152 "Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/43356
Переглянути
Документ Методи тривимірної візуалізації плазматичних мембран еритроцитів для визначення морфологічних ознак(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Бернадська, Тетяна ВолодимирівнаДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 152 – Метрологія та інформаційно–вимірювальна техніка (15 – Автоматика та приладобудування). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти та науки України, Харків, 2021. Об'єктом дослідження є вдосконалення способу визначення морфологічних ознак еритроцитів шляхом візуалізації тривимірного зображення з подальшим статистичним аналізом морфологічних змін для визначення ступеня їх функціональності. Предметом дослідження є тривимірні геометричні параметри морфології еритроцитів, які мають властивості змінюватися в залежності від стану пацієнта. В дисертаційній роботі вирішена науково–практична задача підвищення роздільної здатності тривимірного зображення еритроциту для визначення морфологічних параметрів за рахунок вдосконалення методу спектрального аналізу та засобів цифрового спектрометричного перетворення. Дослідження виконано за допомогою фундаментальних положень теоретичних основ геометричної та фізичної оптик, лазерної техніки , чисельного розв’язання рівнянь, сучасних інформаційних технологій. В якості основних інструментів для проведення чисельного моделювання представленого алгоритму розроблена програма на мові Python з використанням бібліотек Numpy і Open CV і програма, що дозволяє будувати і візуалізувати тривимірні моделі по двовимірним знімкам, яка працює під управлінням ОС Windows, написана на мові С ++. Для виведення 3D моделей використовується бібліотека Direct X і графічний прискорювач. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі для вивчення проблемної області та визначення напрямків досліджень проведено аналіз наявності діагностичних ознак на підставі динаміки морфологічних змін еритроцитів і проаналізовані методи лабораторного мікроскопічного дослідження клітин периферичної крові. Також був проведений аналітичний огляд існуючих інтерферометрів з подальшим виявленням їх переваг і недоліків. На підставі проведених досліджень був вибраний оптимальний по суті і способу реалізації заданої мети метод інтерференційної мікроскопії, який дозволить отримати тривимірні зображення еритроцитів поліпшеної якості за рахунок цільової оптимізації та модернізації предметного і опорного пучків променів. У другому розділі обґрунтовано вибір та розташування оптичних елементів принципової схеми, яка дозволила отримати більш точне зображення еритроцитів за рахунок зв’язку між роздільною здатністю системи та кутом між опорним та об’єктним пучками променів, що дало можливість зафіксувати більше кілець навколо інтерференційного зображення еритроцитів. Розроблена оптична схема пристрою, яка має можливість будувати зображення двопроменевої інтерференційної картини при введенні оптичного модулятора, що вирівнює довжину оптичного шляху опорного та об'єктного пучків променів та багатопроменевої інтерференції при використанні камери Горяєва. Принцип роботи розробленого пристрою заснований на тому, що прозорі мікрооб'єкти змінюють фазу світла, що проходить крізь них, так як мають свій показник заломлення, відмінний від показника заломлення навколишнього середовища і через складність структури таких об'єктів, світлова хвиля, що пройшла крізь них, набуває фазовий характер. В основу проектування принципової оптичної схеми була покладена задача отримання інтерференції шляхом поділу пучка променів на дві гілки, розміщення в одній з них мікроскопа і зведення пучків світла на пластині з подальшою фіксацією зображення цифровою камерою і виведенням на монітор комп'ютера. Додатково для спрощення процесу дослідження еритроцитів та підвищення його технологічності була розроблена принципова оптична схема інтерференційного мікроскопу з можливістю отримання різних ступенів збільшення без перефокусування. Для цього було запропоновано застосувати дві телескопічні системи Галілея з різними фокусними відстанями. Використання телескопічної системи Галілея дозволило досягти такого збільшення всією системою, яке можливо без цього елементи лише за умови використання імерсійного об'єктиву та мастила до нього. У третьому розділі було запропоновано обробити отримані в результаті експерименту інтерференційні зображення еритроцитів з метою визначення геометричних морфологічних характеристик застосувавши для побудови тривимірного зображення еритроцитів метод цифрової обробки сигналів на основі перетворення Фур'є, з накладанням смугового фільтру, метод візуалізації тривимірної форми об'єктів за двовимірними знімками та метод спектрального аналізу. Одним із способів отримання тривимірного зображення є метод на основі перетворення Фур'є, згідно з яким необхідно виконати перетворення Фур'є над зареєстрованим зображенням. Для цього була розроблена програма на мові Python з використанням бібліотек Numpy і Open CV. Для демонстрації роботи програми був розроблений алгоритм обробки зареєстрованого зображення. Другим способом побудови тривимірної моделі еритроцита є метод отримання тривимірних зображень за двовимірними знімками. Програма, що застосовується для даного методу, працює під управлінням ОС Windows, написана на мові С ++.Для виведення 3D моделей використовується бібліотека Direct X і графічний прискорювач. Основний алгоритм по карті щільності синтезує 3D сітку трикутників, що використовується для апроксимації поверхні, накладає на неї вибраний користувачем градієнт, закодований у вигляді 1D–текстури, як текстурної координати в розгортці використовується значення щільності. Після чого, отримана поверхня раструється за допомогою графічного прискорювача з обраного користувачем кута спостереження. Третім способом отримання тривимірного зображення еритроцитів є метод спектрального аналізу, сутність якого полягає в здатності молекул поглинати електромагнітне випромінювання. Характеризуючи спектри поглинання біомолекулами квантів світла, можна кількісно отримати інформацію про особливості будови мікрооб'єктів. Також були проведені дослідження метрологічних характеристик розробленого методу відновлення геометричних параметрів еритроцитів як методу їх непрямого вимірювання. У четвертому розділі була описана практична реалізація запропонованого вдосконаленого методу. Для здійснення перевірки висунутих припущень і отримання тривимірного зображення еритроцитів, на основі розробленої принципової оптичної схеми був зібраний експериментальний стенд. Для більш точного відображення інформації про морфології еритроцитів додатково був приведений розрахунок товщини інтерференційних смуг при заданій довжині хвилі випромінювання, кута між опорним і об'єктним пучками променів та роздільної здатності цифрової камери для фіксації зображення. Запропоновано дії зі зміни даного параметра. Детально описані етапи складання та юстування оптичної схеми інтерференційного мікроскопу. Для калібрування збільшення мікроскопа було запропоновано використовувати сітку камери Горяєва, в якій розмір великих та маленьких квадратів відомій. Для калібрування програми, що дозволяє відобразити тривимірне зображення еритроцитів з накладенням вертикальних и горизонтальних шкал, був зроблений знімок інтерференційної картини введеної плоскопаралельної пластини заданої товщина. В якості пластини використовували скло товщина 0,35 мм. Для проведення оптико-біологічних досліджень динаміки зміни форми еритроцитів був розроблений механізм екзогенного впливу на морфологію оболонки еритроцита. Для зміни форми еритроцитів була застосована здатність даних клітин змінювати форму під дією осмотичного тиску при розміщенні їх в різні по концентрації солей розчини. В дисертаційній роботі проведено комплекс теоретичних і практичних досліджень стосовно метода тривимірної візуалізації плазматичних мембран еритроцитів для визначення морфологічних ознак. Сукупність отриманих результатів роботи можна класифікувати, як розробку теоретичного забезпечення та вирішення важливої науково–прикладної задачі, що має вагоме значення в розвитку методів лабораторної діагностики відносно сучасних вимог медицини та нового напрямку в мікроскопії. Результати досліджень дозволили отримати низку наукових результатів: – Вперше за рахунок вдосконалення методу спектрального аналізу та засобів цифрового спектрометричного перетворення отримано тривимірне зображення еритроцитів, яке з підвищеною роздільною здатністю відображає інформацію про їх морфологічні параметри; – Отримано розвиток процесу спрощеного лабораторного дослідження стану плазматичних мембран еритроцитів і підвищена його технологічність за рахунок вдосконаленої принципової оптичної схеми інтерференційного мікроскопа з автоматизованою зміною збільшення і поліпшеними оптико-технічними характеристиками. Перевагами даного вдосконалення є забезпечення можливості отримання двопроменевої і багатопроменевої інтерференційної картини за рахунок динамічної зміни елементів оптичної схеми; – Вдосконалено математичний опис морфологічних ознак еритроцитів завдяки поєднанню метода інтерференційної мікроскопії в з методом цифрової обробки сигналів для тривимірної візуалізації фазових мікрооб'єктів за рахунок математичної статистичної обробки інтерференційного зображення; – Розроблено та виготовлено експериментальний стенд для одержання нової вимірювальної інформації відносно геометричних та морфологічних ознак клітин крові при використанні запропонованих технічних рішень, отриманих у дисертаційній роботі. Особливо треба відзначити можливість динамічної зміни елементів оптичної схеми, зменшені масогабаритні параметри та можливість визначення ефективних співвідношень конструктивних параметрів оптичних елементів і їх взаємного розташування з метою створення зображення еритроцитів поліпшеної якості.