Диссертация (1025280), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Более того, методы генерации и детектирования в газоразрядной плазме являются преимущественно лабораторнымиТаблица 2.Возможность рационального сочетания методовгенерации и детектирования терагерцового излучениядля построения импульсного спектрометраГенерация наосновеоптическоговыпрямленияГенерация вфотопроводящихантеннахГенерация вгазоразряднойплазмеЭлектрооптическоедетектированиеДаДаНетДетектирование вфотопроводящихантеннахДаДаНетДетектирование вгазоразряднойплазмеНетНетНет40и характеризуются существенной нестабильностью формы и спектральногосостава терагерцового импульса, что затрудняет их использование в прикладных исследованиях.Метод генерации терагерцового излучения с помощью оптического выпрямления получил меньшее распространение по сравнению с генерацией наоснове эффектов фотопроводимости, что связано в первую очередь с трудоемкостью экспериментальной реализации источника, влиянием синхронизматерагерцовой и оптической волны на ширину спектра и мощность генерируемого излучения.

Ввиду отмеченного, наиболее распространенными схемамипостроения терагерцовых импульсных спектрометров, работающих в областичастот от 0, 1 до 4, 0 ТГц, являются схемы сочетающие генерацию терагерцового излучения в фотопроводящих антеннах с детектированием на основеэффекта фотопроводимости или электрооптического эффекта.Именно отмеченные пары методов генерации и детектирования терагерцового импульсного излучения целесообразно применять для построенияимпульсного спектрометра, предназначенного для исследования сильнопоглощающих сред и биологических тканей in vivo.1.4.

Анализ возможности применения методов терагерцовой импульсной спектроскопии для биомедицинских исследованийНаиболее существенные достижения в области биомедицинских приложений терагерцовых технологий связаны с появлением метода терагерцовойимпульсной спектроскопии [5,11] и основанных на ней методов терагерцовогоимпульсного имиджинга (методов построения терагерцовых параметрических изображений объекта за счет растрового сканирования его поверхностиимпульсным спектрометром и обработки накопленных данных) [12] Проведем обзор современного состояния исследований в области биомедицинскихприложений терагерцовой импульсной спектроскопии с целью формулировкитребований к программно-аппаратном комплексу, разрабатываемому дляуказанных применений.41Дифференциация здоровых и пораженных тканей на основе анализа их диэлектрических характеристикНаиболее распространенный подход к дифференциации биологическихтканей в нормальном состоянии и при наличии патологии, в том числе тканей кожи, основан на сопоставлении их терагерцовых диэлектрических (илиоптических) характеристик.

Рядом научных коллективов изучалась возможность диагностики рака кожи с помощью терагерцовой спектроскопии и имиджинга [32, 33, 41ҫ46]. Стоит особо отметить цикл работ, в которых впервыедемонстрируется возможность дифференциации тканей базальноклеточногорака и нормальной кожи [32, 33, 41, 42]. На Рис. 1.12 показаны терагерцовыеспектральные характеристики базальноклеточного рака кожи и здоровой кожи in vivo из работы [213].

Спектральные характеристики тканей в нормеи при патологии статистически различимы, что позволяет использовать терагерцовую импульсную спектроскопию для их дифференциации на основедиэлектрических характеристик.Сопоставление тканей на основе терагерцовых диэлектрических характеристик представляется рациональным, так как диэлектрические кривыеявляются фундаментальными характеристиками среды, вид которых определяется исключительно эффектами взаимодействия с ней терагерцового элек-1-1k, см2,810203050602,620304050600,30,60,91,21,51,8250α, см-12,510300ЗдороваякожаБазалиома2,7n40k, см2,42,32001502,22,11002,0501,9(a)0,30,60,91,2ν, THz1,51,8(б)ν, THzРис. 1.12. Терагерцовые спектральные характеристики базальноклеточного рака кожи и здоровой кожи in vitro [213]:(а) ҫ показатель преломления n; (б) ҫ коэффициент поглощения α42тромагнитного излучения и не зависит от выбранного инструмента спектроскопических исследований.

Если создать базу данных терагерцовых диэлектрических характеристик тканей в нормальном состоянии и при наличии патологии с использованием того или иного метода терагерцовой спектроскопии, она может использоваться для интерпретации результатов спектроскопии тканей, полученных с использованием альтернативных методов, а такжедля выработки алгоритмов дифференциации тканей на основе их терагерцовых диэлектрических характеристик.В то же время восстановление диэлектрических характеристик тканейна основе сигналов импульсного спектрометра является важным этапомпроведения спектроскопических измерений.

Выбор неверного подхода крешению данной обратной задачи может привести к существенно некорректным результатам восстановления, а соответственно, сделать диагностикутканей невозможной.Дифференциация здоровых и пораженных тканей на основе анализа временных сигналов терагерцового импульсного спектрометраНаряду с использованием диэлектрических кривых для дифференциации тканей, применяются и более примитивные подходы, основанные на сопоставлении временных сигналов спектрометра ҫ формы терагерцовых импульсов, отраженных от объекта исследования, или импульсного отклика среды,восстановленного в результате деконволюции временного сигнала. Например,в работах [32, 33] демонстрируется возможность дифференциации тканей базальноклеточного рака и здоровой кожи путем сопоставления временных сигналов спектрометра E (t).Результаты проведенных исследований показаны на Рис.

1.13. Отраженные от поверхности тканей терагерцовые импульсы существенно различаются. Авторами предложены два признака для дифференциации базалиомы издоровой кожи. Первый основан на сравнении больных и здоровых тканейпо максимальной амплитуде импульса Emax и позволяет визуализировать поверхностную структуру поражения. Второй ҫ на сопоставлении тканей понормированной амплитуде сигнала, соответствующей определенной времен-430,8EmaxБазалиомаЗдороваякожа0,4EN0,0-0,4-0,8t = 2,8 псEmin-1,2-4-20246t, псРис. 1.13.

Терагерцовы импульсный отклик базальноклеточного рака кожи и здоровой кожи in vivo [33]ной задержке t′ :EN =E (t = t′ ),Emin(1.12)где Emin ҫ минимальная амплитуда сигнала. Отметим, что второй признакпозволяет до некоторой степени охарактеризовать глубинную структуру поражения, при этом при временной задержке t = 2, 8 пс получен максимальный контраст между базальноклеточным раком и здоровыми тканями [33].Несмотря на существенные различия временных характеристик тканейв норме и при патологии, сопоставление тканей на основе анализа временныхсигналов не представляется целесообразным. Это связано с существеннойвариацией опорных сигналов спектрометра для различных систем (различных комбинаций методов генерации и детектирования терагерцовогоизлучения), а также для одной и той же системы с течением времени. Ввидуотмеченного анализ сигналов во временной области принципиально не можетиспользоваться для создания универсальной базы данных.Картирование поверхности кожи с помощью терагерцового имиджингаЕще один подход к анализу сигналов терагерцовых импульсных системсвязан с картированием поверхности кожи на основе анализа пространственных распределений по поверхности образца определенных признаков, извле-44каемых из спектральных (Рис.

1.12) или временных (Рис. 1.13) данных. Данный подход предполагает построение параметрических изображений образцана основе результатов растрового сканирования его поверхности сфокусированным пучком терагерцового импульсного излучения.В работе [32,33] предложен подход к построению параметрических изображений рака кожи Emax (x, y) или EN (x, y), основанный на анализе пространственного распределения временного сигнала E (t, x, y). На Рис. 1.14приведены терагерцовые параметрические изображения базальноклеточногорака in vivo [33]: (б) ҫ Emax (x, y) и (в) ҫ EN (x, y). Оба изображения позволяют визуализировать границы поражения, причем первое несет информацию о поверхностных границах базалиомы, а второе ҫ о внутренней структуре.

Таким образом, результаты описанных исследований свидетельствуюто возможности дифференциации тканей в норме и при патологии. Достижимое латеральное разрешение в терагерцовых изображениях тканей составляет 0, 3...0, 5 мм, поэтому метод построения терагерцовых параметрическихизображений может быть использован для визуализации границ пораженияяеin vivo40,700,040,650,030,600,02ENEmax0,05( )яяе0,550,010,500,000,45( )4( )Рис.

1.14. Терагерцовый импульсный имиджинг базальноклеточного рака кожи in vivo [33]: (а) ҫ фотография базальноклеточного рака; (б) ҫ параметрическое изображение,построенное на основе сравнения амплитуд импульсныхоткликов образца Emax и визуализирующее поверхностную структуру поражения; (в) ҫ параметрическое изображение, построенное на основе сравнения нормированныхамплитуд импульсных откликов образца EN и визуализирующее глубинную структуру поражения45и поиска скрытых узлов базальноклеточного рака, имеющих сравнительномалые размеры и залегающих на некоторой глубине.Метод параметрического имиджинга имеет неоспоримые преимуществаперед одноточечными исследованиями тканей в частотной или временнойобластях.

Помимо возможности определения границ поражения и поискаочагов поражения каждое растровое сканирование кожи позволяет проводить статистический анализ данных эксперимента, существенно повышаяэффективность дифференциации тканей. В то же время подход, основанныйна построении параметрических изображений, является преимущественнолабораторным методом исследований, так как изучение каждого образцазанимает продолжительное время ҫ несколько десятков минут. Для егоприменения в условиях клиники быстродействие терагерцовых импульсныхсистем и методов растрового сканирования кожи должно быть существенноповышено.Терагерцовая спектроскопия в интраоперационной диагностикеНаряду с неинвазивной диагностикой тканей кожи, аналогичные методы терагерцовой спектроскопии в частотной и временной областях или методы терагерцового параметрического имиджинга могут применяться длярешения актуальной проблемы интраоперационной диагностики ҫ дифференциации (картирования) тканей в процессе хирургического вмешательства.Например, в работах [36ҫ38] изучалась возможность применения методов терагерцовой импульсной спектроскопии и параметрического имиджинга в интересах интраоперационной диагностики злокачественных поражений молочной железы.На Рис.

Характеристики

Список файлов диссертации