WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Физический факультет

На правах рукописи

Кириллин Михаил Юрьевич РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В СИЛЬНОРАССЕИВАЮЩИХ СРЕДАХ И ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ЛАЗЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ Специальность 01.04.21. - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006

Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент А.В. Приезжев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Д.А. Зимняков, доктор технических наук, профессор И.П. Гуров,

Ведущая организация: Институт прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород).

Защита состоится « » 2006 г. в часов _ минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 по специальности 01.04.21 (лазерная физика) в Корпусе нелинейной оптики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: Ул. Академика Хохлова, д. 1. (Ленинские горы, д. 1, стр. 62).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Автореферат разослан « » 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к. ф.-м. н., доцент Т.М. Ильинова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время лазерные методы получили широкое распространение в бесконтактной неразрушающей диагностике внутренней структуры различных оптически неоднородных объектов, в частности, они находят применение в медицине, биофизике, науках о материалах, физике атмосферы, и других областях современной науки.

Для повышения эффективности современных методов лазерной диагностики, а также для разработки новых методов, необходимо подробное изучение особенностей процесса распространения света в рассеивающих средах, включая биоткани. Однако на настоящий момент не существует точной теории для описания распространения света в структурно неоднородных средах, а экспериментальные исследования осложнены трудностями поддержания постоянства их структурно-динамических параметров и ограничениями при исследованиях, например, связанными с возможностью регистрации сигнала. В связи с этими обстоятельствами все большую роль приобретает компьютерное моделирование процесса распространения света.

Оно позволяет более тщательно изучить особенности процесса распространения лазерного пучка в модельных средах, а также исследовать зависимость получаемых результатов от различных параметров измерительной системы и исследуемого объекта, что бывает весьма затруднительно в эксперименте. Это позволяет выработать рекомендации по наиболее эффективному проведению диагностических измерений.

Все существующие в настоящее время оптические методы диагностики, основанные на анализе светорассеяния, можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся методы, в которых информативными являются баллистические и малократно рассеянные фотоны, а многократное рассеяние вносит шум и искажения с сигнал. Примером такого метода является оптическая когерентная томография. Ко второй группе можно отнести методы, в которых информацию о среде несут многократно рассеянные (диффузионные) фотоны (например, оптическая диффузионная томография).

При исследовании биотканей длина волны зондирующего излучения обычно выбирается внутри так называемого окна прозрачности ( = 600...нм), в котором коэффициент поглощения биотканей много меньше коэффициента рассеяния, что обеспечивает более глубокое проникновение излучения внутрь исследуемого объекта.

Методы лазерной диагностики основаны на том, что большинство структурно-морфологических и химических изменений в объекте исследования влечет за собой изменения его оптических свойств. Как следствие этого, характер распространения света зависит от состояния объекта. Проводя измерения характеристик света, рассеянного объектом, можно диагностировать изменения (отклонения от нормы), если предварительно определить соответствие между результатами измерений и состоянием объекта. При применении оптических методов неразрушающей диагностики необходимо обеспечить отсутствие воздействия зондирующего излучения на структуру исследуемого объекта, что накладывает существенные ограничения на интенсивность зондирующего излучения.

Для интерпретации получаемых результатов и корректного проведения диагностики исследуемого объекта необходимо знать параметры распространения в нем света, что достигается сравнением экспериментальных данных и результатов компьютерного моделирования или теоретических расчетов, если таковые применимы в рассматриваемом случае.

Одной из основных проблем при расчете распространения света в биологических объектах является выбор метода. В связи с быстрым развитием компьютерной техники часто используется метод статистических испытаний Монте-Карло. Применительно к распространению света в сильнорассеивающих и поглощающих средах этот метод основан на многократном повторении численного эксперимента по расчету случайной траектории фотона в исследуемой среде с последующим обобщением полученных результатов. При накоплении достаточно большого количества статистических данных метод позволяет проводить сравнения с экспериментальными результатами, а также предсказывать результаты экспериментов. Точность такого моделирования определяется затратами машинного времени, а также соответствием модели моделируемому объекту.

