Введение к работе
^ 2 2 S
Актуальность темы. Исследования, которым посвящена данная диссертация, относятся к области создания нового вида неинвазивнои медицинской диагностики внутренних органов - оптической диффузионной томографии.
В настоящее время существует несколько видов томографии, применяемых в медицинской практике: рентгеновская, магнитно-резонансная, доплеровская ультразвуковая, позитронно-эмиссионная, оптическая когерентная томография. Новый метод диагностики — оптическая диффузионная томография (ОДТ) - только приближается к своему клиническому воплощению.
Этот метод диагностики использует излучение видимого и ближнего ИК диапазонов в терапевтическом окне (0.8 < Л < 1.0 мкм), где биоткани имеют минимальный уровень поглощения. Поскольку рассеяние биотканей высоко, тело человека не прозрачно, однако теоретически показано и экспериментально подтверждено, что существует возможность просвечивать органы толщиной порядка 10-15 см, получая регистрируемый уровень сигнала (распространяясь через подобные объекты от источника к приемнику, сигнал претерпевает ослабление до 10"'). Результаты измерений прошедшего излучения используется в качестве данных для последующей компьютерной обработки и получения изображений внутренних неоднородностей.
Методы оптической томографии дают информацию, которая не может быть получена с помощью других видов томографии. Используя методы ОДТ можно отдельно восстанавливать распределение коэффициента поглощения, рассеяния и люминесценции биотканей на разных длинах волн. Это позволяет получить картину степени оксигенации тканей (распределение гемоглобина в окси и дезокси состояниях), распределения и концентрации различных цитохромов (билирубин, меланин, цитохром-оксидаза), а также воды, что дает возможность диагностировать возникновение онкологических заболеваний на ранних стадиях, нарушение кровообращения головного мозга, возникновение отеков и тромбов, а также наблюдать метаболические процессы и функции различных органов. Наиболее перспективными областями применения методов ОДТ являются диагностика ранних стадий онкологических заболеваний молочной железы, а также наблюдение функциональной работы мозга в режиме реального времени.
В настоящее время работы в области ОДТ являются одним из наиболее перспективных направлении создания медицинского диагностического оборудования. Каждый* год проводятся по меньшей мере 3 международные конференции, посвященные этим вопросам, и это помимо специализированных секций большинства важнейших конференций по биомедицинской тематике пб тсодзнщрзмййВЙЭД! ішре в
I БИБЛИОТЕКА ]
эти исследования вовлечены многие научно-исследовательские центры. Многие крупные компании проводят исследования в этой области. Специально для создания и производства оптических томографов организовано несколько венчурных компаний.
Однако, несмотря на высокий технический уровень развития данного направления, в клинической практике оптические томографы еще широко не внедрены. Основной причиной тому является отсутствие подходящих алгоритмов реконструкции для оптической томографии. Специфика задачи заключается в том, что в биологических объектах, обладающих сильным светорассеянием, распространение излучения оптического диапазона нельзя описывать прямолинейными траекториями, как это делается в рентгеновской томографии. Вследствие этого быстрые прямолинейно-проекционные алгоритмы, разработанные для рентгеновской юмографии, при применении к оптическом задачам вызывают значительные ошибки в восстановленном изображении. Итерационные методы реконструкции, разработанные специально для оптической томографии, позволяют получать восстановленные изображения хорошего качества, однако требуют большого объема и времени вычислений.
В связи с этим тема диссертации, посвященная обоснованию и разработке траєкторного алгоритма реконструкции изображений в сильно рассеивающих средах, позволяющего на порядки сократить время вычислений, безусловно, актуальна
Целью диссертационной работы является создание быстродействующего траєкторного алгоритма реконструкции для диффузионной оптической томографии.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
1. выполнить теоретический анализ процесса распространения
излучения видимого и ближнего ИК диапазонов в
сильнорассеивающих объектах, размеры которых много больше длины
свободного пробега фотона;
2. провести эксперименты по численному моделированию процесса
распространения излучения в ограниченных сильнорассеивающих
объектах, аналитически рассчитать его статистические
характеристики;
подобрать и уточнить аппроксимации статистических характеристик процесса распространения излучения от источника к приемнику;
провести эксперименты по исследованию процесса распространения излучения в ограниченных сильнорассеивающих объектах;
5. создать траекторный алгоритм реконструкции и проверить
эффективность его использования для раздельного восстановления
поглощающих и рассеивающих неоднородностей.
Научная новизна работы определяется совокупностью впервые выполненных исследований и впервые полученных результатов:
Обоснован оригинальный метод средних траекторий фотонов,
позволяющий описать процесс распространения оптического
излучения от источника к приемнику при помощи вероятностных
характеристик: средней траектории фотонов (СТФ);
среднеквадратического отклонения (СКО) фотонов от СТФ; средней
скорости распространения фотонов вдоль СТФ
Для наиболее простых геометрий объектов: бесконечное пространство, полупространство, плоский слой и прямоугольный сектор формулы для определения СТФ, СКО и средней скорости получены аналитически.
В ограниченных объектах, кроме полупространства, введена аппроксимация СТФ трсхсегментной ломаной линией, получены формулы для расчета длины отрезков. Получено аналитическое выражение для СТФ в полубесконечной среде.
Средняя траектория излучения от источника к приемнику, а также области, ограниченные величиной СКО впервые наблюдались в эксперименте по распространению синусоидально-модулированного излучения в рассеивающих объектах различной формы. Получено удовлетворительное совпадение экспериментально и теоретически определенных форм СТФ и областей, ограниченной величиной СКО. Подтверждена возможность аппроксимации СТФ ломаной линией.
Использование метода СТФ впервые позволило применить для создания алгоритмов реконструкции оптической томографии быстродействующие алгоритмы, разработанные для рентгеновской томографии.
За рекордно короткое время реконструкции получены оптические томограммы, по качеству не уступающие томограммам, полученным путем длительных вычислений итерационными методами.
Практическая значимость работы. Диссертационная работа представляет собой законченное исследование, в котором с единой точки зрения рассмотрена проблема восстановления изображения внутренней структуры сильнорассеивающего объекта и разработан оригинальный быстродействующий алгоритм реконструкции. Полученные результаты имеют как научное (построение средних траекторий и методика их аппроксимации с учетом формы объекта, экспериментальное наблюдение средних траекторий и «банановидных зон»), так и практическое значение (определение оптимального времени задержки момента регистрации сигнала, быстродействующий траекторный алгоритм реконструкции).
Полученные результаты найдут широкое применение при дальнейших исследованиях в оптической диффузионной томографии сильно рассеивающих сред.
Полученные в работе результаты использованы при выполнении исследований по грантам:
Грант РФФИ №02-02-17826 «Разработка быстрых алгоритмов томографической реконструкции оптической сгруктуры сильнорассеивающих объектов в режиме «сверхразрешения»», (2002);
Грант РФФИ «Программа поддержки ведущих научных школ» № 00-15-96605 (2000);
Грант МНТЦ «Разработка методов оптической трехмерной интроскопии-медицинской оптической томографии», No 280, (1999);
Грант РФФИ «Исследование статистических характеристик траекторий фотонов в сильнорассеивающих средах» No.97-02-18245, (1997);
Грант РФФИ «Программа поддержки ведущих научных школ» № 96-15-96380(1996)
и послужили основанием для получения грантов на участие в
конференциях:
Грант МНТЦ No.PDG-032/98 (1998), Грант РФФИ No.98-02-27578 (1998).
Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлением их с данными, полученными различными методами, а также, когда это возможно, результатами других авторов и сравнением с экспериментом. Используемые в диссертации модели имеют ясный физический смысл, а математическое рассмотрение ведётся на основе строгих методов математической физики. В расчетах использованы стандартные, проверенные алгоритмы.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
1. Несмотря на случайный характер траекторий фотонов в
сильнорассеивающих объектах, процесс распространения
оптического излучения от источника к приемнику можно описать при
помощи вероятностных характеристик:
средней траектории фотонов (СТФ)
среднеквадратического отклонения (СКО) фотонов от СТФ
средней скорости распространения фотонов вдоль СТФ
Для наиболее простых геометрий объектов: бесконечное пространство, полупространство, плоский слой и прямоугольный сектор формулы для определения СТФ, СКО и средней скорости были получены аналитически.
2. В реальных объектах, кроме полупространства, допускается
аппроксимация СТФ ломаной линией с конечным числом сегментов
(в простейшем случае их три). Получены формулы для расчета длины
отрезков трехсегментной ломаной линии. Отклонение такой
аппроксимации от СТФ много меньше величины СКО. На среднем
участке аппроксимации для описания распространения излучения
можно использовать формулы для СКО и средней скорости в бесконечном пространстве.
Метод, основанный на представлении относительной тени на поверхности рассеивающего объекта, вызванной внутренней макронеоднородностью, в виде интеграла по СТФ (метод СТФ), позволяет использовать для создания алгоритмов реконструкции оптической томографии быстродействующие алгоритмы, разработанные для рентгеновской томографии; при этом необходимо учитывать криволинейность СТФ и неравномерность средней скорости распространения излучения вдоль СТФ; точность реконструкции с помощью такого алгоритма определяется величиной области СКО для данного объекта.
