Sử dụng hệ thống phân cực ánh sáng để phát hiện dấu hiệu bệnh tiểu đường bằng phương pháp quang học không xâm lấn

Phương pháp xác định glucose không xâm lấn trong mô người đã và đang được quan tâm lớn trong các phép đo quang học. Trong nghiên cứu này, các thông số quang học như đặc tính lưỡng chiết thẳng (LB), lưỡng sắc thẳng (LD), lưỡng chiết tròn (CB), và lưỡng sắc tròn (CD) của môi trường mờ đục được chiết xuất bởi một kỹ thuật phân tích tách rời dựa trên phương pháp ma trận Mueller và thông số Stokes.

Nghiên cứu Y học Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số * 2015 SỬ DỤNG HỆ THỐNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG ĐỂ PHÁT HIỆN DẤU HIỆU BỆNH TIỂU ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC KHÔNG XÂM LẤN Phạm Thị Thu Hiền*, Lê Thanh Hải**, Trịnh Thị Diệu Thường***, Nguyễn Đức Thắng*, Võ Văn Tới*, Huỳnh Quang Linh**** TÓM TẮT Mục tiêu nghiên cứu: Phương pháp xác định glucose không xâm lấn mô người quan tâm lớn phép đo quang học Trong nghiên cứu này, thông số quang học đặc tính lưỡng chiết thẳng (LB), lưỡng sắc thẳng (LD), lưỡng chiết tròn (CB), lưỡng sắc tròn (CD) môi trường mờ đục chiết xuất kỹ thuật phân tích tách rời dựa phương pháp ma trận Mueller thơng số Stokes Tính hiệu lực phương pháp đo lường minh chứng xét nghiệm mẫu đo khác Đối tượng nghiên cứu: Các kết thí nghiệm trình bày sau thông số đo hai mẫu vi cầu polystyrene microsphere (đường kính 5μm 9μm) nước de-ion hóa có chứa glucose Sau đó, tính chất lưỡng chiết tròn glucose ba mẫu so sánh kiểm định thành công nghiên cứu Thuật toán giới thiệu khơng cần q trình khử tính chất nhiễu mẫu Kết là, phương pháp đề xuất có tiềm cho ứng dụng đo đặc tính collagen cấu trúc bắp (dựa tính chất LB), nhận biết khác biệt mơ người (dựa tính chất LD), đo đặc tính cấu trúc protein (dựa tính chất CB/CD) phát dấu hiệu bệnh tiểu đường (dựa tính chất CB) Phương pháp nghiên cứu kết quả: Trước tiên, khả đo độ xác mơ hình đề xuất để đưa tính chất quang học mẫu đo sinh học xác nhận cách sử dụng lập trình mơ (ngơn ngữ Matlab) Sau đó, thí nghiệm thiết lập để đo tính chất phân cực mẫu sinh học khác cụ thể hai dung dịch hạt micro đường kính khác tương ứng (microspheres polystyrene) có chứa D-glucose; nước de-ion hóa có chứa D-glucose Đúng dự đốn, kết tốt mối tương quan tính chất CB gia tăng nồng độ đường (D-glucose) dung dịch phạm vi xem xét từ ~ 0,7mM (miliMol) Qua kiểm nghiệm, độ lệch chuẩn góc quay quang học tìm thấy 0,05° Kết luận: Các kết thực nghiệm lượng đường (glucose) máu cao tính chất CB tăng cao tương ứng, từ phát kịp thời dấu hiệu bệnh tiểu đường Thêm vào đó, ưu điểm đề tài đo lường tất thơng số phân cực mẫu sinh học mà không lo có vấn đề nhiễu; thuật tốn đề tài nghiên cứu tách rời tất thơng số độc lập để đạt kết xác cao Từ khóa: Mơi trường mờ đục, D-glucose, polystyrene microsphere, đo lường quang học không xâm lấn * Bộ môn Kỹ thuật Y Sinh, Đại học Quốc tế - Đại học Quốc gia TP.HCM ** Khoa Cơ khí, Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM, *** Khoa Y học Cổ truyền, Đại học Y Dược TP.HCM **** Khoa Khoa học Ứng dụng, Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM Tác giả liên lạc: TS Phạm Thị Thu Hiền ĐT: 0909 065306 Email: ptthien@hcmiu.edu.vn 306 Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số * 2015 Nghiên cứu Y học ABSTRACT USING THE POLARIZED LIGHT SYSTEM TO DETECT DIABETES SIGNS BY NONINVASIVE OPTICAL MEASUREMENT Pham Thi Thu Hien, Le Thanh Hai, Trinh Thi Dieu Thuong, Nguyen Duc Thang, Vo Van Toi, Huynh Quang Linh * Y Hoc TP Ho Chi Minh * Vol 19 - No - 2015: 306 - 316 Objectives: Noninvasive determination of glucose in human tissue has led to an increment of interest in optical measurements In this study, optical parameters in linear birefringence, linear dichroism, circular birefringence, and circular dichroism properties of turbid media is extracted by a decoupled analytical technique based on the Mueller matrix method and the Stokes parameters The validity of the proposed measurement method in testing different samples is proved Materials: The experimental results have showed the effective parameters of two types polystyrene microspheres (5μm and 9μm diameter) and de-ionized water with containing glucose Then, the circular birefringence property of glucose