WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

САРАТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО

На правах рукописи

БАШКАТОВ АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ БИОТКАНЕЙ

ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НИХ ОСМОТИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ

ИММЕРСИОННЫМИ ЖИДКОСТЯМИ

03.00.02 - биофизика Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

доктор физико-математических наук профессор В.В. Тучин кандидат физико-математических наук с.н.с. В.И. Кочубей Саратов Оглавление Введение……………………………………………………………………………..… 1. Структура и оптические свойства биологических тканей - методы определения и управления. Обзор литературы….………………………….. 1.1 Теория переноса излучения. Уравнение переноса излучения в сильно рассеивающих средах и методы его решения………………………...…… 1.2 Методы определения оптических параметров биологических тканей…... 1.3 Структура и оптические свойства биологических тканей……………...…. 1.3.1 Структура и оптические свойства склеры глаза……………………….. 1.3.2 Структура и оптические свойства твердой мозговой оболочки…...… 1.3.3 Структура и оптические свойства кожи……………………………….. 1.4 Диффузия жидкостей в биологических тканях……………………………. 1.5 Влияние pH диффундирующего раствора на набухание биоткани………. 1.6 Методы управления оптическими параметрами биотканей……………… 1.7 Выводы……………………………………………………………………….. 2. Определение оптических параметров биологических тканей…………..… 2.1 Аппаратура и методы исследования……………………………………...… 2.2 Определение оптических параметров тканей склеры глаза, твердой мозговой оболочки человека, кожи крысы и частиц натурального меланина……………………………………………………………………… 2.3 Методика определения спектральной зависимости показателя преломления рассеивающих частиц и внутритканевой жидкости биотканей…………………………………………………………………….. 2.4 Определение спектральной зависимости показателя преломления вещества рассеивателей склеры глаза, частиц натурального меланина и внутритканевой жидкости кожи………………………………………….… 2.5 Основные результаты исследований…………………………………….…. 3. Исследование влияния осмотически активных веществ на оптические свойства биотканей……………………………………………………………... 3.1 Материалы и методы исследования………………………………………... 3.2 Результаты и обсуждение…………………………………………..……… 3.3 Основные результаты исследований…………………………………….... 4. Определение коэффициентов диффузии осмотически активных веществ в биологических тканях………………………………………...………………. 4.1 Аппаратура и методы исследований…………………………………….... 4.2 Методика определения коэффициентов диффузии осмотически активных веществ в биологических тканях in vitro…………………………….……. 4.3 Исследование временной динамики коллимированного пропускания образцов биотканей под действием осмотически активных иммерсионных жидкостей………………………………………………………………..….. 4.4 In vitro определение коэффициентов диффузии осмотически активных веществ в биотканях…...………………………………………………..….. 4.5 In vivo исследования влияния осмотически активных веществ на оптические свойства биотканей……………………..…………………..… 4.6 Оценка коэффициента диффузии 40%-раствора глюкозы в биотканях in vivo……………………………………………………………………...…… 4.7 Основные результаты исследований…………………………………….... Заключение и основные результаты……………………………………………. Список литературы……………………………………………………………...…

ВВЕДЕНИЕ

Современные медицинские технологии Актуальность проблемы.

базируются на фундаментальных исследованиях в биофизике, физике, математике, химии и биологии. Стремительное развитие новых оптических методов, используемых в различных областях биологии и медицины для изучения проницаемости клеточных мембран, диффузии веществ в клеточных структурах, фотодинамической и фототермической деструкции клеток и тканей, а также для разработки новых подходов в фотодинамической терапии, оптической томографии, оптической биопсии и т.д., обуславливает необходимость определения оптических характеристик клеточных структур и биотканей.

Знание оптических свойств биотканей является одним из ключевых моментов при разработке математических моделей, адекватно описывающих распространение света в биотканях [82, 99, 100, 130, 163, 221, 226, 235, 288, 301, 339, 372]. Модели, основывающиеся на теории переноса излучения, которые на сегодняшний день наиболее широко используются в биомедицинской оптике, оперируют феноменологическими коэффициентами поглощения и рассеяния, расчет которых может быть выполнен с использованием теории Ми [17, 44, 54, 70, 72, 99, 100, 160, 167, 168, 201, 282, 316, 321]. Однако применение теории Ми для расчета оптических характеристик рассеивающих свет частиц биотканей требует знания размеров рассеивателей и значений показателей преломления как самих рассеивателей, так и окружающей их среды [17, 356]. Оценка размеров рассеивателей может быть выполнена как с использованием методов оптической или электронной микроскопии [251, 253, 321, 339, 360], так и с использованием спектротурбидиметрических методов анализа дисперсных систем [321]. Однако, спектральная зависимость значений показателей преломления как самих рассеивателей биотканей, так и окружающей их внутритканевой жидкости продолжает оставаться недостаточно изученной к настоящему времени.



Существует целый ряд работ, в которых приводятся значения показателей преломления биотканей или отдельных образующих их компонентов [37, 49, 63, 74, 76, 95, 100, 104, 117, 131, 152, 163, 209, 255, 270, 308, 335, 337, 339, 360, 367].

К сожалению, в большинстве представленных работ значения показателей преломления приведены только для одной отдельно взятой длины волны.

Поскольку прямое измерение показателей преломления в биотканях является достаточно сложной экспериментальной задачей, то возникает потребность в разработке методов и методик, направленных на оценку спектральной зависимости показателей преломления как рассеивателей, так и окружающей их среды на основе стандартных спектрофотометрических измерений.

Возможность in vivo управления оптическими характеристиками биотканей важна для многих направлений лазерной медицины. Такое управление в конечном итоге сводится к изменению рассеивающих или поглощающих свойств среды, которая либо экранирует объект исследования (или фотовоздействия), либо сама является таким объектом [99, 100, 339]. Например, оптическое просветление склеры глаза человека за счет ее сдавливания концом волоконного световода позволяет осуществлять лазерную транссклеральную коагуляцию цилиарного тела и ретинальной оболочки [309]. Ожидается, что просветление склеры за счет применения осмотически активных жидкостей будет полезным как при развитии неинвазивных методов оптической диафаноскопии и томографии глазного яблока, так и при индикации гомеостаза тканевых жидкостей, вызванного, например, дисбалансом содержания глюкозы или соответствующими физиологическими нарушениями, обусловленными воспалением или травмой [337]. Уменьшение рассеивающих характеристик кожи позволит значительно повысить эффективность оптической томографии, лазерного термолиза, хирургии новообразований и т.д.

Для построения математических моделей, адекватно описывающих процессы взаимодействия осмотических жидкостей с биотканями, необходимо знание коэффициентов диффузии данных жидкостей в биотканях. Несмотря на то, что диффузия многих биологически совместимых жидкостей в водных растворах достаточно хорошо изучена к настоящему времени [18, 20, 63, 86, 95], их диффузия в биотканях продолжает оставаться малоизученной областью исследований [59, 63, 121, 150, 214, 296, 319, 337].

Целью диссертационной работы является разработка моделей, адекватно описывающих воздействие иммерсионных агентов на оптические свойства биотканей, а также теоретическое и экспериментальное исследование оптических параметров биотканей.

следующие задачи:

1 Разработка, на основе стандартных спектрофотометрических измерений, алгоритма определения спектральной зависимости показателей преломления вещества рассеивающих частиц и внутритканевой жидкости в биотканях и моделирующих их фантомах.

2 Проведение спектрофотометрических исследований оптических характеристик биотканей и определение, на основе предложенной методики, спектральной зависимости показателя преломления вещества рассеивателей тканей склеры глаза, кожи и частиц меланина.

3 Исследование спектральной и временной динамики оптического просветления биологических тканей in vitro и in vivo под действием различных иммерсионных жидкостей.

4 Разработка методики определения коэффициентов диффузии различных осмотически активных иммерсионных жидкостей в биотканях, основанной на регистрации временной динамики коллимированного пропускания.

5 Определение, на основе предложенной методики, коэффициентов диффузии глицерина, а так же водных растворов глюкозы и маннитола различных концентраций при диффузии их в склере глаза, твердой мозговой оболочке и 6 Разработка методики определения коэффициентов диффузии иммерсионных жидкостей в тканях человека и экспериментальных животных, основанной на in vivo регистрации временной динамики изменения коэффициентов отражения.

7 Определение, на основе предложенной методики, коэффициентов диффузии водного 40%-раствора глюкозы в коже человека и экспериментальных животных.

выполненных in vivo и in vitro исследований и впервые полученных результатов.

Они сводятся к следующему:

1. Разработан алгоритм определения спектральной зависимости показателей преломления вещества рассеивателей и внутритканевой жидкости биотканей, основанный на стандартных спектрофотометрических измерениях проводимых при замещении одного или нескольких компонентов биоткани веществом с известными спектральными характеристиками показателя преломления.

2. Впервые определена спектральная зависимость показателя преломления вещества рассеивателей склеры глаза, частиц натурального меланина и внутритканевой жидкости кожи в видимом диапазоне длин волн.

3. Исследовано изменение оптических характеристик склеры глаза, твердой мозговой оболочки и кожи in vitro под действием различных осмотически активных иммерсионных жидкостей.

4. Разработана методика определения коэффициентов диффузии осмотически активных иммерсионных жидкостей в биотканях, основанная на регистрации временной динамики коллимированного пропускания. Предложена осмотически активных жидкостей с биотканями.

5. Впервые измерены коэффициенты диффузии водных растворов глюкозы различной концентрации в склере глаза, твердой мозговой оболочке и коже.

6. Впервые измерен коэффициент диффузии глицерина в коже.

просветления склеры глаза при воздействии на нее 40%-раствором глюкозы.

просветления кожи человека при подкожной инъекции 40%-раствора глюкозы.

9. В рамках предложенной математической модели впервые проведено in vivo определение коэффициента диффузии 40%-раствора глюкозы в коже человека.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что проведенные исследования существенно расширяют возможности оптической медицинской диагностики и терапии, повышают эффективность методов управления оптическими параметрами биотканей и открывают новые возможности для моделирования процессов распространения излучения в биотканях.

Полученные в работе результаты использовались при выполнении научных исследований по следующим грантам:

фундаментальных основ лазерного мониторинга структуры и параметров биологические" 1996-1999 гг. (руководитель – профессор В.В. Тучин).

2. Грант РФФИ "Ведущие научные школы" № 00-15-96667 2000-2002 гг.

(руководитель – профессор В.В. Тучин).

3. Международный грант CRDF REC-006, 2000-2003 гг.

Достоверность представленных научных результатов обусловлена тем, что они получены на основе апробированных методик расчета и измерений.

Достоверность подтверждается воспроизводимостью экспериментальных результатов, а также соответствием результатам, полученным другими исследователями.

Личный вклад автора состоит в участии в постановке задач, проведении экспериментальных исследований, разработке теоретических моделей и методик, обработке и обсуждении полученных результатов и выполнении компьютерного моделирования.

Экспериментальные исследования выполнены совместно с В.В. Тучиным, В.И. Кочубеем, Ю.П. Синичкиным и Гениной Э.А.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1 Спектральные зависимости показателей преломления вещества рассеивателей склеры глаза, внутритканевой жидкости кожи и частиц натурального меланина.

2 При иммерсионном просветлении биотканей одновременно уменьшается относительный показатель преломления вещества рассеивателей и, вследствие изменения кислотности внутритканевой жидкости, изменяется толщина образца биоткани. При этом размеры рассеивателей изменяются незначительно - в пределах ошибки эксперимента.

3 Методика in vitro определения коэффициентов диффузии осмотически активных иммерсионных жидкостей в биотканях, основанная на регистрации временной динамики изменения коллимированного пропускания и математической модели, учитывающей изменение относительного показателя преломления рассеивателей и толщины исследуемых образцов, вызванное набуханием или сжатием биоткани. Значения коэффициентов диффузии водных растворов глюкозы различной концентрации в склере глаза, твердой мозговой оболочке и коже.

4 Методика определения коэффициентов диффузии осмотически активных иммерсионных жидкостей в биотканях in vivo, основанная на регистрации временной динамики изменения коэффициентов отражения. Значение коэффициента диффузии водного 40%-раствора глюкозы в коже человека.

Апробация работы: Основные результаты диссертации докладывались и конференциях:

1. Light Scattering Technologies for Mechanics, Biomedicine and Material Science "SFM'98" (Саратов, 1998);

2. Optical Technologies in Biophysics and Medicine "SFM'99" (Саратов, 1999);

3. Clinical Applications "BiOS'99". Conference "Ophthalmic Technologies IX" (San Jose, USA, 1999);

4. International Conference on Biomedical Optics "BMO'99" (Wuhan, China, 1999);

5. Optical Diagnostics Technologies "BiOS 2000". Conference "Optical Biopsy III" (San Jose, USA, 2000);

6. Clinical Applications "BiOS 2000". Conference "Ophthalmic Technologies X" (San Jose, USA, 2000);

7. European Biomedical Optics Week "EBiOS 2000". Conference on "Controlling of Tissue Optical Properties: Applications in Clinical Study" (Amsterdam, Netherlands, 2000);

8. International Symposium on Optics and Optoelectronic Inspection and Control:

Techniques, Applications and Instruments "OEC 2000". Conference Biomedical Photonics and Optoelectronic Imaging (Beijing, China, 2000);

9. Clinical Treatment and Diagnostics "BiOS 2001". Conference "Cutaneous Applications of Lasers: Dermatology and Plastic Surgery" (San Jose, USA, 2001);

10. European Conference on Biomedical Optics "EBiOS'2001". Conference "Diagnostic Optical Spectroscopy in Biomedicine" (Munich, 2001);

11. Lasers and Electro-Optics, CLEO/Pacific Rim 2001. The 4th Pacific Rim Conference (Chiba, Japan, 2001);

12. Clinical Technologies: Surgical and Diagnostic "BiOS 2002". Conference "Ophthalmic Technologies XII" (San Jose, USA, 2002);

13. Localized Biochemical and Physiological Monitoring "BiOS 2002". Conference "Functional Monitoring and Drug-Tissue Interaction" (San Jose, USA, 2002).

По теме диссертации опубликована 21 работа. Основные результаты изложены в следующих публикациях:

1. Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Tuchin V.V., Sinichkin Yu.P. The influence of osmotically active chemical agents on the transport of light in the scleral tissue // Proc. SPIE. – 1998. - Vol. 3726. - P. 403-409.

2. Bashkatov A.N., Tuchin V.V., Genina E.A., Sinichkin Yu.P., Lakodina N.A., Kochubey V.I. The human sclera dynamic spectra: in vitro and in vivo measurements // Proc. SPIE. – 1999. - Vol. 3591. - P. 311-319.

3. Tuchin V.V., Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Lakodina N.A., Simonenko G.V., Sinichkin Yu.P., Proshina Yu.M., Razumikhina N.A. Optics of living tissues with controlled scattering properties // Proc. SPIE. – 1999. - Vol.

3863. - P. 10-21.

4. Bashkatov A.N., Genina E.A., Sinichkin Yu.P., Lakodina N.A., Kochubey V.I., Tuchin V.V. Estimation of glucose diffusion coefficient in scleral tissue // Proc.

SPIE. - 2000. - Vol. 4001. - P. 345-355.

5. Genina E.A., Bashkatov A.N., Lakodina N.A., Murikhina S.A., Sinichkin Yu.P., Tuchin V.V. Diffusion of glucose solution through fibrous tissues: in vitro optical and weight measurements // Proc. SPIE. – 2000. - Vol. 4001. - P. 255-261.

1. Башкатов А.Н., Генина Э.А., Синичкин Ю.П., Тучин В.В. Исследование изменения коэффициента отражения склеры глаза человека под действием Международной молодежной научной школы по оптике, лазерной физике и биофизике. – Саратов: Изд-во СГУ, 2000. - С. 147-149.

7. Башкатов А.Н., Тучин В.В. Расчет фактора анизотропии склеры глаза человека в приближении скалярной теории дифракции // Проблемы оптической физики.

Материалы Международной молодежной научной школы по оптике, лазерной физике и биофизике. – Саратов: Изд-во СГУ, 2000. - С. 149-151.

8. Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Lakodina N.A., Tuchin V.V.

Osmotical liquid diffusion within sclera // Proc. SPIE. – 2000. - Vol. 3908. - P. 266Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Stolnitz M.M., Bashkatova T.A., Novikova O.V., Peshkova A.Yu., Tuchin V.V. Optical properties of melanin in the skin and skin-like phantoms // Proc. SPIE. – 2000. - Vol. 4162. - P. 219-226.

10. Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Sinichkin Yu.P., Korobov A.A., Lakodina N.A., Tuchin V.V. In vitro study of control of human dura mater optical properties by acting of osmotical liquids // Proc. SPIE. – 2000. - Vol. 4162. - P. 182Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Tuchin V.V. Estimation of wavelength dependence of refractive index of collagen fibers of scleral tissue // Proc. SPIE. – 2000. - Vol. 4162. - P. 265-268.

12. Bashkatov A.N., Genina E.A., Korovina I.V., Kochubey V.I., Sinichkin Yu.P., Tuchin V.V. In vivo and in vitro study of control of rat skin optical properties by acting of osmotical liquid // Proc. SPIE. – 2000. - Vol. 4224. - P. 300-311.

13. Bashkatov A.N., Genina E.A., Korovina I.V., Sinichkin Yu.P., Novikova O.V., Tuchin V.V. In vivo and in vitro study of control of rat skin optical properties by acting of 40%-glucose solution // Proc. SPIE. – 2001. - Vol. 4241. - P. 223-230.

14. Мурихина С.А., Башкатов А.Н., Генина Э.А., Кочубей В.И., Тучин В.В.

исследования влияния осмотически активных жидкостей на биоткани // Проблемы оптической физики. Материалы 4-й Международной молодежной научной школы по оптике, лазерной физике и биофизике. – Саратов: Изд-во СГУ, 2001. - С. 51-53.

15. Tuchin V.V., Bashkatov A.N., Maksimova I.L., Sinichkin Yu.P., Simonenko G.V., Genina E.A., Lakodina N.A. Eye tissues study // Proc. SPIE. – 2001. - Vol. 4427. P. 41-46.

