Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях

.pdf
Скачиваний:
473
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
12.64 Mб
Скачать

СОДЕРЖАНИЕ

 

Предисловие к первому изданию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

Предисловие ко второму изданию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

Г л а в а 1. Основы лазерной биомедицины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.2. Виды взаимодействия лазерного излучения с живыми объектами. . . . . . . . . . . .

12

1.3. Структура биологических тканей и клеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

1.4. Рассеяние и поглощение света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

1.5. Простейшие дискретные модели ткани . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

1.6. Флуоресценция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

1.6.1. Однофотонная флуоресценция (41). 1.6.2. Многофотонная флуоресцен-

 

ция (44).

 

1.7. Действие лазерного излучения на биоткань . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

1.7.1. Виды фотовоздействий (46). 1.7.2. Тепловые эффекты (48). 1.7.3. Фотоди-

 

намическое и фотохимическое воздействие (59).

 

1.8. Примеры применения лазеров в биомедицинской диагностике, терапии и хирургии

66

1.9. Проблемы и перспективы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92

Г л а в а 2. Распространение света в биологических тканях . . . . . . . . . . . . . . . . .

94

2.1. Распространение непрерывного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

94

2.2. Распространение коротких импульсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 2.3. Диффузионные волны фотонной плотности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

2.4. Принципы оптической диффузионной спектроскопии и томографии . . . . . . . . . . 110 2.4.1. Диффузионная оптическая спектроскопия (110). 2.4.2. Диффузионная оптическая томография (110).

2.5. Взаимодействие поляризованного излучения с биологическими объектами. . . . . . 127 2.5.1. Анизотропия биотканей (127). 2.5.2. Описание поляризованного излучения. Слабо рассеивающие биоткани (129). 2.5.3. Сильно рассеивающие биоткани (131).

2.6. Оптические свойства тканей глаза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 2.6.1. Оптические модели тканей глаза (135). 2.6.2. Спектры пропускания и рассеяния (136). 2.6.3. Поляризационные свойства тканей глаза (138).

2.7. Особенности взаимодействия лазерного излучения с биотканями . . . . . . . . . . . . 143 2.7.1. Введение (143). 2.7.2. Формирование спеклов и интерферометрия рассеивающих сред (144). 2.7.3. Динамическое рассеяние света (150). 2.7.4. Конфокальная микроскопия (161). 2.7.5. Оптическая когерентная

4

 

Содержание

 

томография (164).

2.7.6. Цифровая голографическая и интерференционная

 

микроскопия (173). 2.7.7. Генерация второй гармоники (181). 2.7.8. Терагерцовая

 

спектроскопия (182).

 

 

Г л а в а 3.

Измерение и управление оптическими свойствами биотканей . . . . . . .

189

3.1. Методы измерения оптических параметров биотканей . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

189

3.2. Управление оптическими свойствами биотканей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

210

Г л а в а 4.

Лазеры для биомедицины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

212

4.1. Принцип работы лазера и свойства лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . .

212

4.2. Газовые лазеры . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

219

4.3. Жидкостные лазеры . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

232

4.4. Твердотельные лазеры

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

234

4.5. Полупроводниковые лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

241

4.6. Твердотельные лазеры с диодной накачкой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

246

4.7. Перестраиваемые лазерные источники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

249

4.8. Лазеры с короткой и сверхкороткой длительностью импульсов . . . . . . . . . . . . .

252

Г л а в а 5.

Волоконные световоды для биомедицины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

260

5.1. Физика и техника волоконных световодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

260

5.2. Медицинские волоконные световоды и облучатели биотканей . . . . . . . . . . . . . .

275

5.3. Волоконные лазеры . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

285

5.4. Микроструктурные световоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

288

5.5. Биомедицинские волоконно-оптические датчики и зонды . . . . . . . . . . . . . . . . .

290

Г л а в а 6.

Лазерная спектрофотометрия и фурье-спектроскопия . . . . . . . . . . . .

307

6.1. Введение . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

307

6.2. Спектрофотометрия . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

309

6.3. ИК-фурье-спектроскопия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

320

6.4. Абсорбционная спектроскопия быстропротекающих процессов. . . . . . . . . . . . . .

324

Г л а в а 7.

Оптико-калориметрическая спектроскопия биообъектов . . . . . . . . . . .

328

7.1. Физические основы методов оптико-калориметрической спектроскопии . . . . . . . .

