Представлена теоретическая модель для изучения эффектов кислородонасыщения эритроцитов с помощью оптоакустических сигналов (ОАС). Разработана математическая модель распределения оксигенированных и дезоксигенированных эритроцитов с учетом гематокрита. Сигнал от моделей эритроцитов был рассчитан с использованием принципа суперпозиции для сигналов, излучаемых отдельными эритроцитами. Было замечено, что амплитуда ОА-сигнала возрастала по мере уменьшения кислородонасыщения для оптического излучения 700 нм. Однако для падающего светового пучка с длиной волны 1064 нм амплитуда сигнала ОАС увеличивалась с увеличением кислородонасыщения. Моделирование проводилось для последующей проверки полученных результатов с помощью экспериментальной лазерной установки LIMO 100-532/1064-U.
Целью исследования являлось разработать трехмерную модель формы здоровых эритроцитов и патологических стоматоцитов в плазме в интересах моделирования воздействия лазерного изучения на эритроцит и получения оптоакустического отклика от одиночных эритроцитов. Используя сферические гармоники для параметризации морфологии клеток для симметричных и несимметричных объектов в работе проведено моделирование форм здоровых эритроцитов – дискоцитов и патологических форм стоматоцитов. С помощью параметрической модели на примере трехмерных фигур эритроцитов проведено моделирование формируемых акустических сигналов от эритроцитов при оптоакустическом эффекте. Рассчитан акустический сигнал от моделей двояковогнутого эритроцита и стоматоцита для определения формы эритроцитов с помощью оптоакустического метода для лазера ND: YAG с длинной волны 1064 нм. Полученные сигналы имеют различные формы и длительности, что позволяет характеризовать формы источников акустических сигналов, формируемых в результате оптоакустического преобразования. Анализ теоретически полученных акустических сигналов позволяет сделать вывод о применимости регистрации форм эритроцитов с помощью оптоакустического метода.
В статье рассматривается влияние конструктивных элементов оправ ИК объектива, предназначенного для работы в диапазоне 8,5–12 мкм, на величину дополнительной (паразитной) облученности фоточувствительных элементов. Дополнительная облученность матричного фотоприёмного устройства (МФПУ) складывается из изучения от внешних источников, рассеянных на элементах объектива и собственного излучения оптической системы. Вклад каждой из составляющих зависит от внешних условий и характеристик оптической системы. Оптимизация оптических характеристик и формы оправ позволяет влиять на обе величины, что ведёт к возможности создания системы, обладающей минимальным паразитным потоком в требуемых условиях эксплуатации. Рассмотрена минимизация дополнительной (паразитной) облученности на примере систем двух типов: предназначенных для наблюдения удалённых объектов на фоне неба и на поверхности Земли.
Обоснование. Исследование материалов с помощью поляризованного излучения позволяет получать дополнительную информацию о свойствах материала благодаря векторному характеру электромагнитного поля. В этой связи наибольшее применение получил эллипсометрический метод анализа оптических свойств материалов. Использование света круговой поляризации несет дополнительную информацию из-за изменения эллипса поляризации при отражении.
Цель. В работе приводятся результаты расчетов частотных и угловых спектров эллипсометрических параметров отраженного света для полупроводникового кристалла CdS вблизи экситонного резонанса с учетом пространственной дисперсии.
Методы. Пространственная дисперсия приводит к возникновению дополнительных волн в среде, что требует использования дополнительных граничных условий для однозначного решения задачи об отражении света от такой среды. Из уравнений Максвелла выводится дисперсионное уравнение, которое в случае p-поляризованного излучения приводит к существованию трех волн, одна из которых - продольная. С учетом полной системы граничных условий проводится решение задачи об отражении и прохождении.
Результаты. Показано, что эллипсометрические параметры обладают высокой чувствительностью к характеристикам среды с пространственной дисперсией и могут служить для интерпретации экспериментальных данных. Найдено, что при отражении света круговой поляризации от среды с пространственной дисперсией характер эллипса поляризации может меняться от левой круговой до правой эллиптической поляризации, что может служить дополнительным источником информации о полупроводниковом кристалле вблизи экситонного резонанса.
Заключение. Использование эллипсометрического метода совместно с эллиптически поляризованным излучением дает возможность более детального изучения сред с пространственной дисперсией.
Исследован оптоакустический метод, имеющий высокое пространственное разрешение, для измерения концентрации глюкозы в крови. Оптоакустический эффект заключается в возбуждении акустических колебаний в жидкой среде в результате поглощения оптического излучения и локального термического нагрева среды. Проведены экспериментальные измерения в свиной крови при различных концентрациях глюкозы с использованием насоса для моделирования кровотока.
В настоящее время доступны только два инвазивных метода для измерения глюкозы в крови: первый, самый обычный метод требует забора образца крови, который затем транспортируется и анализируется в клинической лаборатории, нанесение крови на тест полоски глюкометра. Забор крови, особенно у детей, бывает сложным, кроме того, клинические исследования требуют времени. Следовательно, неинвазивный,
непрерывный мониторинг глюкозы оптоакустическим методом является перспективным.
Использование оптического контраста между различными частицами крови, позволяет использовать оптоакустический метод для визуализации распределения частиц крови (эритроцитов, с учетом кислородонасыщения), доставки лекарственных препаратов в органы по кровеносным сосудам. Разработан алгоритм вычисления ультразвукового поля, полученного в результате оптоакустического взаимодействия, для ускорения расчетов на плате GPU. Предложена архитектура быстрого восстановления оптоакустического сигнала на основе программирования графического процессора (GPU). Используемый алгоритм в сочетании с методом предварительной миграции обеспечивает улучшение разрешения и резкости оптоакустического изображения моделируемых биологических тканей. Благодаря усовершенствованной вычислительной архитектуре на графическом процессоре (GPU) время затратный процесс вычислений на главном процессоре (CPU) ускоряется с большой вычислительной эффективностью.
Оптоакустическая визуализация позволяет обнаруживать сформированные ультра-звуковые волны в исследуемой среде при поглощении импульсного лазерного излучения на основе оптоакустического эффекта. Этот метод объединяет достоинства спек-трального оптического контраста и масштабируемого акустического разрешения на глубине от миллиметра до сантиметра и постепенно становится практическим инструментом для многих биомедицинских приложений. Оптоакустическая визуализация – это гибридный неинвазивный метод. В последние годы восстановлению опто-акустических изображений уделяется большое внимание, в частности, разрабатываются различные методы реконструкции, такие как обратная проекция, реконструкция в частотной области, обращение времени и реконструкции на основе моделей. Хотя эти методы основаны на различных теориях распространения, они имеют относительно простые реализации при восстановлении изображений в однородных средах. Однако в случаях неоднородных слоистых сред, существующие модели распространения необходимо модифицировать для учета различных акустических эффектов на границе раздела слоев, что усложняет процесс реконструкции. Для устранения искажений, вызванных дифракцией акустических волн, при реконструкции изображений используется метод перемещения виртуального детектора. Предложенный метод можно использовать для получения изображений в слоистых неоднородных средах.
Для оптоакустического отклика проведены расчеты коэффициента поглощения биологической среды в зависимости от концентрации гемоглобина и сатурации крови. Приведенный метод позволит проведение диагностики состава крови на предмет количественной оценки содержания гемоглобина. Проводимые исследования позволили установить процесс увеличения коэффициента поглощения среды при увеличении концентрации глюкозы в крови и, как следствие, уменьшение амплитуды ОА сигнала. Рассчитана зависимость амплитуды ОА сигнала от коэффициента поглощения ткани при уровнях сатурации крови 60 %, 80 % и 90 %.
Оптоакустический метод диагностики биологических тканей можно использовать для определения концентрации гемоглобина, глюкозы, гематокрита, в силу того, что он имеет высокое пространственное разрешение. Проведены измерения акустического сигнала in vitro в свиной крови и модельных биологических жидкостях в присутствии полистирольных микросфер как моделей эритроцитов. С помощью приведенного метода (in vitro) измеряли локальное состояние крови в присутствии концентрации гепарина, а также в модельных биологических средах. Результаты согласуются с опубликованными работами в этой области. Несмотря на то, что пока метод не достаточно точен и требует дальнейшей оптимизации, калибровки, он имеет большие перспективы как легко реализуемый неивазивный метод измерения в реальном времени.
Проведено моделирование формирования оптоакустического сигнала при распространении в образце жидкости содержащей неоднородные слои. Слоистая структура представлена в виде n слоев в которых происходит формирование акустического сигнала в результате оптоакустического эффекта. Полученные значения акустических давлений в слоях на основе разработанной нейронной сети с глубоким обучением позволяют восстановить изображения ткани, в которой происходило оптоакустическое взаимодействие. Используемая нейронная сеть с глубоким обучением обладает уникальными преимуществами, которые могут облегчить клиническое применение оптоакустического метода, снизить время вычислений и адаптировать к любой конкретной задаче.