авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Эллипсометрическое исследование оптических свойств роговицы глаза

-- [ Страница 1 ] --

111На правах рукописи

ЩЁЛОКОВ Роман Викторович

Эллипсометрическое исследование оптических свойств роговицы глаза

01.04.03 – радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Волгоград – 2006

Работа выполнена на кафедре лазерной физики Волгоградского государственного университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Яцышен В.В.
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Нефедов Е.И.
доктор технических наук, профессор Руденок И.П.
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет»

Защита состоится 3 ноября 2006 года в 14.00, на заседании диссертационного совета К.212.029.03 по специальности 01.04.03 – радиофизика в Волгоградском государственном университете по адресу: 400062, Волгоград, пр. Университетский 100, актовый зал физического факультета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВолГУ.

Автореферат разослан ___ октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к. ф.-м. н., доцент Затрудина Р. Ш.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

На сегодняшний день современная медицина и биология в большом объеме используют новейшие достижения физики. Методы оптической обработки информации занимают одно из важных мест в развитии медицинской техники и средств для обеспечения медико-биологических исследований. К их числу можно отнести томографические, спектроскопические, голографические и многие другие способы диагностики и изучения биологических объектов.

Исследования сложных органических структур ведутся либо на макроуровне, когда используются методы упругого и квазиупругого рассеяния света, интерферометрии, дифрактометрии и голографии [Л1], либо на микроуровне, когда используются все средства молекулярной, линейной и нелинейной оптики [Л2,Л3].

Значительным звеном в изучении органических и биологических объектов также является теоретическое исследование воздействия электромагнитного излучения (ЭМИ) на них. Немаловажным моментом здесь является изучение взаимодействия ЭМИ с подобными объектами. В простейшем случае на макроуровне эту проблему можно свести к взаимодействию ЭМИ с комбинациями цилиндров, сфер и эллипсоидов [Л4]. Для более сложных сред требуется решение трудоемкой электродинамической задачи. Такого рода усложнения происходят вследствие того, что традиционные методы исследования для своего развития требуют построения более совершенных моделей тканей, учитывающих неоднородность, рассеяние, оптическую активность и другие их свойства [Л2,Л4]. А это, в свою очередь, делает необходимым совершенствовать методы решения обратных задач.



Появление мощного лазерного излучения открыло новые возможности в диагностике и исследовании процессов, проходящих в биотканях, и как следствие, породило множество вопросов в области нелинейного взаимодействия. Возникла необходимость более подробно исследовать взаимодействие мощного ЭМИ с органическими средами и построение более точных моделей их отклика.

Совершенствование компьютерной техники и теоретического моделирования биологических тканей и процессов потянуло за собой развитие методов измерения (повышение чувствительности, точности и локальности измерений и расширение возможностей их проведения). На этом фоне широкое распространение получил метод эллипсометрии [Л5]. Сущность его заключается в исследовании изменения состояния поляризации ЭМИ в результате его отражения или прохождения через изучаемый образец. Препятствием для эллипсометрии долгое время служили сложность и громоздкость математической обработки результатов. Развитие вычислительной техники дало возможность использовать эллипсометрию во многих областях (биология, медицина, химия, электроника и т.д.). Наряду с незначительными трудностями в интерпретации результатов эллипсометрический метод имеет ряд очень важных преимуществ.

Во-первых, очень высокая чувствительность к малейшим изменениям поляризации, что, в свою очередь, дает возможность определять незначительные флуктуации параметров в изучаемом образце. Во-вторых, это неразрушающий и невозмущающий характер эллипсометрических измерений, что делает их привлекательными для in situ и in vitro измерений. В-третьих, эллипсометрические измерения могут проводиться при большой вариации температур и давлений. В-четвертых, возможность использования эллипсометрии в сочетании со многими методами линейной и нелинейной оптики.

Подводя итог выше изложенного, можно сказать, что среди многих методов диагностики и исследования биологических и органических сред одним из наиболее перспективных является эллипсометрия. Она, в свою очередь, требует развития оптических моделей исследуемых объектов и процессов, отвечающих требованиям более простого решения обратной задачи. Возможность сочетания эллипсометрии и линейной и нелинейной оптики ставит перед нами проблему интерпретации данного эксперимента и открывает широкий потенциал для выявления новых закономерностей и расширения спектра использования эллипсометрии, чем и обусловлена актуальность темы.

Цель диссертационной работы

Построение оптических моделей линейной и нелинейной эллипсометрии многослойных рассеивающих сред типа роговицы глаза для проведения экспресс диагностики такого объекта.

