Модель обратного рассеяния света

Точная математическая модель процесса распространения света в оптически сложной среде, которая не только поглощает и рассеивает свет, но еще и является такой неоднородной и многослойной, как биоткань вблизи поверхности человеческого тела, оказывается довольно сложной. Она не была столь разработана, чтобы из нее можно было сделать однозначные практические выводы.

Все более широкое применение в 70-80-х г.г. лазеров для диагностики и лечения разных заболеваний подтолкнуло физиков-оптиков детально изучить взаимодействие света с биологическими тканями. В этой области выполнено немало экспериментальных исследований. Экспериментально установлено, например, что средняя длина свободного пробега фотонов видимого света между рассеяниями в наружном (роговом) слое кожи человека составляет порядка 5 мкм, и при прохождении сквозь роговой слой свет рассеивается не больше 4 6 раз. Средняя длина свободного пробега света в эпидермисе составляет уже примерно 20 мкм, и при прохождении сквозь эпидермис видимый свет рассеивается приблизительно 6 8 раз. В более глубоких слоях тела средняя длина свободного пробега фотонов видимого света между рассеяниями возрастает и составляет порядка 50 мкм. Следовательно, при прохождении сквозь тело пути в 2-4 мм свет рассеивается приблизительно 40-80 раз. В сумме имеем примерно 50-100 актов рассеяния. В этом случае нельзя применять такие упрощенные модели, как модель однократных рассеяний на большие углы, модель кратных рассеяний или диффузионную модель, которая "работает" при числе рассеяний свыше 500-1000. Наиболее приемлемой для данного случая является модель многократных рассеяний. Однако и она довольно сложна для подсчетов, которые обычно выполняются на ЭВМ методом статистического моделирования Монте-Карло.

Из имеющихся экспериментальных данных и компьютерных расчетов вытекает, что интегральная интенсивность обратно рассеянного человеческим телом света может составлять от 5 до 30 % . Даже если свет входит в ткань перпендикулярно к поверхности кожи в виде узкого пучка, который можно назвать "световым зондом", то и в этом случае обратно рассеянный свет распределяется по довольно большой площади на поверхности ткани. Фотография на рис. 19.2 слева, сделанная на вертикальном разрезе матового стекла, в которое вводится "световой зонд", наглядно иллюстрирует характер распространения света в среде, рассеивающей свет. Справа показано диффузно размытое круглое пятно радиусом приблизительно 4-6 мм, которое наблюдается в обратно рассеянном сине-зеленом свете [[314]]. Снимок сделан цифровой фотокамерой сверху. Темную тень дает оптическое волокно, через которое в тело вводился "световой зонд".

Рис. 19.2. Фотография слева иллюстрирует характер распространения света в рассеивающей среде (матовое стекло); справа – фото обратно рассеянного от человеческой руки диффузно раpзмытого пятна в сине-зеленом свете