Диффузионная оптическая томография сильно рассеивающих объектов на основе быстрого алгоритма проекционного восстановления внутренней структуры

• Автор: Шутов, Илья Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 148 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
ГЛАВА
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТОМОГРАФИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ. БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
§1 Градацаанные гама1рафичеекае мегады даашаешки
§2 Оашчеекне гамафафачеекае м.ешды даашаешки баагканей
§3 Наеганавка задача днффузианнай аншчеекай 1ама1 рафии
ГЛАВА В
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС С ВРЕ МЯ-РАЗРЕШЕННЫМ СЧЕТОМ ФОТОНОВ ДЗЕЯ ДИФФУЗИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ
§1 Ьлак-ехем.а макега даффузааана1а шиачеши) тмшрафа
§2 Иракгачеекая реализация еаееемы регаеграцаа
§3 Иракгачеекая реализация енееемы ввада излучения
§4 Маделаравание диагнаешруемат абьекга
§ 5 Экенераменгы е мадельаыми абьекгама
ГЛАВА
БЫСТРЫЙ НЕЛИНЕЙНЫЙ АЛГОРИТМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ СИЛБНОРАССЕИВАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ
§1 Ираекциенный метл решения абрагнай задача
§2 Ьыегрый алшрагм араблаженнаю решения абрагаай задача
§ 3 Втрая игерация как. еааеаб ваееганавленая «мелкамаешгабнай»
егрукгуры даашаетруемых абьекгав
§ 4 Резулыады ваееганавленая «.мелках.» дегалей внутренней егрукгу-
ры аееледуемых абьектв
Заключение............................................... , 12В
Лигера1;ура
Введение
Акзуальнеезь нраблемы
Гамезрафия биалезнчеекнх ебьеквав а зканей являевея акзуальней задачей, ззмезощей азремнае аракладаае значение для еевременаей медицины. Паззаму адним из важнейших зребеванззй. предъявляемых к. лзебаму мегаду вамезрафан, являевея ега аезваваззвваеезъ (безвредааегь для нацнеага), Эш абевеявельевва араабрегаег аеабае значение в задачах даавнаевакн забалеваннй а гравмашче-еках ааврежденай залавлива мезва челавека (вемеврафввя вемавем, злакачеегвен-ньвх наваабразаванай а др.). Одним из наабалее вверевзеквавньвх, е ашй 1 ачвсзз зрения, мезадав ечаваезея ангачеекая замш рафия (.01'), в ка зарей зендаревааае даавнеевару емева ебьеква, в езлнчае аз наабалее раеввреевраненнева меведа ваме-фафнчееюай диазнаезаки — ренвв еневекей, нравадазея е ввеменв,ьва анзачеекаш азлу чения. каверее при разу мнам выбаре мащнаеза ечиваезея неаавазивным, Визуализация (ваеевааевлеане вну зренней евруквуры ебьеква), решение з'.н, «абразией» задачи, нравадазея на данным, палученным в резульзазе еераа измерений, араведенных ара различных палажениях аевачника излучения а фазанрнемнака. Как правила, для аверациенаых мезадав решения абразией задача неабхадамы мезады решения а нрямай задача (еввределенне харакзераешк выхедявцева аз ереды анвачеекава излучения ара заданных праевраневвенных раепределеннях апшчеекиххаракзераешк даав неевару емева ебьеква). Первые ввеввывквв решения абразией задачи анзачеекай шмазрафаа была аенаваны на выделении аз шнека феванев, выхедявцих аз даав аеевввру емева абьекза, вех фашаав, кеверые нрешлн на враекверввям блзззкам к ззрямаланейаьзм (в.а. баллневнчеекие фазаны). Гакая еелекцззя незвелала ввеввельзевавь для решеаззя абразнай задачи хереше еврабе-ваввввые нреекциенаые мезады, заимев веванные аз ренвв еневекей вамеврафии. К еежаленввве, баллиевачееквве фазаны еаезавляюз крайне малуве чаевь ввз ебаз,еве чнела ззрашедшззх февенев, чва накладываев вееьма жеевкае евраначения аа да-
tSvvùvnm

ну и гимые размеры диагноетируемых обьекюв. Отказ ог использования подобных методов селекции, г.е. регистрация вілли потока прошедших, дерев обьекг фотонов. позволяет резко у величінь ет допувгимые размеры. Однако, в в і ом влучає процедура решения обратной вадачи в-y сцеегвєнно у вложняегея. 1 іовкольку при таких у словиях регивграции фогоиов возможно провевгп диагиовгику ва иевколько минут. необходимы приближенные алюригмы, позволяющие вовегановигь внутреннюю структуру обьекга примерно ва такое же время. Ьще Ш леї' назад аппаратные возможности нереональньтх компьютеров бьшн навтолько влабыми, что не позволяли осуществить такую вадачу. Однако, активное раввигие компьютерных технологий привело к иереемогру лих предо гавлений и к текущему моменту уже опубликовано множевтво работ, поввященных теоретическому и жснеримен-тальному нввледованию потенциала методов оигичеекой юмотрафни. Настоящая диссертационная работа новвящена раввнтию одною ив направлений оигичеекой томографии без велекции фотонов — диффузионной оигичеекой томографии.
