Распространение света в сильнорассеивающих средах и формирование сигналов в системах лазерной диагностики (1104629), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Используемые в диссертации модели имеют ясный физическийсмысл.Структура и объем работыРабота состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемойлитературы. Полный объем работы составляет 158 страниц, включая 88рисунков, 8 таблиц. Библиография содержит 199 работ.Содержание работыВо Введении кратко обоснована актуальность работы, определены целидиссертационной работы, и описаны задачи, которые были выполнены длядостижения поставленных целей, также приведена структура диссертации.Глава 1 посвящена обзору современных методов экспериментального,численного и теоретического исследования распространения лазерногоизлучения в рассеивающих средах. В параграфе 1.1 приведены основныефизические величины, используемые для описания рассеивающих сред.
Впараграф 1.2 рассмотрены различные методы теоретического описанияраспространения света в неоднородных средах. В частности, рассмотреноуравнение переноса излучение, а также диффузионное и малоугловоеприближения, для которых это уравнение имеет аналитическое решение. Впараграфе также описан теоретический метод расчета вклада различныхкратностей рассеяния в полное светорассеяние от среды.
В параграфе 1.3приведено краткое описание численного метода Монте-Карло для расчетараспространения излучения в рассеивающих средах и инверсного методаМонте-Карло для решения обратной задачи восстановления оптических свойствсреды по сигналу светорассеяния. Параграф 1.4 посвящен описаниюэкспериментальных оптических методов исследования сильнорассеивающихсред: гониофотометрии, спектрофотометрии, времяпролетной фотометрии ипространственно разрешенной рефлектометрии.
Параграф 1.5 посвященподробному описанию метода оптической когерентной томографии,физическим явлениям, лежащим в основе метода, различным модификациямметода (Доплеровская оптическая когерентная томография, сверхскоростнаяоптическаякогерентнаятомография,поляризационно-чувствительнаяоптическая когерентная томография), различным источникам излучения,применяемым в ОКТ, а также основным применениям метода. В параграфе 1.6приведена характеристика сред, рассматриваемых в данной работе, с точкизрения исследуемых методов оптической диагностики. В параграфе 1.7 данократкое описание метода оптического просветления, применяемого дляповышения информативности оптических методов.Глава 2 диссертации содержит оригинальные результаты и посвященаподробному описанию программной реализации метода Монте-Карло,созданной в процессе выполнения данной диссертационной работы. Впараграфе 2.1 приведено описание общего алгоритма метода Монте-Карлоприменительно к моделированию распространения излучения в рассеивающихсредах.
Параграф 2.2 посвящен задаче генерации случайного числа с заданнойфункцией плотности вероятности с помощью имеющегося генератораравномерно распределенных случайных чисел. Данная задача являетсякритической при программной реализации статистического метода МонтеКарло. В параграфе 2.3 обсуждается выбор параметров моделируемыхэкспериментов и измерительных систем, а в параграфе 2.4 – моделируемыхсред.
В параграфе 2.5 описан разработанный в работе алгоритм моделированияОКТ-сигнала. Предложено рассчитывать сигнал ОКТ (А-скан) на основераспределения фотонов, удовлетворяющих условиям детектирования, пооптическим длинам пробега в среде, полученным с помощью метода МонтеКарло, по формуле:22"& 'l #!! ),I r I s (t , !l ) cos (I(t) =∆l) exp(- $$(1)l!"l% coh "где Ir и Is – интенсивности излучения, пришедшего из опорного и предметногоплеч соответственно, ∆l – оптическая разность хода, lcoh – длина когерентностинизкокогерентного источника зондирующего излучения. Экспоненциальныймножитель в выражении (1) определяет гауссову форму функциикогерентности рассматриваемого источника.
Моделирование двумерныхизображений, получаемых при применении оптической когерентнойтомографии для исследования многослойных сильнорассеивающих сред снеплоскими слоями, реализуется путем последовательного моделирования Асканов с пошаговым изменением точки зондирования. В параграфе 2.6обсуждаются вопросы точности результатов моделирования и вопрос выборастатистики.Глава 3 является оригинальной и посвящена моделированию спомощью разработанного метода сигналов различных некогерентныхметодов светорассеяния и сравнению полученных результатов с доступнымирезультатами экспериментов и теоретических исследований. В параграфе3.1 приведены результаты моделирования индикатрис рассеяния света отплоского слоя среды, по оптическим свойствам соответствующей суспензииэритроцитов, а также проводится сравнение полученных результатов с!известными экспериментальными данными.
Индикатрисы рассчитаны сприменением фазовой функции Хеньи-Гринштейна:1(1 # g 2 )f HG (! ) =4" [1 + g 2 # 2 g cos(! )]3 / 2а также фазовых функций, рассчитанных в различных теоретическихприближениях. Сравнение индикатрис рассеяния для плоского слоясуспензии эритроцитов с гематокритом (объемной концентрацией) 35%толщиной 0.1 мм, рассчитанных с использованием различных фазовыхфункций, с доступными экспериментальными данными [M. Hammer, et al,Phys. Med. Biol., 46, 65-69 (2001)] для случая λ = 514 нм приведены на рис. 1.10Èíòåíñèâíîñòü, îòí.åä.10.10.011E-31E-41E-51E-6050100150Óãîë, ã!àä.Рис. 1. Угловое распределение интенсивности света, рассеянного плоским слоем суспензииэритроцитов с гематокритом 35% толщиной 0.1 мм.
Сравнение различных теоретическихприближений с экспериментальными результатами (λ = 514 нм): ■■■ – эксперимент [M.Hammer, et al, Phys. Med. Biol., 46, 65-69 (2001)], —— теория Ми для сферы, ----приближение геометрической оптики для сфероида, +++ гибридная аппроксимация длясфероида, ▬▬ функция Хеньи-Гринштейна, ··· приближение геометрической оптики длядвояковогнутого диска.Все представленные индикатрисы нормированы на максимальное значение,поскольку нормировка на интегральное значение представляется некорректнойиз-за ограничений эксперимента по углу измерения. Отсутствие точногосовпадения модельных и экспериментальных результатов может бытьобъяснено вариациями формы и размеров реальных эритроцитов, их агрегациейи обстоятельствами, не учтенными в модели из-за недостатка данных вэкспериментальной работе. В параграфе 3.2 обсуждается роль различныхкратностей рассеяния при формировании сигнала гониофотометрии.
В работе[I. Turcu, J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 6, 537–543 (2004)] был предложенаналитический метод расчета компонент различной кратности индикатрисырассеяния для слоя рассеивающей среды на основе решения основногоуравнения переноса излучения в малоугловом приближении, и было показано,что если фазовая функция единичного рассеивателя имеет аналитическоевыражение относительно фактора анизотропии f = f(g), то парциальные вкладыв индикатрису, даваемые различными кратностями рассеяния, даютсявыражением fi = f(gi).
Проведено сравнение парциальных вкладов виндикатрису рассеяния, рассчитанных с помощью теоретического подхода, и спомощью метода Монте-Карло с применением фазовой функции ХеньиГринштейна. Рассмотрена рассеивающая среда, значения оптических свойствкоторой соответствуют эффективным значениям оптических свойств суспензииэритроцитов для λ = 633 нм: µa = 0.6 мм-1, µs = 85 мм-1, g = 0.98 [A.
Roggan, et al,J.Biomed.Opt., 4, 36-46 (1999)]. Результаты сравнения для слоя толщиной 0.1 ммпредставлены на рис. 2.Òåî!èÿ ÌÊ1234561087Èíòåíñèâíîñòü, îòí.åä.1010612345610510410310210110010-10102030405060708090Óãîë, ã!àäРис. 2. Сравнение вкладов различных кратностей в индикатрису рассеяния для плоского слоясреды толщиной 0.1 мм, рассчитанных теоретически и методом Монте-Карло (λ = 633 нм).Из рис.2 можно видеть, что применение малоуглового приближенияобеспечивает хорошее согласование с Монте-Карло моделированием в областиуглов от 0 до 20 градусов.Параграф 3.3 посвящен получению карт рассеяния и поглощения какнаглядной иллюстрации процесса распространения света в среде.
В параграфе3.4 обсуждается влияние модельных параметров сред на результатымоделирования. Показано, что сигналы светорассеяния, получаемые приприменении оптической когерентной томографии, спектрофотометрии,времяпролетной фотометрии и гониофотометрии для исследования плоскогослоя рассеивающей среды, оптические параметры которой соответствуютпараметрам крови, чувствительны к вариации оптических параметров g и µsблагодарясоответствующемуизменениюзначенияприведенногокоэффициента рассеяния µs’.Параграф 3.5 посвящен анализу чувствительности лазерных методовдиагностики, рассмотренных в параграфе 3.4, а также пространственноразрешенной рефлектометрии, к изменению оптических параметров среды, вчастности, к изменению µa в связи с изменением уровня оксигенации вкровенаполненных тканях человека, а также анализу эффективностирассмотренных методов.
Кожа человека моделировались многослойной средой;оптические параметры слоев выбирались в соответствии со значениями,известными из литературы. Коэффициенты поглощения слоев, моделирующихкровенаполненные ткани, рассчитывались в соответствии с уровнемоксигенации крови и объемным содержанием крови в слое.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
