Спекл-коррелометрия полного поля: методы и приложения в диагностике случайно-неоднородных сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

894607166 На правах рукописи

ВИЛЕНСКИЙ МАКСИМ АЛЕКСЕЕВИЧ

СПЕКЛ-КОРРЕЛОМЕТРИЯ ПОЛНОГО ПОЛЯ: МЕТОДЫ И ПРИЛОЖЕНИЯ В ДИАГНОСТИКЕ СЛУЧАЙНО-НЕОДНОРОДНЫХ

СРЕД

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 2 то/] щ

Саратов-2010

004607166

Работа выполнена на кафедре биомедицинской физики Саратовского Государственного Университета

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Зимняков Д.А. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Рябухо В.П. доктор физико-математических наук, профессор Ушаков Н.М.

Защита состоится «29» июня 2010 г. В 15-30 на заседании диссертационного совета Д 212.243.05 в Саратовском государственном университете (410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ

Автореферат разослан « » мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.ф.-м.н., профессор В.Л. Дербов

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В настоящее время методы статистического и корреляционного анализа динамических спеклов широко применяются в материаловедении, медицине, биологии, химии и других областях современной науки. Данные методы, предполагающие анализ флуктационной составляющей лазерного излучения, рассеянного зондируемым объектом, излучения, базируются на совокупности наиболее значимых фундаментальных и прикладных результатов, полученных в последние десятилетия в статистической оптике и оптике случайно-неоднородных сред. В них используются различные подходы к анализу многократно рассеянных световых полей, формируемых при взаимодействии когерентного или частично когерентного зондирующего излучения с объектами со слабоупорядоченной структурой. Формируемые при многократном рассеянии лазерного излучения спекл-поля обладают высокой чувствительностью к изменениям конфигурации ансамбля рассеивающих центров в зондируемом объеме, обусловленным нестационарным характером исследуемой среды. Анализ последовательностей изображений динамических спеклов, отображающих эволюцию структуры зондируемого объекта в процессе зондирования, позволяет на основе решения обратной задачи многократного квазиупругого рассеяния лазерного света в зондируемой среде определить структурные и динамические характеристики рассеивающих центров (в частности, установить тип их движения, определить их подвижность, выражаемую в зависимости от типа движения через значения средней скорости или коэффициента трансляционной диффузии, оценить эффективные значения концентрации и среднего размера рассеивателей и т.д.). С учетом возможностей современных специализированных ПЗС и КМОП устройств для обработки изображений, обработку и анализ последовательностей спекл-модулированных изображений можно осуществлять в режиме реального времени. Дополнительные возможности в части анализа статических и динамических спекл-структур, формируемых при зондировании случайно-неоднородных сред частично когерентным излучением, предоставляет возможность управления когерентными свойствами зондирующего излучения (например, путем управления током накачки полупроводникового лазерного излучателя, работающего в подпороговом режиме). Рассматривая формируемые в результате многократного рассеяния частично когерентного излучения спекл-структуры как интерференционные поля, порождаемые суперпозицией парциальных составляющих рассеянного поля в зондируемой среде, подобный подход можно классифицировать как «безопорную многолучевую низкокогерентную интерферометрию случайно-неоднородных сред». Простота инструментальной и программной реализации методов, основанных на данном подходе, делают их весьма перспективными с точки зрения экспресс-анализа многофазных систем различного типа в материаловедении и экспресс-диагностики

морфофункционального состояния биологических тканей в биологии и медицине.

Несмотря на значительный успех, достигнутый к настоящему времени в части развития фундаментальных и прикладных аспектов спекл-корреляционного зондирования, ряд вопросов, имеющих принциальное значение с точки зрения расширения области применимости данных методов, изучен в недостаточной степени. К подобным вопросам относятся прежде всего особенности стохастической фазовой модуляции распространяющегося лазерного излучения в средах со сложной структурой и динамикой рассеивающих центров (например, в многофазных пористых системах в процессе нестационарного массопереноса или в композитных материалах, формирующихся в процессе разделения фаз). Также представляет значительный интерес развитие новых подходов к зондированию случайно-неоднородных сред излучением с контролируемой длиной когерентности и исследование влияния многокаскадной стохастической фазовой модуляции на стадиях доставки лазерного излучения от источника к объекту и от объекта к детектору на статистические и корреляционные свойства анализируемых динамических спеклов. Последнее является весьма актуальным с точки зрения применения многоканальных волоконно-оптических трактов в оптических схемах спекл-коррелометрических систем.

Исходя из существующих проблем в области оптической коррелометрии случайно-неоднородных сред с использованием когерентного и частично когерентного излучения, была сформулирована основная цель и задачи исследований.

Цель и задачи исследований

Целью диссертационной работы явилось развитие новых подходов и методов зондирования многократно рассеивающих случайно-неоднородных сред на основе анализа изображений статических и динамических спекл-структур, формируемых при зондировании среды когерентным либо частично когерентным излучением.

Для достижения цели диссертационной работы были решены следующие задачи:

1) развитие теоретических основ и экспериментальная апробация метода зондирования случайно-неоднородных сред с использованием частотно-модулированного лазерного излучения;

2) развитие спекл-коррелометрического метода анализа процессов нестационарного массопереноса в многофазных пористых системах;

3) развитие методов анализа динамических спекл-модулированных изображений применительно к спекл-коррелометрическому зондированию нестационарных случайно-неоднородных сред;

4) разработка инструментальной базы и экспериментальная апробация эндоскопического спекл-корреляционного метода применительно к

мониторингу функционального состояния органов брюшной полости человека в послеоперационный период;

5) исследование особенностей переноса излучения применительно к спекл-корреляционному зондированию композитных материалов «диспергирующий полимер - жидкий кристалл» в процессе их синтеза.

Научная новизна работы:

С использованием модели дискретных рассеивающих центров и в результате экспериментов с модельными рассеивающими средами установлены фундаментальные закономерности, определяющие процесс подавления стохастической модуляции усредняемых по времени динамических спекл-струкгур в условиях многократного рассеяния частотно-модулированного лазерного излучения случайно-неоднородными средами.

Установлены фундаментальные закономерности, контролирующие взаимосвязь критических значений макроскопических и микроскопических характеристик подвижности границы раздела жвдкой и газовой фаз в пористых слоях со скейлинговым поведением усредненного по ансамблю динамических спеклов первого кумулянта корреляционной функции флуктуаций интенсивности рассеянного слоем излучения.

В экспериментах с модельными средами и ш-уК'о биотканями подтверждена возможность спекл-корреляционного зондирования нестационарных случайно-неоднородных сред с использованием дополнительной стохастической фазовой модуляции зондирующего и объектного пучков; это дает возможность создания спекл-коррелометрических систем полного поля с многоканальными волоконно-оптическими трактами для доставки лазерного излучения от источника к объекту и от объекта к детектору.

Установлена фундаментальная особенность обратного рассеяния зондирующего лазерного излучения слоями случайно-неоднородных сред с крупногранулярной структурой, заключающаяся в естественной селекции парциальных составляющих рассеянного поля по значениям длины оптического пути в слое при использовании детекторов с высокой степенью коллимации регистрируемого излучения.

Практическая значимость работы заключается в:

- разработке и апробации в экспериментах с модельными рассеивателями нового спекл-корреляционного метода зондирования случайно-неоднородных сред с использованием частотно-модулированного лазерного излучения на основе анализа зависимости индекса мерцаний рассеянного света от глубины модуляции частоты зондирующего пучка;

- разработке методики и программно-инструментальной основы спекл-корреляционного эндоскопического мониторинга микрогемодинамики внутренних органов человека и животных во время полостных операций и в послеоперационный период;

- разработке и экспериментальной апробации новых спекл-коррелометрических методов и подходов, применимых для исследований в лабораторных условиях динамических характеристик различных нестационарных процессов в случайно-неоднородных средах, в том числе нестационарного переноса жидкой фазы в пористых слоях и разделения фаз в двухкомпонентных системах в процессе полимеризации одной из составляющих.

Достоверность представленных научных результатов следует из адекватности используемых физических и математических моделей, а также из согласия полученных экспериментальных данных с результатами численного моделирования и с данными, полученными другими исследователями.

Полученные в диссертационной работе результаты использовались при выполнении следующих грантов:

Грант РФФИ № 07-02-01467-а, 2007 - 2008 Грант РФФИ № 09-02-01048-а, 2009 - 2011 Грант РФФИ № 09-02-90487-Укр_ф_а, 2009 - 2010

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Индекс мерцаний усредненных по времени спекл-структур, формируемых при зондировании случайно-неоднородных сред частотно-модулированным лазерным излучением определяется косинус-преобразованием Фурье от функции плотности вероятности оптических путей парциальных составляющих зондирующего излучения в среде. При этом эффективное значение длины когерентности зондирующего излучения определяется выражением:

в котором Ао - длина волны зондирующего излучения вЧ вакууме, п - показатель преломления зондируемой среды, а I) ■ параметр, определяющий глубину модуляции длины волны лазерного излучения.

