Методы исследования взаимодействия низкоинтенсивного лазерного излучения с плотноупакованными дисперсными средами на примере венозной крови человека

• Автор: Сакович, Сергей Иванович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 115 с. : ил.

Актуальность темы. Лазеры как источники света все шире применяются в научных исследованиях, технологических процессах, при передаче и обработке информации. Все более быстрым темпом возрастает степень применения лазерных источников в нетрадиционных областях, среди которых видное место занимают биология и медицина.
Широкий диапазон применения лазеров обусловлен уникальными свойствами, которыми обладает лазерное излучение. Данные свойства существенно отличают лазеры от обычных источников света. Это высокая степень монохроматичности, направленность излучения, когерентность, поляризация, возможность получения световых потоков высокой интенсивности.
Одним из наиболее перспективных направлений медицины является лазерная биомедицина, включающая лазерную хирургию, терапию и лазерную диагностику. Однако, несмотря на очень широкое распространение в практической медицине методов лазерной терапии, вопрос об их механизмах не имеет ясного ответа.
Данная проблема интересует широкий круг специалистов. В связи с этим представляет интерес обсудить данные, основанные как на общих представлениях о природе физических процессов взаимодействия излучения и вещества, так и на собственных экспериментальных данных.
Биологический механизм взаимодействия лазерного излучения с биообъектами весьма сложен и до конца не изучен. Воздействие на живой организм низкоинтенсивным лазерным излучением с лечебной целью относится к методам физической терапии. В то же время, до сих пор еще не разработана общая теория физиотерапии. Для объективной оценки действия лазерного излучения необходимо не только исследование оптических свойств биологических объектов, но и исследование свойств самого излучения.
Лазерное излучение вошло практически в каждую область медицины. В публикациях врачей описываются данные клинических наблюдений. Все эти литературные источники уверенно заявляют, что лазерное облучение обладает сильно выраженным терапевтическим эффектом. Практически в каждом материале наблюдается описание только положительных сторон облучения, причем во всех областях медицины. Во всех работах можно найти фразы о стимуляции процессов обмена, нормализации общего гомеостаза организма и т.д. Невольно возникает вопрос, каким образом улучшается исследуемый показатель, почему лазер улучшает именно то, что должен улучшить при данном заболевании? На наш взгляд, еще следует разобраться, что же происходит с лазерным излучением после прохождения через биологические ткани. Какие изменения оно претерпевает?
Цель диссертационной работы - разработка установок и методов исследования взаимодействия низкоинтенсивного лазерного излучения с плот-ноупакованными дисперсными средами на примере венозной крови человека.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

Разработка экспериментального комплекса и методик для исследования пространственной и временной когерентности, а также индикатрис рассеяния при прохождении через плотноупакованную среду.
Построение модели ослабления низкоинтенсивного лазерного излучения кровью человека для различных концентраций эритроцитов, соответствующих цельной и разбавленной венозной крови и эритроцитной массе.
Экспериментальное исследование зависимости степени когерентности и поляризации лазерного излучения от толщины слоя крови.
Экспериментальное и теоретическое исследование динамики изменения температуры слоя крови при воздействии излучения гелий-неонового лазера с длиной волны 632,8 нм.
Определение границ применимости закона Бугера в задачах прохождения низкоинтенсивного лазерного излучения через кровь человека.
На защиту выносятся:
Экспериментальный комплекс и методики исследования пространственной и временной когерентности и индикатрис рассеяния в процессе прохождения лазерного излучения через плотноупакованную среду (на примере крови человека).
Граничные значения оптической глубины проникновения, начиная с которой отличительные свойства излучения гелий-неонового лазера при его распространении в крови становятся идентичными по терапевтическому эффекту свойствам обычных тепловых и газоразрядных источников света.
Модель процесса нагревания крови в поле низкоинтенсивного лазерного излучения.
Границы применимости закона Бугера для расчета коэффициента ослабления лазерного излучения кровью человека.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработан комплекс экспериментальных установок для исследования когерентности лазерного излучения. Определена оптическая глубина проникновения и соответствующие ей значения основных характеристик лазерного излучения, отличающих его от излучения тепловых и газоразрядных источников. Получены границы применимости закона Бугера для задач прохождения низкоинтенсивного лазерного излучения через кровь человека.
Достоверность результатов подтверждается:
Достоверность научных положений и данных определяется, прежде всего, корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, а также большим объемом полученных экспериментальных результатов, их логической взаимосвязью, физической наглядностью, непротиворечивостью и воспроизводимостью, совпадением экспериментальных данных с теоретическими оценками и расчетами. Экспериментально полученные результаты по определению коэффициента ослабления сопоставимы с результатами других авторов, в пределах погрешности.

В плотноупакованной системе частиц, какой является кровь, необходимо учитывать, что индикатриса рассеяния может отличаться от соответствующего значения для изолированной частицы. Эти различия возникают за счет интерференционных взаимодействий рассеянного соседними частицами излучения [72]. Кровь удобно выбрать для изучения закономерностей прохождения излучения через среду с плотной упаковкой. Во-первых, распространение излучения через кровь представляет интерес для биологии и медицины в диагностических целях. Во-вторых, полученные методики расчета многократного рассеяния могут быть применены к другим плотноупакованным средам со схожими оптическими свойствами.
Остановимся подробнее на компьютерном моделировании процесса рассеяния света биотканью. В настоящее время существует целый ряд способов такого моделирования: диффузионное приближение ТЛИ (теория переноса излучения), различные многопотоковые теории (например, четырехпотоковая модель Кубелки-Мунка), метод Монте-Карло (ММК) [73]. Однако большинство данных теорий имеют существенные ограничения на области исследуемых оптических параметров и/или геометрии исследуемой среды, что на практике не позволяет проводить математическое моделирование светорассеяния в реальных тканях. Метод ММК свободен от подобных недостатков и может использоваться практически при любых как оптических, так и геометрических параметрах исследуемой среды, имея ошибку не более 1%. Однако и этот метод имеет свои ограничения. И самым главным из них является то, что для получения правильных результатов необходимо пропустить через программу большое число фотонов, что требует большого времени счета. Многократное рассеяние в условиях произвольной геометрии образца и сложного углового распределения падающего пучка может быть успешно учтено при использовании метода статистического моделирования - метода Монте-Карло. Аналитические методы описания распространения света в слое крови пригодны только в случае использования сильно упрощающих предположений, существенно снижающих адекватность используемой модели