Диссертация (1174376), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

Возможныдва подхода для описания деполяризующих свойств биотканей, первый изкоторых основан на интегральной оценке поляризационных характеристиквыходящего из ткани излучения. В качестве этих характеристик используютсячетыре компонента вектора СтоксаI ,Q ,U ,V[13], каждый из которыхопределяется по области, существенно превышающей характерные размерыспекла в рассеянном излучении. Таким образом, одним из основных принциповданного подхода является усреднение по всем возможным состояниямполяризации, в результате чего полностью теряется информация о локальнойполяризационнойструктурерассеянногоизлучения.Взаимодействиеполяризованного света с зондируемой средой может быть описано следующимсоотношением [13]:S out  M S in ,(2.1)где Sin – вектор Стокса излучения на входе в среду, S out – вектор Стоксаизлучения на выходе из среды,M – 4  4 матрица, называемая матрицей52Мюллера или матрицей рассеяния света (МРС), полностью описывающаядеполяризующие свойства среды.Компонент I определяет полную интенсивность анализируемого световогопучка, компонентQ– разность интенсивностей составляющих, линейнополяризованных в направлениях x , y заданной прямоугольной системы координат(соответственно, Iопределяется их суммой).

Компонент Uаналогично компонентуQ,определяетсяно в системе координат, повернутой на 45 поотношению к исходной системе координат. Компонент Vравен разностиинтенсивностей составляющих с правой и левой круговыми поляризациями взондирующем пучке. Все четыре компонента могут быть определены в результатеанализа светового пучка с использованием поляризатора и комбинацииполяризатора с четвертьволновой пластинкой для длины волны зондирующегоизлучения.

Для количественного описания разрушения исходного состоянияполяризации светового пучка при его взаимодействии со средой вводят степеньполяризацииP  Q2  U 2  V 2 I .ДляполяризованногосветаP = 1;дляестественного (неполяризованного) света P = 0.Формализм Стокса-Мюллера является мощным методом анализа структурыбиотканей, широко применяемым в биомедицинской оптике [82,110, 111, 115,157,171,177, 192], однако он не свободен от ряда недостатков. Это, прежде всегосложности в интерпретации взаимосвязей получаемых в поляриметрии СтоксаМюллера значений M ij со структурными характеристиками ткани. ПоляриметрыСтокса-Мюллера являются достаточно сложными и дорогостоящими системами,требующими высококвалифицированного персонала для их обслуживания.Именно поэтому данный тип поляриметрии как метод диагностики используетсятолько в лабораторных условиях.

Также в определенной степени недостаткомявляется отмеченная выше потеря информации о локальной поляризационнойструктурерассеянногосветовогополя,анализкоторойможетдополнительные данные о морфофункциональном состоянии биоткани.дать53Другой подход основан как раз на анализе локальной поляризационнойструктуры и восходит к матричному формализму Джонса [13], в рамках которогорассматриваются не интенсивности волн, а их амплитуды и учитываются фазовыесдвиги между волнами. Таким образом, при этом может рассматриватьсялокальное состояние поляризации для каждого спекла в рассеянном излучении.Данный подход был применен в диссертационном исследовании.Возникает вопрос о физических механизмах, являющихся причинойразрушения исходного состояния поляризации пучка при его распространении вбиотканях.

Можно выделить два основных механизма: случайные изменениянаправления распространения световой волны при рассеянии, приводящие кперераспределению потока энергии излучения между двумя ортогональнополяризованнымисоставляющимиволныивзаимодействияволнысанизотропными структурами биоткани (например, коллагеновыми фибриллами)на локальном уровне. Строгое математическое описание этих процессовпредставляетсобойвесьмасложнуюигромоздкуюзадачу,поэтомупредставляется целесообразным применение упрощенных феноменологическихмоделей с параметрами, уточняемыми из эмпирических данных.

В девяностыхгодахпрошлоговекабыловыполненодостаточнобольшоечислоэкспериментальных исследований затухания поляризации в in vitro биотканях ифантомах (моделях) биологических сред [102, 112, 114, 139, 176]. В частности,интенсивные исследования в данном направлении проводились группой изЛиверморской национальной лаборатории США (В. Санкаран и др.) [170, 171].Основываясь на результатах этих исследований, можно сформулировать общиезакономерностиубываниястепенилинейнойполяризациизондирующегоизлучения в биотканях при отсутствии вкладов анизотропных элементов ткани вдеполяризацию света:- при многократном рассеянии вперед линейно поляризованного светаслоем ткани степень поляризации прошедшего через ткань излучения убывает тембыстрее, чем меньше отношение характерного размера рассеивающих частиц кдлине волны зондирующего излучения d  ;54- при рассеянии назад линейно поляризованного света биотканьюнаблюдается противоположная тенденция (для среды, состоящей из крупныхчастиц, степень остаточной поляризации диффузно отраженного света будетменьше, чем для среды из мелких частиц).2.1.2.

Отображение и количественный анализ локальных состоянийполяризации: эллипс поляризации и сфера ПуанкареРассмотрение локальных состояний поляризации в спеклах, проявляющихсяв многократно рассеянном лазерном излучении, показывает, что наиболеевероятным является эллиптическое состояние поляризации, случайным образомменяющееся от спекла к спеклу (рисунок 2.1). Вероятность обнаружения спекла скруговой поляризацией равна 0; это доказывается математически. Кроме того,подобное свойство локальных состояний поляризации при многократномрассеянии в случайно-неоднородных средах может быть обосновано изследующих качественных соображений: чтобы получить круговую поляризацию,необходимо сложить две линейно поляризованные волны с одинаковымиамплитудами и ортогональными направлениями поляризации.

