Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы и подходы в оптической неинвазивной ди агностике в медицине в период начала работ над диссертацией стр. 21
1.1 Общие принципы и подходы в использовании оптического излучения в диагностике биологических тканей и сред стр. 24
1.2 Экспериментальные методы клинической биофотометрии стр. 30
1.3 Методы оптической плетизмографии и нульсоксиметрии стр. 38
1.4 Лазерная флюоресцентная диагностика в медицине стр. 50
1.5 Лазерная доплеровская флоуметрия стр. 58
1.6 Прочие экспериментальные методы стр. 64
1.7 Теоретическое описание распространения оптического излучения в биологических тканях и средах стр. 65
1.8 Несколько дополнений по поводу последних публикаций стр. 82
1.9 Анализ представленного материала и выводы к главе 1 стр. 86
ГЛАВА 2. Развитие методов теоретического моделировния оптических полей в биологических тканях и срдах применительно к задачам неинвазивной медцинской спектрофотометрии стр.94
2.1 Некоторые предварительные замечания стр. 96
2.2 Развитие метода моментов для решения уравнения переноса излучения в слоисто-неоднородных средах стр. 100
2.3 Формулировка основной модели сравнения стр. 109
2.4 Анализ и модификация 2-х потоковой модели Кубелки-Мунка стр. 121
2.5 Учет явлений флюоресценции в теории переноса стр. 134
2.6 Развитие модели Кубелки-Мунка на случай многомерных задач рассеяния... стр. 139
2.7 Дифракция излучения на поверхности шероховатого їздеального проводника стр. 147
2.8 Связь между базовыми электродинамическими и фотометрическими понятиями в задачах дифракции и теории переноса стр. 157
2.9 Моделирование эталонного ламбертовского отражателя стр. 165
2.10 Импедансные граничные условия и сопряжение задачи дифракции с задачами теории переноса стр. 170
2.11 Экспериментальное подтверждение корректности выбранных расчетных
моделей исхем стр. 178
2.12 Выводы к главе 2 стр. 189
ГЛАВА 3. Разработка базовых принципов органзации программных средств обработки данных и исследование вопросов метрологии диапюстческих систем стр. 192
3.1 Базовые принципы организации программного обеспечения многофункциональных диагностических приборов и комплексов стр. 193
3.2 Вариант практической реализации многоуровневого программного обеспечения на примере анализатора «СПЕКТРОТЕСТ» стр. 204
3.3 Вопросы метрологии неинвазивной спектрофотометрии стр. 211
3.4 Исследование приборных и методических погрешностей диагностики стр. 216
3.5 Разработка образцовых эталонов сравнения и калибровки стр. 230
3.6 Общие вопросы обработки и представления результатов диагностики., стр. 234
3.7 Выводы к главе 3 стр. 240
ГЛАВА 4. Разработка аппаратных средств многофункцио нальных неинвазивных спектрофотометрических диагно стических приборов и систем стр.242
4.1 Малогабаритный шаровой биофотометр «Белка-МТ» стр. 243
4.2 Биофотометр со светорассеивающим интегратором стр. 251
4.3 Универсальный лазерный фотоилетизмограф стр. 258
4.4 Спектрофотометрический анализатор «СПЕКТРОТЕСТ» стр. 264
4.5 Многофункциональный диагностический комплекс «ЛАЗДИКОМ» стр. 273
4.6 Другие сопутствующие приборы и устройства стр. 283
4.7 Общий системный подход к проектированию приборов для неинвазивной спектрофотометрии стр. 293
4.8 Выводы к главе 4 стр. 298
ГЛАВА 5. Экспериментально-клинические исследования. разработка практических методик диагностики стр. 299
5.1 Мониторинговая биофотометрия и исследования параметров отражения . стр. 300
5.2 Неинвазивная спектрофотометрия в лечении эрозивно-язвенных дефектов верхних отделов желудочно-кишечного тракта стр. 307
5.3 Флюоресцентная диагностика в лечении злокачественных опухолей кожи и слизистых оболочек орофарингеальной зоны стр. 322
5.4 Мониторинговая оксиметрия в лучевой терапии рака кожи и слизистых оболочек орофарингеальной зоны стр. 337
5.5 Спектрофотометрическая диагностика в оценке кожной микроциркуляции крови при нарушенном кровообращении конечностей стр. 345
5.6 Некоторые другие фрагментарные исследования стр. 365
5.7 Выводы к главе 5 стр- 369
Заключение стр.371
Литература
- Экспериментальные методы клинической биофотометрии
- Развитие метода моментов для решения уравнения переноса излучения в слоисто-неоднородных средах
- Вариант практической реализации многоуровневого программного обеспечения на примере анализатора «СПЕКТРОТЕСТ»
- Неинвазивная спектрофотометрия в лечении эрозивно-язвенных дефектов верхних отделов желудочно-кишечного тракта
Введение к работе
Актуальность темы. Анализ современных тенденций развития новейших методов диагностики и лечения в медицине показывает, что в подавляющем большинстве случаев на первое место сегодня выходят сложные и наукоемкие технологии, минимизирующие инвазивность, химические, лучевые и другие физиологически и психологически нежелательные воздействия на организм пациента. Параллельно прослеживается отчетливая тенденция повышения эффективности методов оказания медицинской помощи за счет использования преимуществ современной микроэлектроники, оптики, лазерной техники, компьютеров и т.д. [50 и др.]. Кроме того, увеличение численности и заболеваемости населения во всем мире увеличивает нагрузку на медицинский персонал клиник и выдвигает на первое место медицинские технологии, обладающие максимальным эффектом при минимальном затрате времени.
С другой стороны, во многих областях медицины качество оказываемой населению помощи остается еще явно недостаточным. Труднейшей задачей современной медицины является онкология, где очень высока смертность больных как вследствие часто позднего обнаружения заболевания, так и вследствие недостаточной эффективности существующих методов, например, лучевого лечения. В лучевой терапии есть проблемы надежного индивидуального нропюза ее результатов, слабо развиты методы экспресс-анализа индивидуальной восприимчивости пациента к выбираемым схемам радиосенсибилизации опухолей и т.п. [85, 88, 223]. Одной из не менее противоречивых и сложных проблем клинической медицины остается язвенная болезнь желудка и 12-перстной кишки. Не до конца остаются ясными причины и механизмы протекания длительной язвенной болезни, плохо развиты методы ее лечения. Значительные трудности возникают при диагностике начальных стадий рака, развивающегося на фоне торпидного течения эрозивно-язвенного процесса [240, 259]. Много вопросов остается без ответа в диагностике и лечении расстройств периферического кровообращения и заболеваний сердечно-сосудистой системы, особенно при их развитии вследствие действия вредных производственных факторов [66], что часто приводит к инвалидизации населения. Поэтому клиницисты многих стран мира вынуждены искать новые и более эффективные методы оказания медицинской помощи, в том числе методы, потенциально пригодные для ранней и экспресс-диагностики указанных заболеваний, объективизации и прогноза эффективности проводимых пациентам лечебных процедур и т.н.
Всем этим требованиям, в полной мере, могут отвечать новейшие неинвазив-ные (неразрушающие, in vivo, in situ) оптические методы диагностики, которые стали появляться в последние 10-15 лет во многих ведущих странах мира, включая Россию [234, 248, 255, 303 и др.]. Их преимущества для медицины очевидны: отсутствие вредных ионизирующих излучений и медикаментозного воздействия на организм пациента, отсутствие противопоказаний у большинства пациентов, асептичность, относительно низкая стоимость, реальный масштаб времени и т.д. Поэтому во всем мире оптической неинвазивной диагностике (ОНД) уделяется сегодня пристальное внимание. Существует даже явная тенденция в последние годы выделения научных исследований по оптическим свойствам биологических тканей и органов и клиническим аспектам оптических и лазерных методов диагностики и лечения в отдельное научное направление - направление по биологической оптике [303, 335, 336].
