Поверхность кожи и ее оптические свойства

Неинвазивный анализ концентрации глюкозы в цельной крови может быть разделен на следующие группы[2]:

- подкожный анализ;

- кожный анализ;

- эпидермальный анализ;

- комбинированный анализ;

Особый интерес вызывает эпидермальный анализ, который возможно проводить, используя различные оптические методы, в том числе методы оптической и инфракрасной спектроскопии.

Используя теоретические и модельные представления, указанные в литературе, процесс взаимодействия фотонов света и биологической среды (кожи) может быть симулирован при помощи метода Монте-Карло[7] (рис.1).

Отметим, что спектроскопия оптической/ближней инфракрасной зон обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с другими методами неинвазивного анализа эпидермиса. К ним относится быстрота анализа, низкая себестоимость,

неразрушающий характер воздействия, надежность и универсальность метода. Основой спектроскопии оптической/ближней инфракрасной зон является измерение поглощенной или отраженной электромагнитной энергии оптического и инфракрасного диапазонов на различных длинах волн. Эта энергия возникает в результате перехода электронов на более высокий вибрационный уровень при поглощении кванта оптической энергии.

Согласно квантовой теории Планка такой переход осуществляется только при определенных дискретных уровнях энергии. Первые гармоники молекулярных соединений типа «C-Н», «O-Н», «N-Н» приходятся на средневолновой инфракрасный диапазон [8], т.е. на длины волн от 2.5 до 25 мкм. Проблема в том, что неинвазивный анализ растворов в этом диапазоне осложнен поглощением света водой, которая составляет более 50% крови. Эта трудность устраняется путем использования оптического и ближнего инфракрасного диапазона (0.4 - 1.3 мкм), где поглощение света водой значительно меньше. В этом диапазоне представлены, в основном, третьи гармоники вышеуказанных соединений, а также комбинированные колебания, представляющие собой сумму гармоник основных колебаний различных молекул. Заметим, что кроме глюкозы в этом диапазоне также представлены и другие соединения, такие как: этанол, билирубин, гемоглобин, холестерол, креатин, электролиты и др.

1_0.jpg
Рисунок 1 - Модельное представление взаимодействия кожи и светового излучения

Несмотря на то, что глюкоза поглощает энергию и в среднем, и в ближнем инфракрасных диапазонах, на этих же длинах волн поглощает энергию и ряд других соединений. Таким образом, не существует одной, специфичной только для глюкозы, длины волны, на которой наблюдается максимум поглощения. Анализу должен быть подвергнут весь спектр поглощения/отражения сложной жидкости (крови), представляющий собой суммарные интенсивности поглощения/отражения веществ, входящих в состав крови. Сложность состоит в том, как выделить концентрацию отдельного вещества (например, глюкозы) из спектра многокомпонентной жидкости, отягощенной, кроме этого, особенностями прохождения света сквозь кожный покров.

Многомерный анализ данных хорошо зарекомендовал себя в медицинской практике. Издание The Institute (IEEE) за декабрь 2009 года приводит в качестве примера раннюю диагностику рака при помощи таких математических методов [24].

До недавнего времени использование спектроскопии оптической/ближней инфракрасной зон было весьма ограничено из-за чрезвычайной сложности анализа спектров по сравнению с диапазоном средней и дальней ИК-области[9]. Эту проблему помогает решить многомерный спектральный анализ. В основе такого анализа лежат хемометрические методы. Они представляют собой прикладные решения, основанные на преобразовании Карунена-Лоева[10], известного в хемометрике как метод главных компонент (Principle Component Analysis, PCA). Особенностью такого преобразования является оптимальная декорреляция любых коллинеарных данных. Кроме этого, выходные величины этого преобразования концентрируют в себе максимум энергии сигнала, что чрезвычайно важно при поиске латентных зависимостей.

1. Введение
2. Поверхность кожи и ее оптические свойства
3. Получение термостабилизированного спектра и его обработка
4. Результаты работы прототипа и их анализ
5. Выводы