328

7.2. Экспериментальные исследования и типичные измерительные установки. . . . . . .

333

7.3. Конструкции спектрофонов и зондов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

341

7.4. Области применения оптико-калориметрических методов в биологии и медицине

350

Г л а в а 8.

Лазерный микроспектральный анализ в биомедицинских исследованиях

370

8.1. Введение . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

370

8.2. Микроскопия и микроспектрофотометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

370

8.3. Флуоресцентный микроанализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

379

8.4. КР-микропроба . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

390

8.5. Эмиссионная спектроскопия лазерной микропробы и метод LАММА . . . . . . . . .

405

Библиографический список .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

413

Предисловие к первому изданию

Моим внукам Даше, Жене, Степе и Серафиму

Среди большого круга вопросов, рассматриваемых в рамках оптической биофизики, можно выделить лазерную биомедицину, включающую три главных направления: лазерную хирургию и деструкцию биотканей, клеток и биомолекул; лазерную терапию и фотобиологию и, наконец, лазерную микро- и макродиагностику [1–10].

Традиционная фотобиология с использованием обычных (тепловых) источников света довольно успешно развивалась в течение многих лет с выходом в практическую фотомедицину. Имеются существенные достижения в понимании процессов фотосинтеза растений и бактерий, выяснении природы зрения, фотопериодических явлений. Появление принципиально нового инструмента — лазера — стимулировало дальнейшее быстрое развитие фотобиологии, постановку и успешное решение многих проблем, которые раньше или вовсе не ставились (из-за отсутствия соответствующих источников излучения) или решались косвенным путем. В отличие от тепловых источников света лазеры обладают высокой степенью монохроматичности, временн´ой и пространственной когерентности, направленности и поляризованности излучения при значительной его интенсивности и яркости, могут перестраиваться по длинам волн и излучать световые импульсы рекордно короткой длительности.

За почти сорокалетний период развития лазерной физики и техники был создан широкий арсенал лазеров и лазерных систем, по своим параметрам в значительной мере удовлетворяющих потребностям лазерных технологий, включая биотехнологию и фотомедицину. Сложность строения биологических объектов, значительное разнообразие в характере их взаимодействия со светом определяют необходимость использования многих типов лазеров и лазерных систем в фотобиологии, а также стимулируют разработку новых лазерных средств, включая средства доставки лазерного излучения к объекту исследования или воздействия, наилучшими из которых являются разнообразные волоконные световоды. Для целей биомедицины пригодны надежные, с большим сроком службы газоразрядные лазеры, высокоинтенсивные химические и эксимерные лазеры, перестраиваемые в широком диапазоне длин волн жидкостные лазеры на красителях, высокоинтенсивные твердотельные лазеры со сверхкороткой длительностью импульсов, малогабаритные полупроводниковые лазеры и др. Лазеры перекрывают широкий диапазон длин волн от 102 до 105 нм; уровни выходной мощности непрерывных лазеров и средней мощности импульсных составляют от нескольких милливатт до десятков и сотен ватт; энергия в импульсе изменяется в пределах от нескольких миллиджоулей до нескольких джоулей; длительности импульсов также изменяются в широком диапазоне, от нескольких миллисекунд до единиц наносекунд; ширина линии излучения лазеров — от нескольких килогерц до десятков гигагерц, угловая расходимость составляет от десятков градусов у полупроводниковых лазеров до долей миллирадиана у газоразрядных. Специальные оптические системы на основе лазеров позволяют значительно расширить возможности лазерного излучения. Так, преобразование частоты излучения

6

Предисловие к первому изданию

спомощью средств нелинейной оптики позволяет увеличить диапазон длин волн и осуществить непрерывную перестройку длин волн в широкой области, эффективно усиливать излучение малой мощности, существенно сокращать длительность (до единиц фемтосекунд), увеличивая тем самым ширину спектра излучения вплоть до нескольких десятков и даже сотен нанометров («белый» лазер) и уменьшая при этом длину когерентности до нескольких микрометров, или, наоборот, уменьшать ширину линии (до единиц и долей герца), существенно повышая тем самым предельное спектральное разрешение.

