CC BY
12
УДК 004.9:519.6:543.4
П.Й. ГУЧЕК
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет, Укра!на 1нститут бiокiбернетики i бюмедично! шженерп iM. Налеча Польсько! академп наук, Польща
1НФОРМАЦ1ЙНА ТЕХНОЛОГ1Я ОБРОБКИ ВИМ1РЮВАНЬ I ТЕСТУВАННЯ РОБОТИ ОБЛАДНАННЯ ОПТИЧНО1 СПЕКТРОСКОПП В РЕЖИМ1 РЕАЛЬНОГО
ЧАСУ
Розглянуто основнi тдходи до побудови шформацшног пгдсистеми для збору оптичних даних та попередньо'1 обробки peybmamie вимiрювань. Шдсистема також дозволяе дiагностувати апаратш проблеми та в1зуал1зувати результати, оmpимaнi в peжимi реального часу.
Ключовi слова: iнфоpмaцiйнi технологи, ближня тфрачервона спектроскотя, комп 'ютерна вiзуaлiзaцiя, медична дiaгносmикa.
П.И. ГУЧЕК
Херсонский национальный технический университет, Украина Институт биокибернетики и биомедицинской инженерии им. Налеча Польской академии наук, Польша
ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ИЗМЕРЕНИЙ И ТЕСТИРОВАНИЕ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Рассмотрены основные подходы к построению информационной подсистемы для сбора оптических данных и предварительной обработки результатов измерений. Подсистема также позволяет диагностировать аппаратные проблемы и визуализировать результаты, полученные в режиме реального времени.
Ключевые слова: информационные технологии, ближняя инфракрасная спектроскопия, компьютерная визуализация, медицинская диагностика.
P.I. GUCHEK
Kherson National Technical University, Ukraine Nalecz Institute of Biocybernetics and Biomedical Engineering, Polish Academy of Sciences, Poland
INFORMATION TECHNOLOGY OF MEASUREMENT PROCESSING AND TESTING OF THE OPTICAL SPECTROSCOPY EQUIPMENT IN A REAL-TIME MODE
The main approaches to the construction of an information subsystem for collecting optical data and preliminary processing of measurement results are considered. The subsystem also allows you to diagnose hardware problems and visualize the results obtained in real time.
Keywords: information technology, near-infrared spectroscopy, computer visualization, medical diagnostics.
Постановка проблеми
В даний час методи оптично! спектроскопп широко використовуються в медичнш практищ з метою дiагностики i займають одне з провщних мюць поряд з рентгешвськими, акустичними, ядерного магнпного резонансу, радюнуктдними, ендоскошчними та шшими.
Свило видимого та ближнього шфрачервоного дiапазону довжин хвиль е безпечним при малих рiвнях щшьност випромiнювання, людський оргашзм добре адаптований до цього виду випромшювання. Свило цього дiапазону довжин хвиль добре проникае в бюлопчну тканину i, взаемодшчи з рiзними структурними та динамiчними компонентами тканин, несе шформацш про структурш i динамiчнi змши, що вiдбуваються в тканинах при рiзних захворюваннях. Такi добре вiдомi у фiзицi явища, як поглинання, дифракцiя, iнтерференцiя, флуоресценцiя, а також пружне, квазiпружне i молекулярне розсiювання, спостерiгаються в бiологiчних середовищах i е джерелами iнформацii про патолопчш процеси[1].
Прозорiсть бiологiчних тканин сягае свого максимуму в ближнш шфрачервонш(БГЧ) областi спектра, що обумовлено тим фактом, що живi тканини не мютять сильних внутрiшнiх хромофорiв, якi могли б поглинати випромшювання в цш областi спектра. Свило проникае в тканини на глибину шлькох сантиметрiв, що важливо для просвiчування об'емних людських органiв (мозок, молочна залоза i т. ш.). Однак бiологiчнi тканини характеризуються ще досить сильним розсiюванням БIЧ-випромiнювання, що заважае отримувати чiткi зображення локальних неоднорвдностей, що виникають в тканинах при рiзних патологiях, таких як утворення пухлин або локальне зростання об'ему кровi, обумовлене крововиливом або розростанням мiкросудин [1,2].