of three samples is compared and calibrated successfully in this study This new algorithm introduced here does not need any purification process in sample As a result, the proposed approach has potential for applications such as collagen and muscle structure characterization (base on LB measurements), to recognize the difference in human tissues (LD measurement), protein structure characterization (base on CB/CD measurements) or diabetes detection (base on CB measurements) Method and results: Firstly, the ability and the accuracy of the proposed model to extract the nine effective optical parameters is verified using a simulation technique (Matlab languge) Thereafter, the experiments are setup for characterizing all properties of different bio-samples namely two different diameters suspended particles (polystyrene microspheres) with containing D-glucose; de-ionized water with containing D-glucose As expected, a good agreement results exist between the measured values of the optical rotation angle and the concentration of D-glucose over the considered range of ~ 0.7mM From inspection, the standard deviation of the optical rotation angle is found to be 0.05° Conclusion: The experimental results have shown that when the concentration of D-glucose increases the CB propertiy also increases, then this study can promptly detect signs of diabetes Additionally, an advantage of the proposed study is able to extract all the effects of measurement of polarization in any biological sample without the need for any form of compensation process or pretreatment because the algorithm of this research can separate all independent parameters to achieve higher accuracy results Key words: Turbid media, glucose, polystyrene microspheres, noninvasive optical measurement đơn (single-integrating-sphere system)(3,17) MỞ ĐẦU hệ thống hình cầu tích hợp đơi (doubleCác đặc tính phân cực tán xạ ánh sáng từ integrating sphere system)(22), tương ứng, để đo môi trường mờ đục mô sinh học, sợi hệ số hấp thụ (absorption coefficient), hệ số tán người động vật, vật liệu xạ (scattering coefficient) tính khơng đẳng không đẳng hướng nhận ý đáng hướng bắp bò (bovine muscle), mơ tế bào kể tiềm to lớn dùng việc kiểm tra người (human tissue) polyurethane ứng dụng để phát chẩn đoán bệnh Phương pháp đo xác nhằm xác định Nhiều phương pháp khác đề xuất tính chất quang học vật liệu quang điện để xác định tính chất quang học mô mẫu sinh học cần thiết việc tế bào Ví dụ, Prahl et al đề xuất hai phương tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển pháp dựa hệ thống hình cầu tích hợp phương pháp kiểm tra đại phương 307 Nghiên cứu Y học pháp chẩn đốn bệnh sớm Ví dụ, tuyến tính lưỡng chiết (linear birefringence (LB)) cung cấp nhìn sâu sắc hữu ích đặc tính màng LCD tính chất quang-đàn hồi mơ người, tính chất tròn lưỡng chiết (circular birefringence (CB)) dùng đo máu người nhằm cung cấp dấu hiệu đáng tin cậy để phát bệnh tiểu đường Tương tự, tuyến tính lưỡng sắc (linear dichroism (LD)) nhận biết khác biệt mô người để tạo điều kiện thuận lợi cho chẩn đốn khối u, tính chất tròn lưỡng sắc (circular dichroism (CD) phương pháp hiệu quan trọng để mô tả phân loại cấu trúc protein Bệnh tiểu đường nguyên nhân nhiều bệnh hiểm nghèo, điển hình bệnh tim mạch vành, tai biến mạch máu não, mù mắt, suy thận, liệt dương, hoại thư, v.v Các nhà nghiên cứu rằng, bệnh tiểu đường phát sớm cho việc điều trị, nguy xuất biến chứng nguy hiểm bệnh có nhiều khả tránh Nhiều nhóm nghiên cứu đưa nhiều dẫn chứng thuyết phục lượng đường (glucose) máu cao tính chất CB tăng cao(24,23) Ví dụ, Guo et al.(11,12) sử dụng máy đo phân cực Stokes Hsu et al.(13) sử dụng kính phân cực hình elip để đo tính chất CB mẫu chất lỏng đục có chứa hàm lượng đường glucose với hỗ trợ phân tính phương pháp mơ dùng thuật toán Monte Carlo Tương tự, Wood et al.(27,26) sử dụng mơ hình thuật tốn Monte Carlo cho truyền phân cực ánh sáng để đo tính chất LB CB môi trường đa tán xạ mô sinh học chuỗi đa phân tử (polyacrylamide phantoms), đường sucrose polystyren microsphere Kaminsky et al.(6,14,15) đưa phương pháp đo tính chất LB, LD, CB CD tinh thể cách sử dụng kỹ thuật hình ảnh phân cực mơ hình phân tích dựa cơng thức tính tốn Jones Tuy nhiên, tùy thuộc vào tính chất mẫu, công cụ máy khác 308 Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số * 2015 sử dụng cho thuộc tính quang học Ví dụ, tính chất LB LD trích xuất cách sử dụng kính hiển vi Metripol, tính chất CB phân tích sử dụng kỹ thuật quét HAUP (High Accuracy Universal Polarimeter), tính chất CD đo cách sử dụng hình ảnh phân tích kính hiển vi tròn lưỡng sắc Kết là, thông số quang học phải tách rời mơ hình phân tích Nghĩa là, trước đo thuộc tính quang học, đòi hỏi phải biết trước mẫu đo có đặt tính quang học để sử dụng thiết bị đo tương ứng Thêm vào đó, độ xác kết đo nhạy cảm với mẫu đo khơng tinh khiết Ngồi ra, Ghosh et al.(8,10,9) đề xuất phương pháp sử dụng phương pháp ma trận phân hủy Mueller để trích xuất thuộc tính phân cực (tuyến tính lưỡng chiết, góc xoay quang học, tuyến tính lưỡng sắc, hệ số khử cực) môi trường mờ đục (turbid) Trong nghiên cứu thí nghiệm, máy đo phân cực điều biến quang-đàn hồi sử dụng để ghi lại ma trận Mueller từ mẫu đo (phantoms polyacrylamide, mía đường (sucrose), polystyrene microspheres) Wang nhóm ơng(25) trình bày so sánh phần tử ma trận Mueller ánh sáng tán xạ từ môi trường mờ đục đa hướng có chứa glucose mơ hình tán xạ đơn tán xạ kép kèm với mô hình Monte Carlo Gần đây, nhóm Jintao Chang(4) đưa phương pháp lọc chất phân cực ảnh chụp mẫu mô ung thư thông qua ống kính GRIN (Gradient-index) lưỡng chiết, giúp nâng cao tính ổn định đo lường đặc tính mẫu mơ sử dụng ma trận Mueller Trong khí đó, nhóm Lars Martin Sandvik Aas(1) thiết kế máy phân cực kế quang phổ để ghi lại ma trận Mueller xử lý lúc nhiều bước sóng khác sử dụng thuật tốn di truyền (Genetic algorithms) với độ xác 0.1% Còn nhóm Sanaz Alalia and Alex Vitkin(2) trình bày phương pháp luận nhấn mạnh việc sử dụng ma trận Muller q trình đánh giá mơ lớn (bulk tissue) chụp mẫu Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số * 2015 chiếu ánh sáng bị phân cực từ nâng cao độ xác cho máy phân cực kế PHƯƠNG PHÁP ĐO Đối tượng nghiên cứu Phần trình bày phương pháp kỹ thuật để tính tốn thơng số quang học tính chất LB, LD, CB CD mô sinh học Lưu ý mơ hình quang học vật liệu không đẳng hướng giả định thành phần CD LD định vị phía trước thành phần CB LB(16,7) Bảng Ký hiệu định nghĩa thơng số quang học(16,7) Tên Góc định hướng trục nhanh LB Tuyến tính lưỡng chiết (LB) Góc xoay quang học CB Góc định hướng LD Tuyến tính lưỡng sắc LD Tròn lưỡng sắc CD Ký Phạm vi đo Định nghĩa(*) hiệu α (0°, 180°) β (0°, 360°) 2π(ns – nf)l/λ0 γ (0°, 180°) 2π(n– - n+)l/λ0 θd (0°, 180°) D (0, 1) 2π(μs – μf)l/λ0 R (-1, ) 2π(μ– - μ+)l/λ0 (*) n chiết suất, μ hệ số hấp thụ, l chiều dài đường dẫn qua môi trường (độ dày vật liệu), λ0 bước sóng chân không Các ký hiệu nhỏ f s đại diện cho nhanh chậm sóng phân cực tuyến tính bỏ qua hiệu ứng sóng tròn, + - sóng phân cực tròn bên phải trái bỏ qua tác động tuyến tính Nghiên cứu Y học kính 1/4 bước sóng (quarter-wave plate), sử dụng để tạo ánh sáng phân cực tuyến tính tròn khác nhau, Ŝc Sc vectơ Stokes đầu vào đầu ra, tương ứng Các Stokes vector đầu Hình tính sau S0   m11  S   m21 Sc     [Mlb ][Mcb][Mld ][Mcd ]Sˆc   S2  m  31    S3 c  m41 m12 m22 m32 m42 m13 m23 m33 m43 m14  Sˆ0    m24  Sˆ1  m34  Sˆ2   m44  Sˆ3 c Với (Mld), (Mlb), (Mcb), (Mcd) ma trận Mueller tương ứng với đặc tính LD, LB, CB CD mẫu đo Lưu ý phương trình (1), phần tử m11 ~ m44 khác không Kết là, giải nghiệm thơng số quang học ma trận tích Mueller phức tạp Do đó, nghiên cứu này, phương pháp đề xuất để giải hiệu đặc tính LD / CD mẫu cách sử dụng bốn phần tử m11, m12, m13 m14 Trong thiết lập biểu diễn Hình 1, mẫu chiếu sáng cách sử dụng ánh sáng đầu vào phân cực khác nhau, cụ thể ánh sáng phân cực thẳng (tức Sˆ00  [1, 1, 0, 0]T , Sˆ  [1, 0, 1, 0]T , Sˆ  [1, 1, 0, 0]T 45 90 Sˆ1350  [1, 0,  1, 0]T ) hai ánh sáng phân cực tròn (tức là, phải SˆRHC  [1, 0, 0, 1]T trái SˆLHC  [1, 0, 0, 1]T ) Các Stokes vector đầu tương ứng rút từ phương trình (1) S00  m11  m12 , m21  m22 , m31  m32 , m41  m42  T (2) S 450   m11  m13 , m21  m23 , m31  m33 , m41  m 43  S 900   m11  m12 , m21  m22 , m31  m32 , m41  m 42  S1350   m11  m13 , m21  m23 , m31  m33 , m41  m 43  S RHC  m11  m14 , m21  m24 , m31  m34 , m41  m 44  S LHC   m11  m14 , m21  m24 , m31  m34 , m41  m 44  Hình Sơ đồ minh họa mơ hình sử dụng tính tốn thơng số quang học Hình trình bày sơ đồ minh họa phương pháp đo sử dụng nghiên cứu để trích xuất thơng số cho mẫu quang học điển hình Lưu ý P Q kính phân cực T (3) T (4) T (5) T (6) T (7) Cụ thể, góc định hướng (θd) LD tính theo phương trình sau  S ( S )  S135 ( S )  (8) 2 d  tan 1  45  S ( S )  S ( S )    90 0 0 Giá trị tuyến tính lưỡng sắc LD tính theo cơng thức sau 309 Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số * 2015 Nghiên cứu Y học  S (S )  S  S (S )  S 00 D 00 0   (S )    S 900 (S0 )  S450 (S0 )  S1350 (S0 ) 900 RHC  (S0 )  SLHC (S0 )  (9) Sau đó, giá trị tròn lưỡng sắc CD tính theo cơng thức sau R   2 [S00 (S0) S900 (S0)][ S00 (S0) S900 (S0)  SRHC(S0) SLHC(S0) ] (10) [SRHC(S0) SLHC(S0)] Chú ý giá trị θd, D R thu từ phương trình (8), (9) (10), hoàn toàn độc lập, tách rời (decoupling) Sau đó, giá trị α, β γ tính tốn cách sử dụng phần tử A22 ~ A44 ma trận Mueller (MR) Cụ thể, góc định hướng LB tính theo cơng thức sau    A  tan 1   24   A34  (11) Trong đó, thơng số LB tính sau   cos1 A44  (12) Góc xoay quang học (γ) CB tính theo phương trình sau  A23  A32    A22  A33    tan1  (13) Tóm lại, mơ hình phân tích đề xuất nghiên cứu này, góc định hướng (α) tuyến tính lưỡng chiết (β) LB, góc xoay quang học (γ) CB, góc định hướng (θd) tuyến tính lưỡng sắc (D) LD, lưỡng sắc tròn (R) CD tính tốn cách sử dụng phương trình (11), (12), (13), (8), (9) (10), tương ứng Nghiệm phương trình tính tốn hồn tồn độc lập tách rời Kết là, độ xác kết thông số tăng cao mở rộng khả ứng dụng cho nhiều mẫu tế bào khác Điều quan trọng là, mơ hình cung cấp phương pháp để tính tốn thuộc tính mẫu với tính chất LB, CB, LD CD mà không cần hình thức q trình bù khử tính chất gây nhiễu Thêm vào đó, phương pháp khơng đòi hỏi trục lưỡng chiết trục lưỡng sắc phải thẳng hàng phương pháp phân cực ánh sáng khác hay sử dụng 310 Phương pháp tiến hành Trước đưa vào thí nghiệm, khả độ xác phương pháp để trích xuất thông số quang học phạm vi đo lường xác minh cách sử dụng kỹ thuật mô Một chuỗi mô thực để đánh giá tính xác kết thu từ phương pháp với sai số cài đặt (error) thơng số đầu Stokes có giá trị ± 0,005(20,5) (Lưu ý phạm vi sai số xác định phù hợp với độ xác đo lường máy phân cực điển hình) Phân tích mơ Trong việc thực phân tích mô phỏng, giá trị lý thuyết thông số đầu Stokes cho sáu ánh sáng đầu vào (S0°, S45°, S90°, S135°, SRHC, SLHC) tính tốn cho mẫu giả định cách sử dụng phương pháp ma trận Mueller dựa giá trị đầu vào mẫu giả định vectơ đầu vào Stokes Các giá trị lý thuyết Stokes sau đưa vào phương trình tính tốn (11), (12), (13), (8), (9) (10), tương ứng để tính thơng số quang học Sau đó, giá trị tính tốn thơng số quang học so sánh với giá trị đầu vào sử dụng việc xây dựng ma trận Mueller Khả phương pháp đề xuất đánh giá cách tính tốn giá trị α, β, θd, D, γ, R mẫu quang học Khi tham số tính tốn, đầu vào tham số thay đổi phạm vi đo đầy đủ (phạm vi đo α, θd γ: ~ 180°; phạm vi đo β: ~ 360°; phạm vi đo D: ~ phạm vi đo R: -1 ~ 1) Các thông số đầu vào khác quy định cụ thể sau: α = 50°, β = 60°, θd = 35°, D = 0,4, γ = 150 R = 0,1 Ví dụ cụ thể, để tính tốn góc định hướng trục LB, góc định hướng LB tính cách sử dụng phương trình (18), quy định α: ~ 180° thông số đầu vào khác quy định cụ thể sau β = 60°, θd = 35°, D = 0,4, γ = 15°, R = 0,1, tương ứng(23, 24) Kết giá trị Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số * 2015 đầu vào (giả định: ~ 180°) giá trị đầu (do tính tốn) thơng số α hồn tồn tương thích khơng xuất sai số bất thường cơng thức tính tốn Lập lại kết mơ với tồn thơng số lại kết đạt hồn tồn tương thích với phạm vi đo đầy đủ thơng số Vì vậy, phương trình tính tốn nghiệm thông số đo nghiên cứu cho phép đo đầy đủ giá trị α, β, θd, D, γ, R phạm vi đo tương ứng chúng Kết xác nhận khả phương pháp mang lại phạm vi đo đầy đủ (full-range) tính chất phân cực quang học Phân tích lỗi Để kiểm tra vững mạnh mơ hình phân tích sai số đo từ giá trị vectơ Stokes, xây dựng mơ hình ma trận Mueller để đưa thông số lý thuyết Stokes (S0°, S45°, S90°, S135°, SRHC, SLHC) cho mẫu tổng hợp tính chất LB/CB/LD/CD 500 sai số nhiễu vectơ Stokes đưa cách áp dụng nhiễu loạn ngẫu nhiên xung quanh ± 0,005 thông số lý thuyết Stokes (-1 ~ 1), xem (25, 26) Sau đó, xáo trộn nhiễu giá trị Stokes đưa vào mơ hình phân tích phương pháp để tính tốn giá trị đầu α, β, θd, D, γ, R