Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экспериментальное обоснование применения метода лазерной корреляционной спектроскопии для исследований биотканей IN VIVO

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное обоснование применения метода лазерной корреляционной спектроскопии для исследований биотканей IN VIVO"

г: ü од

i 2 ден mi

На правах рукописи

МЕГЛИНСКИЙ Игорь Владиславович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ЛАЗЕРНОЙ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ БИОТКАНЕЙ IN VIVO

Специальность 03.00.02 - Биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов - 1997 г.

Работа выполнена на кафедре оптики физического факультета Саратовское государственного университета им. Н.Г.Чернышевского

Научный руководитель - академик РАЕН,

доктор физико-математических наук, профессоров.В.Тучин

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Л.М.Бабков

кандидат физико-математических наук,

В.Ф.Изотова

Ведущая организация: Саратовский государственный медицинский университет, кафедра медицинской и биологической физики

Защит диссертации состоится 19-го декабря 1997 г. в 14 часов 00 минут н; заседании диссертационного совета K063.74.ll по специальности 03.00.02 Биофизика в Саратовском государственном университете им.Н.Г.Чернышевскоп (410026, г.Саратов, ул.Астраханская, 83).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ.

Автореферат разослан «

1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент

Введение.

Актуальность темы. В настоящее время лазерная техника широко применяется в шличных областях медицины и биологии. С помощью лазеров эффективно решаются шогочисленные залами терапии, хирургии и диагностики различных заболевании.

Огромный интерес в последнее время был проявлен к изучению свойств лазерных [учков, прошедших сквозь многократно рассеивающие случайно-неоднородные среды Ю.Н.Барабаненков, Ю.А.Кравцов, В.Л.Кузьмин, В.П.Романов, A.Ishimaru, G.Maret, E.Wolf, ).J.Pme, D.A.Weitz, A.G.Yodli, M.Tamura и многими другими). Что связано с развитием методов птической диффузионной томографии многократно рассеивающих случайно-неоднородных ред, в том числе биотканей и внутренних органов.

lit vivo зондирование биотканей лазерными пучками уже находит применение в сднципе, в том числе, в задачах медицинской диагностики для определения местоположения пухолен, визуализации гематом, определения глубины повреждений тканей при ожогах. В астоящее время в этих и смежных областях активно работают многие научные группы: .Chance, E.Gratton, S.L.Jacques, R.Alfano (США), G.Muller (Германия), D.T.Delpy Великобритания), G.Maret (Франция), R.Cubeddu (Италия), M.Tamura (Япония) и другие. В плен стране наибольший професс достигнут научными группами А.В.Приезжева (МГУ, Москва), Г.Б.Альтшулсра (СПИТМО, г.Санкт-Петербург), Ю.Т.Мазуренко (ГОП, г.Санкт-етербург), В.В.Тучина (СГУ, г.Саратов), А.А.Сергеева (Институт прикладной физики РАН, Н.Новгород) и некоторыми другими. Результаты этих исследований регулярно обсуждаются на >ссннскнх и международных симпозиумах, школах, семинарах и конференциях различного ювня и направленности по проблемам применения лазеров в биологии и медицине в России и рубежом (Саратоп 92-96; Минск 94; San Jose 92-97; Los Angeles 89-94; Orlando 95-97 и др.). lTcpec к этим проблемам объясняется практической значимостью оптических методов /нкционалыюй диагностики живых объектов.

Одним из важных примеров развития, практического применения и дальнейшей рспектнвы использования оптических методов для решения биомеднцинских агностических задач является метод так называемой диффузионно-волновой спектроскопии ВС). Этот метод основан на измерении и анализе временной автокорреляционной функции укгуацнй интенсивности многократно рассеянного излучения, что несет принципиально вуго информацию о движении рассенвателей в случайно-неоднородных многократно :сеивающнх средах. Используя этот метод можно фиксировать перемещение рассеивающих

частиц на очень малые расстояния - до сотых долей длины волны используемого излучения X, то время, как все прочие методы чувствительны лишь к перемещениям рассслватслеи н расстояния порядка X. Необходимо также отметить, что предлагаемый оптический пето, является единственным методом, позволяющим измерять скорости относительно медленных (д 10'2 см/с) потоков рассеивающих част иц в условиях многократного рассеяния света в среде.

Исследования в этом направлении представляются полезными для многих облаете] биофизики н медицины. Однако применение этого метода для in vivo мониторинга структур; биотканей и параметров кровотока должно быть обосновано.

Целью настоящей работы япляется: развитие корреляционного оптического метод регистрации динамических нсоднородностсн в сильно рассеивающих средах и применена этого метода для псинвазивного мониторинга средней скорости кровотока в мышечных тканя; п коже человека и животных.

Задачи, решаемые в работе:

1. Исследование процесса распространения лазерного излучения в мутных енлык рассеивающих средах, содержащих динамические макронеоднородности с размерам! существенно превышающими длину волны зондирующего излучения.

2. Изучение закономерностей изменения временной автокорреляционной функции пол; многократно рассеянного излучения в зависимости от изменения динамических характернстш исследуемого объекта (концентрации рассеивателсн, средней скорости потока, длннь когерентности зондирующего лазера, длины волны и др.).

3. Разработка экспериментальной установки и неинвазнвного метода мониторинг; динамических исоднородностей в сильно рассеивающих средах.

4. Исследование влияния условий детектирования и обработки данных на отношение енгпал-шум при вычислении автокорреляционной функции поля и возможности его увеличения.

5. Визуализация изображения динамической неоднородности из экспериментально полученные автокорреляционных функции поля рассеянного излучения.

6. Апробация установки и метода измерений в различных модельных экспериментах и i экспериментах с живыми объектами, в том числе и с учетом физиологического состоянш исследуемого обьекта.

Научная новизна. Впервые показано, что по изменению фрагменте: автокорреляционной функции флуктуации интенсивности н поля диффузнонно-отраженногс многократно рассеянного лазерного излучения можно характеризовать среднюю скорость

■ровотока in vivo с учетом регистрируемого физиологического состояния исследуемого объекта. 1оказано, что экспериментальный метод чувствителен также к изменению статических [араметров среды: коэффициентов рассеяния и поглощения исследуемой ткани {in vivo).

Создана экспериментальная установка для in vivo измерений средней скорости ровотока, а также различных потоков жидкости с взвешенными в ней частицами. Разработано ппаратное и методическое обеспечение, позволяющее неинвазивно характеризовать среднюю корость и физиологическое состояние кровотока.

Разработан метод, позволяющий восстанавливать изображение динамической еоднородности из набора последовательно измеренных автокорреляционных функций поля, азработано аппаратное и программное обеспечение, позволяющее осуществлять мониторинг инамических неоднородностей, находящихся внутри многократно рассеивающей среды.

Показана и реализована возможность увеличения отношения сигнал-шум при дновременном уменьшении времени измерения и мощности зондирующего излучения путем спользования специальных приемов освещения исследуемого образца.

Достоверность научных результатов. Достоверность полученных результатов эдтперждается воспроизводимостью экспериментальных результатов, их корреляцией с ггистрируемыми физиологическими процессами, соответствием результатов численного оделирования и физического эксперимента, а также соответствием результатам, полученных эугими исследователями.

На защиту выносятся следующие положения и результаты: Анализ фрагментов временной автокорреляционной функции поля многократно рассеянного лазерного излучения для временных задержек малой длительности позволяет: - исследовать и визуализировать поток частиц локализованный в случайно-неоднородной многократно рассеивающей среде, включая кровоток в экспериментах с живыми объектами; - оценивать статический коэффициент рассеяния исследуемой среды.

Доказательство перспективности метода для in vivo измерений средней скорости кровотока с учетом физиологического состояния кровотока.

Разработанные и апробированные оригинальные схемы ввода лазерного излучения в исследуемую среду, позволяющие уменьшить мощность падающего излучения и время измерения.

Апробация метода измерений и экспериментальной установки в различных модельных экспериментах и в экспериментах с живыми объектами, включая человека.

Практическая значимость результатов работы: Создана установка и разработан методика in vivo измерений и мониторинга средней скорости кровотока в диапазоне до 20 см/с мышцах и коже человека. Разработано и апробировано аппаратное и методическое обеспечени для in vivo измерений средней скорости кровотока в больших и малых сосудах, сети капилляро в мышцах и коже, опухолях и других биологических тканях, что необходимо для обоснованньс оценок кровотока в живой ткани, развития экспериментальных неинвазивных методо измерения скоростей различных биопотоков, для получения информации в интереса: фундаментальной медицины и физиологии.

Показана практическая возможность восстановления изображения динамическо] неоднородности, находящейся внугрн многократно рассеивающей среды.