Цель дпевергациоппой работы
Целью диссертационной работы являє гоя развитие метода диффу знойной оптической томографии обьекюв о размерами более Lt>L>L) длии раооеяния. Для довти-жеиия повтавлеииой цели был разработай и воздан макет диффузионною ошиче-вкою томографа; проведена целая оерия женеримеигальных иввледоваиий (изменение оптических характерно тик модельною обьекга, иепользование различных типов включений и т.д.); предложен, реализован в соответствующем программном обевнечеиии и апробирован в реальных и чнвленньтх жеперименгах быегрый приближенный нелинейный вероятностный алюригм итерационной визуализации внутренней втруктуры диагновгируемых обьекюв.
Научная новизна
L. Иоказаио, что при решении вадачи диффузионной оигичеекой томографии обьекюв в оптическими харакгеривгиками, близкими к характеристикам
l'mw l §2. Оптические томографическиеметоды диагностики биотканей
определенный интервал времени («поставить временные ворота») и «подсчитать» число фотонов, прошедших по траекториям с длиной, примерно равной любой наттерёд заданной величине. Ширина этих ворот определяет разброс выделенных траекторий тто длине и, следовательно, точность измерений. Очевидно, что не имеет смысла делать ворота меньше длительности входною лазерною импульса.
Наиболее хорошо отработаны приемы решения обратной задачи проекционной томографии, поэтому проще всею расположить ворот а т ак, чтобы детектировать только те фотоны, которые прошли тто примой (т.н. баллистические фотоны).
Однако ттрп диагностике обьекюв большою размера (порядка сотен длин свободною пробега, см. рис. L.S) таких фотонов становится слишком мало. Поэтому практически всегда приходится идти иа определенный компромисс между чувствительностью приёмною тракта и пространственным разрешением метода. При этом полученное пространственное разрешение определяется корректностью решения обратной задачи, г.е, непосредственно зависит от тою, с какой точностью траект ории процегекгированных фотонов можно считать прямолинейными.
Сюит отметить, что наличие поглощения в среде облегчает задачу выделения траекторий, близких к прямолинейным, т.к. вероятность прохождения квантов к фогоприемнику экспоненциально падает с ростом длины траектории. Соответствующий метод стал называться методом диффузионной 01’, на котором мы остановимся чуть позднее. Однако не стоит забывать, что с ростом пот лощения уменьшается и общее число продегекгированиых фотонов, поэтому на практике положение ворот иа оси времени выбирается так, что фотоны от источника к приемнику проходят свой ну гь далеко ие тто прямой.
Основной недостаток метода — это достаточно высокая стоимость необходимою оборудования (нико- или фемтосекундный лазер, скоростной высокочувствительный приёмник и т.д.). К ею достоинствам можно отнести то, что для обьекюв небольшою размера временные ворота, в принципе, можно установить так, чтобы