Raport 2019

Opracowanie modelu fantomu tkanek skóry do testów z użyciem promieniowania terahercowego

Celem prac było  opracowanie modelu  ludzkiej tkanki dla fali terahercowej. Najpierw przeprowadzono analizę literatury dotyczącej tego zagadnienia. Analizowane artykuły dotyczyły pomiaru parametrów tkanki skórnej człowieka, zarówno zdrowej jak i objętej chorobą w postaci raka podstawnokomórkowego. Na podstawie wyników uzyskanych w badaniach spektroskopowych dla tych tkanek uzyskano informacje dotyczące wartości współczynników załamania oraz absorpcji dla fali terahercowej. Analiza literaturowa pozwoliła na sformułowanie założeń teoretycznych co do wartości wspomnianych współczynników dla modelu tkanki badanego falą terahercową o częstotliwości 0,5 THz.

Kolejnym krokiem było określenie, jaki materiał nadaje się najbardziej do stworzenia modelu tkanki. W tym przypadku również posłużono się literaturą, na jej podstawie zdecydowano się na wykorzystanie substancji TX-151 w opracowywaniu modelu tkanki.

W trakcie realizacji prac przeprowadzono 3 główne serie pomiarowe, podczas których wykonano 45 próbek składających się z mieszaniny  TX-151 oraz wody i innych substancji dodatkowych. Opracowane modele tkanki badano falą terahercową przy użyciu spektroskopu TPS Spectra 3000 znajdującego się w Instytucie Optoelektroniki na Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie.  Udało się wyodrębnić kilka składów, które z powodzeniem  pod względem współczynnika absorpcji oraz załamania mogą imitować ludzkie tkanki.

Przy pierwszych próbach stworzenia fantomów tkanki okazało się, że postępowanie z mieszaniną wody i TX-151 wymaga odpowiedniego przygotowania. Próbka powinna mieć niewielką grubość, być sztywna ale nie na tyle, żeby pękać. Przed opracowaniem mieszaniny pozwalającej na uzyskanie zastygających i niepękających próbek, przetestowano wiele różnych proporcji składników. Duża ilość proszku w stosunku do wody powodowała zbyt szybkie sztywnienie próbki oraz całkowity brak kontroli nad jej grubością. Natomiast duża ilość wody w stosunku do proszku sprawiała, że próbka zastygała bardzo powoli albo wcale. Przy niektórych składach próbek występowały pęcherze powietrza lub grudki nierozrobionego proszku, a następnie po zastygnięciu pęknięcia. Tabela 1 zawiera obserwacje dotyczące zachowania próbek o danym stosunku wody, proszku  i dodatku, po pierwszych próbach ich zmieszania w celu uzyskania jednolitej substancji.

Tabela 1 Uwagi dotyczące zachowania mieszaniny wody i TX-151 podczas pierwszych prób uzyskania jednolitej substancji.

Stosunek mieszaniny       woda : proszek : dodatek	Dodatek	Uwagi
7 : 1 : –		Próbka nie zastyga
2 : 1 : –		Próbka zastyga, pojawiły się pęknięcia
4 : 1 : 1	Olej	Próbka nie zastyga
5 : 1 : 1	Olej	Próbka nie zastyga
3 : 1 : 2	Kreda	Próbka zastyga, pojawiły się grudki
3 : 2 : 1	Sól	Próbka zastyga, pojawiły się pęknięcia

Wyniki dla pierwszej udanej serii pomiarowej opracowano w taki sposób, że zestawiono na wykresach współczynniki załamania oraz absorpcji dla próbek o różnej grubości ale tym samym składzie. Zależności współczynnika załamania i absorpcji od częstotliwości promieniowania terahercowego dla próbek o numerze 1 przedstawione zostały na Rys. 1 i Rys. 2.

Każda z przeprowadzonych serii pomiarowych pozwoliła uzyskać informacje o tym jaki skład należy rozważać przy próbach stworzenia modelu ludzkiej tkanki dla fali terahercowej o częstotliwości 0,5 THz. Podczas badań udało się kilkukrotnie pozyskać próbki, które spełniały założenia teoretyczne tkanek.

Poszukiwanie przepisu na model zdrowej tkanki ze względu na współczynnik absorpcji przyniosło następujące rezultaty. Tabela 2 przedstawia próbki, których wartości współczynników absorpcji dla częstotliwości 0,5 THz są najbardziej zbliżone do założeń teoretycznych.

Tabela 2 Próbki najlepiej dopasowane do założeń teoretycznych do zdrowej tkanki pod względem współczynnika absorpcji.

Numer próbki	Grubość próbki [mm]	α      [mm-1]
1	0,4	10,00
2	0,3	9,70
5	0,3	9,80
6	0,4	10,00
7	0,4	10,70
8	0,4	9,80
25	0,5	9,70
45	0,3	10,70

Biorąc pod uwagę informacje zawarte w powyższej tabeli okazuje się, że aby uzyskać model tkanki o współczynniku załamania równym współczynnikowi załamania zdrowej ludzkiej skóry należy stworzyć mieszaninę wody i proszku TX-151 w proporcji 1:1 i grubości 0,4 mm lub w proporcji 4:1 z dodatkiem soli, gdzie stosunek wody do soli wynosi 10:1, a próbka ma grubość 0,4 mm. Te dwa składy spośród wszystkich 45 próbek wykazały idealne dopasowanie do założeń teoretycznych dotyczących współczynnika załamania skóry dla częstotliwości 0,5 THz.

Poza szukaniem przepisu na idealny model zdrowej ludzkiej skóry, próbki stworzone podczas badań mierzono również pod kątem dopasowania do założeń teoretycznych dotyczących parametrów najczęściej występującego nowotworu skóry BCC. W Tabeli 3. zawarto próbki, które wykazały wartości współczynnika załamania najbardziej zbliżone do wartości tego współczynnika dla BCC.

Tabela 3 Próbki najlepiej dopasowane do założeń teoretycznych do chorej tkanki pod względem współczynnika załamania.

Numer próbki	Grubość próbki [mm]	n
6	0,1	2,55
10	0,3	2,31
14	0,5	2,22
20	0,5	2,23
35	0,3	2,23
36	0,3	2,36
36	0,5	2,32
37	0,5	2,18

Najbliżej wartości współczynnika załamania dla BCC dla częstotliwości 0,5 THz okazały się wyniki próbek zawierających mąkę (20 i 35), co ciekawe obie próbki miały niemal identyczny skład, różniły się ilością dodatku oraz grubością. W związku z tym nasuwa się wniosek, że model tkanki objętej chorobą z powodzeniem odwzorowujący wartość współczynnika załamania BCC jest mieszaniną wody, proszku TX-151 oraz mąki.

Poprzez przeprowadzone badania udało się również wyodrębnić kilka modeli odpowiadających założeniom dotyczącym współczynnika absorpcji BCC. Wyniki te przedstawiono w tabeli 4.

Tabela 4 Próbki najlepiej dopasowane do założeń teoretycznych do chorej tkanki pod względem współczynnika absorpcji.

Numer próbki	Grubość próbki [mm]	α      [mm-1]
3	0,3	12,60
4	0,3	11,40
6	0,1	13,70
24	0,3	12,22
44	0,5	12,10

Najlepiej dopasowanym modelem chorej tkanki pod względem współczynnika absorpcji dla fali terahercowej o częstotliwości 0,5 THz okazała się próbka będąca mieszaniną wody i TX-151 w proporcji 3:1 bez żadnego dodatku.

Najciekawszym modelem który, który wykazał zbieżność badanych parametrów do założeń teoretycznych jest próbka o numerze 6 i grubości 0,1 mm z dodatkiem soli.