Оптическая система исследования механических свойств кожи Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Конференции, школы и стажировки молодых ученых

Ij»

13

УДК 617-7

С. С. Михайлов, магистр,

ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет»

Оптическая система исследования механических свойств кожи1

Ключевые слова: лазерный круговой эллипсометр, метод фотоупругости, напряженно-деформированное состояние кожи.

Key words: circular laser ellipsometer, method of photoelasticity, stress-strain state of the skin.

Представлена разработка оптической системы для использования в хирургии при исследованиях динамики перемещений мягкотканых комплексов и выявления узлов концентрации силовых линий вследствие реконструктивных вмешательств, процессов рубцевания.

Исследование механических свойств кожи имеет практическое значение в комплексном прогнозировании функционального и косметического эффектов пластических и реконструктивных операций. Физические свойства кожи (вязкость, напряженность, растяжимость) имеют определенное клиническое значение. Для изучения данных характеристик применяются различные методы растяжения при постоянной и относительно небольшой скорости изменения усилия воздействия с определением прочностных свойств [1]. Прочность соединения краев раны должна быть не ниже предела физиологических напряжений. Перераспределение напряжений, возникающее в тканях по завершении операции, может со временем вызывать тракционные смещения и, как следствие, искажение планируемого эффекта пластики [2].

При выполнении операций формируются новые силовые взаимоотношения мягкотканых комплексов, особенно после перемещения мышечных групп. Формируются новые пункты фиксации тканей временного или постоянного действия (швы, послеоперационные рубцы и т. д.). Направления действующих усилий перераспределяются [3].

Для объективного качественного и точного анализа напряженно-деформированного состояния кожи пациента при пластических операциях (ранениях, косметических) можно использовать метод фотоупругости, используемый для исследования напряженно-деформированного состояния твердого тела. В настоящее время существует один способ

1 Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.B37.21.0175 «Метод и инструментальные средства оценки функционального состояния систем организма».

оценки напряженно-деформированного состояния кожи человека — нанесение на исследуемую поверхность кожи оптического индикатора (синтетического каучукового эластомера), закрепление его на коже каучуковым адгезивом и освещение его поляризованным светом посредством полярископа Т-образного типа, специально разработанного для регистрации напряжений и деформаций на коже [4].

Однако использование полярископа для оценки напряженно-деформированного состояния кожи имеет следующие недостатки:

• длительность проведения исследования;

• необходимость высокой квалификации хирурга, который должен интерпретировать интерференционное изображение;

• субъективность полученных результатов из-за различного цветовосприятия у исследователей;

• сложность оцифровки полученного изображения и интерпретации интерференционной картины ЭВМ;

• отсутствие возможности проводить быстрое сканирование участка кожи.

Использование оптической системы на основе лазерного кругового эллипсометра (ЛКЭ) отражательного типа позволяет справиться с этими недостатками. Эллипсометр состоит из передающей (плечо поляризатора) и приемной (плечо анализатора) оптических частей и блока обработки оптических сигналов. Его основу составляет схема кругового эллип-сометра, который дает на выходе прибора сигнал, инвариантный к расположению оси напряжений в исследуемом образце в плоскости, перпендикулярной к плоскости хода светового луча.

Эллипсометр включает в себя следующие элементы:

• источник лазерного излучения;

• линейный поляризатор;

• кварцевую четвертьволновую пластинку, помещенную в термостат;

• делитель светового пучка (полупрозрачное зеркало и два скрещенных друг с другом анализатора);

• два фотоприемника;

• блок аналоговой обработки сигнала;

биотехносфера

| № 3-4 (21-22)/2012

104

Конференции, школы и стажировки молодых ученых

Рис. 1

Схема эллипсометра:

Т — термостат; Р — поляризатор; Х/4 — четвертьволновая пластинка; А1 — анализатор 1; А2 анализатор 2; II — фотоприемник 1; 12 — фотоприемник 2

• аналогово-цифровой преобразователь;

• микроконтроллер.

Прецизионность данного эллипсометра обусловлена высоким качеством обработки сигнала и переводом в линейный режим модуля аналоговой обработки сигнала (функция синуса в районе 0 является линейной), а также использованием минимального количества оптических элементов, установленных с минимальной погрешностью.

мм 0,50

0,45

0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0

0 2,5

75 10,0 125~:~50^-—7

15,0 17,5 20,0 м

Рис. 2

Распределение напряжении на участке поверхно-

■ — 0,45-0,50

□ — 0,30-0,35

□ — 0,15-0,20 П — 0-0,05

□ — 0,40-0,45 ■ — 0,25-0,30

□ — 0,10-0,15

□ — 0,35-0,40; и - 0,20-0,25;

□ — 0,05-0,10;

В качестве поляризатора и анализаторов используются призмы Глана—Томпсона. Призма состоит из двух шпатовых призм, где воздушный промежуток заменен клеем. Использование клея дает лучшее, чем у призмы Глана—Тэйлора, пропускание благодаря снижению потерь Френеля на гипотенузных гранях призмы, но ограничивает рабочий спектральный диапазон в ультрафиолетовой области. Рабочим является прошедший необыкновенный луч. Отраженный обыкновенный луч поглощается на черненых нерабочих гранях. Рабочий диапазон — 350-2300 нм.

Четвертьволновая пластинка является фазовой мультипластинкой уменьшенной толщины. Использование термостата позволяет установить фазовую задержку с точностью ±0,02°.

Оптическая система состоит из предложенного лазерного эллипсометра, микроконтроллера и компьютера, посредством которого производится управление ЛКЭ, обработка и визуализация полученных данных.

В отличие от полярископа, предлагаемая оптическая система может иметь несколько режимов работы и несколько вариантов предоставления результатов:

• Измерение в точке. Эллипсометр неподвижен относительно образца и может измерять внутреннее напряжение в точке при изменении динамического усилия. Результат измерения — график зависимости внутреннего напряжения или процента деформации от времени или силы воздействия.

• Сканирование по прямой. Эллипсометр двигается относительно образца по прямой линии и может измерять внутреннее напряжение в точках этой линии при неизменном динамическом усилии. Результат измерения — график зависимости

№ 3-4 (21-22)/2012 |

биотехносфера

Конференции, школы и стажировки молодых ученых

внутреннего напряжения от пройденного расстояния.

• Сканирование участка поверхности. Эллипсо-метр двигается относительно образца построчно и измеряет внутреннее напряжение во всех точках заданного участка при неизменном динамическом усилии.

Созданная экспериментальная модель показала хорошие результаты в ходе тестирования. К участию в тестировании привлекли пациент, перенесший удаление аппендикса. После загрузки картины распределения плотности напряжений программа обрабатывает все изображение построчно и строит трехмерный график на основании данных (рис. 2).

Предлагаемая оптическая система может использоваться в хирургии для исследования динамики перемещений мягкотканых комплексов и выявления узлов концентрации силовых линий вследствие реконструктивных вмешательств, процессов руб-

цевания. Данная система позволяет изучать закономерность послеоперационного состояния мягких тканей при отработке новых типов пластических операций, при реконструктивных операциях.

| Литература |

1. Утенкин А. А. Определение деформационных свойств кожи человека // Медицинская техника. 1990. № 1. С. 21.

2. Гребенюк Л. А., Утенкин А. А. Механические свойства кожного покрова человека // Физиология человека. 1994. № 2. С. 157-162.

3. Пономарев В. П. Разработка методов и устройств для исследования мягких биологических тканей: Дис. ... канд. техн. наук. Пущино, 1986. 453 с.

4. Способ оценки напряженно-деформированного состояния кожи: Патент 2233618 РФ / М. В. Юхно, А. И. Журавлев. А61В5/103, 2004. Заявитель и патентообладатель: М. В. Юхно, А. И. Журавлев. № 2003110631/14. Заявл. 14.04.2003; опубл. 10.8.2004. 8 с.

УДК 615.471:617.7

А. С. Красичков, канд. техн. наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет „ЛЭТИ"»

Метод предварительной обработки

электрокардиосигнала

для задачи сортировки кардиокомплексов

при длительном мониторировании1

Ключевые слова: электрокардиограмма, классификация комплексов кардиосигналов, накопление комплексов кардиосигналов, аппроксимация сигнала.

Key words: electro cardio signal, classification of signal approximation ECG complexes, averaging complexes.

Предложен подход, позволяющий кардинально уменьшить влияние случайных отклонений кардиосигнала, вызванных миографической помехой, на эффективность процедуры сортировки комплексов кардиосигналов, базирующейся на сравнении с порогом коэффициента взаимной корреляции и уровнем энергии кардиокомплексов. Предлагается производить оценку коэффициента взаимной корреляции не с непосредственно наблюдаемым кардиосигналом, а с его аппроксимацией. Уровень энергии также необходимо определять после аппроксимации сигнала.

1 Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (государственный контракт № П1274 от 09.06.2010).

В настоящее время набирает силу тенденция предупреждать заболевание и/или выявлять его на ранней стадии. Это в полной мере относится к кардиологии, широко использующей метод суточного мониторирования электрокардиосигнала (ЭКС) для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека [1-4]. Поскольку запись ЭКС ведется в условиях обычной жизнедеятельности пациента, то неизбежно появляются помехи, связанные с электрической активностью скелетных мышц (миографическая помеха), изменением параметров перехода «тело человека — электрод» (дрейф изоэлектрической линии), наводками, создаваемыми различными электротехническими устройствами. В настоящее время существуют методы предварительной обработки ЭКС, позволяющие избавиться от большинства помех,

биотехносфера

I № 3-4 (21-22)/2012