УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫХ ТОМОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
DEVICE FOR OBTAINING FLUORESCENT TOMOGRAPHIC IMAGES

Изобретение относится к медицине, в частности к медицинской диагностике, и может быть использовано для получения флуоресцентных томографических (трехмерных) изображений большого разрешения в интересующей области исследуемого объекта.
Томография - решение обратной задачи, т.е. восстановление внутренней структуры исследуемого объекта по данным, которые получены в результате серии измерений при различных положениях источника излучения и приемника относительно объекта. Оптическая диффузионная томография (ОДТ) основана на получении информации из сильно рассеянной (диффузной) компоненты зондирующего излучения, которая может проникать в биоткань на глубину порядка нескольких сантиметров. ОДТ определяет поглощающие и рассеивающие неоднородности внутри биоткани при обработке сигнала от прошедшего через ткань лазерного излучения. Как и для любого другого трансмиссионного метода, задача обработки сигнала сводится к реконструкции распределения поглощения и рассеяния по измеренному набору интегралов по траекториям. В отличие от рентгеновской просветной томографии, где можно считать трассы лучей прямыми, здесь этого сделать нельзя из-за сильного рассеяния оптического излучения биологическими тканями. ОДТ целесообразно применять для получения изображения объектов на глубине от 1 см. ОДТ является высокочувствительным неразрушающим методом и может использоваться для оперативной медицинской диагностики.
Контраст изображения отдельных структур биоткани и их изменений может быть существенно улучшен за счет использования эффекта флуоресценции. При этом облучение объекта происходит на длине возбуждения флуоресцирующих веществ, а детектирование сигнала как на длине волны зондирующего излучения, так и в спектре флуоресценции вещества. Флуоресцирующими веществами могут быть экзогенные и эндогенные флуорофоры.
Известно несколько вариантов установок, использующих метод флуоресцентной диффузионной томографии, отличающихся типом источника зондирующего излучения:
импульсная, модуляционная и непрерывная.
2
3
В импульсной оптической томографии в качестве источника излучения используется, как правило, Ti:АlО фемтосекундный лазер, генерирующий мощные короткие импульсы, а флуоресценция детектируется устройствами с высоким временным разрешением. Эффективность установки для импульсной томографии очень высока, поскольку о флуорофоре можно судить не только по интенсивности флуоресцентного сигнала, но и по релаксации флуоресцентного свечения, развернутой во времени. Однако помимо высокой стоимости эти установки сложны в использовании, требуют большого времени сканирования исследуемого объекта и обладают низкой чувствительностью по сравнению с непрерывной и модуляционной томографией.
В модуляционной оптической томографии лазерное излучение модулируется по амплитуде, а прошедший через ткань сигнал регистрируется и подается на вход синхронного детектора, что позволяет вычислить амплитуду и фазу флуоресцентного сигнала. Фаза флуоресцентного сигнала позволяет измерить важный параметр, характеризующий флуорофор, - время релаксации свечения флуорофора. Этот параметр может быть также найден и в импульсной томографии по релаксации флуоресцентного свечения, развернутой во времени. Информации в этих параметрах содержится меньше, чем в измеряемых параметрах при импульсной томографии, однако данная конфигурация не требует использования сложных дорогостоящих лазеров и камер. По сравнению с импульсной и непрерывной томографией модуляционная обладает наибольшей чувствительностью.
В непрерывной томографии отсутствует какая-либо модуляция интенсивности облучающего света. Это наиболее простой вариант технического решения, направленного на получение флуоресцентных изображений, который дает минимальную информацию об исследуемом объекте.
6
По патенту US 5832922, МПК А61В 6/00 публ. 10.11.1998 известно устройство оптической диффузионной томографии, включающее в себя лазерный источник непрерывного излучения, приемник излучения, соединенный с блоком обработки сигнала. Сформированный широкий пучок зондирующего излучения от лазерного источника направляется на исследуемый объект. Рассеянное от исследуемого объекта излучение попадает на приемник излучения. Затем в блоке обработки сигнала происходит его оцифровка и последующая математическая обработка с выводом изображения на экран. Недостатком данного устройства является невозможность повышения контрастности в случае получения изображений малоконтрастных структур.
7
По патенту US 6304771, МПК А61В 6/00 16.10.2001 известно устройство модуляционной диффузионной томографии, работающее по принципу, что и устройство по патенту US 5832922, но включающее в себя дополнительные конструктивные элементы, такие как: генератор, модулятор и синхронный детектор, необходимые для регистрации фазы огибающей зондирующего излучения. За счет измерения фазы сигнала данное устройство позволяет получать томографические изображения объектов, преломляющих свет, внутри однородной сильно рассеивающей среды с использованием единственного волоконно-оптического выхода источника излучения и единственного волоконно-оптического входа приемника. В другом варианте выполнения за счет использования нескольких волоконно-оптических выходов источника излучения, помимо регистрации фазы огибающей зондирующего излучения, приведенное устройство позволяет получать томографические изображения флуоресцирующего объекта внутри оптически мутной среды. Использование флуорофора позволяет повысить контрастность получаемых изображений. Однако данное устройство имеет низкое пространственное разрешение из-за отсутствия возможности сканирования исследуемой среды.
