Системи лазерної відеополяриметрії для автоматизованого контролю параметрів неоднорідних біотканин

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Спеціальність 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи

УДК 681.7:535.361

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

СИСТЕМИ ЛАЗЕРНОЇ ВІДЕОПОЛЯРИМЕТРІЇ ДЛЯ АВТОМАТИЗОВАНОГО КОНТРОЛЮ ПАРАМЕТРІВ НЕОДНОРІДНИХ БІОТКАНИН

ТУЖАНСЬКИЙ СТАНІСЛАВ

ЄВГЕНОВИЧ

Вінниця - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Лисенко Геннадій Леонідович, Вінницький національний технічний університет, доцент кафедри лазерної та оптоелектронної техніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Злепко Сергій Макарович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри проектування медико-біологічної апаратури доктор технічних наук, доцент Кожухар Олександр Теофанович,

Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри електронних приладів.

Захист відбудеться “17” квітня 2009 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ауд. 210 ГНК.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “_12_” _березня_ 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради С. В. Павлов

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом значно зріс інтерес до методів дослідження біологічних об'єктів, які базуються на аналізі їх поляризаційних властивостей при зондуванні лазерним випромінюванням. Одним із перспективних напрямків розвитку медичних технологій є розробка високочутливих систем автоматизованої лазерної поляриметрії та відеополяриметрії біомедичних об'єктів (зокрема, у 0.1 мл розчину крові можна ідентифікувати вміст 2.5.10-9г глюкози). Автоматизований контроль координатних розподілів поляризаційних характеристик неоднорідних біотканин (БТ), що їх отримують при відновленні з растрової матриці Мюллера (РММ) зразка, дозволяє ідентифікувати важливі неопластичні процеси та патологічні зміни у структурі БТ (пухлини, гематоми та ін.).

Серед відомих світових та вітчизняних наукових шкіл, які працюють у напрямі оптичних та поляриметричних методів вимірювання і контролю параметрів неоднорідних біологічних середовищ, в першу чергу слід виділити такі школи: Г. Мюллера, Г. Ван де Хюлста, Р. А. Чіпмана, С. Л. Жака, В. В. Тучина, Д. А. Зімнякова, Г. Є. Брилля, А. П. Іванова, О. Г. Ушенка, В. Г. Петрука, Г. С. Тимчика, В. П. Кожем'яка, С. В. Павлова, О. Т. Кожухаря, С. М. Злепка, А. Я. Хайрулліної та інші.

У даний час значна кількість науково-дослідних організацій і фірм займаються розробкою та виробництвом систем лазерної поляриметрії й відеополяриметрії біомедичних об'єктів. Найвідоміші з них: Axometrics, Perkin Elmer, Texas A&M University, Johns Hopkins University (США), Саратовський державний університет ім. М. Г. Чернишевського, НТЦ унікального приладо-будування РАН (Росія), Інститут фізики ім. Степанова НАН Республіки Білорусь, Чернівецький національний університет ім. Юрія Федьковича та інші.

Разом з тим, більшість існуючих засобів відеполяриметрії є відносно інерційними, що унеможливлює експрес-контроль поляризаційних параметрів при патологічних змінах БТ (повна 44 РММ зразка БТ містить надлишкову інформацію, оброблення якої у відеорежимі призводить до недостатньої швидкодії). Крім того, вони не повністю відповідають вимогам високої інформативності в умовах різноманітності медико-біологічних об'єктів.

Таким чином, розробка і вдосконалення на основі сучасних оптико-електронних технологій більш точних та швидкодійних систем лазерної відеополяриметрії неоднорідних БТ для автоматизованого контролю поляризаційних параметрів є важливою і актуальною задачею біомедичної діагностики, що дозволить підвищити ефективність виявлення патологічних змін у БТ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, які проводились протягом 2000-2008 років відповідно до планів наукових досліджень Вінницького національного технічного університету, зокрема за держбюджетними темами “Лазерні та оптико-електронні технології в діагностиці, терапії та прогнозуванні стану серцево-судинної системи” (№ держ. реєстрації 0102U002272), “Створення оптоелектронних та лазерних технологій для нетрадиційних методів діагностики і терапії серцево-судинної системи людини” (№ держ. реєстрації 0205U006580), “Оптико-електронний квантово-розмірний образний комп'ютер око-процесорного типу: концепції, методологія, база знань” (№ держ. реєстрації 0105U002434).

Мета і завдання дослідження. Мету дисертаційної роботи спрямовано на підвищення точності вимірювання поляризаційних характеристик неоднорідних біотканин, а також швидкодії автоматизованих систем лазерної відеополяриметрії на основі методу визначення елементів головного мінору 33 растрової матриці Мюллера об'єкта.

Відповідно до цієї мети треба вирішити такі основні завдання:

- Здійснити порівняльний аналіз методів оптичного контролю і схем вимірювання поляризаційних параметрів біологічних об'єктів і тканин, а також матричних методів опису поляризаційних властивостей БТ з метою виявлення їх недоліків та обгрунтування напрямків подальшого вдосконалення систем лазерної відеополяриметрії неоднорідних БТ.

- Розвинути математичні моделі взаємодії низькоінтенсивного лазерного випромінювання із плоским шаром неоднорідної БТ за умов переважного поглинання або розсіювання світла.

- Удосконалити метод визначення параметрів анізотропії та поляризації неоднорідних біотканин, що їх отримують при відновленні з елементів мультиплікативного головного мінору 33 РММ об'єкта.

- Розробити метод поляризаційної візуалізації структурних неоднорідностей біотканин на основі кількісного аналізу двовимірних координатних розподілів параметрів анізотропії та ступеня деполяризації у площині зображення, що їх отримують з елементів головного мінору 33 експериментальної РММ об'єкта.

- Удосконалити універсальну систему лазерної відеополяриметрії для автоматизованого контролю поляризаційних параметрів неоднорідних біотканин з метою підвищення її точності та вірогідності контролю.

- Розробити швидкодійну двохвилеву систему лазерної відеополяриметрії неоднорідних біотканин “око-процесорного” типу, що дозволить проводити автоматизований експрес-контроль поляризаційних параметрів БТ за методом головного мінору 33 РММ об'єкта у різних спектральних діапазонах.

- Здійснити ряд експериментальних досліджень поляризаційних параметрів біологічних тканин, оцінити точність вимірювань і вірогідність контролю, технічних та метрологічних характеристик запропонованих систем.

Об'єктом дослідження є процес вимірювання поляризаційних параметрів неоднорідних біотканин на основі систем лазерної відеополяриметрії.

Предметом дослідження є поляризаційні параметри неоднорідних біотканин, методи та системи для їх вимірювань і контролю.

Методи дослідження базуються на положеннях теорій взаємодії лазерного випромінювання з речовиною для аналізу і вдосконалення оптичних моделей БТ; оптичної поляриметрії та оптико-електронних вимірювальних систем для розробки методів і систем відеополяриметрії БТ; теорій планування експерименту, похибок вимірювань і контролю та математичної статистики для проведення експериментальних досліджень й оброблення результатів; комп'ютерного моделювання для аналізу точності вимірювань поляризаційних характеристик.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі отримано такі наукові результати:

1. Запропоновано новий метод поляризаційної візуалізації структурних неоднорідностей БТ на основі кількісного аналізу двовимірного розподілу параметрів анізотропії та ступеня поляризації у площині зображень, що їх отримують з елементів головного мінору 33 експериментальної РММ об'єкта, який дозволяє більш достовірно (на 711% для меланоми шкіри) характеризувати наявні у біотканині патологічні зміни.

2. Удосконалено метод визначення параметрів анізотропії та поляризації неоднорідних БТ, що їх отримують при відновленні з елементів мультиплі-кативного головного мінору 33 РММ об'єкта із використанням оптимізованої характеристичної матриці, який дозволяє характеризувати зразки біотканин значної товщини. Метод дозволяє підвищити точність (на 19%) та скоротити час вимірювань вказаних параметрів (відповідно, на 78% і на 33% у порівнянні з методами повної та неповної 43 РММ).

3. Удосконалено математичну модель прогнозування періоду перевірки функціонування систем лазерної відеополяриметрії, що дозволяє оптимізувати процес контролю функціонального стану системи в умовах недосконалості відповідних технічних засобів.

4. Отримано залежність між оптичною та тепловою глибинами проникнення низькоінтенсивного лазерного випромінювання у плоскому шарі БТ за умови переважного поглинання світла на заданій довжині хвилі, що дозволяє визначити гранично допустиму тривалість дії зондувального випромінювання як при вимірюванні оптичних і поляризаційних характеристик зразка, так і при лазерній терапії біотканин.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі теоретичних досліджень реалізовано більш точні та швидкодійні системи лазерної відеополяриметрії для визначення і контролю поляризаційних характеристик неоднорідних біотканин як ознак патологічних змін БТ, що є важливим у біомедичній діагностиці низки захворювань.

Практичні дослідження, які викладені в дисертації, дозволили:

- Удосконалити універсальну систему лазерної відеополяриметрії для автоматизованого контролю двовимірних розподілів поляризаційних параметрів неоднорідних біотканин на основі методу визначення елементів головного мінору 33 растрової матриці Мюллера об'єкта, яка дозволяє підвищити точність вимірювань та вірогідність контролю названих параметрів.

- Розробити швидкодійну двохвилеву систему лазерної відеополяриметрії біотканин “око-процесорного” типу, яка дозволяє у режимі, наближеному до реального часу, проводити автоматизований контроль двовимірних розподілів параметрів анізотропії та деполяризації, що їх отримують з елементів головного мінору 33 растрової матриці Мюллера об'єкта на двох довжинах хвиль лазерів із можливістю використання різних спектральних діапазонів.

- Визначити вплив основних чинників недосконалості поляризаційних елементів систем лазерної відеополяриметрії у режимі вимірювань елементів головного мінору 33 растрової матриці Мюллера об'єкта на інструментальну похибку вимірювань - відмінність від вхідного значення кута еліптичності у характеристичній матриці відеополяриметра та неточність орієнтації лінійного поляризатора у формувальному каналі вимірювальної схеми.

- Розробити новий лазерний прилад “Quantron-laser” на основі напівпровідникових лазерів, який має систему стабілізації частоти генерації і застосовується як випромінювач двохвилевої відеополяриметричної системи, а також для терапії широкого спектру захворювань.

Теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи використані і впроваджені на кафедрі шкірних і венеричних хвороб Вінницького національ-ного медичного університету імені М. І. Пирогова та на кафедрі квантової радіофізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Окремі теоретичні результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі лазерної та оптоелектронної техніки ВНТУ при викладанні дисциплін "Основи квантової електроніки та лазерної техніки", "Оптичні вимірювання" і "Лазерна медична технологія".

Особистий внесок здобувача

Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. У публікаціях, написаних у співавторстві, особистий внесок здобувача: [1] - удосконалення методу визначення параметрів анізотропії зразків біотканин; [3] - розробка методу та системи відеополяриметрії для діагностування патологій біотканин; [5] - моделювання спектра підсилення вертикально випромінювального квантово-розмірного лазера; [6, 14] - розробка лазерного терапевтичного приладу, узагальнення експериментальних результатів; [7] - розробка методу визначення оптимальних параметрів дії лазерного випромінювання на гемангіому, математична модель; [8] - розробка методики досліджень та інтерпретація експериментальних даних; [10] - постановка та інтерпретація результатів модельного експерименту; [12] - створення математичної моделі процесу взаємодії лазерного випромінювання з БТ; [15] - розрахунок та аналіз порогових характеристик фотодіодів; [16] - розробка способу вимірювання параметрів поляризації неоднорідних анізотропних об'єктів; [17] - технічна реалізація схеми пристрою; [18] - розробка способу стабілізації частоти напівпровідникового лазера; [19] - технічна реалізація способу лікування ран та лазерного терапевтичного приладу; [20] - розробка способу адаптивного лазерного впливу на організм та схеми лазерного сканувального пристрою.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення та результати досліджень доповідались та обговорювались на Міжнародній науково-технічній конференції “Оптоелектронні інформаційні технології “Фотоніка-ОДС 2000” (Вінниця, 2000); Міжнародній науково-технічній конференції молодих вчених, аспірантів та студентів “Оптоелектронні інформаційно-енергетичні технології” (Вінниця, 2001); II міжнародній науково-технічній конференції “Оптоелектронні інформаційні технології “Фотоніка-ОДС 2002” (Вінниця, 2002); XXІІ Між-народній науково-практичній конференції “Применение лазеров в медицине и биологии” (Ялта, 2004); III міжнародній науково-технічній конференції “Оптоелектронні інформаційні технології “Фотоніка-ОДС 2005” (Вінниця, 2005); ХХV Міжнародній науково-практичній конференції “Применение лазеров в медицине и биологии” (Луцьк, 2006); Technical Conference “Optical Enginnering + Applications. Part of SPIE Optics + Photonics 2007” (San Diego, USA, 2007); IV Міжнародній науково-технічній конференції “Оптоелектронні інформаційні технології Фотоніка-ОДС-2008” (Вінниця, 2008); Міжнародній науково-практичній конференції “Застосування лазерів у медицині та біології” (Ялта, 2008).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 21 друковану працю: 7 наукових статей, з них 6 опубліковано у виданнях, затверджених ВАК України як фахові, 9 - у матеріалах і тезах доповідей міжнародних та регіональних науково-технічних конференцій, отримано 5 патентів України на винахід.

Обсяг та структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і чотирьох додатків. Загальний обсяг дисертації складає 175 сторінок, з яких основний зміст викладено на 137 сторінках друкованого тексту, дисертація містить 75 рисунків, 8 таблиць. Список використаних джерел складається з 130 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи для практичної біомедицини та її зв'язок з науковими темами, сформульовано мету і задачі досліджень, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Наведено інформацію про впровадження результатів роботи, рівень апробації та кількість публікацій за тематикою досліджень.

У першому розділі проведено аналітичний огляд методів контролю оптичних параметрів біологічних об'єктів і тканин. Наведено класифікацію лазерних методів досліджень у біомедицині. Проведено порівняльний аналіз матричних методів опису поляризаційних властивостей біотканин, а також елементів і схем систем лазерної поляриметрії та відеополяриметрії. Проаналізовано сучасний стан поляризаційних технологій контролю параметрів неоднорідних біотканин - оптичної томографії та відеополяриметрії. Сформульовано медико-технічні вимоги до створення систем лазерної відеполяриметрії біотканин.

У другому розділі проведено дослідження моделей розрахунків поглинання та розсіювання світла при взаємодії оптичного випромінювання із біотканиною. Отримано залежність між оптичною та тепловою глибинами проникнення низькоінтенсивного лазерного випромінювання у плоскому шарі БТ за умови переважного поглинання світла на заданій довжині хвилі (а>10s).

Модифікований закон Ламберта-Бера у випадку нормального падіння пучка лазера на ділянку плоского зразка БТ

,

де I0 - вхідна інтенсивність, - глибина оптичного проникнення випромынювання у БТ, - коефіцієнт екстинкції, n і k - показники заломлення та поглинання на довжині хвилі світла .

При незначному нагріванні БТ під дією лазерного випромінювання можна використати одновимірну модель теплопровідності, для якої ізотермічна залежність глибини проникнення випромінювання у БТ від часу має вигляд

,

де t - час дії випромінювання на тканину, k - термічний коефіцієнт, А - площа поперечного перерізу пучка, W - потужність випромінювання, - термодинамічна характеристика зразка.

Гранична тривалість дії лазера, при якій глибини проникнення оптичного випромінювання (ОВ) і тепла стають однаковими

.

Гранична глибина прони-кнення випромінювання у БТ

.

