Введение к работе
Диссертация посвящена разработке и исследованию методов визуализации внутренней структуры электропроводящих объектов, в частности, биологических тканей и органов, основанных на использовании взаимодействия с такими объектами радиочастотных электромагнитных полей с длиной волны значительно превышающей размеры объекта. Разрабатываются, исследуются и анализируются три вида квазистатической электромагнитной томографии: электроимпедансная, магнитоиндукционная и электрополевая томография. Обосновывается осуществимость, формулируются теоретические основы, предлагаются и исследуются подходы к их практической реализации, включая экспериментальные системы для создания и регистрации зондирующих электромагнитных полей, а также алгоритмы решения обратных задач, обеспечивающие эффективное реконструирование пространственного распределения электрических свойств сред и их визуализацию. Излагаются текущие достижения и тенденции развития исследований в этой области.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является развитие теоретических основ, математических методов и экспериментальной базы нового научного направления - квазистатической электромагнитной томографии, которая в настоящее время включает в себя электроимпедансную, магнитоин дукционную и электрополевую томографию. В области электроимпедансной томографии целью является, опираясь на достижения предшествующих исследований, решить принципиальные проблемы, стоявшие на пути к практическому использованию электроимпедансной томографии, в частности невозможность реконструирования статических (абсолютных) распределений электропроводности, а также получения трехмерных распределений с приемлемой разрешающей способностью и скоростью визуализации. Достижение этих целей включает в себя разработку новых измерительных систем и новых алгоритмов обработки данных и решения обратной задачи, проведение экспериментальных исследований как на тестовых объектах (фантомах), так и на биологических объектах. Для магнитоиндукционной и электрополевой томографии цель исследования включала в себя обоснование их принципиальной возможности, формулирование требований к измерительным системам, разработку алгоритмов решения обратной задачи, разработку методов измерений, удовлетворяющих сформулированным требованиям, и демонстрацию первых экспериментальных систем, реализующих эти методы и соответствующих результатов визуализации.
Актуальность темы
Электромагнитные свойства сред, такие как комплексная диэлектрическая и магнитная проницаемости, а также характеристики пространственного распределения этих величин, являются важнейшим источником информации, позволяющим судить о структуре, состоянии, функциях и других свойствах исследуемых объектов. Наиболее распространенные методы неразрушающего контроля и визуализации (ультразвуковые, рентгеновские) дают информацию в основном о механических свойствах сред, таких как плотность, упругость, вязкость и т.п.
Особое место при зондировании и визуализации занимают
компьютерные томографические методы, позволяющие с помощью
математических методов решения обратных задач реконструировать
детальные двумерные распределения характеристик тканей в поперечном
сечении тела. Наибольшее развитие получили методы рентгеновской
компьютерной томографии и томографии, основанной на использовании
явления ядерного магнитного резонанса. Компьютерная томография,
основанная на использовании рентгеновского излучения, а также явления
ядерного магнитного резонанса (ЯМР томография) широко используется в
медицине и в промышленности. В основе компьютерной томографии (в
широком смысле) лежит возможность математического
реконструирования пространственного распределения той или иной характеристики вещества внутри объекта по влиянию этого вещества на физическое поле или излучение, пронизывающее объект и регистрируемое внешними датчиками. До последнего времени не существовало томографических методов, обеспечивающих получение информации об электрических свойствах биообъектов, хотя известно, что электрический импеданс биологических тканей весьма информативен для оценки их состояния и функционирования.
Одним из методов изучения электромагнитных свойств объектов является радиолокация, при которой используется волновое распространение электромагнитного поля, и длина волны выбирается существенно меньшей, чем размер неоднородностей среды, которые необходимо визуализировать. Этот метод хорошо работает только в случае радиопрозрачных сред с малым поглощением. Другие методы, такие как магнитотеллурическое зондирование или электрокаротаж в геофизике, используют взаимодействие квазистатических полей с проводящей средой. Большинство этих методов обеспечивают лишь вычисление некоторых параметров в заданной модели среды (как правило - слоистой), и поэтому их сложно применить для визуализации электромагнитных характеристик среды. Развитие в последние годы новых подходов к обработке информации, связанной с взаимодействием электромагнитных полей с электропроводящими средами, привело к появлению методов, обеспечивающих визуализацию структуры электропроводящих сред с помощью квазистатических полей. Такие методы получили название
методов электромагнитной (изначально - электроимпедансной) томографии. Эти методы позволяют исследовать такие недоступные для традиционного радиозондирования среды как грунт, водная среда, биологические объекты и т.п. В этих методах вблизи или на поверхности исследуемого объекта располагают большое число разнесенных источников и приемников низкочастотного (квазистатического) электромагнитного поля. Такие методы как электроимпедансная, электроемкостная томография уже находят применение в медицинской диагностике, промышленности, системах безопасности или находятся в стадии активных исследований. В области электроимпедансной томографии актуальной является возможность статической визуализации (с помощью имевшихся ранее систем осуществима только дифференциальная визуализация), а также разработка систем для исследования трехмерных распределений электропроводности, обладающих приемлемой разрешающей способностью и быстродействием. Для магнитоиндукционной и электрополевой томографии для биомедицинских приложений актуальны как теоретические исследования, включая разработку алгоритмов решения обратной задачи, так и развитие экспериментальных методов и создание измерительной аппаратуры.
Научная новизна
Впервые разработана система и метод реконструирования изображения для электроимпедансной томографии, позволяющая визуализировать статические распределения электропроводности внутри электропроводящих объектов неопределенной формы, в частности, тела человека. Ранее была возможна только т.н. динамическая или дифференциальная визуализация (визуализация изменений проводимости, произошедших между двумя последовательными измерениями).
Впервые предложен метод измерений и решения обратной задачи
для электроимпедансной томографии, обеспечивающий
реконструирование трехмерного распределения электропроводности внутри неоднородных сред, в частности, для сред доступных для зондирования только с участка ограничивающей поверхности.
Впервые предложен, обоснован и реализован экспериментально метод магнитоиндукционной томографии для зондирования и визуализации электропроводящих сред.
Впервые предложен, обоснован и реализован экспериментально метод электрополевой томографии для зондирования и визуализации электропроводящих сред.
Положения, выносимые на защиту
1. Создана измерительная система для двумерной электроимпедансной томографии, разработан алгоритм реконструкции изображений, впервые позволившие получить изображения статических (абсолютных)
распределений электропроводности внутри тела человека, в частности, в поперечном сечении грудной клетки и конечностей.
2. Разработана измерительная система и алгоритм реконструкции
изображения для электроимпедансной томографии с участка
ограничивающей поверхности исследуемой среды и трехмерной
реконструкцией электропроводности.
3. Предложен и экспеиментально реализован новый метод
квазистатической электромагнитной томографии - магнитоиндукционная
томография. Разработаны теоретические основы, алгоритм реконструкции
изображений, методы измерений.
4. Предложен новый метод квазистатической электромагнитной
томографии для исследования электропроводящих сред - электрополевая
томография. Разработаны теоретические основы метода, алгоритм
реконструкции изображений, измерительная система. Проведены
экспериментальные исследования, позволившие получить первые
электрополевые томогрммы.
5. Предложен и верифицирован с помощью экспериментальных и
модельных данных новый класс алгоритмов реконструкции изображений
для систем квазистатической электромагнитной томографии, основанный
на использовании искусственных нейронных сетей.
Практическая значимость результатов работы
Методы неинвазивной визуализации внутренних органов, тканей и физиологических процессов являются одной из основ современной медицинской диагностики. Описываемые в диссертации методы и приборы имеют несомненную практическую значимость в этой области. В частности, система для трехмерной визуализации подповерхностных областей тела уже реализована в виде коммерческого продукта широко используемого в клинической практике, как в России, так и за рубежом. Разработанная система стала первым электроимпедансным томографом, активно используемым в клинической практике (для диагностики молочной железы). Первые успешные клинические результаты получены при испытаниях томографа с кольцевой геометрией для визуализации органов грудной клетки, в частности, легких. Магнитоиндукционный томограф предполагается использовать в качестве инструмента первичной диагностики и мониторинга при инсультах и других поражениях головного мозга. Экспериментальная томографическая система позволила впервые получить этим методом томографические изображения тестовых объектов и тела человека. Магнитоиндукционная томография также находит применение в системах безопасности для обнаружения объектов, скрываемых под одеждой. Эти же применения может найти и электрополевая томография, которая в некоторых случаях будет иметь принципиальные преимущества. В частности, она, в отличие от магнитоиндукционной томографии, имеет высокую чувствительность к слабопроводящим включениям внутри среды с более высокой
проводимостью. Это свойство важно для многих медикобиологических приложений (обнаружение ишемических инсультов, визуализация распределения жира и т.п.) а так же в системах обеспечения безопасности (обнаружение скрытых диэлектрических объектов).
Структура и объем диссертации