Terahertzová spektroskopie v časové doméně a vizualizace biologických objektů

Abstract

Tato práce se zabývá metodami terahertzové (THz) spektroskopie ke sledování kinetiky hemostatik, tj. biomedicínských materiálů používaných k podpoře přirozené hemostatické reakce těla. Teoretická část seznamuje s fyzikálními principy THz spektroskopie v časové doméně (THz TDS), zaměřuje se na výhody i omezení této metody a na související možnosti její aplikace v oblasti charakterizace biomedicínských materiálů. Dále jsou podrobně specifikována aktuální hemostatika, rozebrán princip jejich funkce a použití, včetně dostupných informací o interakci s živou tkání. Byly realizovány experimenty sledující kinetiku fyziologické reakce jednak tkáňového lepidla na bázi kyanoakrylátu a dále absorpčních hemostatik. Popis mechanismu reakce vychází z fyzikálně-chemických principů, na nichž je postaveno také odvození matematických modelů reakční kinetiky zkoumaných hemostatik. Modelováním jsou získány odhady hodnot parametrů charakterizující zkoumané vzorky. Z pohledu srovnání reakční rychlosti jednotlivých typů hemostatik je stěžejním parametrem časová konstanta, která je dále podrobněji vyhodnocena s využitím prostředků statistické analýzy. Výsledky experimentálního měření tkáňového lepidla získané THz TDS byly doplněny měřeními pomocí dalších spektroskopických a mikroskopických technik. Všechna data byla zpracována dle navržených algoritmů a následně analyzována matematickými metodami.

This thesis deals with the methods of Terahertz (THz) spectroscopy to observe the kinetics of haemostatic materials used for supporting the native mechanism of haemostasis. The theoretical part follows the physical principles of THz time-domain spectroscopy (THz TDS), mentions the advantages and limitations of this method and its application possibilities for the characterization of biomedical materials. Further, there are specified properties of actual haemostats, described principles of their function and usage in practice, including their interaction with the living tissue. There were performed experiments monitoring the kinetics of physiologic reaction of the tissue adhesive based on the cyanoacrylates and absorbable haemostats. The mechanisms of monitored reactions were explained based on the physical-chemical principles that are used also for the kinetic models’ derivation. Modelling of the measured data results in the estimation of the parameters characterizing the observed samples. The most interesting parameter is the time constant of the reaction because of the possibility to compare reaction rates of different types of haemostats. The detailed analysis of this parameter is performed using the means of statistical methods. Tissue adhesive samples were measured by other spectroscopic and microscopic methods to compare the findings with the experimental results of the THz TDS. Data were processed using algorithms designed especially for this experiment and analysed using mathematical methods.