На правах рукописи

ДОЛГУШИН Сергей Анатолиевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК СИЛЬНОРАССЕИВАЮЩИХ СРЕД И

РЕКОНСТРУКЦИЯ ВНУТРЕННИХ СТРУКТУР РАССЕИВАЮЩИХ

ОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ ТРАНСМИССИОННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ

ТОМОГРАФИИ

01.04.07 – физика конденсированного состояния Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2007 2

Работа выполнена на кафедре биомедицинских систем Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор С.А.Терещенко

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.И.Кобзарь доктор физико-математических наук, профессор В.Б.Яковлев

Ведущая организация:

Московский государственный университет приборостроения и информатики

Защита состоится "_" 2007 года в _ часов _ минут на заседании диссертационного совета Д.212.134.03 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу:

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МИЭТ

Автореферат разослан "_" 2007 года Соискатель С.А.Долгушин

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук, профессор Л.А.Коледов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы В последнее время большой интерес вызывают оптические (лазерные) методы исследования биологических тканей. Однако, на пути их развития возник целый ряд фундаментальных проблем. Главной из них является необходимость учета процесса рассеяния оптического излучения в биоткани, что существенно усложняет задачу описания прохождения оптического излучения через биологические среды.

Важным направлением в исследованиях сильнорассеивающих сред (СРС) является определение основных оптических характеристик:

коэффициентов поглощения, рассеяния, а также экстинкции.

Экспериментальные исследования оптических характеристик СРС можно разделить на два направления, в зависимости от того, какая среда используется: модельная или реальная биологическая ткань. Во втором случае, при исследовании биоткани in vivo можно выделить два направления: а) определение оптических характеристик здоровой биоткани; б) определение оптических характеристик патологической биоткани.

Фактически, исследование процесса распространения оптического излучения через СРС и определение её оптических характеристик стало самостоятельным направлением исследований, в котором переход к томографии (восстановлению неоднородных пространственных распределений физических характеристик биотканей) только подразумевается. Разработка экспериментальной аппаратуры, новых моделей для описания распространения излучения через СРС, а также алгоритмов, учитывающих дополнительные параметры временного распределения, позволит улучшить точность результатов определения оптических характеристик.

Исследование прохождения лазерного излучения через СРС только по экспериментальным данным без достаточно точного теоретического описания взаимодействия излучения с веществом невозможно. Основой для такого описания является уравнение переноса излучения (УПИ). В общем случае УПИ не имеет аналитического решения, поэтому особое значение приобретают упрощённые модели, полученные из УПИ при дополнительных предположениях. В настоящее время наиболее распространены две модели – диффузионная и нестационарная осевая.

Обе модели достаточно точно описывают прохождение оптического излучения через СРС, и на их основе могут быть получены аналитические выражения для временных распределений прошедшего через СРС излучения. Среди оптических методов исследования биологических СРС одним из наиболее совершенных методов, дающих информацию о пространственном распределении оптических характеристик и структуре таких объектов, является трансмиссионная оптическая томография (ТОТ). Однако сложность задачи математического описания взаимодействия лазерного излучения с СРС не позволила к настоящему времени разработать трансмиссионные оптические томографы, пригодные для серийного изготовления.

Разработка экспериментальной аппаратуры и эффективных алгоритмов для ТОТ позволит ускорить развитие этого метода, который доставит новую диагностическую информацию при исследовании патологических изменений в организме человека.

Целью работы являлось экспериментальное исследование оптических характеристик сильнорассеивающих сред и реконструкция их пространственного распределения в модельных рассеивающих объектах методом трансмиссионной оптической томографии.

Научная новизна работы Экспериментально исследованы зависимости оптических характеристик сильнорассеивающей среды от геометрических и физических параметров модельных объектов.

На основе полученных экспериментальных данных выполнено сравнение точности описания распространения оптического излучения через СРС двух теоретических моделей: диффузионной и нестационарной осевой.

Экспериментально определён диапазон значений концентрации рассеивателей в СРС, в котором наблюдается бимодальная форма временного распределения с раздельным расположением баллистического и рассеянного пиков.

пространственных распределений коэффициента экстинкции модельных объектов на базе нестационарной осевой модели в приближении пропорциональной рассеивающей среды.

Достоверность научных положений, результатов и выводов обеспечена их соответствием общепринятым теоретическим и экспериментальным фактам, проверкой на модельных объектах, согласием эксперимента с теорией.

Практическая и научная ценность работы Разработанная экспериментальная установка, реализующая метод регистрации одиночных фотонов с временной корреляцией, может быть использована для исследования распространения оптического излучения в биологических сильнорассеивающих средах.

Предложенные методы определения значений оптических характеристик сильнорассеивающих сред могут быть использованы для биомедицинских исследований здоровых и патологически изменённых биологических тканей.

Разработанный программно-аппаратный комплекс и метод реконструкции пространственных распределений характеристик рассеивающих объектов в трансмиссионной оптической томографии пропорциональных рассеивающих сред могут быть использованы при конструировании новых типов диагностической медицинской аппаратуры.

Предложенные методы коррекции искажений томографических изображений, возникающих вследствие преломления и отражения света, могут быть использованы для улучшения качества реконструкции.

