Введение к работе
Актуальность работы
Диссертационная работа посвящена исследованию вопросов формирования, обработки и анализа информации проекционного сканирования для послойной и пространственной визуализации характеристик биомедицинской среды при проведении экспериментов томографического типа
В настоящее время данное направление является одним из наиболее быстро развивающихся в биомедицинской визуализации
Суть его заключается в измерении пространственного
распределения некоторой - физической величины с различных направлений и расчете на основе полученных данных изображений свободных от помех, вызванных перекрывающимися структурами
При этом в рентгеновских компьютерных томограммах информация о неизвестном распределении коэффициентов ослабления рентгеновского излучения представлена в виде набора проекционных данных, которые с математической точки зрения являются преобразованием Радона от искомой функции В ультразвуковых измерениях томографического типа оценка параметров объектов и восстановление их рефракционных, а также - как показано в настоящей диссертационной работе - механических характеристик осуществляется на основании данных дистанционного акустического сканирования, причем сами объекты могут располагаться в неоднородных средах
Можно выделить единую тенденцию в формулировке технических подходов, полагаемых в основу обработки и анализа информации проекционного сканирования для послойной визуализации характеристик биомедицинской среды Речь идет о цифровой реконструкции характеристик исследуемых объектов или структур, т е ориентации измерительного и вычислительного процесса на получение достаточной количественной информации о каждом элементарном объеме исследуемой области и формировании на этой основе качественного изображения неоднородности
При этом если в задачах лучевой томографии для реконструкции неизвестного распределения коэффициента ослабления необходимо выполнить обратное преобразование Радона, то в задачах ультразвуковой интроскопии с математической точки зрения следует говорить об использовании современной вычислительной техники для нахождения решений различного рода обратных задач Основные
уравнения определяются при этом физико-математическими моделями и могут быть как линейными, так и нелинейными задачами относительно пространственного распределения реконструируемых акустических параметров среды Таким образом, речь идет о совокупности математических методов и технических средств, предназначенных для формирования ультразвуковых изображений в процессе компьютерной обработки данных акустического сканирования
Технические задачи разработки стандартных (лучевых) томографических систем постоянно изменялись в соответствии с уровнем развития техники и актуальными потребностями радиологии При этом приоритетной всегда оставалась задача уменьшения времени формирования томограммы, как на этапе сбора данных, так и на этапе обработки информации и ее системного анализа И хотя с самого начала развития проекционной томографии большое внимание уделялось и другим требованиям, таким как повышение качества изображения, снижение стоимости и совершенствование пользовательского интерфейса, основные усилия разработчиков были направлены на то, чтобы свести к минимуму не только время получения отдельного изображения, но и продолжительность исследования в целом
Целью работы являлись разработка технических решений и исследование соответствующих этим решениям вычислительных методов послойной и пространственной визуализации характеристик биомедицинской среды при проведении экспериментов томографического типа, а также демонстрация того, как эти методы, алгоритмы и способы представления результатов можно использовать в практике проектирования устройств количественной биомедицинской диагностики, главным образом ультразвуковой
Научная новизна работы
Проведен сравнительный анализ проекционного томографического подхода и реконструкции на основе данных рассеяния в расширенном спектральном пространстве,
Предложен и исследован новый способ формирования томографических изображений, обладающий более высокими метрологическими возможностями по сравнению с техникой проекционной дифракционной томографии,
Установлена принципиальная возможность программного совмещения изображений, процесс реконструкции которых
обеспечивается разными по своей физической природе процессами взаимодействия излучения с исследуемой биомедицинской структурой,
Выполнено компьютерное моделирование задачи количественной ультразвуковой эластографии и на тестовых примерах продемонстрировано хорошее соответствие результатов моделирования аналитическим расчетам,
Предложены эффективные подходы и методы обработки томографической информации, обеспечивающие объемное представление реконструируемых структур,
Разработанные технические и алгоритмические решения применены для обработки клинической информации томографического типа
Достоверность научных положений, результатов и выводов обеспечена их соответствием твердо установленным теоретическим и экспериментальным фактам, использованием общепринятых методов, проверкой на модельных объектах, а также их внутренней согласованностью и непротиворечивостью
Практическая и научная ценность работы
Предложенный метод реконструкции на основе расширения информационного спектрального пространства неоднородности повышает диагностические возможности волновой томографии и может быть использован при разработке нового поколения ультразвуковых систем,
Установленная возможность программного совмещения изображений, процесс реконструкции которых обеспечивается разными по своей физической природе процессами излучениями, является базисом для создания устройств цифровой реконструкции с общей аппаратной частью,
Установленные закономерности ультразвуковой количественной эластографии могут быть применены в процессе технической реализации новых средств неинвазивной диагностики
Основные научные положения, выносимые на защиту
Предложенный способ формирования томографических
изображений гарантирует расширение информационного
спектрального пространства неоднородности и обеспечивает, таким
образом, более высокие метрологические возможности данного способа по сравнению с техникой дифракционной томографии,
Установленная возможность комбинации дополнительных данных в процессе мультивизуальной цифровой реконструкции исследуемой неоднородности приводит к повышению диагностических возможностей томографических устройств с общей аппаратной частью,
Методика численного моделирования задачи плоской деформации анатомической среды обеспечивает формирование картины продольных смещений и деформаций для произвольного набора тестовых фантомов Представленные результаты численного моделирования находится в хорошем соответствии с аналитическим решением
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены
на VI, VII, IX, XIII всероссийских межвузовских НТК студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика" (Москва, 1999, 2000,2002,2006),
на VIII математических чтениях МГСУ (Москва, 2001),
на всероссийской НТК «Электроника и информатика - 2002» (Москва, 2002),
на XIV Международной НТК "Лазеры в науке, технике и медицине" (Сочи, 2003),
на научных семинарах кафедры биомедицинских систем и учебно-научного центра «Компьютерная диагностика и визуализация» МИЭТ
Отдельные результаты работы получены в рамках НИР, выполнявшейся в 2003-2004 гг в Московском институте электронной техники, по научно-технической программе Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», код проекта 209 01 01 070
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 6 статей в реферируемых изданиях
"Биомедицинские технологии и радиоэлектроника",
"Математические методы и приложения",
"Exponenta Pro",
"Биомедицинские электронные системы"
Внедрение результатов работы
Результаты теоретических исследований и численного расчетов, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы, внедрены в следующие объекты и процессы
в научно-производственной фирме «БИОСС» - при разработке нового поколения цифровых систем ультразвуковой визуализации,
в лабораторном компьютерном практикуме по курсам «Ультразвуковая медицинская визуализация» и «Цифровая обработка изображений» для студентов 4 и 5 курсов Московского государственного института электронной техники (технического университета), обучающихся по специальности 1905 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы»
Получено положительное решение по заявке РФ на изобретение №2005136240 от 23 112005г «Способ получения томографических изображений», патентообладатель МИЭТ
Личный вклад автора
В основу диссертации легли результаты исследований, выполненных автором на кафедре биомедицинских систем Московского государственного института электронной техники
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения, списка сокращений и списка литературы, содержит 114 страницы текста, 42 рисунка и 13 таблиц Список литературы включает 68 наименований
