Расчет Передаточных Функций Многослойных Биотканей В Задачах Коррекции Их Спектров Флуоресценции

Abstract

Поступила в редакцию 16.05.2017 г. В окончательной редакции 08.09.2017 г. Разработан метод быстрого расчета потока вынужденной флуоресценции многослойной оптически плотной среды с неоднородным распределением в ней флуорофора. Световое поле в среде на длине волны возбуждения флуоресценции представлено суперпозицией падающего коллимированного, падающего диффузного и отраженного диффузного потоков. Для описания светового поля в среде на длине волны испускания флуоресценции используется двухпотоковое приближение. Потоки в соседних элементарных слоях среды и на ее поверхности связаны простыми матричными операторами, полученными сочетанием инженерных методов теории переноса излучения с приближением однократного рассеяния. Расчеты потоков флуоресценции четырехслойной биоткани, возбуждаемых и регистрируемых в диапазоне 400−800 nm, сопоставлены с результатами их моделирования методом Монте-Карло с расхождением на уровне 1%. Исследовано влияние среды распространения излучения на спектры флуоресценции 5-АЛК-индуцированного протопорфирина IX, регистрируемые с поверхности кожи человека, и предложена методика их коррекции на основе измерений и количественного анализа спектра диффузного отражения кожи. ВведениеМетоды флуоресцентного исследования биотканей, основанные на регистрации и анализе спектров флуо-ресценции эндогенных (естественных) и экзогенных (специально введенных) биомаркеров, широко исполь-зуются в современной медицине для неинвазивного вы-явления опухолей и уточнения их границ [1][2][3]. Имеется ряд доклинических и клинических данных, убедительно показывающих высокую эффективность использования природных флуорофоров биоткани (коллагена, эластина, NADH, флавинов, порфиринов и др.) для контроля мета-болической активности клеток, оценки степени ишемии ткани и ранней диагностики сахарного диабета [3][4][5]. Однако для разработки и использования в клиниче-ской практике объективных диагностических критериев, основанных на связи спектра флуоресценции биотка-ни с происходящими в ней деструктивными и иными процессами, необходимо иметь возможность извлечения из измеряемого спектра информации о концентрациях флуоресцирующих биомаркеров, чувствительных к этим процессам.Поскольку биоткани являются сильно мутными сре-дами, многократно рассеивающими и поглощающими как возбуждающее, так и флуоресцентное излучение, то результирующий спектр флуоресценции, измеряемый диагностическим прибором, может быть существенно искажен по форме и интенсивности в сравнении с фак-тическим спектром флуоресценции биомаркера внутри среды [3,6]. Под последним здесь и далее понимается произведение концентрации C f , коэффициента поглоще-Известен ряд методов компенсации эффектов погло-щения и рассеяния света в мутных средах при изме-рениях их сигналов флуоресценции. В эмпирических методах результат измерений представляется в виде сигнала флуоресценции F(λ ex , λ em ), нормированного на эмпирическую функцию отражательных способностей среды R (измеряемых при той же геометрии, что сиг-нал F) на длинах волн возбуждения λ ex и испуска-ния λ em флуоресц...