Основные научные положения, выносимые на защиту Разработанная экспериментальная установка, реализующая метод регистрации одиночных фотонов с временной корреляцией, позволяет исследовать зависимости оптических характеристик сильнорассеивающей среды от геометрических и физических параметров модельных объектов.

Полученные экспериментальные данные позволяют определить диапазон значений концентрации рассеивателей в СРС, в котором наблюдается бимодальная форма временного распределения с раздельным расположением баллистического и рассеянного пиков.

Разработанный программно-аппаратный комплекс и предложенный метод реконструкции пространственных распределений коэффициента экстинкции в приближении пропорциональной рассеивающей среды позволяют восстанавливать томографические изображения внутренних структур рассеивающих объектов.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на X, XI, XII, XIII всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Москва, 2003, 2004, 2005, 2006); на V Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика» (Москва, 2005); на XV, XVI, XVII Международных научно-технических конференциях «Лазеры в науке, технике и медицине» (Сочи, 2004, 2005, 2006); на VII Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Владимир, 2006); на III International Conference on Laser Optics for Young Scientists (St. Petersburg, 2006); на Международной научно-технической Школе-конференции «Молодые ученые – науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, 2006); на Научной сессии МИФИ-2007 (Москва, 2007), на научных семинарах кафедры биомедицинских систем Московского государственного института электронной техники.

Работы по теме диссертации были поддержаны двумя грантами Российского фонда фундаментальных исследований №04-01-08015, №06-08-00624 и четырьмя грантами Министерства образования и науки РФ №РНП.3.3.447, №РИ-19.0/002/180, №2006-РИ-19.0/001/733, №РНП.2.1.1.4553.

Публикации По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, из них статьи в журналах «Медицинская физика», «Медицинская техника», «Известия вузов. Электроника» и в сборнике научных трудов «Биомедицинские электронные системы».

Личный вклад автора В основу диссертации легли результаты исследований, выполненных лично автором на кафедре биомедицинских систем Московского государственного института электронной техники.

Объём и структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы, содержит 125 страниц текста и 62 рисунка. Список литературы включает 194 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации рассмотрены экспериментальные системы для исследования СРС с целью определения её оптических характеристик: коэффициентов поглощения и рассеяния. Приведён анализ экспериментальных методов и систем для определения оптических характеристик СРС, которые можно разделить на два направления, в зависимости от того, используется модельная или реальная биологическая ткань. Во втором случае, при исследовании биоткани in vivo, рассмотрено два направления: а) определение оптических характеристик здоровой биоткани; б) определение оптических характеристик патологической биоткани. Рассмотрены неоднородностей в биотканях. При этом под неоднородностью понимается локальная область, значения оптических характеристик в которой существенно отличаются от значений оптических характеристик окружающих тканей.

Среди оптических методов исследования СРС наиболее совершенным методом, дающим информацию о пространственной структуре оптических характеристик биологических рассеивающих объектов, является трансмиссионная оптическая томография (ТОТ).

Рассмотрены экспериментальные системы для исследований таких объектов методом ТОТ. Основное конструктивное отличие таких систем состоит в типе используемого излучения: непрерывное, частотно-модулированное или импульсное. Определены сферы применения, отмечены преимущества и недостатки систем каждого типа. Отмечено, что сложность задачи математического описания взаимодействия лазерного излучения с СРС не позволила к настоящему времени разработать приборы для исследований методом ТОТ, пригодные для серийного изготовления.

Вторая глава посвящена описанию взаимодействия оптического излучения со средой. Для этого используют уравнение переноса излучения (УПИ), которое в односкоростном приближении имеет вид где v – скорость света в среде, r,, t – плотность потока фотонов в точке r в момент времени t, движущихся в направлении, S r,, t – (r ) = a (r ) + s r, d – коэффициент экстинкции, a (r ) – коэффициент поглощения, s r, – индикатриса рассеяния из направления в направление.

Задачу определения оптических характеристик СРС на базе УПИ при использовании импульсного источника излучения можно описать следующим образом. Облучая исследуемый объект оптическим излучением и, регистрируя прошедшее через объект излучение, распространение которого в СРС описывается УПИ, необходимо определить оптические характеристики СРС.

В случае оптической томографии облучение исследуемого объекта повторяется многократно под различными углами и, после регистрации прошедшего через объект излучение, необходимо восстановить пространственное распределение оптических характеристик СРС.

В такой постановке задачи, можно говорить о восстановлении двух независимых, пространственно-неоднородных функций a (r ) и s r, зависящих, соответственно, от трёх и семи переменных.

Такая задача в настоящее время не имеет решения, т.к. в общем виде интегро-дифференциальное уравнение (1) не имеет аналитического решения. Поэтому предложены различные модели (приближения), значительно упрощающие вид УПИ и, следовательно, описание прохождения оптического излучения через СРС. В настоящее время наиболее распространены две модели – диффузионная и нестационарная осевая.

P1-приближение, плотность потока в котором имеет вид:

где d (r, t ) и Fd (r, t ) – скалярная и векторная части плотности потока.

В нестационарном случае без дополнительных допущений нельзя получить нестационарное уравнение диффузии. В качестве такого дополнительного допущения можно записать: