Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Выяснение физических механизмов живых систем и возникновения развития патологических отклонений требует привлечения новых методов исследования живой материи и манипулирования биологическими структурами
Для разработки новых методов лазерной биомедицинскои диагностики необходимо подробное изучение особенностей процесса распространения света в биологических тканях, так как теоретические исследования улучшают понимание оптических измерений, усиливают возможности, надежность и полезность оптических технологий.
Для решения этих задач необходимо в первую очередь, выбрать наиболее информативные показатели, характеризующие жизнедеятельность организма. Такими показателями являются результаты анализа периферической крови. Периферическая кровь, омывающая все органы и ткани организма, несет достаточно полную информацию о его состоянии.
В работе для получения информации о состоянии гематологической системы были применены методы математического моделирования взаимодействия света (лазера) с биологическими частицами различной степени сложности. Комплексное изучение характеристик светорассеяния и поглощения позволяет быстро, интактно обнаруживать физиологические и морфологические изменения в клетках, обусловленные температурными, химическими, антибиотическими воздействиями и т.д. Выбор лазерного луча для исследования структуры биологических частиц обусловлен тем, что он не вызывает грубых патоморфологических изменений и при этом диагностика обеспечивает эффективное использование всех свойств лазерного излучения: когерентности, монохроматичности, направленности. В связи с этим, рассматриваемые в диссертации задачи по моделированию светорассеяния на биологических частицах являются актуальными.
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование электрофизических характеристик биологических объектов для возможности прогнозирования процессов свойственных гематологической системе методами асимптотической теории дифракции. Для достижения поставленной цели были разработаны следующие математические модели:
модель по исследованию оптических характеристик (дисперсии и спектра поглощения) ансамбля произвольно ориентированных сферических частиц (эритроцитов), помещенных в полость оптического резонатора.
модель для прогноза оптических характеристик (коэффициента преломления и поглощения) крови и определения скорости кровотока в капиллярном русле, облученных лазерным лучом.
модель, учитывающая клеточную морфологию форменных элементов крови.
Приведенные модели реализованы с (0ИЯТ(ЇХШЩ)(Міі1В№?аммїШМ
СИКЛИОТЕКЛ і
о»
обеспечением и апробированы в численных экспериментах В качестве программной среды был использован MATLAB 6.5.
Научная новизна и практическая ценность результатов работы.
Построены модели, дающие устойчивую вычислительную схему. Модели достаточно чувствительны к изменению коэффициента преломления крови, что дает возможность адекватно отразить и анализировать биофизические процессы, происходящие в моделируемой биоткани (коже), связанные с изменением электрофизических свойств крови.
Получены зависимости, которые могут быть использованы для прогнозирования изменений оптических свойств крови и скорости кровотока в капиллярном русле, что делает возможным исследование процессов, проявление которых связано с уменьшением эффективного диаметра капилляров и изменением электрофизических свойств крови, обусловленных различными биофизическими процессами.
На основе созданных моделей получены количественные оценки, которые могут позволить обнаружить корреляцию между электрофизическими параметрами форменных элементов крови и ее клеточных компонентов различного строения, а также между моделируемой биоткани (кожей) и их биофизическими свойствами.
Разработаны алгоритмы и программы реализации моделей в среде MATLAB 6.5, позволяющие получать аналогичные зависимости для лазеров с другими параметрами, которые могут быть применены для обработки и интерпретации экспериментальных данных.
Достоверность результатов основывается:
на надежности выбранных теоретических моделей асимптотической теории дифракции.
на сравнении теоретических оценок по построенным моделям с данными, полученными экспериментальным путем.
Положения, выносимые на защиту
математическая модель расчета спектров поглощения и дисперсии суспензии эритроцитов методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии случай in vitro и анализ, полученных на данной модели информации об оптических характеристиках ансамбля произвольно ориентированных сферических частиц, помещенных в полость оптического резонатора.
математическая модель расчета электрофизических характеристик биологической ткани, облученной лазерным пучком, и скорости кровотока в капиллярном русле случай in vivo и анализ результатов, полученных на данной модели оптических характеристик крови и скорости кровотока.
математическая модель, учитывающая морфологию форменных элементов крови и ее компонентов и визуальный графический анализ полученных результатов на данной модели для случая in vivo
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика-99"
. (Санкт-Петербург, 1999 г.), на семинаре кафедры теоретической физики Санкт-Петербургского государственного технического университета под руководством д.ф.-м.н., проф. И.Н. Топтыгина (февраль 2001 г.), на заседаниях кафедры Прикладной математики и информатики Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, на 56-й международной научно-технической конференции молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов СПбГАСУ 2003 г., на 60-й 2003 г. и 61-й конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров, аспирантов и студентов в СПбГАСУ 2004 г., на XXXVI научной конференции студентов и молодых ученых, посвященной памяти авиаконструктора И.И. Сикорского, СПбГАСУ 2004 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 печатных работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, 3-х приложений и списка литературы из 104 наименований. Каждая из глав содержит краткое введение в частную задачу данной главы с заключением. Общий объем диссертации 142 страницы машинописного текста, включая 12 рисунков и две таблицы.