Исторически, научные исследования по биологической оптике берут свое начало с работ основателей фотометрии - Бугера и Ламберта (P.Bouguer 1740г. [42], J.Lambert 1750г. [400]). В течение XIX века на основе разработанного ими фотометрического подхода был накоплен достаточно большой экспериментальный материал, связанный с изучением зрительного восприятия света и цвета человеком (H.Helmholtz [10], Майзель [177] и др.) и оценкой в эффективных световых величинах (приведенных к спектральной чувствительности глаза) закономерностей распространения и отражения света для различных материалов и сред [193]. Первые пробные оптические методы исследования биологических тканей непосредственно в клиниках для целей медицины стали появляться в начале XX века, когда удалось разработать принципы оптической денситометрии, фотоплетизмографии и флюоресцентной диагностики [201, 327, 340, 365, 369, 383, 426, 462 и др.]. С начала 60-х годов XX века стал вновь проявляться повышенный интерес к фундаментальным оптическим свойствам мягких биологических тканей и жидкостей, особенно кожных покровов и крови, в связи с появлением лазерной медицины [24, 139, 159, 221, 235, 236, 318, 357-358 и др.]. В первую очередь здесь можно выделить клинические исследования биофотометрических параметров тканей и органов для нужд лазерной физиотерапии и хирургии [5-7, 90-92 и др.] и исследования по флюоресцентной диагностике с использованием внешних (экзогенных) фотосенсибилизаторов [156, 327, 335, 336, 402, 423, 462 и др.] для целей фотодинамической терапии в онкологии. Много работ в последнее время встречается по проблемам неинвазивной оксигемометрии, т.е. опреде-
6 лению по спектрам поглощения уровня концентрации кислорода в крови и тканях [335, 336, 430, 461], по проблемам оценки параметров кровотока и сердечнососудистой системы методами лазерной доплеровской флоуметрии [138, 449 и др.], по инфракрасной визуализации внутренних органов (диафаноскопии) [49, 344] и лазерной когерентной и диффузионной томографии [164, 220, 274, 294, 295, 445].
В процессе всех этих исследований отчетливо проявилось то, что разные биологические ткани обладают разными спектральными оптическими свойствами. И не только в зависимости от длины волны и других физических характеристик используемого оптического излучения, но также и от наличия или отсутствия в тканях различных патологических, деструктивно-воспалительных или раневых процессов, индивидуальных пигментных свойств тканей, особенностей обменных процессов в тканях, параметров кровообращения, лимфатического дренажа, кислотно-щелочного баланса и т.д., т.е. - от индивидуального для каждого пациента функционального, физиологического и патофизиологического состояния тканей, органов и систем организма. Это дало повод задуматься над общей проблемой становления нового и многопрофильного диагностического направления на основе прижизненного (in vivo) анализа оптических свойств биотканей.
Однако, непосредственное использование указанных методов ОНД в реальной клинической практике к моменту начала работ по данной диссертации1, за исключением, быть может, методов оптической плетизмографии (фотоплетизмографии [201]) и пульсоксиметрии, было весьма редким, если не сказать экзотическим, и носило характер первых пробных и поисковых научных исследований в крупных медицинских и научных центрах мира. Работы по отдельным направлениям оптической, а затем и лазерной диагностики развивались независимо друг от друга, подчиняясь логике создания, скорее, отдельных, узкоспещгализированных методов и приборов, нежели общей идее внедрения ОНД, как единого диагностического направления, в практическую медицину. Непонятным оставались вопросы: насколько эффективными могут быть эти методы в практическом плане и какую область диагностики по принятой в медицине классификации они потенциально охватывают (дифференциальную, функциональную)? Как широко и в каких разделах медицины могут применяться? Как связаны между собой? Имеют ли общий методологический базис или разные
1 Примерно - начало 1990-х годов
методы ОНД принципиально реализуют разные диагностические технологии и имеют разный предмет исследования? Какие общие, системные, функциональные и медико-технические требования (МТТ) необходимо предъявлять к оборудованию для ОНД? Можно ли унифицировать МТТ и процедуры анализа и обработки диагностической информации для приборов ОНД? И т.д.
Детальный анализ литературы по всем этим вопросам на начальном этапе работ показал, что все перечисленные выше оптические и лазерігьіе методы исследования страдают отсутствием общего системного подхода к проблеме, частым взаимным несоответствием результатов диагностики для разных методов и приборов (например, [208]). Прослеживается явно фрагмеїггарньїй, прикладной и, в основном, экспериментальный характер исследований. Для разных методов диагностики используется разная методологическая база и терминология. Не развит междисциплинарный, комплексный (биотехнический [37, 172]) подход к исследованиям. В публикациях путаются понятия рассеяния и отражения, плотности мощности и интенсивности излучения. Например, под понятием отраженный поток часто подразумевается и поток света, рассеянный тканью в обратном направлении [5, 24 и др.]. А это, в свою очередь, является уже следствием отсутствия единого теоретического подхода к задачам ОНД в медицине. Подхода, который бы опирался на хорошие физико-математические модели, позволяющие, взглянуть на измерительный процесс в ОНД с точки зрения физики явлений и с учетом всех его основных количественных параметров и фундаментальных физических закономерностей. Остаются недостаточно изученными закономерности изменения оптических свойств тканей для конкретных нозологических форм заболеваний. Практически не разработаны методы анализа и обработки результатов диагностики, дающие необходимую медико-биологическую, а не физическую информацию (большинство существующих сегодня приборов определяют не очень понятные для врача коэффициенты отражения, интенсивности флюоресценции и т.п. [5, 31, 90, 169, 171, 212], не устанавливая однозначной связи этих параметров с медицинскими показателями). Да и сами диагностические приборы в ОНД, по сути, представляют собой чаще не специализированное медицинское оборудование, а обычное физическое лабораторное оборудование (фотометры, мо-нохроматоры и т.п.), которое не всегда имеет желаемую эффективность в клинике. Теоретические основы проектирования, моделирования, метрологической аттестации и поверки таких приборов находятся пока в зачаточном состоянии. Отсутствуют
8 научно обоснованные подходы, позволяющие грамотно задавать конкретные МТТ к параметрам диагностической аппаратуры на этапе ее проектирования.
Недостаточное развитие прослеживается и в области чисто теоретических исследований по изучению закономерностей распространения низконнтенсивного оптического и лазерного излучения в биолопіческих тканях и средах применительно к задачам ОНД. Во-первых, в литературе отсутствуют какие-либо обоснованные рекомендации по вопросу, какие именно оптические параметры биотканей необходимо регистрировать при диагностике. Это могут быть индикатрисы, коэффициенты отражения, коэффициенты яркости или сечения рассеяния. Они могут быть интегральные, спектральные, нормальные, полусферические и т.д. [25, 191], и современные методы физического эксперимента позволяют регистрировать практически любые из них. Вопрос в том, какие из перечисленных параметров наиболее информативны с точки зрения медицинских приложений? Во-вторых, сама классическая фотометрия [58, 112, 193 и др.], на которой базировались первые работы по биологической оптике и продолжает базироваться основная масса современных исследовашш по ОНД, на самом деле, представляет собой достаточно узкую и обособленную область знаний, опирающуюся на тривиальный теоретический формализм Бугера-Ламберта-Бэра. Хотя с начала XX века фотометрические представления и получили определенное развитие в віще теории рассеяния и переноса излучения в случайно-неоднородных средах [3, 12, 14, 16, 32, 104, 111, 117, 195, 203, 281, 314 и др.], многие теоретические вопросы по расчету поля излучения в биологических тканях и средах остаются пока без ответа. Теория переноса (ТП) позволяет сегодня находить приемлемые замкнутые (аналитические) решения лишь для очень узкого круга простых или идеализированных случаев. Большинство же реальных задач сегодня можно решить только на основе различных упрощающих приближений, обладающих не очень высокой точностью, или численно, что лишает решение наглядности и возможности его подробного анализа. Например [117], наиболее часто используемое в ТП диффузионное приближение обладает большими погрешностями вблизи границы среды. Малоугловое приближение, часто используемое в лазерной локации, слабо применимо к таким плотноупакованным средам, как биоткани. И так далее. Слабо обоснована связь ТП с другими разделами физики и другими методами в теории рассеяния, например, с потоковыми моделями Кубелки-Мунка. И это тем более удивительно, если учесть, что параллельно существуют очень мощные и хорошо себя зарекомен-
9 довавшие методы электродинамики, описывающие, в принципе, те же самые физические процессы [266-267, 292 и др.]. Следовательно, актуальной и сопряженной к задаче исследования приборных и прикладных аспектов ОНД в медицине является более фундаментальная задача развития теоретических методов фотометрии и ТП излучения в светорассеивающих биологических тканях и средах.
