Комбинированный спектроскопический метод исследования сильнорассеивающих биологических сред

• Автор: Савельева, Татьяна Александровна
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 118 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Цель и задачи
Практическая значимость
Основные положения, выносимые на защиту
Апробация работы
Содержание работы
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОГО АНАЛИЗА БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД МУ1УО
Введение
Основные факторы, формирующие спектральные зависимости, регистрируемые методами флуоресцентной спектроскопии и спектроскопии диффузного отражения
Влияние биохимических особенностей биологических тканей па юс оптические свойства..
Влияние многократного рассеяния и геометрии измерений
Влияние структурных особенностей биологических тканей на га оптические свойства
Рассмотрение существующих спектроскопических методов анализа биологических сильнорассеивающих сред
Сопоставление разработанных методов с существующими подходами к решению задачи спектрального анализа биологических сильнорассеивающих сред
Заключение к первой главе
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальная установка
Метод одновременной регистрации спектров диффузного отражения и флуоресценции с использованием оптоволоконного зонда
Метод регистрации спектрально-разрешенных изображений
Методы моделирования взаимодействия излучения с сильнорассеивающими биологическими средами, содержащими хромофоры и флуорофоры
Взаимодействие электромагнитного излучения с независимыми частицами сферической и цилиндрической формы
Распространите электромагнитного излучения в сильнорассеивающих средах
Определение входных параметров математического моделирования взагшодействия света с нервными тканями
Методы декомпозиции спектров
Объекты исследования
Оптические фантомы биологических тканей, имитирующие их рассеивающие, поглощающие свойства и состав флуорофоров
Кчинические исследования
Заключение ко второй главе
ГЛАВА 3. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НЕРВНЫХ ТКАНЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТОВОЛОКОННОГО ЗОНДА

Введение
Рассмотрение влияния геометрии измерений и оптических свойств среды на регистрацию диффузно-отраженного и флуоресцентного излучения
Разработка алгоритма разделения поглощающих и рассеивающих свойств
Апробация алгоритма определения концентрации гемоглобина по восстановленному спектру поглощения
Математическая модель формирования компоненты сигнала диффузного отражения, обусловленной рассеянием
Сопоставление результатов математического моделирования и измерения рассеивающих свойств глиом in vivo
Учет рассеивающих свойств при определении концентрации протопорфирина IX
Результаты клинических исследований комбинированного спектроскопического метода
Заключение к третьей главе
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ СПЕКТРАЛЬНО-РАЗРЕШЕННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
Введение
Пространственное разрешение системы визуализации
Спектральное разрешение системы визуализации
Разработка алгоритма разделения поглощающих и рассеивающих свойств при анализе спектрально-разрешенных изображений
Апробация метода анализа спектралыго-разрешеииых изображений в диффузно-отраженном и флуоресцентном свете на оптических фантомах
Вычисление концентрации гемоглобина на основе анализа спектрально-разрешенных изображений в диффузно-отраженном свете
Регистрация и анализ видеофлуоресг{ентного сигнала
Вычисление распределения степени оксигенации сосудов кожи на основе анализа спектрально-разрешенных изображений в диффузно-отраженном свете
Заключение к четвертой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ С УЧАСТИЕМ АВТОРА
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
Работа посвящена исследованию взаимодействия лазерного, флуоресцентного и широкополосного излучения с сильнорассеивающими биологическими средами, содержащими флуоресцентный фотосенсибилизатор протопорфирин IX, и развитию спектроскопических методов анализа биологических сред для осуществления возможности интраоперационного определения концентраций содержащихся в тканях хромофоров и флуорофоров и их распределения в поверхностном слое тканей различных органов или в зоне хирургического вмешательства.
Актуальность работы
Разнообразие светорассеивающих сред и сложность их изучения обуславливают научный интерес к этому объекту. Одним из классических примеров мутных сред являются биологические ткани. Спектроскопический анализ состава сильнорассеивающих сред, в частности биологических тканей, сопряжен с трудностью интерпретации спектральных зависимостей излучения, подвергшегося в среде как поглощению, так и многократному рассеянию.
На настоящий момент при проведении флуоресцентного спектрального анализа in vivo в некоторых случаях его сочетают с измерением спектров диффузного отражения (ДО) [1, 2]. Коррекция спектров флуоресценции с помощью результатов анализа спектров диффузного отражения обеспечивает определение состава флуорофоров в ткани. В ряде случаев спектр диффузного отражения используется для независимого анализа поглощающих и рассеивающих свойств исследуемых сред [3]. Также следует отметить, что последовательное измерение спектров диффузного отражения и флуоресценции чревато возникновением артефактов, обусловленных взаимным смещением источника света, объекта и фотоприемника, и увеличением времени анализа, что может оказаться неприемлемым в клинических условиях. Что касается систем спектрально-разрешенной визуализации, то они, как правило, используют наборы узкополосных фильтров или перестраиваемые фильтры для получения изображений объекта, либо основаны на методе сканирования всего поля изображения поточечно с использованием классической спектроскопической системы с диспергирующим элементом [4]. У обоих подходов основным недостатком также является низкая скорость анализа данных.
В то же время при решении прикладных задач нет необходимости в анализе всего видимого диапазона спектра, либо в получении гиперспектральных изображений с максимально возможным разрешением. Достичь высокой эффективности диагностики биологических сред в каждом конкретном случае можно, тщательно изучив свойства исследуемых тканей, их пигментный состав, метаболические и структурные особенности, и

Здесь п - эго радиальное расстояние от источника, расположенного в ткани на глубине 1о, Г2 - радиальное расстояние от источника, расположенного над границей раздела сред на расстоянии го+2гь.
В результате для зависимости диффузного отражения от расстояния от источника по поверхности границы раздела р получаем зависимость следующего вида:
, а' 1 ( ^ ПехрС-^Л) а' С 1 _
Я(р) = — — М.# + I ----—+ — | — + 2г,
4яг //,
Н*я +
1 ехр(-рейгг')
Гг) А
(2.1)

~Г + 2г* I + р1 м, )
«'= Р !(Ма +Р)
Р', = Ра + Р
Р&=[ЪРа(М« +Р)]П Для нахождения полного коэффициента диффузного отражения выражение (2.1) необходимо проинтегрировать по радиусу:
2л-| Н(р)рс1р =
ехр{- л/3/(1 + /Л//Г)}
1+/Л/ Р„
Также широко используется в указанном в начале настоящего раздела диапазоне оптических свойств среды модифицированный закон Бугера-Ламберта-Бэра, описывающий ослабление излучения в сильнорассеивающих поглощающих средах и учитывающая увеличение длины пробега фотонов в ткани за счет эффекта многократного рассеяния [83]:
А = Іп1І°/]) = В-їа-сі1) + С (2.2)
А - коэффициент ослабления света средой с учетом эффектов поглощения и многократного рассеяния; В — фактор средней длины пробега фотона в ткани по пути от источника к приемнику при заданном расстоянии между ними (йр), зависящий от коэффициентов поглощения, рассения и углового распределения рассеяния; С - фактор, зависящий от геометрии измерений и коэффициента рассеяния и не зависящий от поглощения света средой.
Средняя длина пробега определялась авторами работы [96] на основании регистрации рассеянного излучения с пикосекундным разрешением и представлений об усредненной