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

Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số 5 * 2015<br /> <br /> <br /> SỬ DỤNG HỆ THỐNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG ĐỂ PHÁT HIỆN<br /> DẤU HIỆU BỆNH TIỂU ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC<br /> KHÔNG XÂM LẤN<br /> Phạm Thị Thu Hiền*, Lê Thanh Hải**, Trịnh Thị Diệu Thường***, Nguyễn Đức Thắng*, Võ Văn Tới*,<br /> Huỳnh Quang Linh****<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Mục tiêu nghiên cứu: Phương pháp xác định glucose không xâm lấn trong mô người đã và đang được quan<br /> tâm lớn trong các phép đo quang học. Trong nghiên cứu này, các thông số quang học như đặc tính lưỡng chiết<br /> thẳng (LB), lưỡng sắc thẳng (LD), lưỡng chiết tròn (CB), và lưỡng sắc tròn (CD) của môi trường mờ đục được<br /> chiết xuất bởi một kỹ thuật phân tích tách rời dựa trên phương pháp ma trận Mueller và thông số Stokes. Tính<br /> hiệu lực của phương pháp đo lường này đã được minh chứng trong xét nghiệm các mẫu đo khác nhau.<br /> Đối tượng nghiên cứu: Các kết quả thí nghiệm được trình bày sau đây là các thông số đo của hai mẫu vi cầu<br /> polystyrene microsphere (đường kính 5μm và 9μm) và nước de-ion hóa có chứa glucose. Sau đó, tính chất lưỡng<br /> chiết tròn của glucose của ba mẫu được so sánh và kiểm định thành công trong nghiên cứu này. Thuật toán mới<br /> này được giới thiệu ở đây không cần bất kỳ quá trình khử tính chất nhiễu trong mẫu. Kết quả là, phương pháp<br /> được đề xuất này có tiềm năng cho các ứng dụng như đo đặc tính collagen và cấu trúc cơ bắp (dựa trên tính chất<br /> LB), nhận biết sự khác biệt trong các mô của con người (dựa trên tính chất LD), đo đặc tính của cấu trúc protein<br /> (dựa trên tính chất CB/CD) hoặc phát hiện dấu hiệu bệnh tiểu đường (dựa trên tính chất CB).<br /> Phương pháp nghiên cứu và kết quả: Trước tiên, khả năng đo và độ chính xác của mô hình đã đề xuất để<br /> đưa ra các tính chất quang học của một mẫu đo sinh học được xác nhận bằng cách sử dụng lập trình mô phỏng<br /> (ngôn ngữ Matlab). Sau đó, các thí nghiệm được thiết lập để đo các tính chất phân cực của những mẫu sinh học<br /> khác nhau cụ thể là hai dung dịch của các hạt micro đường kính khác nhau tương ứng (microspheres polystyrene)<br /> có chứa D-glucose; và nước de-ion hóa có chứa D-glucose. Đúng như dự đoán, một kết quả tốt về mối tương quan<br /> của tính chất CB và sự gia tăng của nồng độ đường (D-glucose) của dung dịch trong phạm vi xem xét từ 0 ~<br /> 0,7mM (miliMol). Qua kiểm nghiệm, độ lệch chuẩn của các góc quay quang học được tìm thấy là 0,05°.<br /> Kết luận: Các kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng khi lượng đường (glucose) trong máu cao thì tính chất CB<br /> sẽ tăng cao tương ứng, từ đó có thể phát hiện kịp thời các dấu hiệu bệnh tiểu đường. Thêm vào đó, một ưu điểm<br /> của đề tài là có thể đo lường tất cả các thông số phân cực trong mẫu sinh học bất kỳ mà không lo có bất kỳ vấn đề<br /> gì vì nhiễu; đó là bởi vì thuật toán của đề tài nghiên cứu này có thể tách rời tất cả các thông số độc lập để đạt kết<br /> quả chính xác cao hơn.<br /> Từ khóa: Môi trường mờ đục, D-glucose, polystyrene microsphere, đo lường quang học không xâm lấn.<br /> <br /> <br /> <br /> * Bộ môn Kỹ thuật Y Sinh, Đại học Quốc tế - Đại học Quốc gia TP.HCM<br /> ** Khoa Cơ khí, Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM,<br /> *** Khoa Y học Cổ truyền, Đại học Y Dược TP.HCM<br /> **** Khoa Khoa học Ứng dụng, Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM.<br /> Tác giả liên lạc: TS. Phạm Thị Thu Hiền ĐT: 0909 065306 Email: ptthien@hcmiu.edu.vn<br /> <br /> 306<br /> Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số 5 * 2015 Nghiên cứu Y học<br /> <br /> ABSTRACT<br /> USING THE POLARIZED LIGHT SYSTEM TO DETECT DIABETES SIGNS BY NONINVASIVE<br /> OPTICAL MEASUREMENT<br /> Pham Thi Thu Hien, Le Thanh Hai, Trinh Thi Dieu Thuong, Nguyen Duc Thang, Vo Van Toi,<br /> Huynh Quang Linh * Y Hoc TP. Ho Chi Minh * Vol. 19 - No 5 - 2015: 306 - 316<br /> <br /> Objectives: Noninvasive determination of glucose in human tissue has led to an increment of interest in<br /> optical measurements. In this study, optical parameters in linear birefringence, linear dichroism, circular<br /> birefringence, and circular dichroism properties of turbid media is extracted by a decoupled analytical technique<br /> based on the Mueller matrix method and the Stokes parameters. The validity of the proposed measurement method<br /> in testing different samples is proved.