WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Исследование анизотропных оптических свойств и динамики иммерсионного просветления различных биотканей

На правах рукописи

Папаев Александр Викторович

Исследование анизотропных оптических свойств и динамики иммерсионного просветления различных биотканей

03.00.02 – биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

Саратов 2007

Работа выполнена в Саратовском государственном университете

им. Н.Г. Чернышевского на кафедре оптики и биомедицинской физики

Научный руководитель: доцент, кандидат физико-математических наук

Симоненко Г.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Ушаков Н.М.

доктор технических наук Волков Ю.П.

Ведущая организация: Саратовский Государственный

Медицинский Университет

Защита состоится 10 ноября 2007 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.243.05 в Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского по адресу: 410026, г. Саратов, ул. Московская, 155, СГУ, Физический факультет, корп. 3.

C диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Саратовского государственного университета

Автореферат разослан 09.10.2007

Учёный секретарь диссертационного совета Дербов В.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В последнее время все более широкое применение в медицине находят оптические методы. Известны многочисленные диагностические методы, такие как оптическая когерентная томография, конфокальная микроскопия, флуоресцентная спектроскопия, оптическая диффузионная томография, которые требуют знание оптических свойств различных биотканей и динамики диффузии различных лекарственных веществ в различных биотканях. Например, в офтальмологии перспективной является лазерная транссклеральная операция, которая позволяет с помощью лазерного излучения воздействовать на сетчатку и цилиарное тело непосредственно через склеру. В связи с тем, что доставка светового излучения к области исследования или воздействия через поверхностные фиброзные ткани связана с большими потерями, вызванными рассеянием света, проблема увеличения прозрачности этих тканей продолжает оставаться существенной при использовании оптических методов лечения и диагностики.

Известно, что рассеивающие свойства фиброзных тканей, определяются их структурой и различием показателей преломления между структурными компонентами и внутри тканевой жидкостью. Оптическими свойствами биотканей можно эффективно управлять, воздействуя на них различными биологическими совместимыми гиперосмотическими жидкостями. Такое управление, направленное на снижение рассеяния биоткани, чрезвычайно важно как для повышения эффективности диагностических методов, так и для исследования глубины проникновения светового излучения в биологический образец.

Кроме этого, известно, что биологические образцы обладают оптической анизотропией, что необходимо учитывать при теоретическом описании распространения световой волны в биотканях. В силу этих свойств биотканей в последнее время все чаще стали применять поляризационно – чувствительную оптическую когерентную томографию, как для целей диагностики, так и для целей лечения.

Таким образом, в настоящий момент времени весьма актуальным является исследование динамики иммерсионного просветления биологических образцов различных типов, а также построение физической и математической модели для расчета коэффициента пропускания образца биоткани с учетом его анизотропных свойств и поляризационных характеристик зондирующего светового излучения.

Целью диссертационной работы является исследование динамики иммерсионного просветления различных типов биологических тканей и построение модели и методики описания распространения светового излучения с различным типом поляризации сквозь анизотропную биоткань.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

  1. Исследование временных зависимостей коэффициентов пропускания различных типов биологических образцов при воздействии на них различных иммерсионных агентов.
  2. Выявление общих закономерностей в динамике иммерсионного просветления различных типов биотканей.
  3. Разработка оптической модели биоткани с учетом ее оптической анизотропии.
  4. Разработка оригинальной методики расчета коэффициентов пропускания различных биологических образцов с учетом поляризационных характеристик зондирующего излучения.
  5. Исследование спектральных зависимостей для степени деполяризации образцов и коэффициентов преломления базового вещества и рассеивающих структурных элементов образцов биотканей.

Научная новизна работы определяется комплексом впервые выполненных исследований и впервые полеченных результатов:

  1. Показано, что время иммерсионного просветления биологического образца определяется его структурой и различно для различных типов биотканей.
  2. Получены эмпирические выражения, описывающие динамику иммерсионного просветления различных типов биотканей.
  3. Разработана модель биологического образца, пригодная для описания его оптических свойств с учетом поляризационных характеристик зондирующего излучения и анизотропных свойств среды.
  4. Разработана методика расчета коэффициентов пропускания различных анизотропных биологических образцов с учетом поляризационных характеристик зондирующего излучения.
  5. Найдены спектральные зависимости степени деполяризации для различных типов биотканей.
  6. Определена дисперсия оптической анизотропии для различных типов биотканей.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что проведенные исследования существенно расширяют возможности оптической медицинской диагностики и терапии, повышают эффективность методов управления оптическими параметрами биотканей и открывают новые возможности для моделирования процессов распространения светового излучения в биотканях.