Полученные в данной работе результаты используются при выполнении совместной международного гранта: «The Development of a Non-invasive Speckle Technique for Monitoring am Quantifying of Tissue Structure and Blood Flow» в соответствии с совместной Российско Американской научно-технической программой: The U.S. Civilian Research and Developmen Foundation For the Independent States of the Former Soviet Union (CRDF) между Саратовски государственным университетом и университетом Пенсильвании, США; гранта "Научны« школы; НИР "Бнолазер".

Апробация работы. Основные результаты неоднократно докладывались и обсуждали« на следующих международных и отечественных научных конференциях: International Symposium on Biomedical Optics, Europe'93, (Budapest, Hungary, 1993); The Internationa! Symposium on Biomedical Optics, Europe'94, (Lille, France, 1994); 5th International Conference or Laser Application in Life Sciences, (Минск, Белоруссия, 1994); European Biomedical Optics Week, BiOS Europe'95, (Barcelona, Spain, 1995); Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics Topical Meeting, (Orlando, Florida, USA, 1996); Nonlinear Dynamics and Chaos. Application in Physics, Biology and Medicine, ICND-96, (Саратов, Россия, 1996), VI Всероссийская конференция Оптические методы диагностики потоков (Москва, Россия, 1997).

Кроме того, материалы диссертации обсуждались на научных семинарах: кафедры оптики физического факультета Саратовского государственного университета; Лаборатории лазерной диагностики технических и живых систем в Институте проблем точной механики и управления РАН; факультета биохимии и биофизики Пенсильванского университета; факультета физики и астрономии Пенсильванского университета; Электро-Оптического Технологического Центра Тафтского университета.

По теме диссертации в центральной печати опубликовано 23 работы (11 статей и 12 езисов докладов на научных конференциях).

Личный вклад соискателя. Все результаты, включенные и изложенные в иссертационной работе, получены автором самостоятельно. Постановка задач исследований существлялась научным руководителем академиком РАЕН, профессором, д.ф.-м.н. Тучиным .В. и профессором Б.Чансом (университет Пенсильвания, США).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, имеющих одразделы, заключения и списка цитированной литературы из 270 наименований. Диссертация зложеиа на 136 страницах машинописного текста и иллюстрирована 45 рисунками.

Содержание работы.

Во введении к диссертационной работе обоснована актуальность выбранной темы ксертацни, сформулированы цель работы и решаемые задачи, приведены основные зложения выносимые на защиту, отмечается новизна и практическая значимость работы, шведены сведения об апробации материалов диссертации.

В первой главе диссертации проведен обзор основных методов исследования биотканей, ипочающий: наиболее развитые на сегодняшний день элементы математического описания юцесса распространения лазерного излучения в биотканях; выводы о необходимости яьнейших теоретических и экспериментальных исследований процесса распространения □ерного излучения в биотканях; механизме формирования наблюдаемой картины рассеяния; 13Можности использовании лазерного излучения для визуализации и мониторинга югократно рассеивающих случайно-неоднородных сред с локализованными в них [намическими неоднородностями.

Вторая глава диссертации посвящена экспериментальному изучению рассеяния света в учайно-неоднородных многократно рассеивающих средах методом оптической рреляционной спектроскопии.

На основе экспериментальной установки была сделана серия тестовых экспериментов по мерению временных автокорреляционных функций флуктуации интенсивности обратно ссеянного света на модельных средах (Рис.1).

Аргоновый лазер

лазерный луч

ч зеркала

\

Исследуемый образец

компьютер

Рис.1. Схема эксперимента.

Когерентное лазерное излучение, длина когерентности которого 1схЗ л«, на длине волны , = 514 им и мощностью 1 Вт, генерируемое аргоновым ионным лазером (Coherent, Mira Mode Laser, Santa Clara) в TEMoo моде, с помощью системы зеркал и линзы вводится в многомодовьи световод диаметром сердцевины 200 мкм. Пройдя сквозь световод, свет падает на поверхност] модельного образца, рассеянный от образца свет собирается с помощью одномодовоп волоконного световода диаметром сердцевины 3.1 мкм, который выполняет роль диафрагмы i позволяет наблюдать флуктуации интенсивности света в отдельно взятом спекле (моде). Затеи сигнал поступает па катод фотоумножителя, работающий в режиме счета фотонов и далее ( фотоумножителя - в цифровой автокоррелятор (Model BI-9000AT, Brookhaven Instrument; Corporation), который высчитывает временную автокорреляционную функцию флуктуацш: интенсивности рассеянного лазерного излучения. Данная методика позволяет наблюдать на экране монитора компьютера и записывать в виде файла измеряемую автокорреляционнук функцию флуктуаций интенсивности многократно рассеянного излучения и ее отдельные фрагменты в реальном времени, что значительно упрощает ее дальнейший анализ.

