Измерения оксигенации тканей

Измерения оксигенации тканей

Гиперспектральной камерой

Работу выполнил: ученик 10 "Л" класса

Щеславский Борис Владиславович.

Руководитель проекта: учитель физикиучитель физики

Компанеец Людмила Григорьевнак.ф.-м.н., ШиршинЕвгенийКомпанеец Людмила Григорьевна.

Консультант проекта:учитель физики

Компанеец Людмила Григорьевнак.ф.-м.н.

,Ширшин Евгений Александрович.

 

Москва

, 2021 год

Содержание                                                                                                       

1.ВведениеВведение……………………………………………………………………………….….3

2. Основная частьчасть……………………………………………………………………...……4

2.1. Теоретическая частьчасть……………………………………………………………...……4

2.1.1. Что такое спектр. Виды спектров..…………………………………………….……………...…..4

2.1.2. Спектральные аппаратыаппараты……………………………………………………...4

2.1.3. Метод спектрального анализаанализа………………………………….………………5

2.1.4..Гиперспектральная камера и принцип ее работы.……………………….…5

2.1.5 История создания гиперспектральной камеры………………….…….6

2.2.Экспериментальная реализация проектапроектаПрактическая часть……………………..………………………………….……...…...6

       2.2.1.Экспериментальная реализация проекта……...……………… ………….6

2.2.2. Проверить гипотезу и подтвердить ее……………………………………...8

       2.2.3.Создание портативной гиперспектральный камеры………………………9

2.2.4.Первый эксперимент………………………………………………………...9

2.2.5. Второй эксперимент………………………………………………………..10

       2.2.63.Выводы…………………..Результаты эксперимента……………………………………….…….….……108

3. ЗаключениеЗаключение………………………………………………………………………....…….110

4. Источники информацииинформации…………………………………………………………….….122

5. ПриложениеПриложение……………………………………………………………………...…….……...132

 

 

Введение

Темой проекта является сборка цифровойгиперспектральной камеры, позволяющей быстро на качественном уровне оценивать содержание кислорода в крови человека. Такая оценка может оказаться важной при таких патологиях, как анемия конечностей тела, нарушениях дыхательной активности, при ожогах.

Актуальность :вВ современном мире трудно себе представить человека, который бы не пользовался услугами врачей и медициныой. Без нее трудно представить человеческий прогресс.Для диагностики и терапии заболеваний врачи используют различные приборы, базирующиеся на физико-химических принципах. Среди них, спектральные методы являются одними изсамыхразвитых и востребованных.

Объ е кт исс ледования -гиперспектральная камера.

Цель проекта :Измерения оксигенации тканей гиперспектральной камерой.

Задачи:

1. Ознакомление с видами спектров, спектральными аппаратами и методом спектрального анализа.

2. Сборка гиперспектральной камеры.

3. Получение цифровых снимков с помощью этого прибора.

43. Анализ полученных снимковдляоценивания содержание кислорода в крови человека.

Гипотеза:вВозможно ли в домашних условиях собрать прибор и получить снимки для оценивания содержание кислорода в крови человека.

П рактическая значимость.ПрименениеОдной из их разновидностей являетсягиперспектральногоый анализа, который активно используется всамых разнообразных приложениях, среди которых можно выделить медицину, контроль качества материалов, диагностику заболеваний, детектирование движущихся транспортных средств, мониторинг окружающей среды, дистанционное зондирование и другие.

Темой проекта является сборка цифровой гиперспектральной камеры, позволяющей быстро на качественном уровне оценивать содержание кислорода в крови человека. Такая оценка может оказаться важной при таких патологиях, как анемия конечностей тела, нарушениях дыхательной активности, при ожогах.

 

 

Основная часть.

Теоретическая часть.

Спектральные аппараты .

Спектральными называются оптические приборы, в которых осуществляется разложение электромагнитного излучения оптического диапазона на монохроматические составляющие. Такие приборы используются для качественного и количественного исследования спектрального состава света, излучаемого, поглощаемого, отражаемого или рассеиваемого веществом. Эти исследования позволяют судить о свойствах вещества, его химическом составе и характере физических процессов, связанных с излучением или взаимодействием света с веществом. Спектральные приборы применяются также для получения излучения заданного спектрального состава

Практическая часть

 

Экспериментальная реализация проекта

 

 

Принципиальная схема

Система камеры является аппаратом для съемки светового поля и устройство отображения является проекцией светового поля, причем камера и проекция имеют общий оптический путь и камера выполнена с возможностью съемки гиперспектрального поля, и содержит вывод отправляемых данных снятого гиперспектрального поля на вход проектора светового поля и он располагается так, чтобы проецировать световое поле в видимом спектре на объект на основании данных, принятых от камеры.

Для этого способ отличается тем, что световое поле в гиперспектральном диапазоне излучения объекта снимают посредством камеры светового поля.Данные светового поля, снятого камерой, обрабатываются, чтобы обеспечить проекционноеизображение для проектора светового поля. После проектор поля проецирует световое поле на основании данных проекционного изображения объекта, причем камера и проектор имеют общий оптический путь и световое поле в видимом свете проецируется на объект проектором светового поля.

 

Камера для съемки светового поля получает световое поле в гипердиапазоне, то есть в спектральном диапазоне излучения по меньшей мере частично невидимого для человеческого глаза, и проектор светового поля проецирует световое поле в видимом спектре. Проектор светового поля образует устройство отображения для отображения гиперспектрального изображения, записанного регистрирующим устройством, в видимом свете. Спроецированное световое поле создает отображение спроецированного трехмерного изображения, покрывающего объект, причем трехмерное изображение является резким в большом диапазоне глубин. Общий оптический путь обеспечивает относительно простое совмещение снятого и спроецированного световых полей. Это позволяет проводить точное проецирование в реальном времени проектором гиперспектрального изображения в видимом свете на объект наблюдения, для которого камера сняла гиперспектральное световое поле, а также в случае, когда объект наблюдения является не плоским, а имеет трехмерную форму.

Камера для съемки светового поля по сравнению с обычной двухмерной и даже трехмерной камерой имеет то преимущество, что снимает полное световое поле с возможностью съемки резких изображений по всему диапазону глубин.

 

Задача кКамеры состоит в обеспечении результирующего изображения как проекции на наблюдаемой ткани и все же таким способом, что проекция всегда правильно сфокусирована на ткани, независимо от поверхностной кривизны ткани или ее ориентации относительно устройства получения/проекции изображения.

Гиперспектральная визуализация обеспечивает контраст, например, контраст ткани, который невидим невооруженным глазом. Улучшенный контраст может использоваться, например, для обнаружения кровеносных сосудов и нервов во время хирургической операции или введения игл в вены. Он может также использоваться для идентификации злокачественной ткани.

 

Гиперспектральная визуализация может быть основана на монохромном, спектрально неселективном датчике изображения и использовании спектрально селективной фильтрации перед датчиком изображения подобно обычной камере RGB, но с большим количеством цветовых каналов и с различными характеристиками фильтра. В противном случае, гиперспектральная визуализация может также быть основана на спектрально управляемом освещении в сочетании с датчиком изображения без фильтра. Возможно также «фильтрованного освещения» и «фильтрованного сбора данных».

 

На (рис. 2)1 источник 2 света освещает светом в широком спектральном диапазоне объект 1, в этом примере - человеческую ткань. Источник света может быть или частью системы, или существовать независимо от нее. Источник света формирует гиперспектральное изображение ткани, например, в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. В качестве альтернативы, объект может самостоятельно, независимо от наличия источника  света, формировать гиперспектральное изображение. Это, например, реализуется в процессе фосфоресценции, когда источник света выключен, а процесс свечения продолжается.

На (фиг.1 рис 2) источник 2 гиперспектрального света освещает гиперспектральным светом объект 1, в этом примере - человеческую ткань. Источник света может быть частью системы и в предпочтительных вариантах осуществления он предусмотрен или может быть предусмотрен отдельно. Источник гиперспектрального света вызывает формирование гиперспектрального изображения ткани, например, в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. В качестве альтернативы, объект может самостоятельно, независимо от наличия источника гиперспектрального света, обеспечивать гиперспектральное изображение, то есть изображение на длине волны, на которой его не видно или трудно видеть человеческим глазом. Например, объект может быть снабжен веществом, которое, будучи освещенным ранее, фосфоресцирует на конкретной длине волны.

На (фиг. 2 рис 2) также показан вариант осуществления системы согласно изобретению. Зеркало используется для изгиба спроецированного светового поля. Это позволяет при некоторых обстоятельствах получить более компактную конструкцию системы.

 

 

2.2 .2.

 

Чертежи камеры в обычном виде и компактном

 

2.2.3.

2.2.5.

Второй эксперимент.:

Во втором эксперименте сравнивается ткань здорового человека, с тканью человека у которого наблюдаются проблемы с оксигенацией тканей, благодаря чему нарушается доставка кислорода к клеткам человека. Чтобы создать такую ситуацию, испытуемому был натянут жгут на руку, вся техника безопасности соблюдалась. После следовало подождать некоторое время, чтобы создать искусственную проблему с подачей кислорода к тканям. После остывания руки и ее побеления следовало приступать к опыту, чтобы не создать некроз ткани. В данном опыте использовались те же самые компоненты,  чтокомпоненты, чтои в предыдущем.

Как и ранее, для обнаружения вен, был поднят контраст и оптимизированы настройки, с помощью которых стали различимы вены и артерии человека. Объясняется это тем, что красный спектр света, при облучении им гемоглобина, который не несет кислород обладает большим поглощением, благодаря чему можно наблюдать возможную анемию. Объясняется это тем, что красный спектр света обладает меньшим поглощением при гемоглобине содержащим кислород и дает выявить такие проблемы. Такими качествами не обладают синие и зеленые спектра света. С помощью данного метода можно так же обнаруживать кровеносные сосуды для внутривенных инъекций, которые требуют максимальнойый точности. Когда мы светим красным светом, можно наблюдать сильное поглощения красного цвета, при анемии((рис.9,106).

 

Выводы.

Цель проекта была достигнута, гиперспектральная камера была собрана, и продемонстрировала свой функционал, было снято множество снимков, которые показали достойный результат, гипотеза была подтверждена экспериментальным путем. Были получены знания в области спектрографии и обучение как собирать прибор.

Можно наблюдать что при красном свете, вены с низким содержанием кислорода наблюдаются лучше, нежели без. По этому факту мы делаем заключение, что присутствует анемия.

3.

Вывод

В З з аключени е . и

стоит сказать, чтоМмультиспектральная подсветка помогает обнаруживать проблемы с покровом тела человека, а также находить места на коже с недостатком кислорода. С помощью домашних компонентов можно создать работающую камеру, способную функционировать.Мультиспектральная подсветка помогает обнаруживать проблемы с покровом тела человека, а также находить места на коже с недостатком кислорода..

ЦельГлавная задача проекта выполнена. Фотографии по нашему предположению показали полную работоспособность, и показали места с дефектами на коже человека.

 

4. Источники информации:

Интернет ресурсы

· https://ru.wikipedia.org/wiki/спектр

· https://ru.wikipedia.org/wiki/гиперспектральная камера

· https://ru.wikipedia.org/wiki/гиперспектральная с ъемка

· http://bibl.laser.nsc.ru/download/2013/Gyperspectr_2013.pdf

Литература

· Оптика для бакалавров. Учебная теория

· Оптика ближнего поля. 1993. Pohl, D.W., Courjon, Daniel

Приложение

Рис.1 При гипоксии (недостатка кислорода) зеленый цвет будет слабее поглощаться по сравнению со случаем высокого содержания кислорода.
Рис.2 Чертежи камеры в обычном виде и компактном
Рис.3 Изображение сделанное VeinSeekAndroid
Рис.8 АвторСборка гиперспектральной камеры за работой
Рис.4 Принципиальная схема
Рис.5 Сборка гиперспектральной камеры
Рис.610 Собранная схема
Рис.79 Фотография в контрасте
Рис.85 Повреждение кожного покрова
Рис.96 Вены с низким содержанием кислорода наблюдаются лучше при освещении красным светом
Рис.107 Фото в обычном спектре

 

Измерения оксигенации тканей

Гиперспектральной камерой

Работу выполнил: ученик 10 "Л" класса

Щеславский Борис Владиславович.

Руководитель проекта: учитель физикиучитель физики

Компанеец Людмила Григорьевнак.ф.-м.н., ШиршинЕвгенийКомпанеец Людмила Григорьевна.

Консультант проекта:учитель физики

Компанеец Людмила Григорьевнак.ф.-м.н.

,Ширшин Евгений Александрович.

 

Москва

, 2021 год

Содержание                                                                                                       

1.ВведениеВведение……………………………………………………………………………….….3

2. Основная частьчасть……………………………………………………………………...……4

2.1. Теоретическая частьчасть……………………………………………………………...……4

2.1.1. Что такое спектр. Виды спектров..…………………………………………….……………...…..4

2.1.2. Спектральные аппаратыаппараты……………………………………………………...4

2.1.3. Метод спектрального анализаанализа………………………………….………………5

2.1.4..Гиперспектральная камера и принцип ее работы.……………………….…5

2.1.5 История создания гиперспектральной камеры………………….…….6

2.2.Экспериментальная реализация проектапроектаПрактическая часть……………………..………………………………….……...…...6

       2.2.1.Экспериментальная реализация проекта……...……………… ………….6

2.2.2. Проверить гипотезу и подтвердить ее……………………………………...8

       2.2.3.Создание портативной гиперспектральный камеры………………………9

2.2.4.Первый эксперимент………………………………………………………...9

2.2.5. Второй эксперимент………………………………………………………..10

       2.2.63.Выводы…………………..Результаты эксперимента……………………………………….…….….……108

3. ЗаключениеЗаключение………………………………………………………………………....…….110

4. Источники информацииинформации…………………………………………………………….….122

5. ПриложениеПриложение……………………………………………………………………...…….……...132

 

 

Введение

Темой проекта является сборка цифровойгиперспектральной камеры, позволяющей быстро на качественном уровне оценивать содержание кислорода в крови человека. Такая оценка может оказаться важной при таких патологиях, как анемия конечностей тела, нарушениях дыхательной активности, при ожогах.

Актуальность :вВ современном мире трудно себе представить человека, который бы не пользовался услугами врачей и медициныой. Без нее трудно представить человеческий прогресс.Для диагностики и терапии заболеваний врачи используют различные приборы, базирующиеся на физико-химических принципах. Среди них, спектральные методы являются одними изсамыхразвитых и востребованных.

Объ е кт исс ледования -гиперспектральная камера.

Цель проекта :Измерения оксигенации тканей гиперспектральной камерой.

Задачи:

1. Ознакомление с видами спектров, спектральными аппаратами и методом спектрального анализа.

2. Сборка гиперспектральной камеры.

3. Получение цифровых снимков с помощью этого прибора.

43. Анализ полученных снимковдляоценивания содержание кислорода в крови человека.

Гипотеза:вВозможно ли в домашних условиях собрать прибор и получить снимки для оценивания содержание кислорода в крови человека.

П рактическая значимость.ПрименениеОдной из их разновидностей являетсягиперспектральногоый анализа, который активно используется всамых разнообразных приложениях, среди которых можно выделить медицину, контроль качества материалов, диагностику заболеваний, детектирование движущихся транспортных средств, мониторинг окружающей среды, дистанционное зондирование и другие.

Темой проекта является сборка цифровой гиперспектральной камеры, позволяющей быстро на качественном уровне оценивать содержание кислорода в крови человека. Такая оценка может оказаться важной при таких патологиях, как анемия конечностей тела, нарушениях дыхательной активности, при ожогах.

 

 

Основная часть.

Теоретическая часть.