Для целого ряда методов, например упругого и квазиупругого рассеяния, достаточно иметь лазер, работающий на фиксированной длине волны с умеренной или даже малой мощностью излучения. Другие применения, в том числе спектроскопия комбинационного рассеяния, требуют более мощных лазеров с перестройкой длины волны излучения. Еще большие уровни мощности и режим импульсной генерации необходимы для лазерного микроспектрального анализа и лазерной масс-спектроско- пии. При изучении фотобиологических процессов малой длительности используются лазеры с короткими и сверхкороткими импульсами.

Очевидно, что успешное применение лазеров в биомедицине в значительной мере зависит от выбора источника лазерного излучения и средства доставки излучения к биообъекту, адекватных решаемой задаче. В связи с этим много внимания в книге уделено описанию разнообразных лазеров, волоконных световодов и волоконно-опти- ческих систем, а также измерительных устройств и автоматизированных комплексов уже применяемых или перспективных для применения в биологии и медицине. Достаточно подробно анализируются особенности взаимодействия лазерного излучения

сбиотканями как сильно рассеивающими средами со случайной организацией или прозрачными средами с квазиупорядоченной структурой. В качестве примеров из области лазерных медицинских технологий представлено довольно детальное описание некоторых методов микродиагностики биообъектов: абсорбционной, калориметрической и фотоионизационной спектроскопии, а также лазерного микроспектрального анализа.

Настоящая книга включает ряд разделов специального курса лекций «Оптика биотканей», читаемого автором в течение ряда лет для студентов и аспирантов Саратовского госуниверситета, а также ежегодных кратких курсов лекций по биомедицинской оптике для международной аудитории научных работников, аспирантов, инженеров и медицинского персонала, читаемых автором в США в рамках Международного симпозиума по биомедицинской оптике (Biomedical Optics, 1992–1998).

Монография выпускается как переработанное и дополненное учебное пособие, рекомендованное в 1993 году Комитетом по высшей школе Миннауки России в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Физика», «Биология» и специальностям «Оптика и спектроскопия», «Биофизика» и «Биотехнические и медицинские аппараты и системы».

Оригинальные материалы, вошедшие в монографию, были получены при финансовой поддержки гранта РФФИ «Ведущие научные школы» № 96-15-96389, гранта RB1-230 CRDF USA – Russia, а также гранта № 372р Международной соросовской программы образования в области точных наук.

Автор благодарен Российскому фонду фундаментальных исследований, без финансовой поддержки которого книга не увидела бы свет.

Выражаю также глубокую благодарность А. В. Приезжеву, всем своим коллегам, особенно Д. А. Зимнякову, И. Л. Максимовой, А. Б. Правдину, Ю. П. Синичкину, С. Р. Утцу, С. С. Ульянову и И. В. Ярославскому, за совместную работу, обсуждение и ценные замечания, С. П. Черновой и О. А. Перепелицыной за огромную помощь в оформлении рукописи и подготовку макета книги, а также всем, кто прислал от-

Предисловие к первому изданию

7

тиски своих работ, материалы которых использованы в книге, особенно A. А. Ораевскому, А. Я. Хайруллиной, M. J. C. van Gemert, J. R. Lakowicz, H. J. C. M. Sterenborg, J. R. Zip, S. L. Jacques, R. G. Johnston, J. Greve, R. M. Verdaasdonk, S. M. Khanna, Y. Aizu, R. Navarro, M. S. Patterson, B. Ruth, G. Mueller, H. Rinneberg, R. L. McCally, J. D. Briers, B. Chance, A. Yodh, M. Keijzer, W. M. Star, A. J. Welch, L. O. Svaasand, P. Rol, M. A. DellaVecchia, B. Pierscionek, M. Ferrari, A. Knuttel, E. Gratton, A. F. Fercher, B. R. Masters, W. P. van de Merwe, S. E. Braslavsky, Y. Ozaki, A. Bertoluzza, N.-T. Yu., J. M. Schmitt.

И наконец, что не менее важно, я благодарен моей жене и семье за исключительное терпение.

