CC BY
11
УДК 681.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-256-261
ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ВИСКОЗИМЕТРИЯ
СВ. Фролов, А.Ю. Потлов, ТА. Фролова
Представлен метод оценки вязкости сильно рассеивающих биологических жидкостей и фармацевтических препаратов. Предложенный метод базируется на анализе данных оптической когерентной томографии (ОКТ). Целью проводимых исследований является создание метода оценки динамической вязкости сильно рассеивающих жидкостей, отличающегося сочетанием высокой точности вычислений с простотой подготовки анализируемых проб.
Ключевые слова: вязкость жидкости, оптическая когерентная томография, сильно рассеивающаяся жидкость, сдвиговая деформация.
Вязкость является одной из важнейших физических величин, поскольку определяет способность вещества (чаще всего жидкости, но иногда газа) сопротивляться своему частичному или полному перемещению. С точки зрения биомедицинской инженерии существенный интерес представляет собой вязкость биологических жидкостей (в первую очередь крови) и фармацевтических препаратов (в первую очередь инфузионных растворов) [1].
Вязкость крови, косвенно характеризует общее состояние сердечно-сосудистой системы. Повышенная вязкость крови чаще всего означает повышенную нагрузку на сердце, повышенный риск формирования тромбов и атеросклеротических бляшек, понижение эффективности доставки кислорода, снижение интенсивности обменных процессов и т.п. Пониженная вязкость ассоциируется с более высокой вероятностью кровотечений и трудностями при их остановке. Оба состояния требуют вмешательства квалифицированного медицинского персонала. В первом случае, как правило, используются специальные лекарственные средства для снижения вязкости крови, а во втором применяют специальные медикаменты для уменьшения проницаемости сосудистых стенок. В связи с чем, задача быстрой и достоверной оценки вязкости крови является актуальной [2,3].
Вязкость жидких лекарственных средств (в первую очередь вводимых непосредственно в кровоток) в существенной мере влияет на их фармокинетику, т.е. определяется быстроту их действия и в ряде случаев может использоваться как параметр для контроля качества производимой продукции. Это делает задачу оценки вязкости фармацевтических жидкостей тоже актуальной.
Основными методами определения вязкости являются: метод Стокса, метод Пуазейля и ротационный метод. Метод Стокса базируется на измерении скорости одного или нескольких движущихся вертикально вниз сферических тел в анализируемой жидкости. Метод Пуазейля основан на анализе характеристик движения исследуемой жидкости в тонких капиллярах. Ротационный метод базируется на определении скорости вращения цилиндра в анализируемой жидкости. Вышеописанные методы обладают высокой достоверностью вычислений, но предварительная подготовка анализируемой жидкости занимает значительное время.
Однако имеются биофизические и технические предпосылки для создания оптических методов оценки динамической вязкости [1,4]. В частности, высокое пространственное разрешение метода оптической когерентной томографии [4-9], устойчивость плеча образца (особенно выполненного в виде съемного зонда) к воздействию биологических жидкостей и последующей очистке, а также способность анализируемых жидкостей образовывать свободно свисающие капли (рис. 1) в результате баланса сил тяжести и поверхностного натяжения.
Целью проводимых исследований является создание метода оценки динамической вязкости сильно рассеивающих жидкостей (крови, фармацевтических жидкостей), отличающегося сочетанием высокой точности вычислений с простотой подготовки анализируемых проб.
Материалы и методы. Последовательность действий по вычислению величины динамической вязкости для сильно рассеивающих жидкостей с использованием ОКТ схематично показана на рис.2.
Первым действием в составе предложенного метода является получение объемного (С-скан) структурного ОКТ-изображения [6] капли анализируемой жидкости в минимально деформированном состоянии. Наиболее желательной конкретной реализацией предложенного действия является нанесение небольшой капли непосредственно на сканирующую головку зон-
256
да ОКТ-системы. При таком подходе капля должна свободно свисать с поверхности зонда под воздействием силы тяжести и поверхностного натяжения в течении небольшого периода времени. Затем к нижней части капли должна быть подведена специальная подвижная пластина. Площадь контактной поверхности капли и пластины должна быть минимальной. Временные метки используются для каждого нового действия.
г
Рис. 1. Капля фотополимера «WANHAO WHITE» свободно свисает (а) с зонда ОКТ-системы. Стадии растворения этой капли в спиртосодержащем растворе
(б) - (г)
257
Начали
3
Получение С-скана нелеф.
КУПЛИ
Получение С-скаяадсф. капли
Получение трехмерного объемного структурного ОКТ-изображения (С-скан) капли анализируемой жидкости, свободно свисающей с поверхности сканирующего зонда. Специальная платформа подведена к нижней части капли на расстояние минимального контакта.
Подвижная пластина смещается в направлении перпендикулярном сканирующим лучам. Серия С-сканов записывается для различных деформированных состояний.
Расчет площади деформи рующего воздействия
Площадь деформирующего воздействия вычисляется как плошадь контактного (с платформой) сегмента С-скана.
Вычисление величины сдвигающей силы
Вычисление напряжения едки га
Вычисление скорости сдвига
Величина деформирующей (сдвигающей) силы вычисляется исходя из характеристик движения платформы (настройки сервопривода)
Напряжение сдвига в соответству ющие моменты времени вычисляется исходя из отношения величины сдвигающей силы к площади ее воздействия.
Скорость сдвига для множества у частков капли вычисляется по смешению контрольных точек за известные периоды времени между сканированиями.
Вычисление динамической вязкости
Динамическая вязкость вычисляется по классической формуле* как отношение напряжения сдвига к скорости сдвига
1 г
Вывод У
зультатов ■
I числений /
С
Конец
Результаты вычислений для множества моментов времени и точек на капле обобщаются и усредняются. Конечному пользователю выводится итоговое значение величины динамической вязкости.
Рис. 2. Ключевые этапы метода оценки динамической вязкости жидкой сильно
рассеивающей среды
Следующим действием является получение серии объемных ОКТ-изображений анализируемой капли в различных деформированных состояниях. Подвижная пластина приводится в действие. Ее движение должно быть строго параллельным поверхности зонда (т.е. перпендикулярным направлению сканирования). Такая постановка эксперимента обеспечит возникновение сдвига слоев жидкости относительно друг друга. Временные метки используются для каждого деформирующего воздействия.
Оценивается площадь поверхности, Я, деформирующего воздействия. Эта площадь считается равно площади сегмента С-скана в ситуации минимального контакта подвижной пластины с нижней частью капли.
Оценивается величина сдвиговой деформирующей силы, F, для всей последовательности С-сканов. Дискретные значения деформирующей силы вычисляются исходя из управляющих характеристик сервопривода подвижной пластины [6].
Величина напряжения сдвига, а, для каждого дискретного измерения оценивается как отношение сдвигающей силы к площади жидкости, на которую эта сила воздействует:
258
»="к
Градиент скорости сдвига, дгад. у, в толще анализируемой капли вычисляется. Анализ смещения контрольных точек на поверхности капли используется для определения совокупности абсолютных смещений при деформациях сдвига, dy. Временные интервалы, <И, за которые эти смещения произошли, вычисляются по временным меткам. Расчетная формула имеет следующий вид:
дгаа у =
где у = - это деформация сдвига, Ьг и I - поперечная и продольная компонента векторов абсолютных смещений, соответственно.
Динамическая вязкость, ^ , вычисляется по классической формуле, как отношение напряжения сдвига, а , к скорости сдвига, дгад. у :
/дгай у'
Результаты вычислений усредняются с учетом количества обрабатываемых С-сканов и количества анализируемых слоев в каждой капле. Итоговая магнитуда динамической вязкости выводится конечному пользователю.
Результаты и обсуждение. Описанный метод оценки величины динамической вязкости сильно рассеивающих жидкостей [9-11] с использование данных ОКТ был практически реализован в среде LabVIEW.
Была проведена серия экспериментов с мыльными растворами и фотополимерами для проверки работоспособности предложенного метода, а также выявления его сильных и слабых сторон.
Структурное ОКТ-изображение капли мыльного раствора показано на рис. 3. Расчетное значение динамической вязкости (формулы 1-3) для конкретного примера составило 43 мПа х с. В результате серии экспериментов, подтверждена четкая зависимость вязкости мыльного раствора от температуры и концентрации мыла. Полученные значения соответствует референтным диапазонам значений с достоверностью более 90%.
Рис. 3. Капля мыльного раствора свободно свисает с поверхности ОКТ-зонда
Структурное ОКТ-изображение капли фотополимера «eSUN SKIN» показано на рис. 4. Динамическая вязкость этого фотополимера четко прописана в спецификациях к коммерческим емкостям и составляет 150-250 мПа х с. Физический эксперимент и последующий анализ данных по предложенному методу позволил получить хорошо укладывающееся в заданный диапазон значение динамической вязкости. Оно составило 219 мПа х с.
Рис. 4. Капля фотополимера «eSUNSKIN» свободно свисает с поверхности ОКТ-зонда
259
В обоих примерах временные затраты на проведение эксперимента, обработку данных и очистку поверхности зонда составили менее 1 минуты. Расчетная величина не включает в себя время на включение компьютера и ОКТ-системы, забор проб и т.п. Ожидаемый диапазон высокоточных измерений составляет от единиц мкПа х с до сотен мПах с. Но может быть существенно увеличен путем совершенствования программной и аппаратной части системы. Для сравнения вязкость человеческой крови колеблется в диапазоне от 1.7 до 22.9 мПах с.
Таким образом, предложенный метод пригоден для оценки динамической вязкости сильно рассеивающих биологических жидкостей. Ожидаемые биомедицинские направления использования могут включать в себя анализ вязкости крови и фармацевтических жидкостей. Также возможны варианты использования в лабораторных и научных исследованиях, например, в сфере экологии.
Выводы. Предложен оригинальный подход к оценке величины динамической вязкости для сильно рассеивающих жидкостей на основе ОКТ. Метод базируется на компьютерном анализе сдвиговых деформаций, возникающих в капле исследуемого вещества. Капля формируется непосредственно на поверхности зонда ОКТ-системы и удерживается балансом сил гравитации и поверхностного натяжения. Сдвиговые деформации создаются с помощью управляемой платформы. Динамическая вязкость вычисляется по классической формуле, как отношение напряжения сдвига к скорости сдвига. Скорость сдвига вычисляется по смещению контрольных точек на поверхности капли (взяты из С-скана) за известные периоды деформирующих воздействий. Напряжение сдвига вычисляется как отношение величины деформирующей силы к площади ее воздействия. Площадь деформирующего воздействия вычисляется как площадь соответствующего сегмента 1-го С-скана. Величина деформирующей силы для дискретных моментов времени вычисляется исходя из настоек сервопривода, используемого для движения платформы.
Список литературы
1. Blackburn B.J., Gu S., Jenkins M.W., Rollins A.M. Decorrelation-based viscosity measurement using phase-sensitive optical coherence tomography // Optical Elastography and Tissue Biomechanics IV (Proceedings of SPIE). 10067, 1006711. 2017.
2. Malm A., Waigh T.A., Jaradat S., Tomlin R. Optical Coherence Tomography Velocimetry with Complex Fluids // Journal of Physics: Conference Series, Journal of Physics: Conference Series. 602,012039. 2015.
3. Frolov S.V., Sindeev S.V., Kirschke J.S., Arnold P., Prothmann S., Liepsch D., Balasso A., Potlov A., Larrabide I., Kaczmarz S. CFD and MRI studies of hemodynamic changes after flow diverter implantation in a patient-specific model of the cerebral artery // Experiments in Fluids. 59(11), 176. 2018.
4. Larin, K.V., Sampson, D.D.,"Optical coherence elastography - OCT at work in tissue biomechanics // Biomedical Optics Express. 8(2), 2017. P. 1172-1202.
5. Ramier A., Tavakol B., Yun S.-H. Measuring mechanical wave speed, dispersion, and vis-coelastic modulus of the cornea using optical coherence elastography // Optics Express. 27(12), 2019. P. 16635-16649.