Поэтому следующий и очевидный этап исследований в этой области должен быть связан с комплексным, системным и объединяющим взглядом на проблемы оптической и лазерной неинвазивной диагностики в медицине и медицинском приборостроении. Как с точки зрения экспериментального изучения возможностей всех упомянутых выше диагностических методов в различных областях медицины, их общих биофизических и биотехнических принципов, недостатков, точностных характеристик и т.п., так и с точки зрения развития общих теоретических основ функционирования и создания специализированного диагностического оборудования, в том числе, по возможности, сочетано реализующего преимущества разных диагностических методов ОНД и объединяющего все родственные диагностические методы в единую диагностическую технологию более высокого уровня.
Ключевым элементом такого подхода должно стать создание и исследование новых и более эффективных физико-математических теоретических моделей, с одной стороны, учитывающих сложные эффекты при распространении оптического излучения в биотканях (дифракции, рассеяния на неоднородностях среды, флюоресценции), а, с другой стороны, позволяющих получать решения в явном виде (в аналитической форме). Это сделало бы более обоснованной процедуру выработки конкретных МТТ к параметрам диагностической аппаратуры. Позволило бы более детально исследовать и обосновать методы и принципы практического использования оптического излучения в качестве диагностического. Исследовать информативность разных методов сбора, обработки и анализа диагностической информации и разработать алгоритмы и программы обработки совокупных диагностических данных ОНД, которые будут давать значимую и необходимую для врача именно медико-биологическую информацию, взаимно скоррелируют результаты разных методов ОНД, уменьшат ошибки и повысят общую информативность диагностики.
В случае успешного решения указанных экспериментально-теоретических задач и создания на этой основе обоснованного аналитического фундамента для разработки новых диагностических приборов и технологий, можно было бы перейти к
этапу разработки, создания и внедрения в производство и практическое здравоохранение новых, многопрофильных методов и приборов ОНД, научно обоснованных уже не только по своему функциональному и целевому назначению, но и по составу всех основных узлов и блоков, их конкретным техническим параметрам, метрологическому и программному обеспечению и т.д. Л в случае подтверждения общности предмета исследования для большинства методов ОНД, разработки единых теоретических подходов, алгоритмов и моделей для такой диагностики и параллельного подтверждения потребностей медицины в этих методах и их высокой клюшко-диагностической эффективности в различных областях медицины можно было бы говорить не просто о создании нового класса приборов и устройств для практической медицины. Комплексное решение указанных проблем, разработка общих, системных основ функционирования нового, эффективного и многопрофильного диагностического оборудования для ОНД позволили бы, в совокупности, говорить о качественном переходе от отдельных, разрозненных исследовательских диагностических приборов, методов и программ в ОНД к созданию полноценного нового и многопрофильного диагностического направления в медицине, равного по широте своего потенциала таким многопрофильным методам как флюорография, рентгеновская диагностика, УЗИ и т.п.
Все вышеизложенное подтверждает актуальность и большую практическую значимость комплексного экспериментально-теоретического и междисциплинарного подхода к тематике исследований по ОНД в медицине и медицинском приборостроении и позволяет сформулировать цель данного конкретного исследования.
Цель работы: обоснование перспектив и развитие нового диагностического направления в медицине и медицинском приборостроении на основе исследования, разработки и внедрения в производство и практическое здравоохранение новых многофункциональных методов и приборов неинвазивной оптической (снектрофотомет-рической) диагностики.
Задачи и этапы исследования. Общая цель диссертационной работы и анализ ситуации в ОНД в медицине и медицинском приборостроении на момент начала работ по диссертации определили основные задачи и этапы исследования:
1. Систематизация и анализ доступных литературных данных по разным методам ОНД в медицине с целью изучения общих методологических основ этих методов,
определения наиболее существенных достижений и проблем в этой области, особенно проблем инженерно-технического плана при проектировании и создании диагностических приборов и устройств, физико-математических проблем теоретического моделирования и прогнозируемости достигаемых результатов в ОНД, а также проблем медицинской информативности и интерпретации получаемых результатов.
2. Исследование и развитие методов теоретического моделирования распростра
нения низкоинтенсивного оптического излучения в биологических тканях и средах
на основе теории переноса и рассеяния света в мутных средах, а также теории ди
фракции электромагнитных волн на шероховатых поверхностях применительно к
задачам неинвазивной спектрофотометрии с целью получения адекватных и анали
тически анализируемых теоретических моделей, позволяющих более детально изу
чать влияние оптических свойств среды на конечный диагностический результат в
ОНД. Среди отдельных подзадач этого раздела исследований в ходе работ были по
ставлены и решены следующие частные задачи по:
развитию метода моментов в классической ТП на общий случай слоисто-неоднородных и флюоресцирующих биологических тканей и сред,
модификации подхода Кубелки-Мунка в оптике светорассеиваюицих сред и оценке его применимости в биологической оптике,
разработке простых аналитических подходов к постановке многомерных задач ТП и рассеяния света в мутных средах,
формулировке граничных условий для задач ТП на основе теории дифракции электромагнитных волн на статистически неровной поверхности,
исследованию поведения решений модельных теоретических задач в зависимости от выбора тех или иных параметров среды и формулировке на этой основе обоснованных рекомендаций по методикам диагностики и их аппаратной реализации
Разработка новых многофункциональных приборов и устройств для ОНД, в том числе сочетано реализующих разные диапюстические методы. Исследование путей стандартизации медико-технических требований к ним, обоснование необходимого состава их функциональных узлов и блоков.
Разработка научно-обоснованных требований к программным средствам обработки и анализа диагностической информации для систем ОНД, исследование вопросов метрологии систем ОНД.
Экспериментально-клинические исследования информативности разных методов ОНД в разных разделах медицины и разработка общих подходов к получению значимой медицинской информащш с использованием этих методов. Разработка и внедрение в практику здравоохранения по результатам исследований новых практических методик ОНД для различных областей медицины.
12 Материалы и методы. В соответствии с поставленными задачами в данной работе использовался комплексный и междисциплинарный подход к проблеме, включающий в себя:
методы физического эксперимента при экспериментальной тестовой проверке разработанных теоретических моделей на образцах светорассеивающих материалов и биологических тканей,
методы экспериментально-клинических исследований эффективности ОНД в условиях больничного стационара (МОНИКИ),
теоретические методы физико-математического моделирования процесса распространения низкоинтенсивного оптического излучения в биологических тканях и средах;
статистические методы анализа и обработки результатов диагностики, методы объектно-ориентированного компьютерного программирования,
инженерные методы проектирования и создания медицинских оптико-электронных приборов и приборов лазерной техники
В теоретическом плане использовались различные методы и подходы теоретической фотометрии и сиектрофотометрии, теории переноса и рассеяния света в мутных и неоднородных средах, методы теории дифракции электромагнитных волн на неоднородностях границ раздела сред, методы теории вероятности, математической статистики и статистической физики. В плане используемого оборудования на этапе клинических экспериментальных исследований были задействованы имеющиеся в распоряжении МОНИКИ биофотометры «Уник» и «Белка-МТ», лазерный клинический спектроанализатор «ЛЭСА» (базовая конструкция группы Лощенова В.Б.), лазерный доплеровский анализатор кровотока «ЛАКК-01», пульсовой оксиметр «ОКСИПУЛЬС-01» (все приборы разрешены для применения в медицине), многофункциональный диагностический комплекс «ЛАЗДИКОМ», анализатор объемного кровенаполнения тканей «СПЕКТРОТЕСТ», а также различное специальное медицинское оборудование и экспериментальные оптические стенды, в том числе авторской конструкции. При оценке эффективности лечебно-диагностических мероприятий использовались комплексные статистические данные клинических наблюдешіи пациентов, находящихся под контролем медицинского персонала МОНИКИ. Часть результатов и выводов диссертации получены методом систематизации и обобщения имеющихся литературных данных, обобщением результатов исследований студентов и аспирантов, работавших под непосредственным руководством автора диссертации, а также эктраполяцией полученных результатов на дальнейшие прикладные и перспективные задачи и исследования в этой области.
13 Связь с государственными программами и НИР.
