от которого через синхронный усилитель 8 анализируется с помощью персонального компьютера 9.

Известен эффект высокой термочувствительности коэффициента отражения терагерцового излучения от температуры воды в биоткани (Seung Jae Oh, Inhee Maeng, Hee Jun Shin, Jaewon Lee Nanoparticle contrast agents for Terahertz medical imaging //33rd International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 2008. IRMMW-THz 2008. Pasadena. 2008. P. 1-2. DOI: 10.1109/ICIMW.2008.4665813, Seung Jae Oh, Jinyoung Kang, Inhee Maeng, Jin-Suck Suh Yong-Min Huh, Seungjoo Haam, and Joo -Hiuk Son Nanoparticle-enabled terahertz imaging for cancer diagnosis //Optics express. 2009. Vol.17. No. 5. P. 3469-3475.), что делает перспективным применение его для повышения контраста отображения не только наружных, но и внутренних нагретых включений. Как установлено в прототипе, внедрение поглощающих плазмонно-резонансных наночастиц позволяет существенно улучшить качество терагерцовых изображений при диагностике раковых опухолей.

Как показали нестационарные численные расчеты динамики лазерного резонансного 3D нагрева плазмонно-резонансной композитной наночастицы (Avetisyan Yu.A., Yakunin A.N., Tuchin V.V. Novel thermal effect at nanoshell heating by pulsed laser irradiation: hoop-shaped hot zone //Journal of Biophotonics. 2012. V. 5. No. 10. P. 734-744. DOI: 10.1002/jbio.201100074), при облучении последовательностью фемтосекундных лазерных импульсов достигается большая разница температур вблизи наночастицы на расстоянии нескольких характерных размеров от нее. Результаты детального расчета нестационарного поля нагрева коллоидного раствора наночастиц с учетом окружающей среды (вода, физраствор) показали возможность выбора оптимального режима для повышения температурной контрастности 3D теплового поля при воздействии импульсного лазерного излучения и представлены на фиг.2. Температурная микронеоднородность, возникающая при таком резонансном импульсном лазерном облучении биоткани с наночастицами, приводит к изменению показателя преломления биоткани и соответственно этот эффект отражается на пространственной неоднородности отраженного пучка зондирующих терагерцовых импульсов, вследствие чего происходит усиление контрастности изображения и глубины зондирования при получении терагерцовых изображений.

Контраст изображения зондируемой биоткани определяется соотношением

KC=(ТNPmed)/(TNP-Tinitial), (1)

где ТNP - температура поверхности наночастицы; Тmed - температура в точке на половине расстояния между соседними наночастицами; Tinitial - начальная температура исследуемой среды.

Для обеспечения дополнительной глубины зондирования на поверхность биоткани накладывают биологически совместимый агент в жидкой форме, обладающий гиперосмотическими свойствами. В качестве такого агента может быть использован глицерин, или полиэтиленгликоль, или пропиленгликоль, или раствор глюкозы или фруктозы в спирте.

Как показали эксперименты с терагерцовым зондированием на модели мышечной ткани (см. фиг.3.), однозначно доказана возможность уменьшения поглощения ТГц излучения в диапазоне 0.25-2.5 ТГц при его распространении в биологической ткани во время аппликации гиперосмотических агентов. В зависимости от частоты излучения уменьшение коэффициента поглощения составляет 3-5 раз, необходимое время аппликации порядка 8-10 мин.

1. Способ получения терагерцовых изображений раковых опухолей и патологий кожи, включающий введение плазмонно-резонансных композитных наночастиц в зондируемую биоткань и облучение зондируемой биоткани лазерным пучком с длиной волны 700-900 нм, совпадающей с максимумом поглощения наночастиц, облучение зондируемой биоткани последовательностью импульсов электромагнитных волн терагерцового диапазона, измерение коэффициента отражения электромагнитных волн терагерцового диапазона при пространственном сканировании зондируемой биоткани, отличающийся тем, что перед облучением проводят местную аппликацию путем наложения биологически совместимого агента в жидкой форме, обладающего гиперосмотическими свойствами, а именно глицерина, или полиэтиленгликоля, или пропиленгликоля, или раствора глюкозы или фруктозы в спирте, облучение лазерным пучком осуществляют в режиме последовательности фемтосекундных импульсов с периодом следования не более 10 нc, синхронизованных с последовательностью импульсов электромагнитных волн терагерцового диапазона так, чтобы в зондируемую область оба импульса приходили одновременно.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что часть лазерного пучка для облучения зондируемой биоткани используют для создания последовательности импульсов электромагнитных волн терагерцового диапазона.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к аналитической атомной спектрометрии и может быть использовано в спектральном анализе для экспрессного способа определения элементного состава вещества.
Изобретение относится к области аналитической химии элементного анализа и может быть использовано для лазерно-искрового эмиссионного определения лантана, церия, празеодима, неодима в металлических сплавах и порошках.

Изобретение относится к области химического анализа веществ. В способе анализа химического состава материалов, включающем лазерное испарение или абляцию исследуемых образцов, ионизацию продуктов лазерного испарения или абляции исследуемых образцов и детектирование полученных ионов масс-анализатором, используют дополнительно введенную твердую мишень для генерации лазерной плазмы путем воздействия на нее лазерным излучением, а ионизацию продуктов лазерного испарения или абляции образцов осуществляют с использованием полученной лазерной плазмы.
Изобретение относится к способу определения меди в природных и питьевых водах. Способ включает концентрирование меди на сорбционном материале, помещенном в патрон, путем пропускания через него анализируемой пробы, элюирование меди азотной кислотой и определение меди методами атомной спектроскопии.

