Обоснование медико-технических требований к источникам зондирующего излучения

При синтезе любой биотехнической системы важно соблюдение принципов сопряжения биологической и технической подсистем в единой функциональной системе, а именно принципа адекватности и принципа единства информационной среды.

152 предлагаемого диагностического устройства и оптических свойств биологического объекта.

Проведение данного анализа является важным этапом при формировании ме­дико-технических требований, предъявляемых к предлагаемому устройству диагно­стики, входящему в разработанную биотехническую систему. Кроме этого, выявле­ние типов кровеносных сосудов, участвующих в формировании ЛДФ- и ОТО-сигна- лов, представляется важным для правильной интерпретации получаемых данных и обоснования возможности применения предложенных диагностических критериев для выявления микроциркуляторных нарушений и сопутствующих им осложнений.

Для оценки глубины проникновения лазерного излучения проведено стохасти­ческое Монте-Карло (МК) моделирование с использованием объектно-ориентиро­ванной модели МК [202]. Применение данной модели позволяет представить и опи­сать фотоны и структурные компоненты ткани как независимые объекты, находящи­еся во взаимодействии друг с другом. Представление среды объектами (объект-фо­тон и объект-среда) даёт возможность проведения разработки реалистичных моде­лей ткани с трёхмерной вариацией биологических структур. При этом главная идея МК заключается в учёте явлений поглощения и рассеяния на всём оптическом пути движения фотона через непрозрачную среду.

Моделирование глубины проникновения излучения осуществлялось с приме­нением семислойной модели ткани, первоначально предложенной в работе [203]. В данной модели объект-среда представляется 7 слоями - роговым слоем, эпидерми­сом, папиллярной дермой, верхним сосудистым сплетением, ретикулярной дермой, нижним сосудистым сплетением и слоем подкожного жира. Основные параметры модели МК для данных слоёв представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Параметры модели МК [203]

При расчёте коэффициентов поглощения слоёв учитывались концентрация крови ^С в различных кровеносных сосудах, содержание воды С_oи меланина C_meι. Коэффициенты поглощения слоёв рассчитывались как:

1 S/l

Для расчёта коэффициентов рассеяния учитывалось рэлеевское рассеяние и рассеяние Ми:

Моделирование с применением метода Монте-Карло позволяет проводить подсчёт фотонов, проходящих через заданный объём биологической ткани, а также фотонов, детектируемых заданной геометрией приёмника.

155 детектора позволяет построить качественную оценку объёмного распределения ве­личины сигнал-шум по объёму моделируемой ткани.

На рисунке 4.3 представлен результат моделирования глубины проникнове­ния излучения в соответствии с описанными выше параметрами моделирования для длин волн 532 и 635 нм, применяемые в канале ОТО.

Рисунок 4.3 - Результаты моделирования глубины проникновения излучения для канала ОТО - 532 нм (а) и 635 нм (б)

В результате проведённого моделирования установлено, что в соответствии с заданной геометрией оптического волокна при зондировании биоткани длинами волн 532 нм и 635 нм глубина проникновения излучения составляет 500-550 мкм и 2250-2300 мкм соответственно. Полученное различие в глубинах проникновения излучения для данных длин волн объясняется высокими абсорбционными свой­ствами гемоглобина на длине волны 532 нм.

Результат моделирования для длины волны 1064 нм (канал ЛДФ) в соответ­ствии с заданной геометрией оптического волокна представлен на рисунке 4.4.

Как видно из данного рисунка, глубина проникновения излучения для канала ЛДФ составила 1500-1750 мкм. Таким образом, излучение в каналах ОТО и ЛДФ проникает в эпидермис, папиллярную дерму, частично захватывает верхнее сосу­дистое сплетение при длине волны 532 нм, а также проникает в более глубокие слои ретикулярной дермы при зондировании излучением 635 и 1064 нм.

156

Рисунок 4.4 - Результаты моделирования глубины проникновения излучения для канала ЛДФ - 1064 нм

Полученный результат моделирования подтверждает, что оптический зонд рассматриваемого устройства, реализующего методы ЛДФ и ОТО, чувствителен к изменениям параметров кровотока и её оксигенации на данных глубинах проник­новения излучения в биоткань.

Таким образом, по результатам моделирования применение источников из­лучения канала ОТО с длинами волн 532 и 635 нм, а также канала ЛДФ с длиной волны 1064 нм для заданных параметров оптического волокна является обоснован­ным для оценки параметров гемодинамики, динамики транспорта и величины са­турации крови кислородом сосудов папиллярной дермы, верхнего кровеносного сплетения и ретикулярной дермы, а значит, могут применяться в разработанном устройстве диагностики микроциркуляторных нарушений при РЗ.