Перспективность оптических и лазерных методов в медицине неоднократно рассматривалась на заседаниях специализированных отделений АМН СССР, РАМН и МЗ СССР и РФ. Так, решением №22 от 04.07.1991г. Научный Совет АМН СССР «Лазерная медицина, хирургия и лазерная медицинская техника», созданный в 1988г. решением №189 на заседании Бюро отделения клинической медицины АМН, отдельно отметил актуальность фундаментальных разработок по лазерной медицине, биофотометрии и другим направлениям использования лазеров и оптического излучения в медицинской диагностике [243].
На первых этапах работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с инициативными внутренними планами научно-исследовательских работ МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского и Московского государственного института электроники и математики (Технический университет, «МГИЭМ»). Начиная с 1994гг. данная тематика поддержана тематическими планами Министерства Здравоохранения РФ (МЗ РФ) и часть работ была выполнена в рамках договоров МЗ РФ и МОНИКИ на НИР:
Разработка лечебно-диагностической эндоскопии методом спектрофотометрии у больных с эрозивно-язвеннои патологией верхнего отдела желудочно-кишечного тракта на основе использования экзо- и эндопорфиринов и лазерного излучения (Завершен в 1998г, № Госрегистрации 01.9.70 007053)
Повышение эффективности лучевой терапии местнораспространенных форм злокачественных опухолей основных локализаций за счет разработки и внедрения в практику новых методик лучевой терапии на основе применения радиомодификаторов, нетрадиционных схем фракционирования дозы, показателей оксигенации и пролиферативной активности опухолей (завершен в 2000г, № Госрегистрации 01 9.70 007046)
Отдельные фрагменты работы были отработаны в рамках научных грантов Сороса (NAB000, 1994г.), РФФИ (N96-02-17639) и гранта ФЦП «Интеграция» (2000г). С конца 2000г. работы по созданию и подготовке серийного производства многофункционального лазерного диагностического комплекса «Марта» (более позднее название «ЛАЗДИКОМ») были включены в планы ведущего государственного предприятия по лазерной технике - ФГУП НИИ «ПОЛЮС» - и поддержаны международным грантом МНТЦ (проект №1001), в котором автор диссертации является научным руководителем всего проекта.
Научная новизна. Научная новизна работы определяется совокупностью полученных в диссертации результатов экспериментальных и теоретических исследо-
ваний и новыми разработанными многофункциональными методами и приборами неинвазивной спектрофотометричеекой диагностики для медицины. В работе впервые сформулирован единый для большинства методов ОНД предмет исследования в медицине - прижизненный биохимический и морфологический состав мягких и твердых тканей, органов и жидкостей организма, в том числе относительные, количественные и динамические параметры биохимии тканей. Показана общность различных методов ОНД в медицине, сформулированы основополагающие принципы диагностики (принцип косвенности измерений, принцип реализации метода решения обратных задач оптики и т.д.) и указано на реальную потребность и перспективу объединения всех родственных и разрозненных сегодня методов ОНД в единое, новое и многопрофильное диагностическое направление в медицине.
В теоретическом плане в работе получены новые решения ряда важных модельных задач ТП и рассеяния света в мутных средах, описывающих основные физические явления при реализации диагностики, а именно:
показана возможность развития метода моментов в классической ТП на случай слоисто-неоднородных и флюоресцирующих биологических тканей и сред,
исследована применимость одномерных расчетных моделей Кубелки-Мунка в задачах ОНД и предложены пути развития модели Кубелки-Мунка, позволяющие получать точные аналитические решения прямых модельных задач,
разработаны новые аналитические подходы к постановке и решению многомерных задач теории рассеяния и распространения света в мутных средах,
сформулированы положения о целесообразности и возможности постановки граничных условий задач ТП на основе теории дифракции электромагнитных волн на статистически неровной поверхности,
проведен сравнительный анализ основных понятий фотометрии, электродинамики и ТП с целью объединения понятийного базиса этих разделов физики и создания условий для сопряжения задач фотометрии, ТП и краевых задач дифракции излучения на границе раздела сред,
получено замкнутое аналитическое решение для углового рассеяния излучения, проникающего внутрь среды через шероховатую дголектрическую границу.
Впервые с единых методических позиций в пределах одной многопрофильной клиники проведены широкие экспериментально-клинические исследования по изучению эффективности и информативности разных методов ОНД в различных областях медицины - онкологии, дерматологии, радиологии, гастроэнтерологии, профна-тологии и др. Исследован ряд вопросов метрологии (случайных и методических по-
15 грешностсй диагностики), возникающих при практическом использовании методов и приборов ОНД в клинике. Выяснено, что при использовании ОНД увеличивается количество источников возникновения погрешностей, что связано с особенностями объекта исследования, как живой, сложной и динамически изменчивой системы.
По совокупности полученных в диссертации результатов впервые сформулирован подход к наиболее перспективному направлению развития аппаратного оснащения ОНД в части разработки и создания многофункциональных диагностических комплексов и систем, основанных на реализации принципа решения обратных задач оптики светорассеивающих сред и объединении всех родственных спектрофотомет-рических методов ОНД в единую диагностическую технологию. Предложен и обоснован принцип многоуровневого представления и обработки информации в проблемно-ориентированном (системном) программном обеспечении таких приборов и устройств. Разработан и обоснован общий системный подход к проектированию многофункциональных приборов и устройств неинвазивной сиектрофотометрии. Сформулирована единая система специализированных МТТ к ним.
Новизна предложенных новых способов диагностики и конструктивных решений для большинства разработанных приборов и устройств ОНД подтверждается полученными 12-ю патентами на изобретения и одним государственным свидетельством на полезную модель. Научная новизна экспериментальных и теоретіпіеских исследований по теме диссертации косвенно подтверждается также и поддержкой фрагментов работ ведущими российскими и зарубежными научными грантами.
Достоверность полученных результатов. В части формулировки математических моделей и разработки алгоритмов решения модельных теоретических задач достоверность подхода автора определяется строгим формализмом используемых классических физико-математических методов и подтверждается тем, что при сравнении теоретических и экспериментальных результатов диссертации между собой, а также с отдельными фрагментами, известными из литературы, обнаруживается достаточно хорошее совпадение. В части практических результатов диссертащюннои работы по созданию конструкции диагностических устройств, разработке методик диагностики и проведению научно-исследовательских лечебно-диагностических мероприятий на базе различных отделений МОНИКИ достоверность полученных результатов подтверждена многочисленными клиническими наблюдениями и высоким
16 качеством оказанной на этой основе медицинской помощи более 500 реальным пациентам МОНИКИ. В последнее время правомерность общей идеологии автора по универсализации и объединению различных неинвазивных лазерных и оптических методов диагностики в единое диагностическое направление подтверждается независимыми публикациями ряда других российских и зарубежных авторов.
Практическое значение. Результаты диссертационной работы имеют непосредственное большое практическое значение для развития соответствующей области медицины и медицинского приборостроения. Так, практическая значимость многофункциональных лазерных диагностических комплексов в 1999г. подтверждена Комитетом по новой медицинской технике (КНМТ) при МЗ РФ, когда по совместной заявке МОНИКИ-ПОЛЮС, базирующейся на работах автора диссертации, было принято решение (протокол КНМТ №4 от 05.11.99г.) о целесообразности разработки и серийного производства на ФГУП НИИ «ПОЛЮС» лазерного многофункционального диагностического комплекса «МАРТА». Часть методик диагностики, разработанных при участии автора [1, 261, 264], прошли утверждение в МЗ РФ в качестве официальных методических рекомендаций для практикующих врачей страны. Большинство разработанных приборов внедрено в производство. Помимо указанного комплекса «ЛАЗДИКОМ», внедренного на ФГУП НИИ «ПОЛЮС», при участии автора в ОКБ Тульского машиностроительного завода («ТУЛАМАШЗАВОД») в 1996г. был создан автоматизированный лазерный дозиметр "ЛАДИН" (сертификат Госстандарта №2662/1), а в 1997г. на НП МТЛО «ВОЛНА» лечебно-диагностический лазерный аппарат «Очки профессора О.П. Панкова» (протокол КНМТ МЗ РФ №6 от 11.09.97г.). С июля 2003г. работы по подготовке и организации серийного производства сиектрофотометрического анализатора «СПЕКТРОТЕСТ» начало ФГУП «НПП «Циклон-Тест»». Предложенные в диссертации подходы к унификации МТТ, проектированию аппаратного, программного и методического (в т.ч. метрологического) обеспечения многофункциональных приборов и комплексов ОНД могут применяться при разработке любых новых устройств и систем ОНД для медицины.
