Содержание
' I
Введение 6
Глава I
Современные методы исследования процесса распространения
лазерного излучения в сильнорассеивающих средах.
Прямая и обратная задача оптики
\
§ 1.1. Численные и аналитические методы расчета 15
1.1.1. Характеристики распространения света в биотканях 15
1.1.2 Уравнение переноса излучения 17
1.1.3. Приближенные методы решения уравнение переноса излучения 20
1.1.4. Метод Монте-Карло 23
§ 1.2. Экспериментальные методы оптической диагностики неоднородных рассеивающих сред 24
1.2.1. Метод интегрирующих сфер 24
1.2.2. Пространственно разрешенная рефлектометрия 26
1.2.3. Рефлектометрия с разрешением во времени 30
1.2.4. Оптическая Когерентная Доплеровская Томография (ОКДТ)
как метод визуализации динамических неоднородностей 33
1.2.4.1. Основы ОКТ. Принципы формирования сигнала 34
1.2.4.2. Принцип ОКДТ. Визуализация потока 36
1.2.4.3 Теоретические модели и экспериментальные
исследования ОКТ и ОКДТ 39
§ 1.3. Физические модели биологических сред 43
2
Г л а в а II
Моделирование распространения излучения в сильнорассеивающих
средах методом Монте-Карло
§ 2.1. Базовый алгоритм моделирования распространения лазерного излучения в сильнорассеивающих средах. Корпускулярный подход 46
* і
§ 2.2.Волновой подход. Сравнение корпускулярного
и волнового подходов 51
§ 2.3. Моделирование сигналов пространственно разрешенной рефлектометрни и рефлектометрни с разрешением во времени 55
§ 2.4. Моделирование сигналов ОКДТ методом Монте-Карло 59
2.4.1 Теоретическая модель сигнала ОКДТ 59
2.4.2. Алгоритм моделирования сигнала ОКД'Г методом Монте-Карло 61
§ 2.5. Выводы но главе 2 63
Г л а в а III
Визуализация структурных неоднородностей в сильнорассеивающих средах методом пространственно разрешенной рефлектометрни
§ 3.1. Метод визуализации цилиндрического кровеносного капилляра в силнорассеинающих средах методом пространственно разрешенной рефлектометрни
§ 3.2. Определения радиуса сосуда и глубины его залегания § 3.3. Выводы по главе 3
3
65
76
78
Г л а в а IV
Визуализация динамических неоднородностей методом оптической когерентной доплеровской томографии
§ 4.1. Восстановления профиля течения рассеивающей жидкости
из сигнала ОКДТ 79
4.1.1. Влияние концентрации частиц в патоке на восстановленный
из ОКДТ-сигнала профиль скоростей течения рассеивающей жидкости 79
4.1.2. Моделирование сигнала ОКДТ от слоя цельной крови 89
§ 4.2. Визуализация и определение скорости потока, заглубленного в рассеивающую среду 91
4.2.1. Профиль потока при различной глубине его залегания 91
4.2.2 Зависимость стохастических отклонения доплеровской
частоты от угла зондирования 93
§ 4.3. Влияние приповерхностного потока на восстановления профиля скорости более заглубленного потока 95
§ 4.4. Выводы по главе 4 97
Г л а в а V Оптическое определение содержании глюкозы в моделях биологических тканей
§ 5.1. Моделирование сигнала пространственно-разрешенной рефлектометрни применительно к проблеме определения содержания глюкозы в биотканях 99
5.1.1. Многослойная модель биоткани 101
5.1.2. Сигналы ПРР 103
4
5.1.3. Относительная чувствительность ПРР
5.1.4. Информативность единичного фотона
5.1.5. Карты рассеяния
5.1.6. Зависимость сигнала ПРР от концентрации глюкозы
§ 5.2. Применение метода рефлектомегрии с разрешением во времени для неинвазивного определения содержания глюкозы биотканях
5.2.1. Сигналы ВПС
5.2.2. Зависимость параметров сигнала ВПС от концентрации глюкозы
5.2.3. Относительная чувствительность сигнала ВПС
5.2.4. Повышение чувствительности сигнала ВПС с помощью временного стробирования
§ 5.3. Экспериментальное исследование влияния глюкозы на распространение сверхкоротких лазерных импульсов в физических моделях биоткани
5.3.1. Экспериментальная установка и исследуемый объект
5.3.2. Процедура измерения и результаты § 5.4. Выводы по главе 5
Заключение
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследовании. Одним из актуальных направлений современной биомедицинской оптики [1, 2] является развитие методов
зондирования биологических сред излучением видимого и ближнего ИК диапазонов, позволяющих осуществлять визуализацию структуры биотканей. Оптические методы исследования структуры биотканей, лежащие в основе оптической томографии (ОТ), особенно интенсивно развиваются в последнее десятилетие. Их основными преимуществами являются возможность получения высокого пространственного разрешения (1-10 мкм) и неионизирующий харакгер излучения (по сравнению с рентгеновской томографией), что обещает значительные перспективы с точки зрения безопасности, простоты и надежности устройств. Также оптические методы являются неинвазивными, т.с. дают возможность получать информацию об исследуемом объекте, не разрушая его.
