В последнее время интенсивное развитие стали получать методы неинвазивной (неповреждающей) лазерной диагностики в биологии и медицине [1,2]. И в первую очередь, для обоснования методик диагностики и создания алгоритмов обработки сигналов реального времени, в теоретическом плане представляют интерес простые аналитические модели распространения света в мутных средах, позволяющие наглядно анализировать различные модельные ситуации. Особенностью таких моделей в случае задач медицинской диагностики является то, что они должны описывать распространение излучения в условиях сильного многократного рассеяния, доминирующего над поглощением. А также давать решение для потока, выходящего из среды со стороны освещаемой поверхности, т.к. диагностика реализуется по принципу регистрации и спектрального анализа отраженного (обратно рассеянного) света. Однако, несмотря на довольно длительную историю развития методов оптики светорассеивающих сред, особенно теории переноса, моделей, пригодных для задач медицинской лазерной диагностики, практически нет. Простейшие модели фотометрии слишком малоинформативны [2]. Корреляционные модели статистической радиофизики описывают лишь очень ограниченный класс задач, в основном для сильно разреженных сред, и часто не имеют аналитического решения [3]. Статистическое моделирование методом Монте-Карло также лишено наглядности и требует существенных затрат машинного времени, что ограничивает его использование в системах реального времени. А наиболее часто используемая в этом плане теория переноса имеет решения лишь в случае достаточно грубых приближений (однократного рассеяния, диффузионное и т.д.), обладающих невысокой точностью применительно к указанным условиям. Например, однократное рассеяние практически нереализуемо для таких оптически плотных сред, как кожа. А известное диффузионное приближение именно в области малых оптических толщин (в зоне освещения) дает наибольшую погрешность, приводящую даже к несоблюдению собственных граничных условий [4].

Не менее важным вопросом в лазерной медицинской диагностике является вопрос о природе эндогенной наведенной флюоресценции биологических тканей и, соответственно, вопрос о возможности описания распространения флуоресцентного излучения в тканях и органах на основе той или иной математической модели, т.к. в общем случае явления флюоресценции не учитываются в оптике светорассеивающих сред и теории переноса.

На этой основе становится возможной модификация методик потоковых моделей до уровня полного соответствия их решений аналогичным решениям теории переноса, а также точным решениям, получаемым на основе численного компьютерного моделирования. В последнем случае, точность решений для биологических сред находится в самом худшем варианте на уровне 5-10%, что вполне достаточно для практического использования.

Полученное авторами решение задачи дифракции электромагнитного излучения на шероховатой границе позволяет учитывать угловое рассеяние отраженного от тканей излучения, а также угловое рассеяние для излучения, прошедшего вглубь ткани, что определяет граничные условия для теории переноса. Решение ищется в виде напряженностей рассеянных полей для задачи с граничными условиями Леонтовича, которые также применимы и в случае хороших диэлектриков. При нахождении решения для прошедшего излучения, найден подход обращения решения рассеяния во внешнем пространстве вглубь среды.

Флюоресценция биологических тканей учитывается на заключительной стадии расчета рассеянных в тканях световых полей. Интенсивность флюоресценции единицы объема предполагается пропорциональной объемной энергии исходного лазерного излучения в толще ткани. Флуоресцентное излучение вводится в теорию переноса по аналогии с функцией объемного тепловыделения в теории тепловых радиационных полей.

Такой набор теоретических моделей позволяет достаточно полно описывать большинство явлений взаимодействия низкоинтенсивного лазерного излучения с биологическими тканями и служит основой методик интеллектуального фонового компьютерного моделирования (ИФМ-технология), закладываемых в виде программного обеспечения реальных лазерных клинических диагностических комплексов.

Rogatkin D., Svirin V. And oth. The theoretical model for fluorescent field calculation in non-homogenious and scattering biological tissues / SPIE proc., v.3563, 1998, p.125-136.