Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование взаимосвязи между эффективностью лазерного фототермолиза с участием золотых наночастиц и оптическими характеристиками биотканей

ВАК РФ 03.01.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование взаимосвязи между эффективностью лазерного фототермолиза с участием золотых наночастиц и оптическими характеристиками биотканей"

На правах рукописи

Ревзина Елена Мстиславовна

Исследование взаимосвязи между

эффективностью лазерного фототермолиза с участием золотых наночастиц и оптическими характеристиками биотканей

(03.01.02 - биофизика)

2 2 ИЮН 2012

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов - 2012

005046142

Работа выполнена на кафедре оптики и биофотоники Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор И.Л.Максимова

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Зимняков Д.А. доктор физико-математических наук, доцент Хомутов Г.Б.

Ведущая организация:

ГБОУ ВПО «Саратовский Государственный Медицинский Университет имени В. И. Разумовского»

Защита диссертации состоится «2» июля 2012г. в 17 часов 30 минут на заседании диссертационного совета (Д.212.243.05) при Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского по адресу: 410012, г.Саратов, ул. Астраханская, 83, корпус 3, физический факультет СГУ. аудитория 34

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского.

Автореферат разослан «1»июня 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Актуальность темы

В настоящее время интенсивно развиваются лазерные методы медицины, в частности лазерная гипертермия новообразований. Для достижения необходимого терапевтического эффекта лазерной гипертермии применяются различные термофотосенсибилизаторы, наиболее эффективными из которых являются золотые наночастицы. Уровень накопления термофотосенсибилизаторов в биологических тканях зависит от времени, поэтому важно проводить облучение в период их максимального накопления. При этом должна достигаться необходимая температура во всем объеме опухолевой ткани, так как недостаточный нагрев может стимулировать рост опухоли. Развитие метода лазерной гипертермии сдерживается отсутствием надежных неинвазивных методик определения оптимальных условий облучения. При этом важно определение как оптических характеристик собственно биоткани в каждом конкретном случае, так и степени селективного накопления термофотосенсибилизаторов в биоткани. От учета спектральных особенностей биоткани и количества накопленных в ней термофотосенсебилизаторов зависит выбор корректной плотности мощности и времени облучения.

В данной диссертационной работе предлагается использовать метод спектроскопии обратного диффузного светорассеяния для предварительной оценки эффективности лазерного нагрева различных биотканей в зависимости от концентрации термофотосенсибилизаторов.

В диссертационной работе использованы методы, основанные на отражательной спектроскопии биологических тканей, которая в настоящее время успешно применяется в in vivo исследованиях и мониторинге биотканей [1]. Спектр диффузно отраженного биотканью излучения несет информацию о структуре биоткани, пространственном распределении хромофоров внутри биоткани и их концентрации [2]. Метод диффузной отражательной спектроскопии позволяет проводить в условиях in vivo дискриминацию нормальных и патологических тканей в целом ряде биотканей, в частности, в

мочевом пузыре, поджелудочной железе, пищеводе, кровеносных сосудах, толстой кишке, яичнике, легких и коже [2, 3].

Несмотря на значительный успех, достигнутый в этом направлении, существуют проблемы, обусловленные высокой вариабельностью результатов, получаемых с помощью волоконно-оптических спектрометров. Ранее изучалось влияние расстояния между волокнами и апертурных углов приемного и освещающего волокон на вид регистрируемых спектров обратного рассеяния, для рассеивающих систем, образованных или слабопоглощающими рассеивателями, или систем, образованных сильнопоглощающими металлическими частицами. Закономерности изменения спектров обратного светорассеяния биотканей при добавлении к ним сильнопоглощающих частиц практически не исследованы. Вследствие этого необходимость исследований подобной направленности не вызывает сомнения.

Целью диссертационной работы является:

Исследование закономерностей изменения спектров диффузного светорассеяния биотканей с внедренными селективными поглотителями в зависимости от концентрации и глубины их локализации, и разработка неинвазивного оптического метода предварительной оценки эффективности гипертермии и оптимизации параметров лазерного воздействия.

Для достижения целей исследования в работе поставлены и решены

следующие задачи:

1. Исследовать особенности спектров, получаемых с использованием волоконной приемно-осветительной системы, путем сравнения результатов спектральных измерений с помощью волоконно-оптических спектрометров и численного моделирования спектральных характеристик обратного светорассеяния дисперсных систем при различных расстояниях между приемными и освещающими волокнами с заданной апертурой.

2. Определить влияние концентрации термофотосенсебилизаторов в модельных рассеивающих объектах на спектры диффузного рассеяния, регистрируемые в условиях различной кратности рассеяния.

3. Исследовать взаимосвязь величины коэффициентов диффузного отражения модельных объектов и фантомов биотканей, полученных при помощи волоконно-оптического спектрометра, с соответствующей динамикой температуры при последующем лазерном нагреве.

Положения и результаты, выносимые на защиту

1. Для модели биоткани, содержащей слабопоглощающие рассеиватели и сильнопоглощающие плазмонно-резонансные наночастицы, при увеличении кратности рассеяния вид спектра обратного диффузного рассеяния меняется от спектральной кривой, имеющей максимум в области полосы плазмонного резонанса частиц, до спектральной кривой с минимумом в этой области.

2. Глубина возможной визуализации золотых нанооболочек по спектрам диффузного рассеяния в биоткани с коэффициентом рассеяния ц=10 см"1 зависит от концентрации золотых наночастиц и меняется в пределах от 200 мкм при СА„=М08 мл"1 до 2 мм при СЛи=1.7*109 мл"1.

3. Критерий, построенный на основе различия спектральных характеристик диффузного отражения объекта с золотыми наночастицами в области максимума поглощения и на границе полосы плазмонного резонанса, позволяет оценить эффективность нагрева при лазерном облучении данного объекта

Настоящее диссертационное исследование выполнено при поддержке Министерства науки и инноваций РФ госконтракт № 02.512.11.2034 «Разработка нанотехнологии лазерного селективного фототермолиза и контрастирования злокачественных новообразований на основе использования плазмонно-резонансных наночастиц», госконтракт № 02201163715 «Разработка нового способа динамического моделирования опухолевого роста при лазерной гипертермии», госконтракт № 02.740.11.0484 «Исследование терапевтических,

токсических и термических воздействий комплексов наночастица-фотосенсибилизатор при лазерном воздействии».

Научная новизна работы

Проведено численное моделирование спектров обратного светорассеяния систем рассеивающих частиц, содержащих сильнопоглощакнцие включения, позволившее получить принципиально новые закономерности изменения спектров, в зависимости от соотношения концентраций поглощающих и рассеивающих частиц. Экспериментально доказана возможность использования спектров обратного диффузного светорассеяния в качестве предварительной оценки эффективности нагрева биологических объектов с термофотосенсибилизаторами.

Научно-практическая значимость работы: Материалы диссертации использованы при проведении научных исследований на кафедре оптики и биофотоники физического факультета, в НИИ естественных наук ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского». А также в учебном процессе при чтении спецкурсов по дисциплинам «биофизика», «лазерные методы в медицине» и «электроника и наноэлектроника» студентам физического факультета и факультета нано- и биомедицинских технологий ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского».

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования доложены на SPIE Photonics-West-2008 (San Jose, California USA), Saratov Fall Meeting (Russia 2007, 2008, 2010, 2011), ежегодной Всероссийской научной школе-семинаре «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине» (Саратов 2010, 2011), Международной конференции "Photonics4 life" 2011 (Russia), VII Международной научно-практической конференции «Альянс наук: ученый - ученому» (Украина, 2012)

Достоверность научных результатов подтверждается использованием надежных математических методов, согласием с расчетами других групп (в

области совпадения моделей), а также качественным и количественным согласием с результатами экспериментов.

Личный вклад диссертанта и результаты, полученные совместно с другими исследователями:

Все представленные в диссертации экспериментальные результаты получены автором лично. Результаты теоретических исследований получены лично автором, с использованием программы численного моделирования диффузии фотонов в исследуемых средах, разработанной Скапцовым A.A. Диссертант показал достаточный уровень самостоятельности в постановке и решении задач, обработке и обсуждении полученных результатов.

Работа выполнена на кафедре оптики и биофотоники Саратовского государственного университета им. Н.Г.Чернышевского.

Публикации. Основные результаты исследования, выводы и положения диссертации опубликованы в 7 научных работах, из них 2 - в отечественных и иностранных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, основной части, содержащей 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы, состоящего из 128 ссылок. Диссертация содержит 35 рисунков.

Краткое содержание работы:

Во Введении обоснована актуальность темы работы, рассмотрена новизна, практическая значимость, сформулирована цель работы, основные задачи исследований, приведены основные положения, выносимые автором на защиту.

В Главе 1 проведен аналитический обзор литературы по теме диссертации. Основное внимание уделено особенностям спектроскопии диффузного светорассеяния при малом расстоянии между источником и приемником. Проанализированы особенности спектральных характеристик нормальных и патологических биотканей, а также методики и результаты лазерного термического воздействия на биоткань с термофотосенсибилизаторами.

В Главе 2 проведено исследование спектров диффузного светорассеяния при малом расстоянии между освещающим и приемньм волокнами с заданной числовой апертурой.

В основу анализа влияния геометрии эксперимента в широком диапазоне параметров в диссертационной работе положен метод имитационного компьютерного моделирования рассеяния света методом Монте-Карло.

Моделирование выполнено для различных расстояний между освещающим и приемными волокнами. Для эксперимента использовался датчик, диаметр волокон которого составляет 200 мкм, расстояние между центрами освещающего и приемного волокон около 220 мкм. При моделировании общее количество фотонов составляло 100000.

1500 1000 500 0

.2 3

400 500 600 700 800 900 длина волны,ни

¿2000 1500 1000 500 0

1

І 2000

г

1500 1000 500 0

400 500 600 700 800 900 длина волны.нм

400 500 600 700 800 900 длина волны.нм

а б в

Рис. 1 Модельные спектры обратного рассеяния системы непоглощающих (П1=1.4) частиц диаметром 20 нм в воде. Расстояние от торца волокна до поверхности образца: а) 100 мкм, б) 300 мкм, в) 500 мкм. Расстояние между центрами освещающего и приемного волокон: 1) 200 мкм, 2) 300 мкм, 3) 400 мкм.

Из рисунка 1 видно, что в зависимости от расстояния между волокнами и расстояния от торца волокна до поверхности объекта изменяется не только интенсивность регистрируемого сигнала, но и вид регистрируемой спектральной зависимости. Интенсивность рассеяния монотонно уменьшается с ростом длины волны, однако это уменьшение не такое резкое, как в спектральных характеристиках изолированной частицы, что связано с многократностью рассеяния. Можно сделать вывод, что по мере удаления торца

волокна от поверхности объекта должно увеличиваться расстояние между освещающим и приемным волокном для регистрации наиболее интенсивного сигнала. В зависимости от расстояния между освещающим и приемным волокнами, а также от расстояния между торцом и поверхностью объекта регистрируемые спектральные зависимости могут иметь качественно различный характер. В частности, для рассматриваемого случая системы малых по сравнению с длинной волны рассеивателей, регистрируемые спектры с ростом длины волны могут иметь вид как монотонно повышающейся, так и монотонно понижающейся кривой.

В работе также проведено численное исследование закономерностей изменения спектров диффузного отражения в зависимости от концентрации рассеивающих частиц и от расстояния между освещающим и приемным волокном.

Рис. 2 Зависимость числа зарегистрированных фотонов N от расстояния Ь между освещающим и приемным волокнами, для систем с различным коэффициентом рассеяния ц. а) радиус рассеивателей Юнм, б) радиус рассеивателей ЮОнм.

Для рассеивающих частиц с радиусом 10 нм максимальное число зарегистрированных фотонов при увеличении концентрации остается на неизменном расстоянии между освещающим и приемным волокнами, и

составляет 200 мкм. Для крупных же рассеивателей, по мере увеличения их концентрации и роста коэффициента рассеяния от |д=10 до ц=200 см"', расстояние между центрами волокон, соответствующее максимальному числу зарегистрированных фотонов, изменяется от L=800 до L=200 мкм.

На основе численного моделирования в работе были исследованы закономерности изменения спектров диффузного отражения в зависимости от радиуса рассеивателей. Моделирование проведено при различных расстояниях между освещающим и приемным волокнами.

Рис. 3 Зависимость числа зарегистрированных фотонов N от расстояния Ь между освещающим и приемным волокнами и радиуса Я рассеивающих частиц

Для системы непоглощающих частиц сильное влияние на количество зарегистрированных фотонов оказывает размер рассеивателей. Максимальное число фотонов регистрируется на небольших расстояниях между освещающим и приемным волокном (200 мкм) при радиусе рассеивателей, превышающем 0.5 мкм.

Глава 3 посвящена методике измерения спектров обратного светорассеяния. Приведено описание разработанного специализированного волоконнооптического устройства для измерения спектров диффузного рассеяния на живых объектах с микропозиционированием торца волокна.

Установка обеспечивает точное позиционирование области излучения относительно облучаемой поверхности и стабильность условий облучения в серии многократных экспериментов, позволяет изменять угол падения излучения, падающего на поверхность биообъекта.

В работе проведено тестирование нескольких физических моделей многослойной биологической ткани на основе желеобразующих систем (с использованием агара и желатина и добавлением рассеивающих частиц), а также твердых пористых объектов. Оптимальным для решения поставленных в работе задач оказались твердые пористые образцы на основе различных сортов бумаги. Такой выбор модельной системы позволяет получать слоистые системы с точно задаваемой толщиной слоев, стабильной на площади, значительно превышающей площадь поперечного сечения лазерного пучка и достаточной для проведения измерений на стандартном спектральном приборе. Детально исследованы объекты на основе белой бумаги плотностью 80 г/м2 ТУ 5438-016-00253497-2001 и фильтровальной лабораторная бумаги «Ф» ГОСТ 12026-76 плотностью 72-78 г/м2.

Проведено сопоставление спектров диффузного отражения окрашенных мелкопористых объектов, измеренных на различных спектрометрах с волоконно-оптическими зондами (лазерный электронно-спектральный анализатор ЛЭСА-01-БИОСПЕК, волоконно-оптический спектроанализатор Ocean Optics USB 4000 и спектрофотометр Perkin Elmer Lambda 950).

Регистрируемый спектр определяется не только оптическими характеристиками исследуемого объекта, но и геометрией эксперимента -использованием интегрирующей сферы или волоконно-оптического датчика, числовой апертурой освещающего волокна (или волокон), апертурным углом приемных волокон, расстоянием от торца волокна до поверхности биоткани, спектром отражения эталона, углом наклона оси волокна относительно нормали к поверхности, расстоянием между освещающими и приемными волокнами и т.п. Проведено сопоставление спектральных зависимостей обратного рассеяния, полученных на различных приборах для ряда тестовых

объектов. Показано, что положение максимумов и общий вид регистрируемых спектров определяется оптическими характеристиками исследуемых объектов и качественно совпадает для всех использованных в работе спектрометров. Закономерности наблюдаемых количественных различий регистрируемых спектров диффузного светорассеяния, обусловленных различиями оптико-геометрических параметров спектральных приборов, хорошо согласуются с результатами компьютерного моделирования, проведенного в работе.

Было исследовано изменение формы и интенсивности спектров обратного диффузного светорассеяния при изменении отклонения оси волоконного световода от нормали к поверхности используемых образцов. Для рассматриваемых в данной работе объектов изменение угла наклона оси волокна в диапазоне от 0 до 10 градусов не приводит к качественному изменению регистрируемых спектров отражения.

В Главе 4 проведен анализ спектров обратного диффузного светорассеяния дисперсных систем, содержащих локальные поглощающие включения.

Наличие сильно поглощающих металлических включений радикально меняет закономерности распространения излучения. Система из большого количества сильно рассеивающих слабопоглощающих частиц, в которой находится также некоторое количество сильнопоглощающих частиц, обладает уникальными свойствами.

На первом этапе проведено численное моделирование спектральных зависимостей диффузного отражения для системы золотых нанооболочек в воде без рассеивающих частиц, моделирующих биоткань. Полученные результаты свидетельствуют, что для такой системы спектр обратного диффузного рассеяния, регистрируемый волоконным спектрометром, качественно совпадает со спектральной зависимостью сечения рассеяния одной золотой частицы. При увеличении концентрации частиц увеличивается интегральная величина регистрируемого сигнала примерно в равной степени для всех длин волн, то есть качественных изменений регистрируемой спектральной зависимости при изменении концентрации поглощающих частиц

не происходит. Для количественной оценки влияния кратности рассеяния на вид спектральной зависимости в работе предложено использовать коэффициент К, получаемый из значений сигнала, регистрируемого в области максимума спектральной зависимости сечения экстинкции при Л=810нм и на границе полосы поглощения при Х=600нм

К=(К800-Яб00)/(Двоо+Кбоо) 1.0-,

350

Рис. 4. а) - Модельные спектры обратного рассеяния системы золотых нанооболочек с максимумом поглощения на 810 нм различной концентрации Сдц. 1 - спектр сечения экстинкции изолированной частицы, 2 -Сац=1'109 мл"1, 3- Сди^'Ю9 мл"', 4- САи=4'109 мл"1, 5 - Сди=8'109 мл"1; б) Зависимость коэффициента К от оптической плотности для той же

системы частиц.

С точки зрения выбора оптимальных условий спектрального эксперимента для обнаружения поглощающих частиц в системе модельных рассеивателей актуальным является исследование зависимости интенсивности регистрируемого сигнала, формируемого поглощающими частицами от расстояния между волокнами и других параметров спектрометра. На основе численного моделирования в работе проведен анализ соотношения вкладов поглощающих и непоглощающих частиц в регистрируемый спектр диффузного отражения.

Рассмотрены закономерности изменений спектров диффузного отражения в зависимости от концентрации поглощающих частиц и от расстояния между освещающим и приемным волокном.

а

б

Рис. 5 Зависимость числа зарегистрированных фотонов N от расстояния Ь между

освещающим и приемным волокном для системы золотых наночастиц с различной оптической плотностью (коэффициент экстинкции в диапазоне от ц=0.1 до |д=1 см"1), а) радиус золотых частиц 10 нм, б) радиус золотых частиц 100 нм.

Для рассматриваемых в работе поглощающих золотых частиц с размерами от 10 нм до 100 нм расстояние между центрами освещающего и приемного волокон, соответствующее максимальной величине регистрируемого сигнала, практически постоянно и составляет 200 мкм. Для рассматриваемых систем поглощающих частиц при увеличении расстояния между освещающим и приемным волокном от 200 до 1000 мкм число зарегистрированных фотонов уменьшается лишь на 1-2 порядка, в то время как для систем непоглощающих частиц это изменение может составлять 4 порядка.

В том случае, когда поглощающие частицы находятся в системе непоглощающих или слабопоглощающих частиц, изменение кратности рассеяния приводит к существенным качественным изменениям спектральных характеристик, регистрируемых волоконно-оптическим спектрометром.

В работе проведено численное моделирование спектральных зависимостей диффузного отражения в системе поглощающих наночастиц в зависимости от кратности рассеяния. Исследованы изменения спектров обратного рассеяния в зависимости от концентрации наночастиц. Показано, что при увеличении концентрации рассеивающих частиц и соответствующем увеличении кратности рассеяния вид спектра обратного диффузного рассеяния

меняется от спектральной кривой, имеющей максимум в области полосы плазмонного резонанса частиц на 810 нм до спектральной кривой с минимумом в области 810 нм. Это объясняется тем, что при измерениях для систем золотых частиц в воде без рассеивающих частиц или при небольшой концентрации рассеивающих частиц основной вклад в регистрируемый сигнал вносит излучение, рассеянное частицами в обратном направлении. Для указанных золотых нанооболочек положение как максимума в спектральной зависимости сечения рассеяния, так и максимума сечения поглощения находится в области 810 нм. При увеличении концентрации непоглощающих частиц в рассматриваемой системе увеличивается их вклад в регистрируемое обратно рассеянное излучение. В представляющих реальный интерес практических ситуациях концентрация рассеивающих частиц значительно превышает концентрацию поглощающих металлических частиц. Поэтому вклад в регистрируемый сигнал обратного рассеяния от золотых частиц оказывается пренебрежимо мал на фоне вклада от модельных рассеивателей биоткани. Однако, если в данной системе реализуется режим многократного рассеяния, после многократных актов взаимодействия фотонов с частицами оказывается существенным поглощение фотонов с длинами волн, соответствующими плазменному резонансу. И таким образом на монотонной спектральной кривой обратного светорассеяния модельных рассеивателей биоткани появляется провал, обусловленный поглощением света с данными длинами волн в наночастицах. Существование данного эффекта в работе показано как теоретически с помощью численного моделирования методом Монте-Карло, так и экспериментально с использованием волоконно-оптического спектрометра и водной суспензии монодисперсного полистирольного латекса (№ ЭМ ВНИИМ 07.08.002, средний диаметр частиц 0.25-0.35 мкм) различной концентрации.

Рис. 6 Теоретические (а) и экспериментальные (б) спектры обратного рассеяния 1 - золотые наночастицы в воде, 2 - золотые наночастицы в рассеивающей среде с низкой концентрацией рассеивающих частиц в воде, 3 - золотые наночастицы в рассеивающей среде с высокой концентрацией рассеивающих частиц в воде.

Проведены как моделирование транспорта лазерного излучения, так и экспериментальные исследования, которые позволяют оценить предельную глубину расположения частиц в биоткани, на которой еще достижимо эффективное взаимодействие лазерного излучения с наночастицами для решения диагностических и терапевтических задач.

Моделирование выполнено методом Монте-Карло. В качестве физической модели биологической среды взята слоистая система: подстилающий рассеивающий слой толщиной 1 см, то есть такую систему можно рассматривать как полубесконечную, над подстилающим слоем располагался слой с золотыми частицами толщиной 100 мкм, и внешний покрывающий рассеивающий слой различной толщины. При расчетах использовались следующие параметры модельной рассеивающей среды: коэффициент преломления частиц 1.44+/ 0.00001, диаметр частиц 300 нм, концентрация МО8 мл"1 , коэффициент рассеяния ц=10 см"1.

Проводились экспериментальные исследования для оценки изменения спектральных характеристик биоткани с золотыми наночастицами в зависимости от глубины расположения частиц в биоткани. Экспериментальные спектры получены с помощью спектральной установки ЛЭСА-01-БИОСПЕК.

Измерения проводились для золотых нанооболочек (концентрация коллоидного раствора 1 -5* 109 шт./мл, максимум поглощения 810 нм).

20-1—,-■-,-■-,-.-,-.-,

500 600 700 800 900 длина волны, нм

500 ? 400

х

300 200

500 600 700 800 900 длина волны,нм

а б

Рис.7, Теоретические (а) и экспериментальные (б) спектры диффузного рассеяния, а: 1 - Золота в системе нет, 2 - толщина покрывающего слоя 1 мкм, 3-20 мкм, 4 - 100 мкм, 5 - 200 мкм, 6 - 400 мкм, 7 - 600 мкм, 8 - 800 мкм, 9 - 1000 мкм. б: 1 - золота в системе нет, 5 толщина покрывающего слоя - 400 мкм, 4 - 300 мкм, 3 - 200 мкм, 2-100 мкм. Как показано в работе, при наличии золотых наночастиц в модельной системе рассеивающих частиц достаточно высокой концентрации, соответствующей типичным концентрациям рассеивателей биоткани, регистрируемая спектральная зависимость диффузного светорассеяния имеет провал в области длин волн плазмонного резонанса. Глубина данного провала может быть использована в качестве критерия наличия наночастиц в биоткани и оценки их концентрации. Как показано в работе ранее, абсолютные значения коэффициента обратного диффузного отражения существенно зависят от условий эксперимента. Поэтому для количественных оценок содержания золотых наночастиц в биоткани в работе предложено использовать критерий К1, определяемый из измеренных значений следующим образом

к | =(К600-К.800)/№800+1*600) По мере увеличения глубины залегания слоя с наночастицами его влияние на регистрируемые спектральные характеристики уменьшается. Если

слои, содержащий золотые наночастицы, расположен на поверхности исследуемой системы, то значение коэффициента К] максимально. Для случаев, представленных на рисунке 7, в случае компьютерного моделирования К1шах=0.9 , а для эксперимента К,тах=0.6. В качестве критерия визуализации наночастиц по спектрам обратного рассеяния использовались значения К,, превышающие 0.1. Как показали проведенные в работе численные и экспериментальные исследования, глубина возможной визуализации наночастиц в биоткани по спектрам диффузного рассеяния зависит от концентрации золотых наночастиц и меняется в пределах от 200 мкм при СЛи=1-Ю8 мл"1 до 2 мм при САц=1.7*109 мл"1. Данный результат получен при условии, что коэффициент рассеяния покрывающего слоя биоткани составляет

10 см'

,-1

200 Си 1500 1000^ 500 0^

1_, мкм

о

0.0

0.42

0.85 91.3И

Г 10,мл

Аи

1.7

Рис.8. Зависимость предельной глубины визуализации золотых наночастиц от их концентрации в биоткани. • - компьютерное моделирование, о — эксперимент.

Для оптически менее плотных тканей или при уменьшении оптической плотности с помощью методов просветления биотканей глубина визуализации наночастиц может быть повышена.

Глава 5 посвящена анализу взаимосвязи спектральных характеристик объекта с динамикой температуры при лазерном нагреве.

Тепловое воздействие лазерного излучения на биоткани основывается на поглощении излучения и преобразовании его энергии в тепло. Для оценки эффективности поглощения лазерного излучения в биоткани и возможности оценки эффективности накопления термофотосенсибилизаторов в биоткани по спектрам диффузного отражения, выполнены экспериментальные исследования, которые включали в себя измерение пространственного распределения температуры различных модельных объектов, включающих золотые частицы различной концентрации и формы.

