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

Phương pháp xác định glucose không xâm lấn trong mô người đã và đang được quan tâm lớn trong các phép đo quang học. Trong nghiên cứu này, các thông số quang học như đặc tính lưỡng chiết thẳng (LB), lưỡng sắc thẳng (LD), lưỡng chiết tròn (CB), và lưỡng sắc tròn (CD) của môi trường mờ đục được chiết xuất bởi một kỹ thuật phân tích tách rời dựa trên phương pháp ma trận Mueller và thông số Stokes.

SỬ DỤNG HỆ THỐNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG ĐỂ PHÁT HIỆN DẤU HIỆU BỆNH TIỂU ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC

KHÔNG XÂM LẤN

Phạm Thị Thu Hiền*, Lê Thanh Hải**, Trịnh Thị Diệu Thường***, Nguyễn Đức Thắng*, Võ Văn Tới*,

Huỳnh Quang Linh ****

TÓM TẮT

Mục tiêu nghiên cứu: Phương pháp xác định glucose không xâm lấn trong mô người đã và đang được quan

tâm lớn trong các phép đo quang học Trong nghiên cứu này, các thông số quang học như đặc tính lưỡng chiết thẳng (LB), lưỡng sắc thẳng (LD), lưỡng chiết tròn (CB), và lưỡng sắc tròn (CD) của môi trường mờ đục được chiết xuất bởi một kỹ thuật phân tích tách rời dựa trên phương pháp ma trận Mueller và thông số Stokes Tính hiệu lực của phương pháp đo lường này đã được minh chứng trong xét nghiệm các mẫu đo khác nhau

Đối tượng nghiên cứu: Các kết quả thí nghiệm được trình bày sau đây là các thông số đo của hai mẫu vi cầu

polystyrene microsphere (đường kính 5μm và 9μm) và nước de-ion hóa có chứa glucose Sau đó, tính chất lưỡng chiết tròn của glucose của ba mẫu được so sánh và kiểm định thành công trong nghiên cứu này Thuật toán mới này được giới thiệu ở đây không cần bất kỳ quá trình khử tính chất nhiễu trong mẫu Kết quả là, phương pháp 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 LB), nhận biết sự khác biệt trong các mô của con người (dựa trên tính chất LD), đo đặc tính của cấu trúc protein (dựa trên tính chất CB/CD) hoặc phát hiện dấu hiệu bệnh tiểu đường (dựa trên tính chất CB)

Phương pháp nghiên cứu và kết quả: Trước tiên, khả năng đo và độ chính xác của mô hình đã đề xuất để

đưa ra các tính chất quang học của một mẫu đo sinh học được xác nhận bằng cách sử dụng lập trình mô phỏng (ngôn ngữ Matlab) Sau đó, các thí nghiệm được thiết lập để đo các tính chất phân cực của những mẫu sinh học khác nhau cụ thể là hai dung dịch của các hạt micro đường kính khác nhau tương ứng (microspheres polystyrene)

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 của tính chất CB và sự gia tăng của nồng độ đường (D-glucose) của dung dịch trong phạm vi xem xét từ 0 ~ 0,7mM (miliMol) Qua kiểm nghiệm, độ lệch chuẩn của các góc quay quang học được tìm thấy là 0,05°

Kết luận: Các kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng khi lượng đường (glucose) trong máu cao thì tính chất CB

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 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

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 quả chính xác cao hơn

Từ khóa: Môi trường mờ đục, D-glucose, polystyrene microsphere, đo lường quang học không xâm lấn

* Bộ môn Kỹ thuật Y Sinh, Đại học Quốc tế - Đại học Quốc gia TP.HCM

** Khoa Cơ khí, Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM,

*** Khoa Y học Cổ truyền, Đại học Y Dược TP.HCM

**** Khoa Khoa học Ứng dụng, Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM

ABSTRACT

USING THE POLARIZED LIGHT SYSTEM TO DETECT DIABETES SIGNS BY NONINVASIVE

OPTICAL MEASUREMENT

Pham Thi Thu Hien, Le Thanh Hai, Trinh Thi Dieu Thuong, Nguyen Duc Thang, Vo Van Toi,

Huynh Quang Linh * Y Hoc TP Ho Chi Minh * Vol 19 - No 5 - 2015: 306 - 316

Objectives: Noninvasive determination of glucose in human tissue has led to an increment of interest in

optical measurements In this study, optical parameters in linear birefringence, linear dichroism, circular birefringence, and circular dichroism properties of turbid media is extracted by a decoupled analytical technique based on the Mueller matrix method and the Stokes parameters The validity of the proposed measurement method

in testing different samples is proved

Materials: The experimental results have showed the effective parameters of two types polystyrene

microspheres (5μm and 9μm diameter) and de-ionized water with containing glucose Then, the circular birefringence property of glucose of three samples is compared and calibrated successfully in this study This new algorithm introduced here does not need any purification process in sample As a result, the proposed approach has potential for applications such as collagen and muscle structure characterization (base on LB measurements), to recognize the difference in human tissues (LD measurement), protein structure characterization (base on CB/CD measurements) or diabetes detection (base on CB measurements)

