Исследование оптических свойств соединительных тканей методами когерентной оптики и оптоакустики

Беднов, Андрей Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Исследование оптических свойств соединительных тканей методами когерентной оптики и оптоакустики
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование оптических свойств соединительных тканей методами когерентной оптики и оптоакустики"

На правах рукописи

Бедное Андрей Александрович

Исследование оптических свойств соединительных тканей методами когерентной оптики и оптоакустики

03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов - 2006

Работа выполнена на кафедре оптики и биомедицинской физики Саратовского государственного университета

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор С. С. Ульянов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор В. В. Петров

кандидат технических наук, доцент Б. Б. Горбатенко

Ведущая организация:

ГОУ ВПО Саратовский государственный медицинский университет

Защита состоится « 2006 г. в ¿Г».

на заседании диссертационного совета Д212.243.05 при Саратовском государственном университете по адресу: 410012 г. Саратов, ул. Астраханская, 83.

часов

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ

Автореферат разослан 2006 г.

Учбный секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор,

В. Л. Дербов

ÍLODGéV

Л12-02-

Актуальность исследования

В последние несколько десятилетий в биомедицине получили широкое распространение и развитие оптические методы, использующие когерентное, в частности - лазерное, излучение как средство бесконтактной (неразрушающей) микро- и макродиагностики биологических сред и тканей. Толчком к этому послужило создание источников светового излучения принципиально нового типа — лазеров, которые характеризуются набором уникальных, по сравнению с некогерентным тепловым излучением, свойств. Спектр задач, решаемых лазерными средствами диагностики в биомедицине чрезвычайно широк. Данная работа сфокусирована на проблеме лазерной диагностики потоков биологических жидкостей, изучении и моделировании оптических свойств соединительных тканей и их изменений при различных физиологических и патологических состояниях, а также на различных аспектах взаимодействия биотканей с детектирующим когерентным излучением применительно к задачам ранней диагностики ожогов кожи и мониторинга концентрации глюкозы в биотканях в in vitro и in vivo условиях. В последнее время данные методы эффективно используются научным сообществом и привлекают всё возрастающее внимание медицинских центров всего мира вследствие их успешного широкого применения в целях бесконтактного комплексного анализа не только отдельного органа или участка ткани, но и состояния организма в целом.

Как известно, при многих патологиях происходят изменения динамических параметров микроциркуляции крови и лимфы, а также самой структуры биопотоков. Подобные изменения несут в себе важную диагностическую информацию. На данный момент существует два основных подхода к проблемам диагностики кровотока и определения его параметров в условиях in vivo, а именно: спекл-интерферометрия и лазерная доплеровская флоуметрия. В спекл-интерферометрии падающий когерентный световой пучок рассеивается случайным образом на форменных элементах крови, формируя специфическую пространственную динамическую интерференционную картину - спекл-поле. Данный метод устанавливает связь между шириной спектра мощности флуктуации интенсивности рассеянного лазерного излучения и кинетическими характеристиками кровотока в капиллярах. Интенсивность флуктуаций снекл-картины и ширина спектра зависят от ряда факторов, таких как число сосудов, присутствие сосудистых ответвлений, плотность капиллярной сети, структура слоёв ткани и т.д. Однако, в настоящее время данная техника может эффективно использоваться только для регистрации относительных измерений скорости потоков биологических жидкостей.

Для измерения скоростных характеристик потоков в системе циркуляции крови используется также метод лазерной доплеровской флоуметрии, в котором доплеровский сигнал, используемый для анализа, определяется положением дополнительного частотного максимума, возникающего в спектре как следствие флуктуаций интенсивности рассеянного излучения. Профиль огибающей частотного спектра определяется регулярным дрейфом

"РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

БИБЛИОТЕКА С.-Петербург ОЭ 200¿ktIV^L

биологической жидкости в капилляре. Однако имеется ряд определённых ограничений, накладываемых как на исследуемый объект, так и на параметры детектирующего лазерного пучка, которые существенным образом сужают границы применимости данного метода. В настоящее время большинство существующих оптических методов диагностики биопотоков адаптировано, в основном, для определения скоростных и объемных характеристик кровотока в микрососудах. Поэтому оценка кинетических параметров лимфотока и их изменения при различных патологических состояниях на сегодняшний день носит качественный характер. В то же время методы количественного анализа лимфотока, особенно в лимфатических сосудах малого диаметра, пока не разработаны. Разработка и усовершенствование таких методов, а также их адаптация к проблемам измерения скорости крово- и лимфотока в уединенных микрососудах является одной из задач, решаемых в рамках данной работы.

Следующей проблемой рассмотрения является изучение оптических свойств ожогов кожи с использованием оптической модели ожогов кожи, разработанной в настоящей диссертации. Данная модель связывает особенности квазиупругого рассеяния света с микроциркуляцией крови в кожных слоях в физиологических и патологических состояниях (в частности, при поверхностных ожогах) и используется при проведении дальнейшего корреляционого анализа. Как известно, поверхностные ожоги способны приводить либо к значительным нарушениям, либо к полной остановке микроциркуляции крови в коже. Точное определение глубины ожогового поражения кожи является проблемой чрезвычайной важности для клинической медицины. В случае глубоких ожогов наличие циркуляции крови в коже может быть определено путём механической инспекции с использованием тонкой металлической иглы. Для скорейшего восстановления участков поражённого ожогом кожного покрова необходимо точное определение глубины поражения в целях дальнейшего удаления мёртвого слоя кожи. Для этих целей требуются более точные методы измерения, нежели процедура пробирования иглой. Таким образом, разработка и усовершенствование когерентных оптических методов для диагностики ожогов кожи на основе оптических моделей является весьма актуальной проблемой.

Лазерные методы диагностики, используемые для этих целей, включают в себя лазерные доплеровские методы и LASCA метод (LAser Speckle Contrast Analysis), спекл-интерферометрию, диффузионно-волновую спектроскопию (ДВС), оптическую доплеровскую томографию (ОДТ) и связаны с анализом процессов многократного рассеяния в случайно-неоднородных мутных средах. Скорость движущихся рассеивателей определяется посредством измерения ширины спектра мощности флуктуаций интенсивности рассеянного в кровотоке поля, что лежит в основе большинства упомянутых методов.

Очевидно, что на параметры измеряемых сигналов способны влиять оптические свойства мутных сред, в частности, присутствие в данных средах неподвижных рассеивателей (например, мёртвого ожогового слоя кожи как источника статического рассеяния). Таким образом, проблема влияния структуры ткани и её оптических параметров на ширину спектра подлежит

тщательному и глубокому изучению. К настоящему времени пока не получены какие-либо значительные результаты в направлении разработки оптических моделей в патологической (в частности - ожоговой) ткани. Вторая глава настоящей работы посвящена частичному восполнению этого пробела.

И, наконец, заключительной задачей, решаемой в рамках данной диссертации, является изучение оптических свойств соединительных тканей и их изменений как функции концентрации глюкозы. В последнее время в направлении развития бесконтактных методов диагностики биотканей было предпринято немало усилий. Клиническое использование таких методов представляет особую важность, прежде всего, для пациентов, страдающих сахарным диабетом. Метод измерения концентрации глюкозы in vivo, использующийся в настоящее время, подразумевает проведение контактного химического анализа крови, который является для пациентов в существенной степени неприятным и болезненным. Использование же оптических методов диагностики позволило бы снять проблему дискомфорта при проведении подобных тестов. На данный момент разработан целый ряд таких методов, использующих «неразрушающий» принцип измерения концентрации глюкозы в биотканях, включающий в себя поляриметрию, инфракрасную (ИК) спектроскопию поглощения, Рамановскую спектроскопию, флуоресцентные методы, ИК спектроскопию рассеяния, фото-акустическую спектроскопию поглощения, и оптическую когерентную томографию (ОКТ). К сожалению, ни один из этих методов пока не нашёл широкого практического применения вследствие низких значений отношения «сигнал-шум» (ОСШ), достигаемых в измерениях, а также высокой стоимости анализа. Одним из наиболее перспективных решений данной проблемы является использование ОА метода высокого временного разрешения, в основу которого положен эффект глюкозы как фактора, вызывающего уменьшение рассеяния света в биотканях. В лазерной оптоакустике используется импульсный режим облучения исследуемой среды и детектирование возбуждаемой при этом акустической волны. Лазерный ОА метод позволяет исследовать распределение поглощённой лазерной энергии в многослойных средах с ненулевым показателем поглощения и, в конечном итоге, измерить с высоким временным (и, следовательно, -пространственным) разрешением оптические свойства данных сред. При проведении ОА измерений информацию об оптических свойствах исследуемой среды несет не только амплитуда, но и временной профиль возбуждаемой волны, за счёт чего существенно увеличивается ОСШ. Более того, в пьезоэлектрических детекторах возможно достичь значительно меньшего уровня теплового шума по сравнению с величиной дробового шума в фотодетекторах. Всё это делает ОА метод более точным и специфичным по сравнению с чисто оптическими методами измерения. Однако, до последнего времени использование ОА метода не распространялось на измерение концентрации глюкозы в живых биотканях. В настоящей работе данный метод был адаптирован к задачам измерения эффективного коэффициента ослабления/рассеяния и его изменений как функции концентрации глюкозы в реальных биологических тканях в условиях in vivo.

Диссертация посвящена изучению особенностей взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями соединительного типа, включая физические, биохимические, биологические и физиологические аспекты, а также развитию теоретических и экспериментальных основ когерентных и лазерного оптико-акустического методов измерения в биотканях применительно к задачам бесконтактной диагностики потоков биологических жидкостей, ожогов кожи и мониторинга концентрации глюкозы в условиях in vivo.

Исследования, описанные в данной работе, были выполнены в рамках совместной российско-американской программы U.S. Civilian Research & Development Foundation (CRDF)-P<t>OH «Новые возможности для молодых учёных» (1998), российской федеральной программы «Интеграция '2000», Государственного контракта № 02.442.11.7243, шифр 2006-РИ-19.0/001/028, федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 20022006 годы, а также поддержаны программой International Soros Scientific Education Program для аспирантов вузов (1996 и 1997), американским фондом CRDF для независимых государств бывшего Советского Союза посредством гранта No.RBl-230 (1997), фондом U.S. Air Force Office of Scientific Research (2002), а также грантом РФФИ № 04-04-48279-a «Изучение процессов взаимодействия динамических биоспеклов с живыми системами» (2005-2006).

Задачи исследования

1. Развитие метода оптики спеклов в целях количественной оценки динамических характеристик потоков биологических жидкостей и его адаптация к задачам диагностики лимфотока.

2. Измерение динамических параметров V (среднее по времени значение скорости биопотока) и Xv (пространственно-временное распределение скоростей, присутствующих в биопотоке, по диаметру сосуда) а также их изменений при различных патологиях системы микроциркуляции лимфы.

3. Разработка оптической модели ожогов кожи с целью проведения дальнейшего корреляционого анализа.

4. Исследование зависимости статистических свойств доплеровских сигналов от свойств ожоговой ткани, равно как и от скорости подкожного кровотока.

5. Изучение потенциальных возможностей оптико-акустического метода высокого временного разрешения как средства бесконтактного мониторинга концентрации глюкозы в модельных средах и биотканях, а также его использование в измерении оптических свойств модельных сред и соединительной биоткани (включая коллагеносодержащую ткань и цельную кровь) как функции концентрации глюкозы в условиях in vitro и in vivo.

6. Изучение механизмов взаимодействия глюкозы с биологическими тканями соединительного типа, включая физические, биохимические, биологические и физиологические аспекты.

Научная новизна работы

1. Предложен метод количественной оценки скоростных параметров движения крови и лимфы в микрососудах.

2. Проведен анализ временных изменений динамики лимфотока под влиянием лимфотропного фактора.

3. Разработана оптическая модель ожогов кожи; измерены автокорреляционные функции флуктуаций интенсивности рассеянного когерентного излучения в одно- и двухслойных фантомных мутных средах, моделирующих ожоги кожи;

исследованы зависимости статистических свойств доплеровских сигналов от свойств ожоговой ткани и скорости подкожного кровотока.

4. Изучены потенциальные возможности оптико-акустического метода высокого временного разрешения применительно к задачам бесконтактного мониторинга концентрации глюкозы в различных видах соединительной биоткани, включая склеру и цельную кровь, а также проанализированы его принципиальные преимущества над другими оптическими методами при проведении данных измерений.

5. Детально изучены физические, биохимические и физиологические аспекты взаимодействия глюкозы с различными типами модельных сред и биологических тканей; проанализированы особенности взаимодействий «глюкоза-биоткань» в условиях in vitro и in vivo.

6. Проведён анализ и сравнение эффектов, вызываемых глюкозой и маннитолом, на оптические и физиологические свойства цельной крови.

Достоверность результатов теоретического анализа подтверждена экспериментальными результатами. Экспериментальные данные анализировались и сопоставлялись с известными данными других экспериментальных исследований. Достоверность экспериментальных результатов подтверждается сведениями из литературы.

Практическая значимость работы

1. Полученные результаты экспериментальных исследований скорости биопотоков in vivo методом оптики спеклов положены в основу детального изучения нелинейной динамики в лимфатической и кровеносной системах живых организмов с пространственным разрешением порядка размеров лазерного пучка (~5-10 мкм) и временным разрешением порядка 10"2 сек.

2. Результаты экспериментальных исследований, полученные с использованием корреляционной техники рассеяния света, предполагается использовать в основе нового лазерного метода диагностики микроциркуляции крови в коже а также для простой и точной оценки толщины ожогового слоя кожи в условиях in vivo.

3. Высокая специфичность и селективность лазерной оптоакустики к измерениям концентрации глюкозы в модельных средах и биотканях

соединительного типа, продемонстрированные в экспериментах в условиях in vitro и in vivo, свидетельствуют о высоком потенциале данного метода как бесконтактного средства диагностики биотканей с сильным рассеянием и ненулевым поглощением. Основные принципы OA метода, адаптированного для генерации и детектирования акустических сигналов в биосредах в условиях in vivo, предполагается использовать при создании сенсора принципиально нового типа, способного осуществлять быстрый и надёжный бесконтактный мониторинг глюкозы у диабетических пациентов.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Разработан новый метод, основанный на дифракции сфокусированных лазерных пучков (спекл-микроскопия), позволяющий с высоким пространственным разрешением измерять скорость нестационарных потоков лимфы и крови в уединённых микрососудах в условиях in vivo.

2. Вклад неподвижных рассеивателей приводит к существенному уменьшению ширины спектра доплеровского сигнала.

3. Лазерный оптико-акустический метод адаптирован к задачам измерения концентрации глюкозы в соединительных тканях (склера, кровь) in vivo. Установлено, что влияние глюкозы на оптические свойства биотканей выражается не только в уменьшении эффективного коэффициента ослабления в ткани, но и в изменении степени гидратации соединительной ткани и ее морфологии, происходящих вследствие адаптации к гиперосмотическим условиям.

4. С использованием электронной микроскопии установлено, что глюкоза способна изменять морфологию эритроцитов в крови, что выражается в их трансформации из двояковогнутых дисков в дегидратированные сфероиды с поверхностными шипообразными выступами.

