Введение к работе
Состояние вопроса к актуальность темы.
Представленная работа относится к одной из наиболее динамично развивающихся областей естествознания - биомедицинской оптике, возникшей на стыке нескольких яаукгфизической оптики, биологии и медицины. Ее бурное развитие стимулировано созданием лазеров и их применением в биологии и медицине(лазерная хирургия и терапия, диагностика), а также минимальным воздействием света по сравнению с другими видами излучений, применяемых в диагностике тканей. Поскольку биоткани, биожидкоети, отдельные клетки являются поглощающими и расееиваыцими свет средами, го представляется естественным для их изучения использование методов оптики рассеивающих сред. Привлекательность методов светорассеяния связана также с тем, что,не искажая свойств среды и обеспечивая объективность получения данных об ансамбле живых клеток, они позволяют исследовать динамику изменения их состояния о высоким временным разрешением, особенно, важную при различных физико-химических и биологических воздействиях.Они просты, в реализации, не требуют градуировки другими методами и легко поддается автоматизации.
Еще в 50-х, начале 60-х годов существовали попытки использовать рассеяние света для определения концентрации и размеров эритроцитов, определить степень оксигенации цельной крови (К.Крамер, Д.О.Елат, И.А.Терсков, Ф.Я.Сидько и др.). Однако, они оказались безуспешными в виду недостаточной информативности измеряемых данных и полуколичественного характера используемых теоретических приближений.
Важно отметить, что основное внимание в настоящей работе уделялось обратной задаче. Она гораздо сложнее прямой задачи (определение характеристик рассеянного излучения через параметры среды) ввиду того, что получаемое решение очень чувствительно к ошибкам измерения и неточностям теоретических решений. В связи с этим возникает необходимость введения априорной информации в алгоритмы обращения, поиска наиболее информативных параметров для определения искомых величин, получения простых аналитических соотношений поля рассеянного излучения и среды, определения границ применимости полученных соотношений.
Обратная задача оптики рассеивающих сред - определение
оптических констант, геометрических и динамических характеристи:
частиц дисперсной среда по параметрам поля расееянног
излучения. До конца 70-х годов в основном обратная задач;
решалась в приближении однократного рассеяния, использу
спектральный ход показателей поглощения и рассеяния
индикатрису рассеяния в скалярном случае или елементі
поляризационной: матрицы (последнее развивается и в настоящее время). Если говорить о спектроскопической задаче, т< исследования проводились в основном в полосах поглощения.
Известно, что многие природные объекты биологическо! природы (кровь, биоткани, биожидкоети) существуют либо пр высокой концентрации частиц, либо в виде толстых слоев, ] выделение их в виде тонких слоев, . процедуры разведешь центрифугирования и т.д. приводят к необратимым тамененкяз объекта в результате физико-химических превращений. Эт< побудило нас и других исследователей в последние 15 лет і разработке методов, приближенных к условиям in vi?o.
Сложность разработки методов исследования оптических и н;
их основе некоторых биофизических характеристик кроні
обусловлена так называемыми кооперативными эффектами, связанным!
с высокой концентрацией частиц крови, в первую очереда
еритроцитоБ. На необходимость их учета первым обратил вийманні
В.Тверский (1964-1970). В большинстве работ к моменту проведенні
наших исследований (конец 70-х годов) основної
внимание уделялось особенностям распространения когерентної
компоненты прошедшего излучения в средах о плотной упаковко!
частиц (О.А.Гермогенова, А.П.Иванов, А.Я.Хайруллина:
В.Г.Верещагин, А.Н.Понявина.Ю.Н.Барабаненков).
Спектроскопическая задача применительно к слабопоглощающим еветорассеивающим средам, основы которой были сформулированы Г.В.Розенбергом (1967), решались с применением асимптотических формул теории переноса излучения. В дальнейшем аналитические соотношения, пригодные для практического использования, были получены В.П.Зеге и И.Л.Кацевым (1979).
Отметим, что применимость асимптотических формул до коэффициентов диффузного отражения и пропускания, используемы: при расчетах показателей поглощения, не была очевидна для сред < плотной упаковкой частиц дисперсной фазы, какими являются кровь и биологические ткани. Необходимо обратить .внимание
также на то, что экспериментальные исследования цельной крови многочисленными авторами проводились в условиях, сложных для решения обратной задачи, так как они были отягощены влиянием геометрии эксперимента,что препятствовало использованию простых соотношений.
Аналитические соотношения, связывающие мнимую часть комплексного показателя преломления с показателем поглощения частиц, хотя и охватывают широкий диапазон оптических и геометрических параметров биологических частиц, были получены для сферических частиц с жестко заданной функцией распределения по размерам (А.П.Пршвивалко, Е.К.Наумеяко, 1973). л Для эритроцитов, которые составляют основу дисперсной фазы крови и являются асферическими частицами, оптические параметры не могли быть рассчитаны в 70-80 годах, так как точные решения при аппроксимации эритроцитов эллипсоидами, вращения ограничивались гораздо меньшими значениями 'размеров (Р.іатимер, Ф.Я.Сидько, В.Н.Лопатйн и др.). Только в 90-х годах такие расчеты стали возможны (Н.Г.Хлебцов, М.И.Мищенко), однако, они требуют больших временных затрат и могут быть реализованы только на ЭВМ с большим объемом памяти.
Значимость исследования морфологических параметров эритроцитов (размеры, форма, концентрация,агрегация ) отмечена Л". .А.Чижевским(1959г.), считающим структурно - пространственные изменения эритроцитов крови "зеркалом" организма, отражающим любые, даже мелкие заболевания1. Поэтому на первом этапе наших исследований ставилась задача определения этих параметров в условиях однократного рассеяния при разведении крови , в дальнейшем - в цельной крови с учетом перечисленных выше сложностей.
Техническая база и методики измерений характеристик светового поля в малых объемах рассеивающих сред создавались в Институте физики в 60-70-х. годах (А.П.Иванов, И.Д.Шербаф, К.Г.Предко, А.Я.Хайруллина). Для исследования крови необходима была модификация аппаратуры и создание новых методов.
Таким образом, успехи теоретических исследований на отдельных частицах, развитие асимптотических аналитических методов решения теорий переноса излучения светорасоеивавдих слоев, выявление закономерностей рассеяния на системе близко расположенных рассеивателей, , создание экспериментальной базы
оптики рассеивающих сред, прецизионность методик эксперимента предопределили в 70-8- годаї создание методологии исследования крови, одной из важнейших биотканей организма. Она, с одной стороны, является интегрирующей средой, омывающей все органы и характеризующей состояние организма в целом, с другой - может служить наиболее удобной оптической моделью для исследования других биотканей ввиду возможности изменять ее оптические и геометрические параметры по сценарию експериментатора.
В настоящей работе рассматривается только первая часть сложной проблемы диагностики состояния организма оптическими методами, а именно разработка простых, и прецизионных методов определения физико-химических параметров отдельных: компонент крови вне организма, основанных на рассеянии света. Однако ее решение создало предпосылки для развития методов и инструментария для неиввазивной диагностики. В этом актуальность работы. Цель и задачи исследования - разработать физически обоснованную методологию оптических исследований цельной крови и биотканей, разработать простые прецизионные методы определения биофизических параметров цельной крови и других биотканей, ее отдельных компонент, имеющих важное значение в оптике рассеивающих сред и медицине.
Цель и задачи исследования.
-
Исследовать особенности распространения излучения оптически тонких и толстых слоев при различной плотности упаковки частиц на базе разработанной или модифицированной аппаратуры,
-
Разработать метода определения оптических констант вещества и размеров частиц в условиях многократного рассеяния света.
-
Разработать методы определения биофизических характеристик цельной крови, приближенных к условиям in vivo.
4. Разработать методы определения функции распределения
форменных элементов крови по размерам или ее моментов,
асферичности эритроцитов, основанные на измерении параметров
элементарного объема среды.
5. Исследовать физико-химические воздействия, включая лазерное
излучение, на оптические характеристики рассеянного излучения и
биофизические параметры крови.
6. Исследовать особенности спектров показателей поглощения и
некоторые биофизические параметры крови и биотканей в норме и патологии с целью выработки рекомендаций для практического использования.
?. исследовать автокорреляционные функции флуктуации интенсивности в направлении "назад" суспензий дискообразных и еферулированиых эритроцитов при многократном рассеянии и вариации плотности упаковки для получения новой биофизической и оптической информации.
Научная новизна работы.
-
Разработана методология исследования цельной крови, в основе которой лежит экспериментальное доказательство ' применимости теории переноса излучения для исследования интегральных характеристик светового поля '(коэффициенты направленного и диффузного пропускания и отражения) для слабопоглощащих "мягких." плотноупакованных частиц на примере суспензии эритроцитов. Введены и измерены эффективные параметры элементарного объема для сред с различной упаковкой частиц, с целью перенесения такого подхода на исследования крови и и других биотканей.
-
Показана перспективность спектроскопии слабых поглощений по сравнению со спектроскопией в полосах поглощения для исследования цельной крови, кровезаменителей и других биотканей . Она основана на точности измерений мнимой части комплексного показателя преломления дисперсной фазы и обеспечивает возможность исследований механизма физико-химических воздействий на биологические ткани.
3- .Разработаны новые методы определения средних размеров, действительной части комплексного показателя преломления, показателя светового давления и среднего косинуса индикатрисы рассеяния сферических частиц в широком диапазоне параметров, основанные на многократном рассеянии оптического излучения в случае слабых поглощений.
4. Впервые измерены спектры показателей поглощения крови больных сердечно-сосудистыми заболеваниями, опухолевых образований грудной и щитовидной желез в ближней инфракрасной областях спектра, параметр агрегации эритроцитов цельной крови в норме и патологии, имеющие диагностическое значение.
5- Впервые измерена мнимая часть комплексного показателе преломления латексов в видимой и ближней инфракрасной области спектра.
6. Разработаны методы определения гематокритяого отношения,
агрегационной функции эритроцитов, вритроцитамегрической кривой,
параметра асферичности эритроцитов, концентраций производных
гемоглобина методами светорассеяния, защищенные авторскими
свидетельствами.
7. Установлена взаимосвязь полуширины спектров временных
флуктуации интенсивности однократно и многократно рассеянного
излучения суспензиями еригроцитов в толщинном режиме ( в
направлении "назад" ), учитывающая оптические свойства среда;
на основе которой предложены метода определения параметра
асферичности, поглощательной способности и степени окоигеяации
эритроцитов.
8. Разработаны методики определения показателя преломления
крупных оптически "мягких" частиц, основанные на измерении
элементов поляризационной матрицы рассеяния.
Практическая значимость.
Пять новых способов определения диагностических параметров крови, защищенных авторскими свидетельствами, внедрены в ВНИИ переливания крови №3 БССР при исследовании консервированной крови.
Разработанные диагностические методы определения морфологии эритроцитов и биохимии крови и биотканей были использованы также при выполнении программы "Ликвидация последствий аварии ЧАЭС", "Атеросклероз", хоздоговоров о ИРЭ АН СССР и Кардиологическим центром АМН СССР, в рамках ДНТС с МГМИ (1994-1997).
Область использования результатов работы не ограничивается исследованиями биологических объектов. Подходы решений для сред с плотной упаковкой частиц в условиях многократного рассеяния использованы для изучения пен, снега, фотослоев, диагностики сахарного диабета, определения концентрации гемоглобина в условиях In vIto. Методы определения функции распределения частиц цо размерам использованы в гидрооптике, исследовании фоторезистов, аниатоплив и т. д.
Результаты работы могут быть использованы в спектроскопии рассеивающих сред, биофизике, реаниматологии, медицинской: диагностике, экологии, оптическом и медицинском приборостроении.
Достоверность результатов.
Достоверность результатов подтверждается адекватностью используемых теоретических моделей для расчета искомых параметров, их совпадением с известными литературными данными, корреляцией результатов, полученных: различными методами, соответствием данных численного моделирования и експерименти.
На защиту выносятся:
1. Методология исследования, в основе которой .лежит
экспериментальное доказательство ігршешшостя теории переноса
излучения для интегральных характеристик светового поля
для слабопошгощащих "мягких" шютноупакованных частиц на
примере суспензии эритроцитов; введение и измерение эффективных
параметров елементарного объема, в том числе, элементов матрицы
рассеяния, а затем перенесение такого подхода к исследованию
крови и и других биотканей любой "природы, которые в оптическом
отношении отвечают предлагаемому подходу.
-
Обоснование перспективности спектроскопии слабых поглощений по сравнении со спектроскопией в полосах поглощения для исследования цельной крови и других биотканей, обеспечивающей возможность исследования механизма биологического действия лазерного излучения и других физико-химических воздействий в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, где клетки мало поглощают и практически нет других способов определения абсолютных значений поглощения.
-
Новые методы определения средних размеров, действительной части комплексного показателя преломления, показателя светового давления и среднего косинуса индикатрисы рассеяния сферических частиц в широком диапазоне параметров, основанные на многократном рассеянии оптического излучения в случае слабых поглощений, обладаящие более высокой чувствительностью по сравнению о другими методами.
4. Обнаружение продуктов распада гемоглобина по измеренным
спектрам показателей поглощения опухолевых: образований грудной и щитовидной желез, цельной крови больных сердеино-сосудиотыми заболеваниями и яри длительном воздействии на кровь лазерного излучения.
5. Методы определения гематокритяого отношения , средних
размеров агрегатов эритроцитов, концентрации производных
гемоглобина на единой методологической основе и
ексдариментальной базе, защищенные авторскими свидетельствами.
6. Установление взаимосвязи полуширин спектров временных
флуктуации интенсивности однократно и многократно рассеянного
излучения суспензиями еритроцитов в толщинном режиме ( в
направлении "назад" ) с учетом оптических свойств среды, в
результате которых предложены методы определения параметра
асферичности, поглощательяой способности и степени оксигенации
гемоглобина еритроцитов.
-
Новые методы определения еритроцитометрической кривой, параметра асферичности эритроцитов, основанные на измерениии показателя ослабления суспензии еритроцитов в спектральной области 300 - 960 нм, защищенные авторскими свидетельствами.
-
Методики определения показателя преломления крупных оптически "мягких" частиц, основанные на измерении элементов матрицы рассеяния монослоя сферических и асферических частиц, в том числе при их плотной упаковке.
Совокупность приведенных положений составляет основу нового направления в оптике рассеивающих сред, которая позволила разработать физически обоснованные методы исследования крови и других биотканей видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, близких к нативному, с перспективой перенесения подходов в условия in vivo.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации изложены в 34 статьях рецензируемых журналов, 11 аторских свидетельствах, 1 препринте и 45 тезисах докладов и статьях в трудах конференций и школ (из них 20 - в трудах международных конференция). Они докладывались на следующих совещаниях, конференциях, семинарах и школах по спектроскопии рассеивающих сред:
III Всесоюзное совещание по управляемому биосинтезу и биофизике популяций АН СССР (Красноярск, 1973), Всесоюзное совещание механизма регуляции в системе крови (Красноярск, 1978), Всесоюзные школы по- оптике рассеивающих сред (Минск, 1980, 1990), Ваесошное совещание по распространению лазерного излучения в дисперсной среде (Обнинск, 1982, 1985; Барнаул-Обнинск, 1988), III Всесоюзная конференция по спектроскопии рассеивающих сред (Батуми, 1983), Республиканская конференция "Современные проблемы медтехники (Минск, 1983), Всесоюзная конференция "Современные методы контроля лазерного облучения крови и оценки лазерной терапии (Новосибирск, 1990), Всесоюзное совещание "Лазерная диагностика функционального состояния крови" (ФИАН, НЩ MP, Обнинск, 1991), "Лазеры" (МГУ-СТУ, Саратов, 1987), "Математические методы и средства вычислительной техники в лазерной диагностике и терапии" (Минск, 1990), III Республиканский съезд кардиологов совместно с кардиологами СНГ (Минск, 1994), Всесоюзный семинар "Биофизика водных систем (ЛГУ Ленинград, 1985, 1987), семинар "Биомеханика" (МГУ, Институт физиологии им. И.П.Павлова, 1986, 1989, 1994, 1995, 1997). Международные конференции: "Медицинская биомеханика (Рига, 1986), Biomedical Optica (Лос Андаелес, 1993; Будапешт, 1993; Лилль, 1994; Барселона, 1995; Вена, 1996), "Laser Application. In Life Sciences" (Москва, 1990; Минск, 1994; Иена, 1996), Laser Optics (С.-Петербург, 1993), Прикладная оптика (С.-Петербург, 1996), Transter processes in biomedical problems (Минск, 1995), Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении (Саратов, 1997).
Личный вклад соискателя.
Автору цринадлекит постановка экспериментов, разработка аппаратуры и методик экспериментов, включая выполнение первоначальных и части основных измерений, а также обработки и анализа приведенных в диссертации результатов и методологии исследования.
На разных етапах работы експерименти проводились также Шумилиной С.Ф., дубовой Г.С., Олейник Т.В., Королевичем А.Н., Макаревич С.А., Шубочкиным Л.П., Кузнецовой И.Н., Безруковой А.Г., Козловым В.Д., Гайбулаевым Б.А. Теоретические
расчеты сделаны Кацевым И.Л., Науменко Е.К., Пришивалко і.П. и Баруном В.В. Объекты исследования с медико - биологическим сопровоздением предоставлялись Бондаренко B.C., Костиным F.M., Пригун Н.П., Севковским Я.И., Мишуровым Э.А., Кузнецовой К.Н.. В обеуздешш результатов исследований принимали участие Иванов A.II., Артишевекая Н.Н., Зеге Э.Д., Юсупова Л.В., Буи I.U. и перечисленные выше соавторы работ. *
Публикации.
По теме , диссертации опубликовано 90 -работ. Результаты исследований, носящие принципиальный: характер, отражены в 54 публикациях, приведенных в конце реферата.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, восьми глав и списка цитируемой литературы, четырех актов внедрения заявок на изобретения. Работа изложена на 270 стр. и включает около 200 стр. текста, 59 рисунков, 40 таблиц и 330 литературных источников.
