Диссертация (1025280), страница 22
Текст из файла (страница 22)
В то жевремя благодаря эффективности метода Степанова и низкой стоимости кристаллов Вернея стоимость сапфировых волноводов сопоставима со стоимостьтрадиционных полимерных и/или металлических терагерцовых волноводов.В отличие от гибких металлических и/или полимерных терагерцовыхволноводов [295,314,316] сапфировые профилированные кристаллы являютсяжесткими благодаря высокой твердости сапфира [327ҫ329,334,339,340]). Хотяжесткость волноводов сокращает спектр их приложений, она в определенномсмысле являться положительным свойством, так как жесткие волноводы лишены потерь, связанных с изгибом. Как следствие, жесткие сапфировые волноводы могут применяться для высокоэффективных спектроскопических измерений труднодоступных и незначительно удаленных от спектрометра объектов.Такимобразом,разработанныйтерагерцовыйфотоннокристаллчиеский волновод на основе профилированных кристаллов сапфирапозволяют успешно решить задачу доставки терагерцового импульсногоизлучения к труднодоступному объекту исследований с минимальной дисперсией и низкими потерями, дополняя макет программно-аппаратногокомплекса для исследования терагерцовых диэлектрических характеристиксильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo.1283.4.
Методика экспериментальных исследований терагерцовых диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред итканей in vivoЭкспериментальные исследования терагерцовых диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo с использованием экспериментального комплекса включает следующие основныеэтапы:∙ регистрацию сигналов Es , Er и Em (последовательность регистрации неимеет значение);∙ вейвлетную фильтрацию шумов в сигналах Es , Er и Em ;∙ компенсацию линейной трансляции опорного окна с использованиемпроцедуры фазовой корреляции;∙ восстановление терагерцовых диэлектрических характеристик образцас помощью многоканального метода;∙ оценку спектрально-неоднородной погрешности восстановления терагерцовых диэлектрических характеристик образца.Воспользуемся описанной методикой для исследования терагерцовыхспектральных характеристик тканей здоровой кожи in vivo и сравним результаты исследований с известными литературными данными [341] На Рис. 3.14проводится сравнение результатов терагерцовой спектроскопии кожи, полученных с помощью предложенного в настоящей работе метода, n и α, с хорошо известными данными, n0 и α0 , опубликованными ранее в работе [341].Результаты эксперимента совпадают с данными источника с точностью доошибки измерений.
Отметим, что сравнение результатов терагерцовой спектроскопии производится путем сопоставления терагерцовых оптических (а недиэлектрических) характеристик образца, так как в работе [341] изучалисьименно оптические характеристики.Погрешность восстановления терагерцовых спектральных характеристик среды рассчитывалась с помощью алгоритма исследованияустойчивости решения обратной задачи, предложенного выше (Рис. 2.17).Для оценки погрешности восстановления решалась прямая задача. Спомощью (2.32)ҫ(2.58) моделировался процесс рассеяния терагерцовыхимпульсов на исследуемом образце, причем в качестве модели средыиспользовались терагерцовые характеристики, восстановленные в резуль-1293,520α(ν)α0(ν)3,0n(ν)2,5102,0α(ν), мм-11551,51,0n(ν)n0(ν)0,20,40,60,81,01,21,40ν, ТГцРис.
3.14. Сравнение результатов терагерцовой спектроскопии здоровой кожи человека in vivo: n и α ҫ результаты настоящей работы; n0 и α0 ҫ результаты работы [341]тате эксперимента, а параметры гауссового моноимпульса E0 и моделейсигналов Em , Er и Es выбирались наиболее близкими к условиям проведения эксперимента. На модельные сигналы накладывались шумы (2.59),характерные для экспериментальных сигналов, после чего выполнялосьвосстановление диэлектрических характеристик (2.51)ҫ(2.54).
Результатывосстановления сравнивались с исходными модельными диэлектрическимихарактеристиками, в результате чего спектральная погрешность измеренийоценивалась в соответствии с выражениями (2.60). Описанный подход позволяет оценить погрешность восстановления терагерцовых диэлектрическиххарактеристик с учетом спектральной неоднородности ошибки, связаннойкак с неоднородной спектральной чувствительностью системы, так и с наличием резонансов Фабри-Перо, обусловленных многолучевой интерференцией.3.5. Терагерцовая диэлектрическая спектроскопия пигментныхневусов кожи in vivoКак было отмечено ранее, наиболее перспективным представляется использование программно-аппаратного комплекса и разработанного многоканального метода восстановления терагерцовых диэлектрических характеристик образцов сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo винтересах ранней неинвазивной диагностики злокачественных поражений кожи [40].
При апробации разработанных методов сфокусируемся на исследова-130нии возможности диагностики меланомы кожи (наиболее опасного вида ракакожи) [50] на стадии диспластического невуса (0-ой стадии развития меланомы) [51].Для изучения возможности диагностики диспластических невуусов кожи и меланомы кожи in situ с помощью предложенного метода терагерцовойдиэлектрической спектроскопии сильно поглощающих сред и биологическихтканей in vivo проведена серия экспериментальных исследований на клинической базе Первого Московского государственного медицинского университетаимени И.М. Сеченова, Москва, Россия (Первый МГМУ им.
И.М. Сеченова),а также Московского научно-исследовательского онкологического института имени П.А. Герцена, Москва, Россия (МНИОИ им. П.А. Герцена). Разработанный экспериментальный комплекс применялся для спектроскопических исследований терагерцовых диэлектрических характеристик здоровойкожи, обыкновенных и диспластических невусов [64, 69]. На Рис. 3.15 представлены фотографии обыкновенного (а) и диспластического (б) нувусов invivo. Характерный латеральный размер диспластического невуса составляетнесколько миллиметров, что позволяет проводить исследования их терагерцовых диэлектрчисеких характеристик [64].В ходе исследований описанная выше методика восстановления терагерцовой комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающихсред и биологических тканей in vivo применялась для изучения спектральных характеристик здоровой кожи, обыкновенных и диспластических невусов, ε︀S = ε′S −iε′′S , ε︀N = ε′N −iε′′N и ε︀D = ε′D −iε′′D , четырех пациентов.
Спектральная область исследования пигментных невусов in vivo ограничена конечным(а)10 мм(б)10 ммРис. 3.15. Фотографии (а) обыкновенного и (б) диспластическогоневусов кожи in vivo131размером невуса в области низких частот, ν ≥ 0, 3 ТГц (дифракционныйпредел разрешения), и неоднородностью поверхности тканей в области высоких частот, ν ≤ 1, 0 ТГц (рассеяние терагерцового излучения на тканяхсущественно растет с частотой).
Именно в области частот от 0, 3 до 1, 0 ТГцнаблюдается повторяемость восстанавливаемых терагерцовых диэлектрических характеристик.На Рис. 3.16 показаны результаты терагерцовой диэлектрической спектроскопии здоровой кожи и невусов первого пациента: (а) и (б) показываютдействительную ε′ и мнимую ε′′ части комплексной диэлектрической проницаемости; (в) ҫ диаграммы Коула-Коула ε′′ /ε′ . Для анализа спектральныххарактеристик тканей предложено использовать диаграммы Коула-Коула,так как они являются удобным способом представления результатов гигагерцовых и терагерцовых спектроскопических измерений [71, 249, 250], в особенности в случае, когда диэлектрическая проницаемость имеет дебаевскийхарактер (2.22) [213, 232, 253ҫ256]. В данном случае каждое релаксационноеслагаемое модели Дебая, характеризующееся временем релаксации τ , будетсоответствовать полу-окружности или сектору окружности на комплекснойплоскости [249].Наблюдаемая форма диэлектрических кривых ε′ и ε′′ характерна дляздоровой кожи, обыкновенных и диспластических невусов всех четырех пациентов.
Кривые ε︀S , ε︀N и ε︀D , представленные на Рис. 3.16, являются статистически различимыми: ε′N существенно отличается от ε′S и ε′D в области низкихчастот, ν ≤ 0, 45 ТГц (область I на Рис. 3.16 (а)); ε′S отличается от ε′N и ε′D вобласти высоких частот, 0, 85 ≤ ν ≤ 0, 95 ТГц (область II на Рис. 3.16 (а)).Очевидны существенные отличия в среднем наклоне кривых ε′S , ε′N и ε′D , атакже в наклоне диаграмм Коул-Коула ε′′S (ε′S ), ε′′N (ε′N ) и ε′′D (ε′D ). Ввиду того, что терагерцовые диэлектрические характеристики биологических тканейin vivo зачастую имеют дебаевский характер [213, 232, 253ҫ256] можно предположить, что наблюдаемые различия в диэлектрических кривых здоровойкожи, обыкновенных и диспластических невусов обусловлены различиями вдебаевских релаксационных процессах.Для того чтобы наглядно продемонстрировать возможность неинвазивной диагностики диспластических невусов кожи и меланомы кожи in situ наоснове их терагерцовых диэлектрических характеристик in vivo предложено1323,53,50,3 ТГ42,52,522,01 0,95 ТГц120,60,8ε''3,0ε''(ν)ε'(ν))3,02,0III1,51,00,3-)0,40,53I0,45 ТГц0,8 ТГцIIε'31,5ыыя0,60,7ν, ТГц)1,00,80,91,00,30,40,50,70,91,0ν, ТГцРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
