[go: up one dir, main page]

RU2633494C2 - Biosensor for non-invasive optical monitoring of biological tissues pathology - Google Patents

Biosensor for non-invasive optical monitoring of biological tissues pathology Download PDF

Info

Publication number
RU2633494C2
RU2633494C2 RU2016102046A RU2016102046A RU2633494C2 RU 2633494 C2 RU2633494 C2 RU 2633494C2 RU 2016102046 A RU2016102046 A RU 2016102046A RU 2016102046 A RU2016102046 A RU 2016102046A RU 2633494 C2 RU2633494 C2 RU 2633494C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
biosensor according
radiation source
range
biosensor
radiation
Prior art date
Application number
RU2016102046A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016102046A (en
Inventor
Дарья Кирилловна Тучина
Алексей Николаевич Башкатов
Элина Алексеевна Генина
Валерий Викторович Тучин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского"
Priority to RU2016102046A priority Critical patent/RU2633494C2/en
Publication of RU2016102046A publication Critical patent/RU2016102046A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2633494C2 publication Critical patent/RU2633494C2/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation

Landscapes

  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: biosensor contains: a radiation source and receiver; an applicator, made in the form of a vessel with a biocompatible immersion agent; a radiating light guide connected to a radiation source at one end, and a receiving light guide connected to the radiation receiver at one end. The distal ends of the light guides are located inside the applicator.
EFFECT: increased depth of tissues sounding at a decreased harmful radiation effect on body tissues due to optical clarification of biological tissues, and light guides arrangement within the applicator with a biocompatible immersion agent allows to reconcile the refractive indices of the light guide end with the immersion fluid and eliminate optical reflection at the biotissue - light guide end border.
15 cl, 1 tbl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к эндокринологии, в частности к определению патологии тканей жизненно важных органов, обусловленной развитием сахарного диабета.The invention relates to medicine, namely to endocrinology, in particular to determining the pathology of tissues of vital organs, due to the development of diabetes mellitus.

Существующие в настоящее время методы определения степени гликированности гемоглобина крови и гликированности биотканей можно условно разделить на инвазивные и неинвазивные. Инвазивные методы определения степени гликированности гемоглобина, а именно определения концентрации гликированного гемоглобина HbA1c, основаны на биохимическом анализе взятой у пациента крови из вены и последующем спектрофотометрическом измерении концентрации HbA1c как продукта биохимической реакции, по интенсивности его полосы Соре.Currently existing methods for determining the degree of glycation of hemoglobin in blood and glycation of biological tissues can be divided into invasive and non-invasive ones. Invasive methods for determining the degree of glycation of hemoglobin, namely, determining the concentration of glycated hemoglobin Hb A1c , are based on a biochemical analysis of blood taken from a patient from a vein and subsequent spectrophotometric measurement of the concentration of Hb A1c as a product of the biochemical reaction, according to the intensity of its Soret band.

Концентрация HbA1c в крови является биохимическим показателем крови, отражающим среднее содержание сахара в крови за период до трех месяцев (среднее время жизни эритроцитов), и представляет собой процентное содержание гемоглобина крови, необратимо связанного с молекулами глюкозы (максимально у больных тяжелой формой диабета порядка 15-16% от общей концентрации гемоглобина). Гликированный гемоглобин образуется в результате реакции Майера (N. Vigneshwaran, G Bijukumar, N. Karmakar, S. Anand, and A. Misra, "Autofluorescence characterization of advanced glycation end products of hemoglobin," Spectrochimica Acta Part A 61(1), 163-170 (2005)). Чем выше уровень HbA1c, тем выше была гликемия за последние три месяца и, соответственно, больше риск развития осложнений, вызванных сахарным диабетом, таких как ретинопатия, нефропатия, мышечная дистрофия и, как следствие, потеря подвижности, если поражены скелетные мышцы, или инфаркт миокарда, если поражен миокард, а также ряда других осложнений.The concentration of Hb A1c in the blood is a biochemical indicator of blood, reflecting the average blood sugar for a period of up to three months (the average life time of red blood cells), and is the percentage of hemoglobin in the blood irreversibly associated with glucose molecules (maximum in patients with severe diabetes about 15 -16% of the total hemoglobin concentration). Glycated hemoglobin results from the Mayer reaction (N. Vigneshwaran, G Bijukumar, N. Karmakar, S. Anand, and A. Misra, "Autofluorescence characterization of advanced glycation end products of hemoglobin," Spectrochimica Acta Part A 61 (1), 163 -170 (2005)). The higher the Hb A1c level, the higher the glycemia over the past three months and, accordingly, the greater the risk of developing complications caused by diabetes mellitus, such as retinopathy, nephropathy, muscle dystrophy and, as a consequence, loss of mobility if skeletal muscles or a heart attack are affected myocardium, if myocardium is affected, as well as a number of other complications.

Известно устройство по патенту США US 8140147, опубл. 15.11.2007, МПК А61В 6/00, состоящее из гибкого зонда с источником света и приемником излучения. Оптический зонд может как контактировать, так и не контактировать с тканью. Оптический зонд доставляет широкополосный свет к биоткани и регистрирует ее диффузную флуоресценцию in vivo. Настоящее устройство способно определить наличие сахарного диабета или развитие преддиабета путем определения наличия конечных продуктов гликирования коллагена, измерения их концентрации. Устройство можно применять к тканям кожи, слизистой оболочки полости рта или склеры.A device is known according to US patent US 8140147, publ. 11/15/2007, IPC А61В 6/00, consisting of a flexible probe with a light source and a radiation receiver. An optical probe may or may not be in contact with tissue. An optical probe delivers broadband light to the biological tissue and detects its diffuse fluorescence in vivo. This device is able to determine the presence of diabetes mellitus or the development of prediabetes by determining the presence of end products of glycation of collagen, measuring their concentration. The device can be applied to tissues of the skin, oral mucosa or sclera.

