Оглавление
Введение
Глава 1. Лазерная спекл-визуализация патологических сосудистых
состояний
1.1 Постановка задачи
1.2 Пространственно-временной спекл-контраст как мера скорости
движения крово- и лимфо- токов
1.3 Применение метода лазерной спекл-визуализации для прижизненной характеризации крово- и лимфо- токов в различных биологических тканях при патологических сосудистых состояниях
Глава 2. Теоретическая модель формирования сигнала лазерной спекл- визуализации в цифровом голографическом микроскопе с вне-осевой конфигурацией опорного поля
1.1 Постановка задачи
2.2 Принципы формирования сигнала в методе лазерной спекл- визуализации
2.2.1 Поперечное перемещение форменных элементов
2.2.2 Продольное перемещение форменных элементов
2.3 Формирование оптического изображения рассеивающего объекта в когерентном свете
2.3 Регистрация волнового фронта на матричный фотоприемник в голографическом микроскопе с вне-осевой конфигурацией опорного поля
2.3.1 Эффекты дискретизации и квантования при регистрации распределения интенсивности на матричный фотоприемник
2.4 Выводы
2
Глава 3. Метод количественной оценки средней скорости движения рассеивающих центров путем анализа временной динамики функции фазовой модуляции предметного волнового фронта
3.1 Постановка задачи
3.2 Численное моделирование сигнала лазерной спекл-визуализации от сосуда с параболическим распределением скоростей
3.3 Функция распределения разности фаз между двумя реализациями спекл- картины разделенных промежутком времени
3.4 Зависимость сигнала лазерной спекл-контрастной визуализации от фокусировки оптической системы
3.5 Выводы
Глава 4. Реализация голографического метода лазерной спекл-визуализации, апробация предложенного метода оценки направления и скорости на фантомных экспериментах и in vivo исследованиях церебрального кровотока у новорожденных гипертензивных крыс в условиях развития инсульта
4.1 Постановка задачи
4.2 Экспериментальная установка
4.3 Экспериментальное применение численной фокусировки в методе
лазерной спекл-визуализации при оценке функционального состояния церебральных сосудов
4.4 In vivo исследования церебрального кровотока методами голографической лазерной спекл-визуализации в условиях развития инсульта у гипертензивных крыс
4.5 Invivo исследования реакции церебрального кровотока методами голографической лазерной спекл-визуализации при нарушениях в функционировании гематоэнцефалического барьера
3

4.6 Детальное исследование микроциркуляционной компоненты скорости мозгового кровотока, в условиях открытия гематоэнцефалического барьера методами анализа затухания автокорреляционной функции комплексного сигнала лазерной спекл-визуализации
4.7 Выводы
Заключение
Список литературы
Приложение А

Во введении обосновывается актуальность исследований, проводимых в рамках данной диссертационной работы, приводится обзор научной литературы по изучаемой проблеме, формулируется цель, ставятся задачи работы, излагается научная новизна и практическая значимость представляемой работы.
Первая глава представляет собой обзор метода лазерной спекл- визуализации (ЛСВ), его математического аппарата, алгоритмов численной обработки сигнала ЛСВ и приложений к решению конкретных биомедицинских задач, включая визуализацию сосудистых сетей в условиях различных патологий.
Во второй главе рассмотрены аналитические выражения, которые описывают формирование сигнала ЛСВ.
В параграфе 2.2.1 при рассмотрении поперечного смещения форменных элементов крови и/или лимфы получено следующее аналитическое выражение:
Uk ,k ,0 k ,k ,zHk ,k ,zexp[i  k , k ,z]dz, (1)
ˆxyˆ 
xy xy mxxyy
где функция exp[− ( , , )] отражает количественные характеристики поперечного перемещения форменных элементов.
В параграфе 2.2.2 получено математическое выражение, которое отражает продольное смещение форменных элементов:
где kx
иky являются аргументами функцииexpikx x,ky y,z, задающей
Uk ,k ,0 k  ,k  ,zHk ,k ,zdz, (2)
ˆxyˆ 
xkykxy xy
дополнительные фазовые набеги, связанные с эффектом Доплера, который существенен в силу параллельности векторов скорости движения рассеивающих центров и направления распространения освещающего светового пучка.
Был рассмотрен процесс формирования и регистрации сигнала в интерференционном микроскопе в отраженном свете с вне-осевой конфигурацией опорного плеча (см. рисунок 1).
Рисунок 1 — Оптическая схема интерференционного микроскопа с вне-осевой конфигурацией опорного плеча. Детали конструкции системы освещения и опорного плеча опущены, так как не представляют особого интереса в рассмотрении.
Рисунок 2.7 — К пояснению автоматической фильтрации, выполняемой матричным фотоприемником с шагом над пространственным спектром распределения интенсивности в его плоскости.
Получено аналитическое выражение для расчета оптимального угла  между опорным и предметным каналом интерференционного микроскопа при заданных параметрах оптической системы и матричного фотоприемника:
 6F . (3) 62 2
Детально рассмотрен процесс регистрации сигнала ЛСВ в интерференционном микроскопе на матричный фотоприемник (см. рисунок 2),

показано влияние дискретизации и квантования на пространственный спектр цифровой голограммы (интерференционной картины).
Получено условие, при котором оптическая система с заданными параметрами числовой апертуры и увеличения передает максимально возможную пространственную частоту (минимально разрешимую деталь объекта исследования) без появления алиасинга (наложения высоких пространственных частот на низкочастотную часть спектра, вызванного дискретизацией сигнала ЛСВ матричным фотоприемником):
k0NA M1x. (4)
Третья глава посвящена численному моделированию сигнала ЛСВ, полученного в интерференционном микроскопе, согласно аналитическим выражениям, рассмотренным в рамках второй главы диссертационной работы.
Параметры оптической системы и системы регистрации изложены в таблице 1.
Таблица 1 — Характеристики оптической системы и системы регистрации изображения, использованные при численном моделировании
Числовая апертура 0.03 Увеличение 1
Длина волны излучения, мкм 0.6 Размер пикселя, мкм 1 Размер изображения, пикс 256х256 Диаметр сосуда, мкм 64 Объемная концентрация рассеивателей, % 10 Частота кадров, Гц 300
В рамках предложенной математической модели численно были получены распределения интенсивности в плоскости матричного фотоприемника, сформированные оптической системой при отражении плоской волны от тонкостенного сосуда с известной объемной концентрацией форменных элементов.
Выведенные в параграфе 3.2 аналитические выражения U1x,y,zтзф,t0u1x,y,zтзф,t0expi1x,y,zтзф,t0; (5)
U2x,y,zтзф,t0 tu2x,y,zтзф,t0 t expi1x,y,zтзф,t0ix,y,zтзф,t0 t.
(6)

отражают мгновенные реализации спекл-картин, отделенных малым интервалом времени t . Отношение данных комплексных амплитуд позволяет восстановить фазовую модуляцию, вызванную направленным перемещением форменных элементов крови и/или лимфы (эффект Доплера):
x, y, z 4V cos x, y, zT , (7) 
где  x, y, z – угол между вектором скорости движения форменных элементов и
направлением распространения светового пучка, T – период дискретизации (в случае использования матричного фотоприемника является величиной обратной частоте кадров), V – модуль вектора скорости движения рассеивающих центров,
 – длина волны источника излучения.
В параграфе 3.3 было рассмотрено наиболее часто встречающиеся
распределение скоростей движения форменных элементов крови и/или лимфы в поперечном сечении сосуда – параболическое (см. рисунок 3).
Рис. 3 — Параболическое распределение скорости движения рассеивающих центров в трех-мерном пространстве.
Согласно выражениям 5 и 6 было произведено численное моделирование мгновенных реализаций фазового профиля световой волны, отраженной от сосуда с заданным распределением скоростей движения форменных элементов, в разные моменты времени.
Отношение данных фазовых профилей позволяет восстановить искомую фазовую модуляцию вида 7. На рисунке 4 представлен результирующий фазовый

профиль от сосуда с параболическим распределением скоростей движения форменных элементов крови и/или лимфы в поперечном сечении. Положительная или отрицательная разность фаз свидетельствует о направлении движения форменных элементов, а значения фазы могут быть переведены в абсолютные значения скорости, согласно уравнению 7.
Рис. 4 — Разница в фазе между двумя комплексными амплитудами волнового фронта, зарегистрированными в разные моменты времени. Прямоугольником отмечены границы сосуда.
В параграфе 3.4 был рассмотрен эффект фокусировки оптической системы на значения пространственного спекл-контраста. Возможность восстановления комплексной амплитуды волнового фронта позволяет производить численную фокусировку оптической системы после записи цифровой голограммы. Результаты исследования показали, что при существенных значение де- фокусировки оптической системы происходит более быстрое затухание сигнала пространственного спекл-контраста с повышением выдержки фоточувствительного элемента, что негативно сказывается на работе метода, снижая его динамический диапазон измерений (см. рисунок 5).

Рисунок 3.16 — Зависимость пространственного спекл-контраста от времени для различных значений расфокусировки оптической системы и фиксированной скорости движения форменных элементов. Отчетливо наблюдается усиление затухания спекл-контраста с нарастанием значения расфокусировки.
В четвертой главе проведена сборка экспериментальной системы голографической лазерной спекл-визуализации, ее калибровка, проведена апробация in vivo, а также были выполнены исследования по изучению мозгового кровотока у новорожденных крыс в условиях раннего развития стресс- индуцированного инсульта.
Оптическая схема экспериментальной установки приведена на рисунке 6.
На рисунке 7 представлены типичные двумерные карты распределений скоростей кровотока, полученные путем анализа функции фазовой модуляции предметного волнового фронта, отраженного корой головного мозга крысы в нормальном состоянии (контроль), а также спустя 4 и 24 часа после отмены стрессорного воздействия. Анализу подвергался сагиттальный синус, который является мажоритарной веной, собирающей в себя большие объемы крови и перенаправляющей их в периферийную циркуляцию.
Были выявлены динамики скорости кровотока и диаметра сагиттальной вены в первые 24 часа развития стресс-индуцированного инсульта. Несмотря на то, что в первые 4 часа (стадия молчания) не было зарегистрировано никаких визуальных признаков наличия инсульта у новорожденных крыс (расстройство поведения, дезориентация), анализ гемодинамики показал расширение сагиттального синуса и резкое падение скорости кровотока, аналогичная негативная динамика наблюдалась и на 24 час.
Отчетливо наблюдается падение средней скорости движения эритроцитов в ≈ 1.7 и ≈ 2.3 раза, а также увеличение диаметра сагиттального синуса на ≈ 13% и ≈ 20% в стрессорных группах 1 и 2 (4 и 24 часа после отмены стрессорного воздействия соответственно).
Таким образом, результаты, полученные при помощи предложенного метода голографической лазерной спекл-визуализации показывают, что снижение

