biophBiomedical PhotonicsBiomedical Photonics2413-9432Non-profit partnership for development of domestic photodynamic therapy and photodiagnosis10.24931/2413-9432-2018-7-3-36-42bioph-251Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESМатематическая модель обнаружения внутриэритроцитарных инфекций с помощью оптоакустического методаMathematical model of detection of intra-erythrocyte pathologies using optoacoustic methodКравчукД. А.KravchukD. A.Kravchukda@sfedu.ruЮжный федеральный университетРоссияSouthern Federal UniversityRussian Federation201810102018733642Copyright © Кравчук Д.А., 20182018Кравчук Д.А.Kravchuk D.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.pdt-journal.com/jour/article/view/251

Малярия вызывает серьезную проблему со здоровьем в тропических и субтропических регионах земного шара. Во многих случаях

последствия этого заболевания являются фатальными. Поэтому необходима простая, быстрая, точная и доступная диагностическая система раннего выявления этого заболевания для своевременного назначения противомалярийных препаратов.

Малярийный паразит во время его внутриэритроцитарного развития перерабатывает значительное количество гемоглобина, который при этом превращается в форму гема, называемую гемозоином. Гемозоин и гемоглобин имеют разные молярные коэффициенты экстинкции при определенных длинах волн оптического излучения, следовательно, поглощение света и оптоакустический сигнал (ОАС) от зараженной клетки будут отличаться от аналогичных параметров здоровой клетки. В работе описана теоретическая модель, предназначенная для изучения влияния внутриэритроцитарного развития малярийного паразита на оптоакустические сигналы. ОАС были рассчитаны на основе смоделированных на основе 3D-модели образцов здоровой и инфицированной крови.

Моделируемые ОАС анализировались во временной и частотной областях для получения признаков наличия инфекции разных стадий. Рассчитанные спектры ОАС имеют различные уровни амплитуды, что указывает на то, что оптоакустический метод может быть полезен для дифференциации различных внутриэритроцитарных стадий малярийного паразита. Проведенное моделирование и полученные результаты позволяют продолжить работы по созданию оптоакустического проточного цитометра.

Malaria causes a serious health problem in the tropical and subtropical regions of the globe. In many cases, the consequences of this disease are fatal. Therefore, a simple, fast, accurate and affordable diagnostic system for the early detection of this disease is necessary for the timely administration of antimalarial drugs.

The malarial parasite, during its intra-erythrocyte development, processes a significant amount of hemoglobin, which in this case turns into a hem form called hemozoin. Hemozoin and hemoglobin have different molar extinction coefficients at certain optical wavelengths, hence, light absorption and an optoacoustic signal (OAS) from the infected cell will be different from that of a healthy cell. The paper describes the developed theoretical model intended for studying the influence of intra-erythrocyte malarial parasite development on optoacoustic signals. The OAS were calculated based on the models of healthy and infected blood modeled on the basis of a 3D model.

The simulated OAS were analyzed in the temporal and frequency domains to obtain signs of infection at various stages. The calculated OAS spectra have different amplitude levels, which indicates that the optoacoustic method can be useful for differentiating various intraerythrocyte stages of the malarial parasite. The carried out modeling and the results obtained allow us to continue working on the creation of an optoacoustic flow cytometer.

оптоакустический сигналагрегацияэритроцитыспектральная плотность мощностилазерoptoacoustic signalaggregationerythrocytesspectral power densitylaserReferencesDeán-Ben X.L, Razansky D. Functional optoacoustic human angiography with handheld video rate three-dimensional scanner // Photoacoustics. – 2013. – Vol. 1(3). – P. 68–73.Deán-Ben X.L, Razansky D. Functional optoacoustic human angiography with handheld video rate three dimensional scanner,Photoacoustics, Vol. 1(3), pp. 68–73.Kirillin M., Perekatova V., Turchin I., Subochev P. Fluence compensation in raster-scan optoacoustic angiography // Photoacoustics. – 2017. – Vol. 8. – P. 59–67.Kirillin M., Perekatova V., Turchin I., Subochev P. Fluence compensation in raster-scan optoacoustic angiography, 2017, Photoacoustics, Vol. 8, pp. 59–67.Held K.G., Jaeger M., Rička J., Frenz M., Akarçay H.G. Multiple irradiation sensing of the optical effective attenuation coefficient for spectral correction in handheld OA imaging // Photoacoustics.– 2016. – Vol. 4(2). – P. 70–80.Held K.G., Jaeger M., Rička J., Frenz M., Akarçay H.G. Multiple irradiation sensing of the optical effective attenuation coefficient for spectral correction in handheld OA imaging, Photoacoustics, 2016, Vol. 4(2), pp. 70–80.Petrov I., Petrov Y., Prough D., et al. Optoacoustic monitoring of cerebral venous blood oxygenation though intact scalp in large animals // Optics express. – 2012. – Vol. 20(4). – P. 4159–4167.Petrov I., Petrov Y., Prough D., Cicenaite I., Deyo D., Esenaliev R. Optoacoustic monitoring of cerebral venous blood oxygenation though intact scalp in large animals, Optics express, 2012, Vol. 20(4), pp. 4159–4167.Perekatova V., Subochev P., Kleshnin M., Turchin I. Optimal wavelengths for optoacoustic measurements of blood oxygen saturation in biological tissues // Biomedical Optics Express. – 2016. – Vol. 7(10). – P. 3979–3995.Perekatova V., Subochev P., Kleshnin M., Turchin I. Optimal wavelengths for optoacoustic measurements of blood oxygen saturation in biological tissues, Biomedical Optics Express, 2016, Vol. 7(10), pp. 3979–3995.Bosschaart N., Edelman G.J., Aalders M.C., et al. A literature review and novel theoretical approach on the optical properties of whole blood // Lasers in medical science. – 2014. – Vol. 29(2). – P. 453–479.Bosschaart N., Edelman G.J., Aalders M.C., van Leeuwen T.G., Faber D.J. A literature review and novel theoretical approach on the optical properties of whole blood, Lasers in medical science, 2014, Vol. 29(2), pp. 453–479.Balasubramanian D. Photoacoustic spectroscopy and its use in biology // Bioscience Reports. – 1983. – Vol. 3. – P. 981–995.Balasubramanian D. Photoacoustic spectroscopy and its use in biology, Bioscience Reports, 1983, Vol. 3, pp. 981–995.Balasubramanian D., Rao C.M., Panijpan B. The malaria parasite monitored by photoacoustic spectroscopy // Science. – 1984. – Vol. 223. – P. 828–830.Balasubramanian D., Rao C.M., Panijpan B. The malaria parasite monitored by photoacoustic spectroscopy, Science, 1984, Vol. 223, pp. 828–830.Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. – Ленинград: Cудостроение, 1981. – 264 с.Novikov B.K., Rudenko O.V., Timoshenko V.I. Nelinejnayagidroakustika. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1981. 264 p.Diebold G.J. Photoacoustic monopole radiation: Waves from objects with symmetry in one, two and three dimensions in Photoacoustic imaging and spectroscopy / Edt. L.V. Wang. – Taylor and Francis Group, LLC, 2009. – P. 3–17.Diebold G.J. Photoacoustic monopole radiation: Waves from objects with symmetry in one, two and three dimensions in Photoacoustic imaging and spectroscopy, Edt. L.V. Wang. Taylor and Francis Group, LLC. pp. 3–17.Saha R.K., Kolios M.C. A simulation study on photoacoustic signals from red blood cells // J. Acoust. Soc. Am. – 2011. – Vol. 129(5). – P. 2935–2943.Saha R.K., Kolios M.C. A simulation study on photoacoustic signals from red blood cells, J. Acoust. Soc. Am., 2011, Vol. 129(5), pp. 2935–2943.