Важной проблемой моделирования является корректный выбор значений модельных параметров объекта, используемых для расчета, которые не могут быть измерены явно. С этим связана одна из основных задач оптики сильнорассеивающих сред – так называемая обратная задача, т.е. определение оптических свойств исследуемой среды по результатам измерения параметров рассеянного ею света с помощью теоретических или численных методов расчета, выбираемых в зависимости от структуры самой среды. Следует отметить, однако, что в ряде случаев, в частности для многих биотканей, имеет место значительное расхождение значений их оптических свойств, полученных различными авторами.

Вышеперечисленные факты позволяют сформулировать основную цель диссертационной работы.

Цель работы Целью данной работы является детальное изучение процесса распространения лазерного излучения в сильнорассеивающих средах, моделирующих биоткани и бумагу, и исследование особенностей формирования сигнала при использовании различных современных оптических бесконтактных методов неразрушающей диагностики рассеивающих сред (гониофотометрии, пространственно разрешенной рефлектометрии, времяпролетной фотометрии, спектрофотометрии, оптической когерентной томографии).

Для достижения данной цели в процессе выполнения работы были решены следующие задачи:

1. Разработан и программно реализован алгоритм для моделирования распространения лазерного излучения в многослойных сильнорассеивающих и поглощающих средах различной геометрии на основе метода Монте-Карло.

2. Проведена апробация разработанного алгоритма путем сравнения результатов моделирования с доступными результатами эксперимента и теоретическими моделями.

3. Проведено моделирование формирования сигналов при реализации различных методов лазерной диагностики рассеивающих сред и проанализирована роль фотонов различной кратности рассеяния в формировании этих сигналов.

Научная новизна 1. Впервые реализован метод моделирования двумерных изображений оптической когерентной томографии (ОКТ-изображений) и получены модельные ОКТ-изображения сред со сложной структурой, моделирующих образцы биоткани и бумаги.

2. Впервые проведен подробный анализ вкладов фотонов различной кратности рассеяния в сигналы гониофотометра и ОКТ от рассеивающих сред, что позволяет количественно оценить роль многократного рассеяния в рассматриваемых сигналах.

3. С помощью разработанного метода впервые проведен сравнительный анализ чувствительности различных оптических диагностических методов к изменению коэффициента поглощения некоторых слоев многослойной среды на примере многослойной модели биоткани с изменением оксигенации крови в кровенаполненных слоях.

4. Впервые методами численного моделирования изучена возможность применения просветляющих жидкостей при получении ОКТ-изображений образцов бумаги для увеличения глубины зондирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Расчет интерференционного сигнала как результата оптического смешения волн, пришедших из предметного и опорного плеч ОКТ, позволяет обобщить метод Монте-Карло для моделирования сигналов и двумерных изображений, получаемых при оптической когерентной томографии многослойных сильнорассеивающих сред с неплоскими границами слоев.

Разработанный метод моделирования распространения света в средах с сильным рассеянием на основе алгоритма Монте-Карло позволяет также в рамках одного расчета моделировать сигналы, получаемые при применении некогерентных методик: гониофотометрии, спектрофотометрии, пространственно разрешенной рефлектометрии и время разрешенной фотометрии.

2. Пространственно разрешенная рефлектометрия является более чувствительной методикой, чем гониофотометрия, спектрофотометрия, времяпролетная фотометрия и оптическая когерентная томография, к изменению коэффициентов поглощения отдельных слоев многослойной рассеивающей среды, соответствующему изменению уровня оксигенации крови в кровенаполненных слоях кожи человека.

3. Отражение от границ слоев при моделировании методом Монте-Карло сигналов ОКТ для многослойных сильнорассеивающих сред с плоской геометрией слоев и высокой анизотропией рассеяния, обуславливает максимумы в распределении фотонов, формирующих сигнал, по количеству актов рассеяния.