<br /> Materials: The experimental results have showed the effective parameters of two types polystyrene<br /> microspheres (5μm and 9μm diameter) and de-ionized water with containing glucose. Then, the circular<br /> birefringence property of glucose of three samples is compared and calibrated successfully in this study. This new<br /> algorithm introduced here does not need any purification process in sample. As a result, the proposed approach has<br /> potential for applications such as collagen and muscle structure characterization (base on LB measurements), to<br /> recognize the difference in human tissues (LD measurement), protein structure characterization (base on CB/CD<br /> measurements) or diabetes detection (base on CB measurements).<br /> Method and results: Firstly, the ability and the accuracy of the proposed model to extract the nine effective<br /> optical parameters is verified using a simulation technique (Matlab languge). Thereafter, the experiments are<br /> setup for characterizing all properties of different bio-samples namely two different diameters suspended particles<br /> (polystyrene microspheres) with containing D-glucose; de-ionized water with containing D-glucose. As expected,<br /> a good agreement results exist between the measured values of the optical rotation angle and the concentration of<br /> D-glucose over the considered range of 0 ~ 0.7mM. From inspection, the standard deviation of the optical rotation<br /> angle is found to be 0.05°.<br /> Conclusion: The experimental results have shown that when the concentration of D-glucose increases the<br /> CB propertiy also increases, then this study can promptly detect signs of diabetes. Additionally, an advantage of<br /> the proposed study is able to extract all the effects of measurement of polarization in any biological sample without<br /> the need for any form of compensation process or pretreatment because the algorithm of this research can separate<br /> all independent parameters to achieve higher accuracy results.<br /> Key words: Turbid media, glucose, polystyrene microspheres, noninvasive optical measurement.<br /> MỞ ĐẦU đơn (single-integrating-sphere system)(3,17) và<br /> một hệ thống hình cầu tích hợp đôi (double-<br /> Các đặc tính phân cực của tán xạ ánh sáng từ<br /> integrating sphere system)(22), tương ứng, để đo<br /> các môi trường mờ đục như mô sinh học, các sợi<br /> hệ số hấp thụ (absorption coefficient), hệ số tán<br /> cơ của con người hoặc động vật, và các vật liệu<br /> xạ (scattering coefficient) và tính không đẳng<br /> không đẳng hướng đã nhận được sự chú ý đáng<br /> hướng của cơ bắp bò (bovine muscle), mô tế bào<br /> kể do tiềm năng to lớn dùng trong việc kiểm tra<br /> của người (human tissue) và polyurethane.<br /> hoặc các ứng dụng để phát hiện chẩn đoán bệnh.<br /> Nhiều phương pháp khác nhau đã được đề xuất Phương pháp đo chính xác nhằm xác định<br /> để xác định các tính chất quang học của các mô các tính chất quang học của vật liệu quang điện<br /> tế bào. Ví dụ, Prahl et al. đề xuất hai phương hoặc các mẫu sinh học là rất cần thiết trong việc<br /> pháp dựa trên một hệ thống hình cầu tích hợp tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của<br /> phương pháp kiểm tra hiện đại hoặc các phương<br /> <br /> <br /> 307<br /> Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số 5 * 2015<br /> <br /> pháp chẩn đoán bệnh sớm. Ví dụ, tuyến tính nhau được sử dụng cho mỗi thuộc tính quang<br /> lưỡng chiết (linear birefringence (LB)) cung cấp học. Ví dụ, tính chất LB và LD được trích xuất<br /> một cái nhìn sâu sắc hữu ích về các đặc tính của bằng cách sử dụng một kính hiển vi Metripol,<br /> màng LCD hoặc tính chất quang-đàn hồi trong trong khi tính chất CB được phân tích sử dụng<br /> các mô của con người, trong khi đó tính chất tròn kỹ thuật quét HAUP (High Accuracy Universal<br /> lưỡng chiết (circular birefringence (CB)) dùng Polarimeter), và tính chất CD được đo bằng cách<br /> trong đo máu con người nhằm cung cấp các dấu sử dụng hình ảnh phân tích của kính hiển vi tròn<br /> hiệu đáng tin cậy để phát hiện bệnh tiểu đường. lưỡng sắc. Kết quả là, các thông số quang học<br /> Tương tự, tuyến tính lưỡng sắc (linear dichroism phải tách rời trong mô hình phân tích. Nghĩa là,<br /> (LD)) nhận biết sự khác biệt trong các mô của trước khi đo mỗi thuộc tính quang học, đòi hỏi<br /> con người để tạo điều kiện thuận lợi cho chẩn phải biết trước mẫu đo có đặt tính quang học<br /> đoán khối u, trong khi đó tính chất tròn lưỡng nào để sử dụng thiết bị đo tương ứng. Thêm vào<br /> sắc (circular dichroism (CD) là một phương đó, độ chính xác của các kết quả đo là khá nhạy<br /> pháp hiệu quả và quan trọng để mô tả và phân cảm với các mẫu đo không tinh khiết. Ngoài ra,<br /> loại các cấu trúc protein. Ghosh et al.