Траекторный алгоритм, использующий метод СТФ, позволяет получать оптические томограммы, по качеству не уступающие томограммам, полученным итерационными методами, за рекордно короткие времена.
Метод СТФ позволяет проводить отдельно реконструкцию неоднородности распределения коэффициента диффузии и коэффициента поглощения без потери быстродействия алгоритма реконструкции.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях и школах:
Международная конференция Biophotonics 2002, 18-20 октября, Ираклион, Крит, Греция.
Международная Школа для молодых ученых и студентов по оптике, лазерной физике и биофизике Saratov Fall Meeting - SFM'02 (International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Biophysics, Workshop on Optical Technologies in Biophysics & Medicine III) 2-5 октября, 2002, Саратов, Россия
Международная конференция IQEC/LAT 2002, , 22-27 июня 2002, Москва, Россия.
Международная Школа для молодых ученых The NATO Advanced Study Institute "Wave Scattering in Complex Media: From Theory to Applications", 10-22 июня, 2002, Каргезе, Корсика, Франция.
Международная Школа Saratov Fall Meeting - SFM'01 (International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Biophysics, Workshop on Optical Technologies in Biophysics & Medicine III) 2-6 октября, 2001, Саратов, Россия
Международная конференция OSA\SPIE's European Conferences on Biomedical Optics, 17-21 июня, 2001, Мюнхен, Германия.
Международная конференция SPIE/BiOS Photonics West -01, 20-26 января, 2001, Сан Хосе, США
Международная Школа Saratov Fall Meeting-2000, 2-6 октябрь, 2000, Саратов, Россия.
Международная конференция BiOS Europe'2000, 2-8 июля, 2000, Амстердам, Нидерланды.
10. Международная конференция X Conference on Laser Optics, 22-26
июня, 2000, Санкт-Петербург, Россия.
11. Международная конференция SPIE's 44th Annual Meeting "International
Symposium on Optical Science, Engineering and Instrumentation",
Conference 3816 "Mathematical Modeling, Bayesian Estimation, and
Inverse Problems", 18-23 июля, 1999, Денвер, США.
12. Международная конференция CLEO*/Europe-EQEC Focus Meetings,
Internal conference "Biomedical Optics", 13-17 июня, 1999, Мюнхен,
Германия
Международная конференция SPIE/BiOS West-99, 23-29 января, 1999, Сан Хосе, США
Международная конференция "Applied Optics", 15-19 декабря, 1998, Санкт-Петербург, Россия.
15. Международная конференция EUROPTO/BiOS Europe-98, 08 - 12
сентября, 1998, Стокгольм, Швеция.
Международная конференция «IXth Conference on Laser Optics" 22 - 26 июня, 1998, Санкт-Петербург, Россия.
Международная конференция "Semiconductor and Solid - State Lasers in Medicine", 29 - 30 мая, 1998, Санкт-Петербург, Россия.
18. Международная конференция Biomedical Optics'98 SPIE/BiOS West,
24-30 января, 1998, Сан Хосе, США.
19. Международная конференция EUROPTO/BiOS Europe-97, 4-8
сентября, 1997, Сан-Ремо, Италия.
20. Международная конференция Biomedical Optics'97, SPIE/BiOS West, 8
- 14 февраля 1997 г., Сан Хосе, США.
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа (16 статей, 5 тезисов докладов на научных конференциях), список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Основная идея работы была сформулирована при участии автора диссертации и заключается в разработке и исследовании траєкторного алгоритма реконструкции в диффузионной оптической томографии. Для осуществления этой задачи автор выполнила теоретический анализ процесса распространения оптического излучения в сильно рассеивающих средах, провела численное моделирование процесса распространения излучения в конечных объемах таких сред и исследовала статистические характеристики этого процесса, приняла участие в эксперименте, позволившем определить статистические характеристики рассеянного
излучения от синусоидально - модулированного непрерывного излучателя. Автором разработана программа пробного алгоритма реконструкции томограммы на основе траєкторного метода и впервые получены томограммы поглощающей неоднородности за рекордно короткое время счёта без ухудшения качества изображения. Автор благодарит коллег и соавторов публикаций, участвовавших в отборе и анализе литературных источников, постановке задач проведенных исследований, подготовке и проведении экспериментов, численном моделировании теней от макронеоднородностей, создании компьютерных кодов алгоритма реконструкции поглощающих и рассеивающих неоднородное! ей, обсуждении полученных результатов.
Структура и объем диссертации