церебрального артериального и венозного кровотока связано с тяжестью повреждающего эффекта стресса на гемодинамику головного мозга. Ранняя стадия интракраниальной геморрагии характеризуется уменьшением венозного оттока из полости черепа без каких-либо изменений в кровотоке мозговых артерий. Прогрессирование венозной недостаточности у крыс с интракраниальной геморрагией провоцирует вторичные патологические изменения в церебральном артериальном кровообращении через снижение артериального кровотока и последующее развитие церебральной гипотензии. Эти факты позволяют предположить, что стресс-индуцированные изменения в церебральном венозном кровообращении являются более показательными компонентами мозговой гемодинамики (скорости) для диагностики риска развития интракраниальной геморрагии, чем изменения в мозговом артериальном кровотоке.
Рис. 6 — Оптическая схема интерференционного микроскопа на отражение, где А – плоскость объекта, О – объектив, АД – апертурная диафрагма (в данном случае встроенная в объектив), АН – анализатор, ТЛ – тубусная линза, ДК – делительный кубик, Б – плоскость матричного фотоприемника, В1 и В2 – выходные торцы волоконного делителя, К1 и К2 – коллимационные линзы, З – зеркало, П1 и П2 – сборка поляризаторов.

Рис. 7 — Типичные двумерные карты распределения скоростей движения форменных элементов крови в коре головного мозга крысы при нормальном и патологическом состоянии (4 и 24 часа после отмены стрессорного воздействия).
В параграфе 4.5 проведены исследования микроцикруляционного русла церебрального кровотока в условиях нарушения проницаемости ГЭБ. Результаты показали незначительные изменения (спустя 24 часа) микрогемодинамики на фоне прогрессировавшей патологии (см. рисунок 8).
Рис. 8 — Нормированные венозная и микроциркуляционная составляющие мозгового кровообращения в первые 24 часа после акустического открытия гематоэнцефалического барьера. Отчетливо наблюдается негативная динамика в венозной компоненте скорости мозгового кровотока, выраженная в существенном падении скорости в сагиттальном синусе по прошествии 90 минут после отмены звукового воздействия, по отношению к контрольной группе животных. Микроциркуляционное русло – оптически неразрешимые сосуды, при интегральной оценке скорости кровотока показывает незначительное снижения показателя на ≈ 30% от контрольного значения в первые 24 часа.

Одной из причин данного эффекта может быть компенсаторный механизм, включающий в себя перераспределение потоков крови в мозговых венах для поддержания жизнедеятельности организма в условиях резкоразвивающейся патологии.
В параграфе 4.6 было проведено детальное исследования микроциркуляционной динамики методами анализа затухания автокорреляционной функции комплексной амплитуды предметного волнового фронта (см. рисунок 9).
Рис. 9 — Нормированные значения функций автокорреляции комплексной амплитуды сигнала лазерной спекл-визуализации, полученного при анализе микроциркуляционной составляющей церебрального кровотока в первые 24 часа после открытия гематоэнцефалического барьера.
Как видно из рисунка разница во времени декорелляции комплексной амплитуды сигнала лазерной спекл-визуализации в контрольной группе и спустя 4 часа после открытия гематоэнцефалического барьера минимальна, а ее значение для обоих групп составляет порядка 2.5 мс, в то время как по прошествии 24 часов время декорреляции составляет ≈ 3.5 мс, что свидетельствует снижении микроциркуляционной компоненты скорости мозгового кровообращения на ≈ 30%, что согласуется с данными, полученными при анализе свойств двумерной функции фазовой модуляции комплексного сигнала лазерной спекл-визуализации.
В заключении приведены основные результаты работы, которые заключаются в следующем:
1. Была разработана простая и сравнительно общая модель формирования сигнала в методе лазерной спекл-визуализации, учитывающая как объемную концентрацию элементарных рассеивателей, их пространственную локализацию, так и профиль скорости движения, способная описывать известные явления, как трансляция или «кипение» спеклов, так и предсказать новый методы анализа экспериментальных

данных, основанный на численном анализе двумерной функции фазовой
модуляции предметного волнового фронта.
2. В методологию лазерной спекл-визуализации введено понятие двумерной
функции фазовой модуляции, аналитически продемонстрированн ее связь с динамическими параметрами исследуемого объекта, такими как скорость движения рассеивающих центров и их направление.
3. Согласно предложным математическим выражениям проведено численное моделирование сигнала лазерной спекл-визуализации, зарегистрированного в интерференционном микроскопе с вне-осевой конфигурацией опорного поля. Численное моделирование производилось без учета аберраций оптической системы, однако, учитывалось пространственное распределение рассеивающих центров, их концентрация, а также распределение скоростей их движения в поперечном сечении сосуда. Процесс регистрации интерференционной картины был выполнен с учетом эффектов, вызванных конечным размером пикселя фоточувствительной матрицы, а также ограниченной апертуры объектива. Эффект числовой апертуры освещения на результирующее распределение интенсивности в интерференционной картине не рассматривался в данной работе, в связи с тем, что освещение объекта производилось плоской монохроматической волной, падающей на поверхность объекта под малыми углами, исходя из чего, эффектами апертуры освещения можно пренебречь и положить ее (апертуру освещения) равной нулю. Несмотря на такое количество приближений, теоретическая модель, предложенная в главе 2, с достаточной степенью точности описывает динамику субъективной спекл-картины, сформированной динамическим объектом, а также позволяет выявить свойства функции фазовой модуляции волнового фронта и их связь с количественной характеризацией кровотока.
4. Показана возможность предложенного метода, а именно, анализа двумерной функции фазовой модуляции к предоставлению информации о скорости и направления движения рассеивающих центров при соблюдении условия достаточной частоты временной дискретизации мгновенных реализаций спекл-модулированных интерференционных картин.
5. Для экспериментальной проверки выдвинутых предположений и результатов численного моделирования был собран интерференционный микроскоп Маха-Цендера в отраженном свете и вне-осевой конфигурацией опорного плеча, проведены исследования динамического фантома сосуда, подтверждена возможность использования функции двумерной фазовой модуляции волнового фронта для предоставления информации и скорости и направления движения рассеивающих центров.
6. Invivo подтверждена возможность использования численной фокусировки в методе лазерной спекл-визуализации для коррекции положения наилучшего фокуса при визуализации динамических