Апробация работы и публикации

Результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на следующих Международных конференциях: International Conference SPIE on Holography and Coherent Optics (Chernovtsy, Ukraine, 1993), 5-й International Conference SPIE on Laser Applications in Life Sciences (Minsk, Belarus, June 28 -July 2, 1994), International Symposium on Biomedical Optics BiOS Europe'1994 (Lille, France, Sept. 6-10, 1994), 5-м Congress of the Asian-Pacific Association for Laser Medicine and Surgery (Tel Aviv, Israel, Nov. 20-25, 1994), International Congress on Laser in Medicine and Surgery "Laser - 95" (München, Germany, June 21-23, 1995), International Conference SPIE on Light & Biological Systems (Wroclaw, Poland, July 3-7, 1995), International Conference "BiOS Europe' 95" (Barselona, Spain, Sept.12-16, 1995), International Workshop on Nonlinear Dynamics and Structures in Biology and Medicine: Optical and Laser Technologies (Saratov, Russia, July 8-14, 1996), Coherence Domain Optical Methods in Biomedical Science and Clinical Application, International Conference SPIE

BiOS'97 (San Jose, CA, USA, Feb. 8-14, 1997), International Conference on Laser Physics (Berlin, Germany, July 6-10, 1998), 17-й Annual Houston Conference on Biomedical Engineering Research (Houston, Texas, USA, Feb. 11-12, 1999), International Conference on Advances in Optics for Biotechnology, Medicine and Surgery (Kailua-Kona, Hawaii, USA, 1-6 August 1999), International Conference SPIE BiOS'2000 (San Jose, CA, Jan. 20-26, 2000), 2002 Gordon Research Conference on Lasers in Medicine and Biology (July 14-19 Kimball Union Academy, Meriden, NH, 2002), International Conference SPIE BiOS'2003 (San Jose, CA, Jan. 25-31, 2003), International School for Junior Scientists and Students on Optics, Laser Physics and Biophysics (Saratov Fall Meeting, Saratov, Russia, Sept. 27-30, 2005).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 19 работах, написанных совместно с другими авторами. Список публикаций, в которых изложены основные результаты работы, приведен в конце автореферата.

Личный вклад соискателя

Личный вклад соискателя заключался в разработке и создании экспериментальных установок для бесконтактного мониторинга глюкозы в модельных средах и биологических тканей OA методом в условиях in vitro и in vivo, а также в создании установки для проведения исследований с фантомными моделями ожогов кожи методами оптики спеклов. Все экспериментальные исследования выполнены либо автором лично, либо при содействии д.м.н. Е. И. Галанжа (исследования динамики лимфотока в брыжейке белых крыс методами оптики спеклов в условиях in vivo) а также д.ф.-м.н., проф. А. А. Карабутова и к.ф.-м.н. Е. В. Саватеевой (OA мониторинг концентрации глюкозы в склере кроликов в условиях in vivo). Автором были выполнены все вычисления и расчёты, а также статистический анализ данных.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Объём диссертации: 145 страниц, в том числе 31 рисунок и 1 таблица. Список литературы включает 196 наименований.

Содержание диссертации

Во введении представлен сравнительный анализ основных методов бесконтактной диагностики потоков крови, описаны принципиальные оптические подходы, использующие различные аспекты взаимодействия детектирующего излучения с кожной тканью и подкожным кровотоком применительно к задачам ранней диагностики ожогов кожи, сформулированы основные принципы и проанализированы принципиальные преимущества

оптико-акустического метода высокого временного разрешения, адаптированного к исследованию оптических свойств соединительных тканей и их изменений как функции концентрации глюкозы, а также сформулированы основные цели и задачи работы.

Глава 1 посвящена анализу существующих методов диагностики кровотоков и определения их скоростных и динамических параметров в условиях in vivo. Данные методы подразделяются на две основных категории: спекл-интерферометрию и лазерную доплеровскую флоуметрию. Дана интерпретация доплеровского метода с позиций оптики спеклов. Проанализированы основные требования, предъявляемые к данным методам (в частности, к геометрии измерительных систем), а также скоростным параметрам кровотока. Дана классификация потоков крови и лимфы в уединённых микрососудах, включая гидродинамические и оптические аспекты. Представлены теоретические основы дифракции сфокусированных гауссовых пучков в микрососудах. С точки зрения оптики спеклов предложены несколько оптических моделей микрососудов: i) кровоток в сосуде диаметром менее 7 мкм представлен моделью одиночного движущегося слаборассеивающего фазового экрана, i¡) потоки крови в микрососудах диаметром 7-И 2 мкм моделируются глубоким фазовым экраном, iii) кровеносные сосуды диаметром 12-5-50 мкм могут быть представлены набором фазовых экранов, ¡v) дифракция в сосудах диаметром более 50 мкм соответствует случаю многократного рассеяния при малом числе рассеивающих событий.

Детально проанализирован процесс дифракции сфокусированных гауссовых пучков для двух случаев: 1) в кровеносных сосудах диаметром 12-И 50 мкм с равномерным потоком (V=const), которые ведут себя подобно слаборассеивающему движущемуся фазовому экрану и 2) в сосудах большего диаметра, которые рассмотрены как экран со значительными фазовыми флуктуациями. При рассеянии сфокусированного лазерного пучка на движущемся фазовом экране имеет место изменяющаяся во времени фазовая модуляция дифрагирующего пучка в плоскости дифракции. В результате появляются временные флуктуации интенсивности рассеянной волны в дальней зоне дифракции. Напрямую скорость биопотоков в сосудах не связана с быстротой смены реализаций спекл-картины, формируемой в дальней зоне дифракции при рассеянии сфокусированного излучения в данных сосудах. Однако, используя связь автокорреляционной функции (АКФ) поля, формируемого в поле рассеяния, с АКФ флуктуации интенсивности, измеренной в дальней зоне, представляется возможным определение значений её времени корреляции, которое, как показано в работе, обратно пропорционально средней по времени скорости потока в сосуде для случаев дифракции как на слаборассеивающем, так и на глубоком фазовых экранах. Установленная зависимость была использована в данной работе для измерения скоростных характеристик крово- и лимфотока в микрососудах и их пространственно-временных изменений. В работе представлен вывод формул для записи АКФ флуктуаций интенсивности 4^(1;) и нормированной длины

корреляции Хс в дальней зоне для двух упомянутых случаев. Показано, что в обоих случаях данная АКФ имеет гауссову форму. Были введены и измерены следующие параметры: 1) величина V, прямо пропорциональная средней по времени скорости лимфотока и определяемая как У= А?Ю (АР - ширина спектра мощности флуктуаций интенсивности рассеянного спекл-поля, О -диаметр исследуемого микрососуда), и 2) параметр

определяющий разброс мгновенных скоростей потока в исследуемой области сосуда. Здесь S(f) - спектр мощности флуктуаций интенсивности динамических спеклов, G(f) - спектр, огибающая которого описывается функцией Гаусса. Спектры S(f) и G(f) имеют одинаковую ширину полосы частот и мощность. Параметр G(f) рассчитывался методом наименьших квадратов с последующим нахождением статистического момента 4-го порядка. Таким образом, параметр £v описывает степень отклонения огибающей спектра от гауссовой формы, а его изменение дает информацию о пространственно-временных изменениях скорости потока. Для всех сосудов проводилась также оценка формы получаемого спектра. Анализ данных величин, формы спектра мощности флуктуаций интенсивности рассеянного поля, а также значений диаметра, амплитуды и частоты сокращений сосудов позволил дать комплексную оценку изменений микролимфодинамики в физиологических и патологических условиях. В качестве лимфотропного агента был использован стафилококковый экзотоксин (СТ).

Показано, что спектры, полученные при рассеянии в лимфатических сосудах, имеют ряд существенных отличий: огибающая спектра отличается от плавно спадающей кривой, характерной для кровеносных сосудов, и в ряде случаев данный спектр содержит высокочастотный пик (рис.1.1а). Подобные изменения свидетельствуют о нестационарном характере движения лимфы и его пространственной неоднородности. Изучено влияние СТ на динамику лимфотока в лимфатических микрососудах (JIM) (рис.1.1б-г и рис. 1.2). Установлено, что аппликация СТ на брыжейку (оптически прозрачную соединительную ткань) в большинстве сосудов вызывает уменьшение просвета (внутреннего диаметра сосуда) и развитие фазной сократительной активности стенок ЛМ. Наряду с этим в сосудах наблюдается изменение формы и ширины спектра, что свидетельствует об изменении параметров V и £v лимфотока (рис. 1.2). Конечным результатом действия СТ является развитие лимфостаза в 100% исследованных JIM. Показано, что скоростные параметры лимфотока, предшествующие лимфостазу, были различными. Продемонстрировано, что при аппликации СТ динамика лимфотока в большинстве случаев изменяется, в частности, нестационарные потоки лимфы могут становиться ламинарными и наоборот.

в г

Рис.1.1. Временная динамика спектра мощности флуктуациб интенсивности рассеянного лазерного пучка, сфокусированного в центральной области лимфатического микрососуда: а - спектр, записанный в интактном сосуде до действия стафилококкового токсина (Г)=62 мкм); 6-г - спектры, полученные в той же точке исследуемого сосуда на 1-й, 10-й и 20-й мин действия стафилококкового токсина, соответственно.

Рис.1.2. Временная динамика относительных изменений средней по ансамблю скорости V и набора скоростей X» под влиянием стафилококкового токсина. Значения V и Z,, измеренные в интактных сосудах, приняты равными нулю (контроль). I - 5-я, II - 10-я и III - 20-я мин действия токсина. Величины V и S, выражены в %.

Полученные в данной главе результаты экспериментальных исследований положены в основу метода детального изучения нелинейной динамики потоков в лимфатической и кровеносной системах живых организмов методом оптики спеклов, использование которого позволяет достигать значения пространственного разрешения порядка размеров лазерного пучка (~5-10 мкм) и временного разрешения порядка 10"2 сек.

Гпава 2 посвящена проблемам бесконтактной диагностики ожоговой ткани, а также разработке её оптической модели. Проанализированы основные методы неразрушающей диагностики ожогов кожи. Изложены теоретические основы корреляционных методов, использующихся для этих целей, в основе которых лежат процессы многократного рассеяния. Разработана оптическая модель ожогов кожи с целью проведения дальнейшего корреляционого анализа. В рамках данной модели были созданы одно- и двухслойные фантомные мутные среды. В однослойных средах в качестве среды, моделирующей подкожный кровоток, была выбрана суспензия интрапипида, в которой броуновское движение микрочастиц является источником динамического рассеяния. В двухслойных средах к слою интралипида добавлялся внешний слой геля различной толщины, содержащий неподвижные рассеиватели - частицы диоксида титана (ТЮ2). Оптические свойства сред подбирались близкими к соответствующим параметрам реальной кожной ткани человека. Таким образом, данная двухслойная среда являлась оптической моделью кожной ткани с поверхностным ожогом различной глубины. Для теоретического анализа был использован подход, устанавливающий взаимосвязь процессов квазиупругого рассеяния света в кожных слоях с параметрами микроциркуляции подкожного кровотока. Были исследованы зависимости статистических свойств доплеровских сигналов как от свойств ожоговой ткани, так и от скорости подкожного кровотока. В рамках разработанной модели показано, что статистические характеристики рассеянного в среде света определяются оптическими свойствами среды, в частности, числом рассеивающих событий. Последнее, в свою очередь, пропорционально расстоянию между центрами зондирующего пучка, сфокусированного на поверхность среды, и детектора, находящегося в контакте с той же поверхностью (т.е. расстоянию «источник-детектор»).

Для случая однослойных фантомных мутных сред были экспериментально измерены АКФ флуктуаций интенсивности рассеянного когерентного света и проведено их сравнение с теоретически рассчитанными АКФ. Определён вид зависимости числа рассеивающих событий, от расстояния «источник-детектор», Л (рис.2.1). Как видно из рис.2.1, предсказанная теоретическая зависимость с достаточной степенью точности может аппроксимироваться прямой при всех значениях Установлена зависимость времени корреляции, тсогг экспериментально полученной нормированной АКФ от числа рассеивающих событий, Ы5С., которая, как видно из рис.2.2, носит монотонно спадающий характер.

Для случая двухслойных непоглощающих сред также была установлена зависимость числа рассеивающих событий, Ык от расстояния «источник-детектор» для различной толщины с1 слоёв геля, показанная на рис.2.3.

100

Рис.2.1, Зависимость числа рассеивающих событий, Л",0 от расстояния «источник-детектор», А, полученая для чистого интралипида (/4г= 0 см"1, /4'= 10 см"1).

й, нм

Рис. 2.2. Зависимость времени корреляции. Таят экспериментально полученной нормированной АКФ флуктуации интенсивности от числа рассеивающих событий, Данные получены для водной суспензии интралипида (д,= 0 см'1, 10 см'1).

Как и в случае однослойной среды, данная зависимость носит линейный характер при различных толщинах неподвижного поверхностного слоя. Однако, как видно из рис.2.3, наклон прямых уменьшается с возрастанием толщины плёнок геля, что может быть интерпретировано вытеснением неподвижными рассеивателями движущихся расеивающих центров из облучаемого объёма, что приводит к уменьшению среднего числа рассеивающих событий. В результате наблюдается уменьшение ширины доплеровского спектра. Другими словами, время корреляции АКФ возрастает с увеличением толщины слоя неподвижной среды.

Таким образом, разработанная оптическая модель ожогов кожи экспериментально подтверждена измерениями динамического и стационарного рассеяния света в фантомных средах. Показано теоретически и экспериментально, что время корреляции АКФ флуктуаций интенсивности рассеянного света монотонно уменьшается с возрастанием числа рассеивающих событий в среде.

Рис.2.4. Зависимость числа рассеивающих событий, от расстояния «источник-детектор», А, при рассеянии в слое геля толщиной </. Случай непоглощающей среды: а - (М.5 мм, б - ¿=1.5 мм, в - ¿=2.0 мм, г - 4=2.5 мм. Точки - число рассеивателей, формально рассчитанное с использованием экспериментально полученной АКФ. Сплошная линия - результат линейной интерполяпии.

Изучена зависимость величины доплеровского уширения рассеянного света от рассеивающих свойств неоднородных сред. Установлено, что в зависимости от толщины слоя неподвижных рассеивателей и расстояния «источник-детектор», соотношение удельных вкладов динамической и статической компонент в общую картину рассеяния может меняться. В частности, показано, что возрастание числа неподвижных рассеивателей (толщины ожогового слоя) способно приводить к уменьшению спектральной ширины доплеровского сигнала. Установлено, что отклонение экспериментальных данных от теоретически рассчитанных значений не превышает 3% для однослойных рассеивающих сред и 5% для случая двухслойных рассеивающих сред с нулевым поглощением.

Глава 3 посвящена оценке потенциальных возможностей оптико-акустического (ОА) метода высокого временного разрешения применительно к задачам бесконтактного измерения оптических свойств биотканей и их изменений в зависимости от концентрации содержащейся в них глюкозы. При

условии быстрого нестационарного нагрева тонкого поверхностного слоя среды коротким лазерным импульсом информацию об оптических свойствах исследуемой среды несет как амплитуда, так и временной профиль возбуждаемой акустической волны: экспоненциальный наклон профиля OA сигнала определяется значением эффективного коэффициента оптического ослабления в среде: щфф=(3щ(ца+щ )),1/2 где - коэффициент поглощения, ¡л5 -редуцированный коэффициент рассеяния: Hs=|a5(l-g) (ц3 - коэффициент рассеяния, g - средний косинус угла рассеяния, или параметр анизотропии среды). Значение же амплитуды акустического сигнала определяется оптическим поглощением среды. Таким образом, при соблюдении условий неравновесного нагрева среды профиль возбуждаемой акустической волны точно описывает пространственное распределение поглощённой лазерной энергии в данном объёме и может быть измерен с высоким временным (и, следовательно, пространственным) разрешением. Описаны принципиальные преимущества OA метода по сравнению с другими оптическими методами, использующими бесконтактный мониторинг глюкозы в биотканях, а именно: 1) возможность оптимизации длины волны зондирующего излучения, 2) использование гораздо более чувствительных пьезо-электрических детекторов по сравнению с фотодиодами и фотоэлектронными умножителями, 3) возможность измерения полного профиля лазерной энергии, поглощённой в каждом отдельном слое биоткани, 4) возможность выбора и анализа той области сигнала, которая несёт информацию о концентрации глюкозы в измеряемой ткани, 5) существенно более высокая чувствительность OA метода вследствие значительно меньшего затухания акустических волн в биоткани по сравнению с оптическим излучением и 6) сведение к минимуму влияния дифракции за счёт использования волн акустического, а не оптического диапазона. Проведён анализ специфических свойств глюкозы, а также представлены количественные оценки вклада каждого из этих свойств в способность изменять оптические параметры водосодержащих сред. Описана техника детектирования акустических сигналов в режимах «на просвет» и «на отражение» в зависимости от объекта исследования. С использованием OA метода были изучены и количественно оценены эффекты, производимые глюкозой, на коэффициент оптического ослабления в модельных средах и биотканях соединительного типа в условиях in vitro и in vivo. Величины данного эффекта составили -0,05% (водные суспензии полистироловых микросфер), -0,3-0,5% (склера кроликов в условиях in vitro), -1-3% (склера кроликов в условиях in vivo, рис.3.1) на каждый мМ глюкозы, добавленной в среду/биоткань. Проанализированы различия в величине эффекта для каждого из описанных случаев. Направление эффектов, произведённых глюкозой на первых минутах в цельной крови и коллагеновой ткани, отличалось по направлению. Так, в первые 6 мин после внесения возрастающих концентраций глюкозы в образцы крови наблюдалось линейное увеличение эффективного оптического ослабления, измеренное в видимом и ближнем ИК световом диапазоне, численно выражающееся в 0.12% и 0.10% мМ"1 для длин волн 532 нм и 1064 нм, соответственно (рис.3.2).

