Трансформація амплітудно-фазових параметрів лазерного випромінювання полікристалічними мережами плазми крові
Процеси перетворення амплітудно-фазових параметрів лазерного випромінювання. Вейвлет-аналіз лазерних зображень плазми крові. Метод селекції поляризаційно-неоднорідних полів лазерного випромінювання, перетворених полікристалічними мережами плазми крові.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 25.07.2015 |
| Размер файла | 1,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Чернівецький Національний Університет ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук
ТРАНСФОРМАЦІЯ АМПЛІТУДНО - ФАЗОВИХ ПАРАМЕТРІВ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ ПОЛІКРИСТАЛІЧНИМИ МЕРЕЖАМИ ПЛАЗМИ КРОВІ. СТАТИСТИЧНИЙ ТА ЛОКАЛЬНИЙ ПІДХОДИ
01.04.05 - оптика, лазерна фізика
Дуболазов Олександр Володимирович
Чернівці - 2010
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Ушенко Олександр Григорович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, завідуючий кафедрою оптики і спектроскопії,
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Шайкевич Ігор Андрійович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри оптики
кандидат фізико-математичних наук, доцент Єрмоленко Сергій Борисович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, доцент кафедри кореляційної оптики
Захист дисертації відбудеться “ 17 ” грудня 2010р. о 17:00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.76.051.01 при Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Університетська, 19, 2-й корпус, Велика фізична аудиторія.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Лесі Українки, 23.
Відгуки надсилати за адресою 58012, м.Чернівці, вул. Коцюбинського, 2, вченому секретарю. Автореферат розісланий “ 15 ” листопада 2010 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради М.В. Курганецький
Анотації
Дуболазов О.В. Трансформація амплітудно-фазових параметрів лазерного випромінювання полікристалічними мережами плазми крові.
Статистичний та локальний підходи
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук зі спеціальності 01.04.05 - „Оптика, лазерна фізика”. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2010.
Для аналізу процесів перетворення амплітудно-фазових параметрів лазерного випромінювання, перетворених полікристалічними мережами біологічних рідин, запропоновано модель узагальненого полікристала зі статистично розподіленими напрямами оптичних осей і фазових зсувів. Установлені фізичні механізми патологічної трансформації полікристалічних мереж амінокислот і виявлено взаємозв'язок між координатними розподілами сукупності елементів матриці Мюллера плазми крові людини та розподілами напрямів оптичних осей і величини двопроменезаломлення кристалів альбуміну і глобуліну. На основі цього розроблений метод Мюллер-матричного картографування для діагностики виникнення та диференціації типу патології людського організму.
На основі вейвлет-аналізу лазерних зображень плазми крові установлено взаємозв'язок між змінами статистичних і фрактальних параметрів множини вейвлет-коефіцієнтів поляризаційних мап і розподілами напрямів оптичних осей та двопроменезаломлення парціальних кристалів на різних масштабах їх геометричних розмірів.
На цій же основі розроблено метод просторово- частотної селекції різних геометричних масштабів поляризаційно- неоднорідних полів лазерного випромінювання, перетворених полікристалічними мережами плазми крові.
Ключові слова: поляризація, кореляція, матриця Джонса, вектор Стокса, матриця Мюллера,полікристал, плазма крові, фрактал, біологічна рідина, двопроменезаломлення, статистичні моменти, спектр потужності, вейвлет- аналіз.
Dubolazov O.V. Transformation of amplitude and phase parameters of laser radiation by crystalline networks of blood plasma. Statistical and local approaches
The Candidate of Science in Physics and Mathematics Dissertation. Speciality: 01.04.05 - Optics and Laser Physics. - Chernivtsi National University named by Yuriy Fed'kovich. - Chernivsi, 2010.
To analyze the transformation processes of amplitude and phase parameters of laser radiation converted by polycrystalline networks of biological fluids proposed model of polycrystal with statistically distributed optical axes directions and birefringence. The physical mechanisms of pathological transformation of polycrystalline chains of amino acids are determined. The interrelation between the coordinate distributions of Mueller matrix elements of human blood plasma and distribution of optical axes directions and birefringence crystal size of albumin and globulin is determined. Muller - matrix mapping for the diagnosis and differentiation different type of pathology of the human body is developed. With the wavelet - analyses of laser images of blood plasma were found statistical correlation between changes in fractal and statistical parameters of wavelet coefficients of polarization maps at different scales of their geometrical sizes.
Keywords: polarization, correlation, John's matrix, Stokes vector, Muller matrix, polycrystalline, blood plasma, fractal, biological tissue, birefringence, statistical moments, power spectrum, wavelet analysis.
Дуболазов А.В. Трансформация амплитудно-фазовых параметров лазерного излучения поликристаллическими сетями плазмы крови. Статистический и локальный подходы
Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук со специальности 01.04.05 - „Оптика, лазерная физика”. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2010.
Впервые для анализа процессов преобразования амплитудно-фазовых параметров лазерного излучения, преобразованного поликристаллическими сетями биологических жидкостей, предложена модель обобщенного поликристалла со статистически распределенными направлениями оптических осей и показателем двулучепреломления. Найдены физические механизмы патологической трансформации поликристаллических сетей аминокислот и выявлена взаимосвязь между координатными распределениями элементов матрицы Мюллера плазмы крови человека, а также распределениями направлений оптических осей и величины двулучепреломления кристаллов альбумина и глобулина. На основе этого разработан метод Мюллер-матричного картографирования для диагностики возникновения и дифференциации типа патологии человеческого организма. В работе показано, что с увеличением показателя двулучепреломления сети упорядоченных по направлениям оптических осей кристаллов альбумина плазмы крови за счет изменения распределения фазовых сдвигов такого поликристалла величина асимметрии Мюллер- матричных изображений "ориентационных" элементов растет, а эксцесс, наоборот, уменьшается. На этой основе диагностированы онкологические состояния (рак шейки матки) человеческого организма. Впервые определены сценарии трансформации самоподобия свойств поликристаллических структур плазмы крови человека. С увеличением оптической анизотропии сетей кристаллических аминокислот возрастает количество фрактальных размерностей, характеризующих мультифрактальные распределения элементов матрицы Мюллера. На основе вейвлет-анализа лазерных изображений плазмы крови найдена взаимосвязь между изменениями статистических и фрактальных параметров набора вейвлет-коэффициентов поляризационных карт и распределениями направлений оптических осей, а также показателя двулучепреломления парциальных кристаллов на разных масштабах их геометрических размеров. На основе этого разработан метод пространственно-частотной селекции поляризационно-неоднородных полей лазерного излучения, преобразованных поликристаллическими сетями плазмы крови. Впервые использованы статистические и фрактальные критерии диагностики ориентационно-фазовой структуры различных масштабных уровней поликристаллических сетей по распределениям вейвлет-коэффициентов азимута и эллиптичности поляризации лазерных изображений плазмы крови.
Ключевые слова: поляризация, корреляция, матрица Джонса, матрица Мюллера, поликристалл, биологическая жидкость, плазма крови, фрактал, спектр мощности, двулучепреломление, статистические моменты, вейвлет-анализ.
Загальна характеристика роботи
Традиційно процеси перетворення оптичного випромінювання фазово- неоднорідними біологічними об'єктами та середовищами розглядаються у статистичному наближенні (теорія переносу випромінювання [1*], моделювання Монте-Карло [2*]). Серед найбільш розповсюджених методів дослідження полів розсіяного випромінювання можна виділити такі напрями: “скалярний” (фотометрія та спектрофотометрія) [3*] та “векторний” (поляризаційна нефелометрія, Мюллер-матрична оптика) [4*]. Паралельно до цих наукових напрямів розвивалися лазерні методи дослідження оптико-неоднорідних біологічних структур - кореляційна оптика та оптика спеклів [5*], які використовують в якості зонду когерентне поляризоване випромінювання. Когерентність лазерних променів зумовила необхідність розробки інших підходів до аналізу полів розсіяного випромінювання. Так, за останні 10 - 15 років сформувалися нові напрями у дослідженні полів розсіяного когерентного випромінювання - фрактальна оптика [6*], сингулярна оптика [7*]. На їх основі визначено прямі взаємозв'язки між набором статистичних моментів 1-го - 4-го порядків, функцій автокореляції, фрактальних розмірностей, які характеризують оптико-анізотропну структуру біологічних тканин і поляризаційними параметрами (координатні розподіли азимутів і еліптичності поляризації, елементи матриці Мюллера) їх лазерних зображень [8*]. Крім того, існує широке коло менш вивчених біологічних об'єктів іншого типу. В першу чергу до них належать різноманітні рідини - кров, жовч, синовіальна рідина, ліквар та ін. Тому актуальний подальший розвиток нових підходів до аналізу векторної структури полів лазерного випромінювання, перетвореного не тільки оптико-анізотропними шарами біологічних тканин, але й біологічними рідинами, зокрема полікристалічними мережами білків плазми крові.
Отже, актуальність дисертаційного дослідження зумовлена необхідністю розробки нових модельних уявлень про процеси перетворення амплітудно-фазової структури лазерного випромінювання полікристалічними мережами біологічних рідин; пошуку нових методів статистичної, фрактальної та вейвлет-діагностики мереж протеїнових кристалів плазми крові для розробки об'єктивних методик оцінювання виникнення та диференціації типу патології людського організму.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Дослідження, результати якого представлено у дисертації, виконувалось відповідно до програми наукової тематики кафедри оптики і спектроскопії Чернівецького національного університету “Методи поляризаційної, спектрофотометричної та сингулярної оптики в задачах діагностики фазово-неоднорідних середовищ”, № держреєстрації 0106U008643 (2007 - 2009 р.р.) та у рамках держбюджетної теми „Поляризаційна томографія біологічних тканин людини в задачах лазерної діагностики їх патологічних змін ”, № держреєстрації 0107U001243 (2007 - 2009 р.р.).
Особистий внесок автора дисертаційної роботи полягав у застосуванні методів кореляційної й поляризаційної оптики при дослідженні полікристалічних мереж плазми крові.
Метою дисертаційної роботи була розробка й обґрунтування нових підходів моделювання та аналізу процесів трансформації лазерного випромінювання полікристалічними мережами шляхом удосконалення методів Мюллер - матричного картографування та розробки статистичних і фрактальних методів локального вейвлет-аналізу лазерних зображень плазми крові для діагностики структури її полікристалічної компоненти.
Для досягнення цієї мети розв'язувалися такі задачі:
1. Встановлення закономірностей формування полів лазерного випромінювання, перетвореного мережами кристалів амінокислот плазми крові, на основі суперпозиції Мюллер - матричних операторів парціальних монокристалів.
2. Пошук зв'язку між статистичними (статистичні моменти 1-го - 4-го порядків) і фрактальними (логарифмічні залежності спектрів потужності) параметрами, які характеризують координатні розподіли елементів матриці Мюллера основних типів амінокислот людини, та розподілами напрямів оптичних осей і фазових зсувів відповідних полікристалічних шарів.