Группа изобретений относится к области биотехнологии и направлена на идентификацию микроорганизмов в тестируемом образце. В одном варианте способ идентификации неизвестного микроорганизма включает получение тестируемого образца, который может содержать неизвестный микроорганизм.
Изобретение относится к области аналитической химии порошковых материалов, в частности к способам определения массовой доли кислорода в порошках металлов методом атомно-эмиссионной спектроскопии.

Изобретение относится к лазерному газовому анализу и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения концентрации молекулярного кислорода в воздушной атмосфере или произвольной смеси газов.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при измерении температуры поверхности в области лазерного воздействия. Спектральные линии регистрации теплового излучения поверхности пирометром и спектральные полосы регистрации теплового излучения поверхности видеокамерой и спектральные линии излучения источников подсветки располагаются в спектральной полосе пропускания гальвосканера по обе стороны спектральной линии лазерного излучения в ее непосредственной близости.
Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к люминесцентному способу определения самария. Способ включает перевод его в люминесцирующее соединение с органическим реагентом.
Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к способу люминесцентного определения тербия. Способ включает перевод тербия в люминесцирующее соединение с органическим реагентом.
Изобретение относится в области нанотехнологии, медицины и пищевой промышленности и касается способа получения нанокапсул витаминов в геллановой камеди. Способ характеризуется тем, что в качестве ядра нанокапсул используют витамины и геллановую камедь в качестве оболочки нанокапсул, получаемых путем последовательного добавления витамина в суспензию геллановой камеди в гексане в присутствии Е472с с перемешиванием при 1300 об/сек, дальнейшего приливания 1,2-дихлорэтана в качестве осадителя, фильтрации и сушки при комнатной температуре с получением нанокапсул витаминов в соотношении ядро:оболочка 1:3.
Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности к растениеводству, и описывает способ получения нанокапсул 2-цис-4-транс-абсцизовой кислоты методом осаждения нерастворителем, в котором 2-цис-4-транс-абсцизовую кислоту небольшими порциями добавляют в суспензию каррагинана, использующегося в качестве оболочки нанокапсул, в гексане, в присутствии 0,005 г препарата Е472 с, и при перемешивании 1300 об/сек, далее добавляют осадитель - бутилхлорид, отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.
Изобретение относится в области нанотехнологии и медицины и описывает способ получения нанокапсул албендазола методом осаждения нерастворителем, в котором албендазол небольшими порциями добавляют в суспензию каррагинана, использующегося в качестве оболочки нанокапсул, в бутаноле в присутствии 0,01 г препарата Е472с и при перемешивании 1000 об/сек, далее добавляют осадитель - бутилхлорид, отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.

Изобретение относится к технологии получения нанокристаллического карбида кремния. Способ включает плазмодинамический синтез карбида кремния в гиперскоростной струе электроразрядной плазмы, содержащей кремний и углерод в соотношении 3,0:1, которую генерируют коаксиальным магнитоплазменным ускорителем с графитовыми электродами и направляют в замкнутый объем, заполненный газообразным аргоном при нормальном давлении и температуре 20°C, при этом температуру газообразного аргона в замкнутом объеме изменяют в диапазоне от -20°C до 19°C и от 21°C до 60°C.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к синтезу диборида титана, и может быть использовано для производства керамической брони, изготовления нагревателей высокотемпературных электропечей сопротивления, ванн и тиглей - испарителей металлов, деталей металлопроводов и электромагнитных насосов для перекачивания расплавленных металлов, узлов химической аппаратуры.

Группа изобретений относится к области бионики и касается создания бионической конечности. Предложенная конечность включает искусственный скелет, представляющий собой изделия в форме костей, соединенные между собой шарнирно, а также прикрепленными к ним исполнительными органами.

Изобретение относится к области исследований слоистых наноструктур, в частности методике диагностики структуры наносистем. Способ определения пространственного распределения плотности атомов в нанослое состоит в том, что измеряют интенсивности отражения и пропускания через структуру нейтронов и интенсивности вторичных излучений, вызванных поглощением нейтронов в нанослое, при этом последовательно во времени формируют три разного типа зависимости плотности поляризованных нейтронов от координаты в глубь исследуемого слоя и от волнового вектора нейтронов, для этого используют трехслойную структуру, размещенную на подложке, в которой средний слой является исследуемым, следующий за исследуемым слой имеет потенциал взаимодействия нейтронов с веществом, превышающий потенциал исследуемого слоя, слой, покрывающий исследуемый слой, является магнитным с потенциалом взаимодействия для поляризованных нейтронов в направлении вектора магнитной индукции больше, а для нейтронов, поляризованных противоположно - меньше потенциала взаимодействия исследуемого слоя.

Изобретение относится к получению нанодисперсного тугоплавкого карбида тантала, используемого в качестве наполнителя композиционных материалов, керамического теплозащитного покрытия, химически стойкого материала, материала для высокотемпературных керамоматричных композитов, и может быть использовано в области химической промышленности, авиационной и космической техники.

Изобретение относится к области энергетики, а именно к области использования солнечной энергии, и может быть применено при генерировании электрического тока с использованием энергии солнечного излучения в качестве источника теплового излучения.

Изобретение относится к катализатору ароматизации синтетических нормальных жидких парафиновых углеводородов. Данный катализатор содержит носитель из пористого цеолита и связующего и каталитически активное вещество - платину.

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство включает корпус, содержащий порт биосенсора, устройство измерения глюкозы, присоединенное к порту биосенсора; выходное устройство связи, расположенное на корпусе, множество кнопок пользовательского интерфейса.
Наверх