объектов, или объектов, имеющих существенную кривизну поверхности в пределах поля зрения установки. Показана зависимость сигнала лазерной спекл-контрастной визуализации от величины расфокусировки оптической системы, формирующей изображение, а также ее связь с функцией фазовой модуляции в поперечном сечении сосуда, вызванная эффектом Доплера.
7. Проведены invivo исследования кровотока коры головного мозга новорожденной крысы в условиях развития стресс-индуцированного инсульта предложенным голографическим методом лазерной спекл- визуализации. Показана высокая чувствительность фазового метода к визуализации сосудов, превосходящая таковую у методов, основанных на анализе пространственно-временных свойств распределения интенсивности спекл-картины.
8. Показано, что в латентный период протекания стресс-индуцированного неонатального инсульта существенно изменяется венозная гемодинамика, в то время как артериальное и микро-цикруляционное русло сохраняют свою нормальную функциональную активность. В последующие 24 часа после моделирования инсульта сохраняется негативная тенденция к деградации венозного кровообращения, на фоне которого происходят патологические процессы снижения артериального кровотока в микроциркуляционном русле.
9. Исследования прижизненной гемодинамики у новорожденных крыс в условиях развития неонатального инсульта показали, что изменение венозного кровотока на ранней стадии развития патологии является важным и ключевым фактором, который необходимо учитывать при дальнейшем, детальном анализе физиологических механизмов, лежащих в основе формирования и скрытого протекания неонатального инсульта, а также разработке превентивных мер для исключения стресс- индуцированных внутричерепных геморрагий в первые дни жизни новорожденных, которые могут приводить к локальной гипоксии и серьезным когнитивным растройствам.
10. Исследования мозговой гемодинамики в условиях абнормальной работы гематоэнцефалического барьера показали существенное падение венозной составляющей мозгового кровотока в первые 24 часа после нарушения ГЭБ (в 2 раза в сравнении с показателями контрольной группы). Микроциркуляционная компонента скорости продемонстрировала незначительное снижения кровотока (≈ 30% в сравнении с контрольной группой). Скрытые механизмы, лежащие в основе таких патологических нарушений мозгового кровообращения в условиях повреждения ГЭБа до конца не изучены и являются предметом споров и активных научных исследований в настоящее время.

В заключении автор выражает благодарность и большую признательность научному руководителю Тучину В. В. за помощь в постановке задачи, обсуждении результатов и научное руководство. Также автор благодарит Семячкину-Глушковскую О. В. и Синдееву О. А. за помощь в работе с образцами и фантомами, а также научных коллег Гришина О. В., Намыкина А. А. и Дъяченко А. А. за конструктивную критику отдельных пунктов работы.

Современная биофизика, в частности ее методы и объекты исследования, должны отвечать социально-значимым проблемам, возникающим в современном обществе.
Неонатальный инсульт является одной из самых распространенных причин смерти у новорожденных (смертность 25%). [1]. В последние годы статистика показывает, что в 95% случаев инсульт случается у людей старше 45 лет и более 50% приходится на людей в возрасте свыше 65 лет [2]. Однако, в силу развития современных методик ранней диагностики и визуализации, стало очевидно, что инсульту подвержены и новорожденные, причем процент встречаемости схож с таковым у взрослых. [3—5].
Неонатальному инсульту, в среднем, подвержен каждый тысячный новорожденный ребенок [4; 6], причем, согласно статистике, заболеваемость среди недоношенных младенцев (то есть детей, родившихся раньше положенного срока и с дефицитом массы тела (до 1500 грамм)), снизилась на 45% [7]. Однако истинная картина остается неясной в силу того, что неонатальный инсульт чаще всего протекает без какой-либо внешней симптоматики или неврологических признаков [4; 8; 9].
Долгосрочные клинические наблюдения, проводившиеся за диагностированными младенцами, говорят о том, что у таких детей в 50% случаях наблюдаются серьезные когнитивные расстройства, а 75% таких детей требуют особого ухода и инклюзивного подхода в школах [10—13].
Неонатальный инсульт у новорожденных в 50% случаях геморрагический, то есть характеризующийся разрывами кровеносных сосудов и выбросом объема крови во внутричерепное пространство. Основным фактором развития неонатального геморрагического инсульта (НГИ) принято считать стресс, который испытывают новорожденные дети при процессе рождения и адаптации к новому, окружающему их миру. Первые три для после родов являются самыми опасными, так как по статистике до 50% смертей новорожденных случаются именно в этот период [14; 15].
Таким образом, неонатальный инсульт является одной из основных проблем здоровья будущих поколений, в связи с высоким уровнем смертности и тяжестью когнитивных расстройств.
Наличие гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) существенно осложняет адресную доставку действующих фармакологических веществ для терапии и снижения тяжести последствий нарушения мозгового кровообращения. ГЭБ является в высокой степени селективной преградой, которая контролирует прохождение передаваемых через кровоснабжение веществ, тем самым защищая мозговые ткани от патогенов. В начале 40-ых годов 20-ого столетия исследования, выполненные ex vivo с использованием красителей прижизненного окрашивания, которые проникают через ГЭБ, показали, что с анатомической точки зрения ГЭБ образован эндотелиальными клетками стенок капилляров, кончиками астроцитов, покрывающими капилляр, и перицитами, встроенными в базальную мембрану капилляров. ГЭБ позволяет проходить некоторым молекулам путем пассивной диффузии, а также избирательно и активно переносить различные питательные вещества, ионы, органические анионы и макромолекулы, такие как глюкоза, вода и аминокислоты, которые имеют решающее значение для нормального функционирования нейронов. Эта проблема была хорошо изучена Броманом [16] и Фридменом [17], а результаты были подтверждены современными исследованиями [18].
Контроль функционирования ГЭБ полностью осуществляется мозговым кровообращением, в частности астроциты обеспечивают клеточную связь между нейронными цепями и кровеносными сосудами. Это нервно-сосудистое соединение позволяет астроцитам передавать сигналы, которые регулируют кровоток в ответ на нейронную активность. Это включает регулирование сокращения/расширения гладкомышечных клеток сосудов, окружающих артериолы, а также перицитов, окружающих капилляры. Абсолютные величины скорости кровотока в паренхиме, в месте локализации гематоэнцефалического барьера, превышают более чем в 100 раз аналогичные показатели в хороидном сплетении, где локализуется хороидный проницаемый барьер [19]. Таким образом, высокие показатели церебрального кровообращения связаны с необходимостью постоянного контроля нормального функционирования ГЭБ. Церебральная циркуляция поддерживает стабильное и уникальное внеклеточное пространство в пределах нейро-сосудистого узла. Клинические и лабораторные исследования позволяют выдвинуть гипотезу о нарушении функций ГЭБ в присутствии патологических сосудистых состояний головного мозга, таких как ишемия, инсульт, рак, различного рода механические травмы, напрямую вызывающие сбои в функционировании нейро-сосудистых узлов, а также длительные нарушения активности нейронов [20—24].
Несмотря на все больший объем доказательств существенного влияния мозгового кровообращения на нормальное функционирование ГЭБ, имеет место ограниченный набор данных и исследований, затрагивающих тематику изменения мозгового кровообращения в условиях абнормального функционирования ГЭБ.
На сегодняшний день золотыми стандартами для структурных и функциональных оценок кровеносных сосудов являются методики ультразвуковой диагностики (УЗИ), магнитно-резонансной (МРТ) и позитронно- эмиссионной (ПЭТ) томографий. Несмотря на широкую распространенность данных методик они не лишены недостатков, к которым можно отнести недостаточное пространственное и временное разрешение для визуализации капиллярных сетей, существенная дороговизна оборудования и расходных материалов, использование радиоактивных элементов (ПЭТ). Оптические методики, такие как оптическая когерентная томография, лазерная спекл-контрастная визуализация, также их модификации и комбинации, позволяющие оценивать как различные параметры кровотока, так и уровень оксигенации участка ткани превосходят вышеуказанные методы как в пространственном, так и во временном разрешении, что дает существенное преимущество в не инвазивной структурной и функциональной визуализации капиллярных сосудистых сетей.
Развитие и оптимизация методик лазерной спекл-визуализации для исследования механизмов, лежащих в основе скрытого протекания неонатального инсульта, процессов, приведших к патологическому состоянию, а также оценка изменений мозгового кровообращения на фоне нарушений в работе ГЭБ является актуальной и абсолютно необходимой задачей современной биофизики и оптики.
Работа методов лазерной спекл-визуализации основана на анализе вариабельных во времени и пространстве спекл-структур, зарегистрированных на матричном фотоприемнике с конечным временем экспозиции [25; 26].
При взаимодействии высоко-когерентного лазерного излучения с объектом, имеющим статические или динамические микро-неоднородности, его изображение, сформированное оптической системой, будет иметь пространственно-временную модуляцию – спеклы (англ. speckles). Спекл- структуры, сформированные оптической системой, принято называть субъективными, так как их размерные характеристики определяются параметрами оптической системы (длиной волны излучения, числовой апертурой и увеличением).
По методу регистрации и алгоритмам обработки экспериментальных данных лазерная спекл-визуализация делится на два типа: пространственная и временная, первая из которых заключается в регистрации субъективных спекл-структур на матричном фотоприемнике со временем экспозиции много большим, чем период временной модуляции интенсивности спекл-картин [27—33]. Это характерное время принято называть временем декорреляции спекл-структуры, то есть время, за которое одна спекл-структура сменится другой, статистически независимой, в силу локальных изменений рассеивающих свойств объекта. При таком режиме за время экспозиции происходит усреднение большого числа мгновенных реализаций спекл-картин, что приводит к их локальному «размытию» в местах наличия динамических рассеивателей, например, форменных элементов крови или лимфы. Такой эффект принято называть локальным снижением спекл- контраста. Численный анализ его пространственного распределения позволяет получать информацию о скорости движения крово- или лимфо-тока. Второй способ регистрации оперирует временами экспозиции существенно меньшими, в сравнении со временем декорреляции, что приводит к регистрации спекл- структур свободных от локального «размытия». Численная обработка происходит путем анализа временной динамики интенсивности спекл-структур в каждом пикселе изображения [34—40]. Такой подход схож по своей сути с Доплеровскими методиками измерения скорости частиц в потоке [41].
Лазерная спекл-визуализация (ЛСВ) обладает рядом особенностей: простота аппаратной части, полнопольный характер измерений, тривиальные алгоритмы обработки экспериментальных данных. Данные качества делают методику ЛСВ идеально подходящей для прижизненной характеризации динамических биологических систем (скорости крово- или лимфо-тока) [27; 29; 34; 35; 42—56]. Однако, данный метод не лишен недостатков, к которым можно отнести поверхностный характер измерений, из-за сравнительно небольшой глубины проникновения фотонов в биоткань, отсутствие селекции сигнала по глубине объекта, нетривиальная интерпретация измеряемых параметров, а именно, переход от качественных к количественным оценкам скорости, связанная с существенной зависимостью сигнала ЛСВ от внешних факторов, продиктованных экспериментальными условиями [57].
Наибольшую сложность для анализа представляет сигнал ЛСВ,
сформированный многократно рассеянным светом [58], то есть несущим в себе 9

