РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИ (08.08.2011)

Автор: Каменский Владислав Антониевич

Каменский Владислав Антониевич

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ

ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ

ПРИМЕНЕНИЙ

03.01.02 – биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Саратов

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институте прикладной физики РАН

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, академик РАМН

Владимиров Ю.А., Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (г. Москва);

доктор физико-математических наук

Зимняков Д.А., Саратовский государственный

технический университет (г. Саратов);

доктор биологических наук Моничев А.Я.,

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (г. Нижний Новгород);

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт

биохимической физики им. Н.И. Эммануэля РАН

Защита состоится " 04 "октября 2011 г. в 15.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.243.05 в 3-м корпусе СГУ в аудитория №34.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке им. В.А. Артисевич Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского

Автореферат разослан "__" 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д. ф.-м. н., профессор В.Л. Дербов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Сложноорганизованная структура биологических объектов, сложность химического состава и отклика организма на воздействие, которое может значительно изменить физические характеристики биоткани, еще недавно практически не позволяли изучать динамику процессов внутри биоткани.

Аналитическое рассмотрение процессов взаимодействия излучения с веществом и распространения излучения в таких сложных комплексных средах началось с появлением численных методов, вызвавших резкий рост публикаций, посвященных построению математических моделей биообъектов.

В то же время, измерять характеристики in vivo можно только методами, которые не нарушают относительного динамического постоянства состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма (гомеостаза), или же исследовать биоткань ex vivo. Следует отметить, что оптические характеристики в in vivo и ex vivo исследованиях часто кардинально отличаются. При этом разрешение методов должно позволять наблюдать структуру ткани на клеточном уровне или хотя бы на уровне слоев или групп клеток. Поэтому, с появлением новых оптических технологий, таких как волоконная оптика и фемтосекундные лазеры, усилия ученых были направлены на создание новых методов диагностики. Всем этим требованиям отвечают методы оптической визуализации, которые открыли принципиально новые возможности для мониторинга большинства биологических процессов. Осуществляя мониторинг лечебного процесса, можно своевременно корректировать его, вмешиваясь и управляя переходным состоянием, т.е. судьбой биологического организма.

Созданные за последнее время методы оптической визуализации [1] можно разделить на методы, позволяющие наблюдать микроструктуру ткани – оптическую томографию, и методы, регистрирующие биохимические изменениям, прежде всего спектроскопические и флуоресцентные методы.

Фундаментальной исследовательской задачей оптической томографии является получение изображений структуры живых биологических объектов на тканевом, клеточном и субклеточном уровнях на различных глубинах неинвазивным образом в реальном времени, а прикладной целью – создание новых методов диагностики и контроля процессов (например, процесса лечения больного).

Для зондирования в оптической томографии используется излучение ближнего инфракрасного диапазона, в так называемом "терапевтическом окне прозрачности", которое может сравнительно глубоко (до нескольких десятков сантиметров) проникать в биоткань и одновременно является неинвазивным вследствие малой величины энергии оптического кванта и малой мощности (сравнимой с солнечным излучением) источника излучения. В данном диапазоне длин волн внутренняя микроструктура биологических объектов имеет отличающиеся на несколько порядков оптические коэффициенты рассеяния и поглощения, что является принципиальным фактором формирования контраста. Рассеяние излучения в биотканях обусловлено пространственным распределением показателя преломления и зависит от особенностей строения биоткани. В свою очередь, данное распределение определяет макроскопические оптические параметры: коэффициент рассеяния ?s, коэффициент поглощения ?a и фактор анизотропии g (средний косинус угла рассеяния). Изменяя распределение показателя преломления внутри биоткани можно управлять ее оптическими характеристиками. Такое управление может быть осуществлено с помощью компрессии, а также применения просветляющих [2] или контрастирующих агентов [3].

В этой работе акцент делается на мониторинг процессов при наблюдении методами ОКТ и его модификаций – оптической когерентной микроскопии (ОКМ), кросс-поляризационной ОКТ (КП ОКТ) [4], оптической диффузионной томографии ОДТ [5] и кросс-поляризационной отражательной спектроскопии (КПОС) [6].

ОКТ – метод построения изображений внутренней структуры рассеивающих объектов, основанный на низкокогерентной интерферометрии с широкополосными источниками излучения видимого или ближнего инфракрасного диапазона длин волн. Благодаря успехам в оптике рассеивающих сред, появлением фемтосекундных и фемтокоррелированных источников излучения, оптоволоконных элементов и достижениям в вычислительной технике удалось разработать и создать оптические когерентные томографы, позволяющие получать прижизненную информацию о внутренней структуре поверхностных биотканей, в том числе слизистых оболочек, с пространственным разрешением до 1 микрона на глубину до 2 мм.

ОДТ основана на получении информации с помощью сильно рассеянной, диффузной компоненты, способной проникать в биоткань на глубину до десяти сантиметров. ОДТ позволяет обнаружить, идентифицировать, определить параметры поглощающих и рассеивающих неоднородностей внутри биоткани на основе обработки сигнала от прошедшего через ткань лазерного излучения. Как и для любого трансмиссионного метода, задача сводится к реконструкции распределения поглощения и рассеяния по измеренному набору интегралов по траекториям. В отличие от рентгеновской просветной томографии, где можно считать трассы лучей прямыми, здесь этого сделать нельзя из-за сильного рассеяния.

КПОС основана на поляризационном зондировании покровных биотканей, состоящих из эпителия и стромы. Биоткань зондируется линейно поляризованным широкополостным излучением ближнего ИК диапазона. Прием обратно рассеянного излучения от биоткани осуществляется одновременно в двух взаимно ортогональных поляризациях. Использование поляризационного приема позволяет выделить информативную компоненту излучения, которой является слабое упругое рассеяние от эпителия, на фоне мощного диффузного фона, состоящего из излучения, претерпевшего рассеяние в подлежащей строме. Физический принцип выделения рассеяния от эпителия основан на существенном различии оптических свойств эпителия и подлежащей стромы.

Основное содержание диссертации связано с экспериментальными исследованиями возможностей использования новых методов оптической диагностики для изучения процессов при разнообразных воздействия на биологические объекты и создания методов контроля и лечения.


загрузка...