3. Розробка методу Мюллер-матричного картографування для статистичної та фрактальної діагностики трансформації структури полікристалічних мереж амінокислот плазми крові.
4. Вивчення у межах статистичного та фрактального підходів сценаріїв формування розподілів вейвлет-коефіцієнтів поляризаційних мап полікристалічних мереж плазми крові. Розробка методу локальної діагностики структури мереж протеїнових кристалів.
Об'єкт дослідження: поляризаційна і Мюллер-матрична діагностика світлорозсіюючих біологічних середовищ; лазерні поля, перетворені оптико-анізотропними біологічними об'єктами.
Предмет дослідження: координатні розподіли елементів матриці Мюллера оптико-анізотропної складової плазми крові людини; взаємозв'язки статистичних і фрактальних параметрів, які характеризують розподіли елементів матриці Мюллера і вейвлет-коефіцієнтів поляризаційних зображень біологічних рідин та орієнтаційно-фазовою структурою полікристалічних мереж плазми крові людського організму.
У роботі використовувалися методи поляриметрії і стоксполяриметрії (визначалися координатні розподіли елементів матриці Мюллера і станів поляризації лазерних полів, перетворених шарами плазми крові людини); статистичного аналізу (визначалися статистичні моменти 1-го - 4-го порядків, які характеризують координатні розподіли елементів матриці Мюллера, азимутів і еліптичності поляризації лазерного поля, перетвореного плазмою крові); фрактального аналізу (визначалися апроксимуючі криві логарифмічних залежностей спектрів потужності розподілів елементів матриці Мюллера, азимутів і еліптичності поляризації лазерного поля, перетвореного полікристалічною мережею плазми крові) і вейвлет-аналізу (визначалися статистичні моменти 1-го - 4-го порядків і логарифмічні залежності спектрів потужності розподілів вейвлет-коефіцієнтів поляризаційних зображень плазми крові для різних масштабів солетоноподібної MHAT - функції).
Новизна наукових результатів, отриманих у дисертаційній роботі, полягає в тому, що уперше:
1. Для аналізу процесів перетворення амплітудно-фазових параметрів лазерного випромінювання біологічними рідинами запропоновано модель узагальненого полікристала, оптичні властивості якого визначаються суперпозицією впливів парціальних кристалів зі статистично розподіленими напрямами оптичних осей і фазовими зсувами. На цій основі установлені взаємозв'язки між статистичними (статистичні моменти 1-го - 4-го порядків) і фрактальними (нахили логарифмічних залежностей спектрів потужності) параметрами, які характеризують координатні розподіли елементів матриці Мюллера плазми крові, та розподілами напрямів оптичних осей і двопроменезаломлення полікристалічних мереж амінокислот альбуміну та глобуліну.
2. Встановлені оптико-фізичні критерії трансформації полікристалічних мереж амінокислот плазми крові:
1. зі збільшенням двопроменезаломлення мережі впорядкованих за напрямами оптичних осей кристалів альбуміну величина асиметрії Мюллер-матричних зображень “орієнтаційних” елементів зростає, а ексцес, навпаки, зменшується, - на цій основі реалізована діагностика ішемічної хвороби серця;
2. формування розупорядкованої за напрямами оптичних осей мережі кристалів глобуліну виявляється у зростанні асиметрії та ексцесу координатних розподілів “орієнтаційно-фазових” елементів матриці Мюллера плазми крові за рахунок зростання глибини фазової модуляції лазерного випромінювання, - на цій основі реалізована діагностика гострого запального процесу людського організму;
3. формування оптико-анізотропної полікристалічної альбумін-глобулінової мережі плазми крові призводить до реалізації рівноймовірного координатного фазового розподілу, що виявляється у зростанні дисперсії та ексцесу, які характеризують розподіли значень “фазового” елементу матриці Мюллера, - на цій основі діагностовано онкологічний стан (рак шийки матки) людського організму.
3. Установлені сценарії трансформації самоподібності поляризаційних властивостей полікристалічних структур плазми крові людини. Зі збільшенням оптичної анізотропії полікристалічних мереж амінокислот, внаслідок кратного повторення періоду фазової модуляції. зростає кількість фрактальних розмірностей, що характеризують розподіли “фазових” елементів матриці Мюллера. Розупорядкування напрямів оптичних осей парціальних кристалів глобуліну за рахунок формування випадкового координатного розподілу значень фазових зсувів виявляється у відповідній статистичній структурі Мюллер-матричних зображень “орієнтаційних” і “орієнтаційно-фазових” елементів.
4. Застосовано вейвлет-аналіз координатних розподілів азимутів і еліптичності поляризації лазерних зображень плазми крові людини. На цій основі виявлені статистичні і фрактальні критерії діагностики орієнтаційно-фазової структури різних масштабних рівнів полікристалічних мереж за розподілами вейвлет-коефіцієнтів азимута і еліптичності поляризації лазерних зображень плазми крові. Установлені ознаки топологічної діагностики та диференціації типу патології людського організму:
4. зміна оптичної анізотропії, що обумовлена зростанням концентрації глобуліну плазми крові людини з серцевою недостатністю, виявляється у зростанні дисперсії та зменшенні асиметрії й ексцесу, а також трансформації мультифрактального у статистичний розподілу вейвлет- коефіцієнтів множини значень еліптичності поляризації у діапазоні малих () геометричних розмірів кристалів амінокислот плазми крові;
5. трансформація напрямів оптичних осей, що обумовлена гострим запальним процесом людського організму, виявляється у зростанні асиметрії та ексцесу розподілів вейвлет-коефіцієнтів множин азимута і еліптичності поляризації лазерних зображень на певному локальному масштабі () геометричних розмірів кристалів амінокислот;
6. формування оптико-анізотропної полікристалічної альбумін-глобулінової мережі, що супроводжує онкологічні процеси, виявляється у зростанні дисперсії та ексцесу, а також у трансформації мультифрактальних розподілів вейвлет-коефіцієнтів у статистичні для всіх масштабів () геометричних розмірів розподілів азимутів і еліптичності поляризації лазерного зображення плазми крові.
