CC BY
15
УДК 65.012.16:637.521
1Щебентовська О.М., к. вет. н; 2Муравський Л. I., д. т. н., професор;
3Березюк М. I., acnipaHT © 1 Державный науково-дослгдный контрольный гнстытут ветеринарных npenapamie та кормовых добавок
2 Фгзыко-механгчный гнстытут гменг Г. В. Карпенка HAH Украгны 3Лъв1всъкый нацюнальныйушверсытет гменг 1вана Франка
ДЕЯК1АСПЕКТИ ВИВЧЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ М'Я30В01 ТКАНИНИ ЗА ВИКОРИСТАННЯ ДИНАМ1ЧНИХ СПЕКЛ-ПОЛ1В
Автолтычш процесы теля забою тварын зумовлюютъ змты структурных елемент1в м'язовог тканыны на ргзных ргвнях гг оргашзацп. Встановлено, що ц1 зм1ны вплываютъ на npocmopoeo-nacoei властывост1 бюспекл1в, гхню дынамгку. У emammi представлет результаты доелгдженъ дынамгчных спекл1в м'язовог тканыны бюф1зычным методом просторово-часовог кореляцп. Опысана експерыменталъна установка та наведено результаты доелгдженъ взгрцгв м'язовогтканыны.
Ключое1 слова: м'ясо, цыфрова корелящя зображенъ, бютканына, дынам\чн\ спеклы.
Вступ. Вже кшька десятил1ть вчеш р1зних кра1н вивчають питания морфолопчних особливостей м'ясно! сировини, змши м'язово! тканини у процеЫ автол1зу, мехашчних та ф1зичних вплив1в за тривалого збер1гання. Як правило, органолептичш методи не завжди оправдовують себе, оскшьки експерту доводиться керуватись виключно сво!ми органами чуття, а залежане м'ясо не завжди видае себе кольором або запахом, особливо теля спещально! обробки. XiMi4Hi методи контролю м'яса е довол1 трудоемними, дорогими та довготривалими. Одним i3 метод1в, що дозволить вщр1зняти св1же м'ясо вщ такого, яке вже декшька д1б чи нав1ть мюящв пролежало в холодильнику або з ознаками псування, е метод просторово-часово! кореляцп спекл1в.
При взаемодп св1тла з бюоб'ектами, в результат! випадково! змши фази вщбитих i заломлених хвиль, на структурних елементах бюобекта спостер1гаеться багатопроменева штерференщя i формуються просторов! динам1чш поля - бюспекли [1-3]. Автол1тичш процеси теля забою тварин зумовлюють змши структурних елемент1в м'язово! тканини на р1зних р1внях И оргашзацп. Встановлено, що щ змши впливають на просторово-часов1 властивост1 бюспекл1в та 1хню динам1ку [4-6].
Структурш елементи бютканини мають pi3Hi показники заломлення, форму, i i'x розм1ри знаходяться в межах вщ десятюв нанометр1в до декшькох сотень м1крометр1в, що ускладнюе створення едино! математично! модел1, яка б описувала поширення св1тла у бюоб'ектах [7-12]. При дослщженш властивостей
© Щебентовська О.М., Муравський Л. I., Березюк М. I., 2013
334
бютканин використовують звичайно малопотужш джерела випромшювання, щоб уникнути додаткових збурень у процеси, яю е предметом вивчення.
Метою нашо! роботи було вивчити динамку бюспекл!в м'язово! тканини за допомогою методу просторово-часово! кореляцп спекл1в.
Матер1али 1 методи. Для проведения експериментальних дослщжень м'язово! тканини створено установку для реестраци спекл-зображень. Пвдбрано вщповщний кут осв1тлення, щоб уннкнутн впливу дзеркально! складово!. Для збшьшення штенсивност! розаяного випромшювання зразок осв1тлювали вузьким лазерним променем д1аметром приблизно 1мм. Щоб зменшити вплив в!брацш на результати вим1рювань установку розмщували на оптичнш лавь Схему розроблено! установки наведено на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки для проведения дослщжень бшсиекшв м'язовоУ тканини (1 - лазер, 2 - цифрова вщеокамера з об'ективом, 3 -дзеркало, 4 - предметний столик, 5 - вз1рець м'язово! тканини в кювет!, 6 -персональний комп'ютер з програмним забезпеченням, 7 - предметне скло, 8 -шторка).