Для бесконтактного измерения и регистрации пространственного распределения температуры исследуемых объектов в работе использовался ИК тепловизор IRISYS 4010 (InfraRed Integrated System Ltd, Великобритания).

Образцы облучались непрерывным полупроводниковым лазером PhotoThera с длиной волны 810 нм и выходной мощностью 1 Вт. Лазерное излучение подводилось к поверхности объекта волоконно-оптическим световодом. Излучение лазера падало по нормали к поверхности объекта, диаметр пучка на поверхности объекта 6 мм. Расстояние от поверхности объекта до торца световода составляло 300 мкм. Термограммы регистрировались тепловизором, расположенным над объектом под углом 30 градусов от вертикали. Торец волоконного световода закреплялся в специальном держателе с микрометрической подачей.

Эксперименты проводились как на модельных объектах, так и на здоровых белых лабораторных крысах. Модельный объект представлял собой слоистую систему на основе фильтровальной бумаги, на один из слоев которой наносились водная суспензия золотых наночастиц различной концентрации. Модельный объект в данных исследованиях должен удовлетворять не только требованиям максимального соответствия его оптических характеристик оптическим характеристикам биоткани, но и должно наблюдаться соответствие теплофизических свойств, в частности теплопроводности. При экспериментах

на животных глубина локализации и концентрация вводимых наночастиц варьировалась путем использования различных способов введения частиц и обработки поверхности кожи: золотые наночастицы вводились внутрикожно, подкожно, после предварительной микроперфорации кожи и с использованием ультрафонофореза.

Размер нагретой области и площадь под кривой нагрева однозначно связаны с температурой в максимуме. Поэтому количественные оценки динамики нагрева проводились именно по температуре в центре облучаемого пятна.

время, сек

а

б

Рис.9 а) Спектры обратного рассеяния модельного объекта, б) Динамика температуры при лазерной гипертермии для трех модельных образцов с различной концентрацией золотых наночастиц. 1 - МО9 мл"1. 2 - 2.5-109 мл"', 3 - 5'109 мл"1

Показано, что существует зависимость между регистрируемым волоконно-оптическим спектрометром диффузным отражением исследуемого объекта, содержащего наночастицы, и величиной нагрева при лазерном облучении данного объекта в области плазмонного резонанса. Для количественной оценки диффузного отражения объекта использовался Критерий К|.

Как для модельных объектов, так и в экспериментах на животных получено, что форма линии тренда является квадратичной. Гипотеза о наличии линии тренда принимается при уровне значимости а=0.05

а б

Рис. 10 Взаимосвязь скорости роста температуры и эффективной оптической плотности

среды.

Наличие этой корреляции позволяет оптическими методами оценивать ожидаемую динамику нагрева образца, без непосредственного измерения температуры образца в ходе проведения лазерного воздействия. Основные результаты и выводы:

1.На основе компьютерного моделирования проанализированы закономерности изменения спектральных характеристик, регистрируемых волоконно-оптическим спектрометром, в зависимости от расстояния между волокнами и расстояния от торца волокна до поверхности объекта, а также от параметров исследуемого объекта.

2.Показано, что при изменении расстояния от торца волокна до поверхности объекта меняется соотношение между интенсивностью регистрируемого излучения в длинноволновой и коротковолновой частях спектра. Положение пиков спектральных кривых при этом не изменяется.

3.Выявлены параметры геометрии эксперимента с волоконно-оптическим спектрометром для решения задачи количественной оценки концентрации поглощающих типов наночастиц в биоткани (расстояние между центрами освещающего и приемного волокон 200 мкм, расстояние от торца волокна до поверхности объекта 100 мкм, отклонение оси волокна от нормали в пределах телесного угла 10 градусов не влияет на точность получаемых результатов).

4.0пределена предельная глубина обнаружения наночастиц в биоткани в зависимости от их концентрации и оптических свойств биоткани.

5.Показано, что существует однозначная зависимость между регистрируемыми спектральными характеристиками объекта и эффективностью лазерного нагрева.

6.Предложена методика экспериментальной оценки предполагаемой эффективности нагрева на основе измерения спектров обратного светорассеяния.

Список цитированных работ:

1. Оптическая биомедицинская диагностика, под ред. В.В.Тучина, Москва, Физматлит, I, 2, 2007

2. Синичкин Ю.П., Утц С.Р. In vivo отражательная и флуоресцентная спектроскопия кожи человека. Саратов, изд-во Сарат. ун-та, 2001.

3. Lilledahl М.В., Haugen O.A., Barkost M., Svaasand L.O. Reflection spectroscopy of atherosclerotic plaque // J. Biomed. Opt., Vol. 11, N. 2, 021005, 2006.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

Статьи в изданиях перечня ВАК РФ

1. Максимова И.Л., Акчурин Г.Г., Скапцов A.A., Ревзина Е.М., Рябухо В.П., Терентюк Г.С., Тучин В.В., Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г. Использование наночастиц для контрастирования злокачественных новообразований при оптических методах диагностики (низкокогерентная томография, спектроскопия диффузного отражения) \\ Российский биотерапевтический журнал. - 2008. - Т.7,№1. - С.30-42

2. Максимова И.Л., Акчурин Г.Г., Скапцов A.A., Терентюк Г.С., Хлебцов Б.Н., Акчурин Г.Г.мл., Ермолаев И.А., Ревзина Е.М., Тучин В.В, Хлебцов Н.Г Лазерный фототермолиз биотканей с использованием плазмонно- резонансных наночастиц \\ Квантовая электроника. - 2008. -Т.38.,№6. - С. 536-542

Статьи и тезисы докладов

3. Garif G. Akchurin, Georgy G. Akchurin, Vladimir A. Bogatyrev, Lev A. Dykman, Igor A. Ermolaev, Irina L. Maksimova, Elena M. Revzina, Alexander A. Scaptsov, Georgy S. Terentyuk, Boris N. Khelbtsov. Application of plasmon resonant nanoshells and nanorods of gold for IR laser photothermal therapy of cancer in small animal. SPIE International Symposium "Photonics West 2008", Technical program, San Jose, USA, 2008, p. 6845-44.

4. , Georgy S. Terentyuk, Vladimir A. Bogatyrev, Lev A. Dykman, Boris N. Khlebtsov, Nikolaj G. Khlebtsov,; Irina L. Maksimova, Elena M. Revzina, Nikita M. Ryskin, Ekaterina P. Soboleva, Leyla V. Suleymanova. Modeling the nonlinear dynamics of immunity at cancer treatment by interleukin-2 conjugate with gold nanoparticles. SPIE International Symposium "Photonics West 2008", Technical program, San Jose, USA, 2008, p. 6855-20.

5. Максимова И.Л., Богатырев B.A., Тучин B.B., Дыкман JI.A., Хлебцов Н.Г., Хлебцов Б.Н., Акчурин Г.Г., Скапцов А.А., Терентюк Г.С., Ермолаев И.А., Акчурин Г.Г.мл, Ревзина Е.М. Разработка нанотехнологии лазерного селективного фототермолиза и контрастирования злокачественных новообразований на основе использования плазмонно-резонансных наночастиц \\ Отчет по НИР per. номер темы 0120.0 801037, инвентарный № 0220.0 800223 в ЦИТиС, 178с.

6. Ревзина Е.М., Максимова И.Л. Разработка нового способа динамического моделирования опухолевого роста при лазерной гипертермии\\ Отчет по НИР государственный контракт № 8758 р/13975 от 14 января 2011 года инвентарный №02201163715 в ЦИТиС

7. Ревзина Е.М., Скапцов А.А. Влияние геометрии эксперимента на спектры обратного светорассеяния, измеряемые с помощью волоконно-оптических спеюрометров\\ Альянс наук: вчений - вченому : матеріали VII Міжнар. наук.-праюг. конф., Т. 5 : Наукові праці у галузях: біології, медицини, фізичної культури, техніки. - 2012. - С. 103-107.

Подписано в печать 30.05.2012. Объем 2 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №0274 Отпечатано в типографии ООО «Медиа Лидер», ул. Б. Казачья, 116

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Ревзина, Елена Мстиславовна

Введение.

Глава 1. Обзор литературы и постановка задач исследования.

1.1. Особенности распространения и рассеяния в биотканях.

1.2. Спектральные характеристики нормальных и патологически измененных биотканей.

1.3. Особенности спектральных характеристик обратного светорассеяния дисперсных систем в зависимости от расстояния между источником и приемником излучения с ограниченной апертурой.

Глава 2 Исследование спектров диффузного светорассеяния при малом расстоянии между освещающим и приемным волокнами с ограниченной апертурой.

2.1. Методика численного моделирования спектров обратного светорассеяния.

2.2. Влияние расстояния между освещающим и приемным волокном на спектры диффузного рассеяния непоглощающих дисперсных систем (для частиц разного размера).

2.3. Зависимость спектральных характеристик от концентрации рассеивающих частиц.

Глава 3 Методика и экспериментальные установки измерения спектров обратного светорассеяния.

3.1. Установка для снятия спектров диффузного отражения.

3.2. Характеристики модельных объектов, используемых в экспериментах по спектроскопии диффузного светорассеяния.

3.3. Сопоставление результатов экспериментальных исследований тестовых объектов на различных волоконно-оптических спектрометрах.

3.4. Сравнительный анализ спектральных характеристик тестовых объектов, полученных на стандартном спектрометре и на волоконно-оптическом.

3.5. Влияние отклонения оси волоконного световода от нормали к поверхности объекта на результаты спектральных измерений

Глава 4. Спектры обратного диффузного светорассеяния дисперсных систем, содержащих локальные поглощающие включения.

4.1. Закономерности изменения спектральных характеристик системы поглощающих частиц в зависимости от кратности рассеяния.

4.2. Особенности спектров обратного рассеяния сильно поглощающих частиц в окружении непоглощающих рассеивателей.

4.3. Оценка предельной глубины визуализации частиц в биоткани по спектрам рассеяния (при различной геометрии эксперимента и концентрации поглощающих частиц).

Глава 5. Взаимосвязь спектральных характеристик объекта с динамикой температуры при лазерном нагреве.

5.1. Методика термографических исследований.

5.2. Корреляция между спектральными характеристиками модельных объектов и динамикой температуры при лазерном воздействии.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Исследование взаимосвязи между эффективностью лазерного фототермолиза с участием золотых наночастиц и оптическими характеристиками биотканей"

Актуальность темы

В настоящее время интенсивно развиваются лазерные методы медицины, в частности лазерная гипертермия новообразований. Для достижения необходимого терапевтического эффекта лазерной гипертермии применяются различные термофотосенсибилизаторы, наиболее эффективными из которых являются золотые наночастицы. Уровень накопления термофотосенсибилизаторов в биологических тканях зависит от времени, поэтому важно проводить облучение в период их максимального накопления. При этом должна достигаться необходимая температура во всем объеме опухолевой ткани, так как недостаточный нагрев может стимулировать рост опухоли. Развитие метода лазерной гипертермии сдерживается отсутствием надежных неинвазивных методик определения оптимальных условий облучения. При этом важно определение как оптических характеристик собственно биоткани в каждом конкретном случае, так и степени селективного накопления термофотосенсибилизаторов в биоткани. От учета спектральных особенностей биоткани и количества накопленных в ней термофотосенсибилизаторов зависит выбор корректной плотности мощности и времени облучения.

В данной диссертационной работе предлагается использовать метод спектроскопии обратного диффузного светорассеяния для предварительной оценки эффективности лазерного нагрева различных биотканей в зависимости от концентрации термофотосенсибилизаторов.

Методы, основанные на отражательной спектроскопии биологических тканей, в настоящее время успешно применяются в in vivo исследованиях и мониторинге биотканей [1]. Спектральный состав диффузно отраженного биотканью излучения несет информацию о структуре биоткани, пространственном распределении хромофоров внутри биоткани и их концентрации, интенсивности происходящих в биоткани метаболических процессов [2]. Метод диффузной отражательной спектроскопии позволяет проводить в условиях in vivo дискриминацию нормальных и патологических тканей, в частности, в мочевом пузыре [2, 3], поджелудочной железе [4], пищеводе [5], кровеносных сосудах [6], толстой кишке [7, 8], яичнике [9], легких [10] и коже [2, 11].

Несмотря на значительный успех, достигнутый в этом направлении, существуют проблемы, обусловленные высокой вариабельностью результатов, получаемых с помощью волоконно-оптических спектрометров. Вид спектров обратного рассеяния биоткани сильно зависит от большого числа случайных факторов, таких как шероховатость поверхности, влажность, уровень пигментации, кровенаполнение и других особенностей биоткани, а также от параметров геометрии эксперимента. Ранее изучалось влияние расстояния между волокнами и апертурных углов приемного и освещающего волокон на вид регистрируемых спектров обратного рассеяния, для рассеивающих систем, в которых рассеяние превалирует над поглощением. Такому условию удовлетворяет большинство биотканей. Однако имплантация в биоткань термофотосенсибилизаторов, например золотых плазмонно-резонансных наночастиц, приводит к появлению принципиально новой оптической системы. Такие среды, образованные частицами с сильно различающимися оптическими свойствами, когда один тип частиц преимущественно рассеивает излучение, а другой тип частиц сильно поглощает, обладают целым рядом специфических свойств, которые к началу работы над диссертацией были изучены недостаточно. Закономерности изменения спектров обратного светорассеяния биотканей при добавлении к ним сильно поглощающих частиц практически не исследованы. Вследствие этого необходимость исследований подобной направленности не вызывает сомнения.

Целью диссертационной работы является

Исследование закономерностей изменения спектров диффузного светорассеяния биотканей с внедренными селективными поглотителями в зависимости от концентрации и глубины их локализации, и разработка неинвазивного оптического метода предварительной оценки эффективности гипертермии и оптимизации параметров лазерного воздействия.

Для достижения цели исследования в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовать особенности спектров, получаемых с использованием волоконной приемно-осветительной системы, путем сравнения результатов спектральных измерений с помощью волоконно-оптических спектрометров и численного моделирования спектральных характеристик обратного светорассеяния дисперсных систем при различных расстояниях между приемными и освещающими волокнами с заданной апертурой.

2. .Определить влияние концентрации термофотосенсибилизаторов в модельных рассеивающих объектах на спектры диффузного рассеяния, регистрируемые в условиях различной кратности рассеяния.

3. Исследовать взаимосвязь величины коэффициентов диффузного отражения модельных объектов и фантомов биотканей, полученных при помощи волоконно-оптического спектрометра, с соответствующей динамикой температуры при последующем лазерном нагреве.

Положения и результаты, выносимые на защиту

1. Для модели биоткани, содержащей слабопоглощающие рассеиватели и сильно поглощающие плазмонно-резонансные наночастицы, при увеличении кратности рассеяния вид спектра обратного диффузного рассеяния меняется от спектральной кривой, имеющей максимум в области полосы плазмонного резонанса частиц до спектральной кривой с минимумом в этой области.

2. Глубина возможной визуализации золотых нанооболочек по спектрам диффузного рассеяния в биоткани с коэффициентом рассеяния ц.=10 см"1 зависит от концентрации золотых наночастиц и меняется в пределах от 200 мкм при САи=1*108 мл"1 до 2 мм при САи=1.7,109 мл"1.

3. Критерий, построенный на основе различия спектральных характеристик диффузного отражения объекта с золотыми наночастицами в области максимума поглощения и на границе полосы плазмонного резонанса, позволяет оценить эффективность нагрева при лазерном облучении данного объекта.

Настоящее диссертационное исследование выполнено при поддержке Министерства науки и инноваций РФ госконтракт № 02.512.11.2034 «Разработка нанотехнологии лазерного селективного фототермолиза и контрастирования злокачественных новообразований на основе использования плазмонно-резонансных наночастиц», госконтракт № 02201163715 «Разработка нового способа динамического моделирования опухолевого роста при лазерной гипертермии», госконтракт № 02.740.11.0484 «Исследование терапевтических, токсических и термических воздействий комплексов наночасгица-фотосенсибилизатор при лазерном воздействии».

Научная новизна работы

Проведено численное моделирование спектров обратного светорассеяния систем рассеивающих частиц, содержащих сильно поглощающие включения, позволившее получить принципиально новые закономерности изменения спектров, в зависимости от соотношения концентраций поглощающих и рассеивающих частиц. Экспериментально доказана возможность использования спектров обратного диффузного светорассеяния в качестве предварительной оценки эффективности нагрева биологических объектов с термофотосенсибилизаторами.

Научно-практическая значимость работы:

Материалы диссертации использованы при проведении научных исследований на кафедре оптики и биофотоники физического факультета, в НИИ естественных наук ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского». А также в учебном процессе при чтении спецкурсов по дисциплинам «биофизика», «лазерные методы в медицине» и электроника и наноэлектроника» студентам физического факультета и факультета нано- и биомедицинских технологий ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского».

Апробация работы.

Результаты диссертационного исследования доложены на конференции SPIE Photonics-West-2008 (San Jose, California USA), Fall Meeting «Optical Technologies in Biophysics and Medicine» (Russia 2007, 2008, 2010, 2011), ежегодной Всероссийской научной школе-семинаре «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине» (Саратов 2010, 2011), Международной конференции "Photonics4 life" 2011 (Russia), VII Международной научно-практической конференции «Альянс наук: ученый - ученому» (Украина, 2012)

Достоверность научных результатов подтверждается использованием надежных математических методов, согласием с расчетами других групп (в области совпадения моделей), а также качественным и количественным согласием с результатами экспериментов.

Личный вклад диссертанта и результаты, полученные совместно с другими исследователями:

Все представленные в диссертации экспериментальные результаты получены автором лично. Результаты теоретических исследований получены лично автором, с использованием программы численного моделирования диффузии фотонов в исследуемых средах, разработанной Скапцовым A.A. Диссертант показал достаточный уровень самостоятельности в постановке и решении задач, обработке и обсуждении полученных результатов.

Работа выполнена на кафедре оптики и биофотоники Саратовского государственного университета им. Н.Г.Чернышевского.

Публикации. Основные результаты исследования, выводы и положения диссертации опубликованы в 7 научных работах, из них 2 - в отечественных и иностранных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, основной части, содержащей 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы, состоящего из 128 ссылок.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Ревзина, Елена Мстиславовна

Заключение и выводы

1. На основе компьютерного моделирования проанализированы закономерности изменения спектральных характеристик, регистрируемых волоконно-оптическим спектрометром, в зависимости от расстояния между волокнами и расстояния от торца волокна до поверхности объекта, а также от параметров исследуемого объекта.

2. Показано, что при изменении расстояния от торца волокна до поверхности объекта меняется соотношение между интенсивностью регистрируемого излучения в длинноволновой и коротковолновой частях спектра. Положение пиков спектральных кривых при этом не изменяется.

3. Выявлены параметры геометрии эксперимента с волоконно-оптическим спектрометром для решения задачи количественной оценки концентрации поглощающих типов наночастиц в биоткани (расстояние между центрами освещающего и приемного волокон 200 мкм, расстояние от торца волокна до поверхности объекта 100 мкм, отклонение оси волокна от нормали в пределах телесного угла 10 градусов не влияет на точность получаемых результатов).

4. Определена предельная глубина обнаружения наночастиц в биоткани в зависимости от их концентрации и оптических свойств биоткани.

5. Показано, что существует однозначная зависимость между регистрируемыми спектральными характеристиками объекта и эффективностью лазерного нагрева.

6. Предложена методика экспериментальной оценки предполагаемой эффективности нагрева на основе измерения спектров обратного светорассеяния.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Ревзина, Елена Мстиславовна, Саратов

1. Оптическая биомедицинская диагностика, под ред. В.В.Тучина, М: Физматлит, 2007, т. 1, 2

2. Синичкин Ю.П. In vivo отражательная и флуоресцентная спектроскопия кожи человека / Синичкин Ю.П., Утц С.Р. Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 2001.

3. Spectroscopic measurement of diffuse reflectance for enhanced detection of bladder carcinoma / Koenig F., Larne R., Enquist H., McGovern F.J., Schomacker К Т., Kollias N., and Deutsch T.F. // Urology. 1998. Vol. 51(2). P. 342-345.

4. Reflectance spectroscopy of pancreatic microcirculation / Knoefel W.T., Kollias N., Rattner D.W., Nishioka N.S., and Warshaw A.L. // J. Appl. Physiol. 1996. Vol. 80 (1). P. 116-123.

5. Reflection spectroscopy of atherosclerotic plaque / Lilledahl M.B., Haugen O.A., Barkost M., Svaasand L.O. // J. Biomed. Opt., 2006. Vol. 11, N. 2, 021005.

6. Ge Z. Identification of colonic dysplasia and neoplasia by diffuse reflectance spectroscopy and pattern / Ge Z., Schomacker K., and Nishioka N // Proc. CLEO. 1998. Vol. 6. P. 306-307.

7. Diffuse reflectance spectroscopy of human adenomatous colon polyps in vivo / Zonios G., Perelman L.T., Backman V., Manahoranm R., Fitzmaurice M., Van Dam J., and Feld M.S. // Appl. Opt. 1999. Vol. 38. P. 6628-6637.

8. Reflectance spectroscopy for in vivo characterization of ovarian tissue / Utzinger U., Brewer M., Silva E., Gershenson D., Bast R.C., Follen M., and

9. Richards-Kortum R.R. // Lasers Surg. Med. 2001. Vol. 28. P. 56-66.

10. Diagnosis of breast cancer using elasticscattering spectroscopy: preliminary clinical results / Bigio I.J., Brown S.G., Kelley C., Lakhani S., Pickard D., Ripley P.M., and Saunders C. // J. Biomed. Opt. 2000. Vol. 5. P. 221-228.

11. Gestational age correlates with skin reflectance in newborn infants of 24-42 weeks gestation / Lynn C.J., Saidi I.S., Oelberg D.G., and Jacques S.L. // Biol. Neonate. 1993. Vol. 64(2-3). P. 69-75.

12. Спектроскопическая диагностика злокачественных новообразований / Пушкарев С. В., Наумов С. А., Вовк С. М., Смольянинов Е. С., Удут В. В. // Автометрия. 2000. № 1. - С. 84.

13. Особенности спектров диффузного отражения и пропускания нормальных и опухолевых тканей / А. Н. Королевич, Т. В. Олейник, Я. И. Севковский, А. Я. Хайруллина // Журнал прикладной спектроскопии. -1993. Т. 58, №5-6. С. 555-559.

14. Подистов Ю. И. Современные диагностические возможности в определении- предрака и рака, шейки матки / Ю. И. Подистов, К. П Лактионов, Н. Н. Петровичев // Российский окологический журнал. 2001-. -№2. С. 14-16.

15. Полсачев В. И. Возможности применения флуоресцентного анализа в дифференциальной диагностике заболеваний молочной железы / В. И. Полсачев, В. В. Лазарев, Г. Р. Степанянц // Маммология. 1993. №3. - С. 30-35.

16. Захаров В.П., Шахматов Е.В. Лазерная техника: учеб. пособие. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2006. - 278 с.

17. Справочник по лазерной технике. Пер. с немецкого. М., Энергоатомиздат, 1991. 544 с.

18. Жуков Б.Н., Лысов Н.А., Бакуцкий В.Н., Анисимов В.И. Лекции по лазерной медицине: Учебное пособие. Самара: СМИ, 1993. - 52 с.

19. Применение лазерной хирургической установки «Скальпель-1» для лечения стоматологических заболеваний. М.: Министерствоздравоохранения СССР, 1986. 4 с.

20. Канюков В.Н., Терегулов Н.Г., Винярский В.Ф., Осипов В.В. Развитие научно-технических решений в медицине: Учебное пособие. Оренбург: ОГУ, 2000. - 255 с.

21. Time-resolved spectroscopy of mitochondria, cells, and rat tissues under normal and pathological conditions / Beauvoit В., Kitai Т., Liu H., Chance B. //Bellingham, SPIE, 1994.Vol.2326.P.127-136.

22. Young A.R. Chromophores in human skin // Phys. Med. Biol. 1997. Vol.42. P.789-802.

23. Duck F.A. Physical properties of tissue: a comprehensive reference book. L., Academic, 1990.

24. Пушкарева A.E. Методы математического моделирования в оптике биоткани. Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. 103 с.

25. Niemz М.Н. Laser Tissue Interactions: Fundamentals and Applications. -Berlin, 1996.

26. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, 1998. - 384 с.

27. Корякин А.В. Флуоресценция легочной ткани в норме и при раке легкого / Корякин А.В., АнисимоваИ.Н. // Биофизика. 1962. Т. VII. Вып. 2. С. 145-149

28. Комарова Л. Е. Скрининг рака молочной железы / Л. Е. Комарова // Современная онкология. 2002. Т. 4, №3. - С. 83-86.

29. Летягин В. П. Современные проблемы течения, лечения и прогноза рака молочной железы : научный обзор / В. П. Летягин, Р. А. Керимов, В. М.1. Иванов. M., 1989. 64 с.

30. Прокопьев Владимир Егорович. Биофизические механизмы воздействия низкоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани и оптические методы диагностики их состояния : Дис. . д-ра физ.-мат. наук : 03.00.02 : Томск, 2004 282 с.

31. Шабаров В.А. / Шабаров В.А., Жогун В.Н., Иванов А.В Журнал прикладной спектроскопии т. 47, № 5, 1987. С.325-329.

32. Спектры поглощения и рассеяния света тканями желудка при патологии. / К. М. Гираев, Н. А. Ашурбеков, М. А. Лахина // Журнал прикладной спектроскопии т. 78, № 1, 2011. С. 107-113.

33. Особенности спектров диффузного отражения и пропускания нормальных и опухолевых тканей / А. Н. Королевич, Т. В. Олейник, Я. И. Севковский, А. Я. Хайруллина // Журнал прикладной спектроскопии. -1993. Т. 58, №5-6. С. 555-559.

34. Исследование влияния патологических процессов на диффузно-оптические свойства биообъектов. / Гираев К. М., Ашурбеков Н. А., Меджидов Р.Т., Омаров O.A. // Известия ВУЗов Сев.-Кав. Региона. Естественные науки. 2007. №4. С. 28-33.

35. Optical spectra of some pathological conditions of stomach tissues / Giraev K.M., Ashurbekov N.A., Kobsev O.V. // Int. J. Modern Phys. B. 2006. V.20. P. 25-36.

36. Гираев К. M. Оптические исследования биотканей: определение коэффициентов поглощения и рассеяния./ Гираев К. М., Ашурбеков H.A., Кобзев О.В. // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29. Вып. 21. С. 48-54.

37. Theoretical Analysis and Experimental Validation of a Two Fiber probe for Biomedical Spectroscopy / J.A. Delgado Atencioa, S.A. Prahl, S. Vázquez y Montiela, M. Cunill Rodrígueza, F.Gutiérrez Delgadoc , J. Castro Ramosa

38. J. M. Schmitt Multilayer model of photon diffusion in skin / J. M. Schmitt, G. X. Zhou, and E. C. Walker // JOSA A 1990 - Vol. 7, Issue 11, pp. 21412153

39. Model for photon migration in turbid biological media / R. F. Bonner, R. Nossal, S. Havlin, and G. H. Weiss // J. Opt. Soc. Am. 1987 - A 4,423-432

40. Approximate theory of photon migration in a two-layer medium / H. Taitelbaum, S. Havlin, and G. H. Weiss // Appl. Opt. 1989 - 28, 2245-2249.

41. S. Chandraseklar, Radiative Transfer ,Dover, New York, 1960.

42. S. Takatani Theoretical analysis of diffuse reflectance from a two-layer tissue model / S. Takatani and M. D. Graham // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1979 -BME-26, 656-664

43. Refractive index of some mammalian tissues using a fiber optic cladding method / F. P. Bolin, L. E. Preuss, R. C. Taylor, and R. J. Ference // Appl. Opt.- 1989-28, 2297-2303

44. The use of the henyey-greenstein phase function in monte carlo simulations in biomedical optics / Binzoni T., Leung T.S., Gandjbakhche A.H., Rufenacht D., Delpy D.T.// Phys Med Biol 2006 - 51,17, N313-322.

45. Kumar G.: Optimal probe geometry for near-infrared spectroscopy ofbiological tissue // Appl. Opt. 1997 - 36, 2286-2293.

46. Liu H.: Unified analysis of the sensitivities of reflectance and path length to scattering variations in a diffusive medium //Appl. Opt. 2001 - 40, 17421746.

47. Saager R.B.Direct characterization and removal of interfering absorption trends in two-layer turbid media / Saager R.B., Berger A.J.: J. // Opt. Soc. Am. A 2005, 22, 1874-1882.

48. Noninvasive determination of hemoglobin saturation in dogs by derivative near-infrared spectroscopy / M. Ferrari, D. A. Wilson, D. F. Hanley, J. F. Hartmann, M. C. Rogers, and R. J. Traystman // Am. J. Physiol. 1989 - 256, H1493-H1499

49. P. I. Walling Moisture in skin by nearinfrared reflectance spectroscopy / P. I. Walling and J. M. Dabney // J. Soc. Cosmet. Chem. 1989 - 40, 151-171

50. Use of water absorption spectrum to quantify tissue chromophore concentration changes in near-infrared spectroscopy / S.J. Matcher, M. Cope, and D. T. Delpy // Phys. Med. Biol. 1993 - 38, 177-196

51. A new approach for estimation of body composition: infrared interactance / J. M. Conway, K. H. Norris, and C. E. Bodwell // Am. J. Clin. Nutr. 1984 - 40, 1123-1130

52. Noninvasive glucose monitoring in diabetic patients: a preliminary evaluation / M. R. Robinson, R. P. Eaton, D. M. Haaland, G. W. Koepp, E. V. Thomas, B. R. Stallard, and P. L. Robinson // Clin. Chem. 1992 - 38y9, 1618-1622

53. Model for photon migration in turbid biological media / R. F. Bonner, R. Nossal, S. Havlin, and G. H. Weiss // J. Opt. Soc. Am. 1987 - A 4, 423-432

54. A miniature hybrid reflection type optical sensor for measurement of hemoglobin content and oxygen saturation of whole blood / S. Takatani, H.

55. Nöda, H. Takano, and Т. Akutsu // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1988 - 35, 187-198

56. Design and evaluation of a new reflectance pulse oximeter / Y. Mendelson, J. C. Kent, B. L. Yocum, and M. J. Birle // Med. Instrum. 1988 - 22, 167-173

57. Министерство здравоохранения Российской федерации государственное учреждение науки, НИИ Онкологии Им. Проф. H.H. Петрова «Лазерная селективная гипертермия в лечении злокачественных новообразований» Методические рекомендации, Санкт-Петербург 2002

58. Контролируемая лечебная гипертермия / Баллюзек Ф.В., Баллюзек М.Ф., Виленский В.И., Горелов С.И., Жигалов С.А., Иванов A.A., Кузьмин С.Н., Определяков Г.А., Хафизов В.З., Яременко К.В. // Издательство Росток 2004 год., 245 с

59. Локальная лазерная гипертермия в комплексном лечении рака различной локализации / Титова В.А., Тищенко В.А., Шевченко Л.Н., и др. // Материалы VII Всероссийского научного форума « Радиология 2006»,1. Москва, 2006. С.236-237.

60. Беликов A.B., Скрипник A.B. Лазерные биомедицинские технологии (часть 1). Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. 116 с.

61. Странадко Е.Ф. Экспериментально-клиническая разработка метода лазерной фотодинамической терапии злокачественных опухолей с использованием отечественных фотосенсибилизаторов первого и второго поколения // Лазер маркет. 1994. № 11-12.

62. Гримблатов В.М. Современная аппаратура и проблемы низкоинтенсивной лазерной терапии // Применение лазеров в биологии и медицине (сборник). Киев, 1996.

63. Зубарев А. В. Лучевая диагностика сегодня / А. В. Зубарев // Кремлевская медицина. 2002. №2. - С. 14-17.

64. Иванов А. П. Об особенностях распространения излучения в тканях и биожидкостях при плотной упаковке частиц / А. П. Иванов, С. А. Макаревич, А. Я. Хайруллина // Журнал прикладной спектроскопии. 1987. Т. 47, №4. - С. 662-666.

65. Комарова Л. Е. Скрининг рака молочной железы / Л. Е. Комарова // Современная онкология. 2002. Т. 4, №3. - С. 83-86.

66. Летягин В. П. Современные проблемы течения, лечения и прогноза рака молочной железы : научный обзор / В. П. Летягин, Р. А. Керимов, В. М. Иванов. М., 1989. 64 с.

67. Норманский В. Е. Перспективы использования фотодинамической терапии и флуоресцентной диагностики при раке молочной железы / В. Е. Норманский // Маммология. 1993. №2. - С. 3843.

68. Подистов Ю. И. Современные диагностические возможности в определении- предрака и рака, шейки матки / Ю. И. Подистов, К. П. Лактионов, H. Н. Петровичев // Российский окологический журнал. 2001-.-№2.-С. 14-16.

69. Реализация проблем применения многофункциональной-лазернойл медицинской техники // Оптический вестник : бюл. оптического о-ва. -1996.-№1.

70. Roggan A., Minet О., Schroder С., Muller G. The determination of optical tissue properties with double integrating sphere technique and Monte Carlosimulations // Proc.SPIE.1994.-Vol.2100.-P.42-56.

71. Bicout D., Brosseau C., Martinez A.S., Schmitt J.M. Depolarization of multiply scattering waves by spherical difusers: influence of size parameter // Phys. Rev. E. 1994.-Vol.49.-P.1767-1770.

72. Geometric constraints for the design of diffusing-wave spectroscopy experiments / Kaplan P.D., Kao M.H., Yodh A.G., Pine D.J. // Applied Optics. 1993. -Vol. 32. -P.3828-3836.

73. Saulnier P.M., Zinkin M.P., Watson G.H. // Phys. Rev. B. 1990. Vol. 42. -P. 2621-2626.

74. Prahl S. Optical spectra//http://omlc.ogi.edu.

75. Зимняков Д.А. О предельном значении степени остаточной поляризации некогерентно обратно рассеянного излучения при многократном рассеянии линейно поляризованного света / Зимняков Д.А., Синичкин Ю.П. // Оптика и спектроскопия. 2001. Т. 91.-1.-С. 113-119

76. Туо J.S., Pugh E.N., Engheta N. IIJOSA. А. 1998. Vol. 15. - P. 36740. Schnorrenberg H.J., Hassner R., Hengstebeck M et al. 11 Proc. SPIE. - 1994. -Vol. 2326.-P.113

77. Andersen P.H. Reflectance spectroscopic analysis of selected experimental dermatological models with emphasis on cutaneous vascular reactions // Skin Research Technology. 1997.-Vol.3.-l.-P.5-58.

78. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. -М.: Мир, 1986.

79. Jacques S.L. The role of skin optics in diagnostic and therapeutic uses of lasers // Lasers in Dermatology / Ed. R. Steiner Berlin: Springer-Verlag, 1991. -P. 1-21.

80. Dawson J.B., Barker J. W., Ellis D.J. et al. A theoretical and experimental study of light absorption and scattering by in vivo skin // Phys. Med. Biol. 1980. -Vol. 25. P. 695-709.

81. Optical amplification of photothermal therapy with gold nanoparticles andnanoclusters / Khlebtsov B.N, Zharov V., Melnikov A.G., Tuchin V.V., Khlebtsov N.G. 11 Nanotechnology. 2006. - V. 17. - P. 5167-5179

82. Optical properties of human dermis in vitro and in vivo / Graaff R., Dassel A.C.M., Koelnic M.H. et al. //Appl. Optics. -1993. Vol. 32. 4. - P. 435-446.

83. The determination of optical tissue properties with double integrating sphere technique and Monte Carlo simulations / Roggan A., Minet O., Schroder C., Muller G. // Proc. SPIE. 1994. Vol. 2100. -P. 42-56.

84. Andersen P.H., Bjerring P. Remittance spectroscopy: hardware and measuring principle // Bioengineering of the skin: cutaneous blood flow and erythema / Eds. E. Berardesca, P. Eisner, H. I. Maibach. New York: CRC Press, 1995.-P. 231-241.

85. Wang L. Use of a laser beam with an oblique angle of incidence to measure the reduced scattering coefficient of a turbid medium / Wang L., Jacques S.L. // Appl. Opt. 1995. Vol. 34. - 13. - P. 2362-2366.

86. Wilson B.C. Measurement of tissue optical properties: methods and theories // Optical-thermal response of laser-irradiated tissue / Eds. A.J. Welch, M.J.C. van Gemert New York: Plenum Press, 1995. P. 233-274

87. Тучин B.B. Исследование биотканей методами светорассеяния // Успехи физ. наук. 1997. Т. 167. - 5. - С. 517-539.

88. Schmitt J.M. Multilayer model of photon diffusion in skin / Schmitt J.M., Zhou G.X., Walker E.C. // J. Opt. Soc. Am. A. 1990. Vol. 7. - P. 2141-2153.

89. Feather J.W., Haijzadeh M. et al. A portable scanning reflectance spectrophotometer using visible wavelengths for rapid measurement of skin pigments // Phys. Med. Biol. 1989. Vol. 34. - P. 807-820.

90. Andersen P.H. Spectral reflectance of human skin in vivo / Andersen P.H., Bjerring P. // Photodermatol. Photoimmunol. Photomed 1990. Vol. 7. - P. 512.

91. Andersen P.H. Non invasive computerized analysis of skin chromophores in vivo by reflectance spectroscopy / Andersen P.H., Bjerring P. // Photodermatol. Photoimmunol.

92. Validation of GA-MCML algorithm against IAD program / B. Morales Cruzado, S. A. Prahl, J. A. Delgado Atencio, S. Vazquez y Montiel // International Commission for Optics 22 General Congress, (2011, poster).

93. Reciprocity in Dental Resins and Composites / H. Davis, S. A. Prahl, J. L. Ferracane, IADR/AADR/CADR 89th General Session, 90A, (2011, poster).

94. Light Guided Lumpectomy: First Clinical Experience / A. Dayton, L. Soot, R. Wolf, C. Gougoutas-Fox, S. A. Prahl, J. // Biophotonics 2011 - 4, 752-758

95. Quantitative Carré Differential Interference Contrast Microscopy to Assess Phase and Amplitude / D. D. Duncan, D. G. Fischer, A. Dayton, S. A. Prahl // Journal of the Optical Society of America 2011 - A, 28, 1297-1306

96. J. C. Ramella-Roman A Spectroscopic sensitive polarimeter for biomedical applications / J. C. Ramella-Roman, A. Nayak, S. A. Prahl // J. of Biomedical Optics-2011 16, 047001

97. A. Dayton Light Guided Lumpectomy: Is Continuous Wave or Frequency Domain More Accurate / A. Dayton, N. Choudhury, S. A. Prahl // SPIE Proceedings on Biomedical Applications of Light Scattering 2010 - IV, 7573

98. A. Dayton Measuring distance through turbid media: A simple frequency domain approach / A. Dayton, N. Choudhury, S. A. Prahl // SPIE Proceedings on Advanced Biomedical and Clinical Diagnostic Systems 2010 - VIII, 7555

99. Tissue structural organization: measurement, interpretation, and modeling / D. D. Duncan, D. G. Fischer, M. Daneshbod, S. A. Prahl // SPIE Proceedings on Dynamics and Fluctuations in Biomedical Photonics 2010 - VII, 7563

100. S. Prahl, A. Dayton, "Distance Measurement Device and Method of Use Thereof," United States Patent Application, February 2010.

101. S. A. Prahl Monte Carlo Propagation of Spatial Coherence / S. A. Prahl, D. D. Duncan, D. G. Fischer // SPIE Proceedings on Biomedical Applications of Light Scattering 2010 - IV, 7187, 75730D-1-6

102. S. A. Prahl Monte Carlo Propagation of Spatial Coherence / S. A. Prahl, D. D. Duncan, D. G. Fischer // SPIE Proceedings on Biomedical Applications of Light Scattering-2009 III, 7187, 71870G-1-71870G-8

103. Optical Properties Effects upon the Collection Efficiency of Optical Fibers in Different Probe Configurations / P. R. Bargo, S. A. Prahl, S. L. Jacques // IEEE J. Selected Topics Quantum Electron 2003 - 9, 314-321

104. Collection Efficiency of a Single Optical Fiber in Turbid Media for Reflectance Spectroscopy / P. R. Bargo, S. A. Prahl, S. L. Jacques // OSA Biomedical Topical Meetings 2002 - 604-606

105. T. P. Moffitt Determining the Reduced Scattering of Skin in Vivo Using Sized-Fiber Reflectometry / T. P. Moffitt, S. A. Prahl // SPIE Proceedings on Optical Biopsy 2002 - IV, 4613, 254-263

106. T. P. Moffitt Sized-Fiber Reflectometry for Measuring Local Optical Properties / T. P. Moffitt, S. A. Prahl // IEEE JSTQE 2001 - 7, 952-958

107. T. P. Moffitt In-Vivo Sized-Fiber Spectroscopy / T. P. Moffitt, S. A. Prahl // SPIE Proceedings on Optical Biopsy 2000 - III, 3917, 225-231

108. Спектры резонансного светорассеяния золотых нанооболочек: эффекты полидисперсности и ограничения длины свободного пробега электронов / Хлебцов Б.Н., Богатырев В.А., Дыкман JI.A., Хлебцов Н.Г. // Оптика и спектроскопия 2007 - Т. 102. № 2. С. 273-281.

109. Хлебцов Б.Н. Коллективные плазмонные резонансы в монослое металлических наночастиц и нанооболочек / Хлебцов Б.Н., Ханадеев

110. В.А., Хлебцов Н.Г. // Оптика и спектроскопия.-2008.-Т.104,№2. С.324-337.

111. Хлебцов Н.Г. Оптика и биофотоника наночастиц с плазмонным резонансом // Квантовая электроника. 2008. - Т.38,№6. -С. 504-529.

112. Хлебцов Н.Г. Ориентационное усреднение интегральных сечений в методе дискретных диполей // Оптика и спектроскопия. 2001. - Т. 90, №.3. -С. 468-475.

113. Хлебцов Н.Г. Ослабление и рассеяние света в дисперсных системах с неупорядоченными, ориентированными и фрактальными частицами (теория и эксперимент) // Дисс. докт. физ.-мат. наук, Саратов, СГУ, 1996. 559 с.

114. Золотые наноструктуры с плазмонным резонансом для биомедицинских исследований / Хлебцов Н.Г., Богатырев В.А., Дыкман Л.А., Хлебцов Б.Н. // Российские нанотехнологии. 2007. - Т.2. - С.69-86

115. Хлебцов Н.Г. Спектротурбидиметрия полидисперсных систем с учетом спектральной зависимости оптических констант / Хлебцов Н.Г., Мельников А.Г. //Журн. прикл. спектр. 1992. - Т. 56. - С. 435-440.