О 10 20 30 40 50 60 70 Время (мин)

20 40 Врема (мин)

Рис.3.1. Результат двух типичных экспериментов, демонстрирующие эффект глюкозы в склере кроликов ln vivo-, а - измеренный в обоих глазах, 6 - измеренный в определённой фиксированной области одною глазною яблока кролика.

20 40 60 80 100

Концентрация глюкозы (иМ)

20 40 60 80

Концентраци» шокозы (мМ)

Рис.3.2. Эффективный коэффициент оптического ослабления в цельной крови овец как функция концентрации глюкозы. Данные получены на 6-й мин после добавления глюкозы для двух длин волн: а - Л= 532 им, б - А=1064 нм.

Однако полный - медленный - эффект, вызываемый глюкозой на оптическое ослабление в крови, выражался величиной -0.02-% мМ.*1

В целях более детального анализа эффекта глюкозы в крови изучены изменения морфологии её основных рассеивателей - эритроцитов - в гипергликемических условиях с использованием сканирующего электронного микроскопа. На рис.3.3 представлена динамика морфологических изменений эритроцитов как следствие гиперосмотического шока, индуцированного глюкозой: двояковогнутые диски последовательно трансформируются в усыхающие сфероиды и далее - в многогранники неправильной формы. Помимо этого, наблюдается развитие на их поверхности антенн/шипов при добавлении в кровь высоких концентраций глюкозы, представленное на примере отдельных эритроцитов в различные моменты времени (рис.3.4).

Рис.3.3. Микроснимки эритроцитов цельной крови: а - контроль, б,с - в условиях повышенных концентраций глюкозы (60 мМ и 100 мМ, соответственно), сделанные с использованием сканирующего электронного микроскопа. 4-и мин после добавления глюкозы в образцы крови.

Комплексный эффект глюкозы на оптические свойства крови интерпретирован с позиций конкуренции двух одновременно протекающих процессов, приводящих к противоположным последствиям, а именно: увеличению светорассеяния вследствие изменения морфологии и размеров эритроцитов в условиях гиперосмотического воздействия и одновременному уменьшению рассеяния света за счёт выравнивания оптических показателей преломления стенки эритроцита и плазмы крови.

Рис.3.4. СЭМ микроснимки уединенных эритроцитов цельной крови после добавления 100-мМ глюкозы: а - 2-я мин (увеличение: х25000), б - 8-я мин (увеличение: х18000).

Изучен эффект, производимый маннитолом, на оптические свойства цельной крови. Подобно глюкозе, данный моносахарид способен вызывать значительный осмотический эффект в водных средах. Единственным различием

между данными углеводами является способность глюкозы, в отличие от маннитола, проникать внутрь эритроцита благодаря наличию в его мембранной стенке специального класса трансмембранных белков-транспортёров глюкозы. Таким образом, маннитол не способен усваиваться в цельной крови, и, как следствие, его эффект на морфологию эритроцита является более специфичным: привнесение маннитола в кровь вызывает сферуляцию эритроцитов но, в отличие от эффекта глюкозы, не приводит к их дегидратации.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты работы

1. Развиты теоретические и экспериментальные основы метода лазерной доплеровской флоуметрии с целью количественной оценки динамических характеристик биопотоков. Данный метод адаптирован к задачам диагностики лимфотока. Введены динамические параметры лимфотока, характеризующие среднюю по времени скорость потока и пространственно-временное распределение скоростей в потоке. Данные параметры были измерены для случая физиологического и паталогических состояний системы микроциркуляции лимфы.

2. При воздействии лимфотропных агентов динамика лимфотока в большинстве случаев изменяется. При этом нестационарные потоки лимфы могут становиться ламинарными и наоборот. Полученные результаты положены в основу количественного метода изучения нелинейной динамики в лимфатической и кровеносной системах живых организмов с пространственным разрешением порядка размеров лазерного пучка (~5-10 мкм) и временным разрешением порядка 10"2 сек.

3. Разработана оптическая модель, описывющая оптические свойства ожоговой ткани. Измерены АКФ флуктуаций интенсивности рассеянного когерентного света в однослойных и двухслойных мутных фантомных средах, моделирующих ожоговую ткань. Показано, что статистические свойства доплеровских сигналов определяются как статистическими свойствами ожоговой ткани, так и параметрами скорости подкожного кровотока. Продемонстрировано, что увеличение слоя неподвижных рассеивателей в среде ведёт к уменьшению спектральной ширины доплеровского сигнала, измеренного в данной среде.

4. Изучены потенциальные возможности OA метода высокого временного разрешения для проведения бесконтактных измерений оптических свойств биотканей соединительного типа как функции концентрации глюкозы в условиях in vitro и in vivo. Измерены эффекты, вызванные глюкозой, на эффективное оптическое ослабление в модельных средах и двух типах соединительной ткани (склера и кровь). Величина эффекта выражается в -0.05% мМ"1 (водные суспензии полистироловых сфер), -0.3-0.5% мМ'1 (кроличья склера в условиях in vitro), -1-3% мМ'1 (кроличья склера в условиях in vivo), -0.02% мМ"1 (цельная кровь овец).

5. Детально изучены физические, биохимические, биологические и физиологические аспекты взаимодействия глюкозы с различными типами модельных сред и биологических тканей; проанализированы особенности эффекта, вызываемого глюкозой, в модельных средах, коллагеновых тканях в условиях in vitro и in vivo, а также в цельной крови. Установлено, что в крови глюкоза способна вызывать два противоположных эффекта: увеличение светорассеяния вследствие изменения морфологии эритроцитов (от двояковогнутых дисков к сфероидам) как результат адаптации к гиперосмотическим условиям, и одновременному уменьшению рассеяния света за счёт оптического просветления - выравнивания показателей преломления стенки эритроцита и плазмы крови. Разработанный метод является основой для бесконтактного OA детектирования глюкозы в коллагеновых тканях и тканях с интенсивным кровоснабжением.

6. Показано, что эффекты, оказываемые глюкозой и маннитолом на эффективное оптическое ослабление в цельной крови, сравнимы по величине. Однако данные моносахариды по-разному воздействуют на морфологию эритроцитов: маннитол вызывает лишь сферуляцию красных кровяных телец, в то время как глюкоза, помимо этого, стимулирует дегидратацию эритроцита.

Основные результаты опубликованы в работах

1. Bednov A.A , Ul'yanov SS Investigation of dependence of dynamic partially developed speckle-fields contrast on rough surfaces statistical characteristics // Proc. SPIE. 1993. Vol.2008. P.273-279.

2. Ul'yanov S.S, Tuchin V.V, Bednov A A Investigation of spatial-temporal correlation functions of dynamic spatially inhomogeneous speckles and their applications in blood flow diagnostics // Proc. SPIE. 1995. Vol.2326. P.452-458.

3. Bednov A A., Brill G.E., Tuchin V.V., Ul'yanov S.S., Zakharova E.I Blood and lymph flow measurements in microvessels using focused laser beam diffraction phenomenon // Proc. SPIE. 1995. Vol.2370. P.379-383.

4. Ul'yanov S.S., Kuzmin S.Yu., Bednov A.A., Tuchin V.V. Practical works in the speckle optics for the subspecialties: physics of laser measurements and biomedical optics // Proc. SPIE. 1995. Vol.2525. P.427-432.

5. Ul'yanov S.S., Tuchin V.V., Kuzmin SYu., Bednov A.A. Teaching of optical diffraction methods in biomedicine to undergraduates specializing in optics // Proc. SPIE. 1995. Vol.2525. P.l 17-122.

6. Bednov A.A, Zakharova E.I., Tuchin V.V., Brill GE., Ul'yanov S.S. Lymph flow diagnostics using speckle-microscopy//Proc. SPIE. 1996. Vol.2630. P. 134-141.

7. Bednov A.A , Ul'yanov S.S., Tuchin VV, Brill G.E, Zakharova EI Speckle diagnostics of shuttle-stream lymph and blood flows // Proc. SPIE. 1996. Vol.2678. P.416-422.

8. Bednov A.A., Ulyanov SS., Tuchin V.V. Brill G.E., Zakharova E.I. In-vivo laser measurements of blood and lymph flow with a small number of scatterers // Proc. SPIE. 1996. Vol.2732. P.27-33.

9. Бедное A.A., Ульянов C.C., Тучин B.B., Брилль Г.Е., Захарова Е.И. Исследование динамики лимфотока методами спекл-интерферометрии // Изв. вузов. Прикл. нелинейная динамика 1996. Т.4, № 6. С.45-54.

10. Bednov A.A., Galanzha EL, Tuchin V.V., Ulyanov SS„ Brill G.E. Investigation of statistical properties of lymph-flow dynamics using speckle-microscopy // Proc. SPIE. 1997. Vol. 2981. P.181-190.

11. Bednov A.A., Ul'yanov S.S., Tuchin V.V., Brill G.E., Galanzha E.I. Investigation of lymph flow dynamics using methods of speckle-interferometry // Proc. SPIE. 1997. Vol. 3177. P. 89-96.

12. Ul'yanov SS., Tuchin V.V., Bednov A. A., Brill G E„ Zakharova E.I. The application of seckle-interferometry for the monitoring of blood and lymph flow in microvessels // Lasers in Medical Science. 1997. Vol.12. P.31-41.

13. Zimnyakav D.A., MishinAB., Bednov A.A., Cheung C., Tuchin V.V., Yodh A.G. Time-dependent speckle contrast measurements for blood microcirculation monitoring // Proc.SPIE. 1999. Vol.3599. P. 157-166.

14. Bednov A.A , Cheng C., Ul'yanov S.S., Yodh A G Coherent diagnostics of burned skin: experiments with phantoms II Proc. SPIE. 2000. Vol.3915. P.275-284.

15. Bednov A. A., Karabutov A.A., Savaleeva EV., March W.F., Oraevsky A.A. Monitoring glucose in vivo by measuring laser-induced acoustic profiles // Proc. SPIE. 2000. Vol.3916. P.9-18.

16. Bednov A.A., Tuchin V.V., Brill G.E, Galanzha EI„ Ul'yanov S.S. Investigation of lymph flow characteristics using speckle-interferometrical method // Proc. SPIE. 2001. Vol.4515. P.177-184.

17. Bednov A. A., Savateeva E.V., Oraevsky AA. Opto-acoustic monitoring of blood optical properties as a function of glucose concentration I I Proc. SPIE. 2003. Vol.4960. P.21-29.

18. Bednov A.A, Ulyanov S.S., Cheng C., Yodh A.G. Correlation properties of multiple scattered light: Implication to coherent diagnostics of burned skin // J. Biomed. Opt. 2004. Vol.9, №2. P.347-352.

19. Ulianova O.V., Ulyanov S.S., Sazanova E.V., Zhang Zh., Zhou S., Luo Qi., Zudina I, Bednov A.A. Inactivation of bacterial cells by dynamic low-coherent speckles: mathematical model of photoprocessing // Proc. SPIE. 2005. Vol.5771. P.357-364.

Бедное Андрей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ТКАНЕЙ МЕТОДАМИ КОГЕРЕНТНОЙ ОПТИКИ И ОПТОАКУСТИКИ

03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 20.04.06. Формат 60x84 1/16 Объем 1,0 п л Тираж 100 экз Заказ ^

Типография Издательства Саратовского университета. 410012, Саратов, Астраханская, 83

gposfr P1 12 0 2

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Беднов, Андрей Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЛИМФОТОКА

МЕТОДАМИ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Существующие методы для анализа микроциркуляции крови и классификация основных типов биопотоков в сосудах.

1.2.1. Методы оптики спсклов.

1.2.2. Лазерная доплеровская микроскопия.

1.2.3. Интерпретация доплеровского метода с позиций оптики спсклов.

1.3. Классификация потоков крови и лимфы в уединенных микрососудах: гидродинамические и оптические аспекты.

1.4. Дифракция сфокусированных гауссовых пучков в микрососудах: теоретическое рассмотрение.

1.5. Методы и материалы.

1.6. Экспериментальные исследования лимфотока.

1.7. Выводы.

2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ МНОГОКРАТНО РАССЕЯННОГО СВЕТА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧАМ КОГЕРЕНТНОЙ ДИАГНОСТИКИ ОЖОГОВ КОЖИ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Теоретические основы корреляционных методов диагностики, использующих многократное рассеяние. ф 2.3. Экспериментальные исследования.

2.3.1. Описание экспериментальной установки.

2.3.2. Приготовление экспериментальных образцов.

2.3.3. Эксперименты с моделями ожоговой кожи.

2.3.3.1. Однослойная рассеивающая среда.

2.3.3.2. Двухслойная рассеивающая среда.

2.4. Выводы.

3 ИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ БИОТКАНЕЙ И ИХ ИЗМЕНЕНИЯ КАК ФУНКЦИИ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЛЮКОЗЫ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ

ОПТОАКУСТИКИ ВЫСОКОГО ВРЕМЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ.

3.1. Бесконтактные методы измерения оптических свойств биологических тканей и их изменений как функции концентрации глюкозы.

3.1.1. Постановка задачи.

3.1.2. Специфические свойства глюкозы, способные изменять оптические свойства водосодержащих сред.

3.2. Основные оптические методы для бесконтактного измерения концентрации глюкозы в биотканях.

3.2.1. Поляриметрия.

3.2.2. Спектроскопия поглощения ближнего ИК диапазона.

3.2.3. Рамаиовская спектроскопия.

3.2.4. Флуоресцентные методы.

3.2.5. Спектроскопия рассеяния ближнего ИК диапазона.

3.2.6. Оптическая когерентная томография (ОКТ).

3.2.7. Онтико-акустичсский метод ф с высоким временным разрешением.

3.3. Исследование эффекта, производимого глюкозой, па оптические свойства сильпорассеивающих модельных сред с ненулевым поглощением.

3.3.1. Методы и материалы.

3.3.1.1. Модельные среды, используемые в эксперименте.

3.3.1.2. Методы.

3.3.1.3. Техника светового облучения образцов и акустического детектирования сигналов.

3.3.2. Результаты исследований.

3.3.3. Обсуждение результатов.

3.4. Изучение эффекта, производимого глюкозой на эффективный коэффициент оптического ослабления в склсрс животных в экспериментах in vitro.

3.4.1. Материалы и методы.