Method and results: Firstly, the ability and the accuracy of the proposed model to extract the nine effective

optical parameters is verified using a simulation technique (Matlab languge) Thereafter, the experiments are setup for characterizing all properties of different bio-samples namely two different diameters suspended particles (polystyrene microspheres) with containing D-glucose; de-ionized water with containing D-glucose As expected,

a good agreement results exist between the measured values of the optical rotation angle and the concentration of D-glucose over the considered range of 0 ~ 0.7mM From inspection, the standard deviation of the optical rotation angle is found to be 0.05°

Conclusion: The experimental results have shown that when the concentration of D-glucose increases the

CB propertiy also increases, then this study can promptly detect signs of diabetes Additionally, an advantage of the proposed study is able to extract all the effects of measurement of polarization in any biological sample without the need for any form of compensation process or pretreatment because the algorithm of this research can separate all independent parameters to achieve higher accuracy results

Key words: Turbid media, glucose, polystyrene microspheres, noninvasive optical measurement

MỞ ĐẦU

Các đặc tính phân cực của tán xạ ánh sáng từ

các môi trường mờ đục như mô sinh học, các sợi

cơ của con người hoặc động vật, và các vật liệu

không đẳng hướng đã nhận được sự chú ý đáng

kể do tiềm năng to lớn dùng trong việc kiểm tra

hoặc các ứng dụng để phát hiện chẩn đoán bệnh

Nhiều phương pháp khác nhau đã được đề xuất

để xác định các tính chất quang học của các mô

tế bào Ví dụ, Prahl et al đề xuất hai phương

pháp dựa trên một hệ thống hình cầu tích hợp

đơn (single-integrating-sphere system)(3,17) và một hệ thống hình cầu tích hợp đôi (double-integrating sphere system)(22), tương ứng, để đo

hệ số hấp thụ (absorption coefficient), hệ số tán

xạ (scattering coefficient) và tính không đẳng hướng của cơ bắp bò (bovine muscle), mô tế bào của người (human tissue) và polyurethane Phương pháp đo chính xác nhằm xác định các tính chất quang học của vật liệu quang điện hoặc các mẫu sinh học là rất cần thiết trong việc tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của phương pháp kiểm tra hiện đại hoặc các phương

pháp chẩn đoán bệnh sớm Ví dụ, tuyến tính

lưỡng chiết (linear birefringence (LB)) cung cấp

một cái nhìn sâu sắc hữu ích về các đặc tính của

màng LCD hoặc tính chất quang-đàn hồi trong

các mô của con người, trong khi đó tính chất tròn

lưỡng chiết (circular birefringence (CB)) dùng

trong đo máu con người nhằm cung cấp các dấu

hiệu đáng tin cậy để phát hiện bệnh tiểu đường

Tương tự, tuyến tính lưỡng sắc (linear dichroism

(LD)) nhận biết sự khác biệt trong các mô của

con người để tạo điều kiện thuận lợi cho chẩn

đoán khối u, trong khi đó tính chất tròn lưỡng

sắc (circular dichroism (CD) là một phương

pháp hiệu quả và quan trọng để mô tả và phân

loại các cấu trúc protein

Bệnh tiểu đường là một trong những nguyên

nhân chính của nhiều bệnh hiểm nghèo, điển

hình là bệnh tim mạch vành, tai biến mạch máu

não, mù mắt, suy thận, liệt dương, hoại thư, v.v

Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi bệnh tiểu

đường được phát hiện sớm cho việc điều trị,

nguy cơ xuất hiện các biến chứng nguy hiểm của

căn bệnh này sẽ có nhiều khả năng tránh được

Nhiều nhóm nghiên cứu đã đưa ra nhiều dẫn

chứng thuyết phục rằng khi lượng đường

(glucose) trong máu cao thì tính chất CB sẽ tăng

cao(24,23) Ví dụ, Guo et al.(11,12) đã sử dụng máy đo

phân cực Stokes và Hsu et al.(13) sử dụng kính

phân cực hình elip để đo tính chất CB trong các

mẫu chất lỏng đục có chứa hàm lượng đường

glucose với sự hỗ trợ phân tính bằng phương

pháp mô phỏng dùng thuật toán Monte Carlo

Tương tự, Wood et al.(27,26) đã sử dụng mô hình

thuật toán Monte Carlo cho sự truyền phân cực

ánh sáng để đo tính chất LB và CB trong môi

trường đa tán xạ của các mô sinh học như chuỗi

đa phân tử (polyacrylamide phantoms), đường

sucrose và polystyren microsphere

Kaminsky et al.(6,14,15) đưa ra một phương

pháp đo các tính chất LB, LD, CB và CD của các

tinh thể bằng cách sử dụng một kỹ thuật hình

ảnh phân cực và mô hình phân tích dựa trên một

công thức tính toán Jones Tuy nhiên, tùy thuộc

vào tính chất của các mẫu, công cụ máy khác

nhau được sử dụng cho mỗi thuộc tính quang học Ví dụ, tính chất LB và LD được trích xuất bằng cách sử dụng một kính hiển vi Metripol, trong khi tính chất CB được phân tích sử dụng

kỹ thuật quét HAUP (High Accuracy Universal Polarimeter), và tính chất CD được đo bằng cách

sử dụng hình ảnh phân tích của kính hiển vi tròn lưỡng sắc Kết quả là, các thông số quang học phải tách rời trong mô hình phân tích Nghĩa là, trước khi đo mỗi thuộc tính quang học, đòi hỏi phải biết trước mẫu đo có đặt tính quang học nào để sử dụng thiết bị đo tương ứng Thêm vào

