Просторова потокова біометрія середовищ еліпсоїдальними рефлекторами

Биомедицинские приборы и системы 87 УДК 535.2:616-71 Н.В. Безугла, М.О. Безгулий, канд.тех.наук, Ю.В. Чмир Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», пр. Перемоги, 37, м. Київ, 03056, Україна. Просторова потокова біометрія середовищ еліпсоїдальними рефлекторами У роботі теоретично обґрунтовано та експериментально апробовано можливість використання еліпсоїдальної фотометричної системи для визначення оптичних параметрів біологічних середовищ в рамках чотирьох потокової моделі на відбиття від підкладок при колімованому освітленні. Визначено оптичні параметри печінки свині та м’язової тканини курки в умовах експерименту in vitro на довжині хвилі 632,8 нм. Бібл. 13, рис. 4, табл. 1. Ключові слова: еліпсоїдальний рефлектор, оптична біометрія потокові моделі. Вступ Використання методів оптичної біомедичної діагностики набуває все більшого поширення з огляду на безпечність, простоту реалізації та інформативність застосування оптичного випромінювання у якості зондуючого стимулу низької інтенсивності. Технічні та технологічні засади вимірювання, реалізовані в численних спектроскопічних методах дослідження прозорих середовищ, неприйнятні в застосуванні оптично мутних середовищ, якими в більшості випадків є біологічні тканини, рідини та субстрати. Це обумовлене по-перше, складністю математичного опису процесів поширення світла в мутному середовищі (так в спектроскопії прозорих середовищ використовують три значущі параметри – коефіцієнт поглинання, показник заломлення та товщина шару, у той час як світлорозсіювальний шар характеризується додатково коефіцієнтом розсіювання та кутовим розподілом розсіяного світла), а по-друге, відсутністю простих, надійних і загальноприйнятих експериментальних методик. Теорія переносу випромінювання (ТПВ), що найбільш широко використовується при описі поширення світла в біологічних середовищах, в прикладному застосуванні ґрунтується на вирішенні основного рівняння ТПВ чисельними методами [9], зокрема потоковим моделями. Для отримання прийнятного, стабільного математичного наближення виміряних фотометричних величин та розрахованих оптичних параметрів біологічних середовищ (БС) використовують різноманітні потокові моделі. Двох-потокова модель [11] зіставляє світлові потоки у відповідності до методу дискретних ординат з двома дифузними компонентами, напрямок яких співвісний з напрямком падаючого пучка. Трьох-потокова модель включає два дифузних потоки в прямому та зворотному напрямку, а також колімований потік в прямому напрямку. Чотирьох-потокова модель [9] розглядає два колімованих та два дифузних потоки в прямому та зворотному напрямках. Семи-потокова модель [8] складається із шести дифузних потоків у трьох вимірному просторі і колімованого потоку, вона є найпростішим просторовим представленням розсіяного випромінювання і падаючого лазерного пучка в напівнескінченному середовищі. До переваг потокових моделей відносять простоту і можливість швидкого розрахунку оптичних параметрів біологічного середовища, а відтак і дозу опромінення при терапевтичному застосуванні. Таким чином, з огляду на «потоковість» обраної моделі, технічні засоби повинні забезпечити точну реєстрацію відповідних світлових потоків. Аналітика та переваги використання фотометричних систем з еліпсоїдальними рефлекторами в практиці оптичної біометрії середовищ розглянуті, наприклад, в [3,4]. Проте не вирішеними залишаються задачі з’ясування можливості, а також доцільності застосування фотометрії дзеркальними еліпсоїдами обертання при вирішенні основного рівняння ТПВ різними чисельними методами для визначення оптичних параметрів БС. Порівняння результатів використання різних математичних методів дозволить розробити критерії точності та достовірності оптичної біомедичної діагностики еліпсоїдальними рефлекторами. Теоретичній та експериментальній апробації запропонованого класу технічних засобів в рамках потокових моделей присвячена дана робота. Методи та засоби Типові методики проведення досліджень для оптичної біомедичної діагностики включають вимірювання світлових потоків у відбитому або у відбитому та пропущеному крізь зразок БС світлі. Оптичні параметри, отримані за першою ме Безугла Н.В., Безгулий М.О., Чмир Ю.В., 2014 88 ISSN 1811-4512. ElectronComm 2014, Vol. 19, №6(83) тодикою покладені в основу проведення експерименту в умовах in vivo або in situ, у той час як результати реалізації другої методики застосовуються переважно в in vitro дослідженнях. З огляду на принципи функціонування запропонованої фотометричної системи [4], а також конструктивні особливості використаних еліпсоїдальних рефлекторів при проведенні вимірювань у відбитому світлі (рис. 1), найбільш прийнятною для математичної інтерпретації отриманих світлових величин є чотирьохпотокова модель поширення оптичного випромінювання в БС. Рис. 1. Еліпсоїдальна фотометрична система: а) структурна схема (1 – джерело монохроматичного випромінювання; 2 – вхідне вікно; 3 – плоске дзеркало; 4 – рефлектор з внутрішньою поверхнею еліпсоїда обертання; 5 – узгоджувальна оптична система; 6 – координатний приймач оптичного випромінювання); б) зовнішній вигляд рефлектора Застосування у якості оптичного стимулу дифузного або колімованого потоку пояснює принципові відмінності використання конкретної потокової моделі. Більшість вимірювальних засобів, що поєднані функціональними та математичними принципами аналізу потокових параметрів, використовують дифузне освітлення. У той же час, запропонована фотометрична система розроблена для роботи з колімованим світлом, тому авторами запропонований процедурний алгоритм визначення оптичних параметрів БС для чотирьох-потокової моделі поширення оптичного випромінювання в рамках методу еліпсоїдальних рефлекторів у відбитому світлі для направленого освітлення (рис. 2). Розглянемо особливості реалізації запропонованого алгоритму в контексті проведення реального експерименту. Експериментальна установка складається з He-Ne лазеру ЛГН-208А номінальною потужністю 2 мВт на довжині хвилі 632,8 мкм, еліпсоїдального рефлектора з фокальним параметром 16,875 мм та ексцентриситетом 0,66, узгоджувальної оптичної системи на базі стереоскопічного мікроскопу МБС-10 та TV-A адаптера, а також монохромної ПЗЗ камери DMK-21Au04.AS.  Безугла Н.В., Безгулий М.О., Чмир Ю.В., 2014 Рис. 2. Блок-схема алгоритму визначення оптичних параметрів БС Биомедицинские приборы и системы 89 Для дослідження оптичних параметрів БС в якості зразків були використані умовно світлопоглинальне (свиняча печінка особини чоловічого роду, віком 8 місяців, взята через 12 годин після забиття; зразок був заморожений протягом 5 годин при температурі -180С, від якого взято п’ять зрізів товщиною 3,4±0,02мм; відмороження зрізів відбувалось при кімнатній температурі протягом 30 хвилин) та умовно світлорозсіювальне (стегнові м’язи курки-бройлера особини жіночого роду віком 43 дні, взяті через 12 годин після забиття, охолоджені при температурі 50С; було відділено п’ять зразків товщиною 4,9±0,03мм) середовища (...truncated)