Предисловие ко второму изданию

Первое издание настоящей книги появилось уже более 10 лет тому назад [11], за это время в мире было издано более 30 книг, относящихся к различным аспектам лазерной биомедицины [12–41], что свидетельствует о бурном развитии этой отрасли науки и ее приложений. В последнее время в России также было выпущено несколько монографий и практических руководств, в которых обсуждаются различные аспекты взаимодействия лазерного и когерентного излучения от других источников с биологическими тканями [13, 21, 24–26, 29, 31]. В них также описаны медицинские применения лазерных и когерентно-оптических методов и аппаратуры. Каждая из названных книг детально анализирует конкретную проблему в области биологии или медицины. Например, книга Лопатина и др. [24] является фундаментальной монографией, в которой обобщены исследования закономерностей взаимодействия электромагнитного излучения с оптически мягкими частицами различной формы и структуры с целью совершенствования схем решения обратных оптических задач методами интегральной и «пролетной» индикатрис однократного светорассеяния на основе полученных аналитических связей. Монография, вышедшая под редакцией Баграташвили и др. [25] обобщает последние достижения в области фотомодификации хрящевой ткани и, по сути, является хорошим полным справочником по указанной проблеме. Руководство по оптической когерентной томографии Гладковой и др. [29] является также справочным пособием, исчерпывающим проблему на сегодняшний день. Все эти книги решают конкретные медицинские проблемы с глубокой проработкой и анализом теоретических и экспериментальных исследований. Книга Тучина «Оптическая биомедицинская диагностика» [13] является переводной коллективной монографией, в которой обсуждается широкий круг вопросов, связанных с оптической медицинской диагностикой, изложенных различными авторами и в основном по результатам их собственных исследований. Книга Тучина «Оптика биологических тканей: методы рассеяния света в медицинской диагностике» [31] является переводом монографии, вышедшей в США вторым изданием, в которой обсуждаются фундаментальные основы оптики биологических тканей в приложении к медицинской диагностике.

Второе издание книги «Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях» [11] отличается от предыдущего существенной переработкой той части, в которой обсуждаются фундаментальные проблемы распространения и взаимодействия света (лазерного излучения) с биологическими тканями. Для усиления именно этого аспекта книги во втором издании одна большая глава по описанию взаимодействия оптического изучения с биотканями преобразована в три главы, в каждой из которых излагаются определенные фундаментальные проблемы взаимодействия света с биологическими объектами. Изложение фундаментальных вопросов, как правило, сопровождается представлением практических приложений для биомедицинских исследований.

Со времени первого издания книги автор и его коллектив активно работали в области поляризационной оптики биотканей, управления оптическими свойствами биотканей и крови, развития методов измерения оптических параметров биотканей, а также развития методов когерентной оптики для исследования статических и динамических характеристик живых объектов с приложениями в биомедицинской диагностике и терапии. По каждому из этих направлений опубликованы многочисленные

Предисловие ко второму изданию

9

оригинальные научные статьи, обобщающие обзорные работы, выпущены специальные выпуски журналов. Все материалы хорошо апробированы на крупных международных конференциях, где автор выступал с пленарными или приглашенными докладами. Некоторые из наиболее интересных результатов, имеющих фундаментальное значение, вошли во второе издание книги.

В новой редакции книги расширено изложение таких важных разделов, как взаимодействие когерентного и поляризованного излучения с биологическими тканями; включены новые разделы, описывающие линейную флуоресценцию биологических объектов, многофотонную флуоресцентную микроскопию и визуализацию тканей и клеток, микроскопию на основе генерации второй гармоники, цифровую голографическую интерферометрию, оптическую когерентную томографию, лазерные источники терагерцового излучения, методы спектроскопии биотканей в терагерцовом диапазоне, а также цитометрию in vivo с использованием фототермического и фотоакустического эффектов.

Некоторые разделы настоящей книги являются основой специальных курсов лекций «Оптика биотканей», «Медицинские лазеры и волоконные световоды» и «Оптические измерения в биомедицине», разработанных и читаемых автором в течение ряда лет для студентов, магистров и аспирантов Саратовского госуниверситета. Материалы книги были апробированы при чтении кратких курсов лекций по оптике биотканей и оптическим измерениям в биомедицине для международной аудитории научных работников, аспирантов, инженеров и медицинского персонала, читаемых автором в Европе, США, Канаде и Корее в рамках международных научных школ и конференций.