đó, độ chính xác của các kết quả đo là khá nhạy cảm với các mẫu đo không tinh khiết Ngoài ra, Ghosh et al.(8,10,9) đề xuất một phương pháp sử dụng một phương pháp ma trận phân hủy Mueller để trích xuất các thuộc tính phân cực (tuyến tính lưỡng chiết, góc xoay quang học, tuyến tính lưỡng sắc, và hệ số khử cực) của một môi trường mờ đục (turbid) Trong các nghiên cứu thí nghiệm, một máy đo phân cực điều biến quang-đàn hồi được sử dụng để ghi lại các ma trận Mueller từ các mẫu đo (phantoms polyacrylamide, mía đường (sucrose), polystyrene microspheres) Wang và nhóm của ông(25) cũng trình bày so sánh các phần tử của ma trận Mueller trong ánh sáng tán xạ từ môi trường mờ đục đa hướng có chứa glucose trong

mô hình tán xạ đơn và tán xạ kép kèm với mô hình Monte Carlo Gần đây, nhóm Jintao Chang(4) đã đưa ra phương pháp lọc các chất phân cực trong các bức ảnh chụp mẫu mô ung thư thông qua ống kính GRIN (Gradient-index) lưỡng chiết, giúp nâng cao tính ổn định trong đo lường các đặc tính của các mẫu mô sử dụng ma trận Mueller Trong khí đó, nhóm Lars Martin Sandvik Aas(1) thiết kế máy phân cực kế quang phổ để ghi lại các ma trận Mueller xử lý cùng lúc nhiều bước sóng khác nhau sử dụng thuật toán

di truyền (Genetic algorithms) với độ chính xác 0.1% Còn nhóm Sanaz Alalia and Alex Vitkin(2) trình bày phương pháp luận nhấn mạnh việc sử dụng ma trận Muller trong quá trình đánh giá các mô lớn (bulk tissue) khi chụp các mẫu được

chiếu các ánh sáng bị phân cực từ đó nâng cao

độ chính xác cho các máy phân cực kế

PHƯƠNG PHÁP ĐO

Đối tượng nghiên cứu

Phần này trình bày phương pháp kỹ thuật để

tính toán các thông số quang học của các tính

chất LB, LD, CB và CD của một mô sinh học bất

kỳ Lưu ý rằng một mô hình quang học của vật

liệu không đẳng hướng được giả định rằng các

thành phần CD và LD được định vị ở phía trước

của các thành phần CB và LB(16,7)

Bảng 1 Ký hiệu và định nghĩa các thông số quang

học (16,7)

hiệu

Góc định hướng trục

nhanh của LB α (0°, 180°)

Tuyến tính lưỡng

chiết (LB) β (0°, 360°) 2π(ns – nf)l/λ0

Góc xoay quang học

của CB γ (0°, 180°) 2π(n– - n+)l/λ0

Góc định hướng của

LD θd (0°, 180°)

Tuyến tính lưỡng sắc

LD D (0, 1) 2π(μs – μf)l/λ0

Tròn lưỡng sắc CD R (-1, 1 ) 2π(μ – - μ + )l/λ 0

(*) n là chiết suất, μ là hệ số hấp thụ, l là chiều dài đường

dẫn đi qua môi trường (độ dày của vật liệu), λ 0 là bước sóng

chân không Các ký hiệu nhỏ f và s đại diện cho nhanh và

chậm của sóng phân cực tuyến tính khi bỏ qua các hiệu ứng

sóng tròn, và + và - sóng phân cực tròn bên phải và trái khi

bỏ qua những tác động tuyến tính

Hình 1 Sơ đồ minh họa mô hình được sử dụng tính

toán các thông số quang học

Hình 1 trình bày sơ đồ minh họa của phương

pháp đo được sử dụng trong nghiên cứu này để

trích xuất các thông số cho một mẫu quang học

điển hình Lưu ý rằng P và Q là kính phân cực

và kính 1/4 bước sóng (quarter-wave plate), được sử dụng để tạo ánh sáng phân cực tuyến

tính và tròn khác nhau, trong khi Ŝ c và Sc là các

vectơ Stokes đầu vào và đầu ra, tương ứng Các Stokes vector đầu ra trong Hình 1 có thể được tính như sau

c

c cd ld cb lb c

c

S S S S

m m m m

m m m m

m m m m

m m m m S M M M M S S S S S



















































































3 2 1 0

44 43 42 41

34 33 32 31

24 23 22 21

14 13 12 11

3 2 1 0

ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ

][

][

][

[

Với (Mld), (Mlb), (Mcb), và (Mcd) là các ma trận Mueller tương ứng với đặc tính LD, LB, CB và

