Спосіб диференціації поляризаційних полікристалічних мереж плівок жовчі людини

Реферат: Спосіб диференціації поляризаційних полікристалічних мереж плівок жовчі людини включає проведення лазерної поляриметрії, використання сингулярно-параметричного підходу до аналізу джонс-матричних зображень, визначення діагностичних критерій - координатні, кореляційні і спектральні моменти 1-го - 4-го порядків розподілів випадкових значень інтенсивності. UA 83555 U (54) СПОСІБ ДИФЕРЕНЦІАЦІЇ ПОЛЯРИЗАЦІЙНИХ ПОЛІКРИСТАЛІЧНИХ МЕРЕЖ ПЛІВОК ЖОВЧІ ЛЮДИНИ UA 83555 U UA 83555 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до медицини, а саме терапії, й може бути використана при оцінці параметрів лазерних поляризаційних полікристалічних мереж плівок біологічних рідин в нормі та патології. Відомо, що когерентність лазерних променів зумовила необхідність розробки інших підходів до аналізу полів розсіяного випромінювання - фрактальна оптика, сингулярна оптика. На їхній основі визначено прямі взаємозв'язки між набором статистичних моментів 1-го - 4-го порядків, функцій автокореляції, фрактальних розмірностей, які характеризують оптико-анізотропну структуру біологічних тканин і поляризаційними параметрами (координатні розподіли азимутів і еліптичності поляризації, елементи матриці Мюллера) їхніх лазерних зображень. Існує широке коло менш вивчених біологічних об'єктів іншого типу. У першу чергу до них належать різноманітні рідини - кров, жовч, синовіальна рідина, ліквор та ін. Подальший розвиток нових підходів до аналізу векторної структури полів лазерного випромінювання, перетвореного не тільки оптико-анізотропними шарами біологічних тканин, але й плівками біологічних рідин, зокрема полікристалічними мережами білків. Дослідження зумовлене необхідністю розробки нових модельних уявлень про процеси перетворення амплітудно-фазових параметрів лазерного випромінювання полікристалічними мережами плівок біологічних рідин; пошуку нових методів статистичної, фрактальної, поляризаційно-сингулярної структури таких мереж для розробки об'єктивних методик оцінювання та диференціації таких змін, зумовлених виникненням патології людського організму (Основи лазерної поляриметрії. Біологічні рідини / О.Г. Ушенко, Т.М. Бойчук та ін. - Чернівці: Чернівецький нац. ун-т, 2011.-656 с.). Аналогом способу є дослідження A.F. Fercher (Optical coherence tomography / A.F. Fercher // J. Biomed. Opt. 1996. Vol. 1. P. 157-173), який використовує низькокогерентну інтерферометрію для отримання внутрішніх зображень (координатних розподілів інтенсивності) біологічних тканин на глибині до 2 мм з мікронною роздільною здатністю. Недоліком аналога є те, що спосіб не забезпечує високу статистичну однорідність про стан поляризації зображень розподілу азимутів і еліптичностей поляризації. Найближчим аналогом способу є дослідження X. Wang (Wang X. Propagation of polarized light in birefringent turbid media: a Monte Carlo study / X. Wang, L.-H. Wang // J. Biomed. Opt.-2002. - Vol. 7. - P. 279-290), який обґрунтовує взаємозв'язок між ансамблем статистичних моментів 1-4 порядку, які характеризують орієнтації фазової структури двозаломлюючих біологічних тканин, архітектоніки і 2D-розподілу азимутів еліптичності їх лазерного зображення. Недолік найближчого аналога полягає в тому, що при застосування статистичного аналізу координатних розподілів азимутів і еліптичностей поляризації в біологічних тканинах лазерного зображення не дозволяє провести оцінку локальних змін в структурі оптично анізотропної мережі, яка формується полікристалічними мережами плівок жовчі людини. В основу корисної моделі поставлена задача провести оцінку локальних змін в структурі оптично анізотропної мережі плівок жовчі людини. Поставлена задача вирішується у способі диференціації поляризаційних полікристалічних мереж плівок жовчі людини за рахунок використання сингулярно-параметричного підходу до аналізу джонс-матричних зображень, визначення діагностичних критеріїв - координатні, кореляційні і спектральні моменти 1-го - 4-го порядків розподілів випадкових значень інтенсивності, при діагностиці та диференціації полікристалічних мереж у нормі і при патології. Ознаки корисної моделі: лазерні поляриметричні зображення, координатна, ймовірнісна, самоподібна структури розподілів, автокореляційна функція, фрактальні розмірності. Спільними ознаками найближчого аналога та способу, що заявляється, є лазерні поляриметричні зображення. Відмінність корисної моделі від аналога наведена в таблиці 1. Таблиця 1 Порівняння корисної моделі та прототипу за ознаками Ознаки лазерні поляриметричні зображення кординатна структура розподілів ймовірнісна структура розподілів автокореляційна функція самоподібна структура розподілів фрактальні розмірності Корисна модель використовується визначаються визначаються визначаються визначаються визначаються 1 Прототип використовується не визначаються не визначаються не визначаються не визначаються не визначаються UA 83555 U 5 10 Визначення термінів, які використовуються при описі корисної моделі: координатна, ймовірнісна, самоподібна структури розподілів, автокореляційна функція, фрактальні розмірності. Теоретичні передумови здійснення способу, що заявляється. В основу моделювання оптичних властивостей плівок біологічних рідин людини поставлено уявлення про анізотропію полікристалічних протеїнових мереж: - різноманіття біохімічної побудови біологічних рідин подаються у вигляді оптично-тонкої (коефіцієнт ослаблення σ≤0,1) полікристалічної структури; - кристалічна компонента являє собою планарно розташовану полікристалічну мережу біологічних кристалів (альбумін, глобулін, фібрин, білірубін та ін.); - біологічні кристали оптично одноосні та володіють властивостями двопроменезаломлення. Оптичні властивості парціальних кристалів плівки біологічних рідин описуються оператором Джонса {С}. c11 c12 cos2   sin2  exp i ; cos  sin 1  exp i ;  c 21 c 22 cos  sin 1  exp i ; sin2   cos2  exp i ; , 2π тут ρ - напрямок оптичної осі; δ= /λΔnd - фазовий зсув між ортогональними складовими Ех і Еу амплітуди опромінюючої лазерної хвилі довжиною λ; Δn - показник двопроменезаломлення. Як аналітичний механізм для оцінки розподілів випадкових значень інтенсивності, фаз і комплексного ступеня взаємної поляризації, що характеризують зображення зразків жовчі людини, використовували статистичні моменти першого (М1 - середнє або математичне очікування), другого (М2 - дисперсія), третього (М3 - асиметрія) і четвертого (М4 - ексцес) порядків. Для характеристики координатних розподілів ΔZ(x, y) використовували метод автокореляції, що базується на використанні функції G(Δx), тут Δх "крок", з яким змінюється координата х розподілів Δz лазерних зображень шарів жовчі людини. Проводили фрактальний аналіз оцінювання ансамблів випадкових величин, залежностей спектрів потужностей розподілів кількості екстремальних значень та фрактальних розмірностей. На основі уявлень про сингулярності значень комплексних величин елементів матриці введено поняття про характеристичні значення уявної складової параметрів фазових кутів 11=0 і 12;21=0 відповідних матричних елементів. Спосіб здійснювався наступним чином. На фіг. 1 показано оптичну схему поляриметра для вимірювання сукупності координатних розподілів дійсної та уявної складової елементів матриці Джонса плівок біологічних рідин. 4 Освітлення проводилося паралельним (=10 мкм) пучком He-Ne лазера (λ=0,6328 мкм, W=5,0 мВт). Поляризаційний освітлювач складається з 3 - стаціонарної чвертьхвильової пластинки; 5, 8 - механічно рухомі чвертьхвильових пластинок і поляризатора 4, що забезпечує формування 0 0 0 0 лазерного пучка з довільним азимутом 0 ≤α0≤180 або еліптичністю 0 ≤β0≤90 поляризації. Оптична схема поляриметра (фіг. 1), де 1-He-Ne лазер; 2 - коліматор; 3 - стаціонарна чвертьхвильова пластинка; 5, 8 - механічно рухомі чвертьхвильові пластинки; 4, 9 - поляризатор і аналізатор відповідно; 6 - об'єкт дослідження; 7 - мікрооб'єктив; 10-CCD-камера; 11 – персональний комп'ютер. Поляризаційні зображення плівок біологічних рідин за допомогою мікрооб'єктива 7 (збільшення 4х) проектувалися на площу світлочутливої площини (800 × 600 пікселів) CCD-камери 10, яка забезпечувала діапазон вимірювання структурних елементів зображення для наступних розмірів 2-2000 мкм. Умови експерименту підбиралися так, щоб практично усунути просторово-кутову апертурну фільтрацію при формуванні зображень плівок біологічних тканин. Це забезпечувалося узгодженням кутових характеристик індикатрис розсіяння світла зразками плівок біологічних 0 0 рідин (Ω16 ) і кутової апертури мікрооб'єктива (Δω=20 ). Тут Ω - кутовий конус індикатрис, у якому сконцентровано 98 % всієї енергії розсіяного випромінювання. Аналіз зображень плівок біологічних рідин здійснювався за допомогою аналізатора 9 та чвертьхвильової пластинки 8. Приклад використання способу. Об'єкти дослідження: мазки жовчі двох типів: - здорової людини (18 зразків) - фіг. 2а; - хворих на жовчнокам'яну хворобу (18 зразків) - фіг. 2б. На фіг. 2 та фіг. 3 зображені координатна (а), імовірнісна (б), кореляційна (в) та самоподібна (г) структура розподілів характеристичних значень параметрів уявної складової елементу матриці Джонса 12;21 полікристалічної мережі плівки жовчі в нормі та при жовчнокам'яній хворобі. Приведені результати дослідження координатної 12;21(mn) (a), ймовірнісної N(12;21) (б), кореляційної G12;21(Δm, Δn) (в) і самоподібної LgJ(G12;21) (г) структури розподілів C  15 20 25 30 35 40 45 50 55 2 UA 83555 U 5 10 15 характеристичних значень параметрів уявної складової елементу матриці Джонса 12;21=0 полікристалічної мережі плівок жовчі здорової і хворої людини. Загальна кількість характеристичних значень координатного розподілу 12;21(mn) параметрів уявної складової "фазового" матричного елементу (фіг. 2 і фіг. 3, фрагменти (а)) для шару жовчі у випадку жовчнокам'яної хвороби зростає практично у 2 рази (фіг. 2 і фіг. 3, фрагменти (б)). (1) Автокореляційні функції розподілів кількості характеристичних значень N12;21(x)-(N12;21 , (2) (m) N12;21 ,…, N12;21 ) для обох типів зразків жовчі спадають (фіг. 2 і фіг. 3, фрагменти (г)), що вказує на координатно впорядкований закон зміни значень параметрів уявної складової "фазових" елементів матриці Джонса. (1) (2) (m) Множини значень N12;21(x)-(N12;21 , N12;21 ,…, N12;21 ) фрактальні - логарифмічні залежності спектрів потужності (фіг. 2 і фіг. 3, фрагменти (г)) розподілу кількості значень 12;21=0 характеризуються одним кутом нахилу. Кількісно статистичну, кореляційну, самоподібну структуру розподілів кількості характеристичних значень параметрів уявної складової джонс-матричних зображень плівок жовчі обох типів ілюструє набір моментів 1-го - 4-го порядків, величини та діапазони змін яких наведені у таблиці 2. Таблиця 2 Статистичні, кореляційні, параметри розподілів характеристичних значень параметрів уявної складової джонс-матричних зображень "фазового" елементу 12;21(mn)=0 кластерних мереж плівок жовчі людини Параметри Стан 1-й момент 2-й момент 3-й момент 4-й момент 20 25 статистичні норма патологія 0,18±0,038 0,51±0,11 0,29±0,066 0,19±0,034 0,47±0,099 0,84±0,189 0,38±0,075 0,65±0,15 кореляційні норма патологія 0,48±0,092 0,41±0,083 0,18±0,041 0,23±0,049 0,16±0,029 0,21±0,041 0,25±0,053 0,32±0,065 спектральні норма патологія 0,17±0,036 0,19±0,043 0,16±0,035 0,13±0,024 0,11±0,023 0,17±0,035 0,18±0,041 0,25±0,054 З даних таблиці 2 випливає, що до основних критеріїв діагностики латентного перебігу жовчнокам'яної хвороби можна віднести статистичні моменти 1-го - 4-го порядків, які характеризують розподіл кількості характеристичних значень у джонс-матричних зображеннях параметрів уявної складової "фазових" елементів оптико-анізотропних кластерних мереж жовчі людини. Технічний результат: запропонована оптико-анізотропна модель поляризаційних властивостей жовчі людини, встановлені відмінності між величинами статистичних моментів параметрів уявної складової джонс-матричних зображень жовчі контрольної групи пацієнтів і хворих на жовчнокам'яну хворобу - середнє значення збільшене до 3 разів; дисперсія зменшена у 1,53 рази; асиметрія збільшена у 1,7 рази і ексцес збільшений у 1,8 рази. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 Спосіб диференціації поляризаційних полікристалічних мереж плівок жовчі людини шляхом проведення лазерної поляриметрії, який відрізняється тим, що використовують сингулярнопараметричний підхід до аналізу джонс-матричних зображень, визначають діагностичні критерії - координатні, кореляційні і спектральні моменти 1-го - 4-го порядків розподілів випадкових значень інтенсивності. 3 UA 83555 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4