Результати дослщження. Пщ час експерименту спещально пщготовлеш вз!рщ м'язово! тканини, яю зберкались у холодильнику, встановлювали на предметний столик. Зверху вз!рщ накривали предметним скельцем, яке щшьно прилягало без утворення пов1тряних пром1жк1в. Перед вим1рюваннями вони деякий час, з метою стабшзацп, витримувались за юмнатно! температури. Вз!рщ осв1тлювались сфокусованим лазерним променем, який спрямовувався пщ кутом 45° по вщношенню до напрямку спостереження. За допомогою дзеркала I об'ектива на чутливш матриц! вщеокамери формувалось зображення поверхн! вз!рця в дшянщ взаемод!! лазерного випром!нювання з об'ектом (рис. 2).
При дослщженш вз!рц!в м'язово! тканини в експериментальнш установц! використовували Не-№ лазер ЛГН 207 (Р=1.5 мВт, А=630 нм). Щоб зменшити тепловий вплив лазерного випромшювання об'ект досл!джень
4
6
335
осв1тлювали тшьки тд час реестраци зображень. Для цього використовували шторку, яка вщкривалась синхронно з моментом початку реестраци зображень.
Рис. 2. Зображення поверхш вз1рця м'язовоУ тканини освггленого вузьким лазерним (1 - мкце падшня лазерного променя, 2 - дшянка формування розвинутих бюспекл1в, (3-1 _ 3-5) - фрагмента, яю використовувались для розрахунку функци просторово-часово! кореляцп).
Шсля температурно! I мехашчно! стабшзацп вз1рця реестрували серш зображень його поверхш у мющ падшня лазерного променя. Зображення реестрували послщовно одне за другим упродовж 30с з штервалом «1 с 1 записували !х на жорсткий диск комп'ютера. В подальшому зображення оброблялись спещально розробленою програмою, блок-схема яко! представлена нарис. 3.
В мкщ падшня лазерного променя, за рахунок значно! штенсивност1 розЫяного випромшювання I фжсованого часу експозици вщеокамери, спекл-картина не спостер1гаеться (рис. 2). В цьому мющ штенсившсть зображення перевищуе динам1чний д1апазон вщеокамери. На невеликш вщсташ вщ мюця попадания променя в дщянщ 2, окреслено! пунктирною лш1ею, бшьш ч1тко спостеркаеться розвинута спекл-картина, яка поступово зникае за рахунок значного розаювання випромшювання. Цю дшянку використовували для розрахунку функци крос-кореляци м1ж першим I вс1ма наступними зображеннями. При цьому вибирали п'ять прямокутних фрагменпв р1вном1рно розподшених в данш дщянщ1 отримаш результати усереднювали.
Вибираючи фрагменти (3-1...3-5) керувались наступним. Для отримання статистично достов1рних результат розм1ри фрагмента повинш бути достатньо великими, в межах вщ 100^100 до 200^200 шксел1в. У фрагментах не
336
повинно знаходитись багато перенасичених шксел1в з штенсившстю, яка перевищуе динам1чний д1апазон вщеокамери. При обробщ зареестрованих спекл-зображень користувач сам вибирав положения \ розм1ри фрагмента на першому зображенш керуючись зазначеними критер1ями. В подальшому програма автоматично знаходила вщповщш фрагменти на вЫх зареестрованих спекл-зображеннях \ розраховувала коефщенти крос-кореляцп м1ж першим (вихщним) зображенням та вЫма наступними.
За результатами обробки спекл-зображень автоматично будувалась залежшсть змши ампл1туди коефщента крос-кореляци вщ часу вим1рювання \ формувався файл результапв. Типова залежшсть змши штенсивност1 крос-кореляцшного сигналу вщ часу вим1рювання, яку отримували пщ час дослщжень вз1рщв м'язово! тканини свиш представлена на рис. 4. Як видно з наведеного графжа метод виявився дуже чутливим до процеЫв як1 постшно вщбуваються у м'язовш тканиш. Нав1ть упродовж декшькох секунд спостер1гаються значш змши штенсивност! коефщента крос-кореляцп.
Жорсткий диск ПК Зображення 1...М
Цифрова
вщеокамер
Зчитування наступного зображення 1+п Видшення фрагментов на першому зображенж
1 1
Видшення фрагмента на 1+п зображенн! Крос-кореляц!я \ / фрагментов \
Збереження даних розрахунку
Побудова графша зм1ни амгттуди крос-кореляцНного сигналу
Роэрахунок КВА
Рис. 3. Блок схема программ обробки спекл-зображень.
