Исследование предельных возможностей лазерной сканирующей микроскопии при наблюдении сильно рассеивающих флуоресцирующих объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Катичев, Алексей Ростиславович

• Катичев, Алексей Ростиславович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Катичев, Алексей Ростиславович

Введение.

Глава 1. Лазерная сканирующая флуоресцентная микроскопия как метод визуализации структуры биотканей.

1.1. Оптические методы визуализации структур биотканей.

1.2. Метод лазерной сканирующей флуоресцентной микроскопии.

1.3. Флуорофоры для систем ЛСФМ. Проблема выбора флуорофоров для систем двухфотонной микроскопии.

1.4. Проблема описания распространения излучения в рассеивающих средах.

Глава 2. Численное моделирование изображений лазерной сканирующей флуоресцентной микроскопии (ЛСФМ).

2.1. Общие формулы, описывающие изображения в системах конфокальной и двухфотонной ЛСФМ в нерассеивающей среде.

2.2. Разработка алгоритма компьютерного моделирования изображений ЛСФМ в рассеивающей среде на основе численного метода Монте-Карло.

2.3. Ускорение расчетов с помощью графических процессоров.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование предельных возможностей лазерной сканирующей микроскопии при наблюдении сильно рассеивающих флуоресцирующих объектов»

Разработка и развитие методов неинвазивной визуализации внутренних структур биологических объектов является одной из приоритетных физических задач. Изучение структуры биотканей на микроскопическом уровне дает возможность исследовать принципы и механизмы функционирования живых организмов. Область применения данных методов достаточно широка и включает такие актуальные направления, как эмбриология, нейробиология, онкология, биоэлектрогенез растений и многие другие. В частности, нейробиология изучает механизмы формирования и обучения сложных нейрональных структур мозга млекопитающих как на срезах тканей мозга, так и на лабораторных животных. В эмбриологии важной задачей исследования является мониторинг процессов формирования живых организмов на клеточном уровне. Изучение механизмов генерации электрических сигналов у высших растений, играющих важную роль в процессе передачи информации и регуляции, является одной из фундаментальных задач современной биофизики и осуществляется с помощью систем имиджинга с клеточным разрешением. В онкологии актуальной задачей является анализ процессов проникновения и распространения новообразований в здоровую ткань. Для проведения такого рода исследований необходим метод, позволяющий осуществлять неинвазивный имиджинг структур биотканей. Основными требованиями при этом являются возможность получения изображений с различных слоев с высокой селекцией по глубине и клеточным пространственным разрешением. Среди современных методов анализа вышеуказанным требованиям соответствуют методы конфокальной и двухфотонной лазерной сканирующей микроскопии. Данные методы базируются на принципах флуорес- Д;' 7 центного анализа и заключаются в регистрации сигнала флуоресценции, возбуждаемой в объекте исследования с помощью лазерных остросфокусированных пучков.

В слабо рассеивающих средах разрешающая способность методов лазерной сканирующей флуоресцентной микроскопии (ЛСФМ) находится на уровне дифракционного предела и достигает 200 нм, что позволяет получать изображения структур биотканей на уровне отдельных органелл с глубин вплоть до нескольких миллиметров. Однако, ЗБ визуализация внутренней структуры сильно рассеивающих образцов биотканей методами ЛСФМ с сохранением высокого пространственного разрешения существенно ограничено. Выявление конкретных физических причин, лежащих в основе этих ограничений, а также определение рабочего диапазона глубин, в пределах которого возможно получение изображений с высоким разрешением, остаются актуальными проблемами оптики.

Известно, что многократное рассеяние вызывает изменение пространственного распределения флуоресценции и ухудшает условия детектирования полезного сигнала.

Исследование влияния многократного рассеяния на качество изображений, получаемых системами ЛСФМ, требует подробного изучения распространения излучения в рассеивающих средах с учетом особенностей оптической системы формирования изображения. Существующие в настоящее время стандартные аналитические подходы либо ограничиваются рассмотрением однократного рассеяния, либо описывают диффузно рассеянное "бесструктурное" излучение на больших расстояниях от источника. Однако, в переходном интервале глубин, в котором в результате многократного рассеяния происходит трансформация лазерного пучка накачки, приводящая к потере разрешения, построенные в указанных приближениях модели неприменимы. В связи с этим все большую актуальность приобретает компьютерное моделирование изображений, формируемых методами ЛСФМ в условиях рассеяния, позволяющее проанализировать особенности процесса распространения лазерного пучка в средах, по своим оптическим свойствам приближенных к биологическим тканям, а также исследовать зависимость получаемых результатов от различных параметров системы формирования изображения и исследуемого объекта. На основании результатов моделирования можно получить универсальную оценку предельных глубин визуализации с помощью различных модификаций ЛСФМ, а также сформулировать рекомендации по оптимизации и расширению возможностей этого метода.

При численном моделировании распространения излучения в случайно-неоднородных средах наиболее часто применяется статистический метод Монте-Карло, основанный на многократном расчете случайных траекторий фотонов в исследуемой среде и последующем обобщении полученных результатов. Параметры, определяющие движение фотонов, задаются в соответствии с макроскопическими оптическими параметрами среды, а начальные условия и условия регистрации — согласно оптическим особенностям системы формирования изображения. Количество фотонов, необходимых для моделирования реальных физических процессов и минимизации шумов счета, составляет не менее 1 млн. При этом расчет их траекторий на стандартных вычислительных машинах будет занимать длительное время. В связи с данной проблемой возникает задача оптимизации программного кода и применение высокопроизводительных машин с параллельной архитектурой вычислений.

Цель диссертации

Целью диссертации является развитие численных моделей, описывающих формирование изображений сильно рассеивающих сред методами конфокальной и двухфо-тонной ЛСФМ, а также исследование областей применения данных методов и выработка рекомендаций по повышению их информативности. Для достижения данной цели в работе были решены следующие задачи:

1. Предложен и программно реализован для вычислителя с параллельной архитектурой численный алгоритм моделирования остросфокусирован-ных гауссовых пучков в сильно рассеивающей среде на основе метода Монте-Карло.

2. Выполнено моделирование изображений рассеивающих объектов с однородным и неоднородным распределением флуорофора, сформированных методами конфокальной и двухфотонной ЛСФМ.

3. Для каждого из методов исследовано влияние оптических свойств среды, характеристик флуорофора и особенностей системы детектирования флуоресцентного сигнала на получаемые изображения, выявлены основные факторы, определяющие возможности регистрации полезного сигнала из сильно рассеивающих образцов, и определен рабочий диапазон глубин визуализации.

4. Исследованы особенности нелинейно возбуждаемой флуоресценции коллоидных полупроводниковых нанокристаллов ("квантовых точек") как наиболее перспективных флуорофоров для конфокальной и двухфотонной микроскопии.

Новизна полученных результатов

1. На основе статистического алгоритма Монте-Карло впервые предложены и программно реализованы для вычислителя с параллельной архитектурой метод численного моделирования остросфокусированных пучков и ¡V метод моделирования формирования изображений в установках лазерной сканирующей микроскопии;

2. На основе результатов моделирования впервые исследованы факторы, влияющие на предельную глубину визуализации сильно рассеивающих объектов методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (кЛСФМ). Впервые получена численная оценка предельной глубины регистрации полезного сигнала в зависимости от оптических свойств среды и параметров системы формирования изображения;

3. На основе результатов численного моделирования изображений в системах двухфотонной лазерной сканирующей микроскопии (дфЛСФМ) впервые получены зависимости предельной глубины визуализации от параметров рассеивающей среды;

4. Впервые выполнено численное моделирование формирования изображений рассеивающих объектов с однородным и неоднородным распределением флуорофора;

5. Впервые в модельном эксперименте проанализирован эффект ухудшения разрешающей способности системы дфЛСФМ при использовании коллоидных квантовых точек (Сс18е/2п8) в качестве флуорофоров.

На защиту выносятся следующие научные положения

1. Метод Монте-Карло моделирования распространения излучения в силь-норассеивающих средах, использующий квазиоптический подход для описания остросфокусированных гауссовых пучков и оптимизированный для вычислителя с параллельной архитектурой, позволяет моделировать процесс формирования изображений в системах ЛСФМ.

2. Предельная глубина визуализации структуры рассеивающей среды в системах кЛСФМ ограничена низким уровнем полезного сигнала, зависит от типа используемого флуорофора и характеристик оптической системы формирования изображения, и для стандартных флуорофоров составляет 2—3 длины рассеяния фотона.

3. Предельная глубина визуализации структуры рассеивающей среды в системах дфЛСФМ ограничена засветкой от слоев, лежащих выше фокальной плоскости, зависит от числовой апертуры объектива, но не зависит от типа используемого флуорофора, и составляет 6—7 длин рассеяния фотона.

4. Эффект насыщения у коллоидных квантовых точек СёБе/гпЗ, используемых в качестве флуорофоров в методе дфЛСФМ, возникает при средней мощности излучения накачки 5—10 мВт и зависит от величинь1 сечения двухфотонного поглощения, соотношения между интервалом следования импульсов накачки и времени релаксации флуоресценции, ухудшая при этом пространственное разрешение метода.

Практическая значимость

Результаты работы могут быть использованы при исследовании структуры биологических объектов методами ЛСФМ. Выявление факторов, влияющих на максимальную глубину визуализации и пространственное разрешение, позволит разработать рекомендации по оптимизации параметров установок, что может быть использовано для расширения возможностей существующих систем конфокальной и двухфотонной ЛСФМ.

Реализация метода численного моделирования для расчетов остросфокусирован-ных пучков на вычислителях с параллельной архитектурой позволяет значительно сократить время выполнения численного эксперимента.

Проведенное исследование нелинейных свойств коллоидных квантовых точек, предлагаемых в качестве флуоресцентных маркеров для визуализации структуры биотканей методом дфЛСФМ, позволило найти предельные значения мощности пучка накачки, при которой, с одной стороны, сохраняется высокое пространственное разрешение, а с другой стороны, обеспечивается визуализация с наибольшей глубины.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и списка работ по диссертации. Общий объем диссертации составляет 105 страниц, включая 40 рисунков, список литературы из 111 наименований, список работ по диссертации из 16 наименований.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Катичев, Алексей Ростиславович

5.4. Основные выводы

В результате теоретического и экспериментального исследования эффекта насыщения флуоресценции при двухфотонном поглощении фемтосекундного лазерного излучения коллоидными квантовыми точками Ссйе^пБ, используемыми в качестве флуорофоров в коммерческих установках метода двухфотонной ЛСФМ, показано, что данный эффект приводит к ухудшению пространственного разрешения метода при средней мощности излучения накачки более 5 мВт.

Заключение

Сформулируем кратко основные результаты диссертации.

1. Разработан быстродействующий алгоритм численного моделирования изображений, формируемых методами конфокальной и двухфотон-ной ЛСФМ. Алгоритм основан на принципе Монте-Карло моделирования распространения излучения в рассеивающих средах, адаптирован для моделирования остросфокусированных гауссовых пучков и ориентирован на применение современных графических процессоров в качестве вычислителей.

2. На основе моделирования процесса формирования изображений методом конфокальной ЛСФМ установлено, что в рассеивающей среде пространственное разрешение метода сохраняется до глубин, не превышающих 10-15 длин рассеяния фотона. Показано, что предельная глубина визуализации ограничена низким уровнем полезного сигнала и зависит от типа используемого флуорофора и характеристик оптической системы формирования изображения. Для стандартных флуорофоров глубина визуализации не превышает 2-3 длины рассеяния.

3. На основе моделирования процесса формирования изображений методом двухфотонной ЛСФМ установлено, что главным фактором, ограничивающим глубину визуализации данным методом в рассеивающей среде, является возникновение приповерхностной флуоресценции. Показано, что предельная глубина визуализации зависит от числовой апертуры объектива и составляет 6-7 длин рассеяния фотона.

4. В результате теоретического и экспериментального исследования эффекта насыщения флуоресценции при двухфотонном поглощении фем-тосекундного лазерного излучения коллоидными квантовыми точками Сс18е/Еп8, используемыми в качестве флуорофоров в коммерческих установках метода двухфотонной ЛСФМ, показано, что данный эффект приводит к ухудшению пространственного разрешения метода при средней мощности излучения накачки более 5 мВт.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Катичев, Алексей Ростиславович, 2011 год

1. Boulnois, J. -L. Photophysical processes in recent medical laser developments: A review // Lasers in Medical Science. — 1986. — Т. 1, № 1. — C. 47—66.

2. Patterson, M. S., Wilson, В. C., Wyman, D. R. The propagation of optical radiation in tissue I. Models of radiation transport and their application // Lasers in Medical Science. — 1991. —T. 6, № 2. — C. 155—168.

3. Schmitt, J. M„ Kumar, G. Optical scattering properties of soft tissue: a discrete particle model // Appl Opt. — 1998. — T. 37, № 13. — C. 2788—2797.

4. Drezek, R., Dunn, A., Richards-Kortum, R. Light scattering from cells: finite-difference time-domain simulations and goniometric measurements // Appl Opt. — 1999. — T. 38, № 16. — C. 3651—3661.

5. Бори, M., Вольф, Э. Основы оптики. — M.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1973 — 720 с.

6. Deng, X., Gu, М. Penetration depth of single-, two-, and three-photon fluorescence microscopic imaging through human cortex structures: Monte Carlo simulation // Appl Opt. — 2003. — T. 42, № 16. — C. 3321—3329.

7. Тучин, В. В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях: • 2-е изд., испр. и доп. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010 — 488 с.

8. Masters, В. R. Encyclopedia of Life Sciences. Wiley Online Library, 2010

9. White, J. G., Amos, W. В., Fordham, M. An Evaluation of Confocal Versus Conventional Imaging of Biological Structures by Fluorescence Light-Microscopy // Journal Of Cell Biology. —1987. — T. 105, № 1. — C. 41—48.

10. Agard, D. A., Sedat, J. W. Three-dimensional architecture of a polytene nucleus // Nature. —1983. — T. 302, № 5910. — C. 676—681.11. Пат. US 3013467, 1961

11. Schmitt, J. M., Kniittel, A., Yadlowsky, M. Confocal microscopy in turbid media // Journal of the Optical Society of America A. —1994. — Т. 11, № 8. — C. 2226—2235.

12. Sheppard, C. J. R., Wilson, T. The Image of a Single Point in Microscopes of Large Numerical Aperture // Proceedings of the Royal Society of London Series A, Mathematical and Physical Sciences. — 1982. — T. 379, № 1776. — C. 145—158.

13. Carlsson, K„ Danielsson, P. E., Lenz, R., Liljeborg, A., et al. Three-dimensional microscopy using a confocal laser scanning microscope // Optics letters. — 1985. — T. 10, № 2. —C. 53—55.

14. Carlsson, K., Aslund, N. Confocal imaging for 3-D digital microscopy // Applied optics. — 1987. — T. 26, № 16. — C. 3232—3238.

15. Zill, S., Frazier, S. F., Neff, D., Quimby, L., et al. Three-dimensional graphic reconstruction of the insect exoskeleton through confocal imaging of endogenous fluorescence // Microscopy Research and Technique. — 2000. — T. 48, № 6. — C. 367—384.

16. Petford, N., Miller, J. A. Three-dimensional imaging of fission tracks using confocal scanning laser microscopy // American Mineralogist;(United States). — 1992. — T. 77

17. Pironon, J., Canals, M., Dubessy, J., Walgenwitz, F., Laplace-Builhe, C. Volumetric reconstruction of individual oil inclusions by confocal scanning laser microscopy // European Journal Of Mineralogy. — 1998. — T. 10, № 6. — C. 1143—1150.

18. Anamalay, R. V., Kirk, T. B., Panzera, D. Numerical Descriptors For The Analysis Of Wear Surfaces Using Laser-Scanning Confocal Microscopy // Wear. — 1995. — T. 181 — C. 771—776.

19. Hamza, R., Zhang, X. D. D., Macosko, C. W., Steve, R., Listemann, M. Imaging open-cell polyurethane foam via confocal microscopy // Polymeric Foams: Science And Technology. — 1997. — T. 669 — C. 165—177.

20. Ling, X., Pritzker, M. D„ Byerley, J., Burns, С. M. Confocal scanning laser microscopy of polymer coatings // Journal Of Applied Polymer Science. — 1998. — T. 67, № 1. —C. 149—158.

21. Paddock, S. W. Further developments of the laser scanning confocal microscope in biomedical research // Proc Soc Exp Biol Med. — 1996. — T. 213, № 1. — C. 24—31.

22. Strieker, S. A., Whitaker, M. Confocal laser scanning microscopy of calcium dynamics in living cells // Microscopy research and technique. — 1999. — T. 46, № 6. — C. 356—369.

23. Amos, W. В., White, J. G. How the confocal laser scanning microscope entered biological research // Biol Cell. — 2003. — T. 95, № 6. — C. 335—342.

24. Bohnke, M., Masters, B. R. Confocal microscopy of the cornea // Progress in Retinal and Eye Research. — 1999. — T. 18, № 5. — C. 553—628.

25. Феофанов, А. В. Спектральная лазерная сканирующая конфокальная микроскопия в биологических исследованиях // Усп. биол. хим. — 2007. — Т. 47 — С. 371— 410.

26. Vicidomini, G. Image Formation in Fluorescence Microscopy // From Cells to Proteins: Imaging Nature across Dimensions. — 2005. — C. 371—393.

27. Fricker, M. D„ Chow, С. M., Errington, R. J., May, M., et al. Quantitative imaging of intact cells and tissues by multi-dimensional confocal fluorescence microscopy I I Experimental Biology Online. — 1997. — T. 2, № 19. — C. 1-23.

28. Zipfel, W. R., Williams, R. M., Webb, W. W. Nonlinear magic: multiphoton microscopy in the biosciences // Nat Biotechnol. — 2003. — T. 21, № 11. — C. 1369—1377.

29. Centonze, V. E„ White, J. G. Multiphoton excitation provides optical sections from deeper within scattering specimens than confocal imaging // Biophys J. — 1998. — T. 75, № 4. — C. 2015—2024.

30. Denk, W., Strickler, J. H., Webb, W. W. Two-photon laser scanning fluorescence microscopy // Science. — 1990. — T. 248, № 4951. — C. 73—76.

31. So, P. T. C., Dong, C. Y„ Masters, B. R., Berland, K. M. Two-Photon Excitation Fluorescence Microscopy // Annual Reviews of Biomedical Engineering. — 2000. — T. 2 — C. 399—429.

32. Diaspro, A., Bianchini, P., Vicidomini, G., Faretta, M., et al. Multi-photon excitation microscopy // Biomed Eng Online. — 2006. — T. 5 — C. 36.

33. He, G. S., Yong, K. T., Zheng, Q., Sahoo, Y., et al. Multi-photon excitation properties of CdSe quantum dots solutions and optical limiting behavior in infrared range // Opt Express. — 2007. — T. 15, № 20. — C. 12818—12833.

34. Ustione, A., Piston, D. W. A simple introduction to multiphoton microscopy // J Microsc. — 2011. — T. 243, № 3. — C. 221—226.

35. Le Grand, Y., Leray, A., Guilbert, T., Odin, C. Non-descanned versus descanned epifluorescence collection in two-photon microscopy: Experiments and Monte Carlo simulations // Optics Communications. — 2008. — T. 281, № 21. — C. 5480—5486.

36. Tromberg, B. J., Shah, N., Lanning, R., Cerussi, A., et al. Non-invasive in vivo characterization of breast tumors using photon migration spectroscopy // Neoplasia. — 2000.1. T. 2, № 1-2. — C. 26—40.i

37. Beaurepaire, E., Oheim, M., Mertz, J. Ultra-deep two-photon fluorescence excitation in turbid media // Optics Communications. — 2001. — T. 188 — C. 25—29.

38. Gu, M., Schilders, S. P., Gan, X. Two-photon fluorescence imaging of microspheres embedded in turbid media // Journal of Modern Optics. — 2000. — T. 47, № 6.1. C. 959—965.

39. Gan, X., Gu, M. Spatial distribution of single-photon and two-photon fluorescence light in scattering media: Monte Carlo simulation // Appl Opt. — 2000. — T. 39, № 10. — C. 1575—1579.

40. Theer, P., Hasan, M. T., Denk, W. Two-photon imaging to a depth of 1000 microm in living brains by use of a Ti:A1203 regenerative amplifier // Opt Lett. — 2003. — T. 28, № 12. — C. 1022—1024.

41. Xu, C., Webb, W. W. Measurement of two-photon excitation cross sections of molecular fluorophores with data from 690 nm to 1050 nm // J. Opt. Soc. Am. B. — 1996. — T. 13, №3. — C. 481—491.

42. Zimmermann, C., Vuletic, V., Hemmerich, A., Ricci, L., Hänsch, T. W. Design for a compact tunable Ti:sapphire laser // Optics Letters. — 1995. — T. 20, № 3. — C. 297—299.

43. Rubart, M. Two-photon microscopy of cells and tissue // Circ Res. — 2004. — T. 95, № 12. —C. 1154—1166.

44. Helmchen, F., Denk, W. Deep tissue two-photon microscopy // Nat Methods. — 2005. — T. 2, № 12. — C. 932—940.

45. Feijö, J. A., Moreno, N. Imaging plant cells by two-photon excitation // Protoplasma. — 2004. — T. 223, № 1. — C. 1-32.

46. Andersson, H., Baechi, T., Hoechl, M., Richter, C. Autofluorescence of living cells // Journal of microscopy. —1998. — T. 191 — C. 1—7.

47. Tsien, R. Y„ Ernst, L., Waggoner, A. Fluorophores for confocal microscopy: photophysics and photochemistry // Handbook of biological confocal microscopy. — 2006. — C. 338—352.

48. Bestvater, F., Spiess, E., Stobrawa, G., Hacker, M., et al. Two-photon fluorescence absorption and emission spectra of dyes relevant for cell imaging // J Microsc. — 2002. — T. 208, № Pt 2. — C. 108—115.

49. Bruchez, M., Moronne, M., Gin, P., Weiss, S., Alivisatos, A. P. Semiconductor Nanocrystals as Fluorescent Biological Labels // Science. — 1998. — T. 281, № 5385. — C. 2013—2016.

50. Chan, W. C. W., Nie, S. Quantum Dot Bioconjugates for Ultrasensitive Nonisotopic Detection // Science. — 1998. — T. 281, № 5385. — C. 2016—2018.

51. Michalet, X., Pinaud, F. F., Bentolila, L. A., Tsay, J. M., et al. Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics // Science. — 2005. — T. 307, № 5709. — C. 538—544.

52. Pinaud, F., Michalet, X., Bentolila, L. A., Tsay, J. M., et al. Advances in fluorescence imaging with quantum dot bio-probes // Biomaterials. — 2006. — T. 27, № 9. — C. 1679—1687.

53. Walling, M. A., Novak, J. A., Shepard, J. R. Quantum dots for live cell and in vivo imaging // Int J Mol Sci. — 2009. — T. 10, № 2. — C. 441—491.

54. Padilha, L., Fu, J., Hagan, D., Van Stryland, E., et al. Two-photon absorption in CdTe quantum dots // Opt Express. — 2005. — T. 13, № 17. — C. 6460—6467.

55. Hardman, R. A Toxicologic Review of Quantum Dots: Toxicity Depends on Physicochemical and Environmental Factors // Environmental Health Perspectives. — 2006.

56. Т. 114, № 2. — C. 165—172.

57. Исимару, А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах: В 2-х томах. — М.: Мир, 1981 — 285 с.

58. Marchesini, R., Bertoni, A., Andreola, S., Melloni, E., Sichirollo, A. E. Extinction and absorption coefficients and scattering phase functions of human tissues in vitro // Appl Opt. — 1989. — T. 28, № 12. — C. 2318—2324.

59. Schmitt, J. M., Ben-Letaief, K. Efficient Monte Carlo simulation of confocal microscopy in biological tissue // J Opt Soc Am A Opt Image Sei Vis. — 1996. — T. 13, № 5.1. C. 952—961.

60. Patterson, M. S., Wilson, B. C., Wyman, D. R. The propagation of optical radiation in tissue. II: Optical properties of tissues and resulting fluence distributions // Lasers in Medical Science. — 1991. — T. 6, № 4. — C. 379—390.

61. Kienle, A., Patterson, M. S., Dögnitz, N., Bays, R., et al. Noninvasive Determination of the Optical Properties of Two-Layered Turbid Media // Appl Opt. — 1998.1. T. 37, № 4. — C. 779—791.

62. Johns, M., Giller, С., German, D., Liu, H. Determination of reduced scattering coefficient of biological tissue from a needle-like probe // Optics Express. — 2005. — T. 13, №13. — C. 4828-4842.

63. Cheong, W. F., Prahl, S. A., Welch, A. J. A review of the optical properties of biological tissues // Quantum Electronics, IEEE Journal of. — 1990. — T. 26, № 12. — C. 2166—2185.

64. Yoon, G., Welch, A., Motamedi, M., Gemert, M. Development and application of three-dimensional light distribution model for laser irradiated tissue // Quantum Electronics, IEEE Journal of. — 1987. — T. 23, № 10. — C. 1721—1733.

65. Simpson, C. R., Kohl, M., Essenpreis, M., Cope, M. Near-infrared optical properties of ex vivo human skin and subcutaneous tissues measured using the Monte Carlo inversion technique // Phys Med Biol. — 1998. — T. 43, № 9. — C. 2465—2478.

66. Palmer, G. M., Ramanujam, N. Monte Carlo-based inverse model for calculating tissue optical properties. Part I: Theory and validation on synthetic phantoms // Appl Opt. — 2006. — T. 45, № 5. c. 1062—1071.

67. Кравцов, Ю. А., Орлов, Ю. И. Геометрическая оптика неоднородных сред. — М.: Наука, 1980

68. Contini, D., Martelli, F., Zaccanti, G. Photon migration through a turbid slab described by a model based on diffusion approximation. I. Theory // Appl Opt. — 1997. — T. 36, № 19. — C. 4587—4599.

69. Kim, A. D„ Ishimaru, A. Optical diffusion of continuous-wave, pulsed, and density waves in scattering media and comparisons with radiative transfer // Appl Opt. — 1998. — T. 37, № 22. — C. 5313—5319.

70. Chen, В., Stamnes, K, Stamnes, J. J. Validity of the diffusion approximation in ,, bio-optical imaging // Appl Opt. — 2001. — T. 40, № 34. — C. 6356—6366.

71. Kokhanovsky, A. A. Small-angle approximations of the radiative transfer theory // Journal of Physics D: Applied Physics. — 1997. — T. 30 — C. 2837.

72. Будак, В. П., Сармин, С. Э. Решение уравнения переноса излучения методом сферических гармоник в малоугловой модификации // Оптика атмосферы. — 1990. — Т. 3, № 9. — С. 981—987.

73. Howell, J. R. Application of Monte Carlo to heat transfer problems // Advances in heat transfer. — 1969. — T. 5 — C. 1-54.

74. Wang, L., Jacques, S. L., Zheng, L. MCML-Monte Carlo modeling of light transport in multi-layered tissues // Comput Methods Programs Biomed. — 1995. — T. 47, № 2. —C. 131—146.

75. Boas, D., Culver, J., Stott, J., Dunn, A. Three dimensional Monte Carlo code for photon migration through complex heterogeneous media including the adult human head // Opt Express. — 2002. — T. 10, № 3. — C. 159—170.

76. Fang, Q. Mesh-based Monte Carlo method using fast ray-tracing in Pliicker coordinates //Biomed Opt Express. — 2010. — Т. 1, № 1. — C. 165—175.

77. Fang, Q., Boas, D. A. Monte Carlo simulation of photon migration in 3D turbid media accelerated by graphics processing units // Optics express. — 2009. — T. 17, № 22. — C. 20178—20190.

78. Ren, N., Liang, J., Qu, X., Li, J., et al. GPU-based Monte Carlo simulation for light propagation in complex heterogeneous tissues // Opt Express. — 2010. — T. 18, № 7. — C. 6811—6823.

79. Alerstam, E., Yip Lo, W. C., Han, T. D., Rose, J., et al. Next-generation acceleration and code optimization for light transport in turbid media using GPUs // Biomed Opt Express. — 2010. — Т. 1, № 2. — C. 658—675.

80. Webb, R. H. Confocal optical microscopy // Reports on Progress in Physics. — 1996. —T. 59 — C.427.

81. Шен, И. P. Принципы нелинейной оптики. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989 — 560 с.

82. Prahl, S. A., Keijzer, М„ Jacques, S. L., Welch, A. J. A Monte Carlo model of light propagation in tissue // Dosimetry of Laser Radiation in Medicine and Biology. — 1989. — T. 5 — C. 102—111.

83. Milsom, P. K. A ray-optic, Monte Carlo, description of a Gaussian beam waist-applied to reverse saturable absorption // Applied Physics B: Lasers and Optics. — 2000. — T. 70, № 4. — C. 593—599.

84. Swartling, J., Pifferi, A., Enejder, A. M., Andersson-Engels, S. Accelerated Monte Carlo models to simulate fluorescence spectra from layered tissues // J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis. — 2003. — T. 20, № 4. — C. 714—727.

85. Alerstam, E., Svensson, T., Andersson-Engels, S. Parallel computing with graphics processing units for high-speed Monte Carlo simulation of photon migration I IJ Biomed Opt.2008. — T. 13, № 6. — C. 060504.

86. Arndt-Jovin, D. J., Robert-Nicoud, M., Kaufman, S. J., Jovin, T. M. Fluorescence digital imaging microscopy in cell biology // Science. — 1985. — T. 230, № 4723. — C. 247—256.

87. Clendenon, S. G., Young, P. A., Ferkowicz, M., Phillips, C., Dunn, K. W. Deep Tissue Fluorescent Imaging in Scattering Specimens Using Confocal Microscopy // Microscopy And Microanalysis. — 2011. — T. 17, № 4. — C. 614—617.

88. Tanbakuchi, A. A., Rouse, A. R., Gmitro, A. F. Monte Carlo characterization of parallelized fluorescence confocal systems imaging in turbid media // J Biomed Opt. — 2009.1. T. 14, № 4. — C. 044024.

89. Pawley, J. B. Fundamental limits in confocal microscopy // Handbook of Biological Confocal Microscopy. — 2006. — C. 20—42.

90. Sheppard, C. J. R., Gan, X., Gu, M., Roy, M. Signal-to-noise ratio in.confocal microscopes // Handbook of biological confocal microscopy. — 2006. — C. 442—452.

91. Dixon, A., Heinlein, T., Wolleschensky, R. Need for Standardization of Fluorescence Measurements from the Instrument Manufacturer's View // Standardization and Quality Assurance in Fluorescence Measurements II. — 2008. — C. 3-24.

92. Rose, A. Television pickup tubes and the problem of vision // Advances in Electronics and Electron Physics. — 1948. — T. 1 — C. 131—166.

93. Vukojevic, V., Heidkamp, M., Ming, Y., Johansson, B., et al. Quantitative single-molecule imaging by confocal laser scanning microscopy // Proc Natl Acad Sci USA. — 2008. —T. 105, № 47. — C. 18176—18181.

94. Chang, E„ Thekkek, N., Yu, W. W., Colvin, V. L., Drezek, R. Evaluation of quantum dot cytotoxicity based on intracellular uptake // Small. — 2006. — T. 2, № 12. — C. 1412—1417.

95. Yu, Q., Heikal, A. A. Two-photon autofluorescence dynamics imaging reveals sensitivity of intracellular NADH concentration and conformation to cell physiology at the single-cell level // J Photochem Photobiol B. — 2009. — T. 95, № 1. — C. 46—57.

96. Lin, S. J., Ford, E., Haigis, M., Liszt, G., Guarente, L. Calorie restriction extends yeast life span by lowering the level of NADH // Genes Dev. — 2004. — T. 18, № 1. — C. 12—16.

97. Theer, P., Denk, W. On the fundamental imaging-depth limit in two-photon microscopy // J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis. — 2006. — T. 23, № 12. — C. 3139— 3149.

98. Сергеева, E. А. Влияние рассеяния на предельную глубину визуализациив методе двухфотонной флуоресцентной микроскопии // Квантовая электроника. — 2010.1. Т. 40, №5. —С. 1053—1061.

99. Ying, J., Liu, F., Alfano, R. R. Spatial distribution of two-photon-excited fluorescence in scattering media // Appl Opt. — 1999. — T. 38, № 1. — C. 224—229.

100. Brakenhoff, G. J., Muller, M., Ghauharali, R. I. Analysis of efficiency of two-photon versus single-photon absorption for fluorescence generation in biological objects // Journal Of Microscopy-Oxford. — 1996. — T. 183 — C. 140—144.

101. Larson, D. R., Zipfel, W. R., Williams, R. M., Clark, S. W., et al. Water-soluble quantum dots for multiphoton fluorescence imaging in vivo // Science. — 2003. — T. 300, № 5624. —C. 1434—1436.

102. Звелто, О. Принципы лазеров: Пер. с англ. — 3-е перераб. и доп. изд. — М.: Мир, 1990 — 560 с.

103. Brokmann, X., Messin, G., Desbiolles, P., Giacobino, E., et al. Colloidal CdSe/ZnS quantum dots as single-photon sources // New Journal of Physics. — 2004. — T. 61. C. 99.

104. He, J., Mi, J., Li, H., Ji, W. Observation of interband two-photon absorption saturation in CdS nanocrystals // J Phys Chem B. — 2005. —- T. 109, № 41. — C. 19184— 19187.

105. Cianci, G. C., Wu, J., Berland, K. M. Saturation modified point spread functions in two-photon microscopy // Microsc Res Tech. — 2004. — T. 64, № 2. — C. 135—141.

106. Lounis, B., Bechtel, H. A., Gerion, D., Alivisatos, P., Moerner, W. E. Photon antibunching in single CdSe/ZnS quantum dot fluorescence // Chemical Physics Letters. — 2000. — T. 329, № 5-6. — C. 399^104.

107. Список работ по диссертации

108. Журналы, входящие в список ВАК

109. А1. Катичев А. Р., Сергеева Е. А. Проявления эффекта насыщения поглощения у коллоидных квантовых точек — флуорофоров для многофотонной флуоресцентной микроскопии // Оптика и спектроскопия. — 2009. — Т. 107. — № 6. — С. 887—893.

110. А2. Сергеева Е. А., Катичев А. Р., Кириллин М. Ю. Формирование сигнала двухфо-тонной флуоресцентной микроскопии в условиях сильного рассеяния: теоретическое и численное моделирование // Квантовая электроника. — 2010. —Т. 40. — № 12. — С. 1053—1061.

111. А4. Sergeeva Е. A., Katichev A. R. Factors affecting ultimate imaging depth of two-photon fluorescence microscopy in scattering medium // Proceedings of SPIE. — 2010. — Vol. 7547. — P. 75470K.1. Тезисы докладов

112. A7. Katichev A. R., Sergeeva E. A. Optical limitations of dense biotissue imaging with two-photon fluorescence microscopy // Topical Problems of Biophotonics 2009. Proceedings. — N. Novgorod: Institute of Applied Physics, 2009 — P. 103.

113. A8. Sergeeva E. A. Katichev A. R., Balalaeva I. V. Potentialities of deep two-photon fluorescence microscopy imaging using quantum dots // Topical Problems of Biophotonics 2009. Proceedings. — N. Novgorod: Institute of Applied Physics, 2009 — P. 72.

114. A16. Sergeeva E. A., Katichev A. R., Kirillin M. Yu. Refined Forward Problem Solution for Biotissue Optical Properties Reconstruction // Topical Problems of Biophotonics 2011. Proceedings. — N. Novgorod: Institute of Applied Physics, 2011 — P. 93.