Đo nồng độ các chất trong máu bằng phương pháp đo không can thiệp sử dụng kỹ thuật tạo ảnh và phân tích phổ sóng quang âm

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Vũ Đức Thuật Đề tài luận văn: Đo nồng độ các chất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHÂN TÍCH PHỔ SÓNG QUANG ÂM

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Y Sinh

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Vũ Đức Thuật

Đề tài luận văn: Đo nồng độ các chất trong máu bằng phương pháp

đo không can thiệp sử dụng kỹ thuật tạo ảnh và phân tích phổ sóng quang âm

Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh

TS Phạm Thành Công

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thiện luận văn Thạc sĩ tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc t ớ i

TS Trịnh Quang Đức, người thầy ngay từ đầu đã định hướng và tận tình

hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu

Tôi xin trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ học tập và tạo điều kiện tốt nhất của các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Điện tử và Kỹ thuật Y sinh, Trung tâm Điện tử Y sinh và các thầy cô trong viện Điện tử - Viễn thông trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu, thực hiện luận văn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè đã luôn động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài nghiên cứu

Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2016

Tác giả luận văn

Vũ Đức Thuật

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, tất cả các số liệu và những kết quả nghiên cứu trong luận văn này đều do tôi nghiên cứu, số liệu hoàn toàn trung thực, không trùng lặp với các đề tài khác và chưa được sử dụng để bảo vệ bất kỳ luận văn nào

Tôi xin cam đoan mọi thông tin, số liệu trích dẫn trong luận văn đều chính xác và được chỉ rõ nguồn gốc, mọi sự giúp đỡ, tạo điều kiện cho việc thực hiện luận văn đều đã được cảm ơn!

Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2016

Tác giả luận văn

Vũ Đức Thuật

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢN VẼ 4

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 6

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

LỜI MỞ ĐẦU 7

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 10

1.1 Sinh chất máu và bệnh lý 10

1.2 Các phương pháp đo sinh chất máu truyền thống và phương pháp đề xuất 14

1.3 Mục tiêu đề tài 17

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH QUANG HỌC CỦA MÔ SINH HỌC, TƯƠNG TÁC CỦA MÔ SINH HỌC VỚI ÁNH SÁNG 18

2.1 Đặc tính quang học của mô sinh học 18

2.1.1 Hiện tượng hấp thụ 19

2.1.2 Hiện tượng khúc xạ và phản xạ 20

2.1.3 Hiện tượng tán xạ 22

2.2 Tương tác nhiệt 24

2.2.1 Sự phát sinh nhiệt 24

2.2.2 Sự truyền nhiệt 24

2.2.3 Hiệu ứng quang âm 25

2.2.3 Tần số dao động tự nhiên 28

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP QUANG ĐO NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT TRONG MÁU 29

3.1 Phương pháp đo độ phân cực quang 29

3.1.1 Ánh sáng phân cực 29

3.1.2 Sự quay phân cực quang 30

3.1.3 Thí nghiệm 32

3.2 Phương pháp phân tích phổ Raman 33

3.2.1 Hiệu ứng Raman 33

3.3 Phương pháp đo sử dụng mô hình phân tán ánh sáng 35

3.3.1 Cơ sở phương pháp 35

3.3.2 Thực hiện phép đo 36

3.4 Khả năng truyền qua của tia hồng ngoại gần 37

3.4.1 Cơ sở phép đo 37

3.4.2 Phương pháp đo 38

3.4.3 Phương pháp quang âm 39

3.5 Thảo luận 39

CHƯƠNG 4 CÁC KỸ THUẬT TẠO ẢNH QUANG 40

4.1 Tạo ảnh quang 40

4.2 Các kỹ thuật tạo ảnh quang 40

4.2.1 Kỹ thuật OCT (Optical Coherence Tomography) 40

4.2.2 Kỹ thuật tạo ảnh DOT (Diffuse Optical Tomography) 43

4.2.3 Kỹ thuật tạo ảnh quang âm (PAT) 44

4.2.3.1 Nguyên lý tạo ảnh quang âm 44

4.3.2.2 Thuật toán tái tạo ảnh chuyển đổi miền thời gian (Time Reversal) 48

4.3 Thảo luận 50

CHƯƠNG 5 KỸ THUẬT PHÂN TÍCH PHỔ QUANG ÂM 52

5.1 Nguyên lý phân tích phổ quang âm 52

5.2 Phương trình truyền sóng âm 53

5.3 Phân tách sóng tổng hợp 61

5.3.1 Phân tích Fourier 61

5.3.2 Biến đổi Fourier rời rạc và biến đổi Fourier nhanh 62

5.4 Thảo luận 63

CHƯƠNG 6 MÔ PHỎNG ĐO NỒNG ĐỘ GLUCOSE 64

6.1 Mục đích mô phỏng 64

6.2 Yêu cầu mô phỏng 64

6.3 Giả thiết điều kiện mô phỏng 65

6.3.1 Mô hình mô phỏng 65

6.3.2 Chi tiết điều kiện mô phỏng 66

6.4 Mô phỏng 70

6.4.1 Xung kích thích 70

6.4.2 Xây dựng hàm biên độ áp suất P 72

6.4.3 Phương trình truyền áp suất của các chất thành phần theo thời gian 72

6.4.5 Phân tích phổ tổng hợp 73

6.4.6 Phát hiện đỉnh, xác định áp suất Glucose 73

6.5 Kết quả và thảo luận 74

6.5.1 Xung vuông 74

6.5.2 Sóng tổng hợp có được khi tác dụng xung vuông vào mẫu 74

6.5.3 Kết quả phân tích phổ sóng âm 75

6.5.5 Phát hiện đỉnh 75

6.5.6 Biểu diễn nồng độ các chất thành phần và chất tổng hợp dưới dạng màu 76

6.5.7 Thảo luận 79

KẾT LUẬN 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 83

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lấy mẫu máu để xét nghiệm 11

Hình 1.2 Một mô hình xét nghiệm máu không can thiệp 16

Hình 2.1 Đặc tính khúc xạ, phản xạ, hấp thụ và tán xạ trong mô sinh học 18

Hình 2.2 Mô tả định luật Lambert- Beer 19

Hình 2.3 Phổ hấp thụ của mô sinh học 20

Hình 2.4 Hiện tượng khúc xạ và phản xạ 21

Hình 2.5 Phản xạ gương (bên trái), phản xạ khuếch tán (bên phải) 21

Hình 2.6 Tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie 23

Hình 2.7 Sự hình thành sóng quang âm 26

Hình 2.8 Sự hình thành và thu nhận sóng quang âm 26

Hình 2.9 Tốc độ truyền âm trong mô và nước 27

Hình 3.1 Sự phân cực của sóng ánh sáng 29

Hình 3.2 Ánh sáng phân cực thẳng 30

Hình 3.4 Mô hình đo độ phân cực quang ứng dụngđo nồng độ glucose trong mắt thỏ 32 Hình 3.5 Chu trình trao đổi năng lượng của tán xạ Raman 34

Hình 3.6 Mô hình đo nồng độ glucose trong máu phương pháp không can thiệp sử dụng phân tích phổ Raman 34

Hình 3.7 Đo nồng độ glucose sử dụng mô hình phân tán ánh sáng 36

Hình 3.8 Thiết bị đo nồng độ Glucose sử dụng đo mức truyền qua thùy tai của tia hồng ngoại gần 38

Hình 4.1 Giao thoa kế Michelson 41

Hình 4.2 Sơ đồ tổng quát một hệ thống tạo ảnh OCT 42

Hình 4.3 Tạo ảnh DOT trong miền tần số 43

Hình 4.4 Kỹ thuật tạo ảnh quang âm 44

Hình 4.5 Mô hình thực hiện kỹ thuật tạo ảnh quang âm 45

Hình 4.6 Một ảnh chức năng của sự thay đổi chuyển động mạch máu 46

Hình 4.7 Thể hiện các thay đổi hemoglobin deoxy và hemoglobin oxy trong các mạch máu nhỏ 47

Hình 4.8 Chỉ ra một u melanoma ở da và các cấu trúc mạch máu bao quanh nó 47

Hình 4.9 Cơ chế tạo ảnh quang âm bằng kỹ thuật đảo ngược thời gian 49

Hình 4.10 Sự chồng lấp mức hấp thụ của các chất tại một bước sóng 51

Hình 5.1 Sóng thành phần thu được từ việc phân tích sóng tổng hợp 52

Hình 5.2 Thiết kế cho mô phỏng: Xung laserchiếu đến một mạch máu dạng hình cầu qua lớp mô mềm 58

Hình 5.3 Tổng quát mô hình xác định nồng độ các chất trong máu bằng kỹ thuật tạo ảnh và phân tích phổ sóng quang âm 63

Hình 6.1 Thuật toán mô phỏng 65

Hình 6.2 Hệ số hấp thụ của một số chất trong dải hồng ngoại 66

Hình6.3 Độ hấp thụ đã được chuẩn hóa của Glucose, Albumin, Globulin 67

Hình 6.4 Mối quan hệ giữa áp suất sóng quang âm tạo ra trong hỗn hợp chất với độ dày mô mềm và công suất laser chiếu 69

Hình 6.7 Xung vuông kích thích có chu kỳ xung 74

Hình 6.8 Sóng âm tổng hợp thu nhận được 74

Hình 6.9 Phân tích Fourier của phổ tổng hợp 75

Hình 6.10 Phát hiện áp suất đỉnh của Glucose và nước 75

Hình 6.11 Màu tổng hợp của các chất thành phần 76

Hình 6.12 Chất thành phần Glucose 76

Hình 6.13 Chất thành phần Urea 77

Hình 6.14 Chất thành phần Nước 77

Hình 6.15 Chất thành phần Albumin 78

Hình 6.16 Chất thành phần Globulin 78

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Nồng độ của một số chất quan trọng trong huyết tương người bình thường 12

Bảng 2.1 Các thuộc tính âm của một số loại mô 27

Bảng 3.1 Góc quay quang đặc trưng của một số chất 31

Bảng 4.1 Các kỹ thuật tạo ảnh quang 49

Bảng 6.1 Mối quan hệ giữa áp suất sóng quang âm tạo ra trong hỗn hợp chất với độ dày mô mềm và công suất laser chiếu 68

Bảng 6.2 Các thông số của các chất thành phần cho điều kiện mô phỏng 69

Bảng 6.3 Các đặc tính vật lý của mẫu mô phỏng 70

Hình 6.5 Hàm bước đơn vị; Hình 6.6 Hàm xung vuông 72

Hình 6.12 Chất thành phần Glucose 76

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

DOT: Diffuse optical tomography

OCT: Optical Coherence tomography

PAT: Photoacoustic Tomography

PAS: Photoacoustic Spectrocopy

LỜI MỞ ĐẦU

Qua thực tế làm việc tại phòng trang thiết bị y tế của Bệnh viện Giao thông vận tải Trung ương tôi thấy việc xác định nồng độ các chất trong máu là một xét nghiệm không thể thiếu trong việc chẩn đoán và điều trị các bệnh lý mắc phải Phương pháp xét nghiệm máu dùng trong bệnh viện là lấy máu trực tiếp từ cơ thể sau đó thực hiện xét nghiệm nồng độ chất bằng các phương pháp khác nhau như: phương pháp đo màu, phương pháp điện hóa

Phương pháp xét nghiệm máu (phương pháp can thiệp) có ưu điểm cho kết quả

đo chính xác, tuy nhiên tồn tại các nhược điểm như: phương pháp đo cần phải lấy máu trực tiếp từ bệnh nhân gây đau, gây ra các rủi ro lây nhiễm cao, không thể thực hiện được thường xuyên, yêu cầu cần được thực hiện bởi các y tá, bác sỹ có chuyên môn, không thuận tiện trong một số trường hợp và ngoài ra công việc lưu trữ máu cũng cần thiết phải được tiến hành

Để khắc phục các nhược điểm trên của phương pháp đo can thiệp, phương pháp

đo nồng độ các chất bằng cách không lấy máu trực tiếp từ cơ thể ra đời dựa trên các đặc tính quang học của mô sinh học (phương pháp không can thiệp)

Nhận thấy được những ưu điểm nổi bật của phương pháp đo không can thiệp Trong đề tài này, tôi đã quyết định nghiên cứu một phương pháp đo nồng độ các chất trong máu bằng phương pháp không can thiệp với độ chính xác cao, cho khả năng tạo ảnh các chất với chất lượng hình ảnh tốt với độ phân giải, độ sâu tạo ảnh và độ tương phản cao

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Trịnh Quang Đức cùng toàn thể thầy cô trong bộ môn kỹ thuật y sinh - Viện Điện Tử Viễn Thông đã nhiệt tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Trong luận văn này, tôi trình bày các nghiên cứu ban đầu để chứng tỏ tính khả thi của kỹ thuật tạo ảnh quang âm kết hợp với phân tích phổ quang âm ứng dụng trong định lượng lâm sàng phân tích máu bằng phương pháp đo không can thiệp Luận văn được trình bày giả định các thông số cho hệ thống đo thực nghiệm trong tương lai, từ

đó mô phỏng để thu nhận các kết quả qua một chương trình đã được xây dựng trong môi trường mô phỏng Matlab và kiểm nghiệm tính khả thi của kỹ thuật này với trường hợp xác định nồng độ Glucose Một hỗn hợp chất bao gồm các thành phần: Glucose, Urea, Albumin, gamma - Globulin, Nước, nồng độ Glucose được tách ra khỏi hỗn hợp dưới ánh sáng kích thích 300 mW và phân tích Fourier tín hiệu quang âm Qua mô phỏng, nồng độ Glucose được xác định là 2.8 g/l tương ứng với áp suất quang âm thu được là 2.27 Pa trong điều kiện độ sâu của mô mềm là 10 mm, độ dày hỗn hợp chất tạo ảnh là 1mm

MỞ ĐẦU

Phương pháp xét nghiệm máu không can thiệp đo nồng độ các chất trong máu

sử dụng kỹ thuật tạo ảnh và phân tích phổ sóng quang âm có thể cho kết quả về nồng

độ chất với độ chính xác cao, bên cạnh đó có thể nhìn thấy được ảnh trực quan mức phân bố cũng như vị trí các chất có trong máu Trong quá trình nghiên cứu, tôi đã đưa

ra được mô hình lý thuyết, cũng như mô phỏng để chứng minh tính khả thi của phương pháp đã lựa chọn Nội dung báo cáo đồ án của tôi bao gồm các chương:

- Chương 1: Nêu lên tầm quan trọng của việc xét nghiệm máu, tổng quan các phương pháp xét nghiệm máu, sự cần thiết của phương pháp đo không can thiệp

ý nghĩa tạo ảnh các chất Từ đó đưa ra mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài

- Chương 2: Nêu lên các thuộc tính quang của mô sinh học, các tương tác quang của ánh sáng với mô sinh học vận dụng cho phương pháp đo không can thiệp

- Chương 3: Đưa ra nguyên lý thực hiện của một số phương pháp quang đo không can thiệp, ưu nhược điểm của các phương pháp đo

- Chương 4: Đưa ra nguyên lý thực hiện của một số phương pháp tạo ảnh quang,

ưu nhược điểm của các phương pháp tạo ảnh.Trên cơ sở kiến thức đã phân tích

và mục tiêu đề tài, so sánh đánh giá và lựa chọn phương pháp đo phù hợp

- Chương 5: Tại sao phải sử dụng phương pháp phân tích phổ sóng quang âm, nội dung phương pháp, trình bày lý thuyết và mô hình của phương pháp

- Chương 6: Thực hiện mô phỏng và chứng minh tính khả thi của phương pháp bằng chương trình đã được xây dựng trên môi trường Matlab, đưa ra kết quả mô phỏng, đánh giá nhận xét

- Kết luận: Tổng kết các kết quả đạt được sau quá trình thực hiện đồ án

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

1.1 Sinh chất máu và bệnh lý

Chức năng chính của máu là cung cấp các chất nuôi dưỡng các tổ chức trong cơ thể cũng như loại bỏ các chất thải trong quá trình chuyển hóa như khí carbonic và acid lactic Máu cũng là phương tiện vận chuyển của các tế bào (cả tế bào có chức năng bảo

vệ cơ thể lẫn tế bào gây bệnh) và các chất khác nhau (các amino acid, lipid, hormone) giữa các tổ chức và cơ quan trong cơ thể Các rối loạn về thành phần cấu tạo của máu hay ảnh hưởng đến sự tuần hoàn bình thường của nó có thể dẫn đến rối loạn chức năng của nhiều cơ quan khác nhau [1]

Hiện nay nhiều người đã quan tâm hơn tới việc phòng chống bệnh hơn là chữa bệnh Một trong những biện pháp kiểm soát sức khỏe và phòng bệnh tốt nhất là xét nghiệm máu Xét nghiệm máu rất quan trọng, nó cung cấp các chỉ số giúp chẩn đoán và phát hiện nhiều bệnh lý khác nhau Thực hiện xét nghiệm máu có thể biết được một số bệnh liên quan đến não (thiếu máu não, nhiễm trùng não); các bệnh về máu (bạch cầu, tiểu cầu, hồng cầu, suy tủy, huyết tán, ung thư máu…); các bệnh về gan (viêm gan A,

B, C, D, E…, tăng men gan, xơ gan, ung thư gan…); các bệnh truyền nhiễm như HIV; rối loạn chuyển hóa lipid (mỡ máu); bệnh tiểu đường; các bệnh về thận… Có rất nhiểu bệnh có thể phát hiện được qua kết quả xét nghiệm máu Thông thường khi khám sức khỏe định kỳ người khám sẽ được thực hiện những xét nghiệm máu sau:

Hình 1.1 Lấy mẫu máu để xét nghiệm

Một số bệnh lý có thể được chẩn đoán khi biết nồng độ chất liên quan trong máu:

- Tỷ số A/G (Albumin/Globulin) đại diện cho số lượng tương đối của các Albumin và Globulin, với người bình thường ở mức từ 1,2 - 1,8 Tỷ số A/G < 1 thường do giảm albumin hoặc tăng globulin hoặc do phối hợp cả hai Albumin giảm trong suy dinh dưỡng, suy kiệt, lao, ung thư Tăng globulin trong đau tủy, nhiễm khuẩn; giảm albumin và tăng globulin gặp trong xơ gan, viêm thận cấp, hội chứng thận

hư nhiễm mỡ…[2]

- Triglycerid: Là dạng chất béo thông thường nhất mà cơ thể tiêu thụ và là thành phần chính yếu của dầu thực vật cũng như mỡ động vật, nồng độ đối với người bình thường 0.46-2.2 mmol/L Triglycerid > 2.2 mmol/L hội chứng tăng lipid máu nguyên phát và thứ phát, vữa xơ động mạch, bệnh lý về dự trữ glycogen, hội chứng thận hư, viêm tụy, suy gan Nếu quá 11 mmol/L có thể dẫn đến viêm tụy cấp tính Triglycerid

<0.46mmol/L phát hiện các bệnh lý trong xơ gan, một số bệnh mạn tính, suy kiệt, cường tuyến giáp [2]

