Диссертация (1025280)
Текст из файла
2Ср а и.…………………………………………………………………….41. А………………………………………………….….….12….…..13…………….……….…..17……………………………………….32…………………………………………………..41in vivo .………………….……………….53…………………………………………………………….54……………………541.11.2.1.3. А1.4. А2. М2.1.2.2. М2.3. М……………………….……………..68…...75in vivo …………………………….…852.4. М2.5. М3.2.6. Иin vivo ……………………………………..…………….89in vivo ………………………..……………..100in vivo ..101……………………………………..………………..1083. Э3.1.3.2. М3.3.….….. 1143.4. Мin vivo ………………………………….……………...128in vivo ……………………………..…………….129……………………………………………………………..135………………………………...………………………1363.5.О4ВведениеАктуальность работы. Терагерцовая область электромагнитногоспектра [1] расположена между инфракрасным и микроволновым диапазонами частот.
Тергерцовому диапазону соответствуют частоты от 0, 1 до10, 0 ТГц или длины волн от 30, 0 мкм до 3, 0 мм. Долгое время исследования в терагерцовой области спектра осложнялись отсутствием эффективной элементной базы (источников, детекторов, оптических элементов, волноводов и волокон). Лишь во второй половине XX века появились несколькоэффективных подходов к генерации и детектированию терагерцового излучения [2ҫ9], ставших основой терагерцовых спектроскопических исследований [10, 11] и имиджинга [12] и положивших начало активному освоению терагерцового диапазона. Терагерцовое излучение является неионизирующим.Частотная зависимость терагерцовой диэлектрической проницаемости несетинформацию о низкочастотных молекулярных колебаниях и структурныхсвойствах конденсированных сред.
Терагерцовое излучение сильно поглощается водой [13, 14] и ее парами [15ҫ17], что связано с высоким дипольныммоментом водородных связей молекулы [18].Перечисленные свойства терагерцового излучения делают терагерцовую оптотехнику перспективным инструментом исследований в различныхобластях науки и техники, в том числе в химии, материаловедении, биологиии медицине [19ҫ30]. Ткани организма человека являются сильно поглощающими терагерцовое излучение средами. Глубина проникновения варьируетсяот нескольких сотен микрометров до нескольких миллиметров в зависимости от типа тканей [31].
Поэтому применение терагерцового излучения длянеинвазивной диагностики заболеваний внутренних органов не представляется возможным. Тем не менее терагерцовое излучение может использоватьсядля исследования эпителиальных тканей организма (тканей выстилающихповерхность и полости тела) или в целях интраоперационной диагностики.Исследования, направленные на разработку методов определения диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред и биологическихтканей, ведутся рядом научных коллективов.
Лидерами в рассматриваемойобласти являются группы исследователей из Университета Кембриджа, Уни-5верситетского колледжа Лондона, Университета Райса, Китайского университета Гонконга, Университета Западной Австралии, Брауновского университета, Нагойского университета, Токийского университета и организацииTeraView Ltd. Перечисленными научными группами предложены методыопределения комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред и биологических тканей в терагерцовом диапазоне частот и показана возможность их использования для неинвазивной, малоинвазивнойи интраоперационной диагностики различных заболеваний. Например, былапродемонстрирована возможность диагностики базальноклеточного рака кожи [32,33], дисплазии и рака кишечника [31,34,35], а также интраоперационной диагностики рака молочной железы [36ҫ38]. Следует признать, что наиболее значительные результаты получены в области ранней неинвазивной диагностики злокачественных поражений кожи [39, 40].
В работах [32, 33, 41ҫ46]демонстрируются существенные различия терагерцовых диэлектрических характеристик здоровых и пораженных тканей кожи in vivo и in vitro.Существующие методы и аппаратура для регистрации комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред и биологическихтканей in vivo в терагерцовой области спектра характеризуются достаточнобольшими погрешностями измерений.
До настоящего момента не исследовалась возможность применения терагерцовой импульсной спектроскопии дляранней неинвазивной диагностики меланомы кожи ҫ злокачественного заболевания кожи, которое является причиной 50% всех летальных исходов,вызванных онкологическими поражениями тканей эпителия [47ҫ52]. Успешность лечения меланомы кожи во многом зависит от ее ранней диагностики,причем наилучших результатов лечения можно достичь в случае диагностики меланомы на 0-ой стадии развития ҫ меланома in situ (преинвазивныйрак — злокачественная опухоль на начальных стадиях развития).
На этойстадии даже экспертам сложно проводить дифференциальную диагностикус диспластическим невусом [51], при этом существующие методы диагностики [53ҫ63] не обеспечивают достаточной эффективности.Нерешенной остается задача разработки волноводов и эндоскопическихсистем, обеспечивающих передачу терагерцового излучения к труднодоступным объектам исследований. Зачастую это делает невозможным дифференциацию биологических тканей in vivo в нормальном состоянии и при нали-6чии патологии на основе анализа их комплексной диэлектрической проницаемости в терагерцовом диапазоне частот.
В этой связи тема диссертации,посвященная разработке нового метода исследований диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей с помощьютерагерцовой спектроскопии, представляется весьма актуальной.Цель диссертации ҫ разработка метода и аппаратуры терагерцовойимпульсной спектроскопии для исследования комплексной диэлектрическойпроницаемости сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo.Для достижения сформулированной цели в диссертации были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:∙ разработан метод определения комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo с помощью терагерцовой импульсной спектроскопии;∙ разработан сапфировый фотонно-кристаллический волновод для передачи терагерцового излучения спектрометра к объекту исследования;∙ создан экспериментальный комплекс для исследования диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред и биологических тканейin vivo в терагерцовом диапазоне;∙ экспериментально показано, что разработанный метод обеспечивает погрешность измерений, достаточную для дифференциации биологических тканей in vivo в нормальном состоянии и при наличии патологии.Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темыдиссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость. Приведены структура диссертации, формыапробации и реализации результатов.В первой главе на основе обзора современного состояния исследований вобласти терагерцовой спектроскопии выбран метод для спектроскопическихисследований сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo.Во второй главе рассмотрены современные подходы к аналитическому описанию и численному моделированию процесса взаимодействия терагерцового импульсного излучения с диэлектрическими средами, в частностиc сильно-поглощающими веществами и биологическими тканями. Показано,что диэлектрическая проницаемость биологических тканей в терагерцовомдиапазоне может быт описана релаксационными моделями Дебая. Учитывая7дебаевский характер диэлектрической дисперсии биологических тканей, в работе проведена серия вычислительных экспериментов, направленных на изучение возможности дифференциации биологических тканей в нормальном состоянии и при наличии патологии с помощью терагерцовой импульсной спектроскопии, причем для моделирования использовался конечно-разностныйметод численного решения уравнений Максвелла.
Предложен оригинальныйметод оценки комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo с помощью терагерцовой импульсной спектроскопии. Для восстановления диэлектрических характеристик метод использует три сигнала импульсного спектрометра (сигнал образца и дваопорных сигнала) и учитывает конечное число импульсов-спутников во всехвременных сигналах. Проведены исследования устойчивости решения обратной задачи с помощью предложенного метода, результаты которых позволилисформулировать требования к техническому облику комплекса для экспериментальных исследований.В третьей главе разработан комплекс для экспериментальных исследований диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo, реализующий многоканальный метод решения обратной задачи.
Предложено оригинальное техническое решение проблемыпередачи терагерцового импульсного излучения спектрометра к труднодоступным объектам исследований, основанное на использовании сапфировыхтерагерцовых фотонно-кристаллических волноводов. Проведена апробацияэкспериментального комплекса, направленная на исследование комплекснойдиэлектрической проницаемости тканей здоровой кожи, обыкновенных и диспластических невусов in vivo.В выводах сформулированы основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы.Объектом исследования является поле электромагнитного излучения терагерцового диапазона частот.Предметом исследования является метод восстановления комплексной диэлектрической проницаемости образца в терагерцовом диапазоне частот.Методы исследований. При решении поставленных задач использованы методы физической оптики, вычислительной электродинамики, цифро-8вой обработки сигналов, теории оптических систем и диэлектрической спектроскопии.Научная новизна исследования заключается в том, что:∙ показано, что разработанный метод определения комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред и биологическихтканей обеспечивает погрешность, не превышающую 3 % в спектральном диапазоне от 0, 2 до 1, 4 ТГц;∙ установлено, что сапфировый фотонно-кристаллический волновод обеспечивает потери до 2, 0 дБ/м и характеризуется низкой дисперсией вспектральном диапазоне от 1, 0 до 1, 55 ТГц.Положения, выносимые на защиту∙ Разработанный метод определения комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред, основанный на использованиидвух опорных сигналов, позволяет исключить ошибку оценки диэлектрических характеристик, вызванную эффектом многолучевой интерференции излучения в опорном окне, позади которого фиксируется исследуемый образец.∙ Для передачи терагерцового излучения к объекту исследования следует использовать фотонно-кристаллический волновод, изготовленный изсапфира и обеспечивающий потери до 2, 0 дБ/м и низкую дисперсию вспектральном диапазоне от 1, 0 до 1, 55 ТГц.∙ Обеспечиваемая разработанным методом определения диэлектрическойпроницаемости погрешность, не превышающая 3 % в спектральном диапазоне от 0, 2 до 1, 4 ТГц, достаточна для дифференциации биологическких тканей in vivo в нормальном состоянии и при наличии патологии.Практическая ценность работы.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
