Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время лазерная техника широко применяется в іазличньгх областях медицины и биологии. С помощью лазеров эффективно решаются шогочисленные залами терапии, хирургии н диагностики различных заболевании.
Огромный интерес в последнее время был проявлен к изучению свойств лазерных іучков, прошедших сквозь многократно рассеивающие случайно-неоднородные среды [О.Н.Барабаненкоп, Ю.А.Кравцов, В.Л.Кузьмин, В.П.Романов, A.Ishimaru, G.Maret, E.Wolf, ).].Pine, D.A.Weitz, A.G.Yodli, M.Tamura и многими другими). Что связано с развитием методов птической диффузионной томографии многократно рассеивающих случайно-неоднородных ред, в том числе биотканей и внутренних органов.
In vivo зондирование биотканей лазерными пучками уже находит применение в еднцине, в том числе, в задачах медицинской диагностики для определения местоположения ггухолен, визуализации гематом, определения глубины повреждений тканей при ожогах. В астоящее время в этих и смежных областях активно работают многие научные группы: .Chance, E.Gratton, S.L.Jacques, R.Alfano (США), G.MuIIer (Германия), D.T.Delpy іеликобританпя), G.Maret (Франция), R.Cubeddu (Италия), M.Tamura (Япония) и другие. В плен стране наибольший прогресс достипгут научными группами А.В.Приезжева (МГУ, Москва), Г.Б.Альтшулера (СПИТМО, г.Санкт-Петербург), Ю.Т.Мазуренко (ГОП, г.Санкт-етербург), В.В.Тучнна (СГУ, г.Саратов), А.А.Сергеева (Институт прикладной физики РАН, Н.Новгород) и некоторыми другими. Результаты этих исследований регулярно обсуждаются на )ссннскнх и международных симпозиумах, школах, семинарах и конференциях различного ювня и направленности по проблемам применения лазеров в биологии и медицине в России и рубежом (Саратов 92-96; Минск 94; San Jose 92-97; Los Angeles 89-94; Orlando 95-97 и др.). ітерес к этим проблемам объясняется практической значимостью оптических методов /нкционалыюй диагностики живых объектов.
Одним нз важных примеров развития, практического применения и дальнейшей рспектнвы использования оптических методов для решения биомеднцинскнх агностических задач является метод так называемой диффузионно-волновой спектроскопии ВС). Этот метод основан на измерении и анализе временной автокорреляционной функции укгуацнй интенсивности многократно рассеянного излучения, что несет принципиально вую информацию о движении рассенвателей в случайно-неоднородных многократно :сеивающпх средах. Используя этот метод можно фиксировать перемещение рассеивающих
частин на очень малые расстояния - до сотых долей длины волны используемого излучения X, то время, как все прочие методы чувствительны лишь к перемещениям расссивателсн и расстояния порядка X. Необходимо также отметить, что предлагаемый оптический мето, является единственным методом, позволяющим измерять скорости относительно медленных (д< 10' см/с) потоков рассеивающих частиц в условиях многократного рассеяния света в среде.
Исследования в этом направлении представляются полезными для многих областе] биофизики и медицины. Однако применение этого метода для in vivo мониторинга структурі биотканей и параметров кровотока должно быть обосновано.
Целы» настоящей работы япляется: развитие корреляционного оптического метод регистрации динамических нсоднородностсп в сильно рассеивающих средах и применена этого метода для неннвазншюго мониторинга средней скорости кровотока в мышечных тканя; п коже человека н животных.
Задачи, решаемые в работе:
-
Исследование процесса распространения лазерного излучения в мутных силык рассеивающих средах, содержащих динамические макронеоднородности с размерамі существенно превышающими длину волны зондирующего излучения.
-
Изучение закономерностей изменения временной автокорреляционной функции пол; многократно рассеянного излучения в зависимости от изменения динамических характернстш исследуемого объекта (концентрации рассеивателей, средней скорости потока, длннь когерентности зондирующего лазера, длины волны и др.).
3. Разработка экспериментальной установки и неннвазнвного метода мониторинг:
динамических нсодиородиостей в сильно рассеивающих средах.
-
Исследование влияния условий детектирования н обработки данных на отношение сигнал-шум при вычислении автокорреляционной функции поля н возможности его увеличения.
-
Визуализация изображения динамической неоднородности из экспериментально получепиыл автокорреляционных функции поля рассеянного излучения.
6. Апробация установки и метода измерений в различных модельных экспериментах и і
экспериментах с живыми объектами, в том числе и с учетом физиологического состоянш
исследуемого обьекта.
Научная новизна. Впервые показано, что по изменению фрагменте: автокорреляционной функции флуктуации интенсивности и поля днффузнонно-отражеиногс многократно рассеянного лазерного излучения можно характеризовать средшою скорость
ровотока in vivo с учетом регистрируемого физиологическою состояния исследуемого объекта. Іоказано, что экспериментальный метод чувствителен также к изменению статических іараметров среды: коэффициентов рассеяния и поглощения исследуемой ткани (in vivo).