2. Первый куммулянт автокорреляционной функции флуктуаций интенсивности лазерного излучения, рассеянного движущейся границей раздела жидкой и газовой фаз в пористом слое, на стадии закрепления убывает по степенному закону в зависимости от критического параметра со значением критического индекса, равным 0.65±0.17; его значение, усредненное по спекл-модулированному изображению зоны активного развития границы, пропорционально среднему значению подвижности локальных границ раздела фаз в отдельных порах в данной зоне.

3. При использовании спекл-коррелометрии полного поля в режиме детектирования обратно рассеянного излучения для анализа кинетики роста жидкокристаллических доменов в слоях синтезируемых композитов «диспергирующий полимер - жидкий кристалл» может быть осуществлена дискриминация парциальных составляющих рассеянного поля по числу актов рассеяния путем задания

апертурного угла приемника. При этом детектируемый оптический сигнал формируется в основном за счет составляющих, многократно рассеянных в малых углах по отношению к оси зондирующего пучка и отраженных от задней границы слоя.

Макетный образец спекл-корреляционной эндоскопической системы полного поля для мониторинга микрогемодинамики внутренних органов человека и животных.

Метод зондирования стационарных случайно-неоднородных сред с использованием частотно-модулированного лазерного излучения на основе статистического анализа усредняемых по времени спекл-модулированных изображений поверхности зондируемой среды

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных научных конференциях:

-Saratov Fall Meeting - International School for Young Scientist and Students on Optics, Laser Physics & Medicine, Saratov 2006;

-International Autumn Summer School "Modern Biophysical Techniqes for Human Health", Poiana Brasov, Romania, 2005;

-3rd Russian-Finnish Meeting "Photonics and Laser Symposiym", Finland, 2007;

-International Conference on Correlation Optics, Chernivci, I 'kraine, 2007,2009.

По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня ВАК и 9 статей в сборниках трудов научных конференций.

Личный вклад автора состоит в участии в постановке задач, разработке методик расчета и проведения экспериментальных исследований, а также обработке и обсуждении полученных результатов. Представленные в диссертации результаты получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии, совместно с д.ф.м.-н. Зимняковым Д.А. и к.ф.м.-н. Садовым А.В.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, основной части, содержащей 5 глав, заключение, списка цитируемой литературы из 134 наименований. Текст диссертации изложен на 175 страницах, содержит 39 рисунков и 4 таблицы.

Основное содержание работы

Во введение обоснована актуальность темы, изложена цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы, отмечены научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава является обзорной и посвящена описанию современных оптических методов анализа многократно рассеивающих случайно неоднородных структур.

Приводится краткое описание процесса формирования спекл-структур при рассеянии когерентного излучения на диффузном объекте, с введением основных понятий и характеристик спеклов.

Далее приводится обзор основных методов диагностики и визуализации биотканей (оптическая когерентная томография, частотно-модуляционная и импульсно-модуляционная томография, лазерная доплеровская диагностика биопотоков и др.). Представлена используемая в данной работе физическая модель многократного рассеяния света. Представлены основные соотношения корреляционного анализа флуктуаций интенсивности рассеянного излучения. Рассмотрен простой случай однократного рассеяния зондирующего излучения монодисперсной системой сферических частиц с броуновской динамикой. Большое внимание уделено перспективным направлениям в современной биомедицинской оптике, связанным с использованием различных видов корреляционного анализа многократно рассеянных световых полей, формируемых при взаимодействии когерентного или частично когерентного зондирующего излучения с биотканями. В частности были рассмотрены методы динамического рассеяния света и их применение в биомедицинских исследованиях.

Во второй главе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований эффекта многократного рассеяния излучения на тонких слоях фторопласта и частиц ТЮ2 на стеклянной подложке, при зондировании образцов частотно-модулированным лазерным излучением и регистрации формируемых при этом динамических спеклов со временем экспозиции, существенно превышающим период модуляции частоты зондирующего лазерного излучения. Проведен анализ зависимости индекса мерцаний усредняемых по времени спеклов, формируемых при рассеянии зондирующего излучения в среде, от глубины модуляции частоты зондирующего излучения.

Для исследованных образцов были определены значения оптических характеристик (транспортной длины I*, коэффициента поглощения Ца и параметра анизотропии рассеяния g [Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Т. 2. М.: Мир, 1981. 317 с]) для длин волн 638 нм и 830 нм с использованием результатов измерений диффузного отражения, диффузного и коллимированного пропускания, а также угловых

распределений интенсивности в пиках когерентного обратного рассеяния (для

у*

слоя частиц рутила на стеклянной подложке). Определение / , ¡1а и g

производилось по полученным экспериментальным данным в соответствии с методиками, описанными в [Zimnyakov D.A., Oh Y.-T., Sinichkin Yu.P., Trifonov V.A., Gurianov E.V. Polarization-sensitive speckle spectroscopy of scattering media beyond the diffusion limit II JOSA A. 2004. V.21. P.59.]. Следует отметить, что как для образца фторопласта, так и для слоя частиц Ti02 при А0, равной 638 нм или

830 нм выполняется следующее соотношение: fiaL2 ¡1 «1, т.е. влиянием поглощения среды на распространение зондирующего излучения в образце можно пренебречь. В результате были получены значения I и g, приведенные в таблице 1.

Таблица 1.___

образец 1 ,ЛШ 8 Я, нм

Ti02 0,82 0,3 640

ТЮ2 2,2 0,25 830

Фторопласт 200 0,8 640

Фторопласт 290 0,73 830

По измеренным в эксперименте значениям амплитуды модулирующего сигнала, соответствующим убыванию индекса мерцаний /3 до 0.5, с учетом калибровочного соотношения между V и ЛА; определялись значения

параметра, определяющего глубину модуляции длины волны лазерного излучения 7]05, для образцов (I) и (И), зондируемых на длинах волн 638 нм и 830 нм; данные значения приведены на рис. 1 в зависимости от параметра 1}¡1 , характеризующего оптическую толщину образца в режиме диффузии

зондирующего излучения.

Рис.1. — слой частиц диоксида титана на стеклянной подложке; Л0 =830 нм; 4 — слой частиц диоксида титана на стеклянной подложке; к0 = 638 нм; 5 - слой фторопласта; Х0 =830

нм; 6 — слой фторопласта; Л0 =638 нм. 1, 2 -

теоретические зависимости 7]0 5 {ь2 ¡1*)

Path fengtft йЛНпгкл, i<m

Для анализа полученных экспериментальных данных было выполнено Монте-Карло моделирование переноса излучения в многократно рассеивающих слоях,

характеризуемых значениями &, приведенными в таблице 1, но с различными величинами L и /*; в качестве фазовой функции рассеивающей среды применялась функция Хеньи-Гринштейна [Henyey L.G., Greenstein J.L. Diffuse radiation in the Galaxy // Astrophys. J. 1941. V.93. P. 70.]. В результате моделирования для различных комбинаций значений толщины и транспортной длины рассеивающего слоя были получены функции плотности вероятности p(-ï) значений оптического пути в слое рассеянных составляющих, выходящих из слоя под малыми углами по отношению к оси освещающего пучка. С использованием найденных p(As) строились теоретические зависимости индекса мерцаний усредняемых по времени спеклов от параметра 7], по которым затем строились зависимости TJ05(l2//*), представленные на врезке рис. 1.

Рис. 2. - слой фторопласта; Х0 = 638 нм; 2 - слой частиц диоксида титана на стеклянной подложке; Х0 =638 нм; 3 -слой частиц диоксида титана на стеклянной подложке; À0 = 830нм;4~

слой фторопласта; Х0 = 830 нм.

'о 200 400 600 800 1000 V. mV

1 " л - -V - 4

0 6 \ •• л

1 , л д' 0.4 ï " \

V, >

Y. Р V А Л.,

0-2 У <

- X_.V

Несмотря на погрешности калибровки экспериментальной установки

(определение отношения ДА/К и, соответственно, Т\¡V) и определения

оптических характеристик зондируемых сред (таблица1), экспериментальные

данные по Т]05 для зондируемых образцов удовлетворительно согласуются с

соответствующими величинами, полученными на основе результатов статистического моделирования переноса зондирующего излучения в многократно рассеивающих слоях с плоскими границами.

В третьей главе исследовалась динамика развития границы раздела жидкой и газообразной фаз в слабо упорядоченных пористых слоях в процессе капиллярного подъема жидкости. Были установлены закономерности, контролирующие критическое поведение границы раздела жидкой и газовой фаз в слое в процессе ее закрепления. С использованием кумулянтного анализа

спекл-модулированных изображений поверхности, а также статистического анализа разностных бинаризованных изображений поверхности при некогерентном освещении было показано, что макроскопическая динамика границы на стадии закрепления контролируется, главным образом, степенной зависимостью частоты зарождения локальных нестабильностей границы (лавин) от критического параметра, в то время как динамика развития локальных нестабильностей контролируется процессом диффузии жидкости в слое и слабо зависит от критического параметра.

На рисунке 4 в полулогарифмических координатах приведена полученная в эксперименте зависимость средней скорости V подъема границы насыщенного жидкостью объема слоя от времени для одного из исследованных образцов (фильтровальная бумага ФС), демонстрирующая существование двух характерных режимов нестационарного движения жидкости в пористом слое под действием капиллярных сил.

шаш

0.001 1— 1000

4/

Рис. 4. Зависимость средней скорости движения границы V от времени для

образца ФС.

Локальное значение первого кумулянта Г^ (х, у, I) корреляционной функции флуктуаций интенсивности спеклов в определенной степени ассоциируется для анализируемой зоны спекл-поля с полушириной спектра флуктуаций интенсивности $(б),Х, определяемой подвижностью динамических

рассеивающих центров в локальном объеме зондируемой среды.

Исследование значений (Ц), усредненных по зоне развития границы раздела фаз, в зависимости от средней высоты насыщенной жидкостью области

Ь позволяет проанализировать характер изменений микроскопической подвижности локальных нестабильностей границы на различных стадиях. На рисунке 5 представлена соответствующая зависимость для одного из исследованных образцов (фильтровальная бумага ФС).

Рис. 5. Значения ^Г^ в зависимости от средней высоты подъема границы раздела фаз h и критического параметра

S\ • I

______ | _ Г

111 I II

Для исследованных неупорядоченных пористых образцов характерно значение критического индекса средней скорости, меньшее 1, что соответствует конечному времени протекания процесса закрепления границы (в отличие от пористых сред на основе плотноупакованных монодисперсных сферических частиц, характеризуемых более высокой степенью структурной упорядоченности). Полученные результаты представляют интерес с точки зрения описания транспортных свойств пористых систем различной природы в случае критического режима переноса жидкой фазы в подобных объектах. Рисунок 6, а иллюстрирует существенные различия в динамике спеклов, регистрируемых в зоне развития границы раздела фаз в пористом слое (1, 2) и за пределами зоны (3, 4).

Рис. 6. а - Спекл-модулированное изображение поверхности пористого слоя в области развития границы жидкой и газовой фаз; б - нормированные временные корреляционные функции флуктуаций интенсивности спеклов на различных участках изображения рис. 6 а

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований возможности мониторинга микроциркуляции крови в поверхностных слоях внутренних органов лабораторных животных в процессе лапаротомии с использованием спекл-коррелометрии полного поля, на основе оценок контраста усредненных по времени динамических спеклов в условиях

стохастической пространственной фазовой модуляции лазерного излучения при его распространении через эндоскопическую систему.

В главе приводится анализ микрогемодинамики кишечника, печени, селезенки, почек, поджелудочной железы крыс в нормальном состоянии, при искусственно вызванных ишемии и перитоните, а также при воздействии лекарственных препаратов с выраженным вазодилататорным действием (лидокаина, папаверина) (таблица 2), а также анализ микрогемодинамики ногтевого ложа пальца человека полученных при нормальном кровообращении и в результате принудительного подавления кровообращения в руке при помощи эластичной манжеты.

Результаты мониторинга нестационарной микрогемодинамики внутренних органов при кратковременном пережатии магистральных кровеносных сосудов с последующей релаксацией микроциркуляции до нормального уровня (при исходном нормальном физиологическом состоянии), а также при инъекции папаверина в брюшину в случае искусственно вызванного перитонита приведены на рис.3.

Рис.3. Изменения микрогемодинамики • • • стенки тонкого кишечника. I - норма; II -

• ишемия; III - релаксация параметров

. микроциркуляции до нормального

• in

" ■ t , • состояния после устранения пережатия

,„. ,;. 1 , магистральных сосудов; IV — реактивная

* ■ ■ " стадия перитонита; V — инъекция

. лидокаина в брюшину. Стрелка

iv ■ соответствует скачкообразному

"" ' .1,1 „'.",",1 —1.'.,1—i—,L' ..V' увеличению V(T) до ~ 0.49 в результате

гибели подопытного животного.

В таблице 2 представлены значения контраста в зависимости от функционального состояния диагностируемого органа. На основании полученных экспериментальных результатов и результатов других научных групп было установлено, что контраст усредненных по времени динамических спеклов, используемый в качестве диагностического параметра, характеризуется достаточно высокой чувствительностью к изменениям микроциркуляции крови в поверхностных слоях внутренних органов, обусловленных патологическими изменениями или воздействием внешних факторов.

Таблица 2. Изменения контраста при различных патологиях органов

Орган Функциональное состояние

Норма Перитонит Ишемия

Тонкая кишка 0.108±0.017 1.67-10-2 ±3.0-10-3 0.232±0.026

Поджелудочная железа 0.15210.006 1.17-10-2 ±2.5-10-3 0.329±0.009

Селезенка 0.162+0.007 2.05-10-2 ±8.1-10-4 0.36210.028

Печень 0.262±0.011 2.50-10-2 ±1.32-10-3 0.340±0.020

Почка (правая) 0.195+0.006 1.28-10-2 ±2.45-10-3 0.494±0.089

Почка (левая) 0.219±0.012 ----------- 0.455±0.039

В заключительной пятой главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований - корреляционных свойств флуктуаций интенсивности лазерного излучения, рассеянного слоями ДПЖК композитов на различных стадиях формирования их структуры в процессе разделения фаз в исходной смеси в зависимости от соотношения между объемными долями полимеризируемой субстанции и жидкого кристалла.

Для теоретического анализа корреляционных свойств флуктуаций интенсивности рассеянного слоями ДПЖК композитов лазерного излучения в данной главе была использована модель дискретных рассеивателей.

2- 1*9 4 • 4'fi 7.55

Рис.7. Зависимость интенсивности спекл-• поля </> случайно выбранного пикселя при

0~ 180° от времени облучения УФ.

4J ее № '50 «го ^*c

I сек

Экспериментальная часть данной главы была посвящена применению метода спекл-коррелометрии полного поля, применительно к исследованиям зависимости интенсивности рассеянного лазерного излучения, слоем синтезируемого ДПЖК композита под большими углами по отношению к направлению распространения зондирующего пучка, от времени. Эксперимент проводился для двух значений угла рассеяния в : в ~ 180° (детектирование обратно рассеянного излучения) и в ~ 150°. Были получены зависимости интенсивности при в ~ 180° для произвольно выбранной малой зоны (размером в один пиксель) детектируемого камерой спекл-модулированного изображения от времени при различных соотношениях ЖК-807 и NOA65 в исходной смеси. Для данных зависимостей характерно наличие достаточно протяженной латентной стадии (I) с нулевым значением интенсивности обратно рассеянного оптического сигнала с последующим резким возрастанием (II) и переходом к стадии насыщения (III) На рис. 8 приведена типичная функция плотности вероятности значений путей £ (и, соответственно, количества актов рассеяния) для парциальных составляющих рассеянного света в слое модельной случайно-неоднородной среды толщиной 40 мкм (что соответствует используемым в работе экспериментальным условиям). Характеристики модельной среды (коэффициент рассеяния, равный 150 мм"1, параметр анизотропии рассеяния, равный 0.95, и показатель преломления среды, равный 1.4) по значениям выбраны близкими к ожидаемым характеристикам синтезируемых слоев ДПЖК композитов.

В ходе моделирования анализировались два предельных случая рассеяния зондирующего лазерного излучения неупорядоченными ансамблями сферических ЖК доменов в слое диспергирующего полимера: однократное рассеяние релеевскими частицами, что соответствует начальной стадии процесса разделения фаз в исходной смеси, и существенно многократное рассеяние на стадии окончательного формирования структуры ДПЖК композита.

<L2Dr

>

X 010

И ' ' 100 ' ' ' П

Рис. 8 Распределение функции плотности вероятности значений путей 5 (и, соответственно, количества актов рассеяния) для парциальных

составляющих рассеянного света в слое модельной случайно-неоднородной среды.

Была получена зависимость нормированной автокорреляционной функции амплитуды рассеянного поля для следующих условий моделирования: длина волны зондирующего излучения 633 нм; начальное значение среднего размера сферических рассеивателей </?„,(г)>=5мкм, относительный показатель преломления рассеивателей 1.25.

С целью анализа распределений регистрируемых в спекл-корреляционном эксперименте парциальных составляющих рассеянного поля по числу актов рассеяния в зависимости от структурных характеристик зондируемой среды было проведено статистическое (Монте-Карло) моделирование переноса излучения в слое ДПЖК композита для условий регистрации рассеянного назад света.

Данные особенности распространения зондирующего излучения в слое модельной среды обусловлены существенно анизотропным характером рассеяния света на рассеивающих центрах с Ятой » Я . Также был проведен

численной эксперимент для анализа распределений парциальных составляющих рассеянного поля в зависимости от апертуры детектора (рис.9.). В результате моделирования была получена следующая зависимость:

Рис. 9 Зависимость количества прошедших фотонов от апертуры детектора.

