Разработка термочувствительного волоконно-оптического рассеивателя излучения для фотодинамической терапии
|
ОПРЕДЕЛЕНИЯ 4
2. ВВЕДЕНИЕ 5
3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 8
3.1. Фотодинамическая терапия 8
3.1.1. Механизм действия фотодинамической терапии 8
3.1.2. Клиническое применение фотодинамической терапии 9
3.1.3. Виды рассеивателей излучения для ФДТ 10
3.2. Интерферометр Фабри-Перо 11
3.2.1. Историческая справка 11
3.2.2. Конструкция резонатора Фабри-Перо 12
3.2.3. Принцип действия резонатора Фабри-Перо 13
3.2.4. Датчики на основе интерферометра Фабри-Перо 15
3.3. Оптический пробой 17
3.4. Эффект плавления (fuse эффект) 18
3.5. Датчики на основе fuse- эффекта 19
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 21
4.1. Разработка и создание макета иттербиевого лазера для
создания рассеивателей на основе fuse- эффекта 21
4.2. Изучение параметров иттербиевого лазера 22
4.3. Методика создания рассеивателя на основе fuse- эффекта 24
4.6. Исследование обратного отражения излучения на разных
видах волокон 29
4.7. Разработка и создание макета для проверки чувствительности
рассеивателей к изменению температуры 31
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 37
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. ВВЕДЕНИЕ 5
3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 8
3.1. Фотодинамическая терапия 8
3.1.1. Механизм действия фотодинамической терапии 8
3.1.2. Клиническое применение фотодинамической терапии 9
3.1.3. Виды рассеивателей излучения для ФДТ 10
3.2. Интерферометр Фабри-Перо 11
3.2.1. Историческая справка 11
3.2.2. Конструкция резонатора Фабри-Перо 12
3.2.3. Принцип действия резонатора Фабри-Перо 13
3.2.4. Датчики на основе интерферометра Фабри-Перо 15
3.3. Оптический пробой 17
3.4. Эффект плавления (fuse эффект) 18
3.5. Датчики на основе fuse- эффекта 19
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 21
4.1. Разработка и создание макета иттербиевого лазера для
создания рассеивателей на основе fuse- эффекта 21
4.2. Изучение параметров иттербиевого лазера 22
4.3. Методика создания рассеивателя на основе fuse- эффекта 24
4.6. Исследование обратного отражения излучения на разных
видах волокон 29
4.7. Разработка и создание макета для проверки чувствительности
рассеивателей к изменению температуры 31
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 37
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Волоконные лазеры являются одним из наиболее ярких достижений в квантовой радиофизике. Это направление возникло на стыке лазерной физики и волоконной оптики. Существует ряд преимуществ волоконных лазеров по сравнению с традиционными квантовыми излучателями, которые позволяют использовать их наравне с обычными лазерами, а в некоторых случаях и заменять их. Следует отметить, что в начале своего развития основной задачей волоконной оптики представлялось создание волоконных световодов как пассивной среды для передачи информации. Однако, как и в любой другой развивающейся области наук, в процессе решения первоначальной задачи были обнаружены и другие возможности волоконной оптики, которые на данный момент привели к расширению круга изучаемых объектов и явлений. Это в свою очередь привело к расширению области применения волоконных световодов и устройств на их основе.
Отдельным направлением волоконной оптики является разработка и исследование датчиков на основе оптических световодов. Настоящая работа посвящена исследованию возможности использования френелевского рассеяния в сердцевине оптического световода волоконного диффузора для создания датчика температуры. В качестве диффузора можно использовать оптические неоднородности сердцевины.
Известно, что выбор датчика во многом определяют условия, в которых будет находиться измеряющее устройство. Измерения, проводимые во враждебных и опасных средах, предъявляют особые требования к датчику, поскольку даже небольшие изменения состояния среды (давления и температуры) могут привести к существенным погрешностям или вывести сам датчик из строя. Подобные форс-мажорные ситуации могут повлечь катастрофические последствия, как показано в [1]. В некоторых враждебных средах, особенно при воздействии сильного электромагнитного поля, радиоволновых помехах и т.п., традиционные датчики (в том числе электрические) как правило, или не могут работать, или требуют существенного усложнения конструкции. Для оптических датчиков таких проблем не существует т.к. сердцевина волокна не чувствительна к влиянию электромагнитных полей [2].
Одним из важных применений датчиков температуры в условиях агрессивной среды с повышенной кислотностью является измерение температуры в медицине при проведении фотодинамической терапии различных заболеваний, в том числе раковых. Одним из вариантов изготовления оптического датчика температуры является датчик использующий явление рассеяния света в диффузоре оптической сердцевины волокна. При проведении фотодинамической терапии рассеяние света в диффузоре может использоваться как для собственно фототерапии (облучения специальных препараторов - фотосенсибилизаторов, заранее введенных в организм больного), так и для измерения температуры.