Практичне значення одержаних результатів. Результати роботи з лазерної поляриметрії полікристалічних мереж плазми крові можуть бути використані в:
· удосконаленні методів поляризаційно-чутливої оптично-когерентної томографії біологічних рідин шляхом використання Мюллер-матричного картографування з наступним визначенням сукупності статистичних і фрактальних параметрів, які характеризують орієнтаційно-фазову структуру полікристалічних мереж;
· розробці методу вейвлет-аналізу поляризаційних мап полікристалічних мереж із селективним (на різних масштабах геометричних розмірів парціальних кристалів) визначенням статистичних моментів, а також фрактальних розмірностей множин вейвлет-коефіцієнтів розподілів азимутів і еліптичності поляризації лазерних зображень плазми крові для діагностики та диференціації типу патології людського організму;
· Мюллер-матричній і вейвлет-діагностиці та диференціації серцевої недостатності, гострих запальних процесів і онкологічних змін організму людини на основі оцінювання змін величин 1-го - 4-го статистичних моментів, ступеня самоподібності розподілів елементів матриці Мюллера і вейвлет-коефіцієнтів множин значень азимута і еліптичності поляризації лазерного зображення полікристалічних мереж амінокислот плазми крові.
Достовірність наукових результатів, викладених у роботі, визначається застосуванням у теоретичному розгляді - надійно апробованих підходів і методів теорії поляризаційної, кореляційної та фрактальної оптики полів розсіяного лазерного випромінювання, а в експериментальній частині дослідження - надійно апробованих кореляційно-оптичних і поляриметричних методів, статистичного, кореляційного та фрактального аналізу. Основні результати експерименту знаходяться у якісній та кількісній відповідності з результатами теоретичного розгляду і комп'ютерного моделювання.
Особистий внесок аспіранта. Основні результати, що наведені в дисертаційній роботі, отримані автором самостійно. У [1-3] автором сформульовані завдання та проведені експериментальні дослідження. У [4,6-8] автор обґрунтував експериментальні результати. У [1,4,9,10] дисертантом проведено комп'ютерне моделювання фізичних явищ перетворення лазерного випромінювання. У [11-14] виконано теоретичне обґрунтування експериментальних досліджень і узагальнено їх результати.
Апробація результатів дисертації
Результати досліджень, викладених у дисертації, доповідалися й обговорювались на таких наукових конференціях: 8th, 9th International Conferences on Correlation Optics (Chernivtsi, 2007, 2009); 8ма Харківська конференція молодих науковців “ Радіофізика та електроніка” (Харків, Україна, 2008); ATOM-N 2008, 28 - 31 August 2008, Constanta, Romania; ISMTII-2009, 29 June - 2 July 2009, Saint-Petersburg, Russia.
Публікації. Результати дисертації опубліковано у чотирнадцяти статтях у фахових наукових журналах [1-14].
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, шости розділів основного тексту, результатів і висновків, списку цитованої літератури. Повний обсяг дисертації становить 177 сторінок машинописного тексту. Дисертація містить 53 ілюстрації. Список цитованої літератури складається зі 176 найменувань і займає 21 сторінку.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі подано огляд сучасної літератури з питань статистичної, кореляційної та фрактальної структури поляризаційних властивостей шарів біологічних об'єктів, а також оптичних характеристик природних амінокислот. Зокрема розглянуті основні (хімічні, ферментативні, мікробіологічні, хроматографічні та оптичні) методи кількісного визначення амінокислот. Проведений аналіз будови, властивостей та сучасних методів дослідження плазми крові людини. Установлена необхідність розробки нових методів поляриметричної діагностики патологічних змін у плазмі крові людини.
Другий розділ містить інформацію про основні аналітичні алгоритми статистичного, кореляційного та фрактального підходів до аналізу Мюллер -матричних і поляризаційних зображень полікристалічних шарів основних амінокислот, а також плазми крові людини. Розглянуто сценарії та проаналізовано механізми формування координатних розподілів азимутів та еліптичності поляризації лазерних і Мюллер-матричних зображень полікристалічних мереж плазми крові.
Описана експериментальна схема оптичного поляриметра та методики експериментальних вимірювань поляризаційних мап і Мюллер-матричних зображень полікристалічних мереж біологічних об'єктів.
Приведені основні алгоритми статистичного, кореляційного, сингулярного та вейвлет-аналізу поляризаційних і Мюллер-матричних зображень полікристалічних мереж амінокислот плазми крові.
У третьому розділі наведено матеріали комп'ютерного моделювання перетворення амплітуди і фази лазерної хвилі полікристалічними сітками, сформованими оптично одноосними двопроменезаломлюючими циліндрами.
Показано, що найбільш адекватний для опису поляризаційних властивостей матричний оператор Джонса
(1)
- с - напрямок орієнтації оптичної осі кристала, що визначається напрямком укладання протеїнових фібрил;
- д - величина фазового зсуву, що вноситься між двома ортогональними компонентами (Ex,Ey) амплітуди (E) за рахунок двопроменезаломлення (Дn) протеїнової фібрили.
