Диссертация (1025280), страница 23
Текст из файла (страница 23)
3.16. Результаты терагерцовой диэлектрической спектроскопии здоровой кожи ε︀S , обыкновенного ε︀N и диспластического ε︀D невусов первого пациента: (а) ҫ ε′ ; (б) ҫ ε′′ ;(в) ҫ ε′′ /ε′ . Указанные доверительные интервалы измерений соответствуют 3σε . Области I и II показывают спектральные диапазоны наибольшего различия диэлектрических характеристикпризнаковое пространство [342ҫ344] для дифференциации обыкновенных идиспластических невусов [43, 64, 69]. На первый взгляд, удобным признакомдля дифференциации являются параметры дебаевских релаксационных процессов (2.22) ҫ характерные релаксационные времена τk и амплитуды релаксационных слагаемых ∆εk .
Однако задача аппроксимации экспериментальныхданных моделями диэлектрической проницаемости Дебая и восстановлениякоэффициентов модели ε∞ , ∆εk и τk является существенно некорректной ввиду того, что ширина ядра 1/ (1 − i2πντk ) в случае пикосекундных релаксационных времен τk сопоставима с шириной рабочего спектрального диапазонаэкспериментального комплекса.Признаковое пространство может быть построено непосредственно наоснове результатов спектроскопических измерений, представленных во временной области (импульсный отклик среды [32, 33, 41]), или в частотной области (диэлектрические [64, 69] или оптические характеристики [67, 72, 341]).В настоящей работе для дифференциации обыкновенных и диспластическихневусов введен признак основанный на анализе среднего наклона диаграмм133Коула-Коула, соответствующих обыкновенным и диспластическим невусам,причем наклон определяется относительно диаграмм здоровой кожи. Нормировка результатов диэлектрической спектроскопии пигментных невусов нарезультаты исследования здоровой кожи важна в первую очередь из-за существенной флуктуации терагерцовой диэлектрических характеристик тканейкожи в различных областях организма [67].Вычисление одномерного диагностического признака осуществляется вдва этапа.
На первом этапе рассчитывается средний наклон диаграмм КоулКоула θ обыкновенных и диспластических невусов, а также здоровой кожи.снятой в непосредственно близости от изучаемого пигментного невуса1θi =∆ν︁︂︂dε′′iarctan′ (ν) dν,dε∆νi(3.11)где ∆ν ҫ анализируемый спектральный диапазон от 0, 3 до 0, 95 ТГц, а индекс i = N, D или S обозначают обыкновенный и диспластический невусы издоровую кожу. На втором этапе вычисляется диагностический признак∆θN/D = θN/D − θS .(3.12)Результаты расчета диагностического признака для обыкновенных и диспластических невусов четырех пациентов представлены на Рис. 3.17, где (а)ҫ(г)ҫ диаграммы Коул-Коула, соответствующие измерениям невусов и кожи четырех пациентов; (д) ҫ диагностический признак ∆θN/D .
Существенные различия в диагностических признаках наблюдаются для обыкновенных и диспластических невусов всех четырех пациентов. Серая линия на Рис. 3.17 (д)иллюстрирует порог, по которому можно проводить дифференциацию.По оценкам специалистов, результаты экспериментальных исследований демонстрируют возможности дифференциации обыкновенных и диспластических невусов кожи in vivo с помощью терагерцовой спектроскопии, чтосвидетельствует о перспективах создания новых методов ранней неинвазивной диагностики диспластических невусов и меланомы кожи in situ на основеразработанного метода исследования терагерцовых диэлектрических характеристик.Результаты экспериментальной верификации предложенного многока-134)4,0)4,030)3,03,0<θ>νε''ε''25202,02,01,01,0152,02,53,03,52,02,5ε')3,51013,0–2,02,0–1,01,0–3,02,02,53,0ε'3,522,02,53,034О)4,0ε''4,0ε''3,0ε'ыыя3,5ε'Рис.
3.17. Результаты дифференциации обыкновенных и диспластических невусов кожи in vivo на основе их терагерцовых диэлектрических характеристик: (а)ҫ(г) ҫ диаграммы Коула-Коула ε′′ /ε′ ; (д) ҫ признак ∆θ (3.12) и порог дифференциации (серая линия)нального метода решения обратной задачи в полной мере подтверждают теоретические положения второй главы диссертационной работы. Они демонстрируют перспективность разработки на основе оригинального метода и экспериментального комплекса новых методов неинвазивной и интраоперационной диагностики заболеваний. Будучи дополненным терагерцовыми волноводами и эндоскопическими системами, экспериментальный комплекс позволитпроводить малоинвазивную и интраоперационную диагностику заболеванийвнутренних органов.135Общие выводыПроведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы.∙ Разработан оригинальный метод определения комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред в терагерцовой области спектра, позволяющий за счет использования двух опорных сигналов спектрометра исключить ошибку оценки диэлектрических характеристик, вызванную эффектом многолучевой интерференции излученияв опорном окне, позади которого фиксируется исследуемый образец.Показано, что погрешность восстановления комплексной диэлектрической проницаемости с помощью разработанного метода не превышает3 % в диапазоне частот от 0, 2 до 1, 4 ТГц.∙ Разработан, изготовлен и экспериментально изучен терагерцовыйфотонно-кристаллический волновод на основе профилированного кристалла сапфира.
Показано, что сапфировый фотонно-кристаллическийволновод обеспечивает потери до 2, 0 дБ/м и характеризуется низкойдисперсией в спектральном диапазоне от 1, 0 до 1, 55 ТГц.∙ Разработан экспериментальный комплекс, реализующий многоканальный метод решения обратной задачи, методы вейвлетной фильтрации икомпенсации линейной трансляции опорного окна. Показано, что экспериментальный комплекс обеспечивает устойчивое восстановление комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред ибиологических тканей in vivo в терагерцовом диапазоне.∙ Показано, что точность определения комплексной диэлектрическойпроницаемости образца, обеспечиваемая разработанным методом, достаточна для дифференциации биологических тканей in vivo в нормальном состоянии и при наличии патологии.∙ Показано, что комплексная диэлектрическая проницаемость здоровойкожи, обыкновенных и диспластических невусов in vivo статистическиразличимы в терагерцовой области спектра.136Список литературы1.
Lee Y.-S. Principles of terahertz science and technology. New York, UnitedStates of America: Springer, 2009. 347 p.2. Volkov A. A. Submillimeter BWO spectroscopy of solids // InternationalJournal of Infrared and Millimeter Waves. 1987. Vol. 8, № 1. P. 55ҫ61.3. Terahertz BWO-spectrosopy / B. Gorshunov [et al.] // International Journalof Infrared and Millimeter Waves. 2005. Vol. 26, № 9.
P. 1217ҫ1240.4. Graphene: sub-terahertz frequency-domain spectroscopy reveals single-grainmobility and scatter inѕuence of large-area graphene / C. Cervetti [et al.] //Advanced Materials. 2015. Vol. 27, № 16. P. 2676ҫ2676.5. Auston D. H. Picosecond optoelectronic switching and gating in silicon //Applied Physics Letters. 1975. Vol. 26, № 3. P. 101ҫ103.6. Auston D. H., Smith P. R.
Generation and detection of millimeter waves bypicosecond photoconductivity // Applied Physics Letters. 1983. Vol. 43,№ 7. P. 631ҫ633.7. Auston D. H., Cheung K. P., Smith P. R. Picosecond photoconductingHertzian dipoles // Applied Physics Letters. 1984. Vol. 45, № 3. P. 284ҫ286.8. Doany F. E., Grischkowsky D., Chi C. Carrier lifetime versus ionimplantation dose in silicon on sapphire // Applied Physics Letters. 1987.Vol.
50, № 8. P. 460ҫ462.9. Investigation of ultrashort photocarrier relaxation times in low-temperaturegrown GaAs / K. A. McIntosh [et al.] // Applied Physics Letters. 1997.Vol. 70, № 3. P. 354ҫ356.10. Siegel P. Terahertz technology // IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques. 2002. Vol. 50, № 3. P. 910ҫ928.11. Van Exter M., Fattinger C., Grischkowsky D. High-brightness terahertzbeams characterized with an ultrafast detector // Applied Physics Letters.1989. Vol.
55, № 4. P. 337ҫ339.12. Hu B. B., Nuss M. C. Imaging with terahertz waves // Optics Letters. 1995.Vol. 20, № 16. P. 1716ҫ1718.13. THz reѕection spectroscopy of liquid water / L. Thrane [et al.] // ChemicalPhysics Letters. 1995. Vol. 240, № 4. P. 330ҫ333.13714. Mittleman D. M., Nuss M. C., Colvin V. L. Terahertz spectroscopy of waterin inverse micelles // Chemical Physics Letters.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
