CC BY
28
УДК 535
АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ПРОЗРАЧНОСТИ ЖИДКОЙ СРЕДЫ МЕТОДОМ ЦИФРОВОЙ КОРРЕЛЯЦИИ СПЕКЛ-ИЗОБРАЖЕНИЙ
Ли Линь
Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30, аспирант кафедры промышленной и медицинской электроники
Алена Игоревна Блошкина
Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30, студент кафедры промышленной и медицинской электроники, тел. (960)974-18-81, e-mail: alenaigorevna@list.ru
Федор Александрович Губарев
Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30, доцент, зав. кафедрой промышленной и медицинской электроники; Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1, научный сотрудник лаборатории нелинейно-оптических взаимодействий, тел. (382)241-98-69, e-mail: gubarevfa@tpu.ru
В данной работе представлены спекл изображения, полученные с помощью освещения контрольной плазмы когерентным светом, в процессе свертывания плазмы. Анализируя полученные изображения можно охарактеризовать процесс свертывания крови. В частности, можно определить начало и конец процесса, скорость реакции, протромбиновое время. В результате исследования выявлена возможность измерения параметров свертывания крови человека в реальном времени.
Ключевые слова: спекл интерферометрия, спекл, когерентное излучение, корреляция.
LIQUID TRANSPARENCY CHANGINGDYNAMICSESTIMATION BY MEANS OF DIGITAL SPECKLE CORRELATION
Li Lin
National Research Tomsk Polytechnic University, 634050, Russia, Tomsk, 30 Lenina Prospect, graduate student of the Department of Industrial and Medical Electronics
Alyona I. Bloshkina
National Research Tomsk Polytechnic University, 634050, Russia, Tomsk, 30 Lenina Prospect, student of the Department of Industrial and Medical Electronics, tel. (960)974-18-81, e-mail: alenaigorevna@list.ru
Fedor A. Gubarev
National Research Tomsk Polytechnic University, 634050, Russia, Tomsk, 30 Lenina Prospect, associate Professor, Head of the Department of Industrial and Medical Electronics; V. E. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 634055, Russia, Tomsk, 1 Аkademik Zuev Area, researcher the Laboratory of Nonlinear Optical Interactions, tel. (382)241-98-69, e-mail: gubarevfa@tpu.ru
The paper presents the speckle images produced by clotting plasma when illuminating with coherent light. By analyzing the changes of speckle images, it is possible to characterize the clotting process. In particular, the beginning, the end, the rate of the reaction, and the prothrombin time can
be identified. The results of study prognosticate the possibility to measure the clotting time of the human blood in a real time.
Key words: speckle images, laser beam, dynamics estimation.
1. Введение
Лазер является источником когерентного и монохроматического излучения, которое часто используется для наблюдения за изменениями объекта. Лазерные спеклы формируемые за счет суперпозиции волн в пространстве, образуют интерференционного пространство с различной яркостью. Фотографируя эту область в некоторой плоскости, мы получаем спекл-изображения. Исходя из того, что спекл-изображения формируются рассеянным когерентным светом, можно говорить о том, что изменение спекл-картины соответствует изменению свойств объекта.
В последние годы специалисты в различных областях изучают корреляцию спекл-изображений как один из оптических методов исследования. Данный метод основан на анализе спекл-изображений, создаваемых отраженным от объекта когерентным излучением, и дальнейшем получении параметров для описания динамики объекта. В работах [1-8] продемонстрирована возможность измерения динамики и перемещения объектов.
Спекл-изображение в процессе наблюдения за объектом меняет свою структуру, отображая изменения объекта. Данная особенность делает возможным исследование биологических жидкостей с помощью корреляционного анализа спекл-изображений. Хорошим примером может служить кровь человека, поскольку процессы, происходящие в ней, чрезвычайно важны. С помощью методики, представленной в данной работе, возможно оценить временные характеристики свертывания крови. Если свертывание крови происходить слишком быстро или слишком медленно, это может свидетельствовать о наличии каких-либо заболеваний. Разработка быстрого и простого метода для данных измерений является актуальной задачей.
В работах [9,10] авторы предлагают экспериментальную установку для получения спекл-картин, в обоих экспериментах используют реальную человеческую кровь с неизвестным временем свертывания.
В настоящей работе мы используем контрольную плазму с известным про-тромбиновым временем. Целью работы является сравнение статических параметров спекл-изображений, полученных методом лазерной спекл корреляции, с известными характеристиками реагента.
2. Техника эксперимента
Реагент состоит из двух частей: контрольная плазма и реагент «Техпла-стин» производства фирмы «Технология стандарт», Россия. Техпластин - это растворимый тромбопластин-кальциевый реагент из кадаверного мозга, стандартизированный по международному индексу чувствительности (МИЧ) - аналог кроличьего тромбопластина. Тест разработан для анализа протромбинового
времени контрольной плазмы, полученной из венозной крови. Определение времени свертывания используется для проверки протромбиновых факторов (II - протромбина, V, VII, X), а также мониторинга и лечения антикоагулянтами непрямого действия [11]. При добавлении в контрольную плазму техпластина, плазма начинает образовывать сгусток, этот процесс, согласно известным характеристикам, продолжается около 13-18 секунд.
Схема эксперимента представлена на рис. 1. Луч Не-№-лазера направляется на объект с помощью поворотного зеркала. Сформированные спекл-изображения записываются цифровой камерой HiSpec FastCam 1. Размер анализируемого окна 1 : 1, т. е. рассматривается все изображение.
Рис. 1. Схема эксперимента
Реагенты до активации растворялись в дистиллированной воде и поддерживались при постоянной температуре. Процесс свертывания начинается при смешивании контрольной плазмы и Техпластина. Соотношение реагентов согласно рекомендации составляет 1 : 2. В экспериментах использовались 0.05 мл плазмы и 0.1 мл Техпластина.
3. Результаты
На рис. 2 показано спекл-изображение в процессе свертывания крови. В экспериментах камера записывала спекл-изображения с частотой 2 Гц.
Анализируя изображения в программном обеспечении Ма1ЬаЬ, получаем график процесса свертывания крови. В работе нами вычислялся коэффициент корреляции между текущим и предыдущим изображениями в серии спекл-изображений в момент процесса свертывания. Таким образом, определялась зависимость коэффициента корреляции от времени реакции. Алгоритм, по которому производился анализ изображений, описан в работах [7, 8].
Рис. 2. Спекл-изображение во время процесса свертывания контрольной сыворотки
Используя полученные диаграммы, можно определить время свертывания, а также момент его начала и окончания. На рис. 3 приведены кривые коэффициентов корреляции для описания процесса свертывания крови для четырех образцов одного раствора. Известно, что коэффициент корреляции отражает соотношение двух спекл-картин, следовательно, указывает скорость изменения спекл-изображений за определенный период. Чем быстрее меняются изображения, тем менее оптически плотным является объект.
В процессе коагуляции скорость изменения рассеяния света соответствует скорости процесса коагуляции. Например, хорошо видно, что на 13-18 секунде скорость изменения спекл-картины замедляется. После 18 секунд коэффициент корреляции становится больше 0.9 и стремится к 1. Это значит, в течение 13-18 секунд процесс коагуляции постепенно замедляется, а после 18 секунды почти останавливается. Результаты согласуются с известным временем свертывания (14-19 секунд), по инструкции [11], прилагаемой к реагентам, это говорит о том, что с помощью метода цифровой корреляции спекл-изображений возможно измерение времени свертывания с точностью, достаточной для применения в клинической практике.
0.3 н—I—|—1—|—I—|—I—|—1—|—I—|—1—|—I—|—I—|—I—
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Время (с)
Рис. 3. Кривая зависимости коэффициента корреляции во времени
4. Заключение
В работе показано, что метод цифровой корреляции спекл-изображений может использоваться для измерения времени свертывания крови человека. Зависимость коэффициента корреляции от времени соответствует известному протромбиновому времени контрольной сыворотки, используемой в эксперименте.
В дальнейших исследованиях необходимо изучить параметры, влияющие на точность эксперимента: размер спекл-изображения, время экспозиции камеры, различные образцы крови и т. д.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Khaksari K., Kirkpatrick S. J. Laser speckle contrast imaging is sensitive to advective flux // Journal of Biomedical Optics., Vol. 21, No. 7, 076001-1-076001-8, 2016.
2. In vivo dynamic light scattering imaging of blood coagulation / V. Kalchenko, A. Brill, M. Bayewitch, I. Fine, V. Zharov, E. Galanzha, V. Tuchin, A. Harmelin // Journal of Biomedical Optics, Vol. 12, No. 5, 052002-1-052002-4, 2007.
3. Speckle-based configuration for simultaneous in vitro inspection of mechanical contractions of cardiac myocyte cells / M. Golberg, D. Fixleret A. Shainberg, S. Zlochiver, V. Micô, J. Garcia, Y. Beiderman, Z. Zalevskyal // Journal of Biomedical Optics, Vol. 18, No. 10, 101310-1101310-5, 2013.
4. "Simultaneous remote extraction of multiple speech sources and heart beats from secondary speckles pattern / Z. Zalevsky,Y. Beiderman, I. Margalit, S. Gingold, M. Teicher, V. Mico, J. Garcia // Optics express, Vol. 17, No. 24, 21566-21580, 2009.
5. W.O. Wong, "Vibration analysis by laser speckle correlation," Optics and Lasers in Engineering, Vol. 28, No. 4, 277-286, 1997.
6. Excellent reproducibility of laser speckle contrast imaging to assess skin microvascular reactivity / M. Roustit, C. Millet, S. Blaise, B. Dufournet, J. L. Cracowski // Microvascular Research., Vol. 80, No. 3, 505-511, 2010.
7. Vibration measurement by means of digital speckle correlation / L. Li, F. A. Gubarev, M.S. Klenovskii, A.I. Bloshkina // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), 7491753, 2016.
8. Speckle pattern processing by digital image correlation / F. Gubarev, L. Li, M. Klenovskii, A. Glotov // MATEC Web of Conferences, Vol. 48, 04003, 2016.
9. Evaluation of blood plasma coagulation dynamics by speckle analysis / Y. Piederrie're, J. Cariou, Y. Guern, G.L. Brun, B.L. Jeune, J. Lotrian // Journal of Biomedical Optics, Vol. 9, No. 2, 408-412, 2004.
10. Blood Coagulation Measurements Using Dynamic Speckle Technique / M. M. Patino-Velasco, C. Andrade-Eraso, J. Vâsquez-Lôpez, M. Trivi, H. J. Rabal // VI Latin American Congress on Biomedical Engineering CLAIB., Vol. 49, 91-94. 2014,
11. http://www.tehnologia-standart.ru/catalog/tekhplastin_test/tekhplastin_test_100_opr_.html
© Л. Линь, А. И. Блошкина, Ф. А. Губарев, 2017
