Подходы к бесконтактной диагностике стрессовых состояний с использованием инфракрасной и терагерцовой спектроскопии | Технологии безопасности жизнедеятельности. 2023. № 1. DOI: 10.17223/7783494/1/10

Подходы к бесконтактной диагностике стрессовых состояний с использованием инфракрасной и терагерцовой спектроскопии

Описаны методики оценки и определения стрессовых состояний. Рассмотрены существующие и перспективные инструментальные подходы бесконтактной диагностики стрессовых состояний. Описаны инструментальные методы пассивного терагерцового (ТГц) видения. Приведены примеры наиболее чувствительных инструментальных методов контроля летучих молекулярных биомаркеров в пробах выдыхаемого воздуха, такие как газовая хроматография с масс-спектрометрической детекцией, спектроскопия затухания излучения в кольцевом резонаторе, лазерная оптикоакустическая спектроскопия (ЛОАС), лидарный метод для дистанционного газоанализа в сочетании с инфракрасными (ИК) параметрическими генераторами света (ПГС), рассмотрены их преимущества и недостатки. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Скачать электронную версию публикации

Загружен, раз: 5

Ключевые слова

стресс, летучие молекулярные биомаркеры, выдыхаемый воздух, инфракрасная спектрометрия, терагерцовая спектрометрия

Авторы

ФИО	Организация	Дополнительно	E-mail
Кистенев Юрий Владимирович	Томский государственный университет	доктор физико-математических наук, заместитель проректора по научной и инновационной деятельности, заведующий лабораторией лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения, профессор кафедры общей и экспериментальной физики	yuk@iao.ru
Тримасов Игорь	Томский государственный университет	студент 1-го курса магистратуры, лаборант лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения
Шкуринов Александр Павлович	Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН	доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН	ashkurinov@physics.msu.ru

Всего: 3

Ссылки

Nitsch J.R. Zur Gegenstandsbestimmung der Stressforschung // Stress: Theorien, Untersuchungen, MaBnahmen. 1981. P. 29-51.

Russell E., Koren G., Rieder M., Uum S. Hair cortisol as a biological marker of chronic stress: current status, future directions and unanswered questions // Psychoneuroendocrinology. 2012. V. 37(5). P. 589-601.

Stewart W.F., Ricci J.A., Chee E., Hahn S.R., Morganstein D. Cost of lost productive work time among US workers with depression // Jama. 2003. V. 289(23). P. 3135-3144.

Pardon M.C., Marsden C.A. The long-term impact of stress on brain function: from adaptation to mental diseases // Neuroscience and biobehavioral reviews. 2008. V. 32. P. 1071-1072.

Bergmann N., Gyntelberg F., Faber J. The appraisal of chronic stress and the development of the metabolic syndrome: a systematic review of prospective cohort studies // Endocrine connections. 2014. V. 3(2) P. R55-R80.

Machado A., Herrera A.J., de Pablos R.M., Espinosa-Oliva A.M., Sarmiento M., Ayala A., Cano J. Chronic stress as a risk factor for Alzheimer's disease // Reviews in the Neurosciences. 2014. V. 25(6). P. 785-804.

Golbidi S, Frisbee J.C., Laher I. Chronic stress impacts the cardiovascular system: animal models and clinical outcomes // American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 2015. V. 308(12). P. H1476-H1498.

Горбань А.Н., Манчук В.Т., Петушкова Е.В. Динамика корреляции между физиологическими параметрами при адаптации и эколого-эволюционный принцип полифакторности // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. 1987. Т. 10. С. 187-198.

Седов К.Р., Горбань А.Н., Петушкова Е.В., Манчук В.Т., Шаламова Е.Н. Корреляционная адаптометрия как метод диспансеризации населения // Вестник Академии медицинских наук СССР. 1988. № 10. С. 69-75.

Леонова А.Б. Психодиагностика функциональных состояний человека. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984. 200 с.

Аракелов Г.Г., Шотт Е.К. КГР как проявление эмоциональных, ориентировочных и двигательных составляющих стресса // Психологический журнал. 1998. Т. 19, № 4. С. 70-79.

Баевский Р.М. Прогнозирование состояний на грани нормы и патологии. М.: Книга по Требованию, 2014. 295 с.

Панченко Л.Л. Диагностика стресса: учеб.-метод. пособие. Владивосток: МГУ им. адм. Г.И. Невельского. 2005.

Кистенёва Р.А., Кистенёв Ю.В., Пеккер Я.С., Бразовский К.С., Бразовская Н.Г., Фокин В.А. Коррекция психоэмоционального напряжения у детей младшего школьного возраста с особыми образовательными потребностями с использованием адаптивного биоуправления // Бюллетень сибирской медицины. 2010. Т. 9, № 2. С. 113-118.

Смелышева Л.Н., Захаров Е.В. Содержание катехоламинов и ренина в слюне у лиц с различным исходным вегетативным тонусом // Вестник Курганского государственного университета. 2015. № 2(36). С. 13-16.

Сотникова Е.Д. Изменения в системе крови при стрессе // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Агрономия и животноводство. 2009. № 1. С. 50-55.

Горелов А.А., Румба О.Г., Григорович Л.А., Весёлкина Т.Е. Психомоторные методы психодиагностики в научных исследованиях в сфере физической культуры и спорта // Новое в психолого-педагогических исследованиях. 2021. № 2. С. 26-37.

Спилбергер Ч.Д. Концептуальные и методологические проблемы исследования тревоги // Тревога и тревожность: хрестоматия / сост. и общ. ред. В.М. Астапова. 1983. С. 85-99.

Абабков В.А., Барышникова К., Воронцова-Венгер О.В., Горбунов И.А. Валидизация русскоязычной версии опросника "Шкала воспринимаемого стресса-10" // Вестник Санкт-Петербургского университета. Психология. 2016. № 2. С. 6-15.

Fadel A., Hongzi M., Zachary K., Dina K., Miller Robert C. Smart homes that monitor breathing and heart rate // Proceedings of the 33rd annual ACM conference on human factors in computing systems. 2015. Р. 837-846.

Горбатов К. Silicon Radar: О дистанционном измерении дыхания и пульса // СВЧ-электроника. 2017. № 3.

Lindemann J., Leiacker R., Rettinger G., Keck T. Nasal mucosal temperature during respiration // Clinical Otolaryngology & Allied Sciences. 2002. V. 27(3). P. 135-139.

Fei J., Zhu Z., Pavlidis I. Imaging respiratory rate in the CO2 absorption band // Proceedings of the 27th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (Shanghai, China). 2005. P. 700-590.

Берловская Е.Е., Черкасова О.П., Ожередов И.А., Адамович Т.В., Исайчев Е.С., Исайчев С.А., Шкуринов А.П. Новый подход к терагерцевой диагностике психоэмоционального состояния человека // Квантовая электроника. 2019. Т. 49, № 1. С. 70-77.

Берловская Е.Е., Черкасова О.П., Ожередов И.А., Адамович Т.В., Исайчев Е.С., Исайчев С.А., Шкуринов А.П. Бесконтактная регистрация функции дыхания на основе анализа ИК-ТГц-изображений лица человека // Компьютерная оптика. 2020. Т. 44, № 6. С. 959-967.

Herborn K.A., Graves J.L., Jerem P., Evans N.P., Nager R., McCafferty D.J., McKeegan D. Skin temperature reveals the intensity of acute stress // Physiol Behav. 2015. V. 152. P. 225-230.

Kistenev Y. V., Borisov A. V., Kuzmin D.A., Syrkina A.G. Analysis of exhaled air of patients with myocardial infarction by laser spectroscopy and data mining // Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care VI. SPIE, 2018. V. 10685. P. 142-148.

Bukreeva E.B., Bulanova A.A., Kistenev Y. V., Nikiforova O.Y. Photoacoustic spectroscopy evaluation of the impact of smoking on the composition of exhaled air in patients with bronchopulmonary diseases // Terapevticheskii arkhiv. 2017. V. 89(3) P. 34-37.

Kistenev Y.V., Borisov A.V., Kuzmin D.A., Penkova O.V., Kostyukova N., Karapuzikov A.A. Exhaled air analysis using wideband wave number tuning range infrared laser photoacoustic spectroscopy // Journal of Biomedical Optics. 2017. V. 22(1).

de Lacy Costello B., Amann A., Al-Kateb H., Flynn C., Filipiak W., Khalid T., Ratcliffe N.M. A review of the volatiles from the healthy human body // Journal of breath research.' 2014. V. 8(1).

Williams J., Stonner C., Wicker J., Krauter N., Derstroff B., Bourtsoukidis E., Kramer S. Cinema audiences reproducibly vary the chemical composition of air during films, by broadcasting scene specific emissions on breath //Scientific reports. 2016. V. 6(1). P. 1-10.

Turner M.A., Bandelow S., Edwards L., Patel P., Martin H.J., Wilson I.D., Thomas C.L.P. The effect of a paced auditory serial addition test (PASAT) intervention on the profile of volatile organic compounds in human breath: a pilot study // Journal of Breath Research. 2013. V. 7(1).

Martin H.J., Turner M.A., Bandelow S., Edwards L., Riazanskaia S., Thomas C.L.P. Volatile organic compound markers of psychological stress in skin: a pilot study // Journal of Breath Research. 2016. V. 10(4).

Tonacci A., Sansone F., Pala A.P., Conte R. Exhaled breath analysis in evaluation of psychological stress: A short literature review // International Journal of Psychology. 2019. V. 54(5). P. 589-597.

NEC. 2014. URL: https://www.nec.com/en/press/201411/images/1101-01-01.pdf.

Muravev V.M., Gusikhin P.A., Andreev I. V., Kukushkin I. V. Novel relativistic plasma excitations in a gated two-dimensional electron system // Physical review letters. 2015. V. 114(10).

Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // Физика и техника полупроводников. 1998. Т. 32, № 1. С. 3-18.

Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Ластовкин А.А., Приползин С.И., Собакинская Е.А., Черняева М.Б., Анфертьев В.А. Приемники излучения терагерцевого частотного диапазона // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2013. № 6-1. С. 81-87.

Коротаев В.В., Мельников Г.С., Михеев С.В., Самков В.М., Солдатов Ю.И. Основы тепловидения. СПб.: НИУ ИТМО, 2012. Т. 122.

Obersteiner F., Bonisch H., Engel A. An automated gas chromatography time-of-flight mass spectrometry instrument for the quantitative analysis of halocarbons in air // Atmospheric Measurement Techniques. 2016. V. 9 (1). P. 179-194.

GAS Dortmund. URL: https://www.gas-dortmund.de.

Amann A., Schwarz K., Wimmer G., Witkovsky V. Model based determination of detection limits for proton transfer reaction mass spectrometer // Measurement Science Review. 2010. V. 10(6). P. 180-188.

PTRS Group. URL:: http://www.ptrs.com.

Fernandes M.P., Venkatesh S., Sudarshan B.G. Early detection of lung cancer using nano-nose-a review // The open biomedical engineering journal. 2015. V. 9. P. 228.

Wilson A.D., Baietto M. Advances in electronic-nose technologies developed for biomedical applications // Sensors. 2011. V. 11(1). P. 1105-1176.

Bruins M., Rahim Z., Bos A., van de Sande W. W., Endtz H. P., van Belkum A. Diagnosis of active Tuberculosis by e-nose analysis of exhaled air // Tuberculosis. 2013. V. 93(2). P. 232-238.

Schnabel R.M., Boumans M.L.L., Smolinska A., Stobberingh E.E., Kaufmann R., Roekaerts P.M.H.J., Bergmans D.C.J.J. Electronic nose analysis of exhaled breath to diagnose ventilator-associated pneumonia // Respiratory medicine. 2015. V. 109(11). P. 14541459.

Montuschi P., Mores N., Trove A., Mondino C., Barnes P.J. The electronic nose in respiratory medicine // Respiration. 2013. V. 85(1). P. 72-84.

Степанов Е.В. Методы высокочувствительного газового анализа молекул-биомаркеров в исследованиях выдыхаемого воздуха // Труды Института общей физики им. А.М. Прохорова. 2005. Т. 61. С. 5-47.

Chow K.K., ShortM., Zeng H. A comparison of spectroscopic techniques for human breath analysis // Biomedical Spectroscopy and Imaging. 2012. V. 1(4). P. 339-353.

De Gouw, J.A., Te Lintel Hekkert, S., Mellqvist, J., Warneke, C., Atlas, E.L., Fehsenfeld, F.C. & Zhu, X. (2009) Airborne measurements of ethene from industrial sources using laser photo-acoustic spectroscopy. Environmental Science & Technology. 43(7). pp. 2437-2442.

Li J., Chen W., Yu B. Recent progress on infrared photoacoustic spectroscopy techniques // Applied Spectroscopy Reviews. 2011. V. 46(6). P. 440-471.

Bozoki Z., Pogany A., Szabo G. Photoacoustic instruments for practical applications: present, potentials, and future challenges // Applied Spectroscopy Reviews. 2011. V. 46(1). P. 1-37.

Kolker D.B., Pustovalova R.V., Starikova M.K., Karapuzikov A.I., Karapuzikov A.A., Kuznetsov O.M., Kistenev Y.V. Optical parametric oscillator within 2.4-4.3 pm pumped with a nanosecond Nd: YAG Laser // Atmospheric and Oceanic Optics. 2012. V. 25(1). P. 77-81.

Romanovskii O.A., Sadovnikov S.A., Kharchenko O. V., Shumskii V.K., Yakovlev S. V. Optical parametric oscillators in lidar sounding of trace atmospheric gases in the 3-4 pm spectral range // Optical Memory and Neural Networks. 2016. V. 25(2). P. 88-94.

Karapuzikov A.A., Sherstov I.V., KolkerD.B., Karapuzikov A.I., Kistenev Y.V., Kuzmin D.A., Lokonov V.N. LaserBreeze gas analyzer for noninvasive diagnostics of air exhaled by patients // Physics of wave phenomena. 2014. V. 22(3). P. 189-196.

Kostyukova N.Y., Boyko A.A., Zenov K.G., Starikova M.K., Kolker D.B., Karapuzikov А.А., Kuzmin D.A. Twin HgGa2S4 optical parametric oscillator at 4.3-10.78 pm for biomedical applications // Saratov Fall Meeting 2014: Optical Technologies in Biophysics and Medicine XVI; Laser Physics and Photonics XVI; and Computational Biophysics. SPIE, 2015. V. 9448. P. 30-35.

Карапузиков А.А., Кузнецов О.М., Кистенев Ю.В. Наносекундный параметрический генератор света в среднем ИК-диапазоне с двухпроходной накачкой // Приборы и техника эксперимента. 2012. № 2. С. 124-128.

Романовский О.А., Садовников С., Харченко О.В., Яковлев С.В. Возможности применения параметрического генератора света в задачах лазерного зондирования атомсферы в ИК-диапазоне // Актуальные проблемы радиофизики: VII Международная научно-практическая конференция, г. Томск, 18-22 сентября 2017 г. STT Publishing, 2017. С. 162.

Бочковский Д.А., Романовский О.А., Харченко О.В., Яковлев С.В. Лидарное зондирование малых газовых составляющих атмосферы методом дифференциального поглощения: результаты моделирования и экспериментов // Известия Томского политехнического университета. Математика и механика. Физика. 2014. Т. 325, № 2. С. 127-136.

Weitkamp C. (ed.). Lidar: range-resolved optical remote sensing of the atmosphere. Springer Science & Business, 2006. V. 102.

Ионин А.А., Козлов А.Ю., Котков А.А., Романовский О.А., Харченко О.В., Яковлев С.В., Климачев Ю.М. Дистанционное зондирование закиси азота и метана с использованием линий излучения обертонного CO-лазера // Журнал прикладной спектроскопии. 2014. Т. 81, № 2. С. 313-316.

Platt U., Stutz J. Differential absorption spectroscopy // Differential optical absorption spectroscopy. Berlin, Heidelberg: Springer, 2008. P. 135-174.

Гейко П.П., Петров Д.В., Смирнов С.С. Реализация метода дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии для измерения вулканических газовых выбросов // Научное приборостроение. 2018. Т. 28, № 4. С. 103-109.