Рассеяние лазерного излучения на эритроцитах и моделирующих их частицах (1104631)
Текст из файла
На правах рукописиЛуговцов Андрей ЕгоровичРАССЕЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЭРИТРОЦИТАХ ИМОДЕЛИРУЮЩИХ ИХ ЧАСТИЦАХСпециальность: 01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2008Работа выполнена на физическом факультете Московского государственногоуниверситета им. М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель :кандидат физико-математических наук,доцент Никитин Сергей ЮрьевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукМаксимова Ирина Леонидовнадоктор физико-математических наукКононенко Вадим ЛеонидовичВедущая организация – Центр естественно-научных исследований Института общейфизики им. А.М.
Прохорова РАНЗащита состоится 16 октября 2008 г. в 16.00 часов на заседании диссертационногосовета Д 501.001.31 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В.Ломоносова, д.1, стр. 62, КНО, аудитория им. С.А. АхмановаС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им.М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан “___” сентября 2008 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31кандидат физ.-мат. наук, доцентТ.М. Ильинова2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследований. Особое место в общей проблеме рассеяния светадисперсными средами занимает оптика биологических дисперсных сред, что связанос широким применением оптических методов в таких областях, как медицина ибиофизика.
В исследовательских лабораториях, занимающихся оптическойбиомедицинской диагностикой, решают такие актуальные задачи как определенияколичества глюкозы в крови человека, измерение скорости капиллярного кровотока,определение размеров и формы эритроцитов, а также их деформируемости иагрегационной способности. Эти и многие другие параметры представляют большойинтерес, и возможность их быстрого бесконтактного и безопасного для человекаизмерения весьма заманчива. В конечном итоге речь идет о создании новых методовмониторинга состояния и эффективности терапии живых организмов. Однако наэтом пути встречаются значительные трудности. Одна из основных проблем состоитв понимании физики взаимодействия света, в частности лазерного излучения, с такойсложной многокомпонентной и быстроменяющейся системой, как живая ткань.Актуальным направлением современной биомедицинской оптики является изучениеоптических свойств биологических частиц.
В физике в принципе существуютметоды, которые позволяют решать эту задачу. Это в частности теория Ми, котораястрого описывает рассеяние света на сферических частицах и дискретно-дипольноеприближение (ДДП), которое позволяет описать рассеяние света на частицахпроизвольной формы с размером порядка длинны световой волны. Существуют идругие методы, в частности метод конечных разностей во временном представлении,метод Т-матрицы и т.п.
Вышеупомянутые методы довольно сложны и применимы кограниченным классам объектов. Для описания распространения лазерногоизлучения в биологических тканях, представляющих собой сложную совокупностьчастиц, применяют методы численного моделирования, в частности метод МонтеКарло. Однако и в этом случае в основу расчета закладывается некоторая модельрассеяния света отдельной частицей.
В данной работе мы хотели бы построитьпростой метод для расчета рассеяния света на таких частицах как эритроциты и ихагрегаты. Актуальность этой задачи связано с исключительно важной ролью,которую играет кровь и ее компоненты в функционировании живых организмов.Едва ли найдется такая область медицины, где знания об оптических свойствахкрови не будут способствовать усовершенствованию и развитию диагностических итерапевтических методик. Знание оптических свойств крови, например, важно длятаких медицинских приложений как оксиметрия тканей, инфракраснаяспектроскопия и визуализация изображений, оптическая биопсия, фотодинамическаятерапия,лазерно-индуцированнаятермо-терапия,мониторингнейроннойактивности, дифрактометрия и агрегометрия и многих других.Оптические методы исследования эритроцитов, лежащие в основе лазернойдифрактометрии и агрегометрии, особенно интенсивно развиваются в последниедесятилетия.
Их основными преимуществами являются возможность быстрого инаименее трудоемкого получения сведений о свойствах и характеристиках3эритроцитов, неионизирующий характер излучения (по сравнению с рентгеновскимизлучением), что обещает значительные перспективы с точки зрения безопасности,простоты и надежности устройств. В экспериментах по лазерной дифрактометрии иагрегометрии красных клеток крови происходит взаимодействие лазерногоизлучения с суспензией эритроцитов и цельной кровью.