Значш перспективи, з точки зору безпеки, простоти i надшносп пристро!в, а також отримання надшно! шформацп про фiзiологiчнi процеси, мають оптична дифузiйна томографiя i оптична когерентна томографiя.
При проведенш дослiджень важливе значения необхвдно придiляти тестуванню обладнання на достовiрнiсть отриманих значень, як на початку так i в процесi всього циклу дослщжения. Це дае змогу своечасно виявити похибки пов'язанi з пошкодженням або вiдставанням вiд системи кршления джерела випромiнювання, детектора, свиловода та iн.
Анaлiз останшх дослвджень i публiкацiй
Дослiдженнями пов'язаними з використанням свiтла для монiторингу стану бютканин i клiтин з метою дiагностики захворювань вченi займаються близько двох столль. Брайт (Bright) в 1831р. показав, що сонячне свило або свiтло свiчки може проходити через голову пацiента хворого на пдроцефалш [3]. Пiзнiше, можливiсть просвiчування бiотканин була вiдзначена Курлiнгом(Curling), Катлером (Cutler) для спостереження патологiчних змш молочно! залози. Хассельбалч (Hasselbalch) в 1911 р, провiв дослiдження пропускання ультрафiолетового випромiнювання шкурою, а у 1933р. Пирсоном (Pearson) i Норрюом (Norris), a також Хардi (Hardy) i Мушенхеймом (Muschenheim) в 1935р. були представлен оптичнi властивостi бютканин в ближиш iнфрачервонiй областi[1,2].Через сильне розсшваиия свiтла i автофлуоресценцii ранш дослiдження дозволили зрозумiти лише деяш найзагальнiшi оптичнi властивостi бюлопчно! тканини.
Мшлшен (Millikan) був першим, хто запропонував використовувати метод двохвильово! оптично! спектроскопп для облiку розсiювання свила, i вiн був успiшний в проведенш метаболiчних аналiзiв у людини [1,4]. У 1930 - 1950 рр. було зроблено багато дослвджень по спектроскопп гемоглобiну в бютканинах [1]. In vivo вимiрювання Б1Ч спектрiв пропускання мочки вуха i щоки людини, зробленi 1ль!ною [5], показали багато нових важливих деталей спектра тканини, таких як смугу поглинання води на довжинi хвилi 980 нм. Використаиия Б1Ч випромiнювания для глибокого просвiчувания тканин ссавщв, включаючи голову доросло! людини, i дiагностичне значения Б1Ч для оцшки ступеия насичения гемоглобiну киснем i визначения редокс стану цитохрому а-а3 було продемонстроваио для об'емних тканин в 1977 р Джобасом (Jobsis) [6] .
Чаиi (Chance) i Дельт (Delpy) з ствробиниками запропонували спектроскошю з часовою роздiльною здатшстю, що використовуе iмпульсне просвiчувания i детектування, так званий часовий метод (time-domain). Шзшше вiн був розроблений Паттерсоном (Patterson) i Жаком (Jacques) в застосуванш до вимiрювань на вщбиття i був використаний численними дослщниками для вивчення тканин i створения дiагностичних приладiв [1, 2, 4].
У 1990 р. Лакович (Lakowicz) i Берндт (Berndt) розширили можливостi спектроскопп з часовим роздшенням шляхом використания частотного (frequency-domain) пвдходу, який математично еквiвалентний часовому методу, але дозволяе створювати бiльш робасш i чутливi методи вимiрюваиь. Вщкриття на цiй основi нового типу хвиль - хвиль фотонное' щ№носп (photon-density waves), i !х iнтерференцiя дали можливiсть iстотно полiпшити просторову роздiльнiсть спектроскопiчного аналiзу бiологiчноi тканини [1] .
Численш in vitro i in vivo спектрофотометричш дослвдження тканин з використаииям безперервного, часового або частотного методiв проаналiзоваиi в роботах [1-8].
Таким чином, швидке дiагностування при рiзних захворюваниях чи травмах та вiзуалiзацiя результатiв е досить актуальним питаниям. Особливо це стосуеться тих мюць, яш не завжди мають можливiсть томографiчного обстеження: комп'ютерну томографiю та магнiтно-резонаисну томографш. Наприклад, на полi бою або на значнш вiдстанi вiд дiагностичних центрiв. I перед клiнiцистами, яш беруть участь в дiагностицi та лжуванш черепно-мозково! травми, пухлини та ш., сто!ть непросте завдания -забезпечити оптимальну рацiональну дiагностику при мшмальних витратах, об'ективiзувати показания до госпiталiзацii та визначити найбiльш швидкий ефективний метод лiкувания.
Мета роботи
Розробка основних пiдходiв i побудова iнформацiйноi пiдсистеми для збору оптичних даних та попередньоi обробки результапв вимiрювань, дiагностуваиия апаратних проблем та вiзуалiзацiя результатiв в режимi реального часу.
Основна частина
Розробка та дiагностування шформацшно1 пiдсистеми проводилася на базi 1нституту бiокiбернетики i бюмедично1 iнженерii iм. Налеча Польсько1 академп наук, який розробив пристрiй дифузно1 оптично! томографi! високо! щiльностi (HD-DOT), здатний до дослвдження головного мозку доросло! людини [7,8].
Для розробки запропоновано! пiдсистеми, що дозволяе приймати данi з пристрою HD-DOT, використовувались методи об'ектно-орiентованого програмуваиия, системного програмування, комп'ютерно! графiки та теорii множин. Для зберiгания проведених результатiв дослщження та подальшого аиалiзу, моделювания, хронолопчного дослiджения змiн у пацiентiв, вiзуалiзацii та сегментацii зображень уражених дмнок пiд час захворiния чи травми та ш., виникла потреба у проектуванш бази даиих. В якосп iнструментального середовища системи керування базою даиих було обрано MySQL, яке легко адаптуеться тд рiзнi платформи та е досить потужиою та розвиненою як для стацюнарних, так i мобiльних пiдсистем та додатшв. Microsoft Visual Studio та мова програмуваиия C# використовувались як шструменти середовища
розробки шформацшно! тдсистеми, яш дозволяють створювати рiзнi безпечнi i надiйнi додатки, що працюють на платформi .NET Framework.
При створенш повноцшно! шформацшно! тдсистеми з розвиненим графiчним середовищем, в якому можлива реалiзацiя складних математичних алгоритмiв для подальших етапiв аналiзу даних та дослiджения виникла необхщшсть в iнтеграцii розроблено! пiдсистеми з системою MATLAB[9], яка мае колосальш математичнi можливостi. Пакет MATLAB Builder для .NET (.NET Builder) е розширення пакету MATLAB Compiler. Вш використовуеться для перетворення функцiй MATLAB в один або бтше клаав .NET, як1 складають компонент .NET, або пакет. Кожна функцiя MATLAB перетворюеться в метод деякого класу i може бути викликана з програми .NET. Програми, що використовують методи, створеш за допомогою .NET Builder, при сво!й роботi не вимагають встаиовлено! системи MATLAB. Однак повинна бути встановлена MCR - середовище виконання для компонентiв MATLAB (MATLAB Component Runtime)(P^.1).
Рис.1. Структурна схема шформацшно!' пiдсистеми збору та оброблення даних з пристрою HD-DOT (СКБД - система керування базами даних, UDP - User Datagram Protocol, I/O - Input/Output)
Пристрш HD-DOT з'еднуеться з шформацшною подсистемою за техиолопею Ethernet використовуючи UDP протокол, котрий виконуе обмiн повщомленнями (датаграмами) без щдтверджения доставки та надмiрного наваитажения на мережу тд час проведения дослвджения. До складу обладнання HD-DOT входять 192 джерела випромiнюваиия(S1-S192), та 96 детекторiв (D1-D96) для отримання результатiв вимiрювания. Для вiзуалiзацi! в реальному часi в обласп двовимiрноi i тривимiрно! графiки використовувався один з найбiльш популярних прикладних програмних iнтерфейсiв 0penGL[10,11], шдтримуваний бiльшiстю виробник1в, як апаратних, так i програмних платформ. Це дало змогу контролювати данi, як1 надходять з обладнаиия в процесi вимiрювання та проводити дiагностувания на достовiрнiсть отриманих значень. Наприклад на рис.2 представлен результати, отриманi на 12 детекторах з першого джерела випромшювання.
^ ltqrtrMEi*ri. ?.{ti " С X
Filr Ь*цр HHp
LKJhH ■ nOCJ - i .li ч - J ^ С Q 1 '
> ¡1ДТ.&.ДЛ
Гфгл СнЪ| WMhwUwmMnq
|«SLJ аг ОООООО»^
'0 !0 >□ « □ 5 П «□ »□ а О »□ и□ Ч□
1Л : z 't'-i'
IT li -л-' I 11 21,
X I
X 2
X 3
X 4
¡MOWBSI I» I 5i5 02 |лив 1*3 ЯН^Цо*
X 5 X 6 XI X В
Istnay Its [шЗш '«в [нйв | • 7 MH D1
х а х ю х И х \2
ой 1 ою »4 он ишЯ 912
X 13 X 14 X 15 X 16
О »
<01 Q2 ОЭ 04 О® 0« О' О» О э О ю О « О «
<SH О* Oi О* OS О® О? О» О 9 о W О » О 12 О о*0 Н О 'S O 1'
vvso
Xrsc/
Рис.2. Головне вшно 1нформац1йно! пiдсистеми
Тестування розробленно1 тдсистеми проводилося на cxeMi, яка мiстить 16 джерел випромiнювання, та 12 детекторiв (Рис.2-4). Джерела випромiнювання представленi на зображеннях хрестиками, а детектори - кружечками. Дослщжения проводилися одночасно на двох каналах генераци з частотами 750нм та 850нм. Також проводилося моделювання виходу з ладу рiзних джерел випромiнювання та детекторiв (Рис.3,4). Для наочносп вiзуалiзацiï в областi дослiдження застосовувалась бiкубiчна апроксимацiя поверхнi Без'е.
Для б№ш детального проведения дослiдження над отриманими результатами, як1 потребують складних математичних обчислень та вiзуалiзацil, використовуеться iнтеграцiйний модуль з МЛТЬЛБ, який завантажуе вiдповiднi *.Й11 бiблiотеки з необхщними функцiями. Так наприклад на рис.5 представлена вiзуалiзацiя отриманих значень на детекторi 1 вiд джерел випромшювання 1, 2, 5, 6.
Рис.5. В1зуашзащя значень на детектор! 1 ввд джерел випромшювання 1, 2, 5, 6.
Розроблена шформацшна подсистема дозволяе (1) записувати даш, що надаються пристроем HD-DOT, (2) збертати данi в базi даних(Рис.б) i (3) анал1зувати яшсть оптичного сигналу, дифузно-вiдбитого вiд тканин людини в режимi реального часу на основi рiзних геометричних параметрiв для рiзноманiтних джерел i сггок детекторiв. Як1сть оптичного сигналу представлено як карти SNR (signal strength map), яш включають спiввiдношення сигнал/шум для комбшацш усiх найближчих i вах найближчих до найближчих пар-джерел-детекторiв. Цi карти наочно демонструють невизначешсть, яка пов'язана з поганим оптичним зв'язком свiтла, що випускаеться з пучшв джерельного свiтловолокна в тканину, а також свила, вилученого з тканини, у пучки свпловолокна детектування. Вiдображення в режимi реального часу дозволяе виявляти проблеми оптичного сигналу тд час фiксацiï оптичних свiтловодiв на головi.
J Modeli
^ Measurements
idMeasuremente INT О idTypeMessurements INT OSlDlfl INT 0siD2fl INT 0S1D3Î1 INT OS1D4Î1 INT OsiD5fl INT OS1D6Î1 INT OS1D7Î1 INT OsiD8fl INT OS1D9Î1 INT О S ID 10ft INT О S ID llfl INT О S ID 12fl INT OSlDlfc INT <>SlD2fc INT OsiD3fc INT OS1D4Î2 INT OsiD5fc INT OsiD6fc INT OSlD7fiZINT OSlDSfiZINT OslD9f2INT
Kod Model INT О NameMode) VARCHAR(45) OKolSrodel INT О Kol Detector INT
_I TvpeMeasurements
icfTypeMeasurements INT O KodModeli INT OidPatirntINT ODateDÄTFÜME OTime DATFTIME '-II- O InfoText BLOB
>Modeli_KodModel INT ^ Patient idPatient INT
PRIMARY
tk_TypeMeasuremen1s_Modeli... fli_TypeMeasuremente_Patient.
~3 Patient
idPatient INT OFName VARCHAR(30) OSName VARCHAR(45) О Sex TINYINT :> DataRogd DATE OAdress VARCHAR(45) О Phone VARCHflR(45) О DopInfBL 06
DistanceModSrodla ▼
t Moddi.KodModel INT Num bSrodla INT C>Srodlo_x DOUBLE C>Srodlo_y DOUBLE
I
Indexes
PRIMARY fk_Di staic eM odSrodl a_M odeli Jdx
TU DistanceModDet
t Modäi_KodModel INT
Nom Detect INT ОDet_x DOUBLE ОDet_y DOUBLE
BS
PRIMARY
fli_Distcncef-1odDet_HodelilJdx
^ SetupConnect
Kod IPJT LocäPort IUI ocäAdress VARCHAR(15) RemotePort INT RemoteAdress VARCHAR(15) Limit IMT ColorLimit IMT
Рис. 6. 1нформащйна модель бази даних
Висновки
В роботi розглянуто основш пiдходи до побудови шформацшно1 шдсистеми для збору оптичних даних та попередньо! обробки результатiв вимiрювань. Шдсистема також дозволяе дiагностувати апаратнi проблеми та вiзуалiзувати результати, отриманi в режимi реального часу. Перспективним е подальше дослщження з iнтеграцii розроблено! пвдсистеми з потужними системами вiзуалiзацil медичних зображень з ввдкритим кодом, такими як 3D Slicer, NIRFASTSlicer.
Список використаноТ лiтератури
1. Tuchin V.V. Handbook of optical biomedical diagnostics / V.V. Tuchin. - Belingham, Washington. - 2002. -1093 p.
2. Тучин В. В. Оптика биологических тканей. Методы рассеяния света в медицинской диагностике / В. В. Тучин. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. - 812 с.
3. Ferrari. M. Special Section on Clinical Near Infrared Spectroscopy/ lmaging / Eds. M. Ferrari, D. Delpy, D.A. Benaron // Biomed. Opt. - 1996. - V. 1.- P. 361-434; 1997. - V. 2.- P. 7-41; 147-175.
4. Chance В. Optical method / В. Chance // Arm. Rev. Biophys. Chem. - 1991.- V. 20. - P. 1-28.
5. Il'ina A.A. Transmittance of the near infrared rays by tissues of the human body/ A.A. Il'ina // Soviet Physiological J. - 1949. - V. 35. - P. 338-348.
6. Jobsis F. Non invasive monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters/ F. Jobsis // Science. - 1977. - V. 198. - P. 1264-126.
7. Zeff, B.W. Retinotopic mapping of adult human visual cortex with high-density diffuse optical tomography / B.W. Zeff, B.R. White, H. Dehghani, B.L. Schlaggar, J.P. Culver.- Proc Natl Acad Sci U S A. - 2007. -104(29). - P. 12169-74.
8. Wojtkiewicz, S. Towards Optical Tomography of an Adult Human Head / S. Wojtkiewicz, P. Sawosz, M. Kacprzak, A. Gerega, K. Bejm, R. Maniewski, A. Liebert, // In Optical Tomography and Spectroscopy. -Optical Society of America, 2016. - P. OM4C-2.
9. Смоленцев Н. К. Создание Windows приложений с использованием математических процедур MATLAB/ Н. К. Смоленцев. - М.: ДМК Пресс, - 2008. - 456 с.
10. Гучек П.Й. 1нформацшна технолопя тдтримки процедури вiзуалiзацii серендипових поверхонь / П. Й. Гучек, О. I. Литвиненко, А. Н. Хомченко // Проблеми шформацшних технологш. - 2011. - №2. - С. 6872.
11. Херн Д. Компьютерная графика и стандарт OpenGL / Д. Херн, М. Паулин Бейкер. - М. : Издательский дом "Вильямс", 2005. - 1168 с.
