Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине (стр. 10 )

1  2

Рис. 1.18. 1 – Построения моделей по методу : распределение физического поля вокруг тела человека (аура); 2 – секторная диаграмма распределения площади свечения отдельных зон пальцев рук

Основными количественными характеристиками газоразрядных изображений являются:

1. Интегральные параметры:

S – общая площадь свечения, определяемая как сумма пикселей с яркостью выше заданного порога;

J – интегральная яркость свечения, определяемая как сумма яркостей пикселей с яркостью выше заданного порога;

Jср – средняя яркость свечения, определяемая как отношения интегральной яркости к общей площади свечения;

L – длина периметра, определяемая как сумма пикселей внешнего контура свечения.

2. Спектральные параметры:

– яркостной спектр (гистограмма распределения яркостей) – показывает количество пикселей с заданной яркостью в анализируемом изображении;

– фрактальный спектр – показывает количество связных компонентов заданного размера в анализируемом изображении;

– площадь спектра (яркостного или фрактального) – сумма значений функции спектра для всех ее аргументов;

– медиана спектра (яркостного или фрактального) – значение аргумента функции, делящего площадь спектра пополам.

Фрактальный параметр: коэффициент формы – определяется как отношение квадрата периметра к площади.

Структурные параметры:

– количество и средняя длина стримеров;

– количество связных компонентов изображения и их площадь.

Статистические параметры: Средние значения и дисперсии параметров по выборке.

Вероятностные характеристики:

1. Дисперсия:

, ,

где – нормированная функция F(x) радиального распределения параметра изображения (напр., яркости) при ;

– математическое ожидание функции ;

– нормированная функция G(f) распределения плотности значений f(x), где .

2. Энтропия – мера отклонения от равновесия (степень разброса параметров), убывающая при стремлении к равновесному состоянию

, .

3. Автокорреляционная функция – характеристика регулярности процесса, степень повторяемости свойств f(x) на определенном расстоянии – y

.

[28, 29, 31].

Области применения и перспективы биоэлектрографии

За последние годы развития биоэлектрографии определились следующие основные области ее применения:

– разработка медицинских диагностических методик;

– исследование психофизиологического состояния человека;

– изучение свойств различных жидкостей, веществ, минералов.

Медицинская диагностика. Направление основано на предложенных Питером Манделем и развитых принципах секторального разбиения изображений пальцев рук (ног) и их привязки к органам и системам организма человека с использованием восточных представлений о системе меридианов и биологически активных точек, а также практического опыта. Кроме этого, для диагностики используются параметрические оценки изображений газоразрядного свечения, дающие возможность делать заключения о норме, дисфункции или гиперфункции органа или системы организма.

Метод биоэлектрографии имеет следующие достоинства, важные для применения в медицинской практике:

–  возможность скрининга и мониторинга как за комплексным состоянием организма, так и его отдельных частей;

–  объективность контроля;

–  неинвазивность;

–  методическая простота, удобство и оперативность контроля;

–  наглядность и интерпретируемость результатов, возможность хранения и обработки [28].

Исследования психофизиологического состояния организма. Для отсекания компонентов, связанных с биофизическими процессами на кожном покрове (перспирации, газовыделения, поверхностных веществ), используется методика съемки через полимерный фильтр [32, 33], что позволяет разделить информацию о работе симпатической и парасимпатической нервной системы и на основе вычисления параметров изображений, полученных в различных условиях съемки, вычислить индекс стресса для оценки психофизиологического состояния [28].

Получены статистически достоверные результаты, подтверждающие связь параметров изображений газоразрядного свечения (площадь свечения, коэффициент формы, количество фрагментов, наличие удаленных фрагментов – «дистантная эмиссия») с психоэмоциональным состоянием высококвалифицированных спортсменов, их психофизической готовностью и успешностью соревновательной деятельности, что позволяет успешно использовать метод биоэлектрографии в спортивной психодиагностике [34].

