Выявление больных острыми вирусными гепатитами на основе анализа выдыхаемого воздуха методом лазерной оптико-акустической спектроскопии

ВЫЯВЛЕНИЕ БОЛЬНЫХ ОСТРЫМИ ВИРУСНЫМИ ГЕПАТИТАМИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

1, 1, 2

1 Томск, ГБОУ ВПО СибГМУ Минздравсоцразвития России, 2Томск, Институт оптики атмосферы СО РАН

[e-mail], [e-mail]

Ключевые слова: гепатит, спектроскопия, метод главных компонент.

Аннотация: В данной работе исследовалась возможности оценки состояния больных гепатитом на основе анализа выдыхаемого воздуха методом лазерной оптико-акустической спектроскопии и методом главных компонент. Было показано, что при анализе спектров поглощения выдыхаемого воздуха с использованием метода главных компонент группа больных с острыми вирусными гепатитами отделяется от группы здоровых добровольцев.

Введение. Известно, что выдыхаемый воздух находятся в равновесии с некоторыми газообразными веществами крови [1, 2, 3, 4]. Характерными газообразными веществами при гепатитах являются аммиак, бутан, пентан, маркаптаны, диметилсульфид и др. [2, 3, 4, 5, 6], что может являться основой для использования выдыхаемого воздуха в диагностике гепатитов.

Цель данной работы - выявление возможности оценки состояния больных гепатитом на основе анализа выдыхаемого воздуха методом лазерной оптико-акустической спектроскопии и методом главных компонент.

Материалы и методы. Обследование проводилось на базе инфекционного отделения МКЛПМУ «Городская больница №3» г. Томска. В ходе эксперимента было обследовано 60 человек, мужчины и женщины в возрасте 18-45 лет (средний возраст составлял 26,71±5,96 лет). Основную группу составили 30 пациентов с диагнозом – острый вирусный гепатит (А, В, С) средней степени тяжести в период разгара заболеваниянеделя желтушного периода).

Диагноз - острый вирусный гепатит - устанавливался на основании стандартных клинико-лабораторных критериев, который включал в себя общеклинический анализ крови, серологическое исследование с обнаружением маркеров вирусных гепатитов и УЗИ органов брюшной полости для определения состояния печени и желчного пузыря.

Для контрольной выборки исследования в количестве 30 человек основополагающим критерием было отсутствие в крови серологических маркеров вирусных гепатитов А, В и С при соматическом благополучии испытуемого.

Из исследования исключались субъекты, злоупотребляющие алкоголем и/или наркотиками, имеющие тяжелые сопутствующие заболевания (бронхиальная астма, сахарный диабет и др.), кроме хронического холецистита, шейного остеохондроза. У женщин не было mensis на момент обследования. Все манипуляции проводились после письменного соглашения обследованных добровольцев.

У всех участников исследования был проведен забор проб выдыхаемого воздуха утром (8:00-8:30) натощак после 3-5 кратного полоскания ротовой полости кипяченой водой. Пробы воздуха исследовались в лаборатории внутрирезонаторным лазерным оптико-акустическим сенсором ILPA-1, на основе СО2 лазера, генерирующего узкополосное излучение с диапазоном перестройки 9,2 – 10,8 мкм. Принцип действия сенсора основан на использовании оптико-акустического эффекта, который заключается в возникновении акустических колебаний в газовой смеси вследствие преобразования части резонансно поглощенной смесью энергии повторяющихся импульсов лазерного излучения в тепловую. Регистрация акустических колебаний осуществляется микрофоном. Основными достоинствами оптико-акустического сенсора являются высокое спектральное разрешение, высокая чувствительность по показателю поглощения, отсутствие сигнала, если спектральная линия излучения находится вне линий поглощения исследуемой газовой смеси, малый объем исследуемого образца газовой пробы [6, 7, 8, 9].

Выбор метода главных компонент для анализа измеренных спектров связан с тем, что он позволяет решать задачу оптимального уменьшения размерности исходных многомерных данных путем перехода к новым переменным (главным компонентам), являющимся некоррелированными нормированными линейными комбинациями исходных наблюдаемых переменных. Эти комбинации строятся таким образом, что их характеристики рассеяния (дисперсии) располагаются в убывающем порядке. Предполагается, что небольшое число главных компонент (обычно две - три) могут взять на себя (объяснить) большую часть общего рассеяния исходных данных [10]. Для анализа данных использовалась программа VidaExpert.

Результаты и обсуждения

Клинически и биохимически у всех пациентов была зарегистрирована средняя степень тяжести вирусного гепатита. У всех больных отмечались симптомы интоксикации и желтуха.

На рисунке 1 приведены спектры поглощения выдыхаемого воздуха здоровых добровольцев и пациентов с острыми вирусными гепатитами, обработанные методом главных компонент. Области точек, характеризующие наличие диагноза острого вирусного гепатита и его отсутствие у исследованных добровольцев, объединены в кластеры, свойственные каждой выборке. Следует отметить, что кластер, характеризующий больных острыми вирусными гепатитами, компактен и располагаются обособленно, что может найти объяснение в единстве патогенетических механизмов острых вирусных гепатитов разной этиологии, однотипности метаболических нарушений у данных пациентов, определяя тем самым специфичность газовыделений у пациентов с острыми вирусными гепатитами вне зависимости от этиологического фактора.

○ – больные гепатитом ● - здоровые

Рисунок 1. Плоскость первых трех главных компонент. Точками обозначены коэффициенты поглощения выдыхаемого воздуха. Белые - представители контрольной группы, черные - экспериментальной

Выводы

В данном исследовании показано, что при анализе спектров поглощения выдыхаемого воздуха с использованием метода главных компонент группа больных острыми вирусными гепатитами отделяется от группы здоровых добровольцев, т. е. метод главных компонент позволяет классифицировать полученные данные. Результаты нашего исследования свидетельствуют о потенциале использования анализа выдыхаемого воздуха у больных острыми вирусными гепатитами методом лазерной оптико-акустической спектроскопии и методом главных компонент для оперативной неинвазивной диагностики и мониторинга состояния печени. Необходимо продолжить исследование возможностей данного метода.

Литература

1. Nose K., Nunome Y., Kondo T., Araki S., Tsuda T. Identification of in gas emanated from human skin: methane, ethylene, and ethane // Analytical Sciences. 2005. V. 21. № 6. P. 625−628.

2. Nose K., Mizuno T., Yamane N., Kondo T., Ohtani H., Araki S., Tsuda T. Identification of ammonia in gas emanated from human skin and its correlation with that in blood // Analytical Sciences. 2005. V. 21. № 12. P. 1471−1474.

3. Device for collecting skin permeable gas and apparatus for measuring skin permeable gas: Pat. US 7,266,404 B2. Tsuda T., Naitoh K., Nose K.; Japan Science and Technology Agency; 04.09.07.

4. Skin permeable gas collector and skin permeable gas measuring apparatus: Pat. US 7,261,692 B2. Tsuda T., Naitoh K., Nose K.; Japan Science and Technology Agency; 28.08.07.

5. Патологическая физиология: учебник для студентов медицинских вузов /Под ред. А.Д. Адо, В.В. Новицкого. Томск: Изд-во том. ун-та, 19с.

6. Методы высокочувствительного газового анализа молекул-биомаркеров в исследованиях выдыхаемого воздуха // Сб. науч. тр. ИОФ им. . 2005. № 61. С. 5-47.

7. , , Оценка состояния микрофлоры полости рта методом лазерной оптико-акустической спектроскопии // Бюллетень сибирской медицины. 2010. № 1. С. 26-30.

8. , , А, Лазерный оптико-акустический анализ многокомпонентных газовых смесей. Москва: Изд-во МГТУ им. , 20с.

9. Приложения лазеров в биологии и медицине: учебное пособие /Под ред. . Т.: Изд-во ТПУ, 20с.

10. , , . Метод главных компонент как средство обработки данных перорального глюкозо-толерантного теста // Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе. 2009. С. 281-283.