(8,10,9) đề xuất một phương pháp sử<br /> Bệnh tiểu đường là một trong những nguyên dụng một phương pháp ma trận phân hủy<br /> nhân chính của nhiều bệnh hiểm nghèo, điển Mueller để trích xuất các thuộc tính phân cực<br /> hình là bệnh tim mạch vành, tai biến mạch máu (tuyến tính lưỡng chiết, góc xoay quang học,<br /> não, mù mắt, suy thận, liệt dương, hoại thư, v.v. tuyến tính lưỡng sắc, và hệ số khử cực) của một<br /> Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi bệnh tiểu môi trường mờ đục (turbid). Trong các nghiên<br /> đường được phát hiện sớm cho việc điều trị, cứu thí nghiệm, một máy đo phân cực điều biến<br /> nguy cơ xuất hiện các biến chứng nguy hiểm của quang-đàn hồi được sử dụng để ghi lại các ma<br /> căn bệnh này sẽ có nhiều khả năng tránh được. trận Mueller từ các mẫu đo (phantoms<br /> Nhiều nhóm nghiên cứu đã đưa ra nhiều dẫn polyacrylamide, mía đường (sucrose),<br /> chứng thuyết phục rằng khi lượng đường polystyrene microspheres). Wang và nhóm của<br /> (glucose) trong máu cao thì tính chất CB sẽ tăng ông(25) cũng trình bày so sánh các phần tử của ma<br /> cao(24,23). Ví dụ, Guo et al.(11,12) đã sử dụng máy đo trận Mueller trong ánh sáng tán xạ từ môi<br /> phân cực Stokes và Hsu et al.(13) sử dụng kính trường mờ đục đa hướng có chứa glucose trong<br /> phân cực hình elip để đo tính chất CB trong các mô hình tán xạ đơn và tán xạ kép kèm với mô<br /> mẫu chất lỏng đục có chứa hàm lượng đường hình Monte Carlo. Gần đây, nhóm Jintao<br /> glucose với sự hỗ trợ phân tính bằng phương Chang(4) đã đưa ra phương pháp lọc các chất<br /> pháp mô phỏng dùng thuật toán Monte Carlo. phân cực trong các bức ảnh chụp mẫu mô ung<br /> Tương tự, Wood et al.(27,26) đã sử dụng mô hình thư thông qua ống kính GRIN (Gradient-index)<br /> thuật toán Monte Carlo cho sự truyền phân cực lưỡng chiết, giúp nâng cao tính ổn định trong đo<br /> ánh sáng để đo tính chất LB và CB trong môi lường các đặc tính của các mẫu mô sử dụng ma<br /> trường đa tán xạ của các mô sinh học như chuỗi trận Mueller. Trong khí đó, nhóm Lars Martin<br /> đa phân tử (polyacrylamide phantoms), đường Sandvik Aas(1) thiết kế máy phân cực kế quang<br /> sucrose và polystyren microsphere. phổ để ghi lại các ma trận Mueller xử lý cùng lúc<br /> nhiều bước sóng khác nhau sử dụng thuật toán<br /> Kaminsky et al.(6,14,15) đưa ra một phương<br /> di truyền (Genetic algorithms) với độ chính xác<br /> pháp đo các tính chất LB, LD, CB và CD của các<br /> 0.1%. Còn nhóm Sanaz Alalia and Alex Vitkin(2)<br /> tinh thể bằng cách sử dụng một kỹ thuật hình<br /> trình bày phương pháp luận nhấn mạnh việc sử<br /> ảnh phân cực và mô hình phân tích dựa trên một<br /> dụng ma trận Muller trong quá trình đánh giá<br /> công thức tính toán Jones. Tuy nhiên, tùy thuộc<br /> các mô lớn (bulk tissue) khi chụp các mẫu được<br /> vào tính chất của các mẫu, công cụ máy khác<br /> <br /> <br /> 308<br /> Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số 5 * 2015 Nghiên cứu Y học<br /> <br /> chiếu các ánh sáng bị phân cực từ đó nâng cao và kính 1/4 bước sóng (quarter-wave plate),<br /> độ chính xác cho các máy phân cực kế. được sử dụng để tạo ánh sáng phân cực tuyến<br /> PHƯƠNG PHÁP ĐO tính và tròn khác nhau, trong khi Ŝc và Sc là các<br /> vectơ Stokes đầu vào và đầu ra, tương ứng.<br /> Đối tượng nghiên cứu<br /> Các Stokes vector đầu ra trong Hình 1 có thể<br /> Phần này trình bày phương pháp kỹ thuật để<br /> được tính như sau<br /> tính toán các thông số quang học của các tính<br /> S0   m11 m12 m13 m14  Sˆ0 <br /> chất LB, LD, CB và CD của một mô sinh học bất S    <br />  m21 m22 m23 m24  Sˆ1 <br /> Sc     [Mlb ][Mcb][Mld ][Mcd ]Sˆc  <br /> 1<br /> kỳ. Lưu ý rằng một mô hình quang học của vật S2  m m32 m33 m34  Sˆ2 <br /> liệu không đẳng hướng được giả định rằng các    31 <br />  m44  Sˆ3 c<br /> S3 c  m41 m42 m43<br /> thành phần CD và LD được định vị ở phía trước<br /> của các thành phần CB và LB(16,7). Với (Mld), (Mlb), (Mcb), và (Mcd) là các ma trận<br /> Mueller tương ứng với đặc tính LD, LB, CB và<br /> Bảng 1. Ký hiệu và định nghĩa các thông số quang<br /> CD của mẫu đo. Lưu ý rằng trong phương trình<br /> học(16,7).