3.4.1.1. Состав склеры.

3.4.1.2. Протокол эксперимента.

3.4.1.3. Экспериментальная установка.

3.4.1.4. Обработка сигнала.

3.4.2. Описание результатов.

3.4.3. Обсуждение.

3.5. Изучение влияния глюкозы па оптическое ослабление в склере кроликов in vivo.

3.5.1. Материалы и методы.

3.5.1.1. Протокол эксперимента.

3.5.1.2. Экспериментальная установка.

3.5.3. Описание результатов.

3.5.4. Обсуждение.

3.6. Изучение влияния глюкозы па оптические свойства цельной крови.

3.6.1. Материалы и методы.

3.6.1.1. Протокол эксперимента.

3.6.1.2. Экспериментальная установка.

3.6.2. Результаты.

3.6.3. Обсуждение.

3.7. Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Исследование оптических свойств соединительных тканей методами когерентной оптики и оптоакустики"

в последние несколько десятилетий в биомедиципе иолучили широкоераеирострапеиие и развитие оигические мегоды, исиользу1оии1е когереитиое, вчастности -лазерное, излучение как средство бесконтактной (иеразруи1а1он1ей) микро- имакродиагностики биологических сред и ткаией. Толчком к этому иослужило созданиеисгочииков светового излучения иринцииишилю нового гииа - лазеров, Koropi>ieхарактеризуются высокой стеиеиыо моиохроматичиости, времеиной инросфаистве1Н1ОЙ когерентности, низкой расходимостью иучка, а гакже высокойсгенеиью иолярнзации и илотности моннюсти излучеиия. Помимо этого, во \Н10гихтипах лазерных источников иредставляется возможным быстрая нерестройка длиныволны генерации в сочетаиии с имнульсиым режимом излучеиия. В часгности,появилась возможность исиользования тех или иных тинов лазеров со сненифнчнымнабором параметров в зависимости от нрнроды и свойств б1ю;югического объекта.Сисклр задач, решаемглх лазерными средствами диагностики в бномедннинечрезвычайно ннфок. Данная работа сфокусирована иа ироблсме лазерной диагностикигютоков биологических жидкостей, изучении и моде;и1роваиии оитических свойствсоедииительных тканей н нх нзменений ири pa3jni4Hbix физиологических ипalOJЮГичecкпx состояниях, а также иа различиых асисктах взaи^юдeйcгвия биоткаис!"! сдегекгиру1они1м когеретиым излучением прпме1Н1тельпо к задачам ранней днагностнкножогов кожи и мониторинга коннентрапии глюкозы в биотканях и in vitro и in vivoусловпях. В последнее время данные методы эффективио исиользуютея иаучиымсообществом и привлекают всё возрастаюн1сс внима1Н1е медннинских ненгров всегомира вследствие уснетного Н1ирокого нрактического ирименения да1Н1ых средсгвлазерной диагиостики для бесконтактного комнлексного ана1нгза не rojH>KO огде;н>ногооргана нлн участка ткани, ио и состояния организма в нелом.Как извест1ю, при миогих иатологиях нроисходяг измеиения дииамическихиараметров микроциркуляцин крови и лимфы, а также самой структурь1 бионотоков.Иодобиые измеиения иесут в себе важиую диапюетичсскую информацию. Па да1Н1ьн'1момент существует два основных подхода к проблемам днашостнки кровотока понределения его нараметров в условнях ш vivo, а нменно: енекл-ннтерферомегрпя нлазерная донлеровекая флоуметрпя. В спекл-ннтерферометрнн нада1они1Й когерентныйсветовой нучок рассенвается случайным образом на форме1нн,1х jjieNieinax кровн,формнруя енецпфическую пространственную дннамнческую снекл-кар1нну. ДанныГ!меюд устанавлнвает связь между ширнной снектра MOUIHOCIH флуктуаниГ!нптенспвностн рассеянного лазерного излучення н кннетическнмн характсрнстпкамнкровотока в кагн1ллярах. Интененвность флуктуаннй спекл-картнны п нн1рнна снекгразависят от ряда факторов, такнх как число сосудов, присутствие сосудистыхогветвлсннй, плотность каннллярной сети, структура слоев TKaiHi и г.д. Однако, внастоян|,ее время дан11ая техника может эффективно иснользоваться только длярегистрации относительных измерений скорости потоков биологических жидкостей.Для задач абсолютиого измереиия скорости метод спекл-иптсрферометрии требуетдоно;ннпельного усовершенствования и модификации.Для измерения скоростных характеристик потоков в системе ниркулянии кровииcиoJи,зyeтcя также метод лазерной донлеровекой флоумефнн, в котором донлеровскн!"!снгиал, исиользуемый для аншн1за, оиределяегся ио]юже1И1ем дoнoJHИIгeльнoгoчастотного максимума, возиика1ои1его в сиектре как следствие флукгуациГ!интенсивности расссяииого излучения. Профиль огиба1ОИ1ей часгогного снектраопределяется регулярным дрейфом биологической жидкости в ка1И1лляре. Одиакоимеетея ряд онределёин1>1х ограничс!Н1Й, накладываемглх как на нсслсдуемый объект,гак и на нараметры детектируюи1его лазер1юго нучка, которые еун1еетвенным образомсужают границы ирименимоети данного метода. К пх чнелу следует отнеети, вчасгности, (1) условие ламинарности двнжения нотока крови в исследуемом сосуде, атакже от1юсительно иротиворечивые требования (2) онределённо!"! орнептацнилазериого нучка отиоеиге;и.ио исследуемого кровеносного сосуда, (3) жёсткойфокусировки зопдируюи1его лазериого иучка иа уедииёипый сосуд, и (4) минимальпогорасхождения детектиру1ои1его луча нри расиространении в биогканн. Кровеноеныесосуды диаметром норядка 40 мкм в достаточной стенени удовлетворяют дан1юмуусловию. Одиако при проведении эксиеримешов с мепьип1ми размерами световогопяпш (порядка 15 мкм) требуется модерпизация дапиого метода. В пастоятее время6ojn>iinincTBo суи1ествую1цих оитических методов диагностики потоков биологпчсскпхжидкостей адаптировано, в осповпом, для определепия CKopocnn.ix и объсм1и.1Ххарактеристик кровотока в микрососудах. Поэтому опенка кииетических нарамсгров:и1мфотока и их измеиеиия ири различиых патологических состояниях на сегодняшнийдень иосит, в осиовном, качсствеиный характер. 13 то же время мегоды KOjni4ecTBennoroапшппа лимфотока, особепгю в лимфатических сосудах малого диаметра, иока иеразработаиы. Разработка и усовери1еиствование таких методов, а также их адаитания кпроблемам измерения скорости крово- и ]Н1мфогока в уедппёппых мпкроеосудахявляется одной из задач, рен1аемых в рамках данной работы.Следуюн1еГ1 нроблемой рассмотренпя является пзучеппе оптпческпх свойств ожоговкожп с исиользованнем онгической модели ожогов кожи, разработаииоГ1 в иастоян1ейдиссертапнп. Да1Н1ая моде]н, связывает особенностп квазпупругого рассеяппя свега слпжропиркуляцией крови в кожиых слоях в фпзпологичсскпх п пагологпчеекпхсостояппях (в частности, при повсрхпостных ожогах) п ncnojH/зуегся нрп проведепппдшн,нейн1сго корреляпионого анализа. Как известно, новерхностные ожоги снособнглнриводить либо к значительным иарушеииям, либо к нолио!! остагювкемнкроппркуляпип крови в коже. Гочиое оиределепие глубины ожогового гюраженнякожи является проблемой чрезвычайиой важиости для клпиическо1"'1 мсднпниы. В случаеглубокнх ожогов наличие пиркуляпии крови в коже может 6F.ITI. оиределеио путёммехаиичсской инснекцни с исиользованием тонкой мсталлнчееко!'! иглы. Дляскорсйнюго восстановления участков норажёнгюго ожогом кожного нокрованеобходимо точное онределение глубины иоражеиия в целях дши^неГннего удалениямёртвого е;юя кожи. Для этих пелей требуются более гочпые методы пзмерепия, иежелипроцедура пробпроваппя иглой. Таким образом, разрабогка и усовери1енствова1Н1екогерентных онтических методов для диапюстики ожогов кожи иа основе О1ггическихмоделей являегся весьма а1стуальной ироблемой.Лазериые методы диагностики, используемые для этих целей, включают в себялазериые донлеровские методы и LASCA метод (LAser Speckle Contrast Analysis), снеклинтерферометрию, диффузиошю-волновую снектросконию (ДПС), онтнческуюдонлеровекую томографию (ОДТ) и связаиы с анализом процессов мцогокрашогорассеяния в случаЙ11О-неод1юродных мутных средах, а также, во многих случаях, стехникой моделирования данпь1х процессов с использованием методов Монте-Карло.Процедура измерения является схожей для всего мпогообразпя данпых мегодов. Придпфракцпп когерентного свега па движунц1хся частнцах (цацрнмер, ')pnrpoiunax вкровепосной капилляриой сети) в рассеивающих средах (таких, как кожа) наблюдаютсявременные флуктуацнн иитеисивиости рассеяиного света. Скорость движущнхсярасссиватслей определяется посредством измерения Н1иринь1 сиек'гра мониюстифлуктуацпй ипгенсивпостп рассеяппого поля, что лежит в оеиове больпн1истваупомянутых методов.Очевидно, что на нараметры измеряемых сигналов снособны влиять, [ю\шмоскорости рассеивателей, такие факторы, как оптичеекие свойства мугиых сред, вчастности, нриеутствие в даиных средах неподвижных рассешиггелей (напрпмер,мёртвого ожогового слоя кожи, выстунающего в качеетве негочника С1агическогорассея1Н1я). Таким образом, ироблема влияния структуры тканн н её онгическихиарамегров иа ширину снектра подлежит тнщтельпому и глубокому изучеиию. Киастоян1ему времени пока ие иолучеиы какие-либо значительные pe3yjH.TaTbi вианравлении разработки оптпческих моделей рассся1И1я когсрситиого излучення впатологической (в частности - ожоговой) ткани. Вторая глава иастояи1ей работыиосвян1еиа частичному восиолиеиию этого пробела.И, паконец, заключителыюй задачей, решаемой в рамках даииой диесертации,является изучение оптико-акустическим (ОА) методом высокого времеиногоразрешення онтичсских свойств coeдинитeJи>иыx ткаией и их изменення как функцииконцентрации глюкозы. В иоследиее время бьиш предприияты зпaчитeJи>lн>Ie уешн1я внанравлении иоиска и развития точных и надёжных методов бесконгакгного измереиияоигичееких свойств биотканей и их измеиеиий в зависимое!и отуровия содержащейея вК)ппх глюкозы. Такие методы представляют особый иптерее как для пацпентов,страдаюишх сахарным диабетом, так и нримените;и,но к ситуациям оказаиия первоймедицинской помощи, в которых необходим пепрерыв1н.1Й KoinpojH, содсржанпяглюкозы в крови пациентов. Метод измерения коицентрании гJнoкoзы in vivo,иснользуюпщйся в настоян1се время, нредставляст собой контактный химическийаишн1з крови, который является для нациентов в еун1ественной степени иеириятгнлм иболезне1Н1ым. Использование же оитических методов диагноетнкн HO3BOJHIJIO бы снятьпроблему дискомфорта ири проведении нодобных тестов. Па данный момент разработанцел1лй ряд таких методов, исио;н^зуюн1нх «неразруншюиин"!» npiHHiHH нзмеренняконцентрацин пнокозы в биотканях, включающий в себя ноляриметрню, инфракрасную(ИК) енек1роскопию поглон1е1Н1я, Рамаповскую спектроекоппю, флуоресцентныеметоды, ИК снектросконию рассея1П1Я, фото-акуетическую спектроско1Н1ю нопшн1ення,н онгическую когерентную томографню (ОКТ). Уномянутые методьг HCHOJH.jyioTpa3JHi4Hbie неточники и сиособы светового облучеиия и ехемы дегектироваиия еиоеледуюи1им анализом исходяни1х сигналов. К сожалению, ии один из эгих методовпока пе пангёл нтрокого практического нрнмеиения. Оенов1н,1м ограниченнем длябо;н,111ей части уномянутых методов являетея ннзкое зпачепие отионюиия «сигпал-н1ум»(OCIII) п высокая стоимость аншн1за. Одннм нз наиболее иерепектпвпых ренюннйданноГ! нроблемы являетея ис1ю;н/зованпе ОА мегода высокого времеппого разрснгепня,в основу которого положен эффект глюкозы как фактора, вызываю1цего умепьп1епперасссяпия света в биотканях. В лазерной оптоакуетпке иепользуегея iiNniyjn.eHbH'i режимоблучення нсследуемой среды н детектирование возбуждаемой нрн этом акуетнчеекойволны с высоким временным (и, следовательно, - нространственн1>1м) разреп1е1Н1ем. liэтом случае информацию об онтических евойетвах исследуемой среды несет какамнзнпуда, так и временной нрофши, возбуждаемой BOJHH,I. Эке1юненциа;и>ньн'1 наклоннрофнля ОЛ сигнала, сгенерированного в среде нрн онределёиных условиях облучения,нреднолага1опи1х временное О1раниче1ше давления, оиределяегся зиачениемэффе1сгнвиого оитичеекого оелабле1Н1я в данной ереде. Значение амплитудыакустнческого сигнала определяетея оитичееким иоглон1еннем в TKaini. Гаким образом.I Iисио:и,зуя лазериый ОА метод, возможно исследовать раснределение ноглощённойлазерной энергин в многослоЙ1н.1Х средах с ненулевым показателем иоглои1ения, мгонозволяет в итоге измерить онтические свойства да1нн»1х сред. Лазерная огггоакусгнкахороню зарекомендовала себя как надёжнглй метод измерения онтических свойсгвбиотканей. В отличие от чисто онтических методов, выно:н1якмцнх нзмерення раесея1Н1Яв тканях, ОА метод является более точным и специфичиым. В ходе одцого огггическогоэкснернмеита возможно измерить лини. два зиачения: нада1ОН1у1о иогражённую/црошедшую энергию (иигенснвность) лазерн1лх нмнульсов. С нолюнц^юОА метода высокого разрешения иредставляется возможиым измереиие ио;н1огонрофнля раснределення ноглощённой лазерной энергии (до п=1000 и более зиачений),увеличивая, тем самым ОСШ. Более того, в ньезоэлектрическнх детекторах возможнодостичь значительно меньиюго отноеительного уровия тенлового Н1ума ио сравненню свеличшюй дробового шума в фотодетекторах. Однако, до последнего временииснользование ОА метода ие расиростраиялось на измереиие коицеитрацин rjHOKO3bi вживьгх биоткаиях. В иаетоящей работе даииый метод был адагггирован к задачамизмсреиия эффективного коэффнщшнта ослабления/рассеяния и его изменений! какфункцш! концентрации пнокозы в реальиых биологических ткаиях в условиях in vivo. ••*Таким образом, peHieiHie вышеноставлс1Н1ых нроблем, а также разработка новыхмегодов лазерной диагностики, исиользуюнн1х уиикшиинлс свойства KorcpeirrHoioнзлуче1Н1я, являе1ся чрезвычайно важной н актуальной задачей для био;югни имедицины как с научной, так и с ирактической точек зрения.Целью диесертациошюй работы является изучсиие особенностей меха1Н1змоввзанхюдействия лазериого излучеиия с био;югическимн тканями соедиин1е;ц>ного тина,включая физические, биохимические, биологические и физиологические аснекты, атакже развитие теоретических и эксиеримеитальиых оеиов когереиинлх и лазерногоонтико-акустического методов измереиия в биотканях нрнменительио к задачамбеско1ггактиой диагностики нотоков биологических жидкостей, ожогов кожи игорннга концентрации глюкозы в условиях in vivo.12Задачи исследования1. Развитие метода оитики еиеклов в целях количеетвеииой оценки дииамическиххарактериетик потоков биологических жидкоетей и его адаптация к задачамдиагностики лимфогока.2. Измереиие динамических нараметров V (средиее ио времени зиачсние скоростнбнонотока) и Zv (нространственно-временное раснределение скоростей,ирисутствующих в биопотоке, но диаметру сосуда) а также их измеиений нриразли1чиых натологиях еистемгл микроциркуляции лимфы.3. Разработка оптпчсекой модели ожогов кожи с целью нровсдеция дшц,нейи1егокорреляционого анализа.4. Исследование зависимости статистических свойств донлсровских сигналов ог свойствожоговой ткани, равно как и от скорости иодкожиого кровотока.5. Изучсиие нотсипишп>1п>1х возможностей онтико-акустического метода высокоговременного разрешения как средства бескоитактиого моиигориига копцентрацциглюкозы в модельиых средах и биоткаиях, а также его иеиользова1П1е в измсрсиииоптических свойств модельных сред и еоедигппелыюй биогкани (вюпочаяколлагепосодержащую ткаиь и цельную кровь) как функции коице1гграции глюкозы вусловиях in vitro и in vivo.6. Изучсппе мехапизмов взаимодействия глюкозы с биоло1ическими гкаиямисоединнтельного тина, вюпочая физические, биохимические, био;юп1ческие ифизиологические аспекты.Научная иовизна работы1. Предложеп метод количествеппой оценки скоростиых параметров движеиия крови илимфы в микрососудах.2. Проведеп aHajni3 време1П1Ь1Х измепепий дипамики лимфотока иод влияпиемJПlмфoтpoппoгo фактора.133. Разработана онтическая модель ожогов кожи; измерены автокорреляционныефункции флуктуации иитенсивноети рассеянного когерентного излучеиня в одно- ндвухслойных фантомных мутных средах, моделируюн1нх ожогн кожи;исследованы зависимости статистических свойств доилеровских сигиалов ог свойствожоговой гкаин и скороеги иодкожного кровотока.4. Изучены ногенциальиые возможности онтико-акустического меюда высокоговременного разрешения ирименительно к задачам бесконтактного моннгорингаконцентрации глюкозы в различных вндах соедииительноГ1 биоткаии, вюночая склерун HejH,Hyio кровь, а также нроаналнзированы его нринци1Н1а:н,ные нренмун1ества наддругими онтическими методами при нроведе1И1И даиных нзмерегнн*!.5. Детально цзуче1н>1 физические, биохимические и физиологические аснектывзаимодействия глюкозы с раз;н1чными тннами модельных сред и биологическихгканей; нроаналнзнрованы OCO6CIHIOCTH взаимодейсгвий «глюкоза-биоткань» вусловиях in vitro н in vivo.6. Проведён аншн1з и сравнение эффеюгов, вызываемых глюкозой н манннголом, наонтнческне и физиологические евойетва цельной крови.Достоверность результатов теоретического аиализа иодтверждеиа ;)кеиеримеигалынлмирезультагамн. Экснериментальные данные аг1шн1знровалиеь н coHoeraBj^jHieb сизвестиыми даннымн других эксиеримеитши,иых исследованнй. Достовер1юетьэкснернментальных результатов нодтверждаетея сведеннямн из лнтерагуры.Практическая значимость работы1. Полученные результаты экснериментшн,ных иеследоваиий екоросги бионотоков invivo методом онтики сиеклов ноложены в основу детального нзучения не;н1нейно1"1динамики в лимфатической и кровсиосиой системах живых организмов енрос1ранстве1НН)1м разренюнием норядка размеров лазерного нучка (5-10 мкм) нвремен1н>1м разрен1еиием норядка 10"^ сек.142. Результаты экснерименгальных исследований, 11олуче1П1ые с использованиемкорреляционной техники рассеяния евета, иреднолагается нснользовать в основе новоголазерного мегода диагностики микроциркуляции крови в коже а также для нростой игочной оценки толщины ожогового слоя кожи в условиях in vivo.3. Высокая снснифичность и селективностг, лазерной оптоакустпкп к измереппямкопцепграции глюкозы в модел1>пых средах п бпоткапях соедииигсльного TiHia,нродемонетрнрованные в экснсриментах в условиях in vitro и in vivo, свидетельетвуют овысоком иотенциале дан1юго метода как бееконтактного средства диапюстикибиотканей с CHJH>HI,IM рассеяннем и ненулевым ноглощением. Основные нринцнны ОАметода, адантнрованного для генерации и детектирования акустичееких сигналов вбиосредах в условиях in vivo, нредгюлагается исиользовать ири создании сенсора11р1И1цигн1алыю нового тина, снособ1юго осун1ествлять бысгрый и надёжныйбееконтактный мониторинг глюкозы у диабетических нацией гов.Исследования, описаииые в дайной работе, бьши выполнены в рамках совмеегпойросспйско-американской нрограммы U.S. Civilian Research & Development Foundation(СК01*')-РФФИ «Новые возможности для молодых учёных» (1998), российскоГ!федеральной нрограммы «Интеграцня '2000», Государе гвенного контракта №02.442.11.7243, шифр 2006-РИ-19.0/001/028, федеральной целевой научно-техннчеекойнрограммы «Исследовання и разрабогки но нриоритетиым направлениям развитнянауки и техники» на 2002-2006 годгл, а также поддержаны программой InternationalSoros Scientifie Education Program для аенирантов вузов (1996 и 1997), амернканекнмфондом CRDF для независимых государств бывн1его Советского Союза носредегвомгранта No.RBl-230 (1997), фондом U.S. Air Force Office of Scientific Research (2002), aгакже грантом РФФИ № 04-04-48279-a «Изучение ироцеееов взаимодействиядинамических биоснеююв с жнвыми системами» (2005-2006).Основные научные ноложсння, выноснмыс на занщту1. Разработай новый метод, оеиова1И1ый на дифракции ефокуеированных лазершлхпучков (епекл-микроскония), иозволяюищй с высоким иросфанственным разренюннем15измерять скорость нестационарных нотоков лимфы и крови в уединённых мнкроеоеудахв условиях in vivo.2. Вклад ненодвижных рассеивателей приводит к сун1ественному уме1н.1пени1о ннфиныснекгра донлеровского сигиала.3. Лазериый онтико-акустичеекий метод адантирован к задачам измеренияконцентрацин глюкозы в соедииительных тканях (склера, кровь) in vivo. Установлено,что влияние глюкозы иа оитические свойства биотканей выражается ие только вуменьшенин эффективного коэффициента ослабления в ткани, ио и в измеиении слененнгндратацнн соединнге;нл1ой TKaFiH и ее морфологии, нронеходяни1х вследствиеадаитации к гинеросмотичееким условиям.4. С исиользоваиием электронной микроскоиии установлено, что глюкоза снособнаизменять морфологию эритроцитов в крови, что выражается в их траиеформации издвояковогнутых дисков в дегндратирова1шые сфероиды с иоверхиост1н>1мнннпюобразными выстунами.Апробация результатов и публикацииРезуди.гаты днссертациотюй работы обсуждшн1сь н докладывалнсь на следуюнн1ХМеждународных конференциях:1. International Conferenee SPIE on I Iolography and Coherent Optics, Chernovtsy, Ukraine,1993.2. 5th International Conference SPIE on Laser Applications in Life Sciences, Minsk,Belarus, June 28 - July 2, 1994.3. International Symposium on Biomedical Optics BiOS Europe' 1994, Lille, France, Sept.6-10, 1994.4. 5th Congress of the Asian-Pacific Association for Laser Medieine and Surgery, Tel Aviv,Israel, Nov. 20-25, 1994.5. International Congress on Laser in Medieine and Surgery "Laser - 95", Munehen,Germany, June 21-23, 1995.166. International Conferenee SPIE on Light & Biological Systems, Wroclaw, Poland, July 37, 1995.7. International Conferenee "BiOS Europe' 95", Barselona, Spain, Sept. 12-16, 1995.8. International Workshop on Nonlinear Dynamies and Struetures in Biology and Medieine:Optical and Laser Technologies, Saratov, Russia, July 8-14, 1996.9. Coherence Domain Optical Methods in Biomedieal Seience and Clinical Application,International Conference SPIE BiOS'97 San Jose, CA, USA, Feb. 8-14, 1997.10. International Conference on Laser Physics, Berlin, Germany, July 6-10, 1998.11. 17"' Annual Houston Conferenee on Biomedieal Engineering Research, Univ. of Houston,Houston, Texas, USA, Feb. 11-12, 1999.12. International Conference on Advances in Opties for Bioteehnology, Medicine andSurgery, Kailua-Kona, Hawaii, USA, 1-6 August 1999.13. International Conference SPIE BiOS'2000, San Jose, CA, Jan. 20-26, 2000.14. 2002 Gordon Researeh Conferenee on Lasers in Medieine and Biology, July 14-19Kimball Union Academy, Meriden, NH, 2002.15. International Conference SPIE BiOS'2003, San Jose, CA, Jan. 25-31, 2003.16. International School for Junior Scientists and Students on Opties, Laser Physics andBiophysics, Saratov I-all Meeting (SFM'O5) Saratov, Russia, Sept. 27-30, 2005.Публикации: Основные результаты диееертании опубликованы i? 19 работах,написанных совместно с другнмн авторами:1. Bednov А.А., Ul'yanov S.S. Investigation of dependenee of dynamic partially developedspcckle-llelds contrast on rough surfaces statistieal characteristies // Proc. SPIE. 1993.Vol.2008. P.273-279.2. Ul'yanov S.S., Tuchin V.V., Bednov A.A. Investigation of spatial-temporal eorrelationfunctions of dynamic spatially inhomogeneous speckles and their applications in blood flowdiagnostics//Proe. SPIE. 1995. Vol.2326. P.452-458.173. Bednov A.A., Brill G.E., Tiichin V.V., Vl'yanov S.S., Zakharova E.I. Blood and lymphflow measurements in microvessels using foeused laser beam diffraetion phenomenon // Proe.SPIB. 1995. Vol.2370. P.379-383.4. Ul'yanov S.S., Kiizmin S.Yu., Bednov A.A., Tiichin V.V. Praetieal works in the speckleoptics for the subspccialitics: physics of laser measurements and biomedieal opties // Proc.SPin. 1995. Vol.2525. P.427-432.5. Ul'yanov S.S., Tiichin V.V., Kiizniin S.Yu., Bednov A.A. Teaching of optical diffractionmethods in biomedicine to undergraduates specializing in optics // Proc. SPIH. 1995. Vol.2525.P.I 17-122.6. Bednov A.A., Zakharova E.I., Tiichin V.V., Brill G.E., Ul'yanov S.S. Lymph flowdiagnostics using speckle-microscopy//Proc. SPIE. 1996. Vol.2630. P.134-141.7. Bednov A.A., Ul'yanov S.S., Tiichin V.V., Brill G.E., Zakharova E.I. Speckle diagnosticsof shuttle-stream lymph and blood flows // Proe. SPIE. 1996. Vol.2678. P.416-422.8. Bednov A.A., Ulyanov S.S., Tuchin V.V. Brill G.E., Zakharova E.I. In-vivo lasermeasurements of blood and lymph flow with a small number of scatterers // Proc. SPIT.. 1996.Vol.2732. P.27-33.9. Бедное A.A., Ульянов С, Тучин В.В., Бршль Г.Е., Захарова Е.И. Исследованиединамики :и1мфотока методами сиекл-иитерферометрии // Изв. вузов. Прикл.иелинейиая динамика. 1996. Т.4, JSTi'6. 45-54.И). Bednov А.А., Galanzha E.I., Tuchin V.V., Ulyanov S.S., Brill G.E. Investigation ofstatistical properties of lymph-flow dynamies using speckle-microscopy // Proc. SPIH. 1997.Vol. 2981. P.181-190.11. Bednov A.A., Ul'yanov S.S., Tuchin V.V., Brill G.E., Galanzha E.I. Investigation of lymphflow dynamics using methods of speckle-interferometry // Proc. SPIH. 1997. Vol. 3177. P. 8996.12. Ul'yanov S.S., Tuchin V.V., Bednov A.A., Brill G.E., Zakharova E.I. The application ofseckle-interferometry for the monitoring of blood and lymph flow in microvessels // Lasers inMedical Seience. 1997. Vol.12. P.31-41.1813. Zinmyakov D.A., Mishin A.B., Bednov A.A., Cheung C, Tuchin V.V., Yodh A.G. Timcdcpcndcnl speckle contrast measurements for blood microcireulation monitoring // Proc.SPIB.1999. Vol.3599. P. 157-166.14. Bednov A.A., Cheng C, Ul'yanov S.S., Yodh A.G. Coherent diagnostics of burned skin:experiments with phantoms // Proc. SPIE. 2000. Vol.3915. P.275-284.15. Bednov A.A., Karabutov A.A., Savateeva E.V., March W.F., Oraevsky A.A. Monitoringglucose in vivo by measuring laser-induced acoustic profiles // Proc. SPIB. 2000. Vol.3916.P.9-18.16. Bednov A.A., Tuchin V.V., Brill G.E., Galanzha E.I., Ul'yanov S.S. hivcstigation of lymph(low characteristics using speckle-interferometrical method // Proc. SPIE. 2001. Vol.4515.P. 177-184.17. Bednov A. A., Savateeva E.V., Oraevsky A.A. Opto-acoustic monitoring of blood opticalproperties as a funetion of glucose concentration // Proc. SPIB. 2003. Vol.4960. P.21-29.18. Bednov A.A., Ulyanov S.S., Cheng C, Yodh A.G. Correlation properties of multipleseattered light: Implication to coherent diagnosties of burned skin // J. Biomed. Opt. 2004.Vol.9, JVi'2. P.347-352.19. Ulianova O.V., Ulyanov S.S., Sazanova E.V., Zhang Zh., Zhou S., Liio Qi., Zudina /.,Bednov A.A. Inaetivation of baeterial eells by dynamie low-coherent speckles: mathematicalmodel of photoprocessing// Proc. SPIH. 2005. Vol.5771. P.357-364.Личный вклад автора заключался в разработке и создании эксиеримеитальиыхуегаиовок для бескоитактиого мопиториига глюкозы в модельиых средах ибиологических ткаиий в условиях in vitro и in vivo ОА методом, а также в еоздаиги!усгаиовки для проведсиия иеследоваиий с фантомными моделями ожогов кожиметодами оитики спеклов. Пее экенеримеитальные исследования вьпюлиеиы :и1боавтором личио JHI6O ири содейетвии д.м.и. Е. И. Галанжа (исследоваиия динамикилимфотока в брыжейке белых крыс методами онтики сиеклов в условиях in vivo) а такжед.ф.-м.н., ироф. А. А. Карабутова и к.ф.-м.и. В. В. Саватеевой (ОА мо1ипорииг19коицеиграции глюкозрл в склере кроликов в условиях in vivo). Автором б|.1ли выиолиеиывсе вычислеиия и расчёты, а также статистичеекий анализ да1ин.1х.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав,заключеиия и сниска литературы. Объем диссертации: 145 страниц, в том числе 31риеуиок и одиа таблица. Снисок литературы включает 196 иаимеиоваии!!.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Беднов, Андрей Александрович

3.7. Выводы

В данной главе были изучены потенциальные возможности оптико-акустического метода высокого временного разрешения проводить бесконтактные измерения оптических свойств модельных сред и биотканей как функции концентрации глюкозы. В основе данного принципа измерения был положен эффект глюкозы как фактора, вызывающего уменьшение рассеяния света в биотканях. Здесь следует отметить, что в отличие от чисто оптических методов, выполняющих измерения рассеяния в тканях, ОД метод является более точным. В ходе одного оптического эксперимента возможно выполнить лишь два измерения: значений падающей и отражённой/прошедшей энергии (интенсивности) лазерных импульсов. OA метод высокого разрешения позволяет проводить измерения полного профиля лазерной энергии, поглощённой в каждом отдельном слое биоткани, с последующим восстановлением профиля распределения поглощённой энергии, увеличив, таким образом, величину OCIII. Таким образом, с помощью OA метода представляется возможным проводить до 1000 значений оптического ослабления (что определяется характеристиками цифровых осциллографов) послойно но всей толщине ткани практически с любым требуемым пространственным разрешением.

