Распространение света в сильнорассеивающих средах и формирование сигналов в системах лазерной диагностики (1104629), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Проведеномоделирование распространения зондирующего излучения для двух длин волн(660 и 890 нм), лежащих по разные стороны от изобестической точки 805 нм,где коэффициенты поглощения окси- и дезоксигемоглобина равны. Показано,что наибольшую чувствительность к оксигенации крови все рассмотренныеметоды кроме ОКТ демонстрируют для λ = 660 нм, где зависимостькоэффициента поглощения от длины волны сильнее. Для λ = 890 нм толькогониофотометрия,пространственноразрешеннаярефлектометрияиспектрофотометрия демонстрируют чувствительность к оксигенации.Глава 4 посвящена исследованию особенностей формирования сигналаОКТ от различных рассеивающих сред с помощью Монте-Карломоделирования. Параграф 4.1 посвящен формированию сигнала отоднородной рассеивающей среды, и зависимости сигналов от параметровисследуемых сред.
Методом Монте-Карло рассчитаны сигналы от сред,моделирующих суспензию эритроцитов с различным гематокритом (5,10 и35%) и стандартный раствор липидных сферических частиц (интралипида) сконцентрацией 2, 5 и 10%. Результаты для среды, моделирующей суспензиюэритроцитов, приведены на рис. 3.1075%10%35%5105%10%35%610Êîëè÷åñòâî ôîòîíîâÈíòåíñèâíîñòü, îòí.åä.1061041031021051041031021101001010.00.51.0Îïòè÷åñêàÿ ãëóáèíà, ìì1.5100020406080100Êîëè÷åñòâî àêòîâ !àññåÿíèÿРис.3. Модельные сигналы ОКТ (а) и распределение по кратностям рассеяниядетектированных фотонов, дающих вклад в сигнал ОКТ (б) для слоя среды, моделирующейсуспензию эритроцитов с различными гематокритами, толщиной 0.5 мм.Из этого рисунка можно видеть, что на зависимости числа детектированныхфотонов от кратности рассеяния наблюдается два максимума, обусловленныеграницами слоя.
Величина максимума, обусловленного дальней границей слоя,при возрастании гематокрита уменьшается, что объясняется изменениемсоотношения толщины слоя и средней длины свободного пробега. Положениеэтого максимума можно оценить из соотношенияN=2l,lfpгде l – толщина слоя, lfp – средняя длина свободного пробега.В параграфе 4.2 обсуждается диагностика процессов агрегации иседиментации рассеивателей в среде на примере среды, моделирующейсуспензию эритроцитов в плазме крови.
Полученные с помощью метода МонтеКарло модельные сигналы ОКТ от слоя суспензии эритроцитов сопоставляютсяс экспериментальными данными. Сравнение показало, что модельные сигналыхорошо согласуются с экспериментальными данными при учете агрегации,седиментации и наличия градиентного распределения концентрации наобразующейся в процессе седиментации границе плазма-суспензияэритроцитов. Возрастание контраста пика от задней границы благодаряагрегации и седиментации наблюдается как на экспериментальных, так и намодельных сигналах. На зависимостях числа фотонов, дающих вклад в сигнал,от числа испытанных актов рассеяния наблюдаются максимумы,соответствующие отражающим границам образца, аналогично результатам,полученным в параграфе 1.Темой параграфа 4.3 является роль различных компонент сигнала ОКТ,определяемыхкратностьюрассеянияихаотизациейнаправленияраспространения в среде. В настоящем параграфе рассматриваются двеклассификации рассеянных назад фотонов, дающих вклад в ОКТ-сигнал.Первая из них связана с возможностью локализации объекта, рассеявшегофотон назад.
Фотон называется многократно рассеянным (МНР), если разницамежду его оптическим путем l в среде и удвоенной максимальной оптическойглубиной, достигнутой в среде, 2 zmax, превышает длину когерентностиисточника lcoh:l – 2 zmax > lcoh .В этом случае предполагается, что фотон несет искаженнуюинформацию о глубине залегания рассеивателя. В противоположном случаефотоны называются малократно рассеянными (МЛР).В соответствии со второй классификацией, основанной надиффузионной теории, считается, что основным критерием хаотизациинаправления движения фотона в среде является число испытанных им актоврассеяния. Критерием принадлежности к диффузионной компоненте (ДК)является превышение среднего числа рассеяний при пробеге транспортнойдлины ltr в среде числом испытанных фотоном актов рассеяния.N > Ncr =/где транспортная длина: ltr = (µa + µs )µa + µ s,µ a + µ s!–1–1/, µs = µs(1 – g), средняя длинасвободного пробега: lfp = (µa + µs) .
Если же выполняется обратное неравенство,фотоны относятся к недиффузной компоненте и обозначаются НДК. Такаяклассификация фотонов позволяет судить об информативности сигнала ОКТ. Вто же время в экспериментальных условиях разделение фотонов на мало- имногократно рассеянные без применения поляризационно-чувствительныхметодов невозможно, поэтому метод Монте-Карло является наиболееподходящим для изучения этого вопроса.Огибающие модельных сигналов ОКТ от однородных слоев суспензииэритроцитов с гематокритом 35% и 2%-ного раствора интралипида, обатолщиной 1 мм (соответствующая оптическая глубина – 1.33 мм), а такжевклады различных компонент в сигналы, представлены на рис. 4.
