Восстановление панорамного изображения головного мозга крысы на основе анализа последовательности видеокадров с различными параметрами фокусировки, экспозиции и смещения Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

интенсивность обмена, R, и (б) строили аккумуляту, аккумулированный нормированный спектр.

(3) Найденное по реальной кривой R, использовали для построения модельного временного ряда, предположительно отвечающего реальной последовательности.

(4) Аккумуляту реальной и модельной кривых сравнивали. И если разница между двумя аккумулятами была меньше 7%, считали гипотезу о случайном происхождении реального временного ряда подтвержденной, а величину R - характеристикой реальной последовательности.

Результаты и их обсуждение. Обработка 10 минутных записей ЛДФ (500 сегментов) и также 10 минутных записей R-R интервалов (40000 сегментов), взятых из интернет сайта https://www.physionet.org показала, что простая стохастическая трактовка имеет место в 70% наблюдений. Есть три главные причины не совпадения между реальной и генерируемой моделью кривыми: (1) Нестабильность временного сегмента (5%) (2) Присутствие в спектре выраженного дыхательного влияния (15%). (3) Присутствие в спектре выраженных частот из мейеровского диапазона (15%). При этом в 5% случаев присутствуют и дыхание и мейеровские волны. Считается, что вариации кровотока и сердечного ритма регулируются нервной и гуморальной системами. Для кровотока дополнительно вводятся эндогенная и миогенная регуляции. Предлагаемый стохастический подход позволяет выделить группу «простых» сегментов, удалить «нестабильные» (у них выражены первые три низкие частоты спектра) и сосредоточиться на анализе появления и исчезновения дыхательных и мейеровских волн.

Выводы. (1) Идентичность временных рядов вариации капиллярного кровотока и синусовой аритмии может быть объяснена стохастическим происхождением обоих сигналов, (2) Гипотеза простой стохастической модели может быть принята в 70% наблюдений. (3) Появление и исчезновение дыхательных и мейеровских волн требует изучения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гришкин Ю.Н., Журавлева Н.Б. Основы клинической электрокардиографии. СПб. Фолиант. 2018. 168 с.

2. Федорович А.А., Багдасарян А.Г., Учкин И.Г., Соболева Г.Н., Бойцов С.А. Современные возможности неинвазивного контроля микроциркуляции и обмена веществ у человека Ангиология и сосудистая хирургия. 2018;24(1):7-18.

3. Mizeva I, Makovik I, Dunaev A, Krupatkin A, Meglinski I. Analysis of skin blood microflow oscillations in patients with rheumatic diseases. JBiomed Opt. 2011;22(7):70501. doi: 10.1117/1.JBO.22.7.070501.

4. Masarone D, Limongelli G, Rubino M, Valente F, Vastarella R, Ammendola E, Gravino R, Verrengia M, Salerno G, Pacileo G. Management of Arrhythmias in Heart Failure. J Cardiovasc Dev Dis. 2017;4(1). pii: E3. doi: 10.3390/jcdd4010003.

5. Kislukhin VV. Actively Circulating Volume as a Consequence of Stochasticity within Microcirculation. AppliedMathematics, 2011;( 2):508-513 doi:10.4236/am.2011.24066

УДК612.085.1, 612.086.2

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПАНОРАМНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА КРЫСЫ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ВИДЕОКАДРОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ФОКУСИРОВКИ, ЭКСПОЗИЦИИ И СМЕЩЕНИЯ

Маргарянц Н.Б.1, Волков М.В.1, Потемкин А.В. 1, Горшкова О.П. , Шуваева В.Н. 1 Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург, Россия

[email protected]

Резюме

Одним из методов исследования нарушений кровоснабжения головного мозга крыс является оценивание локальных параметров кровотока в пиальных сосудах на основе видеорегистрации. Разработанная нами система видеорегистрации позволяет получать видеокадры с высоким разрешением, но малым полем зрения. При этом одной из актуальных задач является построение полной карты пиальной сосудистой сети. В работе приведены методы обработки видеокадров с малым полем зрения и построения на их основе синтезированного панорамного HDR изображения пиальных сосудов головного мозга.

Ключевые слова: панорама головного мозга, видеорегистрация, крысы, пиальные сосуды, обработка биомедицинских изображений.

RECOVERY OF RAT CEREBRAL PANORAMIC IMAGE USING VIDEOSEQUENCE, OBTAINED WITH VARYING FOCUSING, EXPOSITION AND SHIFT

Margaryants N.B.1, Volkov M.V.1, Potemkin A.V.1, GorshkovaO.P.2, Shuvaeva V.N.2

1ITMO University, Saint Petersburg, Russia 2 Pavlov Institute of Physiology, Russian Academy of Sciences,

Saint Petersburg, Russia [email protected]

Abstract

One of the methods to research of cerebral blood circulation disorders in rats is recovery of blood local parameters in pial vessels based on video recording. Developed system of video recording allows getting high resolution video images, but with a small field of view. Meanwhile, one of the actual goals is creating a full map of pial vessels. In this work you can find methods to process the video images with a small field of view and building synthesized panoramic HDR image of pial vessels, based on these methods.

Keyworlds: cerebral panoramic image, videorecording, rats, pial vessels, biomedical image processing.

Введение. Анализ локальных параметров кровотока в коре головного мозга методом видеорегистрации с высоким разрешением позволяет оценивать скорость кровотока в пиальной сосудистой сети, состояние стенки пиальных сосудов и соседних тканей на небольшом по площади участке. При изучении морфофункциональных особенностей сосудистого русла важную информацию несет в себе расположение наблюдаемого локального участка в пределах исследуемой области, т.к. отличия исследуемых параметров в разных участках коры головного мозга могут быть значительными [1]. Поэтому актуальной задачей является построение панорамного изображения и полной карты сосудистой системы исследуемой области коры головного мозга, позволяющих определить положение сосудов, в которых выполняется оценивание локальных параметров кровотока и провести анализ его изменений.

Целью работы является вычисление панорамного изображения и карты пиальных сосудов головного мозга крысы на основе анализа последовательности видеокадров локальных участков пиальной сосудистой сети, полученных при управляемых смещениях установки видеорегистрации относительно образца.

Методы исследования. Эксперименты проводились на крысах линии Wistar массой 230-300 г. в лаборатории физиологии сердечно-сосудистой и лимфатической систем Института физиологии им. И.П. Павлова РАН в соответствии с требованиями Комиссии по контролю за содержанием и использованием лабораторных животных при Институте физиологии им. И.П. Павлова РАН. Исследования соответствуют «Правилам проведения работ с использованием экспериментальных животных», принятых Европейской конвенцией 19.07.2014. Крыс наркотизировали 4,3% раствором хлоралгидрата (внутрибрюшинно, 27

мг/100 г массы тела). Экспериментальные данные для создания карты пиальной сосудистой сети были получены с использованием установки высокоскоростной видеорегистрации, разработанной для оценивания скорости капиллярного кровотока [2] через высверленное на дорсальной поверхности черепа окно см ). Размер поля зрения прибора составляет 1*1 мм2 при разрешающей способности 2.8 мкм.

Мозг крысы является сложным трехмерным объектом, поэтому при регистрации возможны смещения фокусировки и неравномерная освещенность по полю изображений. Орошение мозговой оболочки физиологическим раствором является причиной появления бликов. Вышеперечисленные факторы приводят к потере информации в зарегистрированных изображениях, сложности получения панорамного изображения и, в конечном итоге, невозможности корректного анализа морфологии сосудистой сети мягкой мозговой оболочки. В работе предложено решение задачи построения панорамного изображения и карты сосудистой сети мягкой оболочки головного мозга крысы на основе обработки видеокадров с малым полем зрения, полученных при смещении прибора в горизонтальной плоскости относительно образца с помощью двухкоординатных компьютерно-управляемых линейных перемещателей. В процессе регистрации видеокадров осуществляется динамическое управление фокусировкой и экспозицией. Обработка заключается в прореживании, отбраковке несфокусированных и поврежденных видеокадров с последующим совмещением видеокадров в панорамное HDR изображение.

Результаты и их обсуждение. Получены панорамы пиальной сети головного мозга высокого разрешения с широким полем зрения и выровненными цветовыми параметрами (HDR). Полученные изображения позволяют визуально оценивать морфологические особенности сосудов по всей площади исследованного участка мягкой мозговой оболочки, строить карту повреждений с привязкой локальной структурной особенности к месту его их локализации на карте сосудов коры головного мозга. На полученных панорамных изображениях отсутствуют участки, в которых из-за бликов невозможно оценить структуру сосудистой системы и соседних тканей. Результаты локальных измерений параметров кровотока интерпретированы с учетом определения положения локального участка сосуда на карте пиальной сосудистой сети.

Выводы. Предложенная методика обработки набора изображений локальных участков коры головного мозга крысы позволяет построить панорамное изображение пиальной сосудистой сети. Качество изображений позволяет в дальнейшем проводить детальный морфологический анализ сосудистой сети.

ЛИТЕРАТУРА

1. Маркина Л.Д., Ширяева Е.Е., Маркин В.В. Морфофункциональные особенности пиальных артерий зон смешного кровоснабжения головного мозга в условиях острой циркуляторной гипоксии // Тихоокеанский медицинский журнал, 2015. - №1. - С. 40-42.

2. Волков М.В., Кострова Д.А., Маргарянц Н.Б., Пименов А.Ю. Исследование параметров капиллярного кровотока методом видеокапилляроскопии // Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии. Труды 12-й международной научной конференции «ФРЭМЭ'2016» с научной молодежной сессией (Владимир-Суздаль, 5-7 июля 2016г.), 2016. - Т. 1. - С. 77-80.

УДК 612.17:612.82

ПУЛЬСИРУЮЩИЙ МОЗГ, ОТРАЖАЮЩИЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВЗАИМОСВЯЗИ «СЕРДЦЕ-МОЗГ». РОЛЬ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ МИКРОЦИРКУЛЯЦИИ МОЗГА В МЕХАНИЗМАХ ОБРАЗОВАНИЯ И ТРАНСПОРТА ЦЕРЕБРОСПИНАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ. О «ГЛИМФАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ»

МОЗГА

Родионов Ю.Я.