<br /> (1), các phần tử m11 ~ m44 là khác không. Kết quả<br /> Tên Ký Phạm vi đo Định nghĩa(*)<br /> hiệu là, giải các nghiệm thông số quang học của ma<br /> Góc định hướng trục trận tích Mueller là rất phức tạp. Do đó, trong<br /> α (0°, 180°)<br /> nhanh của LB nghiên cứu này, một phương pháp được đề xuất<br /> Tuyến tính lưỡng<br /> chiết (LB)<br /> β (0°, 360°) 2π(ns – nf)l/λ0 để giải hiệu quả đặc tính LD / CD của mẫu bằng<br /> Góc xoay quang học cách sử dụng bốn phần tử m11, m12, m13 và m14.<br /> γ (0°, 180°) 2π(n– - n+)l/λ0<br /> của CB Trong thiết lập biểu diễn trong Hình 1, mẫu<br /> Góc định hướng của được chiếu sáng bằng cách sử dụng ánh sáng<br /> θd (0°, 180°)<br /> LD<br /> Tuyến tính lưỡng sắc đầu vào phân cực khác nhau, cụ thể là ánh sáng<br /> D (0, 1) 2π(μs – μf)l/λ0<br /> LD phân cực thẳng (tức là Sˆ00  [1, 1, 0, 0]T ,<br /> Tròn lưỡng sắc CD R (-1, 1 ) 2π(μ– - μ+)l/λ0<br /> Sˆ 0  [1, 0, 1, 0]T , Sˆ 0  [1, 1, 0, 0]T và<br /> 45 90<br /> (*) n là chiết suất, μ là hệ số hấp thụ, l là chiều dài đường<br /> dẫn đi qua môi trường (độ dày của vật liệu), λ0 là bước sóng Sˆ1350  [1, 0,  1, 0]T ) và hai ánh sáng phân cực<br /> chân không. Các ký hiệu nhỏ f và s đại diện cho nhanh và tròn (tức là, phải SˆRHC  [1, 0, 0, 1]T và trái<br /> chậm của sóng phân cực tuyến tính khi bỏ qua các hiệu ứng<br /> SˆLHC  [1, 0, 0, 1]T ). Các Stokes vector đầu ra<br /> sóng tròn, và + và - sóng phân cực tròn bên phải và trái khi<br /> bỏ qua những tác động tuyến tính. tương ứng rút ra từ phương trình (1).<br /> T<br /> S00  m11  m12 , m21  m22 , m31  m32 , m41  m42  (2)<br /> T<br /> S 450   m11  m13 , m21  m23 , m31  m33 , m41  m 43  (3)<br /> T<br /> S 900   m11  m12 , m21  m22 , m31  m32 , m41  m 42  (4)<br /> T<br /> S1350   m11  m13 , m21  m23 , m31  m33 , m41  m 43  (5)<br /> T<br /> S RHC  m11  m14 , m21  m24 , m31  m34 , m41  m 44  (6)<br /> T<br /> S LHC   m11  m14 , m21  m24 , m31  m34 , m41  m 44  (7)<br /> <br /> Cụ thể, góc định hướng (θd) của LD tính<br /> Hình 1. Sơ đồ minh họa mô hình được sử dụng tính được theo phương trình sau<br /> toán các thông số quang học.  S ( S 0 )  S135 ( S 0 ) <br /> 0 0<br /> 2 d  tan 1  45 (8)<br /> Hình 1 trình bày sơ đồ minh họa của phương  S ( S 0 )  S ( S 0 ) <br />  0 0<br /> 90 0<br /> <br /> pháp đo được sử dụng trong nghiên cứu này để<br /> Giá trị của tuyến tính lưỡng sắc LD được<br /> trích xuất các thông số cho một mẫu quang học<br /> tính theo công thức sau<br /> điển hình. Lưu ý rằng P và Q là kính phân cực<br /> <br /> <br /> <br /> 309<br /> Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số 5 * 2015<br /> <br /> <br />  S (S )  S<br /> 2<br />  <br /> (S0 )  S450 (S0 )  S1350 (S0 ) <br /> 2<br /> Phương pháp tiến hành<br /> D 00 0 900 (9)<br /> 2 2 Trước khi đưa vào thí nghiệm, khả năng và<br />  S (S )  S<br /> 00 0 900<br /> (S )    S<br /> 0 RHC (S0 )  SLHC (S0 ) <br /> độ chính xác của phương pháp này để trích xuất<br /> Sau đó, giá trị của tròn lưỡng sắc CD được tính các thông số quang học trên phạm vi đo lường<br /> theo công thức sau được xác minh bằng cách sử dụng kỹ thuật mô<br /> 2 2<br /> <br /> R<br />  <br /> [S00 (S0) S900 (S0)][ S00 (S0) S900 (S0)  SRHC(S0) SLHC(S0) ]<br /> (10) phỏng. Một chuỗi mô phỏng được thực hiện để<br /> [SRHC(S0) SLHC(S0)] đánh giá tính chính xác của các kết quả thu được<br /> Chú ý rằng giá trị của θd, D và R thu được từ từ phương pháp này với sai số cài đặt (error) của<br /> phương trình (8), (9) và (10), là hoàn toàn độc các thông số đầu ra Stokes có giá trị ± 0,005(20,5).<br /> lập, tách rời (decoupling). Sau đó, các giá trị của (Lưu ý rằng phạm vi sai số được xác định ở đây<br /> α, β và γ được tính toán bằng cách sử dụng các là phù hợp với độ chính xác đo lường của một<br /> phần tử A22 ~ A44 trong ma trận Mueller (MR). Cụ máy phân cực điển hình).<br /> thể, góc định hướng của LB được tính theo công Phân tích mô phỏng<br /> thức sau Trong việc thực hiện các phân tích mô<br /> 1  A  phỏng, các giá trị lý thuyết của các thông số đầu<br />   tan 1   24  (11)<br /> 2  A34  ra Stokes cho sáu ánh sáng đầu vào (S0°, S45°, S90°,<br /> Trong khi đó, thông số LB được tính như sau S135°, SRHC, và SLHC) được tính toán cho một mẫu<br /> giả định bằng cách sử dụng phương pháp ma<br />   cos1 A44  (12)<br /> trận Mueller dựa trên các giá trị đầu vào của các<br /> Góc xoay quang học (γ) của CB được tính mẫu giả định và của các vectơ đầu vào Stokes.<br /> theo phương trình sau Các giá trị lý thuyết Stokes sau đó được đưa vào<br /> 1  A23  A32  các phương trình tính toán (11), (12), (13), (8), (9)<br />   tan1   (13)<br /> 2  A22  A33  và (10), tương ứng để tính ra các thông số quang<br /> học. Sau đó, các giá trị tính toán của các thông số<br /> Tóm lại, trong mô hình phân tích được đề<br /> quang học được so sánh với các giá trị đầu vào<br /> xuất trong nghiên cứu này, góc định hướng (α)<br /> đã được sử dụng trong việc xây dựng ma trận<br /> và tuyến tính lưỡng chiết (β) của LB, góc xoay<br /> Mueller.<br /> quang học (γ) của CB, góc định hướng (θd) và<br /> tuyến tính lưỡng sắc (D) của LD, và lưỡng sắc Khả năng của phương pháp đề xuất được<br /> tròn (R) của CD được tính toán bằng cách sử đánh giá bằng cách tính toán các giá trị α, β, θd,<br /> dụng các phương trình (11), (12), (13), (8), (9) và D, γ, và R của một mẫu quang học. Khi một<br /> (10), tương ứng. Nghiệm của các phương trình tham số được tính toán, đầu vào của tham số này<br /> tính toán trên là hoàn toàn độc lập và tách rời. sẽ được thay đổi trên phạm vi đo đầy đủ của nó<br /> Kết quả là, độ chính xác của kết quả các thông số (phạm vi đo của α, θd và γ: 0 ~ 180°; phạm vi đo<br /> tăng cao và mở rộng khả năng ứng dụng cho của β: 0 ~ 360°; phạm vi đo của D: 0 ~ 1 và phạm<br /> nhiều mẫu tế bào khác nhau. Điều quan trọng là, vi đo của R: -1 ~ 1). Các thông số đầu vào khác đã<br /> mô hình cung cấp phương pháp để tính toán các được quy định cụ thể như sau: α = 50°, β = 60°,<br /> thuộc tính của mẫu với tính chất LB, CB, LD θd = 35°, D = 0,4, γ = 150 và R = 0,1. Ví dụ cụ thể,<br /> hoặc CD mà không cần bất kỳ hình thức của quá để tính toán góc định hướng trục chính của LB,<br /> trình bù hoặc khử tính chất gây nhiễu. Thêm vào góc định hướng của LB được tính bằng cách sử<br /> đó, phương pháp này không đòi hỏi trục chính dụng phương trình (18), được quy định như α: 0<br /> lưỡng chiết và trục chính lưỡng sắc phải thẳng ~ 180° và các thông số đầu vào khác được quy<br /> hàng như các phương pháp phân cực ánh sáng định cụ thể như sau β = 60°, θd = 35°, D = 0,4, γ =<br /> khác hay sử dụng. 15°, và R = 0,1, tương ứng(23, 24). Kết quả là giá trị<br /> <br /> <br /> <br /> 310<br /> Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số 5 * 2015 Nghiên cứu Y học<br /> <br /> đầu vào (giả định: 0 ~ 180°) và giá trị đầu ra (do ra Stokes đã bị nhiễu loạn (đã qua sai số) băng<br /> tính toán) của thông số α là hoàn toàn tương cách sử dụng các phương trình (18), (19), (20),<br /> thích và không xuất hiện sai số bất thường nào (12), (6) và (14), tương ứng. Từ quá trình kiểm tra<br /> trong công thức tính toán. Lập lại kết quả mô này, thanh sai số (error bar) của các thông số α,<br /> phỏng với toàn bộ các thông số còn lại và những β, θd, D, γ và R có giá trị tương ứng là ± 0,022°, ±<br /> kết quả đạt được là hoàn toàn tương thích với 0,038° ± 0,174° ± 0,005 ± 0,066° và ± 0.003. Vì vậy,<br /> phạm vi đo đầy đủ của từng thông số. Vì vậy, điều này có thể suy ra rằng mô hình phân tích<br /> các phương trình tính toán nghiệm của các thông của phương pháp này có tính chính xác cao đối<br /> số đo trong nghiên cứu này cho phép đo đầy đủ với các lỗi thử nghiệm trong các thông số đầu ra<br /> các giá trị α, β, θd, D, γ, và R trên phạm vi đo vectơ Stokes.<br /> tương ứng của chúng. Kết quả đã xác nhận khả So sánh với các nhóm nghiên cứu khác<br /> năng của phương pháp này đã mang lại phạm vi<br /> Để khẳng định tính chính xác của phương<br /> đo đầy đủ (full-range) của các tính chất phân cực<br /> pháp nghiên cứu này, một bảng so sánh được<br /> quang học.<br /> thiết lập bằng cách sử dụng các giá trị đầu vào<br /> Phân tích lỗi của ma trận Mueller trong cột 2 của Bảng 2<br /> Để kiểm tra sự vững mạnh của mô hình của tài liệu tham khảo[10]. Trong đó, một dung<br /> phân tích này đối với các sai số trong khi đo từ dịch được làm giả mô phỏng theo sự phức tạp<br /> các giá trị vectơ Stokes, được xây dựng trên mô của các mô sinh học, nó thể hiện tính lưỡng<br /> hình ma trận Mueller để đưa ra các thông số lý chiết thẳng (mẫu đo được kéo căng 2 mm theo<br /> thuyết Stokes (S0°, S45°, S90°, S135°, SRHC, và phương thẳng đứng, nồng độ 1M (mol) của<br /> SLHC) cho một mẫu tổng hợp các tính chất đường (sucrose) tương ứng với độ lớn của giá<br /> LB/CB/LD/CD. 500 bộ sai số nhiễu của vectơ trị hoạt động quang học là 1,96°/cm), và độ<br /> Stokes được đưa ra bằng cách áp dụng các nhiễu đục của mẫu (đường kính hạt nhựa là 1.4 nm<br /> loạn ngẫu nhiên xung quanh ± 0,005 trên thông (polystyrene), dẫn đến hệ số tán xạ là 30 cm-1<br /> số lý thuyết Stokes (-1 ~ 1), xem (25, 26). Sau đó, và tham số bất đẳng hướng là 0,95 ở bước<br /> các xáo trộn nhiễu của giá trị Stokes được đưa sóng λ = 633 nm).