апертура приемника,

Полученные результаты являются основой для развития методов спекл-коррелометрии (в том числе и методов полного поля, базирующихся на статистическом и корреляционном анализе усредняемых по времени изображений динамических спекл-структур) применительно к мониторингу процессов эволюции структуры многофазных систем в результате воздействия различных внешних и внутренних факторов. В качестве диагностических параметров могут быть рекомендованы кумулянты первого и более высоких порядков временных автокорреляционных функций флуктуаций интенсивности. При использовании методов полного поля данные параметры могут быть получены в результате статистического анализа усредненных по времени разностных изображений регистрируемых динамических спекл-структур.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы:

1. Экспериментально и теоретически исследована возможность получения транспортных характеристик случайно неоднородных сред с использованием частотно-модулированного излучения. Предлагаемый подход позволяет в значительной степени

упростить анализ зависимостей индекса мерцаний от длины когерентности при определении параметров зондируемой среды из результатов спекл-спектроскопического эксперимента.

2. Убывание эффективного значения длины когерентности зондирующего излучения зависит от индекса мерцаний в спекл-корреляционном эксперименте. Эффект убывания индекса

мерцаний /3; при увеличении значения длины когерентности зондирующего излучения обусловлен формированием детектируемых спеклов в результате наложения двух частично коррелированных спекл-структур равной интенсивности, степень корреляции которых уменьшается с ростом параметра 7].

3. Предложена модификация спекл-коррелометрического метода применительно к анализу процесса нестационарного массопереноса в гетерогенных нестационарных системах.

4. Установлена фундаментальная взаимосвязь между критическими индексами, определяющих динамику границ раздела фаз в пористых слоях и проведен количественный анализ зависимостей эффективного коэффициента диффузии жидкой фазы в пористой среде от критического параметра.

5. Продемонстрирована возможность мониторинга микрогемодинамики внутренних органов с помощью предложенного эндоскопического спекл-коррелометрического метода.

6. Разработана спекл-корреляционная методика анализа кинетики процесса разделения фаз в системе «нематический жидкий кристалл - фотополимер» в ходе полимеризации при воздействии ультрафиолетового излучения.

7. Предложена феноменологическая модель динамического рассеяния лазерного излучения увеличивающимися в размерах рассеивателями, позволяющая осуществлять анализ динамики разделения фаз при синтезе ДПЖК композитных материалов на основе расчета корреляционных характеристик флуктуаций интенсивности рассеянного излучения.

теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Zimnyakov D. A., Vilensky М. A. Blink speckle spectroscopy of scattering media // Optics Letters. 2005. Vol. 31. Issue 4. P. 429-431.

2. Зимняков Д.А., Виленский M.A., Тучин B.B. Когерентно-оптические методы диагностики в биологии и медицине // Вопросы прикладной физики.Саратов. 2005.Т.12.С. 30-49 .

3. Vilensky, М.А., Zimnyakov D.A., Wang R.K., Cheung S.C. Analysis of transport properties of densely packed media by low-coherence reflectometry // Modern Biophysical Techniques for Human Health: From Physics to Medicine. / Proc. International Autumn School in Poiana Brashov. Romania. 2005.P. 57.

4. Виленский M.A., Зимняков Д.А Спекл-корреляционное зондирование многократно рассеивающих сред с использованием частотно-модулированного лазерного излучения Проблемы оптической физики. Саратов. 2006. С. 107-111.

5. Vilensky М. A., Zimnyakov D. A., Wang R. К., and Cheung S. С. The study of transport properties of multiple scattering media by low-coherence reflectomehy // Proc. SPIE. 2006. V. 6164. P.616401.

6. Zimnyakov D.A., Sinichkin Y.P., Kuznetsova L.V., Vilensky M.A., Sadovoy A.V. Cohercnce-domain and polarization diagnostics of spatially oriented and random fibrous media such as paper and collagenous biotissues // 3rd Russian-Finnish Meeting Photonics and Laser Symposiym. / Book of Abstract. 2007. P.24-25.

7. Sadovoy A.V., Zimnyakov D.A., Vilensky M.A. White-light and speckle-correlation analysis of imbibition in porous media: critical properties of near-pinned interfaces // Proc. SPIE. 2008. V.7008. P.70080T.

8. Vilensky M.A., Zimnyakov D.A. Speckle-based probes of scattering media with the use of frequency modulated laser light // Proc. SPIE. 2008. V.7008. P.70080U.

9. Зимняков Д. А., Виленский M. А. Спекл-диагностика многократно рассеивающих сред с использованием частотно-модулированного лазерного излучения // Оптика и Спектроскопия. 2008.Т.104. № 4. С. 662-669.

10. Зимняков Д.А., Садовой А.В., Виленский М.А., Кудряшова А.А. Об особенностях рассеяния лазерного излучения слоями композитов «жидкий кристалл - диспергирующий полимер // Проблемы оптической физики. Саратов. 2009. С.92-98.

11. Зимняков Д.А., Садовой А.В., Виленский М.А., Захаров П.В., Мюллюля Р. Критическое поведение границ раздела фаз в пористых средах: анализ масштабных свойств с использованием

некогерентного и когерентного света // ЖЭТФ. 2009. Т. 135. №2. С.351-369.

12. Зимняков Д.А., Хмара М.Б., Виленский М.А., Козлов В.В., Горфинксль И.В., Садовой А.В., Здражевский Р.А., Исаева А.А. Спекл-корреляционный мониторинг микрогемодинамики внутренних органов II Оптика и Спектроскопия. 2009. Т. 107 - №6. С. 941-947.

13. Zimnyakov D.A, Khmara М.В., Vilensky М.А., Kozlov V.V., Gorfinkel I.V., Zdrajevsky R.A. Speckle-correlation monitoring of the internal micro-vascular flow // Proc. of SPIE. 2009. V. 7388. P.73881B.

Подписано к печати 27.05.10 г. Формат 60x84 1/16. Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №30059

Отпечатано с оригинал-макета в ООО «Принт-Клуб» 410026, г. Саратов, ул. Московская, 160. Тел. (845-2) 338-300

ВВЕДЕНИЕ.

Цель и задачи исследований.•.

Научная новизна работы:.

Положения и результаты, выносимые на защиту:.

ГЛАВА I. ОБЗОР ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ЗОНДИРОВАНИЯ СЛУЧАЙНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД.

ГЛАВА II. СПЕКЛ-ДИАГНОСТИКА МНОГОКРАТНО РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

2.1. Методы низкокогерентного зондирования многократно рассеивающих сред.

2.2. Эффект подавления спеклов в условиях многократного рассеяния частично модулированного лазерного излучения: феноменологическая модель.

• 2.3. Методика проведения эксперимента.

В настоящее время методы статистического и корреляционного анализа динамических спеклов широко применяются в материаловедении, медицине, биологии, химии и других областях современной науки. Данные методы, предполагающие анализ флуктационной составляющей лазерного излучения, рассеянного зондируемым объектом, излучения, базируются на совокупности наиболее значимых фундаментальных и прикладных результатов, полученных в последние десятилетия в статистической оптике и оптике случайно-неоднородных сред. В них используются различные подходы к анализу многократно рассеянных световых полей, формируемых при взаимодействии когерентного или частично когерентного зондирующего излучения с объектами со слабоупорядоченной структурой. Формируемые при многократном рассеянии лазерного излучения спекл-поля обладают высокой чувствительностью к изменениям конфигурации ансамбля рассеивающих центров в зондируемом объеме, обусловленным нестационарным характером исследуемой среды. Анализ последовательностей изображений динамических спеклов, отображающих эволюцию структуры зондируемого объекта в процессе зондирования, позволяет на основе решения обратной задачи многократного квазиупругого рассеяния лазерного света в зондируемой среде определить структурные и динамические характеристики рассеивающих центров (в частности, установить тип их движения, определить их подвижность, выражаемую в зависимости от типа движения через значения средней скорости или коэффициента трансляционной диффузии, оценить эффективные значения концентрации и среднего размера рассеивателей и т.д.). С учетом возможностей современных специализированных ПЗС и КМОП устройств для обработки изображений, обработку и анализ последовательностей спекл-модулированных изображений можно осуществлять в режиме реального времени. Дополнительные возможности в части анализа статических и динамических спекл-структур, формируемых при зондировании случайно-неоднородных сред частично когерентным излучением, предоставляет возможность управления когерентными свойствами зондирующего излучения (например, путем управления током накачки полупроводникового лазерного излучателя, работающего в подпороговом режиме). Рассматривая формируемые в результате многократного рассеяния частично когерентного излучения спекл-структуры как интерференционные поля, порождаемые суперпозицией парциальных составляющих рассеянного поля в зондируемой среде, подобный подход можно классифицировать как «безопорную многолучевую низкокогерентную интерферометрию случайно-неоднородных сред». Простота инструментальной и программной реализации методов, основанных на данном подходе, делают их весьма перспективными с точки зрения экспресс-анализа многофазных систем различного типа в материаловедении и экспресс-диагностики морфофункционального состояния биологических тканей в биологии и медицине.

Несмотря на значительный успех, достигнутый к настоящему времени в части развития фундаментальных и прикладных аспектов спекгг-корреляционного зондирования, ряд вопросов, имеющих принциальное значение с точки зрения расширения области применимости данных методов, изучен в недостаточной степени. К подобным вопросам относятся прежде всего особенности стохастической фазовой модуляции распространяющегося лазерного излучения в средах со сложной структурой и динамикой рассеивающих центров (например, в многофазных пористых системах в процессе нестационарного массопереноса или в композитных материалах, формирующихся в процессе разделения фаз). Также представляет значительный интерес развитие новых подходов к зондированию случайно-неоднородных сред излучением с контролируемой длиной когерентности и исследование влияния многокаскадной стохастической фазовой модуляции на стадиях доставки лазерного излучения от источника к объекту и от объекта к детектору на статистические и корреляционные свойства анализируемых динамических спеклов. Последнее является весьма актуальным с точки зрения применения многоканальных волоконно-оптических трактов в оптических схемах спекл-коррелометрических систем.

Исходя из существующих проблем в области оптической коррелометрии случайно-неоднородных сред с использованием когерентного и частично когерентного излучения, была сформулирована основная цель и задачи исследований.

Цель и задачи исследований

Целью диссертационной работы явилось развитие новых подходов и методов зондирования многократно рассеивающих случайно-неоднородных сред на основе анализа изображений статических и динамических спекл-структур, формируемых при зондировании среды когерентным либо частично когерентным излучением.

Для достижения цели диссертационной работы были решены следующие задачи:

1) развитие теоретических основ и экспериментальная апробация метода зондирования случайно-неоднородных сред с использованием частотно-модулированного лазерного излучения;

2) развитие спекл-коррелометрического метода анализа процессов нестационарного массопереноса в многофазных пористых системах;

3) развитие методов анализа динамических спекл-модулированных изображений применительно к спекл-коррелометрическому зондированию нестационарных случайно-неоднородных сред;

4) разработка инструментальной базы и экспериментальная апробация эндоскопического спекл-корреляционного метода применительно к мониторингу функционального состояния органов брюшной полости человека в послеоперационный период;

5) исследование особенностей переноса излучения применительно к спекл-корреляционному зондированию композитных материалов «диспергирующий полимер - жидкий кристалл» в процессе их синтеза.

Научная новизна работы:

С использованием модели дискретных рассеивающих центров и в результате экспериментов с модельными рассеивающими средами установлены фундаментальные закономерности, определяющие процесс подавления стохастической модуляции усредняемых по времени динамических спекл-структур в условиях многократного рассеяния частотно-модулированного лазерного излучения случайно-неоднородными средами.

Установлены фундаментальные закономерности, контролирующие взаимосвязь критических значений макроскопических и микроскопических характеристик подвижности границы раздела жидкой и газовой фаз в пористых слоях со скейлинговым поведением усредненного по ансамблю динамических спеклов первого кумулянта корреляционной функции флуктуаций интенсивности рассеянного слоем излучения.

В экспериментах с модельными средами и in-vivo биотканями подтверждена возможность спекл-корреляционного зондирования нестационарных случайно-неоднородных сред с использованием дополнительной стохастической фазовой модуляции зондирующего и объектного пучков; это дает возможность создания спекл-коррелометрических систем полного поля с многоканальными волоконно-оптическими трактами для доставки лазерного излучения от источника к объекту и от объекта к детектору.

Установлена фундаментальная особенность обратного рассеяния зондирующего лазерного излучения слоями случайно-неоднородных сред с крупногранулярной структурой, заключающаяся в естественной селекции парциальных составляющих рассеянного поля по значениям длины оптического пути в слое при использовании детекторов с высокой степенью коллимации регистрируемого излучения.

Практическая значимость работы заключается в:

- разработке и апробации в экспериментах с модельными рассеивателями нового спекл-корреляционного метода зондирования случайно-неоднородных сред с использованием частотно-модулированного лазерного излучения на основе анализа, зависимости индекса мерцаний рассеянного света от глубины модуляции частоты зондирующего пучка;

- разработке методики и программно-инструментальной основы спекл-корреляционного эндоскопического мониторинга микрогемодинамики внутренних органов человека и животных во время полостных операций и в послеоперационный период; разработке и экспериментальной апробации новых спекл-коррелометрических методов и подходов, применимых для исследований в лабораторных условиях динамических характеристик различных нестационарных процессов в случайно-неоднородных средах, в том числе нестационарного переноса жидкой фазы в пористых слоях и разделения фаз в двухкомпонентных системах в процессе полимеризации одной из составляющих.

Достоверность представленных научных результатов следует из адекватности используемых физических и математических моделей, а также из согласия полученных экспериментальных данных с результатами численного моделирования и с данными, полученными другими исследователями.

Полученные в диссертационной работе результаты использовались при выполнении следующих грантов:

Грант РФФИ № 07-02-01467-а, 2007 - 2008 Грант РФФИ № 09-02-01048-а, 2009 - 2011 Грант РФФИ № 09-02-90487-Укрфа, 2009 - 2010

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Индекс мерцаний усредненных по времени спекл-структур, формируемых при зондировании случайно-неоднородных сред частотно-модулированным лазерным излучением определяется косинус-преобразованием Фурье от функции плотности вероятности оптических путей парциальных составляющих зондирующего излучения в среде. При этом эффективное значение длины когерентности зондирующего излучения определяется

ЬО. л выражением: , в котором л0 длина волны зондирующего излучения в вакууме, п - показатель преломления зондируемой среды, a tj - параметр, определяющий глубину модуляции длины волны лазерного излучения.

2. Первый кумулянт автокорреляционной функции флуктуаций интенсивности лазерного излучения, рассеянного движущейся границей раздела жидкой и газовой фаз в пористом слое, на стадии закрепления убывает по степенному закону в зависимости от критического параметра со значением критического индекса, равным 0.65±0.17; его значение, усредненное по спекл-модулированному изображению зоны активного развития границы, пропорционально среднему значению подвижности локальных границ раздела фаз в отдельных порах в данной зоне.

3. При использовании спекл-коррелометрии полного поля в режиме детектирования обратно рассеянного излучения для анализа кинетики роста жидкокристаллических доменов в слоях синтезируемых композитов «диспергирующий полимер - жидкий кристалл» может быть осуществлена дискриминация парциальных составляющих рассеянного поля- по числу актов рассеяния путем задания апертурного угла приемника. При этом детектируемый оптический сигнал формируется в основном за счет составляющих, многократно рассеянных в малых углах по отношению к оси зондирующего пучка и отраженных от задней границы слоя.

4. Макетный образец спекл-корреляционной эндоскопической системы полного поля для мониторинга микрогемодинамики внутренних органов человека и животных.

5. Метод зондирования стационарных случайно-неоднородных сред с использованием частотно-модулированного лазерного излучения на основе статистического анализа усредняемых по времени спекл-модулированных изображений поверхности зондируемой среды

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных научных конференциях:

-Saratov Fall Meeting - International School for Young Scientist and Students on Optics, Laser Physics & Medicine, Saratov 2006,

-International Autumn Summer School "Modern Biophysical Techniqes for Human Health", Poiana Brasov, Romania, 2005,

-3rd Russian-Finnish Meeting "Photonics and Laser Symposiym" -International Conference on Correlation Optics, Chernivci, Ukraine, 2007,

2009.

По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня ВАК и 9 статей в сборниках трудов научных конференций.

Основные результаты проведенных в диссертационной работе исследований могут быть сформулированы следующим образом:

1. Экспериментально и теоретически исследована возможность получения транспортных характеристик случайно неоднородных сред с использованием частотно-модулированного излучения. Предлагаемый подход позволяет в значительной степени упростить анализ зависимостей индекса мерцаний от длины когерентности при определении параметров зондируемой среды из результатов спекл-спектроскопического эксперимента.

2. Убывание эффективного значения длины когерентности зондирующего излучения зависит от индекса мерцаний в спекл-корреляционном эксперименте. Эффект убывания индекса мерцаний р1 при увеличении значения длины когерентности зондирующего излучения обусловлен формированием детектируемых спеклов в результате наложения двух частично коррелированных спекл-структур равной интенсивности, степень корреляции которых уменьшается с ростом параметра ц

3. Предложена модификация спекл-коррелометрического метода применительно к анализу процесса нестационарного массопереноса в гетерогенных нестационарных системах

4. Установлена фундаментальная взаимосвязь между критическими индексами, определяющих динамику границ раздела фаз в пористых слоях и проведен количественный анализ зависимостей эффективного коэффициента диффузии жидкой фазы в пористой среде от критического параметра

5. Продемонстрирована возможность мониторинга микрогемодинамики внутренних органов с помощью предложенного эндоскопического спекп-коррелометрического метода

6. Разработана спекл-корреляционная методика анализа кинетики процесса разделения фаз в системе «нематический жидкий кристалл - фотополимер» в ходе полимеризации при воздействии ультрафиолетового излучения

7. Предложена феноменологическая модель динамического рассеяния лазерного излучения увеличивающимися в размерах рассеивателями, позволяющая осуществлять анализ динамики разделения фаз при синтезе ДПЖК композитных материалов на основе расчета корреляционных характеристик флуктуаций интенсивности рассеянного излучения

Заключение

1. Гудмен Дж. Статистическая оптика / М.: Мир, 1988. С. 329.

2. Франсон М. Оптика спеклов / М.: Мир 1980. С. 96.

3. Fercher A.F. Interferometric measurement of corneal thickness with micrometer precision// Am. J. Ophtalm. 1993. V.116. P.113.

4. Swanson E.A. In vivo retinal imaging using optical coherence tomography // Opt. Lett. 1993. V.18. P.1864.

5. Fercher A.F. Optical coherence tomography // J. Biomed. Opt. 1996. V.l.1. P.157.

6. Fercher A.F., Roth E. Eye-length measurement by interferometry with partially coherent light // Proc. SPIE Int. Opt. Soc. Eng. 1986. V. 658. P. 48.

7. Frecher A.F., Mengedoht K., Werner W. Ophthalmic laser interferometry // Opt. Lett. 1988. V.13.P.186.

8. Fercher A.F. Measurement of intraocular distances by backscattering spectral interferometry// Opt. Commun. 1995. V.l 17. P.43.

9. Huang D. Optical coherence tomography // Science. 1991. V.254. P. 1178. Ю) Swanson E.A. High-Speed Optical Coherence Domain Reflectometry //

10. Opt. Lett. 1992. V.17.P.151.

11. Геликонов B.M., Геликонов Г.В., Гладкова H.Д. и др. Когерентнаяоптическая томография микронеоднородностей био-тканей // Письма вЖЭТФ. 1995. Т.61. С. 149.

12. Walti R. Rapid and precise in vivo measurement of human corneal thicknesswith optical low-coherence reflectometry in normal human eyes // J. Biomed. Opt. 1998. V.3. P.253.

13. Podoleanu A.G. Transversal and longitudinal images from the retina of theliving eye using low coherence reflectometry // J. Biomed. Opt. 1998. V.3. P.12.

14. Baumgartner A. Signal and resolution enhancements in dual beam opticalcoherence tomography of the human eye //J. Biomed. Opt. 1998. V3. P.45.

15. Drexler W. Dual beam optical coherence tomography: signal identificationfor ophthalmologic diagnosis // J. Biomed. Opt. 1998. V.3. P.55.

16. DiCarlo C.D., W. P. Roach, D. Gagliano, S. Boppart, D. Hammer A. Coxand J. Fujimoto Comparison of Optical Coherence Tomography Imaging of Cataracts With Histopathology // J. Biomed. Opt. 1999. V.4. P.450.

17. Park B.H., C. Saxer, S.M. Srinivas, J. Nelson, J. F. de Boer / In vivo burndepth determination by high-speed fiber-based polarization sensitive optical coherence tomography // J. Biomed. Opt. 2001. V.6. P.474.

18. Wang X.J., Milner Т.Е., Nelson J.S. Characterization of human scalp hairsby optical low-coherence reflectometry // Opt. Lett. 1995. V.20. P.1337.

19. Boas D.A., Bizheva K.K., Siegel A.M Using dynamic low-coherenceinterferometry to image Brownian motion within highly scattering media // Opt. Lett. 1998. V.23.P.319.

20. Chen Z., Milner Т.Е., Wang X., Srinivas S., Nelson J.S. Optical dopplertomography: Imaging in vivo blood flow dynamics following pharmacological intervention and photodynamic therapy // Photochemistry and Photobiology. 1998. V.67. P.328.

21. Eigensee A., G. Haeusler; J. Herrmann; M. Lindner New method of shortcoherence interferometry in human skin (in vivo) and in solid volume scatterers // Proc. SPIEInt. Opt. Soc. Eng. 1996. V.2925. P. 169.

22. Thompson C.A., Webb K.J., Weiner A.M. Imaging in scattering media byuse of laser speckle //J. Opt. Soc. Am. A. 1997. V.14. P.2269.

23. Zimnyakov D.A., Oh Y.-T., Sinichkin Yu.P., Trifonov V.A., Gurianov E.V.

24. Polarization-sensitive speckle spectroscopy of scattering media beyond the diffusion limit // JOSA A. 2004. V.21. P.59.

25. Habelhand U., Blazek V., Schmitt HJ., H.P. Chirp Optical Coherence

26. Tomography of Layered Scattering Media//J. Biomed. Opt 1998. V.3. P.259.

27. Tuchin V.V. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for

28. Medical Diagnosis / Bellingham, WA: SPIE Press. 2000. V. TT38. P.157.

29. Vargas, G., Chan E.K., Barton J.K., Rylander Ш H.G., Welch A J. Use of anagent to reduce scattering in skin // Laser Surg. Med. 1999. V.24. P. 133141.

30. Tuchin, V V (ed )Coherent-Domain Optical Methods for Biomedical

31. Diagnostics, Environmental and Material Science / Boston: Kluwer Academic Publishers. 2004. V.l. P.21.

32. Lankenau E., Welzel J., Birngruber R., Engelhardt R. In-vivo tissuemeasurements with optical low-coherence tomography // Proc. SPIE. 1997. V.2981. P.78-84.

33. Wang R.K., Tuchin V.V., Xu X., Elder J.B. Concurrent enhancement ofimaging depth and contrast for optical coherence tomography by hyperosmotic agents // J. Opt. Soc. Am. B. 2001. V.18. P.948-953.

34. Зимняков Д.А., Тучин B.B. Оптическая томография тканей // Квантовая

35. Электроника. 2002. Т.32. С.849-867.

36. Wang R.K., Tuchin V.V. Enhance light penetration in tissue for highresolution optical imaging techniques by the use of biocompatible chemical agents // J. X-Ray Science and Technology. 2002. V.10. P.167-176.

37. Wang R.K., Tuchin V.V. Optical Coherence Tomography: Light Scatteringand Imaging Enhancement, in: Coherent-Domain Optical Methods: Biomedical Diagnostics // Environmental and Material Science. 2004. V.2. P.3-60.

38. Yeh A.T., Choi В., Nelson J.S., Tromberg В.J. Reversible dissociation ofcollagen in tissues // J. Invest. Dermatol. 2003. V.121. P.1332-1335.

39. Dolin L.S., Feldchtein F.I., Gelikonov G.V., Gelikonov V.M., Gladkova

40. N.D., Iksanov R.R., Kamensky V.A., Kuranov R.V., Sergeev A.M., Shakhova N.M., Turchin I.V. Fundamentals of OCT and Clinical Applications of Endoscopic OCT in Coherent-Domain Optical Methods:

41. Biomedical Diagnostics I I Environmental and Material Science Boston: Kluwer Academic Publishers (Tuchin V V (ed)). 2004. V.2. P.211-270.

42. Wang R.K., He Y., Tuchin V. V. Effect of dehydration on optical clearingand OCT imaging contrast after impregnation of biological tissue with biochemical agents // Proc. SPIE. 2004. V.5316. P.l 19-127.

43. Khan M.H., Choi В., Chess S., Kelly K.M., McCullough J., Nelson J.S.

44. Optical clearing of in vivo human skin: implications for light-based diagnostic imaging and therapeutics // Lasers Surg. Med. 2004. V.34. P.83-85.

45. Tuchin V.V., Wang R.K., Galanzha E.I., Elder J.B., Zhestkov D.M.

46. Monitoring of glycated hemoglobin by OCT measurement of refractive index//Proc. SPIE. 2004. V.5316. P.66-77.

47. Amerov A.K., Chen J., Small G.W., Arnold M.A. The influence of glucoseupon the transport of light through the whole blood // Proc. SPIE. 2004. V.5330. P.101-111.

48. Wang R.K, Elder J.B. Propylene glycol as a contrasting agent for opticalcoherence tomography to image gastrointestinal tissues // Lasers Surg. Med. 2002. V.30. P.201-208.

49. Tuchin V. V., Xu X., Wang R.K. Dynamic Optical Coherence Tomographyin Studies of Optical Clearing, Sedimentation, and Aggregation of Immersed Blood//Appl. Opt. ОТ. 2002. V.41. P.258-271.

50. Boas D.A., Yodh A.G. Spatially varying dynamical properties of turbidmedia probed with diffusing temporal light correlation // JOS A A. 1997. V.14 P.192.