Анал1зуючи отримаш залежност1 змши крос-кореляцшного сигналу в чаЫ, для р1зних вз1рщв м'язово! тканини свиш встановлено ряд параметр1в, як1 змшюються в залежност1 вщ часу збер1гання вз1рщв. Цими параметрами е величина змши коефщента крос-кореляци С(7) вщ максимального значения до
деякого постшного р1вня, штервал часу г0, за який проходять щ змши,
залишкова величина коефщента крос-кореляци С(г0) та значения коефщента
крос-кореляци теля першо! секунди С(рис. 4). Використовуючи щ
337
параметри запропонували для штегрально! оцшки зм1н, як1 проходять тд час зберкання м'язово! тканини, розраховувати коефщент бюлопчно! активност! (КБА) наступним чином:
КБА = Ш^СЫ., (1)
|Я ( ) ■
ч ; • tdt
о
де С(t1) - коефщент крос-кореляци вихщного сиекл-зображення з першим наступним зареестрованим через певний штервал часу dt (пщ час наших експеримент1в з м'язовою тканиною dt =1с); С(г0) - коефщент крос-кореляци вихщного спекл-зображення з зображенням зареестрованим через штервал часу Го-
Рис. 4. Тнпова залежшсть змши ампл1туди крос-кореляцшного сигналу.
Для кшьккного оцшювання часу т0 I величини С(г0) потр1бно
визначити постшний залишковий р1вень, при якому змшами величини коефщента крос-кореляци можна нехтувати (коли щ змши знаходяться в межах похибки вим1рювання). Для розрахунку цього р1вня визначали середне значения
коефщента крос-кореляци С =[С(26) +... + С(30)]/5 за останш 5 с вим1рювання I додавали до нього подвшне значения максимального вщхилення Ас вщ цього середнього
С(т0) = С + 2 • Ас. (2)
Розрахунки КБА для вз!рщв м'язово! тканини евин!, представлен! у таблицях 1 ! 2.
338
Таблиця 1
Значения КБА вз1рщв м'язовоУ тканини свиш, якч збер1гались
в охолодженому сташ
Розрахован1 значения КБА в д1лянщ 2 Середне значения КБА
Фрагмент КБА ^0 С (Т0> С (О
Час збертання за температури +4 °С 28 год.
3-1 0.683 5 0.355 0.831 0.505
3-2 0.526 6 0.418 0.861
3-3 0.428 9 0.375 0.875
3-4 0.398 21 0.394 0.875
3-5 0.490 5 0.310 0.858
Час збертання за температури +4 °С 72 год.
3-1 0.372 8 0.355 0.828 0.382
3-2 0.300 12 0.383 0.850
3-3 0.432 8 0.370 0.815
3-4 0.469 8 0.332 0.797
3-5 0.336 23 0.201 0.777
Таблиця 2
Значения КБА вз1рщв м'язовоУ тканини свиш, як1 збер1гались
Розраховаш значения КБА в д1лянщ 2 Середне значения КБА
Фрагмент КБА ^0 С (Т0> С (О
Час збертання за температури -4 °С 28 год.
3-1 0.682 5 0.461 0.817 0.679
3-2 0.577 11 0.411 0.798
3-3 0.628 5 0.463 0.822
3-4 0.720 4 0.427 0.794
3-5 0.789 4 0.325 0.714
Час збертання при температур! -4 °С 72 год.
3-1 0.375 23 0.383 0.885 0.394
3-2 0.409 8 0.366 0.872
3-3 0.336 9 0.345 0884
3-4 0.394 7 0.365 0.884
3-5 0.454 20 0.406 0.871
Час збертання за температури -4 °С 144 год.
3-1 0.292 10 0.299 0.872 0.296
3-2 0.262 12 0.376 0.889
3-3 0.260 13 0.398 0.905
3-4 0.305 13 0.379 0.883
3-5 0.314 14 0.406 0.882
Як видно з наведених таблиць значения КБА розраховаш в р1зних фрагментах дещо вщр!зняються, що свщчить про просторову неоднорщшсть бюлопчних процеав яю проходять у вз1рцях м'язово! тканини. Враховуючи високу просторову чутливють методу, для штегрального оцшювання зм1ни властивостей вз1рц1в в1д часу збер1гання усереднювали значения КБА розрахованих у кожному фрагмент!. Середш значения наведено у останнш
339
колонщ кожно1 таблиц!. 3 отримаиих даиих чкко видно падшня середнього значения КБА з часом, що вказуе на ироцеси руйнування м'язового волокна (автол1з, руйнування клкинних мембран, иорушення !х проникноси тощо).
