автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Исследование оптоакустического эффекта в средах с углеродными наноматериалами и разработка системы диагностики клеток в кровотоке

На правах рукописи

ДЖУПЛИНА Галина Юрьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТОАКУСТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В СРЕДАХ С

УГЛЕРОДНЫМИ НАНОМАТЕРИАЛАМИ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ

/

ДИАГНОСТИКИ КЛЕТОК В КРОВОТОКЕ

Специальность: 05.11.17 «Приборы, системы и изделия медицинского

назначения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 СЕН 2011

Таганрог 2011

4853142

Работа выполнена в Технологическом институте Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» в г. Таганроге на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор И.Б. СТАРЧЕНКО (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Омельченко В.П. (РостГМУ, г. Ростов-на-Дону)

доктор физико-математических наук, профессор Серба П.В. (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

Ведущая организация: Федеральное государственное

унитарное предприятие «Таганрогский научно-исследовательский институт связи», г. Таганрог

Зашита состоится «29» сентября 2011 г. в 1420 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.23 при Южном федеральном университете по адресу: Ростовская обл., г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, ауд. Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной библиотеке Южного федерального университета.

Автореферат разослан «_»_2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совет;

И.Б. Старченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Известно, что кровь выполняет очень важные функции в организме. Прежде всего, это транспортная система. Она проходит через весь наш организм, взаимодействует с каждой клеткой. Поэтому качество крови играет первостепенную роль в определении состоянии здоровья человека. Сложно найти причину заболевания, если нет данных анализа крови. Анализ крови -самое распространенное в современной медицине лабораторное исследование, с помощью которого можно определить как общее состояние человека, так и состояние большинства его органов и систем. Также он применятся в случае, когда необходима дополнительная информация для постановки более точного диагноза и назначения лечение. Диагностика крови может проводиться несколько раз, что позволяет оценивать эффективность лечения и изменения состояния пациента.

Одной из основных проблем при разработке методов диагностики крови является взятие пробы для анализа в количестве нескольких миллилитров. Таким образом, существует,- вероятность пропустить некоторое количество бактерий во всем объеме крови пациента (5-7 л). Достаточно пропустить одну бактериальную клетку из этой пробы, которая способна вызвать и размножить сепсис.

С развитием и внедрением нанобиотехнологий в медицинскую практику, открываются новые горизонты в исследованиях крови как in vivo так и in vitro. Это связано с тем, что современная технология позволяет работать с веществом в микрометровых и даже нанометровых масштабах. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул. Одной из ключевых возможностей наноматериалов применительно к биологии и медицине является то, что они могут легко поглощаться клетками и поэтому могут выступать в роли переносчиков различных молекул, необходимых для лечения и диагностики. Также углеродные нанообъекты имеют свойство адгезии к бактериальным клеткам, а не к клеткам живого организма. Известны работы Гуляева Ю.В. и др., в которых исследуется эффект излучения нанопленками акустических сигналов ультразвукового диапазона.

Поэтому для решения диагностических задач исследования биологических структур целесообразно использовать оптико-акустический метод с применение наноразмерных объектов. Оптоакустика - область научных знаний, охватывающая эффекты возбуждения звука лазерным импульсом или модулированным по интенсивности световым пучком. Успехи оптоакустики -во многом заслуга ученых бывшего СССР. Систематические исследования фундаментальных вопросов оптоакустики в нашей стране проводились коллективами под руководством профессоров JI. М.Лямшева и К. А. Наугольных (Акустический институт имени академика Н. Н. Андреева), профессора Ф.В.Бункина (Физический институт имени П. Н. Лебедева)

профессоров С. А. Ахманова и О. В. Руденко (Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова).

«In vivo оптоакустической цитометрией потока крови» называют методику, при которой вследствие оптоакустического эффекта генерируется звуковое поле, регистрируемое ультразвуковым преобразователем. Достоинством оптоакустического метода с использованием наноразмерных объектов является возможность потенциального обнаружения единичной бактерии или раковой клетки в кровотоке, что позволит получить новые качественные и количественные результаты в исследованиях жидких сред организма, в отличие от существующих в настоящее время аналогов. Подобные исследования проводились В. Жаровым и др. (Университет медицинских наук, Арканзас, Литл-Рок).

Таким образом, достоинством оптоакустического метода с использованием наноразмерных объектов является возможность потенциального обнаружения единичной бактерии или раковой клетки в кровотоке, что позволит получить новые качественные и количественные результаты в диагностике жидких сред организма, в отличие от существующих в настоящее время аналогов.

Цели и задачи работы

Целью диссертационной работы является разработка системы лазерной оптоакустической диагностики клеток в кровотоке с использованием наноразмерных объектов, позволяющей получить качественно новые результаты при неивазивном проведении анализа крови в реальном времени.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи диссертационной работы:

1. Теоретически исследовать процесс лазерного возбуждения акустических сигналов в жидких средах с углеродными нанотрубками (УНТ) и нановолокнами (УНВ).

2. Разработать модель процесса лазерного возбуждения и рассеяния акустических сигналов в жидких средах в присутствии наночастиц.

3. Разработать лабораторную установку для проведения экспериментальных исследований лазерного возбуждения и рассеяния оптоакустических сигналов в углеродных нанотрубках.

4. Разработать модели биологических сред с нанотрубками для проведения экспериментальных исследований.

5. Экспериментально исследовать процесс лазерного возбуждения и рассеяния акустических импульсов в модельных биологических средах.

6. Разработать алгоритм и методику диагностики жидких биологических сред оптоакустическим методом с использованием наноразмерных структур

Методики исследования

Эксперименты проводились на базе ЦКП «Лазерный центр» ЮФУ. Достоверность вычислений обеспечивалась статистической значимостью, а также сравнением с результатами, полученными другими методами и средствами. Основные выводы и положения сравнивались с известными результатами и были теоретически обоснованы.

Научная новизна диссертационной работы

1. Разработана теоретическая модель оптоакустического эффекта в жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов (нанотрубок и нановолокон).

2. Проведены экспериментальные исследования генерации акустического сигнала ультразвукового диапазона при облучении лазером жидкой суспензии углеродных нанотрубок и нановолокон.

3. Разработаны принципы построения системы оптоакустической диагностики жидких биологических сред с использованием наноразмерных объектов.

Практическая значимость работы

1. Разработана методика расчета акустического поля в жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов (нанотрубок и нановолокон).

2. Разработана методика проведения экспериментальных исследований оптоакустического эффекта в жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов (нанотрубок и нановолокон).

2. Разработан алгоритм реализации метода оптоакустической диагностики жидких биологических сред с использованием наноразмерных объектов.

Внедрение результатов работы

Разработанные принципы построения системы и методика анализа биожидкостей были использованы в ООО «Лазерные технологии», г. Таганрог.

Методика возбуждения и регистрации оптоакустического сигнала в модельной биосреде с нанообъектами оформлена в виде лабораторной работы и используется в учебном процессе кафедры ЭГА и МТ ТТИ ЮФУ для студентов специальности 200401 в рамках курсов «Теория биотехнических систем», «Измерительные преобразователи и электроды».

Исследования, проведенные в диссертационной работе, выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, ФЦП ««Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (мероприятие 1.3.2), ГК №14.740.11.0452; поддержаны «Ползуновским грантом», 2009 г. и стипендией Американского акустического общества (ASA), 2010 г.

Апробация работы

Основные результаты работы обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. XXI Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (БИОМЕДСИСТЕМЫ-2008), Рязань.

2. Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Перспективы фундаментальной и прикладной науки в сфере медицинского приборостроения», г. Таганрог, 2009 г.

3. П1 Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины», г. Ростов-на-Дону, 2009 г.

4. Ползуновские чтения-2009, г. Барнаул.

5. Всероссийской конференции «Медицинские информационные системы», г. Таганрог, 2008,2010 гг.

6. XXII сессии Российского акустического общества, г. Москва, 2010 г.

7. 8-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века - будущее российской науки», Ростов-на-Дону, 2010 г.

8. Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТТИ ЮФУ, Таганрог, 2009-2011 гг.

Работа была обсуждена на совместном заседании кафедр электрогидроакустической и медицинской техники (ЭГА и МТ), автоматизированных систем научных исследований и экспериментов (АСНИ и Э), технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры (ТМ и НА), конструирования электронных средств (КЭС) от 22 июня 2011 г.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, среди которых 5 работ в журнале из Перечня ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 140 наименований, приложений. Содержание диссертационной работы изложено на 138 страницах.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Результаты теоретических исследований оптоакустического эффекта в жидкой суспензии, с учетом вклада углеродных наноматериалов.

2. Результаты экспериментальных исследований оптоакустического

эффекта в модельной среде с углеродными нанотрубками и нановолокнами.

3, Принципы построения системы оптоакустической диагностики жидких биологических сред.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, кратко изложено содержание диссертации, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе содержится обзор литературных и библиографических источников по ключевым моментам диссертационной работы, выполнен обзор и анализ современных методов диагностики крови, рассмотрены их основные достоинства и недостатки. Рассмотрены основные возможности применения нанотехнологий в медицине. Показана актуальность использования целенаправленных наночастиц и углеродных нанотрубок для выявления ранних стадий рака, используя ультразвуковое оборудование. Показана актуальность применения оптико-акустического метода в задачах диагностики жидких сред организма. Следует отметить, что полученные в этих исследованиях результаты весьма противоречивы, еще Ьтсутствует надежная методология исследования ЭЭГ методами нелинейной динамики.

Во второй главе проведены теоретические исследования процесса лазерного возбуждения акустических сигналов в рассеивающих средах. Задача главы - смоделировать форму оптоакустического импульса в биологической среде. Рассмотрены процессы формирования оптоакустических полей при облучении лазером физраствора и рассеяния оптоакустических импульсов на бактериальных частицах.

Целью настоящей главы является разработка теоретической модели оптической генерации акустического поля в жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов, а именно углеродных наноматериалов.

Предлагается, что суммарное акустическое поле, формируемое в среде, будет складываться из двух составляющих: поля, формируемого оптическим импульсом, в жидкой среде и поля, формируемого самими углеродными наночастицами.

Для реализации данного предположения были рассмотрены теоретические модели оптоакустического эффекта в жидких средах и анизотропном твердом теле.

Рассмотрим систему уравнений, описывающих оптоакустический эффект. Исходной системой являются уравнения гидродинамики вязкой жидкости. Используя их, получаем неоднородное волновое уравнение для акустического давления.

1 д2р' Ъ д с20 5/2 + с„р0 д! Источники в правой части (1) имеют вид:

Со д1 сарй Э/

в = РоЯ ,,

д2Г dt2

Изменение температуры находится из уравнения теплопроводности: 5 У

(2) (3)

где ср- удельная теплоемкость; х - коэффициент теплопроводности, -вектор Умова-Пойнтинга электромагнитной волны, усредненный по быстрым

осцилляциям с оптическими частотами.

ос

Для определения функции р {p\z,t) = jp(a>,z)-e'*"dtv) получаем

обыкновенное дифференциальное уравнение:

1+/

. Ьсо

соРо

dp со

Ы,

dz2

(4)

Ьсо

Т.к. безразмерный диссипативный параметр —— всегда можно считать малым;

clPo

для выяснения особенностей процесса преобразования свет-звук им можно пренебречь. Общее решение уравнения (4) имеет вид

р = С,е+С,е с"

у9/0с„ . ф//С0

с J 1 + (<оИсаУ

-f{co)e-

(5)

Вблизи поверхности (при г</) возникает сложный режим стоячих и бегущих волн; именно в этом слое 0 < г < / происходит ОА-преобразование. При г > I существует лишь бегущая от границы волна, которая описывается выражением

Cpl ] + (ü)l / С„)

(6)

Совершая преобразование Фурье, найдем решение для поля бегущей акустической волны:

p\z, 0 = т/(а>) ■ е'^Чсо = П f(t')df. (7)

Сг С/> -«, с0

Смоделируем акустические сигналы, возбуждаемые одиночными световыми импульсами в однородных и оптически неоднородных средах. Пусть форма светового импульса описывается функцией /(<) = ехр(-/2 /?02). Пользуясь решением (7) и выполняя интегрирование, найдем

/ \ А

1-Ф

т А

_ + _

v'o 2

-е

1 + Ф

v'o

где r=t-z/c0 - сопровождающая координата; характеризующее эффективность ОА-преобразования.

A=c¿Jl

(8)

число,

Акустические импульсы, построенные по формуле (8), изображены на рис. 1 для различных значений числа А. Видно, что при ОА-преобразовании возбуждаются двуполярные акустические импульсы: за фазой сжатия следует фаза разрежения. Такая форма сигналов обусловлена свободным характером поверхности воды.

а) б)

в)

Рисунок 1 - Эволюция профиля оптоакустического импульса в нелинейной диссипативной среде: а) г = 0,1 мкс; б) т = 1 мкс; в) г = 10 мкс

Геометрия взаимного расположения излучателя и приемника акустических сигналов в задачах ОА диагностики может быть различной. В схеме прямой регистрации возбуждение и регистрация происходят с противоположных сторон исследуемой среды, в схеме косвенной регистрации -с одной стороны.

Рассмотрим вторую составляющую модели оптоакустического эффекта в жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов. Представим конгломераты нанотрубок в виде анизотропного твердого тела. Были проведены исследования акустических свойств углеродных нанотрубок. Показано, что в пленках нанотрубок возникает эффект электрострикции и

возбуждаются объемные акустические волны. Эти исследования и приведенные авторами константы нанотрубок явились предпосылкой для дальнейших теоретических исследований.

В кристаллах, в которых существуют либо могут быть созданы свободные носители зарядов (металлы, полупроводники), электромагнитное излучение может воздействовать непосредственно на них. А уже взаимодействие свободных носителей с кристаллической решеткой может приводить к генерации звука.

В основе описания этого взаимодействия лежит предположение о том, что акустическая волна, модулируя межатомные расстояния, тем самым модулирует зонную структуру кристалла. Считается, что в первом приближении сдвиги энергетических уровней электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне пропорциональны тензору деформаций кристалла и,у.

Волновое уравнение, описывающее электрострикционное возбуждение звука в кристалле, имеет вид

0 812

(9)

дх>дхк —;

где ат - фотоупругий, или электрострикционный тензор

Выбор геометрии задачи и кристалла определенной симметрии позволяет описать взаимодействие с помощью единственной константы электрострикции К. Уравнение "для продольных акустических волн выглядит следующим образом:

Ро

д2 "

дгд(

ГЕА

8л

•со$(й>1 - ка2 + А кг - %)

(Ю)

В правой части уравнения (10) опущены гармоники с частотами 2«;|. 2со12, 2аи+2т1г, которые не попадают в спектральный диапазон акустических волн. Дк представляет собой использовано разность волновых чисел акустической и световых волн:

ДА = к0-к,л-ки ^сгй)-с-л]саи-с;\а1г. (11)

Величина ф/(ка-Ак) имеет смысл скорости движения У0 источников звука. При выполнении условия волнового синхронизма (М=0) скорость К„ совпадает со скоростью звука: У0=со/кй= с,. В этом случае наблюдается

эффективная генерация акустических волн.

В случае закрепленной границы г = 0 получим решение справедливое в области г>Ь\

16лр0с\\ ль'0 °

М/2

Ак/2-к„

хеш

а>г + 1| |

(12)

Второе слагаемое здесь описывает акустические волны, отраженные от

границы г =0. В процессе генерации они распространялись в направлении, противоположном движению источников. Результаты расчетов по выражению (12) представлены на рис. 2.

Ру„.нори

-6 ТО» ■

-8-Ю-5 -10-Ю5 -12-10® -MIO*

-16Ю-5

Ш1Р

Щщ ll.il

и!»

II

I И

II

М

'¡I

0,2 0.4 0,6 0,8 1 т/1е r/t,

а) б)

Рисунок 2 - Акустическое поле, формируемое углеродными наночастицами: а) для г = 10iuun; б) для Т = 1шт На рис. 3 представлен расчет по теоретической модели олтоакустического эффекта в жидкой среде с наночастицами как результат суммирования полей рис. 1 и рис. 2.

0 2 4 6

t/t,

0,2 0,4 0,6 0,8 1

ГЛ

а) б)

Рисунок 3 - Суммарное акустическое поле, формируемое УНТ и средой: а) для г = 10 б) для т =1Ш„

Видно, что присутствие наноразмерных частиц в среде дает некоторую добавку к уровню акустического давления. К сожалению, оценить точно ее величину не представляется возможным из-за разброса в электрофизических параметрах нанотрубок в несколько порядков.

Третья глава содержит экспериментальную часть данной диссертации. В данной главе экспериментально исследован процесс генерации ОА волн при поглощении лазерного излучения. Экспериментальные исследования возбуждения оптоакустических полей в исследуемой пробе проводились в Центре коллективного пользования «Лазерный центр» Южного Федерального

Университета. Интегральная установка была построена с использованием ИК лазера, модель LIMO 100-532/1064-U на основе Nd:YAG лазера с фиксированной длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 45 не, и энергией в импульсе, которая могла задаваться программно в диапазоне 0,1 до 100 Вт. Значение частоты следования импульсов (ЧСИ) /„Р лазера - 100 кГц. Облучение раствора УНМ лазером выполнялось с помощью настраиваемой цилиндрической линзы формировавшей линейный луч лазера диаметром от 3,5 мм. Для контроля энергии в лазерном импульсе использовался энергометр. На рис. 4 представлена структурная схема экспериментальной установки.

Запускающий генератор

Лазер Nd.YAG X« 1064 км

Исследуемый раствор

Усилитель Фильтр ВЧ УЗ п реобразователь

Цифровой осциллограф

ПК

Рисунок 4 - Структурная схема экспериментальной установки для исследовании оптоакустического эффекта в суспензийях УНМ

Для проведения исследований использовались углеродные нанотрубки со средней длиной 5 мкм и диаметром 20 нм и углеродные нановолокна со средней длиной и диаметром 70 мкм и 30 нм, соответственно, которые были изготовлены в НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ. Раствор с нанообъектами обрабатывался в ультразвуковой ванне в течение 15 мин для равномерного распределения агрегатов. Средний размер агрегатов УНТ и УНВ в растворе контролировался при помощи оптической визуализации. Суспензия из наночастиц состояла из отдельных нанотрубок и агрегатов нанотрубок. В зависимости от продолжительности обработки ультразвуком размер агрегатов был сформирован в диапазоне от 0,3 нм до 25 мкм.

Сгенерированный лазером ОА сигнал детектировался ультразвуковым преобразователем, который прикреплялся к стенке кюветы. Кювета наполнялась раствором, содержащим УНТ в различных концентрациях. Расстояние от лазерного пятна до УЗ приемника составляло 0,5-1 см. Сигнал от УЗ датчика усиливался и регистрировался цифровым осциллографом. Полученные данные сохранялись в файл на ПК и обрабатывались отдельно.

сигнал

О А сигнал в 10% растворе желатина

Облучались образцы с раствором (рис. 5), содержащим наночастицы, объемом 30 мл и концентрацией УНМ 0,5-2,5 мг/мл.

На рис. 6 изображены осциллограммы соответствующих оптоакустических сигналов без УНМ и в суспензии УНМ.

Рисунок 5

- Пробы модельных суспензий

Спехггр ОА сигнала

ОА сигнал в 10% растворе желатина с УНТ

растворе желатина с УНВ Спектр ОА сигнала

Рисунок 6 - Результаты экспериментальных исследований

Электронные помехи и акустические колебания, вызванные электромагнитными помехами (наводками) и рассеянием лазерного излучения, устранялись с помощью фильтра верхних частот. С помощью программного обеспечения для цифрового осциллографа записывались сигналы, которые можно было сохранять в виде отдельных файлов с расширением ёйо и проводить их обработку. Это позволяет устранить электронные и низкочастотные шумы. Для каждого лазерного импульса программное обеспечение обрабатывает акустические волны, измеряет амплитуду ОА сигнала, и сохраняет соответствующий номер импульса и амплитуду ОА сигналов на жесткий диск. Итоговый набор данных для каждого эксперимента включал амплитуды ОА сигналов, соответствующие каждому последующему лазерному импульсу.

Все записи из базы данных были проанализированы на предмет соответствия нулевой гипотезе белого шума. Для этих целей использовался О-тест Льюнга-Бокса (портманто-статистика). Параметр £> является мерой того насколько велика взвешенная сумма квадратов первых т автокорреляций р. Чем больше значение 0, тем более очевидна несостоятельность нулевой гипотезы белого шума. Результаты исследований сведены в табл. 1.

Табл. 1

С>-тест на белый шум

Образец б Р

Суспензия УНТ 0,5 мг/мл 35,66-44,0 9,63-10"5 - 3,3-10"6

Суспензия УНТ 2,5 мг/мл 42,22- 105,47 6,84- Ю"6- 4,36-10"18

Суспензия УНВ 0,5 мг/мл 69,34- 179,98 5,94-10'"-2,36-Ю"33

Суспензия УНВ 2,5 мг/мл 186,9-112,4 8,64-10"-1,75-10""

10% Желатин . 26,5-33,3 3,1 ТО"3 -2,410"4

Шум 3,81-0,054 0,95 - 1

Можно сказать, что с высокой долей вероятности р исследуемые акустические сигналы не являются «белым шумом», а, следовательно, несут информацию об исследуемом процессе.

Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 7.

Суспензия с концентрацией УНВ 0,5 мг/мл и 10% желатин

I Рисунок 7 - Сравнительные осциллограммы и спектры мощности

I

Анализ графиков рис. 7 показывает, что присутствие в жидкой среде УНМ, образующих суспензию, приводит к повышению уровня акустического сигнала. В суспензиях с УНВ сигнал имеет больший уровень, чем в суспезиях с УНТ. Это, вероятно, обусловлено большим размером нановолокон по сравнению с нанотрубками. Максимум спектра мощности приходится на частоту порядка 1 МГц ± 250 кГц. Это обусловлено особенностями используемой лазерной установки и полосой приемных УЗ датчиков. Следует ожидать, что оптоакустический сигнал имеет больший диапазон, чем показано на спектрах рис. 7. Применение для регистрации более широкополосных приемников позволит получить более точные результаты.

Таким образом, разработана установка для экспериментальных исследований генерации оптоакустических волн в различных суспензиях. Были подготовлены и исследованы суспензии с различными концентрациями углеродных наночастиц и нановолокон. Проведен анализ базы записей ОА сигналов, выявлено возрастание амплитуды основной гармоники ОА сигнала в присутствии УНТ и УНВ.

В четвертой главе показана возможность практического использования методов оптоакустической диагностики тканей организма. Сформулированы принципы построения системы и методика для проведения диагностических исследований крови с использованием оптоакустической цитометрии.

Рассмотренный в главе 3 оптоакустический эффект от скоплений УНМ в растворе можно. практически применить в методе проточной цитометрии in vivo. Как известно, углеродные наночастицы имеют сродство к компонентам тканей и внеклеточного матрикса, например, к форменным элементам крови, бактериальным или раковым клеткам и их можно использовать в качестве контрастных агентов.

УНМ сильно поглощают лазерное излучение, и вследствие оптоакустического эффекта генерируется звуковое поле, регистрируемое ультразвуковым преобразователем. Так как углеродные нанотрубки имеют сильную адгезию к бактериальным клеткам, а не к собственным клеткам живого организма, поэтому наличие сигнала говорит о присутствии бактерий в пробе. На рис. 8 представлена схема метода обнаружения бактериальных клеток в кровотоке.

Для проведения диагностики кровеносный сосуд облучают лазером длиной волны 1064 нм с допустимой плотностью энергии 20 мДж/см2. Если в кровотоке имеются бактериальные клетки, иммобилизированные УНТ, то под действием лазерного импульса формируется оптоакустический сигнал, который обнаруживается ультразвуковым датчиком, расположенным на расстоянии 0,5-1 см от лазерного пятна и является индивидуальным показателем аномальной клетки и служит диагностическим признаком. С помощью проточной цитометрии in vivo мы можем просканировать весь объем крови пациента за время полного кругооборота 20-23 с и подсчитать количество аномальных клеток.

Поток крови

Луч лазера

Акустические волны

Клетки с наиочастицами Рисунок 8 -

Венозный сосуд Клапан в живом организме

Метод ОА проточной цитометрии in vivo

Алгоритм методики диагностики клеток в кровотоке приведен на рис. 9.

Начало обследования

________1______

Включение лазера

I Подключение осциллографа к сети!

Регистрация сигнала УЗ преобразователем

Фильтрация сигнала

Усиление сигнала

Включение ПК

осциллограф

...... . i Подача лазерного импульса 1

Запуск

i \ , -i- -*

V

- Акустический ; { Поступление | 1 отклик ; сигнала на '_ Запись

Анализ осциллогра

Диагноз

Завершение V Сохранение

\ обследования ) результата

'..... ■ ■ 1

Рисунок 9 - Блок-схема алгоритма методики проведения проточной цитометрии

Далее лазер формирует световые импульсы, направленные на кровеносный сосуд пациента в течение 24 секунд. При наличии бактериальных клеток с наночастицами в кровотоке генерируется акустический отклик, который регистрируется УЗ преобразователем и далее проходит фильтрацию и усиление. Далее сигнал поступает на цифровой осциллограф, который формирует осциллограмму и выводит ее на ПК. В реальном времени мы можем просматривать осциллограмму и сохранять данные, поступившие на ПК для дальнейшей обработки и анализа. Далее подсчитываются пики амплитуды, соответствующие акустическим откликам от скоплений наночастиц на бактериальных клетках, выводится и сохраняется диагноз.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Рассмотрены современные цитометрические методы исследования биологических сред организма и выявления определённых клеток в исследуемых образцах. Показано, что актуальным является внедрение новых методик с использованием наноразмерных объектов для улучшения анализа крови. Рассмотрены перспективы применения методов с использованием контрастных наноагентов в диагностике тканей. Исследована возможность применения оптоакустического метода с их использованием наночастиц в медицине.

2. Рассмотрены принципы оптоакустической генерации звуковых волн в жидкости и оптическая генерация акустических волн в анизотропных твердых телах. Разработана математическая модель оптоакустического эффекта в среде с нанотрубками.

3. Разработана установка для экспериментальных исследований генерации оптоакустических волн в жидких средах в присутствии наноматериалов.

4. Подготовлены и экспериментально исследованы суспензии с концентрациями наночастиц 0,5-2,5 мг/мл.

5. Экспериментально установлено увеличение уровня амплитуды акустического сигнала в среде с наноматериапами на величину порядка 5-15 дБ по сравнению с водным раствором желатина.

6. Экспериментально установлено, что уровень акустического сигнала в суспензии нановолокон выше на величину порядка 8-5 дБ, чем в суспензии нанотрубок.

7. Разработаны методика исследования наноразмерных артефактов в кровотоке, принципы построения установки для проведения диагностики клеток в кровотоке и алгоритм методики обследования.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ: Статьи в журналах из «Перечня» ВАК

1. Джуплина Г.Ю., Поляков В.В., Старченко И.Б. Перспективы применений нанотехнологий в биомедицинской инженерии // Известия ЮФУ. Технические науки. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. - С. 221-225

2. Джуплина Г.Ю., Старченко И.Б. Теоретическая модель оптикоакустического эффекта в среде с наноразмерными рассеивателями // Известия ЮФУ. Технические науки. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. -№ 10.-С. 189-192.

3. Джуплина Г.Ю., Старченко И.Б. Система и методика исследования наноразмерных артефактов в кровотоке // Известия ЮФУ. Технические науки. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. - № 8. - С.61-64

4. Джуплина Г.Ю., Домбругова Е.Г., Дорогобед Л.А., Старченко И.Б., Чернов H.H. Моделирование физических полей, процессов и сигналов в медико-биологической практике // Известия ЮФУ. Технические науки-Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. - № 1. - С.31-35

5. Джуплина Г.Ю., Закарян В.А., Калашников Г.В., Саенко A.B., Старченко И.Б. Экспериментальные исследования оптоакустического эффекта в модельных суспензиях нанотрубок и нановолокон // Известия ЮФУ. Технические науки - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. - № 9. - С. BIOS

Статьи в других изданиях и тезисы докладов на конференциях

6. Джуплина Г.Ю. Оптоакустический метод диагностики тканей организма с использованием наноразмерных частиц и объектов. // Сборник трудов XXI Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (БИОМЕДСИСТЕМЫ-2008), Рязань. - С. 243-244.

7. Джуплина Г.Ю., Соботницкий И.С., Старченко И.Б., Шашкин М.С. Ультразвуковые методы исследования крови с применением наночастиц // Материалы III Международной научно-практической конференции Ростов-на-Дону «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины», 2009.- С. 244-245.

8. Джуплина Г.Ю., Соботницкий И.С., Шашкин М.С. Оптоакустический цитомер для подсчета бактериальных клеток // Ползуновский альманах, №3/2009.-С. 11-12.

9. Джуплина Г.Ю., Соботницкий И.С., Старченко И.Б., Шашкин М.С. Ультразвуковые исследования крови с применением наноразмерных объектов in vivo и in vitro. II Труды XXII сессии Российского акустического общества. Медицинская акустика и биоакустика. - М.: Изд-во ГЕОС, 2010. - Т.З. - С. 158-162.

10. Джуплина Г.Ю. Оптоакустический цитомер для диагностики тканей // Тезисы трудов I Всероссийской молодежной школы-семинара «Инновации и перспективы медицинских информационных систем», Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010,- С. 112-113.

11. Джуплина Г.Ю. Нелинейное распространение оптоакустических импульсов в биологических жидкостях. Сборник материалов докладов 8-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века - будущее российской науки». - Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2010. -Т.1. - С.121-122.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежат следующие результаты:

• в работе [1] - выполнен аналитический обзор биомедицинских нанотехнологий;

• в работе [2] - проведены численные исследования модели;

• в работе [3] - разработана методика исследований и условия проведения экспериментов;

• в работе [4] - выполнено моделирование оптоакустических полей в биологических средах;

• в работе [5] - проведена подготовка модельных суспензий нанаотрубок и выполнены эксперименты;

• в работе [7] - предложен метод ультразвуковой диагностики крови;

• в работе [8] - разработаны принципы построения системы для диагностики клеток и алгоритм ее работы;

• в работе [9] - разработана установка для проведения экспериментальных исследований.

ЛР 02205665 от 23.06.1997 г. Подписано к печати_._. 2011г.

Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Усл.п. л. -

Заказ №¿5/2- Тираж 100 экз. ___©_

Издательство Технологического института Южного федерального университета в г.

Таганроге

Таганрог, 28, ГСП 17А, Некрасовский, 44 Типография Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге Таганрог, 28, ГСП 17А, Энгельса, 1

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ОПТОАКУСТИКИ В БИОМЕДИЦИНЕ.

1.1 Термооптическое возбуждение звука.

1.2 Оптические свойства исследуемых объектов.

1.3 Аналитический обзор возможности использования наноразмерных объектов в биомедицинских исследованиях.

1.4 Оптоакустические методы и приборы.

1.5. Выводы по главе.

ГЛАВА II ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ С ПРИСУТСТВИЕМ НАНОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ.

2.1 Моделирование оптоакустических полей при облучении лазером пробы.

2.1.1 Схема прямой регистрации.

2.1.2 Схема косвенной регистрации.

2.3 Трансформация ОА импульсов при распространении в линейной среде.

2.4 Исследования эффективности лазерной генерации звука в пробе.

2.5 Оптическая генерация акустических волн в анизотропных твердых телах.

2.6. Выводы по главе.!.

ГЛАВА III ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ С ПРИСУТСТВИЕМ НАНОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ.

3.1 Описание экспериментальной установки для проведения исследований.

3.1.1 Лазерный комплекс LIMO 100-532/1064-4.

3.1.2 УЗ датчики для измерения О А сигнала в среде с нанотрубками.

3.2 Подготовка модельных сред для исследования оптоакустического эффекта.

3.3 Создание экспериментальной базы записей О А сигналов и предварительный анализ.

3.4 Обработка и анализ экспериментальных данных.

3.5 Выводы по главе.

ГЛАВА IV РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И АЛГОРИТМА РАБОТЫ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ КЛЕТОК В КРОВОТОКЕ.

4.1 Принципы построения системы диагностики клеток в кровотоке с использованием наноразмерных артефактов.

4.2 Разработка алгоритма диагностики клеток в кровотоке методом проточной цитометрии IN VIVO с использованием наноразмерных артефактов.

4.3. Выводы по главе.