информацию об относительной скорости движения центров рассеяния, например, форменных элементов крови или лимфы, а не о средней, направленной скорости движения всего потока. Данная ситуация возникает особенно часто при визуализации относительно крупных сосудов с большой концентрацией форменных элементов. Основным методом устранения влияния многократного рассеяния на сигнал ЛСВ является использование в высокой степени поляризованных источников излучения и анализатора в системе формирования изображения, ось которого установлена параллельно направлению поляризации источника.
Стоит отметить, что перспективным является применение различных просветляющих агентов [59—61] для увеличения глубины проникновения света в биоткань, а также для снижения влияния рассеяния от вышележащих слоев на сигнал от сосуда, что актуально, например, для кожи или интактного черепа. При визуализации относительно прозрачных сред с высоким пространственным разрешением возникает проблема затухания сигнала ЛСВ, вызванная малой глубиной резко-изображаемого пространства объектива, а не рассеивающими/поглощающими свойствами объекта. При таких условиях наблюдения необходимо производить фокусировку оптической системы на различные глубины объекта, которая выполняется специализированными механическими или пьезоэлектрическими устройствами, ограничивающими скорость работы и ведущими к существенному удорожанию комплекса ЛСВ. В данном контексте уместно применять технологию голографической регистрации сигнала, позволяющую в численном виде восстановить амплитуду и фазу волнового фронта, сформированного при отражении света от объекта исследования, что в свою очередь позволяет производить численную фокусировку волнового фронта, а также коррекцию некоторых аберраций.
Наряду с этим, в решении биофизических задач необходимо анализировать большие объемы данных, представляющие собой набор измерений для различных групп животных, патологий и др., что делает целесообразным оптимизацию алгоритмов записи и обработки изображений, а также методов автоматического анализа получаемых результатов.
Разработка новых методов регистрации изображений в системе ЛСВ, основанных на принципах цифровой голографической микроскопии, а также оптимизация алгоритмов обработки и анализа сигнала ЛСВ являются темой данного исследования.
Актуальность темы исследования обусловлена большой практической значимостью и востребованностью оптических методов, предоставляющих новые возможности визуализации при оценке функционального состояния сосудов в условиях различных патологий, в частности при неонатальном инсульте и его ранней диагностике.
Степень разработанности темы исследования. На момент написания диссертации существовало большое количество работ, посвященных как теоретическим исследованиям формирования сигнала в методе ЛСВ [25; 57; 62— 66], так и практическим аспектам применения метода ЛСВ для прижизненной характеризации функционального состояния сосудов в условиях патологических состояний [29; 67—72], проблемам фокусировки [73—75] и статистической обработки сигнала [76—80]. Это создает базу для дальнейших глубоких и полных методологических исследований новых подходов к регистрации сигнала ЛСВ и его анализа.
Целью данной работы является развитие и разработка новых методологических основ лазерной спекл-визуализации, в том числе основанных на принципах цифровой голографической регистрации и специальной статистической обработки сигнала от сосудов с произвольным профилем скорости и концентрацией форменных элементов крови или лимфы.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: 1. Разработка теоретической модели формирования сигнала ЛСВ, позволяющей производить анализ формирования субъективной спекл- картины от сосуда с произвольным профилем скорости и концентрацией форменных элементов крови или лимфы.
2. Исследовать зависимость двумерной функции фазовой модуляции предметного волнового фронта, восстановленной из комплексного сигнала ЛСВ от профиля скорости и концентрации форменных элементов.
3. Установить возможность вычисления средней скорости движения рассеивающих центров и направления их движения по статистическим свойствам двумерной функции фазовой модуляции предметного волнового фронта.
4. Экспериментально подтвердить правильность теоретических выводов и работоспособность предложенной модернизации метода ЛСВ на фантомных экспериментах.
5. Провести iv vivo исследования кровотока в условиях развития патологического сосудистого состояния — инсульта, для валидации предложенного метода, к предоставлению новой диагностической и экспериментальной информации о скрытых механизмах формирования и протекания неонатального инсульта.
Научная новизна:
1. Предложена новая, упрощенная модель формирования субъективной спекл-структуры от сосуда, учитывающая профиль скорости движения форменных элементов крови или лимфы, их концентрацию и пространственное распределение.
2. Впервые представлен новый метод анализа средней скорости движения рассеивающих центов в методе ЛСВ, основанный на анализе двумерной функции фазовой модуляции волнового фронта, сформированного при отражении света от объекта исследования. 3. С использованием предложенного метода впервые экспериментально была показана возможность восстановления средней скорости движения форменных элементов крови, а также направления потока в методе ЛСВ.
4. Проведены in vivo экспериментальные исследования по визуализации микрососудистой системы коры головного мозга крысы в условиях развития стресс-индуцированного инсульта предложенным методом цифровой голографической лазерной спекл-визуализации.
Практическая значимость. Предложенная теоретическая модель, описывающая формирование сигнала ЛСВ при произвольных параметрах профиля распределения скорости по сечению сосуда, а также концентрации движущихся форменных элементов крови, является в достаточной степени простым и ясным инструментом для анализа динамических характеристик спекл- структур.
С помощью предложенной модели был продемонстрирован новый способ оценки скорости движения форменных элементов, основанный на анализе двумерной функции фазовой модуляции предметного волнового фронта, а не на оценке пространственного или временного спекл-контраста, позволяющий получать количественные данные о скорости и направлении движения форменных элементов крови или лимфы.
Математические выражения, полученные на основе данной модели, позволяют производить количественный анализ средней скорости движения рассеивателей (при известном угле освещающего пучка) и направления их движения.
Предложена цифровая голографическая схема регистрации спекл-структур, позволяющая восстанавливать комплексную амплитуду волнового фронта предметного канала, с использованием минимального набора опто-механических элементов, которая, в силу своей компактности и модальности, может быть интегрирована в уже существующие биомедицинские микроскопы общего назначения для расширения их функциональных возможностей, или использоваться как портативный, самодостаточный измерительный комплекс.
Предложенным методом было проведено исследование гемодинамики у новорожденных крыс в условиях развития стресс-индуцированного инсульта, выявлены существенные изменения в венозном кровотоке на ранних стадиях развития патологии.
