СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ СЛЮНЫ ЧЕЛОВЕКА НА ТЕРАГЕРЦОВОМ СПЕКТРОМЕТРЕ T-SPEC
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Инструменты и способы получения данных 7
1.1 Экспериментальная установка 7
1.2 Программное обеспечение 9
2 Метод главных компонент 12
2.1 Общий принцип МГК 12
2.2 Понижение размерности 14
2.3 Матрица счетов 15
2.4 Матрица нагрузок 17
3 Диагностика плоского лишая на основе анализа данных терагерцовой
спектроскопии слюны человека 18
3.1 Анализ данных терагерцовой спектроскопии с помощью статистических методов 18
3.2 Совершенствование метода измерения спектров слюны человека 23
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 31
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 32
1 Инструменты и способы получения данных 7
1.1 Экспериментальная установка 7
1.2 Программное обеспечение 9
2 Метод главных компонент 12
2.1 Общий принцип МГК 12
2.2 Понижение размерности 14
2.3 Матрица счетов 15
2.4 Матрица нагрузок 17
3 Диагностика плоского лишая на основе анализа данных терагерцовой
спектроскопии слюны человека 18
3.1 Анализ данных терагерцовой спектроскопии с помощью статистических методов 18
3.2 Совершенствование метода измерения спектров слюны человека 23
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 31
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 32
В данной работе рассматривается задача совершенствования метода измерения спектров поглощения слюны человека. Для получения спектров слюны используется терагерцовый спектрометр: T-spec. Терагерцовый (ТГц) диапазон заключен между инфракрасной и микроволновой частью электромагнитного спектра: 100 Ггц - 10 Трц. ТГц-волны обладают рядом характерных особенностей: низкая ионизирующая способность, сильно поглощаются водой, высокая проникающая способность.
Медицинская диагностика [1] является одной из наиболее перспективных областей применения ТГц-спектроскопии. Концентрация воды в тканях человеческого организма высока, поэтому ТГц -волны не могут проникать глубоко в тело человека. Следовательно, проводить диагностику по проходящему через организм излучению принципиально невозможно. Тем не менее, существует возможность использования изображающих ТГц- систем и ТГц-спектроскопии для диагностики заболеваний эпителиальных тканей организма по отраженному от среды излучению . В настоящее время существует ряд методов [2] неинвазивной диагностики заболеваний эпителиальных тканей:
Магнитно-резонансная томография не используется для изучения онкологических поражений по причине того, что разрешение систем магнитно-резонансной томографии составляет 1 мм по всем трём направлениям. С помощью данного метода можно получить полезную информацию о поражении организма, лишь при условии того, что поражение находится на глубине, не превышающей 15 мм под поверхностью кожи [3].
Магнитно-резонансная микроскопия используется для получения трёхмерных изображений структуры онкологических поражений кожи. Такие изображения имеют латеральные (вдоль поверхности) разрешения 78 мкм и разрешение по глубине 19 мкм. Предельная глубина, на которой магнитно-резонансная микроскопия визуализацию структуры составляет 800 мкм [4] Информации о составе химических тканей магнитно-резонансная микроскопия получить не позволяет. Использование магнитно-резонансной томографии и магнитно-резонансной микроскопии для диагностики заболеваний эпителиальных тканей нецелесообразно по причине дороговизны и громоздкости оборудования.
Цифровые камеры высокого разрешения[5] и различные виды кожной микроскопии [6] позволяют анализировать лишь поверхностные характеристики поражений.
Высокочастотные ультразвуковые исследования (20 ... 100 МГц) позволяют визуализировать трёхмерную структуру онкологического поражения с разрешением в 200 мкм по латеральным координатам и в 100 мкм по глубине [7]. Возможная глубина высокочастотных ультразвуковых исследований составляет 7 мм. Отраженный от объекта звуковой сигнал не содержит информации о химических свойствах тканей, поэтому возможности данного метода исследований ограничены [8].
Рентгеновские изображающие системы в целях диагностики заболеваний кожи не используются, по причине того, что рентгеновское излучение вредно для человеческого организма. Кроме того с помощью рентгеновских лучей не всегда можно обнаружить онкологические новообразования в эпителиальных тканях.
Конфокальная отражающая микроскопия обеспечивает изучение строения кожи на глубине до 100 . 200 мкм с латеральным разрешением до 2 мкм и разрешением по глубине до 3 ... 5 мкм [9]. Высокое разрешение позволяет исследовать строение клеток, визуализировать движение крови в реальном времени и масштабе. Недостатком конфокальной отражающей микроскопии является небольшая глубина диагностики.
