Введение к работе
Актуальность темы Метод лазерной доплеровской спектроскопии (ЛДС) за тридцать лет свюего существования зарекомендовал себя как один из наиболее удобных и информативных методов исследования динамических характеристик светорас-сеиваюших объектов. Особый интерес для биомедицинских исследований представляют исследования потоков жидкостей, присущих живым объектам (протоплазма, кровь и др.) с высоким (порядка 10 мкм) пространственным разрешением. Для проведения таких исследований разработаны лазерные доплеровские микроскопы (ЛДМ) — лазерные доплеровские анемометры высокого разрешения, построенные чаще всего на базе оптического микроскопа. В этих приборах удачно сочетаются возможности, которые предоставляет экспериментатору ЛДС (бесконтактность, высокое разрешение, неинвазивносгь, быстрота получения информации о скорости при широком диапазоне измерений и др.) с теми удобствами и возможностями исследований, которые предоставляют современные оптические микроскопы — высококачественная оптика, точная механика, широкий спектр дополнительных приставок и др. Одно из главных достоинств подобного прибора — возможность постоянного визуального контроля за исследуемым объектом, а также за размерами и положением в образце измерительного объема. Если все это сочетается с высокочувствительной аппаратурой регистрации и точной системой обработки сигнала на основе современных цифровых анализаторов спектра или фотонных корреляторов, то при помощи таких приборов можно получать результаты, которые невозможно достичь другим способом.
Со времени создания первого ЛДМ [T.Maeda, F.Fujime, f5>72 г.} несколько научных групп в мире занимались разработкой и созданием этих приборов. Были реализованы ЛДМы работающие как по однолучевой, так и по дифференциальной схеме ЛДС. регистрирующие излучение рассеянное как «перед, так и назад. Были разработаны также приборы, в которых зондирующее и рассеянное излучение транспортировалось при помощи световодов, причем в этом случае удалось достичь рекордных размеров измерительного объема — 2x2x2 мкм3, что позволило проводить измерения внутри одиночного эритроцита [T.Tanaka, I.Nishio at al.J. При помощи таких приборов проводились высокоточные измерения в искусственных капиллярах (Н.МЫняа, T.Asakural исследования мнкроцир-куляции крови [C.E.Rtva. J.E.GrumvaFd el al.|, измерения скорости кровотока в сетчатке глаза (T.Tanaka. G.BenedekJ и ряде других сосудов кровеносной системы. определение коэффициентов диффузии для различных компонент цитоплазмы
» для обработки полученной информации разработать математическое и программное обеспечение;
разработать систему стабилизации скорости течения жидкости в искусственных капиллярах, произвести калибровку прибора и отработку методики измерений;
провести измерения профилей скорости различных жидкостей в стеклянных капиллярах различного размера при стационарном и нестационарном потоке;
провести исследования скоростных характеристик течения цитоплазмы водоросли Nitelkr,
е провести анализ возможности получения информации о распределении скоростей в потоке по сигналу однолучевого ЛДС;
разработать кювету для исследования сдвигового течения Куэтта и провести
измерения профиля течения различными методами.
Новизна работы
впервые создай универсальный модульный знакочувствительный лазерный доплеровский микроскоп, автоматизированный на базе ЭВМ, с пространственным разрешением до 5 мкм и диапазоном измерения скоростей от микрон в секунду до сантиметров в секунду;
получены профили скоростей от потоков различных, в том числе и неньюто-новских, жидкостей (реополиглюкин, плазма крови с тенями эритроцитов); получены профили скорости нестационарных потоков в искусственных каналах в различных фазах цикла колебаний "капельного генератора1';
впервые методом ЛДС получен профиль скорости течения цитоплазмы в изолированной клетке пресноводной водоросли Nitetta;
впервые предложен и успешно опробован алгоритм восстановления профиля потока жидкости по спектру однолучевого ЛДС при определенных предположениях о характере течения;
Научная и практическая ценность работы
> Полностью на отечественной приборной и элементной базе собран универсальный лазерный доплеровский спектрометр высокого разрешения, с помощью которого можно решать широкий спектр разнообразных задач биологии, биофизики, медицины, гидродинамики и пр. Проведена его калибровка и отработана методика выполнения измерений. Разработано программное обеспечение, которое дает возможность осуществлять эксперимент в режиме реального времени и позволяет обрабатывать вводимый сигнал по алгоритму БПФ, вводить спектры, построенные гаектро-
оптимальным образом проводить исследования скоростных характеристик потоков светорассеивающих частиц, присущих медико-биологическим объектам, с высоким пространственным разрешением.
Разработанный пакет программ обеспечивает необходимые гибкость и удобство обработки результатов измерений.
Разработанная методика проведения измерений позволяет с хорошей точностью регистрировать профили скорости потоков различных жидкостей.
Данные, полученные при тестировании стационарных и нестационарных потоков воды, говорят о ее ньютоновских свойствах, а данные, полученные при тестировании суспензии эритроцитов о неньютоновских свойствах этой суспензии при данной концентрации;
» Предложенные алгоритмы восстановления профиля скорости по спектру одколучевого ЛДМ позволяют в ряде случаев быстро определять закон распределения скоростей.
Апробация работы и публикации
Материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах и докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всесоюзные семинары "Лазеры в народном хозяйстве" (Москва, 1986г., 1988 г.), Всесоюзный семинар "Лазерная биофизика и диагностические применения лазеров в бкологик и медицине" (Саратов, 1986г.), ХШ Международная конференция но когерентной и нелинейной оптике (Минск, (988г.), IV Советско-чехословацкий семинар "Динамика и активность биологических макромолекул: .лазерный н компьютерный эксперимент" (Ереван, 1988г.), И Международная конференция по лазерному еветорассянию биологических объектов (Печ Венгрия 1988), І1 Всесоюзный семинар "Лазерная биофизика и новые применения в медицине" (Тарту, 1989г.), Всесоюзный семинар "Измерения в потоках. Методы, аппаратура и применения" (Москва, 1990г.), Международная конференция "Оптика в науках о жизни" (Гармнш-Партикирхен, Германия, 1990г.).
Похожие диссертации на Исследование стационарных и нестационарных потоков в капиллярах методами лазерной доплеровской микроскопии