Висновки. Проведен! досл!дження показали кнування обернено! залежност! б!олог!чно! активност! вз!рщв м'язово! тканини в!д часу г0, за який ампл!туда крос-кореляцшного сигналу змшюеться в!д максимального значения C(t1) до деякого пост!йного р!вня C(г0) i пряму залежшсть вщ величини р!зниц! крос-кореляц!йного сигналу C(tx) — C(т0). Таким чином, загальним
к!льк!сним показником бюактивноси вз!рц!в м'язово! тканини може слугувати величина КБА. Чим !нтенсивн!ше проходять б!олог!чн! процеси в 6ioo6'eKTi, тим бшьша величина КБА. Зменшення бюлопчно! активност! бюоб'екта в!дображаеться зменшенням величини КБА.
Л1тература
1. Тучин В. В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. / В. В. Тучин. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 488 с.
2. Франкевич Л. Ф. Дослщження бюспекл!в методом просторово-часово! спекл-кореляц!! / Л. Ф. Франкевич, О.П. Максименко, Л.1. Муравський // Bifl6ip i обробка !нформац!!. - 2005. - Вип. 23 (99). - С.117-121.
3. Aizu Y. Bio-speckle phenomena and their application to the evaluation of blood flow / Y. Aizu, T. Asakura // Optcs &Laser Technology. - 1991. - Vol. 23. -P. 205-219.
4. Arizaga R. Display of local activity using dynamical speckle patterns / R. Arizaga, N. Cap., H. Rabal, M. Trivi //Optical Engineering. - 2002. - Vol.41, №2. - P.287-294.
5. Boas D. A. Laser speckle contrast imaging in biomedical optics / Boas D. A., A. K. Dunn // Journal of Biomedical Optics. - 2010. - Vol. 15, №1. - P. 109-112.
6. Briers J.D. The statistics of fluctuation speckle patterns produced by a mixture of moving and stationary scatters / J.D. Briers // Optical and Quantum Electronics. - 1978. - №10. - P.364-366.
7. Briers J. D. Capillary blood flow monitoring using laser speckle contrast analysis (LASCA) / J. D. Briers, R. Richards, X.W. He // Journal of Biomedical Optics. - 1999. - Vol. 4,№1. - P. 164-175.
8. Draijer M. Review of laser speckle contrast techniques for visualizing tissue perfusion / M. Draijer, E. Hondebrink, T. van Leeuwen, W. Steenbergen // Lasers Med Sci. - 2009. - Vol. 24, №4. - P. 639-651.
9. Rabelo G. F. Frequency response of biospeckle laser images of bean seeds contaminated by fungi / G. F. Rabelo, A.M. Enes, R.A. Braga, I.M. Fabbro //Biosystems engineering. - 2011. - №110. - P. 297-301.
10. Stoykova E. Dynamic laser speckle for non-destructive quality evaluation of bread / E. Stoykova, B. Ivanov, M. Shopova, T. Lyubenova, I. Panchev //16th International School on Quantum Electronics: Laser Physics and Applications, edited by Tanja Dreischuh, Dimitar Slavov, Proccedings of SPIE Vol. 7747, (2011). -
340
P.77470L1 - 77470L8.
11. Fujii H. Evaluation of blood flow by laser speckle imaging sensing / H. Fujii, K. Nohira, Y. Yamamoto, H. Ikawa // Applied Optics. - Part I - 1987. -Vol.25. - P.5321-5325.
12. Xu Z. Temporal and spatial properties of the time-varying speckles of botanical specimen / Z. Xu, C. Joenathan, B. M. Khorana // Optical Engineering. -1995. - Vol.34, №5. - P.1487-1502.
Summary
xO. Shchebentovska, 2L. Muravskij, 3M. Berezyuk 1State Scientific Control Institute of veterinary preparations and fodder additives 2Karpenko Physical-Mechanical Institute of NAS of Ukraine 3Ivan Franko National University of Lviv SOME ASPECTS OF STUDYING PROPERTIES MUSCLE TISSUE BY SPATIO-TEMPORAL CORELATION OF SPECKLES
Autolitical processes after slaughter animals cause changes in the structural elements of skeletal muscle at various levels of its organization. It is determined that these changes affect the spatial and temporal properties of biospeckles and their dynamics. The method for investigation the dynamics speckles of biological tissue on the basis of space-temporal correlation is proposed. Experimental setup and a result of investigation samples of the muscular tissue are described.
Рецензент - д.с.-г.н., професор Козенко О.В.
341
