Введение к работе
1. Актуальность темы
эмография, как метод исследования внутренней структуры объектов, злучила широкое распространение в различных областях науки, техники и едицины. Оптическая томография (ОТ) - это томография с применением іектромагнитного излучения оптического диапазона длин волн. Класс Зъектов и процессов, исследуемых методами ОТ, достаточно широк. Он эостирается от микрообъектов биологического происхождения до жусственных ионных образований в атмосфере. Это объясняется в первую іередь высокой диагностической ценностыо оптических констант (показателя эеломления и коэффициента поглощения) вещества и неразрутающим ірактером воздействия оптического излучения на объект. С оптическими шстантами связаны разнообразные физические величины, например, ютность вещества, концентрация различных химических элементов или штиц, температура, давление.
томографии хорошо разработаны методы реконструкции двумерных [ображений по одномерным проекциям. Поэтому обычно трехмерный объект ;ловно разбивался на набор параллельных слоев, для каждого из которых юстанавливалась двумерная томограмма. Следовательно, при таком подходе дача исследования внутренней структуры трехмерного объекта сводится к імографии двумерных объектов. В этом случае оси зондирующих объект лгков излучения должны обязательно лежать в одной плоскости. Однако не :егда можно реализовать такую схему (траекторию) зондирования. Часто угол вора объекта ограничен. В этом случае традиционная схема зондирования называется не оптимальной с точки зрения качества восстановления імограмм. Лучшее качество реконструкции достигается для таких траекторий, ігда оси зондирующих пучков лежат на произвольных конических )верхностях и/или занимают дискретные положения в пространстве. В этом іучае для исследования трехмерного объекта необходимо использовать ілько двумерные проекции. Поэтому становится актуальной задача імографии трехмерных объектов, заданных в обычном физическом юстранстве по двумерным проекциям при произвольной траектории «дарования. В первую очередь это относится к микроскопии трехмерных іьектов, где из-за большого увеличения и, соответственно, большой числовой [ертуры объективов и малого их рабочего отрезка нельзя организовать адиционную траекторию углового сканирования.
настоящей работе мы под многомерными понимаем объекты, которые исываются функцией нескольких переменных, число которых больше двух, ж правило, таких переменных всего три и они являются пространственными юрдинатами (х, у, z) физического пространства. Примером могут служить ехмерные фазовые, амплитудные или эмиссионные объекты, которые
описываются, соответственно, трехмерным пространственным распределением показателя преломления, коэффициентов поглощения или эмиссии. Однако совсем не обязательно, что эти переменные всегда являются пространственными координатами. Это могут быть также длина волны X и/или время t. В последнее время все чаще объектом исследования становятся спектральный состав или динамика изменений пространственной структуры нестационарного объекта. Такие объекты уже описываются многомерными функциями в некотором абстрактном пространстве, задаваемом всевозможными комбинациями пространственных, спектральных и временных переменных. Обычно когда используют термин трехмерный объект, под ним понимают объект, заданный в физическом пространстве. Специально для того, чтобы подчеркнуть, что трехмерными могут быть объекты, заданные в абстрактном пространстве, мы для их обозначения используем термин многомерные объекты. Распространение методов ОТ на многомерные объекты в абстрактном пространстве расширяет класс исследуемых объектов и становится актуальной задачей.
В первую очередь пространственно-спектральные или пространственно-временные объекты, заданные, соответственно, в пространстве (х, у, X) или (х, у, t), принадлежат к такому классу объектов. Угол обзора таких объектов принципиально меньше 180, поэтому для их исследования необходимо использовать сложные траектории сканирования. Томографический подход к исследованию этих многомерных объектов дает ряд преимуществ по сравнению с традиционным подходом. Для них удается организовать сбор двумерных проекционных данных при меньшем числе направлений сканирования, что ведет к сокращение времени исследования объекта. Upv этом также происходит увеличение светосилы приборов. Поэтому разработке методов получения проекционных данных для объектов, заданных і абстрактном пространстве, представляет актуальную задачу.
Традиционный подход к применению компьютерной томографии в оптиш заключался в механическом перенесении методов сбора и обработы проекционных данных из рентгеновской томографии на излучение оптической диапазона. Такой подход не учитывает многомерности исследуемых объектов і не использует то преимущество оптических систем, что они могу преобразовывать по заданному закону зондирующее или собственної излучение линзами, призмами, зеркалами и т.п., и формировать изображения Поэтому для регистрации проекционных данных в ОТ могут использоватьс: стандартные измерительные и диагностические приборы из различны; разделов физической и прикладной оптики: микроскопии, фотометрии спектроскопии, интерферометрии, высокоскоростной фотографии и т.л Томография также дает новое понимание процессов формировали изображений в оптике многомерных объектов и открывает новые возможност в технике регистрации и сбора проекционных данных.