Научная новизна работы

  1. Впервые получены оптические параметры модели роговицы глаза и выделений из пораженной герпесом ткани с учетом затухания (комплексные показатели преломления твердой фазы роговицы, эффективные комплексные показатели преломления для отдельных ее слоев и комплексный показатель преломления выделений из пораженной герпесом ткани).
  2. Впервые получены отражательные эллипсометрические параметры многослойной среды типа роговица глаза для различных концентраций твердой фазы в отдельных ее слоях и для случая поверхностного герпетического поражения.
  3. Впервые рассчитаны пропускательные эллипсометрические параметры и с учетом оптического вращения для органического соединения типа коллаген.
  4. Впервые рассчитаны спектры НПВО для случая поверхностного герпетического поражения роговицы при различных концентрациях вируса.
  5. Впервые рассчитаны эллипсометрические параметры для случая нелинейного взаимодействия ЭМИ с органическими соединениями типа коллагена.

Достоверность результатов

Достоверность основывается на строгих теоретических моделях взаимодействия электромагнитных волн с веществом. Достоверность полученных результатов также обусловлена использованием проверенных методов измерения и обработки экспериментальных данных, которые находят согласие с результатами, полученными другими авторами.

Практическая значимость работы

Полученные в диссертации результаты могут:

- составить базу для разработки оптических установок экспресс диагностики роговицы глаза и органических объектов;

- быть использованы для моделирования линейных и нелинейных оптических характеристик органических соединений типа коллагена, образующего значительную часть других живых тканей.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Предложенная оптическая модель роговицы глаза, представляющая собой трехслойную систему с заданными эффективными комплексными показателями преломления, адаптирована для задач эллипсометрии.
  2. Развит метод НПВО для диагностики поверхностных герпетических поражений.
  3. Оптическая модель органических соединений типа коллагена с учетом пространственной дисперсии (в линейном по волновому вектору приближении) для расчетов эллипсометрических параметров и .
  4. Предложенная нелинейная эллипсометрическая модель органического соединения типа коллагена позволяет учитывать межмолекулярные взаимодействия в ангармоническом приближении.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на I международной научно-технической конференции “Физика и технические приложения волновых процессов” (Самара, 2001 г.); X международной школе семинаре “Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот” (Москва, 2002 г.); VII межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2002 г.); VII региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2002 г.); международной конференции “Saratov fall meeting” (Саратов, 2003 г.); междисциплинарной (медицина, биология, физика, радиоэлектроника, химия, математика, информатика, педагогика…) конференции с международным участием “Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека” (“НБИТТ-21”) (Петрозаводск, 2003 г.); VIII межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2003 г.); II международной научно-технической конференции “Физика и технические приложения волновых процессов” (Самара, 2003 г.); IX межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2004 г.); III международной научно-технической конференции “Физика и технические приложения волновых процессов” (Волгоград, 2004 г.); конференции “ Лазеры. Измерения. Информация.” (Санкт-Петербург, 2004 г.); конференции “Лазеры для медицины, биологии и экологии” (Санкт-Петербург, 2005 г.); X региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2005 г.); конференции “Лазеры для медицины, биологии и экологии” (Санкт-Петербург, 2006 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 20 работ (2 статьи в рецензируемых журналах, 2 статьи в международных научных сборниках, 13 статей в сборниках тезисов докладов международных и общероссийских конференций и 3 статьи в сборниках тезисов докладов региональных конференций).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 3 приложений и списка литературы из 115 наименований, иллюстрирована 129 рисунками. Общий объем диссертации составляет 177 страниц текста, включая приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, ее новизна и практическая значимость, сформулирована цель работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены различные подходы по решению прямых и обратных задач эллипсометрии. Рассмотрено множество методов по исследованию жидких кристаллов и биологических объектов, например, метод иммерсионной пропускательной эллипсометрии, который позволяет определять с высокой точностью трехмерные индикатрисы показателя преломления тонких анизотропных пленок [Л6]. Так же здесь представлена историческая ремарка развития эллипсометрии как метода исследования в биомедицине [Л7].

Во второй части рассматриваются работы по исследованию сложных молекулярных комплексов методами комбинационного рассеяния, по расчетам оптической активности КР с использованием теории самосогласованного поля. Так же здесь рассматриваются работы по исследованию поляризационных особенностей генерации второй гармоники [Л8].

Во второй главе рассмотрено строение роговицы и с учетом ее особенностей построена адекватная модель, позволяющая использовать её для задач эллипсометрии [1 – 8, 14], в частности, для определения концентрации форменных элементов роговицы. Модель представляет собой трехслойную систему (рис. 1), эффективный показатель преломления описывается выражением (1) для первого и третьего слоя, которые имеют клеточную структуру, и (2) для второго слоя, который состоит из коллагеновых фибрилл, расположенных в базовом веществе [Л9].

Рис. 1. Модель роговицы глаза h1, h2, h3 – толщины слоёв, d4 – диаметр вирионов герпеса.
  1. Передний эпителий
  2. Боуменова оболочка и строма
  3. Десцеметова оболочка и эндотелий
  4. Вирионы герпеса
  5. Влага передней камеры глаза




, (1)
, (2)

где 1 и 2 – диэлектрические проницаемости жидкой и твердой фазы соответственно, а с – объемная концентрация твердой фазы.

На основе эксперимента определены значения эффективного показателя преломления для = 0,630 мкм [3, 14:

Первый слой – = 1,370 + i9,0110-5

Второй слой - = 1,366 + i4,7710-5

Третий слой - = 1,684 + i2,6710-5

С учетом этих результатов были рассчитаны эллипсометрические параметры для различных условий, таких как изменение концентрации эпителиальных клеток и коллагеновых волокон (рис. 2, 3) [4,5,7,8,14]. Данные изменения роговицы выбраны неслучайно, они характеризуют различные виды ее дистрофий.

Из полученных результатов (рис. 2-3) видно, что эллипсометрический метод обладает высокой чувствительностью к малейшим флуктуациям оптических параметров (ограничения накладываются возможностью эллипсометра), что является очень важным при диагностике состояния роговицы глаза. В свою очередь скорость снятия одного измерения может достигать микросекунд, что позволяет с помощью этого метода проследить динамику изменения оптических параметров представленной модели.

Рис.2. Зависимость эллипсометрического угла от угла падения (=0,63 мкм) при различных изменениях роговицы. Рис.3. Зависимость эллипсометрического угла от угла падения (=0,63 мкм) при различных изменениях роговицы.

Вместе с этим был рассмотрен случай герпетического поверхностного (эпителиального) поражения роговицы глаза (рис.1). Эффективный показатель преломления с учетом вируса рассчитывался выражением (1) [12, 15].

На основе эксперимента были получены оптические параметры выделений, содержащих вирионы из пораженной герпесом ткани (для = 0.63 мкм 4 = 1,415 + i3,5410-3) [12, 15]. С использованием полученных параметров рассчитаны зависимости эллипсометрических углов от угла падения и от концентрации вируса в ткани (рис.4 – 5). Из угловой зависимости установлено, что наиболее удобной областью углов падения для диагностики является 67о – 72о [12, 15].

Рис.4. Зависимость эллипсометрического угла от концентрации вируса ткани (=0,630 мкм) при разных углах падения. Рис.5. Зависимость эллипсометрического угла от концентрации вируса в ткани (=0,630 мкм) при разных углах падения.

Можно довольно точно определить стадию заболевания, сравнивая значения для нескольких углов (рис.4–5). Одновременно эллипсометрия позволяет проследить динамику заболевания, что облегчает выбор метода лечения.

В третьей главе рассмотрено строение и биологическое значение органических соединений типа коллагена. Рассчитана зависимость силы осциллятора от длины волны в приближении кластерной модели [Л10] как для отдельных аминокислот, так и для часто встречающихся триплетов тропоколлагена первого типа и поперечной сшивки, образованной из остатков лизина [18]. Установлено, что наибольший вклад в оптические характеристики желатина дают Ala, Arg, Asp, Glu, Gly, Hyp и Pro. Также рассмотрена оптическая активность и установлено, что наибольший вклад в оптическое вращение в видимой области дает пролин, а в УФ - аланин и глутаминовая кислота.

Для удельного оптического вращения используем [Л11]:

, (3)

где NA – число Авогадро; - частота падающего излучения; с – концентрация; M – молекулярная масса; - вращательная поляризуемость. Вращательная поляризуемость равна [Л12]

(4)

В общем случае вращательная поляризуемость является тензором, а для изотропного однородного вещества = 1/3Tr[ij] [Л11].

Для желатина с выше предложенным аминокислотным составом в отсутствие поперечных связей удельное вращение, рассчитанное по зависимости (3) в случае однородности и изотропности составило D(530нм)=-5,0290 [град/см], D(1060нм)=1,3288 [град/см]. Можно учитывать и влияние поперечной сшивки, для нее удельное вращение равно D(530нм)=-1,5296 [град/см], D(1060нм)= -0,3859 [град/см].

Для поляризуемости поглощающей среды используем [Л12]:

, (5)


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.