CC BY
47
упрощение выражения Хп(х, у) = 8(х), то при изотропной круговой симметрии функции рассеяния точки можно определить распределение аналита в выходном сигнале вдоль оси резки. Для указанной функции с круговой симметрией
Хои; (х,0) = Тт (х^ у1 )8(х - x1)dx1dy1, (12) или, что лаконичнее,
Хои; (х,0) =/Хт (х, у)фг (13)
Если заменить У1 у, что в общем случае вполне правомерно, то вводится функция рассеяния линии
Х1пе (х) = Хои; (x,0) = I Хх (x, У)^У. (14)
Если система имеет функцию развертки точки с разделяющимися переменными, т. е. Хт(х, у) = = ХГх(х)УТу(у), то
Х1пе (X) = ] Хх (X)(У)АУ = Ххх (X) ] Хч (У)^
— — (15)
в то время как для изотропных систем очевидно другое
хцпе (х) = i хт (гНу = ] хт (Vх2 + у2 )йу,(16)
где г — радиус фокусирования анализируемого пятна.
Если рассматривать каждую дискретную ячейку (точку) такого измерения как часть матрицы детектирования того или иного дескриптора или корреляционного предиктора, то точность позиционирования и соответствие шагов дискретизации резки и регистрации являются критерием корректности позиционно-чувствительного детектирования анали-та — носителя свойств дескриптора или предиктора. Поэтому ячейки не должны накладываться друг на друга, а аналитические сигналы ткани не должны интерферировать. Вместе с тем функции развертки точки, распространяющиеся за границы единичной ячейки, вызывая корреляцию между соседними позициями измерений или ячейками занесения в память, понижают информационную емкость системы анализа и точность определения значимых биохимических компонентов что должно учитываться при квалиметрии.
УДК 6.62
Е. Е. Мироненко, аспирант,
Кубанский государственный университет, г. Краснодар
Анализ методов
магнитно-резонансной томографии для исследования температурных полей биологических тканей
Ключевые слова: магнитно-резонансная томография, термометрия, биологическая ткань. Keywords: magnetic resonance tomography, thermometry, biologists-economic fabric.
Анализируются экспериментальные данные по развитию методов МРТ-термометрии в медицинской практике.
Магнитно-резонансная томография построена на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР), с ее помощью становится возможным проводить интроскопию непрозрачных для видимой области света
тел. Теория ядерного магнитного резонанса и его приложения развиваются еще с 60-х годов XIX века, но уже в 80-х годах стало понятно, что использования только известных теорий ЯМР недостаточно для исследования живых систем и метод ЯМР требует технологического усовершенствования.
Значимость решаемых с помощью ЯМР задач предполагает использование возможностей метода для изучения всевозможных процессов, происходящих в живом объекте, создание условий для того,
биотехносфера
| № 3(33)72014
42
Материалы Russian-German conference on Biomedical Engineering
чтобы изучаемый процесс максимально влиял на измеряемый сигнал.
В настоящее время в медицинской диагностике широко используются методы ЯМР, стремительно растет парк томографов, с помощью которых происходит освоение новых исследовательских методик. К одной из таких важных методик относится регистрация тепловых полей в исследуемых средах. МРТ-мониторинг температурного контраста является удобным способом наблюдения тепловых процессов внутри объекта и своеобразным инструментом обратной связи, регулирующим воздействие нагревания и отслеживающим его эффективность. Однако установление общих закономерностей регистрации температурных полей методом МРТ происходит в рамках разнообразных биомедицинских исследований, как правило, на сложных объектах, путем медленного накопления опытных фактов, получаемых на разном МРТ-оборудовании, из-за чего экспериментальные данные получаются специфичными и трудно сопоставимыми.
Было установлено, что нагрев ткани на 43 °С, не затрагивая здоровые клетки, начинает разрушать злокачественные. До настоящего времени целиком воплотить такой способ лечения не представлялось возможным из-за сложности измерения температуры в живых организмах, так как введение различных зондов повреждает ткани и полученная таким способом информация является лишь локальной, а инфракрасными методами можно измерить температуру только на поверхности. Поэтому благодаря неинвазивности МРТ-метод измерения тепловых полей становится особо привлекательным. Его важной чертой, по сравнению с ультразвуковым и рентгеновским методами, является большая чувствительность к температуре. В различной степени зависят от температуры время спин-решеточной релаксации, время спин-спиновой релаксации, намагниченность, химический сдвиг и коэффициент диффузии. Измеряя карты изменения этих параметров, можно получить ЯМР-томограммы по температуре.
В работе [1] описывается метод измерения температурных полей с помощью ЯМР-томографии. Более удобно получать ЯМР-томограммы по изменению спин-решеточной релаксации и по коэффициенту самодиффузии молекул воды или по сдвигу частоты резонанса протонов воды. Так как эти параметры мало зависят от температуры, предлагается использовать разностные методы, где данные параметры находятся относительно их исходного измерения. Также в работе [1] реализован метод измерения температурных полей на базе сдвига частоты резонанса протонов и экспериментально продемонстрировано влияние скорости кровотока на распределение температуры.
В работе [2] рассматривается возможность использования в системах МРТ-термометрии традиционных методов нагрева — диффузии теплоты от миниатюрных электронагревателей. Этот вопрос
исследуется с использованием стандартных для обычной теплотехники высокоомных проводников и температурных датчиков. Описываются методики совмещения нагревателей с МРТ-аппаратурой и результаты наблюдений тепловых эффектов, вызванных их нагревом. Показана возможность использования в условиях сильных магнитных полей металлосодержащих проводников в качестве элементов электронагревателей. Разработаны и опробованы устройства для создания и регистрации тепловых полей 0,5 и 7 Тл в режимах, оптимальных для МРТ-сканирования.
Исследовались томографические спин-решеточные релаксационные карты модельных фантомов с введенными в них электронагревателями из высо-коомной проволоки, с помощью которых в фантомах создавались локальные тепловые поля разной интенсивности и конфигурации [13]. Результаты экспериментов показали, что при правильно выбранных режимах исследования возможно применение электронагревателей из высокоомного металла.
В работе [4] рассматривалась проблема неинва-зивного измерения температурных полей внутри биологических тканей in vivo методом МРТ на основе регистрации температурной зависимости параметров ЯМР — времени продольной релаксации и химического сдвига. Была разработана и опробована в магнитных полях 0,5 и 7 Тл экспериментальная установка для создания и регистрации тепловых полей, адаптированная для работы в условиях МРТ-сканирования.
В работе [5] показано, что неоднородность распределения индукции магнитного поля оказывает существенное влияние на изменение времени спин-решеточной релаксации T1. Этот факт необходимо учитывать при разработке методики объемной термометрии, использующей измерение T1, T2 — взвешенные изображения в меньшей степени зависят от градиента индукции магнитного поля, поэтому с их помощью целесообразно идентифицировать температурное состояние объектов.
Вышеперечисленные эксперименты имеют разной степени положительный результат, что позволяет говорить о начале устойчивого развития методов МРТ-термометрии в нашей стране, что в дальнейшем позволит более широко включить их в медицинскую практику.
Литература
1. Ильясов К. А. Развитие методов магнитно-резонансной томографии в исследовании самодиффузии и температурных полей в живых системах: Автореферат дис. докт. физ.-мат. наук. Казань: Казан. фед. ун-т, 2011. 34 с.
2. Волков А. А. Магнитно-резонансная томография тепловых эффектов в модельных средах: Автореферат дис. канд. физ.-мат. наук. М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2012. 21 с.
3. Традиционные методы нагрева в применении к магнитно-резонансной термометрии / А. А. Волков, С. К. Какакель-
№ 3(33)/2014 I
биотехносфера
дыев, А. С. Прохоров, Ю. А. Пирогов // Журнал радиоэлектроники. 2012. № 1.
4. Ханов С. К. Магнитно-резонансная термометрия на основе измерений времени продольной релаксации и химического сдвига: Автореферат дис. канд. физ.-мат. наук. М.: МГУ им. М. В. Ломоносова. 2013. 26 с.
5. Богатов Н. М., Синицын С. А. Влияние температуры объекта на магнитно-резонансные томографические изображения // Современные проблемы физики, биофизики и инфокоммуникационных технологий. Краснодар: ЦНТИ, 2013. С. 91-105.
УДК 57.087
А. А. Таранов, аспирант,
И. Н. Спиридонов, д-р техн. наук, профессор, директор НИИЦ, заведующий кафедрой, Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана
Бесконтактное измерение частоты артериального пульса
Ключевые слова: бесконтактное измерение, частота артериального пульса, фотоплетизмография, цифровая видеокамера, программно-алгоритмическое обеспечение.
Keywords: non-contact measurement, frequency of arterial pulse, photoplethysmography, digital camera, software, algoritmi-ical software.
Известно, что артериальный пульс является одним из наиболее часто измеряемых характеристик в медицинской практике. Сегодня существует много различных подходов к измерению артериального пульса (пальпация, УЗИ, пульсо-оксиметрия, реоплетизмография, сфигмография и т. д.). Но все эти традиционные методы требуют непосредственного контакта с телом больного и не всегда подходят для пациентов, в частности в случае длительного измерения в реальном времени (что часто требуется в медицинских исследований) или на обездвиженных больных. Но эта проблема может быть решена с помощью бесконтактной фотоплетизмографии, и такая методика измерений может быть реализована с использованием персонального компьютера с веб-камерой. Тем не менее до сих пор эта технология не вышла за пределы лаборатории. В данной статье представлен проект, посвященный развитию системы бесконтактных измерений артериального пульса, в режиме реального времени.
Утвердившиеся в качестве стандарта методы измерения частоты артериального пульса требуют непосредственного контакта измерительных приборов с телом пациента, что не удовлетворяет в полной мере требованиям долговременного мониторинга этого жизненноважного показателя. Особенно актуальной проблема контактных измерений оказывается
при неонатальном мониторинге, лечении ожоговых травм, наблюдениях за иммобилизованными пациентами, а также при некоторых видах лабораторных исследований.
Принципиальная возможность измерения частоты артериального пульса по видеоизображению лица была продемонстрирована в работах [1—4]. Изучив сообщения наших зарубежных коллег, мы предприняли попытку реализовать собственную систему бесконтактных измерений в режиме реального масштаба времени. В состав разработанного нами комплекса входят вычислительный блок (персональный компьютер на базе процессора x86—64 с совместимым набором инструкций), цифровая видеокамера (с разрешением 640 на 480 точек, цветовой формат изображений RAW RGB 24 бита, частота выборок 30 кадров в секунду) и программное обеспечение (для операционных систем MS Windows XP/7/8), с подлицензией GNU GPL.
Принцип работы комплекса основан на потоковой обработке цифрового видеоизображения лица человека, направленной на выявление динамики изменения спектрального состава света, отраженного от покровных тканей лица. Изменения спектрального состава могут быть вызваны или изменением условий освещения, или оптических свойств покровных тканей. Последнее происходит в основном из-за пульсового кровенаполнения сосудов — сокращения сердца генерируют пульсовые волны, которые в свою очередь обусловливают циклические колебания объема крови, прокачиваемой через
биотехносфера
I № 3(33)/20l4