7
Ближайшим аналогом разработанного устройства получения флуоресцентных томографических (трехмерных) изображений является устройство флуоресцентной молекулярной томографии (патент US 6615063, МПК А61В 5/00 публ. 02.09.2003), которое включает лазерный источник излучения с множеством оптоволоконных выходов (оптоволоконная матрица), приемник излучения с множеством оптоволоконных входов, блок обработки сигнала и визуализации. Излучение от лазерного источника через оптоволоконные выходы попадает на исследуемый объект, в который предварительно введен флуорофор. Флуоресцентное излучение от исследуемого объекта принимается оптоволоконными входами приемника излучения, в качестве которого используется CCD-камера, и далее поступает в блок обработки сигнала и визуализации. При этом двумерное сканирование источником излучения осуществляется за счет переключения от одного оптоволоконного выхода к другому, а сканирование приемником осуществляется за счет переключения оптоволоконных входов. На экран выводится изображение флуоресцирующего объекта.
Однако пространственное разрешение данной системы зависит от фиксированного взаимного расположения оптоволоконных выходов источника излучения и входов приемника, а также от их общего количества и ограничено диаметром оптоволокна, поэтому данное устройство не позволяет детально исследовать интересующую область, поскольку невозможно сделать шаг сканирования меньше диаметра волокна.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение пространственного разрешения устройства получения флуоресцентных томографических изображений, а также упрощение его конструкции.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанное устройство получения флуоресцентных томографических изображений так же, как и устройство, которое является ближайшим аналогом, содержит лазерный источник излучения, приемник излучения, блок обработки сигнала и визуализации.
Новым в разработанном устройстве получения флуоресцентных томографических изображений является то, что лазерный источник излучения выполнен с возможностью модуляции по амплитуде и снабжен, по крайней мере, одним волоконно-оптическим выходом, который снабжен системой электромеханических подвижек, а приемник излучения снабжен, по крайней мере, одним волоконно-оптическим входом, который снабжен собственной системой электромеханических подвижек, при этом обе системы электромеханических подвижек электрически соединены с блоком управления движением упомянутых волоконно-оптического выхода и волоконно-оптического входа, обеспечивающим их независимое друг от друга перемещение с задаваемыми шагом и пространственным сдвигом волоконно-оптического выхода источника излучения относительно волоконно-оптического входа приемника, при этом блок обработки сигнала и визуализации снабжен оригинальным программным обеспечением для построения трехмерного изображения интересующей области исследуемого объекта в плоской модели сканирования.
Таким образом, за счет независимого перемещения волоконно-оптических выхода источника и входа приемника с произвольным шагом сканирования (от шага, сравнимого с размером исследуемого объекта, до бесконечно малого) и пространственным сдвигом относительно друг друга, возможно создание бесконечного набора виртуальных входов приемника и выходов источника излучения с помощью системы электромеханических подвижек и, по крайней мере, единственной пары оптоволоконных входа и выхода. Это позволяет получить лучшее пространственное разрешение по сравнению с известными аналогами и прототипом и существенно упростить конструкцию устройства заданного назначения, а следовательно, повысить его надежность. Применение же низкочастотной модуляции источника излучения по амплитуде с последующим синхронным детектированием сигнала, прошедшего через исследуемый объект, позволяет получить лучшее соотношение сигнала к шуму по сравнению с ближайшим аналогом.
В частном случае реализации разработанного устройства приемник излучения снабжен несколькими волоконно-оптическими входами.
В другом частном случае реализации разработанное устройство содержит блок преобразования частоты, один из входов которого соединен с приемником излучения, а выход соединен с блоком обработки сигнала и визуализации.
На фиг.1 представлена схема реализации устройства получения флуоресцентных томографических изображений.
На фиг.2 представлена схема реализации устройства получения флуоресцентных томографических изображений с блоком преобразования частоты.
x
y
На фиг.3 представлен пример флуоресцентного изображения объекта и флуоресцентные изображения области детального исследования, получаемые при сканировании с различным пространственным сдвигом между выходом источника и входом приемника (d, d), а также результаты трехмерного восстановления распределения флуорофора (двухмерное распределение флуорофора по осям Х и Y при различных глубинах Z).
Устройство по фиг.1 в соответствии с п.1 формулы содержит лазерный источник излучения 1, модулированный по амплитуде на низкой частоте, волоконно-оптический выход 2 от лазерного источника излучения 1, систему электромеханических подвижек 3 волоконно-оптического выхода 2, приемник излучения 4, волоконно-оптический вход 5 приемника излучения 4, систему электромеханических подвижек 6 волоконно-оптического входа 5, блок обработки сигнала и визуализации 7, блок управления движением 8 волоконно-оптического выхода 2 и волоконно-оптического входа 5. Обе системы электромеханических подвижек 3 и 6 имеют регулируемые шаг перемещения и начальное положение и соединены с блоком управления движением 8.