<br /> vào mô hình phân tích của phương pháp này để Tất cả các yếu tố đầu vào của ma trận<br /> tính toán các giá trị đầu ra α, β, θd, D, γ, và R Mueller đã được đưa vào phương trình (8),<br /> của một mẫu quang học. Cuối cùng, các giá trị (9), (10), (11), (12) và (13) để trích xuất các giá<br /> đầu ra được tính toán và so sánh với các giá trị trị của α, β, γ, θd, D và R tương ứng. Trong<br /> đầu vào đã được sử dụng trong việc xây dựng Bảng 2, có thể thấy rằng các giá trị tính toán<br /> ma trận Mueller. được của lưỡng chiết thẳng, lưỡng chiết tròn,<br /> Khi tính toán các giá trị lý thuyết của các lưỡng sắc thẳng và độ khử cực là tương đương<br /> thông số đầu ra Stokes, các tính chất phân cực với giá trị đầu vào. Kết quả của bảng so sánh<br /> quang học đã được qui định như sau: α = 50°, β = cho thấy rằng một sự tương đồng được thể<br /> 60°, θd = 35°, D = 0,4, γ = 15° và R = 0,1. Các giá hiện giữa phương pháp nghiên cứu này và<br /> trị đầu ra của α, β, θd, D, γ và R sau đó được phương pháp của Gosh trong tài liệu tham<br /> tính toán dựa vào các giá trị của các thông số đầu khảo[10].<br /> Bảng 2. So sánh chín thông số với giá trị điều khiển đầu vào và hai phương pháp.<br /> Kết quả tính toán của nhóm Kết quả tính toán của phương<br /> Giá trị đầu vào (15)<br /> Gosh pháp nghiên cứu này<br /> Góc định hướng LB (α) (độ) X X 2.12°<br /> Lưỡng chiết thẳng (β) (rad) 0.83rad 0.79rad 0.81rad<br /> Lưỡng chiết tròn (γ) (độ) 2.14° 2.05° 2.21°<br /> <br /> <br /> <br /> 311<br /> Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số 5 * 2015<br /> <br /> Kết quả tính toán của nhóm Kết quả tính toán của phương<br /> Giá trị đầu vào (15)<br /> Gosh pháp nghiên cứu này<br /> Góc định hướng LD (θ) (độ) X X 4.45°<br /> Lưỡng sắc thẳng (D) 0 0.02 0.018<br /> Lưỡng sắc tròn (R) 0 X 0.0021<br /> Độ khử cực (∆) 0.19 0.21 0.195<br /> * Ghi chú: Ký hiệu X là không được tính toán trong(10)<br /> Phần tiếp theo sẽ trình bày cách thiết lập hệ Nine parameter<br /> values<br /> thống thí nghiệm và kiểm tra độ chính xác của Rotate Controller<br /> <br /> hệ thống bằng một số kính quang học đã biết Computer<br /> trước tính chất (ví dụ kính ¼ bước sóng (quarter- RHC<br /> or Receive<br /> data<br /> wave plate), kính 1/2 bước sóng (half-wave LP LHC LP<br /> <br /> plate), nước khử ion có chứa glucose-D, kính He-Ne Laser<br /> phân cực…).<br /> Stoke<br /> THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM Q450,-450 P Neutral<br /> Density<br /> Power<br /> meter<br /> Sample polarimeter<br /> <br /> Filter detector<br /> Hình 2 trình bày sơ đồ minh họa của hệ 00,450, 900,1350<br /> <br /> thống đo dùng trong thí nghiệm được sử dụng<br /> để đo các mẫu sinh học. Trong việc thực hiện các<br /> Hình 2. Sơ đồ minh họa của hệ thống đo dùng trong<br /> thí nghiệm, ánh sáng đầu vào được cung cấp bởi<br /> thí nghiệm<br /> một tần số ổn định của He-Ne laser với bước<br /> sóng 632,8 nm. Ngoài ra, một tấm kính phân cực Kiểm tra độ chính xác của phương pháp đo<br /> (polarizer) và kính ¼ bước sóng (quarter-wave này bằng cách thí nghiệm trên các mẫu quang<br /> plate) được sử dụng để tạo ra tia sáng phân cực học khác nhau, cụ thể là kính ¼ bước sóng<br /> tuyến tính (0°, 45°, 90° 135°) và tia ánh sáng phân (quarter-wave plate), kính 1/2 bước sóng (half-<br /> cực tròn (bên phải và bên trái). Một bộ lọc cường wave plate), nước de-ion hóa có chứa glucose-D,<br /> độ trung lập (neutral density filter) và đồng hồ kính phân cực…<br /> đo cường độ sáng cùng đầu dò (power meter Hình 3 trình bày lưu đồ những bước chính<br /> detector) được sử dụng để đảm bảo rằng mỗi trong quy trình làm thí nghiệm và tính toán để<br /> ánh sáng phân cực đầu vào có một cường độ chiết xuất các giá trị của mẫu bằng ngôn ngữ lập<br /> giống hệt nhau. Lưu ý rằng đối với mẫu không trình Matlab. Như thể hiện trong hình, đầu tiên<br /> có lưỡng sắc tuyến tính (LD), các thông số đầu ra chương trình tính toán nhận kết quả đo của thí<br /> Stokes có thể được chuẩn hóa như SC/S0 khi mà nghiệm (sáu kết quả phân cực đầu ra của mẫu<br /> các phần tử ma trận m12, m13 và m14 trong đo). Sau đó, chương trình này bắt đầu bằng cách<br /> phương trình (4) là bằng không. Vì vậy, không đọc các giá trị đầu ra của vector Stoke. Tiếp tục<br /> có nhu cầu để đảm bảo rằng ánh sáng đầu vào sau đó, các phần tử tương ứng của ma trận<br /> có một cường độ quang học giống hệt nhau Mueller được tính toán. Từ kết quả của ma trận<br /> trước khi đi vào mẫu. Tuy nhiên, đối với mẫu Mueller này, các thông số đặc tính mẫu đo được<br /> với tuyến tính lưỡng sắc (LD), các thông số đầu tính toán và xuất ra máy tính (α, β, θd, D, γ R, e1,<br /> ra Stokes không thể được chuẩn hóa theo cách e2, và e3). Trong thí nghiệm này, 1024 điểm dữ<br /> này, và do đó các bộ lọc cường độ trung lập và liệu được đo liên tục trong một lần đo của mỗi<br /> đồng hồ đo cường độ sáng cùng đầu dò được mẫu đo. Trong số những điểm dữ liệu đã đo<br /> yêu cầu sử dụng. Các thông số đầu ra Stokes được, 100 điểm sau đó được chọn để tính toán<br /> được tính toán từ các phép đo cường độ thu các thông số và giá trị trung b́nh của chúng. Kết<br /> được bằng cách sử dụng một máy đo phân cực. quả cuối cùng xuất ra máy tính chính là các<br /> <br /> <br /> <br /> 312<br /> Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số 5 * 2015 Nghiên cứu Y học<br /> <br /> thông số phân cực của mẫu đo kèm theo sai số ứng. Các nồng độ dung dịch của hạt 5μm và<br /> tính toán là giá trị sai lệch lớn nhất của giá trị 9μm tương ứng là 0,32% chất rắn và 0,33% chất<br /> trung bình và 100 điểm đo. Với cách đo này, kết rắn (Thermo Scientific Ltd). Mật độ của cả hai<br /> quả sẽ mang lại độ chính xác cao và khử được loại hạt micro là 1.05g/cm3. Các dung dịch pha D-<br /> tình trạng sai số do nhiễu mang đến trong quá glucose được chứa trong lọ vuông làm bằng<br /> trình đo. thạch anh (quazrt). Chiều cao bên ngoài của lọ là<br /> Experimental setup for bio- 12,5 mm và khoảng cách từ đầu đọc tín hiệu đến<br /> samples Start<br /> mỗi mẫu đo là 23mm.<br /> Measure the output Read the output values of Stoke Hình 4 trình bày các kết quả thí nghiệm thu<br /> polarization lights vectors (six output polarization light)<br /> được cho tính chất phân cực của dung dịch có<br /> chứa các hạt micro đường kính 5μm và D-<br /> Calculate all elements of Mueller glucose. Các giá trị trung bình đo được của các<br /> matrix<br /> thông số phân cực của mẫu với nồng độ khác<br /> nhau của D-glucose từ 0 ~ 0.7mM (milimol) với<br /> Calculate the mean value of Yes Calculate all nine parameters sự gia tăng 0,1mM tại mỗi điểm đo. Đúng như<br /> each effective parameter (Loops=100 data points) dự đoán, kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng một<br /> Terminate quan hệ tuyến tính tồn tại giữa các giá trị đầu ra<br /> No<br /> Extract parameter values (LB/ của tính chất lưỡng chiết tròn và nồng độ của D-<br /> CB, LD/CD and LDep/CDep) glucose trong phạm vi xem xét từ 0 ~ 0.7mM<br /> Hình 3. Lưu đồ của quá trình tính toán dùng để xác (Hình 4 (c)). Độ lệch chuẩn của các góc quay<br /> định các giá trị của thông số phân cực của mẫu đo. quang học của kết quả đo là 0,05°. Hình 4 (a) cho<br /> thấy một sự tương quan tốt được quan sát giữa<br /> KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢOLUẬN<br /> các giá trị đo của góc định hướng của LB và sự<br /> Trong phần này trình bày kết quả thí nghiệm gia tăng nồng độ của D-glucose. Trong các bài<br /> đo mẫu giả tế bào với đầy đủ các tính chất phân báo của tác giả Phạm TTH và cs.(27, 28), đã chứng<br /> cực của mẫu đo nhưng sẽ tập trung vào phân minh do tính chất toán học, kết quả đáng tin cậy<br /> tích tính chất lưỡng chiết tròn (CB). Như đã nói cho các góc định hướng của LD thu được chỉ khi<br /> trong phần giới thiêu, khi lượng đường (glucose) giá trị lưỡng sắc thẳng, D, lớn hơn hoặc bằng<br /> trong máu cao thì tính chất CB sẽ tăng cao, từ kết 0,05. Hình 4 (b) cho thấy giá trị D của dung dịch<br /> quả này sẽ cung cấp các dấu hiệu tin cậy để phát D-glucose là gần bằng không. Do đó giá trị đo<br /> hiện dấu hiệu bệnh tiểu đường. Sau đây là kết được của góc định hướng LD biến đổi một cách<br /> quả thí nghiệm để đo các thông số phân cực của ngẫu nhiên khi nồng độ của D-glucose tăng lên.<br /> dung dịch các hạt micro (polystyren Hình 4 (d) cho thấy lưỡng sắc tròn, CD, của<br /> microsphere) có chứa D-glucose với nồng độ dung dịch D-glucose cũng là gần bằng không và<br /> tăng dần. điều này hoàn toàn hợp lý vì mẫu đo không có<br /> Các hạt micro (hãng sản xuất Thermo chứa tính chất CD.<br /> Scientific Ltd) có hai kích thước khác nhau Tương tự như vậy, các kết quả thí nghiệm<br /> (đường kính 5μm và 9μm) và nước khử ion đã thu được trong khi đo các tính chất phân cực<br /> được lựa chọn để đánh giá hiệu quả của phương của dung dich các hạt micro đường kính 9μm<br /> pháp đo trong việc đo các thông số quang học có chứa D-glucose với nồng độ tăng dần từ 0<br /> của một môi trường đục bất kỳ. D-glucose đến 0.7mM cũng tương tự với kết quả của<br /> (Merck Ltd) được hòa tan trong từng khối lượng dung dịch có chứa các hạt micro đường kính<br /> 2ml hai loại hạt polystyrene microsphere (5μm 5μm và D-glucose.