Многоспектральный метод обнаружения подкожных образований

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

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

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.