СИСТЕМА КОЛИЧЕСТВЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ

1. Система количественной томографии, содержащая:
- лазер, выполненный с возможностью испускания мгновенных импульсов лазерного излучения с длинами волн в спектральном диапазоне от красной части спектра до ближней инфракрасной области, причем указанный лазер выполнен с возможностью работы в режиме смены длин волн;
- волоконно-оптический жгут, выполненный с возможностью доставки мгновенных импульсов лазерного излучения ко всей представляющей интерес области ткани с максимальным пропусканием;
- модуль формирования изображения, содержащий:
емкость для формирования изображения, имеющую форму, соответствующую представляющей интерес области ткани;
по меньшей мере один оптоакустический массив сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей, выполненный с возможностью обнаружения ультразвуковых сигналов в пределах сверхширокой полосы ультразвуковых частот, генерируемых в представляющей интерес области ткани мгновенными импульсами лазерного излучения;
по меньшей мере один ультразвуковой массив ультразвуковых преобразователей, выполненный с возможностью передачи импульсов ультразвука в указанную область ткани и обнаружения ультразвуковых сигналов, отраженных от указанной области ткани или переданных через указанную область ткани; и
связующую среду, которая заполняет емкость для формирования изображения, и через которую обеспечена возможность передачи мгновенных импульсов лазерного излучения и импульсов ультразвука;
- многоканальную электронную систему сбора данных, содержащую аналоговые предварительные усилители, аналого-цифровые преобразователи и платы для хранилища цифровых данных, их обработки и передачи, при этом указанная система сбора данных выполнена управляемой микропроцессором (микропроцессорами) с программируемой пользователем вентильной матрицей;
- компьютер, имеющий электронную связь с многоканальной электронной системой сбора данных и содержащий многоядерный центральный процессор (CPU) и многоядерный графический процессор (GPU), и хранящееся в материальных средствах программное обеспечение, выполненное с возможностью управления указанными процессорами CPU и GPU, для управления системой, обработки сигналов, реконструкции изображений и совмещения изображений; и
- дисплей с высоким разрешением, имеющий электронное соединение с компьютером, для представления реконструированного изображения оператору системы количественной томографии.
2. Система по п. 1, в которой спектральный диапазон длин волн от красной части спектра до ближней инфракрасной области составлет приблизительно от 650 нм до приблизительно 1250 нм.
3. Система по п. 1, в которой режим смены длин волн имеет две или три длины волны в спектральном диапазоне от красной части спектра до ближней инфракрасной области.
4. Система по п. 3, в которой двумя сменяющимися длинами волн являются волны с длиной 757 нм и 850 нм.
5. Система по п. 3, в которой тремя сменяющимися длинами волн являются волны с длиной 757 нм, 800 нм и 850 нм или 757 нм, 800 нм и 1064 нм.
6. Система по п. 1, в которой сверхширокополосные ультразвуковые преобразователи в массиве выполнены с возможностью обнаружения ультразвуковых сигналов в пределах сверхширокой полосы, составляющей от 50 кГц до 6 МГц.
7. Система по п. 1, в которой оптоакустический массив сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей и ультразвуковой массив ультразвуковых преобразователей объединены в один массив.
8. Система по п. 1, в которой емкость для формирования изображения в модуле формирования изображения имеет форму сферической поверхности или цилиндрическую форму.
9. Система по п. 1, в которой представляющая интерес область ткани является областью ткани груди.
10. Система по п. 1, в которой программное обеспечение обеспечивает выполнение исполняемых процессором инструкций для обработки сигналов и обработки изображений с получением изображений количественных концентраций молекул или функциональных параметров в пределах объема ткани, представляющего интерес, или анатомических структур, причем указанные инструкции имеют конфигурацию для обеспечения:
a. восстановления первоначальных профилей оптоакустического сигнала, генерируемого в указанной области ткани мгновенными лазерными импульсами, с использованием деконволюции функций акустико-электрических и пространственных импульсных откликов сверхширокополосного ультразвукового преобразователя из обнаруженных оптоакустических сигналов;
b. реконструкции трехмерных изображений оптоакустической томографии указанной области ткани посредством строгих прямых алгоритмов или итеративных алгоритмов с использованием полного набора данных, полученных с геометрией, обеспечивающей полную обзорность;
c. нормализации распределения падающей оптической плотности энергии на поверхности указанной области ткани посредством выравнивания яркости изображения всех вокселей поверхности;
d. нормализации распределения падающей оптической плотности энергии по всей области ткани посредством компенсации для эффективного ослабления оптического излучения;
e. отображения изображений коэффициента оптического поглощения после нормализации падающей оптической плотности энергии через указанную область ткани на оптоакустических изображениях оптической энергии, поглощенной в указанной области ткани;
f. получения совмещенных оптоакустических изображений, полученных на двух или трех сменяющихся длинах волн лазера с получением количественных функциональных или молекулярных изображений; и
g. получения изображений распределения скорости звука в пределах указанной области ткани, которые используются для улучшения контраста и разрешения совмещенных оптоакустических изображений или изображений по отражению и затуханию ультразвука.
11. Способ формирования изображения количественных или функциональных параметров в представляющей интерес области ткани у субъекта, включающий следующие этапы:
размещение указанной области ткани в емкости для формирования изображения системы количественной томографии по п. 1;
позиционирование оптоакустического массива сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей и ультразвукового массива ультразвуковых преобразователей внутри емкости для формирования изображения;
выбор длин волн лазерного излучения в спектральном диапазоне от красной части спектра до ближней инфракрасной области для доставки в качестве мгновенных импульсов к указанной области ткани в режиме смены длин волн;
доставку к объему указанной ткани сменяющихся мгновенных импульсов лазерного излучения с выбранной длиной волны;
обнаружение с помощью оптоакустического массива для каждой выбранной длины волны сигналов в пределах сверхширокой полосы ультразвуковых частот, генерируемых в пределах указанной области ткани;
получение оптоакустических изображений из обнаруженных сигналов для каждой выбранной длины волны;
совмещение оптоакустических изображений;
выработку изображений количественных функциональных параметров или молекулярных параметров из совмещенных оптоакустических изображений и отображение выработанных количественных изображений.
12. Способ по п. 11, дополнительно включающий:
передачу к указанной области ткани импульсов ультразвука от ультразвукового массива;
обнаружение с помощью ультразвукового массива сигналов, отраженных от указанной области ткани или переданных через указанную область ткани;
выработку изображений по скорости звука на основании распределения скорости звука в пределах указанной области ткани;
выработку анатомических изображений по отражению или затуханию ультразвука из обнаруженных ультразвуковых сигналов;
совмещение изображений количественных функциональных параметров или молекулярных параметров в пределах анатомических структур; и
отображение совмещенных изображений в виде наложения изображений количественных функциональных параметров с анатомическими изображениями или изображениями по скорости звука.
13. Способ по п. 12, дополнительно включающий улучшение оптоакустических изображений и изображений по отражению или затуханию ультразвука посредством изображений по скорости звука.
14. Способ по п. 12, дополнительно включающий диагностирование рака исходя из количественных функциональных параметров или молекулярных параметров и анатомических структур, отображаемых на указанном наложении.
15. Способ по п. 14, согласно которому раком является рак груди.
16. Способ по п. 11, согласно которому обнаружение сигналов, сгенерированных на каждой выбранной длине волны, происходит одновременно.
17. Способ по п. 11, согласно которому количественный функциональный параметр содержит концентрацию белка, белка-рецептора или молекулы, связанной с раком груди, или комбинацию указанного.
18. Способ по п. 11, согласно которому молекулярный параметр представляет собой общий гемоглобин, или насыщение крови кислородом, или комбинацию указанного.
19. Лазерная оптоакустическая ультразвуковая система в сборе для формирования изображений (Laser Optoacoustic Ultrasonic Imaging System Assembly, LOUISA) для формирования изображений груди у субъекта, содержащая:
лазер, выполненный с возможностью испускания мгновенных импульсов лазерного излучения с длинами волн в спектральном диапазоне от красной части спектра до ближней инфракрасной области, причем указанный лазер выполнен с возможностью работы в режиме смены длин волн с двумя или тремя длинами волн в указанном спектральном диапазоне;
дугообразный волоконно-оптический жгут, выполненный с возможностью вращения вокруг груди для доставки мгновенных импульсов лазерного излучения ко всей груди;
емкость для формирования изображения, имеющую форму со сферической поверхностью, соответствующую груди;
по меньшей мере один дугообразный оптоакустический массив сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей, выполненный с возможностью обнаружения ультразвуковых сигналов в пределах сверхширокой полосы, составляющей от 50 кГц до 6 МГц, сгенерированных в груди мгновенными импульсами лазерного излучения;
по меньшей мере один дугообразный ультразвуковой массив ультразвуковых преобразователей, выполненный с возможностью передачи импульсов ультразвука в грудь и обнаружения ультразвуковых сигналов, отраженных от груди или переданных через грудь;
оптически прозрачную и звукопроницаемую связующую среду, которая заполняет емкость для формирования изображения, и через которую обеспечена возможность передачи мгновенных импульсов лазерного излучения и импульсов ультразвука; и
электронную подсистему, содержащую:
многоканальную электронную систему сбора данных, содержащую аналоговые предварительные усилители, аналого-цифровые преобразователи и платы для хранилища цифровых данных, их обработки и передачи, при этом указанная система сбора данных выполнена управляемой микропроцессором (микропроцессорами) с программируемой пользователем вентильной матрицей;
компьютер, имеющий электронную связь с многоканальной электронной системой сбора данных и содержащий многоядерный центральный процессор (CPU) и многоядерный графический процессор (GPU), и хранящееся в материальных средствах программное обеспечение, выполненное с возможностью управления указанными процессорами CPU и GPU, для управления системой, обработки сигналов, реконструкции изображений и совмещения изображений; и
дисплей с высоким разрешением, имеющий электронное соединение с компьютером, для представления реконструированного изображения груди оператору системы LOUISA.
20. Система LOUISA по п. 19, в которой двумя сменяющимися длинами волн являются волны с длиной 757 нм и 850 нм.
21. Система LOUISA по п. 19, в которой тремя сменяющимися длинами волн являются волны с длиной 757 нм, 800 нм и 850 нм или 757 нм, 800 нм и 1064 нм.
22. Система LOUISA по п. 19, в которой оптоакустический массив сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей и ультразвуковой массив ультразвуковых преобразователей объединены в один массив.
23. Система LOUISA по п. 19, в которой дугообразный волоконный жгут, дугообразный оптоакустический массив и дугообразный ультразвуковой массив выполнены с возможностью независимогого вращения вокруг груди для облучения всей груди для каждого положения оптоакустического массива и ультразвукового массива.