CD của mẫu đo Lưu ý rằng trong phương trình

(1), các phần tử m 11 ~ m 44 là khác không Kết quả

là, giải các nghiệm thông số quang học của ma trận tích Mueller là rất phức tạp Do đó, trong nghiên cứu này, một phương pháp được đề xuất

để giải hiệu quả đặc tính LD / CD của mẫu bằng

cách sử dụng bốn phần tử m 11 , m 12 , m 13 và m 14 Trong thiết lập biểu diễn trong Hình 1, mẫu được chiếu sáng bằng cách sử dụng ánh sáng đầu vào phân cực khác nhau, cụ thể là ánh sáng

Sˆ0 0 [1, 1, 0, 0] ,

T

Sˆ45 0 [1, 0, 1, 0] , T

Sˆ90 0 [1, 1, 0, 0] và

T

Sˆ 0 [1, 0, 1, 0]

135   ) và hai ánh sáng phân cực

RHC

Sˆ [1, 0, 0, 1] và trái

ˆ [1, 0, 0, 1]T LHC

S   ) Các Stokes vector đầu ra tương ứng rút ra từ phương trình (1)

S  m m m m m m m m  (2)

S  m m m m m m m m  (3)

S  m m m m m m m m  (4)

S  m m m m m m m m  (5)

RHC

S  m m m m m m m m  (6)

LHC

S  m m m m m m m m  (7)

Cụ thể, góc định hướng (θd) của LD tính được theo phương trình sau

d

(8)

Giá trị của tuyến tính lưỡng sắc LD được tính theo công thức sau

   

D



(9)

Sau đó, giá trị của tròn lưỡng sắc CD được tính

theo công thức sau

[ ( ) ( )] [ ( ) ( ) ( ) ( ) ]

[ ( ) ( )]

RHC LHC RHC LHC

R





(10)

Chú ý rằng giá trị của θd, D và R thu được từ

phương trình (8), (9) và (10), là hoàn toàn độc

lập, tách rời (decoupling) Sau đó, các giá trị của

α, β và γ được tính toán bằng cách sử dụng các

phần tử A 22 ~ A 44 trong ma trận Mueller (M R) Cụ

thể, góc định hướng của LB được tính theo công

thức sau















34

24 1

tan

2

1

A

A

Trong khi đó, thông số LB được tính như sau

 44

1

cos A



Góc xoay quang học (γ) của CB được tính

theo phương trình sau

1

tan

2



Tóm lại, trong mô hình phân tích được đề

xuất trong nghiên cứu này, góc định hướng (α)

và tuyến tính lưỡng chiết (β) của LB, góc xoay

quang học (γ) của CB, góc định hướng (θd) và

tuyến tính lưỡng sắc (D) của LD, và lưỡng sắc

tròn (R) của CD được tính toán bằng cách sử

dụng các phương trình (11), (12), (13), (8), (9) và

(10), tương ứng Nghiệm của các phương trình

tính toán trên là hoàn toàn độc lập và tách rời

Kết quả là, độ chính xác của kết quả các thông số

tăng cao và mở rộng khả năng ứng dụng cho

nhiều mẫu tế bào khác nhau Điều quan trọng là,

mô hình cung cấp phương pháp để tính toán các

thuộc tính của mẫu với tính chất LB, CB, LD

hoặc CD mà không cần bất kỳ hình thức của quá

trình bù hoặc khử tính chất gây nhiễu Thêm vào

đó, phương pháp này không đòi hỏi trục chính

lưỡng chiết và trục chính lưỡng sắc phải thẳng

hàng như các phương pháp phân cực ánh sáng

khác hay sử dụng

Phương pháp tiến hành

Trước khi đưa vào thí nghiệm, khả năng và

độ chính xác của phương pháp này để trích xuất các thông số quang học trên phạm vi đo lường được xác minh bằng cách sử dụng kỹ thuật mô phỏng Một chuỗi mô phỏng được thực hiện để đánh giá tính chính xác của các kết quả thu được

từ phương pháp này với sai số cài đặt (error) của các thông số đầu ra Stokes có giá trị ± 0,005(20,5) (Lưu ý rằng phạm vi sai số được xác định ở đây

là phù hợp với độ chính xác đo lường của một máy phân cực điển hình)

Phân tích mô phỏng

Trong việc thực hiện các phân tích mô phỏng, các giá trị lý thuyết của các thông số đầu

ra Stokes cho sáu ánh sáng đầu vào (S0°, S45°, S90°,

S135°, SRHC, và SLHC) được tính toán cho một mẫu giả định bằng cách sử dụng phương pháp ma trận Mueller dựa trên các giá trị đầu vào của các mẫu giả định và của các vectơ đầu vào Stokes Các giá trị lý thuyết Stokes sau đó được đưa vào các phương trình tính toán (11), (12), (13), (8), (9)

và (10), tương ứng để tính ra các thông số quang học Sau đó, các giá trị tính toán của các thông số quang học được so sánh với các giá trị đầu vào

đã được sử dụng trong việc xây dựng ma trận Mueller

Khả năng của phương pháp đề xuất được đánh giá bằng cách tính toán các giá trị α, β, θd,