Более того, в пьезоэлектрических детекторах возможно достичь значительно меньшего относительного уровня теплового шума по сравнению с величиной дробового шума в фотодетскторах. OA биосепсор глюкозы используется для проведения точных измерений оптико-акустических профилей поглощённой лазерной энергии в биосредах. Экспоненциальный наклон OA профиля, сгенерированного в среде в определённых условиях облучения, предполагающих временное ограничение давления, определяется значением эффективного коэффициента оптического ослабления в данной среде. Путём проведения OA измерений величины светорассеяния и её изменений как функции концентрации глюкозы возможно осуществление мониторинга глюкозы в реальных биологических тканях. В целях точного сопоставления изменений в наклоне OA профиля с абсолютными значениями уровня глюкозы в крови необходима калибровка OA метода, в результате которой определяется соотношение изменений величин тканевого светорассеяния и абсолютной концентрации глюкозы.

В первоначальных сериях экспериментальных исследований были исследованы возможности и продемонстрирован высокий потенциал OA метода проводить точные измерения оптических свойств модельных сред. Помимо этого, была изучена зависимость эффективного коэффициента оптического ослабления в среде как функция концентрации глюкозы. В модельных средах данный эффект выражался в 0.05-процептпом уменьшении величины д^на 1 мМ добавленной глюкозы, что находится в хорошем соответствии с количественными данными подобных экспериментов, проведённых другими научными группами.

Далее, экспериментальные исследования, проведённые в кроличьей склере in vitro, продемонстрировали высокие возможности OA сенсора выполнять падёжные измерения концентраций глюкозы в реальных биотканях. Согласно результатам экспериментов, 1мМ увеличение концентрации глюкозы индуцирует 0.5-ироцентпое уменьшение эффективного коэффициента оптического ослабления в склере кроликов in vitro, что так же хорошо коррелирует с численными оценками, проведёнными другими исследователями для данной гкапи при тех же условиях.

Более того, OA измерения, выполненные в живой склере, подтвердили уникальные возможности и высокую чувствительность метода лазерной оптоакустики при проведении мониторинга глюкозы в биотканях в условиях in vivo, при которых величина эффекта глюкозы па уменьшение эффективного коэффициента оптического ослабления составила до 5% мМ."1 Такой значительный эффект заслуживает более детального анализа и интерпретации.

Эксперименты по мониторингу глюкозы в склере живых кроликов продемонстрировали, что разброс значений эффективного коэффициента оптического ослабления в тканях in vivo может достигать ~20%, даже в пределах одного и того же органа любого, произвольным образом выбранного животного, вследствие естественных флуктуаций физических и оптических свойств. Для того, чтобы исключить/минимизировать данные вариации, необходимо обеспечить определённые условия эксперимента, в частности: полную иммобилизацию экспериментального животного па время эксперимента и запись OA сигналов, осуществляемую с максимально локализованной площади исследуемой биоткани.

В ходе экспериментальных исследований была продемонстрирована высокая специфичность OA метода при измерении оптических свойств как функций концентрации глюкозы в модельных средах и биотканях соединительного типа. Специфичность обусловлена тем фактом, что эффект глюкозы как воздействующей субстанции является более существенным, а её концентрация значительно выше, чем те же свойства и тканевые концентрации других осмотических веществ, которые, подобно глюкозе, способны в той или иной степени вызывать уменьшение светорассеяния/оптического ослабления в данной ткани. Таким образом, за исключением небольшого ряда физиологических условий и патологических состояний (болезней), при которых могут возрастать концентрации других эндогенных осмолитов, способных, в силу своих осмотических свойств, конкурировать с глюкозой, метод оптико-акустической томографии обладает высоким потенциалом, необходимым для проведения точного и специфичного мониторинга глюкозы в живых тканях.

В заключительной части исследований было проведено изучение оптических свойств цельной крови и их изменений под воздействием глюкозы с использованием OA метода. Данные экспериментов продемонстрировали, что на протяжении первых 5-10 мип после добавления в кровь глюкозы величина эффективного коэффициента оптического ослабления возрастает, вследствие адаптации эритроцитов к гипергликемическим условиям, при которых красные кровяные тельца постепенно трансформируются из двояковогнутых дисков в сфероиды/многогранники уменьшенных размеров, что было детально изучено с помощью сканирующей электронной микроскопии. Показано, что па поверхности данных частиц наблюдается появление а развитие аитепп/шипов, природа появления и развития которых пока пе изучена. В результате таких морфологических изменений происходит существенное изменение геометрии рассеяния в цельной крови, приводя к кратковременному увеличению светорассеяния. Полный же эффект глюкозы заключается в уменьшении коэффициента рассеяния/ослабления в цельной крови, численно выражающийся в -0.02% мМ,"1 который сравним по величине с подобным эффектом в коллагеповых тканях. Так же была изучена кинетика эффективного оптического ослабления в крови как функция концентрации добавленной в кровь глюкозы. Было показано, что эффекты па оптические свойства цельной крови (в частности, - па оптическое просветление), оказываемые глюкозой и маппитолом, сравнимы по величине. Однако, так как маннитол пе способен транспортироваться внутрь эритроцитов, пе происходит выравнивания концентраций маппитола по обе стороны степки эритроцита. Таким образом, осмотический эффект маппитола является более существенным по сравнению с таким же эффектом, вызываемым глюкозой. Здесь следует также отмстить, что при добавлении равных количеств глюкозы и маппитола в кровь морфология эритроцитов (и, как следовательно, геометрия рассеяния) также различается. Маннитол вызывает лишь сферуляцию красных кровяных телец, в то время как глюкоза стимулирует уменьшение диаметра и дегидратацию эритроцитов, что наглядно наблюдается па микроснимках, сделанных с помощью сканирующего электронного микроскопа.

В условиях in vivo не наблюдается таких значительных изменении в размерах и форме эритроцитов, поскольку при возрастании концентрации глюкозы в крови запускается и интенсифицируется механизм эффективной переработки данного сахара особым ферментом - инсулином, приводя к уменьшению уровня глюкозы в крови. Таким образом, эффект глюкозы па оптические свойства крови в живом организме сводится к уменьшению светорассеяния за счёт выравнивания показателей преломления плазмы крови и стенки эритроцита. Данные изменения могут быть надёжно измерены с помощью оптико-акустической техники высокого временного разрешения. В данной части исследований цельная кровь была выбрана в качестве модельной среды в перспективе вероятного использования OA детектирования глюкозы в тканях с интенсивным кровоснабжением (высоким удельным объёмом крови). Данное применение может сделать OA томографию неоценимым средством мониторинга глюкозы, особенно для пациентов, страдающих диабетом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертация посвящена изучению особенностей взаимодействия лазерного излучения е модельными средами и биологическими тканями соединительного типа, включая кровь, лимфу и склеру. В работе развит метод лазерной доплеровской спекл-флоумстрии в целях количественной оценки динамических характеристик потоков биологических жидкостей. Впервые была предпринята попытка адаптации данного метода к задачам диагностики лимфотока. Показано, что потоки лимфы в микроеосудах характеризуются пространственно-временной неоднородностью. При воздействии стафилококкового токсина динамика лимфотока изменяется. Были введены и измерены дипамическе параметры, характеризующие среднюю скорость бноиотока и пространственно-временное распределение скоростей, присутствующих в нём, но диаметру сосуда, а также их изменения при различных патологиях системы микроциркуляции лимфы. Результаты исследований положены в основу метода изучения нелинейной динамики в лимфатической и кровеносной системах живых организмов методом оптики епеклов, использование которого позволяет достигать значения пространственного разрешения порядка размеров лазерного пучка (-5-10 мкм) и временного разрешения порядка I0"2 сек.

В диссертации разработана оптическая модель ожогов кожи с цслыо исследования их оптических свойств и точного измерения толщины ожогового слоя. Проведено исследование зависимости статистических свойств доплеровских сигналов от свойств ожоговой ткани и от скорости подкожного кровотока. Показано теоретически и экспериментально, что время корреляции автокорреляционных функций флуктуаций интенсивности рассеянного света монотонно уменьшается с возрастанием числа рассеивающих событий в среде. Изучена зависимость величины доплеровского уширепия сигнала от рассеивающих свойств неоднородных двухслойных фантомных срсд - моделей ожогов. В частности, ноказапо, что неподвижные рассеиватели, моделирующие ожоговый слой, способны существенно влиять па спектральную ширину донлеровского сигнала.

Были изучены потенциальные возможности и продемонстрированы преимущества оптико-акустического метода высокого временного разрешения в проведении бесконтактных измерений оптических свойств модельных сред и биотканей как функции концентрации глюкозы. Изучена зависимость эффективного коэффициента оптического ослабления в среде как функция концентрации глюкозы в модельных средах, в склсралыюй ткапи в условиях in vitro и in vivo, а также в цельной крови.

Изучены особенности взаимодействия глюкозы с модельными средами и биотканями соединительного типа (склера и кровь), включая физические, биохимические, биологические и физиологические аспекты. Проанализированы особенности взаимодействий «глюкоза-биоткань» в условиях in vitro и in vivo. Комплексный эффект глюкозы на оптические свойства крови интерпретирован с позиций конкуренции двух одновременно протекающих процессов, приводящих к противоположным последствиям, а именно: увеличению рассеяния вследствие изменения морфологии и размеров эритроцитов в условиях гиперосмотичсского воздействия и одновременному уменьшению рассеяния света за счёт выравнивания показателей преломления стенки эритроцита и плазмы крови.

В заключительной части исследований показано, что эффекты глюкозы и маппптола на оптические свойства крови близки по характеру и величине. Однако сравнение эффектов, вызываемых данными моносахаридами па морфологию эритроцитов цельной крови показало, что привнесение маппитола в кровь вызывает сферуляцию эритроцитов по, в отличие от эффекта глюкозы, не приводит к их дегидратации.

Таким образом, основные принципы OA метода, адаптированного для генерации и детектирования акустических сигналов в биосрсдах в условиях in vivo, могут быть положены в основу при создании сенсора принципиально нового типа, способного осуществлять быстрый и падёжный бесконтактный мониторинг глюкозы у диабетических пациентов.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Беднов, Андрей Александрович, Саратов

1. Буянов В.М., Алексеев А.А. Лимфология эидотоксикоза. М.: Медицина, 1990.

2. Nilsson G., Jakobson A., Wardell К. Tissue perfusion and imaging by coherent light scattering// Proc. SPIE. 1991. Vol.1524. P.90-109.

3. Nossal R., KieferJ., Weiss G.H. et al. Photon migration in layered media // Appl. Opt. 1988. Vol.27, №16. P.3382-3390.

4. Yamamoto Т., Asakura T. Noninvasive Evaluation of the Retinal Blood Circulation Using Laser Speckle Phenomena // J. of Clinical Laser Medicine and Surgery. 1990. Vol.8, №5. P.35-45.

5. Aizu Y., Ambar //., Yamamoto Т., Asakura T. Measurements of flow velocity in a microscopic region using dynamic laser speckles based on the photon correlation // Opt. Commun. 1989. Vol.72, №5. P.269-273.

6. Aizu Y., Asakura T. Bio-spceklc phenomena and their application to the evaluation of blood How//Opt. and Laser Technology. 1991. Vol.23, №4. P.205-219.

7. Fujii H., Asakura T. Blood flow observed by time-varying laser speckle // Opt. Lett. 1985. Vol.10, №3. P. 104-106.

8. Petrig B.L., Riva C.E. Retinal laser Dopplcr velocimetry: towards it computer assisted clinical use//Appl. Opt. 1988. Vol.27. P.l 126-1134.

9. Feke G.T., Goger D.G., Tagaea //. et al. Laser Doppler technique for absolute measurement of blood speed in retinal vessels // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1987. Vol.34. P.673-680.

10. Riva C.E., Pournaras C.J., Poitry-Yamate C.L. Rhythmic changes in velocity, volume, and flow of blood in the optic nerve head tissue // Micro-Vase. Res. 1990. Vol.40. P.36^5.

11. Приезжее А.В. Лазерная биофизика клеточной подвижности // Изв. АН СССР. Сер. Физическая. 1986. Т.50. С.1134-1138.

12. Jentink H.W., Mull F.F.M. de, Snichies H.E. et al. Small laser Doppler velocimeter based on the self-mixing effect in a diode laser // Appl. Opt. 1988. Vol.27. P.379-385.

13. Ruth B. Superposition of two dynamic speckle-patterns: An application to non-contact blood measurements//J. Mod. Opt. 1987. Vol.34. P.257-273.

14. Ruth В. Non-contact blood flow determination using a laser speckle method // Opt. Laser Tech. 1988. Vol.20. P.309-316.

15. Ruth B. Blood flow determination by the laser speckle method // Intern. J. Microcirc. Clin. Exp. 1990. Vol.9. P.21-45.

16. Asakura T. Dynamic properties of bio-speckles and their application to blood flow measurements. Tokyo: Anritsu Corporation Publ., 1989.

17. Mavroidis Т., Dainty J.C. Imaging after double passage through a random screen // Opt. Lett. 1990. Vol.15. P.857-859.

18. Okamoto Т., Asakura T. Velocity measurements of two diffusers using a temporal correlation length of doubly scattered speckle//J. Mod. Opt. 1990. Vol.37. P.389-408.

19. Pedley T.T. The Fluid Mechanics of Large Blood Vessels. Cambridge: Cambridge University Press, 1980.

20. Lighthill M.J. Pressure-forcing of tightly fitting pellets along fluid-filled elastic tubes // J. Fluid. Mech. 1968. Vol.34, №1. P. 113-143.

21. Fitz-Gerald J.M. Mechanics of red-cell motion through very narrow capillaries // Proc. of the Royal Society. 1969. Vol.B174. P. 193-227.

22. Perlin A., Tin-Kan Hung. Flow Development of a Train of Particles in Capillaries // J. of the Eng. Mechanics Division. 1978. Vol.EMl. P.49-66.

23. Kalion V.A., Shmakov Yu.V. Mathematical model of erythrocyte motion in capillaries and its application to mechanical properties of the RBC membrane deformation // Ukrainian Academy of Sciences Reports. 1990. Ser.A. Vol.4. P.49-52.

24. Ткачеико Б.И. Физиология кровообращения: физиология сосудистой системы. М.: Паука, 1984.

25. Bednov A.A., Brill G.E., Tuchin V.V. et al. Blood and lymph flow measurements in microvessels using focused laser beam diffraction phenomenon // Proc. SPIE. Laser Applications in Life Sciences. 1994. Vol.2370. P.379.

26. Хугаева B.K. Оииоидергическая регуляция микролимфоциркуляции в норме и при ишемии: Автореф. дис. . д-ра мед. паук. М., 1993.

27. Орлов Р.С., Борисова Р.П., Бубнова Н.А. и др. Лимфатические сосуды: тонус, моторика, регуляция//Физиол. жури. им. И.М. Сеченова. 1991. Т.77, выи.9. С. 140.

28. Johnston M.G. The instrinsic lymph pump Lymphology. 1989. Vol.22. P.l 16.

29. McHale N.G. Role of the lymph pump and its control // NIPS. 1995. Vol.10, №6. P.l 12.

30. Гашев А.А. Механизм формирования обратного заброса жидкости в лимфангионах // Физиол. жури. им. И.М. Сеченова. 1991. Т.77, №7. С.63.

