Диффузионная модель прохождения лазерного излучения через биологические среды

• Автор: Данилов, Арсений Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 102 с. : ил.

Глава 1. Распространение излучения в силыюрассеивающей биологической среде

и методы оптической томографии

1.1. Описание распространения излучения в сильнорассеивающей среде на базе уравнения переноса излучения

1.1.1. Уравнение переноса излучения

1.1.2. Основные приближения уравнения переноса излучения

1.1.3. Классическая диффузионная модель

1.1.4. Нестационарная осевая модель

1.2. Методы трансмиссионной оптической томографии

1.2.1. Диффузионная томография

1.2.2. Метод средних траекторий фотонов

1.2.3.Восстановление пространственного распределения поглощающих макронеоднородностей на основе матрицы «теней»
1.2.4.Трансмиссионная оптическая томография в нестационарной осевой модели
1.3. Выводы
Глава 2. Уточненная диффузионная модель
2.1. Недостатки классической диффузионной модели
2.2. Построение уточненной диффузионной модели
2.3. Выводы
Глава 3. Численное моделирование прохождения оптического излучения через однородную силыюрассеивающую среду
3.1. Метод численного моделирования прохождения оптического излучения
через однородную биологическую среду
3.2. Численное сравнение моделей НОМ, КДМ и УДМ
3.3. Выводы
Глава 4. Экспериментальное исследование прохождения оптического излучения через сильнорассеивающуго среду

4.1. Экспериментальная установка
4.2. Экспериментальное определение оптических характеристик однородного сильнорассеивающего слоя
4.3. Сравнение моделей НОМ, КДМ и УДМ по экспериментальным данным
4.4. Выводы
Заключение
Список сокращений
Литература

Актуальность работы
Исследование взаимодействия излучения с неорганическими и органическими (биологическими) веществами является одним из активно развивающихся направлений физики конденсированного состояния. Результаты этих исследований нашли свое отражение и в разработке методов вычислительной томографии (ВТ) для медицинской диагностики. В настоящее время в медицинской практике широко применяются такие виды ВТ, как трансмиссионная рентгеновская, эмиссионная радионуклидная (однофотонная) и позитронная (двухфотонная), а так же магниторезонансная. Различные виды ВТ основаны на взаимодействии разных видов излучения с биологическими тканями, и, следовательно, обеспечивают визуализацию разных физических свойств биологических структур. Таким образом, каждый новый метод не заменяет, а дополняет существующие и позволяет исследовать ранее недоступные объекты. Одним из перспективных, но в то же время малоизученных, направлений развития ВТ является использование лазерного излучения для трансмиссионной оптической томографии (ТОТ). ТОТ может быть основным средством визуализации внутренней структуры головного мозга новорожденных, так как позволяет с высокой точностью определять уровень насыщения тканей кислородом, что делает эту методику эффективным средством обнаружения гематом, раковых образований и т.п. Использование традиционных видов ВТ для исследования мозга новорожденных невозможно, поскольку ионизирующие излучения и жесткие магнитные поля потенциально опасны для здоровья пациента. В ТОТ же применяется излучение ближнего ИК-диапазона, безвредное для человека.
Однако построение методик ТОТ связано с рядом серьезных трудностей, наличие которых не позволило до настоящего времени создать серийный оптический томограф, пригодный для клинического использования. Одной из основных проблем разработки ТОТ является решение задачи описания взаимодействия оптического излучения с биологической средой. В трансмиссионной рентгеновской томографии математической основой описания прохождения излучения через биологическую ткань является закон экспоненциального ослабления излучения, представляющий собой обобщение закона Бугера-Ламберта-Бэра на неоднородные среды. При этом предполагается,

Таблица
Сравнение диффузионной и осевой моделей
^2,мм ( Zj, мм) Диффузионная модель Осевая модель
На. мм-1 P~Pi 9 мм-1 D 9 ММ СКО, усл.ед. Р 9 мм-1 Ра 9 мм-1 Р, 9 мм-1 СКО, усл.ед.
6,0(6,0) 0,003 1,15 0,29 0,28 1,15 0,09 1,06 0,30
6,0(6,5) 0,002 1,19 0,28 0,25 1,03 0,06 0,97 0,28
6,0(7,0) 0,002 1,19 0,28 0,25 0,96 0,05 0,91 0,28
6,0(8,0) 0,002 1,15 0,29 0,26 0,93 0,04 0,89 0,28
6,5(6,0) 0,003 1,15 0,29 0,08 1,15 0,09 1,06 0,10
6,5(6,5) 0,002 1,19 0,28 0,06 1,03 0,06 0,97 0,07
6,5(7,0) 0,002 1,19 0,28 0,06 0,96 0,05 0,91 0,07
6,5(8,0) 0,002 1,15 0,29 0,08 0,93 0,04 0,89 0,07
7,0(6,0) 0,003 1,15 0,29 0,15 1,15 0,09 1,06 0,15
7,0(6,5) 0,002 1,19 0,28 0,13 1,03 0,06 0,97 0,12
7,0(7,0) 0,002 1,19 0,28 0,13 0,96 0,05 0,91 0,09
7,0(8,0) 0,002 1,15 0,29 0,15 0,93 0,04 0,89 0,09
8,0(6,0) 0,003 1,15 0,29 0,09 1,15 0,09 1,06 0,16
8,0(6,5) 0,002 1,19 0,28 0,05 1,03 0,06 0,97 0,11
8,0(7,0) 0,002 1,19 0,28 0,05 0,96 0,05 0,91 0,07
8,0(8,0) 0,002 1,15 0,29 0,08 0,93 0,04 0,89 0,06
Таким образом, проведенное сравнение показало, что диффузионная модель не достаточно точна для описания прохождения излучения через тонкие слои СРС. НОМ в таком случае оказывается предпочтительней. Кроме того, учет баллистических фотонов еще больше повысит точность НОМ по сравнению с КДМ и даст ей дополнительные преимущества для слоев СРС небольшой толщины - то есть для случая, когда вклад баллистических фотонов является существенным.
Между тем, диффузионная модель обладает рядом достоинств, основным из которых является достаточно точное описание физического процесса распространения излучения в СРС в случае многократного рассеяния излучения