Таким чином, при tо<tth глибина проникнення є сталою та визначається оптичними властивостями зразка БТ (не залежить від тривалості лазерного імпульсу). При тривалості дії лазера tоtth глибина проникнення збільшується внаслідок процесу теплопровідності (рис. 1).

Векторна природа процесів розсіювання вимагає врахування як енергетичних, так і поляризаційних характеристик випромінювання, які можуть бути представлені через параметри вектора Стокса.

У 1943 році Ганс Мюллер для опису зв'язку вектора Стокса випромінювання, яке лінійно взаємодіє із обєктом, із вихідним вектором Стокса запропонував матрицю M розмірністю 44

,

де - вектори Стокса до та після взаємодії світла із об'єктом (БТ).

Елементи 44 матриці Мюллера mij є дійсними, в загальному випадку незалежними числами та є функціями частоти світла, розмірів, форми, орієнтації та складу розсіювальних частинок зразка.

Разом з тим, поляризаційна поведінка більшості БТ (шкіра, м'язові, кісткові тканини та ін.) може бути описана за допомогою головного мінору 33 матриці Мюллера вигляду

.

Для аналізу анізотропних властивостей БТ пропонується мульти-плікативна модель, за якою зразок уявляється послідовністю „елементарних” шарів з певним типом анізотропії. Такі послідовності утворюються добутком головних мінорів матриці Мюллера відповідних шарів

.

Головний мінор 33 матриці Мюллера об'єкта з лінійною амплітудною анізотропією має вигляд

.

Головний мінор 33 матриці Мюллера об'єкта із лінійною фазовою анізотропією (лінійним двопроменезаломленням)

.

Головний мінор 33 матриці Мюллера об'єкта із циркулярною фазовою анізотропією, що характеризує оптичну активність середовища,

.

У випадку дослідження тонких зрізів БТ (для шкіри товщиною до 30 мкм) їх з високою достовірністю можна вважати об'єктами, що не деполяризують світло. Відповідні вирази для розрахунку параметрів анізотропії таких об'єктів наведено нижче.

Орієнтація та величина лінійної амплітудної анізотропії:

,

Параметри фазової анізотропії:

,

,

,

де елементи узагальненої фазової анізотропії А, В, С і D визначаються з матричної системи рівнянь:

Таким чином, головний мінор 33 матриці Мюллера локальної ділянки (k,l) зразка БТ є функцією п'яти параметрів анізотропії .

У випадку більш значної товщини зразка БТ потрібно враховувати деполяризацію об'єктом випромінювання. Головний мінор 33 матриці Мюллера за умови ізотропної деполяризації

,

де М33 - детермінована матриця Мюллера об'єкта, яка формується в рамках наведеної вище моделі, М - головний мінор 33 матриці деполяризатора

,

- ступінь деполяризації ОВ.

Величину в даному випадку також можна визначити за допомогою елементів мінору 33 матриці Мюллера.

Поляризаційні властивості зразка БТ характеризуємо растром (MN) головних мінорів 33 матриць Мюллера локальних ділянок зразка вигляду.

.

У роботі модифіковано оптичну модель плоско-паралельного зразка неоднорідної анізотропої БТ як сукупності шарів, кожен з яких характеризується растром мінорів (18) та набором координатних розподілів величин []i, []i, []i, []i, [p]i та []і, наведених вище. Модель використано для виявлення та лока-лізації патологічних змін у шкірі.

У третьому розділі запропоновано новий метод поляризаційної візуалізації структурних неоднорідностей анізотропних БТ, який містить (рис. 2):

- формування растра вхідного трьох-елементного вектора Стокса ОВ;

- вимірювання значень параметрів вихід-ного вектора Стокса випромінювання кожної з ділянок об'єкта, формування в межах кадру растра координатних розподілів ступеня деполяризації;

- визначення елементів головного мінору 33 матриці Мюллера для кожного елемента кадру зображення БТ, формування растра мінорів;

- розкладання кожного з елементів растра головних мінорів 33 матриці Мюллера зразка БТ у модифікованому анізотропному базисі (7);

- формування растрів розподілів параметрів анізотропії зразка БТ, їх візуальний та кількісний аналіз.

Для визначення елементів ділянки зразка потрібно щонайменше для дев'яти комбінацій кутів положень поляризатора й аналізатора () послі-довно виміряти інтенсивності на вході матриці фотоприймача (;).

Система лінійних рівнянь для невідомих елементів мінору:

,

де Ім - вектор інтенсивностей на вході фотодетектора; - вектор-стовпець послідовних елементів ; А - характеристична матриця відеополяриметра.

Комбінації кутів положень поляризатора (аналізатора) для оригінальної схеми поляриметра становлять: 0°, 45° та 90°. У роботі доведено, що оптимальною схемою вимірювання елементів є така, якій відповідає характеристична матриця Аопт, що її формують при комбінаціях кутів положень поляризатора (аналізатора) 0°, 60° і 120°. Повна інтегральна оцінка відносної похибки визначення елементів головного мінору з урахуванням впливу збурень всіх елементів системи лінійних рівнянь (19)

,

де - число обумовленості матриці A, що характеризує стійкість розв'язків системи рівнянь ; - інтегральні відносні похибки визначення елементів характеристичної матриці відеополяриметра та вектора інтенсивностей.

