Принципы оптической диффузной спектроскопии и томографии

Подводя итог рассмотрению оптических свойств биотканей кратко остановимся на перспективных приложениях этих исследований, некоторые из которых уже упоминались выше. Итак, оптическая диагностика и мониторинг патологических или физиологических изменений биоткани, крови и других биологических жидкостей могут быть осуществлены спектроскопически (в данном случае спектрофотометрически). При этом возможно зондирование объекта на многих, или в крайнем случае на двух, длинах волн, для того, чтобы оказалось возможным зарегистрировать изменения в спектре поглощения исследуемого хромофора (гемоглобина, билирубина и пр.), появление или исчезновение линий поглощения веществ - продуктов метаболизма или химических препаратов (цитохром оксидаза, глюкоза, гематопорфирин и пр.). Важно, что для биологических объектов для правильной интерпретации результатов необходимо учесть (или исключить) влияние рассеяния света. In vivo регистрация спектров отражения в видимой или ближней ИК области спектра позволяет, например, осуществлять мониторинг кровенаполнения кожи человека или локализовать внутричерепную гематому.

С другой стороны сами спектры пропускания, а также поляризационные и угловые характеристики рассеяния дисперсных сред несут обширную информацию об их структуре, размерах и форме рассеивателей, что используется, например, для определения степени агрегации эритроцитов крови.

Методики измерений с разрешением во времени дают дополнительную возможность реализовать спектроскопические схемы для in vivo измерений как спектров поглощения (или мониторинга поглощения на отдельных длинах волн), так и спектров обратного рассеяния за счет временной или фазовой селекции рассеянных и не рассеянных фотонов. Такие методики успешно используются, например, для неинвазивного количественного определения степени оксигенации гемоглобина крови в ткани или черезкожного определения содержания глюкозы в крови.

Отметим, что длинноволновая видимая и ближняя ИК область спектра 750 - 850 нм оказывается предпочтительней в in vivo спектроскопии биотканей как с точки зрения возможности более глубокого зондирования ткани, так и в ряде случаев более простых алгоритмов решения обратной задачи. Эта же область длин волн оказывается предпочтительной в оптической диффузной томографии. Основная задача томографии состоит в локализации и получении двух- или трехмерных изображений макро-неоднородностей в биоткани (опухоли, гематомы и пр.). При этом в оптической томографии возможна как прямая, так и косвенная локализация опухоли. Прямая осуществляется за счет обнаружения локальных изменений оптических параметров самой ткани (поглощение и рассеяние), а косвенная за счет визуализации локальных метаболических процессов или скорости кровотока. Главным образом развиваются четыре направления оптической томографии основанные: 1) на регистрации прямо-прошедших фотонов с использованием импульсных источников света со сверхкороткой длительностью; 2) на регистрации волн фотонной плотности; 3) на использовании когерентных свойств излучения; 4) на принципах конфокальной микроскопии.

Показана необходимость углубленного изучения оптики биотканей с разнообразной структурной организацией. К настоящему времени распространение света в биотканях может быть описано достаточно полно, что позволяет надежно обосновывать выбранную стратегию оптической диагностики, терапевтического или хирургического воздействия.

Диффузные волны фотонной плотности, лежащие в основе модуляционных методов исследования рассеивающих сред, являются перспективным средством диффузно-волновой спектроскопии и томографии объемных биотканей.

Когерентные методы, основанные на эффектах дифракции и интерференции света, фазовой, конфокальной и голографической микроскопии имеют свои области приложений в медицине. Значительный интерес для изучения неоднородных биотканей представляют методы спекл-оптики и спекл-интерферометрии.