Математическое моделирование процесса распространения лазерного излучения в биотканях и рассеивающих средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

САРАТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ т. Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО

На правах рукописи

ЯРОСЛАВСКИЙ Илья Владимирович

едтшиЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСШОСТРАКЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В БИОТКАНЯХ И РАССЕИВАЮЩИХ СРЕДАХ

01.04-21 - лазерная физика

Автореферат диссертации аа соискание ученой стенеаи кандидата физико-иатаматическш: ваук

Саратов

- 1994

рассвяняя к внутренней структурой слабо рассеивающих биотканей (хрусталяк глаза).

Ном» научяые результаты а положения. выдвигаемые аа защиту: 1. Предложена 8 реализована версия метода Ионте-Карло для расчета распределения полной интенсивности излучения в многослойной ооглоцапца* Ж рассеивающей среде с отражающими я преломляющими границами при ее освещении простраветвенно-ограяичеаыым лазерным аумквн произвольного профиля.

2- Разработана в апробирована методика определения оптически параметров порлояаюадах я рассеивающих сред по данным спектрофотометрических измерения, основанная на инверсной технике Мояте-Карло.

3- Установлен» частотные зависимости коэффициента модуляции я фазового сдвига амплитудно-модулированного лазерного излучения яри его распространении а поглощающей я рассеивающей среде.

4. Выявлена роль концентрационных эффектов а формировании пространственно-неоднородного распределения коэффициента рассеяния вдоль оси хрусталика глаза человека.

Практическая значимость работы. В работе изучено влияние размера и формы падающего лазерного пучка на распределение цолной интенсивности излучения в биоткани. В частности, проведены расчеты для НеКе и Мг лазеров, используемых для облучения коли я крови я широко применяемых в практической медицине. Полученные результаты использовались для планирования в оптимизации Ув-терашя псориаза х няэкоянтеисввво* лазерной биостимуляцвш.

предложенная методика определения оптических параметров, биотканей применялась для обработки эксперименталышх данных, полученных на тканях яохя я мозга. Полученные результаты

- Biomedical Optics*92. Los Angles, USA. 1992г.

- International Symposium on Optical Methods in Biomedical Diagnostics and Therapy. Саратов, Россия. 1992г.

- International Conference on Laser Applications in Life Science*92. Jyvaskyla, Finland. 1992г.

- Biomedical Optics'93. Los Angeles* OSA. 1993r.

Sell and Biotissue Optics: Applications in laser Diagnostics and Therapy- Москве - ШшИ Новгород, Россия. 1993г.

- Biomedical Optics - Europe*93- Budapest, Hungary. I993r.

- 34th Annual Meeting of the Association for Eye Research. Granada, Spain. 1993г.

Структура й об-ьеи wffawt.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и сшскэ литературы аз 1б7 наименована». Диссертация изложена на 151 странице основного тексте, иллюстрированного 44

* у

рисунками, графика*® и таблицами.

краткое содажАНИЕ работы

Во введении обосновывается актуальность работа, формулируются целя исследования и положешып выносимые 8а защиту. Отмечена практическая эначетюсть работы, приведены сведения об апробации материалов даесерт81№и.

Первая глава посвящена обзору литературы* включающему краткое кмокеаяе развитых к настоящему момевту методов описания процессе расяфостравевая Лааврйбго излучения в биотканях в определению онтвчесюпс параметров биотканей, е также резюме исследований, посвященных установлен!» взаимосвязи между характеристикам* упругого рассеяния в микроскопической структурой слабо