Доведено, що при типових неточностях позиціонування кутів поляризатора (аналізатора) в межах та шумах інтенсивності лазера співвідношення граничних значень похибок визначення елементів

.

Таким чином, інтегральна похибка визначення елементів головного мінору 33 матриці Мюллера об'єкта для оптимізованої схеми є на 19% меншою, ніж для оригінальної.

Наведені вище методи впроваджено на основі універсальної лазерної автоматизованої відеополяриметричної системи (ЛАВС), а саме: вдосконалено програмно-апаратне забезпечення та схему вимірювань для методу головного мінору 33 РММ.

При дослідженні біомедичних об'єктів, параметри яких є чутливими до частоти ОВ, важливою особливістю схеми, що підвищує інформативність досліджень, є можливість вимірювань на декількох довжинах хвиль спектра. Однією з таких схем є розроблена двохвилева лазерна відеополяриметрична система ЛАВС-2 (рис. 4) “око-процесорного” типу із обробленням зображень

Для неінвазивних вимірювань поляризаційних характеристик неоднорідних БТ у зворотно розсіяному світлі елементи формувального каналу схеми відеополяриметра І розташовують під кутом 45° до площини об'єкта (при великих кутах падіння значно зростає роль впливу амплітудної анізотропії), а елементи приймального каналу ІІ встановлюють нормально до цієї площини, що мінімізує вплив френелівського відбиття.

В одному з варіантів реалізації ЛАВС-2 застосовується випромінювання інжекційних напівпровідникових лазерів двоканального лазерного пристрою “Quantron-laser”, який розроблено на кафедрі лазерної та оптоелектронної техніки ВНТУ та апробовано у медичних закладах Києва, Вінниці і Трускавця. Особливостями роботи схеми “Quantron-laser” є стабілізація частоти випро-мінювання лазерів, що зменшує флуктуації вихідної інтенсивності, а також можливість одночасної роботи випромінювачів. оптичний анізотропія біотканина відеополяриметрія

В результаті комп'ютерного моделювання виявлено, що найбільш важливими чинниками недосконалості поляризаційних елементів, що впливають на похибку вимірювань мінору у схемі відеополяриметра, є неточність орієнтування поляризатора та аналізатора.

В четвертому розділі проведено аналіз технічних і метрологічних характеристик розроблених систем лазерної відеополяриметрії для автоматизованого контролю поляризаційних параметрів БТ (таблиця 1).

Загальна вірогідність контролю параметрів, які характеризують патологічні зміни у БТ,

,

де - методична вірогідність; - інструментальна вірогідність, яка визначається помилками першого і другого роду.

Таблиця 1 Основні характеристики лазерних відеополяриметричних систем

№	Параметр	ЛАВС	ЛАВС-2
1	Робоча довжина хвилі, мкм	0.6328	0.6328+0.4879 /0.657+0.87
2	Роздільна здатність, пікс.	640480	640480 /1280Ч1024
3	Порогова освітленість, лк	0,17	0,12
4	Інформаційна ємність кадру, МБ	1.228	1.228 / 5.24
5	Час реєстрації та обробки, сек.	200	10
6	Методична похибка: метод повної матриці Мюллера метод неповної матриці (43) метод головного мінору (33)	до 3.8% до 2.7% до 2.3%	- - до 2.3%
7	Інструментальна похибка	до 2.3%	до 2.1%
8	Загальна похибка	до 5.7%	до 4.4%

Поляризаційні параметри формуються на екрані монітора у вигляді координатних розподілів амплітуди інтенсивності світла. Відповідно

,

де

- контраст зображення, Amax, Amin - максимальна та мінімальна амплітуди інтенсивності, S - співвідношення сигнал/шум.

У таблиці 2 наведено результати розрахунків показників вірогідності контролю біомедичних систем для виявлення меланоми шкіри.

Таблиця 2 Порівняльна характеристика систем виявлення меланоми шкіри

Метод	Di	Dм	D
ABCD-метод (візуально-оптичний)	0.550.62	0.6	0.330.37
Епілюмінесцентна мікроскопія	0.750.80	0.8	0.600.64
Комп'ютерна дерматоскопія	0.800.84	0.8	0.640.67
Лазерна відеополяриметрія	0.920.94	0.8	0.740.75

Значення вірогідності контролю ЛАВС-2 становить D=0.740.75, що на 711% більше, ніж у сучасних засобів комп'ютерної дерматоскопії.

Проведено експериментальні дослідження поляризаційних властивостей зразків шкіри лабораторних щурів при опіках, виявлено залежність параметрів лінійної фазової анізотропії шкіри від характеру ушкодження.

Здійснено поляризаційну візуалізацію структурних неоднорідностей зразків людської шкіри із новоутворенням (меланома) на основі параметрів анізотропії та ступеня деполяризації за наведеним вище методом головного мінору 33 РММ (рис. 5).

В роботі на основі оптимізації функції коефіцієнта готовності вдосконалено математичну модель прогнозування функціонального стану відеополяриметричної системи відповідно до алгоритму прийняття рішень з організації технічного обслуговування в умовах недосконалості засобів контролю, що регламентує порядок проведення комплексу перевірок та профілактичних заходів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

У результаті виконання дисертаційної роботи були розроблені і досліджені системи лазерної відеополяриметрії для автоматизованого контролю поляризаційних параметрів, що характеризують патології неоднорідних біотканин, які відрізняються від відомих підвищеною точністю та швидкодією.

