Реконструкция пространственных распределений источников люминесцентного излучения в рассеивающих конденсированных средах при использовании интегрально-кодовых систем измерений

• Автор: Антаков, Максим Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 138 с. : ил.

Оглавление
Оглавление
Введение
Глава 1. Реконструкция пространственных распределений источников излучения с использованием интегрально-кодовых систем измерения
1.1. Введение
1.2. Взаимодействие излучения с веществом
1.3. Интегрально-кодовые системы измерения
1.3.1. Метод фокусных плоскостей
1.3.2. Аппаратная функция
1.3.3. Обзор итерационных методы восстановления распределения радионуклидов
1.3.4. Построение многопинхольного кодирующего коллиматора
1.4. Обзор источников люминесцентного излучения и их характеристик.
1.4.1. Люминесцентная томография
1.4.2. Люминофоры
1.4.3. Характеристики люминофоров
1.5. Выводы
Глава 2. Кодирование излучения при реконструкции пространственных распределений источников люминесцентного излучения в рассеивающей среде
2.1. Введение
2.2. Описание прохождения стационарного излучения через рассеивающую среду
2.3. Функция источника люминесцентного излучения в рассеивающей среде
2.4. Описание прохождения люминесцентного излучения через рассеивающую среду
2.4.1. Случай ограниченной среды
2.4.2. Случай полубесконечной среды
2.5. Кодирование люминесцентного излучения
2.5.1. Многоканальный коллиматор
2.5.2. Однопинхольный коллиматор
2.6. Выводы
Глава 3. Численное исследование интегрально-кодовых систем измерения.
3.1. Введение
3.2. Исследование аппаратных функций
3.2.1 Исследование глубинного разрешения и ложных пиков АФ
3.2.2 Интегральный критерий
3.2.3 Влияние мозаики
3.2.4 Различные схемы измерений
3.3. Улучшение сфокусированных изображений
3.3. Исследование метода обратного проецирования
3.4. Уточненный интегральный критерий

3.5. Выводы
Глава 4. Численное моделирование реконструкции пространственных распределений источников люминесцентного излучения в рассеивающей среде
4.1. Введение
4.2. Описание программы моделирования
4.2.1. Выбор кодирующего устройства и геометрии измерений
4.2.2. Выбор исходного распределения люминофора и
параметров среды
4.2.3. Моделирование процесса возбуждения люминофора
4.2.4. Моделирование прохождения излучения через объект, его кодирование и регистрация
4.2.5. Реконструкция распределения люминофора,
его визуализация и обработка
4.3. Численное исследование реконструкции распределения люминофора в рассеивающей среде
4.3.1. Влияние типов возбуждения люминофора
4.3.2. Исследование типов компенсации поглощения
4.3.3. Исследование влияния коэффициентов поглощения и рассеяния
4.4. Экспериментальные исследования реконструкции распределения люминофора в рассеивающей среде
4.4.1. Описание способа визуализации люминофора
4.4.2. Результаты натурных экспериментов
4.5. Выводы
Заключение
Список литературы

Введение
Актуальность работы
Реконструкция пространственного распределения источников излучения в рассеивающих биологических средах является одной из важных задач физики конденсированного состояния. Актуальность таких исследований состоит в том, что без них не могут разрабатываться и развиваться новые оптические методы неинвазивного исследования биологических тканей, в частности, оптическая томография. Особым направлением оптической томографии является люминесцентная томография, задачей которой является восстановление пространственного распределения люминофора, предварительно введенного в исследуемый объект. Разработка методов люминесцентной томографии связана с решением ряда принципиальных проблем, основной из которых является сложность процесса взаимодействия оптического излучения с веществом, в особенности, процесса рассеяния оптического излучения в биологических тканях. При этом рассеяние носит преобладающий характер и при возбуждении люминесцентного излучения, и при прохождении люминесцентного излучения через биологическую среду.
Задачей люминесцентной томографии является нахождение пространственного распределения источников люминесцентного излучения (люминофора, предварительно введённого в исследуемый объект и облучённого возбуждающим излучением). При этом на детекторе регистрируется суперпозиция излучения от разных точек объекта. Тогда реконструкцию пространственных распределений источников люминесцентного излучения можно было бы осуществить общими методами эмиссионной вычислительной томографии, если бы не влияние сложного процесса рассеяния излучения. Однако, отличительной особенностью люминесцентной томографии является возможность управляемого облучения исследуемой области объекта, что позволяет использовать физические механизмы взаимодействия излучения с веществом при разработке новых методов нахождения пространственного распределения люминофора.
Взаимодействие оптического излучения с рассеивающей средой описывается интегро-дифференциальным уравнением переноса излучения (УПИ), которое в общем виде не имеет аналитического решения. Поэтому обычно рассматриваются более простые модели (приближения), которые, за счёт дополнительных предположений, значительно упрощают вид УПИ и, как следствие, описание прохождения оптического излучения через сильно рассеивающую среду (СРС). Такими дополнительными предположениями могут быть предположения о свойствах среды, о свойствах и виде решения УПИ, о свойствах источника и т.д.
В настоящее время одним из перспективных приближений является приближение «рассеяние прямо назад» (РПН), описывающее прохождение оптического излучения через рассеивающую среду, в которой рассеяние всегда происходит на угол 180°. Эффективность этого приближения ранее была показана на примере трансмиссионной томографии пропорциональных рассеивающих сред. Использование приближения РПН позволяет эффективно учесть рассеяние излучения, как при возбуждении люминофора, так и при прохождении люминесцентного излучения через рассеивающую среду.
Характеристики органических люминофоров
Максиму
излучёнй я (нм)
Максимум
поглощения

: ; Максимум поглощения -
AÜV.YÎS&-
W шя " '"“»'»и
I Максимум излучения <«“>
Кванто J
fauA 4? Свыход!
ІКванто
Щ ВЫЙ щ ВЫХОД
Названі
ил1МзЬ"1'
Яркость
Venus
mCitrin
PhiYFP
ZsYetlow
тВзпзпа
mOrang
тОгэпее
TurboRFp
tdTomst
TagRFP
AsRed

mCherry
AcGFPl
HcRedl
mKate
TurboFPS
Dronpa-
Green
mNeptun

Crimson

тКе!та

AmCyanl

Таблица 1.

Azurite
GFPuv
ТзйВЕР
Cerulea n

CyPet

dKeima-

T?g.GFp

TagYFP
-S59'^
TurboGF

Спектр излучения люминофоров зависит от химической природы активатора и основы люминофора, их взаимодействия, а в случае люминофоров с несколькими активаторами и от взаимодействия активаторов между собой.
Спектры излучения могут зависеть от интенсивности и длины волны возбуждающего света, а также от температуры. Влияние интенсивности возбуждающего света проявляется тогда, когда люминофор имеет несколько полос излучения и интенсивность свечения каждой из них по-разному зависит от интенсивности возбуждающего света, в частности, интенсивность одной из полос быстрее достигает насыщения.