Гри томографической диагностике нестационарных многомерных объектов озникает проблема сжатия объема данных. Восстановление томограмм для аждого момента времени требует значительных затрат, а сами томограммы есут избыточную информацию о процессе. Однако, часто для анализа ространственно-временной структуры объекта, особенно в задачах перативного управления, достаточно иметь некоторые его интегральные арактеристики, но в реальном времени. При такой постановке задачи радиционные методы реконструкции томограмм и вычисления по ним нтегральных характеристик не применимы. Надо пытаться найти другой одход, в котором используются только проекции для вычисления нтегральных характеристик об объекте. В ОТ информацию о проекциях несет птическое излучение. Поэтому естественно желание применить методы птической обработки информации для выполнения необходимых итематических операций над проекциями до или в процессе их регистрации. Следовательно, становится актуальной задача выполнения методами птической обработки информации ряда томографических операций над роекционными данными с целью получения в реальном времени некоторых нтегральных характеристик о нестационарном объекте.
)бобщая все выше сказанное, можно утверждать, что актуальной является адача создания новых методов оптической томографии, учитывающих [ногомерность объектов в физическом или абстрактном пространстве, пецифику оптического излучения, возможность применения техники птической обработки информации и стандартных оптических приборов для бора и оперативного преобразования проекционных данных.
.2. Цель работы
(елью настоящей работы является разработка новых методов и устройств для птической томографии многомерных объектов, заданных в физическом или бстрактном пространстве, с применением различных видов оптико-шзических измерений. Эта цель включает также разработку нового подхода к роектированию и построению оптических томографов на базе существующих птических приборов различного назначения, создание макетов таких омографов и их экспериментальное опробование.
.3. Научная новизна
[аучная новизна состоит в развитии нового направления - оптической омографии многомерных объектов, заданных в физическом или абстрактном ространстве. Новизна подтверждается также следующими результатами:
разработаны оригинальные способ конфокальной сканирующей трехмерной микроскопии и схема конфокального скашгрующего томографического микроскопа для исследования трехмерных объектов, защищенные патентом;
разработаны оригинальные способ оптической томографии трехмерных объектов и схема интерференционного микротомографа для исследования трехмерных фазовых объектов, защищенные патентом;
созданы интерференционные микроскопы для томографии живых биологических клеток; впервые получены томограммы живых клеток крови;
развит новый подход к восстановлению томограмм трехмерных объектов по двумерным проекциям; показано, что для любой траектории сканирования объекта восстанавливающий частотный фильтр является цилиндрическим р-фильтром, ориентированным по нормали к траектории движения источника излучения;
впервые предложен томографический подход к описанию трехмерных отображающих свойств конфокальных оптических систем; показано, что конфокальный микроскоп, в том числе сканирующий, является аналоговым продольным томографом и формирует суммарное изображение, а не томограмму трехмерного объекта;
впервые предложен метод спектротомографии для получения изображений трехмерного объекта, заданного в абстрактном пространстве (х, у, X), где Х-длина волны излучения;
разработан новый метод определения пространственной структуры в поперечном сечении нестационарного самосветящегося объекта пс моментам его проекций, защищенный а.с. Создан новый тип оптических эмиссионных томографов для измерения в реальном времени интегральных характеристик изображений поперечных сечений нестационарных объекта по моментам их проекций;
разработан новый метод определения пространственной структуры і
поперечном или продольном сечении нестационарного фазового объекта пс
его суммарному изображению, защищенный двумя а.с. Создан новый тш
оптических интерференционных томографов для формирования в peaльнo^
времени суммарных изображений поперечных сечений нестационарны}
объектов.
1.4. Основные положения, выносимые на защиту
1. Для формирования оптических томограмм трехмерных объектов нельзя использовать конфокальный микроскоп, в том числе и сканирующий, т.к. от формирует суммарное изображение, а не томограмму объекта.
-
Измерение двумерного распределения одного из оптических параметров излучения в методе конфокальной сканирующей микроскопии позволяет без сканирования вдоль оптической оси микроскопа получить набор проекционных данных для восстановления томограмм всего трехмерного объекта.
-
Сканироваїше изображения источника света в передней фокальной плоскости микрообъективов позволяет достичь томографического режима работы интерференционного микроскопа Линника.
-
Двумерное изображение полихроматического объекта, полученное с помощью бесщелевого спектрографа, представляет собой томографическую проекцию трехмерного пространственно-спектрального объекта. Для получения различных проекций необходимо изменять дисперсию спектрографа и/или направление спектрального разложения. Томографическая обработка таких проекций позволяет восстанавливать двумерные изображения объекта для различных длин волн излучения.
-
Для анализа изображений поперечных сечений самосветящегося объекта по его двумерным моментам n-го порядка необходимо использовать одномерные моменты n-го порядка от (п+1)-ой проекции этого объекта, полученные через угол 7t/(n+l). Для проведения анализа в реальном времени вычисление моментов от проекций производят оптическими средствами путем формирования и регистрации обратных проекций через силуэтные маски, форма которых повторяет графики функций 1, I х I, х2, I х 13.
-
Определение пространственной структуры в поперечном или продольном сечениях нестационарного фазового объекта следует проводить по его суммарному изображению. Для формирования в реальном времени световой волны, волновой фронт которой несет информацию о суммарных изображениях, необходимо осуществлять многократное зондирование объекта с многих сторон плоской монохроматической волной с одновременным поворотом или изменением масштаба перед каждым новым ракурсом ее волнового фронта.
1.5. Практическая ценность работы
На базе интерференционного микроскопа Линника создан компьютерный интерференционный микротомограф для исследования трехмерных фазовых эбъектов. Микротомограф применялся в Гематологическом научном центре Академии медицинских наук РФ для исследования клеток крови. По результатам медико-биологических применений микротомографа защищена іиссертационная работа Стрелецкой Е.А., представленная на соискание ученой лэдени кандидата медицинских наук. Совместно с этим Центром разработана эригинальная методика подготовки препаратов из клеток крови для исследования на микротомографе, защищенная патентом. Второй экземпляр їнтерференционного микротомографа установлен в Институте Теоретической л Экспериментальной Биофизики РАН (г. Пущино) и используется для «следований поперечно-полосатых мышечных волокон.
Разработанные способ конфокальной сканирующей трехмерной микроскопии и схема конфокального сканирующего томографического микроскопа для исследования трехмерных объектов, позволят превратить обычный конфокальный сканирующий микроскоп в компьютерный томограф для медико-биологических микрообъектов. Для этого требуются незначительные изменения в конструкции микроскопа (замена интегрального фотоприемника на ПЗС камеру), но необходима разработка специального программного обеспечения для переработки проекционных данных и реконструкции трехмерных томограмм. Данная работа проводится совместно с Университетом Северного Техаса, г. Форт-Ворт, США, т.к. в России в настоящее время нет такого дорогостоящего микроскопа.
Большую потенциальную практическую ценность имеет результат работы, связанный с распространением методов томографии на исследование многомерных объектов, заданных в абстрактном пространстве. В частности, применение этого томографического подхода к спектроскопии двумерных объектов получило развитие в работах нескольких исследовательских групп, Этот метод был впервые предложен нами. Независимо от нас японские авторы предложили аналогичный способ. Позднее ряд исследовательских групп і США также стали использовать спектротомографию для изученш полихроматических объектов.
Новый метод определения пространственной структуры в поперечном сечениі нестационарных самосветящихся объектов был реализован в двух образца) эмиссионных томографов для измерения в реальном времени интегральные характеристик изображений поперечных сечений объектов по моментам и; проекций. Томографы были созданы по заказу Инженерного Центр; «Плазмодинамика» при Московском Государственном Информатико электронико-технологическом Университете (г. Зеленоград) и использовалис в качестве диагностического оборудования, входящего в состав установи динамической плазменной обработки материалов. Томографы предназначен! для экспресс диагностики низкотемпературной плазмы и выработа управляющих сигналов для многоструйных плазмотронов.
Для определения пространственной структуры в поперечном или продольно] сечениях нестационарного фазового объекта по его суммарному изображена! созданы томографические голографические интерферометры ТГИ, ИПТ «ИНТРОТОМ». Опытные партии этих приборов в количестве 18 шту выпущены заводом «Матас», г.Вильнюс.
Личный вклад. Постановка задач, изложенных в работе, выбор путей и решения и экспериментальной реализации принадлежат лично автору. Авторо предложены и разработаны большинство методов и схем оптическс томографии, описанных в работе. Теоретические и экспериментальнь
>езультаты получены лично автором, либо при участии сотрудников-:оавторов. В части математического моделирования автору принадлежит формулировка задач и интерпретация результатов. Получение проекций, их федобработка выполнялись автором. Цифровая реконструкция трехмерных хзмограмм проводилась к.ф.-м.н. Лихачевым А.В. под руководством д.ф.-м.н. ІикаловаВ.В.
[.6. Апробация работы
Основные материалы работы докладывались на следующих конференциях,
:импозиумах и семинарах в период 1981-1999 гг.:
всесоюзных и международных симпозиумах по вычислительной томографии
Новосибирск, 1983; Куйбышев, 1985; Киев, 1987; Ташкент, 1989; Звенигород,
991; Новосибирск, 1993);
Международных симпозиумах по биомедицинской оптике (Сан-Хосе, США,
995,1997, 1998, 1999);
ївропейской конференции по биомедицинской оптике (Стокгольм, Швеция,
998);
Зсесоюзных школах по оптической обработке информации (Минск, 1982;
Сиев, 1984; Фрунзе, 1986);
всесоюзных школах по голографии и когерентной оптике (Сочи, 1981; Москва,
982);
Международных конгрессах по высокоскоростной фотографии и фотонике
Сан-Диего, США, 1982, 1986; Страсбург, Франция, 1984);
всесоюзной конференции по высокоскоростной фотографии и метрологии
іьістропротекаюпщх процессов (Москва, 1983);
Всесоюзной конференции по фотометрии и ее метрологическому обеспечению
Москва, 1982);
.7. Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 77 печатных работах, в том числе в ІДНОЙ монографии, 40 статьях, опубликованных в научных журналах и ематических сборниках, 7 авторских свидетельствах, 3 патентах России.
.8. Структура и объем работы