В роботі одержано такі наукові і практичні результати:

1. Запропоновано новий метод поляризаційної візуалізації структурних неоднорідностей біотканин на основі кількісного аналізу двовимірних розподілів параметрів анізотропії та ступеня деполяризації у площині зображення, що їх отримують з елементів головного мінору 33 експериментальної растрової матриці Мюллера, який дозволяє більш достовірно (на 711% для меланоми шкіри) характеризувати наявні у біотканині патологічні зміни.

2. Удосконалено метод визначення параметрів анізотропії та поляризації неоднорідних біотканин, що їх отримують при відновленні з елементів мультиплікативного головного мінору 33 растрової матриці Мюллера об'єкта із використанням оптимізованої характеристичної матриці, який дозволяє характеризувати зразки біотканин значної товщини. Метод дозволяє підвищити точність на 19%, а також скоротити на 78% у порівнянні з методом повної РММ та на 33% порівняно з методом неповної 43 РММ час вимірювань вказаних параметрів.

3. Удосконалено математичну модель прогнозування періоду перевірки функціонування систем лазерної відеополяриметрії, що дозволяє оптимізувати процес контролю функціонального стану системи в умовах недосконалості технічних засобів.

4. Отримано залежність між оптичною та тепловою глибинами проникнення низькоінтенсивного лазерного випромінювання у плоскому шарі БТ за умови переважного поглинання світла на заданій довжині хвилі, що дозволяє визначити гранично допустиму тривалість дії зондувального випромінювання як при вимірюванні оптичних і поляризаційних характеристик зразка, так і при лазерній терапії біотканин.

5. Удосконалено програмно-апаратне забезпечення універсальної системи лазерної відеополяриметрії для автоматизованого контролю координатних розподілів поляризаційних параметрів неоднорідних біотканин на основі методу визначення елементів головного мінору 33 растрової матриці Мюллера об'єкта.

6. Розроблено швидкодійну двохвилеву систему лазерної відео-поляриметрії біотканин “око-процесорного” типу, яка дозволяє у режимі, наближеному до реального часу, проводити автоматизований контроль двовимірних розподілів параметрів анізотропії та деполяризації, що їх отримують з елементів головного мінору 33 РММ об'єкта на двох довжинах хвиль лазерів із можливістю використання різних спектральних діапазонів.

7. Визначено характер впливу чинників недосконалостей поляризаційних елементів систем лазерної відеополяриметрії у режимі вимірювань елементів головного мінору 33 РММ об'єкта на інструментальну похибку вимірювань - неточність кута еліптичності при формуванні характеристичної матриці відеополяриметра та неточність кута орієнтації лінійного поляризатора у формувальному каналі вимірювальної схеми.

8. Розроблено новий лазерний прилад “Quantron-laser” на основі напівпровідникових лазерів, який має систему стабілізації частоти генерації, що застосовується як випромінювач двохвилевої відеополяриметричної системи, а також для терапії широкого спектра захворювань.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Тужанський С. Є. Визначення параметрів анізотропії зразків біотканин на основі аналізу головного мінору 33 матриці Мюллера / С. Є. Тужанський, С. М. Савенков, О. С. Клімов // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. -- 2008. -- № 1(15). -- С. 144--153.

2. Тужанський С. Є. Лазерні поляриметричні методи контролю оптичних параметрів біотканин / С. Є. Тужанський // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. -- 2006. -- № 2(12). -- С. 201--213.

3. Тужанський С. Є. Відеополяриметрична система око-процесорного типу для діагностування патологій біотканин / Г. Л. Лисенко, С. Є. Тужанський // Вісник Вінницького політехнічного інституту. -- 2008. -- № 4. -- С. 5--15.

4. Тужанський С. Є. Оптимізація періоду контролю стану лазерних поляриметричних систем / С. Є. Тужанський // Інформаційні технології та комп'ютерна інженерія. -- 2007. -- № 2(9). -- С. 161--166.

5. Моделювання і розрахунок характеристик квантоворозмірних лазерів / В. П. Кожем'яко, Г. Л. Лисенко, С. Є. Тужанський [та ін.] // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. -- 2004. -- № 3(5). -- С.125--130.

6. Ефективність застосування лазерних технологій в медичній практиці / С. В. Павлов, Т. Т. Ошовська, С. Є. Тужанський [та ін.] // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. -- 2001. -- № 2. -- С. 120--123.

7. Математическое моделирование оптимальных параметров воздействия низкоэнергетического лазерного излучения и гемангиомы / С. Є. Тужанський, В. С. Коноплицкий, Е. А. Терентьев [та ін.] // Хірургія України. -- 2002. -- № 4. -- С. 63--66.

8. Тужанський С. Є. Лазерні методи дослідження оптичних властивостей біотканин / С. Н. Савенков, С. Є. Тужанський // Оптоелектронні інформаційні технології “Фотоніка-ОДС 2005”: ІІІ міжнар. наук.-техн. конф., 27--28 квітня 2005 р.: тези допов. -- Вінниця, 2005. -- С. 155--156.

9. Тужанський С. Є. Лазерна поляриметрія неоднорідних біотканин / С. Є. Тужанський // Применение лазеров в медицине и биологии: XXV междунар. научно-практ. конф., 24--28 мая 2006 р.: материалы. -- Луцк, 2006. -- С. 83--84.

10. Tuzhanskyy S. Y. Influence of imperfections of polarization elements on measurement errors in three probing polarization method / S. N. Savenkov, Ye. A. Oberemok, S. Y. Tuzhanskyy [et. al.] // Saratov Fall Meeting 2005: Coherent Optics of Ordered and Random Media VI, ed. by Dmitriy A. Zymnyakov, Nikolai G. Khlebtsov, Proc. of SPIE. -- 2006. -- Vol. 6164. -- P. 1--11.

11. Тужанський С. Є. Візуалізація просторового розподілу анізотропних параметрів у діагностуванні патологій біотканин / С. Є. Тужанський // Застосування лазерів у медицині та біології: міжнар. наук.-практ. конф., 8--11 жовтня 2008 р.: тези допов. -- Ялта, 2008. -- С. 164--165.

12. Тужанський С. Є. Математична модель процесу розповсюдження високоенергетичного лазерного випромінювання у біотканині / С. Є. Тужанський, Є. О. Те-рентьєв // Оптоелектронні інформаційні технології “Фотоніка ОДС - 2002”: ІІ міжнар. наук.-техн. конф., 23-25 квітня 2002 р.: тези допов. -- Вінниця, 2002. -- С. 60.

13. Тужанський С. Є. Метод відеополяриметрії біотканин / С. Є. Тужанський // Оптоелектронні інформаційні технології «Фотоніка-ОДС 2008»: IV міжнар. наук.-техн. конф., 30 вересня--2 жовтня 2008 р.: тези допов. -- Вінниця, 2008. -- С. 67--68.

14. Тужанський С. Є. Лазерные методы и технологии для применения в гинекологической практике / С. В. Павлов, Т. Т. Ошовская, С. Є. Тужанский // Применение лазеров в медицине и биологии: XXІІ междунар. научно-практ. конф., Ялта, 12-16 октября 2004 г.: тезисы докл. -- Х. , 2004. -- С. 51--52.

15. Tuzhanskyy S. The threshould characteristics of IR-photodiodes, based on HgCdTe structures for vizualization medical images / G. Lysenko, S. Tuzhansky // Оптоелектронні інформаційні технології “Фотоніка-ОДС 2000” : міжнар. наук.-техн. конф., 2--5 жовтня 2000 р. : тези допов. -- Вінниця, 2000. -- C. 174.

16. Пат. 22605 Україна, МПК G 01 G 4/00. Спосіб вимірювання параметрів поляризації неоднорідних анізотропних об'єктів / Савенков С. М., Оберемок Є. А., Тужанський С. Є., Клімов О. С. -- № u 2006 12681; заявл. 01.12.2006; опубл. 25.04.2007, Бюл. № 5.

17. Пат. 22604 Україна, МПК G 01 G 4/00. Лазерний автоматичний поляриметр зображень / Савенков С. М., Оберемок Є. А., Тужанський С. Є., Клімов О. С. -- № u 2006 12680; заявл. 01.12.2006; опубл. 25.04.2007, Бюл. № 5.

18. Пат. 84965 Україна, МПК7 Н 01 S 5/30. Спосіб стабілізації частоти випромінювання інжекційного лазера / Лисенко Г. Л., Тужанський С. Є.; заявник та патентовласник Вінницький нац. техн. ун-т - № 20041210446; заявл. 20.12.2004; опубл. 15.08.2005, Бюл. № 8.

19. Пат. 2605 Україна, МПК7 А 61 N 5/00. Спосіб лікування ран м'яких пологових шляхів у породіль / Яремчук Л. В., Тужанський С. Є., Мазорчук Б.Ф.; заявник та патентовласник Вінницький нац. мед. ун-т ім. М.І. Пирогова - № 2004010567; заявл. 26.01.2004; опубл. 15.06.2004, Бюл. № 6.

20. Пат. 56790А Україна, МПК7 А 61 N 5/06. Спосіб адаптивного лазерного впливу на організм і лазерний скануючий пристрій для його здійснення / Тужанський С. Є., Сахно М. М., Довгань І. П., Півторак В. І., Півторак К. В.; заявник та патентовласник Вінницький держ. мед. ун-т. - № 200212097468; заявл. 16.09.2002; опубл. 15.05.2003, Бюл. №5.

АНОТАЦІЯ

Тужанський С. Є. Системи лазерної відеополяриметрії для автоматизованого контролю параметрів неоднорідних біотканин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця - 2009.

Дисертацію присвячено реалізації методів та розробці систем лазерної відеополяриметрії для автоматизованого контролю параметрів, які дозволяють характеризувати патологічні зміни у неоднорідних біотканинах. В роботі удосконалено метод вимірювання поляризаційних параметрів біотканин, що їх відновлюють з головного мінору 33 експериментальної растрової матриці Мюллера об'єкта. Запропоновано метод поляризаційної візуалізації структурних неоднорідностей біотканин на основі кількісного аналізу двовимірних розподілів параметрів анізотропії та деполяризації, що їх отримують з елементів вказаного мінору. Оптимізовано схему лазерної відеополяриметричної системи у режимі вимірювання названого мінору, що дозволило на 19% підвищити точність визначення поляризаційних параметрів, а також скоротити на 78% час вимірювань у порівнянні з методом повної матриці Мюллера. Розроблено швидкодійну двохвилеву лазерну відеополяриметричну систему “око-процесорного” типу, яка дозволяє у режимі, наближеному до реального часу, здійснювати контроль координатних розподілів параметрів анізотропії та деполяризації.