В конкретной реализации устройства получения флуоресцентных томографических изображений для флуоресцирующих белков DsRED2 в качестве лазерного источника излучения 1 был использован Nd:YAG лазер с удвоением частоты (лазер АТС-53-250 ЗАО «Полупроводниковые приборы», Санкт-Петербург) с амплитудной модуляцией на частоте 1 кГц. В качестве приемника излучения 4 был использован охлаждаемый высокочувствительный фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) Н7422-20 (пр-во фирмы «Hamamatsu»). В качестве системы электромеханических подвижек 3 и 6 были использованы прецизионные линейные направляющие и каретки фирмы «SBG» (Южная Корея), управляемые шаговыми двигателями с контроллерами MDrive Intelligent Motion Systems, Inc. (США).
Излучение от лазерного источника 1 через волоконно-оптический выход 2 попадает на исследуемый объект 9. Прошедшее через исследуемый объект 9 излучение собирается волоконно-оптическим входом 5, поступает на приемник излучения 4 и далее в блок обработки сигнала и визуализации 7. Поскольку волоконно-оптический выход 2 лазерного источника излучения 1 снабжен системой электромеханических подвижек 3, а волоконно-оптический вход 5 приемника излучения 4 снабжен своей системой электромеханических подвижек 6, то это позволяет производить сканирование волоконно-оптическим выходом 2 по двум координатам поверхности, образованной системой электромеханических подвижек 3, а также производить сканирование волоконно-оптическим входом 5 по двум координатам поверхности, образованной системой электромеханических подвижек 6 как согласованно, так и независимо друг от друга. Таким образом, в разработанном устройстве предусмотрена возможность сканирования исследуемого объекта 9 с малым разрешением (большим шагом) для поиска области, требующей детального изучения (область с наличием флуоресцирующих включений) и детальное исследование любой интересующей области объекта 9 с необходимым высоким разрешением (малым шагом сканирования) для последующего построения трехмерного изображения флуоресцирующей области (синхронное сканирование объекта 9 с различными пространственными сдвигами между волоконно-оптическим выходом 2 источника излучения 1 и волоконно-оптическим входом 5 приемника излучения 4) за счет решения обратной задачи, с использованием оригинального программного обеспечения для плоской модели сканирования (в изобретении, которое является ближайшим аналогом, используется цилиндрическая модель сканирования, а следовательно, и другое программное обеспечение для решения обратной задачи). Примеры полученных в разработанном устройстве флуоресцентных изображений приведены на фиг.3.
Устройство по фиг.2 в соответствии с п.3 формулы содержит лазерный источник излучения 1, модулированный по амплитуде на высокой частоте, волоконно-оптический выход 2 от лазерного источника излучения 1, систему электромеханических подвижек 3 волоконно-оптического выхода 2 лазерного источника излучения 1, приемник излучения 4, волоконно-оптический вход 5 приемника излучения 4, систему электромеханических подвижек 6 волоконно-оптического входа 5, блок обработки сигнала и визуализации 7, блок управления движением 8 волоконно-оптического выхода 2 и входа 5, блок преобразования 10 частоты, один из входов которого соединен с приемником излучения 4, а выход соединен с блоком обработки сигнала и визуализации 7. Обе системы электромеханических подвижек 3 и 6 имеют регулируемые шаг перемещения и начальное положение и соединены с блоком управления движением 8. Блок преобразования 10 частоты установлен между приемником излучения 4, блоком обработки сигнала и визуализации 7 и соединен с источником излучения 1.
Особенностью работы предлагаемого устройства получения флуоресцентных томографических изображений по фиг.2 является то, что применение блока преобразования 10 частоты позволяет получить фазу огибающей флуоресцентного сигнала при высокочастотной модуляции излучения по амплитуде. При низкочастотной модуляции излучения по амплитуде преобразования частоты не требуется, поскольку на низких частотах сигнал может быть оцифрован без понижения частоты. При высокочастотной модуляции невозможно оцифровать сигнал без понижения его частоты. Блок преобразования 10 частоты понижает частоту флуоресцентного сигнала до той, которая может быть оцифрована.
Таким образом, использование в разработанном устройстве, по крайней мере, одного волоконно-оптического выхода, снабженного системой электромеханических подвижек, и, по крайней мере, одного волоконно-оптического входа, снабженного своей системой электромеханических подвижек, а также обеих независимых систем электромеханических подвижек, электрически соединенных с блоком управления движением упомянутых волоконно-оптического выхода и волоконно-оптического входа, позволяет проводить детальное исследование интересующей области исследуемого объекта с последующим построением трехмерного изображения этой области и получать высокое пространственное разрешение. Использование низкочастотной амплитудной модуляции источника излучения позволяет улучшить соотношение сигнала к шуму, а высокочастотная амплитудная модуляция источника излучения позволяет регистрировать фазу сигнала и получать более точную информацию о местоположении флуоресцирующего объекта внутри сильно рассеивающей среды.
Область применения разработанного устройства может быть весьма широкой благодаря возможности детального изучения интересующей области исследуемого объекта.