Проаналізовано сценарій формування самоподібної полікристалічної біологічної мережі (рис.1).
Рис. 1. Просторова структура полікристалічних мереж на прикладі сполучної тканини
Виокремлено два основних типи полікристалічних мереж:
1) тип “А” - мережа колінеарно розташованих циліндричних кристалів з паралельними оптичними осями, поляризаційні властивості якої характеризуються оператором Джонса
(2)
2) тип “Б” - мережа колінеарних розупорядкованих () циліндричних кристалів з оператором Джонса вигляду
(3)
Одержані координатні розподіли значень азимутів і еліптичностей поляризації зображень модельних полікристалічних мереж, визначені статистичні, кореляційні та фрактальні параметри таких розподілів (рис.2).
Рис. 2. Гістограми (N) , автокореляційні функції () та логарифмічні залежності спектру потужності () координатних розподілів азимута та еліптичності поляризації лазерного випромінювання, перетвореного кристалічною мережею групи “А”
Установлено, що поляризаційні мапи розподілу азимута і еліптичності поляризації лазерних зображень модельних полікристалічних сіток А і Б типів являють собою самоподібні мультифрактальні структури.
У четвертому розділі досліджені поляризаційні властивості шарів кристалічних амінокислот. На рис. 3 представлена серія лазерних зображень основних типів амінокислот організму людини.
Рис. 3. Поляризаційна структура лазерних зображень кристалічних шарів амінокислот: альбуміна, глобуліна, аспарагіна, орнітина
Показано, що реальні полікристалічні мережі шарів амінокислот різних типів близькі до структури проаналізованих модельних кристалічних сіток.
Досліджені координатні розподіли елементів матриці Мюллера оптично - тонких полікристалічних шарів основних типів амінокислот людини (рис. 4).
Рис. 4. Гістограми (), статистичні моменти () та фрактальні розмірності () логарифмічних залежностей спектрів потужності () двовимірних розподілів елементів матриці Мюллера полікристалічного шару аспаргіна й орнітина
Установлено, що гістограми розподілу значень елементів матриці Мюллера мають ширший діапазон зміни у порівнянні з розподілами станів поляризації віртуальних полікристалічних сіток. Такі розбіжності пов'язані з тим, що шари амінокислот складаються із сукупності парціальних мереж у межах різнозорієнтованих моноблоків.
Для кожного Мюллер-матричного зображення існує переважно дві характерні фрактальні розмірності, як і у випадку модельного аналізу властивостей модельної сітки циліндричних кристалів (рис. 2).
Установлено, що, незважаючи на різну оптико-геометричну будову кристалічних мереж полікристалічних шарів різних типів амінокислот людини, їх поляризаційні властивості адекватно описуються узагальненими матричними операторами вигляду (2) і (3).
П'ятий розділ містить результати порівняльного дослідження статистичних (гістограми розподілу та статистичні моменти 1-го - 4-го порядків координатних розподілів елементів матриці Мюллера Мік(mЧn)) і фрактальних (логарифмічні залежності спектрів потужності розподілів Мік(mЧn)) параметрів, які характеризують Мюллер-матричні зображення зразків плазми крові здорової та хворої (ішемічна хвороба серця, гострий коліт, рак шийки матки) людини.
Рис. 5. Гістограми (), статистичні моменти () та фрактальні розмірності () логарифмічних залежностей спектрів потужності () координатних розподілів елементів матриці Мюллера M23(mЧn) та M44(mЧn) плазми крові здорової людини та людини з ішемічною хворобою серця
На рис. 5 представлено серію Мюллер-матричних зображень полікристалічних мереж плазми крові здорової людини та людини з ішемічною хворобою серця.
Для Мюллер-матричних зображень “фазового” елемента M44(mЧn), який визначається двопроменезаломленням плазми крові, та “орієнтаційно- фазового” елемента M23(mЧn), що характеризує взаємні перетворення станів поляризації полікристалічними мережами амінокислот, характерний практично рівноімовірний розподіл випадкових значень, на відміну від “дзвоноподібної” структури гістограм аналогічних матричних елементів плазми крові здорової людини.
Координатні розподіли значень “орієнтаційно-фазового” матричного елемента мультифрактальні. У логарифмічній залежності спектра потужності координатного розподілу “фазового” M44(mЧn) елемента матриці Мюллера людини з ішемічною хворобою серця відсутнє стабільне значення кута нахилу апроксимуючої кривої.
Кількісно зміни поляризаційних властивостей полікристалічної мережі плазми крові людини з ішемічною хворобою серця ілюструють статистичні моменти 1-го - 4-го порядків, які характеризують координатні розподіли сукупності елементів матриці Мюллера , - таблиця 1:
Таблиця 1. Статистичні моменти Мюллер-матричних зображень плазми крові фізіологічно здорової людини та людини з ішемічною хворобою серця
Установлено, що різниця значень статистичних моментів 3-го і 4-го порядків координатних розподілів “орієнтаційно-фазового” елементу матриці Мюллера досягає 3-4 разів. Для Мюллер-матричного зображення “фазового” елемента M44(mЧn) відмінності між значеннями статистичних моментів вищих порядків лежать у межах 2 і 3 разів, відповідно.
На рис. 6 наведені статистичні, кореляційні та фрактальні параметри, що характеризують координатні розподіли значень еліптичності в(x,y) поляризації лазерних зображень плазми крові здорової людини та людини з ішемічною хворобою серця.
Рис. 6. Координатна (а), статистична (б), кореляційна (в) та фрактальна (г) структура розподілу еліптичності в(x,y) поляризації граничного поля зразка плазми крові здорової людини та людини з ішемічною хворобою серця
Порівняльний аналіз одержаних даних виявив, що головні відмінності спостерігаються між логарифмічними залежностями в діапазоні малих геометричних розмірів () кристалів амінокислот, у межах яких величина випадкова (статистична).
Шостий розділ містить інформацію про методику застосування вейвлет- аналізу координатних розподілів азимутів і еліптичності поляризації лазерних зображень плазми крові людського організму з різною патологією.
Якщо в якості функції-прототипу взяти вейвлет-функцію, що має скінченну основу в координатному і частотному просторі, то розподіл значень азимутів або еліптичності поляризації можна розкласти в ряд (6). Відповідні коефіцієнти розкладу ряду (6) будуть визначатися виразом (7), а результатом вейвлет-перетворення одномірного ряду є двомірний масив коефіцієнтів (8).
(6)
(7)
(8)
Рис. 7. Картини вейвлет-коефіцієнтів поляризаційної мапи еліптичності плазми крові людини з ішемічною хворобою серця для різних рядків
На рис. 8 наведено статистичні моменти 1-го - 4-го порядків, автокореляційні функції та логарифмічні залежності спектрів потужності розподілів вейвлет-коефіцієнтів на різних масштабах а вейвлет-функції.
Рис. 8. Статистичні (а), кореляційні (б) та фрактальні (в) параметри розподілів значень вейвлет-коефіцієнтів поляризаційної мапи еліптичностей лазерного зображення плазми крові здорової людини та людини з ішемічною хворобою серця для масштабного коефіцієнту та відповідно
Виявлено, що у логарифмічних залежностях відсутній стабільний нахил апроксимуючої кривої для . Для малих масштабів визначальний внесок у формування роблять хаотично зорієнтовані “дрібнорозмірні” кристали глобуліна. Саме тому у відповідних розподілах вейвлет-коефіцієнтів визначальна випадкова компонента. Зі збільшенням масштабу () MHAT-вейвлета визначальним у формуванні поляризаційних карт є внесок просторово зорієнтованих “крупних” кристалів альбуміна. Статистично такий процес проявляється у збільшенні статистичних моментів 3 - го та 4 - го порядків, а також у трансформації випадкових розподілів у мультифрактальні.
Порівняльний аналіз з відповідними розподілами вейвлет-коефіцієнтів мапи еліптичності людини з ішемічною хворобою серця виявив:
· суттєве зменшення статистичних моментів 3-го (в 2,7 - 3,5 рази) та 4-го (в 3,4 - 5,7 рази) порядків розподілів вейвлет-коефіціентів для масштабу ;
· відсутність стабільного нахилу апроксимуючих кривих логарифмічних залежностей , визначених на всіх масштабах MHAT-вейвлета.
Зазначені зміни можна пов'язати зі зростанням концентрації глобуліну в плазмі крові людини з ішемічною хворобою серця. Така трансформація починається з малих розмірів ().
Системні можливості діагностики та диференціації патологічних процесів людського організму на основі вейвлет-аналізу поляризаційних мап плазми крові ілюструють таблиці 3 і 4.
Таблиця 3. Статистичні моменти 1-го - 4-го порядків розподілу вейвлет-коефіцієнтів поляризаційної мапи еліптичностей
Таблиця 4. Діагностичні можливості дослідження різних типів патології організму людини
лазерний випромінювання плазма кров
Основні результати та Висновки
Головним результатом дисертаційних досліджень є розробка та обґрунтування нових підходів опису процесів трансформації лазерного випромінювання полікристалічними мережами біологічних рідин шляхом удосконалення методів Мюллер-матричного картографування та розробки статистичних і фрактальних методів локального вейвлет-аналізу лазерних зображень плазми крові для діагностики структури її кристалічної компоненти.
Основні результати та висновки роботи такі:
1. Уперше для аналізу процесів перетворення амплітудно-фазових параметрів лазерного випромінювання, перетворених полікристалічними мережами біологічних рідин запропоновано модель узагальненого полікристала зі статистично розподіленими напрямами оптичних осей і двопроменезаломленням.
2. Установлені фізичні механізми патологічної трансформації полікристалічних мереж амінокислот і виявлено взаємозв'язок між координатними розподілами сукупності елементів матриці Мюллера плазми крові людини та розподілами напрямів оптичних осей і величини двопроменезаломлення кристалів альбуміну і глобуліну. На основі цього розроблений метод Мюллер-матричного картографування для діагностики виникнення і диференціації типу патології людського організму.
3. Установлено, що зі збільшенням двопроменезаломлення мережі впорядкованих за напрямами оптичних осей кристалів альбуміну плазми крові за рахунок зміни розподілу фазових зсувів такого полікристала величина асиметрії Мюллер-матричних зображень “орієнтаційних” елементів зростає, а ексцес, навпаки, зменшується. На цій основі діагностовано онкологічний стан (рак шийки матки) людського організму.
4. Уперше встановлено, що зі збільшенням оптичної анізотропії мереж кристалічних амінокислот плазми крові зростає кількість фрактальних розмірностей, що характеризують координатні розподіли елементів матриці Мюллера. Розупорядкування напрямів оптичних осей полікристалічної мережі амінокислот плазми крові виявляється у формуванні випадкового розподілу значень матричних елементів у діапазоні малих геометричних розмірів кристалів глобуліну.
