Введение к работе
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:
-
Исследование временных зависимостей коэффициентов пропускания различных типов биологических образцов при воздействии на них различных иммерсионных агентов.
-
Выявление общих закономерностей в динамике иммерсионного просветления различных типов биотканей.
-
Разработка оптической модели биоткани с учетом ее оптической анизотропии.
-
Разработка оригинальной методики расчета коэффициентов пропускания различных биологических образцов с учетом поляризационных характеристик зондирующего излучения.
-
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:
-
Показано, что время иммерсионного просветления биологического образца определяется его структурой и различно для различных типов биотканей.
-
Получены эмпирические выражения, описывающие динамику иммерсионного просветления различных типов биотканей.
-
Разработана модель биологического образца, пригодная для описания его оптических свойств с учетом поляризационных характеристик зондирующего излучения и анизотропных свойств среды.
-
Разработана методика расчета коэффициентов пропускания различных анизотропных биологических образцов с учетом поляризационных характеристик зондирующего излучения.
-
Найдены спектральные зависимости степени деполяризации для различных типов биотканей.
-
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:
-
Грант Президента РФ на поддержку ведущих научных школ № НШ-25.2003.2 (2003-2005)
-
Грант Министерства образования РФ № 01.2003.15221 (2003-2005)
-
НИР в рамках Тематического плана научно-исследовательских работ СГУ по заданию Федерального агентства по образованию РФ № 1.4.06 (2006-2008)
-
Грант CRDF RUX0-006-SR-06/BP1M06 (2006-2007)
-
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:
-
Laser – Tissue Interaction XII: Photochemical, Photothermal, and Photomechanical (San Jose, USA, 2001)
-
Laser – Tissue Interaction XIII: Photochemical, Photothermal, and Photomechanical (San Jose, USA, 2002)
-
Международный оптический конгресс «Оптика 21-ый век» (Санкт – Петербург, 2004)
-
Optical Technologies in Biophysics and Medicine “SFM -2005” (Саратов, 2005)
-
Лазеры для медицины, биологии и экологии (Санкт – Петербург, 2006)
-
Optical Technologies in Biophysics and Medicine “SFM -2006” (Саратов, 2006)
-
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.
