Диагностика оптических и биофизических параметров крови и других биотканей методами светорассеяния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Б.И.СТЕПАНОВА

УДК 535.36+535.31+ 612.117.57+ 616.155.1- 076.535

РГВ од

2 2 СЕН Ш

ХАЙРУЛЛИНА АЛЬФИЯ ЯГФАРОВНА

Диагностика оптических и биофизических параметров крови и других биотканей методами светорассеяния

специальность 01.04.05 - оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора фюико- математических наук

МИНСК - 1998

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики Национальной Академии наук Беларуси

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор, академик НАНБ

Рубанов Александр Сергеевич

доктор физико-математических наук, профессор, действительный член РАИН и МАИ

Лопапш Валерий Николаевич

Оппонирующая организация:

доктор физико-математических наук, профессор,

Верещагин Виктор Григорьевич

Санкт-Петербургский Государственный технический университет (факультет медицинской физики и бноипженерии)

Защита состоится " 0КГЛ^У/?1998г. в часов на

заседании совета по защите диссертаций Д 01.05.01 в Институте физики Национальной Академии наук Беларуси (220072, т.Минск, пр.Ф.Скорины, 70).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики НАНБ.

Автореферат разослан

1998г.

Ученый секретарь Совета доктрр физ.-мат. наук

Афанасьев А. А.

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Состояние вопроса к актуальность темы.

Представленная работа относится к одной из наиболее динамично развивающихся областей естествознания - биомедицинской оптике, возникшей на стыке нескольких яаукгфизической оптики, биологии и медицины. Ее бурное развитие стимулировано созданием лазеров и их применением в биологии и медицине(лазерная хирургия и терапия, диагностика), а также минимальным воздействием света по сравнению с другими видами излучений, применяемых в диагностике тканей. Поскольку биоткани, биожидкости, отдельные клетки являются поглощающими и рассеивающими свет средами, го представляется естественным для их изучения использование методов оптики расееивавдих сред. Привлекательность методов светорассеяния связана также с тем, что,не искажая свойств среды и обеспечивая объективность получения данных об ансамбле живых клеток, они позволяют исследовать динамику изменения их состояния о высоким временным разрешением, особенно, важную при различных физико-химических и биологических воздействиях .„Они проста в реализации, не требуют градуировки другими методами л легко поддается автоматизации.

Еще в 50-х, начале 60-х годов существовали попытки использовать рассеяние света для определения концентрации и размеров эритроцитов, определить степень оксигенации цельной крови (К.Крамер, Д.О.Елат, И.А.Терсков, Ф.Я.Сидько и др.). Однако, они оказались безуспешными в виду недостаточной информативности измеряемых данных и полуколичественного характера используемых теоретических приближений.

Важно отметить, что основное внимание в настоящей работе уделялось обратной задаче. Она гораздо сложнее прямой задачи (определение характеристик рассеянного излучения через параметры среды) ввиду того, что получаемое решение очень чувствительно к ошибкам измерения и неточностям теоретических решений. В связи с этим возникает необходимость введения априорной информации в алгоритмы обращения, поиска наиболее информативных параметров для определения искомых величин, получения простых аналитических соотношений поля рассеянного излучения и среды, определения границ применимости полученных соотношений.

Обратная задача оптики рассеивающих сред - определение

оптических констант, геометрических и динамических характеристи: частиц дисперсной среда по параметрам поля рассеянное излучения. До конца 70-х годов в основной обратная задач; решалась в приближении однократного рассеяния, использу, спектральный ход показателей поглощения и рассеяния индикатрису рассеяния в скалярном случае или элемент; поляризационной матрицы (последнее развивается и в настоящее время). Если говорить о спектроскопической задаче, т< исследования проводились в основном в полосах поглощения.

Известно, что многие природные объекты биологическо! природы (кровь, биоткани, биожидкости) существуют либо npi высокой концентрации частиц, либо в виде Толстых слоев, ] выделение их в виде тонких слоев, . процедуры разведешь центрифугирования я т.д. приводят к необратимым изменения! объекта в результате физико-химических превращений. Эт< побудило нас и других исследователей в последние 15 лет j разработке методов, приближенных к условиям in vivo.

Сложность разработки методов исследования оптических и н; их основе некоторых биофизических характеристик крои обусловлена так называемыми кооперативными эффектами, связанным с высокой концентрацией частиц крови, в первую очереда еритроцитов. На необходимость их учета первым обратил внимание Б.Тверский (1964-1970). В большинстве работ к моменту проведена наших исследований (конец 70 -х годов) ochobhoi внимание уделялось особенностям; распространения когерентно! компоненты прошедшего излучения в средах с плотной упаковко! частиц (О.А.Гермогенова, А.П.Иванов, А.Я.Хайруллина: В.Г.Верещагин, А.Н.Понявина.Ю.Н.Барабаненков).

Спектроскопическая задача применительно к слабопоглощающим светорассеиващим средам, основы которой были сформулированы Г.В.Розенбергом (1967), решались с применением асимптотических формул теорш переноса излучения. В дальнейшем аналитические соотношения, пригодные для практического использования, были получены В.П.Зеге и К.Л.Кацевым (1979).

Отметим, что применимость асимптотических формул да коэффициентов диффузного отражения и пропускания, используемы; при расчетах показателей поглощения, не была очевидна для сред с плотной упаковкой частиц дисперсной фазы, какими являются кровь и биологические ткани. Необходимо обратить вниманш

также на то, что экспериментальные исследования цельной крови многочисленными авторами проводились в условиях, сложных ■ для решения обратной задачи, так как они были отягощены влиянием геометрии эксперимента,что препятствовало использованию простых соотношений.

Аналитические соотношения, связывающие мнимую часть комплексного показателя преломления с показателем поглощения частиц, хотя и охватывант широкий диапазон оптических и геометрических параметров биологических частиц, были получены для сферических частиц с жестко заданной функцией распределения по размерам (А.П.Пршкивалко, Е.К.Наумеяко, 1973). л Для эритроцитов, которые составляют основу дисперсной фазы крови и являются асферическими частицами, оптические параметры не могли быть рассчитаны в 70-80 годах, так как точные решения при аппроксимации эритроцитов эллипсоидами, вращения ограничивались гораздо меньшими значениями 'размеров (Р.Яатимер, Ф.Я.Сидько, В.Н.Лопатин и др.). Только в 90-х годах такие расчеты стали возможны (Н.Г.Хлебцов, М.И.Мищенко), однако, они требуют больших временных затрат и могут быть реализованы только на ЭВМ с большим объемом памяти.

Значимость исследования морфологических параметров эритроцитов (размеры, форма, концентрация,агрегация ) отмечена Л..А.Чижевским(1959г.), считающим структурно - пространственные изменения эритроцитов крови "зеркалом" организма, отражающим любые, даже мелкие заболевании. Еоетому на первом этапе наших исследований ставилась задача определения этих параметров в условиях однократного рассеяния при разведении крови , в дальнейшем - в цельной крови с учетом перечисленных выше , сложностей.

Техническая база и методики измерений характеристик светового поля в малых • объемах рассеивающих сре-д создавались в Институте физики в 60-70-х годах (А.П.Иванов, И.Д.Шербаф, К.Г.Предко, А.Я.Хайруллина). Для исследования крови необходима была модификация аппаратуры и создание новых методов.

Таким образом, успехи теоретических исследований на отдельных частицах, развитие асимптотических аналитических., методов решения теории переноса излучения светорассеивавдих слоев, выявление закономерностей: рассеяния на системе близко .. расположенных рассеивателей, ■ , создание экспериментальной базы

оптики рассеивающих сред, прецизионность методик эксперимента предопределили в 70-8- годах создание методологии исследования крови, одной из важнейших биотканей организма. Она, с одной стороны, является интегрирующей средой, омывающей все органы и характеризующей состояние организма в целом, с другой: - может служить наиболее удобной оптической моделью для исследования других биотканей ввиду возможности изменять ее оптические и геометрические параметры по сценарию экспериментатора.

В настоящей работе рассматривается только первая часть сложной проблемы диагностики состояния организма оптическими методами, а именно разработка простых, и прецизионных методов определения икс-химических параметров отдельных компонент крови вне организма, основанных на рассеянии света. Однако ее решение создало предпосылки для развития методов и инструментария для неиввазивной диагностики. В этом актуальность работы. Цель и задачи исследования - разработать физически обоснованную методологию оптических исследований цельной крови и биотканей, разработать простые прецизионные метода определения биофизических параметров цельной крови и других биотканей, ее отдельных компонент, имеющих важное значение в оптике рассеивающих сред и медицине.

Цель и задачи исследования.

1. Исследовать особенности распространения излучения оптически тонких и толстых слоев при различной плотности упаковки частиц на базе разработанной или модифицированной аппаратуры,

2. Разработать метода определения оптических констант вещества и размеров частиц в условиях многократного рассеяния света.

3. Разработать методы определения биофизических характеристик цельной крови, приближенных к условиям in. vivo.

4. Разработать методы определения функции распределения форменных элементов крови по размерам или ее моментов, асферичности эритроцитов, основанные на измерении параметров елементарного объема среды.

5. Исследовать физико-химические воздействия, включая лазерное излучение, на оптические характеристики рассеянного излучения и биофизические параметры крови.

6. Исследовать особенности спектров показателей поглощения и

некоторые биофизические параметры крови и биотканей- в норме и патологии с целью выработки рекомендаций для практического использования.

?. Исследовать автокорреляционные функции флуктуацкй интенсивности в направлении "назад" суспензий дискообразных и сферулированных эритроцитов при многократном рассеянии и вариации плотности упаковки для получения новой биофизической: и оптической информации.

Научная новизна работа.

1. Разработана методология исследования цельной крови, в основе которой лежит экспериментальное доказательство ' применимости теории переноса излучения для исследования интегральных характеристик светового поля '(коэффициенты направленного и диффузного пропускания и отражения) для слабопоглощащих "мягких" плотноупакованных частиц на примере суспензии эритроцитов. Введены и измерены эффективные параметры элементарного объема для сред с различной: упаковкой частиц, с целью перенесения такого подхода на исследования крови и и других биотканей.

2. Показана перспективность спектроскопии слабых поглощений по сравнению со спектроскопией в полосах поглощения для исследования цельной крови, кровезаменителей и других биотканей . Она основана на точности измерений мнимой части комплексного показателя преломления дисперсной фазы и обеспечивает возможность исследований механизма физико-химических воздействий на биологические ткани.

3- .Разработаны новые методы определения средних размеров, действительной части комплексного показателя преломления, показателя светового давления и среднего косинуса индикатрисы рассеяния сферических частиц в широком диапазоне параметров, основанные на многократном рассеянии оптического излучения в случае слабых поглощений.

4. Впервые измерены спектры показателей поглощения крови больных сердечно-сосудистыми заболеваниями, опухолевых образований грудной и щитовидной желез в ближней инфракрасной областях спектра, параметр агрегации эритроцитов цельной крови в норме и патологии, имеющие диагностическое значение.

о

5. Впервые измерена мнимая часть комплексного показателе преломления латексов в видимой и ближней инфракрасной облает* спектра.

6. Разработаны методы определения гематокритяого отношения, аграгационной функции эритроцитов, эритроцитометрической кривой, параметра асферичности эритроцитов, концентраций производных гемоглобина методами светорассеяния, защищенные авторскими свидетельствами.

7. Установлена взаимосвязь полуширины спектров временных флуктуаций интенсивности однократно и многократно рассеянного излучения суспензиями вщтрощтов в толщинном режиме ( в направлении "назад" ), учитывающая оптические свойства среды; на основе которой предложены методы определения параметра асферичности, поглощательной способности и степени окоигеяации эритроцитов.

8. Разработаны методики определения показателя преломления крупных оптически "мягких" частиц, основанные на измерении элементов поляризационной матрицы рассеяния.

Практическая значимость.

Пять новых способов определения диагностических параметров крови, защищенных авторскими свидетельствами, внедрены в БНШ переливания крови МЗ БССР при исследовании консервированной крови.

Разработанные диагностические методы определения морфологии еритроцитов и биохимии крови и биотканей были использованы также при выполнении программы "Ликвидация последствий аварии ЧАЭС", "Атеросклероз", хоздоговоров о ИРЭ АН СССР и Кардиологическим центром АМН СССР, в рамках ДНТС с Ш (1994-1997).

Область использования результатов работы не ограничивается исследованиями биологических объектов. Подходы решений для сред с плотной упаковкой частиц в условиях многократного рассеяния использованы для изучения пен, снега, фотослоев, диагностики сахарного диабета, определения концентрации гемоглобина в условиях 1п у!то. Методы определения функции распределения частиц цо размерам использованы в шдрооптике, исследовании фоторезистов, аниатошшв и т. д.

Результаты работы могут быть использованы в спектроскопии рассеивающих сред, биофизике, реаниматологии, медицинской: диагностике, экологии, оптическом и медицинском приборостроении.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов подтверждается адекватностью используемых теоретических моделей для расчета искомых параметров, их совпадением с известными: литературными данными, корреляцией результатов, полученных: различным методами, соответствием данных численного моделирования и эксперимента.

На защиту выносятся:

1. Методология исследования, в основе которой лежит экспериментальное доказательство применимости теории переноса излучения для интегральных характеристик светового поля для слабопоглощащих "мягких." шютноупакованных частиц на примере суспензии эритроцитов; введение и измерение эффективных параметров элементарного объема, в том числе, элементов матрицы рассеяния, а затем перенесение такого подхода к исследованию крови и и других биотканей любой 'природы, которые в оптическом отношении отвечают предлагаемому подходу.

2. Обоснование перспективности спектроскопии слабых поглощений по сравнению со спектроскопией в полосах поглощения дам исследования цельной крови и других биотканей, обеспечивающей возможность исследования механизма биологического действия лазерного излучения и других физико-химических воздействий в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, где клетки мало поглощают и практически не.т других способов определения абсолютных значений поглощения.

3. Новые методы определения средних размеров, действительной части комплексного показателя преломления, показателя светового давления и среднего косинуса индикатрисы рассеяния сферических частиц в широком диапазоне параметров, основанные на многократном рассеянии оптического излучения в случае слабых поглощений, обладающие более высокой чувствительностью по сравнению с другими методами.

4. Обнаружение продуктов распада гемоглобина по измеренным

спектрам показателей поглощения опухолевых: образований грудной и щитовидной желез, цельной крови больных сердечно-сосудистыми заболеваниями и при длительном воздействии на кровь лазерного излучения.

5. Методы определения гематокритагого отношения , средних размеров агрегатов эритроцитов, концентрации производных гемоглобина на единой методологической • основе и експериментальной базе, защищенные авторскими свидетельствами.

6. Установление взаимосвязи полуширин спектров временных флуктуаций интенсивности однократно и многократно рассеянного излучения суспензиями эритроцитов в толщинном режиме ( в направлении "назад" ) с учетом оптических свойств среды, в результате которых предложены методы определения параметра асферичности, поглоадательяой способности и степени оксигенацш гемоглобина еритроцитов.

7. Новые метода определения еритроцитометрической кривой, параметра асферичности эритроцитов, основанные на измерениии показателя ослабления суспензии еритроцитов в спектральной области 300 - 960 нм, защищенные авторскими свидетельствами.

8. Методики определения показателя преломления крупных оптически "мягких" частиц, основанные на измерении элементов матрицы рассеяния монослоя сферических и асферических чае-гиц, в том числе при их штатной упаковке.

Совокупность приведенных положений составляет основу нового направления в оптике рассеивающих сред, которая позволила разработать физически обоснованные методы исследования крови и других биотканей видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, близких к нативному, с перспективой перенесения подходов в условия ln vivo.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации изложены в 34 статьях рецензируемых журналов, 11 аторских свидетельствах, 1 препринте и 45 тезисах докладов и статьях в трудах конференций и школ (из них 20 - в трудах международных конференций). Они докладывались на следующих совещаниях, конференциях, семинарах и школах но спектроскопии рассеивающих сред:

III Всесоюзное совещание по управляемому биосинтезу и биофизике популяций АН СССР (Красноярск, 1973), Всесоюзное совещание механизма регуляции в системе крови (Красноярск, 1978), Всесоюзные школы по оптике рассеивающих сред (Минск, 1S80, 1990), Всесовзное совещание по распространению лазерного излучения в дисперсной среде (Обнинск, 1982, 1985; Барнаул-Обнинск, 1988), III Всесоюзная конференция по спектроскопии рассеивающих сред (Батуми, 1983), Республиканская конференция "Современные проблемы медтехники (Минск, 1983), Всесоюзная конференция "Современные методы контроля лазерного облучения крови и оценки лазерной терапии (Новосибирск, 1950), Всесоюзное совещание "Лазерная диагностика функционального состояния крови" (ФИАН, НЩ MP, Обнинск, 1991), "Лазеры" (МГУ-СГУ, Саратов, 1987), "Математические методы и средства вычислительной техники в лазерной диагностике и терапии" (Минск, 1990), III Республиканский съезд кардиологов совместно с кардиологами СНГ (Минск, 1994), Всесоюзный семинар "Биофизика водных систем (ЛГУ Ленинград, 1985, 1987), семинар "Биомеханика" (МГУ, Институт физиологии им. И.П.Павлова, 1986, 1989, 1994, 1995, 1997). Международные конференции: "Медицинская биомеханика (Рига, 1986), Biomedical Optica (Лос Андаелес, 1993; Будапешт, 1993; Лилль, 1994; Барселона, 1995; Вена, 1996), "Laser Application, in Life Sciences" (Москва, 1990; Минск, 1994; Иена, 1996), Laser Optics (С.-Петербург, 1993), Прикладная оптика (С.-Петербург, 1996), îransïer processes in biomédical problems (Минск, 1995), Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении (Саратов, 1997).

Личный вклад соискателя.

Автору принадлежит постановка экспериментов, разработка аппаратуры и методик экспериментов, включая выполнение первоначальных и части основных измерений, а также обработки и анализа приведенных в диссертации результатов и методологии исследования.

На разных этапах работы эксперименты: проводились также Шумилиной С.Ф., Дубовой Г.С., Олейник Т.В., Королевичем А.Н., Макаревич С.А., Шубочкиным Л.П., Кузнецовой И.Н., Безруковой А.Г., Козловым В.Д., Гайбулаевым Б.А. Теоретические

расчеты сделаны Кацевым И.Л., Науменко Е.К., Пршшгшалко А.П. и Баруном В.В. Объекты исследования с медико - биологически« сопровоадением предоставлялись Бондаренко B.C., Костиным Г.М., Пригун Н.П., Севковским Я.И., Мишуровым Э.А., Кузнецовой К.Н.. В обсуждении результатов исследований принимали участие Иванов А.П., Артишевская Н.И., Зеге Э.Д., Юсупова Л.В., Буй Л.М. и перечисленные выше соавторы работ. *

Публикации,

По теме диссертации опубликовано 90 -работ. Результаты исследований, носящие принципиальный характер, отражены в 54 публикациях, приведенных в конце реферата.

ооъеи и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, восьми глав и списка цитируемой литературы, четырех актов внедрения заявок на изобретения. Работа изложена на 270 стр. и включает около 200 стр. текста, 59 рисунков, 40 таблиц и 330 литературных источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, изложены цели, задачи, принципы исследования, описан круг основных вопросов, рассмотренных в диссертации.

Первая глава носит вводный характер. Здесь приводятся сведения о морфологии и химическом составе крови, биологических клеток - и тканей, влияющих на оптические характеристики етих сред. Обсуждается состояние теории и эксперимента в оптике рассеивающих сред и обозначено место настоящей работы в этой области физической оптика. Дается краткое описание аппаратуры и методов, используемых при выполнении работы. Обращается внимание на то, что параметры элементарного объема корректно могут .определяться в условиях однократного рассеяния и толщинного режима, обсуждаются условия их реализации.

Методам определения показателя поглощения а, светового

давления G, среднего косинуса индикатрисы р в области слабых поглощений, развитого многократного рассеяния уделяется большое внимание, поскольку они обеспечивают более высокую точность определения G и {Г, особенно для сред с сильно вытянутой индикатрисой рассеяния, а при определении а являются единственно возможными для сред, какими являются мягкие биологические ткани, кровь в красной и ближней инфракрасной областях спектра.

Глава 2. Особенности распространения оптического излучения суспензий эритроцитов ори их плотной упаковке

В большинстве работ 70-80 годов основное внимание уделялось распространении когерентной компоненты нрямоцрошедшего излучения в средах с близкорасположенными центрами рассеяния. В дальнейшем эта тенденция сохранилась. Мы расширили эти рамки исследованиями некогерентно диффузпо прошедшего и отраженного излучения оптически тонкими и толстыми слоями. Мы исходили из того, что наиболее простые зависимости от плотности упаковки следует ожидать для коэффициентов диффузного отражения Я и пропускания Т монослоев и толстых слоев, в которых, с одной стороны, реализуются условия квазиоднократного и развитого многократного рассеяния, с другой, нивелируются эффекты, связанные с деформацией индикатрис рассеяния при вариации плотности упаковки частиц, особенно при многократном рассеянии.

Экспериментально исследованы коэффициенты диффузного отражения ñ(Z) и пропускания Т(I) от толщины слоя I при различных плотностях упаковки (Cv = 0.05 + 0.80) суспензии эритроцитов в физрастворе, где они не агрегируют. На основании того, что качественный ход R(l) и Т(1) в слоях с плотной упаковкой частиц аналогичен тому, который характерен для сред с независимыми рассеивагелями, делается очень важное предположение, что,хотя и существует точка зрения, что для сред о плотной упаковкой частиц теряется смысл характеристик элементарного объема,можно судить об эффективных значениях этих величин для данной плотности упаковки по крайней мере в области поглощений < 1/1.

Поэтому по асимптотическим формулам теории переноса излучения в толщинном режиме Й(1) и V{1) рассчитываются параметры (<2У)Эф* (У^эф' аэф %ф' уэф безразмерный показатель

затухания в толщинном режиме, q = = 1/3(1 - ß))-

Отметим, что простая зависимость ao/(Cv) (/(Си)-const) для конкретной: объемной концентрации эритроцитов в красной и инфракрасной областях спектра позволила определить спектры поглощения чистых форм производных гемоглобина (гл.У) цельной крови, степень оксигенации гемоглобина, совпадающие о результатами полученными другими способами, доказывая тем самым правомочность использования коэффициентов диффузного пропускания и отражения оптически толстых слоев для определения показателя поглощения ао, как это имеет место для сред с независимыми рассеивателями.

Что касается оптически тонких слоев, то на основании; того, что при углах приема 2у = = 0.06° и больших значениях Cv погрешность определения T(ü,Cv) меньше 20Í, поэтому по значениям Т(0) может определяться показатель ослабления е^. При 2уПр= 120° приемник регистрирует ™ 98% рассеянного излучения, и по измеренному коэффициенту диффузного пропускания монослоя эритроцитов в физиологическом растворе 24а), мокно судить о поглощенном в слое излучении при больших значениях Cv и ао.

Таким образом, измерения коэффициентов пропускания с малым и большим углами приема монослоев эритроцитов .в физрастворе обеспечивают исследование е^ (X = 300 - 805 нм) и аэф ^ = - 580 нм) при широкой вариации параметра дифракции рза - 30 - 60, вероятности выживания фотонов Ко (1 - ао/ео) = = 0.6 + 0.92. Значения а^ в области 650 - 800 нм, могут быть определены в условиях многократного рассеяния, при этом Л о варьирует от 0.970 до 0.998 в зависимости от компонентного состава производных гемоглобина в эритроцитах. Мнимая часть комплексного показателя преломления эритроцитов варьирует от 2х10"3 до 2х10~Б (X = 400 - 805 нм), а действительная часть изменяется незначительно.

Б спектральном ходе наблюдается деформация

зависящая от Cv. В резонансной области имеет место инверсия в ходе £дф(Х), определяемая формой частиц и плотностью упаковки, цри фиксированных оптических константах В спектрах адф, характеризующих поглощение в монослое, положение полос сохраняется при изменении Cv. Влияние плотности упаковки выражается в монотонном увеличении 1 (Cv) при Cv > 0.2

(Ло = 0.6 + 0.92).

В заключительном разделе главы подробно исследованы

зависимости е^ и 1 - к^, от плотности упаковки

Су б области сильных и слабых поглощений. Сделаны аппроксимации экспериментальных результатов при различных длинах волн I следующими приближениями:

-предположением о равновероятности рассеяния слабопоглощащих "мягких" крупных частиц с показателем преломления пг и "дырок" в промежутке меяду частицами (2р(пг - п) с 1);

-приближением, принимающим во внимание только изменение статистики распределения частиц в объеме при малых и больших плотностях упаковки Су;

-приближением, учитывающим интерференцию рассеяния частицами полей при различных значениях действительной п и мнимой частях X показателя преломления вещества частиц.

Успешное введение и использование эффективных параметров элементарного объема на примере суспензии эритроцитов при широкой вариации Су позволяет провести аналогию при исследованиях распространения оптического излучения в биологических тканях, поскольку их специфика определяется высокой концентрацией дисперсной фазы, а параметры элементарного объема- определяются кооперативными эффектами.

В самом деле, при увеличении Су, например, при сжатии тканей, независимо от первоначального значения вероятности выживания фотона Ло значения 1 - Л^ = /е^ возрастают в несколько раз, и увеличение Су может приводить к значительному превышению поглощения над рассеянием. В области сильных поглощений и больших Су величина (1 - Л^) 1, среда практически не рассеивает, и независимо от толщины слоя ослабление излучения следует закону Бугера, так как у ~ 1, 1 -При этом очень велико, и затухание излучения очень

сильно.

В области слабых поглощений из-за сильного уменьшения е^ при Су > 0.6 излучение ослабляется медленно в толщинном режиме, величина хотя и увеличивается в 10 раз при Су % 0.8,

однако, все равно остается значительно меньше 1 и ослабление излучения в толстых слоях медленнее, чем в тонких, что обусловлено рассеянием.

Глава 3« Восстановление оптических констант гидрозолей по

рассеянному излучению

Определение оптических констант и размеров микрочастиц: в гидрозолях является типичной обратной задачей - оптики рассеивавдих сред. Традиционно эта задача решается в рамках однократного рассеяния. С конца семидесятых годов ■ развиваются методы, основанные на измерении характеристик поля многократно рассеянного излучения.Следует отметить, что спектроскопия слабых поглощений имеет тем большую эффективность, чем меньше поглощен® и больше рассеяние. Аппробацдя методов определения оптических констант гидрозолей была реализована в суспензиях эритроцитов, кровезаменителей и латексов.

3.1 Методы определения мнимой части комплексного показателя

преломления.

В общем случае связь показателя поглощения частиц с мнимой частью комплексного показателя преломления нелинейна. Первые работы по определении мнимой части комплексного показателя преломления эритроцитов К осуществлялись на сферулированннх эритроцитах при сильном разведении в физрастворе, поскольку в етом случае была известна взаимосвязь показателя поглощения полидис персного ансамбля частиц аа с показателем поглощения пигмента частиц (Пришивалко A.n., Наумеяко Е.К., 1974г.). Нами было показано, что оптические и геометрические параметры сферулированннх эритроцитов лежат в рамках применимости формул, а функция распределения по объемам удовлетворяет гамма-распределению, при котором была получена формула.

В спектральном интервале длин волн 300 + 580 ни показатель поглощения элементарного объема ао, совпадающий с показателем поглощения ансамбля частиц, определялся методом однократного рассеяния, в области 650 + 960 т - по методикам многократного рассеяния. Результаты восстановления х свидетельствовали о продуктивности такого подхода.

Однако, погрешность измерения X ~ 20$, обусловленная измерением большого количества величин, не могла быть приемлемой для целей количественной опектрофотометрии. В дальнейшем

точность определения показателя поглощения ао была повышена благодаря измерению не трех параметров, как это было в формуле Розенберга Г,Б., а двух (ду и ус по коэффициенту диффузного отражения и относительного пропускания двух слоев в толщинном режиме 2Ча). При определении х вместо пяти параметров - только двух, в соответствии с формулой:

X = аоМКСМп3 - (п3 1)3/2], (3.1)

которая применима при выполнении условия (8кхп гтах/З*-) « 1, гс-

с-р

действительная часть показателя преломления частицы относительно окружающей среды с показателем преломления гт«х -

максимальный размер частиц, Сч - относительная доля объема занятая чаетицими. Формула (3.1) (К.Борен, Д.Хафмен 1983) в определенном смысле является обобщением приближенной формулы, полученной Е.К.Науменко и А.П.Пришивалко для полидисггерсных частиц . Для определения х эритроцитов достаточно было знания относительной доли объема, занимаемой частицами Су, поскольку, параметр Р = [пэ - (па 1)э/а] « 1.09 «- 1.125 при п -1.036 + 1.05, т.е. в пределах погрешности измерений не требуется знания п.Как показали специальные эксперименты,нет необходимости в информации о размерах и форме эритроцитов. Зависимость х от малого числа параметров сильно упрощает эксперимент и обеспечивает погрешность определения этой величины не более 555.

Отметим еще один немаловагсный момент. Если бы ничего не было известно о порядке величин х, п и гв»х среда, то вопрос о применимости соотношения (3.1) оставался бы неопеределенным. Однако, существует экспериментальный критерий применимости соотношения (3.1) для определения показателя поглощения частиц а по коэффициентам диффузного отражения Л и пропускания Т оптически толстых слабопоглощавдих слоев. Им является условие В. ^ 0.06, т.е. в ходе самого эксперимента предопределяется нижняя граница значений коэффициента дифузного отражения Я.

В спектральной области 450 - 580 нм при Су > 0.1 показатель поглощения а^ = /(^,х), в то время как в области слабых поглощений (К > 650 нм) =/(Сч), т.е. не зависит от самой определяемой: величины мнимой части комплексного показателя преломления х, - основной величины, используемой в

спектрофотометрии. Помимо того, что 8тот факт открывал возможность простого учета кооперативных: эффектов независимо от длины волны в этой области спектра, он свидетельствовал о независимости относительного спектрального хода эффективного показателя поглощения (рис.3.1) при неизменном состоянии гемоглобина. Таким образом, мнимая часть комплексного показателя преломления эритроцитов в видимой области спектра 350 - 580 нм может определятся только в условиях однократного рассеяния и Cv < 0.1, исключая линию Соре (410 - 420 нм).

Переход от а^ к показателю поглощения системы независимых рассеивателей ао и к в области слабых поглощений для окси- и деоксигемоглобина, основных хромофоров крови в области спектра 650 - 960 нм осуществлялся в соответствии с выражением:

X ' - a^X/4n(1.25Cv/(Cv)) п^, (3-2)

где /(Cv) = аЭф/ао определяется экспериментально.

Погрешность определения К в области слабых поглощений по указанным вше причинам не превышает 6 - 1%, погрешность в относительном ходе х меньше и составляет 3 - 4$. Результаты восстановления х для суспензий эритроцитов и латексов представлены на рис.3.1, для кровезаменителей в табл.3.1

3-2 Метода определения показателя преломления гидрозолей

В начале 80-х годов нами развивались методы определения показателя преломления (п 1.02 + 1.33; х s 10~4; р = 1 + 103, основанные на однократном рассеянии, в последние годы - в условиях многократного рассеяния.

На основании исследования угловой структуры компонент матрицы рассеяния /in,к,fjia(n,x,p,f), /12(п,х,р,$) были предложены методы определения действительной части относительного показателя преломления сферических частиц п, применимых к еферулированнш эритроцитам,v< тромбоцитам и лейкоцитам, хлоропластам. .'.'. ,

Методика определения п в интервале п - 1.02 +1.15 сводится к измерению элемента матрицы /33(га,х,р,р) или /34(п,х,р,|!) в области 80° - 120° и определению угла, при которых они проходят через 0. Относительная погрешность определения величины Ьп не

Рис.3.1 Спектральные зависимости эффективных показателей поглощения 1а - За) и мнимой части комплексного показателя преломления (4а и 16) для суспензий эритроцитов (а) и латексов (б) а) при различной объемной концентрации С*: 0.145(1), 0.33(2), 0.59(3);

б) при модальных диаметрах частиц й(мкм): 1„02(о) и 0.52(*)•

превышает 1556. Для с-ферулированных эритроцитов, угол при котором /эз(п,к,р,р) = 0, составляет 103°, что соответствует &л = 0.055, и совпадает с контрольными данными.

Анализ угловой зависимости для /1а (п, х, р, р = 140°+ 160°) свидетельствует также о возможности использования этого элемента матрицы рассеяния для нахождения действительной части комплексного показателя преломления частиц. Экспериментально на монослоях эритроцитов в физрастворе было показано, что в указанном диапазоне углов / не зависит от от формы частиц (при факторах асферичности р а 4) и от плотности их упаковки вплоть до Су = 0.6.

Определенная сложность экспериментальной реализации

описанных выше методов - основная их уязвимость. Обобщенный

параметр С} = определяемый также, как показатель

поглощения а, из коэффициентов диффузного отражения й и

пропускания 24 а оптически толстых слоев, весьма чувствителен к

значениям относительного показателя преломления, особенно при

п-п^/п 1 .Так, при изменении п от 1.02 до 1.06, что ср

соответствует значениям относительного показателя преломления эритроцитов и различных видов биологической фракции морского гидрозоля, (^изменяется на порядок, а при изменении п от 1.02 до 1.15 (п = 1.15 соответствует минеральной фракции морского гидрозоля) -в десятки раз. При известном значении рзг с высокой точностью можно определять показатель преломления. Весьма полезны для практического использования апцроксимационные соотношения, полученные Наумещсо Е.К. в широком диапазоне параметра р.

Расчеты ш формулам Ми, в более широком диапазоне значений л = 1.02-1.33 (значения п =1.33 соответствуют водному аэрозолю) показали возможность использования метода для более широкого класса объектов.Влияние х на величину (3 ( 0.03) мало,

что не превышает возможной погрешности измерений, вплоть до к « 10~4. Кроме высокой чувствительности, однозначная зависимость <2 от рза в широкой области значений, в том числе и для монодасперсной среды (рзг = ро), в отличие от отдельно взятых значений ей д, которые также используются для определения относительного показателя преломления частиц

п, составляет дополнительные преимущества этого метода. В таблицах 3.1 - 3.2 приведены результаты восстановления действительной части комплексного показателя преломления эмульсий перфторуглеродов и сферулироваишх эритроцитов в физрастворе и плазме.

Таблица 3.1

Значения величин ¿я - I(п - 1)1, х для частиц эмульсий: ЮД/ПФТЕА, рассчитанные методом многократного рассеяния, и вода .

1, нм 600 630 650 660 700 805

Ап 10а 3.52 3.67 3.75 3.72 3.77 3.88

X 105 0.572 0.587 0.608 0.622 0.644 0.804

X 106Я, 0 а 0.011 0.014 0.016 0.035 0.125 -

Таблица 3.2

Результаты определения относительного показателя преломления взвесей эритроцитов при X = 805 нм

Среда гэз, ты п Ч п я Q "о 5 ч

Плазма Физиологнче с-кий раотвор 3.6 3-2 1.041 1.055 61 25 1.041 1.066 186 66 1.04 1.06 0.1 -1

V*

0.2 -0.5

Глава 4. Метода определения иорфологическнх параметров микрочастиц крови

Важными диагностическими параметрами крови являются концентрация, форма, размеры, агрегационные свойства форменных элементов крови. Они являются основными факторами, определяющими реологию крови.

Гетерогенность цельной крови не усложняет исследование эритроцитов на фоне клеток различного рода из-за значительного превышения концентрации эритроцитов над другими форменными

элементами крови и размеров над макромолекулами плазмы и тромбоцитами. Однако, высокое содержание эритроцитов (относительная доля объема, занимаемая эритроцитами, или гематокрит Cv=0.2+0.8), сильно усложняет изучение указанных выше параметров. Поэтому до последнего времени методы диагностики морфологических характеристик эритроцитов осуществлялись при разведении крови, и только в последнее десятилетие начаты исследования по разработке методов их определения в цельной крови. Поскольку агрегащюнная активность эритроцитов сильно зависит от их концентрации, то корректное определение размеров агрегатов возможно только в цельной крови, так же, как гематокрита Cv, и времени агрегации. Заметим также, что только эритроциты и, возможно, лейкоциты при существенном увеличении их концентрации могут даагаосцщюваться при наличии других клеток. Все остальные клетки крови предварительно должны отделяться от других тем или иным способом.

На основании проведенных исследований показана надежная корреляция малоугловой индикатрисы рассеяния суспензии сферулированных эритроцитов x{f) в углах 0.5-35° от направления падающего излучения и спектрального хода показателя ослабления t(\) в области 350-1000 нм с их размерами. Необходимость сферуляции без изменения их объема связана с влиянием формы частиц на указанные характеристики. Эти зависимости были использованы для восстановления аритроцитометрической кривой /(г), ее полуширины (<йг2>/го)1/а , концентрации No и модального радиуса эритроцитов го. Средний коэффициент асферичности р также определяется по спектральному ходу показателя ослабления е(Х) и индикатрисе рассеяния х($?) в малых (р s 90°) и больших (130-140°) углах рассеяния- Сильная зависимость индикатрис рассеяния от структуры частиц в углах р > 90° может быть использована для восстановления неровности поверхности эритроцитов, или "городчатости". Повышена точность определения концентрации и функции распределения частиц по размерам /(г) в методе малых углов благодаря введению переменного предела интегрирования и учету показателя преломления. Впервые она была ашгробирована на эритроцитах и тромбоцитах, в дальнейшем использована нами и другими исследователями для определения размеров гидрозолей и аэрозолей различной природы.Вышеупомянутые исследования послужили фундаментом при разработке приборов для определения таких важных диагностических характеристик, как

концентрация, средний размер,полуширина распределения форменных элементов крови (ФЭК).

Впервые разработаны новые методы определения размеров сферических частиц, основанные на определении среднего косинуса индикатрисы рассеяния р и параметра ¡3, определеяемого по коэффициентам диффузного отражения и пропускания оптически толстого слоя для слабопоглощащих сред (х < ю-4) в широком диапазоне размеров г = 10"1 - Юа мкм и показателя преломления п - 1.02 + 1.33. Метод аппробирован на суспензиях эритроцитов и кровезаменителей. Исследовано влияние концентрационных эффектов на параметр <3^.

Разработаны и экспериментально проверены на образцах цельной крови людей и крови животных методы определения гематокритного отношения и агрегационной функции эритроцитов, основанные на использовании и учете кооперативных концентрационных эффектов в коэффициентах диффузного отражения и пропускания слоев цельной крови. Методы защищены авторскими свидетельствами и внедрены во ВНИИ переливания крови МЗ БССР.

Глава 5. Спектроскопия крови

Достижения теории однократного и многократного рассеяния, разработка методик и техники эксперимента в 70-х годах позволили рассеяние света из "мешающего, отрицательного" фактора превратить в действенный и положительный фактор в задачах спектроскопии крови.

Основной величиной, которой оперируют в спектрофотометрии, является показатель поглощения вещества «о или связанная с ним величина мнимой: части комплексного показателя преломления х. В гл.З предложена простая процедура учета кооперативных эффектов в суспензии эритроцитов. Для использования простых соотношений в цельной крови необходима также оценка агрегации аритроцатов. Исходя из условия применимости соотношения (3-1), для эритроцитов с содержанием гемоглобина в окси- и деоксиформах показано, что простая взаимосвязь значений осо и х в альфа а и бета 0 полосах гемоглобина существует для одиночных эритроцитов и цепочек из десятков эритроцитов, в области X > 650 нм - для агрегатов, состоящих из десятков эритроцитов. Спектрофотометрия цельной крови при сильной агрегации, с

размерами конгломератов порядка нескольких сотен микрон, возможна в спектральной области И > 700 вм, где, во-первых, малы значения х для различных форм гемоглобина, во-вторых, имеет место уменьшение . параметра дифракции р с увеличением длины волны X.

Используя описанные в гл. 2 и 3 измерительные процедуры и соотношения, нами были определены миллииолярные показателя поглощения окси-, деокси-, мет- и цианметгемоглобина. в цельной крови. Сопоставление с результатами, полученными другими авторами, свидетельствует об их хорошем совпадении.

Предложены новые методы определения метгеиоглобина в цельной крови, защищенные авторскими свидетельствами и внедренные в Белорусском НИИ переливания крови. Повышена точность опрделения степени оксигенации гемоглобина крови.

Таким образом, мы предлагаем традиционный подход, связанный со спектрсфотометрией в полосах поглощения, заменить измерениями вне полос поглощения. Значительное расширение возможностей спектрофотометрии в этой области спектра помимо преимуществ, связанных с возможностью измерений в агрегированной цельной крови, связано с более значительным, нежели в полосах поглощения, отличием мшшшолярншс показателей поглощения ряда дериватов гемоглобина.

Глава б. Особенности оптических в биофизических свойств крови при патологии и физико-ишичаских воздействиях

Многочисленные исследования спектров поглощения крови здоровых людей' в видимой и ближней ИК-областях свидетельствуют, что наиболее оптически активным компонентом является геи молекулы гемоглобина в комбинации его двух основных производных: • окси - НЪОэ и деокси-ЯЬ формах. При различного рода заболеваниях , соотношение концентраций НЬОз и НЬ изменяется в сторону увеличения НЬ, т.е. деоксигенации, которая особенно четко наблюдается у больных с сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Однако, спектральные изменения крови 'больных сердечно-сосудистыми заболеваниями обусловлены не только наличием таких прризводных гемоглобина, как окси-, деокси- и метгемоглобш,вердоглобин, но и повышенным содержанием продуктов распада гемоглобина - геиатина, биливердана, билирубина. Поскольку при гипоксии (повышенная деоксигенация гемоглобина

эритроцитов) понижается рН крови, то облегчается разрыв связей тема с глобинной частью по сравнению с оксигенированной кровью. Ввиду того, что коэффициент диффузного отражения крови больных сердечно-сосудистыми заболеваниями 1? 5 0.06, для расчета показателей поглощения цельной крови была осуществлена модификация метода слабых поглощений. С помощью ранее разработанных методов рассчитаны относительные концентрации оксигемоглобина Саз в венозной крови, средние размеры эритроцитов и их агрегатов. Обнаружено существенное отличие этих величин, а также относительного показателя преломления эритроцитов от соответствующих параметров здоровых людей.

Размеры агрегатов и степень окснгенации гемоглобина крови в группе больных превышают в несколько раз норму. Эти данные, легко получаемые описанными выше оптическими методами,могут быть рекомендованы как дополнительные, высокоинформативные и интегрирующие параметры, отражающие патологическое состояние организма наряду с традиционными клинико-лабораториыми данными .

Несмотря на достаточно широкое применение

низкоинтенсивного лазерного излучения в клинической практике и большого количества работ, посвященных установлению механизмов действия лазерного излучения на биологические .объекты, до сих пор даже терапевтическое применение этих методов нуждается в серьезном научном обосновании. С целью выяснения механизма этого воздействия на организм и получения практических рекомендаций в интересах терапии проведены исследования воздействия лазерного излучения на кровь. В рамках используемого подхода, процессы облучения и методология исследования оказываются связанными между собой. Исследование спектров поглощения вещества в области 600-960 нм свидетельствует не только об изменении концентрации производных гемоглобина, но и об образовании продуктов его распада в зависимости от времени воздействия на кровь и начального ее состояния. В перспективе поставлена задача выяснения механизма воздействия лазерного излучения на кровь и организм человека в целом, намечены пути для решения этой задачи.

Сравнительные исследования воздействия кровезаменителей на основе перфторуглеродов на кровь показали, что определяемые методами светорассеяния биофизические параметры также изменяются в зависимости от исходного состояния крови а могут быть использованы для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний.

Глава 7. Оптические и биофизические свойства биотканей

Интерес к оптической томографии, как к методу исследования биотканей, связан с незначительным воздействием на исследуемый объект слабоинтенсивного лазерного излучения по сравнению с ультразвуковым и рентгеновским, а также о перспективой расширения диагностических возможностей. Томография, предлагающая послойную диагностику объектов, представляет типичую обратную задачу, когда по информации, получаемой об объекте, определяются его параметры. Однако в этой проблеме и прямая задача, связанная' по существу с распространением оптического излучения в слоистых дисперсных средах, каадый слой которой характеризуется определенными оптическими и геометрическими параметрами, требует дальнейших исследований. Особое внимание, на наш взгляд, при этом должно быть направлено на методические вопросы, связанные о упрощением решения прямой задачи и повышением точности определения наиболее важных оптических параметров, влияющих на распространение излучения в слоистых дисперсных средах, многие из которых к моменту проведения исследований определялись некорректно.

Поскольку биологические ткани крайне редко бывают однородными по структуре, особенно если в них имеются новообразования, то для определения параметров а^ и Q^ измеряемыми в эксперименте величинами были выбраны коэффициенты диффузного отражения Ж А.) и пропускания Т{1) от слоя толщины I в толщинном режиме при нормальном освещении.

> Для решения задач диагностики состояния печени, легкого, опухолевых образований, кровеносного сосуда в условиях 1л vivo (т.е. под слоем кожи, мышцы и т.д.) была разработана методика расчета коэффициентов диффузного отражения и пропускания слоев биотканей, моделирующих органы человека и животных. Модельные расчеты свидетельствуют об эффективности предлагаемых подходов.

Для спектроскопических исследований Да vivo было создано волоконно -оптическое устройство, которое обеспечивало измерение коэффициента яркости диффузно отраженного излучения pR идентичного по величине коэффициенту диффузного отраиения R , с погрешностью 5% в трех лазерных длинах волн.

В условиях In vitrea продемонстрирована возможность обнаружения костной ткани, легкого и печени, находящихся на глубине I = 10 мм под слоем кожи и однородной мышечной ткани

е помощью волоконно-оптического устройства по яркости отраженного излучения.

Спектроскопические исследования ñ(X) и ГЦ) раковых образований грудной и щитовидной желез свидетельствуют о сильном отличии степени оксигенацшг гемоглобина и поглощательной: способности раковых образований по сравнении с нормальной тканью. Высокие значения коэффициентов диффузного отражения опухолевых тканей по сравнению с нормой в области 450 - 580 нм объясняется уменьшением концентрации гемоглобина в них и количества митохондрий. Особенности в длинноволновой области спектров ñ(X), Г(Х), а^ связываются с деоксигенацией гемоглобина крови и митохондрий клеток, наличием метгемоглобина, продуктами распада гемоглобина различного уровня (гематин, бшшвердин, билирубин), характерных для сред с низким уровнем рй, и уменьшением концентрации воды. Эти данные могут быть • использованы для дифференциальной диагностики опухолевых образований в отличие от существующих в настоящее время методов.

Глава 8. Применение методов динамической спектроскопа для изучения биофизических характеристик клеток крови

В начале 80-х годов разрыв между большими.; возможностями и недостаточным использованием методов динамической спектроскопии для изучения целого ряда биофизических параметров.крови побудило нас к исследованиям автокорреляционных функций временных флуктуацйй интенсивности рассеянного излучения.

При проведении исследований учитывалось, что только з двух оптических режимах, характерных для рассеивающих! сред, а именно, в условиях однократного рассеяния и толщенного, режима, временные статистические параметры рассеянного излучения, какими являются автокорреляционные функции или спектры частот для интенсивностей, определяются динамическими и оптическими свойствами среды, а не геометрическими факторами, обусловленными особенностями используемой для исследования техники,-' т.е. условиями освещения и регистрации. В то ж самое время' неопределенность в реализации режимов однократного и многократного рассеяния была исключена специальными исследованиями.

Для. экспериментов с эритроцитами были выбраны утлы наблюдения f ~ 150-170° от направления падающего излучения в

виду того, что ожидаемая деформация спектра (или автокорреляционной функции), обусловленная седиментацией крупных частиц, в этом случае минимальна, а влияние асферичности частиц на индикатрису рассеяния в этих углах максимально, что важно для определения параметра формы. Кроме того, в условиях однократного рассеяния полуширина спектра Ш практически определяется поступательной диффузией из-за незначительного вклада вращательной диффузии в измеряемый спектр.

Было показано, что при плотной упаковке эритроцитов в случае квазиоднократного рассеяния, реализуемом в геометрически тонких слоях или сильном поглощении, при малых временах корреляции, автокорреляционная функция временных флуктуаций интенсивности K(t, у « 180°) в направлении "назад" от слоя эритроцитов имеет екапоненциальнкй вид. По автокорреляционной функции временных флуктуаций интенсивности K(t, у « 180°) в направлении "назад" в оптически толстом слое при облучении слоя крови излучением при X - 440 нм и Cv < 0.1 определены коэффициент диффузии эритроцитов сферической и асферической формы, модальный радиус и полуширина функции распределения сферулированных эритроцитов.

Наш показано, что экспериментальные величины полуширин спектров временных флуктуаций интенсивности в толщинном режиме Шг при слабом поглощении (R z 0.10; X = 633 нм; Cvо s 0.07) просто связаны с полушириной спектра при однократном рассеянии Шо:

АЫт = 4(ео/аодо)АИо, (8.1)

где Ша - 22Ba; S = (2Ksin^/2)/X; D = (k^F)/(6nr]arB);

8 = [pa/(p - 1)l/a3arctg(pz - 1)l/a; kB - постоянная Больцмана; Т.- температура среды; rj - коэффициент вязкости : среда; р - параметр асферичности эритроцитов; аг - большая полуось эллипсоида вращения, если эритроциты аппроксимируются эллипсоидами вращения; <р - угол рассеяния.

В формуле (8.1) величина (so/aoqo) может быть определена по коэффициенту диффузного отражения Ro или по коэффициенту яркости диффузно отраженного "назад" излучения.

Как следует из формулы (8.1),показатель ослабления со, а, следовательно, и полуширина спектра Шт зависят от параметра асферичности р. Поэтому, если известны параметры полуширины

спектров флуктуаций интенсивности Шх при двух длинах волн X « 1330 нм ( при X & 1330 нм значения £о для сферических и асферических частиц совпадают) и известны величины показателей поглощения осо, то могут быть определены как значения диаметра эритроцита й - 2аг, так и величины параметра асферичности. Поскольку показатель ослабления ¿о зависит не только от формы частиц, но и от микрорельефа поверхности (при жесткой мембране), то значения Шг в соответствии с формулой (8.1) несут информацию о микрорельефе. Представляется также более эффективным исследование явления фликкера эритроцитов..(механические колебания мембраны) провести в условиях толщенного, режима.

Полуширина спектра временных флуктуаций интенсивности в условиях многократного.:рассеяния в соответствии с формулой (8.1) несет информации не только о динамических и ■■ геометрических параметрах эритроцитов, но и их поглощательной способности. Степень океигенации крова такие может определяться не по интенсивности рассеянного излучения, а по временным спектральным характеристикам, т.е. до другой физической величине.

■ВЫВОДЫ

Проводимые исследования продемонстрировали высокую •эффективность, в некоторых случаях неоспоримые преимущества методов рассеяния в изучении физико-химических параметров крови, других биотканей, гидрозолей различной природы. В соответствии с поставленной целью и задачами исследования получены следующие основные результаты: .

1. Впервые разработана и реализована единая,/ методологий определения комплексного показателя преломления т = п + IX, средних размеров, а также среднего косинуса-, индикатрисы рассеяния р (при известном показателе ослабления), показателя светового давления О в широком диапазоне размеров.(г = 10"1 -10а мкм), комплексного' посгазателяпреломления (п - 1.02 + 1.33, X = = 10"6 + 10~4), основанная на измерении коэффициентов диффузного отражения и пропускания дисперсного вещества в оптически толстом слое при развитом многократном рассеянии. Чувствительность метода определения п, ]Г, а превышает известные методы. Аппробация осуществлена на суспензии .эритроцитов, кровезаменителей я латексов. .

2. Разработан и реализован метод исследования спектров суспензии

эритроцитов в зависимости от плотности упаковки, цельной крови и мягких биотканей в видимой и ближней ИК областях спектра, основанный на экспериментальном доказательстве применимости асимптотических формул для описания распространения излучения в оптически толстом слое слобопоглощащей среды о различной упаковкой частиц, введении эффективных параметров элементарного объема и обосновании методик их измерения, простом учете кооперативных эффектов.

3. Разработаны и экспериментально проверены методы определения концентрации метгемоглобина в цельной крови, повышена точность определения концентрации окси- и деоксигемоглобина.

4. Разработаны и экспериментально проверены на образцах консервированной крови, цельной крови в норме и патологии, крови животных методы определения гематокритного отношения агрегационной функции эритроцитов, основанные на использовании и учете кооперативных концентрационных эффектов в коэффициентах диффузного пропускания и отражения слоев крови. Приоритет защищен авторскими свидетельствами.

5. Повышена точность определения функции распределения частиц по размерам и концентрации в методе малых углов благодаря введению переменного верхнего предела интегрирования. Впервые методика была ашгробирована на тромбоцитах и эритроцитах, в дальнейшем была использована нами и другими для исследования гидрозолей и аэрозолей различной природы.

6. Предложены и экспериментально проверены методы определения среднего параметра асферичности эритроцитов, их концентрации, эритроцитометрической кривой или ее отдельных моментов, основанные на измерении показателя ослабления суспензии эритроцитов в спектральной области 350-960 нм.

7. Показано, что в зависимости от длительности воздействия лазерного излучения (X - 633 нм) и первоначального состояния гемоглобина крови в условиях 1ц наблюдается, как положительный эффект, обусловленный оксигенацией гемоглобина и уменьшением размеров агрегатов эритроцитов крови при патологии, так и отрицательный, обусловленный деоксигенацией и разрушением гемоглобина, усилением агрегации. Аналогичное состояние крови с низкой деоксигенацией, продуктами распада гемоглобина характерно для больных сердечно - сосудистыми заболеваниями. Считаем целесообразным включение оптических методов определения указанных параметров в общелабораторные анализы крови.

8. Разработаны в условиях in vitro основы оптического метода дифференциальной диагностики опухолевых, образований грудной и щитовидной желез, основанные на низкой оксигенации гемоглобина крови и митохондрий клеток в тканях, наличии продуктов распада гемоглобина различного уровня и дефицита воды, проявляющиеся в спектрах тканей в видимой и ближней ИК областях спектра. Метод пригоден для внедрения в условия in vivo при соответствующем техническом оформлении и разработанным методам расчета для многослойных систем, моделирующих органы человека, аппробированнш в рамках настоящего исследования. 9- Разработаны и апробированы на суспензии аритроцитов методы определения показателя преломления крупных частиц по элементам матрицы рассяния / / / . Показано, что метод определения п

33 34 13

по элементу fíp может применяться в случае плотной упаковки эритроцитов.

10. Показано, • что одновременные измерения автокорреляционной функции флуктуации временной интенсивности в направлении "назад", яркости отраженного излучения в оптически толстом слое, или параметров элементарного объема суспензии эритроцитов для одной или нескольких длин волн дают информацию о размерах, параметре асферичности частиц. Показано, что по полуширине спектрав условиях многократного рассеяния можно определить не только геометрические параметры эритроцитов, но и: их поглощательную способность, степень оксигенации, наблюдать явление фликкера.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ПРЕДСТАВЛЕНО В РАБОТАХ:

1. ■ Хайруллина А.Я., Шумилина С.Ф. Определение функции распределения эритроцитов по размерам методом спектральной прозрачности// Журн. прикл. спектр.- 1973.- Т.19, N3.-С.340-347.

2. Хайруллина А.Я., Шумилина С.Ф. Способ определения полидисперсности и концентрации эритроцитов в цельной крови и тромбоцитов в тромбоцитарной массе// Журн. прикл. спектр.- 1973.-т.19, ЫЗ.- С.538-542.

3- Дубова Г.С., Хайруллина А.Я., Шумилина С.Ф. Восстановление спектра мнимой части комплексного показателя преломления

пигмента "мягких" частиц при их плотной упаковке// Журн. прикл. спектр.- 1981.- Т.34, N.6.- С.1058-1064.

4. Хайруллина А.Я. 0 закономерностях направленного и диффузного пропускания монослоя частиц с различной плотностью упаковки и оптическими свойствами// Опт- и спектр.- 1982.- Т .5 8 , N6.- С.1043-1047.

5. Дубова Г.С., Хайруллина А.Я., Шум&яина С.Ф. Определение спектра поглощения гемоглобина методами светорассеяния// Курн. прикл. спектр.- 1977.- Т.27, N5.- С.871-878.

6. Хайруллина А.Я. Определение размеров "мягких" частиц по диффузному отражению и пропусканию толстых слоев в разреженной и плотноупакованной средах// Журн. прикл. спектр.- 1937."- Т.4-6, Ы6.~ С.1000-1004- :

7. Дубова Г.С., Хайруллина А.Я. О диффузном пропускании и отракении толстых слабопоглощаадих слоев яри плотной упаковке// Журн. прикл. спектр.- 1982.- Т.37, N5.- С.832-836.

8.Иванов А.П., Макаревич С.А., Хайруллина А.Я. Об особенностях распространения излучения в тканях и биоквдкостях при плотной упаковке частиц// Журн. прикл. спектр.- 1987.- Т.47, N.4.-С.660-666.

9. Хайруллина А.Я. Восстановление • оптических констант и морфологических параметров гидрозолей по многократно рассеянному излучению// Сб. Рассеяние и поглощение овета в природных и искусственных дисперсных средах.- Минск: Институт физики АН БССР да. В.И.Степанова,'1991.- С.379-390.

10. Ktolrullina A.Ya. Determination of optical eons tans and morphological parameters of biological particles from light scattering characteristics// SPIE Preceding-- 1993-- V.1884.-P.324-333.

11. Хайруллина А.Я. Определение светового давления на олабопоглощающие частицы в слое// Оптика и спектр.- 1989.- Т.ь7, на.- С.368-372.

12. Науменко Е.К., Хайруллина А.Я. Определение показателя преломления и полидиспероности гидрозолей// Журн. прикл. спектр.-1990.- Т.52, N4.- С.887-892.

13. Дубова Г.С., Королевич А.Н., Хайруллина А.Я. Экспериментальное исследование рассеяния света большими "мягкими" оптически изотропными асферическими частицами // Журн. прикл.

спектр.- 1984.- N.40, N4.- С.630-634.

14. Королевич А.Н., Хайруллина А.Я., Шубочкин Л.П. Матрица рассеяния монослоя асферически " мягких" частиц при их плотной упаковке// Опт. и спектр.- 1990.- Т.68, N2.- С.403-409.

15. Дубова Г.С., Хайруллина А.Я.Шумилина С.Ф., Восстановление спектров поглощения океи- и деоксигемоглобина по коэффициентам диффузного пропускания и отражения в цельной крови// Журн. прикл. спектр.- 1982.- Т.36, N1,- С.76-82.

16. Дубова Г.С., Мшпуров Э.А., Хайруллина А.Я. Спектры мшишмолярных показателей поглощения метгемоглобизов цельной крови,в диапазоне длин волн 660-1000 нм// Журн. прикл. спектр.-1986.- Т.44, N3.- С.446-449.

17. Буглов Е.Д., Бондаренко B.C., Костин Г.М., Хайруллина А.Я. Методы анализа гематологических характеристик, основанные на светорассеянии// Медтехника.- 1989. - N4.- С.17-24.

18. Хайруллина А.Я. Исследование биоклеток методами светорассеяния// Сб.Распространение света в рассеивающей ореде.-Минскг Наука и техника, 1982. - С.275-292.

19. Хайруллина А.Я. Диагностика крови методами оптики рассеивающих сред.- Препринт/ Институт физики АН БССР.- Минск, 1985.- 50с.-

20. Безрукова А.Г., Кузнецова Й.Н., Хайруллина А.Я. Определение ¡физике - химических параметров эмульсий перфторуглерода методами многократного рассеяния// Журн. физич. химии.- 1990.- Т.64, N11.- С.3150-3153.

21. А. с. 795158 СССР, МКЛ3 00Ш 33/16.Способ определения гематокритного числа в цельной крови // B.C. Бондаренко, Г.С.Дубова, А.Я. Хайруллина, С.Ф. Шумилина (СССР). -N2699763/13-28; Заявлено 22.12.1978; Опубликовано 30.05.83, Вши N20. - 6с.

22. Иауменко Е.К., Олейник Т.В., Хайруллина А.Я. Определение действительной части относительного показателя преломления частиц по компонентам матрицы рассеяния // Опт. и спектр.- 1982.- Т.58, N6.- С. 1043-1047.

23. А. с.790971 СССР, МКл3 G01 N21/41. Способ определения действительной части относительного показателя преломления вещества в дисперсной фазе // А.Я. Хайруллина (СССР). -N2738746/18-25; Заявлено 19-03.79; Опубл. 1983, Еюл.И?. -7с.

24. А.о. 790970 СССР, МКл G01 N21/41. Способ определения действительной: части относительного показателя преломления диспергированных веществ/ Е.К. Науменко, Т.В. Олейник,

А.Я. Хайруллина (СССР). - N2731690/18-25; Заявлено 05.03.79; Опубл. 1983, Бш.Щ. -7с.

25. Дубова Г.С., Хайруллина А.Я., Шумилина С.Ф. О возможности определения концентрации и параметров распределения . эритроцитов по размерам из спектральных измерений прозрачности // Весц1 АН БССР. Сер. физ.-мат. наук,- 1980.- N2.- С.100-106.

26. А.с. 664639 СССР, МКл2 А 61В 10/00 G 01N33/16. Способ определения аритроцитомегричеокой кривой крови/ Г,С.Дубова, 1.В.Олейник, А.Я.Хайруллина (СССР). - N2489444/28 -13; Заявлено 17-05-77; Опубл. 30-05-79, Бюл. N20.

27. А.с.1144031 ССОР, G 01 N15/02. Способ определения показателя асферичности эритроци т ов/ А.Я. Хайруллина (СССР). N3687552/24-25; Заявлено 15-02.83; Опубл. 07.09.85, Бюл. N9-- 5е.

28. Королевич А.Н. и Хайруллина А.Я. Флуктуации интенсивности излучения, рассеянного дискообразными и сферическими частицами при вариации плотности упаковки// Журн. приза, спектр.- 1984.-Т.36, N2.- С.316-318.

29- А.с.989388 СССР, МКЛ3 G 01 N15/02. Способ определения показателя асферичности частиц/ Г.С Дубова, А.Н.Королевич, Г.М.Костин,А.Я,Хайруллина (СССР). - N2999875/18-25; Заявлено 03. 11. 80; Опубл. 15.01.83, БюлЛ2. - Зе.

30.А.с. N894493 CCCP,MKI3 G01 N27/47.Способ определения кислородг цельной крови./ В.С.Бондаренко, Г.С.Дубова, й.П.Sere, ИЛ.Кацев, А.Я.Хайруллина, С.Ф.Шушшша(СССР) - N2897726/18-25; Заявлено 21.03.80; Опубл. 30.12.81, Bsui.N48. - 6с,

31. Бондаренко B.C., Дубова Г.С., Ышпуров Э.А., Хайруллина А.Я., Шумилина С.Ф. Прецизионный метод определения содержания кислорода в крови// Мед. техника.- 1983.- N1,- С.17-21.

32. Хайруллина А.Я. Определение процентного содержания кислорода в цельной крови// Веец1 АкадемН навук БССР. Сер. ф!з.-мат.~ 1984.- N6.- С.72-?6.

33- А.С. 1233648 СССР, МКлэ G01 N33/48. Способ определения относительной концентрации иетгемоглобияа/ Г.С.Дубова, А.А.Колдаев, А.Я.Хайруллина (СССР). - N2526855/28-13; Заявлено 24.12.82; Опубл. 22.01.86, Бюл.Щб. -Зс.

34. Хайруллина А-Я.. Об определении размеров больших мягких частиц по диффузному отражению и пропусканию толстых слоев в разреженной и шютноупакованной среде // Сб. III Всесоюзное совещание по распространению лазерного излучения в дисперсной среде.- Обнинск, 1985. - Часть 2. - С.116-119-

35. Хайруллина А.Я., Олейник Т.В., Кацев И.Л. О возможности оптической диагностики одно- и многослойных структур, моделирующих органы человека// Оптика и спектр.- 1993.- Т.75, N1.- С.130-137.

36. Khairullina A.Ya., Olelnlk T.Y., Eatsev I.L. On the possibility of optical diagnostics of single- and multilayer structures modeling human organs// SPIE Proceeding. - 1993.-Y.1991.- P.45-55.

37-Khairullina A.Ya., Oleinik T.V., Yusupova L.B., Prigoun N.P.// Peoularities of speotroscopio information on whole blood at atherosclerosis// SPIE Proceeding.- 1994.- V.2325.- P.406-413. Зв. Хайруллина А.Я., Олейник Т.В., Юсупова Jl.Б. Особенности биофизических свойств крови при гипоксии, определяемые по спектрам диффузного отражения и пропускания// Журн. прикл. спектр.- 1996.- Т.63, N4.- С.140-146.

39. Хайруллина А.Я. Оптические и биофизические параметры биотканей в норме и патологии, методы их определения в видимой и ближней ИК-областях спектра, • ононанные на многократном рассеянии,''/ йнженерно-физич. журн.- 1996.- Т.69, N4.- С.390-398.

40. Khalrullina A.Ya., Oleinilc T.V., Korolevich A.N. Evalution of laser therapy efficiency by the change in the hemoglobin status and erythrocyte aggregation in whole blood at multiple scattering of light // SPIE Proceeding.- 1993. - V. 1883- -

P.124-129.

41. Королевич A.H., Олейник Т.В., Хайруллипа А.Я. Оптические методы изучения воздействия лазерного излучения на эритроциты крови человека // Журнал прикладной спектроскопии.- 1992. - Т.57,

N1-2. - С-152-157.

42. Khairullina A.Ya., Oleinik T.V.r Korolevich A.N. Optical methods for studying laser effects on human l)lood erythrocytes// SPIE Proceeding.- 1992. - Y.1981. -P.38-44.

43- Гайбуллаев Б.А., Козлов В.Д., Хайруллина Д.Я. Об использовании волоконно-оптических устройств при транскутанной

диагностике // Журнал прикладной спектроскопии. 1993. - Т.59, N5-6- - 0.583-590.

44. Khalrullina A.Ja., Koalov Y.D. On the application of fiber-optical devices in. transcutaneous diagnostic // SPIE Proceeding. - 1993. - V2Q82. - P295-263.

45. Хайруллина А.Я., Чайковский A.II., Шумилина С.Ф. О возможности исследования характеристик биоклеток по флуктуациям интенсивности раесянного излучения // Материалы Всесоюзного совещания по управляемому биосинтезу и биофизике популяций. Биологическая спектроскопия и фотометрия.- Красноярск, 1973. -С.128-129-

46. Korolevioh A.lf., Khalrullina A.Ya. Multiple quasi-elastic circular-polarised light scattering brownian moving asplxerieal particles // SPIE Proceeding.-1990. - Y.1403. - P.364-371.

