Архив статей журнала
Использование оптического контраста между различными частицами крови, позволяет использовать оптоакустический метод для визуализации распределения частиц крови (эритроцитов, с учетом кислородонасыщения), доставки лекарственных препаратов в органы по кровеносным сосудам. Разработан алгоритм вычисления ультразвукового поля, полученного в результате оптоакустического взаимодействия, для ускорения расчетов на плате GPU. Предложена архитектура быстрого восстановления оптоакустического сигнала на основе программирования графического процессора (GPU). Используемый алгоритм в сочетании с методом предварительной миграции обеспечивает улучшение разрешения и резкости оптоакустического изображения моделируемых биологических тканей. Благодаря усовершенствованной вычислительной архитектуре на графическом процессоре (GPU) время затратный процесс вычислений на главном процессоре (CPU) ускоряется с большой вычислительной эффективностью.
Оптоакустическая визуализация позволяет обнаруживать сформированные ультра-звуковые волны в исследуемой среде при поглощении импульсного лазерного излучения на основе оптоакустического эффекта. Этот метод объединяет достоинства спек-трального оптического контраста и масштабируемого акустического разрешения на глубине от миллиметра до сантиметра и постепенно становится практическим инструментом для многих биомедицинских приложений. Оптоакустическая визуализация – это гибридный неинвазивный метод. В последние годы восстановлению опто-акустических изображений уделяется большое внимание, в частности, разрабатываются различные методы реконструкции, такие как обратная проекция, реконструкция в частотной области, обращение времени и реконструкции на основе моделей. Хотя эти методы основаны на различных теориях распространения, они имеют относительно простые реализации при восстановлении изображений в однородных средах. Однако в случаях неоднородных слоистых сред, существующие модели распространения необходимо модифицировать для учета различных акустических эффектов на границе раздела слоев, что усложняет процесс реконструкции. Для устранения искажений, вызванных дифракцией акустических волн, при реконструкции изображений используется метод перемещения виртуального детектора. Предложенный метод можно использовать для получения изображений в слоистых неоднородных средах.
Для оптоакустического отклика проведены расчеты коэффициента поглощения биологической среды в зависимости от концентрации гемоглобина и сатурации крови. Приведенный метод позволит проведение диагностики состава крови на предмет количественной оценки содержания гемоглобина. Проводимые исследования позволили установить процесс увеличения коэффициента поглощения среды при увеличении концентрации глюкозы в крови и, как следствие, уменьшение амплитуды ОА сигнала. Рассчитана зависимость амплитуды ОА сигнала от коэффициента поглощения ткани при уровнях сатурации крови 60 %, 80 % и 90 %.
Оптоакустический метод диагностики биологических тканей можно использовать для определения концентрации гемоглобина, глюкозы, гематокрита, в силу того, что он имеет высокое пространственное разрешение. Проведены измерения акустического сигнала in vitro в свиной крови и модельных биологических жидкостях в присутствии полистирольных микросфер как моделей эритроцитов. С помощью приведенного метода (in vitro) измеряли локальное состояние крови в присутствии концентрации гепарина, а также в модельных биологических средах. Результаты согласуются с опубликованными работами в этой области. Несмотря на то, что пока метод не достаточно точен и требует дальнейшей оптимизации, калибровки, он имеет большие перспективы как легко реализуемый неивазивный метод измерения в реальном времени.
Проведено моделирование формирования оптоакустического сигнала при распространении в образце жидкости содержащей неоднородные слои. Слоистая структура представлена в виде n слоев в которых происходит формирование акустического сигнала в результате оптоакустического эффекта. Полученные значения акустических давлений в слоях на основе разработанной нейронной сети с глубоким обучением позволяют восстановить изображения ткани, в которой происходило оптоакустическое взаимодействие. Используемая нейронная сеть с глубоким обучением обладает уникальными преимуществами, которые могут облегчить клиническое применение оптоакустического метода, снизить время вычислений и адаптировать к любой конкретной задаче.
Рассмотрены методы обработки акустического сигнала полученного при оптоакустическом эффекте в жидкости. Предложена 12-ти слойная сверточная нейронная сеть, обученная путем минимизации потерь среднего квадратного отклонения. Обработан экспериментально полученный акустический сигнал полученный при оптоакустическом эффекте. Рассмотрена схема решения обратной задачи оптоакустической реконструкцией изображений. Результаты исследования показывают, что нейронная сеть с глубоким обучением, с помощью обучения на основе самоконтроля, может достичь более высокой точности реконструкции с меньшими временными.