Данные методы основаны наизмерении диффузного рассеяния и дифракции лазерного излучения. Длядиагностики эритроцитов часто используется лазерное излучение, длина волныкоторого находится в так называемом “диагностическом окне” 600-1300 нм(излучение длинноволновой части красного и ближнего ИК диапазонов).Интерпретация экспериментальных данных в значительной мере осложняетсяуникальностью каждого отдельно взятого эритроцита, зависимостью его оптическиххарактеристик и формы от внешних факторов (температура, состава окружающейсреды, и др.).
Следует отметить, что удовлетворительной теории, описывающей иинтерпретирующей получаемые в экспериментах результаты, в настоящее время несуществует.Одной из важных частных задач, для решения которой используютсяоптические методы, является определение параметров эритроцитов в норме ипатологии. Решение этой задачи имеет большую социальную значимость, и над нимактивно работают многие научные группы.Существующие в настоящее время методики расчета рассеяния лазерногоизлучения несферическими частицами с характерными размерами от 4 до 100 мкмлибо очень сложны, либо требуют значительного времени счета и компьютерныхресурсов.
Данная работа направлена на улучшение и развитие существующих внастоящее время методов лазерной диагностики эритроцитов. При этом актуальнойзадачей является разработка простого и быстрого метода расчета рассеяниялазерного излучения от эритроцитов и моделирующих их частиц, т.к. он позволит вдальнейшем наиболее полно интерпретировать результаты, полученные вэкспериментах по рассеянию лазерного излучения на красных клетках крови, изучатьзакономерности формирования рассеянного излучения.Целью диссертационной работы является разработка метода и алгоритма быстрогорасчета рассеяния лазерного излучения оптически мягкими диэлектрическимичастицами, моделирующими эритроциты и их агрегаты, а также проведениеэкспериментов по лазерной дифрактометрии и агрегометрии с целью определенияпараметров эритроцитов в норме и патологии.Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:• Развить теоретическую модель и построить алгоритм для быстрых расчетоврассеяния лазерного излучения в дальней зоне прозрачной диэлектрическойчастицей, размер которой значительно превышает длину световой волны.• С использованием разработанного алгоритма произвести расчет рассеяниялазерногоизлучениясфероидальнымичастицами,моделирующимиэритроциты и их агрегаты.• Провести сравнение результатов расчета светорассеяния полученных спомощью разработанного алгоритма, с результатами расчета светорассеяния,4••••полученными с помощью других методов: для сферы – с теорией Ми, а длясфероида – с дискретно-дипольным приближением.Исследовать влияние таких параметров частиц как размер, форма, ориентацияв пространстве и показатель преломления на картину рассеяния лазерногоизлучения.Провести теоретический расчет дифракционной картины, полученной отсильно разбавленной суспензии эритроцитов, находящейся в сдвиговомпотоке.
Найти связь между параметрами дифракционной картины ираспределением эритроцитов по размерам.Провести эксперименты по лазерной дифрактометрии и агрегометрии иопределить деформационные и агрегационные параметры эритроцитов длякрысиной и человеческой крови в норме и патологии.Разработать метод определения размеров эритроцитов на основе лазернойдифрактометрии и экспериментально получить кривую распределения клетокчеловеческой и крысиной крови по размерам.Научная новизна работы:• Предложена и развита теоретическая модель, названная лучеволновымприближением (ЛВП), сочетающая в себе достоинства приближениягеометрической оптики с точным описанием распространения света в областипространства, лежащей за пределами частицы.• На основе ЛВП реализован оригинальный алгоритм для расчетов рассеяниялазерного излучения сфероидальными диэлектрическими частицами, размеркоторых значительно превышает длину световой волны.• Для частиц, моделирующих эритроциты, исследовано влияние на картинурассеяния таких параметров частиц как размер, форма, ориентация впространстве и показатель преломления.• С помощью разработанного численного метода проанализированывозможности ЛВП для вычисления рассеяния лазерного излучения частицами,моделирующими эритроцит.
Показано, что предложенный алгоритм сравнимпо точности с таким методом как дискретно-дипольное приближение, нозначительно превосходит последний по скорости счета для частиц спараметром размера более 50.• Впервые с использованием методики лазерной дифрактометрии кровипоказано, что препарат семакс положительно влияет на реологические свойстваэритроцитов.• Экспериментальноисследованывозможностиметодалазернойдифрактометрии для определения параметров распределения эритроцитов поразмерам.Научная и практическая значимость работы заключается в применимостиразработанного метода и алгоритма для быстрого расчета рассеяния лазерногоизлучения частицами, моделирующими эритроциты и их агрегаты.
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}