31. Ульянов С.С., Тучин В.В. Получение фазовых портретов кардиовибраций человека с помощью спекл-интерферометрии // Прикл. нелинейная динамика. 1994. №3-4. С.44.

32. Анищенко B.C., Сапарин П.И., Курте И. и др. Анализ динамики сердечного ритма человека па основе критерия неренормироваппой энтропии // Прикл. нелинейная динамика. 1994. №3-4. С.55.

33. Shepherd А.P., Oberg R.A. Laser-Doppler Flometry. Boston; Pordrecht; London: Kluwer Academic Publisher, 1990.

34. Elias R.M., Johnston M.G., Hayashi A., Nelson W. Decreased lymphatic pumping after intravenous endotoxin administration in sheep // Amer. J. Physiol. 1987. Vol. 253, №6. Р.И1349.

35. Drake R.E., Laine G.A. Pulmonary microvascular permeability to fluid and macromolecules //J. Appl. Phisiol. 1988. Vol.64. P.487.

36. Tonapoea С.Г. Взаимосвязь реакций лимфатических сосудов брыжейки с изменениями в них лимфотока под влиянием адреналина // Физиол. жури. им. И.М. Сеченова. 1988. Т.74, №4. С.558.

37. Ulyanov S.S., Tuchin V.V., Bednov A.A. et al. Speckle-intcrferometric method in application to the blood and lymph flow monitoring in microvesscls // Lasers in Med. Sciences. 1997. Vol.12, №1. P.31-41.

38. Ulyanov S.S. Speckled speckles statistics with a small number of scattcrers, an implication for blood flow measurements // J. Biomed. Opt. 1998. Vol.3, №3. P.237-245.

39. Ulyanov S.S. Dynamics of statistically inhomogeneous speckle-fields used for blood microcirculation analysis // Proc. SPIE. 1993. Vol.2082. P.224.

40. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, 1977.

41. Градштейн КС., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Паука, Государственное изд-во физической и математической литературы, 1971.

42. Рытое С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Ч.Н. Случайные поля. М.: Наука, 1978.

43. Kuzmin S.Yu., Ul'yanov S.S., Tuchin V.V. et al. Speckle and speckle-interferometric methods in cardiodiagnostics // Proc. SPIE. 1996. Vol.2732. P.82-99.

44. Ul'yanov S.S., Tuchin V.V. Partially developed speckle-field dynamics for blood microvessels and biovibrations parameters measurement// Proe. SPIE. 1993. Vol.1922. P.284-292.

45. Galanzha E.I., Brill G.E., Aizu Y. et al. Spccklc and Doppler Methods of Blood and Lymph Plow Monitoring (Chap.) // Handbook of Opt. Biomed. Diagnostics. Bellingham: SPIE Press, PM107, 2002. P.875-937

46. Бедное А.А., Ульянов C.C., Тучин В.В. и др. Исследование динамики лимфотока методом спекл-интерферометрии // Прикл. нелинейная динамика. 1996. Т.4, №3. С.42

47. Бршль Г.Е., Сергеев И.П., Глазкова Е.И., Мороховец II.В. Действие стафилококкового токсина на систему микроциркуляции // Патол. физиология и эксиерим. терапия. 1992. №1. С.21.

48. Laser Doppler Blood Flowmetry / Eds. A.P. Shepherd, P.A. Oberg. Boston; Dordrecht; London: Kluwer Academic Publishers, 1989.

49. Bonner R., Nossal R. Model of laser Doppler measurements of blood flow in tissue // Appl. Opt. 1981. Vol.20, №12. P.2097-2107.

50. Briers J.D., Webster S. Laser speckle contrast analysis (LASCA): a nonscanning, full field technique for monitoring of capillary blood flow // J. of Biomed. Opt. 1996. Vol. 1, №2. P. 174

51. Pine D.J., Weitz D.A., Zhu J.X., Herbolzheimer E. Diffusing-wave spectroscopy: dynamic light scattering in the multiple scattering limit // J. Phys. France. 1990. Vol.51. P.2101-2127.

52. Ishimaru A. Theory and application of wave propagation and scattering in random media // Proc. IEEE. Vol.65, №7. P. 1030-1061.

53. Koelink M.H., Mul F.F.M. de, Greve J. et al. Analytical calculations and Montc-Carlo simulations of laser Dopplcr flowmetry using a cubic lattice model //Appl. Opt. 1992. Vol.31, №16. P.3061-3067.

54. Chen Zh., Milner Т.Е., Dave D., Nelson J.S. Optical Doppler tomographic imaging of fluid flow velocity in highly scattering media // Opt. Lett. 1997. Vol.22, №1. P.64-66.

55. Izatt J.A., Kulkami M.D., Yazdanfar Siavash et al. In vivo bidirectional color Dopplcr flow imaging of picoliter blood volumes using optical coherence tomography // Opt. Lett. 1997. Vol.22, №18. P. 1439-1441.

56. Wang Xiao-jun, Milner Т.Е., Chen Zh., Nelson J.S. Measurement of fluid-flow-velocity profile in turbid media by the use of optical Doppler tomography // Appl. Opt. 1997. Vol.36, №1. P. 144-149.

57. Sadhawani A., Schomacker K.T., Tearney G.J., Nishioka N.S. Determination of teflon thickness with laser specklc. I. Potential for burn depth diagnostics // Appl. Opt. 1996. Vol.35, №28. P.5727-5734.

58. Starukhin P.Yu., Ul'yanov S.S., Tuchin V.V. Montc-Carlo Simulation of Doppler Shift for Laser Propagation in a Highly Scattering Medium // Proc. SPIE. 1997. Vol.3053. P.42-47.

59. Starukhin P., Ulyanov S., Galanzha E., Tuchin V. Blood-flow measurements with a small number of scattering events // Appl. Opt. 2000. Vol.39, №16. P.2823-2830.

60. Bonner R., Nossal R. Model for laser Doppler measurements of blood in tissue // Appl. Opt. 1981. Vol.20. P.2097-2107.

61. Nossal R., Bonner R., Weiss G. The influence of path length on remote optical sensing of properties of biological tissue// Appl. Opt. 1989. Vol.28. P.223 8-2244.

62. Tuchin V. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnostics. Bellingham: SPIE Monograph Press, 2000. Vol.TT38. P.20.

63. Bednov A.A., Cheng С., Ul'yanov S.S., Yodh A.G. Coherent diagnostics of burned skin: experiments with phantoms // Proc. SPIE. 2000. Vol.3915. P.275-284.

64. Bednov A.A., Ulyanov S.S., Cheng C., Yodh A.G. Correlation properties of multiple scattered light: Implication to coherent diagnostics of burned skin // J. Biomed. Opt. 2004. Vol.9, №2. P.347-352.

65. AczelA.D. Complete business statistics. Homcwood, Illinois: Richard D. Irvin Inc., 1989.

66. Klonoff D.C. Noninvasive blood glucosc monitoring // Diabetes Care. 1997. Vol.20, №3. P.433-437.

67. McNichols R.J., Cote G.L. Optical glucosc sensing in biological fluids an overview // J. Biomed. Opt. 2000. Vol.5, №1. P.5-16.

68. Heinemann L., Schmelzeisen-Redeker G. Non-invasive continuous glucose monitoring in Type 1 diabetic patients with optical glucose sensors // Diabetologia. 1998. Vol.41. P.848-854.

69. Cote G.L., Fox M.D., Nortrop R.B. Noninvasive optical polarimetric glucose sensing using a true phase measurement technique // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1992. Vol.39, №7. P.752-756.

70. King T.W., Cote G.L., McNichols R., Goetz Jr.M.J. Multispectral polarimetric glucose detection using a single Pockcls cell // Opt. Eng. 1994. Vol.33, №8. P.2746-2753.

71. McNichols R.G., Cote G.L., Goetz M.J., King T.W. Linear superposition of specific rotation for the detection of glucose // Proc. IEEE. 1993. Vol.5, №3. P.1549-1550.

72. Cameron B.D., Gorge H.W., Satheesan В., Cote G.L. The use of polarized laser light through the eye for noninvasive glucose monitoring // Diabetes Technology and Therapeutics. 1999. Vol.1, №2. P. 135-143.

73. Rabinovitch В., March W.F., Adams R.L. Noninvasive glucose monitoring of the aqueous humor of the Eye: Part I. Measurement of very small optical rotations // Diabetes Care. 1982. Vol.5, №3. P.254-258.

74. March W.F., Rabinovitch В., Adams R.L. Noninvasive glucosc monitoring of the aqueous humor of the Eye: Part II. Animal studies and the scleral lens // Diabetes Care. 1982. Vol.5, №3. P.259-265.

75. Chou С., Han C.Y., Kuo W.C. et al. Noninvasive glucose monitoring in vivo with an optical heterodyne polarimeter// Appl. Opt. 1998. Vol.37, №16. P.3553-3557.

76. Chou C., Huang Y.C., Feng C.M., Chang M. Amplitude sensitive optical heterodyne and phase lock-in technique on small optical rotation angle detection of chiral liquid // Japan J. Appl. Phys. 1997. Vol.36. P.356-359.

77. Cameron B.D., Cote G.L. Noninvasive glucose sensing utilizing a digital closcd-loop polarimetric approach // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1997. Vol.44, №12. P. 1221-1227.

78. Heise H.M. Non-invasive monitoring of metabolites using near infrared spectroscopy: state of the art // Horm. Metab. Research. 1996. Vol.28. P.527-534.

79. Heise H.M., Marbach R., Koschinsky Th., Gries F.A. Noninvasive glucose sensors based on near-infrared spectroscopy // In. J. Artif. Org. 1994. Vol.18, №6. P.439^47.

80. Zeller H., Novak P., Landgraf R. Blood glucose measurement by infrared spectroscopy // In. J. Artif. Org. 1989. Vol.12, №2. P. 129-135.

81. Robinson M.R., Eaton R.P., Haaland D.M. el al. Noninvasive glucose monitoring in diabetic patients: a preliminary evaluation // Clin. Chem. 1992. Vol.38, №9. P. 1618-1622.

82. McShane M.J., Cote G.L Near-infrared spectroscopy for determination of glucose, lactate, and ammonia in cell eulture media // Appl. Spectroscopy. 1998. Vol.52, №8. P. 1073-1078.

83. Chung H., Arnold M.A., Rhiel M., Murhammer D.W. Simultaneous measurements of glucose, glutamine, ammonia, lactate and glutamate in aqueous solutions by near IR spectroscopy // Appl. Spectroscopy. 1996. Vol.50, №2. P.270-276.

84. Pan S., Chung H., Arnold M.A., Small G.W. Near-infrared spectroscopic measurement of physiological glucose levels in variable matrices of protein and triglycerides // Anal. Chem. 1996. Vol.68. P.l 124-1135.

85. Danzer К, Fischbacher С., Jagemann K.U., Reichelt K.J. Near-infrared diffuse reflection spectroscopy for noninvasive blood-glucose monitoring // IEEE-LEOS Newslett. 1998. Vol.12, №2. I\9-11.

86. Midler U.A., Merles В., Fischbacher C. et al. Non-invasive blood glucose monitoring by means of near infrared spectroscopy: methods for improving the reliability of the calibration models // In. J. Artif. Org. 1997. Vol.20, №5. P.285-290.

87. Arnold M.A. Non-invasive glucose monitoring // Current Opinion in Biotechnology. 1996. Vol.7. P.46^19.

88. Robinson K. Blood analysis: Noninvasive methods hover on horizon // Biophotonics Intern. 1998. Vol.5, №3. P.48-52.

89. Goetz M.J., Cote G.L., March W.E. et al. Application of a multivariate technique to Raman spectra for quantification of body chemicals // IEEE Transactions on Biomed. Eng. 1995. Vol.42, №7. P.728-731.

90. Wicksted J.P., Erckens R.J., Motamedi M., March W.F. Raman spectroscopy studies of metabolic concentrations in aqueous solutions and aqueous humor specimens // Appl. Spectroscopy. 1995. Vol.49, №7. P.987-993.

91. Wicksted J.P., Erkens R.J., Motamedi M., March W.E. Monitoring of aquaous humor metabolites using Raman spectroscopy // Proc. SPIE. 1994. Vol.2135. P.264-274.

92. Koo T.-W., Berger A.J., Itzkan 1. et al. Reagentless blood analysis by near-infrared Raman spectroscopy // Diabetes Technology and Therapeutics. 1999. Vol.1, №2. P. 153-157.

93. Berger A.J., Koo T.-W., Itzkan I. et al. Multicomponcnt blood analysis by near-infrared Raman spectroscopy //Appl. Opt. 1999. Vol.38, №13. P.2916-2926.

94. Berger A.J., Wang Y, Feld M.S. Rapid, noninvasive concentration measurements of aqueous biological analytes by near infrared Raman spectroscopy // Appl. Opt. 1996. Vol.35. P.209-212.

95. Berger A.J., Itzkan /., Feld M.S. Feasibility of measuring blood glucosc concentration by near-infrared Raman spectroscopy // Spectrochim. Acta. 1997. Vol.53. P.287-292.

96. Goetz M.J., Cote G.L., Erckens R. et al. Application of multivariate technique to Raman spectra for quantification of body chemicals // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1995. Vol.42, №7. P.728-731.

97. Wang S.Y., Hasty C.E., Watson P.A. et al. Analysis of metabolytcs in aqueous humor solution by using laser Raman spectroscopy // Appl. Opt. 1993. Vol.32, №6. P.925-929.

98. Dou X., Yamaguchi Y., Yamamoto H. et al. Quantitative analysis of metabolites in urine using a highly precise, compact near-infrared Raman spectrometer// Vibrational Spectroscopy. 1996. Vol.13. P.83-89.

99. Borchert M.S., Storrie-Lombardi M.C., Lambert J.L. A non-invasive glucose monitor: Preliminary results in rabbits // Diabetes Technology and Therapeutics. 1999. Vol.1, №2. P.145-152.

100. Russell R.J., Pishko M.V., Gefrides C.C. et al. A fluorescence-based glucose biosensor using concanavalin A and dextran encapsulated in a poly(ethylene glycol) hydrogel // Anal. Chcm. 1999. Vol.71, №15. P.3126-3132.

101. Tolosa L., Gryczynskj J., Eichhorn L.R. et al. Glucosc sensor for low-cost lifetime-based sensing using a genetically engineered protein // Anal. Biochem. 1999. Vol.267. P.l 14-120.

102. March W.F., Hurst J., Bell В., Motamedi M. Intraocular Lens Glucosc Sensor // Investigative Ophthalmology. 2000. Vol.6. P. 103. Suppl.

103. Tolosa L., Szmacinski H., Rao G. et al. Lifetime-based sensing of glucosc using energy transfer with a long lifetime donor//Anal. Biochem. 1997. Vol.250. P. 102-108.

104. Careaga C.L., Sutherland J., Sabeti J., Falke J.J. Large amplitude twisting motions of an interdomain hinge: a disulfide trapping study of the galactose-glucose binding protein // Biochemistry. 1995. Vol.34. P.3048-3055.

105. Lakowicz J.R., Castellano F.N., Dattelbaum J.D. et al. Low-frequency modulation sensors using nanosecond lluorophores // Anal. Chem. 1998. Vol.70. P.5115-5121.

106. Lakowicz J.R., Maliwal B.P. Construction and performance of a variable-frequency phase-modulation fluorometer // Biophys. Chem. 1985. Vol.25. P.61-78.

107. Kohl M., Cope M. The influence of glucosc concentration upon the transport of light in tissue-simulating phantoms//Phys. Med. Biol. 1995. Vol.40. P. 1267-1287.

