9- канальный прибор на основе матрицы фотодиодов с интерференционными фильтрами для оптической биопсии в медицине

Черноголовская СОШ, 142432, Московская область, Городской округ Черноголовка, ул. Школьный бульвар, д.1, (49652)4-02-20, chrg_school82@mosreg.ru 9- канальный прибор на основе матрицы фотодиодов с интерференционными фильтрами для оптической биопсии в медицине Костюченко Даниил, 11 кл, Черноголовка, Спортивный бр., 9-87, 9660973338,daniil270806@mail.ru Терновая Анастасия, 9 кл., Черноголовка, Береговая, 18-4,9854765001, ternovaiaan@ya.ru Научный руководитель: к.ф.-м.н. Богданов Сергей Витальевич, преподаватель НТИ, кружек НТИ Черноголовская СОШ

Постановка задачи: в настоящее время боле 15% смертей обусловлено онкологическими заболеваниями, так что обнаружение заболевания на ранней стадии чрезвычайно важно. Для обнаружения гиперкальциемии, являющейся маркером ряда онкологических заболеваний была предложена (1) биомедицинская татуировка с клетками, которые производят меланин при превышении содержания кальция в крови. В работе на мышах (2) было показано, что по спектру люминесценции кожи можно отличать здоровых особей от пораженных злокачественными опухолями. Также представляет интерес изучение спектра фотолюминесценции слизистой щеки как диагностика ряда заболеваний, в том числе онкологических и сердечно – сосудистых (3). Мы предложили, сконструировали и сделали оптоэлектронный прибор для анализа концентрации меланина по диффузному отражению света в 8 полосах спектра. Прибор может быть задействован и для решения более широкого круга задач оптической биопсии.

Цели и задачи проекта: 1. Провести изучение имеющихся технических средств не инвазивного определения меланина, особенно in vivo, изучить оптические свойства меламина 2. Проанализировать способы регистрации спектра диффузного отражения кожи человека 3. Проанализировать модели спектров отражения кожи, обусловленные меланином 4. Сконструировать прибор для регистрации спектров отражения кожи в 8 точках спектра 5. Построить математическую модель для расчета значения коэффициентов отражения 6. Разработать программу для вычисления насыщенности кожи меланином 7. Сделать пуско-наладку и собрать прибор в виде, готовом для опытного применения Мы сконструировали два типа прибора – на основе 4 излучателей в разном диапазоне (измерение коэффициента отражения в 4 точках спектра) и на основе интегрального датчика с условно белым источником (светодиод с люминофором) с фотоприёмником в виде матрицы фотодиодов с интерференционными фильтрами на разные частоты спектра, всего 8 точек. Для обработки данных нам достаточно процессора Atmega328-16PU, который находится в составе недорогой платы Arduino Nano. Интегральный датчик принимает и посылает данные по шине I2C в микроконтроллер. Для получения данных по спектру (в 9 точках) отражения мы нормировали данные на значение в точке 680 нм. Для определения содержания меланина (косвенно- типа кожи по Фитцпатрику) мы построили математическую модель, так что вычисления дают нам тип кожи (с точностью до одной десятой) и корреляцию по 8 точкам. Мы провели измерение на коже посетителей солярия. Полученные данные видятся нам вполне корректными.

Результаты проекта: 1. Показано, что определение спектра отражения и других оптических свойств кожи и слизистых может быть использовано для диагностики в медицине 2. На основе анализа имеющихся недорогих методов измерения коэффициента отражения выбраны комплектующие и принцип работы 3. Сконструирована схема измерения, проведены испытания на макете 4. Написана программа обработки данных, позволяющая вычислять условную концентрацию меланина по коэффициентам отражения и примерную точность определения. Полученная повторяемость лучше 3%. 5. Прибор собран в корпусе в виде готовой конструкции. 6. Мы провели измерения прибором на себе и своих семьях, а также в фитнес- центре. Предварительные данные свидетельствуют что прибор дает показания, монотонно зависящие от загорелости «на глаз», и данные на разных длинах волн коррелируют. 7. Написана программа, вычисляющая тип кожи по данным, а также среднее по разным полосам спектра значение и среднеквадратичное отклонение, с выводом на экран прибора.

Литература. .. 1. R. Lozano et all.. Lancet. 2012 г., Т. 380, стр. 2095 - 2128. 2. J. Liao, A. Schneider, N. S. Datta, L. K. McCauley. Extracellular calcium as a candidate mediator of prostate cancer skeletal metastasis. Cancer Res. 2006 г., Т. 66, стр. 9065–9073. 3. Aizhan Tastanova еt all Science Translational Medicine. 2018 г., Т. 10.

• Цели
• Задачи
• Актуальность
• Результаты
• Применение
• Оборудование