(49-4) 07 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Новый рефрактометрический экспресс-метод на основе оптических измерений и обработки данных для диагностики болезни почек на ранней стадии
В.В. Давыдов 1, Д.В. Вакорина 2, О.С. Везо 3

1 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
195251, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29;
2 Санкт-Петербургский государственный университет им. проф. М. А. Бонч-Бруевич,
193232, Россия, г. Санкт-Петербург, пр. Большевиков, д. 22, кор. 1;
3 Санкт-Петербургский государственный университет,
199034, Россия, г. Санкт-Петербург, Университетская наб, д. 7–9

  PDF, 1178 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1565

Страницы: 579-587.

Аннотация:
Обоснована необходимость разработки нового надежного и простого в реализации метода экспресс-контроля состояния биологических растворов в реальном времени для решения различных задач в медицине, биологии и смежных с ними областях. Разработан новый метод для определения параметров биологических растворов с использованием оптических и рефрактометрических измерений и новой методики обработки данных. На примере экспресс-контроля состояния пробы мочи человека рассмотрен принцип работы нового метода. По измеренным значениям показателя преломления n на разных длинах волн лазерного излучения и с использованием полученных нами градуировочных коэффициентов в пробе определяются плотность, осмолярность, размер белковых соединений и концентрация твердых частиц. Подтверждена возможность использования разработанного метода для достоверного определения этих четырех параметров по измеренным значениям n в диапазоне температуры от 15 до 32 °С. Это позволяет получить дополнительные данные для определения градуировочных коэффициентов, что обеспечивает определение плотности, осмолярности, размера белковых соединений и концентрации твердых частиц с погрешностью менее 0,5% по измеренным значениям n на четырех длинах волн лазерного излучения с использованием только одного прибора (рефрактометра). В промышленных приборах для экспресс-контроля осмолярности и плотности точность измерения меньше, остальные два параметра измеряются только с использованием лабораторных приборов. Для реализации нового метода была модернизирована конструкция рефрактометра, работающего на явлении полного внутреннего отражения, и разработана экспериментальная установка на основе гониометра. Представлены результаты исследования образцов мочи в экспресс-режиме.

Ключевые слова:
оптический метод, лазерное излучение, рефракция, длина волны, биологические растворы, экспресс-контроль, показатель преломления, проба, концентрация, погрешность измерения.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке СПбГУ, шифр проекта АААА-А19-119091190094-6.

Цитирование:
Давыдов, В.В. Новый рефрактометрический экспресс-метод на основе оптических измерений и обработки данных для диагностики болезни почек на ранней стадии / В.В. Давыдов, Д.В. Вакорина, О.С. Везо // Компьютерная оптика. – 2025. – Т. 49, № 4. – С. 579-587. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1565.

Citation:
Davydov VV, Vakorina DV, Vezo OS. A new rapid method based on optical measurements and data processing for the early diagnosis of kidney disease. Computer Optics 2025; 49(4): 579-587. DOI: 10.18287/2412-CO-1565.

References:
  1. Biggeri A, Stoppa G, Facciolo L, Fin G, Mancini S, Manno V, Minelli G, Zamagni F, Zamboni M, Catelan D, Bucchi L.All-cause, cardiovascular disease and cancer mortality in the population of a large Italian area contaminated by perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances (1980–2018). Environ Health 2024; 23(1): 42-51. DOI: 10.1186/s12940-024-01074-2.
  2. Oliveira B, Teixeira B, Magalhães M, Fraga A, Vinagre N, Cavadas V. Extracorporeal shock wave lithotripsy: retrospective study on possible predictors of treatment success and revisiting the role of non-contrast-enhanced computer tomography in kidney and ureteral stone disease. Urolithiasis 2024; 52(1): 65-79. DOI: 10.1007/s00240-024-01570-7.
  3. Iakovleva AV, Verlov NA, Zaleskiy MG, Landa SB, Shapovalov VV, Emanuel VL. Pathogenic role of posttranslational isoforms of Uromodulin. Biophysics 2023; 68(3): 489-494. DOI: 10.1134/S0006350923030247.
  4. Davydov VV, Moroz AV, Myazin NS, Makeev SS, Dukin VI. Peculiarities of registration of the nuclear magnetic resonance spectrum of a condensed medium during express control of its state. Opt Spectrosc 2020; 128(10): 1678-1685. DOI: 10.1134/S0030400X20100082.
  5. Mielke N, Barghouth MH, Fietz A-K, Villain C, Bothe T, Ebert N, Schaeffner E. Effect modification of polypharmacy on incident frailty by chronic kidney disease in older adults. BMC Geriatrics 2024; 24(1): 335-348. DOI: 10.1186/s12877-024-04887-5.
  6. Marusina MYa, Karaseva EA. Application of fractal analysis for estimation of structural changes of tissues on MRI images. Russ Electron J Radiol 2018; 8(3): 107-112. DOI: 10.21569/2222-7415-2018-8-3-107-112.
  7. Hong H, He Y, Gong Z, Feng J, Qu Y. The association between non-high-density lipoprotein cholesterol to high-density lipoprotein cholesterol ratio (NHHR) and kidney stones: A cross-sectional study. Lipids Health Dis 2024; 23(1): 102-114. DOI: 10.1186/s12944-024-02089-x.
  8. Gogoi P, Valan JA. Privacy-preserving predictive modeling for early detection of chronic kidney disease. Netw Model Anal Health Inform Bioinform 2024; 13(1): 16-29. DOI: 10.1007/s13721-024-00452-7.
  9. Jairoun AA, Al-Hemyari SS, Shahwan M, Zyoud SH, El-Dahiyat F. Community pharmacist-led point-of-care eGFR screening: early detection of chronic kidney disease in high-risk patients. Sci Rep 2024; 14(1): 7284-7298. DOI: 10.1038/s41598-024-56765-0.
  10. Smirnova VI, Lapin SV, Lebedev DG, Emanuel VL, Malyshkin KA, Blinova TV. Validation of the infrared spectroscopy method for analysis of the composition of urine concretes [In Russian]. Russian Clinical Laboratory Diagnostics 2021; 66(12): 733-738. DOI: 10.51620/0869-2084-2021-66-12-733-738.
  11. Davydov VV, Myazin NS, Dudkin VI, Grebenikova NM. On the possibility of express recording of nuclear magnetic resonance spectra of liquid media in weak fields. Tech Phys 2018; 63(12): 1845-1850. DOI: 10.1134/S1063784218120046.
  12. Lebedev DG, Smirnova VI, Lapin SV, Rozengauz EV, Emanuel VL. The value of the analysis of the urinary stones for studying the features of urolithiasis pathogenesis [In Russian]. Urology Herald 2021; 9(3): 44-51. DOI: 10.21886/2308-6424-2021-9-3-44-51.
  13. Karabegov MA. On certain information capabilities of analytical instruments. Meas Tech 2012; 54(10): 1203-1212. DOI: 10.1007/s11018-012-9872-7.
  14. Irfan M, Khan Y, Rehman AU, Butt MA, Khonina SN, Kazanskiy NL. Plasmonic refractive index and temperature sensor based on graphene and LiNbO3. Sensors 2020; 22(20): 7790. DOI: 10.3390/s22207790.
  15. Davydov VV, Vakorina DV, Stepanenkov GV. A new optical method for control in visible light of volatile hydrocarbon media and their mixtures using data from light-shadow boundary images. Computer Optics 2024; 48(1): 93-101. DOI: 10.18287/2412-CO-1341.
  16. Kazanskiy NL, Butt MA, Degtyarev SA, Khonina SN. Achievements in the development of plasmonic waveguide sensors for measuring the refractive index. Computer Optics 2020; 44(3): 295-318. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-743.
  17. Naumova V, Kurkova A, Davydov R, Zaitceva A. Method for the analysis of tissue oxygen saturation disorders using an optical analyzer of visible and IR spectra. IEEE Proc Int Conf on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech-2022), Saint-Petersburg, Russia 2022: 151-153. DOI: 10.1109/EExPolytech56308.2022.9950822.
  18. Kazanskiy NL, Khonina SN, Butt MA. Smart contact lenses – A step towards non-invasive continuous eye health monitoring. Biosensors 2023; 13(9): 933. DOI: 10.3390/bios13100933.
  19. Davydov VV, Moroz AV. Effect of the absorbance of a flowing liquid on the error of the refractive index measured with a differential refractometer. Opt Spectrosc 2020; 128(9): 1415-1420. DOI: 10.1134/S0030400X20090076.
  20. Doskolovich LL, Bykov DA, Andreeva KV, Kazanskiy NL. Design of an axisymmetrical refractive optical element generating required illuminance distribution and wavefront. J Opt Soc Am A 2018; 35(11): 1949-1953. DOI: 10.1364/JOSAA.35.001949.
  21. Gubaev MS, Degtyarev SA, Strelkov YS, Volotovsky SG, Ivliev NA, Khonina SN. Vectorial beam generation with a conical refractive surface. Computer Optics 2021; 45(6): 828-838. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1036.
  22. Chen J, Guo W, Xia M, Li W, Yang K. In situ measurement of seawater salinity with an optical refractometer based on total internal reflection method. Opt Express 2018; 26(20): 25510-25523. DOI: 10.1364/OE.26.025510.
  23. Morales-Luna G, Herrera-Domínguez M, Pisano E, Balderas-Elizalde A, Hernandez-Aranda RI, Ornelas-Soto N. Plasmonic biosensor based on an effective medium theory as a simple tool to predict and analyze refractive index changes. Opt Laser Technol 2020; 131: 106332. DOI: 10.1016/j.optlastec.2020.106332.
  24. Karabegov MA. Algorithms and structural correction schemes for enhancing the accuracy of analytical instruments. Meas Tech 2013; 56(5): 539-548. DOI: 10.1007/s11018-013-0241-y.
  25. Davydov VV, Grebenikova NM, Smirnov KY. An optical method of monitoring the state of flowing media with low transparency that contain large inclusions. Meas Tech 2019; 62(6): 519-526. DOI: 10.1007/s11018-019-01655-5.
  26. Bratchenko LA, Al-Sammarraie SZ, Tupikova EN, Konovalova DY, Lebedev PA, Zakharov VP, Bratchenko IA. Analyzing the serum of hemodialysis patients with end-stage chronic kidney disease by means of the combination of SERS and machine learning. Biomed Opt Express 2022; 13(9): 4926-4938. DOI: 10.1364/BOE.455549.
  27. Bratchenko LA, Bratchenko IA, Khristoforova YA, Artemyev DN, Konovalova DY, Lebedev PA, Zakharov VP. Raman spectroscopy of human skin for kidney failure detection. J Biophotonics 2021; 14(2): e202000360. DOI: 10.1002/jbio.202000360.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: journal@computeroptics.ru; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20