Введение к работе
Актуальность работы
Реконструкция пространственного распределения источников излучения в рассеивающих биологических средах является одной из важных задач физики конденсированного состояния. Актуальность таких исследований состоит в том, что без них не могут разрабатываться и развиваться новые оптические методы неинвазивного исследования биологических тканей, в частности, оптическая томография. Особым направлением оптической томографии является люминесцентная томография, задачей которой является восстановление пространственного распределения люминофора, предварительно введенного в исследуемый объект. Разработка методов люминесцентной томографии связана с решением ряда принципиальных проблем, основной из которых является сложность процесса взаимодействия оптического излучения с веществом, в особенности, процесса рассеяния оптического излучения в биологических тканях. При этом рассеяние носит преобладающий характер и при возбуждении люминесцентного излучения, и при прохождении люминесцентного излучения через биологическую среду.
Задачей люминесцентной томографии является нахождение пространственного распределения источников люминесцентного излучения (люминофора, предварительно введённого в исследуемый объект и облучённого возбуждающим излучением). При этом на детекторе регистрируется суперпозиция излучения от разных точек объекта. Тогда реконструкцию пространственных распределений источников люминесцентного излучения можно было бы осуществить общими методами эмиссионной вычислительной томографии, если бы не влияние сложного процесса рассеяния излучения. Однако, отличительной особенностью люминесцентной томографии является возможность управляемого облучения исследуемой области объекта, что позволяет использовать физические механизмы взаимодействия излучения с веществом при разработке новых методов нахождения пространственного распределения люминофора.
Взаимодействие оптического излучения с рассеивающей средой описывается интегро-дифференциальным уравнением переноса излучения (УПИ), которое в общем виде не имеет аналитического
решения. Поэтому обьгано рассматриваются более простые модели (приближения), которые, за счёт дополнительных предположений, значительно упрощают вид УПИ и, как следствие, описание прохождения оптического излучения через СРС. Такими дополнительными предположениями могут быть предположения о свойствах среды, о свойствах и виде решения УПИ, о свойствах источника и т.д.
В настоящее время одним из перспективных приближений является приближение «рассеяние прямо назад» (РПН), описывающее прохождение оптического излучения через рассеивающую среду, в которой рассеяние всегда происходит на угол 180. Эффективность этого приближения ранее была показана на примере трансмиссионной томографии пропорциональных рассеивающих сред. Использование приближения РПН позволяет эффективно учесть рассеяние излучения, как при возбуждении люминофора, так и при прохождении люминесцентного излучения через рассеивающую среду.
Для регистрации и визуализации пространственного распределения люминофора могут быть использованы однопинхольные и многоканальные коллиматоры, которые, в отличие от линз, нечувствительны к длине волны. В то же время возможно применение плоских многопинхольных кодирующих коллиматоров (ЬЖ), которые в совокупности с позиционно-чувствительным детектором (ПЧД) образуют интегрально-кодовую систему измерений (ИКСИ). КК, так же как и однопинхольный коллиматор, нечувствителен к длине волны, однако он обладает ещё и чрезвычайно полезным свойством фокусировки, что делает его похожим на линзу. Кодирующие коллиматоры имеют также хорошие помехоподавляющие свойства. Важной особенностью использования ИКСИ является процедура декодирования. При этом, для полной реконструкции пространственного распределения источников люминесцентного излучения необходимо использовать итерационные алгоритмы решения систем линейных алгебраических уравнений большой размерности.
Кодирующие коллиматоры строятся на основе двумерных таблиц, которые в свою очередь строятся на основе одномерных последовательностей нулей и единиц, обладающих специальными свойствами. Проведенные обширные исследования в области построения и анализа свойств кодирующих коллиматоров и
интегрально-кодовых систем измерений на их основе позволяют использовать более 70 000 различных КК. Численно рассчитанные глубинные аппаратные функции кодирующих коллиматоров являются удобным инструментом анализа томографических свойств КК. Аппаратные функции и их характеристики, сведенные в единую базу данных, позволяют не только выбирать лучшие из всего множества возможных, но и проводить статистический анализ характеристик КК.
В диссертационной работе предложен и исследован новый метод реконструкции пространственных распределений источников люминесцентного излучения в рассеивающих конденсированных средах с использованием интегрально-кодовых систем измерения. Предложенный метод основан на возбуждении плоскости объекта, параллельной плоскости позиционно чувствительного детектора, и последующем сканировании объекта этой плоскостью. Для исследования предложенного метода была разработана программа моделирования и экспериментальная установка для реконструкции пространственного распределения люминофоров. Для полной реконструкции пространственного распределения люминофоров был предложен итерационный алгоритм решения системы линейных алгебраических уравнений, основанный на операции обратного проецирования через кодирующий коллиматор изображения на детекторе для формирования очередного приближения.
Целью работы являлись разработка и исследование нового метода реконструкции пространственных распределений источников люминесцентного излучения в рассеивающих конденсированных средах с использованием интегрально-кодовых систем измерений.