измерений: двух- а чэтыредпотоковые щ>пбли.хения Кубедки-Мунка и инверсный метод Монте-Карло. Последний не содержит никаких предположений о структуре излучения и позволяет корректно учесть двухмерную геометрии эксперимента а нотери света на краях образца. Проведены расчеты коэффициентов полного пропускания, диффузного отражения, интегрального поглощения и боковых потерь излучения для модельных сред б различными оптическими параметрами. При атом моделировалась структуре образца, типичная для измерений на биотканях. На основании аа&лиза результатов расчета определены граяицн применимости приближения Кубелки-Муяка для вычисления оптических параметров. Выявлена рощ» краевых эффектов при Обработке спекгрофотометрических данных. Установлено, что при определениях условиях коэффициент боковых потерь излучения может пребывать коэффициент интегрального поглощения образца, что проводит К евдьному искажению результатов определения оптических Параметре» вря использовании одномерных моделеа.Приведены примеры восстановления оптических параметров .биотканей-, а частности, дермы человека на длящеводвы 633 вы К серого вещества мозга свиньи в спектральном диапазоне 300-800 ни.

Четвергов глава посвящена исследованию з рамках нестационарной теории перевеса процесса распространения амша№удно*-иодулщ>овайного лазерного излучения в биотканях и случайно-неоднородных рассеивающих средах. Получены выражения, опйеывавдие амшштудно-частотный к фэзово-частотный отклики среды. Показана воэмо*ность исп<?льзования фазово-иодуляцяонных измерений для определения оптических параметре» среды. Приведены результаты обработки экспериментальных данных, полученных на биотканях.

В пятой глава представлены результаты исследования

А

5 1 И I 11 j ! t s It I »■■ J I I, s

Sil*« i I i

я »

« M

ai а

о

-

I»

<я

о о

g f«

п

Ч. •ч

« щ

р. р<

N * ю à

<n

s t

5 uv •

H <r\ ' m

? ô

•> m

0) лз

с»

и

<v

• **

" ' е» .

» ae

N о VO

4-*

У0

ь . r

oí v» «

• t»

in

CJ

m Ф

» . 1

t§.- I.V-iaroslavsky, V.V.Tucin. Frequency-domain measurements of tissue optical parameters; a theoretical analysis // Proc.SPIE. t$93- V-1981, P.101-107.

16. S.R.Utz. yu.P.Siniclikin, V.V.Tuchin, I.V.Yarosiavsky, I.A.Uts. A.Yu.Bapabanov. Method and apparatus for percutaneous laser irradiation of blood and tissues // Proc.SPIE. V.1981. P.220-233.

17. T.V.'iuchin, S.S.Ulyanov, S.a.Utz, I.V.Yaroslavsky. Laser light scattering by Ыо tissues, applications in diagnostics and therapy // Proc.SPIE. 1993. V. 1884. P.272-283.

18. С.Р.Утц, В.В.Тучин. И.В.Ярославскиа, А.Ю.БараДаиоа. Опт«чес*ве аарач&вр* эпидермиса а ультрафиолетовой области спектра // Вествик дориатод. венерол. 1993. № 1> C.2i-26.

It. Yu.N.Scherbafcov. A.N.Yafcunin, I.V.Tfaroalavatcy. V.V.Tuchin. Modeling of temperature distribution in the aKin Irradiated by visible laser light // Proc.SPIE. 1993. V.2082. Paper N0.51. 2ft, Yu.P.Sinichlcin, a . G. Bogorodi tsicy, A.a.Uavllutov,

G.A-SmolyaXov. V.V.Tuchin, I.V.Yaroslavslcy. Functional eonitoring of tissues using frequency-domain laser light scattering // Proc.SPIE. 1993. V.2062. PaperNo.24.

¿1. C.Otto. A.N.Yarcslavalcy. I.V.Yaroslavsky. C.?.J.M.Vrenaen, O.J.Puppels. ¿-Grave. Ranan and elastic light scattering of freah huean eye-lenses // Proc.SPIE. 1993. 7.2079. Paper N0.4. Щ Yu.N.Scherbakov, A.M.YaKunin, I. V.Yaroslavelcr, V.V.Tucbin. Combined nueerical techniques for calculation of light and temperature distribution // Proc.SPIE. 1993. V.2100. ЮР. 23« I.V.Yarqalavsky. V.V.tuchin. An inverse Uonte Carlo method for apectropbotonetrie data processing // Proc.SPIE. 1993. V.2100« BP.