Диссертация (1144279), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Разбиение изображенияпотока на расчетные области позволяет получить векторную карту пространственного распределения скорости движения трассеров в нем. Приэтом расчетные области располагаются, как правило, равномерно в видепрямоугольной сетки, иногда с частичным перекрытием. Размер расчетнойобласти выбирается малым по сравнению с пространственным масштабомизменения скорости потока, и большим по отношению к максимальномусмещению частиц трассеров за интервал времени между регистрацией двухпоследовательных изображений. Метод PIV ранее применялся для измерения скорости крови на сосудах куриного эмбриона, однако применениеданной методики, изначально разработанной для исследования потоков ваэро- и гидродинамики, для прижизненного исследования циркуляции крови требует дальнейшей адаптации.
Одной из ключевых проблем являетсяпроблема определения положения расчётных зон PIV анализа относительнограниц кровеносного сосуда, так как частичное попадание участка кровеносного сосуда в пределы расчётной зоны PIV анализа может привести кзанижению измеренных значений скорости крови [105].В данном разделе диссертационной работы предложен метод адаптации PIV анализа для работы с живыми системами. Предложен метод центрирования расчётных зон по маске капиллярной сети. Проверена работоспособность метода PIV анализа на модели уединённого кровеносного сосуда диаметром 50 мкм, где в качестве частиц-трассеров использовалисьлатексные сферы. Продемонстрирована карта скоростей капиллярного кровотока куриного эмбриона, построенная PIV методом, а также показано, каксоотносится полученный профиль скорости в районе y-бифуркации венозного участка кровотока с теоретическим параболическим профилем скорости.422.22.2.1Материалы и методыЭкспериментальная установкаЭкспериментальная установка представляет собой оптическую систему захвата и регистрации изображений, состоящую из цифрового микроскопа, трёхмерной микроподвижки, неподвижного основания, неподвижного предметного столика и осветителя.
В качестве источника света использовалось кольцевой осветитель, составленный из зеленых светоизлучающих диодов суммарной мощностью излучения 1,56 Вт на длине волны565 нм. Выбор зелёных светодиодов обусловлен наличием пика поглощения гемоглобина в данной спектральной области, для повышения контрастаизображений эритроцитов. Изображение капилляров регистрировалось припомощи микроскопа, состоящего из 10x/0.27 объектива, цилиндрическоготубуса и цифровой монохромной камеры (acA2040-180km, Basler inc.), разрешением 2040x2048 пикселей, что соответствовало велечине поля зрения1275x1280 микрометров в пространстве предметов.
Камера подключаласьк персональному компьютеру, при помощи которого осуществлялся захвати обработка изображений капилляров. Фокусировка микроскопа на исследуемом объекте производилась перемещением тубуса вдоль оптической осипри помощи винтового юстировочного устройства, установленного на неподвижном основании. Для регистрации изображений капиллярной сети куриного эмбриона было разработано оригинальное программное обеспечениев среде программирования LabVIEW (National Instruments, США). Используемые параметры записи: глубина цвета 8-бит, размер кадра 2040х2048,количество кадров в секунду 95, время экспозиции 10,5 мс.432.2.2Объект исследованийВ качестве объекта исследований использовалась капиллярная сетьхориоаллантоисной оболочки 12-14 дневного куриного эмбриона породыКросс “супер Ник”.
Скорлупа удалялась со стороны воздушной камеры. Далее удалялась наружная и внутренняя подскорлупные оболочки, открываядоступ к капиллярной сети хориоаллантоисной оболочки. Для предотвращения высыхания поверхности капиллярной сети, а так же для выравнивания поверхности исследуемого участка биоткани использовалось квадратное покровное стекло, толщиной 170 мкм и размером 15х15 мм, котороепомещалось на поверхность хориоаллантоисной оболочки.2.2.3Измерение скорости кровиКонцентрация эритроцитов в различных участках капилляра неоднородна, и поэтому движение крови в капилляре хорошо заметно в видеперемещения участков различной яркости вдоль осевой линии капилляра.Это явление позволяет оценить скорость течения крови в капилляре,используя корреляционные алгоритмы [83; 87].