Создана экспериментальная установка для in vivo измерений средней скорости ровотока, а также различных потоков жидкости с взвешенными в ней частицами. Разработано ппаратное и методическое обеспечение, позволяющее неинвазивно характеризовать среднюю корость и физиологическое состояние кровотока.
Разработан метод, позволяющий восстанавливать изображение динамической еоднородности из набора последовательно измеренных автокорреляционных функций поля, азработано аппаратное и программное обеспечение, позволяющее осуществлять мониторинг инамических неоднородностей, находящихся внутри многократно рассеивающей среды.
Показана и реализована возможность увеличешгя отношения сигнал-шум при цновременном уменьшении времени измерения и мощности зондирующего излучешгя путем спользования специальных приемов освещения исследуемого образца.
Достоверность научных результатов. Достоверность полученных результатов эдтверждается воспроизводимостью экспериментальных результатов, их корреляцией с :гистрируемыми физиологическими процессами, соответствием результатов численного оделирования и физического эксперимента, а также соответствием результатам, полученных тугими исследователями.
На защиту выносятся следующие положения и результаты: Анализ фрагментов временной автокорреляционной функции поля многократно рассеянного лазерного излучения для временных задержек малой длительности позволяет: - исследовать и визуализировать поток частиц локализованный в случайно-неоднородной многократно рассеивающей среде, включая кровоток в экспериментах с живыми объектами; - оценивать статический коэффициент рассеяния исследуемой среды.
Доказательство перспективности метода для in vivo измерений средней скорости кровотока с учетом физиологического состояния кровотока.
Разработанные и апробированные оригинальные схемы ввода лазерного излучения в исследуемую среду, позволяющие уменьшить мощность падающего излучения и время измерения.
Апробация метода измерений и экспериментальной установки в различных модельных экспериментах и в экспериментах с живыми объектами, включая человека.
Практическая значимость результатов работы: Создана установка и разработан методика in vivo измерений и мониторинга средней скорости кровотока в диапазоне до 20 см/с мышцах и коже человека. Разработано и апробировано аппаратное и методическое обеспечени для in vivo измерений средней скорости кровотока в больших и малых сосудах, сети капилляро в мышцах и коже, опухолях и других биологических тканях, что необходимо для обоснованны: оценок кровотока в живой ткани, развития экспериментальных неинвазшшых методо измерения скоростей различных биопотоков, для получения информации в интереса: фундаментальной медицины и физиологии.
Показана практическая возможность восстановления изображения динамическоі неоднородности, находящейся внутри многократно рассеивающей среды.
Полученные в данной работе результаты используются при выполнении совместной международного гранта: «The Development of a Non-invasive Speckle Technique for Monitoring an< Quantifying of Tissue Structure and Blood Flow» в соответствии с совместной Росснйско Американской научно-технической программой: The U.S. Civilian Research and Developmen Foundation For the Independent States of the Former Soviet Union (CRDF) между Саратовскм-государственным университетом и университетом Пенсильвании, США; гранта "Научные школы; НИР "Бнолазер".
Апробация работы. Основные результаты неоднократно докладывались и обсуждалнеї на следующих международных и отечественных научных конференциях: International Symposium on Biomedical Optics, Europe'93, (Budapest, Hungary, 1993); The Internationa! Symposium on Biomedical Optics, Europe'94, (Lille, France, 1994); 5th International Conference or Laser Application in Life Sciences, (Минск, Белоруссия, 1994); European Biomedical Optics Week, BiOS Europe'95, (Barcelona, Spain, 1995); Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics Topical Meeting, (Orlando, Florida, USA, 1996); Nonlinear Dynamics and Chaos. Application in Physics, Biology and Medicine, ICND-96, (Саратов, Россия, 1996), VI Всероссийская конференция Оптические методы диагностики потоков (Москва, Россия, 1997).
Кроме того, материалы диссертации обсуждались на научных семинарах: кафедры оптики физического факультета Саратовского государственного университета; Лаборатории лазерной диагностики технических и живых систем в Институте проблем точной механики и управления РАН; факультета биохимии и биофизики Пенсильванского университета; факультета физики и астрономии Пенсильванского университета; Электро-Оптического Технологического Центра Тафтского университета.
По теме диссертации в центральной печати опубликовано 23 работы (11 статей и 12 езисов докладов на научных конференциях).
Личный вклад соискателя. Все результаты, включенные и изложенные в нссертационной работе, получены автором самостоятельно. Постановка задач исследований существлялась научным руководителем академиком РАЕН, профессором, д.ф.-м.н. Тучиным .В. и профессором Б.Чансом (университет Пенсильвания, США).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, имеющих одразделы, заключения и списка цитированной литературы из 270 наименований. Диссертация зложена на 136 страницах машинописного текста и иллюстрирована 45 рисунками.