CC BY
15
DOb 10.5281/zenodo. 1493027 LCC - № RA440-440.87
МОДЕЛЮВАННЯ КОГЕРЕНТНОГО ВИПРОМ1НЮВАННЯ ДЛЯ МЕДИЦИНИ
Сергiй Солдатов1, Лiдiя Новiкова1
1 Херсонський нацюнальний технiчний унiверситет Address for Correspondence: Сергш Солдатов, студент Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет E-mail: baffet111@mail.ru
Анотащя. Описаний метод отримання зображення в оптичнш томограф1 сильнорозаючих неоднорщних об'ект1в, в якому в якост параметри в1зуал1зац1'1 використовуеться форма спектра поглинання поблизу екстремума.
Показано, що при оптимальному вибор1 цього параметра вдаеться значно пол1бшення контраста зображення д1агностично значущих ознак та пол1бшити „ефективний" просторовий дозвш за рахунок зменшення яркост зображення неспециф1чних ознак.
Приведений алгоритм тако'1 оптим1зацп та обумовлений виб1р д1агностично значимих ознак для онколопчних захворень молочних залоз.
Ключовi слова: томограф1я, зображення, д1агностика.
Abstract. The described method of obtaining an image in an optical tomograph of strongly scattering heterogeneous objects, in which the form of the absorption spectrum near the extremum is used as a visualization parameter.
It is shown that with an optimal choice of this parameter, it is possible to significantly degrade the contrast of the image of diagnostic signifi- cant features and improve the "effective" spatial resolution by decreasing the brightness of the image of nonspecific characters.
The resulted algorithm of such optimization and the caused choice of diagnostically significant signs for oncological diseases of mammary glands.
The difficulty lies in demonstrating the advantages of coherent optics before incoherent (which is often cheaper, more convenient and more natural) or digital methods. Coherent optics will be appropriate only where the need for its use is likely to be established. Secondly, coherent optics can perform operations
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
that can not be performed by other methods, for example, holographic image formation and detection of
small shifts by means of holography. The problem in this case is to show that such operations are needed.
In the transition from an idea to an accepted practical use, any application of coherent optics should take place in three stages. We call these stages "evidence", "technique" and "implementation". At the first stage it is necessary to find out, "whether this procedure can be performed using coherent optics," and "whether this procedure should be performed using coherent optics." In this case, in turn, two questions arise. First: "Is the proposed operation really worth doing?" and second: "Is coherent optics the best tool for this?". In the case of treating transaxial tomographic images, alternative approaches that deserve attention are digital methods and incoherent optical processing. Coherent the method passes both tests at the stage of proof, it can go into the technical stage. The vast majority of methods of coherent optics is in the first stage. This does not mean that they will not lead to ultimate recognition.
Keywords: tomography, image, diagnostics.
Introduction. Актуальшсть теми полягае в тому, що когерентна оптика все ширше використовусться в медициш та бюлогп i, в багатьох випадках тшьки вона може виршити проблеми, що стоять перед цьома галузями. Одним з методiв дiагностики патологи е оптична томографiя.
Метою роботи е моделювання можливосп покращення контрасту в оптичнш томографа при диференцшному методi вимiрювання. При цьому виршували наступш завдання.
1. Теоретично проаналiзувати можливосп покращення контрасту зображення при вимiрюваннi бюлопчних об'екпв.
2. Розробити модель м'яко'1 тканини та виготовити фантом.
3. Провести експериментальш дослщження однопромшевим та двопромшевим методом.
Об'ектом дослщження е закони взаемоди оптичного випромшювання з бюлопчною
тканиною.
Materials and methods. Теоретичне дослщження полягае в вивчеш закошв розповсюдження св^ла в дуже розаючому середовищь Практичними дослщженнями е визначення вихщного сигналу при проходженш ^зь фантом бюоб'екта.
Оптична томографiя виникла як альтернатива рентгешвсько'1 томографа спочатку розвивалася як нешвазивний метод дiагностики патолопчних станiв бютканин, зокрема, для дiагностики пухлин м'яких тканин. Для максимально ранньо'1 дiагностики принциповими е чутливiсть гарний контраст зображення. Було запропоновано багато методiв покращення цих параметрiв, але кожен з них мав певш недолши. Бiльш вдалими виявилися методи покращення контрасту -це диференщальш методи вимiрiв. Встановлено, що чим вище контраст, тим надшшше може бути щентифшована область патологи. Тому апаратури та метод вимiру повиннi бути
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
0nraMi30Barn на одержання максимального контрасту. Апаратура повинна бути сконструйована
таким чином, щоб ютинний контраст був багато бшьше флуктуацш i помилкового контрасту. При цьому необхщно враховувати, що методи, засноваш тiльки на вимiрi оптично! щшьносп, погано пiдходять для ранньо! дiагностики, тому що привносять значний помилковий контраст. У терапевтичному вшш прозорост (600... 1100 нм) iснують спектральш дiлянки, на яких поглинання одним з компонент е домiнуючим. Тому, використовуючи вимiру на декiлькох довжинах хвиль можна було б перейти вщ розподшу iнтенсивностей до розподшу концентрацiй окремих компонентiв. З аналiзу лiтературних джерел визначено, що моделлю покращення контрасту е виконання наступних умов:
- рiвнiсть спектрально! чутливосп на двох довжинах хвиль випромшювання. ^вшсть коефiцiентiв поглинання середовища ^вшсть коефiцiентiв розсiювання
Для дiагностики треба вибрати шформацшну ознаку. Однiею з шформацшних ознак запропоновано значення кшькосп гемоглобiну (при великiй кiлькостi спостер^аеться затемнення зображення, що вказуе на патолопю). Було визначено, що для вимiрювання з високою чутливiстю розподшу тканинново! оксигенацп в зразку довшьно! форми та неоднорщно! структури необхщно дотримуватия двох умов: 1. робочi довжини хвиль в дифракцшному методi треба вибирати симетрично вiдносно локальних екстремумiв спектру поглинання зразка; 2. рiзниця мiж обраними довжинами хвиль не повинна перевищувати декiлькох десятюв нанометрiв. Вiдмiнний вiд нуля вихщний сигнал у такому методi з'являеться лише в тому випадку, коли в дослщжуванш дшянщ змiнюеться форма спектра.
Вимiри проводилися на штучному об'ект (фантомi), що моделюе м'яку тканину. Фантом був виготовлений з латексного мшка, заповненого сумшшю що розсшють i поглинають компонентiв. Як розаювач використали дрiбнодисперсний Ti02, з розмiром часток менш 5 мкм. Як поглинач використали розчинену в метиловому спирт сумш анiлiнових барвниюв з результуючим спектром, близьким до спектра поглинання кровi в спектральному iнтервалi 650...750 нм. Для додання в'язкост в сумiш додавали глщерин.
Вимiрювання проводили на медичному пристрою для обробки бюлопчно! рiдини. Весь пристрш закрiплювався на рухливiй каретщ, що дозволяе здiйснювати одномiрне сканування уздовж зразка оптопари випромшювач/приймач. Джерелом св^ла були два дiодних лазери DL1 та DL2, що працюють в iмпульсному режимi з одиничною шпаруватiстю в противофазi. Випромiнювання вщ обох лазерiв змiшувалося на натвпрозорому дзеркалi Ml i фокусировалось в одноволоконий оптичний свiтловод дiаметром 0,2 мм таким чином, щоб на його виходi штенсившсть свiтла
ISSN 2311-1100
CC-BY-NC
збер^алася постшно!, а довжина хвилi випромiнювання модулювалася iз заданою частотою. Для цього частина випромшювання з виходу свiтловода ^зь напiвпрозоре дзеркало М2 подавалася в ланцюг зворотного зв'язку.
Насамперед вимiрювали розподiл сигналу уздовж зразка без вставок. Показано, що при розладi АХ = 2 нм отримане оптимальне значення вихщного сигналу.
Потсм вимiрювали розподiл вихiдних сигналiв для зразюв з штучним введеними неоднорщностями однопроменевим i двопроменевим методами. Розглядаються випадки: а вiдповiдаe випадку, коли вставка (металевий цилшдр) мае неселективне поглинання бшьшим, нiж поглинання самого зразка; б - протилежному випадку, коли коефщент поглинання вставки (порожнш цилшдр, заповнений сумшшю спирту та ТЮ2) менше, нiж зразка. При вимiрах оптимизированним двопроменевим методом в обох випадках виходили близькi до нуля розподшу типу в.
Введения селективних по Х домiшок приводить до появи диференцiального сигналу, знак i величина якого характеризують вiдхилення оптичних характеристик цих домшок вiд середнiх за зразком.
В якост селективно! вставки використали тонкостшний прозорий пластиковий цилiндр дiаметром 8 мм, заповнений сумiшшю ТЮ2 i розчину барвника в спирта Як неселективна вставка використали металевий цилшдр дiаметром 8 мм. Вщстань мiж центрами цилiндрiв становило 14 мм.
Рис. 1 - це однопромшевий скан. Видно, що контраст одержуваного одномiрного зображення незадовiльний, i наявнiсть селективно! вставки практично неможливо виявити. В оптимiзованому двопромiневому методi сигнал, викликаний наявнiстю селективно! домшки, ясно виражений.
Вихщний сигнал, щ. ад.
2
0,2
-0,1
0,1
0,0
20
40
60 Зсун, мм
100
Рис. 1. Одномiрне зображення об'екта при однопромiневому методi
Експериментальнi данi показують, що у випадку застосування оптимизированного диференщального спектрального методу вдаеться на штучному об'екп полшшити реальний контраст зображення дiагностично значимих факторiв шляхом придушення сигналiв вiд
ISSN 2311-1100
другорядних факторiв, що заважають.
CC-BY-NC
Conclusions.
1. Теоретично показано, що дiагностичною ознакою в оптичнш томографа може служити оксигенацiя тканини. Для досягнення максимальноï контрастностi зображення в диференцшному методi томографа необхщно, щоб коефщенти поглинання свiтла для обраних довжин хвиль були рiвними, а самi значення довжин хвиль не повинш рiзнитися бiльше, шж на декiлька десяткiв нанометрiв.
2. Запропоновано фантом м'я^' тканини, який створено з латексного мшка, що заповнений сумшшю дрiбно дисперсного дюксиду титану, та розчину анiлiнового красителя в метиловому спирта Спектр поглинання останнього подiбний спектру поглинання кровь
3. Встановлено, що контраст одержуваного одномiрного зображення незадовшьний, i наявшсть селективноï вставки практично неможливо виявити. В оптимiзованому двопромiневому методi сигнал, викликаний наявнютю селективноï домiшки, ясно виражений.
4. Запропонований метод дозволить полшшити характеристики реальних оптичних систем для ранньоï дiагностики раку м'я^' тканини.
Conflict of interest statement: The authors state that there are no conflicts of interest regarding the publication of this article.
ISSN 2311-1100
REFERENCES:
CC-BY-NC
1. Годжиев Н.М. Оптика. - М.: Высшая школа, 1977. 432 с.
2. Gandjbakhche A.H. Resolution limits for optical transillumination of abnormalities deeply embedded in tissues. Med. Phys. 1994. v.21. pp 185 -191.
3. Григорьянц А.Г., Голубенко Ю.В. Метод и устройство для оценки оптических свойств биологических тканей при воздействии низкоэнергетического лазерного излучения. Электронная обработка материалов. 1985. №2. С. 61-64.
100% Unique
Total 10701 chars (2000 limit exceeded) , 254 words, 11 unique sentence(s).
Essay Writing Service - Paper writing service you can trust. Your assignment is our priority! Papers ready in 3 hours! Proficient writing: top academic writers at your service 24/7! Receive a premium level paper!
Results Query Domains (original links)
.. . Приведений алгоритм тако! оптшмзацм та обумовлений вибю д^гностично значимих ознак
Unique для онкопопчних захворень молочних залез Кпючов1 слова: томогсаф1я. зображення. ¿»агностика
Unique OGILCC - № RA44D-440 87Моделювання когерентного випром!нювання для меоиииниСерпй Солоатов1. Л1ят НовковаИ Херсонський нашональний технмний -
VHiBepctrreTAddress
Описаний метод отнимания зображення в оптнчн1й томограф! сильнорозаючих неоднорЩнихоВ'склв. в якому вякосл
Показано, що при оптимальному виВои цього параметра видеться значно полИниеннн контраста зображення шашостично значущих ознак
heterogeneous objects, in which the form of the absorption spectrum near the exfremum is used
significantly degrade the contrast of the image of diagnostic signitb cant features and improve
the
The resulted algorithm olsuch optimization and Die caused choice of diagnostically significant signs for
The difficulty lies in demonstrating the advantages of coherent optics before incoherent {which is often
Coherent optics will be appropriate only where the need tot its use is likely
Secondly, coherent optics can perform operations that can not be performed by other methods.
Unique
Unique Unique Unique
Unique
Unique
Unique Unique