D, γ, và R của một mẫu quang học Khi một tham số được tính toán, đầu vào của tham số này

sẽ được thay đổi trên phạm vi đo đầy đủ của nó (phạm vi đo của α, θd và γ: 0 ~ 180°; phạm vi đo của β: 0 ~ 360°; phạm vi đo của D: 0 ~ 1 và phạm

vi đo của R: -1 ~ 1) Các thông số đầu vào khác đã được quy định cụ thể như sau: α = 50°, β = 60°,

θd = 35°, D = 0,4, γ = 150 và R = 0,1 Ví dụ cụ thể,

để tính toán góc định hướng trục chính của LB, góc định hướng của LB được tính bằng cách sử dụng phương trình (18), được quy định như α: 0

~ 180° và các thông số đầu vào khác được quy định cụ thể như sau β = 60°, θd = 35°, D = 0,4, γ = 15°, và R = 0,1, tương ứng(23, 24) Kết quả là giá trị

đầu vào (giả định: 0 ~ 180°) và giá trị đầu ra (do

tính toán) của thông số α là hoàn toàn tương

thích và không xuất hiện sai số bất thường nào

trong công thức tính toán Lập lại kết quả mô

phỏng với toàn bộ các thông số còn lại và những

kết quả đạt được là hoàn toàn tương thích với

phạm vi đo đầy đủ của từng thông số Vì vậy,

các phương trình tính toán nghiệm của các thông

số đo trong nghiên cứu này cho phép đo đầy đủ

các giá trị α, β, θd, D, γ, và R trên phạm vi đo

tương ứng của chúng Kết quả đã xác nhận khả

năng của phương pháp này đã mang lại phạm vi

đo đầy đủ (full-range) của các tính chất phân cực

quang học

Phân tích lỗi

Để kiểm tra sự vững mạnh của mô hình

phân tích này đối với các sai số trong khi đo từ

các giá trị vectơ Stokes, được xây dựng trên mô

hình ma trận Mueller để đưa ra các thông số lý

thuyết Stokes (S0°, S45°, S90°, S135°, SRHC, và

SLHC) cho một mẫu tổng hợp các tính chất

LB/CB/LD/CD 500 bộ sai số nhiễu của vectơ

Stokes được đưa ra bằng cách áp dụng các nhiễu

loạn ngẫu nhiên xung quanh ± 0,005 trên thông

số lý thuyết Stokes (-1 ~ 1), xem (25, 26) Sau đó,

các xáo trộn nhiễu của giá trị Stokes được đưa

vào mô hình phân tích của phương pháp này để

tính toán các giá trị đầu ra α, β, θd, D, γ, và R

của một mẫu quang học Cuối cùng, các giá trị

đầu ra được tính toán và so sánh với các giá trị

đầu vào đã được sử dụng trong việc xây dựng

ma trận Mueller

Khi tính toán các giá trị lý thuyết của các

thông số đầu ra Stokes, các tính chất phân cực

quang học đã được qui định như sau: α = 50°, β =

60°, θd = 35°, D = 0,4, γ = 15° và R = 0,1 Các giá

trị đầu ra của α, β, θd, D, γ và R sau đó được

tính toán dựa vào các giá trị của các thông số đầu

ra Stokes đã bị nhiễu loạn (đã qua sai số) băng cách sử dụng các phương trình (18), (19), (20), (12), (6) và (14), tương ứng Từ quá trình kiểm tra này, thanh sai số (error bar) của các thông số α,

β, θd, D, γ và R có giá trị tương ứng là ± 0,022°, ± 0,038° ± 0,174° ± 0,005 ± 0,066° và ± 0.003 Vì vậy, điều này có thể suy ra rằng mô hình phân tích của phương pháp này có tính chính xác cao đối với các lỗi thử nghiệm trong các thông số đầu ra vectơ Stokes

So sánh với các nhóm nghiên cứu khác

Để khẳng định tính chính xác của phương pháp nghiên cứu này, một bảng so sánh được thiết lập bằng cách sử dụng các giá trị đầu vào của ma trận Mueller trong cột 2 của Bảng 2 của tài liệu tham khảo[10] Trong đó, một dung dịch được làm giả mô phỏng theo sự phức tạp của các mô sinh học, nó thể hiện tính lưỡng chiết thẳng (mẫu đo được kéo căng 2 mm theo phương thẳng đứng, nồng độ 1M (mol) của đường (sucrose) tương ứng với độ lớn của giá trị hoạt động quang học là 1,96°/cm), và độ đục của mẫu (đường kính hạt nhựa là 1.4 nm (polystyrene), dẫn đến hệ số tán xạ là 30 cm-1

và tham số bất đẳng hướng là 0,95 ở bước sóng λ = 633 nm)

Tất cả các yếu tố đầu vào của ma trận Mueller đã được đưa vào phương trình (8), (9), (10), (11), (12) và (13) để trích xuất các giá trị của α, β, γ, θd, D và R tương ứng Trong Bảng 2, có thể thấy rằng các giá trị tính toán được của lưỡng chiết thẳng, lưỡng chiết tròn, lưỡng sắc thẳng và độ khử cực là tương đương với giá trị đầu vào Kết quả của bảng so sánh cho thấy rằng một sự tương đồng được thể hiện giữa phương pháp nghiên cứu này và phương pháp của Gosh trong tài liệu tham khảo[10]