16. Тучин В.В., Башкатов А.Н., Генина Э.А., Синичкин Ю.П., Лакодина Н.А. In vivo исследование динамики иммерсионного просветления кожи человека // Письма в ЖТФ. – 2001. - Т. 27. – 12. - С. 10-14.

17. Genina E.A., Bashkatov A.N., Sinichkin Yu.P., Lakodina N.A., Korovina I.V., Simonenko G.V., Tuchin V.V. In vivo and in vitro study of immersion clearing dynamics of the skin // Proc. SPIE. – 2001. - Vol. 4432. - P. 97-102.

18. Meglinski I.V., Matcher S.J., Bashkatov A.N., Genina E.A., Tuchin V.V. Confocal probing of skin during it clearing // Lasers and Electro-Optics, CLEO/Pacific Rim 2001. The 4th Pacific Rim Conference, Chiba, Japan. – 2001. - Vol. 1. - P. I-234-ITuchin V.V., Bashkatov A.N., Genina E.A., Sinichkin Yu.P. Scleral tissue clearing effects // Proc. SPIE. – 2002. - Vol. 4611-07.

20. Bashkatov A.N., Genina E.A., Sinichkin Yu.P., Tuchin V.V. The influence of glycerol on the transport of light in the skin // Proc. SPIE. – 2002. - Vol. 4623-18.

21. Genina E.A., Bashkatov A.N., Korovina I.V., Sinichkin Yu.P., Tuchin V.V. Control of skin optical properties: in vivo and in vitro study // Asian Journal of Physics. – 2002. - Vol. 10. – 4. - P. 147-156.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, основной части, содержащей четыре главы, заключения и списка цитируемой литературы из 384 наименований. Диссертация содержит 129 страниц машинописного текста, таблиц и иллюстрирована 93 рисунками. Общий объем диссертационной работы 198 страниц.

Во введении обоснована актуальность, отмечена научная новизна и практическая значимость работы, формулируются цели и задачи исследования и кратко излагается содержание диссертации.

В первой главе представлен обзор отечественной и зарубежной литературы, посвященный описанию методов решения обратных задач оптики сильно рассеивающих сред. Подробно рассмотрены структура и оптические свойства склеры глаза, твердой мозговой оболочки и кожи исследованных в рассеивающими и поглощающими свойствами биологических тканей, в том числе и метод оптической иммерсии, т.е. согласования показателей преломления рассеивающих центров биотканей и внутритканевой жидкости, изменяющийся за счет введения в биоткань иммерсионных жидкостей.

Во второй главе представлены результаты спектрофотометрических измерений диффузного отражения и пропускания склеры глаза и твердой мозговой оболочки. Получены спектральная зависимость коэффициента поглощения и редуцированного коэффициента рассеяния. Представлен алгоритм определения спектральной зависимости показателей преломления рассеивателей и внутритканевой жидкости биотканей. В данной главе представлены полученные нами на основе представленного алгоритма и спектрофотометрических измерений спектральные зависимости показателей преломления вещества рассеивателей склеры глаза, частиц натурального меланина и внутритканевой жидкости кожи.

исследований иммерсионного просветления склеры глаза и твердой мозговой оболочки под действием водных растворов глюкозы различной концентрации.

Представленные результаты показывают, что изменение оптических характеристик биотканей (коэффициентов диффузного отражения и пропускания) происходящее при их взаимодействии с водными растворами глюкозы связано с уменьшением их рассеивающих свойств. Изменения поглощающих свойств и средних размеров рассеивателей не происходит. Показано, что при проведении такого рода исследований наряду с учетом иммерсионного согласования показателей преломления рассеивателей и внутритканевой жидкости необходимо учитывать изменение геометрии образцов вызванное осмотическим набуханием биотканей.

временной динамики изменения коллимированного пропускания тканей склеры иммерсионными жидкостями. Представлен алгоритм in vitro определения коэффициентов диффузии в биотканях. Измерены коэффициенты диффузии водных растворов глюкозы в склере глаза и твердой мозговой оболочке человека.

Измерены коэффициенты диффузии глицерина и 40% раствора глюкозы в коже.

Показаны результаты in vivo экспериментов по воздействию на склеру глаза и кожу водным 40%-раствором глюкозы и выполнена оценка коэффициентов диффузии.

В заключении приводится перечень основных выводов, полученных в результате проведенных исследований, и кратко суммируются основные результаты, полученные при выполнении данной работы.

Структура и оптические свойства биологических тканей - методы определения и управления. Обзор литературы.

1.1 Теория переноса излучения. Уравнение переноса излучения в сильно рассеивающих средах и методы его решения.

эффектами, свойственными мутным физическим системам. С оптической точки зрения, биоткани (включая и биожидкости, т.е. кровь, лимфу и пр.) можно разделить на два больших класса. К первому классу можно отнести сильно рассеивающие (оптически мутные) биоткани, такие как кожа, мозг, стенка сосуда, кровь, склера глаза и т.д., оптические свойства которых могут быть достаточно хорошо описаны в рамках модели многократного рассеяния скалярных волн в случайно-неоднородной среде с поглощением. Ко второму классу относятся слабо рассеивающие (прозрачные) биоткани, такие как ткани переднего сегмента глаза (роговица, хрусталик), оптические свойства которых описываются в рамках упорядоченной среды с плотной упаковкой рассеивателей, которая содержит поглощающие центры [82, 99, 100].

Распространение излучения в сильно рассеивающих средах хорошо описывается в рамках теории переноса излучения и ее различных приближениях [5, 11-13, 19, 22, 24, 28, 42, 43, 69, 75, 83, 91, 97, 99, 100, 11, 120, 123, 124, 129, 130, 151, 176, 177, 182, 184, 187, 189, 190, 196, 199, 200, 210, 211, 215, 225-227, 231, 233-237, 279, 280, 282, 288, 293, 301, 317, 323-325, 329, 331, 339, 366, 377, 379, 380].

В теории переноса излучения оптические свойства (коэффициенты отражения, пропускания и т.д.) любых веществ и материалов описываются через их оптические параметры: коэффициент поглощения µ a, коэффициент рассеяния µ s и фактор анизотропии g, т.е. средний косинус угла, на который происходит отклонение направления движения фотона от первоначального направления распространения при акте рассеяния [100, 221]. Значение фактора анизотропии меняется в пределах от –1 до 1. Для рассеивателей, которые образуют биологические ткани, этот параметр обычно лежит в пределах от 0.7 до 0.9 [99].

Все эти параметры (коэффициенты поглощения, рассеяния и фактор анизотропии) преломления и геометрические размеры частиц, образующих исследуемую среду [17, 356]. В случае слабо рассеивающих сред средняя длина свободного пробега фотонов в среде определяется как ltr = 1 ( µ a + µ s ). В случае распространения света в сильно рассеивающей среде ltr = Достаточно строгое математическое описание процесса распространения немодулированного света в рассеивающей среде может быть сделано с помощью стационарной теории переноса излучения (ТПИ). Теория переноса излучения справедлива для ансамбля достаточно удаленных друг от друга рассеивателей и с успехом применяется при решении ряда практических задач оптики биотканей.

Основное уравнение ТПИ для монохроматического света (1.1) [5, 99, 100, 123, 151, 184, 199, 200, 208, 215, 225, 226, 231, 234, 235, 301, 302, 323] записывается как уравнение макроскопического баланса энергии. При этом фотоны предполагаются не взаимодействующими друг с другом. Таким образом, их поля складываются, а интерференционными эффектами пренебрегают, т.е.

транспортная теория рассматривает фотоны в качестве точечных частиц.

где I ( r, s ) – интенсивность излучения, (Вт/см2/стер), в точке с радиус-вектором r угол, который имеет единичный вектор s в качестве внешней нормали. Фазовая функция p ( s, s ) определяет вероятность того, что фотон, летящий в направлении s, после рассеяния будет иметь направление s. Фазовая функция рассеяния на одиночной частице обычно имеет сложную форму со многими "выростами". В биологических тканях фазовые функции для каждого центра рассеяния могут быть различными, а сами рассеивающие центры часто расположены так близко друг к другу, что влияют на фазовые функции рассеяния друг друга. Для оптики биотканей в большинстве случаев важны макроскопические параметры, и поэтому, используются приближения фазовой функции, которые их хорошо описывают. Наиболее часто используемыми фазовыми функциями являются функция Эддингтона pEddington ( s, s ) = (1 + 3g cos ), где - угол между направлениями распространения падающего и рассеянного фотонов. Фазовая функция нормируется таким образом, чтобы при интегрировании по всем направлениям, она равнялась единице, т.е.

Уравнение переноса получается путем записи баланса энергии в сколь угодно малом объеме рассеивающей среды V. Такой простой энергетический подход к формулировке уравнения переноса излучения, без использования волновых представлений, был применен еще в 1885 г. О.Д. Хвольсоном.

Интегро-дифференциальное уравнение (1.1) является сложным для анализа распространения света в рассеивающих средах, поэтому оно упрощается путем представления решения в виде разложения рассеянного электромагнитного поля по векторным сферическим гармоникам. Такое упрощение приводит к системе из (N + 1)2 связанных дифференциальных уравнений в частных производных, известной как PN приближение теории переноса излучения [99, 151, 235, 301]. Эта система уравнений может быть сведена к одному дифференциальному уравнению (N + 1) порядка. Например, для N = 1 необходимы четыре связанных уравнения, которые сводятся к единственному уравнению диффузионного типа. При этом интенсивность излучения, распространяющегося в мутной среде, может быть представлена как сумма ослабленной компоненты падающего излучения и диффузной компоненты. Согласно диффузионному приближению, диффузная компонента формируется в результате взаимодействия падающего излучения со многими частицами среды, и соответственно, ее угловое распределение лишь немного отличается от изотропного.

Таким образом, основной идеей диффузионного приближения является разложение диффузной лучевой интенсивности в ряд Тейлора и ограничение первыми его двумя членами [235, 301, 323]. Диффузионное приближение имеет ряд ограничений, наиболее существенными из которых являются следующие. Вопервых, для корректности диффузионного приближения необходимо выполнение



Похожие работы:

«из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Резвык, Ирина Геннадьевна 1. Урок погружения как здоровьесБерегаютцая форма организации обучения в Базовой профессиональной школе 1.1. Российская государственная Библиотека diss.rsl.ru 2003 Резвык, Ирина Геннадьевна Урок погружения как здоровьесБерегаютцая форма организации обучения в Базовой профессиональной школе [Электронный ресурс]: Дис.. канд. neg. наук : 13.00.01.-М.: РГБ, 2003 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки) ОБтцая...»

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Горюнова, Екатерина Александровна Метод контроля загрязнения придорожных сельскохозяйственных земель отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2006 Горюнова, Екатерина Александровна Метод контроля загрязнения придорожных сельскохозяйственных земель отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания : [Электронный ресурс] : На примере Брянской области : Дис. . канд. техн. наук  :...»

«РАЗУМОВ ПАВЕЛ ВЛАДИМИРОВИЧ КРИМИНОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕРОНТОЛОГИЧЕСКОЙ ПРЕСТУПНОСТИ И МЕРЫ ЕЕ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ 12.00.08 – уголовное право и криминология; уголовно-исполнительное право ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный руководитель : Кандидат юридических наук, доцент Ю.Е. Пудовочкин Ставрополь, ОГЛАВЛЕНИЕ Введение.. Глава I. Криминологическая характеристика геронтологической преступности...»

«Матвеев Иван Алексеевич Методы и алгоритмы автоматической обработки изображений радужной оболочки глаза 05.13.11 – Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант д. ф.-м. н., проф. Цурков Владимир Иванович Москва – 2014...»

«УДК 745/749+7.032(31) Курасов Сергей Владимирович ИСКУССТВО ТИБЕТА (XI-XX ВВ.) КАК ЕДИНАЯ ХУДОЖЕСТВЕННАЯ СИСТЕМА: ИКОНОЛОГИЯ И ЯЗЫК ОБРАЗОВ Специальность: 17.00.04 Изобразительное, декоративно-прикладное искусство и архитектура Диссертация на соискание ученой степени доктора искусствоведения...»

«vy vy из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Жуковский, Владимир Ильич 1. Субъект преступления в уголовном праве России 1.1. Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2003 Жуковский, Владимир Ильич Субъект преступления в уголовном праве России [Электронный ресурс]: Дис.. канд. юрид. наук : 12.00.08.-М.: РГБ, 2003 (Из фондов Российской Государственной библиотеки) Уголовное право и криминология; уголовно-исполнительное право Полный текст:...»

«Башкин Владимир Анатольевич Некоторые методы ресурсного анализа сетей Петри 05.13.17 – Теоретические основы информатики ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Научный консультант д. ф.-м. н., проф. И. А. Ломазова Ярославль – 2014 Содержание Введение...................................... 4 Предварительные сведения...................»

«Спирина Людмила Викторовна РОЛЬ ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ В ФОРМИРОВАНИИ СОСУДИСТЫХ ОСЛОЖНЕНИЙ САХАРНОГО ДИАБЕТА 1 ТИПА У ДЕТЕЙ 14.00.16 - патологическая физиология 14.00.09 - педиатрия Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научный руководитель : доктор биологических наук, профессор Суханова Г.А. Научный консультант : доктор медицинских наук...»

«Залюбовская Татьяна Алексеевна Крестьянское самоуправление в Забайкальской области (вторая половина XIX в. - 1917 г.) Специальность 07.00.02– Отечественная история Диссертация на соискание ученой степени кандидата исторических наук Научный руководитель : профессор, доктор исторических наук Зайцева Любовь Алексеевна Улан-Удэ – 2014 2 Оглавление Введение 1 Организация крестьянского самоуправления в Забайкальской области в конце...»

