ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2020. № 11
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.11.3
УДК 617.7-07
Моделирование пульсирующих потоков крови для задач оптической когерентной томографии в офтальмологии
С. В. Фролов, А. Ю. Потлов, С. Г. Проскурин, Т. А. Фролова
Тамбовский государственный технический университет, 392000, Тамбов, ул. Советская, 106
Статья поступила в редакцию 10 ноября 2020 г.
Аннотация. Оптическая когерентная томография – метод неинвазивной медицинской диагностики, основанный на зондировании исследуемого биообъекта излучением ближнего инфракрасного диапазона с последующим детектированием и анализом обратно отраженного и рассеянного назад потока фотонов. Большинство систем оптической когерентной томографии используется в офтальмологии для диагностики состояния сетчатки, зрительного нерва и переднего отрезка глаза. Целью проводимых исследований является повышение достоверности физического моделирования сетчатки глаза на основе использования фантомов, в которых достигается имитация деформаций и вибраций стенок кровеносных сосудов. Описываются методы формирования фантома сетчатки глаза, содержащего специальные полости (имитаторы кровеносных сосудов) пригодные для прокачивания кровеимитирующей жидкости. Сетчатка глаза моделируется как многослойная структура. Матриксом для каждого слоя является двухкомпонентный прозрачный жидкий силикон. В качестве поглощающего агента применятся спектральный краситель Indian ink. Частицы диоксида титана служат рассеивателями. Слои формируются последовательно от нижнего (сосудистая оболочка) до верхнего (внутренняя пограничная мембрана). Массовые доли специальных добавок, как и толщина каждого слоя подбираются индивидуально. Все кровеносные сосуды представлены в виде протяженных связанных полостей. Формирование основания и сложной сети моделируемых кровеносных сосудов выполняется посредством технологии трехмерной печати. Представлено техническое устройство для формирования пульсирующий потоков крови в фантомах сетчатки глаза, содержащих в своем составе имитаторы кровеносных сосудов и насос с регулируемым потоком для прокачки кровеимитирующей жидкости, электромоторов и вибромотора для регулируемых деформаций и вибраций стенок гибкой трубки. При изменении в установке характеристик работы насоса и вибромотора в формируемом ламинарном потоке в микротрубке создаются турбулентности, что приближает достоверность имитации кровотока в сосудах. С использованием разработанного устройства проведены исследования методом оптической когерентной томографии пульсирующего потока в микротрубках, имитирующих кровеносные сосуды. Разработанные фантомы и устройство могут быть использованы для тестирования офтальмологических ультразвуковых и систем оптической когерентной томографии, при проведении научных биомедицинских исследований, в задачах разработки и отладки новых модификаций метода оптической когерентной томографии.
Ключевые слова: сетчатка человека, тканеподобный фантом, гемодинамика, ламинарный поток, пульсирующие потоки, прозрачный силикон, абсорбирующие и рассеивающие агенты, микрофлюидика, доплеровская оптическая когерентная томография.
Abstract. Optical coherence tomography (OCT) is a method of non-invasive medical diagnostics based on scanning a biological object with near-infrared radiation, followed by registration and analysis of the back-reflected and back-scattered photons. The most of OCT systems are used in ophthalmology for diagnostics conditions of the retina, optic nerve and anterior segment of the eye. The purpose of this research is to increase the reliability of controlled experiments of the retina using phantoms by taking into account the partial clamping and vibrations of the walls of blood vessels that occur in real living objects. Methods of a retinal phantom molding containing special cavities (mimicking blood vessels) suitable for pumping blood-imitating fluid are described. The retina is shaped as a multilayered structure. Two-component transparent liquid silicone is used as to mold each layer. Indian ink with known optical properties is used to mimic absorption. Titanium dioxide particles are used as scatterers. The layers are formed sequentially from the bottom (choroid) to the top (inner boundary membrane). Mass fractions of the additives, as well as the thickness of each layer, are chosen on an individual basis. All blood vessels are represented as elongated and connected cavities. The formation of the base and complex network of the molded blood vessels is performed using a 3D printer. A device for making the palatial blood flow in phantoms of the retina, containing imitators of blood vessels and a pump with an adjustable flow velocity for pumping blood-imitating fluid, electric motors and a vibration motor for adjustable deformations and vibrations of the flexible tube walls is presented. When the characteristics of the pump and vibration motor are changed, turbulence is created after the formed laminar flow in the microtubes, which increases quality and blood flow reliability of the phantoms. Series of experiments applying the developed technique and the vessel phantoms with pulsating flow have been carried out using the method of optical coherence tomography. The developed phantoms and the controller can be used to test ophthalmic ultrasound and OCT systems for biomedical studies as well as to develop and adjust new modifications of the OCT imaging.
Key words: human retina, tissue-like phantom, hemodynamics, laminar flow, pulsating flows, transparent silicone, absorbing and scattering agents, microfluidics, Doppler optical coherence tomography.
Литература
1. Zimnyakov D. A., Tuchin V. V. Optical tomography of tissues. Quantum Electron. 2002, Vol.32. No.10. P.849–867. Available at: https://iopscience.iop.org/article/10.1070/QE2002v032n10ABEH002307.
2. Mwanza J.C., Budenz D.L. New developments in optical coherence tomography imaging for glaucoma. Current Opinion in Ophthalmology. 2018, Vol.29. No.2. P.121-129. https://doi.org/10.1097/ICU.0000000000000452.
3. Lumbroso B., Huang D., Chen C.J. et al. Clinical OCT Angiography Atlas. Jaypee Brothers Medical Publishers, 2015, 174 p.
Chae Y.G., Park E.K., Jeon M.Y. Jeon B.-H., Ahn Y.-C. Stiffness Comparison of Tissue Phantoms using Optical Coherence Elastography without a Load Cell. Current Optics and Photonics. 2017. Vol.1. No.1. P.17–22. https://doi.org/10.3807/COPP.2017.1.1.017 Available at: https://www.osapublishing.org/DirectPDFAccess/CFEC0514-D7CE-5227-ED8862BFBAF7E68B_362701/copp-1-1-17.pdf?da=1&id=362701&seq=0&mobile=no
4. Lv X., Chen H., Liu G., Shen S., Wu Q., Hu C., Li J., Dong E., Xu R.X. Design of a portable phantom device to simulate tissue oxygenation and blood perfusion. Applied Optics. 2018. Vol.57. No.14. P.3938–3946.
https://doi.org/10.1364/AO.57.003938 Available at: https://www.osapublishing.org/ao/viewmedia.cfm?uri=ao-57-14-3938&seq=0
5. Wang J., Lin J., Chen Y., Welle C.G., Pfefer T.J. Phantom-based evaluation of near-infrared intracranial hematoma detector performance. Journal of Biomedical Optics. 2019. Vol.24. No.4. P.045001.
https://doi.org/10.1117/1.JBO.24.4.045001 Available at: https://www.spiedigitallibrary.org/journals/journal-of-biomedical-optics/volume-24/issue-04/045001/Phantom-based-evaluation-of-near-infrared-intracranial-hematoma-detector-performance/10.1117/1.JBO.24.4.045001.full?SSO=1
6. Bashkatov A.N., Genina E.A., Tuchin V.V. Optical properties of skin, subcutaneous, and muscle tissues. Journal of Innovative Optical Health Sciences. 2011, Vol. 4, P. 9–38. https://doi.org/10.1142/S1793545811001319.
7. Shepard L.M., Siddiqui A.H., Snyder H.V., Levy E.I., Davies J.M., Ionita C.N. Initial assessment of neuro pressure gradients in carotid stenosis using 3D printed patient-specific phantoms. Biomedical Applications in Molecular, Structural, and Functional Imaging. – Proceedings of SPIE. 2019. 10953. 1095314. https://doi.org/10.1117/12.2510279.
8. Shubnyy A.G., Zhigarkov V.S., Yusupov V.I., Sviridov A.P. Bagratashvili V.N. Bleaching of tattooed skin phantoms by series of laser shots. Optical Technologies in Biophysics and Medicine – Proceedings of SPIE. 2018. 10716. 1071611. https://doi.org/10.1117/12.2304514
9. Potlov A.Yu., Frolov S.V., Proskurin S.G. Color mapping of one specific velocity of a biological fluid flows with complex geometry using optical coherence tomography. Progress in Biomedical Optics and Imaging – Proceedings of SPIE. 2018. 10716. 107160A. https://doi.org/10.1117/12.2314439
10. Proskurin S.G., Potlov A.Yu., Frolov S.V. One specific velocity color mapping using optical coherence tomography. Journal of Biomedical Optics. 2015. Vol.20. No.5. P.051034. Available at:
DOI: https://doi.org/10.1117/1.JBO.20.5.051034
11. Lu Y., Gordon N., Robinson D., Coldrick B., Mezentsev V., Menduni F., Fratini A., Sugden K. Non-planar calibration phantoms for optical coherence tomography. Advanced Fabrication Technologies for Micro/Nano Optics and Photonics – Proceedings of SPIE. 2018. 10544. 105441B.
https://doi.org/10.1117/12.2290422
12. Frolov S.V., Potlov A.Yu., Frolovа T.A., Proskurin S.G. Compression elastography and endoscopic optical coherence tomography for biomechanical properties evaluation of cerebral arteries walls with aneurysm and their phantoms. AIP Conference Proceedings. 2019, 2140, 020020.
https://doi.org/10.1063/1.5121945
13. Sekar S.K.V., Pacheco A., Martella P., Li H., Lanka P., Antonio Pifferi A., Andersson-Engels S. A solid phantom recipe for biophotonics applications: a step towards anatomically correct 3D tissue phantoms. Diffuse Optical Spectroscopy and Imaging – Proceedings of SPIE. 2019. 11074. 110741C. Available at: https://www.osapublishing.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-10-4-2090&id=408038
14. Frolov S.V., Potlov A.Yu. An Endoscopic Optical Coherence Tomography System with Improved Precision of Probe Positioning. Biomedical Engineering. 2019. Vol.53. No.1. P.6–10.
https://doi.org/10.1007/s10527-019-09866-4
Для цитирования:
Фролов С.В., Потлов А.Ю., Проскурин С.Г., Фролова Т.А. Моделирование пульсирующих потоков крови для задач оптической когерентной томографии в офтальмологии. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.11.3