Полученные в работе результаты использовались при выполнении научных исследований по следующим грантам:

  1. Грант Президента РФ на поддержку ведущих научных школ № НШ-25.2003.2 (2003-2005)
  2. Грант Министерства образования РФ № 01.2003.15221 (2003-2005)
  3. НИР в рамках Тематического плана научно-исследовательских работ СГУ по заданию Федерального агентства по образованию РФ № 1.4.06 (2006-2008)
  4. Грант CRDF RUX0-006-SR-06/BP1M06 (2006-2007)
  5. НОЦ REC-006 «Нелинейная динамика и биофизика» REC-006/SA-006-00

Достоверность представленных научных результатов обусловлена тем, что они получены на основе апробированных методик расчета и измерений. Достоверность подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных, а также соответствием результатам, полученным другими авторами.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Различные типы биологических образцов можно разделить по времени иммерсионного просветления на три группы: быстрые (время просветления не более 5 минут); средние (время просветления более 5 минут, но менее 1 часа); медленные (время просветления более 1 часа).

2. Эмпирическое выражение для временных зависимостей контраста изображения биологического образца при воздействии на него иммерсионными агентами.

3. Методика расчета коэффициентов пропускания различных анизотропных биологических образцов с учетом поляризационных характеристик зондирующего излучения.

Апробация работы: Основные результаты диссертации докладывались на следующих Международных и Российских конференциях:

  1. Laser – Tissue Interaction XII: Photochemical, Photothermal, and Photomechanical (San Jose, USA, 2001)
  2. Laser – Tissue Interaction XIII: Photochemical, Photothermal, and Photomechanical (San Jose, USA, 2002)
  3. Международный оптический конгресс «Оптика 21-ый век» (Санкт – Петербург, 2004)
  4. Optical Technologies in Biophysics and Medicine “SFM -2005” (Саратов, 2005)
  5. Лазеры для медицины, биологии и экологии (Санкт – Петербург, 2006)
  6. Optical Technologies in Biophysics and Medicine “SFM -2006” (Саратов, 2006)
  7. Лазеры. Измерение. Информация (Санкт – Петербург, 2007)

Личный вклад соискателя состоит в участии постановки задачи, проведении экспериментальных исследований, разработке теоретических моделей и методик, обработке и обсуждении полученных результатов и выполнении компьютерного моделирования. Все результаты, представленные в работе, получены автором самостоятельно.

Публикации. По материалам исследований, выполненных в рамках диссертационной работы, опубликовано 8 научных работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературных источников. Структура диссертационной работы. Работа содержит 111 страниц текста, 53 рисунка, 6 таблиц и 85 литературных источника.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность решаемых задач, сформулирована цель работы, её научная новизна, научно-практическая значимость, основные результаты и положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Динамика иммерсионного подавления рассеяния света в различных биотканях

Изложены принципы управления оптическими свойствами биологических образцов с помощью иммерсионных жидкостей. При изучении влияния иммерсионных агентов на фиброзные биоткани, особый интерес представлял механизм проникновения раствора в биоткань. Гликопротеины базового вещества фиброзных тканей (таких как склера, кожа, сухожилие) имеющие отрицательный заряд можно представить как полупроницаемую мембрану, и, следовательно, может иметь место явление проникновения в биоткань растворителя с растворённым в нём веществом – осмос. С другой стороны, благодаря фиброзной структуре ткани, возможно динамическое проникновение в неё различных жидкостей, т.е. свободная диффузия. По мере проникновения раствора иммерсионной жидкости в биоткань наблюдается увеличение показателя преломления внутритканевой жидкости.

В исследованиях использовались различные по анизотропным свойствам и свойствам проницаемости для иммерсионных жидкостей биоткани: мениск, tunica testis (оболочка яичка), хрящевая ткань носовой перегородки, сухожилие, склера, вена, аорта, костная ткань бедра.

Для исследования динамики увеличения коэффициента пропускания биоткани под воздействием иммерсионной жидкости использовалась экспериментальная установка, включающая микроскоп, оснащенный цифровой камерой, которая подключена к персональному компьютеру. Изображения образцов, полученные с помощью цифровой камеры, переносились на персональный компьютер, на котором они обрабатывались с помощью соответствующего программного обеспечения.

В качестве количественной характеристики степени просветления образца мы использовали контраст изображения С(t), величина которого вычислялась следующим образом:

C (t) = T (t)/Tmax , (1)

где T(t) – текущее среднее по площади пропускание в момент времени t, Tmax – максимальное среднее по площади пропускание образца.

Процесс иммерсионного подавления рассеяния света в биотканях связан с процессом диффузии иммерсионных веществ в образец, поэтому скорость изменения контраста изображения однозначно связана со скоростью диффузии вещества в биоткань. Само увеличение коэффициента пропускания биотканей при введении в них веществ с высоким показателем преломления, близким по значению к показателю преломления коллагеновых волокон, связано с ослаблением рассеяния света на флуктуациях плотности благодаря выравниванию показателей преломления базового вещества и коллагеновых волокон. Для количественного описания процесса диффузии просветляющего вещества в ткань мы использовали скорость изменения контраста изображения во времени V(t):

V (t) = d C (t)/dt. (3)

Наши исследования показали, что скорость изменения контраста изображения V(t) хорошо описывается следующим эмпирическим выражением

V (t) = F +H exp (-G t), (4)

где F, H и G - эмпирические параметры, определяемые структурой биоткани, и характеризуют диффузионный процесс иммерсионного агента.

Было показано (рис.1), что скорость просветления ткани имеет два компонента: зависимый от временем и постоянный.

Рис. 1 Динамика иммерсионного просветления различных биотканей

Формула (4) получена нами без учета осцилляций контраста в зависимости от времени. На рис. (2) представлены экспериментальные данные, которые аппроксимированы двумя видами кривых: с учетом осцилляций; и без них.

А) Б)

Рис. 3 Динамика просветления для различных типов биотканей. Крестами обозначены экспериментальные точки, толстой линией обозначена аппроксимация без учета осцилляций, а тонкой линией обозначена аппроксимация по формуле (5)

А – мениск; Б –склера.

Как видно из этого рисунка аппроксимация с учетом осцилляций практически точно проходит по экспериментальным данным, при этом для всех образцов биоткани аппроксимационная функция имеет следующий вид:

, (5)

где Ti и Ai (i = 0, 1, 2) – постоянные, зависящие от типа биоткани.

Учитывая (3) и (5) получим следующее выражение для скорости просветления с учетом осцилляций:

(6)

Следует отметить, что заметных осцилляций в скорости просветления образцов биоткани наблюдаться не будет, так как произведение А1А0 по своей величине значительно меньше чем Т0. Наличие осцилляций в зависимости контраста образца от времени вероятнее всего связано с различными скоростями диффузии вдоль и поперек образца и его слоистым строением. Это можно объяснить, если исходить из гистологических представлений о биотканях как о слоистых средах. В силу слоистого строения диффузия рентгеноконтрастного вещества происходит с различным коэффициентом диффузии вдоль волокон (в нашем случае вдоль образца) и поперек ему. Так как просветление образца в целом связано с проникновением тразографа во всю его толщину, то процесс просветления имеет ступенчатый характер. Сначала раствор тразографа проникает вглубь образца на толщину одного слоя и затем распространяется по всей площади образца, не проникаю вглубь. При этом пропускание образца не меняется до тех пор, пока раствор тразографа не проникнет сквозь следующий слой. И так до тех пор, пока раствор тразографа не пройдет сквозь всю толщину объекта.

Анализируя полученные данные были определены параметры динамики просветления как с учётом осцилляций, так и без учёта осцилляций для мениска, tunica testis (оболочки яичка), хрящевой тканей носовой перегородки, сухожилия, склеры, вены, аорты, костной ткани бедра.

Глава 2. Оптические свойства биотканей и способы их описания

Глава посвящена описанию строения различных типов биологических образцов, а также кратко изложены основные теоретические способы исследования оптических свойств биотканей. Основное внимание в этой главе диссертации уделено описанию матричных способов вычисления коэффициентов пропускания света с различным состоянием поляризации для биотканей. По свойствам оптической анизотропии различные типы биоткани можно разделить на три группы: изотропные, показывающие свойства одноосных кристаллов, показывающие свойства двуосных кристаллов. Можно выделить два основных подхода к моделированию биоткани: представление биоткани средой с непрерывным случайным пространственным распределением оптических параметров и представление в виде дискретных рассеивателей. Выбор того или иного подхода как диктуется особенностями исследуемой биоткани, так и, в значительной мере, определяется типом характеристик светорассеяния, которые необходимо получить в результате моделирования.

С точки зрения строения, оптическая биоткань представляет собой неоднородную слоистую анизотропную систему и в некоторых случаях, так например роговица глаза, биоткань слабо рассеивает световое излучение. Поэтому для исследования оптических характеристик слабо рассеивающих или нерассеивающих биотканей можно использовать матричные способы записи уравнений Максвелла пригодные для описания оптических характеристик сложных анизотропных сред. Рассмотрены структуры матричных элементов матриц рассеяния и пропускания различных объектов и характер преобразования световой волны в рамках соответствующих методов матричной оптики.

Глава 3. Двух шаговая модель для описания распространения света сквозь биоткань

В этой главе изложены оригинальные модель и методика расчета коэффициентов пропускания света с различным состоянием поляризации для биотканей. Описывается двух шаговая модель для исследования оптических свойств биотканей.

Сравнивая сечения рассеяния биоткани, обусловленное флуктуациями плотности с сечением рассеяния, которое определяется рассеянием на флуктуациях ориентации, обсуждена роль флуктуаций плотности и флуктуаций ориентации в рассеянии света биотканями. Было показано, что рассеяние света в биоткани обусловлено не только флуктуациями плотности, но и флуктуациями ориентации структурных образований биотканей.

Для описания оптических свойств биоткани с учетом анизотропии ее показателя преломления может мы использовали модель, представляющую собой анизотропную дисперсную систему со сложной (двухуровневой) пространственной организацией:

1-й уровень – система диэлектрических цилиндров, помещённая в базовое вещество с меньшим показателем преломления.

2-й уровень – последовательность плоскопараллельных анизотропных слоёв, каждый из которых образован параллельными фибриллами и вследствие этого обладает анизотропией формы, подобной одноосной фазовой пластинке с осью, параллельной поверхности слоя. Оптические оси этих слоёв повернуты относительно друг друга на некоторый угол (Рис. 3).

 лоистая модель анизотропной биоткани. OjOjj – оптическая ось i- го-6

Рис. 3 Слоистая модель анизотропной биоткани. OjOjj – оптическая ось i- го слоя биоткани; hi – толщина i- го слоя биоткани; ni – анизотропия показателей преломления i- го слоя биоткани; i – угол ориентации оптической оси i- го слоя биоткани

На первом шаге моделирования на основе теории рассеяния света с учетом физических и геометрических параметров рассчитывается спектральная зависимость оптической плотности биоткани. Мы используем простое аналитическое выражение для сечения рассеяния на флуктуациях ориентации для расчёта спектра пропускания света прошедшего сквозь биоткань:

(7)

где V объем образца, - модуль упругости образца биоткани, T – температура, kB – постоянная Больцмана, - длина волны света циклическая частота, с – скорость света, q – волновой вектор рассеяния, a – диэлектрическая анизотропия.

Для этого случая оптическая плотность образца D определяется следующим соотношением:

(8)

где l – толщина всего образца, V – объем образца, N – концентрация коллагеновых волокон, - длина волны света, nматрица- показатель преломления базового вещества образца, nкол – показатель преломления коллагеновых волокон, n – анизотропия показателей преломления образца. При этом считается, что пропускание образца биоткани для коллимированного пучка света подчиняется закону Бугера. Анизотропия показателей преломления образца биоткани (, ne, no – показатели преломления для необыкновенной и обыкновенной волн соответственно) в целом определяется геометрическим фактором и разницей показателей преломления коллагеновых волокон и базового вещества. Если использовать двухкомпонентную модель, и коллагеновые волокна представить в виде длинных цилиндров, то можно показать, что в общем случае оптическая анизотропия определяется следующим выражением:

, (9)

где с – объемная концентрация коллагеновых волокон.

На втором этапе с использованием уже вычисленного значения оптической плотности можно рассчитать поляризационные спектры пропускания для коллимированного пучка света, прошедшего сквозь биоткань. Для описания оптических свойств биоткани удобно использовать формализм матриц Мюллера и векторов Стокса, который позволяет одновременно учесть анизотропию показателя преломления образца и деполяризацию светового излучения исследуемым образцом.

На втором шаге с помощью матриц Мюллера и вектора Стокса вычисляются спектры коллимированного пропускания света, прошедшего через образец биоткани, с учетом свойств анизотропии образца и степени деполяризации падающего на него света. В случае нормального падения световой волны к поверхности образца биоткани оптические характеристики можно описать с помощью следующего матричного выражения:

(10)

где Sin – вектор Стокса падающей на системы неполяризованной световой волны единичной интенсивности; Sout – вектор Стокса световой волны, вышедшей из системы, первый элемент которого в данном случае равен пропусканию системы. При этом декартовая система отсчета выбрана так, что ось Z этой системы совпадает с направлением распространения света, а ось X этой системы совпадает с максимальным пропусканием входного поляризатора. Pin, Pout – матрицы Мюллера входного и выходного поляризаторов, соответственно, которые имеют следующий вид:

(11)

где Tmax, Tmin – соответственно максимальное и минимальное пропускание входного и выходного поляризаторов.

Матрицу Мюллера для плоскопараллельного образца биоткани Msam можно записать в виде:

(12)

где R – матрица Мюллера идеального деполяризатора, которая выражается следующим образом

d() – степень деполяризации образца биоткани (0 d() 1), - длина волны света; Mph – матрица Мюллера для системы плоскопараллельных анизотропных фазовых пластинок, имеющая следующий вид [26]:

(13)

(14)

(15)

где N – количество однородных анизотропных пластинок, каждая из которых с номером i характеризуется анизотропией показателя преломления ni() на длине волны, толщиной hi и углом ориентации i оптической оси фазовой пластинки относительно выбранной системы координат. D() – это оптическая плотность образца биоткани на длине волны, которая учитывает ослабление коллимированного светового потока.

Экспериментальные спектры коллимированного пропускания образцов были получены на спектрофотометре Cary-2415, предназначенном для измерения оптических спектров пропускания и отражения различных, в том числе и сильно рассеивающих объектов. Для обеспечения коллимированности проходящего излучения использовалась система из трёх диафрагм диаметром 2мм, с расстоянием между первой и второй диафрагмами 20 мм, и между второй и третьей – 110 мм. В качестве исследуемых образцов нами использовались тонкие срезы костной, зубной, хрящевой и мышечной ткани размером 1 см 1 см. Для уменьшения рассеяния света с целью увеличения пропускания образца использовалась техника иммерсионного просветления [1]. Образцы биотканей были помещены в 76% раствор тразографа при температуре 370 С, которые находились в этом растворе до максимального иммерсионного просветления. Иммерсионное просветление образцов биоткани необходимо для исследования их анизотропных свойств, которые в обычных условиях трудно наблюдаемы. Образец помещался между двумя предметными стеклами и затем помещался в спектрофотометр. Для получения спектров поляризованного пропускания образца на внешние стороны предметных стекол наклеивались поляроидные пленки NPF-250 DU.

Наш анализ показал, что одним из основных факторов, определяющих совпадение экспериментальных и расчетных спектров пропускания, является дисперсия показателей преломления вещества рассеивателей и базового вещества. Спектральная зависимость показателя преломления вещества рассеивателей и базового вещества этих тканей была аппроксимирована с помощью дисперсионной формулы Коши, наиболее часто используемой для такого рода аппроксимаций:

(16)

a, b, c и d – параметры, вычисленные путём решения обратной задачи для спектров коллимированного пропускания света сквозь биоткань

На Рис. 4 приведены измеренные и рассчитанные по формуле (8) спектральные зависимости оптической плотности для образцов скелетной мышечной, зубной, костной и хрящевой ткани при иммерсионном воздействии на них 75%-раствора тразографа. При этом в расчетах учитывалась дисперсия показателей преломления коллагеновых элементов и базового вещества.

А) Б)

В) Г)

Рис. 4 Экспериментальные и рассчитанные спектральные зависимости опти-ческой плотности А) скелетной мышечной ткани, Б) зубной ткани, В) костной ткани Г) хрящевой ткани при воздействии на них 75%-раствором тразографа

На Рис. 5 представлены соответствующие дисперсионные кривые для образца мышечной, зубной, костной и хрящевой ткани.

Рис 5. Дисперсионные кривые среднего показателя преломления рассеивателей и базового вещества хрящевой ткани при воздействии на неё 75%-раствором тразографа.

Показано, что предложенное выражение для вычисления величины оптической плотности при расчете спектров коллимированного пропускания костной, зубной, хрящевой и мышечной ткани дает хорошее количественное согласие между теоретическими и экспериментальными данными. Это говорит о том, что в рассмотренных образцах костной, хрящевой, мышечной и зубной ткани существенную роль в рассеянии света играет рассеяние на флуктуациях ориентации структурных элементов.

В расчетах нами использовалось выражение для зависимости степени деполяризации биоткани от длины волны света, которое было получено методом подгонки:

, 7)

где - длина волны света, выраженная в нм; A, B, C и D – варьируемые параметры, значения которых зависят от типа исследуемого образца. Значения параметров были найдены при расчете спектров коллимированного пропускания для образцов костной, хрящевой, мышечной и зубной ткани.

На Рис. 6 показаны экспериментальные и рассчитанные спектры поляризованного пропускания для просветленных образцов мышечной, зубной, костной и хрящевой ткани при параллельной и скрещенной ориентации поляризатора и анализатора.

 А) Б) В) Г) кспериментальные и-27 А) Б) В) Г) кспериментальные и-28

А) Б)

 В) Г) кспериментальные и рассчитанные спектры-29 В) Г) кспериментальные и рассчитанные спектры-30

В) Г)

Рис. 6 Экспериментальные и рассчитанные спектры поляризованного пропускания для просветленных образцов А) скелетной мышечной ткани, Б) зубной ткани, В) костной ткани Г) хрящевой ткани при скрещенной ориентации поляризатора и анализатора.

Как видно из сопоставления экспериментального и рассчитанного спектров пропускания вышеприведённых тканей с учетом их анизотропных свойств, предложенная физическая модель дает удовлетворительное количественное описание оптических характеристик образца биоткани. Отклонение физических параметров в расчетной модели, от указанных в работе, приводит только к увеличению расхождения между экспериментальными и рассчитанными спектрами.

Основные результаты и выводы

  • В результате исследования временных зависимостей коэффициентов пропускания различных типов биологических образцов при воздействии на них различных иммерсионных агентов показано, что время иммерсионного просветления биологического образца определяется его структурой и различно для различных типов биотканей.
  • Выявлены общие закономерности в динамике иммерсионного просветления различных типов биотканей. Показано, что скорость просветления ткани имеет два компонента: зависимый от временем и постоянный. Получены эмпирические выражения, описывающие динамику иммерсионного просветления различных типов биотканей с учётом осцилляций контраста во времени и без учёта осцилляций. Анализируя полученные данные, были определены параметры динамики просветления, как с учётом осцилляций, так и без учёта осцилляций для мениска, tunica testis (оболочки яичка), хрящевой тканей носовой перегородки, сухожилия, склеры, вены, аорты, костной ткани бедра.
  • Рассмотрена роль флуктуаций ориентации структурных элементов биоткани в определении величины сечении рассеяния и показано, что для одних типов биотканей главную роль в определении величины сечения рассеяния играет флуктуация плотности, а для других – флуктуация ориентации структурных элементов биоткани.
  • Предложена модель биологического образца, пригодная для описания его оптических свойств с учетом поляризационных характеристик зондирующего излучения и анизотропии показателя преломления биоткани. Модель представляющую собой анизотропную дисперсную систему со сложной (двухуровневой) пространственной организацией:

1-й уровень – система диэлектрических цилиндров, помещённая в базовое вещество с меньшим показателем преломления.

