Анализ многократно рассеивающих сред с учетом их микроскопического строения, эффектов флуоресценции и комбинационного рассеяния

Братченко, Иван Алексеевич

Анализ многократно рассеивающих сред с учетом их микроскопического строения, эффектов флуоресценции и комбинационного рассеяния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Братченко, Иван Алексеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Самара МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Анализ многократно рассеивающих сред с учетом их микроскопического строения, эффектов флуоресценции и комбинационного рассеяния»

Автореферат диссертации на тему "Анализ многократно рассеивающих сред с учетом их микроскопического строения, эффектов флуоресценции и комбинационного рассеяния"

Братченко Иван Алексеевич

АНАЛИЗ МНОГОКРАТНО РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД С УЧЕТОМ

ИХ МИКРОСКОПИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ, ЭФФЕКТОВ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ И КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ

01.04.05 - Оптика

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

2 4 МАЙ 2012

Самара - 2012

005044830

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре радиотехнических устройств.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Захаров Валерий Павлович

Официальные оппоненты: Башкатов Алексей Николаевич,

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры оптики и биофотоники ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского»

Павельев Владимир Сергеевич, доктор физико-математических наук, доцент, главный научный сотрудник федерального государственного бюджетного учреждения науки Института систем обработки изображений Российской академии наук.

Ведущая организация: Самарский филиал Федерального

государственного бюджетного учреждения науки Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Защита состоится 8 июня 2012 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.01, созданного при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, д. 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан «5» мая 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.т.н., профессор

В.Г.Шахов.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Анализ взаимодействия оптического излучения с многократно рассеивающими средами имеет огромное значение во многих областях физической оптики: астрофизике, зондировании атмосферы и океана (М.И. Мищенко, 2004), кристаллооптике (В.М. Агранович, В.Л. Гинзбург, 1979), биомедицинской оптике (В.В. Тучин 2000). Это связано с возможностью дистанционного получения адекватной информации о процессах и явлениях, происходящих в рассеивающих средах, их состоянии на основании изучения поглощения и рассеяния распространяющегося в них электромагнитного излучения.

Прогресс в области фотоники стимулировал развитие эффективных диагностических методов флуоресцентного анализа, спектроскопии обратного и комбинационного рассеяния, которые используют спектральные различия химических компонент многократно рассеивающих сред. Однако, существенная вариабельность химического состава исследуемых сред, перекрытие спектров поглощения различных компонент среды приводит к значительным трудностям в интерпретации экспериментальных данных. Данные трудности могут быть преодолены с привлечением методов математического моделирования (S.A. Prahl, И.В. Меглинский, А.Н. Башкатов, S.L. Jaques, М.И. Мищенко, И.В. Ярославский, Т. Khan, A.D. Klose и многие другие).

Для корректного описания параметров среды и особенностей ее топологии во многих практически важных случаях требуется привлечение микроскопических методов исследования. Знание микроскопического строения элементов среды особенно важно для разработки методов диагностики естественных и искусственных неоднородностей, описания процесса инкапсуляции имплантата в трансплантологии.

Развитие техники открыло возможность регистрации сверхслабых сигналов комбинационного рассеяния в реальном режиме времени (C.Reble, 2011; J.Zhao, 2012). Создаются первые установки, которые реализуют комбинированные, взаимодополняющие друг друга методы контроля многократно рассеивающих сред, одновременно использующие методы отражательной спектроскопии, флуоресцентного анализа и спектроскопии комбинационного рассеяния. Это настоятельно диктует необходимость разработки методов, позволяющих единым образом описывать данные явления в многократно рассеивающих средах.

Целью диссертационной работы является разработка методов анализа многократно рассеивающих сред, учитывающих эффекты флуоресценции и

комбинационного рассеяния, а также микроскопическое строение элементов среды.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель, описывающую процесс взаимодействия оптического излучения с многократно рассеивающими средами с учетом эффектов флуоресценции и комбинационного рассеяния.

2. Экспериментально исследовать влияние микроструктуры элементов среды на ее оптические свойства.

3. Разработать метод оценки состояния биологических тканей на основании спектрального анализа диффузно рассеянного назад излучения.

4. Разработать метод контроля и локализации неоднородностей покровных биологических тканей на основании анализа комбинационного рассеяния.

Научная новизна работы

1. Разработана математическая модель многократно рассеивающих сред, учитывающая их микроскопическое строение, эффекты флуоресценции и комбинационного рассеяния, основанная на модифицированном методе Монте-Карло и рекуррентном решении системы связанных уравнений переноса излучения на основе метода малого параметра.

2. На основе микроскопических • исследований предложен метод оптического контроля сеточных имплантатов и процесса инкапсуляции, основанный на определении оптических неоднородностей, развивающихся на микродефектах поверхности волокон имплантата. Показана возможность обнаружения неоднородностей с эффективным диаметром, превышающим 30 мкм.

3. На основе численного моделирования изменения оптических характеристик биологических тканей в процессе инкапсуляции сеточного имплантата показана возможность его визуализации на глубине вплоть до 4 мм с помощью метода дифференциального обратного рассеяния.

4. Разработан и исследован метод оптической диагностики наличия и типа новообразования, представляющего собой оптическую неоднородность поглощения и рассеяния в покровных биологических тканях, основанный на сравнительном анализе величин интенсивности обратного рассеяния на длинах волн 520, 560 и 760 нм в видимой части спектра и интенсивности комбинационного рассеяния в полосах ближнего ИК-спектра 1271, 1454 и 1663 см"1. Показана возможность локализация и определение типа такой оптической неоднородности, если ее размер превышает 0,4 мм.

Практическая значимость

Полученные в диссертации приближенные аналитические решения могут найти применение в системах экспресс-контроля многократно

рассеивающих сред, использующих флуоресцентный анализ и спектроскопию комбинационного рассеяния.

Разработанный метод микроскопического контроля сеточных имплантатов позволяет вести качественный и количественный контроль их микроскопических свойств, использовать его для аттестации вновь разрабатываемых имплантатов и контроля процесса их инкапсуляции.

Метод контроля покровных биологических тканей, основанный на совместном использовании спектральных особенностей диффузного и комбинационного рассеяния, может быть применен для создания систем скрининг-обследования, локализации и определения типа новообразования.

Практическая значимость работы подтверждается использованием результатов диссертации в грантах Федеральных Целевых Программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», Государственные контракты №16.740.11.0487 от 13 мая 2011 года, № П1239 от 7 июня 2010 г. и гранте Федеральной Целевой Программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы» Государственный контракт №11.519.11.2009 от 30.08.2011, и др.

На защиту выносится:

1. Математическая модель многократно рассеивающих сред, учитывающая их микроскопическое строение, эффекты флуоресценции и комбинационного рассеяния, основанная на модифицированном методе Монте-Карло и рекуррентном решении системы связанных уравнений переноса излучения на основе метода малого параметра.

2. Метод оптического контроля сеточных имплантатов и процесса инкапсуляции, основанный на выделении оптических неоднородностей, развивающихся на микродефекгах поверхности волокон имплантата.

3. Результаты численного анализа изменения оптических характеристик биологических сред в процессе инкапсуляции сеточного имплантата, показывающие возможность его визуализации с помощью метода дифференциального обратного рассеяния на глубине вплоть до 4 мм.

4. Метод оптической диагностики наличия и типа новообразований, представляющих собой оптические неоднородности поглощения и рассеяния в покровных биологических тканях, основанный на дифференциальном анализе интенсивности диффузно рассеянного назад излучения в видимой области спектра на длинах волн 520 и 560 нм, 760 и 560 нм, и интенсивности комбинационного рассеяния в ближней ИК-области спектра в полосах 1271, 1454 и 1663 см"1.

Достоверность результатов

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается соответствием с малой погрешностью данных численного моделирования с экспериментально наблюдаемыми зависимостями.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 22 научные работы, в том числе 8 статей в научных журналах и изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата и доктора наук.

Апробация результатов

Результаты работы докладывались на международных и всероссийских конференциях, в том числе: V, VI, VII, VIII и IX Самарских конкурс-конференциях научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике, г. Самара (2007 - 2011г.), VI, VII и IX Международных научно-технических конференциях «ФИЗИКА И ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ВОЛНОВЫХ ПРО-ЦЕССОВ», (2008, 2009, 2011г.), X, XII, XIII и XIV международных конференциях для молодых ученых и студентов Saratov Fall Meeting -International School for Junior Scientists and Students on Optics, Laser Phys-ics & Biophotonics, VII конференции "Актуальные вопросы герниологии" - 2010г., международной конференции LALS10 (laser application for life science) - 2010г., г. Оулу, Финляндия, международной конференции Applied Laser Technologies - 2011г., г. София, Болгария.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем 160 страниц, в том числе 25 рисунков, 7 таблиц и 262 библиографических ссылки.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, приведен обзор существующих работ по теме работы, сформулированы цель и задачи исследований, их научная новизна, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены оптические свойства многократно рассеивающих сред. Представлен обзор литературы, касающийся математического моделирования процесса взаимодействия оптического излучения со средой. Рассмотрены методы контроля многократно рассеивающих сред, основанные на спектральном анализе рассеянного назад излучения, излучения флуоресценции и комбинационного рассеяния. Рассмотрены методы решения транспортного уравнения переноса излучения, особое внимание уделено статистическому методу Монте-Карло.

Во второй главе рассмотрена математическая модель многократно рассеивающей среды, учитывающий эффекты флуоресценции и комбинационного рассеяния, которые заданы обобщенной функцией источников:

Х/Гт(г,1Л,Лвх) =^Orm(r,A) + НаЧгЛех) )iindVsIex{r,'?,Aex), (1)

где цгт - коэффициент комбинационного рассеяния, jjf - квантовый выход

флуоресценции, ца - коэффициент поглощения, а 1ех - лучевая интенсивность на длине волны Хех внешнего источника. Запись функции источников в форме (1) позволяет описать процесс взаимодействия излучения со средой в виде системы зацепляющихся уравнений переноса для интенсивностей зондирующего, флуоресцентного и комбинационного излучения. Представлен численный алгоритм их решения с использованием модифицированного метода Монте-Карло.

Для нахождения приближенного решения выделена когерентная часть Uoh лучевой интенсивности излучения:

lex = Icoh. Idiff, (2)

и предложено использовать разложение лучевых интенсивностей диффузно-рассеянного излучения ldlff и флуоресценции и/или комбинационного рассеяния в ряд по малому параметру. Для коэффициентов разложения Idiff frm найдено рекуррентное решение:

= -¡- J dSfi, (F, Я„) exp( r'( Д„) - r(2„)) { dQ"ps(s-s')IcJ^r,ÄJ,

0 4T

Il{m\r,s, Л,) = — ]dSn,(7, A()exp(r'(Ä{)-T(Äi))j dCl"Pi{s'■ ?,Ä(),

"> > \ = Лт./™> tf = hffjrm-где ps - фазовая функция рассеяния, и ц - коэффициенты рассеяния и экстинкции, х - оптическая толщина.

Учитывая изотропный характер флуоресценции и комбинационного рассеяния, альтернативным подходом к аналитическому решению (1) является разложение лучевой интенсивности в ряд по сферическим функциям. Такое представление сводит исходную систему уравнений к бесконечной системе уравнений для коэффициентов разложения, которое фактически является обобщением Рь-приближения на случай учета эффектов флуоресценции и комбинационного рассеяния. В случае слоистой

полуограниченной среды найдены его аналитические решения вплоть до

пятого порядка разложения.

В третьей главе на основании развитой математической модели исследован процесс взаимодействия оптического излучения с растительном тканью которая насыщена естественными флуорофорами и ^хорошо экспериментально изучена. Это позволяет провести аттестацию наиденных приближенных аналитических решений на основе их сравнения с

экспериментальными данными.

В расчетах использовалась четырехслойная модель листа, где коэффициент поглощения каждого слоя представлялся как аддитивная сумма произведения коэффициента поглощения соответствующего химического элемента на его относительную концентрацию. На рисунке 1 показаны зависимости дифференциальных оптических коэффициентов рассеяния К. -ЬЛзо и флуоресценции Р = Р^о/Рш, используемых для дистанционного определения биомассы, от концентрации хлорофилла в листе растения. Здесь ]х И ?х спектральные плотности интенсивности обратного рассеяния и флуоресценции на длине волны X.

1 0.5-1 3,033 0,04 0.02

СсЫ(кояьЛ0

0,035 0,0<

СсЫ(мш1Ь/п)

1 - численное решение Монте-Карло, 2 - экспериментальные данные, 3 -метод малого параметра, 4 -Р, приближение, 5 - Р3 приближение, 6 - Р5 приближение Рисунок 1. Зависимость дифференциальных коэффициентов рассеяния (а) и флуоресценции (б) от концентрации хлорофилла СсЫ

Численные расчеты с использованием метода Монте-Карло дают наиболее точное согласие с экспериментальными данными - отклонения не превышают 5-8% по сравнению с экспериментальными значениями. Приближенные решения характеризуются несколько большими отклонениями от экспериментальных данных, которые для коэффициента рассеяния К в среднем составляют 8-11% для Рь приближения пятого порядка и 9-12% для метода малого параметра при использовании первых 10 порядков разложения. Для коэффициента флуоресценции И различия Рь

приближения с экспериментальными данными не превышают 12,6%, а с результатами метода Монте-Карло - 5,3%. Несколько худший результат дает метод малого параметра - при малых значениях концентрации хлорофилла отличия достигают 24%. Тем не менее, приближенные методы дают качественно правильное описание всех экспериментально наблюдаемых зависимостей. Это позволяет сделать вывод о возможности использования приближенных аналитических решений для быстрого вариативного экспресс-анализа исследуемых сред и процессов.

В четвертой главе представлены результаты микроскопических исследований сеточных имплантатов на установке лазерной конфокальной микроскопии. Установка была собрана на основе инвертированного оптического микроскопа Olympus 1X71 со сканирующим модулем Yokogawa® CSU-X1, работающим по принципу диска Нипкова. Регистрация изображений осуществлялась с помощью EMCCD камеры Andor iXONEM. Использовались ахроматические безимерсионные объективы серии UIS MPlan с числовой апертурой 0,4 - 0,65. Максимальная разрешающая способность (FWHM) данной системы составляла 0,466 мкм.

Микроскопические исследования проводились для имплантатов 12 разных типов. На рисунке 2 представлены характерные микродефекты поверхности волокон имплантатов, являющиеся следствием применяемой технологии изготовления конкретного типа имплантата.

Ftorex Uniflex Esfil

Рисунок 2. Микроснимки сеточных имплантатов разных типов

Наибольшая степень неоднородности обнаружена в комплексных многоволоконных сетчатых имплантатах. Можно выделить неоднородности двух качественно разных типов: микронарушения в виде структурных дефектов поверхности и неоднородности в виде острия (оборванные микроволокна жгута). Например, для имплантата РЮгех, образованного сплетенными в жгут лавсановыми нитями с фторполимерным покрытием диаметром 20 мкм, средний размер неоднородностей типа острия составляет 4..5 мкм, а структурных неоднородностей поверхности - 20..25 мкм.

Неоднородности занимают 2-3% площади поверхности. Имплантат ишАех на основе поливинилиденфторидной мононити характеризуется довольно большими неоднородностями (60.. 100 мкм), сопоставимыми по размерам с диаметром волокна сетки. Неоднородности занимают до 7% поверхности

волокон имплантата.

Последующие экспериментальные исследования и микроскопический анализ микросрезов тканей в зоне установки имплантата (рисунок 3) позволил выявить причину развития патологии в процессе инкапсуляции имплантата. ____

Рисунок 3. Микроснимки тканей с имплантатами (а - кровоизлияние, б -образование жировой ткани, в - некроз)

Установлено, что для сеточных имплантатов с микродефектами, занимающих значительную площадь поверхности, характерно развитие механической микротравмы окружающей ткани, приводящей к изменению оптических характеристик прилегающих тканей за счет замещения нормальной ткани жировой, либо образование оптических неоднородностей за счет кровоизлияния и некроза с последующим образованием люфта (зазора между тканью и поверхностью волокна).

В связи с этим крайне важным является развитие неинвазивных оптических методов контроля процесса инкапсуляции имплантата. Учитывая, что развитие патологического процесса происходит на микродефектах поверхности имплантата, оптические неоднородности могут располагаться в отдельных локальных областях вблизи поверхности имплантата. Данные об оптических характеристиках имплантатов и прилегающих тканей были добавлены в математическую модель. На основе модернизированной модели, учитывающей микроструктуру элементов среды, было проведено исследование процесса инкапсуляции, результаты которого для случая установки сеточного имплантата в ткань на глубине 2 мм представлены на рисунке 4.

в г

Рисунок 4. Визуализация структуры имплантата в ткани после проведения операции трансплантации: а - в день установки, б, в, г - через 1, 2 и 3 недели после имплантации соответственно

В первый день в ткани присутствует большое количество мертвых клеток, чему соответствует высокий коэффициент поглощения излучения в зоне инкапсуляции, не позволяющий производить визуализацию волокон протеза. По мере восстановления тканей сильное поглощение, характерное для случая некротической ткани, сменяется существенно меньшим поглощением, характерным для нормальной мышечной ткани. Отражением данного факта является изменение оптической толщины зоны инкапсуляции, и визуализация имплантата за счет Френелевского отражения излучения от границ волокон. Следовательно, оптический контроль зоны инкапсуляции может служить методом контроля эффективности процесса трансплантации.

С другой стороны, любая патология будет приводить к появлению неоднородностей на фоне регулярной сеточной микроструктуры. Регистрация таких неоднородностей эквивалентна выявлению зон возможной патологии. На рисунке 5 представлены результаты моделирования характерных неоднородностей типа зазора (люфта) и локального некроза.

Рисунок 5. Моделирование оптических неоднородностей в зоне инкапсуляции: а - люфт, б - некроз в зоне переплетения волокон

Согласно микроскопическим исследованиям существенное влияние на процесс инкапсуляции оказывают образования, размер которых сравним с диаметром используемого волокна. В целом результаты моделирования позволяют сделать вывод, что оптический послеоперационный контроль процесса инкапсуляции сеточного имплантата возможен вплоть до глубины залегания зоны инкапсуляции в 4 мм, а обнаружение некротического образования, представляющего собой оптическую неоднородность вблизи поверхности имплантата, возможно, если его эффективный диаметр

превышает 30 мкм.

В пятой главе разработанная математическая модель была применена для анализа покровных биологических тканей. Модель была дополнена данными по оптическим параметрам различных новообразований кожи, которые моделировались в виде тел вращения - сферы, полусферы, цилиндра. Для покровной ткани использовалась шестислойная модель.

На рисунке 6 представлены характерные спектры обратного (а) и комбинационного (б) рассеяния, рассчитанные для нормальной кожи и кожи с различными типами образований, расположенными на ее поверхности и представляющими собой оптические неоднородности поглощения и рассеяния с эффективным диаметром 2 мм. На основе результатов численного моделирования сформулирован метод диагностики состояния покровных тканей, позволяющий определять наличие в тканях оптических неоднородностей специфичных для новообразования, а также определять их тип при сравнительном анализе видимой части рассеянного обратно излучения и комбинационных сдвигов излучения в ближней ИК-области спектра.

1 -нормальная кожа, 2 - злокачественная меланома, 3 - себорейный кератоз, 4 -пигментный невус, 5 - базальноклеточная карцинома Рисунок 6. Спектры обратного рассеяния (а) и комбинационного рассеяния (б) тканей с образованиями

Спектры рассеяния имеют несколько ярко выраженных особенностей, связанных с присутствием воды в области 760 нм и гемоглобина (вблизи 420нм и 540 - 560 нм). Это позволяет ввести дифференциальные коэффициенты, определяемые как отношение интенсивностей рассеяния в выделенных спектральных диапазонах. Проведенный спектральный анализ особенностей кожи показывает, что для уверенной диагностики наличия в коже новообразований пригодными могут быть измерения дифференциальных сигналов в интенсивностях рассеяния на длинах волн 520 и 560 нм и 760 и 560 нм соответственно. Наибольшей чувствительностью обладает отношение интенсивностей на длинах волн 520 и 560 нм, величина которых отличается от значения для аналогичного коэффициента нормальной кожи: на 6 - 8 % для карциномы, и на 15% и более при наличии злокачественных образований кожи (таких как меланома).

Данный факт объясняется тем обстоятельством, что формирование опухоли, как правило, сопровождается значительным ростом капилляров в области образования, что приводит к росту концентрации гемоглобина в исследуемой области и изменению отношения интенсивностей излучения.

Проведенные исследования показали, что форма образования незначительно влияет на величину рассеянного назад излучения. Более существенна зависимость коэффициента отражения от эффективного диаметра. Можно с уверенностью говорить об обнаружении опухолей диаметром более 1 мм. Метод дифференциального обратного рассеяния может использоваться только как пороговый метод обнаружения новообразования. Для более точной локализации и определения типа

(специфичности) неоднородности требуется проводить анализ спектра комбинационного рассеяния, который имеет особенности в области 1271, 1454 и 1663 см"1, связанные с изменениями во вторичной структуре белка, происходящей при замещении нормальных клеток патологически измененными и увеличением концентрации нуклеиновых кислот в клетках патологий.

Можно выделить несколько критериев, позволяющих с уверенностью говорить о наличии в покровной ткани патологии. Первым и наиболее значимым критерием является общее увеличение интенсивности комбинационного рассеяния в области 1200 - 1700 см"1. Причем если для себорейного кератоза или карциномы увеличение составляет 20 - 50 % , то для меланомы оно может превышать 200%.

Вторым критерием является изменение соотношения интенсивностей комбинационного рассеяния в пиках рассеяния: R1663/R1454 обладает наибольшей чувствительностью для неоднородностей типа карциномы и себорейного кератоза, а дифференциальный коэффициент R127i/Ri4S4 - для меланомы. Показано, что локализация таких оптических неоднородностей возможна, когда их размер превышает 0,4 мм.

Проведенные исследования позволили обосновать комплексный метод скрининг-контроля новообразований в покровных тканях: использования быстрого порогового метода дифференциального рассеяния для обнаружения наличия оптических неоднородностей, специфичных для новообразований, с последующим более детальным анализом комбинационного рассеяния внутри выделенной области для точной локализации и определения типа.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Построена математическая модель многократно рассеивающей среды, одновременно учитывающая эффекты флуоресценции и комбинационного рассеяния, а также локальные неоднородности и их микроструктуру. Получена система связанных интегро-дифференциальных уравнений для лучевых интенсивностей диффузно-рассеянного, флуоресцентного и комбинационного излучений, и проведена модификация метода Монте-Карло для одновременного учета данных эффектов. Предложено приближенное аналитическое решение системы связанных уравнений, основанное на разложении интенсивностей в ряд по малому параметру, и найдены рекуррентные решения для коэффициентов разложения.

отклонения не превышают 5-8% по сравнению с экспериментальными значениями. Показано, что приближенные методы качественно правильно описывают все экспериментально наблюдаемые зависимости, однако характеризуются отклонениями, которые в среднем составляют 10-15% для Рь приближения и 11-20% для приближения малого параметра при использовании первых 10 порядков разложения. Это позволяет использовать приближенные аналитические решения для быстрого вариативного анализа исследуемых сред и процессов.

3. На основании экспериментальных исследований 12 различных типов сеточных имплантатов с использованием системы лазерной конфокальной микроскопии с разрешением 800 нм показано, что оптические неоднородности в зоне инкапсуляции имплантата связаны с наличием микродефектов поверхности их волокон. Предложен метод оптического контроля сеточных имплантатов и процесса инкапсуляции, основанный на выделении оптических неоднородностей вблизи поверхности их волокон. Показана возможность обнаружения неоднородностей с эффективным диаметром, превышающим 30 мкм.

4. На основании математического моделирования изменения оптических характеристик биологической ткани в процессе инкапсуляции сеточного имплантата показана возможность его визуализации вплоть до глубин в 4 мм,

5. Предложен дифференциальный метод оптической диагностики новообразований, представляющих собой оптическую неоднородность поглощения и рассеяния в покровных биологических тканях. Метод основан на изменении отношения интенсивностей рассеянного назад излучения на длинах волн 520 и 560 нм, и 560 и 760 нм, и отношения интенсивностей в пиках комбинационного рассеяния в области 1271, 1454, и 1663 см" по сравнению с нормальной тканью. За счет порогового характера метод дифференциального обратного рассеяния обеспечивает быстрое сканирования ткани и определение наличия образования, но с относительно низким пространственным разрешением. А точная локализация неоднородности внутри выделенной области определяется на основании анализа спектра комбинационного рассеяния. Показано, что возможна локализация и определение типа такой оптической неоднородности, если ее размер превышает 0,4 мм.

В приложении А и Б представлен вывод уравнений для первых пяти порядков разложения интенсивности по сферическим функциям. Оптические параметры покровных тканей и новообразований приведены в приложении В.

Основные результаты опубликованы в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Братченко, И.А. Моделирование влияния покровных тканей растения на характеристики рассеянного обратного излучения [Текст] / И.А. Братченко, В.П. Захаров, Е.В. Тимченко // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева. - 2008. -т. -С. 117-122.

2. Захаров, В.П. Экспериментальное исследование и математическое моделирование оптических характеристик растительной ткани [Текст] / В.П. Захаров, И.А. Братченко, Е.В. Тимченко, С.П. Котова, П.Е. Тимченко // Известия Самарского научного центра РАН. - 2007. -Т.9. -№3. - С. 620-625.

3. Братченко, И.А. Приближенный метод расчета распределения энергии оптического излучения в многократно рассеивающих средах [Текст] / И.А. Братченко, В.П. Захаров // Компьютерная оптика. - 2008. - Т. 32. - № 4. - С. 370-375.

4. Захаров, В.П. Моделирование распределения оптического излучения в растительной ткани [Текст] / В.П. Захаров, И.А. Братченко, А.Р. Синдяева // Оптика и спектроскопия. - 2009. - Т.107. - №2. -С. 953-958. ISSN 0030-4034.

5. Захаров, В.П. Оптическая модель растительной ткани [Текст] / В.П. Захаров, И.А. Братченко, Е.В. Тимченко // Оптика и спектроскопия. -2010. -

Т.108.-№6. -С. 874 - 878.

6. Братченко, И.А. Моделирование взаимодействия оптического излучения с многократно рассеивающими средами [Текст] / И.А. Братченко, В.П. Захаров, Е.В. Тимченко // Известия Самарского Научного Центра РАН. -2010. -Т. 12. -№4. -С. 100 - 103.

7. Захаров, В.П. Применение конфокальной лазерной микроскопии для контроля сеточных имплантатов в герниологии [Текст] / В.П. Захаров, И.А. Братченко, В .И. Белоконев, П.Е. Тимченко, Ю.В. Пономарева, A.B. Вавилов, Л.Т. Волова И Квантовая электроника. -2011. -Т.41. -№4. -С. 318-323.

8. Захаров, В.П. Повышение информативности оптической когерентной томографии при диагностировании кожных патологий [Текст] / В.П. Захаров, И.А. Братченко, К. Ларин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева. -2011. -Т. 26. 2. -С. 232-240.

Подписано в печать 30.04.2012 Формат 60 х 84/16. Бумага ксероксная. Печать оперативная. Объем - 1,0 усл. п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 22. Отпечатано в типографии ООО «Инсома-пресс» 443080, г. Самара, ул. Санфировой, 110 А; тел.: 222-92-40

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Братченко, Иван Алексеевич

Введение

Глава 1 .Методы контроля и моделирования многократно рассеивающих сред

1.1 Оптические свойства многократно рассеивающих сред

1.2 Методы контроля многократно рассеивающих сред

1.3 Методы моделирования распространения излучения в многократно рассеивающей среде 20 Выводы

Глава 2. Математическая модель многократно рассеивающей среды с учетом эффектов флуоресценции и комбинационного рассеяния

2.1 Физическая модель среды

2.2 Метод Монте-Карло

2.3 Приближенное решение транспортного уравнения переноса излучения

2.4 Метод малого параметра

2.5 приближение

2.6 Приближение полубесконечной среды 47 Выводы

Глава 3. Исследование взаимодействия оптического излучения с растительной тканью

3.1 Модель листа зеленого растения

3.2В егетационные индексы

3.3 Зависимость дифференциальных коэффициентов от концентрации хлорофилла

Выводы

Глава 4. Исследование оптических характеристик биологических сред, содержащих сеточные имплантаты

4.1 Принцип конфокальной микроскопии

4.2 Экспериментальная установка

4.3 Микроскопический анализ сеточных имплантатов

4.4. Микроскопический анализ инкапсуляции имплантатов

4.5 Математическое моделирование процесса инкапсуляции сеточного имплантата 82 Выводы

Глава 5. Исследование взаимодействия оптического излучения с покровными биологическими тканями 89 5.1 Модель покровных биологических тканей с образованиями

5.2. Сходимость численного решения

5.3 Спектральный анализ рассеянного назад излучения

5.4 Флуоресцентный анализ кожи

5.5. Спектральный анализ комбинационного рассеяния

5.6 Алгоритм оптической диагностики покровных тканей 108 Выводы

Введение диссертация по физике, на тему "Анализ многократно рассеивающих сред с учетом их микроскопического строения, эффектов флуоресценции и комбинационного рассеяния"

Проблема анализа и контроля процесса взаимодействия оптического излучения с многократно рассеивающими средами имеет огромное значение во многих областях физической оптики. Это связано, прежде всего, с возможностью дистанционного получения адекватной информации о процессах и явлениях, происходящих в рассеивающих средах, их состоянии на основании изучения поглощения и рассеяния распространяющегося в них электромагнитного излучения. Примерами использования теории взаимодействия излучения с многократно рассеивающими средами может служить целый ряд приложений: распространение излучения в аэрозольной среде и создание лидаров [1], кристаллооптика [2], биологические ткани и физическая медицина [3]. Оптические методы также широко применяются в материаловедении [4], современных технологиях и других областях, таких как диагностика состояния старинных предметов искусства [5].

Исследованию взаимодействия оптического излучения с многократно рассеивающими средами и особенностям случайно неоднородных сред посвящено множество работ [6-11]. Сильная зависимость светорассеивающих свойств частиц от их формы и размера позволяет исследовать физические и химические характеристики исследуемых сред, что может быть использовано в астрофизике, атмосферной оптике Земли и планет [7], изучении оптических свойств фиброзных тканей [8]. Особенно сложными для исследований являются плотноупакованные дисперсные среды - песчаные и снежные поверхности [9], реголитные поверхности солнечной системы, различные технические и биологические среды [10].

Одним из наиболее интересных приложений оптики многократно рассеивающих сред является исследование взаимодействия излучения с биологическими тканями, что обусловлено развитием лазерной диагностики и дистанционного оптического зондирования [11]. Измерение оптических характеристик таких сред необходимо для развития методов контроля состояния зондируемого объекта.

На сегодняшний день исследование взаимодействия оптического излучения с многократно рассеивающими средами представляет собой комплексную задачу. Для определения оптических характеристик среды исследователям приходится проводить многочисленные эксперименты, что требует значительных временных затрат [12]. Математическое моделирование, может существенно облегчить и упростить постановку экспериментов за счет предварительного анализа различных вариантов, осуществляемых путем варьирования параметров среды и моделирования различных топологий исследуемых сред [13]. Это делает математическое моделирование быстрым и удобным инструментом исследования [14].

При известных параметрах многократно рассеивающих сред особо важным является корректное введение граничных условий, учет анизотропии исследуемой среды. Последнее условие фактически эквивалентно учету в фазовой функции рассеяния как дисперсионных свойств среды, так и ее анизотропии [15]. Для реализации любой математической модели требуется использование конкретного математического аппарата. В оптике многократно рассеивающих сред известно несколько подходов, способных дать математическое описание взаимодействия излучения с рассеивающей средой. Однако, наибольшее распространение получили решения связанные с применением транспортного уравнения переноса излучения [16 -22].

Для корректного описания параметров среды и особенностей ее топологии во многих практически важных случаях требуется привлечение микроскопических методов исследования [23-25], среди которых можно выделить методы флуоресцентной [26] и конфокальной микроскопии [27,28]. На сегодняшний день микроскопические методы используются все шире, что способствует уточнению понимания процессов, происходящих при распространении оптического излучения в многократно рассеивающей среде. Знание микроскопического строения элементов среды особенно важно для разработки оптических методов диагностики неоднородностей и регулярных микрообразований. Особенно остро эта проблема стоит для задач, в которых используются искусственные образования (например, сеточные имплантаты), которые необходимо контролировать в процессе эксплуатации.

На сегодняшний день в оптике многократно рассеивающих сред проделана огромная работа по определению оптических параметров сред, развитию математического аппарата, способного адекватно описывать взаимодействие излучения с рассеивающими средами, а также разработано большое количество экспериментальных и теоретических методов анализа состояния рассеивающих сред. Развитие техники открыло возможность регистрации сверхслабых сигналов флуорофоров в рассеивающих средах [30], дистанционного использования эффекта комбинационного рассеяния в диагностике рассеивающих сред [31]. Создаются первые установки, которые реализуют комбинированные методы контроля многократно рассеивающих сред, одновременно использующие методы отражательной спектроскопии, флуоресцентного анализа и спектроскопии комбинационного рассеяния. Это настоятельно диктует необходимость разработки методических подходов, позволяющих единым образом описывать данные явления в многократно рассеивающих средах.

Целью диссертационной работы является разработка методов анализа многократно рассеивающих сред, учитывающих эффекты флуоресценции и комбинационного рассеяния, а также микроскопическое строение элементов среды.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

2. Экспериментально исследовать влияние микроструктуры элементов среды на ее оптические свойства.

Научная новизна работы

2. На основе микроскопических исследований предложен метод оптического контроля сеточных имплантатов и процесса инкапсуляции, основанный на определении оптических неоднородностей, развивающихся на микродефектах поверхности волокон имплантата. Показана возможность обнаружения неоднородностей с эффективным диаметром, превышающим 30 мкм.

4. Разработан и исследован метод оптической диагностики наличия и типа новообразования, представляющего собой оптическую неоднородность поглощения и рассеяния в покровных биологических тканях, основанный на сравнительном анализе величин интенсивности обратного рассеяния на длинах волн 520, 560 и 760 нм в видимой части спектра и интенсивности комбинационного рассеяния в полосах ближнего ИК-спектра 1271, 1454 и 1663 см-1. Показана возможность локализация и определение типа такой оптической неоднородности, если ее размер превышает 0,4 мм.

Практическая ценность результатов

Полученные в диссертации приближенные аналитические решения могут найти применение в системах экспресс-контроля многократно рассеивающих сред, использующих флуоресцентный анализ и спектроскопию комбинационного рассеяния.

Практическая значимость работы подтверждается использованием результатов диссертации в грантах Федеральных Целевых Программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», государственные контракты №16.740.11.0487 от 13 мая 2011 года, № П1239 от 7 июня 2010 г. и гранте Федеральной Целевой Программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы» Государственный контракт №11.519.11.2009 от 30.08.2011, и др.

На защиту выносится:

2. Метод оптического контроля сеточных имплантатов и процесса инкапсуляции, основанный на выделении оптических неоднородностей, развивающихся на микродефектах поверхности волокон имплантата.

Достоверность результатов

Апробация результатов

Результаты работы докладывались на международных и всероссийских конференциях, в том числе: V, VI, VII, VIII и IX Самарский конкурс-конференция научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике, г. Самара (2007 - 2011гг.), VI, VII и IX Международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов», (2008, 2009, 2011гг.), X, XII, XIII и XIV международных конференциях для молодых ученых и студентов Saratov Fall Meeting -International School for Junior Scientists and Students on Optics, Laser

Phys-ics & Biophotonics (Saratov, 2007,2009,2010,2011 гг.), VII конференции «Актуальные вопросы герниологии» (Москва, 2010г.), международной конференции LALS10 (laser application for life science) - 2010г., г. Оулу, Финляндия, региональной научно-технической конференции, посвященной 50-летию первого полета человека в космос, г. Самара, 2011г., международной конференции Applied Laser Technologies - 2011г., г. София, Болгария.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Выводы:

Модель многократно рассеивающей среды обобщена на случай учета локализованных неоднородностей, специфичных для новообразований покровных тканей. Проанализированы экспериментальные данные и включены в математическую модель оптические коэффициенты, и эффективности комбинационного рассеяния и автофлуоресценции. Это позволило провести модельные исследования возможности диагностики таких патологий в покровных тканях.

Показано, что комбинационное рассеяние кожи и различных доброкачественных и злокачественных опухолей имеют особенности в области 1271, 1454, и 1663 см"1, что связано с изменениями во вторичной структуре белка, происходящей при замещении нормальных клеток патологически измененными. Показано, что возможно детектирование и определение типа таких новообразований, если их размер превышает 0.4 мм.

Предложена комплексная метод контроля покровных тканей, сочетающая дифференциальные методы обратного рассеяния, реализующиеся на длинах волн 520 и 560 нм, 760 и 560 нм соответственно, и анализ комбинационного рассеяния. Такая методика позволит вести быстрый мониторинг кожи за счет взаимного дополнения используемых методов исследования. Метода дифференциального обратного рассеяния обеспечивает быстроту сканирования, однако имеет пороговый характер, в то время как метод комбинационного рассеяния характеризуется высокой точностью и специфичностью, но требует времени для накопления данных. Следовательно, использование метода обратного рассеяния может существенно сократить число областей, требующих точного анализа с привлечением метода комбинационного рассеяния.

Заключение

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные результаты работы:

2. В рамках исследования процессов рассеяния и флуоресценции в растительной ткани проведена аттестация разработанной математической модели и определены границы применимости приближенных решений. Установлено, что численные расчеты с использованием метода Монте-Карло дают наиболее точное согласие с экспериментальными данными - отклонения не превышают 5-8% по сравнению с экспериментальными значениями. Показано, что приближенные методы качественно правильно описывают все экспериментально наблюдаемые зависимости, однако характеризуются отклонениями, которые в среднем составляют 1015% для приближения и 11-20% для приближения малого параметра при использовании первых 10 порядков разложения. Это позволяет использовать приближенные аналитические решения для быстрого вариативного анализа исследуемых сред и процессов.

5. Предложен дифференциальный метод оптической диагностики новообразований, представляющих собой оптическую неоднородность поглощения и рассеяния в покровных биологических тканях. Метод основан на изменении отношения интенсивностей рассеянного назад излучения на длинах волн 520 и 560 нм, и 560 и 760 нм, и отношения интенсивностей в пиках комбинационного рассеяния в области 1271, 1454, и 1663 см-1 по сравнению с нормальной тканью. За счет порогового характера метод дифференциального обратного рассеяния обеспечивает быстрое сканирования ткани и определение наличия образования, но с относительно низким пространственным разрешением. А точная локализация неоднородности внутри выделенной области определяется на основании анализа спектра комбинационного рассеяния. Показано, что возможна локализация и определение типа такой оптической неоднородности, если ее размер превышает 0,4 мм.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Братченко, Иван Алексеевич, Самара

1. Кугейко, М.М. Уравнения множественной регрессии для фракционных концентраций атмосферного аэрозоля Текст. / М.М. Кугейко, С.А. Лысенко // Журнал прикладной спектроскопии. -2006. -№73. -С.807-812.

2. Агранович, В.М. Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии и теория экситонов Текст. / В.М. Агранович, В.Л. Гинзбург. -М: Наука, -1979. -432с.

3. Арбузов, В.И. Основы радиационного оптического материаловедения: Учебное пособие / В.И. Арбузов СПб: СПбГУ ИТМО, -2008. - 284 с.

4. Гуров, И.П. Модели распространения и рассеяния оптического излучения в случайно неоднородных средах Текст. / Е. А, Воробьева, И. П. Гуров Проблемы когерентной и нелинейной оптики. Под ред. И.П. Гурова и С.А. Козлова. - СПб, -2006. С. 82-98.

5. Hanel, R.A., , Exploration of the solar system by infrared remote sensing Текст. / R.A. Hannel, B.J. Conrath, D.E. Jennings, R.E. Samuelson -Cambridge: Cambridge Univ. Press, -2003 — 518p.

6. Kaasalainen, S. Optical properties of snow in backscatter Текст. / S. Kaasalainen, M. Kaasalainen, T. Mielonen // J. Glaciol. -2006. Vol. 52. P. 574-584.

7. Kokhanovsky, A.A. Light scattering media optics: problems and solutions Текст. / A.A. Kokhanovsky -Chichester, UK: Praxis, -2004. -299p.

8. Мерзляк, M.H. Спектры плодовых деревьев Текст. / М.Н. Мерзляк // Физиология растений. 1997.- Т.44, -№5.- С.707-716.

9. Katzir, A. Special section on biomedical optics Текст. / A. Katzir // Opt. Eng. -1992. -V. 31. -No. 7. -P. 1399-1486.

10. Graff, R. Condensed Monte Carlo simulations for the description of light transport Текст. / R. Graff, M.H. Koelink, F.F. de Mull // Appl. Opt. -1993. -V.32. -No. 4. -P. 426-434.

11. Keijzer, M. Monte Carlo simulation for finite-diameter laser beam Текст. / M. Keijzer, S.L. Jaques, S.A. Prahl // Lasers Surg. Med. -2005. -V. 9. -P. 148-154.

12. Viskanta, R. Radiative transfer in dispersed media Текст. / R. Viskanta, M.P. Menguc // Applied Mechanical Rev. -1989. -Vol. 42. -№ 9. -P. 241 -258.

13. Muller, G. Medical optical tomography: functional imaging and monitoring Текст. / G. Muller, B. Chance, R. Alfano Bellingham, SPIE, -1993. -V. IS11.

14. Tuchin, V.V. Selected papers on tissue optics: applications in medical diagnostics and therapy Текст. / V.V. Tuchin Bellingham, SPIE, -1994. -V. MS 102.

15. Yodth, A. Diffusion photons in turbid media Текст. / A. Yodth, B. Tromberg // J.Opt. Soc. Am. A. -1997. -V. A14. -P. 136-342.

16. Alfano, R.R. Lasers in biology and medicine Текст. / R.R. Alfano // IEEE J. Quantum Electr. -1984. -V. 20. -No. 12. -P. 1342-1532.

17. Jutamulia, S. Optical engineering in ophthalmology Текст. / S. Jutamulia, T. Asukra // Opt. Eng. -1995. -V. 34. -No. 3. -P. 640-707.

18. Чандрасекар, С. Перенос лучистой энергии Текст. / С. Чандрасекар -М.: Ил.-1993.

19. Исимару, А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах Текст. / А. Исимару. М: Наука, - 1981.

20. Abramowitz, М. Davidson M.W. Introduction to Microscopy. Molecular Expressions Электронный ресурс. http://micro.magnet.fsu.edu/primer/anatomy/introduction.html. -2007.

21. Роскин, Г. И. Микроскопическая техника Текст. / Г.И. Роскин М.: Изд. «Советская наука», -1946.

22. Greger, К. Basic building units and properties of a fluorescence single plane illumination microscope Текст. / К. Greger, J. Swoger, E.H.K. Stelzer // Review of Scientific Instruments. -2007. -№78. (2). -P. 12831289.

23. Buytaert, J. The OPFOS Microscopy Family: High-Resolution Optical Sectioning of Biomedical Specimens Текст. / J. Buytaert, E. Descamps, D. Adriaens // Anatomy Research International. -2012. -№ 9(1). -P. 206208. doi: 10.1155/2012/206238. ISSN 20902743.

24. Wallace, W. A workingperson's guide to deconvolution in light microscopy Текст. / W. Wallace, L.H. Schaefer, J.R. Swedlow // BioTechniques. -2001. -№31 (5). -P. 1076-1078.

25. Clarke, R. J. Fluorescence and Light Scattering Текст. / R. J. Clarke, A. Oprysa // J. Chem. Educ. -2004. -№81 (5). -p. 705.

26. Braeuer, A. Simultaneous Raman and elastic light scattering imaging for particle formation investigations Текст. / A. Braeuer // Optics Letters. -2010. -№35.-P. 2553-2555.

27. Шифрин, К. С., Рассеяние света в мутной среде Текст. / К.С. Шифрин-М.- Л.,-1951.

28. Hagenbach, Е. Versuche fiber Fluorescenz Текст. / Е. Hagenbach // Annal. Phys. Chem., Jubelbd. 1874. - P.303-313.

29. Cutler, M. Transillumination as an aid in the diagnosis of breast lesion Текст. / M. Cutler // Surg.Gynecol.Obstet. 1929. - V.48. - P.721.

30. Болотько, JI.M. Измерение концентрации приземного озона методом абсорбционной УФ спектроскопии Текст. / Л.М. Болотько, А.Н. Красовский, A.M. Людчик, В.И. Покаташкин // Журнал прикладной спектроскопии. 2005. - Т.72. - №6. - С.832-836.

31. Сомов, А.Р. Учет физических инструментальных параметров в атомно-абсорбционной спектроскопии с источником сплошного излучения Текст. / А.Р. Сомов, А.Х. Гильмутдинов, Л.А. Гришин // Журнал прикладной спектроскопии. 2006. - Т.73. - №3. - С.285-289.

32. Гираев, К.М. Оптические исследования биотканей: определение показателей поглощения и рассеяния Текст. / К.М. Гираев, Н.А. Ашурбеков, О.В. Кобзев // Письма в ЖТФ. 2003. - Т.29. - Вып.21. -С.48-54.

33. Tuchin, V.V. Light scattering study of tissues Текст. / V.V. Tuchin // Physics Uspekhi. - 1997. - V.40. - №5. - P495 -515.

34. Esan, W.G. Determination of absorption and scattering coefficients for nonhomogeneous media. 2: Experiment Текст. / W.G. Esan, T.W. Hilgeman, J. Reichman // Appl. Opt. 1973. - №12. - P. 1816-1823.

35. Krishnaswamy, A. A biophysically-based spectral model of light interaction with human skin Текст. / A. Krishnaswamy, G.V.G. Baronoski // In Proceedings of Eurographics. 2004. - V.23. - P.331-340.

36. Kubelka, P. New contributions to the optics of intensely light-scattering materials, part ii: Non homogeneous layers Текст. / P. Kubelka // J. Opt. Soc. Am. 1954. - V.44. - №4. - P.330-335.

37. Patterson, M.S. Time resolved reflectance and transmittance for the noninvasive measurement of tissue optical properties Текст. / Patterson M.S., B. Chance and B.C. Wilson // Appl. Opt. 1989. - V.28. - №12. -P.2331-2336.

38. Mourant, R. Non-invasive measurement of chemotherapy drug concentrations in tissue preliminary demonstrations of in vivo measurements Текст. / R. Mourant, Tamara M. Johnson // Physics in Medicine and Biology. 1999. - V.44. - №5. - P.l397-1417.

39. Стратоников, A.A. Использование спектроскопии обратного диффузного отражения света для мониторинга состояния тканей при фотодинамической терапии Текст. / А.А. Стратоников // Квантовая электроника. 2000. - Т.36. - №12. - С. 1103-1110.

40. Захаров, В.П. Механизмы лазеротерапии. Полевая модель Текст. / В.П. Захаров, Яковлева С.В. в кн.: Новые технологии в медицинской практике. - Самара, 2002. - С.125-141.

41. Земляное, А.А. Влияние дифракции на вынужденное комбинационное рассеяние лазерного излучения в средней атмосфере Текст. / А.А. Земляное, Ю.Э. Гейнц // Оптика и спектроскопия. 2005. - Т.99. - №4. - С.644-654.

42. Гайдук, В.И. Взаимосвязь ассоциации молекул жидкой воды с диэлектрическими и рамановскими спектрами Н20 Текст. / В.И. Гайдук // Оптика и спектроскопия. 2009. -Т. 106. - №1. - С.28-46.

43. Ozaki, Y. Medical application of Raman spectroscopy Текст. / Y. Ozaki // Appl. Spectroscopy Reviews. 1988. - V.24. - P.259-312.

44. Креков, Г.М. Об эффективности методов колебательно-вращательной рамановской спектроскопии при лазерном зондировании облачной атмосферы Текст. / Г.М. Креков, М.М. Крекова // Оптика атмосферы и океана. 2005. - Т. 18. - №5-6. -С.471-481.

45. Jacques, S. L. Light distribution from point, line and plane sources for photochemical reactions and fluorescence in turbid biological tissues Текст. / S. L. Jacques // Photochem. Photobiol. 1998. - V.67. - P.23-32.

46. Ackerson, B. S. Correlation transfer: application of radiative transfer solution methods to photon correlation problems Текст. / B.S. Ackerson, R.L. Dougherty, N.M. Reguigui, U. Nobbman // J. Thermo-phys. Heat Trans. 1992. - V.6. - P.577-588.

47. Yodh, A.G. Diffusing-wave interferometry Текст. / A.G. Yodh, N. Georgiades, D. J. Pine 11 Opt. Communications. 1991. - V.83. - P.56-59.

48. Fridberger, A. Acoustic overstimulation increases outer hair cell Ca concentrations and causes dynamic contractions of the hearing organ Текст. / A. Fridberger, A. Flock, M. Ulfendahl, B. Flock/ Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. - V.95. - P.7127-7132.

49. Nahen, K. Acoustic on line monitoring of IR laser ablation of burnt skin Текст. / К. Nahen, W. Eisenbeis, A. Vogel // Proc. SPIE. 2000. -V.3916. - P.218-226.

50. Esenaliev, R. O. Real-time optoacoustic monitoring of photothermal laser-tissue interactions Текст. / R. O. Esenaliev, A. A. Karabutov, M. Motamedi, A. A. Oraevsky // Proc. SPIE. 1999. - V.3601. - P.268-274.

51. Huang, D. Optical coherence tomography Текст. / D. Huang, E.A. Swanson, C.P. Lin, J.S. Shuman, W.G. Chang, M.R. Нее, Т. Flotte, К. Gregory, J.G. Fujimoto // Science. -1991. -No. 254. -p. 1178-1181.

52. Wojtkowski, M. High-speed optical coherence tomography: basics and applications Текст. / Maciej Wojtkowski // Applied Optics. -2010. Vol. 49.-No. 16.-p. 30-61.

53. Матвиенко, Г.Г. Оптика атмосферы и океана неоконченный урок взаимодействия оптического излучения со средой распространения Текст. / Г.Г. Матвиенко, В.А. Погодаев // Оптика атмосферы и океана. -2012. -Т. 25. -№ 01. С. 5-10.

54. Зуев, В.Е. Оптика атмосферы. Итоги и перспективы Текст. / В.Е. Зуев // Оптика атмосф. -1988. -Т. 1. -№ 1. -С. 5-12.

55. Гейнц, Ю.Э. Характеристики филаментов при распространении мощного фемтосекундного лазерного излучения в воздухе и в воде: I. Качественный анализ Текст. / Ю.Э. Гейнц, А.А. Землянов // Оптика атмосф. и океана. -2010. -Т. 23. -№ 9. -С. 749-756.

56. Mitev, V. Consistency between backscatter lidar products and visibility range Текст. / V. Mitev, R. Matthey // Оптика атмосф. и океана. -2010. -Т. 23.-№ 12.-С. 1051-1054.

57. Travis, L. D. Remote sensing of aerosols with the Earth Observing Scanning Polarimeter Текст. / L.D. Travis // Proc. SPIE. -1992. Vol. 1747.-P. 154-164.

58. Rivkin, A. S. Three-micron survey of E- and M-class asteroids: final results Текст. / A. S. Rivkin, L. A. Lebofsky, D. T. Britt, E. S. Howell // Bull. Amer. Astron. Soc. -1997. Vol. 29. - P. 972-973.

59. Geake, J. E. Planetary surface texture and albedo from parameter plots of optical polarization data Текст. / J. E. Geake, A. Dollfus // Mon. Not. R. Astron. Soc. -1986.-Vol. 218. P. 75-91.