51. Wolf P.E., Maret G. Weak Localization and Coherent Backscattering of

52. Photons in Disordered Media//Phys. Rev. Lett. 1985. V.55. P.2696.43. van Albada M.P.; Lagendijk A Observation of Weak Localization of Light ina Random Medium. // Phys. Rev. Lett. 1987. V.55. P.2692.

53. Кузьмин B.JI., Романов В.П. Когерентные эффекты при рассеянии светав неупорядоченных системах // УФН. 1996. Т. 166. Р.247-278.

54. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинскихисследованиях / Саратов, изд-во Сарат. ун-та. 1998. С.64.

55. Kim Y.L., Turzhitsky V.M., Roy Н.К., Wali R.K., Backman V. Coherent

56. Backscattering Spectroscopy // Opt. Lett. 2004. V.29. P.1906-1908.

57. Yoo K.M., Liu F., Alfano R.R. Light scattering study of tissues // JOS A B.1990. V.7. P.1685.

58. Yoon G., Roy D.N.G., Straight R.C. Coherent backscattering in biologicalmedia: measurement and estimation of optical properties // Appl. Opt. 1993. V.32. P.580.

59. Ramakrishna S., Rao K.D., Pramana Estimation of light transport parametersin biological media using coherent backscattering // J. Phys. /Indian Academy of Sciences/. 2000. V.54. P.255-267.

60. Камминс Г., Э. Пайк Спектроскопия оптического смешения икорреляция фотонов /М: Мир. 1978. С. 85.

61. Fercher A.F., Briers J.D. Flow Visualization By Means of Single-Exposure

62. Speckle Photography // Opt. Commun. 1981. V.37. P.326-329.

63. Briers J.D., Webster S. Laser speckle contrast analysis LASCA): anonscanning, foil-field technique for monitoring capillary blood flow // J. Biomed. Opt. 1996. V.l. P.174-179.

64. Yaoeda K., Shirakashi M., Funaki S., Nakatsue Т., Abe H. Measurement ofmicrocirculation in the optic nerve head by laser speckle flowgraphy and scanning laser doppler flowmetry // Am. J. Ophtalmol. 2000. V.129. P.734-739.

65. Ruth B. Measuring the steady-state value and the dynamics of the skin bloodflow using the non-contact laser speckle method // Med. Eng. Phys. 1994. V.16. P.105-111.

66. Dunn A.K., Bolay H., Moskowitz M.A., Boas D.A., J. Cereb Dynamicimaging of cerebral blood flow using laser speckle // Blood Flow Metab. 2001. V.21.P.195-201.

67. Bolay H., Reuter U., Dunn A.K., Huang Z., Boas D.A., Moskowitz A.M.1.trinsic Brain'Activity Triggers Trigeminal Meningeal Afferents in a Migraine Model // Nat. Med. 2002. V.8. P. 136-142.

68. Luo Q., Cheng H., Wang Z., Tuchin V.V. Laser speckle imaging of cerebralblood flow / Handbook of Coherent Domain Methods V. 1. 2004. P.32.

69. Zimnyakov D.A., Briers J.D., Tuchin V.V. Speckle technologies formonitoring and imaging of tissues and tissuelike phantoms / Handbook of Optical Biomedical Diagnostics. SPIE Press, Bellingham. V.PM107. 2002. P.987-1036.

70. Sadhwani A., Schomaclcer K.T., Tearney G.J., Nishioka N.S. Determinationof Teflon thickness with laser speckle. I. Potential for burn depth diagnosis //Appl. Opt. 1996. V.35. P.5727-5735.

71. Zimnyakov D.A., Agafonov D.N., Sviridov A.P., Omel'chenko A.I.,

72. Kuznetsova L. V. Generation of radicals in hard biological tissues under the action of laser radiation // Appl. Opt. 2002. V.41. P. 5984-5988.

73. Sobol E., Sviridov A., Omel'chenko A., et al. Laser Reshaping of Cartilage

74. Biotech. Genetic Eng. Rev. 2000. V.17. P.553-577.

75. Wong В .J., Milner Т.Е., Harrington A., Ro J., Dao X., Sobol E.N., Nelson

76. S.J. Proteoglycan synthesis in porcine nasal cartilage grafts following Nd:YAG (lambda = 1.32 microns) laser-mediated reshaping //Arch. Facial Plast. Surg. 1999. V.l. P.282-287.

77. Sviridov A., Sobol E., Bagratashvili V., et al. Dynamics of optical andmechanical properties of cartilage at laser heating // Proc. SPIE. 1996. V.2923. P.l 14-117.

78. Sobol E., Sviridov A., Omel'chenko A., Bagratashvili V., Bagratashvili N.,

79. Popov V. Mechanism of laser-induced stress relaxation in cartilage //Proc. SPIE. 1997. V.2975. P.310-315.

80. Wong J.F., Milner Т.Е., Kim H.H., Nelson J.S., Sobol E.N. Stress

81. Relaxation of Porcine Septal Cartilage During Nd.YAG (= 1.32 (im) Laser1.radiation: Mechanical, Optical, and Thermal Responses // J. Biomed. Opt.1998. V.3. P.409-414.t

82. Choi J.Y., Tanenbaum B.S., Milner Т.Е., et al. A prospective randomisedstudy of laser reshaping of cartilage in vivo // Lasers Surg. Med. 1997. V.28. P.310-318.

83. Kuznetsova L.V., Baranov S.A., Sviridov A.P., Zimnyakov D.A.

84. Comparative analysis of two modalities for speckle contrast monitoring of tissue structure modification//Proc. SPIE. 2004. V.5475. P.126-129.

85. Фомин H. А. Спекл-интерферометрия газовых потоков / науч. ред. Р. И. Солоухин. Акад. наук БССР Ин-т тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова. Минск. Наука и техника. 1989. - С.168.

86. Fomin N. A. Speckle Photography for Fluid Mechanics Measurements / Springer.Verlag. Berlin. 1998. P.4

87. Грейтид K.A., Косгроу Дж.А., Фомин H.A. Мониторинг ультразвуковых акустических волн с помощью цифровой лазерной спекл-интерферометрии // Доклады Национальной академии наук Беларуси. 2008. Том 52. С. 94—98.

88. Фомин Н.А., С.П. Рубникович, Н.Б. Базылев Анализ напряженно-деформационного состояния корня зуба, восстановленного литой культевой штифтовой вкладкой методом цифровой спекл-фотографии // Современная стоматология. 2001. Т.З. С. 50

89. Зимняков Д.А., О Янг-Тэ, Синичкин Ю.П., Акчурин Г.Г., Трифонов

90. В. А. Спекл-поляризационная диагностика рассеивающих сред с использованием частично когерентного излучения // Опт. и спектр. 2004. Т. 97. № 2. С.306.

91. Bicout D., Brosseau С., Martinez A.S., Schmitt J.M. Depolarization ofmultiply scattering waves by spherical diffiisers: influence of the size parameter//Phys. Rev. E. 1994. V. 49. P.1767.

92. Dogariu A., Kutsche C., Likamwa P., Boreman G., Mougdil B. Timedomain depolarization of waves retroreflected from dense colloidal media // Opt. Lett. 1997. V. 22. P. 585.

93. Arridge S.R., Cope M., Delpy D.T. Theoretical basis for the determinationof optical pathlengths in tissue: temporal and frequency analysis // Phys. Med. Biol. 1992. V. 37. P. 1531.

94. Maret G., Wolf P.E. Multiple light scattering from disordered media // Z.

95. Phys. B. 1987. V. 65. P. 409.

96. MacKintosh F.C., John S. Diffusing-wave spectroscopy and multiplescattering of light in correlated random media // Phys. Rev. B. 1989. V. 40 P. 2382.

97. Lemieux P.-A., Vera M.U., Durian D.J Diffusing-light spectroscopiesbeyond the diffusion limit: The role of ballistic transport and anisotropic scattering.//Phys. Rev. E. 1998. V. 57. P. 4498.

98. Akkermans E., Wolf P.-E., Maynard R., Maret G Theoretical study of thecoherent backscattering of light by disordered media // J. Phys. Paris. 1988. V. 49. P. 77.

99. Yodh A.G., Pine D.J., Kaplan P.D., Kao M.H., Georgiades N. Specklefluctuations and their use as probes of dense random media // Mol. Cryst. Liq. Cryst. Sci. Technol. Sect. B. 1992. V. 3. P. 149.

100. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайнонеоднородных средах/М.: Мир. Т. 2. 1981. С.317.

101. Zimnyakov D.A., Pravdin А.В., Wang R.K., Kuznetsova L.V., Ushakova

102. О.V., Kochubey V.I., Tuchin V.V. Random media characterization using the analysis of diffusing light data on the basis of an effective medium model // JOSA A. 2007. V.24. № 3. P. 711.

103. Henyey L.G., Greenstein J.L. Diffuse radiation in the Galaxy // Astrophys.J.1941. V.93.P. 70.

104. Bhattacharya S., M.J. Higgins, J.P. Stokes Dynamic rigidity percolation ininverted micelles //Phys. Rev. Lett. 1989. V.63. P.1503.