<br /> và 9μm đường kính) và nước khử ion hóa, tương<br /> <br /> <br /> <br /> 313<br /> Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số 5 * 2015<br /> <br /> <br /> 180 6 180 1.2<br /> S<br /> Goc dinh huong huong LB (do)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Goc dinh huong huong LD (do)<br /> 150<br /> S 5 1<br /> 150<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Luong chiet thang LB (do)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Luong sac thang LD<br /> 120 4 120 0.8<br /> <br /> <br /> 90 3 90 0.6<br /> <br /> <br /> 60 2 60 S 0.4<br /> DS<br /> 30 1 30 0.2<br /> <br /> <br /> 0 0 0 0<br /> 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7<br /> 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7<br /> Nong do Glucose trong mau do (mM) Nong do Glucose trong mau do (mM)<br /> (a) (b)<br /> 0.7<br /> 0.7<br /> S<br /> 0.6 RS<br /> 0.6<br /> Luong sac tron (  )<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0.5<br /> S<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Luong sac tron ( R )<br /> 0.5<br /> S<br /> 0.4<br /> 0.4<br /> <br /> 0.3 0.3<br /> <br /> 0.2 0.2<br /> <br /> 0.1 0.1<br /> <br /> 0 0<br /> 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7<br /> Nong do Glucose trong mau do (mM) Nong do Glucose trong mau do (mM)<br /> (c) (d)<br /> <br /> Hình 4. Kết quả thí nghiệm thu được cho tính chất phân cực của dung dịch có chứa các hạt micro đường kính<br /> 5μm và D-glucose<br /> Do đó, phương pháp tách rời các thông số nồng độ của dung dịch D-glucose là như nhau<br /> tính toán (de-coupling) trong nghiên cứu này đã mặc dù điểm khởi đầu là khác nhau. Điều này có<br /> thể hiện ưu điểm trong việc duy trì tính chính thể giải thích là do tính chất các mẫu đo là khác<br /> xác của các kết quả thí nghiệm. Ví dụ, mặc dù nhau. Như thể hiện trong hình 5(b), sau khi cân<br /> các dữ liệu của các góc định hướng của LB (α) và chỉnh tại giá trị đo đầu tiên kết quả đo của tính<br /> LD (γ) trong hình 4 là ngẫu nhiên khi giá trị β và chất CB của 3 mẫu gần như trùng nhau.<br /> D gần bằng không, kết quả của chúng không hề Tóm lại, qua những thí nghiệm trên có thể<br /> ảnh hưởng đến kết quả tính toán của các thông thấy rằng khi nồng độ D-glucose trong mẫu đo<br /> số khác của mẫu đo trong thí nghiệm. tăng thì tính chất lưỡng chiết tròn CB của mẫu<br /> Để so sánh các giá trị lưỡng chiết tròn, CB, cũng sẽ tăng tuyến tính theo. Việc này sẽ giúp ta<br /> của các dung dịch có chứa D-glucose với nhau, nhận biết dấu hiệu bệnh tiểu đường bằng<br /> hình 5(a) minh họa các kết quả thí nghiệm thu phương pháp quang học khi mẫu đo có tính chất<br /> được của tính chất CB (γ) của ba mẫu khác nhau CB cao hơn các mẫu đo thông thường khác.<br /> gồm các hạt micro có đường kính hạt là 5μm và Trong kế hoạch tiếp theo, các thí nghiệm trên<br /> 9μm và nước khử ion; ba mẫu đều chứa D- mẫu máu sẽ được đo để từ đó có thể tiến hành<br /> glucose có nồng độ tăng dần từ 0 đến 0.7mM. đo thử nghiệm trên người và so sánh kết quả đo<br /> Qua hình vẽ có thể quan sát thấy rằng các độ dốc với những cách đo khác.<br /> của tính chất CB của ba mẫu theo sự gia tăng<br /> <br /> <br /> 314<br /> Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 19 * Số 5 * 2015 Nghiên cứu Y học<br /> <br /> <br /> 1 1<br /> Polystyrene microsphere (5m) Polystyrene microsphere (5m)<br /> Polystyrene microsphere (9m) Polystyrene microsphere (9m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Luong chiet tron CB ( )(deg.)<br /> 0.8<br /> Luong sac tron CB ( )(do)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0.5 Water Water<br /> <br /> 0.6<br /> 0<br /> 0.4<br /> <br /> -0.5<br /> 0.2<br /> <br /> <br /> -1 0<br /> 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7<br /> Nong do Glucose trong mau do (mM) Nong do Glucose trong mau do (mM)<br /> <br /> (a) (b)<br /> Hình 5. Kết quả thí nghiệm thu được của tính chất lưỡng chiết tròn CB (γ) của ba mẫu khác nhau gồm các hạt<br /> micro 5μm và 9μm và nước khử ion chứa D-glucose, (a) trước cân chỉnh và (b) sau khi cân chỉnh.<br /> KẾT LUẬN kiện thuận lợi cho chẩn đoán khối u, trong khi<br /> đó tính chất tròn lưỡng sắc (CD) là một phương<br /> Nghiên cứu này đã đề xuất một kỹ thuật<br /> pháp hiệu quả và quan trọng để mô tả và phân<br /> phân tích tách riêng các thông số dựa trên các loại