Оригинальные материалы, вошедшие в монографию, были получены при финансовой поддержке многих грантов и научных программ, таких как гранты РФФИ и Президента РФ «Поддержка научных школ» 00-15-96667, 25.2003.2, НШ-208.2008.2; программа «Ведущие научно-образовательные коллективы», гранты 2.11.03, 1.4.09 Министерства образования РФ; исследовательские и международные гранты РФФИ 98-02-17997, 03-02-17359, 05-08-50318-а, 06-02-16740-а, 08-02-92224-ГФЕН_а; ФНТП по приоритетным направлениям науки и технологий, контракт № 40.018.1.1.1314 Министерства промышленности, науки и технологий РФ; РНП «Развитие потенциала высшей школы» Федерального агентства по образованию РФ, 2.1.1.4473, 1.4.06, 2.1.1/4989, 2.2.1.1/2950; ФЦП «Научные и науч- но-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг. (контракты: 02.740.11.0484, 02.740.11.0770, 02.740.11.0879); CRDF REC-006; CRDF Next Step to the Market Program, RUB1-570-SA-04; CRDF BP1M06 RUX0-006-SR-06; CRDF RUB1-2932-SR-08; гранты Королевского общества, 2002–2006; Европейский проект по программе FP-7, PHOTONICS4LIFE, Network of Excellence for Biophotonics, ICT-2007.3.5, № 224014.

Автор благодарен Российскому фонду фундаментальных исследований за финансовую поддержку второго издания книги.

Выражаю глубокую благодарность В. Н. Баграташвили за предложение подготовить второе издание книги, Г. Б. Альтшулеру, В. П. Жарову, А. В. Приезжеву, М. М. Назарову и всем своим коллегам по Саратовскому университету и Институту проблем точной механики и управления РАН, особенно Г. Г. Акчурину, А. Н. Башкатову, Е. И. Галанжа, Э. А. Гениной, Д. А. Зимнякову, В. И. Кочубею, К. В. Ларину, И. Л. Максимовой, И. В. Меглинскому, А. Б. Правдину, В. П. Рябухо, Ю. П. Синичкину, Г. В. Симоненко, Ю. С. Скибиной И. В. Федосову, И. В. Ярославскому, А. Н. Ярославской, О. С. Жерновой, а также многочисленным зарубежным коллегам, особенно Qingming Luo, Ricky Wang, Lihong Wang, Stoyan Tanev за совместную работу, обсуждение и ценные замечания.

Я благодарен моей жене и всей семье за исключительное терпение и понимание.

Г л а в а 1

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ БИОМЕДИЦИНЫ

1.1. Введение

Современные медицинские технологии базируются на фундаментальных исследованиях в физике, математике, химии и биологии. Хорошими примерами являются последние достижения в области медицинской томографии [1, 21]: например, компьютерная рентгеновская томография и магнитно-резонансная визуализация обеспечивают получение анатомической информации с большим разрешением в двух-

итрехмерном измерениях, более того, помимо структурных данных, магнитно-резо- нансная спектроскопическая визуализация, так же как и позитронная эмиссионная томография, позволяет локально регистрировать метаболическую информацию и, тем самым, изучать локальные физиологические процессы. Значительные перспективы, с точки зрения безопасности, простоты и надежности устройств, а также получения надежной информации о физиологических процессах, имеют оптическая диффузионная томография [1, 12, 13, 31, 32, 41] и оптическая когерентная томография [12, 13, 16, 21, 29, 31, 32].

Другой не менее важный пример относится к развитию лазерных технологий терапии рака и других заболеваний [2, 3]. В общем случае применение лазеров в медицинских исследованиях основано на использовании широкого круга явлений, связанных с разнообразными эффектами взаимодействия света с биологическими объектами [1–160].

Внастоящей книге представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований оптических свойств биотканей, описание которых проводится на основе фундаментальных оптических явлений, таких как упругое и квазиупругое (статическое и динамическое) рассеяние, дифракция и интерференция оптических полей и волн фотонной плотности (волн интенсивности). Эти результаты являются принципиальными как для понимания процессов распространения света (лазерных пучков) в рассеивающих средах с поглощением, так и для развития новых оптических медицинских технологий диагностики заболеваний и их лечения.

С оптической точки зрения, биоткани (включая и биожидкости: кровь, лимфу

ипр.) можно разделить на два больших класса: 1 — сильно рассеивающие (оптически мутные), такие как кожа, мозг, стенка сосуда, кровь, склера, оптические свойства которых могут быть достаточно хорошо описаны в модели многократного рассеяния скалярных волн в случайно-неоднородной среде с поглощением; 2 — слабо рассеивающие (прозрачные), такие как ткани переднего отрезка глаза (роговица, хрусталик), оптические свойства которых описываются в модели однократного (или малократного) рассеяния упорядоченной среды с плотной упаковкой рассеивателей, которые содержат поглощающие центры [1–3, 5, 13, 30–32, 57, 161–163].

Однако скалярное приближение является недостаточным, так как не учитывает векторную природу падающих и рассеянных волн; особенно это существенно для прозрачных тканей. В рассеивающей среде векторный характер волн проявляется как возникновение поляризации у первоначально неполяризованного пучка света или как

1.1. Введение

11

деполяризация при распространении в среде первоначально поляризованного пучка [3, 5, 13, 19, 27, 31, 32, 57, 76, 123, 164–171].

В задачах оптической диагностики и спектроскопии биотканей, а также дозиметрии света в локализованных объемах ткани следует различать два режима облучения: непрерывный (может быть квазинепрерывный, если используются длинные часто повторяющиеся импульсы) и с разрешением во времени (когда длительность импульса соизмерима с временем пролета фотона между актами взаимодействия со средой (рассеяние или поглощение) или длительностью элементарного акта взаимодействия) [1–3, 13, 18, 30–32, 43–45, 62, 64, 92, 95–98, 161, 162]. Режим с разрешением во времени может быть реализован как путем облучения рассеи-

вающего объекта короткими лазерными импульсами (τ 109–1011 с) и приема

=

уширенных импульсов рассеянного излучения — так называемый временной подход (time-domain), так и путем облучения модулированным по интенсивности светом на частотах в диапазоне 100 МГц — 10 ГГц и регистрации глубины модуляции интенсивности рассеянного излучения и соответствующего сдвига фазы на частотах модуляции — так называемый частотный (или фазовый) подход (frequency-domain). Возможна и комбинация, когда облучение импульсное, а прием частотный (или фазовый) с разложением по отдельным гармоникам модуляции интенсивности рассеянного поля. Фундаментальная основа режима с временным разрешением состоит

ввозбуждении в сильно рассеивающей среде спектра волн фотонной плотности, что может быть описано в рамках нестационарной теории переноса излучения (ТПИ),

вто время как режим непрерывного облучения описывается в рамках стационарной ТПИ [1–3, 13, 18, 30–32, 45, 91, 92, 96, 161–163].

Поскольку по многим причинам, как фундаментального характера, так и технического, фотомедицинские технологии используют лазерное излучение, то вопросы когерентности имеют важное значение при рассмотрении взаимодействия света с биотканью (рассеивающей средой). Эта проблема также может быть представлена, с одной стороны, как потеря когерентности за счет рассеяния света в случайно-не- однородной среде с многократным рассеянием, с другой стороны, как появление усиленной когерентной узконаправленной составляющей в обратно рассеянном излучении при зондировании биоткани лазерным импульсом сверхкороткой длительности [1, 3, 13, 19, 31, 64, 172, 173]. Узкая локализация обратно рассеянного света и его усиление обусловлено интерференцией рассеянного импульса со своим «двойником», возникающим при обратном ходе импульса в случайной среде.

Когерентность света оказывается принципиальной при селекции фотонов, не испытавших совсем или испытавших малое число актов рассеяния, а также при получении спекл-модулированных полей от рассеивающих фазовых объектов с однократным и многократным рассеянием [1, 3, 19, 174–176]. Такие подходы важны для когерентной томографии, фотон-корреляционной спектроскопии и спекл-интерферо- метрии биотканей и потоков биожидкостей [1, 3, 5, 13, 16, 18, 19, 21, 22, 27–34, 47, 78, 98, 101, 103–106, 111–121, 125, 128, 142, 156, 174–182]. Использование световых источников с малой длиной когерентности открывает новые возможности

вкогерентной интерферометрии и томографии биотканей и органов [1, 3, 13, 16, 19, 21, 29, 31–33, 47, 78, 101, 104, 106, 111–113, 116, 117, 120, 121, 125, 142, 183].

Хорошо известно, что свет ближнего инфракрасного (ИК) диапазона может проникать на несколько сантиметров в глубь биоткани, что связано с отсутствием

вживой биоткани сильных собственных хромофоров, поглощающих свет в этом диапазоне длин волн. Это очень важно для просвечивания объемных органов человека (мозг, молочная железа и пр.). Однако рассеяние ИК-излучения биотканями оказывается еще достаточно сильным, несмотря на падающую с длиной волны зависимость, что затрудняет получение четких изображений сильно поглощающих (или сильно