Известно устройство по заявке WO 2006009906, опубл. 26.01.2006, МПК G01F 19/00, для неинвазивной диагностики сахарного диабета, включающее в себя источник возбуждения света, детектор, принимающий сигнал флуоресценции, процессор для измерения затухания интенсивности сигнала флуоресценции. В устройстве используется ультракороткий импульс возбуждения света УФ, ИК или видимого диапазона, который представляет собой последовательность наносекундных импульсов. Импульс возбуждения направляется на поверхность кожи предплечья, ноги или ладони пациента. Свет взаимодействует с различными слоями кожи, поглощенный свет возбуждает продукты гликирования в коже, генерирующие сигнал флуоресценции, который собирается с помощью детектора. Процессор соединен с детектором для измерения затухания интенсивности флуоресценции кожи для определения вклада отдельных флуорофоров в суммарный сигнал флуоресценции, после чего идентифицируется характер и расположение флуорофоров. По полученному сигналу флуоресценции определяют присутствие или отсутствие продуктов гликирования, а соответственно, делают вывод о риске или диагностировании сахарного диабета.A device is known according to the application WO 2006009906, publ. 01/26/2006, IPC G01F 19/00, for non-invasive diagnosis of diabetes mellitus, including a light excitation source, a detector that receives a fluorescence signal, a processor for measuring attenuation of the fluorescence signal intensity. The device uses an ultra-short pulse of light excitation of UV, IR or the visible range, which is a sequence of nanosecond pulses. An excitation pulse is directed to the surface of the skin of the forearm, leg or palm of the patient. Light interacts with various layers of the skin, the absorbed light excites glycation products in the skin, generating a fluorescence signal, which is collected using a detector. The processor is connected to a detector for measuring attenuation of skin fluorescence intensity to determine the contribution of individual fluorophores to the total fluorescence signal, after which the nature and location of the fluorophores are identified. By the received fluorescence signal, the presence or absence of glycation products is determined, and accordingly, a conclusion is drawn about the risk or diagnosis of diabetes.

Принцип действия описанных устройств основан на использовании флуоресценции биотканей и продуктов гликирования белков.The principle of operation of the described devices is based on the use of fluorescence of biological tissues and protein glycation products.

Наиболее близким по технической сущности является экспериментальная установка для неинвазивного оптического мониторинга патологии биологических тканей, обусловленной развитием сахарного диабета, содержащая источник и приемник излучения, аппликатор, изготовленный в виде кюветы с биосовместимым иммерсионным агентом, излучающий световод, подключенный одним концом источнику излучения, и принимающий световод, подключенный одним концом к приемнику излучения (Tuchina D.K. et al. Ex vivo optical measurements of glucose diffusion kinetics in native and diabetic mouse skin. 12.03.2015. J. Biophotonics 8, №4, p. 332-346). При этом концы светодов расположены на некотором расстоянии от кюветы.The closest in technical essence is an experimental setup for non-invasive optical monitoring of the pathology of biological tissues caused by the development of diabetes mellitus, containing a radiation source and receiver, an applicator made in the form of a cuvette with a biocompatible immersion agent, an emitting fiber, connected at one end to a radiation source, and a receiving fiber connected at one end to a radiation receiver (Tuchina DK et al. Ex vivo optical measurements of glucose diffusion kinetics in native and diabetic mouse skin. 03/12/2015. J. Biophotonics 8, No. 4, p. 332-346). In this case, the ends of the LEDs are located at a certain distance from the cell.

Недостатком конструкции является низкая механическая прочность, так как волокна не защищены от смещений или повреждений. Кроме того, имеет место недостаточная чувствительность устройства, вызванная возможными смещениями при движении пациента во время измерений.The disadvantage of the design is the low mechanical strength, since the fibers are not protected from displacement or damage. In addition, there is a lack of sensitivity of the device caused by possible displacements during patient movement during measurements.

Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка биосенсора для неинвазивного оптического мониторинга патологии биологических тканей, обусловленной развитием сахарного диабета.The technical problem to which the present invention is directed is the development of a biosensor for non-invasive optical monitoring of the pathology of biological tissues due to the development of diabetes mellitus.

Техническим результатом является повышение чувствительности за счет согласования показателей преломления торца световода с иммерсионной жидкостью, что устраняет оптические отражения на границе биоткань - торец волоконного световода как в облучающей, так и в приемной части при повышении механической прочности.The technical result is to increase the sensitivity by matching the refractive indices of the end of the fiber with the immersion liquid, which eliminates optical reflections at the interface between the biological tissue and the end of the fiber both in the irradiating and in the receiving part with an increase in mechanical strength.

