Математическая модель обнаружения внутриэритроцитарных инфекций с помощью оптоакустического метода

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.

1. Deán-Ben X.L, Razansky D. Functional optoacoustic human angiography with handheld video rate three-dimensional scanner // Photoacoustics. – 2013. – Vol. 1(3). – P. 68–73.

2. Kirillin M., Perekatova V., Turchin I., Subochev P. Fluence compensation in raster-scan optoacoustic angiography // Photoacoustics. – 2017. – Vol. 8. – P. 59–67.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Balasubramanian D. Photoacoustic spectroscopy and its use in biology // Bioscience Reports. – 1983. – Vol. 3. – P. 981–995.

8. Balasubramanian D., Rao C.M., Panijpan B. The malaria parasite monitored by photoacoustic spectroscopy // Science. – 1984. – Vol. 223. – P. 828–830.

9. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. – Ленинград: Cудостроение, 1981. – 264 с.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Кравчук Д.А., Старченко И.Б. Математическое моделирование оптикоакустического сигнала от эритроцитов // Вестник новых медицинских технологий. – 2018. – № 1. – С. 96–101.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. Старченко И.Б., Кравчук Д.А., Кириченко И.А. Прототип оптоакустического лазерного цитометра // Медицинская техника. – 2017. – № 5. – C. 4–7.

20. Starchenko I.B., Kravchuk D.A., Kirichenko I.A. An Optoacoustic Laser Cytometer Prototype // Biomedical Engineering. – 2018. – Vol. 51, No. 5. – P. 308–312.