Научная новизна работы
-
Предложен способ реконструкции пространственного распределения люминофора внутри рассеивающей среды с использованием интегрально-кодовых систем измерения.
-
Получено точное аналитическое решение уравнения переноса излучения на основе приближения «рассеяние прямо назад» для точечного изотропного источника излучения, помещенного в однородную рассеивающую среду, как в полубесконечном случае, так и в случае ограниченного слоя.
-
Предложен итерационный алгоритм реконструкции пространственных распределений источников излучения, основанный
на операции обратного проецирования при использовании интегрально-кодовых систем измерения.
4. Экспериментально установлена возможность реконструкции пространственного распределения люминофора с использованием интегрально-кодовых систем измерения.
Научная и практическая ценность работы
-
Предложенный метод реконструкции пространственного распределения люминофора внутри сильнорассеивающей среды может быть использован при исследовании рассеивающих свет биологических образцов.
-
Найденное точное аналитическое решение уравнения переноса излучения для однородной среды на основе приближения «рассеяние прямо назад» в случае точечного изотропного источника излучения, помещенного внутрь рассеивающей среды, может быть использовано при исследовании прохождения оптического излучения через рассеивающую среду.
-
Разработанная программа моделирования люминесцентной томографии может быть использована для изучения влияния различных параметров установки на качество реконструкции.
-
Разработанная экспериментальная установка может быть использована как для изучения распространения люминесцентного излучения в рассеивающих средах, так и для получения исходных данных для последующей реконструкции пространственных распределений люминофора.
-
Полученные результаты исследования могут быть использованы при разработке новых типов люминесцентных томографов.
Основные научные положения, выносимые на защиту
-
Предложенный метод на основе интегрально-кодовой системы измерений позволяет осуществить реконструкцию пространственного распределения люминофора с учётом рассеяния излучения внутри конденсированной среды.
-
Полученное точное аналитическое решение уравнения переноса излучения на основе приближения «рассеяние прямо назад» в случае точечного изотропного источника излучения, помещённого внутрь однородной рассеивающей среды, позволяет учесть процесс рассеяния при распространении люминесцентного излучения в такой среде.
3. Разработанный итерационный алгоритм реконструкции пространственного распределения люминофора с использованием интегрально-кодовых систем измерений сходится в 10-20 раз лучше по среднеквадратичному отклонению, чем использовавшиеся ранее алгоритмы.
Достоверность научных положений, результатов и выводов обеспечена их соответствием известным теоретическим и экспериментальным фактам, хорошим совпадением результатов экспериментальных измерений при многократном их повторении, согласием экспериментальных и теоретических данных, а также данных, полученных в ходе компьютерного моделирования.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на, XV, XVI, XVII, XVIII, XIX, XX всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Москва, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013); на Научной сессии НИЯУ МИФИ 2008, 2009, 2010, 2011, 2013; на VIII, IX, X, Международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Владимир, 2008, 2010, 2012); на XVIII международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика 2012» (Москва, 2012); на V Троицкой конференции "Медицинская физика и инновации в медицине" (Троицк, 2012); на Всероссийской конференции «Биомедсистемы» (Рязань, 2010, 2011, 2012); на III, IV, V, VI Московско-Баварских студенческих школах (Moscow-Bavarian Joint Advanced Student School, Moscow, 2007, 2008, 2009, 2011); на 4, 5, 6, 7, 8 Российско-Баварских конференциях по биомедицинской инженерии (Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering, Moscow, 2008; Munich, 2009; Moscow, 2010; Erlangen, 2011; Saint-Petersburg, 2012); на 1, 2, 3, 4 окружных научно-технических конференциях молодых учёных и специалистов (Москва, 2009, 2010, 2011, 2012), на научных семинарах кафедры биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ».
Работы по теме диссертации проводились в рамках грантов Министерства образования и науки РФ №РНП.2.1.1/493 (2009-2010), №РНП.2.1.1/12785 (2011). Кроме того работы по теме диссертации
были поддержаны персональными грантами Министерства образования и науки РФ № 14.132.21.1762 (2012-2013), Российского фонда фундаментальных исследований № 12.02.31634 (2012-2013) и грантами для аспирантов МИЭТ (2010, 2011, 2012).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 42 научные работы, в том числе 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК: "Известия вузов. Электроника" - 2, "Измерительная техника" - 2, "АНРИ" - 1, "Вестник Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ"" -1, "Ядерная физика и инжиниринг" -1.
Личный вклад автора
В основу диссертации легли результаты исследований, выполненных лично автором на кафедре биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ». Личный вклад автора состоял также в непосредственном участии в получении исходных данных, в апробации результатов исследования, в обработке и интерпретации экспериментальных данных, в подготовке основных публикаций по выполненной работе.
Объём и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы, содержит 139 страниц текста, 99 рисунков и 15 таблиц. Список литературы включает 97 наименований.