Bảng 2 So sánh chín thông số với giá trị điều khiển đầu vào và hai phương pháp

Gosh (15)

Kết quả tính toán của phương pháp nghiên cứu này

Góc định hướng LB (α) (độ) X X 2.12°

Lưỡng chiết thẳng (β) (rad) 0.83rad 0.79rad 0.81rad

Lưỡng chiết tròn (γ) (độ) 2.14° 2.05° 2.21°

Giá trị đầu vào Kết quả tính toán của nhóm

Gosh (15)

Kết quả tính toán của phương pháp nghiên cứu này

Góc định hướng LD (θ) (độ) X X 4.45°

Lưỡng sắc thẳng (D) 0 0.02 0.018

Lưỡng sắc tròn (R) 0 X 0.0021

Độ khử cực (∆) 0.19 0.21 0.195

* Ghi chú: Ký hiệu X là không được tính toán trong (10)

Phần tiếp theo sẽ trình bày cách thiết lập hệ

thống thí nghiệm và kiểm tra độ chính xác của

hệ thống bằng một số kính quang học đã biết

trước tính chất (ví dụ kính ¼ bước sóng

(quarter-wave plate), kính 1/2 bước sóng (half-(quarter-wave

plate), nước khử ion có chứa glucose-D, kính

phân cực…)

THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM

Hình 2 trình bày sơ đồ minh họa của hệ

thống đo dùng trong thí nghiệm được sử dụng

để đo các mẫu sinh học Trong việc thực hiện các

thí nghiệm, ánh sáng đầu vào được cung cấp bởi

một tần số ổn định của He-Ne laser với bước

sóng 632,8 nm Ngoài ra, một tấm kính phân cực

(polarizer) và kính ¼ bước sóng (quarter-wave

plate) được sử dụng để tạo ra tia sáng phân cực

tuyến tính (0°, 45°, 90° 135°) và tia ánh sáng phân

cực tròn (bên phải và bên trái) Một bộ lọc cường

độ trung lập (neutral density filter) và đồng hồ

đo cường độ sáng cùng đầu dò (power meter

detector) được sử dụng để đảm bảo rằng mỗi

ánh sáng phân cực đầu vào có một cường độ

giống hệt nhau Lưu ý rằng đối với mẫu không

có lưỡng sắc tuyến tính (LD), các thông số đầu ra

Stokes có thể được chuẩn hóa như SC/S0 khi mà

các phần tử ma trận m12, m13 và m14 trong

phương trình (4) là bằng không Vì vậy, không

có nhu cầu để đảm bảo rằng ánh sáng đầu vào

có một cường độ quang học giống hệt nhau

trước khi đi vào mẫu Tuy nhiên, đối với mẫu

với tuyến tính lưỡng sắc (LD), các thông số đầu

ra Stokes không thể được chuẩn hóa theo cách

này, và do đó các bộ lọc cường độ trung lập và

đồng hồ đo cường độ sáng cùng đầu dò được

yêu cầu sử dụng Các thông số đầu ra Stokes

được tính toán từ các phép đo cường độ thu

được bằng cách sử dụng một máy đo phân cực

He-Ne Laser

Q45 0

,-45 0 Neutral

Density Filter

Power meter detector

Controller

LP

RHC

or LHC

P LP

0 0

,45 0

, 90 0

,135 0

Sample Stoke polarimeter

Rotate

Computer

Receive data

Nine parameter values

Hình 2 Sơ đồ minh họa của hệ thống đo dùng trong

thí nghiệm

Kiểm tra độ chính xác của phương pháp đo này bằng cách thí nghiệm trên các mẫu quang học khác nhau, cụ thể là kính ¼ bước sóng (quarter-wave plate), kính 1/2 bước sóng (half-wave plate), nước de-ion hóa có chứa glucose-D, kính phân cực…

Hình 3 trình bày lưu đồ những bước chính trong quy trình làm thí nghiệm và tính toán để chiết xuất các giá trị của mẫu bằng ngôn ngữ lập trình Matlab Như thể hiện trong hình, đầu tiên chương trình tính toán nhận kết quả đo của thí nghiệm (sáu kết quả phân cực đầu ra của mẫu đo) Sau đó, chương trình này bắt đầu bằng cách đọc các giá trị đầu ra của vector Stoke Tiếp tục sau đó, các phần tử tương ứng của ma trận Mueller được tính toán Từ kết quả của ma trận Mueller này, các thông số đặc tính mẫu đo được tính toán và xuất ra máy tính (α, β, θd, D, γ R, e1,

e2, và e3) Trong thí nghiệm này, 1024 điểm dữ liệu được đo liên tục trong một lần đo của mỗi mẫu đo Trong số những điểm dữ liệu đã đo được, 100 điểm sau đó được chọn để tính toán các thông số và giá trị trung b́nh của chúng Kết quả cuối cùng xuất ra máy tính chính là các

thông số phân cực của mẫu đo kèm theo sai số

tính toán là giá trị sai lệch lớn nhất của giá trị

trung bình và 100 điểm đo Với cách đo này, kết

quả sẽ mang lại độ chính xác cao và khử được

tình trạng sai số do nhiễu mang đến trong quá

trình đo

Measure the output

polarization lights

Start

Read the output values of Stoke vectors (six output polarization light)