5. На основі вейвлет-аналізу лазерних зображень плазми крові установлено взаємозв'язок між змінами статистичних і фрактальних параметрів множини вейвлет-коефіцієнтів поляризаційних мап і розподілами напрямів оптичних осей та двопроменезаломлення парціальних кристалів альбуміну. На основі цього розроблено метод селекції різних геометричних масштабів поляризаційно-неоднорідних полів лазерного випромінювання, перетворених полікристалічними мережами плазми крові.
6. Уперше виявлені статистичні та фрактальні критерії діагностики орієнтаційно-фазової структури різних масштабних рівнів полікристалічних мереж альбуміну і глобуліну за розподілами вейвлет-коефіцієнтів азимута й еліптичності поляризації лазерних зображень плазми крові:
7. трансформація мультифрактального у статистичний розподіл вейвлет-коефіцієнтів множини значень еліптичності поляризації у діапазоні малих () геометричних розмірів у випадку серцевої недостатності;
8. зростання асиметрії та ексцесу розподілів вейвлет - коефіцієнтів множин азимута й еліптичності поляризації лазерних зображень мереж кристалів альбуміна і глобуліна на локальному масштабі () геометричних розмірів у випадку гострого запального процесу;
9. зростання дисперсії та ексцесу, а також трансформації мультифрактальних розподілів вейвлет-коефіцієнтів у статистичні для всіх масштабів () геометричних розмірів розподілів азимутів і еліптичності поляризації лазерного зображення у випадку онкологічного процесу.
ЛІТЕРАТУРА, ЩО ЦИТУВАЛАСЯ
1*. Городничев Е. Е. Малоугловое многократное рассеяние света в случайно-неоднородных средах / Е. Е. Городничев, Д. Б. Рогозкин // Письма в ЖЭТФ. - 1995. - Т. 107. - С. 209-235.
2*. Wang X. Monte Carlo model and single-scattering approximation of polarized light propagation in turbid media containing glucose / X. Wang, G. Yao, L. - H. Wang // Appl. Opt. - 2002. - Vol. 41. - P. 792-801.
3*. Ушенко А. Г. Поляризационная структура биоспеклов и деполяризация лазерного излучения / А. Г. Ушенко // Опт. и спектр. - 2000. - Т. 89, № 4. - С. 651-654.
4*. Shuliang Jiao. Two-dimensional depth-resolved Mueller matrix of biological tissue measured with double-beam polarization-sensitive optical coherence tomography / Shuliang Jiao, Lihong V. Wang // Opt. Lett. - 2002. - Vol. 27. - P. 101-103.
5*. Ushenko A. G. Polarization structure of scattering laser fields / A. G. Ushenko // Optical Engineering. - 1995. - Vol. 34, №4. - P. 1088-1093.
6*. Angelsky Oleg. V. Fractal description of rough surfaces / Oleg. V. Angelsky, Dmitriy N. Burkovets, Alexander V. Kovalchuk, Steen G. Hanson. // Appl. Opt. - 2002. - Vol. 41. - P. 4620-4629.
7*. Dennis M. R. Polarization singularities in paraxial vector fields: morphology and statistics / M. R. Dennis // Opt. Commun. - 2002. - Vol. 213. - P. 201-221.
8*. Лазерна поляриметрична діагностика в біології та медицині / [В. П. Пішак, О. Г. Ушенко, О. В. Ангельський, С. Б. Єрмоленко та ін.]; за радеакцією В. П. Пішака та О. Г. Ушенка . - Чернівці: Медакадемія, 2000. - 305с.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1. Angelskaya. A.O. Polarization phase reconstruction of biological tissue architectonics: Part 2. Study of polarizing intercorrelative function of coherent images of phase-inhomogeneous layer anisotropy / A. O. Angelskaya, A. G. Ushenko, Yu. A. Ushenko, A. Dubolazov, V. Istratiy, Yu. Ya. Tomka // Proc. SPIE. - 2007. - Vol. 6635. - P. 66350LP.
2. Angelskaya A.O. Polarization phase reconstruction of biological tissue architectonics: Part 3. Polarizing-correlative processing of images of statistical objects in the problem of visualization and topology reconstruction of their phase heterogeneity / A. O. Angelskaya, A. G. Ushenko, Yu. A. Ushenko, A. Dubolazov, V. Istratiy, Yu. Ya. Tomka // Proc. SPIE. - 2007. - Vol. 6635. - P. 66350MP.
3. Angelskaya A.O. Polarization phase reconstruction of biological tissue architectonics: Part 4. Coherent introscopy of phase-inhomogeneous surface and layers / A. O. Angelskaya, A. G. Ushenko, Yu. A. Ushenko, A. Dubolazov, V. Istratiy, Yu.Ya. Tomka // Proc. SPIE. - 2007. - Vol. 6635. - P. 66350NP.
4. Ushenko Yu.O. Wavelet analysis for Mueller matrix images of biological crystal networks / Yu.O. Ushenko, Yu.Ya. Tomka, O.G. Pridiy, A.V.Motrich, O.V. Dubolazov, I.Z. Misevitch, V.V. Istratiy// Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. - 2009. - Vol. 12. - №4. - P. 391 - 398.
5. Misevitch I.Z. Investigation of singularities inherent to Mueller matrix images of biological crystals: diagnostics of their birefringent structure / I.Z.Misevitch, Yu.O. Ushenko, O.G. Pridiy, A.V.Motrich, Yu.Ya. Tomka, O.V. Dubolazov // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. - 2009. - Vol. 12. - №4. - P. 379 - 390.
6. Ushenko A.G. Polarization selection of two - dimensional phase - inhomogeneous birefringence images/ A.G.Ushenko, Yu.A.Ushenko, I.Z. Misevitch, A.V. Dubolazov, V.I.Istratiy // Proc .The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments, Vol.3 3-108 - 3-112, (2009).
7. Ushenko A.G. Polarization Metrology Of Mueller Matrices Images Of Phase-Inhomogeneous Layers/ A.G.Ushenko, Yu.A.Ushenko, I.Z. Misevitch, A.V. Dubolazov, V.I.Istratiy // Proc .The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments, Vol.3 3-267 - 3-270, (2009).
8. Ushenko Y.A. The Degree of Mutual Correlation of Coordinate Distributions of Muller Matrix Elements Biological Tissues and Diagnostics of Their Physilogacal State/ Y.A. Ushenko, Yurij Ya. Tomka, Alexander Dubolazov // Proc.Vol.2 ST-OPTO 2009, 347-352, (2009).
9. Dubolazov A.V. Polarization metrology of Mueller matrices images of biological tissues phase - inhomogeneus layers/ A.V.Dubolazov, O.Yu.Telenga, A.O. Karachevtcev//Ninth Conference on Correlation Optics. - Proc. SPIE. - 2009. - Vol.7388. - P.73881F.
10. Dubolazov A.V. Mueller - matrices tomography of two - layer biological crystals networks/ A.V. Dubolazov, I.Z. Misevitch, V.P. Ungurian// Ninth Conference on Correlation Optics. - Proc. SPIE. - 2009. - Vol.7388. - P.73881G.
11. Dubolazov O. V. On the Feasibilities of Using the Wavelet Analysis of Mueller Matrix Images of Biological Crystals / O. V. Dubolazov, A. G. Ushenko, V. T. Bachynsky, A. P. Peresunko, O. Ya. Vanchulyak //Advances in Optical Technologies, Article ID 162832, 9 pages, 2010. doi:10.1155/2010/162832.
12. Alexander V. Dubolazov The Interconnection between the Coordinate Distribution of Mueller-Matrixes Images Characteristic Values of Biological Liquid Crystals Net and the Pathological Changes of Human Tissues / Alexander V. Dubolazov, Oleg V. Angelsky, Yuriy A. Ushenko, Olha Yu. Telenha // Advances in Optical Technologies, Article ID 130659, 10 pages, 2010. doi:10.1155/2010/130659.
13. Дуболазов О.В. Вимірювання поляризації Мюллер - матричних зображень фазово - неоднорідних шарів/ Дуболазов О.В., Істратій В.І.// VIII Харківська конференція молодих науковців “Радіофізика та електроніка, біофізика”. 25-27.11.2008р. - С.105.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Аналіз програми в випускному класі при вивченні ядерної фізики. Основні поняття дозиметрії. Доза випромінювання, види поглинутої дози випромінювання. Біологічна дія іонізуючого випромінювання. Методика вивчення біологічної дії іонізуючого випромінювання.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 24.06.2008Вивчення проблеми управління випромінюванням, яка виникає при освоєнні діапазону спектру електромагнітних коливань. Особливості модуляції світла і його параметрів, що включає зміну поляризації, напрямку поширення, розподілу лазерних мод і сигналів.
контрольная работа [53,7 K], добавлен 23.12.2010Природні джерела випромінювання, теплове випромінювання нагрітих тіл. Газорозрядні лампи високого тиску. Переваги і недоліки різних джерел випромінювання. Стандартні джерела випромінювання та контролю кольору. Джерела для калібрування та спектроскопії.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 13.12.2010Природа та одержання рентгенівського випромінювання. Гальмівне та характеристичне рентгенівське випромінювання, його спектри. Рентгенівські спектри атомів. Поглинання та розсіяння рентгенівського випромінювання, застосування в медицині, хімії, біології.
реферат [623,6 K], добавлен 15.11.2010Поглинена й експозиційна дози. Одиниці вимірювання дози випромінювання. Особливості взаємодії випромінювання з біологічними об'єктами. Дія іонізуючого випромінювання на організм людини. Залежність небезпеки від швидкості виведення речовини з організму.
реферат [38,2 K], добавлен 12.04.2009Теплове випромінювання як одна з форм енергії. Теплові і газоразрядні джерела випромінювання. Принцип дії та призначення світлодіодів. Обґрунтування та параметри дії лазерів. Характеристика та головні властивості лазерів і можливість їх використання.
контрольная работа [51,0 K], добавлен 07.12.2010Процеси взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною клітин. Біологічна дія іонізуючих випромінювань. Етапи розвитку променевої хвороби. Деякі міри захисту від зовнішнього і внутрішнього опромінення. Характер радіаційного впливу на живий організм.
реферат [81,7 K], добавлен 12.04.2009Поняття теплового випромінювання, його сутність і особливості, основні характеристики та спеціальні властивості. Різновиди випромінювання, їх відмінні риси, джерела виникнення. Абсолютно чорне тіло, його поглинаючі властивості, місце в квантовій теорії.
реферат [678,2 K], добавлен 06.04.2009Розповсюдження молібдену в природі. Фізичні властивості, отримання та застосування. Структурні методи дослідження речовини. Особливості розсіювання рентгенівського випромінювання електронів і нейтронів. Монохроматизація рентгенівського випромінювання.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 24.01.2010Історія відкриття та застосування в науці, техніці, медицині та на виробництві рентгенівського випромінювання. Діапазон частот в електромагнітному спектрі. Види рентгенівського проміння в залежності від механізму виникнення: гальмівне і характеристичне.
презентация [1,6 M], добавлен 23.04.2014
