Анотація
Розроблено архітектуру інформаційно-вимірювальної системи для лазерної Джонс-матричної мікроскопії біологічних шарів. Запропонована система забезпечує вимірювання та аналіз розподілів дійсних елементів і фазових кутів матриці Джонса біологічних зразків. Автоматизовані алгоритми аналізу дозволяють підвищити точність діагностики біологічних тканин, включаючи епітеліальні та м’язові тканини, до 90%.
Ключові слова: джонс-матриця, лазерна мікроскопія, біологічні тканини, поляриметрія, автоматизація.
Abstract
The architecture of an information and measurement system for laser Jones matrix microscopy of biological layers has been developed. The proposed system provides measurement and analysis of the distributions of real elements and phase angles of the Jones matrix of biological samples. Automated analysis algorithms allow to increase the accuracy of diagnostics of biological tissues, including epithelial and muscle tissues, up to 90%.
Keywords: jones matrix, laser microscopy, biological tissues, polarimetry, automation.
Вступ
Сучасна медицина і біотехнології дедалі більше інтегрують новітні досягнення в оптиці та фотоніці для вирішення складних завдань діагностики та аналізу біологічних тканин. Одним із найбільш перспективних підходів є використання лазерної Джонс-матричної мікроскопії, яка дозволяє детально досліджувати анізотропні властивості біологічних об'єктів, таких як двопроменезаломлення, дихроїзм і деполяризація [1-3]. Ці властивості безпосередньо пов’язані зі структурними та функціональними особливостями тканин і можуть бути використані для раннього виявлення патологічних змін.
Джонс-матрична мікроскопія базується на математичному описі поляризаційних властивостей світла, яке взаємодіє з біологічними зразками. Метод дозволяє визначати не лише анізотропію, але й фазові характеристики тканин, що важливо для вивчення структурних змін на мікроскопічному рівні. Такі дослідження особливо актуальні для діагностики раку, фіброзу, запальних процесів та інших патологій [1-5].
Розробка інформаційно-вимірювальної системи, яка забезпечує автоматизацію всіх етапів дослідження, є важливим науково-технічним завданням. Така система повинна автоматично збирати дані, пов’язані з елементами матриці Джонса, здійснювати математичну обробку результатів, включаючи обчислення статистичних і кореляційних характеристик, застосовувати методи класифікації для розрізнення нормальних та патологічних станів тканин, підвищувати точність та відтворюваність результатів, мінімізуючи вплив людського фактора.
Метою цієї роботи є розробка автоматизованої інформаційно-вимірювальної системи для лазерної Джонс-матричної мікроскопії біологічних шарів, яка дозволяє інтегрувати всі етапи роботи, починаючи від збору даних і закінчуючи їх обробкою, аналізом і класифікацією.
Результати дослідження
Експериментальні дослідження проводилися на гістологічних зрізах стінок тонкої та товстої кишки. Отримані результати продемонстрували високу точність у визначенні анізотропних властивостей тканин, таких як двопроменезаломлення, можливість автоматизованого обчислення розподілів елементів матриці Джонса, що знижує похибку вимірювань, підвищення точності діагностики патологій до 90% за рахунок автоматизованого аналізу даних.
Система дозволяє проводити повний спектр статистичних і кореляційних обчислень, що раніше виконувалися вручну, значно зменшуючи вплив людського фактора [4].
Розроблена система має наступні переваги:
• автоматизація вимірювань і аналізу. Забезпечено комплексний підхід до роботи з біологічними зразками.
• гнучкість архітектури. Можливість інтеграції нових алгоритмів обробки даних для розширення функціоналу.
• підвищення точності діагностики. Завдяки автоматизації системи знижено похибки та підвищено швидкість обробки даних.
Висновки
Розроблено автоматизовану систему для лазерної Джонс-матричної мікроскопії біологічних шарів, яка мінімізує похибки та забезпечує комплексну обробку даних. Досягнуто точності діагностики на рівні 90%, що демонструє ефективність системи для аналізу анізотропних властивостей тканин, таких як двопроменезаломлення та дихроїзм. Гнучка архітектура системи дозволяє інтегрувати нові методи обробки даних, що розширює її можливості для застосування в медицині та інших галузях науки. Система має потенціал для впровадження в клінічну практику, зокрема для ранньої діагностики патологій і моніторингу лікування. Подальші дослідження спрямовані на реалізацію фазового аналізу в реальному часі та оптимізацію роботи з багатошаровими біологічними зразками.
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Ушенко О. Г., Ушенко Ю. О., Томка Ю. Я. та ін. Основи лазерної поляриметрії: біологічні тканини людини / за ред. О. Г. Ушенка. – Чернівці: Чернівецький нац. ун-т, 2010. – 588 с.
2. Ушенко О. Г., Бойчук Т. М., Дуболазов О. В. та ін. Основи лазерної поляриметрії: біологічні рідини / за ред. О. Г. Ушенка, Т. М. Бойчука. – Чернівці: Чернівецький нац. ун-т, 2011. – 656 с.
3. Ghosh N., Vitkin I. A. Tissue polarimetry: concepts, challenges, applications, and outlook // Journal of Biomedical Optics. – 2011. – Vol. 16, № 11. – Article ID: 110801.
4. Zabolotna N. I., Radchenko K. O., Karas O. V. Method and system of Jones-matrix mapping of blood plasma films with “fuzzy” analysis in differentiation of breast pathology changes // Proc. SPIE: Thirteenth International Conference on Correlation Optics. – 2017. – Vol. 10612. – Article ID: 106121P.
5. Yasuno Y., Makita S., Endo T. et al. Polarization sensitive complex Fourier domain optical coherence tomography for Jones matrix imaging of biological samples // Applied Physics Letters. – 2004. – Vol. 85. – P. 3023–3025.
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter