Лазерная диагностика сильнорассеивающих сред и изменение их оптических свойств путем имплантации наночастиц (1103526), страница 3
Текст из файла (страница 3)
2. Зависимость числа рассеянных в переднее полупространство фотонов от кратности рассеянияпри различной толщине среды (см. рис. 2).Для случаев, представленных на рис. 1 и 2 (длительность входногоимпульса 0.1 пс), Nкр = 37. Это означает, что большая часть фотонов на рис. 1 (а) и2 (а) – недиффузные (т.е., баллистические и снейки), в отличие от фотонов на рис.1 (б) и 2 (б), где они практически все диффузные.Дан анализ изменения, и показаны особенности поведения интенсивностейрассеянного и поглощенного излучения по глубине среды при изменениирассеивающих характеристик среды (см.
рис. 3). Показано, что положениемаксимума зависит от свойств среды и примерно соответствует половинетранспортной длины фотона l*/2. На больших глубинах кривые спадаютэкспоненциально с показателем(− Lm3µ a µ s (1 − g )), где Lm – толщина среды.Сверху вниз:-1µs = 95 мм0,20-1µs = 75 мм0,15g = 0.95-1µa = 1 мм0,10Lm = 1 мм0,050,0030Отн. число рассеяний, %Отн.
число поглощений, %0,25Сверху вниз:-1µ s = 95 мм25µ s = 75 мм2015g = 0.95-1µ a = 1 мм10L m = 1 мм-1500,00,20,40,6Глубина, мм(а)0,81,00,00,20,40,60,81,0Глубина, мм(б)Рис. 3. Распределение числа поглощенных (а) и рассеянных (б) фотонов по глубине среды приразличных коэффициентах рассеяния.Исследованазависимостьфотоноврассеянныхвпереднееполупространство импульсов от кратности рассеяния при варьированиикоэффициента рассеяния от 35 до 95 мм-1 (толщина среды 1 мм, µa = 1 мм-1, g =0.95).
Показано, что число актов рассеяния в максимуме этой зависимости можетбыть аппроксимировано экспоненциально возрастающей функцией. Принаименьшем коэффициенте рассеяния на толщине образца укладывается 2.75транспортных длин, в то время как при наибольшем – уже 5.75. Критическоечисло актов рассеяния Nкр изменяется от 13 (при µs = 35 мм-1) до 17 (при µs = 95мм-1), что говорит о том, что большинство фотонов в рассматриваемых импульсах- диффузные. Таким образом, можно сказать, что кратность рассеяния фотонов,регистрируемыхвмаксимумеимпульса,рассеянноговпереднееполупространство, зависит экспоненциально от коэффициента рассеяния среды,если ее толщина превышает 2.5l*.Исследовано изменение формы и длительности рассеянного импульса приварьировании длительности входного импульса с гауссовым распределением повремени (см.
рис. 4). Чем короче импульс, тем больше его относительноеуширение: для рассматриваемой среды импульсы с начальной длительностью 0.1пс уширяются в 100 раз, 1 пс – в 10 раз, 5 пс – в 2 раза, 10 пс – практически неуширяются. С точки зрения диагностики сред с сильным рассеянием, короткиеимпульсы предпочтительнее длинных, так как их длительность и форма несказываются на форме и длительности выходного рассеянного импульса.Число фотонов200g << 1-1µs = 35 мм150µa = 0.6 мм-1Lm = 1 мм100*-1l = 35 мм5000510 15 20 25 30 35 40 45 50Время регистрации, псРис. 2. Зависимость числа зарегистрированных вперед фотонов от времени прихода при различныхдлительностях входного импульса.В третьей главе рассмотрена диагностика модельных сред с сильнымрассеянием, имитирующих кожу (водный 2% раствор интралипида и трехслойнаямодель кожи), при изменении содержания в них глюкозы, с использованиемсверхкоротких (субпикосекундных) импульсов путем численного расчетаметодом Монте-Карло.
Влияние глюкозы на оптические параметрысветорассеивающей среды описывается следующими выражениями:(7)n = 1.325 + 1.515·10-6·C,µs = (1 - 0.0022·C/18)·µsm,(8)(9)g = (1 + 0.000007·C/18)·gm,где C [мг/дл] – концентрация глюкозы, n – показатель преломления, gm и µsm –фактор анизотропии рассеяния и коэффициент рассеяния раствора интралипида,соответственно, до добавления глюкозы. Оптические параметры раствораинтралипида для длины волны излучения 820 нм взяты из литературы: g = 0.6244,µs = 5.16 мм-1, µa = 0.002 мм-1.
С внешней стороны слоя интралипида находитсявоздух (n = 1). Схема моделируемой установки приведена на рис. 5.ЛазерКюветаПКСтрик-камераРис. 5. Схема установки, используемая для моделирования сигнала рассеяния от водного 2%раствора интралипида при изменении содержания глюкозы.Показано, что в качестве индикаторов уровня глюкозы в физиологическомдиапазоне (100 – 500 мг/дл) могут рассматриваться энергия и пиковаяинтенсивность рассеянного в заднее полупространство импульса.
Показано, чтотакие параметры импульса линейно зависят от содержания глюкозы, аиспользование детекторов с большей числовой апертурой более эффективно.Уменьшение значения µs и увеличение фактора g (как следствиевозрастания содержания глюкозы) ведут к меньшему количеству рассеянных взаднее полупространство фотонов. Временные профили диффузно отраженныхсредой импульсов после сглаживания скользящим средним по пяти точкам(иначе, по временному интервалу 0.5 пс) наиболее различимы в течение первыхтрех пикосекунд регистрации (см. рис. 6 (а)).43,0x10NA = 0.195Энергия импульса, отн. ед.4,0x104Число фотонов2,5x10Сверху вниз:0 мг/дл100 мг/дл300 мг/дл500 мг/дл1000 мг/дл42,0x1041,5x1041,0x1035,0x100,0012345678Время детектирования, пс(а)9 1053,5x1053,0x1052,5x1052,0x1051,5x1051,0x1002004006008001000Концентрация глюкозы, мг/дл(б)Рис.
6. Временные профили (а) и энергия (б) диффузно отраженных средой импульсов нулевойдлительности в зависимости от содержания глюкозы в 2% растворе интралипида. Числовыеапертуры приемного волокна: для профилей - 0.19, для энергии: 0.19 (■), 0.29 (●), 0.39 (▲).При увеличении числовой апертуры приемного волокна числорегистрируемых фотонов растет (см. рис. 6 (б)), возрастает также ичувствительность к содержанию глюкозы. Абсолютная чувствительностьдетектирования глюкозы, рассчитанная как тангенс угла наклона прямых на рис.6 (б), от апертуры волокна показана на рис. 7.
Значения тангенсов отрицательны,т.к. при добавлении глюкозы сигнал падает. Видно, что энергия импульсасильнее, чем пиковая интенсивность, зависит от апертуры. Следует заметить, чтопри увеличении апертуры в 2 раза (с 0.19 до 0.39), чувствительностьувеличивается по абсолютной величине более, чем в 4 раза как по энергии, так ипо пиковой интенсивности.0Тангенс угла наклона-5-10-15-20-25-30-35-400,150,200,250,300,350,40Числовая апертураРис. 7. Абсолютная чувствительность пиковой интенсивности (■) и энергии (●) импульса к глюкозепри различных числовых апертурах приемного волокна.Трехслойная модель кожи, используемая в моделировании, с падающим пучком идетектором представлена на рис.
8, а оптические и геометрические параметрыслоев – в табл. 1. В силу изотропности зондируемой среды в целях усиленияпринимаемого сигнала использовалась кольцевая модель детекторов.12345Рис. 8. Модель кожи с детектором, используемая в моделировании: 1 – падающее излучение, 2 –детектор (сечения 5-ти соосных колец, показаны черными квадратами), 3 – эпидермис, 4 – верхняясистема кровеносных капилляров дермы, 5 – дерма. Глюкоза присутствует во всех трех слоях, ееконцентрация находится диапазоне 0-500 мг/дл.
Показаны несколько случайных траекторийфотонов.Таблица 1. Параметры трехслойной модели кожи, используемые в моделировании, для излучения сдлиной волны 820 нм.Слойµs, мм-1µa, мм-1gnВерхнийСреднийНижний42.057.317.54.000.820.230.8500.9770.8501.361.401.36Толщина,мм0.200.084.72Наличие глюкозы приводит к изменению оптических параметров образца,влияя на пиковую интенсивность и энергию регистрируемых импульсов. Рисунок9 демонстрирует зависимость энергии импульсов от концентрации глюкозы дляразличных расстояний между центром кольца детектора и источником. Чембольше это расстояние, тем меньше пиковая интенсивность и энергиярегистрируемого импульса. При добавлении глюкозы среда становится болеепрозрачной, больше фотонов проникают в глубинные части образца, и большееих число может достичь более дальних детекторов-колец.
Это утверждениеиллюстрируется возрастанием показанных кривых. Для уменьшения шума,связанного с относительно небольшим числом фотонов, регистрируемых каждымдетектором, временные профили сглаживались скользящим средним: по 5 точкамдля ближайшего кольца детектора и по 10, 20, 40, 60 – для последующих колец.Каждая точка соответствует 0.1 пс (временное разрешение детектора). Повертикальной оси используется логарифмическая шкала, чтобы былавозможность отобразить все кривые.
При линейной шкале все зависимости могутбыть аппроксимированы прямыми линиями.4Энергия импульса, у.е.103102101100100200300400500Концентрация глюкозы, мг/длРис. 9. Энергия (площадь под временным профилем) зарегистрированных импульсов приразличных расстояниях между источником и детектором в зависимости от концентрации глюкозы.Абсолютная и относительная чувствительность энергии импульса к содержаниюглюкозы как функция расстояния между источником и детектором показана нарис. 10.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