4. Использование многослойной модели бумаги с неплоскими границами слоев позволяет исследовать формирование двумерных ОКТ изображений образцов бумаги и применение просветляющих жидкостей, которое обеспечивает улучшение контрастности ОКТ-изображения внутренней структуры и задней границы исследуемых образцов.

Практическая значимость данной работы определяется возможностью применения разработанного метода моделирования распространения лазерного излучения в сильнорассеивающих средах для исследования эффективности различных методов лазерной бесконтактной неразрушающей диагностики при изучении широкого спектра объектов без экспериментальной реализации метода, для оценки оптимальных параметров экспериментальной установки, а также для интерпретации полученных экспериментальных данных.

Апробация результатов Основные результаты диссертационной работы докладывались на международной конференции Photonics West (Сан Хосе, США - 2002, 20042006), международной конференции Saratov Fall Meeting – SFM (Саратов, Россия - 2002-2005), международной конференции Northern Optics (Эспоо, Финляндия - 2003), международной конференции Advanced Laser Technologies – ALT (Крэнфилд, Великобритания – 2003), международной конференции молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2003-2005), русско-финском семинаре Photonics and Laser Symposium – PALS (Саратов, Россия – 2003, Кайани, Финляндия - 2005), международной конференции Optics Days (Турку, Финляндия, 2004), международной конференции Advanced Optical Materials and Devices - AOMD (Тарту, Эстония - 2004), международной конференции Optical Sensing and Artificial Vision – OSAV (С.-Петербург - 2004), международной конференции ICONO-LAT (С.-Петербург - 2005), международном конгрессе European Congress on Biomedical Optics - ECBO (Мюнхен, Германия - 2005).

Достоверность полученных результатов подтверждается их сопоставлением с экспериментальными данными, а также, когда это возможно, результатами других авторов. Используемые в диссертации модели имеют ясный физический смысл.

Структура и объем работы Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем работы составляет 158 страниц, включая рисунков, 8 таблиц. Библиография содержит 199 работ.

Содержание работы Во Введении кратко обоснована актуальность работы, определены цели диссертационной работы, и описаны задачи, которые были выполнены для достижения поставленных целей, также приведена структура диссертации.

Глава 1 посвящена обзору современных методов экспериментального, численного и теоретического исследования распространения лазерного излучения в рассеивающих средах. В параграфе 1.1 приведены основные физические величины, используемые для описания рассеивающих сред. В параграф 1.2 рассмотрены различные методы теоретического описания распространения света в неоднородных средах. В частности, рассмотрено уравнение переноса излучение, а также диффузионное и малоугловое приближения, для которых это уравнение имеет аналитическое решение. В параграфе также описан теоретический метод расчета вклада различных кратностей рассеяния в полное светорассеяние от среды. В параграфе 1.приведено краткое описание численного метода Монте-Карло для расчета распространения излучения в рассеивающих средах и инверсного метода Монте-Карло для решения обратной задачи восстановления оптических свойств среды по сигналу светорассеяния. Параграф 1.4 посвящен описанию экспериментальных оптических методов исследования сильнорассеивающих сред: гониофотометрии, спектрофотометрии, времяпролетной фотометрии и пространственно разрешенной рефлектометрии. Параграф 1.5 посвящен подробному описанию метода оптической когерентной томографии, физическим явлениям, лежащим в основе метода, различным модификациям метода (Доплеровская оптическая когерентная томография, сверхскоростная оптическая когерентная томография, поляризационно-чувствительная оптическая когерентная томография), различным источникам излучения, применяемым в ОКТ, а также основным применениям метода. В параграфе 1.приведена характеристика сред, рассматриваемых в данной работе, с точки зрения исследуемых методов оптической диагностики. В параграфе 1.7 дано краткое описание метода оптического просветления, применяемого для повышения информативности оптических методов.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»