Оптическая когерентная томография - метод диагностики, который использует оптическое излучение. Этот метод обеспечивает получение изображения внутренний структуры кожи на глубине до 1 . 1,5 мм при этом теоретический придел разрешения по глубине составляет 5 ... 15 мкм [10]. Важно отметить, что сильное рассеяние видимого и инфракрасного излучения в биологических тканях снижает качество изображений, уменьшает разрешение по глубине. С помощью оптической когерентной томографии нельзя получить информацию о химическом составе тканей.
Лазерное доплеровское исследование приповерхностного кровотока кожи даёт возможность получать информацию на глубине до 200 мкм. Лазерные доплеровские исследования часто используются для диагностики аллергических заболеваний. Глубина диагностики данного метода недостаточна для эффективного исследования новообразований кожи.
Таким образом показано, что ни один из перечисленных методов не позволяет однозначно установить вид ракового поражения кожи, найти все очаги роста новообразования.
Эффективным средством ранней неинвазивной диагностики злокачественных поражений могут стать терагерцовые (ТГц) изображающие системы и ТГц-спектроскопия. ТГц излучение [11] не обладает вредными для биообъектов факторами, подобно вышеупомянутому рентгену и гамма- квантам.
Терагерцовый диапазон удобен для спектроскопических исследований, так как в нём лежат сильные линии поглощения многих молекул, линии поглощения которых в других диапазонах очень слабы (например, металлорганические молекулы). Электромагнитные волны терагерцового диапазона поглощаются металлами, но проникают через пластмассы, бумагу, сухую древесину. Терагерцовые частоты примерно соответствуют колебательным частотам молекул. Отраженные, поглощенные в среде прошедшие сквозь неё терагерцовые волны несут в себе богатейшую информацию об объекте. Однако волны этого диапазона трудно [12] генерировать и детектировать. Всё это определяет широкий спектр применения этого излучения. Терагерцовое излучение испытывает значительно меньшее Релеевское рассеяние, нежели излучение инфракрасного и видимого диапазонов. Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают и поглощают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Данная работа основана на законе поглощения света. Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения
Медицинская диагностика [1] является одной из наиболее перспективных областей применения ТГц-спектроскопии. Концентрация воды в тканях человеческого организма высока, поэтому ТГц -волны не могут проникать глубоко в тело человека. Следовательно, проводить диагностику по проходящему через организм излучению принципиально невозможно. Тем не менее, существует возможность использования изображающих ТГц- систем и ТГц-спектроскопии для диагностики заболеваний эпителиальных тканей организма по отраженному от среды излучению . В настоящее время существует ряд методов [2] неинвазивной диагностики заболеваний эпителиальных тканей:
Магнитно-резонансная томография не используется для изучения онкологических поражений по причине того, что разрешение систем магнитно-резонансной томографии составляет 1 мм по всем трём направлениям. С помощью данного метода можно получить полезную информацию о поражении организма, лишь при условии того, что поражение находится на глубине, не превышающей 15 мм под поверхностью кожи [3].
Магнитно-резонансная микроскопия используется для получения трёхмерных изображений структуры онкологических поражений кожи. Такие изображения имеют латеральные (вдоль поверхности) разрешения 78 мкм и разрешение по глубине 19 мкм. Предельная глубина, на которой магнитно-резонансная микроскопия визуализацию структуры составляет 800 мкм [4] Информации о составе химических тканей магнитно-резонансная микроскопия получить не позволяет. Использование магнитно-резонансной томографии и магнитно-резонансной микроскопии для диагностики заболеваний эпителиальных тканей нецелесообразно по причине дороговизны и громоздкости оборудования.
Цифровые камеры высокого разрешения[5] и различные виды кожной микроскопии [6] позволяют анализировать лишь поверхностные характеристики поражений.
Высокочастотные ультразвуковые исследования (20 ... 100 МГц) позволяют визуализировать трёхмерную структуру онкологического поражения с разрешением в 200 мкм по латеральным координатам и в 100 мкм по глубине [7]. Возможная глубина высокочастотных ультразвуковых исследований составляет 7 мм. Отраженный от объекта звуковой сигнал не содержит информации о химических свойствах тканей, поэтому возможности данного метода исследований ограничены [8].
Рентгеновские изображающие системы в целях диагностики заболеваний кожи не используются, по причине того, что рентгеновское излучение вредно для человеческого организма. Кроме того с помощью рентгеновских лучей не всегда можно обнаружить онкологические новообразования в эпителиальных тканях.
