Математическое моделирование как нормальных физиологических, так и патологических процессов является в настоящее время одним из самых актуальных направлений в научных исследованиях. Дело в том, что современная медицина представляет собой в основном экспериментальную науку с огромным эмпирическим опытом воздействия на ход тех или иных болезней различными средствами. Что же касается подробного изучения процессов в биосредах, то их экспериментальное исследование является ограниченным, и наиболее эффективным аппаратом их исследования представляется математическое моделирование [1, 5].
Поначалу математика и медицина могут показаться совсем несовместимыми областями человеческой деятельности. Однако в последние десятилетия взаимодействие медицины и математики становится всё более активным. Некоторые плоды совместной деятельности уже получены и эффективно используются. Например, многие математические понятия и вычислительные алгоритмы возникли и развивались под влиянием медико-биологических проблем [4, 6].
В качестве примера можно привести применение математических моделей в кардиологии - математические модели лечения больных после операций на сердце, вирусологии - модели развития и лечения ВИЧ, пульмонологии - математические модели процесса лечения бронхиальной астмы.
В свою очередь в офтальмологии широко применяется фотодинамическая терапия, которая остро нуждается в применении математического моделирования для повышения эффективности применения и увеличения объема практических и теоретических исследований.
Фотодинамическая терапия (ФДТ) - метод лечения онкологических, опухолевых заболеваний, некоторых заболеваний кожи или инфекционных заболеваний, основанный на применении светочувствительных веществ - фотосенсибилизаторов (в том числе красителей), и, как правило, видимого света определённой длины волны.
Сенсибилизатор вводится в организм внутривенно. Вещества для ФДТ обладают свойством избирательного накопления в опухоли или иных целевых тканях (клетках). Затем поражённые патологическим процессом ткани облучают светом с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения красителя. В качестве источника света в настоящее время используются лазерные установки, позволяющие излучать свет определённой длины волны и высокой интенсивности.
Фотодинамическая терапия в офтальмологии интенсивно развивается, расширяется круг показаний к проведению ФДТ, о чем свидетельствует все возрастающий объем публикаций, посвященных данной тематике.
Процесс применения методики ФДТ, как и любое воздействие на человеческий организм, нуждается в контроле специалиста. В лечении ряда заболеваний с использованием ФДТ используется метод флюоресцентной ангиографии. Данный метод позволяет специалисту получать флюоресцентные ангиограммы, иначе говоря, цифровые фотографии глазного дна пациента, на которых можно различить области скопления светочувствительного вещества [7]. Изучение полученных флюоресцентных ангиограмм, а именно, уровня флюоресценции областей скопления светочувствительного вещества, даст возможность оценить количество фотосенсибилизатора, а соответственно понять, достигнут ли необходимый лечебный эффект или пациент нуждается в повторном лечении.
Таким образом, неотъемлемой частью процесса расшифровки флюоресцентных ангиограмм становится субъективное виденье специалистом результатов, достигнутых в ходе проведения ФДТ.
Актуальной проблемой для осуществления возможности исследования и анализа флюоресцентных ангиограмм в условиях применения ФДТ в совокупности со светочувствительным веществом становится создание метода зональной проработки уровня флюорсценции предполагаемых патологий [2, 3].
Цели и задачи работы
Таким образом, в целях автоматизации и объективизации процесса анализа флюоресцентных ангиограмм в ходе применения ФДТ крайне необходимо наличие инструмента, позволяющего точно определять уровень флюоресценции областей скопления светочувствительного вещества.
В соответствии с поставленной целью задачи решались в такой последователь- ности:
-
разработка алгоритма анализа уровня флюоресценции областей скопления светочувствительного вещества на снимках глазного дна глаза человека;
-
разработка программного обеспечения, в функциях которого предусмотрена реализация алгоритма анализа уровня флюоресценции, возможности статистической обработки результатов анализа, сохранение и накопление результатов.
Основные этапы работы
На первом этапе исследования осуществлялась разработка метода получения уровня флюоресценции в ходе анализа снимков глазного дна. Его основным назначением является количественный анализ уровня яркости интересующих врача областей глазного дна пациента.
Уровень яркости (флюоресценции) вычисляется по плоским черно-белым цифровым изображениям объемного глазного дна, полученным в формате bmp. Для расчетов уровень флюоресценции принимается как конкретная величина, безразмерная, выражаенная в численном эквиваленте. Анализ выделенных областей заключается в попиксельной детализации выбранного участка с помощью метода, использующего следующее цифровое соотношение 0 - черный цвет, 1- белый цвет. Соответственно на данных снимках существующие серые цвета представляют собой, так называемую, градацию от белого цвета к черному и имеют уже дробное численное выражение. Таким образом, получая и суммируя вычисленную яркость каждого пикселя, получаем общую яркость интересующего нас фрагмента изображения (рис. 1).
Второй этап исследования был посвящен разработке возможности визуализации результатов анализа. Результаты специалисту предоставляются в виде диаграммы, по оси абсцисс которой располагаются набор исследуемых изображений и численный результат для проанализированных областей, по оси ординат соответственно числовое значение, полученное в результате расчетов (рис. 2).
Полностью статистику можно посмотреть в сводной таблице. Данная таблица имеет следующую структуру: название фотографии, результат анализа первой, второй, вложенной областей, а также отношений численных результатов первого участка к второму и второго к первому (рис. 3).
Рис. 1. Основная рабочая область системы анализа флюоресценции
Рис. 2. Диаграмма результатов анализа уровня флюоресценции
Все результаты, полученные в ходе исследования, сохраняются в файл самых распространенных форматов: doc, xls, html с возможностью добавлять вспомогательную информацию, важную для специалиста, проводящего исследование. В дальнейшем эти файлы могут подвергаться редактированию в программных пакетах, поддерживающих работу с упомянутыми выше форматами.
Результаты работы
-
Разработан метод анализа уровня флюоресценции областей скопления светочувствительного вещества на снимках глазного дна глаза человека.
-
Разработано программное обеспечение, в функциях которого предусмотрена реализация алгоритма анализа уровня флюоресценции, возможности последующей обработки результатов анализа, сохранение и накопление результатов.
Рис. 3. Статистическая таблица результатов анализа флюоресценции
Рецензенты:
-
Косушкин В.Г., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Материаловедение» Калужского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Калуга;
-
Стрельченко С.С., д.т.н., профессор кафедры «Материаловедение» Калужского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Калуга;
-
Пятакович Ф.А., д.м.н., профессор, профессор кафедры пропедевтики внутренних болезней и клинических информационных технологий, ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г. Белгород.
Работа поступила в редакцию 05.10.2011.