Удосконалення методу калібрування біомедичного фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorБезуглий, Михайло Олександрович
dc.contributor.authorБондарєв, Денис Володимирович
dc.date.accessioned2024-04-22T14:05:11Z
dc.date.available2024-04-22T14:05:11Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractБондарєв Д.В. Удосконалення методу калібрування біомедичного фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 15 – Автоматизація та приладобудування за спеціальністю 152 – Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертація присвячена підвищенню ефективності біомедичної фотометрії еліпсоїдальними рефлекторами шляхом розробки інформаційної системи еталонних вимірювань у відбитому та пропущеному світлі. Встановлено залежність між інтегральною освітленістю фотометричних зображень при фотометрії еліпсоїдальними рефлекторами зразків та стандартних зразків різної товщини та оптичними коефіцієнтами, отриманими на зразковому спектрофотометрі, що дозволило розробити аналітичну модель функціонування інформаційної системи біомедичної фотометрії. Вдосконалено метод калібрування біомедичного фотометру з еліпсоїдальними, що за допомогою створеної інформаційної бази оптичних характеристик стандартних зразків дозволяє визначати оптичні коефіцієнти повного пропускання та дифузного відбиття біологічних тканин. Практичні результати, які отримано в дослідженні, дозволили розробити алгоритм та програмне забезпечення для аналізу параметрів фотометричних зображень, що дозволяє визначати коефіцієнти повного пропускання та дифузного відбиття зразків біологічних тканин різної товщини з використанням інформаційної системи біомедичного фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами. Зміст роботи складається з трьох розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертаційного дослідження. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені об’єкт, предмет, методи та засоби дослідження, поставлені мета та завдання дослідження, сформульовані наукова новизна та практична цінність. У першому розділі розглянуті результати літературного огляду, що охоплює такі питання, як аналіз оптичних властивостей біологічних тканин (БТ) та сучасних біомедичних фотометрів. Розглянуто процеси взаємодії світла з біологічними тканинами та закони та вирази, що їх описують. Зазначено особливості поширення світла в середовищах та методи їх моделювання, зокрема метод Монте-Карло. Визначено значущі оптичні властивості біологічних тканин, а саме коефіцієнт поглинання μa, коефіцієнт розсіювання s, фактор анізотропії g та показник заломлення n. Розглянуто принципи зворотного методу Монте-Карло для визначення оптичних властивостей за допомогою оптичних коефіцієнтів дифузного відбиття Rd, повного Tt, та колімованого Tс, пропускання. Розглянуто одно- та двопроменеві спектрофотометри і фотометри. Визначено принципи та типові схеми вимірювання оптичних коефіцієнтів за допомогою інтегруючих сфер та гоніометрів. Також розглянуто особливості конструювання фотометрів з еліпсоїдальними рефлекторами (ЕР) та визначено будову рефлектора, яку найбільш доцільно икористовувати про біомедичних дослідженнях. Визначено засади формування фотометричних зображень та методи калібрування даних з метою отримання значень оптичних коефіцієнтів. На основі проведеного огляду сформульовано мету та завдання дослідження. У другому розділі проаналізовано особливості інверсного методу МонтеКарло при фотометрії біологічних тканин еліпсоїдальними рефлекторами, що дозволило сформулювати алгоритм розглянутого методу. На підставі етапів реалізації існуючого методу калібрування фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами запропоновані структурні схеми проведення еталонних вимірювань для визначення повного, колімованого, дифузного пропускання, а також дифузного відбиття. Описаний процес отримання фотометричних зображень після попереднього калібрування фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами дозволив виявити шляхи вдосконалення існуючого методу. У пункті «Особливості та прикладна реалізація удосконаленого методу калібрування біомедичного фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами» розглянуто принципи створення інформаційної системи біомедичного фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами (ІСБМФЕР). Розглянуто структуру ІСБМФЕР, що складається з трьох складових: бази даних з результатами еталонних вимірювань на зразковому спектрофотометрі, засоби зонного аналізу фотометричних зображень та програмне забезпеченні для визначення оптичних коефіцієнтів біологічних тканин. Запропонована схема фотометру з одноелементними фотодетекторами, яку доцільно використовувати при відсутності необхідності отримання просторового розподілу розсіяного світла. Сформовано метрологічні засади попереднього калібрування фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами. Також розглянуто принципи обробки фотометричних зображень, що полягають у розподілі області інтересу на три складові (два кільця та коло), кожна з яких характеризує різнонаправлене світлорозсіяння при проходженні та відбитті через зразок (стандартний зразок або біологічну тканину). Третій розділ присвячений програмно-апаратній реалізації удосконаленого методу калібрування фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами. На основі аналізу фізичних, хімічних та оптичних властивостей обґрунтовано вибір твердих полімерних матеріалів, таких як поліетилен (СЗ-ПЕ), полімер тетрафторетилен (СЗ-Ф), полівінілхлорид (СЗ-ПВХ) та поліетилентерефталат (складова СЗ-ПЛ) у якості стандартних зразків для калібрування фотометру з ЕР. Проведено дослідження стандартних зразків за допомогою зразкових фотометрів (LAMBDA 1050 та Shimadzu UV-3600 Plus з ISR-1503 Optical System). Наведені схеми та особливості проведення еталонних вимірювань, результатом яких є спектральні залежності коефіцієнтів колімованого та повного пропускання, а також дифузного відбиття для обраних стандартних зразків різної товщини. Представлено обґрунтування вибору елементної бази для створення прототипу фотометру з ЕР. До складу фотометру входять: оптичні елементи (ЕР, призма, конусна бленда), оптико-електронні прилади (джерело випромінювання, ПЗЗкамера), електричні та електронні компоненти, а також деталі (тубус, плита та підставка на рейці). На результати фотометричних дослідженнях суттєво впливає стабільність джерела випромінювання (лазерного діоду), тому перед його використанням необхідно здійснювати контроль довжини хвилі та падаючої потужності. Властивості біологічних тканин обумовили вибір фокального параметру та коефіцієнту стискання еліпсоїдального рефлектору, що було підтверджено Монте-Карло симуляцією в різних БТ. У дисертаційному дослідженні розроблено алгоритм функціонування інформаційної системи еталонних вимірювань. Під час його виконання проведено регресійний аналіз даних: коефіцієнта повного пропускання та дифузного відбиття від товщини зразка, загальної освітленості фотометричного зображення від коефіцієнта повного пропускання, дифузного відбиття та товщини зразка, зміни коефіцієнтів попереднього регресійного аналізу від падаючої потужності. Результати регресійного аналізу стали математичним базисом розроблення програмного забезпечення, з використанням JavaScript, HTML та CSS. Представлений інтерфейс програмного забезпечення та особливості введення вхідних даних, якими є: тип дослідження, стандартній зразок, бітність фотометричного зображення, товщина зразка БТ, падаюча потужність, кількість активних пікселів та сумарна інтенсивність. У пункті «Дослідження оптичні властивості світлорозсіювальних еталонів» представлені приклади фотометричних зображень стандартних зразків та аналіз їх освітленості у відбитому та пропущеному світлі. Аналіз дозволив виокремити такі закономірності: наближення до експоненціальної залежності освітленості середнього та зовнішнього кільця фотометричних зображень від товщини у пропущеному світлі, наближеність до логарифмічної залежності – у відбитому світлі. На прикладі дослідження зразків біологічних тканини Pullus Cutis (шкіри курки) та Porcus Cutis (шкіри свині) була проведена статистична оцінювання значень сумарної інтенсивності фотометричних зображень. На підставі отриманих значень інтенсивності у відбитому та пропущеному світлі визначені оптичні коефіцієнти дифузного відбиття та повного пропускання з використання різних стандартних зразків та при змінній падаючій потужності, відносна похибка яких не перевищила 1.5 %. Було здійснено порівняння отриманих результатів з дослідженнями інших авторів, що підтвердило доцільність використання запропонованого методу калібрування.
dc.description.abstractotherBondariev D.V. Biomedical photometer with ellipsoidal reflectors calibration method improvement. – scientific work on manuscript rights. Ph.D. thesis, the field of study is 15 – Automation and instrumentation, program subject area 152 – Metrology and information-measuring technology. – the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute," Kyiv, 2024. The dissertation is devoted to increasing the efficiency of biomedical photometry with ellipsoidal reflectors by developing an information system of reference measurements in reflected and transmitted light. The dependence between the total illuminance of photometric images during photometry with ellipsoidal reflectors of samples and working standards of different thicknesses and the optical coefficients obtained on a certified spectrophotometer was established, which made it possible to develop an analytical model functioning of biomedical photometry information system. The biomedical photometer with ellipsoidal reflectors calibration method has been improved by developing an information system of reference measurements. It allows for determining the biological tissues' optical coefficients of total transmittance and diffuse reflection. The practical results obtained in the study made it possible to develop an algorithm and software for determining the coefficients of total transmittance and diffuse reflection of biological tissue samples of different thicknesses using a photometer with ellipsoidal reflectors, which made it possible to automate photometric image parameters analysis. The paper consists of three chapters in which the main results of the dissertation research are presented and substantiated. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, defines the object, subject, research, methods, and means, sets the goal and tasks of the study, and formulates scientific novelty and practical value. The first chapter considers the literature review results, covering issues such as analyzing the optical properties of biological tissues (BT) and modern biomedical photometers. The processes of interaction of light with biological tissues and the laws and expressions describing them are considered. The light propagation features in media and methods of their simulation, in particular the Monte Carlo method, are indicated. Significant optical properties of biological tissues were determined: absorption coefficient μa, scattering coefficient s, anisotropy factor g, and refractive index n. The principles of the inverse Monte Carlo method for determining optical properties using the optical coefficients of diffuse reflection Rd, total transmission Tt, and collimated transmission Tc are considered. Single- and double-beam pectrophotometers and photometers are considered. The principles and typical schemes of measuring optical coefficients using integrating spheres and goniometers are determined. Photometers with ellipsoidal reflectors (ER) design features are also considered, and the reflector configuration, which is most appropriate for use in biomedical research, is determined. The photometric image forming principles and data calibration methods to obtain the values of optical coefficients are determined. Based on the review, the research goal and objectives are formulated. The second chapter analyzes the inverse Monte Carlo method features for the photometry of biological tissues by ellipsoidal reflectors, which made it possible to formulate the algorithm of the considered process. Based on the stages of implementation of the existing method of calibrating a photometer with ellipsoidal reflectors, structural schemes for carrying out reference measurements for determining total, collimated, diffuse transmission, and diffuse reflection coefficients are proposed. The described process of obtaining photometric images after the photometer with ellipsoidal reflectors preliminary calibration made it possible to identify ways of improving the existing method. In the paragraph "Features and applied implementation of the biomedical photometer with ellipsoidal reflectors calibration method improved," the principles of creating an information system of a biomedical photometer with ellipsoidal reflectors (ISBMFER) are considered. The structure of ISBMFER, which consists of three components, is considered: a database with the results of reference measurements on a certified spectrophotometer, means of zone analysis of photometric images, and software for determining the optical coefficients of biological tissues. The proposed scheme of a photometer with single-element photodetectors is advisable when there is no need to obtain the spatial distribution of scattered light. The metrological principles of preliminary photometer calibration with ellipsoidal reflectors have been formed. Also considered are the photometric image processing principles, which divide the region of interest into three components (two rings and a circle), each of which characterizes multidirectional light scattering when light is transmitted and reflected through a sample (working standard or biological tissue). The third chapter is dedicated to the hardware and software implementation of the photometer with the ellipsoidal reflectors calibration improvement method. Based on the analysis of physical, chemical, and optical properties, the choice of solid polymer materials such as polyethylene (PE-PE), tetrafluoroethylene polymer (PE-F), polyvinyl chloride (PE-PVC), and polyethylene terephthalate (a component of PE-PL) as working standards is justified for calibrating the photometer with ER. A study of working standards was carried out using certified photometers (LAMBDA 1050 and Shimadzu UV-3600 Plus with ISR-1503 Optical System). Schemes and features of reference measurements are presented, resulting in the spectral dependences of the collimated and total transmission and diffuse reflection coefficients for selected working standards of different thicknesses. The rationale for choosing an elemental base for creating a photometer prototype with ER is presented. The photometer includes optical elements (ER, prism, cone lens), optical-electronic devices (laser diode, CCD camera), electrical and electronic components, as well as parts (tube, plate, and stand on the rail). The stability of the radiative source significantly affects the results of photometric studies, so it is necessary to control the wavelength and incident power before using it. The properties of biological tissues determined the choice of the ellipsoidal reflector's focal parameter and ellipticity, which was confirmed by Monte Carlo simulation in different BT. The dissertation study developed an algorithm for the functioning of the reference measurement information system. During its implementation, a regression analysis of the data was performed: the coefficient of total transmission and diffuse reflection from the thickness of the sample, the total illuminance of the photometric image from the coefficient of total transmission, diffuse reflection, and the thickness of the sample, changes in the coefficients of the previous regression analysis from the incident power. The regression analysis results became the mathematical basis for software development using JavaScript, HTML, and CSS. The software interface and features for entering input data are presented: type of study, working standard, bit rate of the photometric image, thickness of the BT sample, incident power, number of active pixels, and total intensity. The item "Research of the optical properties of light-scattering standards" presents examples of photometric images of working standards and analysis of their illuminance in reflected and transmitted light. The analysis made it possible to single out the following regularities: approximation to the exponential dependence of the illuminance of the middle and external ring of photometric images on the thickness in transmitted light, approximation of logarithmic dependence - in reflected light. A statistical evaluation of the values of the photometric images' total intensity was carried out on the example of the study of Pullus Cutis (chicken skin) and Porcus Cutis (pig skin) biological tissue samples. Based on the received intensity values in reflected and transmitted light, the optical coefficients of diffuse reflection and total transmission were determined using different working standards and at variable incident power, the relative error of which did not exceed 1.5%. The obtained results were compared with the studies of other authors, which confirmed the feasibility of using the proposed calibration method.
dc.format.extent170 с.
dc.identifier.citationБондарєв, Д. В. Удосконалення методу калібрування біомедичного фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами : дис. … д-ра філософії : 152 Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка / Бондарєв Денис Володимирович. – Київ, 2024. – 170 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/66412
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectспектральний аналіз
dc.subjectмедичні показники
dc.subjectджерело випромінювання
dc.subjectоптична система
dc.subjectсенсор
dc.subjectдіагностика
dc.subjectпросторові координати
dc.subjectоптичні вимірювання
dc.subjectмодель відбиття
dc.subjectоптико-електронний датчик
dc.subjectквантова ефективність
dc.subjectеліпсоїдальний рефлектор
dc.subjectприлад зі зарядовим зв’язком
dc.subjectфотометр
dc.subjectspectral analysis
dc.subjectmedical indicators
dc.subjectradiation source
dc.subjectoptical system
dc.subjectsensor
dc.subjectdiagnostics
dc.subjectspatial coordinates
dc.subjectoptical measurements
dc.subjectreflection model
dc.subjectoptoelectronic sensor
dc.subjectquantum efficiency
dc.subjectellipsoidal reflector
dc.subjectcharge-coupled device
dc.subjectphotometer
dc.subject.udc535.2: 616-71
dc.titleУдосконалення методу калібрування біомедичного фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Bondariev_dys.pdf
Розмір:
12.85 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (КІТВП)
Дисертації (вільний доступ)