60. Tuchin, V.V., Coherent optical techniques for the analysis of tissue structure and dynamics Текст. / V.V. Tuchin // J. Biomed. Opt. -1999. -Vol. 4. -No. l.-pp. 100-125.

61. Arecchi, T. Optical coherence tomography for painting diagnostics Текст. / Т. Arecchi, M. Bellini, C. Corsi, R. Fontana, M. Materazzi, L. Pezzati, A. Tortora // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. -2005. -P.5857.

62. Arecchi, T. A new tool for painting diagnostics: Optical Coherence Tomography Текст. / F.T. Arecchi, M. Bellini, C. Corsi, R. Fontana, M. Materazzi, L. Pezzati, A. Tortora // Optics and Spectroscopy. -2006. -V.101 (1). -P.27-30.

63. Scott, M. Juds Photoelectric sensors and controls: selection and application Текст. / M. Scott — CRC Press, -1988. — P. 29.

64. Синичкин, Ю.П., Утц C.P. In vivo отражательная и флуоресцентная спектроскопия кожи человека Текст. / Ю.П. Синичкин Саратов. Изд-во Сарат. ун-та, -2001.

65. Schulman, S.G., in Molecular luminescence spectroscopy methods and applications Part 1 Текст. / S.G. Schulman Wiley, N.Y. -1985.

66. Грязнов, H.A., Кириченко B.B. Лазерная интегральная оптика и мехатроника для решения экологических медицинских и других прикладных задач Текст. / Н.А. Грязнов, В.В. Кириченко // Успехи современного естествознания. 2004. - № 7. - С. 46-47.

67. Вебер, А. Спектроскопия комбинационного рассеяния света в газах и жидкостях (под ред.) Текст. / М.: Мир, -1982.

68. Behrendt, A. Combined Raman lidar for the measurement of atmospheric temperature, water vapor, particle extinction coefficient, and particle backscatter coefficient Текст. / A. Behrendt // Applied Optics. — 2002. — Vol.41. -No 36. —P. 7657 — 7666.

69. Соболев, В. В., Рассеяние света в атмосферах планет Текст. / В.В. Соболев-М.,-1972.

70. Максимова, И.Л., Зимняков Д.А., Тучин В.В. Управление оптическими свойствами биотканей: 1. Спектральные характеристики склеры глаза Текст. / И.Л. Максимова, Д.А. Зимняков, В.В. Тучин // Оптика и спектроскопия. 2000. - Т. 89. -№1. - С. 86-95.

71. Roggan A. Optical properties of circulating human blood in the wavelength range 400-2500 nm Текст. / A. Roggan, M. Friebel, K. Dorschel, A. Hahn, G. Muller // J. Biomed. Opt. 1999. - Vol. 4. - №1. -P. 36-46.

72. Roggan, A. Measurements of optical tissue properties using integrating sphere technique Текст. / A. Roggan, O. Minet, C. Schroder, G. Muller // Proc. SPIE. Medical Optical Tomography: Functional Imaging and Monitoring. 1993. - P. 149-165.

73. Тучин, В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях Текст. /В.В. Тучин Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, -1998. -384с.

74. Tuchin, V.V. Light propagation in tissues with controlled optical properties Текст. / V.V. Tuchin, I.L. Maksimova, D.A. Zimnyakov, I.L. Коп, A.H. Mavlutov, A.A. Mishin // J. Biomed. Opt. 1997. - Vol. 2. -4.-P. 401-417.

75. Johns, M. Computational and in vivo investigation of optical reflectance from human brain to assist neurosurgery Текст. / M. Johns, C. Giller, H. Liu // J. Biomed. Opt. 1998. - Vol. 3. - 4. - P. 437-445.

76. Быков, В. Л. Цитология и общая гистология Текст. / В. Л. Быков — СПб.: СОТИС, -2002.

77. Gelikonov, G.V. In Vivo Imaging of Human Internal Organs with an Integrated Endoscopic OCT System Текст. / G.V. Gelikonov, V.M.

78. Gelikonov, A.M. Sergeev // Proc. OSA TOPS Advances In Optical Imaging and Photon Migration. -1998. -V. 103. -P. 1106-1113.

79. Helmchen, F. Deep tissue two-photon microscopy Текст. / F. Helmchen, W. Denk // Nature Methods. 2005. - №2. - C. 932-940.

80. Niemz, M.H. Laser Tissue Interactions: Fundamentals and Applications Текст. / M.H. Niemz - Berlin, -1996. - 305 p.

81. Beauvoit, B. Time-resolved spectroscopy of mitochondria, cells, and rat tissues under normal and pathological conditions Текст. / В. Beauvoit // Proceedings of SPIE. -1994.-Vol. 2326.-P. 127-136.

82. Наумов, H. П. Зоология позвоночных. — Ч. 1. — Низшие хордовые, бесчелюстные, рыбы, земноводные: Учебник для биолог, спец. унтов Текст. / Н. П. Наумов, Н. Н. Карташев — М.: Высш. школа, -1979, — 333 е., ил.

83. Приезжев, А.В. Лазерная диагностика в биологии и медицине Текст. / А.В. Приезжев, В.В. Тучин, Л.П. Шубочкин М., Наука, -1989.

84. Preuss, L. Е. Optical properties of mammalian tissue Текст. / L. E. Preuss, A. E. Profio // Applied Optics. -1989. -Vol. 28. -Issue 12. -pp. 2207-2207.

85. Ries, L. SEER Cancer Statistics Review, 1975-2003 Текст. / L. Ries, D. Harkins, M. Krapcho Bethesda , MD: National Cancer Institute, -2006.

86. Steinberg, M. E. Revision total hip arthroplasty Текст. / M. E. Steinberg, J. P. Garino Lippincott Williams & Wilkins.- Philadelphia.- 1999,- 578 P

87. Мищенко, М.И. Электромагнитное рассеяние в случайных дисперсных средах: фундаментальная теория и приложения Текст.: дисс. док. ф.-м. наук: защищена 17.07.2007: утв. 12.09.2007/ Михаил Иванович Мищенко. -Киев. -2007. -173с.

88. Синичкин, Ю.П. In vivo спектроскопия кожи человека: II. Спектры флуоресценции Текст. / Ю.П. Синичкин, С.Р. Утц, И.В. Меглинский, Е.А. Пилипенко // Опт. Спектр. 1996. - Т.80.- С.431-438.

89. Zeng, H. Spectroscopic and microscopic characteristics of human skin autofluorescence emission Текст. / H. Zeng, C. MacAulay, D.I. McLean, B. Palcic // Photochem. Photobiol. -1995. Vol 61. - 6. - P. 639-645.

90. Hoffman, R. M. In vivo imaging of metastatic cancer with fluorescent proteins Текст. / R. M. Hoffman // Cell Death and Differentiation. -2002. -V. 9. -No 8. -P. 786-789.

91. Ландсберг, Г. С. Новое явление при рассеянии света (предварительное сообщение) Текст. / Г. С. Ландсберг, Л. И. Мандельштам // Журнал Русского физ.-хим. об-ва. -1928. -Т. 60. -С. 335.

92. Enejder, S. Andersson-Engels // JOSA A. -2003. -Vol. 20. Issue 4. -pp. 714-727.

93. Chen, J. Evaluation of vegetation indices and modified simple ratio for boreal applications Текст. / J. Chen // Can. J. Remote Sens. 1996. - № 22. - P. 229-242.

94. Huete, A.R. A comparison of vegetation indices global set of TM images for EOS-MODIS / A.R. Huete, H.Q. Liu, K. Batchily, W. van Leeuwen. // Remote Sens. Environ. 1997. -№ 59. - p. 440-451