Отдельные фрагменты работы, особенно методы математического моделирования распространения излучения в светорассеивающих материалах и средах могут использоваться в других областях науки и техники - лазерной локации, теоретической и экспериментальной физике и т.п. Например, авторские методы лазерной ди-
17 агностики [256, 329 и др.] в 1994-1996гг. использовались в области теплофизики при проведении совместных исследований с профессором Шленским О.Ф. (РХТУ им. Д.И. Менделеева) по фантам Сороса (NAB000) и РФФИ (N96-02-17639).
Результаты диссертации могут использоваться и в учебном процессе при подготовке студентов, аспирантов, чтении лекций на факультетах повышения квалификации и переподготовки специалистов как технического, так и медицинского профиля. Например, в 1995г. при непосредственном участии автора на кафедре «Лазерных и микроволновых информационных систем» (ЛМИС) МГИЭМ (зав. кафедрой, д.т.н., проф. Черкасов А.С.) была создана новая инженерная специализация для студентов -«Лазерные медицинские приборы и устройства», в рамках которой на протяжении 8 лет автор читает оригинальный курс лекций «Проектирование и эксплуатация лазерных медицинских аппаратов», а также ведет практические заЕіятия по тематике ОНД в медицине. Там же, в декабре 1999г. под руководством автора была защищена кандидатская диссертация (к.т.н.) аспирантки МГИЭМ Лапаевой Л.Г. «Закономерности взаимодействия лазерного излучения с биологической тканью и создание на их основе специализированного биофотометра» (Дисс. Совет Д.063. 68.02)1.
Апробация диссертации. Основные положения диссертации подробно опубликованы в 85 научных работах, а отдельные фрагменты диссертации докладывались в период ее выполнения на научных семинарах МОНИКИ, МГИЭМ, ЦНИРТИ, МГТУ им. Н.Э.Баумана, ЦКБ УП РАН, ИРЭ РАН, ВНИИОФИ, ИОФ РАН, ИВТ РАН, ГНЦ ЛМ, ФГУП НИИ «ПОЛЮС», РХТУ, НГУ, ИГУ, СГУ, семинарах Лазерной Ассоциации РФ, Межведомственном научном совете по медицинскому приборостроению МЗ РФ и РАМН в 2002г., пяти Всероссийских конференциях по лазерной медицине (Казань 1995г., Москва 1996г., Видное 1997г., Воронеж 1998г., В.Новгород 1999г.), 1-й Республиканской научно-практической конференции по функциональной диагностике в 1996г. (Москва), в рамках 2-й Байкальской Школы по фундаментальной физике в 1999г. (Иркутск), на Международных конференциях «Лазерные технологии» (1LLA) в Шатуре в 1995 и 1998гг., Международных конференциях «Лазер и здоровье» в 1997г. (Кипр) и 1999г. (Москва), IX международной конференции по лазерной оптике в 1998г. (Санкт-Петербург), Международных конференциях "PIERS" в 1995, 1997, 2000гг., на V и VI Конгрессах медицинских физиков в г.Ницца (Франция) в 1998г. и г.Патра (Греция) в 1999г., международных кон-
1 Рсз> льтаты этой диссертации, естественно, имеют и свое собственное практическое значение.
18 ференциях по биомедицинской оптике ("BIOS") в 1996г. в г. Вена (Австрия), в 1998г. в г.Стокгольм (Швеция) и в 2000г. в Г.Амстердам (Голландия), конференциях «Photonics West» в 1998-2004гг. в г.Сан-Хосе (США), на конференции LPHYS'2000 в г.Бордо (Франция) и LPHYS'2001 в. г.Москве, а также ряде других конференций. Макет лазерного медицинского диагностического комплекса «МАРТА», разработанный и изготовленный автором на основе результатов исследований, демонстрировался на международной выставке "LIC RUSSIA'97" в марте и на выставке лазерной медицинской техники в Государственной Думе РФ в апреле 1997г. Более поздняя модификация этого комплекса - опытный образец диагностического комплекса «ЛАЗДИКОМ», изготовленный ФГУП НИИ «ПОЛЮС», - демонстрировался на международном научно-техническом семинаре ФГУП НИИ «ПОЛЮС» в марте 2002г., а автоматизированный лазерный дозиметр «ЛАДИН» на выставке «Здравоохранение 2001» в декабре 2001 года. Авторский диапюстическнй прибор «СПЕКТРОТЕСТ» демонстрировался в составе коллективной экспозиции Лазерной Ассоциации РФ на выставке новых российских технологий «EXPO-RUSSIA 2004» в г.Амман (Иордания) в феврале 2004г. Комплексная апробация завершенного диссертационного исследования проведена в апреле 2004г. в МОНИКИ с участием представителей МГИ-ЭМ, ИОФ РАН, ОНЦ РАН, ИВТ РАН и ЗАО «ВНИИМП-ВИТА»
Основные положения и результаты диссертации, выносимые на защиту:
1. Результаты по изучению общих методологических основ ОНЛ:
формулировка единого и обособленного предмета исследования для таких .методов ОНД как флюоресцентная диагностика, биофотометрия, оптическая оксиге-мометрия и т.п. - прижизненный биохимический и морфологический состав тканей, органов и жидкостей организма, в том числе относительные, количественные и динамические параметры биохимии тканей;
положение о родственности всех рассматриваемых методов ОНД стандартным методам клинической лабораторной спектрофотометрни, за исключением свойств неннвазивности и прижизненности измерений, вследствие чего все они могут быть объединены под одним общим названием чнеитазивная спектрофотометрия».
2. Результаты теоретических исследований:
- положение о возможности на основе 2-х потоковых моделей Кубелки-Мунка
получать точные аналитические решения прямых модельных задач ОНД при усло
вии более корректной формулировки исходных уравнений модели;
вывод о достоверности описания рассеяния света на случайно-шероховатой поверхности на основе методов теории дифракции и о возможности формулировки решений задач в терминах фотометрических индикатрис рассеятш;
положение о возможности и целесообразности постановки граничных условий в задачах ТП в виде выражений для граничных индикатрис рассеяния, полученных на основе решения задачи дифракции электромагнитных волн на случайно-шероховатой поверхности.
3. Результаты разработки программных средств обработки данных в ОНД:
- вывод о необходимости разработки многоуровневого программного обеспечения для обработки, анализа и представления диагностической информации в системах ОНД, направленного на построение цепочки вычислений от алгоритмов решения обратных задач оптики светорассеивающих сред до методов статистико-вероятностной оценки и классификации существующей ситуации в терминах биохимии тканей и медицины.
4. Результаты исследования и разработки приборов и устройств для ОНД:
вывод о возможности и целесообразности создания универсальных диагностических комплексов, сочетано реализующих на одном оборудовании разные диагностические методы ОНД;
результаты исследования и систематизации специализированных МТТ к многофункциональным приборам и устройствам ОНД, разработки общих методологических подходов к процессу их создания и проектирования.
5. Результаты клинических экспериментальных исследований:
положение об эффективности методов и приборов ОНД как для дифференциальной диагностики здоровых и пораженных заболеваниями участков тканей пациента, так и для функциональной диагностіжи и мониторинга (динамической оценки изменений в исследуемых параметрах при различных функциональных тестах и наблюдении пациента в течение всего курса лечения);
положеігае о возможности на основе методов и приборов ОНД повысить качество оказываемой медищшской помощи больным, страдающим онкологическими заболеваниями, эрозивно-язвенными патологиями желудочно-кишечного тракта и расстройствами периферического кровообращения, т.е. решить ряд реально существующих важных задач практической медицины.