Кравчук Д.А., Старченко И.Б. Математическое моделирование оптоакустического сигнала от агрегированных эритроцитов для оценки уровня агрегации // Научное приборостроение. – 2018. – Т. 28, № 1. – С. 30–36.Kravchuk D.А., Starchenko I.B. Mathematical modeling of the optoacoustic signal from aggregated erythrocytes to assess the level of aggregation, Nauchnoe priborostroenie, 2018, Vol. 28, No. 1, pp. 30–36. (in Russian)Кравчук Д.А, Старченко И.Б. Моделирование процесса насыщения кислородом биологических тканей с помощью оптоакустического метода // Научное приборостроение. – 2018. – Т. 28, № 2. – С. 20–25.Kravchuk D.А., Starchenko I.B. Modeling the process of oxygen saturation of biological tissues using the optoacoustic method, Nauchnoe priborostroenie, 2018, Vol. 28, No. 2, pp. 20–25. (in Russian)Кравчук Д.А., Старченко И.Б. Математическое моделирование оптикоакустического сигнала от эритроцитов // Вестник новых медицинских технологий. – 2018. – № 1. – С. 96–101.Kravchuk D.А., Starchenko I.B. Mathematical modeling of the optoacoustic signal from erythrocytes, Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologii. 2018, No. 1, pp. 96–101. (in Russian)Park Y., Diez-Silva M., Popescu G., et al. Refractive index maps and membrane dynamics of human red blood cells parasitized by Plasmodium falciparum // Proceedings of National Academy of Sciences. – 2008. – Vol. 105(37). – P. 13730–13735.Park Y., Diez-Silva M., Popescu G., Lykotrafitis G., Choi W., Feld M.S., Suresh S. Refractive index maps and membrane dynamics of human red blood cells parasitized by Plasmodium falciparum, Proceedings of National Academy of Sciences, 2008, Vol. 105(37), pp. 13730–13735.Shung K.K., Yuan Y.W., Fei D.Y., Tarbell J.M. Effect of flow disturbance on ultrasonic backscatter from blood // J. Acoust. Soc. Am. – 1984. – Vol. 75. – P. 1265–1272.Shung K.K., Yuan Y.W., Fei D.Y., Tarbell J.M. Effect of flow disturbance on ultrasonic backscatter from blood, J. Acoust. Soc. Am., 1984, Vol. 75, pp. 1265–1272.Toubal M., Asmani M., Radziszewski E., Nongaillard B. Acousticmeasurement of compressibility and thermal expansion coefficient of erythrocytes // Phys. Med. Biol. – 1999. – Vol. 44. – P. 1277–1287.Toubal M., Asmani M., Radziszewski E., Nongaillard B. Acoustic measurement of compressibility and thermal expansion coefficient of erythrocytes, Phys. Med. Biol., 1999, Vol. 44, pp. 1277–1287.Orjih A.U., Fitch C.D. Hemozoin production by Plasmodium falciparum: variation with strain and exposure to chloroquine // Biochimica et Biophysica Acta. – 1993. – Vol. 1157. – P. 270–274.Orjih A.U., Fitch C.D. Hemozoin production by Plasmodium falciparum: variation with strain and exposure to chloroquine, Biochimica et Biophysica Acta, 1993, Vol. 1157, pp. 270–274.Старченко И.Б., Кравчук Д.А., Кириченко И.А. Прототип оптоакустического лазерного цитометра // Медицинская техника. – 2017. – № 5. – C. 4–7.Starchenko I.B., Kravchuk D.А., Kirichenko I.А. An Optoacoustic Laser Cytometer Prototype, Meditsinskaya tekhnika, 2017, No. 5, pp. 4–7. (in Russian)Starchenko I.B., Kravchuk D.A., Kirichenko I.A. An Optoacoustic Laser Cytometer Prototype // Biomedical Engineering. – 2018. – Vol. 51, No. 5. – P. 308–312.Starchenko I. B., Kravchuk D.A., Kirichenko I.A. An Optoacoustic Laser Cytometer Prototype, Biomedical Engineering, 2018, Vol. 51, No. 5, pp. 308–312.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.