Диссертация (1144366), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В расчете соотношение форм гемоглобина было определено как Coxy = 0,7 и Cdeoxy = 0,3.В качестве эпидермального меланина был взят пигмент эумеланин (рис.2.2) [67], спектр экстинкции которого можно аппроксимировать следующейформулой:λ . 106,207 =µmel(λ) 544,936 × exp −(2.4)Спектр поглощения воды µwater (λ) , приведенный на рис. 1.5, взят из[43].Рассеяние модельной среды, как было сказано ранее, определяется спектральной зависимостью приведенного коэффициента рассеяния дермы (рис.2.3), которую можно представить как суперпозицию рассеяния Релея и рассеяния Ми [68]:Приведенный коэффициент рассеяния, см-1λ) 0,55 ×1012 ×λ −4 + 36,85 ×λ −0,22 .µs' (=35302520151054005006007008009001000Длина волны, нмРис. 2.3.
Приведенный коэффициент рассеяния кожной ткани [68]39(2.5)В формуле (2.1) при расчете коэффициента диффузного отражения рассеяние учитывалось как произведение Сscat µs' , где Сscat – некий коэффициент,при этом изменение рассеивающих свойств модельной среды учитывалось путем вариации этого коэффициента Сscat .2.2. Алгоритм расчета спектра отражения кожиРасчетзаключалсявопределениизначенийкоэффициентовChem , Cmel , Cwater , а также спектра приведенного коэффициента рассеяния(точнее, величину коэффициента С scat ), при которых рассчитанный спектрдиффузного отражения кожи максимально совпадал с экспериментально полученным спектром с использованием техники интегрирующей сферы. Получено,что максимальное совпадение спектров получено при следующих значенияхкоэффициентов, определяющих относительный вклад хромофоров в поглощение кожи: Chem = 0,0024; Cmel = 0,14; Cwater = 1, С scat = 0,5.Влияние содержания воды на спектр диффузного отражения модельнойсреды определялось путем вариации коэффициента Cwater в формуле (2.2),при этом значение Cwater = 1 условно было принято за содержание воды в нормальной коже.
Влияние рассеяния на спектр диффузного отражения определялось путем вариации рассеивающих свойств модельной среды (величины коэффициента С scat) . При этом спектральное распределение приведенного коэффициента рассеяния, при котором рассчитанный спектр диффузного отражениякожи максимально совпадал с экспериментально полученным спектром, считалось спектром приведенного коэффициента рассеяния нормальной кожи.2.3 Результаты расчетаРезультаты расчета спектров диффузного отражения модельной среды сразным рассеянием и разным поглощением (концентрацией воды в ближнем40ИК диапазоне спектра и гемоглобина в видимом диапазоне спектра) приведеныниже.На рисунке 2.4 приведены спектры диффузного отражения модельнойсреды, рассчитанные при разных значениях приведенного коэффициента рассеяния среды.
Относительные изменения рассеивающих свойств модельной среды, для которых получены приведенные спектральные зависимости, приведеныв таблице 2.1.Из рисунка 2.4 видно, что с увеличением рассеяния величина коэффициента отражения модельной среды увеличивается во всей области спектра от 400до 2000 нм. Рассеивающие свойства биоткани определяются содержанием в нейводы, при этом уменьшение содержания воды приводит к уменьшению рассеяния и, как следствие, должно приводить к уменьшению коэффициента отражения.0,8Коэффициент отражения0,70,690,50,40,310,20,10,02004006008001000 1200 1400 1600 1800 2000 2200Длина волны, нмРис. 2.4. Спектры диффузного отражения модельной среды с разными рассеивающими свойствами (значения концентраций указаны в таблице 2.1)41Таблица 2.1.
Значения приведенного коэффициента рассеяния (в отн. ед.) модельной среды, для которых рассчитаны спектры диффузного отражения, приведенные на рис. 2.4.Приведенный коэффициентрассеяния, отн. ед.0,40,60,81,0 (норма)1,21,52,02,53,0№ спектра123456789Динамику спектра отражения модельной среды, вызванного изменениемее рассеивающих свойств, можно проследить на рис. 2.5, где приведены зависимости коэффициента отражения на фиксированных длинах волн от величиныприведенного коэффициента рассеяния. В качестве выбранных длин волн взяты970 нм, 1190 нм и 1450 нм, где вода имеет локальные максимумы поглощения,и 1070 нм и 1250 нм, где имеют место локальные минимумы поглощения воды,а также длина волны 810 нм, где поглощение воды минимально.Для наглядности значения приведенного коэффициента рассеяния выражены в относительных единицах, полагая значение коэффициента для нормальной кожной ткани равным единице.
Реальные значения приведенного коэффициента рассеяния для кожной ткани без компрессии на выбранных длинахволн приведены в таблице 2.2.Таблица 2.2. Оптические параметры кожи без компрессии на выбранных длинах волнДлина волны, нм810Коэффициент поглощения, см-10,07442Приведенный коэффициент рассеяния, см-19,7297010701190125014500,4750,1361,0410,88628,608,748,368,037,907,55Коэффициент отражения, норм.2,862,42,0543211,61,20,80,40,00,51,01,52,02,53,0Приведенный коэффициент рассеяния, отн.
ед.Рис. 2.5. Зависимость нормированных коэффициентов отражения модельнойсреды на фиксированных длинах волн от рассеивающих свойств среды;1 - λ = 810 нм, 2 - λ = 1070 нм, 3 - λ = 970 нм,4 - λ = 1250 нм, 5 - λ= 1190 нм, 6 - λ = 1450 нмВлияние поглощения, обусловленного присутствующей в модельном образце воды, на его спектр диффузного отражения видно из рис. 2.6, где приведены спектры диффузного отражения модельной среды при разном содержаниив ней воды.
Относительные вклады воды в поглощение модельной среды, длякоторых получены приведенные спектральные зависимости, приведены в таблице 2.3. Динамику спектра отражения модельной среды, вызванного изменением содержания воды, можно проследить на рис.
2.7, где приведены зависимости коэффициента отражения на фиксированных длинах волн от концентрации воды в модельной среде. В качестве выбранных длин волн взяты те же43длины волн, для которых рассчитывались зависимости коэффициента отражения от величины приведенного коэффициента рассеяния.0,8Коэффициент отражения0,70,60,510,40,3100,20,10,02004006008001000 1200 1400 1600 1800 2000 2200Длина волны, нмРис. 2.6. Спектры диффузного отражения модельной среды с разным содержаниемводы (значения концентраций указаны в таблице 2.3)Таблица 2.3. Концентрации воды (в отн. ед.) в модельной среде, для которыхрассчитаны спектры диффузного отражения№ спектра12345678910Концентрация воды, отн. ед.0,20,40,60,81,0 (норма)1,21,52,02,53,044Коэффициент отражения, норм.5432100,00,51,01,52,02,53,0Содержание воды, отн.
ед.Рис. 2.7. Зависимость нормированных коэффициентов отражения модельной среды нафиксированных длинах волн от содержания воды;1 - λ = 810 нм, 2 - λ = 1070 нм, 3 - λ = 970 нм,4 - λ = 1250 нм, 5 - λ = 1190 нм, 6 - λ = 1450 нмВ видимом диапазоне спектра на спектры диффузного отражения коживлияет поглощение содержащейся в коже крови (гемоглобина).
Спектры диффузного отражения модельного образца при разных концентрациях крови (гемоглобина) приведены на рис. 2.8, а относительные вклады гемоглобина в поглощение модельной среды, для которых получены приведенные спектральныезависимости, приведены в таблице 2.4.45Коэффициент отражения0,70,60,510,460,30,20,14005006007008009001000Длина волны, нмРис. 2.8. Спектры диффузного отражения модельной среды с разной концентрацией гемоглобина (значения концентраций указаны в таблице 2.4)Таблица 2.4. Концентрации гемоглобина (в отн.
ед.) в модельной среде, для которых получены спектры диффузного отражения кожи.№ спектра123456Концентрация гемоглобина, отн.ед.0,00020,000960,0024 (норма)0,003840,005760,00768ВыводыТаким образом, содержание воды в модельном образце по-разному влияетна величину коэффициента отражения в ближней ИК области: уменьшение содержания воды в среде приводит к уменьшению ее поглощения, что отражается46в увеличении коэффициента отражения; с другой стороны, уменьшение содержания воды приводит к уменьшению рассеивающих свойств среды, что ведет куменьшению коэффициента отражения. Эти результаты могут быть положены воснову анализа экспериментально полученных спектров отражения кожи вближнем ИК диапазоне.В видимом диапазоне спектра компрессия кожи ведет к уменьшению поглощения биоткани, обусловленного кровью (гемоглобином), и как результат, кувеличению коэффициента отражения.47ГЛАВА 3.
Влияние внешней механической компрессии кожной тканина оптические и физиологические характеристики кожи (эксперимент)3.1 Экспериментальная установка и объект исследованияЭкспериментальная установка, схематично представленная на рис. 3.1,включала в себя осветительное устройство HL-2000 (Ocean Optics, США),волоконно-оптический датчик и два волоконно-оптических спектрометраUSB4000 (Ocean Optics, США) (область регистрации спектров 400-1000 нм) иNIR Quest512-2.2 (Ocean Optics, США) (область регистрации спектров 900-2200нм),сопряженныхсперсональнымикомпьютерами,иобеспечиваларегистрацию спектров диффузно отраженного кожей света в диапазоне от 400до 2200 нм.В данной работе для измерения спектров диффузного отражения кожи использовались волоконно-оптический датчик собственной конструкции и два волоконно-оптических датчика фирмы Ocean Optics (R400-7-VIS/NIR и R600-7VIS-125F).В первом случае конструкция датчика включала полукольцо радиусом 40мм с закрепленными в нем двумя волоконно-оптическими световодами (диаметр сердцевины 400 мкм, числовая апертура 0,2) для подвода излучения к поверхности кожи и сбора отраженного ей света.
На конце световода, подводящего свет по нормали к поверхности кожи, располагалась коллимирующая линза, врезультате чего диаметр пятна облучения кожной поверхности составлял 6 мм.Приемный световод фиксировался под углом 300 по отношению к осветительному световоду на таком расстоянии от поверхности кожи, чтобы размер участка кожи, с которого собиралось диффузно отраженное кожей излучение, в двараза превышал размер пятна облучения кожи. Это делалось для минимизациипотерь в детектируемом свете длинноволновой части спектра [10]. При регистрации спектров диффузного отражения кожи в условиях ее внешней механической компрессии между полукольцом волоконно-оптического датчика и поверхностью кожи помещалось тонкое кварцевое стекло диаметром 30 мм, на ко48торое оказывалось давление p в диапазоне от 0 до 106 Па (рис.
3.2). Давлениесоздавалось с помощью устройства в виде поперечной планки, на свободныйконец которой подвешивался груз известной массы, тогда на стекло действоваласила в два раза больше веса груза.Рисунок 3.1 – Схема экспериментальной установкиРис. 3.2. Схема устройства для регистрации спектров диффузного отраженияв условиях внешней механической компрессии биоткани49Во втором случае использовались датчики, конфигурации расположениясветоводов в датчиках приведена на рис. 3.3.
Один датчик содержал семь световодов диаметром 400 мкм, располагаемых в соответствии с рис. 3.3а в стальномнаконечнике диаметром 6,3 мм, во втором семь световодов диаметром 600 мкмрасполагались в соответствии с конфигурацией рис. 3.3б в стальном наконечнике диаметром 3,2 мм. В датчиках использовались кварц-полимерные световодыс числовой апертурой 0,22, что соответствует углу конуса выходящего пучка,равному 24,8о. Шесть световодов, располагаемых по окружности, служили дляподвода излучения к объекту исследования, а центральный световод обеспечивал детектирование света, диффузно отраженного биотканью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