mẫu quang học Cuối cùng, giá trị đầu tính toán so sánh với giá trị đầu vào sử dụng việc xây dựng ma trận Mueller Khi tính tốn giá trị lý thuyết thơng số đầu Stokes, tính chất phân cực quang học qui định sau: α = 50°, β = 60°, θd = 35°, D = 0,4, γ = 15° R = 0,1 Các giá trị đầu α, β, θd, D, γ R sau tính tốn dựa vào giá trị thông số đầu Nghiên cứu Y học Stokes bị nhiễu loạn (đã qua sai số) băng cách sử dụng phương trình (18), (19), (20), (12), (6) (14), tương ứng Từ trình kiểm tra này, sai số (error bar) thông số α, β, θd, D, γ R có giá trị tương ứng ± 0,022°, ± 0,038° ± 0,174° ± 0,005 ± 0,066° ± 0.003 Vì vậy, điều suy mơ hình phân tích phương pháp có tính xác cao lỗi thử nghiệm thông số đầu vectơ Stokes So sánh với nhóm nghiên cứu khác Để khẳng định tính xác phương pháp nghiên cứu này, bảng so sánh thiết lập cách sử dụng giá trị đầu vào ma trận Mueller cột Bảng tài liệu tham khảo[10] Trong đó, dung dịch làm giả mô theo phức tạp mơ sinh học, thể tính lưỡng chiết thẳng (mẫu đo kéo căng mm theo phương thẳng đứng, nồng độ 1M (mol) đường (sucrose) tương ứng với độ lớn giá trị hoạt động quang học 1,96°/cm), độ đục mẫu (đường kính hạt nhựa 1.4 nm (polystyrene), dẫn đến hệ số tán xạ 30 cm-1 tham số bất đẳng hướng 0,95 bước sóng λ = 633 nm) Tất yếu tố đầu vào ma trận Mueller đưa vào phương trình (8), (9), (10), (11), (12) (13) để trích xuất giá trị α, β, γ, θd, D R tương ứng Trong Bảng 2, thấy giá trị tính tốn lưỡng chiết thẳng, lưỡng chiết tròn, lưỡng sắc thẳng độ khử cực tương đương với giá trị đầu vào Kết bảng so sánh cho thấy tương đồng thể phương pháp nghiên cứu phương pháp Gosh tài liệu tham khảo[10] Bảng So sánh chín thơng số với giá trị điều khiển đầu vào hai phương pháp Giá trị đầu vào Kết tính tốn nhóm (15) Gosh Kết tính tốn phương pháp nghiên cứu Góc định hướng LB (α) (độ) X X Lưỡng chiết thẳng (β) (rad) 0.83rad 0.79rad 2.12° 0.81rad Lưỡng chiết tròn (γ) (độ) 2.14° 2.05° 2.21° 311 Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số * 2015 Nghiên cứu Y học Giá trị đầu vào Kết tính tốn nhóm (15) Gosh Kết tính tốn phương pháp nghiên cứu 4.45° 0.018 0.0021 0.195 Góc định hướng LD (θ) (độ) X X Lưỡng sắc thẳng (D) Lưỡng sắc tròn (R) Độ khử cực (∆) 0 0.19 0.02 X 0.21 * Ghi chú: Ký hiệu X không tính tốn trong(10) Phần trình bày cách thiết lập hệ thống thí nghiệm kiểm tra độ xác hệ thống số kính quang học biết trước tính chất (ví dụ kính ¼ bước sóng (quarterwave plate), kính 1/2 bước sóng (half-wave plate), nước khử ion có chứa glucose-D, kính phân cực…) THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM Hình trình bày sơ đồ minh họa hệ thống đo dùng thí nghiệm sử dụng để đo mẫu sinh học Trong việc thực thí nghiệm, ánh sáng đầu vào cung cấp tần số ổn định He-Ne laser với bước sóng 632,8 nm Ngồi ra, kính phân cực (polarizer) kính ¼ bước sóng (quarter-wave plate) sử dụng để tạo tia sáng phân cực tuyến tính (0°, 45°, 90° 135°) tia ánh sáng phân cực tròn (bên phải bên trái) Một lọc cường độ trung lập (neutral density filter) đồng hồ đo cường độ sáng đầu dò (power meter detector) sử dụng để đảm bảo ánh sáng phân cực đầu vào có cường độ giống hệt Lưu ý mẫu khơng có lưỡng sắc tuyến tính (LD), thơng số đầu Stokes chuẩn hóa SC/S0 mà phần tử ma trận m12, m13 m14 phương trình (4) khơng Vì vậy, khơng có nhu cầu để đảm bảo ánh sáng đầu vào có cường độ quang học giống hệt trước vào mẫu Tuy nhiên, mẫu với tuyến tính lưỡng sắc (LD), thơng số đầu Stokes khơng thể chuẩn hóa theo cách này, lọc cường độ trung lập đồng hồ đo cường độ sáng đầu dò u cầu sử dụng Các thơng số đầu Stokes tính tốn từ phép đo cường độ thu cách sử dụng máy đo phân cực 312 Nine parameter values Controller Rotate Computer LP RHC or LHC Receive data LP He-Ne Laser Q450,-450 P Neutral Density Filter Power meter detector Sample Stoke polarimeter 00,450, 900,1350 Hình Sơ đồ minh họa hệ thống đo dùng thí nghiệm Kiểm tra độ xác phương pháp đo cách thí nghiệm mẫu quang học khác nhau, cụ thể kính ¼ bước sóng (quarter-wave plate), kính 1/2 bước sóng (halfwave plate), nước de-ion hóa có chứa glucose-D, kính phân cực… Hình trình bày lưu đồ bước quy trình làm thí nghiệm tính tốn để chiết xuất giá trị mẫu ngôn ngữ lập trình Matlab Như thể hình, chương trình tính tốn nhận kết đo thí nghiệm (sáu kết phân cực đầu mẫu đo) Sau đó, chương trình bắt đầu cách đọc giá trị đầu vector Stoke Tiếp tục sau đó, phần tử tương ứng ma trận Mueller tính tốn Từ kết ma trận Mueller này, thơng số đặc tính mẫu đo tính tốn xuất máy tính (α, β, θd, D, γ R, e1, e2, e3) Trong thí nghiệm này, 1024 điểm liệu đo liên tục lần đo mẫu đo Trong số điểm liệu đo được, 100 điểm sau chọn để tính tốn thơng số giá trị trung b́nh chúng Kết cuối xuất máy tính Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số * 2015 thông số phân cực mẫu đo kèm theo sai số tính tốn giá trị sai lệch lớn giá trị trung bình 100 điểm đo Với cách đo này, kết mang lại độ xác cao khử tình trạng sai số nhiễu mang đến trình đo Experimental setup for biosamples Start Measure the output polarization lights Read the output values of Stoke vectors (six output polarization light) Calculate all elements of Mueller matrix Calculate the mean value of each effective parameter Yes Calculate all nine parameters (Loops=100 data points) Terminate No Extract parameter values (LB/ CB, LD/CD and LDep/CDep) Hình Lưu đồ q trình tính tốn dùng để xác định giá trị thông số phân cực mẫu đo KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢOLUẬN Trong phần trình bày kết thí nghiệm đo mẫu giả tế bào với đầy đủ tính chất phân cực mẫu đo tập trung vào phân tích tính chất lưỡng chiết tròn (CB) Như nói phần giới thiêu, lượng đường (glucose) máu cao tính chất CB tăng cao, từ kết cung cấp dấu hiệu tin cậy để phát dấu hiệu bệnh tiểu đường Sau kết thí nghiệm để đo thơng số phân cực dung dịch hạt micro (polystyren microsphere) có chứa D-glucose với nồng độ tăng dần Các hạt micro (hãng sản xuất Thermo Scientific Ltd) có hai kích thước khác (đường kính 5μm 9μm) nước khử ion lựa chọn để đánh giá hiệu phương pháp đo việc đo thông số quang học môi trường đục D-glucose (Merck Ltd) hòa tan khối lượng 2ml hai loại hạt polystyrene microsphere (5μm 9μm đường kính) nước khử ion hóa, tương Nghiên cứu Y học ứng Các nồng độ dung dịch hạt 5μm 9μm tương ứng 0,32% chất rắn 0,33% chất rắn (Thermo Scientific Ltd) Mật độ hai loại hạt micro 1.05g/cm3 Các dung dịch pha Dglucose chứa lọ vuông làm thạch anh (quazrt) Chiều cao bên lọ 12,5 mm khoảng cách từ đầu đọc tín hiệu đến mẫu đo 23mm Hình trình bày kết thí nghiệm thu cho tính chất phân cực dung dịch có chứa hạt micro đường kính 5μm Dglucose Các giá trị trung bình đo thông số phân cực mẫu với nồng độ khác D-glucose từ ~ 0.7mM (milimol) với gia tăng 0,1mM điểm đo Đúng dự đốn, kết thí nghiệm quan hệ tuyến tính tồn giá trị đầu tính chất lưỡng chiết tròn nồng độ Dglucose phạm vi xem xét từ ~ 0.7mM (Hình (c)) Độ lệch chuẩn góc quay quang học kết đo 0,05° Hình (a) cho thấy tương quan tốt quan sát giá trị đo góc định hướng LB gia tăng nồng độ D-glucose Trong báo tác giả Phạm TTH cs.(27, 28), chứng minh tính chất toán học, kết đáng tin cậy cho góc định hướng LD thu giá trị lưỡng sắc thẳng, D, lớn 0,05 Hình (b) cho thấy giá trị D dung dịch D-glucose gần khơng Do giá trị đo góc định hướng LD biến đổi cách ngẫu nhiên nồng độ D-glucose tăng lên Hình (d) cho thấy lưỡng sắc tròn, CD, dung dịch D-glucose gần không điều hồn tồn hợp lý mẫu đo khơng có chứa tính chất CD Tương tự vậy, kết thí nghiệm thu đo tính chất phân cực dung dich hạt micro đường kính 9μm có chứa D-glucose với nồng độ tăng dần từ đến 0.7mM tương tự với kết dung dịch có chứa hạt micro đường kính 5μm D-glucose 313 Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số * 2015 Nghiên cứu Y học 180 180 1.2 150 120 0.8 90 0.6 90 60 30 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 S 60 0.2 30 0.7 Nong Glucose mau (mM) 0.4 0.5 0.7 0.6 RS 0.6 S Luong sac tron ( R ) S Luong sac tron (  ) 0.3 0.7 S 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.2 (b) 0.7 0.1 Nong Glucose mau (mM) (a) 0.6 0.4 DS Luong sac thang LD 120 Goc dinh huong huong LD (do) S 150 Luong chiet thang LB (do) Goc dinh huong huong LB (do) S 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Nong Glucose mau (mM) 0.7 (c) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Nong Glucose mau (mM) 0.7 (d) Hình Kết thí nghiệm thu cho tính chất phân cực dung dịch có chứa hạt micro đường kính 5μm D-glucose nồng độ dung dịch D-glucose Do đó, phương pháp tách rời thông số điểm khởi đầu khác Điều có tính tốn (de-coupling) nghiên cứu thể giải thích tính chất mẫu đo khác thể ưu điểm việc trì tính Như thể hình 5(b), sau cân xác kết thí nghiệm Ví dụ, chỉnh giá trị đo kết đo tính liệu góc định hướng LB (α) chất CB mẫu gần trùng LD (γ) hình ngẫu nhiên giá trị β D gần không, kết chúng khơng ảnh hưởng đến kết tính tốn thơng số khác mẫu đo thí nghiệm Để so sánh giá trị lưỡng chiết tròn, CB, dung dịch có chứa D-glucose với nhau, hình 5(a) minh họa kết thí nghiệm thu tính chất CB (γ) ba mẫu khác gồm hạt micro có đường kính hạt 5μm 9μm nước khử ion; ba mẫu chứa Dglucose có nồng độ tăng dần từ đến 0.7mM Qua hình vẽ quan sát thấy độ dốc tính chất CB ba mẫu theo gia tăng 314 Tóm lại, qua thí nghiệm thấy nồng độ D-glucose mẫu đo tăng tính chất lưỡng chiết tròn CB mẫu tăng tuyến tính theo Việc giúp ta nhận biết dấu hiệu bệnh tiểu đường phương pháp quang học mẫu đo có tính chất CB cao mẫu đo thơng thường khác Trong kế hoạch tiếp theo, thí nghiệm mẫu máu đo để từ tiến hành đo thử nghiệm người so sánh kết đo với cách đo khác Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số * 2015 Nghiên cứu Y học 0.5 Polystyrene microsphere (5m) Polystyrene microsphere (9m) Water Luong chiet tron CB ( )(deg.) Luong sac tron CB ( )(do) -0.5 -1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Nong Glucose mau (mM) 0.8 Polystyrene microsphere (5m) Polystyrene microsphere (9m) Water 0.6 0.4 0.2 0 0.7 (a) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Nong Glucose mau (mM) 0.7 (b) Hình Kết thí nghiệm thu tính chất lưỡng chiết tròn CB (γ) ba mẫu khác gồm hạt micro 5μm 9μm nước khử ion chứa D-glucose, (a) trước cân chỉnh (b) sau cân chỉnh kiện thuận lợi cho chẩn đoán khối u, KẾT LUẬN tính chất tròn lưỡng sắc (CD) phương Nghiên cứu đề xuất kỹ thuật pháp hiệu quan trọng để mô tả phân phân tích tách riêng thơng số dựa loại cấu trúc protein phương pháp ma trận Mueller vector Lời cảm ơn: Nhóm tác giả chân thành cảm ơn hỗ trợ tài Stokes cho chiết xuất tính chất phân cực gồm cung cấp cho nghiên cứu Sở Khoa học lưỡng chiết thẳng, lưỡng sắc thẳng, lưỡng chiết Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, mã số 167/2013 / HDtròn, lưỡng sắc tròn mẫu đo sinh học SKHCN Các kết thực nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO lượng đường (glucose) máu cao tính Aas LMS, Ellingsen PG, Fladmark BE, Letnes PA, and chất CB tăng cao tương ứng, từ phát Kildemo M (2013) Overdetermined broadband spectroscopic Mueller matrix polarimeter designed by genetic algorithms kịp thời dấu hiệu bệnh tiểu đường Opt Exp., 21 (7): 8753-8762 Thêm vào đó, ưu điểm đề tài thể đo Alalia S and Vitkina A (2015) Polarized light imaging in lường tất thông số phân cực mẫu biomedicine: emerging Mueller matrix methodologies for bulk tissue assessment J Biomed Opt., 20(6): 061104 sinh học mà khơng lo có vấn đề Bargo PR, Prahl SA, Goodell TT, Sleven RA, Koval G, Blair G, nhiễu; thuật toán đề tài nghiên and Jacques SL (2005) In vivo determination of optical cứu tách rời tất thông số độc lập properties of normal and tumor tissue with white light reflectance and an empirical light transport model during để đạt kết xác cao Phương pháp đề xuất có tiềm cho ứng dụng tuyến tính lưỡng chiết (LB) cung cấp nhìn sâu sắc hữu ích đặc tính màng LCD tính chất quang-đàn hồi mô người, tính chất tròn lưỡng chiết (CB) dùng đo máu người nhằm cung cấp dấu hiệu đáng tin cậy để phát bệnh tiểu đường Tương tự, tuyến tính lưỡng sắc (LD) nhận biết khác biệt mô người để tạo điều endoscopy J Biomed Opt., 10: 034018-1-034018-15 Chang J, Zeng N, He H, Guo Y, and Ma H (2014) Removing the polarization artifacts in Mueller matrix images recorded with a birefringentgradient-index lens J Biomed Opt., 19(9): 095001 Chen PC, Lo YL, Yu TC, Lin JF, and Yang TT (2009) Measurement of linear birefringence and diattenuation properties of optical samples using polarimeter and Stokes parameters Opt Exp., 17(18), 15860-15884 Claborn K, Faucher EP, Kurimoto M, Kaminsky W, and Kahr B (2003) Circular dichroism imaging microscopy: application to enantiomorphous twinning in biaxial crystals of 1,8dihydroxyanthraquinone J Am Chem Soc., 125(48): 1482514831 315 Nghiên cứu Y học 10 11 12 13 14 15 16 17 18 316 DeBoo BJ, Sasian JM, and Chipman RA (2005) Depolarization of diffusely reflecting man-made objects Appl Opt., 44, 54345445 