Методология и методы исследования. Для построения теоретической модели использовались положения Фурье-оптики и представление углового спектра волнового фронта. Для исследования методов голографической ЛСВ использовались математические выражения, полученные в рамках предлагаемой теории, согласно которым производилось численное моделирование.
Для проверки правильности предложенной теоретической модели формирования сигнала в методе ЛСВ, сделанных выводов и предложенных методов, проводились исследования на фантомах и мелких животных in vivo.
In vivo исследования проводились на трех группах новорожденных крыс. Контрольная (n=10), пред-инсультная (n=15), пост-инсультная (n=12). Инсульт у лабораторных крыс моделировался путем применения запатентованной методики звукового воздействия высокой интенсивности. Все манипуляции, осуществляемые над животными, были выполнены в рамках протокола этической комиссии о гуманном использовании лабораторных животных [81]. Экспериментальный протокол был одобрен этической комиссией по использованию лабораторных животных СГУ имени Н. Г. Чернышевского (протоколы No 1,8,11 и 12 от 07.02.2017 года). Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Теоретическая модель формирования аналитического сигнала лазерной спекл-визуализации, учитывающая объемную концентрацию и произвольный профиль скорости движения форменных элементов крови.
2. Метод цифровой голографической лазерной спекл-визуализации для
in vivo исследований церебрального кровотока.
3. Скорость и направление движения кровотока в условиях отсутствия
свертывания фазы можно определить по двумерной фазовой компоненте комплексного сигнала лазерной спекл-визуализации
4. Падение венозной компоненты церебрального кровотока в первые сутки развития неонатального инсульта, полученное из сигнала лазерной спекл-визуализации, сопровождается нарушением проницаемости гематоэнцефалического барьера, у лабораторных крыс Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью теоретических рассуждений. Выводы, следующие из математических выражений, полученных в рамках рассматриваемой модели, согласуются с результатами измерений на фантомах и in vivo, а также находятся в соответствии с результатами, полученными другими научными группами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
1. Saratov Fall meeting SFM’14 (Россия, Саратов, 2014)
2. Presenting Academic Achievements to the World 2015 (Россия, Саратов,
2015)
3. Saratov Fall meeting SFM’15 (Россия, Саратов, 2015)
4. Presenting Academic Achievements to the World 2016 (Россия, Саратов,
2016)
5. Advanced Laser Technologies ALT’16 (Ireland, Galway, 2016)
6. Saratov Fall meeting SFM’17 (Россия, Саратов, 2017)
7. Saratov Fall meeting SFM’18 (Россия, Саратов, 2018)
8. Saratov Fall meeting SFM’19 (Россия, Саратов, 2019)
Исследования по теме диссертации производились при частичной поддержке грантов:
1. Российского научного фонда No17-75-20069, No16-15-10252, No14-15-0028, No17-15-01263
2. Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ РФ НШ-7898.2016.2
3. Министерства высшего образования и науки 17.1223.2017.Pch
4. НИР «Разработка научно-технических основ диагностики основных социально-значимых заболеваний с использованием методов молекулярного имиджинга и машинного обучения» ( НУ 8.1.43.2018 Л ), Междисциплинарная лаборатория по биофотонике, Национальный исследовательский Томский государственный университет, Программа государственной поддержки ведущих университетов Российской Федерации в целях повышения их конкурентной способности среди ведущих мировых научно-образовательных центров (5-100).
Стажировка соискателя в летней школе биофотоники BIGGS’16, проходившая в Национальном университете Ирландии, была финансово поддержана грантами РНФ No16-15-10252 и НШ-7898.2016.2
Личный вклад соискателя заключается в обсуждении и решении задач, поставленных перед ним научным руководителем д.ф.м.-н. Тучиным В. В. Соискателем была проведена самостоятельная работа по описанию процесса формирования сигнала лазерной спекл-визуализации от сосуда с произвольными параметрами профиля скорости и концентрацией форменных элементов, выводу математических выражений, а также разработке программного обеспечения для численного моделирования сигнала лазерной спекл-визуализации. Соискателем была проведена работа по сборке экспериментальной системы голографической лазерной спекл-визуализации для проведения фантомных и in vivo исследований, подтверждающих правильность выводов, следующих из предложенной модели.
Основные результаты по теме диссертации изложены в 10 печатных изданиях, все из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК. Публикации автора по теме диссертации
1. Off-axis holographic laser speckle contrast imaging of blood vessels in tissues / A. Abdurashitov [идр.] // Journal of Biomedical Optics. — 2017. — Т. 22, No 9. — С. 091514.
2. Abdurashitov, A. A robust model of an OCT signal in a spectral domain /A. Abdurashitov, V. Tuchin // Laser Physics Letters. — 2018. — Т. 15, No 8. — С. 086201.
3. Histogram analysis of laser speckle contrast image for cerebral blood flow monitoring / A. S. Abdurashitov [идр.] // Frontiers of Optoelectronics. — 2015. — Т. 8, No 2. — С. 187—194.
4. Optical monitoring of stress-related changes in the brain tissues and vessels associated with hemorrhagic stroke in newborn rats / O. Semyachkina- Glushkovskaya [идр.] // Biomedical Optics Express. — 2015. — Т. 6, No 10. — С. 4088—4097.
5. Hidden stage of intracranial hemorrhage in newborn rats studied with laser speckle contrast imaging and wavelets / A. N. Pavlov [идр.] // Journal of Innovative Optical Health Sciences. — 2015. — Т. 8, No 05. — С. 1550041.
6. Changes in the cerebral blood flow in newborn rats assessed by LSCI and DOCT before and after the hemorrhagic stroke / O. Semyachkina- Glushkovskaya [идр.] // Optical Techniques in Neurosurgery, Neurophotonics, and Optogenetics II. Т. 9305. — International Society for Optics, Photonics. 2015. — С. 93051D.
7. Cerebral venous circulatory disturbance as an informative prognostic marker for neonatal hemorrhagic stroke / O. Semyachkina-Glushkovskaya [идр.] // Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care V. Т. 9887. — International Society for Optics, Photonics. 2016. — С. 98872I.
8. Laser speckle imaging and wavelet analysis of cerebral blood flow associated with the opening of the blood–brain barrier by sound / O. Semyachkina- Glushkovskaya [идр.] // Chinese Optics Letters. — 2017. — Т. 15, No 9. — С.
090002.
9. Abdurashitov,A. Photodynamic therapy of brain tumors and novel optical
coherence tomography strategies for in vivo monitoring of cerebral fluiddynamics / A. Abdurashitov, V. Tuchin, Semyachkina-Glushkovskaya //Journal of Innovative Optical Health Sciences. — 2019. — т. 13, No 2. —с. 2030004.
10. Effect of a Controlled Release of Epinephrine Hydrochloride from PLGA Microchamber Array: In Vivo Studies / O. A. Sindeeva [и др.] // ACS appliedmaterials & interfaces. — 2018. — т. 10, No 44. — с. 37855—37864. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и одного приложения. Полный объём диссертации составляет 119 страниц, включая 34 рисунка и 2 таблицы. Список литературы содержит 166 наименований.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?

Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

Читать

Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее

Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее

Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее

Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

Хочешь уникальную работу?

Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

Профессиональный журналист, филолог со стажем более 10 лет. Имею профильную диссертацию по специализации "Радиовещание". Подробно и серьезно разрабатываю темы научных... Читать все

Профессиональный журналист, филолог со стажем более 10 лет. Имею профильную диссертацию по специализации "Радиовещание". Подробно и серьезно разрабатываю темы научных исследований, связанных с журналистикой, филологией и литературой

#Кандидатские #Магистерские

33 Выполненных работы

Возможно выполнение работ по правоведению и политологии. Имею высшее образование менеджера ВЭД и правоведа, защитила кандидатскую и докторскую диссертации по политоло... Читать все

Возможно выполнение работ по правоведению и политологии. Имею высшее образование менеджера ВЭД и правоведа, защитила кандидатскую и докторскую диссертации по политологии.

#Кандидатские #Магистерские

68 Выполненных работ

Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Ск... Читать все

Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Скорее всего Ваш заказ будет выполнен раньше срока.

#Кандидатские #Магистерские

694 Выполненных работы

Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на напис... Читать все

Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на написании курсовых и дипломных работ, а также диссертационных исследований.

#Кандидатские #Магистерские

158 Выполненных работ

Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публик... Читать все

#Кандидатские #Магистерские

1386 Выполненных работ

Практический стаж работы в финансово - банковской сфере составил более 30 лет. За последние 13 лет, мной написано 7 диссертаций и более 450 дипломных работ и научных с... Читать все

Практический стаж работы в финансово - банковской сфере составил более 30 лет. За последние 13 лет, мной написано 7 диссертаций и более 450 дипломных работ и научных статей в области экономики.

#Кандидатские #Магистерские

56 Выполненных работ

Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и со... Читать все

Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и создаю красивые презентации. Сопровождаю работы до сдачи, на связи 24/7 ?

#Кандидатские #Магистерские

359 Выполненных работ

Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальн... Читать все

Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальных уравнений. Умею быстро и четко выполнять сложные вычислительные работ

#Кандидатские #Магистерские

117 Выполненных работ

Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал стать... Читать все

#Кандидатские #Магистерские

19 Выполненных работ