Диссертация (1174376), страница 13

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

Текст из файла (страница 13)

Основныефункциональные характеристики данного устройства приведены в таблице 3.1.Таблица3.1–Основныефункциональныехарактеристикиоптическогокогерентного томографа OSC1300SSФункциональная характеристикаЗначениеЦентральная длина волны зондирующего излучения, нмСканируемый интервал длин волн при свипированиичастоты, нмЭффективная длина когерентности (воздух/вода), мкмПредельная глубина А-скана, ммЧастота А-сканирования, кГцПериод свипирования частоты, мксМинимальное расстояние между соседними А-сканами,мкмОсновнымотличиемоптическихкогерентных130010012/9316105томографовсосвипированием частоты от традиционных ОКТ схем с широкополоснымиисточниками зондирующего излучения (как правило, суперлюминесцентнымидиодами) является применение узкополосных полупроводниковых лазерныхизлучателей с периодической модуляцией частоты излучения и особый способ74обработки детектируемых сигналов на основе интегральных преобразований вчастотно-временной области.

На рисунке 3.1 приведен внешний вид системыOSC1300SS, а на рисунке 3.2 – примеры формируемого двумерного ОКТизображения in vivo кожи человека и произвольно выбранного единичного Аскана, используемого затем в НКР диагностике в ходе настоящей работы.Рисунок 3.1 – Внешний вид ОКР-системы OSC1300SS20log()20010000250500750100012501500Z, мкмабПримечание: пациент – женщина 27 лет, здоровая кожа, тыльная сторона предплечья.Рисунок 3.2 – а) типичное ОКТ-изображение in vivo кожи человека,формируемое системой OSC1300SS; б) пример единичного А-скана,используемого в НКР диагностике для восстановления зависимости I r z 753.2.

Физическая модель формирования НКР сигнала и алгоритм анализаполучаемых эмпирических данных.При низкокогерентном интерферометрическом зондировании биотканейрегистрируемый оптический сигнал может быть представлен в форме суммы двухкомпонент,однасоставляющимиизкоторыхзондирующегообусловленамалократноизлучения,рассеяннымираспространяющимисяпреимущественно вдоль оси зондирующего пуска, а вторая – диффузионнымисоставляющими, распространяющимися случайным образом во всем зондируемомобъеме:I r z   I ri z   I rd z  ,(3.1)где z – текущее значение глубины зондирования.Подобный подход в достаточной степени обоснован и широко применяетсяпри анализе переноса излучения в случайно-неоднородных средах, когда вкладоммалократно рассеянных составляющих нельзя пренебречь (см., например, [26]).Возникает вопрос о соотношении I ri z  и I rd z  при зондировании in vivo кожичеловека, применяемом в диссертационной работе.

В связи с этим былопроведено теоретическое моделирование спада диффузной составляющей I rd z  отглубины зондирования.В основе моделирования используется аналогия между временнымоткликом случайно-неоднородной среды в форме слоя, зондируемого короткимсветовымимпульсом,иоткликомсредыпринизкокогерентномрефлектометрическом зондировании [118, 200].

При этом устанавливаетсяочевидная взаимосвязь между характерным временем распространения короткогосветового импульса в среде t и длиной пути s , проходимой зондирующимимпульсом: s  vt . Под v следует понимать групповую скорость распространениясвета, однако для сред с малой материальной дисперсией в видимом и ближнемИК диапазонах можно приближенно считать, чтоv  c nef , гдеnef–эффективный показатель преломления среды. Для детектируемой диффузионной76составляющей можно считать, что s  z , где z – задаваемая низкокогерентныминтерферометром глубина зондирования.В рамках диффузионного приближения теории переноса излучения [26]временной отклик слоя случайно-неоднородной среды, зондируемой короткимсветовым импульсом, определяется следующим выражением [119]: Io Kl *  le   2 l * n 2 z I rd z  exp   a z  exp  2 1  cos 2n LL3Ln 1     , (3.2)где I o – интенсивность зондирующего пучка, K – коэффициент, зависящий от*оптических характеристик зондируемой среды, L – приведенная толщина слоя, l– транспортная длина распространения излучения в слое, le – так называемаядлина экстраполяции, определяемая отражательной способностью границы слоя.В качестве приведенной толщины слоя рассматривается величина, равнаяL  Lg  2le , где Lg – геометрическая толщина слоя.

Следует более подробно**остановиться на физическом смысле величин l и le . Транспортная длина lявляетсяоднойизфундаментальныхфизическиххарактеристик,контролирующих перенос излучения в случайно-неоднородных средах; онаопределяет характерный масштаб в среде, на котором происходит полноепреобразованиенаправленнойдиффузнуюсоответственно,и,составляющейтеряетсязондирующегоинформацияоизлучениявпервоначальномнаправлении зондирующего пучка.Значение длины экстраполяции le непосредственно связано с величинойтранспортнойдлиныиможетбытьпредставленокак[199]:le  2 3l * 1  R  1  R , где R – интегральная отражательная способность слоя.На рисунке 3.3 представлена зависимость R от относительного показателяпреломления случайно-неоднородной среды в случае обратного отражениядиффузных составляющих от границы раздела «среда – свободное пространство»)(данная зависимость рассчитана по методике, описанной в [199]). Таким образом,77можно ожидать, что величина R для биотканей приблизительно равна 0,5 и,*соответственно, le  2l .Рисунок 3.3 – Зависимость интегральной отражательной способности границыраздела «воздух – случайно-неоднородная среда» от эффективного показателяпреломления среды nmed .