Представленная экспериментальная установка позволяет измерять автокорреляционные функции флуктуаций интенсивности рассеянного излучения для широкого класса объектов. Для

тестовых экспериментов в качестве образца использовалась водная суспензия полпстпроловых сфер, средний диаметр которых 0,296 мкм. Концентрация раствора - 0.2%, коэффициенты рассеяния и поглощения для которой соответственно равны: //,'=6.67 см'1 и /.¡а~ 0.002 см'1 (т.е. сильно рассеивающая и слабо поглощающая среда). Эксперимент проводился при температуре 25°С, и коэффициент диффузии Од=1.5х1(Г! см2/сек. Значение концентрации суспензии выбиралось из расчета близости оптических параметров к типичным значениям оптических параметров биотканей.

Полученные результаты показали, что: 1. Из-за большой длины миграции фотона в среде, обусловленной многократностью рассеяния, крутизна наклона автокорреляционной функция поля зависит от длины когерентности света. С уменьшением длины когерентности света, в условиях многократного рассеяния, крутизна автокорреляционной функции значительно увеличивается. Таким образом, в эксперименте, для увеличения различимости изменения наклона автокорреляционной функции поля рассеянного излучения, следует стремиться к использованию лазеров с большой длиной когерентности, большей чем средняя длина оптического пути фотона. 2. Увеличение числа актов рассеяния (кратности рассеяния) дает увеличение крутизны наклона автокорреляционной функции поля. 3. С увеличением отнцентрации кроме изменения коэффициента рассеяния меняется и коэффициент поглощения I коэффициент диффузии, что также отражается на наклоне автокорреляционной функции поля.

Полученные результаты хорошо согласуются с теоретическими представлениями и )езультатами, полученными другими авторами, что подтверждает адекватность работы жспериментальной установки и метода в целом.

Кроме того, используя «У» - волоконно оптический разветвитель на основе шогомодового световода показана возможность: уменьшения мощности падающего излучения; 'меныпения времени накопления сигнала (времени измерения); увеличения отношения сигнал-пум. (Что является важным, например, при работе с живыми объектами, когда необходимо делать большую серию последовательных измерений.)

В главе также даются теоретические основы метода диффузионно-волновой пектроскопии (ДВС): элементы теории однократного рассеяния для описания методов орреляционной спектроскопии оптического смешения. Затем рассматриваются элементы еорин ДВС, где автокорреляционная функция флуктуаций интенсивности многократно ассеянного света определяется на основе модифицированной теории однократного рассеяния и озволяет описать диффузию корреляции пространственно-временных флуктуаций

интенсивности в многократно рассеивающих оптически мутных средах.

I! третьей главе на основе модельных экспериментов рассматривается многократно рассеяние лазерного излучения в случайно-неоднородных силыюрассеивающих средах локализованным в пространстве потоком часнтиц. Принципиальная схема измерений н отличалась от схемы представленной на Рис.1, однако в качестве образца был взят образец : виде параллелепипеда (8x15x15 см)

8,(0 1,0 -

0,9 -0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -

0 50 100 150 200 250 300

Т, МКС

Рис.2. Наклон автокорреляционной функции поля многократно рассеянного излучения для различных типов динамики рассеивателен. 1 - жидкости в капилляре нет, Т.е. все рассеиватели неподвижны; 2 - броуновское движение, скорость потока в сосуде равна 0 см/с; 3 - ламинарный поток, скорость потока 0.1 см/с; 4 - турбулентное движение жидкости в потоке, скорость потока 20 см/с (турбулентность создавалась с помощью сопла, установленного на входе капилляра)..

сделанный из смолы с взвешенными в ней частицами рутила ТЮ2, со средним размером - 0.25 мкм. Объемная концентрация частиц рутила в смоле составляет 0.01 грамма ТЮ2 на 100 мл

молы, что соответствует следующим значениям оптических параметров образца: /4'=4 см'1, '„=0.002 см'1. Внутри образца на глубине 13 мм сделано цилиндрическое сквозное отверстие иаметром 0.75 см, в котором протекал раствор интралипида концентрации 0.5%, оптические араметры которого близки к параметрам образца. Скорость потока жидкости внутри образца энтролировалась с помощью роликового насоса.

Результаты измерений - автокорреляционные функции флуктуации поля обратно 1СССЯШЮГО света для различных типов движения (броуновское движение, ламинарный поток, /рбулентный поток) рассеивателей локализованного внутри неоднородности, находящейся 1утрн многократно рассеивающей среды, представлены на Рис.2. Легко видеть, что к ¡менению скорости и типа движения жидкости внутри неоднородности наиболее чувствителен исток автокорреляционной функции поля в диапазоне 0<г<400 мке (см.Рис.2). Для значений г >льше 500 мке наклон корреляционной функции ноля обратно рассеянного света с ¡сличением скорости потока жидкости не меняется. Т.е. к изменению динамики рассеивателей имеющейся внутри среды неоднородности, чувствительной оказывается, только та часть ^реляционной функции поля рассеянного излучения, для временного диапазона 0<г<400 мке.

Для случая ламинарного течения рассеивателей показана возможность численного »делировання и расчета временной автокорреляционной функции поля в условиях югократного рассеяния. Обсуждается выполнение условий эргодичности для используемого щельного образца.

Далее продемонстрированы принцип и возможность восстановления изображения намической неоднородности, локализованной внутри случайно-неоднородной многократно ссеивающей среды. Результаты восстановления изображения и схематичное изображения следуемого образца (вид сверху) представлены на Рнс.З. Образец - цилиндр, приготовленный смолы с взвешенными в ней частицами рутила (оптические параметры см. выше), внутри горого со смещением на 1 см от оси симметрии цилиндра, сделано сквозное цилиндрическое зерстие (капилляр) диаметром 0.6 см, в котором протекала водная суспензия полистироловых ер со средним размером частиц 0.296 мкм. Оптические параметры для жидкости и образца ;шаковы.

а) б)

Рис.3, а) - восстановленное изображение динамической неоднородности, находящейся внут образца, б) - сечение модельного образца.

Недостаточный контраст восстановленного изображения динамической неоднородное объясняется погрешностями в измерениях, неизбежно возникающих при повороте образца, и i за недостаточного количества измерений и небольшой размерностью массива в качест которого формируется изображение.

В четвертой главе рассматривается эксперимент на наиболее приближенном реальному биологическому объекту модельном образце, со случайно распределенными внут] него капиллярами. Показана возможность количественного определения средней скорос потока частиц локализованного случайным образом в многократно рассеивающей среде. Дале используя схему и методику измерений средней скорости потока рассеивающих части апробированных в экспериментах на модельных образцах, описанных в предыдущих глава представлен экспериментальный метод для неинвазивных измерений скорости кровотока мышечной ткани и коже in vivo.

Схема установки в экспериментах с живыми объектами отличается от схем представленной на Рис Л, только тем, что вместо Аргонового лазера используется Тита сапфировый лазер (Coherent, Mira Model 900В Laser, Santa Clara), работающего в диапазоне boj от 740 до 840 нм (на длине волны 800 нм). И соответственно, в качестве принимающего сигн; волокна использовалось волокно диаметром сердцевины 5.5 мкм.

В экспериментах на животных (крысах) было показано, что метод чувствителен даже слабому кровотоку наблюдаемому в течение некоторого времени в тканях после останов» сердца животного. Необходимо также отметить, что метод представленный в работ демонстрирует хорошую воспроизводимость результатов.

В результате обоснованной оценки допустимых значений мощности падающего ?лучения и времени измерений, а также апробации метода и установки в экспериментах на ивотных и на модельных образцах, измерения временной автокорреляционной функции луктуаций интенсивности обратно рассеянного света были продолжены. В качестве объекта ¡мерения была выбрана тыльная сторона предплечья руки человека. Используя манжет от 5ычного медицинского тонометра, оказывалось различное давление на руку, выше точки ¡мерения автокорреляционной функции флуктуаций интенсивности. В результате эследовательного заданного сдавливания рукн (венозных сосудов, вен и артерий) вызываем штролируемое изменение средней скорости кровотока.

Контроль изменения средней скорости кровотока в области корреляционных измерений, также оксигенацни и деоксигенации крови осуществлялся с помощью двухволнового :ектрофотометра Runman™ (NIM Inc., Philadelphia, РА). Измерения тем и другим методом юводнлнсь одновременно на одном и том же мускуле, что позволяет считать, что изменения в ижении основных рассеивателей (эритроцитов) н изменение степени окснгенации вызваны .ними и теми же причинами.

Анализ наклона автокорреляционной функции поля, измеряемой при последовательном менении сдавливания рукн, контролируемого медицинским тонометром (см. Рис.4), позволяет язать этот наклон со скоростью кровотока.

Сравнение результатов, полученных двумя независимыми методами: ДВС (теория и :пернмент) и хорошо апробированного метода NIRS (Near Infrared Spectroscopy -ектроскопии ближнего ИК), показывают, что используемая математическая модель тественно и количественно верно описывает поведение временной автокорреляционной нкции флуктуаций поля рассеянного излучения при изменении средней скорости кровотока в [вых объектах в соответствии с его физиологическим поведением, что позволяет судить об :кватности измерений корреляционным методом, а также связать физиологическое поведение эвотока и изменение степени оксигенацни тканей с изменением наклона измеряемой гокорреляционной функции поля обратно рассеянного излучения.

г, мкс

Рис.4. Автокорреляционные функции поля обратно рассеянного света при различно! сдавливания руки. т), 1 - сдавливание руки 150 мм.рт.ст., 2 - сдавливание руки 100 мм.рт.ст. 3 - сдавливание руки 50 мм.рт.ст., 4 - сдавливание руки 0 мм.рт.ст.

Количественные оценки проводились на основе решения корреляционной диффузионного уравнения:

ФУ - и^а- 'к„2<Аг(т)2>/3)<7/(г, т) = -иЯ(г) . (Г

Здесь ко - волновое число для фотона в среде, и - скорость света в среде, ра - коэффициент поглощения, <Лг( т)2> - квадрат среднего смещения частицы за время г, О ¡(г, т) ■ ненормированная временная корреляционная функция поля, которая является функцией положения Г и времени корреляции Г. Б(г) - является распределением интенсивности источника, а Ог=и/3/V - коэффициент диффузии фотонов.

Откуда нормализованная корреляционная функция для полубесконечной среды:

ехр(-к(т.)г!) - ехр(~к(х)г2) ' ехр(-к(о)г1) - ехр(~к(о)г2) '

; (Щ1а + Рир,'<У2>К92 т?/3)тг, Г! = (р + 1'2)ш\

г2 = (р2 + (2гь+[')2),/2\

- расстояние между источником и детектором; значение Zb = 0.7x1 - обусловлено учетом 1нич11ых условий.

Сравнивая экспериментально полученные результаты с теоретическими показано, что год чувствителен к изменению кровотока, обусловленного различным сдавливанием эвеносных сосудов выше точки измерения, вплоть до значений средней скорости кровотока рядка 10° см/с. Кроме того, метод чувствителен к изменению коэффициента поглощения эви, обусловленного деоксигенированнем и к изменению количества рассеивателей и их >рости в исследуемом объеме. Все это обоснованно позволяет применять предложенный год для решения ряда задач в биологии и медицине.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной юты.

Заключение н выводы.

Основное содержание данной работы связано с развитием экспериментального метода шторинга и неинвазивного наблюдения и измерения динамических параметров кровотока в <е и мышечной ткани. Данное исследование использует оптический неинвазивньш метод )фузионно-волновой спектроскопии (ДВС). В методе анализируется доплеровски уширенный ктр флуктуации интенсивности, возникающих в многократно рассеивающей случайно-днородной среде с локализованной в ней потоком рассеивающих свет частиц; временная экорреляционная функция флуктуации возникающих диффундирующих волновых полей, в у их когерентности, несет принципиально новую информацию о характере движения в 1гократно рассеивающих свет средах.

Необходимо отметить, что предлагаемый метод является единственным оптическим одом, позволяющим измерять скорости относительно медленных (до 10"2 см/с) потоков в эвиях многократного рассеяния света в среде. Это дает новое направление в исследованиях тканей, может с успехом применяется для решении ряда практических задач оптики гканей и является перспективным для создания различных оптико-томографических ооров.

Ниже сформулированы основные результаты и выводы, которые следуют представленного материала и отражают личный вклад автора.

1. Экспериментально установлено, что измерение временных флуктуаций интенсивное' обратного рассеяния лазерного излучения является эффективным для изучения различных тип« живых объектов и, кроме того, может быть использовано для анализа средней скорости физиологического поведения кровотока.

2. В работе развит и детально апробирован неинвазивный метод in vivo измерен! изменения объема крови в мышечной ткани.

3. Обоснованна возможность разработки прибора для получения информации с изменении средней скорости и физиологии кровотока.