Bảng 1.1 Nồng độ của một số chất quan trọng trong huyết tương người bình thường

- Glucose chỉ số đường trong máu là chìa khóa trong chẩn đoán bệnh đái tháo đường, bình thường glucose huyết tương khi đói < 6.1 mmol/L, nếu mức độ glucose huyết tương khi đói ≥ 7.0 mmol/L trong ít nhất 2 lần xét nghiệm liên tiếp ở các ngày khác nhau thì bị đái tháo đường (diabetes mellitus) Glucose huyết tương thường tăng trong đái tháo đường týp I và týp II [2], đái tháo đường là một trong những nguyên nhân chính gây ra nhiều bệnh hiểm nghèo điển hình như bệnh tim mạch vành, tai biến mạch máu não, mù mắt, suy thận, liệt dương, hoại thư trong 4 thành phố lớn ở Việt Nam: Hà Nội, Huế, Thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng tỷ lệ người mắc bệnh tiểu đường là 4%, riêng quận Hoàn Kiếm Hà Nội tỷ lệ người mắc bệnh lên tới 7% [3] Phần lớn những người bị bệnh được phát hiện và điều trị muộn Do đó việc phát hiện và chẩn đoán sớm người mắc bệnh đái tháo đường là một vấn đề rất cần thiết

Trong luận văn này sẽ đặc biệt quan tâm đến việc đo nồng độ glucose trong máu chẩn đoán bệnh đái tháo đường Tháng sáu 2009, một ủy ban quốc tế gồm các chuyên gia trong Hiệp hội tiểu đường Mỹ, Hiệp hội châu Âu cho các nghiên cứu về bệnh tiểu đường và Liên đoàn bệnh tiểu đường quốc tế đề nghị kiểm tra tiểu đường tuýp 2 bao gồm [3]:

- Glycated hemoglobin (HbA1c) Chỉ số máu này cho thấy mức độ trung bình

đường trong máu trong hai đến ba tháng Nó hoạt động bằng cách đo tỷ lệ đường trong máu gắn với hemoglobin, protein mang oxy trong các tế bào hồng cầu Ở mức lượng đường trong máu cao, các hemoglobin nhiều hơn sẽ có đường đính kèm Mức HbA1c

là 6.5 phần trăm hoặc cao hơn vào hai bài kiểm tra riêng biệt cho thấy bị tiểu đường Kết quả giữa 6 và 6.5 phần trăm được xem là tiền tiểu đường, chỉ ra nguy cơ phát triển bệnh tiểu đường

Nếu xét nghiệm HbA1c là không có, hoặc nếu có điều kiện nhất định có thể làm các xét nghiệm HbA1c không chính xác – chẳng hạn như nếu đang mang thai hoặc có một hình thức bất thường của hemoglobin (được gọi là biến thể hemoglobin) – bác sĩ

có thể sử dụng các xét nghiệm để chẩn đoán bệnh tiểu đường sau:

- Kiểm tra đường huyết ngẫu nhiên Một mẫu máu sẽ được đưa vào một thời

điểm ngẫu nhiên bất kể khi mới ăn, mức độ đường trong máu ngẫu nhiên là 200 mg /

dL (mg / dL) hoặc cao hơn cho thấy bệnh tiểu đường

- Thử lượng đường trong máu nhịn ăn Một mẫu máu sẽ được xét nghiệm sau

khi nhịn ăn qua đêm Mức độ đường huyết lúc đói dưới 100 mg/dL là bình thường Mức độ đường huyết lúc đói 100-125 mg/dL được coi là tiền tiểu đường Nếu là 126

mg/dL hoặc cao hơn vào hai xét nghiệm riêng biệt, sẽ được chẩn đoán bệnh tiểu đường

Xét nghiệm dung nạp glucose đường uống cũng có thể được thực hiện Đối với thử xét nghiệm này, nhịn ăn qua đêm, và lượng đường trong máu lúc đói được đo Sau

đó, uống một chất lỏng có đường, và lượng đường trong máu được kiểm tra định kỳ cho một vài giờ tới Hơn 200 mg/dL sau hai giờ cho thấy bệnh tiểu đường Trong khoảng 140 và 199 mg/dL cho thấy tiền tiểu đường

1.2 Các phương pháp đo sinh chất máu truyền thống và phương pháp đề xuất

Hiện nay có hai phương pháp chính để xét nghiệm máu, cũng nhu xét nghiệm tiểu đường, là phương pháp đo can thiệp và phương pháp đo không can thiệp Phương pháp xác định nồng độ các chất trong máu truyền thống là việc xử lý các mẫu máu lấy được trực tiếp từ cơ thể còn gọi là phương pháp đo can thiệp

Một phương pháp đo can thiệp thường được sử dụng là kỹ thuật đo màu Kỹ thuật đo màu phân tích thành phần dung dịch dựa trên việc so sánh cường độ và màu của dung dịch cần xác định thành phần với màu của dung dịch chuẩn Ví dụ đối với kỹ thuật phân tích điểm cuối [4]: Độ hấp thụ của dung dịch được đo khi dung dịch của bệnh phẩm và thuốc thử đã phản ứng xong Sau đó, độ hấp thụ này sẽ được nhân trực tiếp với hệ số k, đưa ra kết quả dưới dạng nồng độ hấp thụ

k =

=> Csample = k × ABSsample

Ưu điểm của phương pháp đo máu can thiệp: cho kết quả nhanh, chính xác và đặc biệt không cần phải tách từng chất có trong dung dịch cần đo Tuy nhiên phương pháp này có các nhược điểm quan trọng: phải lấy máu xử lý trực tiếp từ bệnh nhân gây rủi ro lây nhiễm cao, hơn nữa, cần được thực hiện bởi các y, bác sĩ, kỹ thuật viên có chuyên môn và rất bất tiện trong một số trường hợp như phải lấy máu trực tiếp đối với trẻ em…

Chính vì các nhược điểm này các nhóm nghiên cứu đặt vấn đề tìm một phương pháp khác thực hiện xác định nồng độ các chất trong máu để chẩn đoán bệnh mà không cần lấy máu trực tiếp còn gọi là phương pháp đo không can thiệp

Phương pháp đo không can thiệp ra đời khắc phục được nhược điểm của phương pháp đo can thiệp truyền thống Một số phương pháp đo không can thiệp bao gồm: phương pháp đo độ phân cực ánh sáng, sử dụng mức truyền qua của tia hồng ngoại gần, phân tích phổ Raman, phương pháp quang âm…

Đo nồng độ chất bằng phương pháp đo độ phân cực ánh sáng là dựa trên việc quan sát góc quay phân cực quang được tạo ra bởi hiện tượng làm quay mặt phẳng phân cực ánh sáng của các phân tử chất trong môi trường ngậm nước (được trình bày

cụ thể trong chương 3)

Đo nồng độ chất bằng phương pháp phân tích phổ Raman dựa trên việc thu nhận

và phân tích các tín hiệu Raman thu được từ mẫu vật chất cần đo, nó mang các thông tin quan trọng về cấu trúc hóa học của các mẫu vật chất này (trình bày chi tiết trong chương 3)

Hình 1.2 Một mô hình xét nghiệm máu không can thiệp

Đo nồng độ chất bằng phương pháp sử dụng mức truyền qua của tia hồng ngoại gần dựa trên sự suy giảm khác nhau của ánh sáng hồng ngoại khi đi qua các môi trường vật chất khác nhau Chiếu ánh sáng kích thích vào các vùng có nhiều mao mạch đích như: ngón tay, bàn tay, thùy tai… Thu nhận, phân tích và tính toán cường độ ánh sáng đầu ra cho ta các thông tin về một số loại sinh chất (vị trí, độ sâu) và nồng độ các thành phần hóa học cấu tạo của nó [6] Phương pháp đo có nhược điểm lớn là không đo chính xác nồng độ glucose do xảy ra hiện tượng chồng lấp mức hấp thụ của các chất trong mao mạch Mức nồng độ chất trong từng loại mạch máu khác nhau là khác nhau, phương pháp sử dụng tính chất suy giảm của ánh sáng hồng ngoại gần chỉ thu được mức nồng độ glucose trung bình trong tất cả các mạch máu

Kỹ thuật tạo ảnh quang âm (PAT) dựa trên hiệu ứng quang âm (xảy ra khi ánh sáng chiếu đến một số chất liệu hấp thụ, năng lượng ánh sáng được hấp thụ chuyển sang dạng nhiệt năng Nhiệt năng này sau đó sẽ tạo nên các co dãn nhiệt và tạo nên áp suất trong lòng vật thể làm xuất hiện các sóng cơ học gọi là các sóng quang âm có bước sóng và các tần số dao động sóng khác nhau (còn được gọi là tần số dao động tự nhiên) Các sóng quang âm không chỉ phụ thuộc vào hệ số hấp thụ quang mà còn các thông số về hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng và vận tốc truyền âm Sóng âm thu nhận được là tổng hợp của nhiều sóng âm thành phần của các chất trong mô với bước sóng khác nhau), tạo hình ảnh dạng hấp thụ ta thấy được ảnh trực quan mức độ phân bố

của các chất có trong mạch máu [7] Tuy nhiên hiện tượng chồng lấp mức hấp thụ vẫn xảy ra gây sai số lớn trong việc xác định nồng độ chất Kỹ thuật phân tích phổ quang

âm kết hợp với phép tạo ảnh quang âm: phân tích sóng quang âm tổng hợp thu nhận được dựa trên tần số dao động tự nhiên đặc trưng của sóng khi đi qua các môi trường vật chất khác nhau thành các sóng thành phần Từ đó kết hợp với phân bố của hấp thụ quang học đưa ra giá trị đo chính xác nồng độ các chất quan tâm dựa trên mối quan hệ giữa áp suất sóng quang âm và nồng độ chất thành phần

Sự kết hợp kỹ thuật tạo ảnh quang âm (PAT) và phân tích phổ quang âm (PAS)

có khả năng xác định được chính xác nồng độ chất trong máu

1.3 Mục tiêu đề tài

Qua những phân tích trên đây ta thấy được tầm quan trọng của việc xác định nồng độ các chất trong máu để chẩn đoán các bệnh lý phức tạp, các ưu điểm của phương pháp đo không can thiệp đối với phương pháp đo can thiệp, đồng thời thấy được tính khả thi của sự kết hợp kỹ thuật tạo ảnh quang âm và phân tích phổ quang âm trong việc đo chính xác nồng độ các chất trong máu Từ đó đưa ra nghiên cứu đề tài

“Đo nồng độ các chất trong máu bằng phương pháp đo không can thiệp sử dụng kỹ thuật tạo ảnh và phân tích phổ sóng quang âm”

Mục đích của đề tài: đề xuất được mô hình phương pháp ông can thiệp để đo nồng độ các chất trong máu với độ chính xác cao và tạo được ảnh các chất này cho ra ảnh với độ sâu tạo ảnh, độ tương phản, độ phân giải tốt Thiết lập cơ sở lý thuyết, mô phỏng, chứng minh tính khả thi của phương pháp dựa trên những điều kiện kỹ thuật trên thực tế

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH QUANG HỌC CỦA MÔ SINH HỌC, TƯƠNG TÁC CỦA MÔ SINH HỌC VỚI ÁNH SÁNG

Đặc tính quang học của mô sinh học và tương tác của mô sinh học với ánh sáng

là đối tượng nghiên cứu để xây dựng các kỹ thuật đo nồng độ các chất bằng phương pháp không can thiệp Trong chương này sẽ trình bày đặc điểm chi tiết về các hiện tượng quang học xảy ra trong mô sinh học gồm có: tán xạ, phản xạ, khúc xạ, truyền qua và hiện tượng hấp thụ Từ đó sẽ trình bày về tương tác nhiệt, sự truyền nhiệt của ánh sáng với mô sinh học, hiệu ứng quang âm và tần số dao động tự nhiên của các

phân tử chất có trong mô sinh học đó

2.1 Đặc tính quang học của mô sinh học

Các đặc tính quang học của mô sinh học bao gồm: đặc tính hấp thụ, tán xạ, phản

xạ, khúc xạ Trong các môi trường không trong suốt và đồng nhất như các mô sinh học, hiệu ứng hấp thụ và tán xạ chiếm chủ yếu Khúc xạ chỉ đóng vai trò đáng kể khi ánh sáng truyền qua các môi trường như trong các mô mắt

Hình 2.1, mô tả tổng quát các đặc tính quang học của mô sinh học:

Hình 2.1 Đặc tính khúc xạ, phản xạ, hấp thụ và tán xạ trong mô sinh học

2.1.1 Hiện tượng hấp thụ

Giải thích theo quan niệm cổ điển: Sự hấp thụ ánh sáng là kết qủa của sự hấp thụ năng lượng sóng điện từ (sóng ánh sáng) bởi vật chất Dưới tác dụng của điện trường của sóng ánh sáng có tần số xác định các electron của nguyên tử nhảy lên một quỹ đạo mới dựa trên mức năng lượng đã hấp thụ Do đó, cường độ của ánh sáng sau khi qua môi trường cũng thay đổi một phần năng lượng được hấp thụ, năng lượng bị hấp thụ có thể chuyển thành các dạng năng lượng khác, ví dụ năng lượng nhiệt, khi đó vật sẽ sinh nhiệt Định luật Lambert – Beer mô tả chính xác quy luật hấp thụ ánh sáng Với là cường độ chùm sáng tới (J/s), (J/s) cường độ chùm sáng thu nhận được sau

Công thức thể hiện của định luật Lambert – Beer:

Hình 2.2 Mô tả định luật Lambert- Beer

Đối với các mô sinh học, sự hấp thụ xảy ra từ các phân tử nước, các đại phân tử protein, các sắc tố, và cả những sinh chất có trong huyết tương

Hình 2.3 Phổ hấp thụ của mô sinh học

Hình 2.3 mô tả phổ hấp thụ ánh sáng của mô sinh học: máu toàn phần, melanosome, mô biểu bì hấp thụ chủ yếu trong dải bước sóng từ 600 nm đến 1000 nm; nước hấp thụ mạnh trong vùng hồng ngoại, hồng ngoại xa và hấp thụ thấp hơn nhiều trong vùng đỏ, hồng ngoại gần với khoảng bước sóng từ 600 nm đến 2300nm [9] Dải bước sóng này an toàn, không bị ion hoá, có thể đâm xuyên đến vài cm trong cơ thể, vùng cận hồng ngoại này còn được gọi là “cửa sổ quang học của mô sinh học” thường được ứng dụng cho các phương pháp quang để chẩn đoán và điều trị bệnh

Đặc tính hấp thụ ánh sáng của mô sinh học đối với ánh sáng hồng ngoại gần thường được sử dụng trong kỹ thuật tạo ảnh quang âm

2.1.2 Hiện tượng khúc xạ và phản xạ

Trong chuyển động sóng, phản xạ là hiện tượng sóng khi lan truyền tới bề mặt tiếp xúc của hai môi trường bị đổi hướng lan truyền theo hướng ngược với hướng của sóng tới Các ví dụ về phản xạ có thể quan sát được trực tiếp là các trường hợp với các sóng như ánh sáng, âm thanh hay sóng nước Sự phản xạ của ánh sáng có thể là phản

xạ định hướng (như phản xạ trên gương) hay phản xạ khuếch tán (như phản xạ trên tờ giấy trắng) tuỳ thuộc vào cấu trúc của vật liệu tạo nên môi chất Tính chất của bề mặt cũng ảnh hưởng đến sự thay đổi biên độ, pha hay trạng thái phân cực của sóng [10]

Hình 2.5 Phản xạ gương (bên trái), phản xạ khuếch tán (bên phải)

Hiện tượng khúc xạ là thuật ngữ thường dùng để chỉ hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau Có thể nói đây là hiện tượng đổi hướng đường đi của bức xạ điện từ, hay các sóng nói chung, khi lan truyền trong môi trường không đồng nhất

Định luật Snell cho ta công thức đặc trưng của hiện tượng khúc xạ có dạng:

trường trước và sau bề mặt phản xạ

2.1.3 Hiện tượng tán xạ

Giả thiết rằng ánh sáng truyền trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, nhưng thực tế lại không có môi trường nào được cấu thành như vậy, mà bao giờ cũng xuất hiện độ pha tạp và chênh lệch của mật độ tạp chất, nhiệt độ do chuyển động nhiệt của các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên môi trường Trong môi trường như thế ánh sáng không những truyền thẳng mà còn theo nhiều hướng khác, tức là bị tán xạ Ðó là sự tán

xạ thường được gọi là tán xạ nhiều lần Một số môi trường còn có thể có các hạt lạ, mà chiết suất và hệ số hấp thụ của chúng khác với chiết suất và hệ số hấp thụ của các nguyên tử và phân tử cấu tạo nên môi trường Môi trường chứa các hạt lạ như vậy được gọi là môi trường vẩn đục và nó tán xạ ánh sáng theo mọi hướng gọi là tán xạ bởi các hạt nhỏ hay là tán xạ Tyndall Các hạt lạ đó có thể là các hạt rắn trong không khí như khói, bụi, các hạt nước trong sương mù, các hạt keo trong dung dịch keo Vậy nguyên nhân làm tán xạ ánh sáng trong cả hai trường hợp trên đều là sự không đồng tính quang học của môi trường Ngoài hai loại tán xạ nói trên, Raman còn phát hiện ra một hiện tượng tán xạ mà sóng tới và sóng tán xạ có bước sóng khác nhau Có hai loại miền tán

xạ xảy ra chính là: tán xạ Mie và tán xạ Rayleigh

Tán xạ Rayleigh xảy ra khi các phân tử chất bị chiếu sáng có kích thước rất nhỏ, nhỏ hơn so với bước sóng ánh sáng kích thích Khi bước sóng kích thích nhỏ hơn hoặc bằng với kích thước của phân tử chất được chiếu sáng, xảy ra hiện tượng tán xạ Mie [11]

Hình 2.6 Tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie

Hình 2.6 mô tả hiện tượng xảy ra của tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie Hình đầu tiên mô tả tán xạ Rayleigh xảy ra khi kích thước hạt vật chất nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng kích thích, các tia tán xạ Rayleigh tán xạ đều theo các hướng với cường độ tán xạ gần mức nhau Hình 2 và hình 3 mô tả tán xạ Mie xảy ra với kích thước hạt vật chất lớn hơn bước sóng kích thích Tia tán xạ phát ra từ hạt vật chất có kích thước càng lớn, biên độ tán xạ theo hướng ánh sáng kích thích càng cao đồng thời độ định hướng càng giảm

Sự suy giảm cường độ sóng tới do hiện tượng tán xạ được mô tả bởi mối quan

hệ trung bình như đối với hiện tượng hấp thụ Sử dụng định luật Lambert – Beer cho hiện tượng tán xạ [8]:

Trong đó: là cường độ chùm sáng tới (J/s), (J/s) cường độ chùm sáng thu

cho mức tán xạ của hạt hay các thành phần không đồng nhất trong môi trường

Hiện tượng phản xạ và tán xạ của mô sinh học đối với ánh sáng thường được ứng dụng cho các kỹ thuật tạo ảnh quang học: kỹ thuật tạo ảnh OCT và DOT

2.2 Tương tác nhiệt

2.2.1 Sự phát sinh nhiệt

Khi một chùm sáng chiếu đến mô sinh học lúc này xảy ra hiện tượng hấp thụ Năng lượng được hấp thụ chuyển hóa thành nhiệt năng Sự phát sinh nhiệt này phụ thuộc vào các thông số của ánh sáng tới như: cường độ ánh sáng, thời gian chiếu sáng, bước sóng …và các thuộc tính của mô sinh học như: cấu trúc mô, hệ số hấp thụ, nhiệt dung riêng trong mô

thiên nhiệt độ (K) Mối quan hệ giữa nhiệt lượng và nhiệt độ thể hiện [12]:

nghĩa là lượng nhiệt cần thiết truyền cho một đơn vị khối lượng để nhiệt độ của nó tăng thêm một độ, nói một cách khác nhiệt dung riêng đại diện cho quán tính nhiệt của một chất

2.2.2 Sự truyền nhiệt

Sự truyền nhiệt trong mô phụ thuộc vào các thuộc tính nhiệt của mô như nhiệt dung riêng, độ dẫn truyền nhiệt… Độ dẫn nhiệt dẫn truyền nhiệt đến các cấu trúc mô không được chiếu sáng [12] Dòng nhiệt dẫn tỷ lệ với Gradient nhiệt theo công thức:

) cũng được định nghĩa [12]:

Trong đó: c là nhiệt dung riêng mẫu vật chất (J/(KgK)

κ đặc trưng cho độ dẫn truyền nhiệt qua từng môi trường vật chất xác

Định nghĩa độ sâu truyền nhiệt tại thời điểm t:

t : thời gian truyền nhiệt (s) ;

2.2.3 Hiệu ứng quang âm

Nhà vật lý Alexander Graham Bell vào năm 1880 đã phát hiện ra hiệu ứng quang âm là hiệu ứng tạo ra sóng âm nhờ việc tác động ánh sáng vào một số môi trường vật chất có tính chất hấp thụ

Hiệu ứng quang âm xảy ra trong mô có bản chất là sự tạo thành sóng âm từ sự hấp thụ ánh sáng của mô sinh học: [7] khi ánh sáng được chiếu vào mô sinh học có khả năng hấp thụ (một phần) ánh sáng tới, năng lượng hấp thụ này sẽ được chuyển thành nhiệt năng Sự tăng nhiệt dẫn đến sự co dãn vì nhiệt và thay đổi áp suất nội tại của mô sinh học sẽ tạo ra sóng cơ được gọi là sóng quang âm

Hình 2.7 Sự hình thành sóng quang âm

Sóng quang âm không chỉ phụ thuộc vào hệ số hấp thụ quang, hệ số tán xạ, phản

xạ mà còn bởi các thông số vật lý khác của mô như hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng, vận tốc âm trong mô sinh học Sóng quang âm này có thể được thu lại bởi hệ thống các đầu dò siêu âm phổ rộng

Hiệu ứng quang âm được sử dụng nhiều trong việc nghiên cứu xác định các đặc tính của môi trường vật chất: đặc tính hấp thụ, mật độ phân bố vật chất của môi trường… là cơ sở cho kỹ thuật tạo ảnh quang âm PAT

Hình 2.8 Sự hình thành và thu nhận sóng quang âm

Hình 2.9 Tốc độ truyền âm trong mô và nước

Tốc độ âm trong máu dùng để khảo sát thường chọn ở mức 1540 m/s, là môi chất có gần đặc tính âm với nước

Một số các thông số khác liên quan đến độ dẫn truyền âm là trở kháng âm và hệ

số suy giảm âm [14]:

Bảng 2.1 Các thuộc tính âm của một số loại mô

2.2.3 Tần số dao động tự nhiên

Tần số dao động tự nhiên là tần số dao động của một vật khi vật đó bị chịu một xung lực tác động Ví dụ: khi ta dùng tay gảy ở vị trí giữa của một dây đàn, nó dao động qua lại Nếu ta gảy như vậy 10 lần và đo sự dao động đó ta sẽ thấy các tần số dao động là giống nhau Tần số dao động này chính là tần số dao động tự nhiên của dây đàn

Tần số dao động tự nhiên là một đặc trưng quan trọng, tất cả mọi vật xung quanh ta đều có tần số dao động tự nhiên Nếu biết được tần số dao động tự nhiên của một vật, ta có thể biết được phổ cộng hưởng của nó, khi biết được sự dao động của một vật ta có thể biết được các loại sóng do nó tạo ra Do đó, nếu muốn tạo ra một sóng đặc trưng ta cần phải biết được tần số dao động tự nhiên tương ứng với loại sóng đó [15]

Trong mô sinh học, xét ở khía cạnh hiệu ứng quang âm, tần số dao động âm tự nhiên của các phân tử chất trong mô sinh học được gây ra bởi tác động của laser với

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP QUANG ĐO NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT TRONG MÁU 3.1 Phương pháp đo độ phân cực quang

3.1.1 Ánh sáng phân cực

Ánh sáng, hay bức xạ điện từ có vector cường độ điện trường được xác định theo một hướng nhất định được gọi là ánh sáng phân cực Ánh sáng có vector cường độ điện trường dao động theo hướng vuông góc với tia sáng, nhưng có phương dao động mạnh, có phương dao động yếu gọi là ánh sáng phân cực một phần Ánh sáng tự nhiên

có thể coi là tập hợp của vô số ánh sáng phân cực toàn phần dao động đều đặn theo tất

cả mọi hướng vuống góc với tia sáng

Hình 3.1 Sự phân cực của sóng ánh sáng

Sự phân cực ánh sáng được minh họa trên hình 3.1 đối với một chùm ánh sáng không phân cực đi tới hai bản phân cực thẳng Vector điện trường vẽ trong chùm ánh sáng tới dưới dạng sóng sin dao động theo mọi hướng (360 độ, mặc dù chỉ có 6 sóng, cách nhau 60 độ được vẽ trong hình) Nhưng trong thực tế, vector điện trường của ánh sáng tới dao động vuông góc với hướng truyền phân bố đều trong mọi mặt phẳng trước khi chạm phải bản phân cực thứ nhất

Các bản phân cực minh họa trong hình 3.1 thực ra là những bộ lọc gồm các phân tử polymer chuỗi dài xác định theo một hướng Chỉ có ánh sáng tới dao động trong cùng mặt phẳng với các phân tử polymer đã được sắp xếp theo định hướng bị hấp

thụ, còn ánh sáng dao động vuông góc với mặt phẳng polymer thì truyền qua bộ lọc phân cực thứ nhất Hướng phân cực của bản phân cực thứ nhất là thẳng đứng nên chùm tia tới sẽ chỉ truyền qua được những sóng có vector điện trường thẳng đứng Sóng truyền qua bản phân cực thứ nhất sau đó bị chặn lại bởi bản phân cực thứ hai, do bản phân cực này định hướng ngang đối với vector điện trường trong sóng ánh sáng Hai bản phân cực định hướng vuông góc với nhau thường được gọi là sự phân cực trực giao

Hình 3.2 Ánh sáng phân cực thẳng

3.1.2 Sự quay phân cực quang

Sự quay phân cực quang là sự quay của vector điện từ tổng hợp của ánh sáng được phân cực theo một hướng khi ánh sáng đi qua môi trường vật liệu [16] Sự quay vector phân cực này là do tác động của tỷ lệ giữa điện môi và từ thẩm của vật liệu Sự thay đổi chỉ thực sự đủ lớn mới có thể đo được

Hình 3.3 Sự quay sáng của tia sáng phân cực thẳng

Trong các môi trường có bản chất khác nhau, ánh sáng đã phân cực quay được một góc khác nhau được gọi là góc quay đặc trưng Góc quay đặc trưng đối với các chất ở thể lỏng:

ánh sáng (thu nhận được từ thiết bị đo phân cực quang polarimeter; c: nồng độ của chất lỏng (g/ml) ; l: chiều dài của mẫu (dm)

Tính toán được góc quay đặc trưng này, ta có được nồng độ của chất lỏng với chiều dài mẫu đã biết:

Góc quay quang đặc trưng của một số chất:

Bảng 3.1 Góc quay quang đặc trưng của một số chất

Hz nhờ mạch cộng hưởng Sóng sine (sóng mang) 976 Hz sẽ được cung cấp bởi một bộ khuếch đại công suất Ánh sáng phân cực đã được điều chế được chuyển đổi cường độ bởi thiết bị phân cực thứ 2 có chức năng như là một bộ phân tích và cung cấp một tín hiệu quang đã được điều chế đi đến các bộ cảm biến quang điện Điện áp đầu ra của các bộ cảm biến tỷ lệ với cường độ của ánh sáng phát hiện được và các tín hiệu này được khuếch đại, và đưa đến bộ khuếch đại khóa pha Biên độ đầu ra bộ khuếch đại khóa pha của tín hiệu ở 976 Hz qua các cổng giao tiếp ở tốc độ lấy mẫu 1kHz đến máy tính Chương trình thu thập dữ liệu được viết trên Labview để điều khiển và lưu trữ dữ liệu đo Các dữ liệu tương tự đầu ra của bộ khuếch đại khóa tần được lấy mẫu bởi một

hệ thống thu nhận dữ liệu ở tốc độ lấy mẫu 1kHz

Bằng việc sử dụng 41 điểm đo đánh giá độ chính xác của phép đo được đánh giá

là 93%., Nhưng do môi trường có hệ số tán xạ cao và tính khử phân cực lên đến 90% đối với ánh sáng, khi ánh sáng có bước sóng màu đỏ đi qua độ sâu 4mm dưới da Như vậy, vị trí đo tốt nhất cho phương pháp phân cực quang là khoang phía trước của mắt nơi mà tán xạ quang học là nhỏ nhất so với các mô khác [6] Phương pháp này cho thấy hiệu quá đâm xuyên kém và không thích hợp cho những phép đo ngoài mô mắt

3.2 Phương pháp phân tích phổ Raman

3.2.1 Hiệu ứng Raman

Hiệu ứng Raman là một hiệu ứng tán xạ ánh sáng xảy ra khi ánh sáng tới một, tương tác với các đám mây electron hoá trị và các liên kết của các nguyên tử trong phân tử đó Photon tới kích thích phân tử từ trạng thái cân bằng đến trạng thái năng lượng kích thích Các phân tử được kích thích này hấp thụ một phần năng lượng tới làm cho năng lượng của photon bị suy giảm Sự khác nhau trong năng lượng giữa trạng thái kích thích và trạng thái một phần năng lượng bị hấp thụ dẫn đến một dịch chuyển tần số của photon từ bước sóng kích thích gọi là dịch chuyển Raman [17]:

Hình 3.5 Chu trình trao đổi năng lượng của tán xạ Raman

Dựa vào phổ năng lượng Raman thu được, ta có được những thông tin về mức năng lượng dao động của từng nguyên tử trong phân tử hay mạng tinh thể Các mức dao động này là đặc trưng để phân biệt giữa nguyên tử này với nguyên tử khác

Thomas G.Scecina và các cộng sự nghiên cứu [18] đo nồng độ glucose trong máu bằng phương pháp không can thiệp sử dụng phân tích phổ Raman Mô hình đo được thiết lập như sau:

Hình 3.6 Mô hình đo nồng độ glucose trong máu phương pháp không can thiệp sử

dụng phân tích phổ Raman

Phổ Raman được thu thập bởi các thiết bị thiết kế chuyên dụng, các thiết bị được thiết kế để khuyếch đại các tìn hiệu Raman phát ra từ một môi trường tán xạ (mô) với tỷ lệ tín trên tạp cao Hệ thống sử dụng một laser diode (PI-ECL-830-500, Salt Lake City, UT làm nguồn kích thích Chùm laser được truyền qua một bộ lọc thông dải được định hướng đến một gương parabol bởi một lăng kính nhỏ, và hội tụ trên cánh tay của một người với cường độ trung bình là 300mW và kích thước vùng điểm trên cẳng

qua một bộ lọc chắn dải để loại bỏ các nhiễu tán xạ Rayleigh ngược bởi nhiễu này lớn hơn rất nhiều so với tín hiệu Raman Ánh sáng đã qua lọc được truyền đến máy phân tích phổ (Holospec, Kaiser Optical) bởi các bó sợi quang (Romark Fiber Optics) Phổ được thu thập bởi bộ phát hiện CCD (array detector) Đánh giá kết quả bằng việc nghiên cứu trên 17 đối tượng khỏe mạnh có lượng đường được tăng cường trong khoảng thời gian từ 2-3 giờ với phương pháp thêm glucose vào máu Trong phép đo, tia sáng 461 nm được sử dụng, phổ Raman đã thu thập cùng với các giá trị nồng độ glucose chuẩn Các sai số trung bình và sai số bình phương cho mỗi người là

Tuy nhiên, việc thu nhận tín hiệu Raman từ các mô sinh học là nhiệm vụ khó khăn do tín hiệu Raman vốn rất yếu, lại bị chịu ảnh hưởng lớn bởi hiện tượng tán xạ của ánh sáng trong các mô sinh học Giống như phương pháp đo độ phân cực của ánh sáng, phương pháp phân tích phổ Raman đo nồng độ chất hiệu quả nhất ở vị trí mắt hoặc những mô dưới da có tập trung nhiều mao mạch và không thích hợp với mô ở sâu trong cơ thể

3.3 Phương pháp đo sử dụng mô hình phân tán ánh sáng

3.3.1 Cơ sở phương pháp

Kỹ thuật đo dựa trên mô hình phân tán ánh sáng sử dụng một chùm ánh sáng hẹp chiếu đến một vùng trên bề mặt một phần cơ thể con người để đo các phản xạ phân tán phát sinh từ vùng được chiếu sáng Cường độ của các phản xạ này phụ thuộc vào cả