Конфокальная отражающая микроскопия обеспечивает изучение строения кожи на глубине до 100 . 200 мкм с латеральным разрешением до 2 мкм и разрешением по глубине до 3 ... 5 мкм [9]. Высокое разрешение позволяет исследовать строение клеток, визуализировать движение крови в реальном времени и масштабе. Недостатком конфокальной отражающей микроскопии является небольшая глубина диагностики.
Оптическая когерентная томография - метод диагностики, который использует оптическое излучение. Этот метод обеспечивает получение изображения внутренний структуры кожи на глубине до 1 . 1,5 мм при этом теоретический придел разрешения по глубине составляет 5 ... 15 мкм [10]. Важно отметить, что сильное рассеяние видимого и инфракрасного излучения в биологических тканях снижает качество изображений, уменьшает разрешение по глубине. С помощью оптической когерентной томографии нельзя получить информацию о химическом составе тканей.
Лазерное доплеровское исследование приповерхностного кровотока кожи даёт возможность получать информацию на глубине до 200 мкм. Лазерные доплеровские исследования часто используются для диагностики аллергических заболеваний. Глубина диагностики данного метода недостаточна для эффективного исследования новообразований кожи.
Таким образом показано, что ни один из перечисленных методов не позволяет однозначно установить вид ракового поражения кожи, найти все очаги роста новообразования.
Эффективным средством ранней неинвазивной диагностики злокачественных поражений могут стать терагерцовые (ТГц) изображающие системы и ТГц-спектроскопия. ТГц излучение [11] не обладает вредными для биообъектов факторами, подобно вышеупомянутому рентгену и гамма- квантам.
Терагерцовый диапазон удобен для спектроскопических исследований, так как в нём лежат сильные линии поглощения многих молекул, линии поглощения которых в других диапазонах очень слабы (например, металлорганические молекулы). Электромагнитные волны терагерцового диапазона поглощаются металлами, но проникают через пластмассы, бумагу, сухую древесину. Терагерцовые частоты примерно соответствуют колебательным частотам молекул. Отраженные, поглощенные в среде прошедшие сквозь неё терагерцовые волны несут в себе богатейшую информацию об объекте. Однако волны этого диапазона трудно [12] генерировать и детектировать. Всё это определяет широкий спектр применения этого излучения. Терагерцовое излучение испытывает значительно меньшее Релеевское рассеяние, нежели излучение инфракрасного и видимого диапазонов. Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают и поглощают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Данная работа основана на законе поглощения света. Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения
В ходе работы был проведён ряд экспериментов на человеческой слюне. Целью опытов было классифицирование спектров слюны больных и здоровых людей. Данная классификация была получена, но имела недостатки, в частности неоднозначное разделение данных. По этой причине было сделано уточнение процедуры получения спектров поглощения.
Для решения поставленной задачи были рассмотрены спектры полученные с использованием более точных инструментов измерения: кюветы из более прозрачного для терагерцового излучения материала - фторопласт. В ходе эксперимента результаты разделились на три группы. На основании чего была подтверждено, что различного рода ошибки при измерении спектров поглощения слюны человека существенным образом влияют на полученные результаты. Спектры первой группы били определены, как наиболее точные и пригодные для исследований. Спектры второй и третьей группы путём анализа были определены, как спектры полученные в результате совершения методических ошибок. Сделан вывод, что причиной ошибок служило частичное прохождение терагерцового пучка через пузыри воздуха и пластиковую прокладку, что способствовало дисперсии терагерцового пучка и, как следствие из этого, искажению полученных спектров поглощения.
Полученные в результате исследования знания позволят сделать метод измерения спектров поглощения слюны человека на терагерцовом спектрометре T-Spec более точным. Что позволит повысить точность разделения больных и здоровых.
Для решения поставленной задачи были рассмотрены спектры полученные с использованием более точных инструментов измерения: кюветы из более прозрачного для терагерцового излучения материала - фторопласт. В ходе эксперимента результаты разделились на три группы. На основании чего была подтверждено, что различного рода ошибки при измерении спектров поглощения слюны человека существенным образом влияют на полученные результаты. Спектры первой группы били определены, как наиболее точные и пригодные для исследований. Спектры второй и третьей группы путём анализа были определены, как спектры полученные в результате совершения методических ошибок. Сделан вывод, что причиной ошибок служило частичное прохождение терагерцового пучка через пузыри воздуха и пластиковую прокладку, что способствовало дисперсии терагерцового пучка и, как следствие из этого, искажению полученных спектров поглощения.
Полученные в результате исследования знания позволят сделать метод измерения спектров поглощения слюны человека на терагерцовом спектрометре T-Spec более точным. Что позволит повысить точность разделения больных и здоровых.