108. Kohl M, Cope M. Influence of glucose concentration on light scattering in tissue-simulating phantoms // Opt. Lett. 1994. Vol.19, №24. P.2170-2172.

109. Maier J.S., Walker S.A., Fantini S. et al. Possible correlation between blood glucosc concentration and the reduced scattering cocfficicnt of tissue in the near-infrared // Opt. Lett. 1994. Vol.19, №24. P.2062-2064.

110. Bruulsema J.T., Hayward J.E., Farrell T.J. et al. Correlation between blood glucosc concentration in diabetics and noninvasively measured tissue optical scattering coefficient // Opt. Lett. 1997. Vol.22, №3. P.190-192.

111. MacKenzie H.A., Ashton H.S. Blood glucose measurements by photoacoustic technique in diabetic patients // Proc. of the OSA Topical Meeting on Biomed. Opt. Spectroscopy and Diagnostics. Orlando, 1998. March. P.l 14-116.

112. Rosencwaig A. Non-invasive monitoring of glucose and other biological compounds with the help of thermal waves // Proc. SPIE. 2000. Vol.3916. P.2-8.

113. Quan K.M., Christison G.B., McKenzie H.A., Hodgson P. Glucose determination by a pulsed photoacoustic technique: an experimental study using a gelatin-based tissue phantom // Phys. Med. Biol. 1993. Vol.38. P.1911-1922.

114. Huang D., Swanson E.A., Lin C.P. et al. Optical cohcrenee tomography // Scicnce. 1991. Vol.254. P.l 178-1181.

115. Нее M.R., Izatt J.A., Swanson E.A. et al. Optical coherence tomography of the human retina Arch//Ophthalmol. 1995. Vol.113, №3. P.325-332.

116. Schmitt J.M. Optical cohercncc tomography: a review // IEEE J. of Selcctcd topics on Quantum Electronics. 1999. Vol.5, №4. P. 1205-1215.

117. Rollins A.M., Izatt A. SNR analysis of conventional and optimal fiber-optic low-cohcrence interferometer topologies // Proe. SPIE. 2000. Vol.3915. P.60-67.

118. Ishimaru A. Diffusion of light in turbid material //Appl. Opt. 1989. Vol.28. P.2210-2215.

119. Pohjola S. The glucose contcnt of the aqueous humour in man // Acta Ophthalmol. Munksgaard, Copenhagen. 1966. Vol.88. P.l 1-80. Suppl.

120. Peura R.A., Mendelson Y. Blood glucose sensors: An overview // Presented at IEEE/NSF Symposium on Biosensors, Los Angeles, CA. 1984. P.63-68.

121. Maurice D.M., Riley M.V. The biochemistry of the cornea // The Biochem. of the Eye / Ed. by C.N. Graymorc. London: Academic Press, 1968.

122. Steven F.S., Tristram G.R. The denaturation of acetic acid-soluble calf-skin collagen // Biochem. J. 1962. Vol.85. P.207.

123. Gough D.A. The composition and optical rotatory dispersion of bovine aqueous humor // Diabetes Care. 1982. Vol.5, №3. P.266-270.

124. March W.F., Engerman R., Rabinovitch B. Optical monitor of glucose // Trans. Amer. Soc. Artif. Intern. Organs. 1979. Vol.25. P.28.

125. American National Standard Z136.1-1993. P.43.

126. Kinsey V.E., Reddy D.V.N. Chemistry and dynamics of aqueous humor // The Rabbit in Eye Research / Ed. by J.I I. Prince. Springfield, Illinois: Charles С Thomas Publisher, 1964. P.218-320.

127. Osuobeni E.P. Ocular components values and their intercorrelation in Saudi Arabians // Ophthal. Physiol. Opt. 1999. Vol.19, №6. P.489^197.

128. Kuchle M., Viestenz A., Martus P. et al. Anterior chamber depth and complications during cataract surgery in eyes with pseudoexfoliation syndrome // Amer. J. Ophthal. 2000. Vol.129, №3. P.281-285.

129. Garner L.F., Yap K.H. Changes in ocular dimensions and refraction with accommodation //Ophthal. Physiol. Opt. 1997. Vol.17, №1. P. 12-17.

130. Kohl M., Essenpreis M., Bocker D„ Cope M. Glucosc induced changcs in scattering and light transport in tissue simulating phantoms // Proc. SPIE 1995. Vol.2389. P.780-788.

131. Amato I. Racc quickens for non-stick blood monitoring technology // Sciencc. 1992. Vol.258. P.892-893.

132. Keller //. Klinisch-chemischc Labordiagnostik fur die Praxis. 2nd ed. Stuttgart: Georg Thieme Verlag, 1991.P.253.

133. Optical-thermal response of laser-irradiated tissue / Eds. A.J. Wclch, M.J.C. Gemert van. New York: Plenum Press, 1995.

134. Agah R., Gandjbakhche A.H., Motamedi M. et al. Dynamics of temperature dependent optical properties of tissue: dcpendcncc on thermally induced alteration // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1996. Vol.43, №8. P.839-846.

135. Lanfer J., Simpson R., Kohl M. et al. Effect of temperature on the optical properties of ex vivo human dermis and subdermis // Phys. Med. Biol. 1998. Vol.43. P.2479-2489.

136. McShane M.J., Cote G.L. Near infrared spectroscopy for determination of glucose, lactate, and ammonia in ccll eulture media // Appl. Spectr. 1998. Vol.52, №8. P. 1073-1078.

137. Chan E.K., Sorg В., Protcenko D. et al. Effects of compression on soft tissue optical properties // IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics. 1996. Vol.2, №4. P.943-950.

138. Vargas G., Chan E.K., Barton J.K. et al. Use of an agent to rcducc scattering in skin // Lasers in Surgery and Medicine. 1999. Vol.24. P. 133-141.

139. Cilesiz I.F., Welch A.J. Light dosimetry: effects of dehydration and thermal damage on the optical properties of the human aorta // Appl. Opt. 1993. Vol.32, №4. P.477-487.

140. Hall J.W., Pollard A. Near-infrared spectrophotometry: a new dimension in clinical chcmistry //Clin. Chem. 1992. Vol.38. P. 1623-1631.

141. Crawford В., Swanson D. An introduction to molecular vibrations // Infrared Raman Spectroscopy / Eds. E.G. Bramc, J. Grassclli. New York: Marccl Dekker Inc., 1976. P. 1-71.

142. Berger A.J. Introduction to conccpts in laser technology for glucose monitoring // Diabetes Technology and Therapeutics. 1999. Vol.1, №2. P.121-128.

143. Mahadevan-Jansen A., Richards-Kortum R. Raman spectroscopy for the detection of cancers and precancers // J. Biomed. Opt. 1996. Vol.1, №1. P.31-70.

144. Haaland D.M., Robinson M.R., Koepp G.W. et al. Reagentless near IR determination of glucose in whole blood using multivariate calibration // Appl. Spect. 1992. Vol.46, №10. P. 1575-1578.

145. Spiegelman C.H., McShane J., Goetz M.J. et al. Theoretical justification of wavelength selection in PLS calibration: Development of a new algorithm // Anal. Chem. 1998. Vol.70. P.35-44.

146. Schaffar В.P., Wolfbeis O.S. A fast responding fiber optic glucose biosensor based on an oxygen optrode// Biosens. Bioelectron. 1990. Vol.5, №2. P. 137-148.

147. Mansouri S., Schultz J.S. A miniature optical glucose sensor based on affinity binding // Biotechnology. 1990. Vol.2. P.885-890.

148. Trettnak W., Wolfbeis O.S. Fully reversible fibre-optic glucose biosensor based on the intrinsic fluorescence of glucose oxidase// Anal. Chimica Acta. 1989. Vol.221. P.195-203.

149. Tamada J.A., Bohannon N.J.V., Potts R.O. Measurement of glucose in diabetic subjects using noninvasive transdermal extraction // Nature Medicine. 1995. Vol. 1, № 11. P. 1198-1201.

150. Jacques S.L., McAuliffe D.J., Blank I.H., Parrish J.A. Controlled removal of human stratum corneum by pulsed laser//J. Invest. Dermatol. 1987. Vol.88, №1. P.88-93.

151. Boos W. Structurally Defective Galactose-binding Protein Isolated from a Mutant Negative in the B-Methylgalactoside Transport System of Escherichia coli // J. Biol. Chem. 1972. Vol.247, №17. P.5414-5424.

152. Zukin R.S., Strange P.G., Heavey L.R., Koshland D.E. Properties of the galactose binding protein of Salmonella typhimurium and Escherichia coli // Biochemistry. 1977. Vol.16, №3. P.381-386.

153. Geigy Scientific Tables 3 / Ed. by C. Lcntner. Ciba-Geigy, Basel, Switzerland, 1984. P.69.

154. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 81st ed. / Ed. by D.R. Lide. London: Boca Raton; New York: CRC Press, 2000-2001.

155. Physical Properties of Tissue. A Comprehensive Reference Book / Ed. by F.A. Duck. London: Academic Press, 1990.

156. Liu H., Beauvoit В., Kimura M., Chance B. Dependence of tissue properties on solute-induced changes in refractive index and osmolarity // J. Biomcd. Opt. 1996. Vol.1, №2. P.200

157. Cote G.L. Noninvasive optical glucose sensing an overview // J. Clin. Eng. 1997. Vol.22, №4. P.253-259.

158. Gusev V.E., Karabutov A.A. Laser optoacoustics. New York: AIP, 1993.

159. Oraevsky A.A. A nanosecond acoustic transducer with application in laser medicine // IEEE LEOS Newsletter. 1994. Vol.8, №1. P.6-8.

160. Larin K.V., Oraevsky A.A. Optoacoustic signal profiles for monitoring glucosc concentration in turbid media// Proc. SPIE. 1998. Vol.3726. P.576-563.

161. Oraevsky A.A., Karabutov A.A. Ultimate sensitivity of time-resolved opto-acoustic detection // Proc. SPIE. 2000. Vol.3916. P.228-239.

162. Oraevsky A.A., Jacques S.L., Tittel F.K. Measurement of tissue optical properties by time-resolved detection of laser-induced transient stress // Appl. Opt. 1997. Vol.36, №1. P.402-415.

163. Karabutov A.A., Podymova N.D., Letokhov V.S. Time-rcsolvcd laser optoacoustic tomography of inhomogcncous media// Appl. Phys. B. 1996. Vol.63. P.545-563.

164. Karabutov A.A., Savateeva E.V., Oraevsky A.A. Imaging of layered structures in biological tissues with opto-acoustic front surface transducer // Proc. SPIE. 1999. Vol.3601. P.284-295.

165. Dohren C.F., Huffman D.R. Absorption and scattering of light by small particles. New York: Wiley-Interscience Publ., 1983.

166. Tuchin V.V., Maksimova I.L., Zimnyakov D.A. et al. Light propagation in tissues with controlled optical properties // J. Biomed. Opt. 1997. Vol.2. P.401-417.

167. Savateeva E.V., Karabutov A.A., Solomatin S.V., Oraevsky A.A. Optical properties of blood at various levels of oxygenation studied by time resolved detection of laser-induccd pressure profiles // Proc. SPIE. 2003. Vol.4618. P.63-75.

168. Bednov A.A., Savateeva E. V., Oraevsky A.A. Opto-acoustic monitoring of blood optical properties as a function of glucosc concentration // Proc. SPIE. 2003. Vol.4960. P.21-29.

169. Oraevsky A.A., Esenaliev R.O., Jacques S.L., Tittel F.K. Laser Opto-Acoustic Tomography for mcdical diagnostics: principles // Proc. SPIE. 1996. Vol.2676. P.22-31.

170. Bednov A.A., Karabutov A.A., Savateeva E.V. et al. Glucose monitoring in vivo by measuring laser-induced acoustic profiles // Proc. SPIE. 2000. Vol.3916. P.9-18.

171. Vogel A., Dlugos C., Nuffer R. et al. Optical properties of human sclera, and their consequences for transscleral laser applications // Lasers in Surgery and Medicine. 1991. Vol.11.P.331-340.

172. Prince J.H. Dimensions of the eye, cornea, trabecular region, sclcra // The Rabbit in Bye Research / Eds. by J.H. Prince, C. Charles. Springfield, Illinois: Thomas Publisher, 1964. P.86-139.

173. Torcynski E. Sclera // Biomedical foundations in ophthalmology / Eds. T.D. Duanc, E.A. Jaeger. Philadelphia: J.B. Lippinscott Co., 1988. Vol.1. P.l-28.

174. Oyster C.W. The human eye: structure and function. Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc. Publishers, 1999.

175. Bashkatov A.N., Tuchin V.V., Genina E.A. et al. The human sclcra dynamic spectra: in vitro and in vivo measurements// Proc. SPIE. 1999. Vol.3591. P.311-319.

176. Davson //. The Eye. 3rd ed. Orlando, Fla: Academic press, 1984.

177. Karabutov A.A., Savateeva E.V. Podymova N.B. et al. Backward mode detection of laser-induced wide-band ultrasonic transients with optoacoustic transducer // J. Appl. Phys. 2000. Vol.87, №4. P. 1-12.

178. Benedek G.B. Theory of transparency of the eye // Appl. Opt. 1971. Vol.10, №3. P.459-473.

179. Tuchin V.V. Coherent optical techniques for the analysis of tissue structure and dynamics //J. Biomed. Opt. 1999. Vol.4, №1. P. 106-124.

180. Wang X., Milner Т.Е., Chang M.C. et al. Group refractive index measurement of dry and hydrated type I collagen films using optical low-coherence refiectometry // J. Biomed. Opt. 1996. Vol.1, №2. P.212-216.

181. Huang Yi„ Meek K.M. Swelling studies on the cornea and sclera: the effects of pi I and ionic strength//Biophys. J. 1999. Vol.77. P. 1655-1665.

182. Graaff R., Aarnoudse J.G., Zijp J.R. et al. Reduced light scattering properties for mixtures of spherical particles: a simple approximation derived from Mie calculations // Appl. Opt. 1992. Vol.31, №10. P.1370—1376.

183. Handbook of Optical Biomedical Diagnostics / Ed. by V.V. Tuchin. Bellingham; Washington: SPIE Press, 2002.

184. Timasheff S.N. Control of protein stability and reactions by weakly interacting cosolvents: the simplicity of the complicated //Advances in protein chemistry. 1998. Vol.51. P.356-433.

185. Kita Y., Arakawa Т., Lin T.-Yi., and Timasheff S.N. Contribution of the surface free energy perturbation to protein-solvent interactions. Biochemistry. 1994. Vol.33. P.15178-15189.

186. Mathews C.K., Holde K.E. van. Biochemistry. Redwood City, CA: Bcnjamin/Cummings Publ. Co. Inc., 1990.

187. Reiser K.M., Amigable M.A., Last J.A. Nonenzymatic glycation of type I collagen // J. Biol. Chem. 1992. Vol.267, №34. P.24207-24216.

188. Reiser K.M. Nonenzymatic glycation of collagen in aging and diabetes // Proc. of the Society for Experimental Biology and Medicine. 1998. Vol.218, №1. P.23-37.

189. Chance В., Liu H., Kitai T. et al. Effects of solutes on optical properties of biological materials: models, cells, and tissues // Anal. Biochem. 1995. Vol.227. P.351-362.

190. Hoffman R. Hematology: basic principles and practice. 3rd ed. New York: Churchill Livingstone, 2000.

191. Zierler K. Whole body glucose metabolism // Amer. J. Physiol. 1999. Vol.276. P.E409-E426.

192. Guyton A.S. Human physiology and mechanisms of disease. 5th ed. Philadelphia: W.B. Saunders, 1992.

Информация о работе

Беднов, Андрей Александрович
кандидата физико-математических наук
Саратов, 2006
ВАК 03.00.02

Диссертация

Исследование оптических свойств соединительных тканей методами когерентной оптики и оптоакустики - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы