Библиографическое описание:

Строев В. М., Альмас Г. Ф. Многоспектральный метод обнаружения подкожных образований // Молодой ученый. — 2012. — №12. — С. 104-107.

В настоящее время детектирование неоднородностей для получения карты распределения поглощения и рассеяния мягких тканей производится с помощью диффузионной оптической томографии (ДОТ), рентгеновской компьютерной томографии (КТ) и магниторезонансной томографии (МРТ). Хотя КТ и МРТ дают очень хорошее пространственное разрешение, для их применения требуется достаточно громоздкое и дорогостоящее оборудование. Методы ДОТ существенно дешевле, мобильней и дают информацию об оксигенации или деоксигенации крови и о функциональном состоянии тканей. Общим недостатком существующих методов является стремление проникнуть сквозь кожу без учета неоднородности характеристик кожи, что ограничивает их применение при работе по низкоконтрастным подкожным образованиям и может приводить к наблюдению ложных образований.

При прохождении через кожу лазерное излучение претерпевает два вида искажений: неравномерное ослабление и расфокусировку, обусловленную переотражением кожи и характеризуемую оптической передаточной функцией (ОПФ).

Одним из параметров влияющих на прохождение через кожу лазерное излучение является толщина кожи. Толщина кожи человека зависит от возраста, цвета кожного покрова, пола, состояния здоровья и локализации. На разных участках тела кожа имеет различную толщину (табл. 1). У пожилых людей и детей кожа тоньше, чем у взрослого человека. У детей первых месяцев жизни средняя толщина кожи составляет 1 мм; в возрасте от 3 до 7 лет – 1–1,5 мм; от 7 до 14 лет – 1,5–2 мм и лишь к 20–25 годам она достигает 3 мм.


Таблица 1

Область тела

Эпидермис весь

Роговой слой эпидермиса

Дерма

Подкожно-жировая клетчатка

Грудь

0,035-0,084

0,018-0,035

1,97-3,00

0,40-1,10

живот

0,063-0,126

0,022-0,028

1,64-2,32

2,18-18,83

Спина

0,092-0,125

0,024-0,038

2,66-4,76

0,55-1,11

Плечо

0,068-0,146

0,021-0,049

1,89-3,04

0,03-1,41

Бедро

0,076-0,163

0,022-0,058

1,80-3,06

0,62-1,33

Ладони

0,220-0,726

0,171-0,618

0,66-1,90

0,56-3,06


Для определения заряда , накопленного в ячейке ФПЗС используется выражение [1]:

(1)

где - безразмерный коэффициент, характеризующий отражательную способность и рельеф участка подкожного образования.

.

На рисунке 1 представлены графики и при условии, что принимает следующие значения: 3, если n=0-19; 2.5, если n=20-29.

Из рисунка 1 видно, что принятый сигнал существенно отличается от реального вида . Следовательно, в условиях неравномерности оптической толщи коже формируется сильно искаженный сигнал плотности подкожного слоя.


Рис. 1


При реализации двухчастотного метода обнаружения низкоконтрастных подкожных образований [1] обработка производится на двух длинах волн, при этом λ1 и λ2 выбираются таким образом, чтобы выполнялось равенство:

τ=2, (2)

где - оптическая толща кожи;

L(х,у) – толщина кожного покрова;

- коэффициент рассеивания;

-коэффициент поглощения.

Кожа человека является ярким примером многокомпонентной мутной биологической среды и весьма сложна для описания при построении моделей. Оптические характеристики такой сложной среды в целом зависят от множества факторов. В коже выделяют три части. Верхняя часть – эпидермис – представляет собой многослойный эпителий, наружный слой которого – роговой слой – постоянно слущивается. Толщина эпидермиса различна – от 0,01до 0,2 мм [2]. Нижний слой эпидермиса – базальный, лежит на базальной мембране разделяющей эпидермис и дерму. В базальном слое находятся клетки – меланоциты, производящие пигмент меланин. Независимо от типа расы в коже каждого человека находится одинаковое количество меланоцитов, но количество меланина, которое эти клетки производят, различно. Истинная или внутренняя кожа – дерма – состоит из богатой волокнами и относительно бедной клетками соединительной ткани, являющейся опорой для придатков кожи (волос, ногтей, потовых и сальных желез) сосудов и нервов. Волосы и протоки от желез проходят через эпидермис к поверхности кожи. Толщина дермы варьируется от 0,5 мм до 5 мм. На предплечье она не превышает 1 мм (у женщин) и 1,5 мм (у мужчин), а в некоторых местах достигает 2,5 мм (кожа спины у мужчин) [2].

В таблице 2 приведены оптические свойства человеческой кожи invitro


Таблица 2

Ткань

,нм

ma, см-1

, см-1

Дерма

250

308

351

415

488

800

26

8,7

5,2

3,5

2,6

1,7

257

170

127

82

60

30

Эпидермис

250

308

351

415

488

800

1000

300

100

66

50

40

313

407

306

206

143

62

Роговой слой

250

380

337

351

400

1150

600

330

300

230

260

240

230

220

200


Оценим значение для кожи человека. Согласно данным, приведенным в табл.1 глубина кожного покрова человека лежит в пределах от 0,02 до 5мм, причем в основном глубина кожного покрова определяется размером дермы. Для дермы значение лежит в пределах от 1,7 до 26 (для ), значение лежит в пределах от 30 до 257. Поэтому значение будет изменя ться от 1,3 до 15.

Для решения данной задачи обработки [1], использовалась система уравнений

(3)

При сигнал от подкожного образования на в 1011 раз меньше, чем на .

Таким образом, рассмотренный метод будет работать с низкоуровневыми сигналами и поэтому результаты обработки будут сильно зависеть от влияния шумовых компонентов, принятых сигналов.

Изменение условия (2), хотя бы на следующее τ=1,3 приведет к тому, что при сигнал от подкожного образования на будет только в 8000 раз меньше, чем на .

Для решения данной задачи составим систему уравнений при τ=d τ, где d- постоянный коэффициент принимающий значения от 1 до 2.

, (4)

Решение системы (3) возможно только с применением численных методов.

Используем метод Ньютона, для чего находим из выражения для и подставляем в выражение для .

В результате получим

,

где .

Упростим полученное выражение, введя обозначения

и .

Отсюда получаем, что

, и τ=dz.

Выражение для трансформируем в уравнение .

Алгоритм нахождения численного решения уравнения сводится

к итерационной процедуре вычисления:

=

Найденное значение , используется для вычисления значения

.

На рисунке 2 представлены результаты моделирования работы в условиях, когда принимает следующие значения: 3, если n=0-19; 2.5, если n=20-29; погрешность приема сигнала равна 0,2%.


Рис. 2


Литература:

  1. Пересыпкина Е. Н., Истомина А. И., Черникова А. М., Чичканова О. В., Альмас Г. Ф. Двухчастотный метод обнаружения низкоконтрастных подкожных образований // Молодой ученый. — 2012. — №5. — С. 552-556.

  2. РЛС-Пациент: Ежегодный бюллетень: Вып. 3: Пособие для врача. – Издательство «РЛС», 2002. – 1052 с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle