Введение к работе
Актуальность темы
Актуальность темы обусловлена прежде всего тем, что поляризационные диагностические методы занимают одно из ведущих мест среди оптических методов диагностики биотканей и визуализации их структуры благодаря высокой чувствительности поляризационных характеристик рассеянных оптических полей к оптическим свойствам и геометрии рассеивающих сред. Анализ поляризационных характеристик рассеянного биотканями излучения в ряде случаев позволяет получить качественно новые результаты при исследованиях морфологического и функционального состояния биотканей, являющихся одним из важнейших направлений современной медицинской диагностики. Поэтому разработка новых поляризационных методик диагностики биотканей или усовершенствование известных представляет несомненный интерес.
Важным аспектом при разработке методов оптической диагностики и визуализации биотканей с использованием поляризованного зондирующего излучения является анализ преобразования состояния поляризации света при его рассеянии средой.
Многие биологические ткани обладают оптической анизотропией как на микроскопическом, так и на макроскопическом уровне. Если для макроскопически однородных и изотропных биотканей флуктуации локального двулучепреломления на микроскопическом (клеточном) уровне должны приводить к дополнительному подавлению поляризации распространяющегося излучения по сравнению с “микроскопически изотропными” рассеивающими средами, то оптическая анизотропия на макроскопическом уровне, обусловленная, в частности, ориентационно упорядоченной фибриллярной структурой ткани, ведет к преобразованию типа поляризации поляризованной составляющей распространяющегося в среде излучения, что необходимо учитывать наряду с деполяризующими свойствами ткани.
Наличие оптической анизотропии в сочетании со структурной неоднородностью делает достаточно сложным анализ и феноменологическое описание оптических свойств биоткани, но в то же время, проявляясь в поляризационно-оптических характеристиках исследуемого биологического объекта, оптическая анизотропия может дать ценную информацию о его структурных особенностях и физиологическом статусе.
Для описания взаимодействия поляризованного света с такими сложными системами как биоткани, необходимы общие приближения, такие как формализм Мюллера-Стокса. В настоящее время в биологических и медицинских исследованиях используется множество практических методик, основанных на измерении и анализе матриц Мюллера исследуемых образцов, в том числе методов поляризационного картографирования биотканей, основанных на анализе пространственных зависимостей элементов матриц Мюллера пропускания и отражения образца.
Элементы матрицы Мюллера, несущие в себе исчерпывающую информацию о взаимодействии света и ткани, тем не менее представляются не очень удобными для характеристики образца самого по себе. Причиной этому является зависимость элементов этой матрицы от выбора системы координат: в общем случае 12 из 16 элементов изменяются при вращении образца вокруг оси зондирования. Кроме того, соотношение между оптическими свойствами объекта исследования, представленными набором элементов матриц Мюллера, и его структурными характеристиками является далеко не очевидным: требуемая диагностическая информация является как бы “зашифрованной” в матрице Мюллера. Одним из практически используемых методов “расшифровки” является метод полярной декомпозиции матриц Мюллера.
Альтернативным представлением является представление, оперирующее с инвариантными оптическими характеристиками, которые не зависят от выбора системы координат, и не страдает от неоднозначности, вносимой заменой реальной системы набором идеализированных элементов. Представление вращательных инвариантов может быть использовано как при рассмотрении экспериментов по измерению характеристик пропускания, так и при рассмотрении экспериментов по измерению характеристик отражения образца. Поэтому представляет интерес развитие представления вращательных инвариантов с целью упрощения выбора набора измеряемых параметров и методик измерений при использовании схемы измерений “линейный поляризатор – образец – линейный анализатор”.
Интерес к использованию представления вращательных инвариантов в поляризационной микроскопии обусловлен прежде всего тем, что использование при формировании карт распределения ориентаций локальной оптической оси метода полярной декомпозиции матриц Мюллера дает определенную неоднозначность, так как помимо оптической анизотропии образца в формирование изображения может давать вклад азимутальная вариация локальной оптической оси биоткани в направлении распространения зондирующего света.
В экспериментах по измерению характеристик обратного рассеяния биотканей, как наиболее приемлемых для диагностических измерений in vivo, интерес представляет случай детектирования света, рассеянного под углом к поверхности объекта, итак как такая геометрия измерений обычно реализуется на практике. Представляет интерес поиск параметризационных представлений азимутальных зависимостей интенсивностей ко- и кросс-поляризованных компонентов, поскольку таких представлений на основе формализма матриц Мюллера найти не удается: в данном случае интенсивности поляризованных компонентов отраженного света, соответствующие разным значениям азимутального угла, связаны с разными матрицами Мюллера, то есть матрицами, характеризующими разные направления рассеяния.
Вышеперечисленные факты и обстоятельства позволяют сформулировать основную цель диссертационной работы и определить круг задач, не затронутыми другими исследователями и решаемых в данной работе.
Цель и основные задачи работы
Основной целью диссертационной работы является развитие простых поляризационных методов исследования анизотропных свойств биотканей, использующих схему измерений «поляризатор-образец-анализатор».
В рамках работы решались следующие задачи:
-
Разработка поляриметрической методики определения анизотропных свойств рассеивающих сред, в том числе биотканей, в геометрии детектирования прошедшего света.
-
Исследование с помощью разработанной методики влияния структурной и оптической анизотропии рассеивающих сред на состояние поляризации рассеянного света видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра в геометрии детектирования прошедшего света.
-
Разработка поляриметрической методики определения анизотропных свойств рассеивающих сред, включая биоткани, в геометрии детектирования обратно рассеянного света.
-
Исследование с помощью разработанной методики влияния структурной и оптической анизотропии рассеивающих сред на состояние поляризации обратно рассеянного света видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра.
-
Разработка методики и устройства микроскопического поляризационного картографирования двулучепреломляющих биотканей с учетом азимутальной вариацией локальной оптической оси в направлении распространения зондирующего света.
Научная новизна работы
Научная новизна работы определяется комплексом впервые выполненных исследований и впервые полученных результатов, которые сводятся к следующему:
-
Разработана новая методика, основанная на представлении оптических инвариантов, позволяющая анализировать влияние структурной анизотропии и материальной анизотропии на состояние поляризации прошедшего света.
-
Впервые исследовано влияние структурной и материальной анизотропии рассеивающих сред на состояние поляризации рассеянного света видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра в геометрии детектирования прошедшего света.
-
Впервые показано, что оптическая анизотропия кожной ткани на макроскопическом уровне проявляется при детектировании прошедшего света ИК диапазона спектра более явно по сравнению с видимым диапазоном спектра.
-
Впервые оценены возможности однополяроидной и кросс-поляроидной схем измерения характеристик обратно рассеянного света при исследовании анизотропных рассеивающих сред, включая биоткани.
-
Разработана новая поляриметрическая методика определения анизотропных свойств рассеивающих сред, включая биоткани, при наклонном детектировании обратно рассеянного света.
-
Впервые на основе разработанной методики исследовано влияние структурной и оптической анизотропии рассеивающих сред на состояние поляризации обратно рассеянного света видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра.
-
Разработаны новый метод и устройство поляризационного картографирования двулучепреломляющих биотканей, позволяющие адекватно характеризовать образцы с азимутальной вариацией локальной оптической оси в направлении распространения зондирующего света.
-
Впервые показано, что ряд биотканей с анизотропными элементами способны поворачивать плоскость поляризации проходящего через ткань света за счет структурной хиральности среды, при этом чаще всего поляризованное излучение распространяется через ткань в режиме квазиадиабатического отслеживания.
Практическая значимость
Результаты, полученные в результате проведенных исследований, существенно расширяют представления о поляризационных методах исследования оптической анизотропии рассеивающих сред, в том числе биотканей, что в свою очередь может иметь значение для целого ряда применений. Полученные результаты найдут практическое применение в биологии и медицине, в частности, в результате выполнения работы разработан комплекс методик для оценки морфо-функционального состояния биотканей, позволяющий получать объективную информацию о степени выраженности патологических и функциональных изменений, а также оценивать эффективность лечения.
Полученные в работе результаты использованы в учебном процессе, а также при выполнении исследований по следующим грантам:
Грант Президента РФ на поддержку ведущих научных школ (проект № НШ-25.2003.2);
Грант Министерства образования РФ (проект № 01.2003.15221);
Грант АФГИР «Научно-образовательный центр нелинейной динамики и биофизики» (проект № REC-006);
Грант Президента РФ на поддержку ведущих научных школ (проект № НШ-208.2008.2);
Грант АФГИР в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006 – 2008 гг.)» (проект № RUX0-006-SR-06/BP1M06);
НИР в рамках Тематического плана научно-исследовательских работ СГУ по заданию Федерального агентства по образованию РФ (проект № 1.4.06);
НИР в рамках Тематического плана научно-исследовательских работ СГУ по заданию Федерального агентства по образованию на 2009 – 2010 годы (проект № 1.4.09).
Достоверность результатов диссертации
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методик расчета и измерений, соответствием теоретических выводов экспериментальным данным, воспроизводимостью результатов экспериментов, а также их согласованием с экспериментальными результатами, полученными другими авторами.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
-
Способ параметризации зависимостей характеристик рассеяния, измеряемых при раздельном детектировании ко- и кросс- поляризованных компонентов рассеянного образцом света в случае нормального падения и наклонного детектирования, от азимутальной ориентации образца. При поляризационно-спектральных измерениях предложенный способ параметризации позволяет компактно характеризовать образцы с низкой симметрией оптических свойств, включая биоткани, с помощью спектров небольшого числа вращательных инвариантов.
-
Методика микроскопического поляризационного картографирования биотканей с двулучепреломляющими элементами, основанная на формировании компьютерных изображений объекта, сформированных из его изображений при различных ориентациях поляризатора и анализатора, и позволяющая исследовать анизотропные среды с азимутальной вариацией локальной оптической оси в направлении распространения зондирующего света. Методика реализована в новом приборе с автокоррекцией флуктуаций темнового тока и интенсивности источника, что обеспечивает высокую точность измерений.
-
Ряд биотканей с анизотропными элементами способны поворачивать плоскость поляризации проходящего через биоткань света за счет структурной хиральности среды, при этом чаще всего поляризованное излучение распространяется через биоткань в режиме квазиадиабатического отслеживания. В частности, это позволяет оценивать эффективную разность хода ортогонально поляризованных волн и определять локальную ориентацию оптических осей на внешних границах анизотропных участков образца.
Апробация результатов
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях:
-
Международной школе для молодых ученых и студентов по Оптике, Лазерной физике и Биофизике (Saratov Fall Meeting SFM'2004) (Саратов, 2004);
-
Международном симпозиуме “Biomedical Optics BiOS 2005» (San Jose, California, 2005);
-
Международной школе для молодых ученых и студентов по Оптике, Лазерной физике и Биофизике (Saratov Fall Meeting SFM'2006) (Саратов, 2006);
-
Всероссийской конференции «Лазеры, измерения, информация» - 2009 (Санкт-Петербург, 2009);
-
Всероссийской школе-семинаре «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине» (Саратов, 2009);
-
Международной школе для молодых ученых и студентов по Оптике, Лазерной физике и Биофизике (Saratov Fall Meeting SFM'2009) (Саратов, 2009);
и на научных семинарах в Саратовском государственном университете.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 статей, из них 2 статьи в журналах из перечня ВАК.
Личный вклад соискателя
Личный вклад соискателя заключался в участии в постановке задач, разработке алгоритмов решения задач и их реализации, проведении экспериментальных исследований, обработке и обсуждении полученных результатов.
Структура и объем работы