47. Королевич A.H., Костко А.Ф., Хайруллина А.Я. Динамическая спектроскопия асферических частиц с учетом ее поляризации // Оптика и спектроскопия. - 1987. - Т.62, N3. - С.601-603.

48. Королевич А.Я., Хайруллина А.Я. Многократное квазиупругое рассеяние света броуновскими движущимися асферическими частицами при круговой поляризации. // Оптика и спектроскопия. - 1990. -

Т.69, N5. - С.1106-1110.

49. Хайруллина А.Я.,Информативность автокорреляционной функции временных фдуктуаций радиации, рассеянной "назад" суспензией эритроцитов // Оптика и спектроскопия. - 1996. - Т.80, N2.

- С.268-273.

50. Королевич А.Н., Олейник Т.В., Хайруллина А.Я. Воздействие лазерного излучения на эритроциты крови человека // Современные методы контроля лазерного облучения крови и оценка эффективности лазерной терапии. Тезисы доклада конференции. - Новосибирск, 1990, - С.33-35.

51. Дубова Г.С., Хайруллина А.Я. Влияние формы "мягких" частиц на спектральные зависимости параметров элементарного объема// Труды III Всесоюзной конференции по спектроскопии рассеивающих сред,- Батуми, 1985. - С.83-85.

52. Хайруллина А.Я., Олейник Т.В., БуйЛ.М., Артишевская Н.И., Пригун H.H., Севковский Я.И., Мохорт Т.В., Савченко М.А. Банк данных по оптическим и биофизическим свойствам крови, биотканей и биокидкостей в видимой и ближней ИК-области спектра//

Оптический журнал.- 1997.- Т.64, N3.- С.34-38.

53. Khairullina A., Lapina V., Doupliok A. The conception of studying the influential mechanism of optical radiation on human organism // The Proceeding of 6th Intern. Conf. on baser applications in life sciences. - Jena, 1996. - P.2-15.

54. Khairullina A.Ja., Bui L.M., Oleinik T.V., Artlshevsky N.I., Prigoun H.P., Sevkovsky Ja.I., Mokhort T.V. Data bank of optical properties of biological tissue, blood in visible and near Infrared spectral regions// SPIE Proceeding.- 1996,-V.2923.- P.79-85.

БИОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КРОВИ И ДРУГИХ БИОТКАНЕЙ МЕТОДАМИ СВЕТОРАССЕЯНИЯ.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: спектроскопия, многократное и однократное рассеяние, плотность упаковки, оптические константы, матрица рассеяния, размеры частиц, асферичность, динамическая спектроскопия, кровь, биологические ткани, эритроциты, агрегаты, производные гемоглобина.

Показана высокая эффективность, а в некоторых случаях неоспоримые преимущества методов светорассеяния в изучении физико-химических параметров крови, ее отдельных компонент, других биотканей и гидрозолей.

Впервые разработана и реализована единая методология определения комплексного показателя преломления, средних размеров частиц, в гидрозолях, среднего косинуса индикатрисы рассеяния, показателя светового давления в широком диапазоне параметров, основанная на измерении коэффициентов диффузного отражения и пропускания дисперсного вещества при развитом многократном рассеянии.

Разработан метод исследования спектров показателей поглощения цельной крови и мягких биотканей в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, основанный на экспериментальном доказательстве применимости асимптотических формул теории переноса для описания распространения излучения при плотной упаковке частиц в оптически толстом слое слабопоглощащей среды. На ее основе разработаны методы . определения

РЕЗЮМЕ. Хайруллина Альфия Ягфаровна. ДИАГНОСТИКА

концентрации производных гемоглобина вне полос поглощения, средних размеров агрегатов эритроцитов, геыатократного отношения в цельной крови, ряда аналогичных биофизических параметров биотканей, в том числе опухолевых образований.

По полуширине спектров фдуктуаций интенсивности в условиях многократного рассеяния определяются как геометрические параметры частиц, так и их логлощательная способность и другие оптические характеристики.

Разработаны методы определения показателя преломления биологически крупных частиц по элементам поляризационной матрицы рассеяния.

Показана эффективность исследования физико-химических воздействий на кровь по спектрам показателей поглощения в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, по степени океигенации гемоглобина, размерам агрегатов эритроцитов.

РЭЗКЖЭ. ХаЙрул1на Альф1я Ягфарауна. ДЫЯГНОСШКА АПТЫЧНЫХ I Б1ЯФ131ЧНЫХ ПАРАМЕТРАУ КРЫВ1 I 1НШЫХ БШТКАКШ МЕТАДАМ1 РАССЕЯНИЯ СВЯТЛА-

КЛЮЧНЫЯ СЛОВЫ: спектраскап!я, пыаткратнае 1 аднакратнае рассеяние, шчыльнасць упакоуки, аптычныя канстанты, матрица рассеяния,асфярычнасць, дынам1чная спектраскапАя, кроу, б!ялаг!чныя ткан!яы, эрытрацыты, аграгаты, вытворныя гемаглаб1пу.

Наказана высокая эфектыунасць, а у некаторых выпадках 1 перавакнасць метадау рассеяния святла цры вывучанн! ф!з!ка-х!и1чных параметрау крыв1, 1ншых б!яткан1н и Пдразолеу.

Упершыню распрацавана 1 рэал!завана едная метадалог1я вызначенвя комплекснага паказчыка пераламлення, сярэдн!х памерау часц!ц у г!дразолях, сярэдняга кос1яуса индыкатрысы рассеяния, паказчьска ц!ска святла у шырок!м дыяпазоне параметрау, якая заснавана на вымярэнн! каэф!цыентау дыфузнага адлюстравання и црапускання дысперснага речыва, пры разв!тым шматкратным рассеянн!.

Распрацаван метад даследавання спектрау паказчыка

паглынання цэльнай крыв! и мякк1х б1яткзн1н у бачным i 1нфрачырвоным дыяпазонах спектру, як! заснаван на экспериментальным доказе прымян1масц1 ас1мптатычных фармул тэоры1 пераноса дзеля ап1сання распаусюджання святла з высока® шчыльнасцью упакоук! чаец1ц у аптычна тоустым сло1 слабапаглшаючага асяроддзя. На яе выснове распрацаваны метады вызначэння канцентрацый вытворных гемаглаб1ну паузне палое паглынання , еярэдиих памерау агрэгатау эрытрацытау, гематакрытнае суадносенне у цэльнай крыв! , шэрага аналаг!чных б1яф1з1чных параметрау б1яткан1н, у тым л!ку пухл!нных утваренняу.

йа паушырыне спектрау урымянных флуктуацый 1нтенс1унасц1 ва умовах шмагкратнага рассеяния вызначаюцца як геаметрычныя параметры чаец1яак, так 1 1хняя паглынальная здольнаець i 1ншыя аптычныя характарнстык!.

Распрацаваны метады вызначення паказчыка пераламлення б1ялаг!чна буйных часц!ц па элементам палярызацыйнай матрицы рассеяния.

Паказан-а эфектыунасць даеледавання ф!з1ка- х1м1чных уздзеянн1й на кроу па спектрам паказчыкау паглынання у бачным i 1нфрачырвоныи дыяпазонах , па ступен! акс1генацы! гемаглаб!на, памерам агрэгатау эрытрацытау.

SUMMARY. Khayrullina Alphiya Yagfarovna. DIAGNOSTICS OP THE OPTICAL Ш BIOPHYSICAL PARAMETERS Of BLOOD АЖ> THE OTHER BIOLOGICAL TISSUES.

KEY WORDS: spectroscopy, single and multiple scattering, close-packing, optical constants, matrix of scattering, particle sizes, aspheriolty, dynamical spectroscopy, blood, biological tissues, erythrocytes, aggregates, haemoglobin derivatives.

The high efficiency and undisputable advantages of scattering methods for Investigation of blood's physical and chemical parameters, other biologioal tissues and hydrosoles are shown.

For the first time the common methodology of determination

or complex index of refraction, average size of particles, average cosine of phase function of scattering, light pressure index, based on measurements of diffuse reflection and transmission coefficients of dispersed medium at strong multiple scattering has been worked out and realized.

Method of investigation of absorption indioes of whole blood and soft biological tissues in visible and near infrared regions based on experimental proof of applicability asymptotic formulae of transfer theory for the

light propagation description in optically thick; layers of weak absorbed medium with close-packed particles has been worked out and realized. On their basis the determination methods of haemoglobin derivatives , the average sizes of erythrosytes and their aggregates, hematocrit ratio in whole blood, analogical biophysical parameters of biotissuss, including i tumour formations has been developed .

It is shown, that the half-width of the intensity of temporal fluctuation spectrum in the case of multiple scattering yields information on absorption properties , other optical and biophysical characteristics but not only on geometric parameters of particles.

-The methods .of the refraction index determination of large biological particles by the matrices elements of scattering has been developed.

She efficiency of physical and chemical action investigations on blood at pathology using the spectrum, of absorption indices in visible and near infrared regions, the oxygenation degree of haemoglobin, siaes of erythrocytes aggregates Is shown.

ХАЙРУЛЛИНААЛЬФИЯ ЯГФАРОВНА

Диагностика оптических и биофизических параметров крови и других биотканей методами светорассеяния

Подписано к печати # 1998г. формат 60x90 1 / 16 Тип бумаги - типографская. Печать офсетная. Печ. л. А & Уч. изд. л. ¿. Тираж' 100. Заказ Бесплатно.

Институт физики им. Б.И. Степанова НАНБ 220072'Минск, пр. Ф. Скорины, 70

Отпечатано на ризографе Института физики им. Б.И. Степанова НАНБ Лицензия ЯП №20: от 20,08.1997