Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Экспериментальное обоснование применения метода лазерной корреляционной спектроскопии для исследований биотканей IN VIVO Меглинский, Игорь Владиславович

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Меглинский, Игорь Владиславович. Экспериментальное обоснование применения метода лазерной корреляционной спектроскопии для исследований биотканей IN VIVO : автореферат дис. ... кандидата физико-математических наук : 03.00.02 / Саратовский ун-т.- Саратов, 1997.- 19 с.: ил. РГБ ОД, 9 98-5/2610-6

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время лазерная техника широко применяется в іазличньгх областях медицины и биологии. С помощью лазеров эффективно решаются шогочисленные залами терапии, хирургии н диагностики различных заболевании.

Огромный интерес в последнее время был проявлен к изучению свойств лазерных іучков, прошедших сквозь многократно рассеивающие случайно-неоднородные среды [О.Н.Барабаненкоп, Ю.А.Кравцов, В.Л.Кузьмин, В.П.Романов, A.Ishimaru, G.Maret, E.Wolf, ).].Pine, D.A.Weitz, A.G.Yodli, M.Tamura и многими другими). Что связано с развитием методов птической диффузионной томографии многократно рассеивающих случайно-неоднородных ред, в том числе биотканей и внутренних органов.

In vivo зондирование биотканей лазерными пучками уже находит применение в еднцине, в том числе, в задачах медицинской диагностики для определения местоположения ггухолен, визуализации гематом, определения глубины повреждений тканей при ожогах. В астоящее время в этих и смежных областях активно работают многие научные группы: .Chance, E.Gratton, S.L.Jacques, R.Alfano (США), G.MuIIer (Германия), D.T.Delpy іеликобританпя), G.Maret (Франция), R.Cubeddu (Италия), M.Tamura (Япония) и другие. В плен стране наибольший прогресс достипгут научными группами А.В.Приезжева (МГУ, Москва), Г.Б.Альтшулера (СПИТМО, г.Санкт-Петербург), Ю.Т.Мазуренко (ГОП, г.Санкт-етербург), В.В.Тучнна (СГУ, г.Саратов), А.А.Сергеева (Институт прикладной физики РАН, Н.Новгород) и некоторыми другими. Результаты этих исследований регулярно обсуждаются на )ссннскнх и международных симпозиумах, школах, семинарах и конференциях различного ювня и направленности по проблемам применения лазеров в биологии и медицине в России и рубежом (Саратов 92-96; Минск 94; San Jose 92-97; Los Angeles 89-94; Orlando 95-97 и др.). ітерес к этим проблемам объясняется практической значимостью оптических методов /нкционалыюй диагностики живых объектов.

Одним нз важных примеров развития, практического применения и дальнейшей рспектнвы использования оптических методов для решения биомеднцинскнх агностических задач является метод так называемой диффузионно-волновой спектроскопии ВС). Этот метод основан на измерении и анализе временной автокорреляционной функции укгуацнй интенсивности многократно рассеянного излучения, что несет принципиально вую информацию о движении рассенвателей в случайно-неоднородных многократно :сеивающпх средах. Используя этот метод можно фиксировать перемещение рассеивающих

частин на очень малые расстояния - до сотых долей длины волны используемого излучения X, то время, как все прочие методы чувствительны лишь к перемещениям расссивателсн и расстояния порядка X. Необходимо также отметить, что предлагаемый оптический мето, является единственным методом, позволяющим измерять скорости относительно медленных (д< 10' см/с) потоков рассеивающих частиц в условиях многократного рассеяния света в среде.

Исследования в этом направлении представляются полезными для многих областе] биофизики и медицины. Однако применение этого метода для in vivo мониторинга структурі биотканей и параметров кровотока должно быть обосновано.

Целы» настоящей работы япляется: развитие корреляционного оптического метод регистрации динамических нсоднородностсп в сильно рассеивающих средах и применена этого метода для неннвазншюго мониторинга средней скорости кровотока в мышечных тканя; п коже человека н животных.

Задачи, решаемые в работе:

  1. Исследование процесса распространения лазерного излучения в мутных силык рассеивающих средах, содержащих динамические макронеоднородности с размерамі существенно превышающими длину волны зондирующего излучения.

  2. Изучение закономерностей изменения временной автокорреляционной функции пол; многократно рассеянного излучения в зависимости от изменения динамических характернстш исследуемого объекта (концентрации рассеивателей, средней скорости потока, длннь когерентности зондирующего лазера, длины волны и др.).

3. Разработка экспериментальной установки и неннвазнвного метода мониторинг:
динамических нсодиородиостей в сильно рассеивающих средах.

  1. Исследование влияния условий детектирования н обработки данных на отношение сигнал-шум при вычислении автокорреляционной функции поля н возможности его увеличения.

  2. Визуализация изображения динамической неоднородности из экспериментально получепиыл автокорреляционных функции поля рассеянного излучения.

6. Апробация установки и метода измерений в различных модельных экспериментах и і
экспериментах с живыми объектами, в том числе и с учетом физиологического состоянш
исследуемого обьекта.