Личный вклад автора и соавторы фрагментов работы. Автор диссертации является инициатором постановки общей проблематики, цели и задач данного дис-
20 сертационного исследования, способов и подходов в решении конкретных экспериментальных и теоретических научных проблем, а также основным исполнителем большинства исследований по диссертации. Часть работ выполнялась при участии сотрудников лаборатории лазерной медицины, врачей отделений радиологии, эндоскопии, профпатологии и физиотерапии МОНИКИ, студентов и аспирантов МГИЭМ и МОНИКИ, работавших под непосредственным руководством автора, а также в соавторстве с коллегами из ряда других научных организаций. В частности, работы по созданию опытного образца диагностического комплекса «ЛАЗДИКОМ» выполнялись при участии сотрудников отдела 450 ФГУП НИИ «ПОЛЮС» (рук. к.т.н. Свирин В.Н.) и к.ф.-м.н. Голубина А.Ю. (МГИЭМ), часть работ по дифракции излучения на граничных поверхностях выполнялась совместно с к.ф.-м.н. Булавским Ю.В. (НГУ). Работы по развитию метода моментов в ТП выполнялись совместно с к.т.н. Товстоногом В.А. (МВТУ им. Н.Э. Баумана) и аспирантом МГИЭМ Хачатуряном Г.В. В лечебно-исследовательских работах активное участие принимали д.м.н. Александров М.Т. (до 1996г.), д.м.н. Горенков Р.В., к.м.н. Терещенко С.Г., к.м.н. Бычен-ков О.А. (аспирант МОНИКИ), к.т.н. Лапаева Л.Г. (аспирант МГИЭМ) и ряд других сотрудников МОНИКИ. Пользуясь случаем, автор выражает всем им, а также руководителям клинических отделений МОНИКИ, где проводились исследования (к.м.н. Полякову П.Ю., д.м.н. Лгобченко П.Н., д.м.н. Герасименко М.Ю. и др.), а также зав. кафедрой «ЛМИС» МГИЭМ, где автор выполнял часть теоретических исследований, д.т.н., проф. А.С.Черкасову свою искреннюю признательность и благодарность. Особую признательность автор хотел бы выразить своим научным консультантам и учителям д.ф.-м.н. Черному В.В. и д.м.н. Шуйскому В.И. за их терпение в общении с автором и многочисленные полезные замечания.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав исследований, заключения, списка литературы из 485 наименований и приложений на 6 листах. Текст диссертации изложен на 406 страницах, включающих 112 рисунков и 27 таблиц.
Экспериментальные методы клинической биофотометрии
Термин "биофотометрия", вообще говоря, возник в нашей стране, видимо, в связи с решешіем несколько иного, хотя и близкого круга задач. Согласно [285], в 60-70-х годах XX века в нашей стране под этим термином подразумевалось научное направление, связанное с изучением потенциальной способности оптического излучения оказывать полезное фотосинтезное, эритемное, бактерицидное и т.п. действие на различные биологические структуры. Существовал даже международный проект "Биофотометрия", разработанный бывшими социалистическими странами в рамках одной из программ существовавшего тогда Совета Экономической Взаимопомощи (СЭВ) - программы "Исследования в области биологической физики". В рамках этого проекта был разработан стандарт СЭВ на витальные, фотосиптезные, эритемные и бактерицидные величины оптического излучения, а также разработаны и выпущены разнообразные приборы для их определения [285].
Несколько позже, благодаря, в основном, работам А.Р. Евстигнеева, профессора Александрова М.Т., их учеников и коллег [5, 6, 24, 61, 89-92, 247], под термином "биофотометрия" стали подразумевать и более общее диагностическое направление, связанное с фотометрической диагностикой оптических свойств биологических тканей для нужд лазерной хирургии, физиотерапии, стоматологии и ряда других областей медицины. В первую очередь врачей интересовал вопрос о количестве лазерного излучения, которое реально поглощается в биологической ткани во время лечебных лазерных процедур [5, 92]. Если лечить конкретного больного, а не болезнь, как этого требует основной клинический тезис СП. Боткина и логика оказания любой врачебной помощи, то обязательно необходимо учитывать индивидуальные природные данные пациента, в том числе и по оптическим свойствам участка облучаемой ткани при лазерных процедурах. Кроме того, необходимо иметь в виду, что не вся падающая на поверхность биоткани мощность оказывает полезное терапевтическое действие. Излучение также отражается и рассеивается, расходуется на другие побочные эффекты и только небольшая его часть идет на лечебные фотобиологические реакции. Это накладывает определенные строгие требования к дозиметрическому контролю лазерных терапевтических процедур в смысле определения поглощенной доли энергии и соблюдения принципа "Доза-эффект" [6]. Данный принцип, сформулированный еще на заре фармакологии, базируется на фундаментальных исследованиях явления парабиоза Н.Е.Введенским и отражает зависимость ответной реакции организма от силы действующего стимула. При достижении порога возбудимости по мере нарастания силы стимула наблюдается усиление ответной реакции клеток и тканей и постепенное достижение максимума реакции. Дальнейшее же увеличение силы стимула, наоборот, приводит к снижению уровня ответной реакции и развитию торможения в системе. Поэтому выбор и контроль уровня действующего лазерного излучения на ткани при проведении лечебных лазерных процедур, представляется весьма важной в практическом плане задачей.
Одними из первых шагов в этом направлении и стали работы М.Т. Александрова по поиску методов фотометрического учета той доли лазерной энергии, которая отражается от поверхности биоткани (см. п. 1.1) и не участвует в лечебном воздействии. Особую ценность придавала этому методу потенциальная возможность получать информацию о свойствах ткани в момент самой процедуры и безотлагательно менять тактику лечения. Так в клиническую практику стали проникать фотометрические методы исследования, впоследствии получившие название "биофотометрическая диагностика" 1 [5, 6, 91]. На начальных этапах аппаратное оснащение биофотометрических исследований мало отличалось от хорошо известных в физике обычных фотометрических приборов [90]. В подавляющем большинстве случаев использовались обычные шаровые фотометры. По конструкции (рис. 1.2.1) этот прибор представляет собой шаровую полость 1 радиуса R, покрытую изнутри специальным отражающим покрытием.
Назначение покрытия - уменьшить потери излучения при отражении на стенках сферы и создать на ее внутренней поверхности изотропную освещенность, необхо димую для точного определения доли энергии, падающей на фотоприемник. Сам фотоприемник 2 и источник излучения 3 монтируются при этом в специальных окошках, прорезаншлх в сфере. Л объект диагностики 4 размещается напротив входного окна 5. В качестве излучателя в биофотометрах обычно используются малогабаритные полупроводниковые лазеры или светодиоды. Излучение может также от лазера подаваться к обследуемой биологической ткани через световод, пропущенный насквозь через сферу. Подробная теория фотометрических сфер изложена в [368], где приводятся необходимые расчеты по определению эффективности сферы, величины потерь и точности измерений.
Принцип измерений в сферах заключается в том, что свет, отраженный объектом 4, попадает через окно 5 на внутреннюю поверхность сферы, где за счет многократных диффузных переотражений от стенок создается однородная освещенность. Если один из элементов внутренней поверхности сферы будет представлять собой площадку фотоприемника, то электрический сигнал с такого фотоприемника будет прямо пропорционален интенсивности входящего в сферу излучения с коэффициентом ослабления, примерно равным отношению площадей чувствительной области фотоприемника и внутренней поверхности сферы. Однако это достигается только при большой кратности переотражений внутри сферы. Соответственно, точность измерений в фотометрических сферах очень сильно зависит от качества и оптических свойств ее внутреннего покрытия. Существует даже специальный параметр эффективности интегрирующей сферы Е/ [301], позволяющий оценивать достигаемые точностные характеристики фотометра: Ef = r/(\-r) , (1.2.1) где г- коэффициент отражения внутренней поверхности сферы
Для повышения эффективности фотометра покрытие внутренней поверхности сферы стараются выбирать с максимальным коэффициентом отражения и характером отражения, близким к ламбертовскому. Выбор конкретного типа покрытия зависит от области спектра, на которую рассчитан прибор. В видимом и ближнем ИК-диапазоне хорошим диффузным рассеянием и высоким коэффициентом отражения обладают покрытия на основе порошков из BaSC«4, MgO, MgCOj [301]. Фотометрический шар, внутренняя поверхность которого покрыта MgO, обладает очень высокой эффективностью (до 50), однако покрытие это весьма непрочно, обладает плохой адгезией к металлам, достаточно быстро тускнеет и осыпается
Развитие метода моментов для решения уравнения переноса излучения в слоисто-неоднородных средах
Поскольку опубликовано достаточно большое количество данных о несоответствии результатов расчетов по методам КМ и ТП, а результаты обзора (п.1.7) и раздела 2.2 заставляют задуматься над правильностью трактовки природы такого несоответствия, имеет смысл подробнее остановиться на этом вопросе. Первичный литературный анализ основных причин несоответствия моделей КМ и ТП показал, что основа проблемы лежит в плоскости правильной физической интерпретации понятия погонных оптических коэффициентов среды.
Действительно, для коэффициентов поглощения среды, как уже указывалось в разделе 2.2, наиболее логичным выглядит соотношение К=ца , т.к. в пределе отсутствия рассеяния в среде оба решения должны сходится к экспоненциальному закону Бугера. Более того, волновой подход в электродинамике однозначно и понятно дает физическую интерпретацию коэффициента поглощения среды через мнимую часть комплексного коэффициента преломления среды (см. 1.7.1) [292]: } = NM/А , (2.3.1) что в совокупности с решением общего волнового уравнения также приводит к экспоненциальному характеру затухания амплитуды плоской волны в однородной проводящей среде. Если К ЦІЦ встает вопрос, какой из этих двух коэффициентов соответствует формуле (2.3.1)?
Хуже обстоит дело с коэффициентом p.s. Классическая теория электромагнетизма, как таковая, не содержит в себе такого понятия как погонный коэффициент рассеяния. С физической точки зрения в электродинамике рассеяние излучения в среде может происходить за счет двух основных процессов - дифракции на неодно-родностях среды и отражения излучения от границ неоднородностей. В одномерном случае, соответствующем модели КМ, понятие дифракции, как принципиально двумерного (или трехмерного) процесса, лишено реального смысла и следует учитывать лишь френелевское отражение. Для биологических тканей по многочисленным литературным данным [117, 303 и ссылки в них] мнимой частью коэффициента преломления среды при анализе процессов отражения света можно пренебречь, а действительная часть коэффициента преломления лежит в диапазоне п=1-1.5, что дает для френелевского коэффициента отражения на границе раздела сред при нормальном падении излучения значение г=(й-0.04. Поэтому, говоря об отражении от биологических тканей, необходимо представлять, что основную часть потока с поверхности среды составляет не отраженное поверхностью излучение, а обратно рассеянное в объеме излучение, которое формируется за счет многократных внутренних переотражений на очень большом количестве слабо отражающих, внутренних неоднородностей. То есть, коэффициент рассеяния в ТП и в подходе КМ, скорее всего, является неким эффективным (обобщенным) параметром, в комплексе характеризующим весь этот сложный процесс. Совместно с индикатрисой рассеяния он описывает некую усредненную задачу распространения излучения в неоднородной среде, поэтому, можно предположить, что именно в корректном описании погоьшых параметров рассеяния среды и может лежать плоскость решения многих проблем ТП.
Попробуем сформулировать максимально простую задачу на рассеяние, решение которой может быть получено абсолютно точно и строго, с тем, чтобы в последующем иметь возможность достоверно оценить точность решений этой же задачи методами КМ и ТП, вычленить возможные расхождения в этих решениях или убедиться в их идентичности. На начальном этапе, естественно, проще рассматривать какую-либо одномерную задачу, не обремененную дополнительными сложностями угловых распределений иитснсивностеи излучения и интегрирования неизвестных фазовых функций рассеяния. Рассмотрим, например, самое простейшее представление одномерной слоисто-неоднородной среды по типу среды, выбранной при описании ММ (рис.2.2.1). Только каждый отдельный слой среды представим полностью прозрачным, без поглощения и рассеяния (н ц О), а общее рассеяние в среде пусть осуществляется за счет многократных отражений света на границах смежных слоев. Для упрощения расчетов присвоим одинаковые коэффициенты отражения границам всех слоев (r const R), причем как при распространении излучения слева направо через границу слоя, так и справа налево. Для моделирования сильно рассеивающей среды потребуем большого (в пределе N-»oo) количества границ неоднород-ностей и попробуем найти значение для потоков излучения, выходящих из среды через ее фронтальную и тыльную поверхности, при освещении фронтальной поверхности потоком излучения единичной мощности F(y=l (рис.2.3.1). Общий размер освещаемой среды примем равным Но.
В такой одномерной постановке без поглощения в среде задача становится близка классической задаче марковского процесса блуждания частиц между отражающими стенками [266]. Общая теория случайных процессов, развитая в начале 30-х годов, как уже указывалось в главе 1, может быть, по данным ряда авторов (например [16]), использована и для анализа распределения поля излучения в случайно-рассеивающей среде. Наиболее ярко это проявляется при исследовании случайных блужданий фотонов методом Монте-Карло, когда вероятности нахождения фотона в той или иной точке пространства можно трактовать как вероятности состояния N-значной цепи Маркова. В этом случае значения параметра t (время) в функциях условной вероятности переходов и в функциях распределения случайных величин становятся квазидискретными и появляется возможность заменить их на номер испытания «п». А общая вероятность перехода фотона р(п,хь1,х,) из состояния хх в состояние Хк будет в этом случае подчиняться уравнению Маркова [266]:
Вариант практической реализации многоуровневого программного обеспечения на примере анализатора «СПЕКТРОТЕСТ»
Практическая реализация разработанных в и.3.1 базовых принципов организации системного программного обеспечения (ПО) неинвазивных спектрофотометри-ческих диагностических систем (НСДС) нашла свое отражение, в частности, при разработке спектрофотометрического анализатора объемного кровенаполнения тканей - малогабаритного диагностического прибора «СПЕКТРОТЕСТ» (п.4.4). ПО этого прибора разработано на базе наиболее современной платформы инструментального програлімирования «LabView-6.0» и представляет собой набор драйверов и пользовательских утилит, предназначенных для работы с прибором, обработки и анализа результатов диагностики, а также для ведения минимально необходимой медицинской документации при проведении диагностических обследований. Выбор подобных объектно-ориентированных языков программирования позволяет использовать при разработке программ обширные стандартные библиотеки функций и операций, поставляемых производителем этих языков. Графическая среда инструментального программирования «LabView» включает библиотеки функций и средства разработки виртуального инструмента (ВИ), ориентированного на задачи управления внешними процессами, сбор и анализ внешних данных. Программы, созданные в среде «LabView», являются аналогами функций традиционных языков программирования, однако программирование приборных функций ВИ в «LabView» происходит на более естественном для инженера «схемотехническом» уровне (рис.3.2.1).
Так, стандартные библиотеки «LabView» позволяют легко создавать для ВИ интерактивный интерфейс пользователя, называемый "передняя панель", полностью имитирующий на экране монитора реальную переднюю панель физического инструмента (прибора). Передняя панель может содержать графическое изображение кнопок, переключателей, регуляторов и других органов управлешія и индикации, включая графические поля ввода-вывода текстовой информации, куда можно вво 205 дшъ данные, параметры управления и/или текстовые комментарии с помощью обычной мыши и клавиатуры компьютера.
Созданный таким способом на экране ВИ получает рабочие инструкции из блок-диаграммы, которая также создается в графическом режиме, но является при этом и исходным текстом для процессора компьютера. ВИ может иметь сложную иерархическую и модульную структуру. Это позволяет использовать любой ВИ как программу верхнего уровня или как подпрограмму внутри других программ или подпрограмм. Виртуальный субприбор или узел, функционирующий внутри другого ВИ, называется субВИ. Поскольку функционирование каждого субВИ осуществляется вне зависимости от остальных ВИ и субВИ, общая их отладка для пользователя существенно облегчается. Более того, многие ВИ низкого уровня часто соответствуют отдельным задачам, общим для целого класса физико-технических задач, и, создавая частные специализированные приложения, можно создавать целые библиотеки многофункциональных субВИ, хорошо вписывающихся в реализацию самого широкого круга приборных задач.
Перечисленные особенности определяют общую концепцию модульного программирования, используемого в «LabView». Она предполагает разделение задачи на функционально ориентированные уровни подзадач, которое продолжается до тех пор, пока сложная задача не распадается на ряд простых или стандартных процедур. Далее строится семейство ВИ, каждый инструмент которого соответствует одной отдельно выделенной подзадаче, после чего, комбинируя их, на блок-диаграмме собирается большая задача. Таким образом, модульное графическое программирование в «LabView» полностью соответствует разработанным ранее базовым принципам организации многоуровневой и иерархической структуры ПО НСДС, поэтому одна из последних версий «LabView-6.0» и была выбрана в качестве основной инструментальной платформы программирования при создании приборов для ОНД.
Рабочая версия ПО прибора «Спектротест» в терминах общей многоуровневой структуры ПО НСДС представляет из себя трехуровневое системное ПО (нулевой, первый (физический) и второй (биофизический) уровни) с элементами 4-го (медицинского) уровня представления информации в виде соответствующего пользовательского интерфейса и локальной базы данных, которые позволяют веста карты обследования пациентов, сохранять и распечатывать полученную информацию, а также строить тренды поведения показателей в процессе диагностического обследования или по всему времени наблюдения пациента. Передняя панель ВИ прибора «Спектротест» представляет собой семь сменных рабочих экранов, выбор которых осуществляется при помощи закладок с названиями:
Основные органы управления прибором, т.е. интерфейс пользователя нулевого уровня, сосредоточены в окне «Настройка» (см. рис.3.2.2). В этом окне квалифицированный пользователь может менять параметры управления прибором (выбор рабочих токов излучателей, порядок их включения-выключения, частота выборки сигнала и т.п.) и просматривать осциллограмму напряжений и токов в контрольных точках электрической схемы прибора. Этим уровнем может пользоваться специалист, осуществляющий настройку, ремонт и техническое обслуживание прибора.
Неинвазивная спектрофотометрия в лечении эрозивно-язвенных дефектов верхних отделов желудочно-кишечного тракта
Доброкачественные эрозивно-язвенные поражения (ЭЯП) верхнего отдела желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) - наиболее распространенная форма заболевания органов пищеварения [240, 316]. До сих пор эффективность лечения этого заболевания остается недостаточной. Часто наблюдаются хроническое и рецидивирующее течение болезни и высокая частота серьёзных осложнений, что приводит к потере трудоспособности и инвалидизации населения. Нередко длительно незаживающие язвы желудка и двенадцатиперстной кишки перерождаются в злокачественные новообразования этих органов [17, 115, 240, 259, 316]. Развитие эндоскопических диагностических исследований дало в свое время возможность более точно диагностировать заболевания ЖКТ. Л открытие биостішулирующего эффекта низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) сделало перспективным применение этого метода и в комплексном лечении доброкачественных поражений верхнего отдела ЖКТ [127, 231, 259]. Однако методики современной лазерной лечебной эндоскопии не лишены недостатков. В первую очередь ключевым и нерешенным вопросом является выбор необходимых и оптимальных дозировок лечебного лазерного воздействия, продолжительности отдельных лечебных сеансов, всего курса терапии в целом. Момент заживления и прекращения курса терапии констатируется, как правило, сегодня врачом-эндоскопистом на основании собственных субъективных данных обычного визуального (через эндоскоп) осмотра пациента и его (пациента) субъективных жалоб. Взятие детальных биохимических и гистологических проб через эндоскоп (гастроскоп) весьма затруднено, что увеличивает трудоемкость постановки диагноза, а в ситуациях риска появления в зоне язвенных дефектов злокачественных новообразований, приводит к позднему обнаружению опухоли и запущенности процесса. Поэтому, очевидна необходимость поиска новых и/или дополнительных методов оптимизации лечения пациентов и повышения информативности диагностических процедур, особенно для ситуаций амбулаторной и экспресс-диагностики.
Соответственно, целью данного раздела исследований с точки зрения потребностей медицины явился поиск путей получения дополнительной объективной информации о состоянии мягких тканей ЖКТ на основе использования неинвазнвной фоновой спектрофотометрии в процессе сеансов планового лечебно-диагностического эндоскопического обследования пациентов, а также поиск с ее помощью методов и путей оптимизации и повышения эффективности лечебных лазерных эндоскопических процедур. С точки зрения разработки собственно методов и приборов не-инвазивной спектрофотометрии целью данного раздела исследований явилось натурное подтверждение информативности и работоспособности ряда диагностических методов и устройств в реальной практике современной эндоскопии. Теоретическим обоснованием для такого подхода явились данные ряда публикаций (например [152]) по эффективности ЛФД в случаях обнаружения раковых опухолей желудка, эффективности биофотометрии при оптимизации лечебных лазерных процедур общего профиля [6], приспособленность эндоскопа для подведения оптического излучения внутрь полостей организма и ряд других соображений.
В процессе исследований были поставлены задачи: изучить возможности и эффективность ЛФД для дифференциальной диагностики различных доброкачественных ЭЯП ЖКТ, изучить перспективы ЛФД по объективной оценке процесса эпи-телизации и заживления области ЭЯП ЖКТ в процессе сеансов лазерной терапии, исследовать возможности неинвазивной спектрофотометрии по оптимизации лечебных лазерных дозировок, а также ряд других, смежных задач. В случае их успешного решения ставилась задача разработать и внедрить в практику здравоохранения стандартные методики применения неинвазивной спектрофотометрии при лазерном консервативном лечении заболеваний верхних отделов ЖКТ.
Основная часть исследований проводились на спектроанализаторе ЛЭСА (см. п. 1.4) в соавторстве с медперсоналом отделений эндоскопии и профпатологии МОНИКИ. Под наблюдением находилось более 250 больных Московской области, у которых на протяжении длительного периода времени (несколько лет) не было отмечено положительной клинико-эндоскопической динамики в процессе обычной противоязвенной терапии в районных ЦРБ. Обследовано также 65 больных с профессиональной вибрационной болезнью (формовщики, обрубщики, клепальщики) вне зависимости от наличия или отсутствия жалоб на органы пищеварения, т.к. имеются литературные данные [17], что это заболевание очень часто сопровождается бессимптомным течением сопутствующих гастродоуденальных расстройств.
В части исследования эффективности ЛФД у больных с разной этиологией и патогенезом заболевания регистрировалась спектральная плотность мощности излучения вынужденной эндогенной флюоресценции из зоны обследования при освещении центра ЭЯП излучением непрерывного He-Ne лазера мощностью 8-10 мВт. Для снятия показателей во время плановых обследований диагностический световод ЛЭСА пропускался в биопсийный канал эндоскопа и визуально подводился к зоне эрозивно-язвенного дефекта до легкого контакта с ним. Показатели регистрировались как с центра дефекта, так и на различных расстояниях от него в четырех взаимно перпендикулярных направлениях с шагом 0.5 см. А также с интактной (не поврежденной) слизистой в непосредственной близости от зоны дефекта. В целях выявления значимости ЛФД для анализа процессов реабилитации пациента и эпителизации дефекта все указанные показатели снимались до начала курса лечения, в середине курса и по его окончании.
Типичные кривые спектрального распределения плотности мощности регистрируемого установкой ЛЭСА вынужденного флюоресцентного и рассеянного тканью излучения представлены на рис. 5.2.1-5.2.4. Предположительно, возбуждаемая таким образом флюоресценция тканей ЖКТ ассоциирована с наличием в зоне патологии повышенной концентрации эндогенных порфириновых соединений. Как видно из приведенных графиков, регистрируемые спектральные распределения для обследованных разных доброкачественных ЭЯП ЖКТ и разных пациентов оказались, вопреки ожиданиям, весьма однотипны. Соответственно, их визуальный или, далее, Фурьс-анализ не позволяет достоверно проводить дифференцировку по различным иозологиям, что показывает низкую диагностическую информативность ЛФД при дифференциальной диагностике доброкачественных ЭЯП ЖКТ по регистрируемой форме спектра флюоресценции эндогенных порфирииов. Это может быть следствием (или свидетельством) того, что при доброкачественных ЭЯП ЖКТ природа эндогенных порфирииов, накапливающихся в зоне патологии, также достаточно однотипна. Например, дно язвы обычно покрыто фибринозно-некротическим мутным налетом [127, 316], а порфириновые соединения по данным литературы входят в состав любых некротизированных участков биотканей [18, 150]. В той или иной степени фиб-ринозно-некротический налет встречается и при других формах и локализациях доброкачественных ЭЯП ЖКТ, и его присутствие, в основном, и может определять регистрируемую форму спектров флюоресценции тканей ЖКТ.