Многие биоткани являются средами с сильным рассеянием. Для их диагностики часто используется лазерное излучение, длины волн которого находятся в так называемом “диагностическом-окне” 600-1300 нм. Нижняя граница окна прозрачности обусловлена сильным поглощением крови в этом диапазоне, а верхняя граница обусловлена поглощением воды. Использование излучения этого диапазона позволяет достичь наибольших глубин проникновения в среде.
В настоящее время развиваются такие методы ОТ, как оптическая когерентная томография (ОКТ) и оптическая когерентная доплсровская
томография (ОКДТ), диффузионная томография, ОТ нестационарных сред на основе спскл-корреляционных методов, а также оптоакустическая томография.
Основная проблема ОТ связана с особенностями распространения света в биотканях, как неоднородных средах с масштабами неоднородностей порядка длинны волны. В результате прошедшее, через объект световое поле характеризуется значительным преобладанием многократно рассеянных составляющих над нерассеянной (баллистической) составляющей. Это усложняет применение традиционных методов реконструкции изображения* на основе регистрации нерассеянной составляющей излучения, прошедшего через объект (рентгеновская томография) или. отраженного границами слоев с различными волновыми импедансами (ультразвуковая томография).
На* современном этапе можно выделить два основных направления развития 01'. Первое, называемое оптической диффузионной томографией (ОДТ), связано с визуализацией крупномасштабных неоднородностей в тканях с целью их визуализации и:выявления новообразований. Второе направление - исследование относительно тонких (~1мм) слоев биоткани на основе: когерентных и-поляризационных методов. Одним из методов томографии первого направления, изучаемого в данной работе и ориентированного на визуализацию структурных неоднородностей; является пространственно разрешенная рефлектометрия (ПРР) и рефлектомстрия с разрешением' во времени (времяпролетная схема (ВПС)), а второго - ОКТ и ее модификация ориентированная на визуализацию динамических неоднородностей - ОКДТ.
Методы ПРР и ВПС основаны на использовании непрерывного и импульсного зондирующего излучения и анализе характеристик рассеяггггого в заднюю полуплоскость излучения для различных положений: источника и приемника. В ОКДТ [3, 4] для выделения полезного сигнала используются принципы низкокогерентной интерферометрии.
Одним из приоритетных направлений развития оптических методов является разработка методик определения концентрации глюкозы в крови. Данное направление имеет большую социальную значимость и активно развивается многими научными группами [5, 6].
Методики лазерной диагностики в исследуемых нами областях в настоящее время разработаны не до конца. Данная работа в конечном итоге направлена на улучшение существующих, в настоящее время методов лазерной диагностики биологических тканей и выработку рекомендаций по оптимизации эксперимента в области ПРР, ВПС и ОКДТ. При этом актуальной задачей является разработка методов численного моделирования, т.к. они позволяют изучать закономерности сигналов, описывающих пространственное распределение оптических свойств среды, затрачивая на это минимальные средства, и дают возможность формулирования практических рекомендаций, полезных для проведения эксперимента и интерпретации его результатов.