105. Bhattacharya S., M.J. Higgins, J.P. Stokes Dynamic rigidity percolation ininverted micelles // Phys. Rev. Lett. 1989. V.63. P.1503.

106. Wong P.-Z., J. W. Cable Hysteretic behavior of the diluted random-field1.ing system Fe0.70Mg0.30Cb // Phys. Rev. B. 1983. Y.28. P.5361.

107. Stokes J.P., M.J. Higgins, A.P. Kushnick, et al. Interfacial stability ofimmiscible displacement in a porous medium // Phys. Rev. Lett. 1990. V.65. P.1885.

108. Koplik J., H. Levine Interface moving through a random background // Phys.

109. Rev. B. 1985. V.32. P.280.

110. Natterman Т., Stepanow S., L.-H. Tang, et al./ Polymers on disorderedhierarchical lattices: A nonlinear combination of random // J. Phys. II (France) 2. 1985.P.1483.

111. Narayan 0.5 D.S. Fisher Threshold critical dynamics of driven interfaces inrandom media // Phys. Rev. B. 1993. V.48. P.7030.

112. Иванов Д. Ю. Критическое поведение неидеализированных систем /

113. М.: Физматлит. 2003. С.248.

114. Buldyrev S.V., Barabasi A.-L., Havlin S., et al. Anomalous interfaceroughening in porous media: Experiment and model // Phys.Rev. A. 1992. V.45. P.R8313.

115. Tang L.-H., Leschhorn H.Pinning by directed percolation // Phys. Rev. A.1992. V.45. P.R8309.

116. Amaral L.A.N., Barabasi A.-L., Buldyrev S.V., et al. Avalanches and thedirected percolation depinning model: Experiments, simulations, and theory //Phys. Rev. E. 1995. V.51. P.4655.

117. Amaral L.A.N., Barabasi A.-L., Makse H.A., et al. Scaling properties ofdriven interfaces in disordered media // Phys. Rev. E. 1995. V.52. P.4087.

118. Kwon Т.Н., A.E. Hopkins, S.E. O'Donnell Dynamic scaling behavior of agrowing self-affine fractal interface in a paper-towel-wetting experiment // Phys. Rev. E. 1996. V.54. P.685.

119. Зимняков Д.А., П.В. Захаров, В.А. Трифонов, и др Исследованиеэволюции границы раздела фаз в пористых средах с использованием динамического рассеяния света // Письма в ЖЭТФ. 2001. Т.74. С.237.

120. Washburn E.W. The dynamics of capillary flow // Phys. Rev. 1921. V.17.1. P.273.

121. DurianD.J., Weitz D.A., D:J. Pine Sound propagation in sodium di-2-ethylhexylsulfosuccinate micelles and microemulsions // Science. 1991. V.52. P.686.

122. Durian D.J., Weitz D.A., D.J. Pine Scaling behavior in shaving cream //

123. Phys. Rev. A. 1991. V.44. P.R7902.

124. Marmur A., Cohen R.D. Characterization of Porous Media by the Kineticsof Liquid Penetration: The Vertical Capillaries Model // Journal of colloid and interface science. 1997. V.189. P.299.

125. Delker Т., Pengra D.B., Wong P.Z. Interface Pinning and the Dynamics of

126. Capillary Rise in Porous Media // Phys. Rev. Lett. 1996. V.76. P. 2902. ЮЗ) Камминс Г., Пайк Э. Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов /М: Мир. 1978. С. 305.

127. Csahok Z., Honda К., Vicsek Т. Dynamics of surface roughening indisordered media // J. Phys. A. 1993. V.26. P. LI 71.

128. Bruinsma R., Aeppli G. Interface Motion and Nonequilibrium Properties ofthe Random-Field Ising Model // Phys. Rev. Lett. 1984. V.52. P. 1547.

129. Grinstein G., Ma S.K. Surface tension, roughening, and lower criticaldimension in the random-field Ising model // Phys. Rev. B. 1983.V.28. P.2588.

130. Nilsson G., Jakobsson A., Wardell K. Tissue perfusion monitoring andimaging by coherent light scattering // Proc. Spie. 1991. V. 1524. P.90-109.

131. Briers J.D. Laser Doppler and time-varying speckle: a reconciliation // J.

132. Opt. Soc. Am. A. 1996. V.13. P.345-350.

133. Bonner R.F., Nossal R. Model for laser Doppler measurements of blood flow in tissue // Appl. Optics. 1981. V. 20. P. 2097-2107.

134. Тимербулатов В.М. Применение лазерной доплеровской флоуметрии вэндоскопии и эндохирургии при неотложных заболеваниях брюшной полости / М.: «МЕДпресс-информ». 2006. С. 17-20.111. http://www.oxfordoptronics.com112. http://www.perimed.se

135. Briers D. Laser Doppler, speckle and related techniques for blood perfusionmapping and imaging // Institue of Physics Publishing, Physiol. Meas. 2001. V.22. P35-66.

136. Тучин В.В. Оптическая биомедицинская диагностика // М.: Физматлит.2007. Т.2. с. 284-321

137. Zimnyakov D.A., Sviridov А.Р., Kuznetsova L.V., et al. Monitoring oftissue thermal modification with a bundle-based full-field speckle analyzer // Appl. Opt. 2006. V.45. P.4480-4490

138. Зимняков Д.А., Свиридов А.П., Кузнецова JI.В., Баранов С.А.,

139. Н.Ю.Игнатьева, В.В.Лунин Анализ кинетики термической модификации биотканей методом спекл-коррелометрии // журнал физической химии. 2007. Т. 81. № 4. С. 725-731

140. Савельев B.C., Буянов В.М., Огнев В.Ю. Острый панкреатит / М.:1. Медицина. 1983,- С. 240.

141. Гидирим Г.П. Осложнения острого панкреатита / Хирургия. №1. 1980.1. С. 19-22.

142. Филин В.И., Костюченко А.Л. Неотложная панкреатология / СПб.: Питер. 1994. С. 416120. http://www.chemport.ru/chemicalencyclopediaarticle2921.html

143. Serov A., W. Steenbergen, and F. de Mul Prediction of the photodetectorsignal generated by Doppler-induced speckle fluctuations: theory and some validations // JOSA A. 2001. V.18. P. 622-630

144. Zimnyakov D.A., V. V. Tuchin, A.G. Yodli Characteristic Scales of Optical

145. Field Depolarization and Decorrelation for Multiple Scattering Media and Tissues // J. Biomed Opt. 1999. Y.04.1.01. P.157-163

146. Roundy С., Slobodzian G., Jensen K., Ririe D. Digital Imaging produces astand accurate beam diagnosis // Laser Focus'World. 1993. V. 29. P. 117125.

147. Зимняков Д.А., М.Б. Хмара, M.A. Виленский , B.B. Козлов, И.В. Горфинкель, Р.А. Здражевский,- А.А. Исаева Спекл-корреляционный мониторинг микрогемодинамики внутренних органов // Оптика и Спектроскопия. 2009. т.107. №6 С. 941-947.

148. Pine D.J., Weitz D.A., Chaikin P.M., Herbolzheimer E. Diffusing wavespectroscopy // Phys. Rev. Lett. 1988. V. 60. P. 1134.

149. Cox S.J., R.V.Y., Sluckin T.J. Effective medium theory of polymer dispersed liquid crystal films // J. Phys. D: Appl. Phys. 1998. V. 31. P. 24.

150. Kelly J.R., W. Wu. Multiple scattering in polymer dispersed liquid crystals //Liquid Crystals. 1993. V.14.1.6. P. 11.

151. Lucchetti L., F. Simoni Coarsening and blood separation in uv cured polymer dispersed liquid crystals // Journal of applied physics.2000. V 88. P. 3934.

152. Neijen Jaap H.M., Botts Henk M.J., and P.F. A.M.A. Multiple scattering of light from polymer dispersed liquid crystal material //. Liq. Crys. 1997. V.22.1.3. P. 11.

153. JI.T. Перельман, В. Бекман Спектроскопия рассеяния света эпителиальными тканями: принципы и приложения. / Оптическая биомедицинская диагностика //М.: ФИЗМАТЛИТ. 2007. Т.2. С. 36 -76.

154. Борен К., Хафмен Д.Поглощение и рассеяние света малыми частицами1. М.:Мир. 1986.-С.664.

155. Dick V.P., A.V. Loiko Model for coherent transmittance calculation for polymer dispersed liquid crystal films // Liquid Crystals. 2001. V. 28. 1.8. P. 5.

156. Vicari L. Electro-optic phase modulation by polymer dispersed liquid crystals // J. Appl. Phys. 1997. V.81. N.10. P.6612-6615.qM

157. A.B.Садовой, А.Б.Шиповская, В.Ф.Названов Самоорганизация и электрооптические характеристики композита нематический жидкий кристалл-диацетат целлюлозы//ПЖТФ. 2008. Т. 34. В.23. С. 15-21.