«КВИТКО ЕЛЕНА СЕРГЕЕВНА МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ МАТЕМАТИКЕ В 5–6 КЛАССАХ, ОРИЕНТИРОВАННАЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ УНИВЕРСАЛЬНЫХ УЧЕБНЫХ ДЕЙСТВИЙ Специальность 13.00.02 – теория и методика обучения и воспитания (математика) Диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Научный руководитель : кандидат педагогических...»

«Хасаншин Илгиз Абрарович ПРОЦЕССУАЛЬНЫЕ ГАРАНТИИ ПРАВ УЧАСТНИКОВ ПРОИЗВОДСТВА В АРБИТРАЖНОМ СУДЕ ПЕРВОЙ ИНСТАНЦИИ 12.00.15. – гражданский процесс, арбитражный процесс Диссертация на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный руководитель д.ю.н., проф. Валеев Д.Х. Казань-2014 Оглавление Введение..3 Глава 1. Сущность процессуальных гарантий в...»

«КАРЕЕВ ИСКАНДЕР АМИРОВИЧ НИЖНИЕ ГРАНИЦЫ ДЛЯ СРЕДНЕГО ОБЪЁМА НАБЛЮДЕНИЙ В ПРОЦЕДУРАХ ОТБОРА И УПОРЯДОЧИВАНИЯ Специальность 01.01.05 Теория вероятностей и математическая статистика Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель : доктор физико-математических наук, профессор Володин И.Н. Казань – 2013 Оглавление Введение..................................»

«УДК 530.145 51-71 512.54 Алексеев Олег Вадимович Физические состояния в некоторых точно решаемых моделях двумерной квантовой теории поля Специальность 01.04.02 Теоретическая физика Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель : доктор физико-математических наук Белавин Александр Абрамович Черноголовка 2012 Оглавление...»

«БУЛЫЧЁВ Пётр Евгеньевич АЛГОРИТМЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ ОТНОШЕНИЙ ПОДОБИЯ В ЗАДАЧАХ ВЕРИФИКАЦИИ И РЕСТРУКТУРИЗАЦИИ ПРОГРАММ 05.13.11 — математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научные руководители: доктор физ.-мат. наук, академик РАЕН, профессор Р. Л. Смелянский; кандидат физ.-мат. наук, доцент В. А....»

«КРЫЛОВ ИГОРЬ БОРИСОВИЧ Окислительное C-O сочетание алкиларенов, -дикарбонильных соединений и их аналогов с оксимами, N-гидроксиимидами и N-гидроксиамидами 02.00.03 – Органическая химия Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук Научный руководитель : д.х.н., Терентьев А.О. Москва – ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ...»

«ВАСИЛЬЕВ АНТОН НИКОЛАЕВИЧ ВЕРХНИЕ ОЦЕНКИ РАЦИОНАЛЬНЫХ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИХ СУММ СПЕЦИАЛЬНОГО ВИДА И ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ 01.01.06 – математическая логика, алгебра и теория чисел Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Д. Ф.-М. Н., ПРОФЕССОР ЧУБАРИКОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ МОСКВА – 2013 2 Оглавление Введение Глава 1. Верхние оценки полных рациональных...»

«из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Истомин, Анатолий Васильевич 1. Стратегия экономического развития регионов Севера 1.1. Российская государственная Библиотека diss.rsl.ru 2003 Истомин, Анатолий Васильевич Стратегия экономического развития регионов Севера [Электронный ресурс]: Методология формирования : Дис.. д-ра экон. наук : 08.00.05.-М.: РГБ, 2003 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки) Экономика — Российская Федерация — Север Российской Федерации. Экономика и...»

«Багдасарян Александр Сергеевич БИОТЕСТИРОВАНИЕ ПОЧВ ТЕХНОГЕННЫХ ЗОН ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗМОВ 03.00.16 экология ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук Научный руководитель : доктор ветеринарных наук, профессор И.М. Мануйлов Ставрополь 2005 1 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ.. ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.. 1.1 Почва как депонирующая среда техногенных загрязнителей. 1.1.1 Химическое...»

«УДК: 616.24-006.6-07 КОСТИЦЫН Кирилл Александрович ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПЕРВИЧНОЙ И УТОЧНЯЮЩЕЙ ДИАГНОСТИКИ РАКА ЛЁГКОГО 14.01.12 – онкология Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научный руководитель :...»

«АТАДЖАНЯН СЮЗАННА АБРИКОВНА ПЕРВОИСТОЧНИКИ ЦВЕТОНАИМЕНОВАНИЙ. ФОНОСЕМАНТИКА И ЭТИМОЛОГИЯ (на материале русского и испанского языков) Специальность 10.02.20 – Сравнительно-историческое, типологическое и сопоставительное языкознание Диссертация на соискание ученой степени кандидата филологических наук Научный руководитель...»






 
2014 www.av.disus.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.