Целью- диссертационной работы является разработка методов«- лазерной диагностики сред с сильным рассеянием для визуализации в них струкгурных и динамических неоднородностей, а также неинвазивного определения концентрации глюкозы в биотканях и крови человека.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
• Разработать алгоритм моделирования процесса распространения лазерного излучения в сильнорассеивающих средах и реализовать в виде программы для многопроцессорного суперкомпьютера с параллельной архитектурой;
• С использованием разработанного алгоритма произвести моделирование сигнала пространственно разрешенной рефлектометрии, исследовать возможность визуализации этим методом цилиндрических включений, имитирующих кровеносные сосуды в коже, и предложить алгоритм определения радиуса включения и глубины его залегания;
• Разработать численно-аналитический алгоритм моделирования сигнала оптического когерентного доплеровского томографа и на его основе исследовать эффекты влияния многократного рассеяния на восстанавливаемый из модельного сигнала профиль скоростей зондируемого потока, погруженного в рассеивающую среду;
• Численно исследовать возможность использования методов пространственно разрешенной рефлектометрии и рефлектометрии с разрешением во времени для неинвазивного определения уровня глюкозы в крови и биотканях
8
человека. Произвести оценку чувствительности данных методов к изменению уровня глюкозы;
• Разработать экспериментальную установку для исследования слоистых сред с помощью импульсов ультракороткой длительности. Провести экспериментальные измерения и оценки чувствительности метода рефлектометрии с разрешением во времени к изменению концентрации глюкозы в средах, моделирующих биоткани человека.
Научная новизна работы:
• Предложен и реализован на базе многопроцессорного суперкомпьютера с параллельной архитектурой оригинальный алгоритм определения радиуса и глубины залегания цилиндрического включения, имитирующего кровеносный сосуд, заглубленный в рассеивающую среду, имитирующую кожу, по диффузно отраженному от среды излучению ближнего ИК диапазона.
• На основании разработанной численной модели сигнала оптического когерентного доплсровского томографа впервые проанализировано влияние концентрации рассеивателей в потоке, а также глубины залегания потока в рассеивающей среде на восстановленный из ОКДТ-сигнала профиль скорости этого потока.
• С помощью разработанного численного метода впервые проведен сравнительный анализ относительной чувствительности методов пространственно разрешенной рефлектометрии и рефлектометрии с разрешением во времени применительно к задаче неинвазивного определения глюкозы в биотканях.
• Впервые экспериментально исследованы возможности и определена относительная чувствительность метода рефлектометрии с разрешением во времени для неинвазивного определения содержания глюкозы в средах, имитирующих биоткань.
Научная и практическая значимость работы заключается в применимости разработанного метода и алгоритма моделирования распространения лазерного излучения в силыюрассеивающих средах сложной структуры для исследования возможностей различных методов нсинвазивной лазерной биомедицинской
диагностики, для оценки оптимальных параметров экспериментальных установок, а также для правильной интерпретации получаемых экспериментальных данных.
Достоверность представленных научных результатов обусловлена тем, что данные численного расчета, представленные в работе, получены на основе алгоритма, результаты расчетов по которому находятся в хорошем соответствии с расчетами других авторов и экспериментальными данными, опубликованными в мировой научной литературе. Достоверность же экспериментальных данных, полученных в работе, подтверждается совпадением с расчетными значениями. Личный вклад автора состоит в участии в постановке задач, разработке теоретических моделей, методик расчета, методик проведения экспериментальных исследований, проведении моделирования и эксперимента, а также обработке и обсуждении полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих - международных и российских научных конференциях:
1. Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам “Ломоносов-2004”, Москва, Россия.
2. International School for Junior Scientists and Students on Optics, baser Physics and Biophysics “Saratov Fall Meeting-2004”, Saratov, Russia
3. International Topical Meeting on Optical Sensing and Artificial Vision “OSAV-2004”, St. Petersburg, Russia;
4. International Autumn School “Modem Biophysical Techniques for Human Health-2005. From Physics to Medicine”, Poiana Brasov, Romania;
5. International Scientific and Technical Conference Optical Methods of Flow Investigation “OMFI-2005”, Moscow, Russia;
6. II Eurasian congress on medical physics and engineering “Mcdacal Physics - 2005”, Moscow, Russia;
7. The 4th International Conference on Photonics and Imaging in Biology and Medicine “PIBM-2005”, Tianjin, China;
8. International Symposium “BiOS-2006”, San Jose, USA;
9. The 5th International Conference on Photonics and Imaging in Biology and Medicine “PIBM-2006”, Wuhan, China;
10
10. Russian - Chinese Workshop on Biophotonics and Biomedical Optics “BBO-2006”, Wuhan, China;
11. International Symposium “BiOS-2007”, San Jose, USA;
12. International Conference on Laser Applications in Life Sciences “LALS-2007”, Moscow, Russia;
13. European Conferences on Biomedical Optics “ECBO-2007”, Munich, Germany;
14. International Conference “Advanced Laser Technologies ALT-2007”, Levi, Finland;
15. International Scientific and Technical Conference Optical Methods of Flow Investigation “OMFI-2007”, Moscow, Russia;
16. International Autumn School “Biophysics for Medicine-2007", Mangalia, Romania;
17. The 6th International Conference on Photonics and Imaging in Biology and Medicine “P1BM-2007”, Wuhan, China.
По теме диссертации опубликованы 20 работы, из которых: 6 статей в рецензируемых журналах, 14 статей в трудах конференций. Основные результаты изложены в следующих публикациях:
1. A.B. Быков, М.Ю. Кириллин, A.B. Приезжев, "Моделирование методом Монте-Карло сигнала оптического когерентного доплеровского томографа: влияние концентрации частиц в потоке на восстановленный профиль скоростей", Квантовая электроника, 35 (2), 135-139, (2005).
2. A.B. Быков, М.Ю. Кириллин, A.B. Приезжев, "Анализ искажений профилей скоростей потоков суспензии в светорассеивагащсй среде при их реконструкции по сигналу оптического когерентного доплеровского томографа", Квантовая электроника, 35 (11), 1079-1082, (2005).
3. Л.П. Басс, О.В. Николаева, B.C. Кузнецов, А .В. Быков, A.B. Приезжев, А.А Дергачев. “Моделирование распространения оптического излучения в фантоме биологической ткани на суперЭВМ МВС 1000/М”, Математическое моделирование, 18 (1), 29-42, (2006).
4. A.B. Быков, М.Ю. Кириллин, A.B. Приезжев. “Моделирование с использованием метода Монте-Карло сигналов оптического когерентного томографа и его доплеровского варианта от модельных биологических тканей”, Оптика и спектроскопия, 101 (1), 37-43, (2006).
5. В.П. Кандидов, В.О. Милиции, А.В. Быков, А.В. Приезжев, "Использование корпускулярного и волнового методов Монте-Карло в оптике дисперсных сред", Квантовая электроника, 36 (11), 1003-1008, (2006).
6. А.В. Быков, М.Ю. Кириллин, А.В. Приезжев, Р. Мюллюля, "Моделирование сигнала пространственно-разрешенной рефлектометрии от трехслойной среды с сильным рассеянием применительно к проблеме определения содержания глюкозы в коже человека”, Квантовая электроника, 36 (12), 1125-1130, (2006).
7. A.V. Bykov, A.V. Priezzhev, R. Myllyla. “Spatial resolved diffuse reflection as a tool for determination of size and embedding depth of blood vessels”, Proc. SPIE, 6629, 6629IP, (2007).
8. M. Yu. Kirillin, A. V. Bykov, A. V. Priezzhev, R. Myllyla. “Glucose sensing in biotissue phantom by spatial resolved rcflectomctry: Monte Carlo simulations”, Proc. SPIE, 6534, 65343A, (2007).
9. M.Yu. Kirillin, A.V. Bykov, A.V. Priezzhev, R.Myllyla. ’’Optical glucose sensing in biotissue phantom by diffuse reflectance technique”, Proc. SPIE, 6445, 64450U, (2007).
10. A.V. Bykov, A.P. Popov, A.V. Priezzhev, J. Hast, R.A. Myllyla. “Feasibility of glucose sensing by time- and spatial-resolved detection: Monte Carlo simulations of diffuse reflection in a three-layer skin model”, Proc. SPIE, 6094, 26-32, (2006).
11. A. V. Bykov, M. Yu. Kirillin, A. V. Priezzhev, R. A. Myllyla. ’’Effect of multiple scattering on the accuracy of velocity profile reconstruction from the Monte-Carlo simulated OCDT signal in a model of biological tissues”, Proc. SPIE, 6094, 41-47, (2006).
12. A.V. Bykov, A.V. Priezzhev, L.P. Bass, O.V. Nikolaeva, V.S. Kuznetsov, R.A. Myllyla. “Simulation of light propagation in highly scattering media mimicking biotissucs: comparison of different algorithms”, Proc. SPIE, 6047, 604719-1 - 604719-8, (2006).
13. A.V. Bykov, M.Yu. Kirillin, A.V. Priezzhev, R.A. Myllyla. “Monte Carlo simulation of the optical coherence Doppler tomography signals from blood flows in light scattering media: problem of flow velocity profile reconstruction”, Proc. SPIE, 6262, 29-36, (2006).
12
- Київ+380960830922