Изучение жидкофазных объектов. Для исследования жидкофазных объектов (образцов крови, растворов препаратов и т. п.) разрабатываются специальные методические приемы, которые позволяют выявлять действие различных факторов на их качество [35]. В настоящее время развиваются новые технические подходы, связанные с анализом динамики развития газоразрядного свечения путем съемки avi-файлов.

Глава 2

Телевизионная визуализация фотолюминесценции

1. Принципы построения телевизионных спектральных систем (ТСС)

Определение и классификация ТСС. Обобщенная структурная схема ТСС. Описание основных компонентов системы.

Классификация ТСС

Под ТСС понимается система, в которой интегрированы все необходимые компоненты для возбуждения люминесценции исследуемого объекта и регистрации ее телевизионного изображения. В состав ТСС входят средства светозащиты объекта, источник возбуждения люминесценции и телевизионная камера в качестве приемника люминесценции.

ТСС могут быть условно классифицированы следующим образом:

1)  по количеству спектральных диапазонов, в которых производится визуализация люминесценции:

Моноспектральные ТСС – предназначены для обнаружения объекта с априорно известными спектральными характеристиками, имеют фиксированные светофильтры С1 и С2, выделяющие соответственно спектр поглощения и спектр люминесценции. Моноспектральная ТСС применяется, например, для визуализации продуктов ПЦР, которые в лаборатории, как правило, окрашивают только одним люминесцирующим красителем.

Мультиспектральные ТСС – предназначены для обнаружения широкого класса объектов, обладающих различными спектральными характеристиками, в том числе априорно неизвестными. Они имеют наборы светофильтров С1 и С2. Эти наборы могут быть дискретными при использовании стандартных цветных оптических стекол и узкополосных интерференционных светофильтров или плавными при применении клиновидных интерференционных фильтров. Мультиспектральные ТСС необходимы при криминалистических исследованиях, поскольку очень часто заранее неизвестны физико-химические свойства веществ, примененных при нарушении подлинности документов.

2)  По типу источника возбуждения люминесценции (ИВЛ):

Непрерывные, в которых используются ИВЛ, постоянно излучающие свет во время работы ТСС. Это могут быть, например, галогенные источники света видимого диапазона для возбуждения инфракрасной люминесценции, а также эритемные или бактерицидные лампы для возбуждения ультрафиолетовой люминесценции.

Очевидным достоинством непрерывных ТСС является возможность наблюдения люминесценции в реальном времени. Однако, в ряде случаев энергетических характеристик непрерывных ТСС недостаточно для обнаружения слаболюминесцирующих объектов. Тем не менее, они имеют наибольшее распространение в силу простых технических решений и удобств эксплуатации.

Импульсные, в которых используются лампы-вспышки, обладающие высокой мощностью излучения в импульсе.

В отличие от непрерывных, импульсные ТСС не обеспечивают возможность работы в реальном времени. Они более сложны в реализации, так как данный режим работы требует синхронизации процессов вспышки и захвата информационного телевизионного кадра. Импульсные ТСС применяются, как правило, для обнаружения слаболюминесцирующих объектов. Обычно импульсный режим работы в ТСС является дополнительным к непрерывному и используется для более качественной визуализации люминесцирующих объектов.

3)  Классификация по типу приемника люминесценции ПЛ:

Стандартные, имеющие фотоприемник обычной чувствительности до 0,01 лк.

Высокочувствительные, имеющие фотоприемник с чувствительностью от 0,01 лк и выше. Такие фотоприемники имеют или увеличенное время накопления на мишени, или электронно-оптические преобразователи (ЭОП).

4)  Классификация по условиям эксплуатации:

Стационарные, предназначенные для проведения исследований в лабораторных условиях.

Мобильные, имеющие малые габариты, массу и автономный источник питания для работы в условиях выезда на место происшествия.

Рис. 2.1.1. Условная классификация ТСС

При построении ТСС, предназначенной для визуализации люминесцирующих объектов, решается задача оптимального выбора компонентов системы, исходя из необходимости достижения наилучшего качества получаемого изображения, а именно: контрастности и различимости деталей. Ниже рассматривается обобщенная структурная схема ТСС и отдельные составные части.