Курсовая. Исследование биотканей методами светорассеяния. 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ    2
1. Распространение немодулированного света в биотканях    6
2. Методы измерения оптических параметров биотканей    16
3. Управление оптическими свойствами биотканей    26
4. Распространение коротких импульсов в биотканях    30
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ    33


ВВЕДЕНИЕ

Многие современные медицинские технологии базируются на фундаментальных результатах, полученных в физике, в частности оптике. Хорошим примером, важным для целей настоящего обзора, является компьютерная медицинская томография [1, 2]. Например, такие виды томографии, как рентгеновская, магнитно-резонансная и позитронно-эмиссионная обеспечивают как получение анатомической информации с большим пространственным разрешением, так и позволяют регистрировать локальные метаболические процессы. Значительные перспективы с точки зрения безопасности, простоты и надежности устройств в настоящее время имеет оптическая диффузная томография [1-3].
С оптической точки зрения биоткани (включая и биожидкости: кровь, лимфу и пр.) можно разделить на два больших класса:
сильно рассеивающие (оптически мутные), такие, как кожа, мозг, стенка сосуда, кровь, склера, оптические свойства которых могут быть достаточно хорошо описаны в модели многократного рассеяния скалярных волн в случайно-неоднородной среде с поглощением;
слабо рассеивающие (прозрачные), такие, как ткани переднего отрезка глаза (роговица, хрусталик), оптические свойства которых описываются в модели однократного (или малократного) рассеяния упорядоченной среды с плотной упаковкой рассеивателей, которые содержат поглощающие центры [1-15].
Скалярное приближение часто является недостаточным, особенно для описания прозрачных тканей. В рассеивающей среде векторный характер волн проявляется, как возникновение поляризации у первоначально неполяризованного пучка света или как деполяризация при распространении в среде первоначально поляризованного пучка [3, 5-8, 16-21].
В задачах оптической диагностики и спектроскопии биотканей следует различать два режима облучения: непрерывный и с разрешением во времени [1-3, 10-13].
Режим с разрешением во времени может быть реализован как путем облучения рассеивающего объекта короткими лазерными импульсами (τ ~ 10~9 -f- 10~п с) и приема уширенных импульсов рассеянного излучения - так называемый временной подход, так и путем облучения модулированным по интенсивности светом на частотах в диапазоне 100 МГц -f-10 ГГц и регистрации глубины модуляции интенсивности рассеянного излучения и соответствующего сдвига фазы на частотах модуляции - так называемый частотный (или фазовый) подход. Фундаментальная основа режима с временным разрешением состоит в возбуждении в сильно рассеивающей среде спектра волн фотонной плотности, что может быть описано в рамках нестационарной теории переноса излучения (ТПИ), в то время как режим непрерывного облучения описывается в рамках стационарной ТПИ [1-3, 10-13].
Вопросы когерентности имеют важное значение при рассмотрении взаимодействия света с биотканью (рассеивающей средой). Эта проблема также может быть представлена, с одной стороны, как потеря когерентности за счет рассеяния света в случайно неоднородной среде с многократным рассеянием, так и как появление усиленной когерентной узконаправленной компоненты в обратно рассеянном излучении при зондировании биоткани лазерным импульсом сверхкороткой длительности [1, 3, 4, 22, 23]. Когерентность света оказывается принципиальной при селекции фотонов, не испытавших совсем или испытавших малое число актов рассеяния, а также при получении спекл-модулированных полей от рассеивающих фазовых объектов с однократным и многократным рассеянием [1, 3, 4, 24, 25]. Такие подходы важны для когерентной томографии, дифрактомет-рии, голографии, фотон-корреляционной спектроскопии и спекл-интерферометрии биотканей и потоков биожидкостей [1, 3-5, 25-30].
Свет ближнего инфракрасного (ИК) диапазона проникает на несколько сантиметров в глубь биоткани, однако его рассеяние оказывается сильным, что затрудняет получение четких изображений оптических неодно-родностей, возникающих в ткани за счет различных патологий, например образования опухоли, локального увеличения объема крови за счет кровоизлияния или разрастания микрососудов. Поэтому в оптической томографии важна разработка методов селекции фотонов, несущих изображение в сильно рассеивающей среде [1-5].
Другое важное направление, в котором часто бывает необходимо глубинное зондирование биоткани - это отражательная спектроскопия ткани, например оптическая оксиметрия, служащая для определения степени оксигенации гемоглобина крови в работающей мышечной ткани, в головном мозге новорожденных с патологией или взрослых в процессе активной деятельности мозга [1-3].
В настоящей работе основное внимание уделено анализу методов светорассеяния активно разрабатываемых последние годы для количественного изучения оптических характеристик биотканей и ансамблей клеток, представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований транспорта фотонов в биотканях, описаны методы решения прямых и обратных задач рассеяния для случайных сред с многократным рассеянием и квазиупорядоченных сред с однократным рассеянием, которые моделируют различные типы биотканей. Теоретическое рассмотрение базируется на стационарной или нестационарной теории переноса излучения для сильно рассеивающих биотканей или теории Ми для прозрачных тканей, а также численном методе Монте-Карло (МК), используемом для решения прямых и обратных задач транспорта фотонов в многослойных биотканях со сложными граничными условиями.
Рассмотренные методы исследований носят общий характер и применимы для исследования многих типов рассеивающих сред небиологического происхождения. Необходимо отметить, что при решении задач оптики биотканей многие известные методы из оптики рассеивающих сред, например метод интегрирующих сфер, были доведены до совершенства, разработаны новые измерительные системы и алгоритмы решения обратных задач, полезные для оптики рассеивающих сред в целом. Более того, ряд методов получил интенсивное развитие именно при исследовании биотканей. К ним относится, например, метод диффузных волн фотонной плотности, который имеет значительные перспективы при изучении многих физических систем: водные среды, гели, пена, атмосфера, аэрозоли и пр.