Прочитайте текст №1 и выполните задания А6-А11.
(1)... (2) А надо заметить, что фоновое, так называемое равновес¬ное, давление - около 370 микроатмосфер. (3)«В отдельных местах побережья, наиболее подверженных разрушению, это давление до¬стигает четырех тысяч микроатмосфер, - подчеркивает Семилетов. - (4)Уже тогда, четыре года назад, мы начали искать механизм, ответ¬ственный за эти аномалии. (5) ... наша нынешняя экспедиция под¬твердила: аномалия связана с выносом в море древней органики в процессе разрушения берегов».(6) Это необыкновенное открытие противоречит всем существовавшим до сегодняшнего момента пред¬ставлениям о цикле углерода биологического происхождения.
А6. Какое предложение должно быть первым в этом тексте?
1) Считалось, что органика, которая захоронена в вечной мерзло¬те, уже не участвует ни в каких дальнейших превращениях: просто она «вываливается» в Северный Ледовитый океан в виде стабильных к пассивных высокомолекулярных соединений (лигнин), а следова¬тельно, и не влияет на современные экологические циклы...
2) Еще в 1999 году Семилетов и его коллеги обнаружили загадоч¬ную аномалию: парциальное давление углекислого газа в морской во¬де в некоторых точках отбора проб составляло нескольких тысяч микроатмосфер.
3) Недавно состоялась удивительная экспедиция.
4) Интересно следующее исследование Семилетова.
1) Прежде всего 2) Однако 3) И вот 4) Иными словами
1) открытие противоречит 2) это противоречит 3) противоречит представлениям
4) необыкновенное открытие противоречит
3) сложное бессоюзное 4) сложное с бессоюзной подчинительной связью
А10. Укажите правильную морфологическую характеристику слова ПОДВЕРЖЕННЫЕ из третьего (3) предложения текста.
1) существительное 2) причастие 3) краткое прилагательное 4) деепричастие
А11. Укажите значение слова АНОМАЛИЯ в предложении 1.
1) отклонение от нормы 2) открытие 3) вид органики 4) давление
Работа с мини-текстом
Прочитайте текст №2 и выполните задания А6-А11.
(I)... (2) Они долговечны и хорошо приживаются, обладают хи¬мическими и механическими свойствами кости. (З)Такие имплантаты находят применение в нейрохирургии, позволяют восстанавливать суставы и кости черепа, пораженные позвонки и даже вживлять «живые зубы». (4)Сотрудники лаборатории биотехнологии Россий¬ского химико-технологического университета имени Д.И. Менделе¬ева больше десяти лет бьются над созданием искусственных проте¬зов. (5)... которые по своей структуре и минеральному составу напо¬минают кость и не будут отторгаться живым организмом. (6) Группа Б.И. Белецкого разработала новый материал для имплантатов, так называемый БАК, применение которого позволило на треть сокра¬тить число ампутаций.
А6. Какое из приведенных ниже предложений должно быть первым в этом тексте?
1) Российские ученые разрабатывают и изготавливают биоактив¬ные заменители костей.
2) Интересно, что последняя разработка биоактивного заменителя костей применяется в нейрохирургии.
3) Вот подбородок, спинка носа, здесь скуловые кости, а тут по¬звонки.
4) Статистика говорит об уменьшении числа ампутаций.
А7. Какое из приведенных ниже слов (сочетаний слов) должно быть на месте пропуска в пятом предложении?
1) Прежде всего 2) Причем таких 3) Кроме таких 4) Только не таких
А8. Какие слова являются грамматической основой в пятом (5) предложении текста?
1) которые напоминают и не будут отторгаться 2) напоминают и не будут отторгаться
3) напоминают кость 4) которые не будут отторгаться
А9. Укажите верную характеристику шестого (6) предложения текста.
1) сложное с бессоюзной и союзной сочинительной связью 2) сложносочиненное
3) сложное с бессоюзной связью 4) сложноподчиненное
А10. Укажите правильную морфологическую характеристику слова ДОЛГОВЕЧНЫ из второго (2) предложения текста.
3) краткое прилагательное.
А11. Укажите значение слова ИМПЛАНТАТ в предложении 3.
1) искусственно созданное вещество, предназначенное для вжив¬ления в человеческий организм
2) вещество, полученное в результате сложных химических опытов
3) штамм полезных бактерий 4) техническое приспособление
Работа с мини-текстом
Прочитайте текст №3 и выполните задания А6-А11.
(1)... (2) Ответ на этот вопрос зависит от того, насколько далеко вперед способен заглянуть человек. (З)Все блага цивилизации мы принимаем как данность. (4)...все они, как и успехи медицины, яви¬лись итогом многих десятилетий и веков работы ученых, занимав¬шихся пустячными на взгляд обывателя занятиями, вроде наблюде¬ний за звездами или за жизнью каких-то козявок. (5)Применение результатов науки, неконтролируемое учеными, принесло и много тяжелых проблем, но теперь лишь дальнейшее развитие науки спо¬собно нас от них избавить, равно как и дать новые источники энер¬гии, спасти от вызовов будущего, - таких, как новые эпидемии или природные катаклизмы.
1) Не приводит ли наука к еще большим опасностям?
2) Решает ли современная наука глобальные проблемы повседнев¬ности?
3) Решает ли фундаментальная наука стоящие перед человечест¬вом проблемы или же приводит только к новым опасностям?
4) Не может ли наука избавить от опасностей?
А7. Какое из приведенных ниже слов (сочетаний слов) должно быть на месте пропуска в четвертом предложении?
1) Прежде всего 2) Однако " 3) Кроме того 4) Иными словами
1) ученых занимавшихся 2) явились итогом работы
3) они явились итогом 4) они явились итогом десятилетий.
А9. Укажите верную характеристику четвертого (4) предложения текста.
1) сложное с бессоюзной и союзной сочинительной связью 2) сложносочиненное
3) простое 4) сложное с бессоюзной и союзной подчинительной связью
А10. Укажите правильную морфологическую характеристику слова СПОСОБЕН из второго (2) предложения текста.
4) деепричастие совершенного вида
А11. Укажите значение слова КАТАКЛИЗМ в предложении 5.
1) стихийное бедствие 2) ежегодный разлив рек
3) влияние человека на природу 4) влияние природы на человека
Работа с мини-текстом
Прочитайте текст №4 и выполните задания А6-А11.
(1)... (2) К альтернативным методам исследования относится и компьютерная биология. (З)Это некая пограничная область, которая бурно развивается и разветвляется, используя возможности компью¬теров и цифровой фото- и видеотехники. (4)Сюда относится математическое моделирование биологических процессов, работа с компьютерными базами данных. (5)Есть в Интернете и разнообраз¬ные биологические коллекции - электронные версии традицион¬ных зоомузеев, гербариев либо определители, где представлены «портреты» зафиксированных, засушенных и отпрепарированных растений и животных. (6) ...подобный Интернет-ресурс может стать информационной базой новой науки о живом организме - физиомики.
А6. Какое из приведенных ниже предложений должно быть пер¬вым в этом тексте?
1) Виртуальный биологический музей, о котором пойдет речь, принципиально отличается от таких сетевых биологических коллек¬ций.
2) Общее мнение выразила академик РАН и РАМН Наталия Бех¬терева.
3) Сегодня в биологии предпочтительнее альтернативные методы исследования.
4) Идея его создания принадлежит кандидату биологических наук, старшему научному сотруднику Института теоретической и экспери¬ментальной биофизики Российской академии наук (ИТЭБ РАН) Харлампию Тирасу.
1) Итак 2) Однако 3) Кроме того 4) Иными словами
А8. Какие слова являются грамматической основой в шестом (6) предложении текста?
1) Интернет-ресурс может 2) Может стать базой 3) Интернет-ресурс может стать базой 4) Стать базой
А9. Укажите верную характеристику пятого (5) предложения текста.
1) простое 2) сложносочиненное 3) сложное бессоюзное 4) сложноподчиненное
А10. Укажите правильную морфологическую характеристику слова ИСПОЛЬЗУЯ из третьего (3) предложения текста.
1) действительное причастие 2) страдательное причастие
А11. Укажите значение слова МОДЕЛИРОВАНИЕ в предложении 4.
1) создание примерной модели уже существующего или будущего
2) копирование уже существующего или будущего
3) воссоздание уже существующего или будущего
4) подражание уже существующему или будущему
Работа с мини-текстом
Прочитайте текст №5 и выполните задания А6-А11.
(1)... (2) Понятно, - скажете вы, - чтобы, проходя мимо, люди отдавали дань уважения и благодарности объекту поклонения. (3)На пьедестале нового памятника, сооружённого возле Санкт-Петербург¬ского университета, важно восседает...кот. (4)Университетские учё¬ные, а их поддержали коллеги из институтов физиологии имени И.П. Павлова, эволюционной физиологии и биохимии имени И.М. Сеченова, мозга человека, биорегуляции и геронтологии, других знаменитых на весь мир научных учреждений, решили, что пора пока¬яться перед животными, тысячами отдававшими свои жизни во имя Науки. (5)Животными, без которых не было бы многих открытий в биологии.(б) ...кот Василий - уже третий в мире памятник лаборатор¬ному животному - после лягушки в Сорбонне и «павловской» собаки возле Института экспериментальной медицины в Петербурге.
А6. Какое из приведенных ниже предложений должно быть пер¬вым в этом тексте?
1) А вы видели новый, памятник? 2) Для чего воздвигают памятники?
3) Чему посвящен этот памятник? 4) Как пройти к новому памятнику?
А7. Какое из приведенных ниже слов (сочетаний слов) должно быть на месте пропуска в шестом предложении?
1) Прежде всего 2) Однако 3) Что характерно 4) Иными словами
А8. Какие слова являются грамматической основой в третьем (3) предложении текста? .
1) важно восседает 2) важно восседает кот 3) восседает на пьедестале кот 4) восседает кот
А9. Укажите верную характеристику пятого (5) предложения текста.
1) сложное с подчинительной и сочинительной связью 2) сложносочиненное
3) сложноподчиненное 4) простое
А10. Укажите правильную морфологическую характеристику слова ПРОХОДЯ из второго (2) предложения текста.
1) действительное причастие 2) страдательное причастие
3) деепричастие несовершенного вида 4) деепричастие совершенного вида
А11. Укажите значение слова ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ в пред¬ложении 6.
1) основанная на поиске новых методов 2) использующая классические методы
3) старая 4) новая
Работа с мини-текстом
Прочитайте текст №6 и выполните задания А6-А11.
(1)... (2) Он называется лазерный оптико-акустический томо¬граф, а применять его будут для обследования новообразований в молочных железах. (3)Прибор излучением одной длины волны помогает найти в груди пациентки неоднородность размером со спичечную головку, а другой - определить, доброкачественное это новообразование или нет. (4) При поразительной точности метода процедура совершенно безболезненна и занимает всего несколько минут. (5) ... лазер заставляет опухоль петь, а акусти¬ческий микроскоп по звуку находит и определяет по тембру зву¬чания её природу.
А6. Какое из приведенных ниже предложений должно быть пер¬вым в этом тексте?
1) В основе прибора - сразу два метода.
2) Работу авторам удалось осуществить благодаря поддержке РФФИ.
3) Уникальный прибор сконструировали физики из Международ¬ного научно-учебного лазерного центра МГУ им. М.В. Ломоносова.
4) Оно позволяет получить оптическое изображение опухоли, скрытой на глубине до 7 см и точно найти ее местонахождение.
А7. Какое из приведенных ниже слов (сочетаний слов) должно быть на месте пропуска в пятом предложении?
1) Прежде всего 2) Образно говоря 3) Кроме того 4) Однако
А8. Какие слова являются грамматической основой в четвертом (4) предложении текста?
1) процедура безболезненна и занимает несколько минут
2) процедура занимает несколько минут
3) процедура безболезненна
4) занимает всего несколько минут
А9. Укажите верную характеристику пятого (5) предложения текста.
1) сложное с бессоюзной и союзной сочинительной связью 2) сложносочиненное
3) сложное бессоюзное 4) сложное с бессоюзной и союзной подчинительной связью
А10. Укажите правильную морфологическую характеристику слова ЭТО из третьего (3) предложения текста.
1) личное местоимение 2) указательное местоимение
3) определительное местоимение 4) относительное местоимение
А11. Укажите значение слова ОПУХОЛЬ в предложении 5.
1) новообразование 2) припухлость от удара
3) только доброкачественное новообразование 4) только злокачественное новообразование
Ответы
№ задания
А6
А7
А8
А9
А10
А11
1
2
3
1
3
2
1
2
1
2
1
4
3
1
3
3
2
3
3
3
1
4
3
3
3
4
3
1
5
2
3
4
3
3
1
6
3
2
1
2
2
1
Используемая литература
Текучёва И.В. Русский язык: 500 учебно-тренировочных заданий для подготовки к ЕГЭ. – М.: АСТ: Астрель, 2010.
Создан прибор физиками Международного научно-учебного лазерного центра МГУ им. М.В.Ломоносова на основе двух давно известных явлений. Во-первых, раковая опухоль поглощает свет и тепло интенсивнее, чем здоровая ткань, в которой концентрация крови ниже, а кислорода содержится больше.
Кроме того, известно, что все тела при нагревании не только расширяются, но и издают звук. Вспомним, к примеру, как свистит кипящий чайник. Причем медленное нагревание порождает слабый звук. Быстрое - более сильный. А мгновенное дает мощную акустическую волну.
Так вот, "поющий томограф" практически мгновенно нагревает исследуемую ткань своим лазерным лучом: за сотую долю микросекунды - на одну десятую градуса. Поскольку в любой опухоли крови больше, чем в здоровых тканях, нагревается она сильнее. И звук, идущий из нее, получается мощнее в два-три раза. Его и улавливает сверхчувствительная акустическая система томографа. Это "электронное ухо" точно указывает местоположение опухоли.
Звуковой сигнал на экране компьютера превращается в картинку. Ярко желтое пятно в кроваво-красном обрамлении на черном фоне выглядит космическим пейзажем. Им можно даже любоваться, если не знать, что это снимок раковой опухоли. Он в сотни раз контрастнее, чем любое ее изображение, сделанное уже известными способами.
Это общий принцип действия прибора, - объясняет руководитель проекта, доктор физико-математических наук Александр Карабутов. - В реальности томография проходит в два приема. Сначала лазерный луч определенной длины волны сканирует грудь пациентки. Пока это лишь поиск неоднородностей. Если томограф "слышит" резкое усиление звука, значит, найдено подозрительное место. Но что это? Злокачественное или доброкачественное образование? Мы переключаем прибор на другую волну, которая проверяет кровь в найденной опухоли на уровень содержания кислорода. Если оно меньше нормы - это рак. О чем и сообщает томограф. Он снова "поет", но уже "не своим голосом": тембр существенно меняется. А вот если концентрация кислорода выше нормы, то и тембр звука совершенно иной. Это, скорее всего, лишь мастопатия.
Обработать акустические сигналы сможет обыкновенный лаборант. И уже через несколько минут получить на экране компьютера изображение опухоли - если она, конечно, есть - размером от 2 миллиметров на глубине до 7 сантиметров. А также выяснить - доброкачественная она или нет. Все это совершенно без вреда для пациента. И безболезненно. Вот в этих "четыре в одном" и состоит уникальность "поющего томографа".
Для сравнения, тот же рентген или нейтронозахватные технологии диагностики, как и любое радиоактивное облучение, небезвредны даже для здорового человека. А современные средства, например, оптической диагностики позволяют определить опухоль не меньше пяти миллиметров. Притом что рак молочных желез, который еще не дает метастаз, это всего три миллиметра. Такую "песчинку" различить оптическим методом тем более трудно, если она залегла на глубине, например, шести сантиметров. Ведь луч должен пройти сквозь всю женскую грудь - туда и обратно. А это - среда, рассеивающая свет. На пути туда он рассеивается в миллион раз, обратно - тоже в миллион. А вот звук не претерпевает каких-либо серьезных искажений. Поэтому оптический сигнал, преобразованный в акустический, дает гораздо более высокую диагностическую точность.
Только что удостоенная Нобелевской премии ядерно-магнитная томография при абсолютной безвредности дает трехмерное изображение опухоли, залегающей на любой глубине. Но и у нее есть весьма существенный недостаток: то, что хорошо для исследований мозга, дает сбои при маммографии. Исследование на ЯМТ длится двадцать минут: пациентка дышит, кровь пульсирует, меняется и ее концентрация, и уровень содержания кислорода. Картинка получается со значительными искажениями. Случается, что по ядерно-магнитной томограмме ставят диагноз - рак, но затем биопсия дает отрицательное заключение.
Да, мы получаем только двумерное изображение, - говорит Александр Карабутов, - зато практически без искажений. Ведь за треть секунды слишком сильных физиологических изменений в исследуемой ткани не происходит. Наш томограф не заменяет все известные, он дополняет их.
Пока "поющий томограф" существует лишь в лабораторном варианте. И все же на нем уже исследовали два десятка добровольцев с подозрениями на злокачественную опухоль. Прибор ни разу не ошибся. А с одной из женщин вышла такая история. То, что у нее рак, указывали различные анализы. Но где он скрывается, не могли выявить никакими известными способами. Оказалось, за силиконовым имплантантом. О чем и сообщил лазерный оптико-акустический томограф.
Лазерная томография, как метод диагностики заболеваний
Томография (греч. tomos слой, кусок + graphiō писать, изображать) - метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта посредством многократного его просвечивания в различных пересекающихся направлениях (так называемое сканирующее просвечивание).
γ -квант511 keV |
томография |
Виды томографии
Сегодняорганы внутри тела диагностируют, в основном, рентгеновским (СТ), магнитно-резонансным (МРТ) и ультразвуковым (УЗТ) методами. Эти методы обладают высоким пространственным разрешением, давая точную структурную информацию. Однако они имеют один общий недостаток: не могут определить является ли определенное пятно опухолью, и, если да, то злокачественная ли она . К тому же рентгеновскую томографию нельзя применять раньше 30 лет.
MULTIMODALITY! Сочèтанное использование различных методов - один с хорошим пространственным разрешением
Электронно-лучеваяCT– 5-е поколение
Фронтальная CT (слева), PET (центр) и Сочетанная PET/CT
(справа), показывает распределение позитронов, испускаемых 18 F-фтордиоксидглюкозой, наложенное на CT
Лазерная Оптическая Томография
Оптические, и в первую очередь, интерференционные измерения, внесли значительный вклад в развитие физической и инструментальной оптики, а также в совершенствование измерительной техники и метрологии. Эти измерения имеют исключительно высокую точность в широком диапазоне измеряемых величин, благодаря использованию в них в качестве меры длины волны света и технически просто воспроизводимой в лабораторных и производственных условиях. Использование лазеров не только обеспечило новые функциональные и метрологические возможности оптической интерферометрии, но и привело к развитию принципиально новых методов интерференционных измерений, таких как интерферометрии с использованиемнизкокогерентного оптического излучения, обеспечивающего формирование интерференционногосигнала только при малых разностях хода волн в интерферометре.
Низкокогерентные интерференционные системы работают в режиме так называемого корреляционного радара, определяющего расстояние до цели по положению корреляционного импульсного сигнала, которым в интерферометре служит интерференционный сигнал. Чем меньше длина когерентности (корреляции), тем меньше длительность корреляционного импульса и тем точнее определяется расстояние до цели, иными словами – выше пространственное разрешение радара. Достижимые значения длины когерентности оптического излучения в единицы микрометров, соответственно, обеспечивают микронное разрешение оптического радара. Особенно широкое практическое применение оптические интерференционные радары нашли в биомедицинской диагностической технике (оптические томографы) для контроля параметров внутренней структуры биологической ткани.
Люминесцентная оптическая томография –одна из вариаций этой идеи. Свет, отраженный от опухоли (Рис.1.11а ), отличается от света, отраженного нормальной тканью, также различаются люминесцентные характеристики (Рис.1.11б) из-за различий в степени оксигенации. Для снижения ложноотрицательных диагнозов ИК лазер через зонд облучает опухоль, и затем регистрируется отраженное от опухоли излучение.
Оптико-акустическая томография использует различие в поглощении коротких лазерных импульсов тканями, последующем их нагревеи крайне быстром терморасширении, для получения ультразвуковых волн, детектируемых пьезоэлектрикой. Полезна, в первую очередь, при изучении перфузии крови.
Конфокальная сканирующая лазерная томография(SLO) –используется для получения неинвазивных трехмерных изображений заднего сегмента глаза (диска зрительного нерва и окружающей ретинальной поверхности) Лазерный луч фокусируется на некоторой глубине внутри глаза, и сканируется в двухмерной плоскости. Приемника
достигает свет только из этой фокальной плоскости. Последовательность |
|
таких плоских 2D картин, получаемых при увеличении глубины фокальной |
|
плоскости, результируется в 3D топографическое изображение диска |
|
зрительного нерваи околососочкового ретинального слоя нервных |
|
волокон (сравнимо со стандартной стереофотографией глазного дна) |
|
Рис.1.10 . Этот подход полезен не только при непосредственном |
|
детектировании аномалий, но также для отслеживания незначительных |
|
временных изменений. Менее 2 сек требуется, чтобы сделать |
|
последовательно 64 развертки (кадра) ретины на поле 15°х15°, |
|
отраженного с различной глубины излучения 670-нм лазера. Форма края |
|
ямки, подчеркнутого искривленной зеленой линией, указывает на дефект |
|
слоя нервных волокон на обрамляющей (rim) диска зрительного нерва. |
Рис.1.10 Конфокальная сканирующая лазерная |
томографиядиска зрительного нерва |
Конфокальный микроскоп
Ограничения аксиального разрешенияSLO |
|||||||
Продольное разрешение |
SLO и, |
||||||
соответственно, |
конфокального z |
||||||
микроскопа зависит от |
|||||||
резкости обратно пропорционально квадрату числовой апертуры (NA=d/2f ) микрообъектива. Поскольку толщина глазного яблока, который берет на себя роль объектива микроскопа, ~2 см, для нерасширенного зрачка NA<0,1. Таким образом,
глубина резкости изображения сетчатки для конфокальной офтальмоскопии с лазерным сканированием ограничивается >0,3 мм, благодаря совокупному эффекту низкой числовой апертуры иаберраций передней камеры глаза.
Оптическая когерентная томография (ОСТ)
ОСТ – новая медицинская диагностика, разработанная в 1991, привлекательна для биомедицинских исследований и клиники по нескольким причинам. ОСТ позволяет создавать изображение в реальном времени с мкм разрешением клеточной динамики , без необходимости обычной биопсии и гистологии, давая изображение тканей, в т.ч. с сильным рассеянием, таких как кожа, коллаген, дентин и эмаль, на глубине до 1-3 мкм.
Что рассеивает в ткани?
проникновения излучения в |
||||||
биоткани зависит, как от поглощения, так и от |
||||||
рассеяния. Рассеяние связано с разными |
||||||
показателями преломления у разных клеток и |
||||||
клеточных ячеек. |
||||||
Рассеяние света на тканевых структурах |
||||||
Рассеяние зависит от длины волны |
||||||
Рассеяние в ткани происходит на границе липид-вода в клеточных мембранах (особенно |
||||||
лазерного луча |
(Рис.). Излучение с длиной |
мембранах митохондрий,(а)), ядрах и протеиновых волокнах (коллаген или актин-миозин (б)) |
||||
волны намного большей, чем диаметр ячеистых структур (>10 мкм), рассеивается слабо.
Излучение эксимерного лазера УФ диапазона (193, 248, 308 и 351 мкм), а также ИК-излучение 2,9 мкм эрбиевого (Er:YAG), вызванного поглощением водой, и 10,6 мкм СО2 -лазера имеют глубину проникновения от 1 до 20 мкм. Из-за малой глубины проникновения рассеивание в слоях кератиноцитов и фиброцитов, как и на эритроцитах в кровеносных сосудах, играет подчиненную роль.
Для света с длиной волны 450-590 нм, что соответствует линиям лазеров на аргоне, КТР/Nd и диодным лазерам видимого диапазона, глубина проникновения составляет в среднем от 0,5 до 3 мм. Как и поглощение в специфических хромофорах, так и рассеяние играет здесь значительную роль. Лазерный луч этих длин волн, хотя и остается коллимированным в центре, но окружен зоной с высоким коллатеральным рассеиванием.
В области спектра между 590–800 нм и более до 1320 нм при относительно слабом поглощении также доминирует рассеивание. В этот спектр попадает большинство ИК диодных и хорошо изученных Nd:YAG лазеров. Глубина проникновения излучения 8-10 мм.
Малоразмерные тканевые структуры, такие как мембраны митохондрий, или периодичность коллагеновых волокон, много меньшие длины волны света (λ), приводят к изотропному Рэлеевскому рассеянию (более сильному на коротких длинах волн, ~λ-4 ). Крупные структуры, такие как целые митохондрии или пучки коллагеновых волокон, много большие длины волны света, ведут к анизотропному (направленному вперед) Ми-рассеянию (~λ-0,5 ÷ λ-1,5 ).
Оптическая диагностика предполагает исследование биоткани с помощью баллистической Когерентной томографии (детектируется время пролета фотона до мишени), или Диффузной томографии (сигнал детектируется после многократного рассеяния фотона). Объект, скрытый внутри биологической среды, должен быть детектирован и локализован, обеспечивая как структурную, так и оптическую информацию, желательно в реальном времени и без изменения окружающей среды.
Диффузная оптическая томография (DOT).
В типичной DOT, ткань зондируется ближним ИК светом, передаваемым через многомодовое волокно, подводимое к поверхности ткани. Свет, рассеянный тканью собирается с различных локализаций волокнами, связанными с оптическими детекторами, аналогично СТ или MRI. Но практическое
использование DOT ограничено сильным поглощением и рассеянием света тканью, которое приводит к низкому разрешению по сравнению со стандартными клиническими методами, рентгеновскому и MRI.
Лазерное детектирование объекта в рассеивающей среде, в т.ч. омметод средних фотонных траекторий (РАТ).
К тому же чувствительность метода снижается с увеличением глубины, приводя к ее нелинейной зависимости поперек области изображения, делая еще более трудным восстановление больших объемов ткани.Также относительно низкий контраст между оптическими характеристиками здоровых и аномальных тканей, даже с использованием экзогенных хромофоров (просачивание Indocyanine ICG в сосудистую сеть опухоли повышает его концентрацию относительно нормальной ткани), является критическим для клинического применения.
Принцип баллистической Когерентной томографии (ОСТ)
Рассеянный объектом пучок в интерферометре Майкельсона (зеркало в объектном плече интерферометра заменяется биотканью) интерферирует с опорным (референтное плечо имеет прецизионно перемещаемое ретрозеркало). Изменяя задержку между пучкамими, можно получить интерференцию с сигналом из разной глубины. Задержка непрерывно сканируется, благодаря чему частота света в одном из пучков (опорном) смещается вследствие эффекта Доплера. Это позволяет выделить сигнал интерференции на сильном фоне, обусловленном рассеянием. Пара управляемых компьютером зеркал, сканируя луч по поверхности образца, строит томографическое изображение, обрабатываемое в режиме реального времени.
Блок-схема и принцип действия ОСТ
Пространственное разрешение по глубине определяется временной когерентностью светового источника: ниже
когерентность, меньше минимальная толщина среза изображения исследуемого объекта. При многократном рассеянии оптическое излучение теряет когерентность, поэтому можноиспользовать
широкополосные,низкокогерентные, в т.ч. фемтосекундные лазеры для исследования относительно прозрачных сред. Правда, и в этом случае сильное рассеяние света в биотканях не позволяет получить изображение с глубины >2-3 мм.
Ограничения аксиального разрешенияОСТ
Для гауссовых пучков d - размер луча на фокусирующей линзе с фокальной длиной f
Аксиальное разрешение ОСТ ∆z в зависимости от ширины спектра лазерного излучения ∆λ и центральной длины волны λ
(Допущения: гауссовский спектр, недисперсионная среда)
Глубина резкости
b - конфокальный параметр = двойной длине Рэлея
В противоположность конфокальной микроскопии, OCT достигает очень высокого продольного разрешения изображения независимо от условий фокусировки, т.к. продольное и поперечное разрешение определяются независимо.
Поперечное разрешение также как глубина резкости зависят от размера фокального пятна
(как в микроскопии), в то время как продольное
разрешение зависит главным образом от длины когерентности светового источника ∆z = IC /2 (а
не от глубины резкости, как в микроскопии).
Длина когерентности есть пространственная ширина поля автокорреляции, измеряемого интерферометром. Огибающая поля корреляции эквивалентна Фурье преобразованию спектральной плотности мощности. Поэтому продольное
разрешение обратно пропорционально спектральной ширине полосы светового источника
Для центральной длины волны 800 нм и диаметра луча 2-3 мм , пренебрегая хроматической аберрацией глаза, глубина резкости ~450 мкм , которая сравнима с глубиной формирования ретинального изображения. Однако низкая числовая апертура NA фокусирующей оптики (NA=0,1÷0,07) – низкое продольное разрешение обычного микроскопа. Наибольший размер зрачка, для которого еще сохраняется дифракционное разрешение ~3 мм, дает размер ретинального пятна 10-15 мкм.
Уменьшение пятна на ретине, и, соответственно,
повышение поперечного разрешения ОСТ на порядок, может быть достигнуто при коррекции аберраций глаза с помощью адаптивной оптики
Ограничения аксиального разрешения ОСТ
Искажение формы ультраширокой полосы спектра светового источника
Хроматическая аберрация оптики
Дисперсия групповой скорости
Хроматическая аберрация оптики
Ахроматический объектив (670-1020nm 1:1, DL)
Хроматические аберрации, как функция длины фокусировки интерферометра, для обычного и параболического зеркальнолинзового объектива
Дисперсия групповой скорости
Дисперсия групповой скорости снижает разрешение
ОСТ (слева) более чем на порядок (cправа).
Коррекция дисперсией групповой скорости ОСТ ретины Толщина плавленого кварца или BK7 в референтном
плече варьируется для компенсации дисперсии
(a) ширина спектра Ti:sapphire лазера и SLD (пунктир)
(b) аксиальная разрешающая способность ОСТ
Оптический когерентный томограф высокого разрешения
В отличие от рентгеновской (СТ) или MRI томографии ОСТ может быть сконструирован в компактный, портативный
и относительно недорогой прибор. Стандартная разрешающая способность ОСТ (~5-7 мкм), определяемая шириной полосы генерации, в десять раз лучше, чем у СТ или MRI; разрешение УЗИ на оптимальной частоте трансдюсера ~10
МГц ≈150 мкм, на 50 МГц ~30 мкм. Главный недостаток ОСТ - ограниченное проникновение в непрозрачную биологическую ткань. Максимальная глубина изображения в большинстве тканей (кроме глаз!) ~1-2 мм ограничена оптическим поглощением и рассеиванием. Эта глубина изображения ОСТ является поверхностной по сравнению с другими методиками; однако, она достаточна для работы на сетчатке глаза. Она сопоставима с биопсией и поэтому достаточна для оценки большинства ранних изменений новообразований, которые очень часто происходят в наиболее поверхностных слоях, например, в эпидерме человеческой кожи, слизистой или подслизистой оболочке внутренних органов.
В ОСТ, в сравнении с классической схемой интерференционного микроскопа, используются источники с большей мощностью и лучшей пространственной когерентностью (как правило, суперлюминесцентные диоды) и объективы с малой числовой апертурой (NA<0,15), что обеспечивает большую глубину фокусировки, в пределах которой селекция слоев осуществляется за счет малой длины когерентности излучения. Поскольку ОСТ основан на волоконной оптике, офтальмологический ОСТ легко встраивается в щелевую лампу биомикроскопа или фундус-камеру, которые передают изображения луча в глаз.
Рассмотрим в качестве центральной длины волны λ=1 мкм (лазер может иметь Δλ < 0,01нм), и в этом случае l c ≈ 9см. Для сравнения, типичный SLD имеет полосу пропускания Δλ ≥50 нм, т.е. l c <18 мкм и т.к l c определяется для двойного прохода, это приводит к разрешению по глубине 9 мкмв воздухе, которое в тканях, учитывая показатель преломления n ≈1.4, дает 6 мкм. Недорогой компактный широкополосный SLD с центральной длиной волны 890 нм и шириной полосы 150 нм (D-890, Superlum ),
позволяет получать изображение сетчатки с осевым разрешением в воздухе ~3 мкм.
Для интерференции требуется строгое соотношение фаз интерферирующих волн. При многократных рассеяниях фазовая информация пропадает, и только однократно рассеянные фотоны дают вклад в интерференцию. Таким образом, максимальная глубина проникновениявОСТ определяется глубиной однократного рассеяния фотонов.
Фотодетектирование на выходе интерферометра включает в себя перемножение двух оптических волн, поэтому слабый сигнал в объектном плече, отраженный или прошедший через ткань, усиливается сильным сигналом в опорном (референтном) плече. Это объясняет более высокую чувствительность ОСТ по сравнению с конфокальной микроскопией, которая, например, в коже может получать изображение только с глубину до 0,5 мм.
Поскольку все ОСТсистемы строятся на основе конфокального микроскопа, поперечное разрешение определяется дифракцией. Для получения 3D-информации устройства визуализации оснащены двумя ортогональными сканерами, один для сканирования объектапо глубине, другой для сканирования объекта в поперечном направлении.
Новое поколение ОСТ разрабатывается как в направлении повышения продольного разрешения ∆ z= 2ln(2)λ 2 /(π∆λ) ,
путем расширения полосы генерации ∆λ , так и увеличения |
||
глубины проникновения излучения в ткань. |
||
Твердотельные |
лазеры показывают ультравысокое |
|
разрешение ОСТ . На основе широкополосного Ti:Al2 O3 |
||
лазера (λ = 800 нм, τ = 5.4 фсек, ширина полосы Δλ до 350 |
||
нм) был разработан ОСТ с ультравысоким (~1 мкм) осевым |
||
разрешением, на порядок превосходящим стандартный |
||
уровень ОСТ, использующего суперлюминесцентные диоды |
||
(SLD). В результате удалось получить in vivo из глубины |
||
сильно рассеивающей ткани изображение биологических |
||
клеток с пространственным разрешением близким к |
||
дифракционному пределу оптической микроскопии, что |
||
позволяет проводить |
биопсию ткани непосредственно во |
Уровень развития фемтосекундных лазеров: |
время операции. |
длительность <4fs, частота 100 MГц |
|
Так как рассеяние зависит сильно от длины волны, уменьшаясь с ее увеличением, то большая глубина проникновения в непрозрачную ткань может быть достигнута с более длинноволновым излучением, по сравнению с λ=0.8 мкм. Оптимальные длины волн для получения изображения структуры непрозрачных биотканей лежат в диапазоне 1.04÷1.5 мкм. Сегодня широкополосный Cr:форстерит лазер (λ=1250 нм) позволяет получить ОСТ изображение клетки с аксиальным разрешением ~ 6 мкм с глубины до 2-3 мм. Компактный Er волоконный лазер (суперконтинуум 1100-1800 нм), обеспечивает на λ=1375 нм продольное разрешение ОСТ 1,4 мкм и поперечное 3 мкм.
Фононно-кристаллические волокна (PCF) с высокой нелинейностью были использованы для генерации еще более широкого спектрального континуума.
Широкополосные твердотельные лазеры и суперлюминесцентные диоды перекрывают практически всю, наиболее интересную для формирования ОСТ изображений, видимую и ближнюю ИК область спектра.
Уникальный прибор сконструировали физики из Международного научно-учебного лазерного центра МГУ им.М.В.Ломоносова. Он называется лазерный оптико-акустический томограф, а применять его будут для обследования новообразований в молочных железах. Прибор излучением одной длины волны помогает найти в груди пациентки неоднородность размером со спичечную головку, а другой - определить, доброкачественное это новообразование или нет. При поразительной точности метода процедура совершенно безболезненна и занимает всего несколько минут. Работу авторам удалось осуществить благодаря поддержке РФФИ, высоко оценившего этот инновационый проект. А создать прототип томографа ученым помогли коллеги из НПП "Антарес".
В основе прибора - сразу два метода. Образно говоря, лазер заставляет опухоль петь, а акустический микроскоп по звуку находит и определяет по тембру звучания ее природу. Чтобы реализовать этот принцип "в металле", то есть перейти от идеи к прототипу, авторам пришлось разработать не только конструкцию томографа, но и соответствующее программное обеспечение. Оно позволяет получить оптическое изображение опухоли, скрытой на глубине до 7 см и точно найти ее местонахождение.
Сначала в игру вступает лазер, который умеет генерировать излучение на двух длинах волн в ближнем инфракрасном диапазоне - разумеется, последовательно. Сначала лучом одной длины волны оператор сканирует грудь пациентки - пока это поиск неоднородностей ткани. В месте облучения ткань чуть-чуть нагревается - буквально на доли градуса, а от нагревания - расширяется. Поскольку время импульса - доли микросекунды, то и расширение это тоже происходит быстро. А, увеличиваясь в объеме, ткань издает слабый акустический сигнал - тихонько пищит. Разумеется, уловить писк можно только с помощью высокочувствительного приемника и усилителей. Все это в новом томографе тоже есть.
Поскольку в опухоли больше кровеносных сосудов, то нагревается она сильнее, чем нормальная ткань, и ультразвуковой сигнал при нагревании генерирует с другими параметрами. Значит, "просвечивая" и "прослушивая" грудь со всех сторон, можно найти источник "неправильного" акустического сигнала и определить его границы.
Следующий этап - диагностика новообразования. Она основана на том факте, что кровоснабжение опухоли тоже отличается от нормы: в злокачественной опухоли кислорода в крови меньше, чем в доброкачественной. А поскольку спектры поглощения крови зависят от содержания в ней кислорода, то это и дает возможность определить характер новообразования. Причем неинвазивно - а значит, и безболезненно, и быстро, и безопасно. Для этого исследователи предложили использовать лазерное ИК излучение уже с другой длиной волны.
В результате, обработав полученные акустические сигналы, оператор в режиме реального времени сможет получить на экране прибора изображение размером 5х5 см опухоли размером от 2-3 мм на глубине до 7 см и выяснить, доброкачественная она или нет. "Пока есть только действующий макет установки, - рассказывает руководитель проекта доктор физико-математических наук Александр Карабутов. - Мы планируем, что скоро будет готов и прототип нашего лазерно-акустического томографа, который мы надеемся подготовить к испытаниям в клинике уже к концу следующего года. В клинике этот прибор очень ждут".
В современной науке для исследования внутреннего строения живых организмов существует много методов, но каждый из них даёт далеко не безграничные возможности. Один из перспективных методов, флуоресцентная микроскопия, основан на формировании изображения оптическим излучением, которое возникает внутри объекта или в результате собственного свечения вещества, или за счет специально направленного оптического излучения определенной длины волны. Но пока ученым приходилось довольствоваться лишь изучением объектов на глубине 0,5-1 мм, а дальше свет сильно рассеивается и отдельные детали не подлежат разрешению.
Группа ученых под руководством директора Института медицины и биологии при Центре имени Гельмгольца по изучению окружающей среды Василиса Нциахристиса и доктора Даниэля Разански разработала новый метод изучений микроскопических деталей в тканях.
Им удалось добиться получения трехмерных изображений внутренней структуры живых организмов на глубине 6 мм с пространственным разрешением менее 40 микрон (0,04 мм).
Что же нового придумали ученые из Центра имени Гельмгольца? Они последовательно посылали на изучаемый объект луч лазера под разными углами. Когерентное излучение лазеров поглощалось находящимся в глубоких тканях флуоресцентным белком, вследствие чего в этой области повышалась температура и возникала своего рода ударная волна, сопровождающаяся ультразвуковыми волнами. Эти волны принимались специальным ультразвуковым микрофоном.
Затем все эти данные отправлялись в компьютер, который в результате выдавал трехмерную модель внутренней структуры объекта.
В работе использовались плодовая мушка Drosophila melanogaster («чернобрюхая дрозофила») и хищная рыба-зебра (на фото ).
«Это открывает дверь в совершенно новый мир исследований, — считает один из авторов работы доктор Даниэль Разански. — Впервые биологи смогут в оптическом диапазоне следить за развитием органов, за клеточными функциями и экспрессией генов».
Данная работа не была бы реализована, если бы не открытие нового вида белков, которые флуоресцируют под воздействием оптического излучения. Так, за работы по открытию и исследованию зеленого флуоресцирующего белка (GFP) американские ученые Осаму Симомура, Мартин Чалфи и Роджер Тсиен (Цянь Юнцзянь) получили в 2008 году Нобелевскую премию.
К настоящему времени удалось обнаружить другие природные цветные белки, и их число продолжает постоянно расти.
Нет сомнений, что в ближайшем будущем эта технология будет широко применяться для повсеместного изучения метаболических и молекулярных процессов — от рыб и мышей до людей, и самое актуальное применение метода MSOT для человека — это обнаружение раковых опухолей на ранней стадии, а также изучение состояния коронарных сосудов.
