Диссертация (1025280), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Отмеченноеобстоятельство зачастую делают терагерцовые спектральные характериатики биологических тканей в нормальном состоянии и при наличии патологиистатистически неразличимыми (Рис. 1.12, 1.15 и 1.17).В ряде работ предпренимаись попытки к повышению чувствительностьтерагерцовых методов исследования сильнопоглощающих сред и биологических тканей. В работе [239] демонстрируется возможность повышения чувствительности методов терагерцовой спектроскопии и имиджинга за счет введения в ткани золотых нано-размерных нитей и их одновременного облученииИК излучением.
Причиной высокого контраста в данном случае является локальный разогрев пораженных тканей, содержащих большее количество воды, за счет плазмонного поглощения ИК излучения золотыми частицами. Встатье [240] предложено повышать контраст между больными и здоровымитканями за счет заморозки образца при in vitro исследованиях. При заморозке образца поглощение терагерцового излучения тканями сильно снижается,а глубина проникновения возрастает. Таким образом, изучение замороженных образцов позволяет детектировать пораженные ткани, залегающие набольшей глубине.Несмотря на рассмотренные подходы проблема повышения чувствительности методов терагерцовой импульсной спектроскопии остается чрезвычайно актуальной. Для этого целесообразно применять подходы, связанныес рациональным проектированием импульсной системы и ее оснастки, предварительной подготовкой исследуемого объекта, а также использованием эффективных методов подавления шумов в сигналах спектрометра и устойчивых к шумам методов решения обратных задач спектроскопических исследований.Проведенный обзор демонстрирует широкий спектр задач медицинскойдиагностики, которые могут быть решены с помощью терагерцовой импульсной спектроскопии и имиджинга.
Несмотря на разнообразие объектов исследований, необходимо отметить общность подходов, используемых для изучения биологических тканей с помощью терагерцовой импульсной спектроскопии, ҫ как технических решений, так и методов обработки сигналов. Более52того, обзор современных научных работ позволяет сформулировать требования к разрабатываемому программно-аппаратному комплексу для регистрации спектральных характеристик биологических тканей in vivo.Разработка программно-аппаратного комплекса должна осуществляться не основе следующих принципов.∙ Программно-аппаратный комплекс должен обеспечивать возможностьанализа сигналов спектрометра во временной и частотной областях, давая максимальную свободу выбора критериев дифференциации.∙ Программное обеспечение комплекса должно реализовывать высокоэффективные методы решения обратных задач импульсной спектроскопиии методы подавления шумов в сигналах спектрометра для обеспечениястатистической различимости характеристик тканей и повышения эффективности их дифференциации.∙ Проектирование программно-аппаратного комплекса, в частности узловпозиционирования объекта исследований, должно выполняться в строгом соответствии с требованиями, предъявляемыми методами решенияобратных задач спектроскопии.∙ Программно-аппаратный комплекс должен включать инструмент доставки терагерцового излучения к трудно-доступным объектам исследований, при этом инструмент доставки должен обеспечивать минимальную дисперсию и экстинкцию терагерцового импульса.∙ Программно-аппаратный комплекс должен обеспечивать возможностьоперативного исследования различных тканей организма человека сучетом возможной вариации формы объекта исследований для создания базы данных терагерцовых характеристик различных объектов.Очевидно, что разработка новых методов неинвазивной диагностики заболеваний кожи неразрывно связана с созданием новых методов решения обратных задач терагерцовой импульсной спектроскопии и их использованиемдля накопления и анализа базы данных терагерцовых спектральных характеристик биологических тканей in vivo в нормальном состоянии и при наличиипатологии.
Для создания новых методов решения обратных задач терагерцовой импульсной спектроскопии необходимо понимать механизмы взаимодействия терагерцового электромагнитного излучения с объектом исследования,сильно поглощающими средами и биологическими тканями in vivo.53Глава 2. Моделирование процесса взаимодействия терагерцовогоимпульсного излучения с сильно поглощающими средамии биологическими тканями in vivoВажной задачей на пути создания новых методов исследования терагерцовых диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред ибиологических тканей in vivo является изучение механизмов взаимодействиятерагерцового импульсного излучения с этими средами, а также выборчисленных и аналитических подходов к решению прямых задач, связанныхс моделированием взаимодействия терагерцового импульсного излучения спространственно-неоднородными средами, характеризующимися существенной дисперсией терагерцовых диэлектрических характеристик.
Численныеметоды решения прямых задач, накладывающие наименьшие ограничения нагеометрию и оптические свойства объекта исследования, позволяют изучитьвозможность диагностики различных заболеваний с помощью терагерцовойимпульсной спектроскопии, в частности оценить предельно-достижимые характеристики диагностических систем ҫ латеральное разрешение и глубинудиагностики. Аналитические подходы к моделированию распространениятерагерцовых импульсов сквозь исследуемые среды позволяют сформулировать базис для создания новых методов решения обратных задачтерагерцовой импульсной спектроскопии.2.1. Распространение терагерцового излучения в материальнойсредеДля описания процесса распространения терагерцового излученияв свободном пространстве и материальной среде используются методыклассической электродинамики [1].2.2.
Модели диэлектрической проницаемостиНесмотря на различие физических процессов, ответственных задисперсию диэлектрических характеристик в различных областях электромагнитного спектра (Рис. 1.2), диэлектрическая проницаемость веществаподчиняется единым закономерностям и описывается вполне определен-54ными моделями комплексной диэлектрической проницаемости [1, 241, 242].Для различных объектов исследования (метал, диэлектрик, плазма и др.)анализ диэлектрических характеристик вещества проводится на основе моделей взаимодействия электромагнитного излучения с носителями зарядов,отдельными атомами и молекулами, а также коллективными образованиями.Общие свойства функции диэлектрической проницаемостиСуществуют общие свойства функции диэлектрической проницаемости,ε︀ (ω), следующие из первых принципов [241].
Так как для функции комплексной диэлектрической проницаемости можно записать выражение︁+∞ε︀ (ω) = 1 +χe (t) e−iωt dt,(2.1)−∞где временной отклик диэлектрической восприимчивости χe (t) является действительной функцией, поэтомуε︀ (ω) = ε︀ * (−ω) ,(2.2)то есть действительная часть диэлектрической проницаемости ε′ (ω) являетсячетной, а мнимая часть ε′′ (ω) ҫ нечетной функцией комплексной переменнойω. Положительные значения функции ε′′ (ω) приводят к затуханию излучения в среде. Функция ε′′ (ω) меняет знак при переходе через ω = 0, при этомкривая проходит через нулевую точку для диэлектриков и через бесконечность для металлов (расходимость вида 1/ω).
Значение действительной частидиэлектрической проницаемости в нуле, ε0 = ε′ (ω), называется статическойдиэлектрической восприимчивостью. При стремлении ω к бесконечности предел функции ε︀ (ω) равен 1.Комплексная диэлектрическая проницаемость является функцией отклика физической системы на внешнее воздействие.
Аналитичность функцийотклика физических систем предполагает, что они удовлетворяют принципупричинности (отклик системы не может появиться раньше самого воздействия на нее), а соответственно, мнимая и действительная часть функцииотклика являются связанными величинами. Связь между действительной и55мнимой частями комплексной диэлектрической проницаемости устанавливается соотношением Крамерса-Кронига [177]1ε′ (ω) − 1 = v.p.πε′′ (ω) =1v.p.π︁+∞−∞+∞︁ ′−∞ε′′ (ω ′ ) ′dω ,ω′ − ω(2.3)′ε (ω ) − 1 ′dω ,ω′ − ωгде v.p. означает взятие интеграла в смысле главного значения. Аналогичнодля мнимой и действительной составляющих комплексного показателя преломления можно записать1n (ω) − 1 = v.p.π′n′′ (ω) =1v.p.π︁+∞−∞︁+∞ ′−∞n′′ (ω ′ ) ′dω ,ω′ − ω(2.4)n (ω ′ ) − 1 ′dω .ω′ − ωВыражения (2.3) и (2.4) соответствуют преобразованиям Гильберта.
Они также справедливы для мнимой и действительной составляющих комплексных︀ (ω) среды.коэффициентов пропускания T︀ (ω) и отражения RСоотношения Крамерса-Кронига позволяют существенно сократитьтрудоемкость процесса измерения частотной зависимости диэлектрическиххарактеристик среды с помощью спектроскопических методов, построенныхна квадратичных принципах детектирования (Рис. 1.4 и 1.5).
Применяя впроцессе решения обратной задачи соотношения (2.3) и (2.4), можно восстанавливать спектральные характеристики среды на основе информации только об амплитуде или фазе сигнала, а соответственно, даже для спектроскопиина квадратичных детекторах возможно восстановление спектральных характеристик образца в результате единственного измерения. Пример применениясоотношения Крамерса-Кронига к терагерцовым диэлектрическим характеристикам атмосферы при влажности в 15 % приведен на Рис. 2.1.
На рисунке показаны мнимая ε′ (а) и действительная ε′′ (б) части диэлектрическиххарактеристик, восстановленные на основе анализа сигналов терагерцового560,00081,0004ε’0,0006ε’’1,0002ε’ε’’ε’К-К = H[ε’’]0,00041,00000,00020,99980,8(a)1,01,21,4ν, THz1,61,82,00,00000,8(б)1,01,21,41,61,82,0ν, THzРис. 2.1. Применение соотношения Крамерса-Кронига для восстановления терагерцовых диэлектрических характеристикатмосферы с влажностью 15 %: (а) и (б) ҫ действительнаяи мнимая части диэлектрической проницаемости. Кривые ε′ и ε′′ восстановлены напрямую из экспериментальных данных, а ε′K−K рассчитана из мнимой части с помощью (2.3))импульсного спектрометра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
