Лазерная диагностика сильнорассеивающих сред и изменение их оптических свойств путем имплантации наночастиц

• Автор: Попов, Алексей Петрович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 127 с. : ил.

ГЛАВА I. ПРОХОЖДЕНИЕ СВЕРХКОРОТКОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА ЧЕРЕЗ СЛУЧАЙНУЮ СРЕДУ
1.1. Нестационарная теория переноса излучения
1.2. Методы решения нестационарного уравнения теории переноса излучения
1.3. Структура сверхкороткого лазерного импульса на выходе из случайной среды
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕРХКОРОТКОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА В СРЕДЕ С СИЛЬНЫМ РАССЕЯНИЕМ МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО
2.1. Основная идея метода Монте-Карло
2.2. Схема моделируемого эксперимента
2.3. Реализованный в программе алгоритм и применимость метода
2.4. Результаты расчетов для конечного и полубесконечного слоя модельной однородной среды и их обсуждение
2.5. Выводы по главе
ГЛАВА 3. МЕТОД ЛАЗЕРНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ВРЕМЯПРОЛЕТНОЙ ФОТОМЕТРИИ КАК ИНСТРУМЕНТ ДИАГНОСТИКИ СРЕД С СИЛЬНЫМ РАССЕЯНИЕМ
3.1. Физическая модель среды с сильным рассеянием на примере водного раствора интралипида с глюкозой
3.1.1. Оптические параметры модели и метод расчета
3.1.2. Обсуждение полученных результатов
3.2. Трехслойная модель кожи с глюкозой как неоднородной среды с сильным рассеянием
3.2.1. Оптические свойства моделируемой среды
3.2.2. Полученные результаты и их обсуждение
3.3. Выводы по главе
ГЛАВА 4. ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СРЕД С СИЛЬНЫМ РАССЕЯНИЕМ В УФ-ДИАПАЗОНЕ ПУТЕМ ИМПЛАНТАЦИИ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА
4.1. Имплантация наночастиц в приповерхностный слой среды с сильным рассеянием и экспериментальное определение их распределения по глубине
4.2. Спектр действия излучения УФ-диапазона на примере кожи человека
4.3. Расчет сечений рассеяния, поглощения и ослабления УФ-излучения наночастицами, имплантированными в среду
4.3.1. Оценка критической концентрации частиц в рамках режима независимого рассеяния
4.3.2. Относительные факторы рассеяния, поглощения и ослабления излучения наночастицами
4.4. Моделирование распространения УФ-излучения в многослойной среде, содержащей наночастицы в приповерхностном слое, методом Монте-Карло
4.4.1. Проблемы применимости закона Ламберта-Бугера-Бера и диффузионного приближения
4.4.2. Сравнение результатов расчета методом Монте-Карло с экспериментальными и расчетными данными для частного случая однослойной среды
4.4.3. Описание используемой математической модели
4.5. Результаты расчета и обсуждение
4.5.1. Зависимость интенсивности поглощенного, отраженного и рассеянного в слое среды 310-нм излучения от концентрации наночастиц
4.5.2. Сравнение ослабления частицами УФ-излучения с длинами волн 310 и 400 нм
4.5.3. Преимущества использования излучения ближнего ИК-диапазона для оптического определения толщины слоя среды с наночастицами
4.6. Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Актуальность исследований. Лазерная диагностика сред с сильным светорассеянием является актуальной задачей. Особенно важным является осуществление неразрушающей диагностики, позволяющей делать заключение об изменении свойств исследуемого объекта без необратимых последствий для последнего. Проведение диагностики возможно с использованием различных методов. Преимуществами оптических методов, в частности, с применением лазеров является неионизирующий характер излучения, малая длина волны, что позволяет работать со средами, имеющими в своем составе объекты субмикронного размера и возможность наблюдения за быстропротекающими процессами с характерными временами, лежащими в субпикосекундном диапазоне, что важно, например, для исследований в биологии и медицине [1]. Для диагностики свойств сред с сильным рассеянием получили развитие различные оптические методы [2], как с использованием непрерывного, так и импульсного излучения. К первым относятся, например, оптическая когерентная томография, гониофотометрия, а ко второму - лазерная импульсная времяпролетная фотометрия [3]. В качестве примеров можно привести задачи определения содержания глюкозы и оксигенации крови в тканях человека in vivo, диагностики качества бумаги непосредственно в процессе ее производства. Многие биоткани (в частности, кожа) служат хорошей иллюстрацией сред с сильным рассеянием. Работа с ними ведется в разных диапазонах длин волн, что определяется целями исследований. Для диагностики биотканей часто используется лазерное излучение, длины волн которого находятся в так называемом “диагностическом окне”, т.е. в диапазоне 630-1500 нм, расположенном между областями сильного поглощения гемоглобина и воды. На этих длинах волн взаимодействие биотканей с излучением обусловлено, в первую очередь, рассеянием. Изменение содержания составляющих биоткани компонентов (в частности, глюкозы) влияет на рассеивающие свойства биологической среды. Изменения этих свойств могут быть зарегистрированы, в частности, по изменению формы, пиковой интенсивности, энергии лазерных импульсов при взаимодействии со средой, что, в свою очередь, позволяет делать

жидкости (воды), что приводит к изменению характера распространения света в такой среде. Влияние глюкозы на оптические параметры светорассеивающей среды описывается следующими выражениями [45, 53, 54]:
где С [мг/дл] - концентрация глюкозы, gm и ц^т - фактор анизотропии рассеяния и коэффициент рассеяния раствора интралипида, соответственно, до добавления глюкозы. Как видно из приведенных выше формул, наибольшее относительное изменение - 0.22% на каждый ммоль/л (что соответствует 18 мг/дл) -претерпевает коэффициент рассеяния, что, строго говоря, соответствует реальной коже с живыми клетками, а не раствору интралипида в воде.
Для моделирования распространения излучения внутри слоя используется метод Монте-Карло [55], который описан выше и использован в нашей более ранней работе [56]. Каждый моделируемый импульс состоит из 500 миллионов фотонов, что обеспечивает разумный компромисс между статистической ошибкой и временем счета (около 5 часов на Р-1У 3 ГГц, 1.5 ГБ ОЗУ).
Как показали предварительные расчеты и сравнение результатов для 2-мм и 2000-мм слоев интралипида, профили регистрируемых импульсов в этих двух случаях отличаются несущественно, и использование 2-мм слоя правомерно (хотя кожа и лежащие под ней ткани больше подходят под понятие “полубесконечной” среды) и ведет к существенному сокращению времени расчета (5 часов против 30-ти на Р-1У 3 ГГц, 1.5 ГБ ОЗУ). Объяснение этому можно дать в терминах средней транспортной длины пробега фотона Г (см. формулу 1.15). Данная величина характеризует среду и показывает, на каком расстоянии излучение с данной длиной волны стохасгизуется, т.е. фотоны “забывают” свое первоначальное направление распространения. Для моделируемой среды /* = 0.5 мм для С = 0 мг/дл и /* = 0.59 мм для С = 1000 мг/дл, поэтому дальняя граница слоя не играет существенной роли.
п= 1.325+ 1.515-10'6-С,
^ = (1-0.0022-С/18Ы*,
£ = (1 + 0.000007-С/18)-ят,
(3.1)
(3.2)
(3.3)