Кровь выполняет ряд важных функций в организме: транспортирует кислород, углекислый газ и питательные вещества; распределяет тепло по всему организму; доставляет гормоны и другие регулирующие вещества к различным органам; поддерживает постоянство внутренней среды и несет защитную (иммунную) функцию. Она проходит через весь организм и взаимодействует с каждой клеткой. Поэтому качество крови играет важную роль в определении состоянии здоровья человека.

Анализ крови - распространенное в современной медицине лабораторное исследование, с помощью которого можно определить как общее состояние человека, так и состояние большинства его органов и систем. Также он применяется в случае, когда необходима дополнительная информация для постановки более точного диагноза и назначения лечения. Диагностика крови может проводиться несколько раз, что позволяет оценивать эффективность лечения и изменения'состояния пациента.

До середины 20-го века для того, чтобы определить присутствуют ли в биологическом образце клетки, в каком количестве и каких типов, исследователь должен был сам интерпретировать изображение в микроскопе [1, 78]. Впоследствии разработанный химиками и физиками инструментарий для световых измерений был адаптирован для микроскопа, что, в свою очередь, обусловило возникновение цитометрии, которая в настоящее время обобщает множество технологий, которые помогают человеку или даже занимают его место в осуществлении многочисленных задач в биомедицинских исследованиях и клинической медицине.

Одной из основных проблем при разработке методов диагностики крови является взятие пробы для анализа в количестве нескольких миллилитров. Таким образом, существует вероятность пропустить некоторое количество бактерий во всем объеме крови пациента (5—7 л) [4-6, 64, 65].

С развитием и внедрением нанобиотехнологий в медицинскую практику, открываются новые возможности в исследованиях крови как in vivo, так и in vitro. Это связано с тем, что современная технология позволяет работать с веществом в микрометровых и даже нанометровых масштабах. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур -клеток, их составных частей (органелл) и молекул [14 - 16].

Оптоакустика — область научных знаний, охватывающая эффекты возбуждения звука лазерным импульсом или модулированным по интенсивности световым пучком. Методику с использованием оптоакустического (OA) эффекта для исследования крови можно называть «оптоакустической цитометрией потока крови», потому что она позволяет подсчитывать и классифицировать клетки в кровотоке, подобно обычной цитометрии, основанной на флуоресцентном изучении потока крови, в которой клетки управляемо протекают через стеклянные капилляры [71]. Поэтому для решения диагностических задач исследования биологических структур целесообразно использовать оптоакустический метод с применение наноразмерных объектов [8, 80, 81, 83].

Достоинством оптоакустического метода с использованием наноразмерных объектов является возможность потенциального обнаружения единичной бактерии или раковой клетки в кровотоке, что позволит получить новые качественные и количественные результаты в исследованиях жидких сред организма, в отличие от существующих в настоящее время аналогов. Подобные исследования проводились В.

Жаровым и др. (Университет медицинских наук, Арканзас, Литл-Рок) [10, 26, 45,47,51].

Диссертация состоит из 4 глав, введения, заключения, библиографического списка и приложений. ►

Во введении сформулированы цели и задачи работы. Кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе содержится обзор литературных и библиографических источников по ключевым моментам диссертационной работы, выполнен обзор и анализ современных методов диагностики крови, рассмотрены их основные достоинства и недостатки. Рассмотрены основные возможности применения нанотехнологий в медицине. Показана актуальность использования целенаправленных наночастиц и углеродных нанотрубок для выявления ранних стадий- рака, используя ультразвуковое оборудование. Показана актуальность применения оптоакустического метода в задачах диагностических исследований жидких сред организма. На основании выполненного обзора сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе проведены теоретические исследования процесса лазерного возбуждения акустических сигналов в жидких средах с неоднородностями. Задача главы - смоделировать оптоакустический сигнал в биологической жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов. Рассмотрены прямой и косвенный метод регистрации акустических сигналов.

Третья глава содержит экспериментальную часть данной диссертации. В данной главе экспериментально исследован процесс генерации ОА волн при поглощении лазерного излучения. Были получены осциллограммы ОА сигналов в среде с нанообъектами. Экспериментальные исследования возбуждения оптоакустических полей в исследуемой пробе проводились в Центре коллективного пользования «Лазерный центр» Южного Федерального Университета. Экспериментально установлено увеличение уровня амплитуды акустического сигнала в среде с наноматериалами примерно в 1,6 раза по сравнению с водным раствором желатина. Экспериментально установлено, что уровень акустического сигнала в суспензии нановолокон в 2-2,5 раза выше, чем в суспензии нанотрубок.

В четвертой главе показана возможность практического использования методов оптоакустической диагностики тканей организма. Сформулированы принципы построения системы и разработана методика для проведения диагностических исследований крови с использованием оптоакустической цитометрии.

Библиографический список данной диссертации состоит из 97 наименований.

Приложения представляют собой справки и акты о внедрении основных результатов диссертационной работы.

Новизна исследований, проводимых в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Разработана теоретическая модель оптоакустического эффекта в жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов (нанотрубок и нановолокон).

2. Проведены экспериментальные исследования генерации акустического сигнала ультразвукового диапазона при облучении лазером жидкой суспензии углеродных нанотрубок и нановолокон.

3. Разработаны принципы построения системы оптоакустической диагностики жидких биологических сред с использованием наноразмерных объектов.

Научные положения, выносимые на защиту, формулируются следующим образом:

1. Результаты теоретических исследований оптоакустического эффекта в жидкой суспензии, с учетом вклада углеродных наноматериалов.

2. Результаты экспериментальных исследований оптоакустического эффекта в модельной среде с углеродными нанотрубками и нановолокнами.

3. Принципы построения системы оптоакустической диагностики жидких биологических сред.

Наиболее существенные новые научные результаты:

1. Рассмотрены принципы оптоакустической генерации звуковых волн в жидкости и оптическая генерация акустических волн в анизотропных твердых телах. Разработана математическая модель оптоакустического эффекта в среде с нанотрубками.

2. Разработана установка для экспериментальных исследований генерации оптоакустических волн в жидких средах в присутствии нанотрубок.

3. Подготовлены и экспериментально исследованы суспензии с концентрациями наночастиц 0,5-2,5 мг/мл.

4. Экспериментально установлено увеличение уровня амплитуды акустического сигнала в среде с наноматериалами примерно в 1,6 раза по сравнению с водой.

5. Экспериментально установлено, что уровень сигнала в суспензии нановолокон в 2-2,5 раза выше, чем в суспензии нанотрубок.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана методика расчета акустического поля в жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов (нанотрубок и нановолокон).

2. Разработана методика проведения экспериментальных исследований оптоакустического эффекта в жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов (нанотрубок и нановолокон).

3. Разработан алгоритм реализации метода оптоакустической диагностики жидких биологических сред с использованием наноразмерных объектов.

Основные результаты работы следующие:

1. Рассмотрены современные цитометрические методы исследования биологических сред организма и выявления определённых клеток в исследуемых образцах. Показано, что актуальным является внедрение новых методик с использованием наноразмерных объектов для улучшения анализа крови. Рассмотрены перспективы применения методов с использованием контрастных наноагентов в диагностике тканей. Исследована возможность применения оптоакустического метода с их использованием наночастиц в медицине.

2. Рассмотрены принципы оптоакустической генерации звуковых волн в жидкости и оптическая генерация акустических волн в анизотропных' твердых телах. Разработана математическая модель оптоакустического эффекта в среде с нанотрубками.

3., Разработана установка* для экспериментальных исследований генерации оптоакустических волн в жидких средах в присутствии наноматериалов.

4. Подготовлены и экспериментально исследованы суспензии с концентрациями наночастиц 0,5-2,5 мг/мл.

5. Экспериментально установлено увеличение уровня амплитуды акустического сигнала в среде с наноматериалами на величину порядка 5-15 дБ по сравнению с.водным раствором желатина.

6. Экспериментально установлено, что уровень акустического сигнала в суспензии нановолокон выше на величину порядка 8-5 дБ, чем в суспензии нанотрубок.

7. Разработаны методика исследования наноразмерных артефактов в кровотоке, принципы построения установки для проведения диагностики клеток в кровотоке и алгоритм методики обследования.