Ключові слова: растрова матриця Мюллера, лазерна відеополяриметрія, параметри анізотропії, ступінь деполяризації, неоднорідна біотканина.

Tuzhanskyy S. Y. Systems of Laser Imaging Polarimetry for Automated Control of Heterogeneous Tissues Parameters. - Manuscript.

Thesis for Candidate of Technical Science degree on speciality 05.11.17 - Biological and Medical Devices and Systems. - Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia - 2009.

Dissertation is devoted realization of methods and development of laser imaging polarimetric systems for automated control of heterogeneous biotissues polarizations parameters which characterize the available pathological changes. The method of measuring of heterogeneous biotissues polarizations parameters, which restored from the main minor 33 of experimental raster Mueller matrix, is in-process improved. New method polarization of structured inhomogeneities tissues visualization is offered on the basis of quantitative analysis of 2-D distributions of anisotropy parameters and depolarization obtained at restoration from the elements of mentioned minor. The scheme of laser imaging polarimetric system measurement in given minor is optimized, enabling to increase the accuracy of the polarization parameters of the objects by as well as to reduce by 78% time of measurements as compared with the method of Mueller complete matrix. The fast-acting two-wave laser imaging polarimetric system of “eye-processing” type, which allows in the mode close to the real time to perform the control of coordinate distributions of anisotropy parameters and depolarization, is developed.

Keywords: raster Mueller matrix, laser imaging polarimetry, parameters of anisotropy, degree of depolarization, heterogeneous biotissue.

Тужанский С. Е. Системы лазерной видеополяриметрии для автоматизированного контроля параметров неоднородных биотканей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - Биологические и медицинские приборы и системы. - Винницкий национальный технический университет, Винница - 2009.

Диссертация посвящена реализации методов и разработке систем лазерной видеополяриметрии для более точного автоматизированного контроля поляризационных параметров, которые позволяют характеризовать имеющиеся в неоднородных биотканях патологические изменения.

В работе получили дальнейшее развитие модели расчета поляризационных параметров и характеристик рассеивания света при взаимодействии оптического излучения с биотканью. Установлена зависимость между оптической и тепловой глубинами проникновения излучения в биоткани в условиях сильного поглощения света, которая определяет допустимую длительность воздействия зондирующего лазерного излучения.

Усовершенствован метод определения параметров анизотропии и поляризации неоднородных биотканей, восстанавливаемых в пределах кадра из главного минора 33 экспериментальной растровой матрицы Мюллера объекта, который позволяет характеризовать образцы биотканей реальной толщины.

Предложен новый метод поляризационной визуализации структурных неоднородностей биотканей на основе количественного анализа двухмерных распределений параметров анизотропии и степени деполяризации в плоскости изображения, которые получают из элементов указанного минора при его разложении в модифицированном анизотропном базисе.

Оптимизирована система лазерной видеополяриметрии в режиме измерения названного минора, что позволило на 19% повысить точность определения элементов минора и поляризационных характеристик объектов, а также сократить время измерений (на 78% по сравнению с методом полной матрицы Мюллера и на 33% по сравнению с методом 43 матрицы Мюллера, соответственно).

Разработана быстродействующая двухволновая лазерная видеополяриметрическая система “глаз-процесcорного” типа, которая позволяет в режиме, приближенном к реальному времени, проводить автоматизированный контроль координатных распределений параметров анизотропии и степени деполяризации на двух длинах волн лазеров с возможностью использования различных спектральных диапазонов.

Проведен модельный эксперимент, который позволил определить степень влияния несовершенств поляризационных элементов лазерной автоматизированной видеополяриметрической системы в режиме измерения элементов указанного минора на инструментальную погрешность измерений - неточность угла эллиптичности при формировании характеристической матрицы и неточность угла ориентации линейного поляризатора в формирующем канале измерительной схемы.

Разработан и апробирован лазерный прибор “Quantron-laser” на основе полупроводниковых лазеров, который имеет систему стабилизации частоты генерации и применяется как излучатель двухволновой видеополяриметрической системы, так и для терапии широкого спектра заболеваний.

В работе проведены экспериментальные исследования тонких срезов кожи с патологически измененными участками (меланома, ожоги) с использованием предложенных моделей, методов и схем.

Усовершенствована математическая модель прогнозирования периода проверки работоспособности систем лазерной видеополяриметрии, которая позволяет оптимизировать процесс контроля функционального состояния системы в условиях несовершенства технических средств.

Практические исследования, изложенные в диссертации, также позволили разработать программно-алгоритмическое обеспечение систем лазерной видеополяриметрии биотканей.

Отдельные разработки диссертационной работы внедрены на базе кафедр кожных и венерических болезней Винницкого национального медицинского университета имени Н. И. Пирогова и квантовой радиофизики Киевского национального университета имени Тараса Шевченко. Также теоретические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре лазерной и оптоэлектронной техники ВНТУ при изложении дисциплин "Основы квантовой электроники и лазерной техники", "Оптические измерения" и "Лазерная медицинская технология".

Ключевые слова: растровая матрица Мюллера, лазерная видеополяриметрия, параметры анизотропии, степень деполяризации, неоднородная биоткань.

Размещено на Allbest.ru

...