Кроме того,необходимым условием является фазовый сдвиг между волнами, равный  2 или3 2 . Очевидно, что при сложении 3 и более волн, в результате чего возникает тотили иной спекл, вероятность одновременного выполнения этих условий будетравна 0. При использовании в качестве зондирующего излучения линейнополяризованного лазерного света можно предложить для количественногоописаниялокальныхполяризационныхэллипсовтакойпараметр,какэксцентриситет   1  b a 2 (где a ,b – соответственно малая и большая осиэллипса).

Для линейно поляризованного света   1; в случае круговойполяризации   0; для эллиптической поляризации эксцентриситет принимаетпромежуточные значения между 0 и 1. В качестве второго параметра может быть55принят азимутальный угол  между большой осью эллипса и исходнымнаправлением поляризации в зондирующем пучке (рисунок 2.2).Рисунок 2.1 – Пример локальной поляризационной структуры в спекл-поле,формируемом при многократном рассеянииРисунок 2.2 – Количественные характеристики локального поляризационногоэллипса. Cтрелка определяет исходное направление поляризациив зондирующем пучкеДля наглядного отображения набора локальных состояний поляризации вразличных спеклах целесообразно воспользоваться такой конструкцией, как сфераПуанкаре. Сфера Пуанкаре представляет собой сферу единичного радиуса всистеме координатs1  QI , s2  U I , s3  V I  , где, как и ранее, I ,Q,U ,V–компоненты вектора Стокса.

Любое состояние поляризации соответствуетопределенной точке на поверхности сферы; при этом линейной поляризациисоответствуют точки, расположенные на экваторе, а круговой поляризации –56точки на полюсах сферы. Набору возможных локальных состояний поляризациидля конкретного спекл-поля будет соответствовать определенная область насфере.Присканированииспекл-поляполяризационно-чувствительнымдетектором вариации локальных состояний поляризации будут отражаться наповерхности сферы некоторой случайной траекторией (рисунок 2.3).Рисунок 2.3 – Отображение локальных состояний поляризации на сфере ПуанкареИсходное состояние поляризации зондирующего пучка отображаетсязеленой точкой.

Красные точки соответствуют локальным состояниям вотдельных спеклах. Красная линия отображает эволюцию регистрируемогосостояния в процессе сканирования.2.2. Оборудование и методика проведения экспериментаСхема лабораторного образца спекл-коррелометра, используемого нами вданной работе, приведена на рисунке 2.4.

В качестве источника зондирующеголинейно поляризованного излучения использовался гелий-неоновый лазер ГН-5П(одномодовый режим работы, линейная поляризация, выходная мощность 5 мВт).Для фокусировки лазерного пучка на образец применялась телескопическаясистема из двух микрообъективов (8 и 10) с сопряженными фокальными57плоскостями, в которых располагался исследуемый образец на стекляннойподложке.Рисунок 2.4 – Схема лабораторного образца сканирующего спекл-поляриметра:1 – He-Ne лазер 633 нм; 2 – телескопическая система из 2 микрообъективов;3 – объект исследования; 4 – линейный позиционер Standa 8MT167-100;5 – ирисовая диафрагма; 6 – измерительная головка оптического поляриметраPAN5710VIS;7–поляриметрTHORLABSTXP5004;8 – персональный компьютерПодобнаяконфигурацияобеспечивалатребуемуюлокализациюзондируемого объема в поперечном и продольном направлениях (поперечныйразмер сопоставим с характерным размером структурных неоднородностей вповерхностных отрывах эпидермиса (ПОЭ), а продольный размер сопоставим столщиной кожного отрыва).

Кроме того, применение телескопической системыпозволяло выделять в рассеянном вперед зондирующем излучении малократнорассеянные и диффузные составляющие, распространяющиеся под малымиуглами к оси зондирующего пучка. В конечном итоге это приводило кформированию на апертуре детектора достаточно крупных спеклов, сравнимыхпо размеру с апертурой, и в значительной степени минимизировало вероятностьодновременной регистрации нескольких спеклов с различными состояниямиполяризации.В качестве детектора и анализатора состояния поляризации прошедшегочерез кожный отрыв излучения применялся компьютеризированный поляриметрTXP5004 с измерительной головкой PAN5710VIS для видимой области спектра(производство Thorlabs, США).

Сканирование кожных отрывов в направлении,58перпендикулярномнаправлениюосуществлялосьпомощьюсраспространенияоднокоординатногозондирующеголинейногопучка,позиционера8MT167-100 (производство Standa, Литва). Шаг сканирования был выбран равным5 мкм при длине трассы от 1 до 5 мм, что соответствовало объемам выбороканализируемых данных от 200 до 1000. Подобные объемы достаточны дляпостроениягистограмманализируемыхпараметровлокальныхсостоянийполяризации (значений эксцентриситета и азимутального угла локальныхэллипсов поляризации) и позволяют получить робастные оценки статистическихмоментов этих параметров.ПОЭ были получены нами в амбулаторных и стационарных условияхКлиники кожных болезней ФГБОУ ВО Саратовский ГМУ им.

Характеристики

Список файлов диссертации