Фотосенсибилизаторами являются светочувствительные вещества, обладающие свойством избирательного накопления в опухоли или иных пораженных тканях (клетках). После облучения светом высокой интенсивности и длины волны, соответствующей максимуму поглощения использованного препарата, начинается химическая реакция, которая приводит к гибели клеток опухоли из-за повреждения её микрососудов.
При проведении фотодинамической терапии обычно используются дополнительные устройства измерения показателей состояния организма в месте проведения терапии: пульса, температуры и давления. Введение дополнительных датчиков нежелательно, поэтому настоящее исследование направлено на то, чтобы использовать оптический диффузор и для терапии, и в качестве оптического датчика температуры. Объектом исследования являются волоконные оптические рассеиватели излучения. Существуют различные варианты создания оптических рассеивателей. В настоящей работе будет рассмотрен вариант конструкции рассеивателя изготовленного на основе эффекта периодического расплавления сердцевины волокна под действием критически высокой температуры, так называемого fuse-эффекта (эффект расплавления). Как следствие этого эффекта в сердцевине образуются микрополости воздуха, показатель преломления которого отличается от показателя сердцевины световода. На границе раздела двух сред с относительным показателем преломления и=1,46 происходит частичное (=4%), отражение излучения назад к источнику, в то время как остальная часть излучения (=96%) продолжает распространяться дальше. Однако размеры микронеоднородностей могут быть соизмеримы с длиной волны излучения. В этом случае излучение частично отражается, частично проходит вперед, а частично рассеивается вбок в соответствии с индикатрисами рассеяния каждой неоднородности. Структура светового поля в результате интерференции рассеянных волн от каждой неоднородности получается достаточно сложной. Варьируя размерами, плотностью упаковки и длиной области, в которой сосредоточены микронеоднородности, можно изменять соотношения отраженного, рассеянного и прямопрошедшего излучения. Обычно доля отраженного назад излучения составляет примерно 4% от падающего. Отраженная обратно часть излучения может использоваться для изменения температуры. При изменении температуры изменяются геометрические размеры микронеоднородностей, и как следствие, доля отраженного назад излучения. Измерение доли отраженного назад излучения содержит информацию о температуре.
Таким образом, в одном устройстве можно реализовать и необходимое для фотодинамической терапии облучение светом высокой интенсивности, и создать датчик температуры. Это и является целью настоящего исследования.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
• изучение френелевского рассеяния;
• изучение эффекта плавления сердцевины (fiber fuse effect);
• разработка макета лазера для создания оптического диффузора, рассеяние на котором достигается за счет микрополостей воздуха, полученных в результате эффекта периодического плавления сердцевины;
• изучение диффузоров, сделанные на основе разных видов волокон разработка макета для проверки влияния изменения температуры на показатели обратного отражения на микрополостях в диффузоре, а также экспериментальная проверка разработанной схемы.
Таким образом, в этом исследовании будут задействованы наравне и теоретические (анализ), и эмпирические (эксперимент, сравнение, измерение), и математические методы исследования (статистический анализ).
Отдельным направлением волоконной оптики является разработка и исследование датчиков на основе оптических световодов. Настоящая работа посвящена исследованию возможности использования френелевского рассеяния в сердцевине оптического световода волоконного диффузора для создания датчика температуры. В качестве диффузора можно использовать оптические неоднородности сердцевины.
Известно, что выбор датчика во многом определяют условия, в которых будет находиться измеряющее устройство. Измерения, проводимые во враждебных и опасных средах, предъявляют особые требования к датчику, поскольку даже небольшие изменения состояния среды (давления и температуры) могут привести к существенным погрешностям или вывести сам датчик из строя. Подобные форс-мажорные ситуации могут повлечь катастрофические последствия, как показано в [1]. В некоторых враждебных средах, особенно при воздействии сильного электромагнитного поля, радиоволновых помехах и т.п., традиционные датчики (в том числе электрические) как правило, или не могут работать, или требуют существенного усложнения конструкции. Для оптических датчиков таких проблем не существует т.к. сердцевина волокна не чувствительна к влиянию электромагнитных полей [2].
Одним из важных применений датчиков температуры в условиях агрессивной среды с повышенной кислотностью является измерение температуры в медицине при проведении фотодинамической терапии различных заболеваний, в том числе раковых. Одним из вариантов изготовления оптического датчика температуры является датчик использующий явление рассеяния света в диффузоре оптической сердцевины волокна. При проведении фотодинамической терапии рассеяние света в диффузоре может использоваться как для собственно фототерапии (облучения специальных препараторов - фотосенсибилизаторов, заранее введенных в организм больного), так и для измерения температуры.
Фотосенсибилизаторами являются светочувствительные вещества, обладающие свойством избирательного накопления в опухоли или иных пораженных тканях (клетках). После облучения светом высокой интенсивности и длины волны, соответствующей максимуму поглощения использованного препарата, начинается химическая реакция, которая приводит к гибели клеток опухоли из-за повреждения её микрососудов.
При проведении фотодинамической терапии обычно используются дополнительные устройства измерения показателей состояния организма в месте проведения терапии: пульса, температуры и давления. Введение дополнительных датчиков нежелательно, поэтому настоящее исследование направлено на то, чтобы использовать оптический диффузор и для терапии, и в качестве оптического датчика температуры. Объектом исследования являются волоконные оптические рассеиватели излучения. Существуют различные варианты создания оптических рассеивателей. В настоящей работе будет рассмотрен вариант конструкции рассеивателя изготовленного на основе эффекта периодического расплавления сердцевины волокна под действием критически высокой температуры, так называемого fuse-эффекта (эффект расплавления). Как следствие этого эффекта в сердцевине образуются микрополости воздуха, показатель преломления которого отличается от показателя сердцевины световода. На границе раздела двух сред с относительным показателем преломления и=1,46 происходит частичное (=4%), отражение излучения назад к источнику, в то время как остальная часть излучения (=96%) продолжает распространяться дальше. Однако размеры микронеоднородностей могут быть соизмеримы с длиной волны излучения. В этом случае излучение частично отражается, частично проходит вперед, а частично рассеивается вбок в соответствии с индикатрисами рассеяния каждой неоднородности. Структура светового поля в результате интерференции рассеянных волн от каждой неоднородности получается достаточно сложной. Варьируя размерами, плотностью упаковки и длиной области, в которой сосредоточены микронеоднородности, можно изменять соотношения отраженного, рассеянного и прямопрошедшего излучения. Обычно доля отраженного назад излучения составляет примерно 4% от падающего. Отраженная обратно часть излучения может использоваться для изменения температуры. При изменении температуры изменяются геометрические размеры микронеоднородностей, и как следствие, доля отраженного назад излучения. Измерение доли отраженного назад излучения содержит информацию о температуре.
Таким образом, в одном устройстве можно реализовать и необходимое для фотодинамической терапии облучение светом высокой интенсивности, и создать датчик температуры. Это и является целью настоящего исследования.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
• изучение френелевского рассеяния;
• изучение эффекта плавления сердцевины (fiber fuse effect);
• разработка макета лазера для создания оптического диффузора, рассеяние на котором достигается за счет микрополостей воздуха, полученных в результате эффекта периодического плавления сердцевины;
• изучение диффузоров, сделанные на основе разных видов волокон разработка макета для проверки влияния изменения температуры на показатели обратного отражения на микрополостях в диффузоре, а также экспериментальная проверка разработанной схемы.
Таким образом, в этом исследовании будут задействованы наравне и теоретические (анализ), и эмпирические (эксперимент, сравнение, измерение), и математические методы исследования (статистический анализ).
В настоящее время волоконно-оптические датчики являются наиболее перспективными средствами измерения благодаря своим преимуществам по сравнению с традиционными электронными устройствами такими, как невосприимчивость к электромагнитным помехам, электрическая изоляция, уменьшенный вес и объем, долговечность и устойчивость к агрессивным воздействиям окружающей среды. В настоящей работе обоснована возможность объединения функций диффузора для фотодинамической терапии и датчика температуры, изготовленных на основе оптических волокон.
В ходе исследования разработан и собран волоконный лазер, легированный оксидами иттербия. При его использовании за счёт детонационного разрушения сердцевины оптического волокна были созданы диффузоры на двух видах волокна: многомодовом GIMM 62,5/125 мкм и одномодовом SMF28. При помощи микроскопа исследованы микрополости, возникшие внутри сердцевины волокна в результате эффекта плавления при разной мощности оптического излучения лазера. Разработаны рекомендации по изготовлению диффузоров с различной пространственной компоновкой микронеоднородностей. Для создания равномерного распределения рассеянного оптического поля оптимальными являются диффузоры, изготовленные при мощностях оптического излучения лазера порядка 2 Вт.
При помощи рефлектометра исследованы сигналы, отраженные от оптических неоднородностей диффузоров, изготовленных на разных видах волокон: многомодовом и одномодовом. Установлено, что для диффузора, созданного в волокне SMF28, максимум мощности обратных излучений приходится на первые 4-5 микрополостей. Для диффузора, созданного в волокне GIMM 62,5/125, максимум мощности обратных излучений приходится только на одну первую микрополость.
Разработан и собран специальный макет для проверки чувствительности диффузоров к изменению температуры. При проведении экспериментов с разными компонентами макета (источниками излучения, наличием или отсутствием волоконной брэгговской решетки) для проверки чувствительности диффузоров к изменению температуры были сделаны несколько выводов. Во- первых, в схеме без волоконной брэгговской решетки сложно отследить зависимость между разными температурами на одной длине волны т.к. эти графики накладываются друг на друга. Волоконная брэгговская решетка позволяет отследить долю обратно отраженного излучения на одной фиксированной длине волны. Это происходит за счет того, что она пропускает фотоны с длиной волны, отличающейся от ее номинала, и отражает фотоны с длиной волны 1550 нм. Во-вторых, в эксперименте были использованы два разных источника: один - широкополосный, второй - узкополосный. В первом случае наблюдаются характерные для резонатора Фабри-Перо пики, что создает дополнительные трудности при анализе графиков. Во втором случае - ширина спектра излучения меньше, чем спектра пиков резонатора Фабри-Перо, и анализировать данные становится удобнее.
Установлено, что для равномерного облучения при проведении фотодинамической терапии и контроля температуры облучаемой области, оптимальным является диффузор, изготовленный в одномодовом волокне. В результате исследования его характеристик получен калибровочный график зависимости амплитуды мощности обратного излучения от температуры. Это доказывает, что разработанный и изготовленный диффузор может применяться в фотодиномической терапии не только как рассеиватель света, но и как датчик температуры. Таким образом, цель настоящего исследования достигнута и задачи, поставленные в начале работы, выполнены в полном объеме.
В дальнейшем настоящее исследование можно продолжить в двух направлениях:
1. Увеличить точность определения температуры;
2. Переместить исследование диффузора из пространства в воздухе в пространство, в котором оно будет располагаться при проведении фотодинамической терапии, т.е. учесть распределение температуры в различных тканях человека.
В ходе исследования разработан и собран волоконный лазер, легированный оксидами иттербия. При его использовании за счёт детонационного разрушения сердцевины оптического волокна были созданы диффузоры на двух видах волокна: многомодовом GIMM 62,5/125 мкм и одномодовом SMF28. При помощи микроскопа исследованы микрополости, возникшие внутри сердцевины волокна в результате эффекта плавления при разной мощности оптического излучения лазера. Разработаны рекомендации по изготовлению диффузоров с различной пространственной компоновкой микронеоднородностей. Для создания равномерного распределения рассеянного оптического поля оптимальными являются диффузоры, изготовленные при мощностях оптического излучения лазера порядка 2 Вт.
При помощи рефлектометра исследованы сигналы, отраженные от оптических неоднородностей диффузоров, изготовленных на разных видах волокон: многомодовом и одномодовом. Установлено, что для диффузора, созданного в волокне SMF28, максимум мощности обратных излучений приходится на первые 4-5 микрополостей. Для диффузора, созданного в волокне GIMM 62,5/125, максимум мощности обратных излучений приходится только на одну первую микрополость.
Разработан и собран специальный макет для проверки чувствительности диффузоров к изменению температуры. При проведении экспериментов с разными компонентами макета (источниками излучения, наличием или отсутствием волоконной брэгговской решетки) для проверки чувствительности диффузоров к изменению температуры были сделаны несколько выводов. Во- первых, в схеме без волоконной брэгговской решетки сложно отследить зависимость между разными температурами на одной длине волны т.к. эти графики накладываются друг на друга. Волоконная брэгговская решетка позволяет отследить долю обратно отраженного излучения на одной фиксированной длине волны. Это происходит за счет того, что она пропускает фотоны с длиной волны, отличающейся от ее номинала, и отражает фотоны с длиной волны 1550 нм. Во-вторых, в эксперименте были использованы два разных источника: один - широкополосный, второй - узкополосный. В первом случае наблюдаются характерные для резонатора Фабри-Перо пики, что создает дополнительные трудности при анализе графиков. Во втором случае - ширина спектра излучения меньше, чем спектра пиков резонатора Фабри-Перо, и анализировать данные становится удобнее.
Установлено, что для равномерного облучения при проведении фотодинамической терапии и контроля температуры облучаемой области, оптимальным является диффузор, изготовленный в одномодовом волокне. В результате исследования его характеристик получен калибровочный график зависимости амплитуды мощности обратного излучения от температуры. Это доказывает, что разработанный и изготовленный диффузор может применяться в фотодиномической терапии не только как рассеиватель света, но и как датчик температуры. Таким образом, цель настоящего исследования достигнута и задачи, поставленные в начале работы, выполнены в полном объеме.
В дальнейшем настоящее исследование можно продолжить в двух направлениях:
1. Увеличить точность определения температуры;
2. Переместить исследование диффузора из пространства в воздухе в пространство, в котором оно будет располагаться при проведении фотодинамической терапии, т.е. учесть распределение температуры в различных тканях человека.