4. Показаны и обсуждаются различные варианты ввода лазерного излучения исследуемую среду, что позволяет варьировать мощность падающего излучения, epeiv измерений и увеличить отношение сигнал-шум.

5. Используя метод ДВС, экспериментально показана возможность восстановлена изображения динамической макронеоднородности, локализованной в многократн рассеивающей случайно-неоднородной среде.

6. Хорошее совпадение полученных результатов с теоретической моделью случайны блужданий фотонов в многократно рассеивающей свет среде и корреляция с результатам1 полученными другими авторами, подтверждает возможность использования разработанног метода и аппаратных средств для исследовательских и диагностических целей.

Следует также отметить широкие возможности метода корреляционной спектроскопш которые могут быть использованы в таких областях науки, как коллоидная химш материаловедение, медицина и биология.

Список работ по теме диссертации

1. Меглинский И.В., Боас Д.А., Иод А.Г., Чане Б. и Тучин В.В. Развитие метода корреляцш флуктуаций интенсивности для неинвазивного мониторинга и измерения параметре! кровотока. / Материалы VI Всероссийской конференции «Оптические методы диагностик! потоков». Москва, Россия, - 1997. -сс.158-161.

2. Meglinsky I.V., Boas D.A., Yodh A.G., Chance В. The development of non-invasive speckl« technique for monitoring and quantifying blood flow. / «Nonlinear Dynamics and Structures ir Biology and Medicine: Optical and Laser Technology», Edited by V.V.Tuchin, Proc. SPIE. - 1997. ■

vol.3053.-рр.34-41.

Меглинскнй И.В., Боас Д.Л., Йод Л.Г., Чане Б. н Тучин В.В. Развитие метода корреляции флуктуации интенсивности для нештазнвного мониторинга и измерения параметров кровотока. // Изв. ВУЗ-ов: Прикладная Нелинейная Динамика. -1996. - т.6. - сс.45-52. Meglinsky I.V., Boas D.A., Yodh A.G., Chance В. In vivo Measurements of Blood Flow Changes rsing Diffusing Wave Correlation Techniques. / OSA TOPS on «Advances in Optical Imaging and Photon Migration», Edited by R.R.Alfano and J.G.Fujimoto, Trends in Optics and Photonics. 1996. -ral.2. -pp.195-197.

3oas D.A., Meglinsky I.V., Zcmany L., Campbell L.E., Chance B. and Yodh A.G. Flow properties )fhcterogcncous turbid media probed by diffusing temporal correlation./ OSA TOPS oil «Advances n Optical Imaging and Photon Migration«, Edited by R.R.Alfano and J.G.Fujimoto, Trends in Dptics and Photonics. -1996. - vol.2. - pp.175-178.

vlcglinsky I.V., Boas D.A., Yodh A.G. and Chance B. In vivo Measuring of Blood Flow Changes tsing Diffusing Wave Correlation Techniques, / ICND-96, Nonlinear Dynamics and Chaos. Applications in Physics Biology and Medicine. Book of Abstracts. -1996. - p.124. vleglinsky I.V., Boas D.A., Yodli A.G. and Chance B. In vivo Measuring of Blood Flow Changes ising Diffusing Wave Correlation Techniques. / Topical Meeting on Biomedical Optical 'pectroscopy, OSA'96, Orlando, Florida, -1996. - P.27, BWA5.

ioas D.A., Meglinsky I.V., Zemany L., Campbell L.E., Chance В., Yodh A.G. Flow propeities of eterogeneous turbid media probed by diffusing temporal correlation. / Advances in Optical Imaging nd Photon Migration, Orlando, Florida. -1996. - p.20, ATuC8.

teglinsky I.V., Boas D.A., Chance В., Yodh A.G. Imaging the dynamic of turbid media. / European biomedical Optics Week, BiOS Europe'95, Joint Meeting of The European Laser Association and Ъе Biomedical Optics Society, Barcelona, Spain, Abstract Book. -1995. -p.l 11. 4cglinsky I.V., Boas D.A., Chance В., Yodh A.G. Diagnostics of aneurisms of and arterial blood ow using multiply scattering light./ European Biomedical Optics Week, BiOS Europe '95, Joint leeting of The European Laser Association and The Biomedical Optics Society, Barcelona, Spain, .bstract Book. -1995. -p.136.

