Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

Инструментальные и программные средства антимикробной фотодинамической терапии

Галкин В.А. 1 Белый Ю.А. 2 Кучеров А.А. 1
1 Обнинский институт атомной энергетики (ИАТЭ) Национального ядерного исследовательского университета (НИЯУ) Московского инженерно-физического института (МИФИ), Обнинск
2 Калужский филиал ФГУ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова Росмедтехнологии», Калуга
Дается краткая характеристика фотодинамической терапии (ФДТ) как метода лечения, используемого в офтальмологии. Описываются средства, используемые ФДТ. Представляются актуальные проблемы ФДТ, а также предлагаются методы и средства для их решения. Освещается проблематика взаимодействия медицины и математики, результаты, полученные в ходе совместной работы этих отраслей науки. Подробно разбирается процесс перехода от постановки задачи со стороны медицины до конкретной технической реализации решения с использованием возможностей математики и информационных технологий. Излагается алгоритм способа количественной оценки уровня флюоресценции, реализация данного алгоритма в виде программного обеспечения для анализа фотографий глазного дна пациента. Представлены дополнительные и вспомогательные функции программного обеспечения, позволяющие повысить качество анализа снимков глазного дна пациента.
программное обеспечение
алгоритм
информационное обеспечение
антимикробная фотодинамическая терапия
1. Белоцерковский О. М., Холодов А. С. Компьютерные модели и прогресс медицины. - М.: Наука, 2001. - 300 с.
2. Способ количественной оценки эффективности фотодинамической терапии хориоидальной неоваскуляризаци: патент на изобретение №2387471.2008 / Белый Ю.А., Терещенко А.В., Володин П.Л., Кучеров А.А., Шаулов В.В.
3. Володин П.Л. Фотодинамическая терапия с фотосенсибилизатором хлоринового ряда в офтальмологии: дис. ... д-ра мед. наук. - М., 2008. - С. 19-21.
4. Гельфанд И.М., Розенфельд Б.И., Шифрин М.А. Очерки о совместной работе математиков и врачей. - М.: Едиториал УРСС, 2005. - 309 с.
5. Ковеня В.М. Некоторые тенденции развития математического моделирования // Вычислительные технологии. - 2002. - Т. 7, № 2 - С. 59-73.
6. Петров И. Б. Математическое моделирование в медицине и биологии на основе моделей механики сплошных сред // Труды МФТИ. - 2009. - Т. 1, № 1. - С. 5-16.
7. Тамарова Р. М. Оптические приборы для исследования глаза. - М.: Медицина, 1982. - С. 125-133.

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

  1. Разработан метод анализа уровня флюоресценции областей скопления светочувствительного вещества на снимках глазного дна глаза человека.
  2. 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.


Библиографическая ссылка

Галкин В.А., Белый Ю.А., Кучеров А.А. Инструментальные и программные средства антимикробной фотодинамической терапии // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 3-2. – С. 383-386;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=29613 (дата обращения: 17.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074