По результатам работы опубликовано 11 статей и тезисов докладов [8, 11, 13, 22, 23, 30, 41, 48, 62, 72, 75], из них 5 работ в журналах из «Перечня» ВАК [13, 22, 30, 62, 75].

Исследования, проведенные в рамках диссертационной работы, поддержаны Министерством образования и науки Российской Федерации, ФЦП ««Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (мероприятие 1.3.2), ГК №14.740.11.0452; «Ползуновским грантом», 2009 г. и стипендией Американского акустического общества (ASA), 2010 г.

Результаты, диссертационной работы внедрены в учебный процесс Технологического института Южного федерального университета, в перспективные разработки ЗАО «ОКБ «Ритм», г. Таганрог и ООО «Лазерные технологии», г. Таганрог.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору Старченко Ирине Борисовне, коллективу кафедры электрогидроакустической и медицинской техники, заведующему ЦКП «Лазерный центр» профессору Малюкову Сергею Павловичу, заведующему кафедрой ТМ и НА профессору Агееву Олегу Алексеевичу, заведующему кафедрой химии и экологии профессору [Королеву Алексею Николаевичу) за помощь в проведении исследований и ценные указания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате диссертационной работы был исследован как теоретически, так и экспериментально оптоакустический метод диагностики биологических тканей с использованием наноразмерных частиц. Подробные выводы приведены в конце каждой главы.

1. Shapiro, Н.М. The evolution of cytometers Текст. / H.M. Shapiro // Cytometry. -2004. №58A. - P. 13-20.

2. Shapiro, H.M. Practical flow cytometry Текст. / H.M. Shapiro // NJ: Wiley and Sons. 4th ed. Hoboken.- 2003. P.565-566.

3. Гусев, В.Э. Лазерная оптоакустика Текст. / В.Э. Гусев, А.А.Карабутов // -М.: Наука, 1991. 304 с.

4. Haugland, R.P. Handbook of fluorescent probes and research products Текст. / RP. Haugland // 9th ed. Eugene. -OR: Molecular Probes, 2002.

5. Полетаев, А.И. Проточная цитометрия и сортировка в цитологии, молекулярной биологии, биотехнологии и медицине Текст. / А.И. Полетаев// -М., ВИНИТИ, 1989. 87 с.

6. Davey, Н. Flow cytometry for clinical microbiology Текст. / H. Davey // CLI. -2004. -P.12-15.

7. Boas, G. Photoacoustic Imaging Gets Dynamic Текст. / G. Boas // Biophotonic International. -2008. P. 26-29.

8. Michael, S.H. Acoustic characterization in whole blood and plasma of site-targeted nanoperticle ultrasound contrast agent for molecular imaging Текст. / S.H. Michael, N.M. Jon// J. Acoustic Society of America. 2005. - №117(2).

9. Shenkenberg, David L. Can the Miracles Promised by Carbon Nanotubes Be Realized? Текст. / David L. Shenkenberg // Biophotonics International. -2008. P. 34-39.

10. Елецкий, A.B. Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства Текст. / A.B. Елецкий // УФН, 2002. Т. 172, - № 4. 401 с.

11. Джуплина, Г.Ю. Перспективы применений нанотехнологий в биомедицинской инженерии Текст. / Г.Ю. Джуплина, В.В. Поляков, И.Б. Старченко // Известиям ЮФУ. Технические науки. — Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ/ 2008. — С. 221-225.

12. Bianco, A. Biomedical applications of fimctionalised carbon nanotubes Текст. / A. Bianco, K. Kostarelos, C.D. Partidos, M. Prato // Chem. Commun.- 2005. -P.571-577.

13. Главная составляющая нанобиотехнологий медицинская электронный ресурс. /Российский электронный наножурнал, 2008. Режим доступа: http ://www.nanoi ournal .ru/events.aspx?catid=227&d no=75 9 свободный. - Загл. с экрана.

14. Ткачук, В.А. Нанотехнологии и медицина Текст. /В.А. Ткачук // Рос. Нанотехнол. -2009. Т. 4, - № 7. -С. 9-11.

15. Ткачук, В.А. Нанотехнологии в медицине: успехи и перспективы Текст. / В.А. Ткачук // В мире науки. 2009. -№ 2. - С. 72-77.

16. Новиков, Б.К. Нелинейная гидроакустика Текст. / Б.К. Новиков, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко // Судостроение, 1981. 264 с.

17. Gardner, C.M. Light transport in tissue: Accurate expressions for one-dimensional fluence rate and escape function based upon Monte Carlo simulation. Текст. / C.M. Gardner, S.L. Jacques, A.J. Welch,// Lasers in Surgery Med. -1996.-Vol.18.-P.129-138.

18. Jacques, S.L. Light distributions from point, line, and plane sources for photochemical reactions and fluorescence in turbid biological tissues Текст. / S.L. Jacques // Photochemistry and photobiology. -1998. -Vol.67(l). -P.23-32.

19. Джуплина, Г.Ю. Теоретическая модель оптикоакустического эффекта в среде с наноразмерными рассеивателями Текст. / Г.Ю. Джуплина, И.Б. Старченко // Известия ЮФУ. Технические науки. Таганрог: Изд-во ТТИЮФУ. -2009.-№ 10. - С.189-192.

20. Бондаренко, А.Н. Лазерные методы возбуждения и регистрации акустических сигналов Текст. / А.Н. Бондаренко // М., Изд-во стандартов, 1989.-115 с.

21. Тучин, В.В. Оптическая биомедицинская диагностика. Текст. / В.В. Тучин // Физматлит, 2007. С. 511 с.

22. Жаров, В.П. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия Текст. / В.П.Жаров, B.C. Летохов //- М., Наука, 1984.

23. Karabutov, A.A. Direct measurement of the spatial distribution of light intensity in a scattering medium Текст. / A.A. Karabutov, I.M. Pelivanov, N.B. Podymova, S.E. Skipetrov // JETF Lett. 1999. -Vol.70(3). P. 183.

24. Карабутов, А. А. Измерение оптических характеристик рассеивающих сред оптико-акустическим методом Текст. / А. А. Карабутов, И. М. Пеливанов, Н. Б. Подымова, С.Е. Скипетров // Квантовая электроника. 1999. -Т.29, —№3. — С.215.

25. Михеев, Г.М. Формы световых импульсов при нелинейном рассеянии лазерного излучения в водной суспензии углеродных нанотрубок Текст. /Г.М. Михеев, Т.Н. Могилева, A.B. Окотруб, В.В. Ванюков// Письма в ЖТФ. 2010. - Т. 36, - В.5. - С. 2-3.

26. Джуплина, Г.Ю. Система и методика исследования наноразмерных артефактов в кровотоке Текст. / Г.Ю. Джуплина, И.Б. Старченко // Известия ЮФУ. Технические науки. -Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. - 2010. - № 8.-С.61-64.

27. Исимару, А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Текст. / А. Исимару // М.: Наука, 1981. 672 с.

28. Glasston, S. The elements of nuclear reactor theory. Текст. /S. Glasston, M.C. Edlund // Van Nostrand. Prinseton. N.J. -1952.

29. Duderstadt, J.J. Nuclear reactor analysis. Текст. / J.J. Duderstadt, L.J. Hamilton // Wiley. N.Y.-1976. -672 p.

30. Гуляев, Ю.В. Углеродные нанотрубные структуры — новый материал для эмиссионной электроники Текст. / Ю.В. Гуляев // ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2003. -Т.73, -№ 5, -С. 389

31. Глухова, О.Е. Углеродные нанотрубки с дефектами как элементы электронных устройств Текст. / О.Е. Глухова, Н.И: Синицын, Г.В. Торгашов, О.А. Терентьев, З.И. Буянова // Электромагнитные волны и электронные системы. 2007. -Т. 12, -№ 10, -С.57-60.

32. Niemz, М.Н. Laser Tissue Interactions: Fundamentals and Applications Текст. / М.Н. Niemz // Berlin. -1996. - P.305.

33. Hale, G.M. Optical Constants of water in the 200-nm to 200-mkmwavelength region Текст. / G.M. Hale, M.R. Querry // Applied Optics. 1973. -V. 12,-№3.-P. 555-563.

34. Jacques, S.L. The Melanosome: Threshold Temperature for Explosive Vaporization and Internal Absorption; Coefficient During Pulsed Laser Irradiation Текст. / S.L. Jacques, D.J. McAuliffe // Photochemistry and Photobiology. -1991.-V.53.-P. 769-775.

35. Джонсон К., Гай А. Воздействие неионизирующего электромагнитного излучения на биологические среды и системы Текст. / К. Джонсон, А. Гай // ТИИЭР 1972. - Т. 60, -№6. - С. 49-79.

36. Джуплина, Г.Ю. Оптоакустический цитомер для подсчета бактериальных клеток Текст. / Г.Ю. Джуплина, И.С. Соботницкий, М.С. Шашкин // Иолзуновский альманах. -2009. №3. -С. 11-12.

37. Zhu, J.X. Internal reflection of diffusive light in random media Текст. / J.X. Zhu, DJ. Pine, D.A. Weitz // Phys. Rev. A. -1991. -Vol.44. -P.3948.

38. Мансфельд, Г.Д. Акустические и акустоэлектронные свойства углеродных нанотрубных пленок Текст. / Г.Д. Мансфельд, Ю.В. Гуляев, З.Я. Косаковская, С.Г. Алексеев, В.В. Сарайкин // ФТТ. -2002. -Т.44, -№4. -С. 649-651.

39. Дьячков, П.Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения Текст. / П.Н. Дьячков // Москва, Бином. Лаборатория знаний, 2006. -293 с.

40. O'Neal, D.P. Photo-thermal tumor ablation in mice using near infraredabsorbing nanoparticles Текст. / D. P. O'Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West // Cancer Lett. -2004. -P. 171-176.

41. Zharov, V. P. Microbubbles-overlapping mode for laser killing of cancer cells with absorbing nanoparticle clusters Текст. / V. P.Zharov, R.R. Letfullin, E. N. Galitovskaya.// J. Phys. D: Appl. Phys. -2005. -P.2571-2581.

42. Джуплина, Г.Ю. Оптоакустический цитомер для диагностики тканей Текст. / Г.Ю. Джуплина // Тезисы трудов к I Всероссийской молодежной школе-семинар «Инновации и перспективы медицинских информационных систем», Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. 2010.-С.112-113.

43. Суслов, В.И. Эконометрия Текст. / В.И. Суслов, Н.М. Ибрагимов, Л.П. Талышева, А.А. Цыплаков // Новосибирск: СО РАН. -2005. -744 с.

44. Магнус, Я.Р. Эконометрика. Начальный курс: Учебник. Текст. / Я.Р. Магнус, П.К. Катышев, А.А. Пересецкий // Москва: Дело, -2004. 576 с.124

45. Zharov, V.P. Photothermal image flow cytometry in vivo Текст. / V. P. Zharov, E. I. Galanzha, and V.V. Tuchin // Opt. Lett. -2005. № 30. -P. 628630.

46. Харрис, П. Углеродные нанотрубки Текст. / П. Харрис // М.: Техносфера, 2003. 336 с.

47. Андриевский, Р.А. Наноструктурные материалы Текст. / Р.А.Андриевский, А.В. Рагуля // М.: Издательский центр «Академия», 2005. -192 с.

48. Канторович, Г.Г. Анализ временных рядов Текст. / Г.Г. Канторович // Экономический журнал ВШЭ. 2000. -№2. -С. 251-273.

49. Лозовик, Ю.Е. Классификация двуслойных углеродных нанотрубок с соизмеримыми структурами слоев Текст. / Ю.Е. Лозовик, A.M. Попов, А.В. Беликов // Физика твердого тела. -2003. -Т.45, -В.7. -С.1333 1338.

50. Раков, Э.Г. Нанотрубки и фуллерены. Текст. / Э.Г. Раков // М.: Университетская книга, Логос, 2006. —376 с.

51. Davies, N. Some power studies of a portmanteau test of time series model specification Текст. / N. Davies, P. Newbold // Biometrika. 1979. - T. 66. — №1. — P.153-155.

52. Ljung, G. M. On a Measure of Lack of Fit in Time Series Models Текст. / G. M. Ljung, G. E. P. Box // Biometrika. 1978. - T. 65. - P. 297-303.

53. Newton, J. Methods in Time Series Analysis. -http://www.stat.tamu.edu/~inewton/stat626/ (дата обращения 17.08.2011).

54. Ornstein, L. Spectral matching of classical cytochemistry to automated cytology Текст. / L .Ornstein, HR. Ansley // Cytochem. 1974. -№22. -P.453-469.

55. Dietz, LJ. Volumetric capillary cytometry: a new method for absolute cell enumeration Текст. / L.J. Dietz, R.S. Dubrow, B.S. Manian, N.L. Sizto //. Cytometry. 1996. -№23. -P.177-186.

56. Tibbe, A.G.J. Cell analysis system based on compact disk technology. Текст. / A.G.J Tibbe, B.G. de Grooth, J. Greve, G.J. Dolan, C. Rao // Cytometry. -2002.-№47.-P. 173-182.

57. Еремеев, В.А. Об определение собственных частот нанообъектов Текст. / Е.А. Еремеев, Е.А. Иванова, Н.Ф. Морозов, А.Н. Соловьев // Доклады Академии наук. -2006. -Т.406, -№6. -С. 1-5.

58. Адамов, Д.Ю. Нанопроводники для наноэлектроники Текст. / Д.Ю. Адамов // Нано- и микросистемная техника. -2009. —№ 10. -С.9-14.

59. Saito, R. Physical properties of Carbon Nanotubes Текст. / R. Saito,

60. G. Dresselhaus, M.S. Dresselhaus // London: Imperial College Press, 1998, -259 p.

61. Там, Э. Фотоакустика: спектроскопия и другие применения Текст. / Э. Там // Сверхчувствительная лазерная спектроскопия. -1986, -М., Мир, -С. 13-137.

62. Гуделеев, В.Г. Лазерное возбуждение импульсов продольных и сдвиговых ультразвуковых волн в твердых телах Текст. / В.Г. Гуделеев, Г.В. Кулак, А.Г. Матвеева // Проблемы физики, математики-и техники. -2010. -№4(5). -С.7-9.

63. Савинский, С.С. Структурная амплитуда углеродной нанотрубки Текст. / С.С. Савинский // Физика твердого тела. -2010. —Т.52, -В.1. -С.200-203.

64. Shapiro, Howard M. "Cellular Astronomy"- A' Foreseeable Future in Cytometry Текст. / Howard M. Shapiro // Cytometry Part A. -2004, -P. 115-124.

65. Ranean, F., Photochem. Photobiol. Текст. / F. Ranean, Rosan S., Boehm F., Cantrell A., Brellreich M., Schoenberger H., Hirsch A., Moussa F. // -2002.-V.67.-P. 157.

66. Oraevsky, A.A. Plus Ultrasound: Imaging and Sensing Текст. / A.A. Oraevsky, L.V. Wang // Bellingham, USA : SPIE. -2004. -V.5320, -P.83-90.

67. Пушкарева, А.Е. Методы математического моделирования в оптике биоткани Текст. / А.Е. Пушкарева // Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008.-С.103.

68. Kostarelos, К. Promises, facts and challenges for carbon nanotubes in imaging and therapeutics Текст. / К. Kostarelos, A. Bianco, M. Prato // Nature Nanotechnology. -2009. -№4. -P.627-633.

69. О развитии нанобиотехнологий электронный ресурс. / Вечная молодость, 2008. Режим доступа: http://www.vechnayamolodost.rU/pages/nanotehnol/o razvitii nanobiotehnologii. html свободный. Загл. с экрана.

70. Dai, H (2002) Carbon nanotubes: Synthesis, integration, and properties Текст. / H. Dai // Acc Chem Res -№35. -P. 1035-1044.

71. Yang, S. Biodistribution of pristine single-walled carbon nanotubes in vivo. Текст. / S. Yang // J Phys Chem. 2007. -P. 17761-17764.

72. Гречихин, Л.И. Наночастицы и нанотехнологии Текст. / Л.И. Гречихин // Нано- и микросистемная техника. -2008. -№5, -С. 1-25.

73. Саватеева, E.B. Лазерная оптоакустическая спектроскопия биотканей Текст. / Е.В. Саватеева, A.A. Карабутов, В.Я. Панченко // Сборник трудов ИПЛИТ РАН. -2005. -С.183-187.

