Физика/Применение физических методов медицине
Олар О.І.
Буковинський державний медичний
університет
ПОЛЯРИЗАЦІЙНА КОРЕЛОМЕТРІЯ
ФАЗОВИХ ТОМОГРАМ ОПТИЧНО-АНІЗОТРОПНИХ БІОФРАКТАЛІВ
Вступ. Використання лазерів в оптиці світлорозсіяння інтенсифікувало розвиток нового напрямку біомедичної оптики – оптики біоспеклів, яка заснована як на локальному, так і на інтегральному аналізі параметрів модуля амплітуди і фази випадкових полів лазерного випромінювання [1]. Тому доцільною є розробка нових підходів і способів аналізу стану поляризації об’єктних полів біофрактальних структур. В основу такого підходу покладена сукупність методів лазерної поляриметрії (ЛП), які об’єднують розвиток традиційних методів еліпсометрії і стоксполяриметрії з розробкою нових методів поляризаційної корелометрії когерентних зображень біофракталів [4].
Мета дослідження. Робота спрямована на дослідження можливостей кореляційної обробки поляризаційно відфільтрованих фазових зображень архітектоніки біотканин (фазових томограм – ФТ) у задачі доклінічної діагностики їх патологічних і дегенеративно-дистрофічних змін.
Матеріал і методи. В якості об’єкта дослідження були вибрані гістологічні зрізи хрящової тканини фізіологічно нормального суглоба щурів і хімічно стимульованим виникненням підгострого артриту [11]. Оптична товщина зразків підбиралась з умови t @ 0.1, що відповідає умові одноразового світлорозсіяння.
Поляризаційно відфільтроване зображення біотканини за допомогою об’єктиву проектується в площину CCD камери, яка дискретизує ФТ архітектоніки хрящової тканини з чутливістю по 250 рівням інтенсивності.
На
наступному етапі візуалізуються (у вигляді “темного” поля) рівні інтенсивності
ФТ, які відповідають флуктуаціям 
з точністю ~10-4 – 10-5 їх значення.
Результати дослідження та їх обговорення. Морфологічно хрящова тканина представляє високовпорядкований щільно упакований оптично анізотропний колагеновий матрикс [11]. Структура такої мультифрактальної сітки забезпечує необхідні фізіологічні функції (еластичність, пружність та ін.) хряща. Патологічні зміни структури хрящової тканини на ранніх етапах проявляються в дифузному зменшенні оптичної анізотропії з наступною деградацією колагену і формуванням системи мікротріщин, які клінічно діагностуються на етапі безповоротної втрати більше 20% загальної маси хряща.
З оптичної точки
зору процеси зародження патології сполучної тканини [8] супроводжуються
формуванням топологічно розподілених флуктуацій 
величини показника
двопроменезаломлення відносно середнього значення 
, обумовленого біохімічними властивостями колагену 
.
Для фізіологічно нормальної хрящової тканини характерний однорідний розподіл показника двопроменезаломлення Dn(X,Y) » const практично по всій площині зразка. Патологічні зміни супроводжуються виникненням напрямків деградації колагену мультифрактального матриксу, які характеризуються виникненням і розвитком системи поляризофот відповідної ФТ.
Кількісно такі
процеси ілюструють автокореляційні функції ФТ 
та їх спектральні густини SGG.
Метод
експериментального знаходження 
засновується на
визначенні коефіцієнта автокореляції парціальних компонентів розподілу інтенсивностей
ФТ - Y(X,Y) и T(X,Y),
які послідовно зміщуються в горизонтальному напрямку:
,
де 
- коваріантність двох масивів інтенсивностей ФТ, які
автокореляційно порівнюються; 
,
- дисперсії інтенсивностей ФТ:
,
,
,
,
.
Обрахована сукупність
коефіцієнтів кореляції для кожної вибірки масиву інтенсивностей ФТ по
горизонтальному і вертикальному напрямках аналізу утворює автокореляційну
функцію 
ФТ хрящової тканини.
Отримані дані вказують на те, що на всіх графіках автокореляційних функцій видно пік (на початку координат), який відповідає шуму, пов’язаному з випадковими флуктуаціями інтенсивностей ФТ хрящової тканини.
Кореляційна
структура ФТ фізіологічно нормального хряща не містить значно вираженої
флуктуаційної компоненти: залежності 
і SGG мають монотонно спадаючий
вигляд.
Формування патологічних змін хрящової тканини супроводжується виникненням флуктуацій на хвості АКФ і екстремумів квазілінійчастого спектру SGG ФТ мультифрактальної колагенової сітки.
В межах досліджених груп зразків практично відсутнє перекриття кореляційних параметрів ФТ архітектоніки біоткани, яка діагностується.
Висновок. Поляризаційна селекція інформації у випадкових лазерних полях, формування фазових томограм архітектоніки оптично анізотропних мультифрактальних сіток і їх кореляційна обробка перспективні в задачах ранньої діагностики фізіологічного стану біотканин і можуть бути викорстані у розробці нових поляризаційних систем оптичної когерентної томографії.
Література. 1. Гудмен Д. Статистическая оптика: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 528 с.
2. Angelsky O.V.,
Hanson S.G., Maksimyak P.P. Use of optical correlation techniques for
characterizing scattering objects and media. Bellingham, Washington USA: SPIE
press. 1999. 192 p. 3. Тучин В.В. // УФН. 1997. Т. 167, №5. С.517-539. 3.Tuchin V.V. //
Coherence-domain methods in biomedical science and clinical applications / Eds
V.V.Tuchin, H.Podbielska, B.Ovryn. Bellingham, Washington USA: SPIE press. 1997. V.2981. P.120-159. 4. Martellucci. S.,
Chester A.N. 1985. Laser Photobiology and Photomedicine, Plenum Press, New York
and London. 5. Ушенко А.Г. // Квантовая электроника. 1999.
Т.29, №3. С.1 – 7. 6. Ангельский О.В., Ушенко А.Г., Ермоленко С.Б., Бурковец
Д.Н., Пишак В.П., Ушенко Ю.А., Пишак О.В. // Опт. и спектр. 2000. Т.89, №5. С.
866-871. 8. Ангельский О.В., Ушенко А.Г., Архелюк А.Д., Ермоленко С.Б.,
Бурковец Д.Н., Ушенко Ю.А. // Опт. и спектр. 2000. Т.89, №6. С. 1050-1055. 9.
Mandelbrot B. The
Fracal Geometry of Nature. Freeman, New York. 1983. 412 p. 10. Angelsky
O., Ushenko A., Yermolenko S., Burkovets D., Pishak V., Ushenko Yu., Pishak O.
// Laser Physics. 2000. V.10, №5. P. 1136-1142. 11. Cheong W.F., Prahl S.A.,
Welch A.J. // Quant. Elec.
1990.V.26.P. 2166-2185.