Использование топологических характеристик лазерных спекл-структур при идентификации бактерий и тканей

• Автор: Ульянов, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.21, 03.01.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Саратов
• Количество страниц: 127 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЛАЗЕРНЫХ СПЕКЛОВ КРИТИЧЕСКИЙ П

АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Применение спеклполсй в исследованиях биологических объектов.

1.2 Визуализация биообъектов методом

1.3 Оптические фракталы и биофракталы.

1.4 Применение моментов Цернике при идентификации

бактериальных колоний.

1.5 Заключение к Главе 1.

Глава 2 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАССЕЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ФРАКТАЛАХ
2.1 Расчет фрактальной размерности
2.2 Дифракция света на фрактальных структурах.
2.3 Исследование свойств оптических фракталов, наблюдаемых в системах формирования изображения.
2.4 Оптические фракталы, формирующиеся в свободном
пространстве в ближней зоне дифракции.
2.5 Оптические фракталы, формирующиеся в свободном
пространстве в дальней зоне дифракции.
2.6. Исследование фрактальных свойств развитых лазерных
спеклов.
2.7 Заключение к главе 2
Глава 3 Формирование фрактальных структур при рассеянии
лазерного света бактериальными колониями
3.1 Материалы и методы
3.2 Анализ фрактальных размерностей дифракционных картин, полученных при освещении штаммов колоний 9 Р и ii i В6.
3.3 Анализ фрактальных размерностей дифракционных картин, полученных при облучении штаммов колоний У. i V.
3.4 Заключение к Главе 3
Глава 4 Формирование фрактальных структур при рассеянии
лазерного света биотканями
4.1 Экспресс методы i vi идентификации нормальных и патологическиизмсннеых тканей
4.1.1 Установка для i vi исследования рассеивающих характеристик тканей
4.1.2 Исследование биоспеклов, формирующихся при рассеянии лазерного излучения в гистологических образцах
4.1.3 Анализ моментов Цернике при классификации патологически измененных биотканей
4.1.4 I vi анализ фрактальных размерностей патологически
измененных биотканей.
4.2 Экспресс методы i viv идентификации нормальных и патологическиизмененных тканей
4.2.1 одготовка образцов тканей для когерентной микроскопии
4.2.2 Исследование процессов формирования спеклов внутри кожи аутбредных мышей
4.2.3 Материалы и средства при проведении i viv исследований
4.2.4 Установка для исследования микроциркуляции крови методом
.
4.3 Исследование опухолей методом
4.3.1 Компенсация движения животного.
4.3.2 Устранение влияния кожного кровотока.
4.3.3 Анализ контраста и фрактальной размерности
изображений
4.4 Заключение к главе 4.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ИЗ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Цернике и фрактальных размерностей спекл-полей, образующихся при освещении изучаемого объекта лазерным излучением, а также использования метода t-LASCA применительно к задачам диагностики биотканей. В работе проведено сравнение результатов компьютерного моделирования процессов рассеяния гауссовых пучков в бактериальных колониях с экспериментальными данными. Особое внимание уделено фрактальным свойствам биоспеклов, образующихся при рассеянии света на колониях бактерий различных штаммов, в частности вакцинного штамма чумного микроба. Показана принципиальная возможность определения колоний Yersinia pestis EV НИИЭГ, Staphylococcus aureus B6 и Escherichia coli с использованием анализа фрактальной размерности. Также в работе исследованы некоторые свойства сиекл-структур, формирующихся при рассеянии лазерного излучения на биологических объектах, обладающих фрактальными свойствами. Исследованы особенности формирования спекл-структур, образующихся при облучении модельных фракталов: ковра Серпинского, множества Мандельброта. Проведены теоретическое и экспериментальное исследования зависимости величины фрактальной размерности биоспеклов как от условий освещения бактериальных колоний, так и от условий их роста. Достоверность полученных теоретических результатов_полученных результатов обеспечивается строгостью используемых математических моделей, использованием в компьютерном моделировании стандартного программного обеспечения, соответствием результатов численного и натурного экспериментов. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением стандартной измерительной аппаратуры, высокой степенью автоматизации процесса регистрации экспериментальных данных и применением стандартных программ для их обработки. Разработаны методы и средства для дифференциации бактериальных колоний на основе анализа фрактальных размерностей спекл-структур. ЬАБСЛ по сравнению с б^АБСА с точки зрения оценки состояния, визуализации и мониторинга роста/регрессии злокачественных новообразований. Метод 1-ЬАЗСА адаптирован к задачам визуализации злокачественных опухолей (на примере миелом). Изучены фрактальные свойства ЬАЯСА-изображений, наблюдаемых при исследовании злокачественных опухолей в когерентном свете. Использование методов фрактального анализа спекл-структур, формирующихся при рассеянии лазерного излучения в бактериальных колониях, позволяет проводить дифференциацию между такими штаммами бактерий как Yersinia pestis EV НИИЭГ, Escherichia coli B6 и Staphylococcus aureus 9 P. Фрактальная размерность спекл-структур, образующихся при рассеянии лазерного излучения в злокачественных опухолях (мисломах), достоверно увеличивается более чем на % по сравнению со случаем рассеяния в нормальных/здоровых тканях. Предложены in vitro и in vivo методы предварительной диагностики миеломы, основанные на анализе топологических характеристик спекл-структур. Личный вклад автора в работе выразился в теоретической разработке и практической реализации компьютерного моделирования процессов рассеяния когерентного излучения на объектах, обладающих фрактальными свойствами; проведении экспериментальных работ по получению дифракционных картин, формирующихся при облучении различных биологических объектов, таких как гистологические срезы тканей с доброкачественными и злокачественными опухолями, бактериатьные колонии различных видов бактерий; сопоставление полученных результатов с результатами компьютерного моделирования; а также в участии в формулировании научных положений и выводов. В первом разделе приведены результаты критического анализа исследований в области современных методов изучения биологических объектов (как живых систем, так и специально подготовленных тканевых материалов), рассмотрены методы морфологии, когерентная и некогерентная микроскопия, методы бактериологического анализа и методы спекл-имиджинга. Результаты моделирования учтены при экспериментальной работе, описанной в дальнейших главах. Отмечены факторы влияющие на достоверность получаемых результатов, а также определены границы применимости метода анализа фрактальных размерностей. В заключении сформулированы основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.