2-й уровень – последовательность плоскопараллельных анизотропных слоёв, каждый из которых образован параллельными фибриллами и вследствие этого обладает анизотропией формы, подобной одноосной фазовой пластинке с осью, параллельной поверхности слоя. Оптические оси этих слоёв повернуты относительно друг друга на некоторый угол.

  • В представленной работе описана двух шаговая модель распространения света сквозь образец биоткани. При этом в модели учитывается частичная или полная деполяризация световой волны, прошедшей через биоткань, и ее зависимость от длины волны света, падающего на образец. На первом шаге на основе теории рассеяния света с учетом физических и геометрических параметров рассчитывается спектральная зависимость оптической плотности биоткани. На втором шаге с помощью матриц Мюллера и векторов Стокса вычисляются спектры коллимированного пропускания света, прошедшего через образец биоткани, с учетом свойств анизотропии образца и степени деполяризации падающего на него света. В результате применения модели получено хорошее количественное согласие между расчетными и экспериментальными спектрами коллимированного пропускания образцом биоткани, которое говорит об адекватности предложенной модели для описания распространения света сквозь биоткань.
  • Найдены спектральные зависимости степени деполяризации и дисперсии оптической анизотропии для различных типов биотканей. Выражение для зависимости степени деполяризации биоткани от длины волны света, было получено методом подгонки. Спектральная зависимость показателя преломления вещества рассеивателей и базового вещества этих тканей была аппроксимирована с помощью дисперсионной формулы Коши, наиболее часто используемой для такого рода аппроксимаций. В расчетах были определены соответствующие параметры для костной, зубной, хрящевой и мышечной ткани.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

  1. G.V. Simonenko, T.P. Denisova, N.A. Lakodina, A.V. Papaev, V.V. Tuchin Optical anisotropy of biotissues // Proc. SPIE. 2001. Vol. 4257. P. 201–205
  2. G.V. Simonenko, T.P. Denisova, N.A. Lakodina, A.V. Papaev, V.V. Tuchin Polarization technology for tissue study // Proc. SPIE. 2002. Vol. 4617. P. 289 – 296.
  3. А. В. Папаев, Г.В. Симоненко, В.В. Тучин простая модель для расчета спектров пропускания поляризованного светя образцом биологической ткани// Оптический журнал. 2004. Т. 71. № 5. С. 3 – 6.
  4. A. Papaev, G. Simonenko, V. Tuchin Optical anisotropy of biological tissues //Proc. Inter. Topical Meeting on optical sensing and artifical vision (OSAV 2004) Sankt – Peterburg. 2004. P. 358 – 366.
  5. А. В. Папаев, Г.В. Симоненко, В.В. Тучин Оптические характеристики биоткани // Тезисы докл. Конференции Лазеры для медицины, биологии и экологии. Санкт – Петербург. 2006. С. 32.
  6. А.В. Папаев, Г.В. Симоненко, В.В. Тучин, Т.П. Денисова Оптическая анизотропия биоткани в условиях иммерсионного просветления и без него // Оптика и спектроскопия. 2006. Т. 101. № 1. С. 50 – 57.
  7. Г.В. Симоненко, А.В. Папаев, Л.И. Малинова, Е.Р. Кириллова, В.В. Тучин Структура динамики иммерсионного просветления биоткани // Проблемы оптической физики. Материалы 10-ой Международной Молодежной Школы по оптике, лазерной физике и биофизике (SFM – 2006). Саратов: Из – во «Новый ветер». 2007. С.56 – 61.
  8. А.В. Папаев, Г.В. Симоненко, В.В. Тучин Двух шаговая модель распространения света в биотканях // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 10. С. 36 – 40.


 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.