НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o109.pdf (1773.06Кб)

УДК 004.9+535.2

1 Волгоградский государственный университет, Волгоград, Россия

Статья посвящена разработке новых метод неинвазивного измерения оптических параметров биологических тканей, ответственных за распространение и поглощение монохроматического излучения. Из теории переноса излучения [1] известно, что такими параметрами для сильно рассеивающих сред, к которым относятся многие биоткани, являются параметры диффузионного приближения, а также коэффициент рассеяния и параметр анизотропии. На основе статистического моделирования проведено исследование распространения ненаправленного излучения от ламбертова пучка света с естественной поляризацией, освещающего поверхность биоткани. Статистическое моделирование основано на методе Монте-Карло [2], причем для получения правильных значений энергетических коэффициентов френелевского отражения и прохождения при моделировании методом Монте-Карло такого излучения используется найденная автором функция статистического представления для угла падения модельных фотонов [3]. Подробно описан принцип фиксации мощности, передаваемой ненаправленным излучением в биоткань [3], и уравнения баланса мощности для этого случая.
Далее описано диффузионное приближение теории переноса излучения, часто используемое при моделировании распространения излучения в сильно рассеивающих средах, и показано его применение для случая фиксации мощности, передаваемой в биоткань. При этом для представления неравномерности распределения входящей мощности используется аппроксимирующее выражение в условиях фиксации полной входящей мощности. Выявлены особенности поведения решения на поверхности биоткани внутри и вне падающего пучка. Показано, что решение в области вне падающего пучка (особенно вдали от него) практически не зависит от конкретного распределения по поверхности входящей в биоткань мощности и от показателя преломления биоткани, а определяется только величиной полной входящей мощности и параметрами распространения и поглощения излучения внутри биоткани. Кроме того, специальным выбором граничных условий получено модельное решение, для которого значение выходящей из биоткани мощности в области вне пучка также обладает этим свойством. Эти особенности модельного решения предложено использовать для неинвазивного определения параметров диффузионного приближения расчетным методом, аналогичным используемому для неинвазивного измерения параметров стационарного теплообмена в живых тканях [15]. При этом для однозначного восстановления двух неизвестных параметров диффузионного приближения, в соответствии с найденным модельным решением используются результаты измерения двух величин - подповерхностной освещенности и полной выходящей мощности. Таким образом, метод не требует пространственного разрешения диффузно-отраженной мощности, что может быть преимуществом при измерениях на реальных живых тканях по сравнению с методами, использующими “точечный” характер измерений, например, с помощью волоконно-оптических датчиков.
Помимо эффекта фиксации передаваемой в биоткань мощности, использование ненаправленного излучения позволяет измерить значение подповерхностной освещенности, а также значение полного коэффициента отражения от биоткани. Знание полного коэффициента отражения при известных (или уже измеренных) параметрах диффузионного приближения позволяет определить дополнительно ещё два параметра, характеризующих рассеивающую среду - коэффициент рассеяния и параметр анизотропии. Полученные значения основных параметров (коэффициента поглощения, коэффициента рассеяния и параметра анизотропии) позволяет решать задачу нахождения распределения излучения и возникающих тепловых источниках для данной биоткани уже для любых условий, используя, например, метод Монте-Карло.
Таким образом, проведенное исследование показало возможность неинвазивного измерения параметров распространения и поглощения излучения в видимом и ближнем ИК-диапазоне, что может найти применение в биомедицинских приложениях, использующих лазерное излучение.

1. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно неоднородных средах. В 2 т. Т. 1. Однократное рассеяние и теория переноса: пер. с англ. М.: Мир, 1981. 280 с.
2. Макаров С.Ю. Статистическое моделирование переноса излучения и световые переходные характеристики многослойной биоткани // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 12. С. 350-364. DOI:10.7463/1214.0738862
3. Макаров С.Ю. Статистическое представление угла падения фотонов в ненаправленном излучении, проходящая и передаваемая мощность // Научный обозреватель. 2015. № 10. С . 40-41.
4. Wilson B.C., Patterson M.S., Flock S.T. Indirect Versus Direct Techniques for the Measurement of the Optical-Properties of Tissues // Photochemistry and Photobiology. 1987. Vol. 46. P. 601-608. DOI: 10.1111/j.1751-1097.1987.tb04820.x
5. Kienle A., Lilge L., Patterson M.S., Hibst R., Steiner R., Wilson B.C. Spatially resolved absolute diffuse reflectance measurements for noninvasive determination of the optical scattering and absorption coefficients of biological tissue // Applied Optics. 1996. Vol. 35, iss. 13. P. 2304-2314. DOI:10.1364/AO.35.002304
6. Bashkatov A.N., Genina E.A., Tuchin V.V. Ch. 5. Tissue optical properties // In: Handbook of Biomedical Optics / ed. by D.A. Boas, C. Pitris, N. Ramanujam. London: CRC Press, Taylor and Francis group, 2011. P. 67-102.
7. Sun J., Fu K., Wang A., Lin A.W.H., Utzinger U., Drezek R. Influence of fiber optic probe geometry on the applicability of inverse models of tissue reflectance spectroscopy: computational models and experimental measurements // Applied Optics. 2006. V ol . 45, iss . 31. P. 8152-8162. DOI:10.1364/AO.45.008152
8. Сетейкин А.Ю., Красников И.В. Применение метода Монте-Карло для задач биофотоники. Благовещенск: Изд-во АмГУ, 2014. 68 с.
9. Palmer G.M., Ramanujam N. Use of genetic algorithms to optimize fiber optic probe design for the extraction of tissue optical properties // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2007. Vol. 54, iss. 8. P. 1533-1535. DOI: 10.1109/TBME.2006.889779
10. Ravikant Samatham Venkata. Determination of Optical Scattering Properties of Tissues Using Reflectance-mode Confocal Microscopy: PhD Diss. Department of Biomedical Engineering, OHSU, 2012.
11. Макаров С.Ю. Теплофизическая модель биоткани и её численная реализация // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 10. С. 85-96. DOI:10.7463/1013.0645537
12. Оптическая биомедицинская диагностика: пер. с англ. В 2 т. Т. 1. / под. ред. В.В. Тучина. М.: Физматлит, 2007. 560 с.
13. Тучин В.В. Оптика биологических тканей. Методы рассеяния света в медицинской диагностике: пер. с англ. М .: Физматлит , 2013. 812 с .
14. Haskell R.C., Svaasand L.O., Tsay T.T., Feng T.T., McAdams M.N., Tromberg B.J. Boundary conditions for the diffusion equation in radiative transfer // Journal of the Optical Society of America A. 1994. Vol. 11, iss. 10. P . 2727-2741. DOI:10.1364/JOSAA.11.002727
15. Макаров С.Ю. Принцип для неинвазивного измерения параметров стационарного теплообмена в живых тканях // Наука и образование. МГТУ им . Н . Э . Баумана . Электрон . журн . 2014. № 2. С . 233-246. DOI:10.7463/0214.0695233
16. Dunaev A.V., Zherebtsov E.A., Rogatkin D.A., Stewart N.A., Sokolovski S.G., Rafailov E.U. Substantiation of medical and technical requirements for noninvasive spectrophotometric diagnostic devices // Journal of Biomedical Optics. 2013. Vol. 18, iss. 10. Art. no. 107009. DOI: 10.1117/1.JBO.18.10.107009