Экспериментальное определение оптических характеристик сильнорассеивающих сред и реконструкция внутренних структур рассеивающих объектов методом трансмиссионной оптической томографии

• Автор: Долгушин, Сергей Анатолиевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Глава 1. Методы экспериментального исследования сильнорассеивающих сред
1.1 Введение
1.2 Исследование характеристик сильнорассеивающей среды
1.2.1 Характеристики сильнорассеивающей среды
1.2.2 Решения уравнения переноса излучения в диффузионной модели
1.2.3 Определение параметров биоткани
1.2.4 Экспериментальные системы для исследования однородных
сильнорассеивающих объектов
1.2.5 Экспериментальные системы для исследования неоднородных
сильнорассеивающих объектов
1.3 Системы для трансмиссионной оптической томографии
1.3.1 Оптическая томография при использовании непрерывного излучения
1.3.2 Оптическая томография при использовании импульсного излучения
1.3.3 Оптическая томография при использовании частотно-модулированного
излучения
1.4 Выводы
Глава 2. Распространение излучения через сильнорассеивающую среду
2.1 Введение
2.2 Преобразование Радона
2.3 Диффузионная модель
2.4 Нестационарная осевая модель
2.5 Выводы
Глава 3. Исследование оптических характеристик сильнорассеивающей среды
3.1 Введение
3.2 Экспериментальная установка для исследования прохождения импульсного оптического излучения через сильнорассеивающую среду
3.2.1 Аппаратная часть экспериментальной системы
3.2.2 Метод регистрации одиночных фотонов с временной корреляцией
3.3 Исследование временных распределений лазерного импульса, прошедшего
через слой сильнорассеивающей среды
3.3.1 Коррекция влияния аппаратной функции
3.3.2 Выделение баллистических фотонов
3.3.3 Исследование бимодальности временного распределения
3.4 Определение оптических характеристик сильнорассеивающей среды
3.5 Выводы
Глава 4. Реконструкция экспериментальных рассеивающих объектов методом трансмиссионной оптической томографии
4.1 Введение
4.2 Программно-аппаратный комплекс для исследований внутренних структур методом трансмиссионной оптической томографии
4.3 Реконструкция радиально-симметричных рассеивающих объектов
4.5 Выводы
Заключение
Список использованных сокращений
Список литературы

Актуальность работы
В последнее время большой интерес вызывают оптические (лазерные) методы исследования биологических тканей. Однако, на пути их развития возник целый ряд фундаментальных проблем. Главной из них является необходимость учета процесса рассеяния оптического излучения в биоткани, что существенно усложняет задачу описания прохождения оптического излучения через биологические среды.
Важным направлением в исследованиях сильнорассеивающих сред (СРС) является определение основных оптических характеристик: коэффициентов
поглощения, рассеяния, а также экстинкции. Экспериментальные исследования оптических характеристик СРС можно разделить на два направления, в зависимости от того, какая среда используется: модельная или реальная биологическая ткань. Во втором случае, при исследовании биоткани in vivo можно выделить два направления: а) определение оптических характеристик здоровой биоткани; б) определение оптических характеристик патологической биоткани.
Фактически, исследование процесса распространения оптического излучения через СРС и определение её оптических характеристик стало самостоятельным направлением исследований, в котором переход к томографии (восстановлению неоднородных пространственных распределений физических характеристик биотканей) только подразумевается. Разработка экспериментальной аппаратуры, новых моделей для описания распространения излучения через СРС, а также алгоритмов, учитывающих дополнительные параметры временного распределения, позволит улучшить точность результатов определения оптических характеристик.
Исследование прохождения лазерного излучения через СРС только по экспериментальным данным без достаточно точного теоретического описания взаимодействия излучения с веществом невозможно. Основой для такого описания является уравнение переноса излучения (УПИ). В общем случае УПИ не имеет аналитического решения, поэтому особое значение приобретают упрощённые модели, полученные из УПИ при дополнительных предположениях. В настоящее время наиболее распространены две модели - диффузионная и нестационарная осевая. Обе модели достаточно точно описывают прохождение оптического излучения через СРС, и на их основе могут быть получены аналитические выражения для временных распределений прошедшего через СРС излучения. Среди оптических методов исследования биологических СРС одним из наиболее совершенных методов, дающих информацию о пространственном распределении оптических характеристик и структуре таких объектов, является трансмиссионная оптическая томография (ТОТ). Однако сложность задачи математического описания взаимодействия лазерного излучения с СРС не позволила к настоящему времени разработать трансмиссионные оптические томографы, пригодные для серийного изготовления.
Разработка экспериментальной аппаратуры и эффективных алгоритмов для ТОТ позволит ускорить развитие этого метода, который доставит новую диагностическую информацию при исследовании патологических изменений в организме человека.
Целью работы являлось экспериментальное исследование оптических характеристик сильнорассеивающих сред и реконструкция их пространственного

В колледже г. Дартмута (США) разработана система для получения оптических томограмм молочных желез [152]. В системе используются 6 лазерных диодов с длинами волн 660, 761, 785, 808, 826, 849 нм излучение которых модулировалось на частоте 100 МГц, затем, через оптоволоконный переключатель 6x1 направлялось в 16 ОВ источников. Прошедшее через исследуемый объект излучение через 16 ОВ детекторов регистрировалось с помощью 16 ФЭУ Hamamatsu R6537. Регистрация сигнала от детектора и опорного сигнала от второго генератора (100.0001 МГц) осуществлялась гетеродинным методом на частоте 1 кГц.
Вокруг цилиндрической сканирующей системы размещались 16 моторизированных линеек, перемещением которых достигался максимально плотный контакт ОВ источников и детекторов с исследуемой молочной железой. Для получения набора двумерных сечений исследуемого объекта сканирующая система перемещалась на 20 мм по вертикали. В результате реконструкции [83, 84] из набора двумерных сечений были получены трёхмерные оптические изображения цилиндрических рассеивающих объектов с различными неоднородностями, а также молочных желёз in vivo [85, 154].
В Гарвардском медицинском колледже (США) впервые выполнен эксперимент, в котором выполнялось одновременное получение in vivo проекционных изображений молочных желёз рентгеновским и оптическим методом [97, 155]. Изображения (рентгеновские маммограммы) рентгеновским методом были получены с помощью системы маммографического томосинтеза. Для получения оптических изображений была сконструирована система для ТОТ в частотной области с плоско-параллельной системой сканирования (рис. 1.26, а), в которой использовалось два ЛД (длина волны 785 и 830 нм, мощность излучения 8 мВт, частота модуляции 70 МГц).
С помощью оптоволоконного переключателя 2x1 осуществлялся выбор одной из длин волн, а с помощью оптоволоконного переключателя 1x40 излучение направлялось в 40 ОВ источников, расположенные с шагом 1 см на нижней компрессионной пластине (рис. 1.26, б). Для регистрации излучения использовались 9 ЛФД Hamamatsu С5331-04. В экспериментальной системе не удалось реализовать одновременное получение изображений рентгеновским и оптическим способом в связи с тем, что изготовление полностью прозрачных для рентгеновского излучения плоско-параллельных компрессионных пластин оказалось невозможным. Поэтому сами пластины были выполнены быстросъёмными. Это позволило сократить до 90 с время, затрачиваемое на оптическое исследование, которое выполнялось его в три этапа.
Во-первых, в течении 60 с выполнялось оптическое исследование при стандартной для рентгеновской маммографии компрессии молочной железы, затем быстросъемные пластины убирались, и, без изменения положения молочной железы, выполнялась рентгеновская маммограмма. Во время рентгеновской маммограммы регистрация излучения осуществлялась плоско-панельным кремниевым детектором от системы маммографического томосинтеза. Система томосинтеза позволяла выполнять трёхмерную реконструкцию молочной железы по 11 проекциям. Регистрация проекций осуществлялась при поворотах с шагом 5°