74. Roggan, A. Optical properties of circulating human blood in the wavelength range 400-2500 nm. Текст. / A. Roggan, M. Friebel, K. Durschel, A.Hahn, G. Mbller//J.Biomedical Optics. -1999. -V.4(l), -P.36-46.

75. Золотухин, И.В. Углеродные нанотрубки Текст. / И.В. Золотухин// Сорос, образоват. журн., -1999, № 3, -С.111-115.

76. Пат. 6783752 GUIA, МКИ А61В 8/00; А61К 49/22. Contrast agents/ Amersham Health AS (Oslo, NO), 10/007,325, заявлено 5.12. 2001, опубл. 31.08.200498 Пат. 2077269 РФ, МКИ А61В8/00, G01N33/49. СПОСОБ

77. ДИАГНОСТИКИ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ НОВООБРАЗОВАНИЙ / И.Д. Карев, 95108956/14, заявлено 13:06.1995, опубл. 20.04.1997.

78. Пат. 2114637 РФ, МКИ А61К49/00, А61В8/00. БИОСОВМЕСТИМАЯ КОНТРАСТНАЯ СРЕДА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ / Сонус.Фармасьютикалз, Инк. (US), 94030382/14, заявлено , 02.09.1992, опубл. 10.07.1998.

79. Пат. 2144781 РФ, МКИ А61В5/00. СПОСОБ НЕИНВАЗИВНОЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ОНКОЛОГИЧЕСКОГО ЗАБОЛЕВАНИЯ / А.Ш. Авшалумов, 99110624/14, заявлено 28.05.1999, опубл. 27.01.2000.

80. Пат. 6,846,288 США, МКИ А61В 5/00; А61В 8/00; А61В 008/00. Photoacoustic assay and imaging system / Glucon Inc. (Boston, MA), 10/312,300, заявлено 30.04. 2003, опубл.25.01.2005.

81. Пат. 6,793,642 США, МКИ A61F 2/06; А61В 5/00; А61В 5/07; А61М 037/00; А61М 001/36; GO IN 033/48. Flow cytometer / Biomed Solutions, LLC (West Henrietta, NY), 09/918,076, заявлено 30.07.2001, опубл. 21.09.2004.

82. Пат. 6,042,729 США, МКИ А61В 5/055; А61В 8/00; А61К 9/127. Enhanced ultrasound detection with temperature-dependent contrast agents/ Barnes-Jewish Hospital (St. Louis, MO), 09/774,278, заявлено 30.01.2001, опубл. 20.02.2007.

83. Пат. 7,500,953США, МКИ* A61BS 8/14. High contrast optoacoustic imaging using nanoparticles / Seno Medical Instruments, Inc. (San Antonio, TX), 09/774,278, заявлено 23.01.2004, опубл. 10.03.2009.

84. Пат. W02010115621 DE, МКИ A61B5/00; A61B5/00. DEVICE AND METHOD FOR MEASURING A BLOOD CONSTITUENT IN BLOOD FOR AN EXTRACORPOREAL BLOOD TREATMENT DEVICE / FRESENIUS

85. MEDICAL CARE DE GMBH DE.; ZHANG WEI [DE], W02010EP02188, заявлено 08.04.2010, опубл. 14.10.2010.

86. Пат. 2220753 РФ, МКИ A61N5/067, G01N33/49. СПОСОБ ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО КОНТРОЛЯ ТОПОЛОГИИ НОВООБРАЗОВАНИЙ / Г.А. Меерович, И.Г. Меерович, 2002133065/14, заявлено 10.12.2002, опубл.1001.2004.

87. Пат. 2251696 РФ, МКИ G01N33/53. СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ АНАЛИЗОВ КРОВИ И АНАЛИЗАТОР КРОВИ / П.П. Лактионов, В.В. Власов, 123593/15, заявлено 24.07.2003, опубл. 10.05.2005.

88. Пат. 6,597,438 США, МКИ G01N 15/14; G01N 33/487; G01N 033/49. Portable flow cytometry / Honeywell International Inc. (Morristown, NJ), 09/630,924, заявлено 2.08.2000, опубл. 22.07.2003.

89. Пат. W02010118404 US, МКИ A61K38/17; C12N15/12; G01N33/15; G01N33/68; A61K38/00; C12N15/00; G01N33/00. METHODS FOR CREATING OR IDENTIFYING COMPOUNDS THAT BIND TUMOR NECROSIS FACTOR ALPHA / CALIFORNIA INST OF TECHN US.; WEST

90. ANTHONY P US.; YANG ZHIRU [CN]; BJORKMAN PAMELA J [US], W02010US30649, заявлено 09.04.2010, опубл. 14.10.2010.

91. Пат. 2161042 РФ, МКИ А61К38/16, G01N33/574, А61Р35/00. ОБНАРУЖЕНИЕ И ЛЕЧЕНИЕ РАКА / Рикардо Дж. Моро (СА), 97106059/14, заявлено 18.09.1995, опубл. 27.12.2000.

92. Пат. 2265061 РФ, МКИ C12Q1/70, G01N33/569. ОБНАРУЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ И НАБОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ / ПРОФОС АГ (DE), 2002106236/13, заявлено 28.07.2000, опубл. 27.11.2005, -с

93. Пат. 5,695,946 США, МКИ G01N , G01N 33/569; GO IN 33/543 ; G01N 033/02; G01N 033/538; G01N 033/547; GO IN 033/569. Assay method for detecting presence of bacteria / Vicam, LP (Sommerville, MA), 08/433,076, заявлено 3.03.1995, опубл. 9.12.1997.

94. Пат. 6,821,740 США, МКИ G01N 33/50; G01N 33/543; G01N 33/53; G01N 33/68; G01N 33/574; G01N 033/574. Flow cytometric methods for the concurrent detection of discrete functional conformations of PRB in single cells

95. Becton, Dickinson and Company (Franklin Lakes, NJ), 09/256,817, заявлено 24.02.1999, опубл. 23.11.2004.

96. Пат. US2010254971 IL, МКИ A61K39/395; A61P1/00; A61P37/06; C12Q1/68; G01N33/53; G01N33/569; G01N33/68; A61K39/395;- A61P1/00; A61P37/00. Method for Diagnosing Prognosing Inflammatory Bowel Disease and

97. Crohn's Disease / GLYCOMINDS LTD IL., US20090605563, заявлено 26.10.2009, опубл. 07.10.2010.

98. Пат. 2212268 РФ, МКИ 2212268. СИСТЕМА МОДИФИЦИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ НАНОЧАСТИЦАМИ / А.А. Ревина, 2001122297/12, заявлено 10.08.2001, опубл. 20.09.2003.

99. Пат. 7,704,489 США, МКИ B22F 1/00; B22F 1/02; С22С 1/05. Method of photocatalytic nanotagging / Sandia Corporation (Albuquerque, NM), 11/542,506, заявлено 3.10.2006, опубл. 27.03.2010.

100. Пат. 6,123,923 США, МКИ А61К 49/00; А61К 049/00; А61К 049/22. Optoacoustic contrast agents and methods for their use / Imarx Pharmaceutical Corp. (Tucson, AZ), 08/993,165, заявлено 18.12.1997, опубл. 26.09.2000.

101. Пат. 7,709,273 США, МКИ G01N 33/543; G01N 31/00 . Particles for diagnostic and therapeutic use / Siemens Healthcare Diagnostics Products GmbH (Marburg, DE), 11/273,275, заявлено 14.11.2005, опубл. 4.05.2010.

102. Пат. 6,960,169 США, МКИ А61В 8/00; GO IS 15/00; G01S< 15/89; A61B 008/14. Spread spectrum coding for ultrasound' contrast agent imaging1 / Siemens Medical Solutions USA, Inc. (Malvern, PA), 10/441,325, заявлено 19.05.2003, опубл. 1.11.2005.

103. Генеральный директор АО «ОКБ «РИТМ»

104. Председатель комиссии Генеральный директор, к.т.н.1. Члены комиссии:1. Начальник отдела №2

105. Зам. декана по учебной работек.т.н., доцент1. Члены комиссии:кафедры ЭГА.и МТ1. И.А. Кириченко

106. Д.т.н., профессор кафедры ЭГА и МТ

107. К.т.н., доцент кафедры ЭГА и МТ1. Н.П. Заграй1. В.Ю. Вишневецкий