6. Potlov A.Yu., Frolov S.V., Proskurin S.G. An algorithm for speckle noise reduction in en-doscopic optical coherence tomography structural imaging // Optical and Nano-Technologies for Biology and Medicine - Proceedings of SPIE. 11065, 110650W. 2019.
7. Zaitsev V.Y., Matveyev A.L., Matveev L.A., Gelikonov G.V., Sovetsky A.A., Vitkin A. Optimized phase gradient measurements and phase-amplitude interplay in optical coherence elastography // Journal of Biomedical Optics. 21(11), 2016. 116005.
8. Dadkhah A., Zhou J., Yeasmin N., Jiao S. Integrated multimodal photoacoustic microscopy with OCT- guided dynamic focusing // Biomedical Optics Express. 10(1), 2019. P. 137-150.
9. Kirby M.A., Zhou K., Pitre J.J., Gao L., Li D.S., Pelivanov I.M., Song S., Li C., Huang Z., Shen T.T., Wang R.K., O'Donnell M. Spatial resolution in dynamic optical coherence elastography // Journal of Biomedical Optics. 24(9), 2019. 096006.
10. Bashkatov A.N., Genina E.A., Tuchin V.V. Optical properties of skin, subcutaneous, and muscle tissues // Journal of Innovative Optical Health Sciences. 4, 2011. P. 9-38.
11. Potlov A.Yu., Frolov S.V., Proskurin S.G. Numerical Simulation of Photon Migration in Homogeneous and Inhomogeneous Cylindrical Phantoms // Optics and Spectroscopy, 128, 2020. P. 835-842.
Фролов Сергей Владимирович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Тамбов, Тамбовский государственный технический университет,
Потлов Антон Юрьевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тамбов, Тамбовский государственный технический университет,
Фролова Татьяна Анатольевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тамбов, Тамбовский государственный технический университет
OPTICAL COHERENT VISCOSIMETRY S.V. Frolov, A. Yu. Potlov, TA. Frolova
A method for assessing the viscosity of highly scattering biological fluids and pharmaceuticals is presented. The proposed method is based on the analysis of optical coherence tomography (OCT) data. The aim of the research is to create a method for assessing the dynamic viscosity of highly scattering liquids, which is characterized by a combination of high accuracy of calculations with the simplicity of preparing analyzed samples.
Key words: fluid viscosity, optical coherence tomography, highly scattering fluid, shear deformation.
Frolov Sergej Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, [email protected], Russia, Tambov, Tambov State University,
Potlov Anton Yurievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tambov, Tambov State University,
Frolova Tatiana Anatolievna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tambov, Tambov State University
УДК 681.784.23
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-261-265
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАСТВОРА ЩЕЛОКА
ПОСЛЕ КАУСТИФИКАЦИИ
Е.Е. Майоров, Ю.М. Бородянский, Е.А. Петрова, Е.В. Попова, А.В. Дагаев, М.В. Хохлова
Настоящая работа посвящена получению фотометрических параметров каустиза-ционного щелока разработанным рефрактометрическим прибором. Работа перспективна и актуальна в связи с тем, что на большинстве отечественных целлюлозно-бумажных производств внедрены в основном импортные рефрактометрические приборы, которые имеют очень высокую цену, а эксплуатационные параметры такие как затемнение рабочей грани призмы в процессе использования, не удовлетворяют техническому обслуживанию производств. В работе приведен внешний вид рефрактометрического прибора. Получены зависимости погрешности показателя преломления от плотности и показателя преломления от плотности в каустизационных щелоках.
Ключевые слова: рефрактометр, интерполяция, фотометрические параметры, показатель преломления, целлюлозно-бумажные производства, щелок.
Рефрактометрия, как неотъемлемая часть оптотехнического направления, набирает высокие темпы своего развития. Из научных литературных источников выявлено, что рефрактометрические приборы и системы активно внедряются в различные области науки и техники. Отсутствие рефрактометрических технологий накладывает ограничения на развитие таких направлений, как медицина, биология, химическая и легкая промышленность, оптические и целлюлозно-бумажные производства (ЦБП) [1].
261