Научная новизна. Впервые показано, что по изменению фрагменте: автокорреляционной функции флуктуации интенсивности и поля днффузнонно-отражеиногс многократно рассеянного лазерного излучения можно характеризовать средшою скорость

ровотока in vivo с учетом регистрируемого физиологическою состояния исследуемого объекта. Іоказано, что экспериментальный метод чувствителен также к изменению статических іараметров среды: коэффициентов рассеяния и поглощения исследуемой ткани (in vivo).

Создана экспериментальная установка для in vivo измерений средней скорости ровотока, а также различных потоков жидкости с взвешенными в ней частицами. Разработано ппаратное и методическое обеспечение, позволяющее неинвазивно характеризовать среднюю корость и физиологическое состояние кровотока.

Разработан метод, позволяющий восстанавливать изображение динамической еоднородности из набора последовательно измеренных автокорреляционных функций поля, азработано аппаратное и программное обеспечение, позволяющее осуществлять мониторинг инамических неоднородностей, находящихся внутри многократно рассеивающей среды.

Показана и реализована возможность увеличешгя отношения сигнал-шум при цновременном уменьшении времени измерения и мощности зондирующего излучешгя путем спользования специальных приемов освещения исследуемого образца.

Достоверность научных результатов. Достоверность полученных результатов эдтверждается воспроизводимостью экспериментальных результатов, их корреляцией с :гистрируемыми физиологическими процессами, соответствием результатов численного оделирования и физического эксперимента, а также соответствием результатам, полученных тугими исследователями.

На защиту выносятся следующие положения и результаты: Анализ фрагментов временной автокорреляционной функции поля многократно рассеянного лазерного излучения для временных задержек малой длительности позволяет: - исследовать и визуализировать поток частиц локализованный в случайно-неоднородной многократно рассеивающей среде, включая кровоток в экспериментах с живыми объектами; - оценивать статический коэффициент рассеяния исследуемой среды.

Доказательство перспективности метода для in vivo измерений средней скорости кровотока с учетом физиологического состояния кровотока.

Разработанные и апробированные оригинальные схемы ввода лазерного излучения в исследуемую среду, позволяющие уменьшить мощность падающего излучения и время измерения.

Апробация метода измерений и экспериментальной установки в различных модельных экспериментах и в экспериментах с живыми объектами, включая человека.

Практическая значимость результатов работы: Создана установка и разработан методика in vivo измерений и мониторинга средней скорости кровотока в диапазоне до 20 см/с мышцах и коже человека. Разработано и апробировано аппаратное и методическое обеспечени для in vivo измерений средней скорости кровотока в больших и малых сосудах, сети капилляро в мышцах и коже, опухолях и других биологических тканях, что необходимо для обоснованны: оценок кровотока в живой ткани, развития экспериментальных неинвазшшых методо измерения скоростей различных биопотоков, для получения информации в интереса: фундаментальной медицины и физиологии.

Показана практическая возможность восстановления изображения динамическоі неоднородности, находящейся внутри многократно рассеивающей среды.

Полученные в данной работе результаты используются при выполнении совместной международного гранта: «The Development of a Non-invasive Speckle Technique for Monitoring an< Quantifying of Tissue Structure and Blood Flow» в соответствии с совместной Росснйско Американской научно-технической программой: The U.S. Civilian Research and Developmen Foundation For the Independent States of the Former Soviet Union (CRDF) между Саратовскм-государственным университетом и университетом Пенсильвании, США; гранта "Научные школы; НИР "Бнолазер".

Апробация работы. Основные результаты неоднократно докладывались и обсуждалнеї на следующих международных и отечественных научных конференциях: International Symposium on Biomedical Optics, Europe'93, (Budapest, Hungary, 1993); The Internationa! Symposium on Biomedical Optics, Europe'94, (Lille, France, 1994); 5th International Conference or Laser Application in Life Sciences, (Минск, Белоруссия, 1994); European Biomedical Optics Week, BiOS Europe'95, (Barcelona, Spain, 1995); Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics Topical Meeting, (Orlando, Florida, USA, 1996); Nonlinear Dynamics and Chaos. Application in Physics, Biology and Medicine, ICND-96, (Саратов, Россия, 1996), VI Всероссийская конференция Оптические методы диагностики потоков (Москва, Россия, 1997).

Кроме того, материалы диссертации обсуждались на научных семинарах: кафедры оптики физического факультета Саратовского государственного университета; Лаборатории лазерной диагностики технических и живых систем в Институте проблем точной механики и управления РАН; факультета биохимии и биофизики Пенсильванского университета; факультета физики и астрономии Пенсильванского университета; Электро-Оптического Технологического Центра Тафтского университета.

По теме диссертации в центральной печати опубликовано 23 работы (11 статей и 12 езисов докладов на научных конференциях).

Личный вклад соискателя. Все результаты, включенные и изложенные в нссертационной работе, получены автором самостоятельно. Постановка задач исследований существлялась научным руководителем академиком РАЕН, профессором, д.ф.-м.н. Тучиным .В. и профессором Б.Чансом (университет Пенсильвания, США).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, имеющих одразделы, заключения и списка цитированной литературы из 270 наименований. Диссертация зложена на 136 страницах машинописного текста и иллюстрирована 45 рисунками.