Calculate all elements of Mueller

matrix

Extract parameter values (LB/

CB, LD/CD and LDep/CDep)

No

Experimental setup for

bio-samples

(Loops=100 data points)

Terminate

Calculate the mean value of

each effective parameter

Hình 3 Lưu đồ của quá trình tính toán dùng để xác

định các giá trị của thông số phân cực của mẫu đo

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

Trong phần này trình bày kết quả thí nghiệm

đo mẫu giả tế bào với đầy đủ các tính chất phân

cực của mẫu đo nhưng sẽ tập trung vào phân

tích tính chất lưỡng chiết tròn (CB) Như đã nói

trong phần giới thiêu, khi lượng đường (glucose)

trong máu cao thì tính chất CB sẽ tăng cao, từ kết

quả này sẽ cung cấp các dấu hiệu tin cậy để phát

hiện dấu hiệu bệnh tiểu đường Sau đây là kết

quả thí nghiệm để đo các thông số phân cực của

dung dịch các hạt micro (polystyren

microsphere) có chứa D-glucose với nồng độ

tăng dần

Các hạt micro (hãng sản xuất Thermo

Scientific Ltd) có hai kích thước khác nhau

(đường kính 5μm và 9μm) và nước khử ion đã

được lựa chọn để đánh giá hiệu quả của phương

pháp đo trong việc đo các thông số quang học

của một môi trường đục bất kỳ D-glucose

(Merck Ltd) được hòa tan trong từng khối lượng

2ml hai loại hạt polystyrene microsphere (5μm

và 9μm đường kính) và nước khử ion hóa, tương

ứng Các nồng độ dung dịch của hạt 5μm và 9μm tương ứng là 0,32% chất rắn và 0,33% chất rắn (Thermo Scientific Ltd) Mật độ của cả hai loại hạt micro là 1.05g/cm3 Các dung dịch pha D-glucose được chứa trong lọ vuông làm bằng thạch anh (quazrt) Chiều cao bên ngoài của lọ là 12,5 mm và khoảng cách từ đầu đọc tín hiệu đến mỗi mẫu đo là 23mm

Hình 4 trình bày các kết quả thí nghiệm thu được cho tính chất phân cực của dung dịch có chứa các hạt micro đường kính 5μm và D-glucose Các giá trị trung bình đo được của các thông số phân cực của mẫu với nồng độ khác nhau của D-glucose từ 0 ~ 0.7mM (milimol) với

sự gia tăng 0,1mM tại mỗi điểm đo Đúng như

dự đoán, kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng một quan hệ tuyến tính tồn tại giữa các giá trị đầu ra của tính chất lưỡng chiết tròn và nồng độ của D-glucose trong phạm vi xem xét từ 0 ~ 0.7mM (Hình 4 (c)) Độ lệch chuẩn của các góc quay quang học của kết quả đo là 0,05° Hình 4 (a) cho thấy một sự tương quan tốt được quan sát giữa các giá trị đo của góc định hướng của LB và sự gia tăng nồng độ của D-glucose Trong các bài báo của tác giả Phạm TTH và cs.(27, 28), đã chứng minh do tính chất toán học, kết quả đáng tin cậy cho các góc định hướng của LD thu được chỉ khi giá trị lưỡng sắc thẳng, D, lớn hơn hoặc bằng 0,05 Hình 4 (b) cho thấy giá trị D của dung dịch D-glucose là gần bằng không Do đó giá trị đo được của góc định hướng LD biến đổi một cách ngẫu nhiên khi nồng độ của D-glucose tăng lên Hình 4 (d) cho thấy lưỡng sắc tròn, CD, của dung dịch D-glucose cũng là gần bằng không và điều này hoàn toàn hợp lý vì mẫu đo không có chứa tính chất CD

Tương tự như vậy, các kết quả thí nghiệm thu được trong khi đo các tính chất phân cực của dung dich các hạt micro đường kính 9μm

có chứa D-glucose với nồng độ tăng dần từ 0 đến 0.7mM cũng tương tự với kết quả của dung dịch có chứa các hạt micro đường kính 5μm và D-glucose

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

Nong do Glucose trong mau do (mM)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0

30

60

90

120

150

180

Nong do Glucose trong mau do (mM)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

1 2 3 4 5 6

S

S

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

(  S

Nong do Glucose trong mau do (mM)

S

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0

30 60 90 120 150 180

Nong do Glucose trong mau do (mM)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

S

DS

Hình 4 Kết quả thí nghiệm thu được cho tính chất phân cực của dung dịch có chứa các hạt micro đường kính