В случаеинтралипида (Рис. 4а) в сигнале присутствуют два отчетливых пика,соответствующие границам исследуемого слоя. В случае крови (Рис. 4б) пик отзадней границы не наблюдается из-за более сильного рассеяния в крови посравнению с интралипидом. По этой же причине наблюдается более резкийспад вкладов НДК и МЛР с глубиной.Èíòåíñèâíîñòü, îòí.
åä.105104310102105104103102101100Ïîëíûé ñèãíàëÌàëîê!àòíîå !àññåÿíèåÌíîãîê!àòíîå !àññåÿíèåÍåäèôôóçíàÿ êîìïîíåíòàÄèôôóçíàÿ êîìïîíåíòà106Èíòåíñèâíîñòü, îòí. åä.Ïîëíûé ñèãíàëÌàëîê!àòíîå !àññåÿíèåÌíîãîê!àòíîå !àññåÿíèåÍåäèôôóçíàÿ êîìïîíåíòàÄèôôóçíàÿ êîìïîíåíòà1060.00.51.0Îïòè÷åñêàÿ ãëóáèíà, ìì(а)1.51010.00.51.01.5Îïòè÷åñêàÿ ãëóáèíà, ìì(б)Рис.4. Модельные сигналы ОКТ от слоя 2%-ного раствора интралипида (слева) и суспензииэритроцитов с гематокритом 35% (справа) и вклады различных компонент.Оценитьмаксимальныеглубиныдетектированияилокализациинеоднородностей среды можно по критерию преобладания НДК и МЛР всигнале.
Это означает, что локализовать оптическую неоднородность можно дотех глубин, пока в сигнале преобладает МЛР, а детектировать – пока в сигналепреобладает НДК. Оценки этих величин были также проведены для сред,моделирующих многослойную структуру кожи. Полученные результатыхорошо согласуются с теоретическими результатами и результатамиэксперимента, что предоставляет возможность их интерпретации в рамкахприменения ОКТ для исследований крови и кожи человека и других биотканей.Параграфы 4.4 и 4.5 посвящены моделированию двумерных ОКТизображений образцов рассеивающей среды, моделирующей бумагу. В нихтакже обсуждаются вопросы эффективности применения различныхиммерсионных жидкостей для повышения контрастности и увеличенияглубины визуализации изображений. В качестве начальной модели быларассмотрена многослойная среда, состоящая из плоских слоев с оптическимисвойствами, соответствующими волокнам целлюлозы и воздуху.
На следующемэтапе исследования оптического просветления образцов бумаги с помощьюОКТ мы усовершенствовали разработанную ранее многослойную модельбумаги. Плоские границы образцов бумаги были заменены неплоскими, агеометрия слоев волокон была приближена к реальности. Сечение модельногообразца бумаги толщиной 150 мкм, используемой при моделировании,приведено на рис.
5.xzРис. 5. Структура многослойной модели образца бумаги (1000 х 150 мкм).Модельные и экспериментальные изображения образцов бумаги безприменения просветляющей жидкости, а также с применением бензиловогоспирта, 1-пентанола и изопропанола представлены на рис. 6. Модельные ОКТизображения для длины когерентности источника 10 мкм и экспериментальныеОКТ-изображения являются качественно похожими. Основное различиезаключается в том, что реальная структура образца бумаги более хаотична посравнению с модельной, что выражается в больших неоднородностях вструктуре образца.Однако, эффект просветляющей жидкости в модели и экспериментесовпадает: наблюдается уменьшение вклада многократно рассеянных фотонов,вносящих шум в изображение; увеличивается контрастность изображениянижних слоев бумаги на фоне уменьшения шума и повышается контрастностьизображения задней границы.
Вариация параметров моделируемой ОКТустановки показала, что увеличение угла приема и длины когерентности ведутк уменьшению контрастности изображения задней границы образца.Применение просветляющей жидкости позволяет детектировать заднююграницу образца, а бензиловый спирт обеспечивает наивысшую контрастностьизображения задней границы при всех рассмотренных условиях.ЭкспериментМоделирование36002003400110015020010030050300320040030005002800100200300400500600700800900100010020030040050060070080090010003300220032003003100400300050029001001502001003005028001002003004005006007008009001000100200320030040050060070080090010003000100150290020010028003005030040050060010020030040050060070080090010001002003004005006007008009001000310020043003000400290050010015020010030050280010020030040050060070080090010001002003004005006007008009001000Рис.
6. Экспериментальные и модельные ОКТ-изображения образцов бумаги (1 - безприменения просветляющей жидкости, 2 – с применением бензилового спирта, 3 – сприменением 1-пентанола, 4 – с применением изопропанола) для λ = 910 нм, lcoh = 10 мкм.Шкалы по осям абсцисс и ординат приведены в мкм.В Заключении сформулированы основные результаты и выводы,полученные в ходе выполнения диссертационной работы:1.Разработан метод расчета распространения света в сильнорассеивающихсредах на основе алгоритма Монте-Карло для моделирования сигналовряда методов лазерной диагностики рассеивающих сред. Моделированиесигнала ОКТ основано на расчете интерференционного сигнала,образующегося в результате оптического смешения волн, пришедших изпредметного и опорного плеч ОКТ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