Данная проблема решается тем, что в биосенсоре, содержащем источник и приемник света, излучающий и принимающий световоды, подключенные к источнику и приемнику соответственно, аппликатор, изготовленный в виде сосуда, содержащего биосовместимый иммерсионный агент, согласно решению дистальные концы световодов расположены внутри аппликатора. Световоды могут быть расположены параллельно друг другу, при этом расстояние l между центрами дистальных концов излучающего и принимающего световодов равно примерно двойной глубине зондирования биоткани h, l≅2h. В другом варианте исполнения дистальные концы излучающего и принимающего световодов расположены друг против друга.This problem is solved by the fact that in the biosensor containing the source and receiver of light emitting and receiving fibers connected to the source and receiver, respectively, an applicator made in the form of a vessel containing a biocompatible immersion agent, according to the solution the distal ends of the optical fibers are located inside the applicator. The optical fibers can be parallel to each other, and the distance l between the centers of the distal ends of the emitting and receiving optical fibers is approximately double the depth of sounding of the biological tissueh, l≅2h.In another embodiment, the distal ends of the emitting and receiving fibers are opposed to each other.

В качестве источников, приемников излучения и иммерсионного агента могут использоваться различные варианты, описанные ниже.As sources, receivers of radiation and immersion agent can be used in various options, described below.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - гистограммы зависимости величины коэффициента диффузии глюкозы в здоровой и диабетической коже от концентрации раствора глюкозы, на фиг. 2 - схема биосенсора, излучающий и принимающий световоды которого располагаются параллельно друг другу, на фиг. 3 - схема биосенсора, излучающий и принимающий световоды которого располагаются друг напротив друга, гдеThe invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 - histograms of the dependence of the glucose diffusion coefficient in healthy and diabetic skin on the concentration of glucose solution, FIG. 2 is a diagram of a biosensor, the emitting and receiving fibers of which are parallel to each other, in FIG. 3 is a diagram of a biosensor, the emitting and receiving fibers of which are located opposite each other, where

1 - здоровая кожа;1 - healthy skin;

2 - диабетическая кожа;2 - diabetic skin;

3 - кожа;3 - skin;

4 - излучающий (входной) световод;4 - emitting (input) fiber;

5 - принимающий (выходной) световод;5 - receiving (output) fiber;

6 - аппликатор с агентом;6 - applicator with an agent;

7 - агент;7 - agent;

8 - вода, содержащаяся в биоткани;8 - water contained in biological tissue;

9 - пучок света.9 - a beam of light.

Оценку коэффициента диффузии иммерсионной жидкости (ИЖ) в биоткани проводят на основании кинетики изменения пропускания или отражения образца биоткани, взаимодействующего с ИЖ. Подробно используемый метод описан в литературе [Tuchin V.V. Optical Clearing of Tissues and Blood, PM 154, SPIE Press, Bellingham, WA, 2005; Tuchin V.V. Handbook of Optical Sensing of Glucose in Biological Fluids and Tissues, Taylor & Francis Group LLC, CRC Press, 2009].The diffusion coefficient of the immersion fluid (IL) in the biological tissue is estimated based on the kinetics of the change in the transmission or reflection of the biological tissue sample interacting with the IL. The method used in detail is described in the literature [Tuchin V.V. Optical Clearing of Tissues and Blood, PM 154, SPIE Press, Bellingham, WA, 2005; Tuchin V.V. Handbook of Optical Sensing of Glucose in Biological Fluids and Tissues, Taylor & Francis Group LLC, CRC Press, 2009].

Способ измерения коэффициента диффузии иммерсионной жидкости в биологической ткани основан на определении значения коэффициента диффузии по кинетике изменения коллимированного пропускания, коэффициента ослабления света или коэффициента рассеяния биоткани, взаимодействующей с ИЖ путем минимизации методом наименьших квадратов функции, включающей в себя экспериментально полученные и теоретически рассчитанные данные. Коэффициент диффузии агента в биоткани определяется как скорость среднего потока молекул иммерсионного агента в ткань и воды из ткани. При использовании кинетики коллимированного пропускания целевая функция выглядит следующим образом:A method for measuring the diffusion coefficient of an immersion fluid in a biological tissue is based on determining the diffusion coefficient from the kinetics of changes in collimated transmittance, light attenuation coefficient, or biological tissue scattering coefficient interacting with IL by minimizing the least squares function, which includes experimentally obtained and theoretically calculated data. The diffusion coefficient of an agent in a biological tissue is defined as the speed of the average flow of immersion agent molecules into the tissue and water from the tissue. When using the kinetics of collimated transmission, the objective function is as follows:

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
- теоретически рассчитанный коэффициент пропускания образца при заданном значении коэффициента диффузии D в момент времени t, сек,
Figure 00000003
- измеренное значение коэффициента пропускания в момент времени t, сек, Nt - количество экспериментальных точек временной зависимости коллимированного пропускания образца биоткани на определенной длине волны.Where
Figure 00000002
- theoretically calculated sample transmittance at a given value of the diffusion coefficient D at time t, s,
Figure 00000003
- the measured value of the transmittance at time t , sec, N t is the number of experimental points of the time dependence of the collimated transmittance of the biological tissue sample at a specific wavelength.

Задачу оценки скорости диффузии решают в рамках модели свободной диффузии. Одномерное уравнение диффузии представляет собой второй закон Фика и имеет вид:The problem of estimating the diffusion rate is solved within the framework of the free diffusion model. The one-dimensional diffusion equation is the second Fick law and has the form:

Figure 00000004
,
Figure 00000004
,

4four

где С(x,t) - концентрация ОПА в образце биоткани, г/мл; D - коэффициент диффузии ОПА, см2/сек; t - время диффузии, сек; х - пространственная координата по толщине образца, см.where C (x, t) is the concentration of OPA in the sample of biological tissue, g / ml; D - diffusion coefficient ASO, cm 2 / sec; t is the diffusion time, sec; x is the spatial coordinate along the thickness of the sample, see

В зависимости от типа биоткани и геометрии эксперимента для решения уравнения диффузии используются различные граничные условия, что приводит к тому, что уравнение диффузии имеет разные решения. Так, например, для кожи (в случае ее иммерсирования в ИЖ) граничные условия имеют вид: C(0,t)=C 0 и

Figure 00000005
, а решение уравнения диффузии (усредненное по объему) имеет вид:
Figure 00000006
. В случае же иммерсирования мышечной ткани граничные условия имеют вид: C(0,t)=С 0 и C(l,t)=С 0, тогда решение уравнения диффузии имеет вид:
Figure 00000007
. В то же время в обоих случаях решение уравнения диффузии отражает кинетику изменения концентрации ОПА в образце биоткани.Depending on the type of biological tissue and the geometry of the experiment, different boundary conditions are used to solve the diffusion equation, which leads to the fact that the diffusion equation has different solutions. So, for example, for the skin (in the case of immersion in IL), the boundary conditions are: C (0, t ) = C 0 and
Figure 00000005
, and the solution of the diffusion equation (averaged over the volume) has the form:
Figure 00000006
. In the case of muscle tissue immersion, the boundary conditions are: C (0, t ) = C 0 and C (l, t) = C 0 , then the solution of the diffusion equation has the form:
Figure 00000007
. At the same time, in both cases, the solution of the diffusion equation reflects the kinetics of changes in the concentration of OPA in the biological tissue sample.

В математических моделях биологических тканей учитывают их оптические характеристики (коэффициенты рассеяния и поглощения), геометрические параметры (толщина и площадь образца), показатели преломления и объемные доли компонентов биоткани и др.In mathematical models of biological tissues, their optical characteristics (scattering and absorption coefficients), geometric parameters (thickness and area of the sample), refractive indices and volume fractions of biological tissue components, etc. are taken into account.

Предлагаемый биосенсор использует не сигнал флуоресценции, а отраженный или пропущенный через биоткань 3 оптический сигнал на одной или многих длинах волн и содержит излучающий световод 4 и принимающий световод 5, а также аппликатор 6, заполненный биосовместимым просветляющим агентом 7 (фиг. 2, 3).The proposed biosensor does not use a fluorescence signal, but an optical signal reflected or transmitted through biological tissue 3 at one or many wavelengths and contains an emitting fiber 4 and a receiving fiber 5, as well as an applicator 6 filled with a biocompatible antireflection agent 7 (Fig. 2, 3).

Световод 4 одним концом подключен к источнику, а световод 5 - к приемнику света. При этом дистальные (свободные) концы проходят через стенки аппликатора внутрь для подведения к исследуемой биоткани.The optical fiber 4 is connected at one end to the source, and the optical fiber 5 to the light receiver. In this case, the distal (free) ends pass through the walls of the applicator inward to bring them to the test biological tissue.

При регистрации отражения света от кожи или слизистой оболочки доступных органов тела человека (например, полости рта или носа) излучающий 4 и принимающий 5 световоды располагаются параллельно друг другу. Расстояние l между центрами дистальных концов излучающего и принимающего световодов равно примерно двойной глубине зондирования биоткани h, l≅2h. Один из противоположных концов световодов подводится к источнику излучения, а другой к оптическому детектору (фиг. 2).When registering light reflection from the skin or mucous membrane of accessible organs of the human body (for example, the oral cavity or nose), the emitting 4 and 5 receiving fibers are parallel to each other. The distance l between the centers of the distal ends of the emitting and receiving fibers is approximately double the probing depth of the biological tissue h, l ≅ 2 h. One of the opposite ends of the optical fibers is connected to a radiation source, and the other to an optical detector (Fig. 2).

При записи пропускания пучка света 9 через выступающий участок кожи дистальные концы излучающего и принимающего световодов 4, 5 одновременно подводятся с одной и другой стороны выступающего участка кожи, доступной для просвечивания (мочка уха, кожа между пальцами рук, кожа, оттянутая с любого места тела человека, позволяющая завести излучение и принять его «на просвет»). Аппликатор 6 снабжает агентом обе стороны выступающего участка кожи (фиг. 3). Регистрация оптического сигнала осуществляется в течение 10-30 минут.When recording the transmission of a light beam 9 through a protruding area of the skin, the distal ends of the emitting and receiving optical fibers 4, 5 are simultaneously fed from one and the other side of the protruding area of the skin accessible for translucency (earlobe, skin between the fingers, skin drawn from anywhere on the human body , allowing you to start the radiation and take it "into the light"). The applicator 6 supplies the agent on both sides of the protruding area of the skin (Fig. 3). Registration of the optical signal is carried out within 10-30 minutes.

В качестве источника излучения используют широкополосную лампу белого света, либо набор диодных лазеров разных длин волн в диапазоне 500-2000 нм, либо набор светодиодов разных длин волн в диапазоне 500-1100 нм, в качестве оптического детектора используют миниатюрный цифровой спектрометр, соединенный с компьютером или смартфоном, или набор миниатюрных фотодиодов, настроенных с помощью фильтров на разные длины волн и соединенные с компьютером или смартфоном.As a radiation source, a wide-band white light lamp is used, either a set of diode lasers of different wavelengths in the range of 500-2000 nm, or a set of LEDs of different wavelengths in the range of 500-1100 nm, a miniature digital spectrometer connected to a computer is used as an optical detector smartphone, or a set of miniature photodiodes tuned with filters to different wavelengths and connected to a computer or smartphone.

Для обеспечения простоты, надежности, малой стоимости и максимальной чувствительности биосенсора к изменениям в исследуемой ткани пациента биосенсор настраивается на определенные длины волн при использовании одного или нескольких (два-три) диодных лазеров в диапазоне 400-2300 нм, либо одного или нескольких (два-три) светодиодов в диапазоне 400-2300 нм, а в качестве оптических детекторов используются миниатюрные фотодиоды, соединенные с компьютером или смартфоном.To ensure simplicity, reliability, low cost and maximum sensitivity of the biosensor to changes in the patient’s tissue under study, the biosensor is tuned to certain wavelengths when using one or more (two to three) diode lasers in the range 400-2300 nm, or one or more (two three) LEDs in the range 400-2300 nm, and miniature photodiodes connected to a computer or smartphone are used as optical detectors.

Пример реализацииImplementation example

Описанный способ применялся для определения коэффициентов диффузии глюкозы в коже мышей, больных сахарным диабетом и не имеющих этого заболевания (контрольных), in vitro. Измерялись спектры коллимированного пропускания образцов кожи мышей in vitro, помещенных в водные растворы глюкозы разной концентрации, в диапазоне длин волн 500-900 нм. Коэффициенты диффузии D и проницаемости P=D/l, характерное время диффузии г, толщина образцов l до и после иммерсии в растворах глюкозы и максимальное пропускание образцов Kмакс, полученные для глюкозы и рассчитанные на основе измеренных спектров пропускания, представлены в таблице 1.The described method was used to determine the diffusion coefficients of glucose in the skin of mice, patients with diabetes mellitus and not having this disease (control), in vitro. The collimated transmission spectra of in vitro skin samples of mice placed in aqueous glucose solutions of different concentrations in the wavelength range of 500-900 nm were measured. The diffusion coefficients D and permeability P = D / l , the characteristic diffusion time g, the thickness of the samples l before and after immersion in glucose solutions and the maximum transmission of samples Kmax obtained for glucose and calculated on the basis of the measured transmission spectra are presented in Table 1.

Таблица 1. Коэффициенты диффузии глюкозы в коже мыши, соответствующие коэффициенты проницаемости, характерное время диффузии, толщина образцов до и после иммерсии в растворах глюкозы, максимальное пропускание образцов.Table 1. Diffusion coefficients of glucose in mouse skin, corresponding permeability coefficients, characteristic diffusion time, thickness of samples before and after immersion in glucose solutions, maximum transmission of samples.

Figure 00000008
Figure 00000008

± - стандартное отклонение± - standard deviation

В результате для диабетической кожи при применении каждой концентрации раствора были получены меньшие значения коэффициента диффузии глюкозы по сравнению с контрольной (фиг. 1). Характерное время диффузии глюкозы в диабетической коже больше по сравнению с контрольной.As a result, for diabetic skin, using each concentration of the solution, lower values of glucose diffusion coefficient were obtained compared to the control (Fig. 1). The characteristic time of glucose diffusion in diabetic skin is longer compared to the control.

В данном случае коэффициент диффузии глюкозы в здоровой коже выше в 1.5-2.5 раза по сравнению с диабетической кожей для растворов глюкозы разной концентрации, коэффициент проницаемости в случае диабетической кожи на порядок меньше, что может служить критерием для дискриминации кожи в норме и при диабете. При оценке нескольких параметров, например коэффициента диффузии агента в ткани, коэффициента проницаемости ткани для агента, характерного времени диффузии, максимального пропускания света через образец можно получить больше информации о состоянии ткани. Представленные экспериментальные данные позволяют нам надежно дифференцировать состояние кожи в норме и при развитии диабета. Хотя использование молекул глюкозы в качестве тестовых при всех концентрациях просветляющего раствора от 30 до 56% дают существенную разницу в величинах коэффициента диффузии, проницаемости или характерного времени диффузии, целесообразнее выбирать менее концентрированный раствор. Так для 30%-ного раствора глюкозы имеем отношение коэффициентов диффузии глюкозы в здоровой коже к диабетической равным 2.7, проницаемости 2.1 и характерного времени диффузии 0.7.In this case, the diffusion coefficient of glucose in healthy skin is 1.5-2.5 times higher compared with diabetic skin for glucose solutions of different concentrations, the permeability coefficient in case of diabetic skin is an order of magnitude lower, which can serve as a criterion for skin discrimination in normal and diabetes. When evaluating several parameters, for example, the coefficient of diffusion of an agent in a tissue, the coefficient of tissue permeability for an agent, the characteristic diffusion time, and the maximum light transmission through a sample, more information about the state of the tissue can be obtained. The presented experimental data allow us to reliably differentiate the state of the skin in normal conditions and with the development of diabetes. Although the use of glucose molecules as test molecules at all concentrations of an enlightening solution from 30 to 56% gives a significant difference in the values of the diffusion coefficient, permeability, or characteristic diffusion time, it is more advisable to choose a less concentrated solution. So for a 30% glucose solution, we have a ratio of glucose diffusion coefficients in healthy skin to diabetic equal to 2.7, permeability 2.1 and a characteristic diffusion time of 0.7.

С помощью предлагаемой технологии возможно неинвазивно определять коэффициенты проницаемости и диффузии тестового агента в коже, слизистых оболочках рта и носа, склере глаза по измерениям кинетики их оптического просветления и обратимой дегидратации. Измеренные коэффициенты проницаемости и скорости диффузии тестового агента дают информацию о степени гликированности белковых компонентов кожи человека, и по этим значениям можно экстраполировать наличие патологических изменений в недоступных для прямого анализа биологических тканях (тканях почки, ретине, миокарде, скелетных мышцах, тканях мозга и пр.). Такой тест должен позволить осуществлять мониторинг развития сахарного диабета, определять стадию заболевания и следить за состоянием организма при лечении заболевания на длительном интервале времени (месяцы и годы), что в принципе не позволяют сделать известные методы определения гликированного гемоглобина, основанные на исследованиях образцов крови, из-за сменяемости эритроцитов каждые три месяца.Using the proposed technology, it is possible to non-invasively determine the coefficients of permeability and diffusion of the test agent in the skin, mucous membranes of the mouth and nose, sclera of the eye by measuring the kinetics of their optical enlightenment and reversible dehydration. The measured coefficients of permeability and diffusion rate of the test agent provide information on the degree of glycation of the protein components of human skin, and the presence of pathological changes in biological tissues inaccessible for direct analysis (kidney, retin, myocardium, skeletal muscle, brain tissue, etc.) can be extrapolated from these values. ) Such a test should allow monitoring the development of diabetes mellitus, determining the stage of the disease and monitoring the condition of the body during the treatment of the disease over a long period of time (months and years), which, in principle, does not allow the well-known methods for determining glycated hemoglobin based on studies of blood samples - due to red blood cell turnover every three months.

В данной технологии должны использоваться биосовместимые агенты и диапазон длин волн сенсора и плотности мощности излучателя, которые не оказывают вредного действия на организм человека. В данном случае не требуется инвазивное вмешательство в организм, которое может причинять неудобства и быть опасным для больного диабетом, поскольку даже небольшие раны могут привести к серьезным осложнениям, вплоть до гангрены. В предлагаемой технологии есть возможность использования различных биосовместимых агентов, таким образом, можно учесть индивидуальные особенности кожи пациента (увлажненность, тип кожи, склонность к ирритации и др.).This technology should use biocompatible agents and a range of sensor wavelengths and emitter power densities that do not have a harmful effect on the human body. In this case, an invasive intervention in the body is not required, which can be inconvenient and dangerous for a diabetes patient, since even small wounds can lead to serious complications, up to gangrene. In the proposed technology, it is possible to use various biocompatible agents, thus, it is possible to take into account the individual characteristics of the patient’s skin (moisture, skin type, tendency to irritation, etc.).

В качестве иммерсионных агентов могут быть использованы водные или водно-спиртовые растворы глицерина с концентрациями в диапазоне от 20 до 80%, водные растворы полиэтиленгликоля разного молекулярного веса от 200 до 20000, водные или водно-спиртовые растворы глюкозы, сахарозы, фруктозы или других сахаров с концентрациями в диапазоне от 20 до 60% при содержании спирта на уровне от 5 до 20%, неионное водорастворимое рентгеноконтрастное вещество йогексол.As immersion agents can be used aqueous or aqueous-alcoholic solutions of glycerol with concentrations ranging from 20 to 80%, aqueous solutions of polyethylene glycol of different molecular weights from 200 to 20,000, aqueous or aqueous-alcoholic solutions of glucose, sucrose, fructose or other sugars with concentrations in the range from 20 to 60% with an alcohol content of 5 to 20%; non-ionic water-soluble radiopaque substance yogheksol.

Измерения требуется проводить каждые 2-3 месяца для возможности соотнести результаты с измерениями гликированного гемоглобина.Measurements are required every 2-3 months to be able to correlate the results with measurements of glycated hemoglobin.

Для реализации способа может использоваться биосенсор, осуществляющий неинвазивный оптический мониторинг патологии тканей, в том числе жизненно важных органов при сахарном диабете.To implement the method, a biosensor can be used that performs non-invasive optical monitoring of tissue pathology, including vital organs in diabetes mellitus.

Предлагаемое изобретение позволяет судить о наличии или развитии патологии исследуемой ткани, а также тканей внутренних жизненно важных органов (миокарда, ретины, головного мозга, хрящевой ткани суставов, ткани почек и пр.), труднодоступных для светового излучения.The present invention allows us to judge the presence or development of pathology of the studied tissue, as well as tissues of internal vital organs (myocardium, retina, brain, cartilage of joints, kidney tissue, etc.), difficult to access for light radiation.

Предложенная конструкция существенно повышает качество работы сенсора, определяет его высокую стабильность, благодаря существенно меньшей чувствительности к движениям пациента во время измерений. Компактность также важна для удобства использования биосенсора. Преимуществом также является механическая прочность биосенсора, обусловленная отсутствием дополнительных крепежных элементов и волоконно-оптических разъемов.The proposed design significantly improves the quality of the sensor, determines its high stability, due to significantly less sensitivity to patient movements during measurements. Compactness is also important for ease of use of the biosensor. The advantage is also the mechanical strength of the biosensor, due to the lack of additional fasteners and fiber optic connectors.

Claims (15)

1. Биосенсор для неинвазивного оптического мониторинга патологии биологических тканей, обусловленной развитием сахарного диабета, содержащий источник и приемник излучения, аппликатор, изготовленный в виде сосуда с биосовместимым иммерсионным агентом, излучающий световод, подключенный одним концом к источнику излучения, и принимающий световод, подключенный одним концом к приемнику излучения, отличающийся тем, что дистальные концы световодов расположены внутри аппликатора.1. A biosensor for non-invasive optical monitoring of the pathology of biological tissues caused by the development of diabetes mellitus, containing a radiation source and receiver, an applicator made in the form of a vessel with a biocompatible immersion agent, an emitting fiber, connected at one end to a radiation source, and a receiving fiber connected at one end to the radiation receiver, characterized in that the distal ends of the optical fibers are located inside the applicator. 2. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что световоды расположены параллельно друг другу, а расстояние l между центрами дистальных концов излучающего и принимающего световодов равно примерно двойной глубине зондирования биоткани h, l≅2h.2. The biosensor according to claim 1, characterized in that the optical fibers are parallel to each other, and the distance l between the centers of the distal ends of the emitting and receiving optical fibers is approximately double the probing depth of the biological tissue h, l≅2h. 3. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что дистальные концы излучающего и принимающего световодов расположены друг против друга.3. The biosensor according to claim 1, characterized in that the distal ends of the emitting and receiving optical fibers are located opposite each other. 4. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что источником излучения является широкополосная лампа, а приемником излучения - миниатюрный цифровой спектрометр, соединенный с компьютером или смартфоном.4. The biosensor according to claim 1, characterized in that the radiation source is a broadband lamp, and the radiation receiver is a miniature digital spectrometer connected to a computer or smartphone. 5. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что источником излучения является набор диодных лазеров разных длин волн в диапазоне 400-2300 нм.5. The biosensor according to claim 1, characterized in that the radiation source is a set of diode lasers of different wavelengths in the range of 400-2300 nm. 6. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что источником излучения является набор светодиодов разных длин волн в диапазоне 400-2300 нм.6. The biosensor according to claim 1, characterized in that the radiation source is a set of LEDs of different wavelengths in the range of 400-2300 nm. 7. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что источником излучения является диодный лазер определенной длины волны, выбранной в диапазоне 400-2300 нм, приемником излучения - миниатюрный фотодиод, соединенный с компьютером или смартфоном.7. The biosensor according to claim 1, characterized in that the radiation source is a diode laser of a specific wavelength selected in the range 400-2300 nm, the radiation receiver is a miniature photodiode connected to a computer or smartphone. 8. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что источником излучения является светодиод определенной длины волны, выбранной в диапазоне 400-2300 нм.8. The biosensor according to claim 1, characterized in that the radiation source is an LED of a specific wavelength selected in the range of 400-2300 nm. 9. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что источником излучения являются два диодных лазера определенных длин волн, выбранных в диапазоне 400-2300 нм, а приемниками излучения - два миниатюрных фотодиода, настроенные с помощью фильтров на разные длины волн и соединенные с компьютером или смартфоном.9. The biosensor according to claim 1, characterized in that the radiation source is two diode lasers of certain wavelengths selected in the range 400-2300 nm, and the radiation receivers are two miniature photodiodes tuned by filters to different wavelengths and connected to a computer or smartphone. 10. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что источником излучения являются два светодиода определенных длин волн, выбранных в диапазоне 400-2300 нм.10. The biosensor according to claim 1, characterized in that the radiation source is two LEDs of specific wavelengths selected in the range of 400-2300 nm. 11. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что источником излучения является источник света терагерцового (ТГц) диапазона длин волн.11. The biosensor according to claim 1, characterized in that the radiation source is a light source of the terahertz (THz) wavelength range. 12. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве иммерсионного агента используют водные или водно-спиртовые растворы глицерина с концентрациями в диапазоне от 20 до 80%.12. The biosensor according to claim 1, characterized in that as an immersion agent use aqueous or aqueous-alcoholic solutions of glycerol with concentrations in the range from 20 to 80%. 13. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве иммерсионного агента используют водные растворы полиэтиленгликоля разного молекулярного веса от 200 до 20000.13. The biosensor according to claim 1, characterized in that as the immersion agent use aqueous solutions of polyethylene glycol of different molecular weights from 200 to 20,000. 14. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве иммерсионного агента используют водные или водно-спиртовые растворы глюкозы, сахарозы, фруктозы или других сахаров с концентрациями в диапазоне от 20 до 60% при содержании спирта на уровне от 5 до 20%.14. The biosensor under item 1, characterized in that as an immersion agent use aqueous or aqueous-alcoholic solutions of glucose, sucrose, fructose or other sugars with concentrations in the range from 20 to 60% with an alcohol content of from 5 to 20% . 15. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве иммерсионного агента используют неионное водорастворимое рентгеноконтрастное вещество йогексол.15. The biosensor according to claim 1, characterized in that the nonionic water-soluble radiopaque substance iohexol is used as the immersion agent.
RU2016102046A 2016-01-22 2016-01-22 Biosensor for non-invasive optical monitoring of biological tissues pathology RU2633494C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016102046A RU2633494C2 (en) 2016-01-22 2016-01-22 Biosensor for non-invasive optical monitoring of biological tissues pathology

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016102046A RU2633494C2 (en) 2016-01-22 2016-01-22 Biosensor for non-invasive optical monitoring of biological tissues pathology

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016102046A RU2016102046A (en) 2017-07-25
RU2633494C2 true RU2633494C2 (en) 2017-10-12

Family

ID=59498539

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016102046A RU2633494C2 (en) 2016-01-22 2016-01-22 Biosensor for non-invasive optical monitoring of biological tissues pathology

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2633494C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2768584C1 (en) * 2021-07-12 2022-03-24 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Method for optical clarification of oral mucosa

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2662273C1 (en) * 2017-08-10 2018-07-25 Илья Александрович Ожередов Method of estimation of hydrating of the eye cornea
RU196588U1 (en) * 2019-12-11 2020-03-05 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт глазных болезней" A device for studying the dynamics of hydration of the eye to assess hydration of the cornea and stability of the tear film

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006009906A2 (en) * 2004-06-17 2006-01-26 The Regents Of The University Of California Time-resolved non-invasive autofluorescence device for detecting diabetes
RU2387365C2 (en) * 2007-08-15 2010-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородская государственная медицинская академия Федерального Агентства по здравоохранению и социальному развитию" (ГОУ ВПО НижГМА Росздрава) Method of examining state of skin by means of optic coherent tomography
US8140147B2 (en) * 2002-04-04 2012-03-20 Veralight, Inc. Determination of a measure of a glycation end-product or disease state using a flexible probe to determine tissue fluorescence of various sites
RU2510506C2 (en) * 2012-04-24 2014-03-27 Белорусский Государственный Университет (Бгу) Method for determining optical and biophysical tissue parameters

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8140147B2 (en) * 2002-04-04 2012-03-20 Veralight, Inc. Determination of a measure of a glycation end-product or disease state using a flexible probe to determine tissue fluorescence of various sites
WO2006009906A2 (en) * 2004-06-17 2006-01-26 The Regents Of The University Of California Time-resolved non-invasive autofluorescence device for detecting diabetes
WO2006009906A3 (en) * 2004-06-17 2007-05-18 Univ California Time-resolved non-invasive autofluorescence device for detecting diabetes
RU2387365C2 (en) * 2007-08-15 2010-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородская государственная медицинская академия Федерального Агентства по здравоохранению и социальному развитию" (ГОУ ВПО НижГМА Росздрава) Method of examining state of skin by means of optic coherent tomography
RU2510506C2 (en) * 2012-04-24 2014-03-27 Белорусский Государственный Университет (Бгу) Method for determining optical and biophysical tissue parameters

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GENINA E.A. et al. Optical clearing of biological tissues: prospects of application in medical diagnostics and phototherapy J. of Biomedical Photonics&Engineering, 28.03.2015, N1, Т1, с.36. *
GENINA E.A. et al. Optical clearing of biological tissues: prospects of application in medical diagnostics and phototherapy J. of Biomedical Photonics&Engineering, 28.03.2015, N1, Т1, с.36. Оптическая биомедицинская диагностика под ред. Тучина В.В. 2007, том I, с.14, 358, 359. *
TUCHINA D.K. et al. Ex vivo optical measurements of glucose diffusion kinetics in native and diabetic mouse skin. 12/03/2015 J. Biophotonics 8, N4, p.332-346. *
Оптическая биомедицинская диагностика под ред. Тучина В.В. 2007, том I, с.14, 358, 359. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2768584C1 (en) * 2021-07-12 2022-03-24 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Method for optical clarification of oral mucosa

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016102046A (en) 2017-07-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4688402B2 (en) Noninvasive determination of analyte concentration by compensation of tissue hydration effects.
CA2721941C (en) Methods for measuring changes in optical properties of wound tissue and correlating near infrared absorption (fnir) and diffuse reflectance spectroscopy scattering (drs) with tissue neovascularization and collagen concentration to determine whether wound is healing
JP4754319B2 (en) Apparatus and method for measuring blood components using transmission and reflection
US6353226B1 (en) Non-invasive sensor capable of determining optical parameters in a sample having multiple layers
CA2380243A1 (en) Optical sensor having a selectable sampling distance for determination of analytes
JP2004500155A (en) Method and apparatus for non-invasive blood sample measurement
KR100464324B1 (en) Method and apparatus for measuring concentration of constituents in body fluids
JP2011516118A (en) Method and system for non-invasively detecting blood glucose using spectral data of one or more components other than glucose
RU2633494C2 (en) Biosensor for non-invasive optical monitoring of biological tissues pathology
Yatim et al. Noninvasive glucose level determination using diffuse reflectance near infrared spectroscopy and chemometrics analysis based on in vitro sample and human skin
Dremin et al. In vivo fluorescence measurements of biological tissue viability
Smith et al. Minimizing the influence of fundus pigmentation on retinal vessel oximetry measurements
KR20150095346A (en) Apparatus for measuring health indexes in retinal vessels using an optical sensor and method for processing light reflected from vessels for calculation of health indexes
GB2406638A (en) Interferometric measurement apparatus and method
Baldini Invasive sensors in medicine
Haroon et al. Design and development of non-invasive prototype to measure pulse rate, blood glucose and oxygen saturation level in arterial blood
Rovati et al. A novel tissue oxymeter combining the multidistance approach with an accurate spectral analysis
Riehm et al. Low cost spatially resolved diffuse reflectance spectrometry in the SWIR range
Jairuk et al. Non-invasive Blood Glucose Measurement Using Near-infrared Spectroscopy and Microcontroller Equipment
RU2501522C2 (en) Method of determining hemoglobin concentration in biological tissues
Li et al. Dynamic spectrum in frequency domain on nonnvasive in vivo measurement of blood spectrum
Ali FEASIBILITY STUDY ON DEVELOPING AN OPTICAL FIBRE-BASED, NON-INVASIVE, ELECTRO-TEXTILE SENSOR FOR DETECTING BLOOD GLUCOSE
Chadha et al. Noninvasive in-vivo Measurement of Hemoglobin and Glucose Concentration of Human Blood
Igne et al. 35 Blood Analysis by NIR Spectroscopy
Nishidate et al. In Vivo Determination of Tissue Optical Properties using Single Reflectance Fiber Probe with Two Source-collector Geometries