!шшчкин Ю.П., Утц C.P., Мепншский H.B., Пилипепко Е.А. Спектроскопия кожи человека I vivo. II. Спектры флуоресценции. // Оптика и Спектроскопия. -1996. - том 80. - №3. - с.431-38.

oas D.A., Meglinsky I.V., Zemany L., Campbell L.E., Chance B. and Yodh A.G. Diffusion of

Temporal Field Correlation willi Selected Applications. / «CIS Selected Papers: Coherence-Dom Methods in Biomedical Optics«, Edited by V.V.Tuchin, /'roc SPIE. -1996. - vol.2732. - pp.34-46

13.MegIinsky I.V., Sinichkin Yu.P., Utz S.R., Pilipenko H.A. Simulation of fluorescci measurements ill Human Skin. / «Proceedings of Optical Tomography, Photon Migration, a Spectroscopy of Tissue and Model Media: Theory, Human Studies, and Instrumentation«, Edited B.Chance, R.R.Alfano, Proc. SPIE. -1995.-vol.2389. - pp.621-631.

14.Meglinsky I.V., Tuchin V.V., Yroslavsky I.V. CW laser light propagation in tissues: models a computer simulation. / An International Symposium on Biomedical Optics, BiOS'95, San Jo California.-1995.-p.80.

15.Utz S.R., Sinichkin Yu.P., Meglinsky I.V., Pilipenko H.A. Fluorescence Spectroscopy in Combi with Reflectance Measurements in Human Skin Examination: What for and How. / «Proceedings Optical Biopsy and Fluorescence Spectroscopy and Imaging«, Edited by R.Cubeddu, R.Marchcsii S.R.Mordon, K.Svanberg, H.H.Rinneberg, G.Wagnieres, Proc. SPIE. -1994. -vol.2324. - pp.12 136.

16.Meglinsky I.V., Utz I.A., Grygoryev S.N. Methods of the calculation of radiation intensity within t media with complex geometry. / ((Proceedings of Photon Transport in Highly Scattering Tissue Edited by S.Avrillier, B.Chance, G.Muiler, A.P.Priezzhev, V.V.Tuchin, Proc. SPIE. -1994. vol.2326. - pp.432-435.

17.Meglinsky I.V., Yroslavsky I.V. The Calculation of Radiation Intensity within Biotissue wi MacroLnhomogeneities Using a Monte Carlo Method. / ((Proceedings of Quantification ai Localization Using Diffuse Photons in a Highly Scattering Medium«, Edited by B.Chanc D.T.Delpy, M.Ferrari, M.J. van Gcmert, G.Muiler, V.V.Tuchin, Proc. SPIE. -1993. -vol.2082. pp.130-136.

18.Meglinsky I.V. Calculation of Radiation Intensity within Biotissue with Macroinhomogcncitics. «Optical Methods of Biomedical Diagnostics and Therapy», Edited by V.V.Tuchin, Proc. SPIE, 1992. -vol.1981, -pp.234-239.

19.Meglinsky I.V., Utz I.A. Methods of the calculation of radiation intensity within the media wil complex geometiy./ BiOS Europe '94, International Symposium on Biomedical Optics, Lill, France. 1994.-p. 126.

20.Utz I.A., Meglinsky I.V., Grygoryev S.N. Laser Light Distribution within Biotissue with Comple Geometry./ BiOS Europe '94, International Symposium on Biomedical Optics, Lill, France. -1994. p.128.

Meglinsky I.V., Utz I.A. Methods of the calculation of radiation intensity within the media with :omplex geometry./ 5-th International Conference on Laser Application in Life Science, «LALS'94«, Viinsk, Belorussia. -1994. - p. 154.

Vleglinsky I.V., Yaroslavsky I.V. The Calculation of Radiation Intensity within Biotissue with vlacroinhomogeneities Using a Monte Carlo Method./ International Symposium on Biomedical Optics «EUROPTO'93«, Budapest, Hungry, September - 1993. - p.148.

Лубочкин Л.П., Меглинский И.В., Ярославская A.H. Моделирование раствора а-:ристаллинов методом Монте Карло, Тезисы докладов Ш-го Всесоюзного семинара по 1рименениям лазеров и волоконной оптики, г.Волгоград, Россия. - 1991 г.

МЕГЛИНСКИЙ Игорь Владиславович

Экспериментальное обоснование применения метода лазерной корреляционной спектроскопии для исследований биотканей in vivo

Автореферат

Ответственный за выпуск - к.ф.-м.н., доцент Г.Г.Акчурин,

Заказ № 25. Подписано к печати 10.11.97. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Типография издательства СГУ.