Матричный способ описания оптических характеристик биологической ткани. Изучение проблем оптической диффузной томографии и спектроскопии биообъектов. Оценка значения оптической анизотропии образца биоткани. Измерение размеров неоднородностей в биотканях.
Аннотация к работе
Лист Теоретическая часть 4 Общие положения 4
Модели для описания оптических свойств биоткани 9 Матричный способ описания оптических характеристик биоткани 17 Двухшаговая модель описания оптических свойств биоткани 25 Простая модель для расчета оптических свойств биотканей. 26 Результаты моделирования 32
Экспериментальная часть 38 Описание экспериментальной установки 38 Задания 41
Литература 46
3
Теоретическая часть
Общие положения
Биологические ткани являются оптически неоднородными поглощающими средами со средним показателем преломления большим, чем у воздуха, поэтому на границе раздела биообъект - воздух часть излучения отражается (френелевское отражение), а остальная часть проникает в биоткань. Объемное рассеяние является причиной распространения значительной доли излучения в обратном направлении
(обратное рассеяние). Хорошо известно, что основным источником рассеяния света в биотканях является различие в значениях показателей преломления различных компонент биотканей, т.е. между митохондриями, ядром, другими компонентами и цитоплазмой клеток; или внутритканевой жидкостью и структурными элементами соединительной
(фиброзной) ткани (коллагеновыми и эластиновыми волокнами). Имеются данные о том, что в зависимости от степени малигнизации (злокачественности) новообразований ткани увеличивается хаотизация клеточных структур, возрастает разброс размеров отдельных клеточных ядер относительно среднего значения, которое также увеличивается от 10 —
12 мкм в норме до 20 — 50 мкм для патологических тканей, одновременно может изменяться и относительный показатель преломления ядро — цитоплазма. Все это ведет к изменению характера рассеяния ткани.
С оптической точки зрения, биоткани (включая и биожидкости: кровь, лимфу и пр.) можно разделить на два больших класса: 1 — сильно рассеивающие (оптически мутные), такие как кожа, мышцы, хрящ, мозг, стенка сосуда, кровь, склера, оптические свойства которых могут быть достаточно хорошо описаны в модели многократного рассеяния скалярных волн в случайно-неоднородной среде с поглощением; 2 — слабо рассеивающие (прозрачные), такие как ткани переднего отрезка глаза (роговица, хрусталик), оптические свойства которых описываются в модели однократного (или малократного) рассеяния упорядоченной среды с плотной упаковкой рассеивателей, которые содержат поглощающие центры.
Ослабление коллимированного (лазерного) пучка света в биоткани происходит по экспоненциальному закону, интенсивность прошедшего коллимированного света может быть оценена на основе закона Бугера-Беера: I(z) = (1? R)?I0 ?e??tz , (1)
4 где R - коэффициент френелевского отражения, при нормальном падении пучка, R = ((n - 1)/(n 1))2, n — относительный показатель преломления биоткани; I0 - интенсивность падающего света; ?t=?a ?s - коэффициент экстинкции (коэффициент ослабления), ?a — коэффициент поглощения, ?s - коэффициент рассеяния; z — толщина образца.
Интенсивность коллимированного света, проникающего через слой рассеивающей ткани со средней плотностью рассеивателей ? и толщиной l, определяется соотношением
I(z) = I0e???sl , (2) где I0 — интенсивность падающего пучка, а сечение рассеяния ?s=
1 ? I(?)D?
?I0 4
? ?
(3)
Однако скалярное приближение является недостаточным, так как не учитывает векторную природу падающих и рассеянных волн, особенно это существенно для прозрачных тканей. В рассеивающей среде векторный характер волн проявляется как возникновение поляризации у первоначально неполяризованного пучка света или как деполяризация при распространении в среде первоначально поляризованного пучка. При этом информативными параметрами, характеризующими структуру биотканей и ансамблей клеток, являются как степень деполяризации первоначально поляризованного света, характер преобразования поляризации из одного вида в другой, так и появление поляризованного компонента в рассеянном свете при облучении объекта неполяризованным излучением. Состояние поляризации многократно рассеянного света анализируется либо в условиях пространственной диффузии фотонов, когда угловой спектр излучения практически изотропен, либо при мало-угловом рассеянии в средах с крупномасштабными неоднородностями. Отметим, что анализ состояния поляризации при мало-угловом многократном рассеянии важен для многих задач оптической диагностики биологических сред. При этом среды могут быть представлены в виде случайных систем с дальнодействующими корреляциями флуктуаций диэлектрической проницаемости и, которые показывают когерентные эффекты рассеяния или от которых следует ожидать флуктуации поляризации рассеянного света как от неупорядоченных сред с крупномасштабными неоднородностями.
В практическом плане ожидается, что поляризационные методы должны привести к более простым, по сравнению с временными и фазово-частотными методами, схемам
5 оптической медицинской томографии, а также дать новую информацию о структуре биотканей.
Широкий круг различных биотканей содержит двулучеп