Заштрихованная область соответствует интервалутипичных значений nmed для оптически мягких биологических тканейАнализ выражения (3.2) показывает, что для слабопоглощающих средскорость спада диффузно отраженной компоненты I rd z  в зависимости отглубины зондирования существенным образом зависит от приведенной толщиныслоя L . Существует область кроссовера, или переходная область между двумяпринципиально различными режимами спада сигнала. Для количественнойхарактеристики этой области может быть использован пространственныймасштабLcr , равныйLcr  3 L  4l *2 2 l * .

При глубинах зондирования,превышающих Lcr , имеет место экспоненциальный спад сигнала I rd z  ~ exp   z с постоянной затухания  , определяемой следующим выражением   1 Lcr .Отметим, что именно этот режим, реализуемый при конечной толщинезондируемых образцов, использовался ранее в работе [22] для низкокогерентной78рефлектометрическойдиагностикимногократнорассеивающихслучайно-неоднородных сред и композитных материалов.При z  Lcr характер спада сигнала кардинальным образом меняется и имеетместо степенное убывание сигнала в зависимости от глубины зондированияI rd z  ~ z 1.5 .

Данный закон обладает определенной универсальностью, чтозатрудняет его использование для количественной оценки оптических иструктурных характеристик зондируемых сред.Отметим,чтоприinvivoнизкокогерентномзондированиикожихарактерный размер зондируемого объема, составляющий не менее несколькихсантиметров,многократнопревышаетсоответственно,спаддиффузнойнизкокогерентногорефлектометрическогокритическиймасштабсоставляющейсигналанаLcrи,детектируемогобольшихглубинахзондирования определенно не будет являться экспоненциальным, а будет скорееописываться степенной функцией с показателем, близким к -1,5.

В то же времягрубый количественный анализ выражения (3.2) показывает, что в данном случаена малых глубинах зондирования z ~ l * интенсивность I rd z  слабо меняется сростом глубины зондирования и можно в данном случае считать, что I rd z   constТаким образом, можно предположить, что дополнительно существует втораяобласть кроссовера, соответствующая переходу от режима спада интенсивностидетектируемого сигнала I rd z   const к режиму I rd z  ~ z 1.5 .

Данный выводпредставляетсяактуальнымсточкизренияанализаполученныхвдиссертационной работе рефлектометрических характеристик in vivo нормальнойи патологической кожи [23, 54].В связи с этим в данной работе было проведено теоретическоемоделирование спада интенсивности диффузной составляющей регистрируемогонизкокогерентного рефлектометрического сигнала в зависимости от глубинызондирования на основании выражения (3.2). Для моделирования былоразработано специальное программное обеспечение на языке программированияC++; исходный текст соответствующей программы приведен в Приложении 1. В79качествеисходныхданныхпримоделированииприменялисьзначенияприведенного коэффициента рассеяния  s  и коэффициента поглощения  aчеловеческой кожи.

В [9] приведены спектры  s  и  a , полученные в результатеанализа различных эмпирических данных. К сожалению, длинноволновый крайобласти доступных значений  s  и  a в данном источнике ограничен длинойволны 900 нм; в то же время для анализа скорости спада I rd z  без существенныхкачественных отклонений от реального поведения анализируемой системы могутбытьиспользованывеличины,получаемыеврезультатеэкстраполяцииспектральных зависимостей  s  и  a , заимствованных из [9]. Для моделированиябыли приняты значения приведенного коэффициента рассеяния в интервале от10 см-1 до 1000 см-1 и коэффициента поглощения, равного 0,5 см-1.Результаты моделирования представлены на рисунке 3.4, а в формесемейства зависимостей I rd z  , соответствующих различным значениям  s  призаданномa ,выбраннымсоответствующиможидаемомукоэффициентупоглощения для длины волны зондирующего излучения.

В соответствии с [9],характерное значение приведенного коэффициента рассеяния для кожи человекамонотонно убывает от величины  120 см-1 до  30 см-1 при возрастании длиныволны зондирующего излучения от 350 нм до 800 нм; коэффициент поглощенияпри этом спадает от 23 см-1 до  1 см-1. Основываясь на отсутствии селективнопоглощающих хромофоров в биотканях для спектрального интервала от 800 нм докрая полосы поглощения воды в районе 1500 нм и предполагая сохранениенаблюдаемых в видимой области тенденций в поведении  s    и  a   вплоть додлины волны зондирующего излучения 1325 нм, примем оценочные значенияравными:  s 1325nm  20 см-1,  a 1325nm  0,3  0,5 см-1.

Отметим, что данныевеличины представляют собой оценки «сверху»; реальные значения оптическихтранспортных параметров кожи человека могут быть ниже. Исходя изполученных результатов, можно сделать вывод, что максимальный спад80интенсивностидиффузнойсоставляющейнизкокогерентногорефлектометрического (НКР) сигнала при возрастании глубины зондирования от0 до 1000 мкм не может превышать 5  7 дБ. В то же время фиксируемые вэкспериментах по НКР зондированию in vivo кожи человека характерные спадыдетектируемыхсигналовсоставляют160 дБиболее(нарисунке 3.4, бпредставлена типичная эмпирическая зависимость детектируемого сигнала от zдля in vivo кожи человека).

Характеристики

Список файлов диссертации