Статья:

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ОЦЕНКА И МНОГОМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ АБСОЛЮТНЫХ СМЕЩЕНИЙ АНАТОМИЧЕСКИХ СТРУКТУР ИССЛЕДУЕМОГО БИООБЪЕКТА В ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ЭЛАСТОГРАФИИ

Конференция: LVIII Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»

Секция: Биомеханика

Выходные данные

Потлов А.Ю., Савинова К.С. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ОЦЕНКА И МНОГОМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ АБСОЛЮТНЫХ СМЕЩЕНИЙ АНАТОМИЧЕСКИХ СТРУКТУР ИССЛЕДУЕМОГО БИООБЪЕКТА В ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ЭЛАСТОГРАФИИ // Научный форум: Технические и физико-математические науки: сб. ст. по материалам LVIII междунар. науч.-практ. конф. — № 8(58). — М., Изд. «МЦНО», 2022.

К условиям публикации Скачать сборник

Конференция завершена

Мне нравится

LVIII Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»

на печатьскачать .pdf поделиться

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ОЦЕНКА И МНОГОМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ АБСОЛЮТНЫХ СМЕЩЕНИЙ АНАТОМИЧЕСКИХ СТРУКТУР ИССЛЕДУЕМОГО БИООБЪЕКТА В ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ЭЛАСТОГРАФИИ

Потлов Антон Юрьевич

канд. техн. наук, доцент, Тамбовский государственный технический университет, РФ, г. Тамбов

Савинова Кристина Сергеевна

аспирант, Тамбовский государственный технический университет, РФ, г. Тамбов

COMPUTER-AIDED EVALUATION AND MULTIDIMENSIONAL VISUALIZATION OF ABSOLUTE DISPLACEMENTS OF THE ANATOMICAL STRUCTURES OF THE INVESTIGATED BIOLOGICAL OBJECT IN OPTICAL COHERENCE ELASTOGRAPHY

Anton Potlov

Ph.D. in Biomedical Engineering, Associate Professor, Tambov State Technical University, Russia, Tambov

Kristina Savinova

Ph.D. student, Tambov State Technical University, Russia, Tambov

Аннотация. Представлен метод обработки интерференционных сигналов оптической когерентной томографии, позволяющий оценить величины абсолютных смещений для множества контрольных точек на исследуемой биологической ткани. Предложенный метод отличается комбинацией быстродействия (режим реального времени) и достоверности (≥95%) полученных картограмм смещений достаточных для применения в реальной клинической практике.

Abstract. A method for digital processing of interference signals of optical coherence tomography is presented. The method makes it possible to estimate the magnitude of absolute displacements for a set of test points on the investigated biological tissue. The proposed method is characterized by a combination of performance (real-time mode) and reliability (≥95%) of the obtained displacement maps sufficient for real clinical usages.

Ключевые слова: оптическая когерентная эластография; комплексный сигнал; картограмма абсолютных смещений; анатомические структуры; мягкие биологические ткани.

Keywords: optical coherence elastography; complex signal; absolute displacement map; anatomical structures; soft biological tissues.

Благодарности: Исследование выполнено при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (проект МК-231.2022.4).

Оптическая когерентная эластография (ОКЭ) – уникальная технология медицинской визуализации механических свойств биологических тканей с микронным пространственным разрешением [1-3]. Ключевыми проблемами, препятствующими широкому внедрению ОКЭ в реальную клиническую практику являются высокий уровень спекл-шумов [4-6] и высокая чувствительность к объемным движениям [7-9].

Целью проводимых исследований является обеспечение воспроизводимости картирования абсолютных смещений анатомических структур для поменьше мере тысячи контрольных точек в толще исследуемой ткани [3]. Для достижения поставленной цели был предложен метод обработки амплитудных составляющих комплексных ОКЭ-сигналов, характеризующийся следующей последовательностью действий: I) Построение структурных изображений на основе амплитудных составляющих комплексных ОКЭ-сигналов для исследуемой биологической ткани до и во время деформирующего воздействия [10]. Совместный анализ гистограмм [3,4] полученных изображений. II) Резкое снижение количества уровней квантования [7] на каждом структурном изображении (например, до 16-и) посредством изогелии (постеризации). Причем уровни квантования для обоих изображений выбираются одинаковыми. III) Построении топологического скелета для каждого уровня квантования каждого из рассматриваемых оптических изображений. IV) Нанесение контрольных точек [4] на топологический скелет каждого из уровней квантования обоих изображений. V) Группировка контрольных точек для структурных изображений оптической когерентной томографии до и во время деформирующего воздействия [8]. Причем контрольные точки группируются для каждого уровня квантования независимо. VI) Количественная оценка векторов смещения контрольных точек [4] всех групп всех уровней квантования с учетом продольного и поперечного пространственного разрешения ОКЭ-системы. VII) Формирование функционального изображения (эластограммы абсолютных смещений) и его совместная визуализация со структурным изображением до деформирующего воздействия [10].

Предложенный метод был практически реализован с использованием программного пакета LabVIEW. Пример его работы показан на рисунке 1.

(a)

(б)

Рисунок 1. Структурное (а) и функциональное (б) изображение оптической когерентной эластографии

В качестве исследуемого объекта использован случайно-неоднородный силиконовый тканеимитирующий фантом [4] по оптическим (в первую очередь величины коэффициентов поглощения и рассеяния) и механическим (в первую очередь модуль Юнга) сходный с кожными покровами человека [1]. Величина деформирующего воздействие составляла 10 кПа [6]. Структурные изображения (рисунок 1а) до и во время деформирующего воздействия усреднялись по времени. Затраты машинного времени на получения картограммы абсолютных смещений (рисунок 1б) с использованием рабочей станции HP Z640 составили менее 10 мс. Достоверность полученных картограмм контролировалась посредством сравнения с результатами УЗИ-эластографии и составила свыше 95% (при условии что пространственное разрешение УЗИ-систем традиционно ниже, чем оптических томографов). Полученные результаты могут быть полезны [10] в реальной клинической практике, в первую очередь при диагностике уплотнений (в том числе онкологической природы).

Список литературы:

1. Bashkatov A.N., Genina E.A., Tuchin V.V. Optical Properties of Skin, Subcutaneous, and Muscle Tissues: a Review // Journal of Innovative Optical Health Sciences. – 2011. – Vol. 4. – No. 1. – P. 9-38.

2. Kennedy B.F., Kennedy K.M., Sampson D.D. A Review of Optical Coherence Elastography: Fundamentals, Techniques and Prospects // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics– 2014. – Vol. 20. – No. 12. – Art. No. 7101217. – P. 527-549.

3. Potlov A.Y., Frolov S.V., Proskurin S.G. Visualization of anatomical structures of biological tissues by optical coherence tomography with digital processing of morphological data // Biomedical Engineering. – 2020. – Vol. 54. – Is. 1. – P. 9-13.

4. Фролов С.В., Потлов А.Ю., Синдеев С.В. Способ определения модуля продольной упругости стенки кровеносного сосуда на основе эндоскопической оптической когерентной томографии // Патент России № 2669732. 2018. Бюл. № 29.

5. Фролов С.В., Потлов А.Ю., Фролова Т.А., Проскурин С.Г. Исследование геометрии и механических свойств атеросклеротических бляшек на стенках сосудов методами интраваскулярной оптической когерентной томографии // Вестник Тамбовского государственного технического университета. – 2021. – Т. 27. – № 1. – С. 42-49.

6. Zaitsev V.Y., Ksenofontov S.Y., Sovetsky A.A., Matveyev A.L., Matveyev L.A., Zykov A.A, Gelikonov G.V. Real-time strain and elasticity imaging in phase-sensitive optical coherence elastography using a computationally efficient realization of the vector method // Photonics. – 2021. – Vol. 8. – Is. 12. – P. 527-549.

7. Frolov S.V., Potlov A.Y., Frolova T.A., Proskurin S.G. Compression elastography and endoscopic optical coherence tomography for biomechanical properties evaluation of cerebral arteries walls with aneurysm and their phantoms // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2140. – art. No. 020020.

8. Потлов А.Ю., Фролов С.В., Проскурин С.Г. Численное моделирование миграции фотонов в однородных и неоднородных цилиндрических фантомах // Оптика и спектроскопия. – 2020. – Т. 128.– Вып. 6. – C. 832-839.

9. Liu X., Hubbi B., Zhou X. Spatial coordinate corrected motion tracking for optical coherence elastography // Biomedical Optics Express. – 2019. – Vol. 10. – Is. 12. – P. 6160-6171.

10. Потлов А.Ю., Фролов С.В., Фролова Т.А. Способ определения модуля сдвига для стенки кровеносного сосуда на основе интраваскулярной оптической когерентной томографии // Патент России № 2742917. 2021. Бюл. № 5.

Похожие статьи