Распространение света в сильнорассеивающих средах и формирование сигналов в системах лазерной диагностики (1104629)
Текст из файла
Московский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваФизический факультетНа правах рукописиКириллин Михаил ЮрьевичРАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В СИЛЬНОРАССЕИВАЮЩИХСРЕДАХ И ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХЛАЗЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИСпециальность 01.04.21. - лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2006Работа выполнена на физическом факультете Московского государственногоуниверситета им.
М.В. Ломоносова.Научный руководитель:кандидат физико-математическихдоцент А.В. ПриезжевОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Д.А. Зимняков,наук,доктор технических наук,профессор И.П. Гуров,Ведущая организация:Институт прикладной физики РАН(г. Нижний Новгород).Защита состоится «» ________________ 2006 г. в ______ часов _____ минутна заседании диссертационного совета Д 501.001.31 по специальности 01.04.21(лазерная физика) в Корпусе нелинейной оптики физического факультета МГУим.
М.В. Ломоносова по адресу: Ул. Академика Хохлова, д. 1. (Ленинскиегоры, д. 1, стр. 62).С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан «Ученый секретарьдиссертационного совета,к. ф.-м. н., доцент» ________________ 2006 г.Т.М. ИльиноваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ настоящее время лазерные методы получили широкое распространениев бесконтактной неразрушающей диагностике внутренней структурыразличных оптически неоднородных объектов, в частности, они находятприменение в медицине, биофизике, науках о материалах, физике атмосферы, идругих областях современной науки.Для повышения эффективности современных методов лазернойдиагностики, а также для разработки новых методов, необходимо подробноеизучение особенностей процесса распространения света в рассеивающихсредах, включая биоткани.
Однако на настоящий момент не существует точнойтеории для описания распространения света в структурно неоднородныхсредах, а экспериментальные исследования осложнены трудностямиподдержания постоянства их структурно-динамических параметров иограничениями при исследованиях, например, связанными с возможностьюрегистрации сигнала.
В связи с этими обстоятельствами все большую рольприобретает компьютерное моделирование процесса распространения света.Оно позволяет болеетщательноизучить особенности процессараспространения лазерного пучка в модельных средах, а также исследоватьзависимость получаемых результатов от различных параметров измерительнойсистемы и исследуемого объекта, что бывает весьма затруднительно вэксперименте. Это позволяет выработать рекомендации по наиболееэффективному проведению диагностических измерений.Все существующие в настоящее время оптические методы диагностики,основанные на анализе светорассеяния, можно условно разделить на двегруппы.
К первой группе относятся методы, в которых информативнымиявляются баллистические и малократно рассеянные фотоны, а многократноерассеяние вносит шум и искажения с сигнал. Примером такого метода являетсяоптическая когерентная томография. Ко второй группе можно отнести методы,в которых информацию о среде несут многократно рассеянные (диффузионные)фотоны (например, оптическая диффузионная томография).При исследовании биотканей длина волны зондирующего излученияобычно выбирается внутри так называемого окна прозрачности (λ = 600...1500нм), в котором коэффициент поглощения биотканей много меньшекоэффициента рассеяния, что обеспечивает более глубокое проникновениеизлучения внутрь исследуемого объекта.Методы лазерной диагностики основаны на том, что большинствоструктурно-морфологических и химических изменений в объекте исследованиявлечет за собой изменения его оптических свойств.
Как следствие этого,характер распространения света зависит от состояния объекта. Проводяизмерения характеристик света, рассеянного объектом, можно диагностироватьизменения (отклонения от нормы), если предварительно определитьсоответствие между результатами измерений и состоянием объекта. Приприменении оптических методов неразрушающей диагностики необходимообеспечить отсутствие воздействия зондирующего излучения на структуруисследуемого объекта, что накладывает существенные ограничения наинтенсивность зондирующего излучения.Для интерпретации получаемых результатов и корректного проведениядиагностикиисследуемогообъектанеобходимознатьпараметрыраспространения в нем света, что достигается сравнением экспериментальныхданных и результатов компьютерного моделирования или теоретическихрасчетов, если таковые применимы в рассматриваемом случае.Одной из основных проблем при расчете распространения света вбиологических объектах является выбор метода.
В связи с быстрым развитиемкомпьютерной техники часто используется метод статистических испытанийМонте-Карло. Применительно к распространению света в сильнорассеивающихи поглощающих средах этот метод основан на многократном повторениичисленного эксперимента по расчету случайной траектории фотона висследуемой среде с последующим обобщением полученных результатов.
Принакоплении достаточно большого количества статистических данных методпозволяет проводить сравнения с экспериментальными результатами, а такжепредсказывать результаты экспериментов. Точность такого моделированияопределяется затратами машинного времени, а также соответствием моделимоделируемому объекту.Важной проблемой моделирования является корректный выборзначений модельных параметров объекта, используемых для расчета, которыене могут быть измерены явно. С этим связана одна из основных задач оптикисильнорассеивающих сред – так называемая обратная задача, т.е. определениеоптических свойств исследуемой среды по результатам измерения параметроврассеянного ею света с помощью теоретических или численных методоврасчета, выбираемых в зависимости от структуры самой среды.
Следуетотметить, однако, что в ряде случаев, в частности для многих биотканей, имеетместо значительное расхождение значений их оптических свойств, полученныхразличными авторами.Вышеперечисленные факты позволяют сформулировать основную цельдиссертационной работы.Цель работыЦелью данной работы является детальное изучение процесса распространениялазерного излучения в сильнорассеивающих средах, моделирующих биоткани ибумагу, и исследование особенностей формирования сигнала прииспользовании различных современных оптических бесконтактных методовнеразрушающей диагностики рассеивающих сред (гониофотометрии,пространственно разрешенной рефлектометрии, времяпролетной фотометрии,спектрофотометрии, оптической когерентной томографии).Для достижения данной цели в процессе выполнения работы были решеныследующие задачи:1.
Разработан и программно реализован алгоритм для моделированияраспространения лазерного излучения в многослойных сильнорассеивающих ипоглощающих средах различной геометрии на основе метода Монте-Карло.2. Проведена апробация разработанного алгоритма путем сравнениярезультатов моделирования с доступными результатами эксперимента итеоретическими моделями.3. Проведено моделирование формирования сигналов при реализацииразличных методов лазерной диагностики рассеивающих сред ипроанализирована роль фотонов различной кратности рассеяния вформировании этих сигналов.Научная новизна1.
Впервые реализован метод моделирования двумерных изображенийоптической когерентной томографии (ОКТ-изображений) и полученымодельные ОКТ-изображения сред со сложной структурой, моделирующихобразцы биоткани и бумаги.2. Впервые проведен подробный анализ вкладов фотонов различнойкратности рассеяния в сигналы гониофотометра и ОКТ от рассеивающих сред,что позволяет количественно оценить роль многократного рассеяния врассматриваемых сигналах.3. С помощью разработанного метода впервые проведен сравнительныйанализ чувствительности различных оптических диагностических методов кизменению коэффициента поглощения некоторых слоев многослойной средына примере многослойной модели биоткани с изменением оксигенации крови вкровенаполненных слоях.4.
Впервые методами численного моделирования изучена возможностьприменения просветляющих жидкостей при получении ОКТ-изображенийобразцов бумаги для увеличения глубины зондирования.Основные положения, выносимые на защиту:1. Расчет интерференционного сигнала как результата оптическогосмешения волн, пришедших из предметного и опорного плеч ОКТ, позволяетобобщить метод Монте-Карло для моделирования сигналов и двумерныхизображений, получаемых при оптической когерентной томографиимногослойных сильнорассеивающих сред с неплоскими границами слоев.Разработанный метод моделирования распространения света в средах ссильным рассеянием на основе алгоритма Монте-Карло позволяет также врамках одного расчета моделировать сигналы, получаемые при применениинекогерентныхметодик:гониофотометрии,спектрофотометрии,пространственно разрешенной рефлектометрии и время разрешеннойфотометрии.2.
Пространственно разрешенная рефлектометрия является болеечувствительной методикой, чем гониофотометрия, спектрофотометрия,времяпролетная фотометрия и оптическая когерентная томография, кизменению коэффициентов поглощения отдельных слоев многослойнойрассеивающей среды, соответствующему изменению уровня оксигенации кровив кровенаполненных слоях кожи человека.3. Отражение от границ слоев при моделировании методом Монте-Карлосигналов ОКТ для многослойных сильнорассеивающих сред с плоскойгеометрией слоев и высокой анизотропией рассеяния, обуславливаетмаксимумы в распределении фотонов, формирующих сигнал, по количествуактов рассеяния.4. Использование многослойной модели бумаги с неплоскимиграницами слоев позволяет исследовать формирование двумерных ОКТизображений образцов бумаги и применение просветляющих жидкостей,которое обеспечивает улучшение контрастности ОКТ-изображения внутреннейструктуры и задней границы исследуемых образцов.Практическая значимость данной работы определяется возможностьюприменения разработанного метода моделирования распространения лазерногоизлучения в сильнорассеивающих средах для исследования эффективностиразличных методов лазерной бесконтактной неразрушающей диагностики приизучении широкого спектра объектов без экспериментальной реализацииметода, для оценки оптимальных параметров экспериментальной установки, атакже для интерпретации полученных экспериментальных данных.Апробация результатовОсновные результаты диссертационной работы докладывались намеждународной конференции Photonics West (Сан Хосе, США - 2002, 20042006), международной конференции Saratov Fall Meeting – SFM (Саратов,Россия - 2002-2005), международной конференции Northern Optics (Эспоо,Финляндия - 2003), международной конференции Advanced Laser Technologies– ALT (Крэнфилд, Великобритания – 2003), международной конференциимолодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2003-2005), русско-финском семинареPhotonics and Laser Symposium – PALS (Саратов, Россия – 2003, Кайани,Финляндия - 2005), международной конференции Optics Days (Турку,Финляндия, 2004), международной конференции Advanced Optical Materials andDevices - AOMD (Тарту, Эстония - 2004), международной конференции OpticalSensing and Artificial Vision – OSAV (С.-Петербург - 2004), международнойконференции ICONO-LAT (С.-Петербург - 2005), международном конгрессеEuropean Congress on Biomedical Optics - ECBO (Мюнхен, Германия - 2005).Достоверность полученных результатов подтверждается их сопоставлениемс экспериментальными данными, а также, когда это возможно, результатамидругих авторов.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