Ghosh N, Wood MFG, and Vitkin IA (2008) Mueller matrix decomposition for extraction of individual polarization parameters from complex turbid media exhibiting multiple scattering, optical activity, and linear birefringence J Biomed Opt., 13(4): 044036-14 Ghosh N, Wood MFG, and Vitkin IA (2009) Polarimetry in turbid, birefringent, optically active media: A Monte Carlo study of Mueller matrix decomposition in the backscattering geometry J Appl Physics., 105(10): 102023-8 Ghosh N, Wood MFG, Li SH, Weisel RD, Wilson BC, Li RK, and Vitkin IA (2009) Mueller matrix decomposition for polarized light assessment of biological tissues J Biophoton., 2(3): 145-156 (22) Guo X, Wood MFG, and Vitkin IA (2006) Angular measurements of light scattered by turbid chiral media using linear Stokes polarimeter Journal of Biomedical Optics, 11(4): 041105 Guo X, Wood MFG, and Vitkin IA (2007) Stokes polarimetry in multiply scattering chiral media: effects of experimental geometry Applied Optics, 46: 4491–4500 Hsu WL, Myhre G, Balakrishnan K, Brock N, Mohammed IE, and Pau S (2014) Full-Stokes imaging polarimeter using an array of elliptical polarizer Opt Exp., 22 (3): 3063-3074 Kaminsky W, Claborn K, and Kahr B (2004) Polarimetric imaging of crystals Chem Soc Rev., 33(8): 514-525 Kaminsky W, Geday MA, Cedres JH, and Kahr B (2003) Optical rotatory and circular dichroic scattering J Phys Chem A, 107(16): 2800-2807 Lo YL, Pham TTH, and Chen PC (2010) Characterization on five effective parameters of anisotropic optical material using Stokes parameters-Demonstration by a fiber-type polarimeter Opt Exp., 18(9): 9133-9150 Moffitt T, Chen YC, and Prahl SA (2006) Preparation and characterization of polyurethane optical phantoms J Biomed Opt., 11: 041103-1-041103-10 Ortega-Quijano N and Arce-Diego JL (2011) "Mueller matrix differential decomposition" Opt Lett 36(10), 1942-1944 Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số * 2015 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Ortega-Quijano N and Arce-Diego JL (2011) Depolarizing differential Mueller matrices Opt Lett., 36(13), 2429-2431 Pham TTH and Lo YL (2012) Extraction of effective parameters of anisotropic optical materials using decoupled analytical method J Biomed Opt., 17(2), 25006-1-25006-17 Pham TTH and Lo YL (2012) Extraction of effective parameters of turbid media utilizing the Mueller matrix approach: Study of glucose sensing J Biomed Opt., 17(9), 097002-1-097002-15 Pickering JW, Prahl SA, van Wieringen N, Beek JF, Sterenborg HJCM, van Gemert MJC (1993) Double-Integrating-Sphere System for Measuring the Optical Properties of Tissue Appl Opt., 32: 399-410 Tinoco I Jr., Bustamante C, and Maestre MF (1980) The optical activity of nucleic acids and their aggregates Ann Rev Biophys Bioengineerin, 9: 107-141 Tuchin VV (ed.), Selected papers on Tissue optics: Applicactions in Medical Diagnostics and Therapy, Vol MS102, SPIE Press, Bellingham, WA, 1994 Wang X and Wang LV (2002) Propagation of polarized light in birefringent turbid media: A Monte Carlo study J Biomed Opt., 7(3): 279-290 Wood MFG, Ghosh N, Moriyama EH, Wilson BC, and Vitkin IA (2009) Proof-of-principle demonstration of a Mueller matrix decomposition method for polarized light tissue characterization in vivo Journal of Biomedical Optics, 14(1): 014029-5 Wood MFG, Guo XX, and Vitkin IA (2007) Polarized light propagation in multiply scattering media exhibiting both linear birefringence and optical activity: Monte Carlo model and experimental methodology Journal of Biomedical Optics, 12(1): 014029-10 Ngày nhận báo: 17/05/2015 Ngày phản biện nhận xét báo: 01/06/2015 Ngày báo đăng: 05/09/2015 ... polyurethane ứng dụng để phát chẩn đoán bệnh Phương pháp đo xác nhằm xác định Nhiều phương pháp khác đề xuất tính chất quang học vật liệu quang điện để xác định tính chất quang học mơ mẫu sinh học cần... máy phân cực kế PHƯƠNG PHÁP ĐO Đối tượng nghiên cứu Phần trình bày phương pháp kỹ thuật để tính tốn thơng số quang học tính chất LB, LD, CB CD mô sinh học Lưu ý mơ hình quang học vật liệu không. .. LD / CD mẫu cách sử dụng bốn phần tử m11, m12, m13 m14 Trong thiết lập biểu diễn Hình 1, mẫu chiếu sáng cách sử dụng ánh sáng đầu vào phân cực khác nhau, cụ thể ánh sáng phân cực thẳng (tức Sˆ00