ВВЕДЕНИЕ 6
1 Методы исследования упругих свойств биологических тканей 8
1.1 Упругие свойства биологических тканей 8
1.2 Обзор методов исследования упругих свойств биологических 9
1.2.1 Методы механических испытаний 10
1.2.2 Методы на основе акустических волн 14
1.2.3 Методы на основе магнитно-резонансной томографии (МРТ) 15
1.3 Применение оптической когерентной эластографии для получения
эластографических картин биологических тканей 16
2 Звуковая оптическая когерентная томография 20
2.1 Оптическая когерентная томография 20
2.2 Теория звуковая оптической когерентной эластографии 26
2.2.1 Вывод и решение волнового уравнения 26
2.2.2 Принципы эластографии 30
3 Исследование упругих свойств кожи человека с помощью звуковой
оптической когерентной эластографии 33
3.1 Разработка протокола исследования 33
3.2 Описание оборудования и программного обеспечения 35
3.2.2 Arduino-плата и реализация звукового воздействия 35
3.2.2 Оборудование и программное обеспечение ОКТ-системы 37
3.1.3 Настройка и установка IntelliJ IDEA 41
3.1.3 Java-скрипты: описание и назначение 43
3.3 Получение и обработка экспериментальных данных 47
3.3.1 Валидация методики 47
3.3.2 Исследование упругих свойств кожи человека 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 57
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 58
ПРИЛОЖЕНИЕ А Amply.java - Получение амлитуды 62
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Freq.java - Получение резонансной частоты 66
ПРИЛОЖЕНИЕ В Phase.java - Получение фазы 70
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Lambda.java - Получение длины волны 75
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Young.java - Получение значений модуля Юнга 79
Данная работа посвящена визуализации и оценке упругих свойств биологических тканевых структур. Эластографические изображения биологической ткани построены с помощью метода оптической когерентной томографии (ОКТ).
На сегодняшний день одной из актуальнейших задач в биомедицине остаётся исследование и количественная оценка свойств биологических тканей. Развитие технологий способствует совершенствованию методов анализа их структуры и свойств. В связи с этим особое внимание уделяется современным способам визуализации биологических тканей.
Для неинвазивной визуализации поперечных сечений в биологических системах был разработан метод, называемый оптической когерентной томографией (ОКТ). В ОКТ используется низкокогерентная интерферометрия для получения двумерного изображения оптического рассеяния на внутренних тканевых микроструктурах. Система ОКТ имеет продольное и поперечное пространственное разрешение в несколько микрометров и позволяет обнаруживать отраженные сигналы, составляющие всего 10-10 от падающей оптической мощности [1].
Метод оптической когерентной эластографии (ОКЭ) является разновидностью оптической когерентной томографии, который предназначен для измерения механических свойств тканей. Этот метод позволяет оценить упругость тканей, что может быть полезно для диагностики различных заболеваний, принцип работы которого основан на анализе взаимодействия света с тканями. При прохождении света через ткани происходит изменение его фазы и амплитуды в зависимости от механических свойств тканей. Путем измерения этих изменений можно оценить упругость тканей [2].
ОКТ система имеет ряд преимуществ по безопасности использования, стоимости, а также по точности и четкости полученных данных, в отличии от других распространённых систем.
Для получения количественной информации о биологических тканях необходима разработка новых методов визуализации. Механические характеристики тканей часто рассматриваются как ключевые параметры для их оценки [3], поскольку изменения в биомеханике тесно связаны с различными патологическими и физиологическими процессами [4]. Точный количественный анализ этих изменений позволяет не только диагностировать заболевания на ранних стадиях и повышать эффективность терапии, но и углубить понимание физиологических процессов, происходящих в клетках, тканях и органах [5].
Цель работы. Визуализация и получение количественной оценки характеристик кожи человека методом ОКЭ
Задачи:
1. Изучение теоретической информации о возможностях оптической когерентной томографии;
2. Создание протокола проведения эксперимента на основе метода оптической когерентной эластографии;
3. Разработка программного кода для анализа изображений и получения значения модуля Юнга.
В ходе данной работы получена разработка программного скрипта на языке Java, которая позволяет количественно оценить и визуализировать модуль Юнга в различных образцах исследования. В процессе работы была изучена необходимая проведена валидация методики на тестовом образце с известным модулем Юнга и при исследовании упругих свойств кожи человека (плотность 1100 ^|) получен диапазон значений модуля Юнга Е находящийся в промежутке от 396 X 103 Па до 420 X 103Па, преимущественно локализированные вблизи поверхности исследуемого участка.
Данный метод исследования может быть применен для неинвазивной оценки упругих свойств биологических тканей в биомедицине.
В перспективе для данной работы могут быть реализованы следующие улучшения для увеличения точности измерения и предоставлению наглядности полученных значений:
• Автоматизировать поиск слоя поверхности исследуемого образца для точного выделения релевантных пикселей, чтобы исключить лишние вычисления, а также повысить точность расчётов.
• Разработка 3D визуализации значений модуля юнга по всей поверхности.