5μm và D-glucose

Do đó, phương pháp tách rời các thông số

tính toán (de-coupling) trong nghiên cứu này đã

thể hiện ưu điểm trong việc duy trì tính chính

xác của các kết quả thí nghiệm Ví dụ, mặc dù

các dữ liệu của các góc định hướng của LB (α) và

LD (γ) trong hình 4 là ngẫu nhiên khi giá trị β và

D gần bằng không, kết quả của chúng không hề

ảnh hưởng đến kết quả tính toán của các thông

số khác của mẫu đo trong thí nghiệm

Để so sánh các giá trị lưỡng chiết tròn, CB,

của các dung dịch có chứa D-glucose với nhau,

hình 5(a) minh họa các kết quả thí nghiệm thu

được của tính chất CB (γ) của ba mẫu khác nhau

gồm các hạt micro có đường kính hạt là 5μm và

9μm và nước khử ion; ba mẫu đều chứa

D-glucose có nồng độ tăng dần từ 0 đến 0.7mM

Qua hình vẽ có thể quan sát thấy rằng các độ dốc

của tính chất CB của ba mẫu theo sự gia tăng

nồng độ của dung dịch D-glucose là như nhau mặc dù điểm khởi đầu là khác nhau Điều này có thể giải thích là do tính chất các mẫu đo là khác nhau Như thể hiện trong hình 5(b), sau khi cân chỉnh tại giá trị đo đầu tiên kết quả đo của tính chất CB của 3 mẫu gần như trùng nhau

Tóm lại, qua những thí nghiệm trên có thể thấy rằng khi nồng độ D-glucose trong mẫu đo tăng thì tính chất lưỡng chiết tròn CB của mẫu cũng sẽ tăng tuyến tính theo Việc này sẽ giúp ta nhận biết dấu hiệu bệnh tiểu đường bằng phương pháp quang học khi mẫu đo có tính chất

CB cao hơn các mẫu đo thông thường khác Trong kế hoạch tiếp theo, các thí nghiệm trên mẫu máu sẽ được đo để từ đó có thể tiến hành

đo thử nghiệm trên người và so sánh kết quả đo với những cách đo khác

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

-1

-0.5

0

0.5

1

Nong do Glucose trong mau do (mM)

Water

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Nong do Glucose trong mau do (mM)

Water

Hình 5 Kết quả thí nghiệm thu được của tính chất lưỡng chiết tròn CB (γ) của ba mẫu khác nhau gồm các hạt

micro 5μm và 9μm và nước khử ion chứa D-glucose, (a) trước cân chỉnh và (b) sau khi cân chỉnh

KẾT LUẬN

Nghiên cứu này đã đề xuất một kỹ thuật

phân tích tách riêng các thông số dựa trên các

phương pháp ma trận Mueller và các vector

Stokes cho chiết xuất các tính chất phân cực gồm

lưỡng chiết thẳng, lưỡng sắc thẳng, lưỡng chiết

tròn, lưỡng sắc tròn của một mẫu đo sinh học

Các kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng khi

lượng đường (glucose) trong máu cao thì tính

chất CB 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 của đề tài là thể đo

lường tất cả các thông số phân cực trong mẫu

sinh học bất kỳ mà không lo có bất kỳ vấn đề 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 quả chính xác cao hơn

Phương pháp được đề xuất có tiềm năng cho

các ứng dụng như tuyến tính lưỡng chiết (LB)

cung cấp một cái nhìn sâu sắc hữu ích về các đặc

tính của màng LCD hoặc tính chất quang-đàn

hồi trong các mô của con người, trong khi đó

tính chất tròn lưỡng chiết (CB) dùng trong đo

máu con người nhằm cung cấp các dấu hiệu

đáng tin cậy để phát hiện bệnh tiểu đường

Tương tự, tuyến tính lưỡng sắc (LD) nhận biết sự

khác biệt trong các mô của con người để tạo điều

kiện thuận lợi cho chẩn đoán khối u, trong khi

đó tính chất tròn lưỡng sắc (CD) là một phương pháp hiệu quả và quan trọng để mô tả và phân loại các cấu trúc protein

Lời cảm ơn: Nhóm tác giả chân thành cảm ơn sự hỗ trợ tài

chính cung cấp cho nghiên cứu này của Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, mã số 167/2013 / HD-SKHCN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Kildemo M (2013) Overdetermined broadband spectroscopic Mueller matrix polarimeter designed by genetic algorithms

Opt Exp., 21 (7): 8753-8762

biomedicine: emerging Mueller matrix methodologies for bulk

tissue assessment J Biomed Opt., 20(6): 061104

and Jacques SL (2005) In vivo determination of optical properties of normal and tumor tissue with white light reflectance and an empirical light transport model during

endoscopy J Biomed Opt., 10: 034018-1-034018-15

the polarization artifacts in Mueller matrix images recorded

with a birefringentgradient-index lens J Biomed Opt., 19(9):

095001

Measurement of linear birefringence and diattenuation properties of optical samples using polarimeter and Stokes

parameters Opt Exp., 17(18), 15860-15884

B (2003) Circular dichroism imaging microscopy: application

to enantiomorphous twinning in biaxial crystals of

1,8-dihydroxyanthraquinone J Am Chem Soc., 125(48):

14825-14831