Для оценки смещения эритроцитов вдоль капилляров вычислялась кросс-корреляционные функциидля соответствующих расчётных зон. Функции корреляции единичнойрасчётной зоны представляется в виде [83; 87].Φ (,) = ∑︁∑︁ (,) ( + , + ),(2.1)=1 =1где (,) и (,) - распределение значений интенсивности соответствующих расчётных областей размерами p х q пикселей двух последовательных кадров. Корреляционный алгоритм подразумевает разбиениекаждого кадра серии изображений на элементарные прямоугольные либо44квадратные расчётные зоны.
Так как движение крови имеет место тольков пределах капилляра, то скорость этого движения следует измерять в пределах областей, полностью перекрывающих капилляр. Для этого необходимо определять границы разветвлённой сети капилляров. Границы капиллярной сети определялись при помощи порогового преобразования яркости.Для этого производилась бинаризация изображения капиллярной сети таким образом, чтобы участки изображения соответствующие фону (значениеяркости от 125 до 255) принимали нулевые значения.
Оставшиеся не нулевые элементы изображения заменялись максимальным значением яркостивосьми битного изображения. Полученная маска капиллярной сети использовалась для размещения расчётных зон PIV анализа. В данной работе использовались расчётные зоны в виде квадратов размерами 60x60 пикселей.Такая форма расчётного окна обусловлена тем, что капилляры могут располагаться под произвольным углом относительно осей координат Х и У. Длярасчётной зоны размером 60х60 пикселей, минимальному смещению элементов изображения соответствует смещение на величину в 1 пиксель, илискорость движения эритроцитов 59 мкм/с. Максимально возможное смещение элементов изображения будет составлять смещение на 59 пикселей, чтосоответствует скорости эритроцитов 3,5 мм/с.
Так как изображение капилляра, полученной in-vivo характеризуется низким контрастом и наличиемзначительного шума, перед построением поля скоростей осуществляласьпредварительная обработка изображений серии, включающая в себя вычитание среднего по всей серии изображения из каждого изображения серии.Эта процедура позволяет полностью исключить из последующего анализаизображения всех неподвижных объектов и значительно снизить влияниешума изображения на оценку взаимной корреляционной функции интенсивности пикселей. Компенсация непроизвольных движений капиллярнойсети в поле зрения микроскопа осуществлялась методом цифровой стабилизации, основанный на вычислении взаимной корреляционной функциипервого и последующих кадров серии изображений [40].
В данной работеPIV метод также использовался для определения скорости крови в мельчайших сосудах хорионаллантоисной оболочки куриного эмбриона. Предложенные алгоритмы проверялись на модели кровеносного сосуда (рисунок452.1). Модель изготавливалась из стеклянной капиллярной трубочки с внутренним диаметром 50 мкм, приклеенной к предметному стеклу. Для уравновешивания капиллярных сил, по обе стороны от капилляра вклеивалисьстеклянные трубочки с внутренним диаметром 1 мм. Капилляр заполнялсятаким образом, чтобы водные мениски располагались в центральных частяхмиллиметровых трубочек, полностью заполняя стеклянный канал (50 мкм)без пузырьков воздуха.Рисунок 2.1 — Стеклянный фантом уединённого кровеносного сосуда.Для уменьшения эффектов преломления и переотражения света навнешних цилиндрических поверхностях стеклянного капилляра, весь капилляр погружался в иммерсионное масло и накрывался покровным стеклом.
Вкачестве частиц-трассеров использовалась 10% суспензия полистирольноголатекса для фагоцитоза (Диаэм, Россия), в деионизированной воде. Размерчастиц-трассеров составлял 1,5 мкм. Разность давления на концах стеклянного капилляра измерялась при помощи водяного манометра. В качествепомпы, для нагнетания давления в систему, использовался инсулиновыйшприц. Давление в системе изменялось с шагом в 10 мм вод. ст.Во время каждого измерения регистрировалась серия изображенийдвижения частиц-трассеров в капилляре диаметром 50 мкм, а также движе-46Рисунок 2.2 — Треугольникам с заполнением соответствуют измеренныезначения скорости по водному мениску.
Треугольникам без заполнениясоответствуют расчётные значения скорости методом PIV анализа. Прямая- линейная регрессия измеренных значений скорости.ние водного мениска в концевой трубочке диаметром 1 мм. Скорость движения водного мениска соответствует средней скорости течения в трубочке,а скорость частиц трассеров в центральной части капилляра – максимальной скорости течения в нем. Таким образом, объём жидкости, протекающейчерез поперечное сечение потока в единицу времени: = ,(2.2)где - средняя скорость потока, S- площадь поперечного сеченияпотока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
